JP2013170987A - 部品実装基板生産装置、および、三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相シフト法を用いた三次元形状の測定と小型化とを両立することのできる部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置を提供すること。
【解決手段】部品実装装置２０であって、撮像部２００と、輝度変化光を発する投光部１３０と、測定対象物の表面における輝度変化光の輝度分布を相対的に第二方向に移動させるヘッド１００と、第三方向における撮像部と測定対象物との間の位置に配置され、測定対象物の像を撮像部において結像させるレンズ群１５０と、投光部１３０から発せられ、レンズ群１５０が配置されたレンズ群空間１５１を通過した輝度変化光を反射することで、輝度変化光を、撮像光軸Ａ１に対する所定の角度で測定対象物に照射する反射部１８０とを備え、投光部１３０は、投光軸Ａ２と撮像光軸Ａ１とが、レンズ群空間１５１において交差するように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、部品等の物体の形状を三次元的に測定する三次元形状測定装置、およびその測定結果を用いて部品実装基板を生産する部品実装基板生産装置に関する。

部品が実装された実装基板を生産するための実装基板生産システムは、基板に部品を実装する部品実装装置、および、基板に実装された部品を検査する検査装置などの各種の実装基板生産装置を備えている。

例えば、部品実装装置では、部品の実装精度を向上するために、部品を実装する前に、ノズルに吸着された状態における部品の形状を測定する。部品実装装置は、その測定結果を用いて、例えば、当該部品の基板へ装着時の当該ノズルの下降距離の補正を行う。これにより、当該部品は、精度良くかつ確実に当該基板に装着される。

つまり、部品実装装置等の部品実装基板生産装置において、精度良く部品実装基板を生産するためには、これらの部品の形状の測定を精度良く行う必要がある。

そこで、従来技術として、互いに位相が異なる複数の正弦波縞パターン光を物体に投影し、当該物体をカメラで撮像して、当該物体の形状測定を行う位相シフト法が提案されている。

位相シフト法では、輝度変化を正弦波で表すことのできる正弦波縞パターン光を、撮像光軸に対して斜めの方向から物体に投影する。より詳細には、当該正弦波縞パターン光を正弦波の位相をずらしながら複数回物体に投影し、位相をずらした正弦波縞パターン光が投影されるごとに物体を撮像する。

このようにして撮像された複数枚の物体の画像データから、座標ごとに、物体が存在しない場合に観測されるだろう輝度の変化パターンが示す正弦波と、実際に観測された物体の画像データにおける輝度の変化パターンが示す正弦波との位相のずれを算出する。座標ごとに算出された位相のずれ量から、物体の形状が測定される。

このような位相シフト法による三次元形状測定を効率よく行うための技術も公開されている。

例えば、特許文献１記載の技術によれば、互いに異なる波長成分を有し、かつ、それぞれの波長成分の相対位相関係が互いに異なる正弦波縞パターン光を、物体に対し斜め上方か照射する。さらに、このような正弦波縞パターン光が照射されている物体からの反射光を、物体の上方に配置されたＣＣＤカメラによって光成分毎に分離して一度に撮像する。

特許文献１記載の技術は、上記処理を行うことで、位相シフト法を用いた三次元形状測定に要する時間の短縮を図ろうとするものである。

特開２００２−４８５２３号公報

ここで、位相シフト法を用いた三次元形状の測定では、物体を撮像するための光学系を構成するレンズ群と、正弦波縞パターン光を平行光として物体に照射するための光学系を構成するレンズ群とが用いられる。

また、上述のように、正弦波縞パターン光を撮像対象の物体に照射する際に、撮像光軸に対して斜め方向から当該物体に照射しなければならない。

そのため、例えば、上下方向に並べられた複数のレンズで構成される、撮像のためのレンズ群の側方に、上下方向に対して傾いた方向に並べられた複数のレンズで構成される、正弦波縞パターン光の照射のためのレンズ群が配置される。

つまり、位相シフト法を用いて、物体の三次元形状を測定する場合、そのための装置構成は比較的大きくならざるを得ず、これにより、位相シフト法を採用する従来の三次元形状測定装置の小型化が困難であるという課題がある。

三次元形状測定装置の小型化は、当該装置を備える実装基板生産装置の小型化の実現という観点からも重要な事項である。

本発明は、上記従来の課題を考慮し、部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置であって、位相シフト法を用いた三次元形状の測定と小型化とを両立することのできる部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る部品実装基板生産装置は、部品が実装された部品実装基板を生産するための部品実装基板生産装置であって、撮像のための画素が行列状に配置される撮像部と、前記撮像部の撮像対象領域において第一方向に沿って輝度が揃い、かつ、前記第一方向と交差する第二方向の位置に応じて輝度が周期的に変化する輝度分布を有する光である輝度変化光を発する投光部と、前記輝度変化光における輝度の周期を維持しつつ、測定対象物の表面における前記輝度変化光の輝度分布を、前記測定対象物に対して相対的に前記第二方向に移動させる移動部と、前記第一方向および前記第二方向の双方に交差する第三方向に並んで配置された複数のレンズで構成されるレンズ群であって、前記第三方向における前記撮像部と前記測定対象物との間の位置に配置され、前記測定対象物の像を前記撮像部において結像させるレンズ群と、前記投光部から発せられ、前記レンズ群が配置されたレンズ群空間を通過した前記輝度変化光を反射することで、前記輝度変化光を、前記撮像部の撮像光軸に対する所定の角度で前記測定対象物に照射する反射部とを備え、前記投光部は、前記投光部から発せられた前記輝度変化光の光軸である投光軸と前記撮像光軸とが、前記レンズ群空間において交差するように配置されている。

この構成によれば、部品などの測定対象物の表面における光の輝度分布を当該測定対象物に対して相対的に移動させながら、位相シフト法による、当該測定対象物の三次元形状（具体的には、測定対象物の表面の各部分の第三方向（Ｚ軸方向）の位置）の測定が実行される。

また、測定対象物に照射される輝度変化光を発する投光部は、投光軸と撮像光軸とがレンズ群空間において交差するように配置される。さらに、レンズ群空間を通過した輝度変化光は反射部によって反射され、これにより、撮像光軸に対する所定の角度で輝度変化光が測定対象物に照射される。

つまり、本態様の部品実装基板生産装置では、簡単にいうと、測定対象物の撮像に用いられる光学系（レンズ群）が、測定対象物に対する斜め方向からの輝度変化光の照射にも用いられる。言い換えると、位相シフト法による三次元形状測定に用いられる撮像側および投光側の光学系（レンズ群）が共用化される。そのため、当該測定を実行するための装置構成の小型化が可能である。

このように、本態様の部品実装基板生産装置によれば、位相シフト法を用いた三次元形状の測定と小型化とを両立することができる。

また、本発明の一態様に係る部品実装基板生産装置において、前記複数のレンズは、前記第三方向において前記撮像部に最も近い位置に配置された第一レンズを含み、前記投光部は、前記第一レンズが有する第一周縁領域であって、前記撮像部において結像する光が通過する第一主領域の周縁の領域である第一周縁領域を、前記投光軸が通過するように配置されているとしてもよい。

この構成によれば、輝度変化光は、レンズ群において撮像部に最も近い第一レンズの第一周縁領域を介して測定対象物に照射される。

つまり、第一レンズにおける、撮像部で結像される光の通過領域の周縁の領域を、輝度変化光の測定対象物への照射に利用することにより、部品実装基板生産装置の小型化が図られる。

また、本発明の一態様に係る部品実装基板生産装置において、前記レンズ群は、前記複数のレンズのうちの、前記第三方向において前記測定対象物に最も近い位置に配置された第二レンズを含み、前記投光部は、前記第二レンズが有する第二周縁領域であって、前記撮像部において結像する光が通過する第二主領域の周縁の領域である第二周縁領域を、前記第一周縁領域を通過した前記投光軸が通過するように配置されているとしてもよい。

この構成によれば、輝度変化光は、第一レンズの第一周縁領域に加え、レンズ群において測定対象物に最も近い第二レンズの第二周縁領域を介して測定対象物に照射される。

つまり、第一レンズおよび第二レンズのそれぞれにおける、撮像部で結像される光の通過領域の周縁の領域を、輝度変化光の測定対象物への照射に利用することにより、部品実装基板生産装置の小型化が図られる。

また、本発明の一態様に係る三次元形状測定装置は、撮像のための画素が行列状に配置される撮像部と、前記撮像部の撮像対象領域において第一方向に沿って輝度が揃い、かつ、前記第一方向と交差する第二方向の位置に応じて輝度が周期的に変化する輝度分布を有する光である輝度変化光を発する投光部と、前記輝度変化光における輝度の周期を維持しつつ、測定対象物の表面における前記輝度変化光の輝度分布を、前記測定対象物に対して相対的に前記第二方向に移動させる移動部と、前記第一方向および前記第二方向の双方に交差する第三方向に並んで配置された複数のレンズで構成されるレンズ群であって、前記第三方向における前記撮像部と前記測定対象物との間の位置に配置され、前記測定対象物の像を前記撮像部において結像させるレンズ群と、前記投光部から発せられ、前記レンズ群が配置されたレンズ群空間を通過した前記輝度変化光を反射することで、前記輝度変化光を、前記撮像部の撮像光軸に対する所定の角度で前記測定対象物に照射する反射部とを備え、前記投光部は、前記投光部から発せられた前記輝度変化光の光軸である投光軸と前記撮像光軸とが、前記レンズ群空間において交差するように配置されている。

なお、本発明は、上記いずれかの態様に係る部品実装基板生産装置または三次元形状測定装置が実行する特徴的な処理を含む部品実装基板生産方法および三次元形状測定方法として実現することもできる。

また、部品実装基板生産方法または三次元形状測定方法に含まれる特徴的な処理を含む、コンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体およびインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができる。

さらに、上記いずれかの態様に係る部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置の特徴的な処理を制御する集積回路として実現することもできる。

本発明によれば、部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置であって、位相シフト法を用いた三次元形状の測定と小型化とを両立することのできる部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置を提供することが可能となる。

図１は、実施の形態における部品実装装置の構成を示す外観図である。 図２は、実施の形態における部品実装装置の内部の主要な構成を示す平面図である。 図３は、実施の形態における三次元形状測定装置の構造的外観を模式的に示す図である。 図４は、実施の形態における三次元形状測定装置の構成概要を示す側面図である。 図５Ａは、実施の形態の第一レンズの第一主領域と第一周縁領域とを示す側面図である。 図５Ｂは、実施の形態の第一レンズの第一主領域と第一周縁領域とを示す上面図である。 図６Ａは、実施の形態の第二レンズの第二主領域と第二周縁領域とを示す側面図である。 図６Ｂは、実施の形態の第二主領域と第二周縁領域とを示す上面図である。 図７は、反射部材と光源とを有する投光部の構成概要を示す図である。 図８は、測定対象物である部品に２方向から輝度変化光を照射可能な構成を有する三次元形状測定装置の構成概要を示す図である。

以下に、本発明の実施形態に係る部品実装装置および三次元形状測定装置について、図面を参照しながら説明する。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。

また、以下で説明する実施の形態では、本発明の好ましい一具体例が示されている。実施の形態およびその補足等で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態およびその補足等における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素は、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成する要素として説明される。

図１は、実施の形態における部品実装装置２０の構成を示す外観図である。

図２は、実施の形態における部品実装装置２０の内部の主要な構成を示す平面図である。

部品実装装置２０は、部品実装基板生産装置の一例であり、図１に示すように、基板３０に部品４０を実装する装置である。

また、部品実装装置２０は、図２に示すように、基板３０に対して部品４０を実装する２つの実装ユニットを備えている。２つの実装ユニットは、お互いが協調し１枚の基板３０に対して実装作業を行う。当該実装ユニットは、ヘッド１００、撮像部２００および部品供給部３００等によって構成されている。

部品供給部３００は、例えば、部品テープを収納する複数の部品カセット３１０の配列からなる。なお、部品テープとは、例えば、同一部品種の複数の部品４０がテープ（キャリアテープ）上に均等に並べられたものであり、リール等に巻かれた状態で供給される。また、部品テープに並べられる部品４０は、例えばＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）またはチップ部品等である。

ヘッド１００は、複数のノズル１１０を備えており、部品カセット３１０に収容された部品テープの部品４０を当該ノズル１１０で吸着して、吸着した部品４０を基板３０上に搬送し、基板３０に当該部品４０を装着する。

また、部品実装装置２０は、ヘッド１００のノズル１１０に保持された部品４０の三次元形状を測定する三次元形状測定装置１０を有している。

三次元形状測定装置１０は、ヘッド１００のノズル１１０に保持されている部品４０をその下方側から撮像部２００が撮像することで得られたデータに基づいて当該部品４０の三次元形状を測定する。

また、この撮像の際には、三次元形状測定装置１０が有する投光部１３０からの輝度変化光が当該部品４０に照射される。

図３は、実施の形態における三次元形状測定装置１０の構造的外観を模式的に示す図である。なお、三次元形状測定装置１０の筐体についての図示は省略している。このことは、図４等の他の図でも同様である。

図４は、実施の形態における三次元形状測定装置１０の構成概要を示す側面図である。

ヘッド１００は、図３に示すように、部品４０を保持する複数のノズル１１０を備えている。本実施の形態の場合、ノズル１１０は、真空吸着により部品４０を保持する。また、ヘッド１００は、ノズル１１０をそれぞれ独立にＺ軸方向に上下動させる機構を備えており、部品４０を保持して搬送し、基板３０に部品４０を装着する機能を備えている。

つまり、ヘッド１００は、部品供給部３００に配置されている部品４０をノズル１１０に吸着保持させ、ノズル１１０が撮像部２００の上方を通過するように移動する。そして、撮像部２００は、ノズル１１０およびノズル１１０が保持している部品４０を撮像することで、ノズル１１０および部品４０の位置等を認識する。

その後、ヘッド１００は、部品４０を保持したノズル１１０を基板３０の装着位置に移動させ、撮像部２００の撮像結果を用いて、ノズル１１０に保持されている部品４０の位置を補正し、基板３０に部品４０を装着する。

また、ノズル１１０に吸着された部品４０を撮像部２００が撮像する際、投光部１３０から発せられる輝度変化光は、後述する反射部１８０により反射されることで、Ｚ軸に対して所定の角度（θ）だけ傾いた方向から部品４０に照射される。

具体的には、投光部１３０は、図４に示すように、撮像部２００の撮像対象領域Ｃにおいて第一方向（Ｙ軸方向）に沿って輝度Ｂが揃い、かつ、第一方向と交差する第二方向（Ｘ軸方向）の位置に応じて輝度Ｂが周期的に変化する輝度分布を有する光である輝度変化光を発する。

本実施の形態の場合、輝度変化光の輝度Ｂの変化は正弦波を形成している。なお、同図中に示されている輝度Ｂの変化を示す正弦波の波長は、説明のため模式的に示されており、撮像対象領域Ｃに対し異なるスケールで示されている。

ここで、ヘッド１００は、輝度変化光における輝度の周期を維持しつつ、測定対象物（本実施の形態では部品４０、以下同じ）の表面における光の輝度分布を、当該測定対象物に対して相対的に第二方向（Ｘ軸方向）に移動させる移動部としての機能も有している。

つまり、本実施の形態では、部品実装装置２０において静止している三次元形状測定装置１０の撮像部２００および投光部１３０に対して、ノズル１１０で部品４０を保持した状態のヘッド１００が第二方向（Ｘ軸方向）に移動する。

これにより、輝度変化光における輝度の周期を維持しつつ、測定対象物である部品４０の表面における輝度変化光の輝度分布を、部品４０に対して相対的に第二方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。

なお、ヘッド１００の移動を駆動する駆動部（図示せず）はエンコーダを備えており、ヘッド１００の移動速度および位置などの情報を出力することができる。

また、撮像部２００には、撮像のための画素２１１が行列状に配置されている。本実施の形態では、撮像部２００は、第一方向（Ｙ軸方向）と第一方向に交差する第二方向（Ｘ軸方向）とに撮像のための画素２１１が行列状に並ぶエリアイメージセンサ２１０を有している。

エリアイメージセンサ２１０は、例えば第一方向（Ｙ軸方向）に画素２１１が４０００個程度並び、第二方向（Ｘ軸方向）に画素２１１が３０００個程度並ぶ画像認識デバイスである。本実施の形態の場合、エリアイメージセンサ２１０として、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサが採用されている。

またこのＣＭＯＳイメージセンサは、画素２１１に照射された光の全体的強度をデジタルデータとして出力する、白黒あるいはカラーのイメージセンサである。このＣＭＯＳイメージセンサは、行列状に配置される画素２１１の内の任意の領域に含まれる画素２１１のみのデジタルデータを取得することができる。

さらに、ＣＭＯＳイメージセンサは、前記領域をＣＭＯＳイメージセンサ内に複数箇所設けることができ、当該領域以外の画素２１１からのデータを取得しないことで測定に必要な箇所（例えば図３のＬ１参照）の像に対応する画素２１１群からのデータだけを高速で取得することができる。

すなわち、本実施の形態における撮像部２００は、予め定められた焦点深度内にエリアイメージセンサ２１０に対応した矩形の撮像対象領域Ｃを有し、撮像部２００の側から見て撮像対象領域Ｃに配置される物体の像の必要な部分のデジタルデータだけを出力することができる。

本実施の形態の場合、直線状に形成された前記測定に必要な箇所に対応するライン状の撮像領域をラインと称する。例えば、図３に示すライン１（図では“Ｌ１”と表記）は、第一方向（Ｙ軸方向）に並べられた一列の画素２１１群によって形成される。本実施の形態では、このようなラインが、第二方向（Ｘ軸方向）に並んで複数設定されている。なお、１つのラインが複数列の画素２１１群によって形成されていてもよい。

なお、エリアイメージセンサ２１０として、ＣＭＯＳイメージセンサ以外に、必要な箇所の行または列上の像を取得することができるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサを用いることも可能である。

また、ライン状の撮像領域を形成可能なエリアイメージセンサ２１０の代わりに、各ラインに対応する、第一方向（Ｙ軸方向）に少なくとも一列上に画素が並ぶラインイメージセンサを第二方向（Ｘ軸方向）に並べて配置した構成のラインセンサカメラ（図示せず）を、撮像部２００として用いることも可能である。

また、三次元形状測定装置１０は、測定対象物の像を撮像部２００において結像させるレンズ群１５０を備える。

レンズ群１５０は、第一方向（Ｙ軸方向）および第二方向（Ｘ軸方向）の双方に交差する第三方向（Ｚ軸方向）に並んで配置された複数のレンズで構成されている。また、レンズ群１５０は、第三方向（Ｚ軸方向）における撮像部２００と測定対象物との間の位置に配置されている。

本実施の形態では、レンズ群１５０は、図４に示すように、第一レンズ１５３と、中間レンズ群１６０と、第二レンズ１５４とを有する。

第一レンズ１５３は、レンズ群１５０が有する複数のレンズのうちの、第三方向（Ｚ軸方向）において撮像部２００に最も近い位置に配置されたレンズである。

第一レンズ１５３は、例えばコンデンサレンズと呼ばれ、本実施の形態では、中間レンズ群１６０を通過した部品４０からの反射光を撮像部２００で結像させる機能を有する。

第二レンズ１５４は、レンズ群１５０が有する複数のレンズのうちの、第三方向（Ｚ軸方向）において測定対象物に最も近い位置に配置されたレンズである。

第二レンズ１５４は、例えば対物レンズと呼ばれ、本実施の形態では、部品４０からの反射光を中間レンズ群１６０に導く機能を有する。

中間レンズ群１６０は、リレーレンズ１６４ａ、１６４ｂ、１６４ｃと、絞り部１６６とを有する。

第二レンズ１５４を通過し、中間レンズ群１６０に入射した光は、リレーレンズ１６４ａによって絞り部１６６に導かれる。

絞り部１６６は、入射する光の明るさおよびピントを調整する光学部材である。絞り部１６６としては、例えば、レンズ倍率または絞りの開口量をメカニカルに変更する開口絞り機構（図示せず）で構成されてもよい。なお、絞り部１６６の構成はこのような構成に限定されるものではなく、どのような構成であってもよい。

絞り部１６６を通過した光は、リレーレンズ１６４ｂおよびリレーレンズ１６４ｃによって、第一レンズ１５３に導かれる。

なお、本実施の形態におけるレンズ群１５０は、具体的には両側テレセントリック光学系を構成している。

つまり、レンズ群１５０は、第二レンズ１５４から入射される測定対象物からの反射光を第一レンズ１５３から平行光として撮像部２００に入射する。レンズ群１５０はさらに、第一レンズ１５３から入射される投光部１３０からの輝度変化光を、第二レンズ１５４から平行光として反射部１８０を介して測定対象物に照射する機能を有している。

つまり、第一レンズ１５３から入射される投光部１３０からの輝度変化光は、図４に示すように、リレーレンズ１６４ｃおよびリレーレンズ１６４ｂに導かれて絞り部１６６を通過する。絞り部１６６を通過した輝度変化光は、リレーレンズ１６４ａによって第二レンズ１５４に導かれる。

第二レンズ１５４に導かれた輝度変化光は、平行光として反射部１８０の方向に進行し、反射部１８０で反射される。これにより、平行光である輝度変化光が測定対象物に照射される。

また、図４に示すレンズ群１５０のレンズ構成は一例である。レンズ群１５０が採用するレンズの口径、曲率半径および枚数、ならびにレンズ間距離等は、例えば、測定対象物となり得る部品４０のサイズ、撮像部２００のエリアイメージセンサ２１０のサイズ、および、三次元形状測定装置１０についてのサイズの制限などに応じて決定されればよい。

また、例えば絞り部１６６における開口絞り位置から撮像部２００における撮像面までのレンズ（本実施の形態では、リレーレンズ１６４ｂ、リレーレンズ１６４ｃ、および第一レンズ１５３）の総称として、コンデンサレンズ群（集束レンズ群）と呼ばれる場合もある。

また、当該開口絞り位置から被写体面までのレンズ（本実施の形態では、リレーレンズ１６４ａおよび第二レンズ１５４）の総称として、オブジェクティブレンズ群（対物レンズ群）と呼ばれる場合もある。

ここで、投光部１３０は、図４に示すように、レンズ群１５０が配置された空間であるレンズ群空間１５１において、撮像部２００の撮像光軸Ａ１と、投光部１３０からの輝度変化光の光軸である投光軸Ａ２とが交差するように配置されている。

また、反射部１８０は、レンズ群空間１５１を通過した輝度変化光を反射することで、当該輝度変化光を、撮像部２００の撮像光軸Ａ１に対する所定の角度で測定対象物に照射する。反射部１８０は、例えば、金属板、または、ガラス板にアルミ等の金属が蒸着された鏡によって実現される。

本実施の形態では、例えば、撮像光軸Ａ１に対してθ＝３０°の角度で輝度変化光が部品４０に照射されるように、反射部１８０が設けられている。

具体的には、本実施の形態では、撮像光軸Ａ１は、第三方向（Ｚ軸方向）に平行に設定されており、反射部１８０は、反射した輝度変化光の投光軸Ａ２とＺ軸とのなす角度が３０°となるように設定されている。

より詳細には、投光部１３０から発せられた輝度変化光は、第一レンズ１５３の周縁領域と、中間レンズ群１６０と、第二レンズ１５４の周縁領域とを通過し、平行光として反射部１８０で反射される。

なお、第一レンズ１５３および第二レンズ１５４の周縁領域については、図５Ａ〜図６Ｂを用いて後述する。

このようにして輝度変化光が斜めから照射されながら第二方向（Ｘ軸方向）に移動する部品４０からの反射光は、レンズ群１５０を介して撮像部２００に入射する。これにより、位相シフト法による部品４０の三次元形状測定のための撮像データが撮像部２００によって取得される。

このように、レンズ群１５０は、測定対象物の撮像のための光学系として用いられるだけでなく、測定対象物に斜めから輝度変化光を照射するための光学系としても利用される。

これにより、従来のように、測定対象物の撮像のためのレンズ群と、測定対象物に対する輝度変化光の斜めからの照射のためのレンズ群とを別々に設ける必要がない。

その結果、例えば、三次元形状測定装置１０の横幅（本実施の形態におけるＸ軸方向の幅）を従来の三次元形状測定装置よりも小さくできる。

また、測定対象物の撮像および輝度変化光の照射に用いるレンズの総数を、従来の三次元形状測定装置より少なくすることが可能となる。そのため、例えば、レンズの総数を減らすことにより相対的に第一レンズ１５３等のレンズの一枚当たりの生産コストを増やすことも可能であり、この場合、例えば、各レンズをより小型化することが可能となる。その結果、三次元形状測定装置１０の更なる小型化が可能となる。

図５Ａは、実施の形態の第一レンズ１５３の第一主領域１５３ａと第一周縁領域１５３ｂとを示す側面図であり、図５Ｂは、第一主領域１５３ａと第一周縁領域１５３ｂとを示す上面図である。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、第一レンズ１５３は、撮像部２００において結像する光が通過する第一主領域１５３ａと、第一主領域１５３ａの周縁の領域である第一周縁領域１５３ｂとを有している。

なお、図５Ｂでは、第一主領域１５３ａと第一周縁領域１５３ｂとを識別し易いように、第一主領域１５３ａにドットを付し、第一周縁領域１５３ｂに斜線を付して記載している。

つまり、第一主領域１５３ａと第一周縁領域１５３ｂとは、第一レンズ１５３に付された線または第一レンズ１５３の形状等で明確に区別されていなくてもよい。

第一主領域１５３ａは、撮像部２００において結像する光が、第一レンズ１５３において通過する領域として規定される。また、第一周縁領域１５３ｂは、第一レンズ１５３における第一主領域１５３ａの外側の領域として規定される。

なお、第一主領域１５３ａが形成する円の直径は、例えば、「有効光束径」とも呼ばれる。このことは、後述する、第二レンズ１５４における第二主領域１５４ａについても同じである。

投光部１３０から発せられる輝度変化光は、このように規定される第一レンズ１５３の第一周縁領域１５３ｂを通過する。言い換えると、投光部１３０は、第一主領域１５３ａの外側の領域の第一周縁領域１５３ｂを投光軸Ａ２が通過するように配置されている。

ここで、第一周縁領域１５３ｂは、投光部１３０から発せられる輝度変化光が通過することを考慮しなければ第一レンズ１５３に存在しなくてもよい領域である。

つまり、本実施の形態の三次元形状測定装置１０では、撮像側および投光側の光学系（レンズ群）を共用化するために、第一レンズ１５３の口径を、光学系の当該共用化をしない場合よりも大きくしているとも言える。

しかしながら、上述のように、撮像側および投光側の光学系（レンズ群）の共用化は、三次元形状測定装置１０の小型化に大きな寄与をもたらす。つまり、当該共用化による第一レンズ１５３の口径の増加が三次元形状測定装置１０のサイズに与える影響は、当該共用化による小型化への寄与に比べて十分に小さい。そのため、第一レンズ１５３が第一周縁領域１５３ｂを有した場合であっても、三次元形状測定装置１０の小型化は実現される。

また、輝度変化光が通過することを考慮せずに、第一レンズ１５３に相当するレンズを作製する場合、実際には、当該レンズの、撮像部２００による撮像に用いられる領域（第一レンズ１５３における第一主領域に相当）の周縁を削り落とす工程を経て作製することが一般に行われる。

つまり、第一レンズ１５３における第一周縁領域１５３ｂは、上記の周縁を削り落とす工程を省略することで第一レンズ１５３に設けることが可能である。従って、従来のコンデンサレンズよりも少ない工程で、第一レンズ１５３を作製することも可能である。

また、本実施の形態の三次元形状測定装置１０では、第一レンズ１５３の第一周縁領域１５３ｂを通過した輝度変化光はさらに、第二レンズ１５４の第二周縁領域１５４ｂを通過して、反射部１８０に入射する。

図６Ａは、実施の形態の第二レンズ１５４の第二主領域１５４ａと第二周縁領域１５４ｂとを示す側面図であり、図６Ｂは、第二主領域１５４ａと第二周縁領域１５４ｂとを示す上面図である。

図６Ａおよび図６Ｂに示すように、第二レンズ１５４は、撮像部２００において結像する光が通過する第二主領域１５４ａと、第二主領域１５４ａの周縁の領域である第二周縁領域１５４ｂとを有している。

なお、図６Ｂでは、第二主領域１５４ａと第二周縁領域１５４ｂとを識別し易いように、第二主領域１５４ａにドットを付し、第二周縁領域１５４ｂに斜線を付して記載している。

なお、第二主領域１５４ａと第二周縁領域１５４ｂがどのように規定されるか等については上述の第一レンズ１５３と同じである。

つまり、第二主領域１５４ａは、撮像部２００において結像する光が、第二レンズ１５４において通過する領域として規定され、第二周縁領域１５４ｂは、第二主領域１５４ａの外側の領域として規定される。

投光部１３０から発せられる輝度変化光は、このように規定される第二レンズ１５４の第二周縁領域１５４ｂを通過する。言い換えると、投光部１３０は、第二主領域１５４ａの外側の領域の第二周縁領域１５４ｂを投光軸Ａ２が通過するように配置されている。

このように、本実施の形態の三次元形状測定装置１０では、投光部１３０からの輝度変化光は、レンズ群空間１５１（図４参照）を通過する際に、第一レンズ１５３および第二レンズ１５４それぞれの、撮像部２００の撮像に用いられる領域の外側を経由して通過する。

なお、第二レンズ１５４についても、第一レンズ１５３と同様に、撮像側および投光側の光学系（レンズ群）の共用化のために、口径を大きくしているとも言える。しかしながら、第二レンズ１５４の口径を大きくすることの、三次元形状測定装置１０のサイズへの影響は、光学系の当該共用化による小型化への寄与に比べて十分に小さいため、三次元形状測定装置１０の小型化は実現される。

また、第二レンズ１５４は、第一レンズ１５３と同様に、第二レンズ１５４に相当する従来のレンズの作製の工程で行われていた周縁領域の削り落し工程を省略することで作製することも可能である。

三次元形状測定装置１０は、以上説明したレンズ群１５０を用いて、測定対象物である部品４０に対する輝度変化光の照射と撮像とを実行し、その撮像データに示される輝度値から、当該部品４０の三次元形状を求めることができる。

以下に、本実施の形態における三次元形状測定装置１０による、測定対象物である部品４０の三次元形状の算出手法の概要を説明する。

三次元形状測定装置１０は、Ｘ軸方向に移動する部品４０の一部を、撮像部２００のエリアイメージセンサ２１０の少なくとも３つのラインのそれぞれで、撮像のタイミングをずらしながら撮像する。

例えば、エリアイメージセンサ２１０の第二方向（Ｘ軸方向）に並ぶ複数の（例えば４つの）ライン（図示せず）のそれぞれに、撮像対象領域Ｃを第二方向（Ｘ軸方向）に相対移動する部品４０の一部である測定部位Ｋ（図４参照）を順次撮像させる。これにより、互いに撮像のタイミングが異なる、測定部位Ｋにおける４つの輝度値が得られる。

三次元形状測定装置１０は、これら４つの輝度値を用い、位相シフト法による当該測定部位Ｋの第三方向（Ｚ軸方向）の位置の算出に用いられる波形であって、当該４つの輝度値に対応する波形を作成する。

なお、本実施の形態では、部品４０に照射される輝度変化光における輝度の変化は、上述のように正弦波を形成しているため、当該４つの輝度値から求められる波形も正弦波である。つまり、当該該４つの輝度値に対応する波形として、当該４つの輝度値を接続するような正弦波が求められる。

三次元形状測定装置１０は、このようにして作成された波形と、基準波形との位相差を求める。

なお、基準波形とは、部品４０がノズル１１０に吸着されていないとした場合のＺ軸方向の高さ位置の基準としての仮想平面における、撮像部２００のエリアイメージセンサ２１０の各ラインからの撮像データに示される輝度分布を示す波形（正弦波）である。

また、仮想平面とは、例えば部品４０を吸着保持するノズル１１０の先端面のＺ軸方向の位置（高さ位置）を通りＸ軸方向およびＹ軸方向の双方に平行な平面である。

このようにして求められた位相差から、部品４０の測定部位Ｋの、仮想平面、つまり、ノズル１１０の先端面からの距離が求められる。

三次元形状測定装置１０は、このようにして、部品４０の各部分についての第三方向（Ｚ軸方向）の位置を示す情報を位相シフト法により算出する。三次元形状測定装置１０はさらに、これら算出結果をまとめることで、部品４０の三次元形状を示す測定結果として出力する。

なお、上記の、基準波形等を用いて部品４０の三次元形状を示す情報を算出する処理は、三次元形状測定装置１０に接続されたコンピュータ等の情報処理装置が実行してもよい。つまり、三次元形状測定装置１０は、位相シフト法に用いられる撮像データを当該情報処理装置に出力する装置として、部品実装装置２０等の部品実装基板生産装置に備えられていてもよい。

以上説明したように、本実施の形態の部品実装装置２０は、三次元形状測定装置１０を備える。三次元形状測定装置１０は、位相シフト法による三次元形状測定に用いられる光学系（レンズ群１５０）を撮像側および投光側とで共用させている。

これにより、位相シフト法を用いた三次元形状の測定と小型化とを両立することのできる部品実装装置２０および三次元形状測定装置１０が実現される。

なお、本実施の形態において、投光部１３０が発する輝度変化光は、輝度の変化が正弦波を形成する輝度変化光であるとした。しかしながら、投光部１３０は、例えば、第二方向（Ｘ軸方向）の位置に応じて輝度が周期的に変化する、のこぎり波または三角波を形成する輝度変化光を発してもよい。

また、投光部１３０による輝度変化光の発生手法に特に限定はない。例えば、投光部１３０は、第二方向（Ｘ軸方向）の位置に応じて光の透過率が周期的に変化しているフィルタと、当該フィルタに光を入射する光源とを備えることで、輝度変化光を発してもよい。

また、例えば、第二方向（Ｘ軸方向）の位置に応じて光の反射率が周期的に変化している反射部材と当該反射部材に光を入射する光源とを備えることで、輝度変化光を発してもよい。

図７は、反射部材１３６と光源１３５とを有する投光部１３０の構成概要を示す図である。

例えば、第一レンズ１５３の第一周縁領域１５３ｂの所定の位置を、所定の角度で、投光軸Ａ２が通過するように、反射部材１３６と光源１３５とを設ける。反射部材１３６としては、例えば反射型液晶が採用される。

図７に示す投光部１３０では、光源１３５は、反射部材１３６から見てレンズ群１５０の側に配置される。そのため、例えば、三次元形状測定装置１０の高さ（本実施の形態におけるＺ軸方向の長さ）を、投光部１３０が、上述のフィルタを透過する光によって輝度変化光を発生させる方式を採用する場合の高さよりも、短くすることが可能である。

また、本実施の形態において、三次元形状測定装置１０は、測定対象物である部品４０に、一方向から輝度変化光を照射するとした。しかしながら、三次元形状測定装置１０は、測定対象物である部品４０に複数の方向から輝度変化光を照射可能な構成を有していてもよい。

図８は、測定対象物である部品４０に２方向から輝度変化光を照射可能な構成を有する三次元形状測定装置１０の構成概要を示す図である。

図８に示す三次元形状測定装置１０は、部品４０に輝度変化光を照射する構成として、上述の投光部１３０および反射部１８０に加え、投光部１３１および反射部１８１を備えている。

なお、投光部１３１は、投光部１３０と同じく、輝度変化光を発する機能を有する。また、反射部１８１は、反射部１８０と同じく、入射する輝度変化光を、撮像光軸Ａ１に対する所定の角度で部品４０に照射する機能を有する。

投光部１３１は、投光軸Ａ３と撮像光軸Ａ１とが、レンズ群空間１５１において交差するように配置されている。具体的には、投光部１３１は、投光部１３１から発せられた輝度変化光の光軸である投光軸Ａ３が、投光部１３０からの投光軸Ａ２と、撮像光軸Ａ１を中心とした線対称の関係となるように配置されている。

また、投光軸Ａ３は、第一レンズ１５３の第一周縁領域１５３ｂ（図５Ａおよび図５Ｂ参照）と、中間レンズ群１６０と、第二レンズ１５４の第二周縁領域１５４ｂ（図６Ａおよび図６Ｂ参照）とを通過し、反射部１８１に到達する。

つまり、投光部１３１からの輝度変化光は、レンズ群１５０を通過することで、平行光としてレンズ群１５０から出力され、反射部１８１で反射されることで、測定対象物である部品４０に照射される。

また、投光軸Ａ２の撮像光軸Ａ１に対する角度θと同じ角度θ（例えば３０°）で、投光部１３１からの輝度変化光が部品４０に照射されるように、反射部１８１が設けられている。

このように、三次元形状測定装置１０は、撮像光軸Ａ１を中心として、第二方向（Ｘ軸方向）における双方から、輝度変化光を測定対象物に照射可能な構成を有することで、投光部１３０による輝度変化光の照射の下での撮像データと、投光部１３０による輝度変化光の照射の下での撮像データとを得ることができる。

これにより、例えば、測定対象物に対して斜めから輝度変化光を照射することにより測定対象物の表面に生じる影の影響を排除しつつ、位相シフト法による当該測定対象物の三次元形状の高速かつ高精度な測定が可能となる。

以上、本発明の部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置について、実施の形態およびその補足に基づいて説明した。しかしながら、本発明は、当該実施の形態およびその補足に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態およびその補足に施したものも、あるいは、上記説明された複数の構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、ヘッド１００を停止させることで位置が固定された測定対象物（部品４０）に対し、撮像部２００、投光部１３０、レンズ群１５０および反射部１８０を移動させてもよい。こうすることでも、第二方向（Ｘ軸方向）に輝度が変化している輝度変化光における輝度の周期を維持しつつ、測定対象物の表面における光の輝度分布を、当該測定対象物に対して相対的に第二方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。

また、投光部１３０の物理的な位置は固定しておき、輝度変化光を発生させるフィルタまたは反射部材等の動作を制御することで、輝度変化光における輝度の周期を維持しつつ測定対象物の表面における光の輝度分布を、当該測定対象物に対して走査するように相対的に第二方向（Ｘ軸方向）に移動させてもよい。

つまり、測定対象物の表面に現れる輝度変化光による光の縞模様が、第二方向（Ｘ軸方向）に移動されるのであれば、測定対象物、および、撮像部２００等のその他の構成要素のいずれを移動または動作させてもよい。

なお、上述のように、測定対象物である部品４０の撮像時に、位置が固定された部品４０に対して、撮像部２００、投光部１３０、レンズ群１５０および反射部１８０を移動させる場合、これら撮像部２００等を移動させる機構またはソフトウェア等が、本発明の部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置における移動部として機能する。

また、上述のように、測定対象物である部品４０の撮像時に、位置が固定された部品４０に対して、投光部１３０が有する輝度変化光を発生させるフィルタまたは反射部材等の動作を制御する場合は、当該制御を行う機構またはソフトウェア等が、本発明の部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置における移動部として機能する。

また、本実施の形態では、投光部１３０から発せられた輝度変化光は、レンズ群１５０に含まれるレンズの全てを通過している（図４参照）。しかし、投光部１３０から発せられた輝度変化光は、レンズ群１５０に含まれるレンズの全てを通過しなくてもよい。

例えば、投光部１３０から発せられた輝度変化光は、第二レンズ１５４を通過せず、反射部１８０で反射され、測定対象物である部品４０に照射されてもよい。この場合、例えば、反射部１８０の反射面を、撮像光軸Ａ１に対して外側にへこませた曲面とすることで、当該輝度変化光を平行光として部品４０に照射することができる。

また、本実施の形態では、部品実装基板生産装置として部品実装装置２０を例示した。しかしながら、部品実装基板生産装置は、基板に部品を実装する部品実装装置２０に限定されるわけではなく、半田印刷装置および検査装置など部品実装基板の生産に寄与する装置であれば全て部品実装基板生産装置に含まれる。

例えば、検査装置が、三次元形状測定装置１０と同様の機能を有する装置を備えることで、半田が印刷された基板あるいは部品が実装された基板をコンベア、プレートあるいはテーブル等の移動部で移動させながら当該基板を検査する際に、その移動に起因する振動による影響を排除しつつ、半田が正しい位置に印刷されているか、または、部品が正しい位置に正しい姿勢で実装されているか等を検査することができる。

この場合、測定対象物は、基板、印刷された半田、または、基板に実装された部品である。

本発明は、位相シフト法を用いた三次元形状の測定と小型化とを両立することのできる部品実装基板生産装置および三次元形状測定装置等として有用である。

１０ 三次元形状測定装置
２０ 部品実装装置
３０ 基板
４０ 部品
１００ ヘッド
１１０ ノズル
１３０、１３１ 投光部
１３５ 光源
１３６ 反射部材
１５０ レンズ群
１５１ レンズ群空間
１５３ 第一レンズ
１５３ａ 第一主領域
１５３ｂ 第一周縁領域
１５４ 第二レンズ
１５４ａ 第二主領域
１５４ｂ 第二周縁領域
１６０ 中間レンズ群
１６４ａ、１６４ｂ、１６４ｃ リレーレンズ
１６６ 絞り部
１８０、１８１ 反射部
２００ 撮像部
２１０ エリアイメージセンサ
２１１ 画素
３００ 部品供給部
３１０ 部品カセット

Claims (5)

1. 部品が実装された部品実装基板を生産するための部品実装基板生産装置であって、
   撮像のための画素が行列状に配置される撮像部と、
   前記撮像部の撮像対象領域において第一方向に沿って輝度が揃い、かつ、前記第一方向と交差する第二方向の位置に応じて輝度が周期的に変化する輝度分布を有する光である輝度変化光を発する投光部と、
   前記輝度変化光における輝度の周期を維持しつつ、測定対象物の表面における前記輝度変化光の輝度分布を、前記測定対象物に対して相対的に前記第二方向に移動させる移動部と、
   前記第一方向および前記第二方向の双方に交差する第三方向に並んで配置された複数のレンズで構成されるレンズ群であって、前記第三方向における前記撮像部と前記測定対象物との間の位置に配置され、前記測定対象物の像を前記撮像部において結像させるレンズ群と、
   前記投光部から発せられ、前記レンズ群が配置されたレンズ群空間を通過した前記輝度変化光を反射することで、前記輝度変化光を、前記撮像部の撮像光軸に対する所定の角度で前記測定対象物に照射する反射部とを備え、
   前記投光部は、前記投光部から発せられた前記輝度変化光の光軸である投光軸と前記撮像光軸とが、前記レンズ群空間において交差するように配置されている
   部品実装基板生産装置。
2. 前記複数のレンズは、前記第三方向において前記撮像部に最も近い位置に配置された第一レンズを含み、
   前記投光部は、前記第一レンズが有する第一周縁領域であって、前記撮像部において結像する光が通過する第一主領域の周縁の領域である第一周縁領域を、前記投光軸が通過するように配置されている
   請求項１記載の部品実装基板生産装置。
3. 前記レンズ群は、前記複数のレンズのうちの、前記第三方向において前記測定対象物に最も近い位置に配置された第二レンズを含み、
   前記投光部は、前記第二レンズが有する第二周縁領域であって、前記撮像部において結像する光が通過する第二主領域の周縁の領域である第二周縁領域を、前記第一周縁領域を通過した前記投光軸が通過するように配置されている
   請求項２記載の部品実装基板生産装置。
4. 撮像のための画素が行列状に配置される撮像部と、
   前記撮像部の撮像対象領域において第一方向に沿って輝度が揃い、かつ、前記第一方向と交差する第二方向の位置に応じて輝度が周期的に変化する輝度分布を有する光である輝度変化光を発する投光部と、
   前記輝度変化光における輝度の周期を維持しつつ、測定対象物の表面における前記輝度変化光の輝度分布を、前記測定対象物に対して相対的に前記第二方向に移動させる移動部と、
   前記第一方向および前記第二方向の双方に交差する第三方向に並んで配置された複数のレンズで構成されるレンズ群であって、前記第三方向における前記撮像部と前記測定対象物との間の位置に配置され、前記測定対象物の像を前記撮像部において結像させるレンズ群と、
   前記投光部から発せられ、前記レンズ群が配置されたレンズ群空間を通過した前記輝度変化光を反射することで、前記輝度変化光を、前記撮像部の撮像光軸に対する所定の角度で前記測定対象物に照射する反射部とを備え、
   前記投光部は、前記投光部から発せられた前記輝度変化光の光軸である投光軸と前記撮像光軸とが、前記レンズ群空間において交差するように配置されている
   三次元形状測定装置。
5. 撮像のための画素が行列状に配置される撮像部の撮像対象領域において、第一方向に沿って輝度が揃い、かつ、前記第一方向と交差する第二方向の位置に応じて輝度が周期的に変化する輝度分布を有する光である輝度変化光を投光部が発する投光ステップと、
   前記輝度変化光における輝度の周期を維持しつつ、測定対象物の表面における前記輝度変化光の輝度分布を、前記測定対象物に対して相対的に前記第二方向に移動させる移動ステップと、
   前記第一方向および前記第二方向の双方に交差する第三方向に並んで配置された複数のレンズで構成されるレンズ群であって、前記第三方向における前記撮像部と前記測定対象物との間の位置に配置され、前記測定対象物の像を前記撮像部において結像させるレンズ群を介して、前記撮像部が前記測定対象物を撮像する撮像ステップと、
   前記投光部から発せられ、前記レンズ群が配置されたレンズ群空間を通過した前記輝度変化光を反射部が反射することで、前記輝度変化光を、前記撮像部の撮像光軸に対する所定の角度で前記測定対象物に照射する照射ステップとを含み、
   前記撮像ステップでは、前記照射ステップにおいて前記輝度変化光が前記測定対象物に照射されている期間に、前記撮像部が前記測定対象物を撮像し、
   前記投光部は、前記投光部から発せられた前記輝度変化光の光軸である投光軸と前記撮像光軸とが、前記レンズ群空間において交差するように配置されている
   三次元形状測定方法。

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