JP5643241B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、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。

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。

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。

また、光パターンを形成するための上記格子としては、例えば液晶素子からなる液晶格子等が挙げられる。

一般に、液晶格子は、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〔図１２（ａ）参照〕。そして、当該液晶格子を介して被計測物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〔図１２（ｂ）参照〕。

上記構成の下、撮像手段により撮像された画像上の各画素の光の強度（輝度）Ｉは下式（１）で与えられる。

Ｉ＝ｅ＋ｆ・ｃｏｓφ ・・（１）
［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：その画素における正弦波の位相角］
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＋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（２）に基づいて位相角φを求める。

φ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ０−Ｉ２）｝ ・・（２）
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）上の所定座標位置（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）が算出される。これにより、計測対象の三次元形状が計測される。

例えば、所定座標位置（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）が「０」の場合、当該座標位置（Ｘ，Ｙ）に照射されるパターン光の位相角は「０°」となり、所定の高さを有する場合には位相角が「１０°」となるといったように、当該座標位置（Ｘ，Ｙ）に係る位相角は、その高さにより変化する。

ここで、三角測量の原理を用いた高さ演算方法について簡単に説明する。例えば図１３，１４に示すように、光パターンの縞が、Ｘ軸方向に直交しかつＹ軸方向に平行に照射される場合、照明装置９０の鉛直線と、照明装置９０からクリームハンダＨ上の計測対象点ｈ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、基準平面上の点ｊのＸ座標（Ｘｊ）に基づく下式（３）により表される。

ε＝ｆ（Ｘｊ） ・・（３）
そして、高さＺは、下式（４）に従って導き出される。

Ｚ＝Ｌｈ−Ｌｐｃ／ｔａｎε＋Ｘｈ／ｔａｎε ・・（４）
［但し、Ｌｈ：照明装置９０の基準面からの高さ、Ｌｐｃ：カメラ９１と照明装置９０とのＸ軸方向の距離、Ｘｈ：計測対象点ｈのＸ座標。］
しかしながら、上記液晶格子では、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〔図１５（ａ）参照〕。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〔図１５（ｂ）参照〕、三次元計測結果に誤差が生じるおそれがある。尚、図１５では、光パターンの一周期を６ライン（６本の帯状電極）により構成した場合を例示している。

そこで、従来では、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ている（例えば、特許文献１参照）。

キャリブレーションの手順としては、まず予め準備した基準面に対し光パターンを照射し、これを撮像手段により撮像する。次に、撮像された画像上の各座標（画素）の輝度値を取得すると共に、当該輝度値から各座標における光パターンの位相角を算出し、これを記憶しておく。尚、位相シフト法による三次元計測を行う場合には、キャリブレーションの際にも、実測時と同様、光パターンの位相を例えば４段階に変化させ、これらに対応する強度分布をもつ画像を取り込み、各座標における位相角φを求めることとなる。

そして、三次元計測を行う際には、キャリブレーションにより記憶した各座標の位相角と、実測した輝度値を基に算出した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、上記三角測量の原理に基づき、所定座標位置に係る高さを求める。

例えば、所定座標位置（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、所定座標位置（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、所定座標位置（Ｘ，Ｙ）の高さ（Ｚ）を求めることができる。

特開２００５−３３７９４３号公報

しかしながら、上記のとおり、従来では、液晶格子の各帯状電極がそれぞれ異なるトランジスタ等により駆動され、被計測物の各位置に照射される輝度値も各位置毎に異なることから、計測範囲全域についてキャリブレーションを行う必要がある。

また、図１６に示すように、例えば計測範囲Ｗ１（基準面上の点Ｏ〜点Ｐ）の端にあたる点Ｐの高さ計測をしようとした場合には、計測範囲Ｗ１のみならず、計測高さレンジＶに対応した範囲Ｗ２（基準面上の点Ｐ〜点Ｑ）に照射される光パターンついてもキャリブレーションを行う必要がある。つまり、計測範囲Ｗ１よりも大きなキャリブレーション範囲Ｗ３が必要となる。換言すれば、カメラ９１の撮像範囲（照明装置９０の照射範囲）よりも計測範囲Ｗ１を狭く設定せざるを得ない。

結果として、計測効率の低下が懸念される。尚、上記不具合は、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を行う場合や、正弦波状の光パターンを用いた位相シフト法による計測を行う場合に限らず、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。

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、効率よく計測精度の向上を図ることのできる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液晶格子を有し、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三次元計測を行う画像処理手段とを備え、
前記液晶格子は、
互いに対向して配置された一対の透明基板と、
前記両透明基板間に設けられた液晶層と、
前記一対の透明基板のうちの一方に設けられた共通電極と、
前記一対の透明基板のうちの他方に設けられると共に、所定間隔をあけて互いに平行となるよう配列された複数の帯状電極とを備え、
前記共通電極と前記帯状電極との間に印加される電圧を制御することにより、前記液晶層の透過率を変化させる構成であって、
前記複数の帯状電極を、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の帯状電極を１組とした複数の帯状電極組に区分けすると共に、
前記各組における配列順序がｉ番目（１≦ｉ≦ｎの自然数）の帯状電極同士を並列接続し、
前記並列接続されたｎ個の帯状電極群にそれぞれ接続され、当該帯状電極群に印加される電圧を制御するｎ個のスイッチング素子を備え、
前記複数の帯状電極組を並列駆動するようにし、
前記画像処理手段は、所定の帯状電極組の範囲に対応する領域の画像データから得たキャリブレーションデータを、他の帯状電極組の範囲に対応する領域の画像データを基に行われる三次元計測に適用し、高さデータを取得することを特徴とする三次元計測装置。

上記手段１によれば、ｎ個の帯状電極を１組とした複数の帯状電極組における配列順序ｉ番目の帯状電極同士を並列接続すると共に、当該並列接続されたｎ個の帯状電極群それぞれが同一のスイッチング素子に接続され、当該スイッチング素子によりそれぞれ制御される。つまり、複数の帯状電極組における配列順序ｉ番目の帯状電極に対し印加される電圧は、各帯状電極組で同一となる。このため、仮に各帯状電極組内の各帯状電極に印加される電圧にばらつきが生じる場合でも、複数の帯状電極組により形成される光パターンの光強度分布は、各帯状電極組でそれぞれ同一となる。従って、１つの帯状電極組に対応する範囲のみキャリブレーションを行うだけで、計測範囲全域についてキャリブレーションを行った場合と同様の結果を得ることができる。ひいては、キャリブレーション範囲が計測範囲よりも小さくなるので、例えば撮像手段の撮像範囲全域（照明手段の照射範囲全域）を計測範囲として設定できるなど、撮像手段の撮像範囲全域を有効活用できる。結果として、効率よく計測精度の向上を図ることができる。

手段２．前記格子の切替を制御し、前記照射手段から照射する正弦波状の光強度分布を有する光パターンの位相を複数通りに変化させる格子制御手段を備え、
前記画像処理手段は、複数通りに位相変化させた前記光パターンの照射に基づき取得した複数通りの画像データを基に位相シフト法により三次元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。

上記手段２によれば、位相シフト法によりバイアス成分や変調成分をキャンセルできるため、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

手段３．前記帯状電極組は、１２個の帯状電極からなる（ｎ＝１２とした）ことを特徴とする手段２に記載の三次元計測装置。

上記３によれば、光パターンの位相を１２０°（２π／３）ずつシフトさせ、３通りの画像データから位相データを取得する方法と、光パターンの位相を９０°（π／２）ずつシフトさせ、４通りの画像データから位相データを取得する方法の２通りの方法を切換え、縞ピッチ（計測可能な高さ分解能）を変更することが可能となる。結果として、汎用性を高めると共に、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

基板検査装置を模式的に示す概略構成図である。 基板検査装置の電気的構成を示すブロック図である。 液晶格子を模式的に示す概略構成図である。 （ａ）は、液晶格子にて３通りに変化する縞状の格子パターンの各部位における透過輝度レベルを模式的に示した図であり、（ｂ）は、当該格子パターンを構成する各格子ラインの明暗の状態を模式的に示した図である。 （ａ）は、液晶格子に形成される縞状の格子パターンの各部位における透過輝度レベルのばらつきを模式的に示した図であり、（ｂ）は、当該格子パターンを介して照射される光パターンの光強度分布のばらつきを模式的に示した図である。 計測範囲とキャリブレーション範囲の関係を説明するための図である。 （ａ）は、別の実施形態に係る液晶格子にて４通りに変化する縞状の格子パターンの各部位における透過輝度レベルを模式的に示した図であり、（ｂ）は、当該格子パターンを構成する各格子ラインの明暗の状態を模式的に示した図である。 別の実施形態に係る液晶格子にて４通り又は３通りに変化する縞状の格子パターンを構成する各格子ラインの明暗の状態を模式的に示した図である。 別の実施形態に係る液晶格子の回路構成を模式的に示す概略構成図である。 プリント基板の高さ位置と、照射される光パターンとの関係を説明するための図である。 別の実施形態にかかるキャリブレーション範囲等を説明するための図である。 （ａ）は、従来の液晶格子に形成される縞状の格子パターンの各部位における透過輝度レベルを模式的に示した図であり、（ｂ）は、当該格子パターンを介して照射される光パターンの光強度分布を模式的に示した図である。 三角測量の原理を用いた高さ演算方法を説明するための照明装置や計測位置座標等の位置関係を示す図である。 被計測物上に照射された縞状の光パターンの態様を模式的に示した図である。 （ａ）は、従来の液晶格子に形成される縞状の格子パターンの各部位における透過輝度レベルのばらつきを模式的に示した図であり、（ｂ）は、当該格子パターンを介して照射される光パターンの光強度分布のばらつきを模式的に示した図である。 計測範囲とキャリブレーション範囲の関係を説明するための図である。

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の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。

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。

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３分の１ピッチずつ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。

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。尚、液晶格子４ｂの構成の詳細については後述する。

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。

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。

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。

ここで、液晶格子４ｂの構成について図３を参照して詳しく説明する。

液晶格子４ｂは、一対の透明基板としての第１のガラス基板３１と第２のガラス基板３２とが一定の間隔を置いて張り合わされ、その間にＴＮ（ツイストネマティック）液晶等が封入されてなる液晶層を備えている。

第１のガラス基板３１には、その全面に共通電極３３が形成され、それに対向する第２のガラス基板３２には、一定幅を有する帯状電極３４が複数本、一定のピッチで配列されている。共通電極３３及び帯状電極３４は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎ−ｏｘｉｄｅ）等の透明導電膜により形成されている。

尚、図３では、便宜上、１８本の帯状電極３４を図示しているだけであるが、実際の液晶格子４ｂにおいては、全体として数百本程度の帯状電極３４が配列されている。

また、図示は省略するが、第１のガラス基板３１の外側には第１の偏光板が配設され、第２のガラス基板３２の外側には第２の偏光板が配設されている。第１の偏光板と、第２の偏光板は、互いにその偏光軸を直交又は平行させるように配設されている。

液晶格子４ｂにおいては、共通電極３３と帯状電極３４との間で液晶層に印加される電圧が、制御装置６（照明制御手段２２）の指示の下、駆動回路３５により制御されることにより、その部分の透過率が変化する。例えば、共通電極３３と帯状電極３４との間に所定の電圧を印加すること又は電圧を印加しないことによって、透過率の高い「明部」としたり、透過率の低い「暗部」としたりすることができる。このような「明部」と「暗部」を交互に形成することにより、縞状の格子パターンを形成することができる。

そして、この液晶格子４ｂに対し、光源４ａからの光が例えば第１の偏光板側から照射されると、当該第１の偏光板を透過した光は、その偏光軸の方向に偏光した直線偏光となって、第１のガラス基板３１及び共通電極３３を通過する。

ここで、例えば共通電極３３と帯状電極３４との間に所定の電圧が印加されている部分では、ＴＮ液晶を通過する直線偏光は旋光されなくなるため、第２の偏光板の偏光軸が第１の偏光板の偏光軸と平行になっていれば、その直線偏光は第２の偏光板を透過し、透過率が最高の「明部」となる。

一方、例えば共通電極３３と帯状電極３４との間に電圧が印加されていない部分では、その直線偏光が９０°旋光され、帯状電極３４と第２のガラス基板３２を透過して第２の偏光板に達する。ここで、第２の偏光板の偏光軸が第１の偏光板の偏光軸と平行になっていれば、その直線偏光は第２の偏光板を殆ど透過できず、透過率が最低の「暗部」となる。

尚、第１の偏光板の偏光軸と第２の偏光板の偏光軸とが直交している場合には、共通電極３３と帯状電極３４との間に印加する電圧と透過率との関係が逆になる。

さらに、本実施形態では、帯状電極３４を所定数本ずつのグループに分けて、各グループが並列駆動される構成となっている。図３では、１８本の帯状電極３４を６本ずつ、３つのグループに分けた例が示されている。

より詳しくは、１８本の帯状電極３４のうち、各グループの第１帯状電極３４ａ同士が並列接続されると共に、当該第１帯状電極３４ａ群が同一の第１スイッチング素子３６ａ（各グループの第１帯状電極３４ａを直接駆動する最終段階のトランジスタ等）に接続され、当該第１スイッチング素子３６ａを介して各第１帯状電極３４ａに電圧が印加される。

同様に、各グループの第２帯状電極３４ｂ同士、第３帯状電極３４ｃ同士、第４帯状電極３４ｄ同士、第５帯状電極３４ｅ同士、第６帯状電極３４ｆ同士がそれぞれ並列接続されると共に、第２帯状電極３４ｂ群、第３帯状電極３４ｃ群、第４帯状電極３４ｄ群、第５帯状電極３４ｅ群、第６帯状電極３４ｆ群がそれぞれ同一のスイッチング素子（第２スイッチング素子３６ｂ、第３スイッチング素子３６ｃ、第４スイッチング素子３６ｄ、第５スイッチング素子３６ｅ、第６スイッチング素子３６ｆ）に接続され、各スイッチング素子３６ｂ〜３６ｆを介して各帯状電極３４ｂ〜３４ｆに電圧が印加される。

そして、制御装置６によって作成された液晶駆動信号（二値の強度レベルを持ったパルス信号）を駆動回路３５に入力し、共通電極３３と帯状電極３４との間に液晶駆動信号に応じた電圧を印加する又は印加しないことにより、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。これにより、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。

本実施形態では、各グループの６本の帯状電極３４ａ〜３４ｆのうち、いずれか３本により「明部」の格子ラインを形成し、残り３本により「暗部」の格子ラインを形成する〔図４（ａ），（ｂ）参照〕。つまり、６本の帯状電極３４からなる１グループ幅を一周期とした正弦波状の光パターンとなる。

そして、各グループ内の６本の帯状電極３４ａ〜３４ｆに印加する電圧の印加順序を時間的に変化させることで位相シフトを行うことができる。ここで、全てのグループの第１帯状電極３４ａ同士、第２帯状電極３４ｂ同士、第３帯状電極３４ｃ同士、第４帯状電極３４ｄ同士、第５帯状電極３４ｅ同士、第６帯状電極３４ｆ同士はそれぞれ同一の動作態様となるため〔図４（ｂ）参照〕、例えば本実施形態では、格子ライン３本からなる「明部」及び「暗部」を２ラインずつシフトさせていくことにより、液晶格子４ｂ全体で連続するように、光パターンの位相を２π／３ずつ、３段階に変化させることができる〔図４（ａ）参照〕。このように液晶格子４ｂにおける格子態様を切替制御する機能が格子制御手段に相当する。尚、図４（ｂ）中において、第１〜第６格子とあるのは、それぞれ第１〜第６帯状電極３４ａ〜３４ｆに対応する格子ラインを示している。

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。

キャリブレーションを行う場合、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。

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、光パターンの位相を２π／３ずつシフトさせ、各光パターンの下で撮像された３通りの画像データを取得する。

そして、制御装置６は、上記３通りの画像データ（輝度値）から各座標における光パターンの位相角を算出し、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。

尚、上記構成により、各グループの第１帯状電極３４ａ群、第２帯状電極３４ｂ群、第３帯状電極３４ｃ群、第４帯状電極３４ｄ群、第５帯状電極３４ｅ群、第６帯状電極３４ｆ群に印加される電圧は、それぞれ同一となるため、仮に図５（ａ）に示すように各帯状電極３４ａ群〜３４ｆ群に印加される電圧にばらつきがある場合であっても、図５（ｂ）に示すように各グループを介して照射される光パターンの波形（光強度分布）はそれぞれ同一となる。

従って、本実施形態では、図６に示すように、計測範囲ＷＢ１全域についてキャリブレーションを行う必要はなく、１つの電極グループに対応する光パターン一周期分に相当する範囲をキャリブレーション範囲ＷＢ２とすればよい。

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。

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。

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。

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。

同様に、上記一連の処理を、光パターンの位相を２π／３ずつシフトさせた２通りの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２π／３ずつシフトさせた各光パターンの下で撮像された３通りの画像データが取得される。

そして、制御装置６は、位相シフト法により、上記３通りの画像データ（輝度値）から各座標における光パターンの位相角を算出し、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。

そして、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、背景技術においても説明した公知の方法により、検査エリアの各座標における高さデータを取得する。

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。

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。

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。

以上詳述したように、本実施形態によれば、帯状電極３４を６本ずつのグループに分けて、各グループが並列駆動される構成となっている。より詳しくは、各グループの帯状電極３４ａ〜３４ｆ同士がそれぞれ並列接続されると共に、当該並列接続された帯状電極３４ａ群〜３４ｆ群がそれぞれ同一のスイッチング素子３６ａ〜３６ｆに接続され、当該スイッチング素子３６ａ〜３６ｆによりそれぞれ制御される。つまり、各グループの帯状電極３４ａ群〜３４ｆ群に印加される電圧は、それぞれ同一となる。このため、仮に各帯状電極３４ａ群〜３４ｆ群に印加される電圧にばらつきがある場合であっても、各グループを介して照射される光パターンの光強度分布はそれぞれ同一となる。従って、１つのグループに対応する光パターン一周期分に相当する範囲をキャリブレーション範囲ＷＢ２とすればよく、計測範囲ＷＢ１全域についてキャリブレーションを行った場合と同様の結果が得られる。ひいては、キャリブレーション範囲ＷＢ２が計測範囲ＷＢ１よりも小さくなるため、例えばカメラ５の撮像範囲全域（照明装置４の照射範囲全域）を計測範囲ＷＢ１として設定できるなど、カメラ５の撮像範囲全域を有効活用できる。結果として、効率よく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。

（ｂ）上記実施形態の位相シフト法では、光パターンの位相を３分の１ピッチずつ変化させる構成となっているが、これに限らず、光パターンの位相を４分の１ピッチずつ変化させる構成としてもよい。

例えば、図７（ａ），（ｂ）に示すように、帯状電極３４を４本ずつのグループに分けて、各グループを並列駆動する構成としてもよい。かかる構成によれば、各グループの４本の帯状電極３４のうち、いずれか２本により「明部」の格子ラインを形成し、残り２本により「暗部」の格子ラインを形成することができる。そして、位相シフトを行う場合には、格子ライン２本からなる「明部」及び「暗部」を１ラインずつシフトさせていくことにより、光パターンの位相をπ／２ずつ、４段階に変化させることができる。

また、図８に示すように、帯状電極３４を１２本ずつのグループに分けて、各グループを並列駆動する構成としてもよい。かかる構成によれば、光パターンの位相を１２０°（２π／３）ずつシフトさせ、３通りの画像データから位相データを取得する方法と、光パターンの位相を９０°（π／２）ずつシフトさせ、４通りの画像データから位相データを取得する方法の２通りの方法を切換え、縞ピッチ（計測可能な高さ分解能）を変更することが可能となる。結果として、汎用性を高めると共に、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

（ｃ）上記実施形態では、正弦波状の光パターンを照射し、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、計測方法はこれに限定されるものではない。例えば位相シフトせず、光パターン１回の照射で得られた輝度値から各座標の位相角を求め、三角測量の原理に基づき高さ計測を行う構成としてもよい。

また、照射される光パターンも正弦波状のものに限らず、例えば三角波状、矩形波状など、位置により光強度分布が異なる光パターンを採用してもよい。

（ｄ）上記実施形態では、液晶格子４ｂにおける複数の帯状電極３４すべてが並列駆動される構成となっているが、これに限らず、一部に独立駆動する帯状電極３４を備えた構成としてもよい。勿論、独立駆動部は複数箇所に設けてもよい。並列駆動部とは別に独立駆動部を設けることにより、同一光源（１つの液晶格子）により複数種類の計測作業等を同時に行うことができる。

例えば、図９に示すように、並列駆動部４１とは別に、隣接する４本の帯状電極３４を独立駆動する独立駆動部４２を備えた構成としてもよい。かかる構成により、「明部」又は「暗部」よりなる１本の太いライン（太縞）を形成することができる。これをプリント基板２に照射しカメラ５により撮像した場合には、図１０に示すようにプリント基板２の高さ位置により、太縞の照射範囲ＷＤ１の位置が画像データ上でずれることとなる。これを利用して、プリント基板２の高さ方向へのズレ量を補正することができる。例えば、図１１に示すように、並列駆動部４１に係る範囲ＷＣ１のキャリブレーションを行う際に、独立駆動部４２に係る太縞の照射範囲ＷＣ２についても、その位置を記憶しておく。そして、実測時には、太縞の照射範囲ＷＣ２を前記記憶した位置に合せるように、カメラ５等を高さ方向へ移動させることにより、高さ補正することができる。

（ｅ）上記実施形態では、画像データ（輝度値）から各座標における光パターンの位相角を算出し、これをキャリブレーションデータとして記憶する構成となっているが、予め記憶しておくデータはこれに限定されるものではない。例えば各座標における理想の位相角と実測した位相角とのズレ量を記憶しておく構成としてもよい。

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、３１，３２…ガラス基板、３３…共通電極、３４（３４ａ〜３４ｆ）…帯状電極、３６ａ〜３６ｆ…スイッチング素子、ＷＢ１…計測範囲、ＷＢ２…キャリブレーション範囲。

Claims (3)

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液晶格子を有し、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三次元計測を行う画像処理手段とを備え、
   前記液晶格子は、
   互いに対向して配置された一対の透明基板と、
   前記両透明基板間に設けられた液晶層と、
   前記一対の透明基板のうちの一方に設けられた共通電極と、
   前記一対の透明基板のうちの他方に設けられると共に、所定間隔をあけて互いに平行となるよう配列された複数の帯状電極とを備え、
   前記共通電極と前記帯状電極との間に印加される電圧を制御することにより、前記液晶層の透過率を変化させる構成であって、
   前記複数の帯状電極を、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の帯状電極を１組とした複数の帯状電極組に区分けすると共に、
   前記各組における配列順序がｉ番目（１≦ｉ≦ｎの自然数）の帯状電極同士を並列接続し、
   前記並列接続されたｎ個の帯状電極群にそれぞれ接続され、当該帯状電極群に印加される電圧を制御するｎ個のスイッチング素子を備え、
   前記複数の帯状電極組を並列駆動するようにし、
   前記画像処理手段は、所定の帯状電極組の範囲に対応する領域の画像データから得たキャリブレーションデータを、他の帯状電極組の範囲に対応する領域の画像データを基に行われる三次元計測に適用し、高さデータを取得することを特徴とする三次元計測装置。
2. 前記格子の切替を制御し、前記照射手段から照射する正弦波状の光強度分布を有する光パターンの位相を複数通りに変化させる格子制御手段を備え、
   前記画像処理手段は、複数通りに位相変化させた前記光パターンの照射に基づき取得した複数通りの画像データを基に位相シフト法により三次元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。
3. 前記帯状電極組は、１２個の帯状電極からなることを特徴とする請求項２に記載の三次元計測装置。

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