JP3878033B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物の三次元形状等を計測する三次元計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、中でも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（特開平１１−２１１４４３号公報、特許第２７１１０４２号等）。
【０００４】
上記技術における三次元計測装置においては、ＣＣＤカメラが用いられる。すなわち、光源と正弦波パターンのフィルタとの組み合わせからなる照射手段により、縞状の光強度分布を有する光パターンを測定物体（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ＣＣＤカメラを用いて観測する。この場合、画面上の点Ｐの光の強度Ｉは下式で与えられる。
【０００５】
Ｉ＝ｅ＋ｆ・ｃｏｓφ ［但し、ｅ：直流光ノイズ（オフセット成分）、ｆ：正弦波のコントラスト（反射率）、φ：物体の凹凸により与えられる位相］
このとき、光パターンを移動させて、位相を４段階（φ＋０、φ＋π／２、φ＋π、φ＋３π／２）に変化させ、これらに対応する強度分布Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３をもつ画像を取り込み、下記式に基づいて位置情報θを求める。
【０００６】
θ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ０−Ｉ２）｝
この位置情報θを用いて、プリント基板（クリームハンダ）上の点Ｐの３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められ、もってクリームハンダの三次元形状、特に高さが計測される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記技術における三次元計測装置においては、位相を４段階に変化させ、各段階に対応する強度分布をもつ４通りの画像を取得する必要がある。つまり、位相を変化させる度に撮像を行わなければならず、結果として１つのポイントに関し撮像を４回行う必要がある。このため、撮像に時間を要することとなり、ひいては、計測開始から終了までの時間が長いものとなってしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、計測対象物の三次元形状を計測するに際し、計測に要する時間の短縮を図ることの可能な三次元計測装置を提供することを主たる目的の一つとしている。
【０００９】
【課題を解決するための手段及びその効果】
上記目的を達成し得る特徴的手段について以下に説明する。また、各手段につき、特徴的な作用及び効果を必要に応じて記載する。
【００１０】
手段１．計測対象物に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも２つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記照射手段が照射する少なくとも２つの光成分パターンに基づき定まる、前記少なくとも２つの光成分パターンの互いの相対位相角度と、前記撮像手段にて前記計測対象物からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データとに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを演算可能な演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【００１１】
手段１によれば、計測対象物に対し、照射手段によって、少なくとも２つの光成分パターンが同時に照射される。各光成分パターンは、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。そして、前記照射手段によって照射された少なくとも２つの光成分パターンに基づいて、該少なくとも２つの光成分パターンの互いの相対位相角度が定まる。さらに、演算手段では、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された少なくとも２通りの画像データと、前記相対位相角度とに基づき、少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。併せて、照射された光成分パターンに基づき、相対位相角度が定まるため、予め相対位相角度を把握する必要が無い。従って、相対位相角度を事前に厳密に設定する必要がなく、相対位相角度の不明な光成分パターンを照射する照射手段を採用することもできる。その結果、設計及び設備の簡素化を図ることができる。また、予め位相角度を設定してある照射手段を用いる場合において、撮像した光成分パターンの実際の相対位相角度が予定していた（設定されていた）相対位相角度と異なってしまうことが考えられる。これに対し、上記手段によれば、照射後の光成分パターンから定められた相対位相角度を用いて、高さ等を演算するため、より正確な結果を得ることができる。尚、「少なくとも２通り」に代えて「少なくとも３通り」としてもよい。
【００１２】
手段２．少なくとも計測対象物及び略平面に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも２つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段にて前記略平面からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データに基づき定まる互いの相対位相角度と、前記撮像手段にて前記計測対象物からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データとに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを演算可能な演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【００１３】
手段２によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段によって、少なくとも２つの光成分パターンが同時に照射される。また、少なくとも略平面に対し、照射手段によって、少なくとも２つの光成分パターンが同時に照射される。各光成分パターンは、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。尚、略平面は、計測対象物とは別途のものでもよいし、略平面部分を備えた計測対象物の略平面部分であってもよい。そして、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された略平面についての少なくとも２通りの画像データに基づき、互いの相対位相角度が定まる。さらに、演算手段では、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された少なくとも２通りの画像データと、前記相対位相角度とに基づき、少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。併せて、画像データに基づき、相対位相角度が定まるため、予め相対位相角度を把握する必要が無い。従って、相対位相角度を事前に厳密に設定する必要がなく、相対位相角度の不明な光成分パターンを照射する照射手段を採用することもできる。その結果、設計及び設備の簡素化を図ることができる。また、予め位相角度を設定してある照射手段を用いる場合において、撮像した光成分パターンの実際の相対位相角度が予定していた（設定されていた）相対位相角度と異なってしまうことが考えられる。これに対し、上記手段によれば、画像データから定められた相対位相角度を用いて、高さ等を演算するため、より正確な結果を得ることができる。尚、「少なくとも２通り」に代えて「少なくとも３通り」としてもよい。
【００１４】
手段３．少なくとも計測対象物及び略平面に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも２つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段にて前記略平面からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データに基づき、互いの相対位相角度を演算可能であり、かつ、前記撮像手段にて前記計測対象物からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データと、前記演算された相対位相角度とに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを演算可能な演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【００１５】
手段３によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段によって、少なくとも２つの光成分パターンが同時に照射される。また、少なくとも略平面に対し、照射手段によって、少なくとも２つの光成分パターンが同時に照射される。各光成分パターンは、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。尚、略平面は、計測対象物とは別途のものでもよいし、略平面部分を備えた計測対象物の略平面部分であってもよい。そして、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された略平面についての少なくとも２通りの画像データに基づき、演算手段では、互いの相対位相角度が演算される。さらに、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された少なくとも２通りの画像データと、前記演算された相対位相角度とに基づき、少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。併せて、演算に際し、相対位相角度を算出できるため、予め相対位相角度を把握する必要が無い。従って、相対位相角度を事前に厳密に設定する必要がなく、相対位相角度の不明な光成分パターンを照射する照射手段を採用することもできる。その結果、設計及び設備の簡素化を図ることができる。また、予め位相角度を設定してある照射手段を用いる場合において、撮像した光成分パターンの実際の相対位相角度が予定していた（設定されていた）相対位相角度と異なってしまうことが考えられる。これに対し、上記手段によれば、画像データから相対位相角度を算出した上で、高さ等を演算するため、より正確な結果を得ることができる。尚、「少なくとも２通り」に代えて「少なくとも３通り」としてもよい。
【００１６】
手段４．少なくとも計測対象物及び略平面に対し、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも３つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段にて前記略平面からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも３通りの画像データに基づき、互いの相対位相角度を演算可能であり、かつ、前記撮像手段にて前記計測対象物からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも３通りの画像データと、前記演算された相対位相角度とに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを位相シフト法により演算可能な演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【００１７】
手段４によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段によって、少なくとも２つの光成分パターンが同時に照射される。また、少なくとも略平面に対し、照射手段によって、少なくとも２つの光成分パターンが同時に照射される。各光成分パターンは、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。尚、略平面は、計測対象物とは別途のものでもよいし、略平面部分を備えた計測対象物の略平面部分であってもよい。そして、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された略平面についての少なくとも３通りの画像データに基づき、演算手段では、互いの相対位相角度が演算される。さらに、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された少なくとも３通りの画像データと、前記演算された相対位相角度とに基づき、位相シフト法により、少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。併せて、演算に際し、相対位相角度を算出できるため、予め相対位相角度を把握する必要が無い。従って、相対位相角度を事前に厳密に設定する必要がなく、相対位相角度の不明な光成分パターンを照射する照射手段を採用することもできる。その結果、設計及び設備の簡素化を図ることができる。また、予め位相角度を設定してある照射手段を用いる場合において、撮像した光成分パターンの実際の相対位相角度が予定していた（設定されていた）相対位相角度と異なってしまうことが考えられる。これに対し、上記手段によれば、画像データから相対位相角度を算出した上で、高さ等を演算するため、より正確な結果を得ることができる。
【００１８】
手段５．前記撮像手段にて前記略平面を撮像し、前記演算手段にて前記互いの相対位相角度を演算した後で、前記撮像手段にて前記計測対象物を撮像し、前記演算手段にて前記計測対象物の高さを演算することを特徴とする手段３又は４に記載の三次元計測装置。
【００１９】
手段５によれば、予め撮像手段によって略平面が撮像され、演算手段によって互いの相対位相角度が演算される。先に相対位相角度が把握されているため、毎回略平面を撮像して相対位相角度を演算する必要がない。従って、計測対象物の高さを演算するにあたり、計測対象物を撮像するだけで高さを演算できるため、処理の高速化を図ることができる。
【００２０】
手段６．前記演算手段は、前記画像データ毎に、前記略平面に照射された縞と交差する方向のライン上の位置と輝度との関係をチャート化し、当該チャート化されたデータに基づいて、前記相対位相角度を演算することを特徴とする手段３乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００２１】
手段６によれば、演算手段によって、各画像データ毎に略平面に照射された縞と交差する方向のライン上の位置と輝度との関係のチャートが得られる。該チャートは、略正弦波状をなしている。そして、各チャートを比較するだけで、比較的容易かつ確実に光成分パターンの互いの相対位相角度を演算できる。
【００２２】
手段７．前記演算手段は、前記画像データ毎に、前記略平面に照射された縞と交差する方向のライン上の輝度の変化に基づいて、前記相対位相角度を演算することを特徴とする手段３乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００２３】
手段７によれば、演算手段によって、各画像データ毎に略平面に照射された縞と交差する方向のライン上の位置と輝度との関係のデータが得られる。そして、各データを比較等することで、比較的容易かつ確実に光成分パターンの互いの相対位相角度を演算できる。
【００２４】
手段８．前記縞と交差する方向は、縞に直交する方向であることを特徴とする手段６又は７のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００２５】
手段８によれば、縞と交差する方向として縞に直交する方向のライン上の位置と輝度との関係のデータが得られる。該データは、光成分パターンに対する輝度の高低変化が最も明確に表れるため、相対位相角度の演算が容易、かつ、高精度になる。その結果、正確な結果を得ることができる。
【００２６】
手段９．前記演算手段は、複数の前記ラインについてそれぞれ相対位相角度を演算し、最適な相対位相角度を決定することを特徴とする手段６乃至８のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００２７】
手段９によれば、演算手段によって、複数のラインについてそれぞれ相対位相角度が演算される。１つのラインのみから相対位相角度を算出する場合には、異常なデータが相対位相角度として採用されるおそれがある。これに対し、手段９では、複数の相対位相角度に基づいて最適な相対位相角度が決定されることから、異常なデータ、誤った要素を取り除くことができる。その結果、正確な相対位相角度を算出した上で、高さ等を演算することができ、一層正確な結果を得ることができる。
【００２８】
手段１０．少なくとも計測対象物及び略平面に対し、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも３つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段にて前記略平面からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも３通りの画像データに基づき、互いの相対位相角度を演算可能な第１の演算手段と、前記撮像手段にて前記計測対象物からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも３通りの画像データと、前記演算された相対位相角度とに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを位相シフト法により演算可能な第２の演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【００２９】
手段１０によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段によって、少なくとも３つの光成分パターンが同時に照射される。また、少なくとも略平面に対し、照射手段によって、少なくとも３つの光成分パターンが同時に照射される。各光成分パターンは、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。尚、略平面は、計測対象物とは別途のものでもよいし、略平面部分を備えた計測対象物の略平面部分であってもよい。そして、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された略平面についての少なくとも３通りの画像データに基づき、第１の演算手段によって、互いの相対位相角度が演算される。さらに、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された少なくとも３通りの画像データと、前記演算された相対位相角度とに基づき、第２の演算手段によって、位相シフト法により、少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。併せて、演算に際し、相対位相角度を算出できるため、予め相対位相角度を把握する必要が無い。従って、相対位相角度を事前に厳密に設定する必要がなく、相対位相角度の不明な光成分パターンを照射する照射手段を採用することもできる。その結果、設計及び設備の簡素化を図ることができる。また、予め位相角度を設定してある照射手段を用いる場合において、撮像した光成分パターンの実際の相対位相角度が予定していた（設定されていた）相対位相角度と異なってしまうことが考えられる。これに対し、上記手段によれば、画像データから相対位相角度を算出した上で、高さ等を演算するため、より正確な結果を得ることができる。
【００３０】
手段１１．前記第１の演算手段は、前記画像データ毎に、前記略平面に照射された縞に直交する方向のライン上の位置と輝度との関係をチャート化し、当該チャート化されたデータに基づいて、前記相対位相角度を演算することを特徴とする手段１０に記載の三次元計測装置。
【００３１】
手段１１によれば、第１の演算手段によって、各画像データ毎に略平面に照射された縞と交差する方向のライン上の位置と輝度との関係のチャートが得られる。該チャートは、略正弦波状をなしている。そして、各チャートを比較するだけで、比較的容易かつ確実に光成分パターンの互いの相対位相角度を演算できる。
【００３２】
手段１２．前記第１の演算手段は、前記画像データ毎に、前記略平面に照射された縞と交差する方向のライン上の輝度の変化に基づいて、前記相対位相角度を演算することを特徴とする手段１０に記載の三次元計測装置。
【００３３】
手段１２によれば、第１の演算手段によって、各画像データ毎に略平面に照射された縞と交差する方向のライン上の位置と輝度との関係のデータが得られる。そして、各データを比較等することで、比較的容易かつ確実に光成分パターンの互いの相対位相角度を演算できる。
【００３４】
手段１３．前記第１の演算手段は、複数の前記ラインについてそれぞれ相対位相角度を演算し、最適な相対位相角度を決定することを特徴とする手段１１又は１２に記載の三次元計測装置。
【００３５】
手段１３によれば、複数の相対位相角度に基づいて最適な相対位相角度が決定されることから、異常なデータ、誤った要素を取り除くことができる。その結果、正確な相対位相角度を算出した上で、高さ等を演算することができ、一層正確な結果を得ることができる。
【００３６】
手段１４．前記計測対象物は略平面状の部分を備え、前記略平面は前記計測対象物の略平面状の部分であることを特徴とする手段２乃至１３のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００３７】
手段１４によれば、計測対象物内に略平面を備えているため、相対位相角度を演算するために略平面を別途撮像する必要が無く、計測対象物のみを撮像した画像データを取得すればよい。従って、処理の高速化を図ることができる。
【００３８】
手段１５．前記略平面は、前記計測対象物以外に設けられた略平面状の部分であることを特徴とする手段２乃至１３のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００３９】
手段１５によれば、略平面は、計測対象物以外のものであるため、計測対象物の表面の凹凸に影響されること無く演算でき、一層正確な結果を得ることができる。また、計測対象物に略平面状の部分が存在しない場合にも有効である。
【００４０】
手段１６．前記撮像手段は、前記計測対象物と前記略平面との画像データを１回の撮像で同時に得ることを特徴とする手段２乃至１５のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００４１】
手段１６によれば、計測対象物と略平面との画像データを１回の撮像で同時に得られる。このため、光成分パターンの相対位相角度を演算するために、別途略平面を撮像する必要が無い。従って、撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。
【００４２】
手段１７．前記計測対象物は、前記略平面上に設けられており、前記撮像手段は、前記計測対象物と前記略平面との画像データを１回の撮像で同時に得ることを特徴とする手段２乃至１４のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００４３】
手段１７によれば、計測対象物が略平面上に設けられているため、計測対象物を撮像する際に、計測対象物の周囲にある略平面も同時に撮像される。このため、相対位相角度演算用の画像データと高さ演算用の画像データとが同時に得られる。従って、光成分パターンの相対位相角度を演算するために、別途略平面を撮像する必要が無い。その結果、撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。
【００４４】
手段１８．前記計測対象物がプリント基板上に印刷されたクリームハンダであり、該クリームハンダの高さから印刷状態の良否を判定する判定手段を設けたことを特徴とする手段１乃至１７のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００４５】
手段１８によれば、プリント基板上に印刷されたクリームハンダの高さが計測され、その計測値に基づいて良否判定が行われる。このため、クリームハンダの計測に際して上記各作用効果が奏され、しかも精度よく良否判定を行うことができる。
【００４６】
手段１９．前記計測対象物がプリント基板上に設けられたハンダバンプであり、該ハンダバンプの高さからハンダバンプの形状の良否を判定する判定手段を設けたことを特徴とする手段１乃至１７のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００４７】
手段１９によれば、プリント基板上に設けられたハンダバンプの高さが計測され、その計測値に基づいて良否判定が行われる。このため、ハンダバンプの計測に際して上記各作用効果が奏され、しかも精度よく良否判定を行うことができる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下、一実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施の形態における三次元計測装置を具備する印刷状態検査装置１を模式的に示す概略構成図である。同図に示すように、印刷状態検査装置１は、計測対象物としてのクリームハンダＨの印刷されてなるプリント基板Ｋを載置するためのテーブル２と、プリント基板Ｋの表面に対し斜め上方から所定の光成分パターンを照射するための照射手段を構成する照明装置３と、プリント基板Ｋ上の前記照射された部分を撮像するための撮像手段を構成するＣＣＤカメラ４と、基準高さを測定するための図示しないレーザーポインタとを備えている。なお、本実施の形態におけるクリームハンダＨは、平面をなすプリント基板Ｋ上に設けられた銅箔からなる電極パターン上に印刷形成されている。
【００４９】
テーブル２には、モータ５，６が設けられており、該モータ５，６によって、テーブル２上に載置されたプリント基板Ｋ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。
【００５０】
本実施の形態における照明装置３からは、赤、緑、青のそれぞれ位相の異なる光成分パターンが照射されるようになっている。より詳しくは、図２に示すように、照明装置３は、光源１１と、光源１１からの光を集める集光レンズ１２と、照射レンズ１３と、両レンズ１２，１３間に配設された赤、緑、青色のフィルタ格子縞板１４，１５，１６とを備えている。赤色フィルタ格子縞板１４は、部位に応じて赤色の度合いが正弦波状（縞状）に変化しており、赤色の成分についてのみ縞状に遮光（透光）させ他の波長域の全透光を許容するようになっている。また、緑色フィルタ格子縞板１５は、部位に応じて緑色の度合いが正弦波状（縞状）に変化しており、緑色の成分についてのみ縞状に遮光（透光）させ他の波長域の全透光を許容するようになっている。但し、その正弦波は、赤色フィルタ格子縞板１４に比べて位相がずれている。さらに、青色フィルタ格子縞板１６は、部位に応じて青色の度合いが正弦波状（縞状）に変化しており、青色の成分についてのみ縞状に遮光（透光）させ他の波長域の全透光を許容するようになっている。但し、その正弦波は、前記赤色及び緑色フィルタ格子縞板１４，１５に比べて位相がずれている。つまり、これら赤、緑、青色のフィルタ格子縞板１４，１５，１６は、互いに位相がずらされた状態で張り合わされている（勿論、相互に離間していても差し支えない）。
【００５１】
そして、光源１１から放たれた光は、集光レンズ１２、前記各色フィルタ格子縞板１４，１５，１６、及び照射レンズ１３を経て縞状の光成分パターンとしてプリント基板Ｋ上に照射されるようになっている。
【００５２】
また、前記ＣＣＤカメラ４は、第１〜第３のダイクロイックミラー２１，２２，２３及びそれらに対応する第１〜第３の撮像部２４，２５，２６を備えている。すなわち、第１のダイクロイックミラー２１は、所定の波長域内（赤色光に対応）の光を反射（それ以外の波長の光を透過）し、第１の撮像部２４はその反射光を撮像する。また、第２のダイクロイックミラー２２は、所定の波長域内（緑色光に対応）の光を反射（それ以外の波長の光を透過）し、第２の撮像部２５はその反射光を撮像する。さらに、第３のダイクロイックミラー（通常のミラーを用いてもよい）２３は、所定の波長域内（青色光に対応）の光を反射（それ以外の波長の光を透過）し、第３の撮像部２６はその反射光を撮像する。
【００５３】
本実施の形態においては、図１，２に示すように、前記ＣＣＤカメラ４、照明装置３、及び、モータ５，６を駆動制御するとともに、ＣＣＤカメラ４により撮像された撮像データに基づき種々の演算を実行するための制御装置７が設けられている。すなわち、プリント基板Ｋがテーブル２上に載置されると、制御装置７は、まずモータ５，６を駆動制御して所定の位置に移動させ、プリント基板Ｋを初期位置に移動させる。この初期位置は、例えばＣＣＤカメラ４の視野の大きさを１単位としてプリント基板Ｋの表面を予め分割しておいた中の１つの位置である。
【００５４】
また、制御装置７は、照明装置３を駆動制御して光成分パターンの照射を開始する。このとき、光成分パターンには、位相が相違する複数の波長域のものが含まれているため、従来のように位相を経時的にシフトさせるといった処理を必要としない。さらに、このようにして各光成分パターンの位相がずらされた一斉照射が行われている間に、制御装置７はＣＣＤカメラ４を駆動制御して、これら各波長域毎に（撮像部２４〜２６ごとに）検査エリア部分を一斉に撮像し、それぞれ３画面分の画像データを得る。
【００５５】
さらに、レーザーポインタを駆動制御して、クリームハンダＨの高さを求めるために、検査エリア内の基準高さとしてプリント基板Ｋ面のうちクリームハンダＨの印刷されていない非ハンダ領域（平面）の高さを測定する。非ハンダ領域は、平面をなしているため、レーザーポインタによって容易に高さ測定することができる。
【００５６】
さて、制御装置７は画像メモリを備えており、画像データを順次記憶する。この記憶した画像データに基づいて、制御装置７は各種画像処理を行う。かかる画像処理が行われている間に、制御装置７は、モータ５，６を駆動制御してテーブル２を次の検査エリアへと移動せしめる。制御装置７は、ここでの画像データについても画像メモリへ格納する。一方、画像メモリでの画像処理が一旦終了した場合、すでに画像メモリには次の画像データが記憶されているので、速やかに制御装置７は次の画像処理を行うことができる。つまり、検査は、一方で次なる検査エリア（ｍ＋１番目）への移動及び画像入力を行い、他方ではｍ番目の画像処理及び比較判定を行う。以降、全ての検査エリアでの検査が完了するまで、交互に同様の上記並行処理が繰り返し行われる。このように、本実施の形態の印刷状態検査装置１においては、制御装置７の制御により検査エリアを移動しながら、順次画像処理を行うことにより、プリント基板Ｋ上のクリームハンダＨの印刷状態を高速かつ確実に検査することができるようになっている。
【００５７】
次に、制御装置７の行う画像処理及び演算処理、並びに、比較判定処理について説明する。まず、得られた３画面の画像データに基づき、撮像された各光成分パターンの相対位相角度を算出する。各光成分パターンの相対位相角度は、前記平面を撮像した光成分パターンの輝度のチャートから算出される。すなわち、制御装置７は、位相測定用平面としての非ハンダ領域の光成分パターンの縞に直交する方向の所定ライン上の座標と輝度との関係を各光成分パターンについてチャート化する。すると、図３に示すような赤色、緑色、青色についてのチャートが得られる。
【００５８】
該３つのチャートは、同一周期をなしており、いずれか１つのチャート（例えば、赤色チャート）に基づき、チャートトップ（頂点）間距離から１周期の座標距離ａを算出する。次に、赤色と緑色との光成分パターンの位相のずれである第１の相対位相角度αを算出するため、赤色チャートのトップに対する緑色チャートのトップのずれである座標距離ｂを算出する。そして、第１の相対位相角度αが、下式（２ａ）により算出される。
【００５９】
α＝３６０×ｂ／ａ ・・・（２ａ）
但し、αは度数単位。
【００６０】
同様に、赤色チャートと青色チャートのトップのずれである座標距離ｃが算出され、赤色と青色との光成分パターンの位相のずれである第２の相対位相角度βが、下式（２ｂ）により算出される。
【００６１】
β＝３６０×ｃ／ａ ・・・（２ｂ）
次に、制御装置７は、前記３画面の画像データを用いて、検査エリア内の高さを算出する。検査エリアに投影された光成分パターンに関して、高さの相違に基づく位相のずれが生じる。そこで、制御装置７では、光成分パターンの位相が異なる各波長域での画像データに基づき、位相シフト法（縞走査法）の原理に基づいて反射面の高さを算出するのである。
【００６２】
すなわち、各画面上の点Ｐの輝度は、それぞれ正弦波を示す式で表すことができる。赤色、緑色、青色の各式の振幅とオフセット成分を揃えた場合の各画面上の点Ｐの輝度Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２は、それぞれ下式で与えられる。
【００６３】
Ｖ０＝Ａｓｉｎθ＋Ｂ ・・・（２ｃ）
Ｖ１＝Ａｓｉｎ（θ＋α）＋Ｂ ・・・（２ｄ）
Ｖ２＝Ａｓｉｎ（θ＋β）＋Ｂ ・・・（２ｅ）
但し、θ：高さを導出するための位置情報、Ａ：振幅、Ｂ：オフセット成分。
【００６４】
これらの式（２ｃ）〜（２ｅ）より、下式（２ｆ）が導き出される。
【００６５】
【数１】

【００６６】
式（２ｆ）に基づき、既に算出されている相対位相角度α、β及び測定済みの輝度Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２を入力することで、位置情報θが算出される。
【００６７】
このように演算された位置情報θを用いて、下記式に基づいてハンダ領域内の点Ｐの高さＺを求める。
【００６８】
ここで、照明装置３の鉛直線と、照明装置３から点Ｐに向けて照射したときの照射光線とのなす角をεとすると、当該角εは、下式（３）により表される。
【００６９】
ε＝ｆ（θ＋２ｎπ） ・・（３）
そして、高さＺは、下記式（４）に従って導き出される。
【００７０】
Ｚ＝Ｌｐ−Ｌｐｃ／ｔａｎε＋Ｘｐ／ｔａｎε ・・（４）
（但し、Ｌｐ：照明装置３の基準面からの高さ、Ｌｐｃ：ＣＣＤカメラ４と照明装置３とのＸ軸方向の距離、Ｘｐ：点ＰのＸ座標。）
このようにして得られた点Ｐの高さデータは、撮像画面の画素Ｐ単位に演算され、制御装置７のメモリに格納される。また、当該各部のデータに基づいて、検査エリア内での各部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Ｈの量が算出される。そして、このようにして求めたクリームハンダＨの位置、面積、高さ又は量等のデータが予め記憶されている基準データと比較判定され、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Ｈの印刷状態の良否が判定されるのである。
【００７１】
以上詳述したように、本実施の形態によれば、異なる相対位相関係下においてＣＣＤカメラ４による３画面の画像データに基づき、クリームハンダＨの高さを演算することとした。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し１回の照射及び１回の撮像を行えばよく、照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、その結果、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。
【００７２】
また、３通りずつの画像データに基づいてクリームハンダＨの高さを求めることができることから、４回の撮像データに基づいて演算されていた従来技術に比べて、総合的なデータ数が少なくて済み、ひいては演算時間の著しい短縮を図ることができる。その結果、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。
【００７３】
特に、本実施の形態ではさほど複雑でない数式に基づいて位置情報θを求めることができ、該位置情報θに基づき高さを演算することができる。そのため、演算が複雑になってしまうことによる遅延が生じずに、上記作用効果が確実に奏される。
【００７４】
さらに、第１及び第２の相対位相角度α、βを算出しない場合は、フィルタ格子縞板１４，１５，１６の位相のずれを、予め把握しておく必要がある。すなわち、フィルタ格子縞板１４，１５，１６における相対位相角度α、βを事前に厳密に設定する必要がある。また、相対位相角度α、βを事前に設定できない場合や、相対位相角度α、βの不明なフィルタ格子板が採用される場合には、高さ等を演算することができない。これに対し、上記実施の形態によれば、画像データに基づき、相対位相角度α、βを算出できるため、予め相対位相角度α、βを把握する必要が無い。従って、相対位相角度α、βを事前に厳密に設定する必要がない。また、相対位相角度α、βの不明なフィルタ格子板を採用することもできる。その結果、設計の簡素化を図ることができる。
【００７５】
また、予め位相角度を設定してあるフィルタ格子板を用いる場合において、顔料が理想的でない等のために、撮像した光成分パターンの実際の相対位相角度が予定していた（設定されていた）相対位相角度と異なってしまうおそれがある。これに対し、上記実施の形態によれば、画像データから相対位相角度を算出した上で、高さ等を演算するため、より正確な結果を得ることができる。
【００７６】
尚、上述した実施の形態の記載内容に限定されることなく、例えば次のように実施してもよい。
【００７７】
（ａ）上記実施の形態では、検査エリア内の撮像された画像データに基づいて、相対位相角度α、βの算出を行っているが、予め別途の平面を撮像した画像データに基づいて算出を行ってもよい。
【００７８】
（ｂ）相対位相角度α、βの算出の際に、所定のライン、すなわち、一つのラインを用いているが、複数のラインについて、各ライン毎に位相データを算出し、その平均値を相対位相角度α、βとして採用するようにしてもよい。この場合、より正確な相対位相角度α、βを算出できる。さらに、複数の位相データを得ることで、位相データ中の異常値を検出、削除するようにしてよい。
【００７９】
（ｃ）上記実施の形態では、チャートトップ距離の差から相対位相角度α、βを算出しているが、相対位相角度の算出方法は、これに限定されず、例えば、各チャートの上下の頂点から振幅のセンターラインを算出し、各チャートのセンター位置の距離の差から算出するようにしてもよい。
【００８０】
（ｄ）照明装置３によって照射される光は、特に正弦波に限定されず、位相の異なる光成分を縞状に照射できればよい。また、波長域は、上記実施の形態の赤色、緑色、青色に限定されず、波長域毎の分離撮像が可能であれば、別の波長域でもよい。さらには、３つの光成分ではなく、２つ又は４つ以上の光成分を照射するようにしてもよい。
【００８１】
（ｅ）また、フィルタ格子板も上記実施の形態に限定されず、複数の位相の異なる波長の縞が照射できればよい。例えば、１枚のフィルタ格子板のみによって構成してもよい。
【００８２】
（ｆ）上記実施の形態では、プリント基板Ｋに印刷形成されたクリームハンダＨの高さ等を計測する場合に具体化したが、他にもＩＣパッケージ（例えばリード）に印刷形成されたクリームハンダの高さ等を計測する場合にも具体化できる。さらに、他の計測対象物の高さ等を計測する場合に具体化してもよい。他の計測対象物としては、基板上に印刷された印刷物、積層体等が挙げられる。
【００８３】
（ｇ）上記実施の形態では、位相シフト法を用いて高さ等の算出を行っているが、必ずしも位相シフト法を用いる必要は無い。例えば、正弦波状をなさない縞状の光成分パターンを照射、撮像し、画像データに基づいて、比などから高さを算出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態における三次元計測装置を具備する印刷状態検査装置を模式的に示す概略斜視図である。
【図２】一実施の形態におけるより詳細な三次元計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。
【図３】相対位相関係の異なる赤、緑、青色の光成分パターンの輝度と座標との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１…印刷状態検査装置、３…照明手段としての照明装置、４…撮像手段としてのＣＣＤカメラ、７…演算手段を構成する制御装置、１１…光源、１４…赤色フィルタ格子縞板、１５…緑色フィルタ格子縞板、１６…青色フィルタ格子縞板、Ｈ…計測対象物としてのクリームハンダ、Ｋ…プリント基板。

Claims (13)

1. 計測対象物に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも２つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
   前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
   前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を前記撮像手段にて撮像して得られた少なくとも２通りの画像データに基づき演算される、前記少なくとも２つの光成分パターンの互いの相対位相角度と、前記撮像手段にて前記計測対象物からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データとに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを演算可能な演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
2. 少なくとも計測対象物及び略平面に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも２つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
   少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段にて前記略平面からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データに基づき、互いの相対位相角度を演算可能であり、かつ、
   前記撮像手段にて前記計測対象物からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データと、前記演算された相対位相角度とに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを演算可能な演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
3. 少なくとも計測対象物及び略平面に対し、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも３つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
   少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物及び略平面からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段にて前記略平面からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも３通りの画像データに基づき、互いの相対位相角度を演算可能であり、かつ、
   前記撮像手段にて前記計測対象物からの反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも３通りの画像データと、前記演算された相対位相角度とに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを位相シフト法により演算可能な演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
4. 前記撮像手段にて前記略平面を撮像し、前記演算手段にて前記互いの相対位相角度を演算した後で、前記撮像手段にて前記計測対象物を撮像し、前記演算手段にて前記計測対象物の高さを演算することを特徴とする請求項２又は３に記載の三次元計測装置。
5. 前記演算手段は、前記画像データ毎に、前記略平面に照射された縞と交差する方向のライン上の位置と輝度との関係をチャート化し、当該チャート化されたデータに基づいて、前記相対位相角度を演算することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。
6. 前記演算手段は、前記画像データ毎に、前記略平面に照射された縞と交差する方向のライン上の輝度の変化に基づいて、前記相対位相角度を演算することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。
7. 前記縞と交差する方向は、縞に直交する方向であることを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載の三次元計測装置。
8. 前記演算手段は、複数の前記ラインについてそれぞれ相対位相角度を演算し、最適な相対位相角度を決定することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の三次元計測装置。
9. 前記計測対象物は略平面状の部分を備え、前記略平面は前記計測対象物の略平面状の部分であることを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載の三次元計測装置。
10. 前記略平面は、前記計測対象物以外に設けられた略平面状の部分であることを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載の三次元計測装置。
11. 前記撮像手段は、前記計測対象物と前記略平面との画像データを１回の撮像で同時に得ることを特徴とする請求項２乃至１０のいずれかに記載の三次元計測装置。
12. 前記計測対象物がプリント基板上に印刷されたクリームハンダであり、該クリームハンダの高さから印刷状態の良否を判定する判定手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の三次元計測装置。
13. 前記計測対象物がプリント基板上に設けられたハンダバンプであり、該ハンダバンプの高さからハンダバンプの形状の良否を判定する判定手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の三次元計測装置。

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