JP2020091203A - 投影装置及び三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パターン投影法を利用した三次元計測を行うにあたり計測精度の向上等を図ることのできる投影装置及び三次元計測装置を提供する。【解決手段】基板検査装置は、プリント基板１に対し縞パターンＷを投影する投影装置を備えている。投影装置は、所定の光源から入射する光を縞パターンＷに変換する格子板２０と、縞パターンＷをプリント基板１に対し結像させるための両側テレセントリック光学系を構成する入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６と、投影される縞パターンＷの周期を変更可能なパターン周期変更機構２２とを備えている。パターン周期変更機構２２は、格子板２０及び入射側レンズ２５間の距離Ｌｆ１、並びに、出射側レンズ２６及びプリント基板１間の距離Ｌｆ２を維持しつつ、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の距離Ｌｓを変更可能に構成されている。【選択図】 図６

Description

本発明は、位相シフト法などのパターン投影法を利用した三次元計測を行うにあたり、所定のパターン光を投影する投影装置及びこれを備えた三次元計測装置に関するものである。

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半田が印刷される。次に、該クリーム半田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半田付けが行われる。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半田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。

従来、所定のパターン光を投影して三次元計測を行う三次元計測装置が種々提案されている。中でも、位相シフト法を利用した三次元計測装置がよく知られている。

位相シフト法を利用した三次元計測装置は、プリント基板等の被計測物に対し、縞状の光強度分布を有するパターン光（以下、「縞パターン」という）を斜め上方より投影する投影装置と、該縞パターンの投影された被計測物を撮像する撮像装置とを備えている。

投影装置は、所定の光を発する光源と、該光源からの光を縞パターンに変換するパターン生成部とを備え、ここで生成された縞パターンが投影レンズ等からなる投影光学系を介して被計測物に対し投影される。

かかる構成の下、被計測物に投影される縞パターンの位相を複数通り（例えば４通り）にシフトさせると共に、位相の異なる各縞パターンの下で撮像を行い、被計測物に係る複数通りの画像データを取得する。そして、これらの画像データを基に被計測物の三次元計測を行う。

但し、実際に高さ計測される計測対象には、高さの高いものもあれば低いものもある。例えばクリーム半田に関して言えば、従来の一般的なプリント基板上に印刷されるクリーム半田の高さは通常１００μｍ程度であるが、近年、自動車の電動化に伴い増加している車載用プリント基板等においては、パワー回路等が搭載されるため、クリーム半田の高さが３００〜４００μｍ程度となる場合もある。

ここで、例えば車載用プリント基板に合わせて、投影する縞パターンの周期を従来よりも長くした三次元計測装置を用いれば、高さのダイナミックレンジが増え、車載用プリント基板の計測は可能となるものの、これを従来の一般的なプリント基板の計測に用いた場合には、高さ分解能が粗くなり、計測精度が悪化してしまうおそれがある。

従って、三次元計測装置に汎用性を持たせるためには、プリント基板等の被計測物の凹凸度合いが大きい場合には周期の長い縞パターンを投影し、凹凸度合いが小さい場合には周期の短い縞パターンを投影するといったように、被計測物の凹凸度合いに応じた縞パターンを投影する必要がある。

しかしながら、パターン生成部として、フィルムやガラス板などに格子を印刷した従来の格子板を用いた場合には、印刷された格子の幅やピッチを変更できないため、被計測物に投影される縞パターンは一定となる。

そのため、仮に格子板を用いる三次元計測装置によって、被計測物の凹凸度合いに応じて異なる縞パターンを投影しようとした場合には、印刷された格子の幅やピッチが異なる格子板を予め複数用意しておき、被計測物の凹凸度合いに応じて、これらの格子板を使い分ける必要が生じる。このように、その都度、格子板を交換しなければならない三次元計測装置は、利便性が悪く、生産性の低下を招くおそれがある。

一方、パターン生成部として、複数の画素がマトリクス状に二次元配列されてなる液晶素子などを用いた三次元計測装置なども見受けられる。

しかしながら、従来の液晶素子は画素と画素の間が暗部となることから、生成される縞パターンが微視的には不連続なものとなるため、被計測物に投影される縞パターンが、想定した縞パターンとならず、三次元計測の計測精度が低下するおそれがある。

これに対し、近年では、上記不具合を解消するため特殊な液晶素子を用いて、被計測物の凹凸度合いに応じて格子の幅やピッチを変更し、周期の異なる縞パターンを投影可能とした三次元計測装置も見受けられる（例えば、特許文献１参照）。

具体的に、特許文献１に記載された三次元計測装置は、液晶素子に一定のピッチと幅を有するストライブ状の電極をＮ本形成し、３あるいは４の倍数の電極数ｎで前記ストライブ状電極をＮ／ｎ個のグループに分割し、各々のグループごとに正弦波状の強度分布を有する格子を１本ずつ作成し、前記電極数ｎに応じて前記正弦波の一周期をｎ等分に分割し、該分割された各々の領域の正弦波の振幅と、該正弦波のバイアス強度との和の強度に対応する液晶駆動信号を前記ストライブ電極の各々に印加して正弦波強度分布を有する格子パターン（縞パターン）をＮ／ｎ本発生させると共に、該格子パターンの一周期を３あるいは４分割した周期を単位とし、前記ストライブ電極に印加する前記の液晶駆動信号の電圧印加の配列を順次変化させ、前記格子パターンの位相を２π／３、あるいはπ／２ピッチごとにシフトさせ、前記電極数ｎを変化させることによって測定される物体の表面形状に適する格子パターンを形成するように構成されている。

特開平１１−８３４５４号公報

しかしながら、特許文献１に係る構成では、上述した特殊な液晶素子が必要となり、投影装置の製造コストが増大するおそれがある。

さらに、液晶素子は、偏光フィルタを介するため、被計測物に投影される縞パターンが暗くなるおそれがある。結果として、精度の良い輝度画像データを取得できず、三次元計測の計測精度が低下するおそれがある。

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半田等の三次元計測に限らず、他の三次元計測の分野においても内在するものである。勿論、位相シフト法に限られる問題ではない。

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、パターン投影法を利用した三次元計測を行うにあたり計測精度の向上等を図ることのできる投影装置及び三次元計測装置を提供することにある。

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。

手段１．所定の被計測物（例えばプリント基板）に係る三次元計測を行うにあたり、前記被計測物に対し所定のパターン光を投影する投影装置であって、
所定の光を発する光源と、
前記光源から入射する光を前記パターン光に変換する格子部材と、
前記格子部材から出射される前記パターン光を前記被計測物に対し結像させる投影光学系とを備え、
前記投影光学系は、
その光軸方向に対し前記格子部材側に位置する格子側レンズと、前記被計測物側に位置する被計測物側レンズとを備えた両側テレセントリック光学系により構成され、
前記格子部材及び前記格子側レンズ間の光路長（光学的距離）、並びに、前記被計測物側レンズ及び前記被計測物間の光路長を維持しつつ、前記格子側レンズ及び前記被計測物側レンズ間の光路長を変更可能な光路長変更手段を備えていることを特徴とする投影装置。

尚、「格子部材」には、例えばガラスやアクリル樹脂などの透光素材により平板状又はフィルム状に形成された基材上に格子が印刷（蒸着）形成されたものや、不透明樹脂や金属等を加工しスリット等を開口形成することにより格子を形成したものなどが含まれる。

上記手段１によれば、光源からの光をパターン光に変換するパターン生成部として格子部材を用いることにより、液晶格子等を用いた場合よりも明るいパターン光の投影が可能となると共に、上記光路長変更手段を備えることにより、該格子を交換することなく、被計測物に対し投影するパターン光の周期（ピッチ）を変更することが可能となる。

また、ガラス板等の基材上に格子が印刷された既存の格子板など、安価な格子部材を用いることができるため、液晶素子等の高価な光学制御素子をパターン生成部として用いた場合に比べ、パターン生成部の製造コストを抑制することができる。

さらに、既存の液晶素子等を用いた場合のように、画素の制御を行う必要もなく、制御の簡素化を図ることができると共に、生成されるパターン光が微視的に不連続となることもないため、より理想的なパターン光を被計測物に対し投影することが可能となる。

加えて、光路長変更手段は、両側テレセントリック光学系を利用した上で、格子部材及び格子側レンズ間の光路長、並びに、被計測物側レンズ及び被計測物間の光路長を維持しつつ、格子側レンズ及び被計測物側レンズ間の光路長を変更する構成となっているため、パターン光の周期を変更する度に、その都度、ピント調整等を行う必要がない。

仮に投影光学系が両側テレセントリック光学系により構成されていない場合には、格子側レンズ及び被計測物側レンズ間の光路長を変化させる際に合焦位置も変化してしまうため、ピント調整を行うための何らかの補正機構が必要となる。

換言すれば、本手段では、このような補正機構を備える必要がなく、装置の構成や制御のさらなる簡素化を図ることができる。

手段２．前記光路長変更手段は、
前記光軸方向における前記格子部材及び前記格子側レンズ間の相対位置関係（物理的距離）、並びに、前記光軸方向における前記被計測物側レンズ及び前記被計測物間の相対位置関係を維持しつつ、前記光軸方向における前記格子側レンズ及び前記被計測物側レンズ間の相対位置関係を変更可能な構成を有していることを特徴とする手段１に記載の投影装置。

上記手段２によれば、既存の光学ズーム機構を用いて、上記手段１に係る構成を実現可能となるため、構造や制御の簡素化を図ると共に、製造コストを抑制することができる。

手段３．前記光路長変更手段は、
前記格子部材及び前記格子側レンズ間の相対位置関係を維持しつつ、該格子部材及び格子側レンズを移動させる移動手段を備えることにより、前記格子側レンズ及び前記被計測物側レンズ間の相対位置関係を変更可能な構成を有していることを特徴とする手段２に記載の投影装置。

格子部材と格子側レンズに関しては、単一の移動手段により、まとめて移動させることが可能である。一方、被計測物側レンズと被計測物に関しては、両者の相対位置関係を維持しつつ移動させようとした場合、それぞれ別々の移動手段を設けると共に、これらを同期制御する必要があり、構造や制御が極めて複雑化するおそれがある。また、より大掛かりな機構が必要となり、装置が大型化するおそれがあると共に、素早い動きが難しく周期変更速度の低下、ひいては計測速度の低下が懸念される。

この点、上記手段３によれば、このような不具合を発生させることなく、上記手段１の作用効果を得ることができる。

手段４．前記光路長変更手段は、入射面から出射面までの光路長を変更可能な可変レンズ（例えば液体レンズ）により構成されていることを特徴とする手段１に記載の投影装置。

上記手段４によれば、格子部材及び格子側レンズの相対位置関係、格子側レンズ及び被計測物側レンズの相対位置関係、並びに、被計測物側レンズ及び被計測物の相対位置関係を変更することなく、格子側レンズ及び被計測物側レンズ間の光路長を変更することができる。

上記可変レンズを用いることにより、光路長変更手段に係る構成をコンパクトにすることができる。また、素早い動きが可能となり、周期変更速度の向上、ひいては計測速度の向上を図ることができる。

また、格子側レンズ等を物理的に移動する際に発生し得る振動等を抑制することができる。結果として、より精度のよいパターン光を投影することができ、計測精度の向上を図ることができる。

手段５．前記被計測物に対して、前記格子部材及び前記投影光学系の主面がシャインプルーフの条件を満たすように配置されることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の投影装置。

上記手段５によれば、格子板（格子印刷面）を含む平面と、投影光学系の主面を含む平面と、被計測物（パターン投影面）を含む平面とがシャインプルーフの条件を満たすように、同一直線上で互いに交わるように設定されることにより、被計測物上の投影範囲全域に対しパターン光を合焦状態で投影することができる。

結果として、パターン投影法を利用した三次元計測を行うにあたり、計測精度の良いパターン光を投影することができる。

尚、格子側レンズと被計測物側レンズの光路長（相対位置関係）が変化した場合においても、シャインプルーフの条件は満たされるため、投影するパターン光の周期を変更する場合においても、その前後で格子部材等の傾き調整を行う必要はない。

手段６．前記パターン光として、縞状（例えば正弦波状）の光強度分布を有するパターン光を投影可能に構成されていることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の投影装置。

上記手段６によれば、縞状の光強度分布を有するパターン光を投影することにより、位相シフト法による三次元計測を行うことができる。結果として、三次元計測の計測精度の向上等を図ることができる。

位相シフト法のように、位相の異なるパターン光の下で撮像し取得した複数の画像データの輝度値の違いを基に三次元計測を行う構成においては、輝度値の誤差が僅かであっても、計測精度に多大な影響を与えるおそれがある。従って、本手段に係る構成の下において上記各手段の作用効果がより奏功することとなる。特に正弦波状の光強度分布を有するパターン光は、光強度分布（波形）が崩れやすいため、高い投影精度が要求される。

手段７．手段１乃至６のいずれかに記載の投影装置と、
前記パターン光の投影された前記被計測物の所定範囲を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像され取得された画像データを基に前記被計測物に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。

上記手段７によれば、手段１乃至６のいずれかに記載の投影装置から投影されるパターン光を利用して三次元計測を行うことができる。通常、パターン投影法を利用した三次元計測を行う際には、所定の光源から出射された光をパターン生成部（格子部材）において所定のパターン光に変換し、投影光学系を介して被計測物に対し投影する。そして、パターン光の投影された被計測物を撮像手段により撮像し、取得した画像データを基に被計測物の三次元計測を行う。

より具体的に、上記手段６に記載の投影装置から投影されるパターン光を利用して位相シフト法による三次元計測を行う三次元計測装置としては、
「手段６に記載の投影装置と、
前記パターン光の投影された前記被計測物の所定範囲を撮像可能な撮像手段と、
前記投影装置によって投影されるパターン光と、前記被計測物との相対位置関係（位相）を変位させる変位手段と、
前記パターン光と前記被計測物との相対位置関係が異なる状態で、前記撮像手段により撮像され取得された前記被計測物に係る複数の画像データを基に位相シフト法により前記被計測物に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。」が一例に挙げられる。

尚、上記「被計測物」としては、例えばクリーム半田が印刷されたプリント基板などが挙げられる。つまり、上記各手段に記載の投影装置を用いることにより、プリント基板に印刷されたクリーム半田の三次元計測を行うことができる。ひいては、クリーム半田の検査において、その計測値に基づいてクリーム半田の良否判定を行うことができる。従って、かかる検査において、上記各手段の作用効果が奏されることとなり、精度よく良否判定を行うことができる。結果として、半田印刷検査装置における検査精度の向上を図ることができる。

基板検査装置の概略構成を示す模式図である。 プリント基板の概略構成を示す平面模式図である。 プリント基板の断面模式図である。 プリント基板上に投影された縞パターンの態様を示す模式図である。 投影装置の概略構成を示す模式図である。 （ａ），（ｂ）は、投影装置のパターン周期変更機構について説明するための模式図である。 基板検査装置の電気的構成を示すブロック図である。 （ａ），（ｂ）は、別の実施形態に係る投影装置のパターン周期変更機構について説明するための模式図である。

〔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。まず本実施形態において被計測物となるプリント基板１の構成について詳しく説明する（図２，３参照）。図２は、プリント基板１の概略構成を示す平面模式図である。図３は、プリント基板１の断面模式図である。

図２，３に示すように、プリント基板１は、ガラスエポキシ樹脂等からなる平板状のベース基板２の表面上に、銅箔からなる電極パターン３Ａやランド３Ｂが形成されてなる。ベース基板２の表面上には、ランド３Ｂ及びその近傍を除く部分にレジスト膜４がコーティングされている。そして、ランド３Ｂ上にクリーム半田５が印刷される。

尚、本実施形態に係るプリント基板１は、例えば電気自動車などに搭載される車載用プリント基板であって、インバータ回路など、比較的大きな負荷電流が流れる電子部品が実装されるパワー回路部ＰＡや、これを制御する制御回路など、比較的小さな信号電流が流れる電子部品が実装される制御回路部ＰＢが混在した構成となっている。

次に、本実施形態における三次元計測装置を構成する基板検査装置１０について詳しく説明する（図１参照）。図１は、基板検査装置１０の概略構成を示す模式図である。以下、図１の紙面左右方向を「Ｘ軸方向」とし、紙面前後方向を「Ｙ軸方向」とし、紙面上下方向（鉛直方向）を「Ｚ軸方向」として説明する。

基板検査装置１０は、プリント基板１に印刷されたクリーム半田５の印刷状態を検査する半田印刷検査装置である。基板検査装置１０は、プリント基板１の搬送や位置決め等を行う搬送機構１１と、プリント基板１の検査を行うための検査ユニット１２と、搬送機構１１や検査ユニット１２の駆動制御など基板検査装置１０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１３（図７参照）とを備えている。

搬送機構１１は、プリント基板１の搬送方向（Ｙ軸方向）に沿って配置された一対の搬送レール１１ａと、各搬送レール１１ａに対し回転可能に配設された無端のコンベアベルト１１ｂと、該コンベアベルト１１ｂを駆動するモータ等の駆動手段（図示略）と、プリント基板１を所定位置に位置決めするためのチャック機構（図示略）と備え、制御装置１３により駆動制御される。

上記構成の下、基板検査装置１０へ搬入されたプリント基板１は、搬送方向と直交する幅方向（Ｘ軸方向）の両側縁部がそれぞれ搬送レール１１ａに挿し込まれると共に、コンベアベルト１１ｂ上に載置される。続いて、コンベアベルト１１ｂが動作を開始し、プリント基板１が所定の検査位置まで搬送される。プリント基板１が検査位置に達すると、コンベアベルト１１ｂが停止すると共に、チャック機構が作動する。このチャック機構の動作により、コンベアベルト１１ｂが押し上げられ、コンベアベルト１１ｂと搬送レール１１ａの上辺部によってプリント基板１の両側縁部が挟持された状態となる。これにより、プリント基板１が検査位置に位置決め固定される。検査が終了すると、チャック機構による固定が解除されると共に、コンベアベルト１１ｂが動作を開始する。これにより、プリント基板１は、基板検査装置１０から搬出される。勿論、搬送機構１１の構成は、上記形態に限定されるものではなく、他の構成を採用してもよい。

検査ユニット１２は、プリント基板１の搬送路（一対の搬送レール１１ａ）の上方に配設されている。検査ユニット１２は、プリント基板１上の所定の検査範囲に対し斜め上方から縞パターンＷ（図４参照）を投影する投影装置１４と、該縞パターンＷの投影されたプリント基板１上の所定の検査範囲を真上から撮像する撮像手段としてのカメラ１５と、Ｘ軸方向への移動を可能とするＸ軸移動機構１６（図７参照）と、Ｙ軸方向への移動を可能とするＹ軸移動機構１７（図７参照）とを備え、制御装置１３により駆動制御される。

尚、図２に示すように、プリント基板１上の所定の検査範囲は、カメラ１５の撮像視野（撮像範囲）Ｋの大きさを１単位としてプリント基板１上に予め設定された複数のエリア（検査範囲「１」〜「１５」）のうちの１つのエリアである。

制御装置１３は、Ｘ軸移動機構１６及びＹ軸移動機構１７を駆動制御することにより、検査ユニット１２（撮像視野Ｋ）を、検査位置に位置決め固定されたプリント基板１上の任意の検査範囲の上方位置へ移動することができる。そして、プリント基板１上に設定された複数の検査範囲に検査ユニット１２を順次移動させつつ、各検査範囲に係る検査処理を実行していくことで、プリント基板１全域に係る半田印刷検査を実行する構成となっている。

投影装置１４は、図５に示すように、所定の光を発する光源１９と、該光源１９からの光を縞パターンＷに変換する格子部材としての格子板２０と、該格子板２０を移動させる格子移動機構（図示略）と、格子板２０により生成された縞パターンＷをプリント基板１上に結像する投影光学系としての投影レンズ群２１と、プリント基板１に投影される縞パターンＷの周期を変更可能なパターン周期変更機構２２（図６参照）とを備え、制御装置１３により駆動制御される。「パターン周期変更機構２２」により本実施形態における「光路長変更手段」が構成される。

投影装置１４は、その光軸Ｊ１がＸ−Ｚ平面に平行し、かつ、Ｚ軸方向に対し所定角度α（例えば３０°）傾斜するように配置されている。

光源１９は、白色光を出射するハロゲンランプにより構成されている。光源１９から出射された光は、図示しない前処理レンズ群等を介して平行光化された状態で光軸Ｊ１に沿って格子板２０に入射する。

格子板２０は、所定の透光素材（例えばガラスやアクリル樹脂等）により平板状又はフィルム状に形成された基材上に格子２３が印刷（蒸着）形成されてなる。本実施形態では、格子２３の印刷面（格子面）が投影レンズ群２１側、すなわち光の出射側に向くように格子板２０が配置されている。

格子２３は、Ｙ軸方向に沿って直線状に形成された透光部２３ａ及び遮光部２３ｂがＸ−Ｚ平面において交互に並ぶように構成されている。

投影レンズ群２１は、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６を有し、これら両レンズ２５，２６により両側テレセントリック光学系（両側テレセントリックレンズ）として構成されている。

ここで、入射側レンズ２５は、格子板２０から出射された光（縞パターンＷ）を集光するものであり、入射側で光軸Ｊ１と主光線とが平行となるテレセントリック構造を有する。入射側レンズ２５が本実施形態における格子側レンズに相当する。

出射側レンズ２６は、入射側レンズ２５を透過した光（縞パターンＷ）の像をプリント基板１上に結像させるためのものであり、出射側で光軸Ｊ１と主光線とが平行となるテレセントリック構造を有する。出射側レンズ２６が本実施形態における被計測物側レンズに相当する。

次にパターン周期変更機構２２について図６を参照して詳しく説明する。図６に示すように、パターン周期変更機構２２は、光軸Ｊ１方向（図６左右方向）に沿って設けられかつ出射側レンズ２６が取付けられる固定筒部２２Ａと、該固定筒部２２Ａに対し光軸Ｊ１方向に沿って変位可能に設けられかつ格子板２０及び入射側レンズ２５が取付けられる可動筒部２２Ｂと、該可動筒部２２Ｂを光軸Ｊ１方向にスライド変位させる移動手段としてのスライド機構（図示略）と備え、制御装置１３により駆動制御される。

かかる構成により、光軸Ｊ１方向における格子板２０及び入射側レンズ２５間の距離Ｌｆ１、並びに、光軸Ｊ１方向における出射側レンズ２６及びプリント基板１間の距離Ｌｆ２を維持しつつ、光軸Ｊ１方向における入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の距離Ｌｓを変更可能となる〔図６（ａ），（ｂ）参照〕。

結果として、投影装置１４は、周期（縞ピッチ）の異なる複数種類の縞パターンＷを切換えて投影可能となる。本実施形態では、第１周期３００μｍ（高さ分解能３μｍ）の第１縞パターンＷ１と、第２周期１０００μｍ（高さ分解能１０μｍ）の第２縞パターンＷ２の２種類の縞パターンＷを切換えて投影可能に構成されている。ここで「第１周期３００μｍ」が「短周期」に相当し、「第２周期１０００μｍ」が「長周期」に相当する。

より詳しくは、パターン周期変更機構２２を駆動制御し、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の距離Ｌｓを第１距離Ｌｓ１に設定することにより〔図６（ａ）参照〕、プリント基板１上に投影される縞パターンＷを短周期の第１縞パターンＷ１に設定することができる。第１縞パターンＷ１を投影することにより、０μｍ〜３００μｍの高さ範囲内にあるクリーム半田５を「３μｍ」刻みの精度で計測することができる。

一方、パターン周期変更機構２２を駆動制御し、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の距離Ｌｓを第２距離Ｌｓ２に設定することにより〔図６（ｂ）参照〕、プリント基板１上に投影される縞パターンＷを長周期の第２縞パターンＷ２に設定することができる。第２縞パターンＷ２を投影することにより、０μｍ〜１０００μｍの高さ範囲内にあるクリーム半田５を「１０μｍ」刻みの精度で計測することができる。

さらに、本実施形態に係る投影装置１４においては、プリント基板１上に投影される縞パターンＷが投影範囲（本実施形態では撮像視野Ｋと同一範囲）全域において合焦するように、光軸Ｊ１に対し格子板２０が傾くように設定されている（図５参照）。但し、図６（ａ），（ｂ）においては、構成の簡素化を図るため、格子板２０が光軸Ｊ１方向（図６左右方向）に対し傾くことなく、その入射面２０ａ及び出射面（格子面）２０ｂが光軸Ｊ１に直交するように配置された状態で図示されている。

具体的には、プリント基板１に対して、格子板２０の出射面２０ｂ及び投影レンズ群２１の主面がシャインプルーフの条件を満たすように設定されている。

ここで、シャインプルーフの原理について図５を参照して説明する。シャインプルーフの原理とは、格子板２０の出射面２０ｂを含む平面Ｓ１と、投影レンズ群２１の主面を含む平面Ｓ２とが同一直線Ｃ（図５上の点Ｃにおける紙面に垂直な直線）上で交わる場合、縞パターンＷが合焦状態で投影される物体面Ｓ３も同一直線Ｃ上で交わるというものである。従って、このようなシャインプルーフの原理に基づく条件は、格子板２０の出射面２０ｂを含む平面Ｓ１と、投影レンズ群２１の主面を含む平面Ｓ２と、プリント基板１の表面（投影面）を含む平面Ｓ３が同一直線Ｃ上で互いに交わることである。

上記構成の下、投影装置１４において、光源１９から出射された光は、格子板２０の入射面２０ａに対し入射する。そして、格子板２０内を光軸Ｊ１に沿って直進する。格子板２０内を透過した光は、格子板２０の出射面（格子面）２０ｂから縞パターンＷとして出射される。そして、投影レンズ群２１を介してプリント基板１上に投影される。

これにより、本実施形態では、図４に示すように、プリント基板１の搬送方向（Ｙ軸方向）に平行な縞パターンＷが投影されることとなる。

尚、通常、格子２３を通過する光は完全な平行光でなく、透光部２３ａ及び遮光部２３ｂの境界部における回折作用等に起因して、縞パターンＷの「明部」及び「暗部」の境界部に中間階調域が生じることとなる。そのため、プリント基板１に対し投影される縞パターンＷは、プリント基板１の搬送方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）に沿って正弦波状の光強度分布を有するパターン光となる。但し、図４では、簡略化のため、中間階調域を省略し、明暗２値の縞模様で縞パターンＷを図示している。

カメラ１５は、図１に示すように、複数の受光素子が二次元配列された受光面を有する撮像素子１５ａと、該撮像素子１５ａに対し、縞パターンＷが投影されたプリント基板１の撮像視野Ｋの像を結像させる撮像光学系としての撮像レンズユニット１５ｂとを有し、その光軸Ｊ２がプリント基板１の上面に垂直な鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って設定されている。本実施形態では、撮像素子１５ａとしてＣＣＤエリアセンサを採用している。

撮像レンズユニット１５ｂは、物体側レンズ、開口絞り、像側レンズ等を一体に備えた両側テレセントリックレンズ（両側テレセントリック光学系）により構成されている。但し、図１においては、簡素化のため、撮像レンズユニット１５ｂを１つのレンズとして図示している。

ここで、物体側レンズは、プリント基板１からの反射光を集光するものであり、物体側で光軸Ｊ２と主光線とが平行となるテレセントリック構造を有する。また、像側レンズは、物体側レンズから開口絞りを透過した光を撮像素子１５ａの受光面に結像させるためのものであり、像側で光軸Ｊ２と主光線とが平行となるテレセントリック構造を有する。

カメラ１５によって撮像され取得された画像データは、随時、該カメラ１５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１３に入力され、後述する画像データ記憶装置４４に記憶される。そして、制御装置１３は、該画像データを基に、後述するような画像処理や演算処理等を実施する。制御装置１３が本実施形態における画像処理手段を構成する。

次に制御装置１３の電気的構成について図７を参照して説明する。図７は、基板検査装置１０の電気的構成を示すブロック図である。

図７に示すように、制御装置１３は、基板検査装置１０全体の制御を司るマイクロコンピュータ４１、キーボードやマウス、タッチパネル等で構成される「入力手段」としての入力装置４２、ＣＲＴや液晶などの表示画面を有する「表示手段」としての表示装置４３、カメラ１５により撮像され取得された画像データなどを記憶するための画像データ記憶装置４４、該画像データに基づいて得られた三次元計測結果など、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置４５、ガーバデータなどの各種情報を予め記憶しておくための設定データ記憶装置４６などを備えている。

マイクロコンピュータ４１は、演算手段としてのＣＰＵ４１ａや、各種プログラムを記憶するＲＯＭ４１ｂ、演算データや入出力データなどの各種データを一時的に記憶するＲＡＭ４１ｃなどを備え、上記各装置４２〜４６等と電気的に接続されている。そして、これら各装置４２〜４６等との間で各種データや信号の入出力制御を行う機能を有する。

設定データ記憶装置４６には、プリント基板１に設定された複数の検査範囲、並びに、これらに対するカメラ１５の撮像視野Ｋの移動順序に関する情報などが記憶されている。ここで「撮像視野Ｋの移動順序」とは、プリント基板１上に設定された複数の検査範囲について、いかなる順序でカメラ１５の撮像視野Ｋを移動させていくかを定めたものである。

尚、プリント基板１に係る複数の検査範囲並びにこれらに対する撮像視野Ｋの移動順序の設定は、ガーバデータ等を基にして事前に所定のプログラムにより自動で又は作業者により手動で行われる。

例えば図２に示した例では、右上コーナー部の検査範囲を起点として撮像視野Ｋの移動順序（検査順序）が設定されている。尚、図２において二点鎖線枠により囲まれた範囲が撮像視野Ｋ（検査範囲）を示し、この枠内に付された丸付き数字「１」〜「１５」が検査順序を示す。また、図２においては、撮像視野Ｋの移動方向（移動経路）を点線矢印で示している。

次に基板検査装置１０により行われるプリント基板１の検査ルーチンについて詳しく説明する。かかる検査ルーチンは、制御装置１３（マイクロコンピュータ４１）により実行されるものである。

上述したように、基板検査装置１０へ搬入されたプリント基板１が所定の検査位置に位置決め固定されると、制御装置１３は、まずプリント基板１の位置検出処理を実行する。

より詳しくは、制御装置１３は、プリント基板１上に付された位置決め用マーク（図示略）を検出し、該検出したマークの位置情報（座標）と、ガーバデータに記憶されたマークの位置情報（座標）とを基に、プリント基板１の位置情報（傾きや位置ズレなど）を算出する。これにより、プリント基板１の位置検出処理を終了する。そして、このプリント基板１の位置情報を基に、検査ユニット１２（カメラ１５）とプリント基板１との相対位置関係のズレを補正する補正処理を実行する。

その後、設定データ記憶装置４６に記憶された検査順序に従って、検査ユニット１２をプリント基板１上の「１」番目の検査範囲に対応する位置へ移動させる移動処理を実行する。

この間、制御装置１３は、設定データ記憶装置４６に記憶されたガーバデータに基づき、「１」番目の検査範囲に投影する縞パターンＷの周期を該検査範囲に対応した周期に調整する処理を実行する。

図２に示すように、本実施形態では、「１」番目の検査範囲が制御回路部ＰＢとなっているため、ここでは短周期の第１縞パターンＷ１に設定する。

検査ユニット１２の移動処理が完了し、カメラ１５の撮像視野Ｋがプリント基板１上の「１」番目の検査範囲に合わせられると、投影装置１４から第１縞パターンＷ１を投影して、プリント基板１上の「１」番目の検査範囲に係る検査処理を実行する。かかる検査処理の詳細については後述する（他の検査範囲に係る検査処理についても同様）。

その後、プリント基板１上の「１」番目の検査範囲に係る検査処理が終了すると、設定データ記憶装置４６に記憶された検査順序に従って、検査ユニット１２をプリント基板１上の「２」番目の検査範囲に対応する位置へ移動させる移動処理を開始する。

この間、制御装置１３は、上記同様、「２」番目の検査範囲に投影する縞パターンＷの周期を該検査範囲に対応した周期に調整（変更）する処理を実行する。

図２に示すように、本実施形態では、「２」番目の検査範囲がパワー回路部ＰＡとなっているため、ここでは長周期の第２縞パターンＷ２に設定する。

検査ユニット１２の移動処理が完了し、カメラ１５の撮像視野Ｋがプリント基板１上の「２」番目の検査範囲に合わせられると、投影装置１４から第２縞パターンＷ２を投影して、プリント基板１上の「２」番目の検査範囲に係る検査処理を実行する。

その後、プリント基板１上の「２」番目の検査範囲に係る検査処理が終了すると、設定データ記憶装置４６に記憶された検査順序に従って、検査ユニット１２をプリント基板１上の「３」番目の検査範囲に対応する位置へ移動させる移動処理を開始する。

以降同様に、プリント基板１上の「３」番目〜「１５」番目の検査範囲ついて、該検査範囲に対応する縞パターンＷ（第１縞パターンＷ１又は第２縞パターンＷ２）によって検査処理が実行されることにより、プリント基板１全体に係る半田印刷検査が終了する。

次にプリント基板１の各検査範囲にて行われる検査処理について説明する。かかる検査処理は、制御装置１３（マイクロコンピュータ４１）によって実行されるものである。

本実施形態では、各検査範囲について、投影装置１４から投影される縞パターンＷの位相を変化させつつ、位相の異なる縞パターンＷの下で４回の撮像処理を行うことにより、光強度分布の異なる４通りの画像データを取得する。以下、詳しく説明する。

上述したように、制御装置１３は、まずＸ軸移動機構１６及びＹ軸移動機構１７を駆動制御して検査ユニット１２を移動させ、カメラ１５の撮像視野Ｋをプリント基板１の所定の検査範囲に位置合わせする。同時に、投影装置１４の格子板２０を移動制御し、該格子板２０に形成された格子２３の位置を所定の基準位置（例えば位相「０°」の位置）に設定する。

格子板２０の位置決めが完了すると、制御装置１３は、投影装置１４の光源１９を発光させ、所定の縞パターンＷ（第１縞パターンＷ１又は第２縞パターンＷ２）を投影すると共に、カメラ１５を駆動制御して、該縞パターンＷの下での１回目の撮像処理を実行する。

その後、制御装置１３は、所定の縞パターンＷの下での１回目の撮像処理の終了と同時に、光源１９を消灯すると共に、格子板２０の移動処理を実行する。具体的には、格子板２０に形成された格子２３の位置を前記基準位置から、縞パターンＷの位相が４分の１ピッチ（９０°）ずれる第２の位置へ移動させる。

格子板２０の移動処理が完了すると、制御装置１３は、光源１９を発光させ、所定の縞パターンＷを投影すると共に、カメラ１５を駆動制御して、該縞パターンＷの下での２回目の撮像処理を実行する。

以後、同様の処理を繰り返し行うことで、９０°ずつ（４分の１ピッチずつ）位相の異なる縞パターンＷの下で光強度分布の異なる４通りの画像データを取得する。これにより、正弦波状の光強度分布を有する縞パターンＷの位相を９０°ずつシフトさせた４通りの画像データを取得することができる。

そして、制御装置１３は、上記のように取得した４通りの画像データ（各座標の４通りの輝度値）を基に公知の位相シフト法によりクリーム半田５の三次元計測（各座標の高さ計測）を行い、かかる計測結果を演算結果記憶装置４５に記憶する。

ここで、公知の位相シフト法について説明する。上記４通りの画像データにおけるプリント基板１上の所定座標位置の光強度（輝度）Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３は、それぞれ下記式（１）、（２）、（３）、（４）により表すことができる。

Ｉ０＝αsinθ＋β ・・・（１）
Ｉ１＝αsin（θ＋９０°）＋β ＝αcosθ＋β ・・・（２）
Ｉ２＝αsin（θ＋１８０°）＋β＝−αsinθ＋β ・・・（３）
Ｉ３＝αsin（θ＋２７０°）＋β＝−αcosθ＋β ・・・（４）
但し、α：ゲイン、β：オフセット、θ：縞パターンの位相。

そして、上記式（１）、（２）、（３）、（４）を位相θについて解くと、下記式（５）を導き出すことができる。

θ＝tan^-1｛（Ｉ０−Ｉ２）／（Ｉ１−Ｉ３）｝ ・・（５）
このように算出された位相θを用いることにより、三角測量の原理に基づき、プリント基板１上の各座標（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）を求めることができる。

次に、制御装置１３は、上記のようにして得られた三次元計測結果（各座標における高さデータ）に基づき、クリーム半田５の印刷状態の良否判定処理を行う。具体的に、制御装置１３は、上記のように得られた検査範囲の計測結果に基づいて、各検査範囲（パワー回路部ＰＡ、制御回路部ＰＢ）ごとに定められた高さ基準面より所定長以上、高くなったクリーム半田５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半田５の量を算出する。

続いて、制御装置１３は、このようにして求めたクリーム半田５の位置、面積、高さ又は量等のデータを、予め設定データ記憶装置４６に記憶されている基準データ（ガーバデータなど）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、その検査範囲におけるクリーム半田５の印刷状態の良否を判定する。

上記４通りの画像データの取得後、上記良否判定処理が行われている間に、制御装置１３は、検査ユニット１２を次の検査範囲へと移動させる。以降、上記一連の処理が、プリント基板１上の全ての検査範囲で繰り返し行われることで、プリント基板１全体に係る半田印刷検査が終了する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、投影装置１４からプリント基板１に対し縞パターンＷを投影すると共に、該縞パターンＷの位相を異ならせた４通りの画像データを取得し、これらの画像データを基に位相シフト法によるプリント基板１の三次元計測が行われる。

この際、本実施形態では、プリント基板１上の検査範囲の凹凸度合いに応じて、投影装置１４から投影する縞パターンＷの周期（ピッチ）を変更する構成となっている。具体的には、短周期の第１縞パターンＷ１と、長周期の第２縞パターンＷ２の２種類の縞パターンＷを切換えて投影する。

特に本実施形態に係る投影装置１４によれば、光源１９からの光を縞パターンＷに変換するパターン生成部として格子板２０を用いることにより、液晶格子等を用いた場合よりも明るい縞パターンＷの投影が可能となると共に、パターン周期変更機構２２を備えることにより、該格子板２０を交換することなく、プリント基板１に対し投影する縞パターンＷの周期を変更することが可能となる。

また、本実施形態では、ガラス板等の基材上に格子２３が印刷された既存の格子板２０など、安価な光学部材をパターン生成部として用いることができるため、高価な液晶素子等の光学制御素子をパターン生成部として用いた場合に比べ、パターン生成部の製造コストを抑制することができる。

さらに、既存の液晶素子等を用いた場合のように、画素の制御を行う必要もなく、制御の簡素化を図ることができると共に、生成される縞パターンＷが微視的に不連続となることもないため、より理想的な縞パターンＷをプリント基板１に対し投影することが可能となる。

加えて、投影レンズ群２１が両側テレセントリック光学系により構成されると共に、パターン周期変更機構２２によって、光軸Ｊ１方向における格子板２０及び入射側レンズ２５間の距離Ｌｆ１、並びに、光軸Ｊ１方向における出射側レンズ２６及びプリント基板１間の距離Ｌｆ２を維持しつつ、光軸Ｊ１方向における入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の距離Ｌｓを変更する構成となっているため、縞パターンＷの周期を変更する度に、その都度、ピント調整等を行う必要がない。

仮に投影レンズ群２１が両側テレセントリック光学系により構成されていない場合には、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の距離Ｌｓを変化させる際に合焦位置も変化してしまうため、ピント調整を行うための何らかの補正機構が必要となる。

換言すれば、本実施形態によれば、このような補正機構を備える必要がなく、装置の構成や制御のさらなる簡素化を図ることができる。

また、本実施形態に係るパターン周期変更機構２２は、光軸Ｊ１方向に沿って設けられかつ出射側レンズ２６が取付けられる固定筒部２２Ａと、該固定筒部２２Ａに対し光軸Ｊ１方向に沿って変位可能に設けられかつ格子板２０及び入射側レンズ２５が取付けられる可動筒部２２Ｂと、該可動筒部２２Ｂを光軸Ｊ１方向にスライド変位させる移動手段としてのスライド機構と備え、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の距離Ｌｓを変更する構成となっている。

尚、格子板２０と入射側レンズ２５に関しては、単一の移動手段（スライド機構）により、まとめて移動させることが可能である。一方、出射側レンズ２６とプリント基板１に関しては、両者の相対位置関係を維持しつつ移動させようとした場合、それぞれ別々の移動手段を設けると共に、これらを同期制御する必要があり、構造や制御が極めて複雑化するおそれがある。また、より大掛かりな機構が必要となり、装置が大型化するおそれがあると共に、素早い動きが難しく周期変更速度の低下、ひいては計測速度の低下が懸念される。

この点、本実施形態によれば、このような不具合を発生させることなく、上述した種々の作用効果を得ることができる。

また、本実施形態に係る投影装置１４では、プリント基板１に対して、格子板２０の出射面２０ｂ及び投影レンズ群２１の主面がシャインプルーフの条件を満たすように設定されている。

つまり、格子板２０の出射面２０ｂを含む平面Ｓ１と、投影レンズ群２１の主面を含む平面Ｓ２と、プリント基板１の表面（投影面）を含む平面Ｓ３が同一直線Ｃ上で互いに交わるように設定されている。

これにより、プリント基板１上の投影範囲全域に対し縞パターンＷを合焦状態で投影することができる。結果として、パターン投影法を利用した三次元計測を行うにあたり、計測精度の良いパターン光を投影することができる。

〔第２実施形態〕
次に第２実施形態について図８を参照して詳しく説明する。本実施形態では、投影装置１４において、縞パターンＷの周期を変更可能なパターン周期変更機構（光路長変更手段）に係る構成が第１実施形態と異なる。

上記第１実施形態に係るパターン周期変更機構２２は、光軸Ｊ１方向に沿って入射側レンズ２５等をスライド変位させることにより、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の物理的距離Ｌｓを変更する構成となっていたが、本実施形態では、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の物理的距離Ｌｓは一定のまま、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の光学的距離（光路長）のみを変化させる構成となっている。以下、詳しく説明する。

尚、上記第１実施形態と重複する部分については、同一の部材名称、同一の符号を用いる等してその詳細な説明を省略するとともに、以下には第１実施形態と相違する部分を中心として説明することとする。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態に係る投影装置１４では、光軸Ｊ１方向に沿って設けられた固定筒部１００に対し、格子板２０、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６が取付固定されている。

さらに固定筒部１００には、入射側レンズ２５と出射側レンズ２６との間において、パターン周期変更機構（光路長変更手段）を構成する可変レンズ１１０が取付固定されている。

本実施形態に係る可変レンズ１１０は、光軸Ｊ１方向に一対に設けられた透明樹脂板１１１Ａ，１１１Ｂと、該一対の透明樹脂板１１１Ａ，１１１Ｂ間に形成されたキャビティ内に充填された液体（例えばシリコンオイル）１１２と、該キャビティ内における液体１１２の容量を調整可能な液量調整機構（図示略）とを備えた液体レンズであって、キャビティ内の液体１１２の容量を増減することで、入射面側の透明樹脂板１１１Ａから出射面側の透明樹脂板１１１Ｂまでの物理的距離（厚み）を変更可能な構成となっている。

ここで、可変レンズ１１０内に充填される液体１１２は、空気の屈折率よりも高い所定の屈折率を有する。このため、可変レンズ１１０内を進む光の光路長は、空気中を進む光の光路長よりも光学的に長くなる。従って、可変レンズ１１０の透明樹脂板１１１Ａから透明樹脂板１１１Ｂまでの物理的距離が長くなれば、入射側レンズ２５から出射側レンズ２６までの光学的距離も長くなることとなる。

かかる構成により、本実施形態によれば、光軸Ｊ１方向における入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の物理的距離Ｌｓを一定に維持しつつ、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の光学的距離（光路長）のみを変更することができる〔図８（ａ），（ｂ）参照〕。

例えば可変レンズ１１０内の液体１１２の容量を減らし、可変レンズ１１０の厚みを薄くすれば〔図８（ａ）参照〕、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の光路長（光学的距離）が短くなり、プリント基板１上に投影される縞パターンＷが短周期の第１縞パターンＷ１となる。

一方、可変レンズ１１０内の液体１１２の容量を増やし、可変レンズ１１０の厚みを厚くすれば〔図８（ｂ）参照〕、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の光路長（光学的距離）が長くなり、プリント基板１上に投影される縞パターンＷが長周期の第２縞パターンＷ２となる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏される。

特に本実施形態では、格子板２０及び入射側レンズ２５の相対位置関係、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６の相対位置関係、並びに、出射側レンズ２６及びプリント基板１の相対位置関係を変更することなく、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の光路長を変更することができる。

可変レンズ１１０を用いることにより、光路長変更手段に係る構成をコンパクトにすることができる。また、素早い動きが可能となり、周期変更速度の向上、ひいては計測速度の向上を図ることができる。

また、入射側レンズ２５等を物理的に移動する際に発生し得る振動等を抑制することができる。結果として、より精度のよいパターン光を投影することができ、計測精度の向上を図ることができる。

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。

（ａ）上記各実施形態では、本願発明である投影装置及び三次元計測装置を、プリント基板１に印刷されたクリーム半田５の印刷状態を検査する基板検査装置１０に具体化したが、これに限らず、例えばプリント基板上に実装された電子部品など、他の対象を検査する装置に具体化してもよい。勿論、基板とは異なる対象物を被計測物として三次元計測を行う構成としてもよい。

（ｂ）上記各実施形態では、パワー回路部ＰＡ及び制御回路部ＰＢが混在したプリント基板１を被計測物とし、該プリント基板１上のパワー回路部ＰＡに対しては長周期の第２縞パターンＷ２を投影して三次元計測を行い、制御回路部ＰＢに対しては短周期の第１縞パターンＷ１を投影して三次元計測を行うといったように、プリント基板１上の各検査範囲の凹凸度合いに応じて縞パターンＷの周期を切換える構成となっている。

これに限らず、パワー回路部ＰＡのみを有したプリント基板を被計測物とし、これに対し長周期の第２縞パターンＷ２だけを投影して三次元計測を行い、制御回路部ＰＢのみを有したプリント基板を被計測物とし、これに対し短周期の第１縞パターンＷ１だけを投影して三次元計測を行うといったように、製造ラインにおいて製造されるプリント基板の種別に応じて縞パターンＷの周期を切換える構成としてもよい。

また、パワー回路部ＰＡに対しては、短周期の第１縞パターンＷ１と長周期の第２縞パターンＷ２の双方をそれぞれ複数通り投影して、両者を組み合わせて三次元計測を行う構成としてもよい。これにより、計測時間は増えるものの、高さ分解能を落とすことなく、ダイナミックレンジを広げることができる。

（ｃ）上記各実施形態では、位相シフト法による三次元計測を行う上で、縞パターンＷの位相が９０°ずつ異なる４通りの画像データを取得する構成となっているが、位相シフト回数及び位相シフト量は、これらに限定されるものではない。位相シフト法により三次元計測可能な他の位相シフト回数及び位相シフト量を採用してもよい。例えば位相が１２０°又は９０°ずつ異なる３通りの画像データを取得して三次元計測を行う構成としてもよい。

（ｄ）上記各実施形態では、位相シフト法による三次元計測を行う上で、縞パターンＷとして、正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影する構成となっているが、これに限らず、縞パターンＷとして、例えば矩形波状や三角波状など非正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影する構成としてもよい。

但し、非正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影し三次元計測を行うよりも、正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影し三次元計測を行う方が計測精度が良い。そのため、計測精度の向上を図る点においては、正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影し三次元計測を行う構成とすることが好ましい。

（ｅ）上記各実施形態では、プリント基板１に対し縞パターンＷを投影し、位相シフト法により三次元計測を行う構成となっているが、これに限らず、例えば空間コード法やモアレ法など、他のパターン投影法を利用して三次元計測を行う構成としてもよい。但し、クリーム半田５など小さな計測対象を計測する場合には、位相シフト法など、計測精度の高い計測方法を採用することがより好ましい。

（ｆ）上記各実施形態では、所定位置に固定されたプリント基板１上の複数の検査範囲に対し、検査ユニット１２（投影装置１４及びカメラ１５）を順次移動させることにより、プリント基板１全域の検査を行う構成となっている。これに限らず、検査ユニット１２を固定させた状態で、プリント基板１を移動させることにより、プリント基板１全域の検査を行う構成としてもよい。

また、上記各実施形態では、投影装置１４において格子板２０を移動させる格子移動機構を備えることにより、検査ユニット１２とプリント基板１とを相対移動させることなく、所定位置に固定されたプリント基板１と、そこに投影される縞パターンＷとの相対位置関係を移動（位相シフト）させる構成となっているが、縞パターンＷとプリント基板１とを相対移動させる構成（変位手段）は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば上述したようにプリント基板全域において、投影する縞パターンＷの周期を切換えない場合には、コンベア等によりプリント基板を連続移動させる、又は、固定されたプリント基板に対し検査ユニット１２を連続移動させることにより、該プリント基板と、そこに投影される縞パターンＷとの相対位置関係を移動（位相シフト）させる構成としてもよい。

（ｇ）上記各実施形態では、光源１９が白色光を出射するハロゲンランプにより構成されている。これに限らず、白色ＬＥＤなど他の光源を用いる構成としてもよい。

（ｈ）格子板の構成は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態に係る格子板２０は、その出射面２０ｂに格子２３が設けられた構成となっているが、これに限らず、例えば入射面２０ａに格子２３が設けられた構成としてもよい。

上記各実施形態では、格子２３が印刷（蒸着）により設けられた構成となっているが、これに限らず、例えばレーザー加工など他の方法により設けられた構成としてもよい。

上記各実施形態に係る格子２３は、透光部２３ａと遮光部２３ｂとが交互に並ぶ２値的な構成となっているが、これに限らず、例えば３段階以上に透過率が異なる多値的な格子パターンが設けられた構成としてもよい。

上記各実施形態に係る格子板２０は、所定の透光素材（例えばガラスやアクリル樹脂等）により平板状又はフィルム状に形成された基材上に格子２３が印刷（蒸着）形成されてなるが、これに限らず、不透明樹脂や金属等を加工しスリット等を開口形成することにより格子を形成した格子板などを採用してもよい。

（ｉ）投影光学系に係る構成は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態では、プリント基板１上のパワー回路部ＰＡに対応して、第２周期１０００μｍの第２縞パターンＷ２を投影し、制御回路部ＰＢに対応して、第１周期３００μｍの第１縞パターンＷ１を投影する構成となっている。投影する縞パターンＷの周期や数は、これらに限定されるものではない。

例えばプリント基板１上の検査範囲の凹凸度合いに応じて、周期の異なる３種類以上の縞パターンＷを切換えて投影可能な構成としてもよい。

（ｊ）縞パターンＷの周期を変更可能なパターン周期変更機構（光路長変更手段）に係る構成は、上記各実施形態に限定されるものではない。

例えば上記第１実施形態に係るパターン周期変更機構２２は、光軸Ｊ１方向に沿って設けられかつ出射側レンズ２６が取付けられる固定筒部２２Ａと、該固定筒部２２Ａに対し光軸Ｊ１方向に沿って変位可能に設けられかつ格子板２０及び入射側レンズ２５が取付けられる可動筒部２２Ｂと、該可動筒部２２Ｂを光軸Ｊ１方向にスライド変位させる移動手段としてのスライド機構と備え、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の距離Ｌｓを変更する構成となっている。

これに限らず、格子板２０及び入射側レンズ２５を固定した状態で、出射側レンズ２６及びプリント基板１を移動させることにより、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の距離Ｌｓを変更する構成としてもよい。

但し、かかる構成では、出射側レンズ２６とプリント基板１に対しそれぞれ別々の移動手段を設ける必要があり、上述した種々の不具合が発生するおそれがあるため、かかる点においては、上記第１実施形態のような構成とすることが好ましい。

また、上記第２実施形態に係る可変レンズの構成は、可変レンズ（液体レンズ）１００に限定されるものではない。入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の物理的距離Ｌｓは一定のまま、入射側レンズ２５及び出射側レンズ２６間の光学的距離（光路長）のみを変化させる構成を有した他の異なる可変レンズ（複数のレンズからなるレンズユニットを含む）を採用してもよい。

（ｋ）撮像手段は、上記実施形態のカメラ１５に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、撮像素子１５ａとしてＣＣＤエリアセンサを採用しているが、これに限らず、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。

また、撮像レンズユニット１５ｂが両側テレセントリックレンズ（両側テレセントリック光学系）により構成されている。これに限らず、撮像レンズユニット１５ｂとして、物体側テレセントリックレンズ（物体側テレセントリック光学系）を採用してもよい。また、テレセントリック構造を有しない構成としてもよい。

（ｌ）上記各実施形態に係る投影装置１４では、プリント基板１に対して、格子板２０の出射面２０ｂ及び投影レンズ群２１の主面がシャインプルーフの条件を満たすように設定されている。

これに限らず、投影範囲全域における縞パターンＷの合焦状態によっては、必ずしもシャインプルーフの条件を満たすように設定されていなくともよい。

１…プリント基板、５…クリーム半田、１０…基板検査装置、１２…検査ユニット、１３…制御装置、１４…投影装置、１５…カメラ、１９…光源、２０…格子板、２１…投影レンズ群、２２…パターン周期変更機構、２３…格子、２３ａ…透光部、２３ｂ…遮光部、２５…入射側レンズ、２６…出射側レンズ、Ｊ１…光軸、ＰＡ…パワー回路部、ＰＢ…制御回路部、Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）…縞パターン。

Claims (7)

1. 所定の被計測物に係る三次元計測を行うにあたり、前記被計測物に対し所定のパターン光を投影する投影装置であって、
   所定の光を発する光源と、
   前記光源から入射する光を前記パターン光に変換する格子部材と、
   前記格子部材から出射される前記パターン光を前記被計測物に対し結像させる投影光学系とを備え、
   前記投影光学系は、
   その光軸方向に対し前記格子部材側に位置する格子側レンズと、前記被計測物側に位置する被計測物側レンズとを備えた両側テレセントリック光学系により構成され、
   前記格子部材及び前記格子側レンズ間の光路長、並びに、前記被計測物側レンズ及び前記被計測物間の光路長を維持しつつ、前記格子側レンズ及び前記被計測物側レンズ間の光路長を変更可能な光路長変更手段を備えていることを特徴とする投影装置。
2. 前記光路長変更手段は、
   前記光軸方向における前記格子部材及び前記格子側レンズ間の相対位置関係、並びに、前記光軸方向における前記被計測物側レンズ及び前記被計測物間の相対位置関係を維持しつつ、前記光軸方向における前記格子側レンズ及び前記被計測物側レンズ間の相対位置関係を変更可能な構成を有していることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記光路長変更手段は、
   前記格子部材及び前記格子側レンズ間の相対位置関係を維持しつつ、該格子部材及び格子側レンズを移動させる移動手段を備えることにより、前記格子側レンズ及び前記被計測物側レンズ間の相対位置関係を変更可能な構成を有していることを特徴とする請求項２に記載の投影装置。
4. 前記光路長変更手段は、入射面から出射面までの光路長を変更可能な可変レンズにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
5. 前記被計測物に対して、前記格子部材及び前記投影光学系の主面がシャインプルーフの条件を満たすように配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の投影装置。
6. 前記パターン光として、縞状の光強度分布を有するパターン光を投影可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の投影装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の投影装置と、
   前記パターン光の投影された前記被計測物の所定範囲を撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像され取得された画像データを基に前記被計測物に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。

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