(57)【要約】【課題】位相シフト法を利用して高さ計測を行うにあたり、計測時間の短縮化を図ることのできる三次元計測装置及び三次元計測方法を提供する。【解決手段】基板検査装置１は、プリント基板２の表面に対し斜め上方から所定の光パターンを照射する照明装置４と、プリント基板２上の光パターンの照射された部分を撮像するカメラ５と、基板検査装置１内における各種制御や画像処理、演算処理を実施する制御装置６とを備えている。制御装置６は、所定の撮像条件により定まる光パターンのゲイン及びオフセットの関係と、画像データ上の被計測座標の輝度値から定まる、該被計測座標に係る光パターンのゲイン又はオフセットの値とを利用することにより、２通りに位相変化させた光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に位相シフト法により被計測座標の高さ計測を実行する。【選択図】      図１
2016211986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光を発する光源、及び、当該光源からの光を縞状の光強度分布を有する光パターンに変換する格子を有し、当該光パターンを少なくとも被計測物に対し照射可能な照射手段と、
前記格子の移送又は切替を制御し、前記照射手段から照射する前記光パターンの位相を複数通りに変化可能な位相制御手段と、
前記光パターンの照射された前記被計測物からの反射光を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データを基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備え、
前記画像処理手段は、
所定の撮像条件により定まる前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係と、
前記画像データ上の被計測座標の輝度値から定まる、該被計測座標に係る前記光パターンのゲイン又はオフセットの値とを利用することにより、
２通りに位相変化させた前記光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に位相シフト法により前記被計測座標の高さ計測を実行可能としたことを特徴とする三次元計測装置。
【請求項２】
前記ゲイン及びオフセットの関係は、前記ゲインと前記オフセットとが相互に一義的に定まる関係であることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項３】
前記ゲイン及びオフセットの関係は、前記ゲインと前記オフセットとが比例関係であることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項４】
前記２通りに位相変化させた光パターンの相対位相関係をそれぞれ０、γとしたときの前記２通りの画像データの各画素の輝度値をそれぞれＶ0、Ｖ1とした場合に、
前記画像処理手段は、
下記式（１）、（２）、（３）の関係を満たす位相角θを求め、該位相角θに基づき前記高さ計測を行うことを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
Ｖ0＝Ａsinθ＋Ｂ            ・・・（１）
Ｖ1＝Ａsin（θ＋γ）＋Ｂ    ・・・（２）
Ａ＝ＫＢ                    ・・・（３）
但し、γ≠０、Ａ：ゲイン、Ｂ：オフセット、Ｋ：比例定数。
【請求項５】
γ＝１８０°としたことを特徴とする請求項４に記載の三次元計測装置。
【請求項６】
γ＝９０°としたことを特徴とする請求項４に記載の三次元計測装置。
【請求項７】
予めキャリブレーション又は別途行った計測結果により算出した前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係を記憶する記憶手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の三次元計測装置。
【請求項８】
前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係を、前記２通りに位相変化させた前記光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に求めることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の三次元計測装置。
【請求項９】
所定の光を発する光源、及び、当該光源からの光を縞状の光強度分布を有する光パターンに変換する格子を有し、当該光パターンを少なくとも被計測物に対し照射可能な照射手段と、
前記格子の移送又は切替を制御し、前記照射手段から照射する前記光パターンの位相を複数通りに変化可能な位相制御手段と、
前記光パターンの照射された前記被計測物からの反射光を撮像可能な撮像手段とを備えた三次元計測装置によって行われる三次元計測方法であって、
所定の撮像条件により定まる前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係を予めキャリブレーション又は別途行った計測結果により求める関係取得工程と、
２通りに位相変化させた前記光パターンの下で撮像した２通りの画像データを取得する画像取得工程と、
前記関係取得工程において求めた前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係と、前記画像データ上の被計測座標の輝度値から定まる該被計測座標に係る前記光パターンのゲイン又はオフセットの値とを利用して、前記２通りの画像データを基に位相シフト法により前記被計測座標の高さ計測を行う計測工程とを備えたことを特徴とする三次元計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相シフト法を利用して高さ計測を行う三次元計測装置及び三次元計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プリント基板上に電子部品を実装する場合、まずプリント基板上に配設された所定の電極パターン上にクリームハンダが印刷される。次に、該クリームハンダの粘性に基づいてプリント基板上に電子部品が仮止めされる。その後、前記プリント基板がリフロー炉へ導かれ、所定のリフロー工程を経ることでハンダ付けが行われる。昨今では、リフロー炉に導かれる前段階においてクリームハンダの印刷状態を検査する必要があり、かかる検査に際して三次元計測装置が用いられることがある。
【０００３】
近年、光を用いたいわゆる非接触式の三次元計測装置が種々提案されており、例えば位相シフト法を用いた三次元計測装置に関する技術が提案されている。
【０００４】
当該位相シフト法を利用した三次元計測装置においては、所定の光を発する光源と、当該光源からの光を正弦波状（縞状）の光強度分布を有する光パターンに変換する格子との組み合わせからなる照射手段により、光パターンを被計測物（この場合プリント基板）に照射する。そして、基板上の点を真上に配置した撮像手段を用いて観測する。撮像手段としては、レンズ及び撮像素子等からなるＣＣＤカメラ等が用いられる。
【０００５】
上記構成の下、撮像手段により撮像された画像データ上の各画素の光の強度（輝度）Ｉは下式（Ｔ１）で与えられる。
【０００６】
Ｉ＝ｆ・sinφ＋ｅ    ・・（Ｔ１）
但し、ｆ：ゲイン、ｅ：オフセット、φ：その画素における正弦波の位相角。
【０００７】
ここで、上記格子を切替制御することにより、光パターンの位相を例えば４段階（φ＋０、φ＋９０°、φ＋１８０°、φ＋２７０°）に変化させ、これらに対応する強度分布Ｉ0、Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3をもつ画像データを取り込み、下記式（Ｔ２）に基づいてｆ（ゲイン）とｅ（オフセット）をキャンセルし、位相角φを求める。
【０００８】
φ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ1−Ｉ3）／（Ｉ2−Ｉ0）｝  ・・（Ｔ２）
そして、この位相角φを用いて、三角測量の原理に基づき、プリント基板（クリームハンダ）上の被計測座標（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）が算出される（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
例えば、被計測座標（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）が「０」の場合、当該座標（Ｘ，Ｙ）に照射されるパターン光の位相角φは「０°」となり、所定の高さを有する場合には位相角φが「１０°」となるといったように、当該座標（Ｘ，Ｙ）に係る位相角φは、その高さにより変化する。
【００１０】
これに対し、近年では、光パターンの位相を３段階に変化させ、３通りの画像データから位相角φを取得する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平５−２８０９４５号公報
【特許文献２】特開２００２−８１９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来の三次元計測装置においては、位相を４段階又は３段階に変化させ、これらに対応する強度分布をもつ４通り又は３通りの画像を撮像する必要がある。つまり、１つのポイントに関し撮像を４回又は３回行う必要があるため、撮像に時間を要し、計測時間が長くなるおそれがある。そのため、計測時間のさらなる短縮化が求められていた。
【００１３】
尚、上記課題は、必ずしもプリント基板上に印刷されたクリームハンダ等の高さ計測に限らず、他の三次元計測装置の分野においても内在するものである。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相シフト法を利用して高さ計測を行うにあたり、計測時間の短縮化を図ることのできる三次元計測装置及び三次元計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。
【００１６】
手段１．所定の光を発する光源、及び、当該光源からの光を縞状の光強度分布を有する光パターンに変換する格子を有し、当該光パターンを少なくとも被計測物に対し照射可能な照射手段と、
前記格子の移送又は切替を制御し、前記照射手段から照射する前記光パターンの位相を複数通りに変化可能な位相制御手段と、
前記光パターンの照射された前記被計測物からの反射光を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データを基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備え、
前記画像処理手段は、
所定の撮像条件により定まる前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係と、
前記画像データ上の被計測座標の輝度値から定まる、該被計測座標に係る前記光パターンのゲイン又はオフセットの値とを利用することにより、
２通りに位相変化させた前記光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に位相シフト法により前記被計測座標の高さ計測を実行可能としたことを特徴とする三次元計測装置。
【００１７】
上記手段１によれば、所定の撮像条件により定まる光パターンのゲインＡ及びオフセットＢの関係〔例えばＡ＝Ｋ（比例定数）×Ｂ〕と、画像データ上の被計測座標（ｘ，ｙ）の輝度値Ｖ（ｘ，ｙ）から定まる、該被計測座標（ｘ，ｙ）に係る光パターンのゲインＡ（ｘ，ｙ）又はオフセットＢ（ｘ，ｙ）の値とを利用することにより、２通りに位相変化させた光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に位相シフト法により被計測座標の高さ計測を行うことができる。
【００１８】
このように、本手段では、２通りの画像データに基づいて被計測物の高さ計測を行うことができることから、１つのポイントに関し４回又は３回の撮像を必要とする従来技術に比べて、総合的な撮像回数が少なくて済み、撮像時間を短縮することができる。結果として、計測時間を飛躍的に短縮することができる。
【００１９】
尚、光源から照射された光は、まず格子を通過する際に減衰され、次に被計測物にて反射する際に減衰され、最後に撮像手段においてＡ／Ｄ変換（アナログ−デジタル変換）される際に減衰された上で、画像データの各画素の輝度値として取得される。
【００２０】
従って、撮像手段により撮像された画像データの各画素の輝度値は、光源の明るさ、光源から照射された光が格子を通過する際の減衰率、光が被計測物にて反射する際の反射率、撮像手段においてＡ／Ｄ変換（アナログ−デジタル変換）される際の変換効率等を掛け合わせることにより表現することができる。
【００２１】
例えば、光源（均一光）の明るさ：Ｌ
格子の透過率：Ｇ＝αsinθ＋β
α，βは任意の定数。
【００２２】
被計測物上の座標 (x,y)における反射率：Ｒ(x,y)
撮像手段（撮像素子）の各画素の変換効率：Ｅ
被計測物上の座標(x,y)に対応する画像上の画素の輝度値：Ｖ(x,y)
被計測物上の座標(x,y)における光パターンのゲイン：Ａ(x,y)
被計測物上の座標(x,y)における光パターンのオフセット：Ｂ(x,y)
とした場合には、下記式（Ｆ１）で表すことができる。
【００２３】
【数１】
2016211986.tif 000003
【００２４】
ここで、ゲインＡ(x,y)は、「sinθ＝1」の光による輝度値Ｖ(x,y)MAXと、「sinθ＝−1」の光による輝度値Ｖ(x,y)MINとの差から表すことができるので、
例えば、格子がθ＝０の時の透過率（＝平均透過率）：Ｇθ=0
格子がθ＝π／２の時の透過率（＝最大透過率）：Ｇθ=π/2
格子がθ＝−π／２の時の透過率（＝最小透過率）：Ｇθ=-π/2
とした場合には、下記式（Ｆ２）で表すことができる。
【００２５】
【数２】
2016211986.tif 000004
【００２６】
また、オフセットＢ(x,y)は、「sinθ＝0」の光における輝度値Ｖ(x,y)であって、「sinθ＝1」の光による輝度値Ｖ(x,y) MAXと、「sinθ＝−1」の光による輝度値Ｖ(x,y) MINとの平均値であるので、下記式（Ｆ３）で表すことができる。
【００２７】
【数３】
2016211986.tif 000005
【００２８】
つまり、輝度値の最大値Ｖ(x,y)MAX、最小値Ｖ(x,y)MIN、平均値Ｖ(x,y)AVはそれぞれ下記式（Ｆ４）、（Ｆ５）、（Ｆ６）で表すことができ、図３のグラフに示すような関係となる。
【００２９】
【数４】
2016211986.tif 000006
【００３０】
図３から見てとれるように、所定の座標(x,y)における輝度値の最大値Ｖ(x,y)MAXと輝度値の最少値Ｖ(x,y)MINの平均値Ｖ(x,y)AVがオフセットＢ(x,y)となり、該オフセットＢ(x,y)と最大値Ｖ(x,y)MAXとの差、及び、該オフセットＢ(x,y)と最少値Ｖ(x,y)MINとの差がそれぞれゲインＡ(x,y)となる。
【００３１】
また、輝度値Ｖ(x,y)は、光源の明るさＬ又は反射率Ｒ(x,y)に比例して変化するため、例えば反射率Ｒが半分となる座標位置では、ゲインＡやオフセットＢの値も半分となる。
【００３２】
次に上記式（Ｆ２）、（Ｆ３）を下記式（Ｆ２´）、（Ｆ３´）とした上で、両者を合わせて整理すると、下記式（Ｆ７）が導き出せる。
【００３３】
【数５】
2016211986.tif 000007
【００３４】
さらに、上記式（Ｆ７）をＡ(x,y)について解くと、下記式（Ｆ８）となり、図４に示すグラフのように表すことができる。
【００３５】
【数６】
2016211986.tif 000008
【００３６】
つまり、光源の明るさＬ又は反射率Ｒ(x,y)の一方を固定して他方を変化させた場合には、オフセットＢ(x,y)が増減すると共に、該オフセットＢ(x,y)に比例してゲインＡ(x,y)も増減することとなる。かかる式（Ｆ８）により、ゲインＡ又はオフセットＢの一方が分かれば、他方を求めることができる。ここで、比例定数Ｋは、光源の明るさＬや反射率Ｒとは無関係に、格子の透過率Ｇにより定まる。つまり、下記の手段２，３のように換言することができる。
【００３７】
手段２．前記ゲイン及びオフセットの関係は、前記ゲインと前記オフセットとが相互に一義的に定まる関係であることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。
【００３８】
ゲインＡとオフセットＢとが相互に一義的に定まる関係であれば、例えばゲインＡとオフセットＢとの関係を表した数表やテーブルデータを作成することにより、ゲインＡからオフセットＢ、或いは、オフセットＢからゲインＡを求めることが可能となる。
【００３９】
手段３．前記ゲイン及びオフセットの関係は、前記ゲインと前記オフセットとが比例関係であることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。
【００４０】
ゲインとオフセットとが比例関係であれば、例えばＡ＝Ｋ×Ｂ＋Ｃ〔但し、Ｃ：カメラの暗電流（オフセット）〕のような関係式で表すことができ、ゲインＡからオフセットＢ、或いは、オフセットＢからゲインＡを求めることが可能となる。ひいては下記の手段４のような構成とすることができる。
【００４１】
手段４．前記２通りに位相変化させた光パターンの相対位相関係をそれぞれ０、γとしたときの前記２通りの画像データの各画素の輝度値をそれぞれＶ0、Ｖ1とした場合に、
前記画像処理手段は、
下記式（１）、（２）、（３）の関係を満たす位相角θを求め、該位相角θに基づき前記高さ計測を行うことを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。
【００４２】
Ｖ0＝Ａsinθ＋Ｂ            ・・・（１）
Ｖ1＝Ａsin（θ＋γ）＋Ｂ    ・・・（２）
Ａ＝ＫＢ                    ・・・（３）
但し、γ≠０、Ａ：ゲイン、Ｂ：オフセット、Ｋ：比例定数。
【００４３】
上記手段４によれば、上記式（３）を上記式（１）に代入することにより、下記式（４）を導き出すことができる。
【００４４】
Ｖ0＝ＫＢsinθ＋Ｂ      ・・・（４）
これをオフセットＢについて解くと、下記式（５）を導き出すことができる。
【００４５】
Ｂ＝Ｖ0／（Ｋsinθ＋１）    ・・・（５）
また、上記式（３）を上記式（２）に代入することにより、下記式（６）を導き出すことができる。
【００４６】
Ｖ1＝ＫＢsin（θ＋γ）＋Ｂ    ・・・（６）
上記式（６）を上記式（５）に代入し、下記［数７］に示すように整理していくと、下記式（７）を導き出すことができる。
【００４７】
【数７】
2016211986.tif 000009
【００４８】
ここで、「Ｖ0cosγ−Ｖ1＝ａ」、「Ｖ0sinγ＝ｂ」、「（Ｖ0−Ｖ1）／Ｋ＝ｃ」と置くと、上記式（７）は下記式（８）のように表すことができる。
【００４９】
ａsinθ＋ｂcosθ＋ｃ＝０    ・・・（８）
ここで、下記［数８］に示すように、上記式（８）を位相角θについて解いていくと、下記［数９］に示す下記式（９）を導き出すことができる。
【００５０】
【数８】
2016211986.tif 000010
【００５１】
【数９】
2016211986.tif 000011
【００５２】
従って、上記手段４における『下記式（１）、（２）、（３）の関係を満たす位相角θを求め、該位相角θに基づき前記高さ計測を行うこと』とあるのは、『下記式（９）に基づき位相角θを求め、該位相角θに基づき前記高さ計測を行うこと』と換言することができる。勿論、位相角θを得るアルゴリズムは、上記式（９）に限定されるものではなく、上記式（１）、（２）、（３）の関係を満たすものであれば、他の構成を採用してもよい。
【００５３】
尚、上述したカメラの暗電流Ｃ等を考慮すれば、計測精度のさらなる向上を図ることができる。
【００５４】
手段５．γ＝１８０°としたことを特徴とする手段４に記載の三次元計測装置。
【００５５】
上記手段５によれば、位相が１８０°異なる２通りの光パターンの下で２回の撮像を行うこととなる。
【００５６】
上記式（２）においてγ＝１８０°とすることで下記式（１０）が導き出される。
【００５７】
Ｖ1＝Ａsin（θ＋１８０°）＋Ｂ
＝−Ａsinθ＋Ｂ    ・・・（１０）
そして、上記式（１），（１０）から下記式（１１）を導き出すことができ、これをオフセットＢについて解くと、下記式（１２）を導き出すことができる。
【００５８】
Ｖ0＋Ｖ1＝２Ｂ    ・・・（１１）
Ｂ＝（Ｖ0＋Ｖ1）／２  ・・・（１２）
さらに、上記式（１２）を上記式（３）に代入することにより、下記式（１３）を導き出すことができる。
【００５９】
Ａ＝ＫＢ
＝Ｋ（Ｖ0＋Ｖ1）／２  ・・・（１３）
また、上記式（１）を「sinθ」について整理すると、下記式（１´）のようになる。
【００６０】
sinθ＝（Ｖ0−Ｂ）／Ａ  ・・・（１´）
そして、上記式（１´）に、上記式（１２），（１３）を代入することにより、下記式（１４）を導き出すことができる。
【００６１】
sinθ＝｛Ｖ0−（Ｖ0＋Ｖ1）／２｝／｛Ｋ（Ｖ0＋Ｖ1）／２｝
＝（Ｖ0−Ｖ1）／Ｋ（Ｖ0＋Ｖ1）  ・・・（１４）
ここで、上記式（１４）を位相角θについて解くと、下記式（１５）を導き出すことができる。
【００６２】
θ＝sin-1［（Ｖ0−Ｖ1）／Ｋ（Ｖ0＋Ｖ1）］  ・・・（１５）
つまり、位相角θは、既知の輝度値Ｖ0，Ｖ1及び定数Ｋにより特定することができる。
【００６３】
このように、上記手段５によれば、比較的簡単な演算式に基づいて位相角θを求めることができ、被計測物の高さ計測を行うに際し、さらなる処理の高速化が可能となる。
【００６４】
手段６．γ＝９０°としたことを特徴とする手段４に記載の三次元計測装置。
【００６５】
上記手段６によれば、位相が９０°異なる２通りの光パターンの下で２回の撮像を行うこととなる。
【００６６】
上記式（２）においてγ＝９０°とすることで下記式（１６）が導き出される。
【００６７】
Ｖ1＝Ａsin（θ＋９０°）＋Ｂ
＝Ａcosθ＋Ｂ  ・・・（１６）
上記式（１６）を「cosθ」について整理すると、下記式（１７）のようになる。
【００６８】
cosθ＝（Ｖ1−Ｂ）／Ａ  ・・・（１７）
また、上記式（１）を「sinθ」について整理すると、上述したように下記式（１´）のようになる。
【００６９】
sinθ＝（Ｖ0−Ｂ）／Ａ  ・・・（１´）
次に上記式（１´）、（１７）を下記式（１８）に代入すると下記式（１９）のようになり、さらにこれを整理することで、下記式（２０）が導き出される。
【００７０】
sin2θ＋cos2θ＝１  ・・・（１８）
｛（Ｖ0−Ｂ）／Ａ｝2＋｛（Ｖ1−Ｂ）／Ａ｝2＝１  ・・・（１９）
（Ｖ0−Ｂ）2＋（Ｖ1−Ｂ）2＝Ａ2  ・・・（２０）
そして、上記式（２０）に対し上記式（３）を代入すると下記式（２１）のようになり、さらにこれを整理することで、下記式（２２）が導き出される。
【００７１】
（Ｖ0−Ｂ）2＋（Ｖ1−Ｂ）2＝Ｋ2Ｂ2    ・・・（２１）
（２−Ｋ2）Ｂ2−２（Ｖ0＋Ｖ1）Ｂ＋Ｖ02Ｖ12＝０  ・・・（２２）
ここで、上記式（２２）をオフセットＢについて解くと、下記式（２３）を導き出すことができる。
【００７２】
【数１０】
2016211986.tif 000012
【００７３】
つまり、オフセットＢは、既知の輝度値Ｖ0，Ｖ1及び定数Ｋにより特定することができる。
【００７４】
また、下記式（２４）に上記式（１´）、（１７）を代入すると下記式（２５）のようになり、さらにこれを整理することで、下記式（２６）が導き出される。
【００７５】
tanθ＝sinθ／cosθ  ・・・（２４）
＝｛（Ｖ0−Ｂ）／Ａ｝／｛（Ｖ1−Ｂ）／Ａ｝  ・・・（２５）
＝（Ｖ0−Ｂ）／（Ｖ1−Ｂ）      ・・・（２６）
そして、上記式（２６）を位相角θについて解くと、下記式（２７）を導き出すことができる。
【００７６】
θ＝tan-1｛（Ｖ0−Ｂ）／（Ｖ1−Ｂ）｝  ・・（２７）
つまり、位相角θは、上記式（２３）を用いることにより、既知の輝度値Ｖ0，Ｖ1及び定数Ｋにより特定することができる。
【００７７】
このように、上記手段６によれば、「tan-1」を用いた演算式に基づいて位相角θを求めることができるため、−１８０°〜１８０°の３６０°の範囲で高さ計測可能となり、計測レンジをより大きくすることができる。
【００７８】
手段７．予めキャリブレーション又は別途行った計測結果により算出した前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係を記憶する記憶手段を備えていることを特徴とする手段１乃至６のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００７９】
例えば基準板に対し３通り又は４通りに位相変化させた光パターンを照射し、これらの下で撮像した３通り又は４通りの画像データに基づき各画素におけるゲインＡ及びオフセットＢを特定し、上記式（３）から定数Ｋを決定しておく。これにより、上記手段７によれば、各画素においてより精度の良い高さ計測を行うことができる。
【００８０】
手段８．前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係を、前記２通りに位相変化させた前記光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に求めることを特徴とする手段１乃至６のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００８１】
例えば上記式（１２）等を用いて画像データの全画素についてオフセットＢを求め、その中でオフセットＢの値が一致する画素の輝度値Ｖを抽出し、そのヒストグラムを作成する。そして、そのヒストグラムから輝度値の最大値ＶMAXと最小値ＶMINを決定する。
【００８２】
上述したとおり、輝度値の最大値ＶMAXと最少値ＶMINの平均値がオフセットＢとなり、最大値ＶMAXと最少値ＶMINの差の半分がゲインＡとなる。これを基に、上記式（３）から定数Ｋを決定することができる。これにより、上記手段８によれば、上記手段７のようなキャリブレーションの手間を省略することができ、さらなる計測時間の短縮化を図ることができる。
【００８３】
手段９．所定の光を発する光源、及び、当該光源からの光を縞状の光強度分布を有する光パターンに変換する格子を有し、当該光パターンを少なくとも被計測物に対し照射可能な照射手段と、
前記格子の移送又は切替を制御し、前記照射手段から照射する前記光パターンの位相を複数通りに変化可能な位相制御手段と、
前記光パターンの照射された前記被計測物からの反射光を撮像可能な撮像手段とを備えた三次元計測装置によって行われる三次元計測方法であって、
所定の撮像条件により定まる前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係を予めキャリブレーション又は別途行った計測結果により求める関係取得工程と、
２通りに位相変化させた前記光パターンの下で撮像した２通りの画像データを取得する画像取得工程と、
前記関係取得工程において求めた前記光パターンのゲイン及びオフセットの関係と、前記画像データ上の被計測座標の輝度値から定まる該被計測座標に係る前記光パターンのゲイン又はオフセットの値とを利用して、前記２通りの画像データを基に位相シフト法により前記被計測座標の高さ計測を行う計測工程とを備えたことを特徴とする三次元計測方法。
【００８４】
上記手段９によれば、上記手段１及び手段７と同様の作用効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】基板検査装置を模式的に示す概略構成図である。
【図２】基板検査装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】光源の明るさ又は反射率と輝度値との関係を示すグラフである。
【図４】ゲインとオフセットの関係を示すグラフである。
【図５】各データ区間に含まれる輝度値の数の分布を表した分布表である。
【図６】各データ区間に含まれる輝度値の数の分布を表したヒストグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００８６】
〔第１実施形態〕
以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態における三次元計測装置を具備する基板検査装置１を模式的に示す概略構成図である。同図に示すように、基板検査装置１は、計測対象たるクリームハンダが印刷されてなる被計測物としてのプリント基板２を載置するための載置台３と、プリント基板２の表面に対し斜め上方から所定の光パターンを照射する照射手段としての照明装置４と、プリント基板２上の光パターンの照射された部分を撮像するための撮像手段としてのカメラ５と、基板検査装置１内における各種制御や画像処理、演算処理を実施するための制御装置６とを備えている。
【００８７】
載置台３には、モータ１５，１６が設けられており、該モータ１５，１６が制御装置６（モータ制御手段２３）により駆動制御されることによって、載置台３上に載置されたプリント基板２が任意の方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）へスライドさせられるようになっている。
【００８８】
照明装置４は、所定の光を発する光源４ａと、当該光源４ａからの光を正弦波状（縞状）の光強度分布を有する光パターンに変換する液晶格子４ｂとを備えており、プリント基板２に対し、斜め上方から複数通りに位相変化する縞状の光パターンを照射可能となっている。
【００８９】
より詳しくは、照明装置４において、光源４ａから発せられた光は光ファイバーにより一対の集光レンズに導かれ、そこで平行光にされる。その平行光が、液晶格子４ｂを介して投影レンズに導かれる。そして、投影レンズからプリント基板２に対し縞状の光パターンが照射される。
【００９０】
液晶格子４ｂは、一対の透明基板間に液晶層が形成されると共に、一方の透明基板上に配置された共通電極と、これと対向するように他方の透明基板上に複数並設された帯状電極とを備え、駆動回路により、各帯状電極にそれぞれ接続されたスイッチング素子（薄膜トランジスタ等）をオンオフ制御し、各帯状電極に印加される電圧を制御することにより、光透過率の高い「明部」と、光透過率の低い「暗部」とからなる縞状の格子パターンを形成する。そして、液晶格子４ｂを介してプリント基板２上に照射される光は、回折作用に起因したボケ等により、正弦波状の光強度分布を有する光パターンとなる。
【００９１】
カメラ５は、レンズや撮像素子等からなる。撮像素子としては、ＣＭＯＳセンサを採用している。勿論、撮像素子はこれに限定されるものではなく、例えばＣＣＤセンサ等を採用してもよい。カメラ５によって撮像された画像データは、当該カメラ５内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置６（画像データ記憶手段２４）に入力される。そして、制御装置６は、当該画像データを基に、後述するような画像処理や検査処理等を実施する。かかる意味で、制御装置６は画像処理手段を構成する。
【００９２】
次に、制御装置６の電気的構成について説明する。図２に示すように、制御装置６は、カメラ５の撮像タイミングを制御するカメラ制御手段２１と、照明装置４を制御する照明制御手段２２と、モータ１５，１６を制御するモータ制御手段２３と、カメラ５により撮像された画像データ（輝度データ）を記憶する画像データ記憶手段２４と、後述するキャリブレーションデータを記憶するキャリブレーションデータ記憶手段２５と、前記画像データを基に算出された位相データを記憶する位相データ記憶手段２６と、前記キャリブレーションデータ及び位相データを基に三次元計測を行う三次元計測手段２９と、当該三次元計測手段２９の計測結果を基にクリームハンダ４の印刷状態を検査する判定手段３０とを備えている。照明装置４（液晶格子４ｂ）を制御する照明制御手段２２により本実施形態における位相制御手段が構成される。
【００９３】
なお、図示は省略するが、基板検査装置１は、キーボードやタッチパネルで構成される入力手段、ＣＲＴや液晶などの表示画面を有する表示手段、検査結果等を格納するための記憶手段、ハンダ印刷機等に対し検査結果等を出力する出力手段等を備えている。
【００９４】
次に、基板検査装置１よるプリント基板２の検査手順について詳しく説明する。はじめに、光パターンのばらつき（位相分布）を把握するためのキャリブレーションを行う。
【００９５】
液晶格子４ｂでは、各帯状電極に接続された各トランジスタの特性（オフセットやゲイン等）のばらつきにより、上記各帯状電極に印加される電圧にもばらつきが生じるため、同じ「明部」や「暗部」であっても、各帯状電極に対応する各ラインごとに光透過率（輝度レベル）がばらつくこととなる。その結果、被計測物上に照射される光パターンも正弦波状の理想的な光強度分布とならず、三次元計測結果に誤差が生じるおそれがある。
【００９６】
そこで、予め光パターンのばらつき（位相分布）を把握しておく、いわゆるキャリブレーション等が行われる。
【００９７】
キャリブレーションの手順としては、まずプリント基板２とは別に、高さ位置０、かつ、平面をなす基準面を用意する。基準面は、計測対象たるクリームハンダと同一色となっている。すなわち、クリームハンダと光パターンの反射率が等しくなっている。
【００９８】
続いて上記基準面に対し光パターンを照射すると共に、これをカメラ５により撮像することで、各座標の輝度値を含んだ画像データを得る。本実施形態では、後述する実測時とは異なり、キャリブレーションを行う際には、光パターンの位相を９０°ずつシフトさせ、各光パターンの下で撮像された４通りの画像データを取得する。
【００９９】
そして、制御装置６は、上記４通りの画像データから各座標における光パターンの位相角θを算出し、これをキャリブレーションデータとしてキャリブレーションデータ記憶手段２５に記憶する。
【０１００】
さらに本実施形態では、上記４通りの画像データから各座標における光パターンのゲインＡ及びオフセットＢ、並びに両者の関係を特定し、これをキャリブレーションデータとしてキャリブレーションデータ記憶手段２５に記憶する。従って、キャリブレーションデータ記憶手段２５が本実施形態における記憶手段を構成し、かかる工程が本実施形態における関係取得工程を構成する。
【０１０１】
ここで、ゲインＡ及びオフセットＢを算出する手順についてより詳しく説明する。４通りの画像データの各座標における輝度値（Ｖ0，Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3）と、ゲインＡ及びオフセットＢとの関係は、下記式（Ｈ１）、（Ｈ２）、（Ｈ３）、（Ｈ４）により表すことができる。
【０１０２】
【数１１】
2016211986.tif 000013
【０１０３】
そして、４通りの画像データの輝度値（Ｖ0，Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3）を加算し、上記式（Ｈ１）、（Ｈ２）、（Ｈ３）、（Ｈ４）を下記［数１２］に示すように整理すると、下記式（Ｈ５）を導き出すことができる。
【０１０４】
【数１２】
2016211986.tif 000014
【０１０５】
また、上記式（Ｈ１）、（Ｈ３）から、下記式（Ｈ６）を導き出すことができる。
【０１０６】
【数１３】
2016211986.tif 000015
【０１０７】
また、上記式（Ｈ２）、（Ｈ４）から、下記式（Ｈ７）を導き出すことができる。
【０１０８】
【数１４】
2016211986.tif 000016
【０１０９】
そして、下記［数１５］に示すように、上記式（Ｈ６）、（Ｈ７）を下記式（Ｈ８）に代入し、整理していくと、下記式（Ｈ９）を導き出すことができる。
【０１１０】
【数１５】
2016211986.tif 000017
【０１１１】
さらに、上記式（Ｈ５）、（Ｈ９）から導き出された下記式（Ｈ１０）を基にゲインＡ及びオフセットＢの比例定数Ｋを算出する。
【０１１２】
【数１６】
2016211986.tif 000018
【０１１３】
そして、上記のように算出された各座標における光パターンのゲインＡ、オフセットＢ、及び、比例定数Ｋをキャリブレーションデータとしてキャリブレーションデータ記憶手段２５に記憶する。勿論、比例定数Ｋのみをキャリブレーションデータとして記憶する構成としてもよい。
【０１１４】
次に、各検査エリアごとに行われる検査ルーチンについて詳しく説明する。この検査ルーチンは、制御装置６にて実行されるものである。
【０１１５】
制御装置６（モータ制御手段２３）は、まずモータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を移動させ、カメラ５の視野をプリント基板２上の所定の検査エリア（計測範囲）に合わせる。なお、検査エリアは、カメラ５の視野の大きさを１単位としてプリント基板２の表面を予め分割しておいた中の１つのエリアである。
【０１１６】
続いて、制御装置６は、照明装置４の液晶格子４ｂを切替制御し、当該液晶格子４ｂに形成される格子の位置を所定の基準位置に設定する。
【０１１７】
液晶格子４ｂの切替設定が完了すると、制御装置６は、照明制御手段２２により照明装置４の光源４ａを発光させ、所定の光パターンの照射を開始すると共に、カメラ制御手段２１によりカメラ５を駆動制御して、当該光パターンが照射された検査エリア部分の撮像を開始する。尚、カメラ５により撮像された画像データは、画像データ記憶装置２４へ転送され記憶される。
【０１１８】
同様に、上記一連の処理を、光パターンの位相を例えば１８０°シフトさせた光パターンの下で行う。これにより、所定の検査エリアにつき、位相を１８０°シフトさせた２通りの光パターンの下で撮像された２通りの画像データが取得される。かかる工程が本実施形態における画像取得工程を構成する。
【０１１９】
そして、制御装置６は、位相シフト法により、上記２通りの画像データから各座標における光パターンの位相角θを算出し、これを位相データとして位相データ記憶手段２６に記憶する。具体的には、上記式（１５）に基づき、上記２通りの画像データ上の各座標における輝度値Ｖ0，Ｖ1と、キャリブレーションデータ記憶手段２５に記憶したキャリブレーションデータ（キャリブレーションに基づく各座標の比例定数Ｋ）とを参酌して、各座標における光パターンの位相角θを算出する。
【０１２０】
続いて、制御装置６（三次元計測手段２９）は、キャリブレーションデータ記憶手段２５に記憶したキャリブレーションデータ（キャリブレーションに基づく各座標の位相角）と、位相データ記憶手段２６に記憶した位相データ（実測に基づく各座標の位相角）とを比較して、同一の位相角を有する座標のズレ量を算出し、三角測量の原理に基づき、検査エリアの各座標における高さデータを取得する。かかる工程が本実施形態における計測工程を構成する。
【０１２１】
例えば、被計測座標（ｘ，ｙ）における実測値（位相角）が「１０°」であった場合、当該「１０°」の値が、キャリブレーションにより記憶したデータ上のどの位置にあるかを検出する。ここで、被計測座標（ｘ，ｙ）よりも３画素隣りに「１０°」が存在していれば、それは光パターンの縞が３画素ずれたことを意味する。そして、光パターンの照射角度と、光パターンの縞のズレ量を基に、三角測量の原理により、被計測座標（ｘ，ｙ）の高さデータ（ｚ）を求めることができる。
【０１２２】
さらに、制御装置６（三次元計測手段２９）は、得られた検査エリアの各座標における高さデータに基づいて、基準面より高くなったクリームハンダの印刷範囲を検出し、この範囲内での各部位の高さを積分することにより、印刷されたクリームハンダの量を算出する。
【０１２３】
そして、制御装置６（判定手段３０）は、このようにして求めたクリームハンダの位置、面積、高さ又は量等のデータを、予め記憶した基準データと比較判定し、この比較結果が許容範囲内にあるか否かによって、その検査エリアにおけるクリームハンダの印刷状態の良否を判定する。
【０１２４】
かかる処理が行われている間に、制御装置６は、モータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を次の検査エリアへと移動せしめ、以降、上記一連の処理が、全ての検査エリアで繰り返し行われることで、プリント基板２全体の検査が終了する。
【０１２５】
以上詳述したように、本実施形態によれば、所定の撮像条件により定まる光パターンのゲインＡ及びオフセットＢの関係〔例えばＡ＝Ｋ（比例定数）×Ｂ〕と、画像データ上の被計測座標（ｘ，ｙ）の輝度値Ｖ（ｘ，ｙ）から定まる、該被計測座標（ｘ，ｙ）に係る光パターンのゲインＡ（ｘ，ｙ）又はオフセットＢ（ｘ，ｙ）の値とを利用することにより、２通りに位相変化させた光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に位相シフト法により被計測座標の高さ計測を行うことができる。
【０１２６】
このように、２通りの画像データに基づいて高さ計測を行うことができることから、１つのポイントに関し４回又は３回の撮像を必要とする従来技術に比べて、総合的な撮像回数が少なくて済み、撮像時間を短縮することができる。結果として、計測時間を飛躍的に短縮することができる。
【０１２７】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、第１実施形態と同一構成部分については、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１２８】
上記第１実施形態では、各座標における光パターンのゲインＡ及びオフセットＢの関係（比例定数Ｋ）を、予めキャリブレーションにより求める構成となっているが、これに代えて、第２実施形態では、光パターンのゲインＡ及びオフセットＢの関係（比例定数Ｋ）を、実測時に撮像した前記２通りに位相変化させた光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に求める構成となっている。
【０１２９】
その手順としては、まず上記式（１２）を用いて画像データの全画素についてオフセットＢを求める。次に、その中でオフセットＢの値が一致する画素の輝度値Ｖ（＝Ａsinθ＋Ｂ）を抽出し、そのヒストグラムを作成する。その一例を図５，６の表に示す。但し、図５，６はゲインＡを「１」、オフセットＢを「０」とした場合を例示している。図５は、輝度値Ｖを「０．１」幅のデータ区間に区切って、そのデータ区間に含まれる輝度値の数を表した分布表であり、図６は、それをプロットしたヒストグラムである。
【０１３０】
そして、このヒストグラムを基に輝度値の最大値ＶMAXと最小値ＶMINを決定する。「sinθ」の特性を利用することにより、上記ヒストグラムにおいて発生する２つのピークをそれぞれ輝度値の最大値ＶMAXと最小値ＶMINとして決定することができる。図５，６に示す例では、輝度値Ｖが「−１．０〜−０．９」及び「０．９〜１．０」のデータ区間に入る輝度値Ｖの個数がそれぞれ「５１」となり、ここが２つのピークとなる。
【０１３１】
続いて、輝度値の最大値ＶMAXと最少値ＶMINを基にゲインＡ及びオフセットＢを算出する。上述したとおり、輝度値の最大値ＶMAXと最少値ＶMINの平均値がオフセットＢとなり、最大値ＶMAXと最少値ＶMINの差の半分がゲインＡとなる。つまり、図６に示すように、２つのピークの中間値がオフセットＢとなり、２つのピークの幅の半分がゲインＡとなる。
【０１３２】
このようにして得たゲインＡとオフセットＢの値を基に比例定数Ｋを決定することができる〔上記式（３）参照〕
本実施形態によれば、上記第１実施形態のようなキャリブレーションの手間を省略することができ、さらなる計測時間の短縮化を図ることができる。
【０１３３】
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
【０１３４】
（ａ）上記実施形態では、三次元計測装置を、プリント基板２に印刷形成されたクリームハンダの高さを計測する基板検査装置１に具体化したが、これに限らず、例えば基板上に印刷されたハンダバンプや、基板上に実装された電子部品など、他のものの高さを計測する構成に具体化してもよい。
【０１３５】
（ｂ）上記実施形態では、光源４ａからの光を縞状の光パターンに変換するための格子を、液晶格子４ｂにより構成すると共に、これを切替制御することにより、光パターンの位相をシフトさせる構成となっている。これに限らず、例えば格子部材をピエゾアクチュエータ等の移送手段により移送させ、光パターンの位相をシフトさせる構成としてもよい。
【０１３６】
（ｃ）上記実施形態では、実測時において、位相が１８０°異なる２通りの光パターンの下で撮像された２通りの画像データを基に高さ計測を行う構成となっている。これに代えて、例えば位相が９０°異なる２通りの光パターンの下で撮像された２通りの画像データを基に高さ計測を行う構成としてもよい。かかる場合、上記式（２３），（２７）を用いることにより、２通りの画像データ上の各座標における輝度値Ｖ0，Ｖ1と、既知の比例定数Ｋを利用して、各座標における光パターンの位相角θを算出することができる。
【０１３７】
勿論、この他にも、上記式（１）、（２）、（３）の関係を満たすものであれば、他の構成を採用してもよい。位相角θを得る一般式としては、上記式（９）が一例に挙げられる〔［数９］参照〕。
【０１３８】
（ｄ）上記第１実施形態では、位相が９０°異なる４通りの光パターンの下で撮像された４通りの画像データを基にキャリブレーションを行う構成となっているが、これに限らず、例えば位相の異なる３通りの光パターンの下で撮像された３通りの画像データを基にキャリブレーションを行う構成としてもよい。
【０１３９】
また、キャリブレーションを行う際に、光源の輝度を変えて複数回行う構成としてもよい。かかる構成とすれば、下記式（２８）に示すようなカメラ５の暗電流（オフセット）Ｃまで求めることができる。
【０１４０】
Ａ＝ＫＢ＋Ｃ                    ・・・（２８）
但し、Ａ：ゲイン、Ｂ：オフセット、Ｃ：カメラの暗電流（オフセット）、Ｋ：比例定数。
【０１４１】
あるいは、ゲインＡとオフセットＢとの関係は、式として求めることなく、ゲインＡとオフセットＢとの関係を表した数表やテーブルデータを作成することにより、ゲインＡからオフセットＢあるいはオフセットＢからゲインＡを求めることが可能に構成しても良い。さらに、キャリブレーションに代えて別途行った計測結果等を利用してゲインＡとオフセットＢとの関係を求めても良い。
【０１４２】
（ｅ）上記第２実施形態では、位相が１８０°異なる２通りの光パターンの下で撮像された２通りの画像データを基に、画像データの全画素について比例定数Ｋ等を求める構成となっている。
【０１４３】
これに限らず、例えば位相が９０°異なる２通りの光パターンの下で撮像された２通りの画像データを基に比例定数Ｋ等を求める構成としてもよい。また、画像データの全画素ではなく、被計測座標の周辺など画像データの一部の範囲において、比例定数Ｋ等を求める構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１４４】
１…基板検査装置、２…プリント基板、４…照明装置、４ａ…光源、４ｂ…液晶格子、５…カメラ、６…制御装置、２４…画像データ記憶手段、２５…キャリブレーションデータ記憶手段、２６…位相データ記憶手段、Ｖ0，Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3…輝度値、Ａ…ゲイン、Ｂ…オフセット、Ｋ…比例定数。
【図１】
2016211986.tif 000019
【図２】
2016211986.tif 000020
【図３】
2016211986.tif 000021
【図４】
2016211986.tif 000022
【図５】
2016211986.tif 000023
【図６】
2016211986.tif 000024