特許 5957575 三次元計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5957575

(24)【登録日】2016年6月24日

(45)【発行日】2016年7月27日

(54)【発明の名称】三次元計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20160714BHJP

   G06T 1/00 20060101ALI20160714BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/25 H

   G06T1/00 305A

【請求項の数】5

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2015-118842(P2015-118842)

(22)【出願日】2015年6月12日

【審査請求日】2016年5月9日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000106760

【氏名又は名称】ＣＫＤ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111095

【弁理士】

【氏名又は名称】川口 光男

(72)【発明者】

【氏名】大山 剛

(72)【発明者】

【氏名】坂井田 憲彦

(72)【発明者】

【氏名】間宮 高弘

(72)【発明者】

【氏名】石垣 裕之

【審査官】 岸 智史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１６９４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５３０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２４３４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１５６１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０１Ｎ ２１／８４−２１／９５８

Ｇ０６Ｔ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも縞状の光強度分布を有する光パターンを被計測物に対し照射可能な照射手段と、
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、
前記撮像手段と前記被計測物との位置関係を相対変位させる変位手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データを基に位相シフト法により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、
第１位置にて第１光パターンを第１所定数通りの位相で照射し撮像された前記第１所定数通りの画像データを基に、各画素に係る第１の計測値を取得する第１計測値取得手段と、
前記第１位置にて撮像された前記第１所定数通りの画像データを基に、各画素に係るゲイン及び／又はオフセットの値を取得するゲインオフセット取得手段と、
前記第１位置から所定方向へ半画素ピッチ分ずれた第２位置にて第２光パターンを前記第１所定数通りよりも少ない第２所定数通りの位相で照射し撮像された前記第２所定数通りの画像データを基に、前記ゲインオフセット取得手段により取得されたゲイン及び／又はオフセットの値を利用して、各画素に係る第２の計測値を取得する第２計測値取得手段と、
前記第１の計測値及び前記第２の計測値を基に、各画素に係る高さデータを取得可能な高さデータ取得手段とを備え、
前記第２計測値取得手段は、
所定の画素に係る前記第２の計測値を取得するに際し、該画素の周辺部位における前記ゲインの平均値及び／又は前記オフセットの平均値を利用することを特徴とする三次元計測装置。

【請求項2】

前記照射手段は、周期の異なる複数の光パターンを切換えて前記被計測物に対し照射可能に構成され、
前記第１位置にて第１周期の第１光パターンを照射し、
前記第２位置にて、前記第１周期とは異なる第２周期の第２光パターンを照射す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】

前記第２所定数が１の場合、前記第２計測値取得手段は、前記第２の計測値を取得する際に、少なくとも下記式（Ｓ１）の関係を満たす前記第２光パターンの位相θを算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。
Ｖ0＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（Ｓ１）
但し、Ｖ0：輝度値、Ａ：ゲイン、Ｂ：オフセット。

【請求項4】

前記第２所定数が２の場合、前記第２計測値取得手段は、前記第２の計測値を取得する際に、少なくとも下記式（Ｔ１），（Ｔ２）の関係を満たす前記第２光パターンの位相θを算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。
Ｖ0＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（Ｔ１）
Ｖ1＝Ａsin（θ＋９０°）＋Ｂ ・・・（Ｔ２）
但し、Ｖ0，Ｖ1：２通りの画像データの輝度値、Ａ：ゲイン、Ｂ：オフセット。

【請求項5】

前記被計測物が、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプであ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三次元計測装置。

【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三次元計測を行う三次元計測装置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。

【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、プリント基板に印刷されたクリーム半田）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（Ｒ１）で与えられる。

【0006】

Ｉ＝ｆ・sinφ＋ｅ ・・（Ｒ１）
但し、ｆ：ゲイン、ｅ：オフセット、φ：光パターンの位相。

【0007】

ここで、上記格子を切換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（Ｒ２）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φを求める。

【0008】

φ＝tan^-1[(Ｉ₁−Ｉ₃)／(Ｉ₂−Ｉ₀)] ・・（Ｒ２）
そして、この位相φを用いて、三角測量の原理に基づき、クリーム半田等の被計測物上の各座標（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）が求められる。

【0009】

近年では、第１位置にて第１光パターンを照射して得られた画像データに基づき各画素毎の第１高さデータを算出し、さらに、そこから所定方向へ半画素ピッチ分ずれた第２位置にて第２光パターンを照射して得られた画像データに基づき各画素毎の第２高さデータを算出することにより、より高精度な計測を可能とする三次元計測装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１０−１６９４３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、上記のとおり、位相シフト法を利用した三次元計測においては、照射する光パターンの位相を４段階（又は３段階）に変化させ、４通り（又は３通り）の画像を撮像する必要がある。

【0012】

従って、２箇所の異なる位置で計測を行う場合には、まず第１位置にて第１光パターンを照射し、その位相を４段階（又は３段階）に変化させ、これらの下で４通り（又は３通り）の画像を撮像した後、撮像手段と被計測物との位置関係を変えて、第２位置にて第２光パターンを照射し、その位相を４段階（又は３段階）に変化させ、これらの下で４通り（又は３通り）の画像を撮像するといったように、各位置にて４回（又は３回）ずつ、計８回（又は６回）の撮像が必要となり、撮像時間が大幅に増大するおそれがあった。

【0013】

また、一枚のプリント基板上に計測対象範囲が多数設定されているような場合には、当該一枚のプリント基板の計測に要する時間はさらにその数倍となる。そのため、計測時間のさらなる短縮化が求められる。

【0014】

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。

【0015】

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た三次元計測を行うにあたり、より高精度な計測をより短時間で実現することのできる三次元計測装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

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。

【0017】

手段１．少なくとも縞状の光強度分布を有する光パターンを被計測物に対し照射可能な照射手段と、
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、
前記撮像手段と前記被計測物との位置関係を相対変位させる変位手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データを基に位相シフト法により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、
第１位置にて第１光パターンを第１所定数通りの位相で照射し撮像された前記第１所定数通りの画像データを基に、各画素に係る第１の計測値を取得する第１計測値取得手段と、
前記第１位置にて撮像された前記第１所定数通りの画像データを基に、各画素に係るゲイン及び／又はオフセットの値を取得するゲインオフセット取得手段と、
前記第１位置から所定方向へ半画素ピッチ分ずれた第２位置にて第２光パターンを前記第１所定数通りよりも少ない第２所定数通りの位相で照射し撮像された前記第２所定数通りの画像データを基に、前記ゲインオフセット取得手段により取得されたゲイン及び／又はオフセットの値を利用して、各画素に係る第２の計測値を取得する第２計測値取得手段と、
前記第１の計測値及び前記第２の計測値を基に、各画素に係る高さデータを取得可能な高さデータ取得手段とを備え、
前記第２計測値取得手段は、
所定の画素に係る前記第２の計測値を取得するに際し、該画素の周辺部位における前記ゲインの平均値及び／又は前記オフセットの平均値を利用することを特徴とする三次元計測装置。

【0018】

上記手段１によれば、第１位置にて第１光パターンを被計測物に照射して得られた画像データを基に三次元計測を行い、当該計測値を第１の計測値として取得すると共に、第１位置から所定方向へ半画素ピッチ分ずれた第２位置にて第２光パターンを被計測物に照射して得られた画像データ等を基に三次元計測を行い、当該計測値を第２の計測値として取得する。そして、第１の計測値及び第２の計測値から特定される高さデータを、各画素に係る真の高さデータとして取得する。

【0019】

これにより、撮像手段（撮像素子）の分解能を超える高分解能の画像データ（各画素毎に高さデータが配列された計測データなど画像処理後の画像データを含む）を生成することができ、より精密な三次元計測を行うことができる。

【0020】

さらに、本手段では、第１位置（第１光パターン）での計測時に撮像された画像データから得られるゲインやオフセットの値を利用することにより、第２位置（第２光パターン）で計測を行う際には、撮像すべき画像数（撮像回数）が、第１位置で撮像すべき画像数より少なくて済む。

【0021】

例えば第１位置で第１光パターンを４通りの位相で照射し、４通りの画像を撮像した後、第２位置で第２光パターンを１通りの位相で照射し、１通りの画像を撮像する場合には、撮像回数が計５回となり、撮像時間が大幅に減少する。

【0022】

従って、単に２箇所の異なる位置で計測を行う場合に比べ、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。

【0023】

ここで「第１位置から所定方向へ半画素ピッチ分ずれた第２位置」の一例としては、「第１位置から半画素ピッチ斜めにずれた位置」が挙げられる。かかる構成によれば、第１位置における計測と第２位置における計測の２箇所の計測で、撮像素子の分解能の４倍の分解能を有する画像データを得ることができる。尚、半画素ピッチ斜めにずれた位置とは、画像データにおいて格子状に配列された矩形状の画素の対角線方向（配列方向に対して斜め方向）に半画素分ずれた位置である。
また、第１位置にて撮像された画像データと、第２位置にて撮像された画像データは、互いに半画素ピッチ分ずれた位置を撮像したものであるため、両者の各画素に含まれる撮像範囲（被計測物表面）は完全一致しない。また、各画素に係るゲインやオフセットの値は、該画素の範囲に含まれる被計測物表面の特性（反射率等）に依存する。そのため、第１位置にて撮像された画像データを基に取得された所定の画素に係るゲインやオフセットの値が、該画素に係る第２の計測値を取得する上で最適でないおそれもある。
これに対し、上記手段１によれば、所定の画素に係る第２の計測値を取得するに際し、該画素の周辺部位におけるゲインやオフセットの平均値を利用する構成となっているため、より適正な第２の計測値を取得することが可能となる。

【0024】

手段２．前記照射手段は、周期（縞ピッチ）の異なる複数の光パターンを切換えて前記被計測物に対し照射可能に構成され、
前記第１位置にて第１周期の第１光パターンを照射し、
前記第２位置にて、前記第１周期とは異なる第２周期の第２光パターンを照射することを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

【0025】

実際の被計測物には、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、薄膜状のものもあれば、円錐台状をなして突起しているものもある。そして、これら被計測物のうち最大の高さに合わせて、照射する光パターンの周期（縞ピッチ）を広くすると、分解能が粗くなってしまい、計測精度が悪化してしまうおそれがある。一方で、光パターンの周期を狭くすることで、精度の向上を図ることはできるものの、高さ計測可能な計測レンジが足りなくなってしまう（縞次数が別のものとなってしまう）おそれがある。

【0026】

これに対し、上記手段２によれば、高さデータ取得手段は、例えば周期の長い一方の光パターン（例えば第２光パターン）によって得られた一方の計測値（例えば第２の計測値）を基に、周期の短い他方の光パターン（例えば第１光パターン）によって得られた他方の計測値（例えば第１の計測値）の縞次数を特定した上で、該他方の計測値を、該縞次数を考慮した値に置き換えること（データ置換え手段）により、各画素に係る真の高さデータを取得することができる。

【0027】

これにより、周期の長い光パターンを利用するメリットである計測可能な高さレンジを大きくできること、及び、周期の短い光パターンを利用するメリットである分解能の高い高精度な計測を実現できることの双方の効果を得ることができる。結果として、広い計測レンジで高分解能の計測を行うことができ、より高精度な計測を実現することができる。

【0031】

手段３．前記第２所定数が１の場合、前記第２計測値取得手段は、前記第２の計測値を取得する際に、少なくとも下記式（Ｓ１）の関係を満たす前記第２光パターンの位相θを算出することを特徴とする手段１又は２に記載の三次元計測装置。

【0032】

Ｖ₀＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（Ｓ１）
但し、Ｖ₀：輝度値、Ａ：ゲイン、Ｂ：オフセット。

【0033】

上記手段３によれば、第２位置での撮像回数が１回で済むため、上記手段１等の作用効果がより奏効することとなる。

【0034】

上記式（Ｓ１）を「sinθ」について整理すると、下記式（Ｓ２）のようになる。

【0035】

sinθ＝（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ ・・・（Ｓ２）
ここで、上記式（Ｓ２）を位相θについて解くと、下記式（Ｓ３）を導き出すことができる。

【0036】

θ＝sin^-1｛（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ｝ ・・・（Ｓ３）
このように、位相θは、第２光パターンにより取得した既知の輝度値Ｖ₀，並びに、第１光パターンにより取得した既知のゲインＡ及びオフセットＢにより特定することができる。

【0037】

手段４．前記第２所定数が２の場合、前記第２計測値取得手段は、前記第２の計測値を取得する際に、少なくとも下記式（Ｔ１），（Ｔ２）の関係を満たす前記第２光パターンの位相θを算出することを特徴とする手段１又は２に記載の三次元計測装置。

【0038】

Ｖ₀＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（Ｔ１）
Ｖ₁＝Ａsin（θ＋９０°）＋Ｂ ・・・（Ｔ２）
但し、Ｖ₀，Ｖ₁：２通りの画像データの輝度値、Ａ：ゲイン、Ｂ：オフセット。

【0039】

上記手段５によれば、位相が９０°異なる２通りの第２光パターンの下で撮像を２回行うだけでよいため、上記手段１等の作用効果がより奏効することとなる。

【0040】

上記式（Ｔ２）から下記式（Ｔ３）が導き出される。

【0041】

Ｖ₁＝Ａsin（θ＋９０°）＋Ｂ
＝Ａcosθ＋Ｂ ・・・（Ｔ３）
上記式（Ｔ３）を「cosθ」について整理すると、下記式（Ｔ４）のようになる。

【0042】

cosθ＝（Ｖ₁−Ｂ）／Ａ ・・・（Ｔ４）
また、上記式（Ｔ１）を「sinθ」について整理すると、下記式（Ｔ５）のようになる。

【0043】

sinθ＝（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ ・・・（Ｔ５）
次に上記式（Ｔ４）、（Ｔ５）を下記式（Ｔ６）に代入すると下記式（Ｔ７）が導き出される。

【0044】

tanθ＝sinθ／cosθ ・・・（Ｔ６）
＝｛（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ｝／｛（Ｖ₁−Ｂ）／Ａ｝
＝（Ｖ₀−Ｂ）／（Ｖ₁−Ｂ） ・・・（Ｔ７）
ここで、上記式（Ｔ７）を位相θについて解くと、下記式（Ｔ８）を導き出すことができる。

【0045】

θ＝tan^-1｛（Ｖ₀−Ｂ）／（Ｖ₁−Ｂ）｝ ・・・（Ｔ８）
このように、位相θは、第２光パターンにより取得した既知の輝度値Ｖ₀，Ｖ₁、並びに、第１光パターンにより取得した既知のオフセットＢにより特定することができる。

【0046】

また、上記手段４によれば、「tan^-1」を用いた演算式に基づいて位相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。

【0047】

手段５．前記被計測物が、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプであることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。

【0048】

上記手段５によれば、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプの高さ計測等を行うことができる。ひいては、クリーム半田又は半田バンプの検査において、その計測値に基づいてクリーム半田又は半田バンプ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、半田印刷検査装置又は半田バンプ検査装置における検査精度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0049】

【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】各光パターンによる分解能等を示す説明図である。

【図4】（ａ），（ｂ）は、計測された高さ計測値のデータ配列を示す模式図である。

【図5】合成された第１の高さ計測値及び第２の高さ計測値のデータ配列を示す模式図である。

【図6】データ置換え処理の具体的な事例を示す説明図である。

【図7】補正処理の具体的な事例を示す説明図である。

【図8】補間処理の具体的な事例を示す説明図である。

【図9】真値に対する各種高さデータの精度を示す説明図である。

【図10】第２実施形態に係る合成された第１〜第４の高さ計測値のデータ配列を示す模式図である。

【図11】第２実施形態に係るデータ置換え処理の具体的な事例を示す説明図である。

【図12】第２実施形態に係る補正処理の具体的な事例を示す説明図である。

【図13】第２実施形態に係る真値に対する各種高さデータの精度を示す説明図である。

【図14】別の実施形態において、計測対象となる画素と、計測値を求める際に利用するゲインやオフセットとの関係を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0050】

〔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、被計測物としてのクリーム半田が印刷されてなるプリント基板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。

【0051】

載置台３には、変位手段としてのモータ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。

【0052】

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。

【0053】

より詳しくは、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。

【0054】

本実施形態では、光パターンが、矩形状のプリント基板２の一対の辺と平行にＸ軸方向に沿って照射されるよう設定されている。つまり、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。

【0055】

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、各帯状電極に対応する各格子ラインの光透過率が切換えられ、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。

【0056】

また、照明装置４は、周期（縞ピッチ）の異なる複数種類の光パターンを切換えて照射可能に構成されている。本実施形態では、周期１０μｍ（高さ分解能２μｍ）の第１光パターンと、その２倍の周期２０μｍ（高さ分解能４μｍ）の第２光パターンの２種類の光パターンを切換えて照射する。ここで「１０μｍ」が「第１周期」に相当し、「２０μｍ」が「第２周期」に相当する。

【0057】

より詳しくは、液晶格子４ｂを制御し、例えば格子ライン４本分の幅（格子ライン２本分の「明部」と、格子ライン２本分の「暗部」）を一周期とした正弦波状の光パターンを生成することにより、周期１０μｍの第１光パターンを照射可能となる。

【0058】

一方、格子ライン８本分の幅（格子ライン４本分の「明部」と、格子ライン４本分の「暗部」）を一周期とした正弦波状の光パターンを生成することにより、周期２０μｍの第２光パターンを照射可能となる。

【0059】

これにより、第１光パターンによっては、図３に示すように、例えば「０±１（μｍ）」、「２±１（μｍ）」、「４±１（μｍ）」、・・・といったように、０μｍ〜１０μｍ（但し、１０μｍは１つ上の縞次数における０μｍに相当する）の範囲内にある高さを、「２（μｍ）」刻みで、誤差範囲±１（μｍ）の精度で計測できる。一方、第２光パターンによっては、例えば「０±２（μｍ）」、「４±２（μｍ）」、「８±２（μｍ）」、・・・といったように、０μｍ〜２０μｍの範囲内にある高さを、「４（μｍ）」刻みで、誤差範囲±２（μｍ）の精度で計測できる。

【0060】

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。本実施形態のカメラ５は、例えばＸ軸方向に５１２画素、Ｙ軸方向に４８０画素の分解能を有する画像を生成する。勿論、水平分解能はこれに限定されるものではない。

【0061】

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。

【0062】

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、前記画像データを基に算出される後述するゲインＡ及びオフセットＢの値を記憶するゲイン・オフセット記憶手段２５と、少なくとも前記画像データを基に三次元計測を行う三次元計測手段２６と、該三次元計測手段２６の計測結果を記憶する計測値記憶手段２７と、該計測値記憶手段２７に記憶された計測値を基に真の高さデータ（絶対高さデータ）を取得する高さデータ取得手段２８と、該高さデータ取得手段２８により得られた高さデータを基にクリーム半田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。

【0063】

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、半田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。

【0064】

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、各検査エリアごとに行われる検査ルーチンを基に詳しく説明する。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。

【0065】

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の第１位置に合わせる。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。

【0066】

続いて、制御装置６（照明制御手段２２）は、照明装置４の液晶格子４ｂを切換制御し、当該液晶格子４ｂに形成される格子の態様を第１光パターンの周期（縞ピッチ）に対応したものに設定すると共に、該格子の位置を所定の基準位置（位相「０°」）に合わせる。

【0067】

液晶格子４ｂの切換設定が完了すると、制御装置６（照明制御手段２２）は、照明装置４の光源４ａを発光させ、第１光パターンの照射を開始すると共に、該第１光パターンの位相を９０°ずつ、４通りの位相（位相「０°」、位相「９０°」、位相「１８０°」、位相「２７０°」）に順次シフトする。

【0068】

そして、制御装置６（カメラ制御手段２１）は、第１光パターンの位相が順次シフトされる毎にカメラ５を駆動制御して、該第１光パターンが照射された検査エリア部分（第１位置）を撮像する。これにより、所定の検査エリアの第１位置に関して、位相を９０°ずつシフトさせた第１光パターンの下で撮像された４通りの画像データが取得される。ここで、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。

【0069】

そして、制御装置６（三次元計測手段２６）は、位相シフト法により、上記４通りの画像データ（輝度値）から各画素に係る第１光パターンの位相θ₁を算出する。

【0070】

ここで、上記４通りの画像データの各画素に係る輝度値Ｖ₁₀，Ｖ₁₁，Ｖ₁₂，Ｖ₁₃は、下記式（Ｈ１）、（Ｈ２）、（Ｈ３）、（Ｈ４）により表すことができる。

【0071】

【数1】

【0072】

上記式（Ｈ１）、（Ｈ２）、（Ｈ３）、（Ｈ４）を位相θ₁について解くと、下記式（Ｈ５）を導き出すことができる。

【0073】

【数2】

【0074】

そして、上記のように算出された位相θ₁を用いて、三角測量の原理に基づき各画素に係る第１の高さ計測値（第１の計測値）を算出し、かかる第１の高さ計測値を計測値記憶手段２７に記憶する。従って、これら一連の処理機能により本実施形態における第１計測値取得手段が構成される。

【0075】

次に第１位置にて第１光パターンの下で撮像された上記４通りの画像データから各画素に係るゲインＡ及びオフセットＢを特定する。かかる処理機能により本実施形態におけるゲインオフセット取得手段が構成される。但し、ゲインＡ及びオフセットＢの算出処理は、上記４通りの画像データの取得後、上記第１の高さ計測値の算出処理と並行して行われる。

【0076】

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画素に係る輝度値Ｖ₁₀，Ｖ₁₁，Ｖ₁₂，Ｖ₁₃と、ゲインＡ及びオフセットＢとの関係は、上記式（Ｈ１）〜（Ｈ４）のとおりである。

【0077】

ここで、４通りの画像データの輝度値Ｖ₁₀，Ｖ₁₁，Ｖ₁₂，Ｖ₁₃を加算し、上記式（Ｈ１）〜（Ｈ４）を下記［数３］に示すように整理すると、下記式（Ｈ６）を導き出すことができる。

【0078】

【数3】

【0079】

また、上記式（Ｈ１）、（Ｈ３）から、下記式（Ｈ７）を導き出すことができる。

【0080】

【数4】

【0081】

また、上記式（Ｈ２）、（Ｈ４）から、下記式（Ｈ８）を導き出すことができる。

【0082】

【数5】

【0083】

そして、下記［数６］に示すように、上記式（Ｈ７）、（Ｈ８）を下記式（Ｈ９）に代入し、整理していくと、下記式（Ｈ１０）を導き出すことができる。

【0084】

【数6】

【0085】

このように算出された各画素に係るゲインＡ及びオフセットＢは、ゲイン・オフセット記憶手段２５に記憶される。

【0086】

そして、上記第１光パターンに係る一連の撮像処理の終了後、つまり上記第１の高さ計測値の算出処理、及び、ゲインＡ及びオフセットＢの算出処理が行われている間に、制御装置６（モータ制御手段２３）は、モータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を上記第１位置より半画素ピッチ斜めに移動させ、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の第２位置に合わせる。なお、本実施形態における各画素は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な辺を有する正方形状をなす。つまり、半画素ピッチ斜めに移動させるとは、画素の対角線方向に当該対角線の距離の半分だけ移動させることを意味する。

【0087】

同時に、制御装置６（照明制御手段２２）は、照明装置４の液晶格子４ｂを切換制御し、当該液晶格子４ｂに形成される格子の態様を第２光パターンの周期（縞ピッチ）に対応したものに設定すると共に、該格子の位置を所定の基準位置（位相「０°」）に合わせる。

【0088】

プリント基板２の位置合わせ、及び、照明装置４の切換設定が完了すると、制御装置６は、第２光パターンに係る撮像処理を開始する。

【0089】

より詳しくは、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、第２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、該第２光パターンが照射された検査エリア部分（第２位置）を撮像する。ここで、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。

【0090】

尚、本実施形態における第２光パターンに係る撮像処理は、位相「０°」の第２光パターンの下で行われる１回のみである。つまり、本実施形態では、所定の検査エリアの第２位置に関して、位相「０°」の第２光パターンの下で撮像された１通りの画像データのみが取得されることとなる。

【0091】

そして、制御装置６（三次元計測手段２６）は、第２位置にて第２光パターンの下で撮像された１通りの画像データ（輝度値）と、ゲイン・オフセット記憶手段２５に記憶されたゲインＡ及びオフセットＢの値を基に、各画素に係る第２光パターンの位相θ₂を算出する。

【0092】

ここで、上記１通りの画像データの各画素に係る輝度値Ｖ₂₀は、下記式（Ｈ１１）により表すことができる。

【0093】

【数7】

【0094】

上記式（Ｈ１１）を位相θ₂について解くと、下記式（Ｈ１２）を導き出すことができる。

【0095】

【数8】

【0096】

但し、本実施形態では、ここで撮像素子の同一座標位置（同一画素）において取得されたゲインＡ及びオフセットＢの値が利用される。

【0097】

そして、上記のように算出された位相θ₂を用いて、三角測量の原理に基づき各画素に係る第２の高さ計測値（第２の計測値）を算出し、かかる第２の高さ計測値を計測値記憶手段２７に記憶する。従って、これら一連の処理機能により本実施形態における第２計測値取得手段が構成される。

【0098】

次に制御装置６（高さデータ取得手段２８）は、計測値記憶手段２７に記憶された第１の計測値及び第２の計測値を基に、検査エリア全体の真の高さデータを取得する。

【0099】

まず制御装置６（高さデータ取得手段２８）は、第１位置で得られた計測結果（第１の高さ計測値）と、第２位置で得られた計測結果（第２の高さ計測値）を合成し、当該検査エリアの１つの計測結果としてまとめる画像処理を行う。当該処理によりカメラ５の分解能の４倍の分解能を有する撮像手段により撮像した場合と同等の計測結果が得られる。以下に当該画像処理について詳しく説明する。

【0100】

ここでは、仮にカメラ５の分解能が１撮像視野あたり４×４画素であったとして説明する。この場合、第１位置で得られた計測結果は、各画素毎の第１の高さ計測値Ｎ₁〜Ｎ₁₆が図４（ａ）のように記憶される。同様に、第２位置で得られた計測結果は、各画素毎の第２の高さ計測値Ｍ₁〜Ｍ₁₆が図４（ｂ）のように記憶される。図４（ａ），（ｂ）はデータ配列を模式的に表した図である（図５〜図８についても同様）。

【0101】

かかる場合、合成処理では、まず図５に示すように、８×８マス目上に上記第１の高さ計測値Ｎ₁〜Ｎ₁₆及び第２の高さ計測値Ｍ₁〜Ｍ₁₆を市松模様状に配置したデータを作成する。なお、図５中の空欄部分は、当該段階においてはデータの欠落部分となる。また、図５は見やすくするため、便宜上、市松模様状に散点模様を付してある（図６〜図８についても同様）。

【0102】

続いて、第１の高さ計測値Ｎ₁〜Ｎ₁₆に関して、当該第１の高さ計測値Ｎ₁〜Ｎ₁₆の値を縞次数を考慮した値に置き換えるデータ置換処理を行う。当該処理が本実施形態におけるデータ置換え手段の機能を構成する。

【0103】

より詳しくは、図６に示すように、例えば図中太枠で囲まれた第１の高さ計測値Ｎ₆に注目し、ここには第１位置での計測により得られた「４」の値が記憶されている。また、第１の高さ計測値Ｎ₆に隣接した周囲の４つの第２の高さ計測値Ｍ₆，Ｍ₇，Ｍ₁₀，Ｍ₁₁には、それぞれ「１６」，「１２」，「１６」，「１２」が記憶されている。なお、図６において記載されているのは、これらの値だけであるが、実際には、これらと同様に他の位置にも各種高さ計測値が記憶されている（図７，８に関しても同様）。

【0104】

図３の表からも明らかなように、第１の高さ計測値として得られた値が「４（±１）μｍ」の場合、縞次数の違いによってクリーム半田（被計測座標）の真の高さの候補は、「４（±１）μｍ」若しくは「１４（±１）μｍ」となる。つまり、縞次数が１であれば、実際の高さは「４（±１）μｍ」であるとされ、縞次数が２であれば、実際の高さは「１４（±１）μｍ」であるとされる。尚、本実施形態では、説明の便宜上、クリーム半田（被計測座標）の高さが２０μｍを超えるケースはないものとして説明することとしている。

【0105】

そして、これら候補値「４」若しくは「１４」のうち、当該データ置換処理を行う場合には、当該第１の高さ計測値Ｎ₆の周囲の第２の高さ計測値Ｍ₆，Ｍ₇，Ｍ₁₀，Ｍ₁₁の平均〔（１６＋１２＋１６＋１２）／４＝１４〕により近い値を最適値として採用する。つまり、位相シフト法の縞次数が特定される。そして、第１の高さ計測値Ｎ₆の値を縞次数を考慮した値「１４」に置き換える。上記処理は各第１の高さ計測値Ｎ₁〜Ｎ₁₆に対し同様に行われる。

【0106】

次に、当該縞次数を考慮した第１の高さ計測値Ｎ₁〜Ｎ₁₆を基にして、第２の高さ計測値Ｍ₁〜Ｍ₁₆を補正する補正処理を行う。当該処理が本実施形態における補正手段の機能を構成する。

【0107】

より詳しくは、図７に示すように、例えば図中太枠で囲まれた第２の高さ計測値Ｍ₁₁に注目し、ここには第２位置での計測により得られた「１２」の値が記憶されている。また、第２の高さ計測値Ｍ₁₁に隣接した周囲の４つの第１の高さ計測値Ｎ₆，Ｎ₇，Ｎ₁₀，Ｎ₁₁には、それぞれ上記置換処理後の値「１４」，「１２」，「１４」，「１２」が記憶されている。

【0108】

まず、これら周囲４つの第１の高さ計測値Ｎ₆，Ｎ₇，Ｎ₁₀，Ｎ₁₁の平均値〔（１４＋１２＋１４＋１２）／４＝１３〕を算出する。そして、第２の高さ計測値Ｍ₁₁の値が当該平均値と「±２」の誤差範囲内にあるか否かを判定する。

【0109】

ここで、「±２」の誤差範囲内にあると判定された場合には、当該第２の高さ計測値Ｍ₁₁に対応するクリーム半田（被計測座標）及びその近傍の形状が比較的なだらかに連続した形状となっていると推定し、当該第１の高さ計測値Ｎ₆，Ｎ₇，Ｎ₁₀，Ｎ₁₁の平均値を第２の高さ計測値Ｍ₁₁の最適値に採用する。

【0110】

一方、「±２」の誤差範囲内にないと判定された場合には、当該第２の高さ計測値Ｍ₁₁に対応するクリーム半田（被計測座標）及びその近傍の形状が比較的起伏の激しい不連続な形状となっていると推定し、実測データである第２の高さ計測値Ｍ₁₁の値をそのまま最適値に採用する。

【0111】

次に、データ欠落部分（図５中の空欄部分）のデータを補間するデータ補間処理を行う。当該処理が本実施形態における補間手段の機能を構成する。

【0112】

データ補間処理では、例えば図８に示すように、所定のデータ欠落部分の周囲に隣接して配される置換処理後の第１の高さ計測値Ｎ₁〜Ｎ₁₆や、補正処理後の第２の高さ計測値Ｍ₁〜Ｂ₁₆の各データを基に平均値を算出し、当該データ欠落部分の補間値として採用する。

【0113】

上記一連の処理が終了すると、撮像視野全体（検査エリア）について８×８画素の撮像画像データから得られる計測データと同等の精度を有する計測データが完成する。

【0114】

そして、制御装置６（判定手段３０）は、このように得られた検査エリアの計測データ（各画素に係る真の高さデータ）に基づいて、基準面より高くなったクリーム半田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の量を算出する。

【0115】

続けて、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半田の位置、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半田の印刷状態の良否を判定する。

【0116】

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。

【0117】

以上詳述したように、本実施形態によれば、第１位置にて第１周期（周期１０μｍ）の第１光パターンをプリント基板２に照射して得られた画像データを基に三次元計測を行い、当該計測値を第１の計測値として取得すると共に、第１位置から半画素ピッチ斜めにずれた第２位置にて、第２周期（周期２０μｍ）の第２光パターンをプリント基板２に照射して得られた画像データ等を基に三次元計測を行い、当該計測値を第２の計測値として取得する。そして、第１の計測値及び第２の計測値から特定される高さデータを、真の高さデータとして取得する。これにより、カメラ５の分解能の４倍の分解能を有する画像データ（計測データ）を生成することができ、より精密な三次元計測を行うことができる。

【0118】

さらに、本実施形態では、第１位置（第１光パターン）での計測時に撮像された画像データから得られるゲインやオフセットの値を利用することにより、第２位置（第２光パターン）で計測を行う際には、撮像すべき画像数（撮像回数）が、第１位置で撮像すべき画像数より少なくて済む。

【0119】

さらに、本実施形態では、第１光パターンによる計測時に撮像された画像データから得られるゲインＡやオフセットＢの値を利用することにより、第２光パターンによる計測を行う際には、第２光パターンの下で撮像すべき画像数（撮像回数）が、第１光パターンの下で撮像すべき画像数より少なくて済む。

【0120】

具体的には、第１位置で第１光パターンを４通りの位相で照射し、４通りの画像を撮像した後、第２位置で第２光パターンを１通りの位相で照射し、１通りの画像を撮像する場合には、撮像回数が計５回となり、撮像時間が大幅に減少する。

【0121】

従って、単に２箇所の異なる位置で計測を行う場合に比べ、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。

【0122】

加えて、本実施形態では、周期の長い第２光パターン（周期２０μｍ）によって得られた第２の高さ計測値を基に、周期の短い第１光パターン（周期１０μｍ）によって得られた第１の高さ計測値の縞次数を特定する。そして、第１の高さ計測値を、該縞次数を考慮した適正値に置き換えることにより、各画素に係る真の高さデータを取得することができる。

【0123】

これにより、周期の長い第２光パターンを利用するメリットである計測可能な高さレンジを大きくできること、及び、周期の短い第１光パターンを利用するメリットである分解能の高い高精度な計測を実現できることの双方の効果を得ることができる。結果として、図９に示すように、広い計測レンジで高分解能の計測を行うことができ、より高精度な計測を実現することができる。

【0124】

また、本実施形態では、所定のデータ欠落部分の周囲に隣接して配される置換処理後の第１の高さ計測値や、補正処理後の第２の高さ計測値の各データを基に平均値を算出し、当該データ欠落部分の補間値として採用するデータ補間処理を行う構成となっている。このため、第１の高さ計測値と第２の高さ計測値を合成して高分解能のデータを作成するにあたり、データの欠落部分が生じるといった不具合の発生を防止することができる。

【0125】

また、本実施形態では、縞次数を考慮したより精度の高い第１の高さ計測値を基にして、第２の高さ計測値を補正する補正処理を行う。これにより、第２の高さ計測値の値を、より真の値に近いものとすることができる。

【0126】

〔第２実施形態〕
次に第２実施形態について説明する。但し、上述した第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。

【0127】

本実施形態における三次元計測では、制御装置６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の第１位置に合わせる。

【0128】

続いて、制御装置６は、照明装置４の液晶格子４ｂを切換制御し、当該液晶格子４ｂに形成される格子の態様を第１光パターンの周期（縞ピッチ）に対応したものに設定すると共に、該格子の位置を所定の基準位置（位相「０°」）に合わせる。

【0129】

液晶格子４ｂの切換設定が完了すると、制御装置６は、照明装置４の光源４ａを発光させ、第１光パターンの照射を開始すると共に、該第１光パターンの位相を９０°ずつ、４通りの位相（位相「０°」、位相「９０°」、位相「１８０°」、位相「２７０°」）に順次シフトする。

【0130】

そして、制御装置６は、第１光パターンの位相が順次シフトされる毎に、該第１光パターンが照射された検査エリア部分（第１位置）を撮像し、４通りの画像データを取得する。

【0131】

制御装置６は、位相シフト法により、上記４通りの画像データ（輝度値）から各画素に係る第１光パターンの位相θ₁を算出する。

【0132】

そして、上記のように算出された位相θ₁を用いて、三角測量の原理に基づき各画素に係る第１の高さ計測値を算出し、かかる第１の高さ計測値を計測値記憶手段２７に記憶する。

【0133】

併せて、上記４通りの画像データから各画素に係るゲインＡ及びオフセットＢを特定し、ゲイン・オフセット記憶手段２５に記憶する。

【0134】

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を上記第１位置よりＸ軸方向へ半画素ピッチずれた位置に移動させ、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の第２位置に合わせる。

【0135】

同時に、制御装置６は、照明装置４の液晶格子４ｂを切換制御し、当該液晶格子４ｂに形成される格子の態様を第２光パターンの周期（縞ピッチ）に対応したものに設定すると共に、該格子の位置を所定の基準位置（位相「０°」）に合わせる。

【0136】

プリント基板２の位置合わせ、及び、照明装置４の切換設定が完了すると、制御装置６は、第２光パターンに係る撮像処理を開始する。

【0137】

より詳しくは、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、第２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、該第２光パターンが照射された検査エリア部分（第２位置）を撮像する。ここで、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。

【0138】

尚、第２位置にて行われる第２光パターンに係る撮像処理は、位相「０°」の第２光パターンの下で行われる１回のみである。つまり、本実施形態では、所定の検査エリアの第２位置に関して、位相「０°」の第２光パターンの下で撮像された１通りの画像データのみが取得されることとなる。

【0139】

そして、制御装置６は、第２位置にて第２光パターンの下で撮像された１通りの画像データ（輝度値）と、ゲイン・オフセット記憶手段２５に記憶されたゲインＡ及びオフセットＢの値を基に、各画素に係る第２光パターンの位相θ₂を算出する。

【0140】

続いて、上記のように算出された位相θ₂を用いて、三角測量の原理に基づき各画素に係る第２の高さ計測値を算出し、かかる第２の高さ計測値を計測値記憶手段２７に記憶する。

【0141】

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を上記第１位置より半画素ピッチ斜めにずれた位置（上記第２位置よりＹ軸方向へ半画素ピッチずれた位置）に移動させ、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の第３位置に合わせる。

【0142】

同時に、制御装置６は、照明装置４の液晶格子４ｂを切換制御し、当該液晶格子４ｂに形成される格子の態様を第１光パターンの周期（縞ピッチ）に対応したものに設定すると共に、該格子の位置を所定の基準位置（位相「０°」）に合わせる。

【0143】

プリント基板２の位置合わせ、及び、照明装置４の切換設定が完了すると、制御装置６は、第１光パターンに係る撮像処理を開始する。

【0144】

より詳しくは、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、第１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、該第１光パターンが照射された検査エリア部分（第３位置）を撮像する。ここで、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。

【0145】

尚、第３位置にて行われる第１光パターンに係る撮像処理は、位相「０°」の第１光パターンの下で行われる１回のみである。つまり、本実施形態では、所定の検査エリアの第３位置に関して、位相「０°」の第１光パターンの下で撮像された１通りの画像データのみが取得されることとなる。

【0146】

そして、制御装置６は、第３位置にて第１光パターンの下で撮像された１通りの画像データ（輝度値）と、ゲイン・オフセット記憶手段２５に記憶されたゲインＡ及びオフセットＢの値を基に、各画素に係る第１光パターンの位相θ₃を算出する。

【0147】

続いて、上記のように算出された位相θ₃を用いて、三角測量の原理に基づき各画素に係る第３高さ計測値を算出し、かかる第３高さ計測値を計測値記憶手段２７に記憶する。

【0148】

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を上記第１位置よりＹ軸方向へ半画素ピッチずれた位置（上記第３位置よりＸ軸方向へ半画素ピッチずれた位置）に移動させ、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の第４位置に合わせる。

【0149】

同時に、制御装置６は、照明装置４の液晶格子４ｂを切換制御し、当該液晶格子４ｂに形成される格子の態様を第２光パターンの周期（縞ピッチ）に対応したものに設定すると共に、該格子の位置を所定の基準位置（位相「０°」）に合わせる。

【0150】

プリント基板２の位置合わせ、及び、照明装置４の切換設定が完了すると、制御装置６は、第２光パターンに係る撮像処理を開始する。

【0151】

より詳しくは、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、第２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、該第２光パターンが照射された検査エリア部分（第４位置）を撮像する。ここで、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。

【0152】

尚、第４位置にて行われる第２光パターンに係る撮像処理は、位相「０°」の第２光パターンの下で行われる１回のみである。つまり、本実施形態では、所定の検査エリアの第４位置に関して、位相「０°」の第２光パターンの下で撮像された１通りの画像データのみが取得されることとなる。

【0153】

そして、制御装置６は、第４位置にて第２光パターンの下で撮像された１通りの画像データ（輝度値）と、ゲイン・オフセット記憶手段２５に記憶されたゲインＡ及びオフセットＢの値を基に、各画素に係る第２光パターンの位相θ₄を算出する。

【0154】

続いて、上記のように算出された位相θ₄を用いて、三角測量の原理に基づき各画素に係る第４高さ計測値を算出し、かかる第４高さ計測値を計測値記憶手段２７に記憶する。

【0155】

次に制御装置６は、計測値記憶手段２７に記憶された第１の計測値、第２の計測値、第３の計測値及び第４の計測値を基に、検査エリア全体の真の高さデータを取得する。

【0156】

まず制御装置６は、第１位置で得られた計測結果（第１の高さ計測値）、第２位置で得られた計測結果（第２の高さ計測値）、第３位置で得られた計測結果（第３の高さ計測値）及び第４位置で得られた計測結果（第４の高さ計測値）を合成し、当該検査エリアの１つの計測結果としてまとめる画像処理を行う。当該処理によりカメラ５の分解能の４倍の分解能を有する撮像手段により撮像した場合と同等の計測結果が得られる。以下に当該画像処理について詳しく説明する。

【0157】

ここでは、仮にカメラ５の分解能が１撮像視野あたり４×４画素であったとして説明する。かかる場合、合成処理では、まず図１０に示すように、第１〜第４の各位置で得られた各画素毎の第１の高さ計測値Ｃ₁〜Ｃ₁₆、第２の高さ計測値Ｄ₁〜Ｄ₁₆、第３の高さ計測値Ｅ₁〜Ｅ₁₆、第４の高さ計測値Ｆ₁〜Ｆ₁₆を８×８マス目上に配置したデータを作成する。図１０は見やすくするため、便宜上、市松模様状に散点模様を付してある（図１１，１２についても同様）。

【0158】

続いて、第１の高さ計測値Ｃ₁〜Ｃ₁₆及び第３の高さ計測値Ｅ₁〜Ｅ₁₆に関して、当該第１の高さ計測値Ｃ₁〜Ｃ₁₆及び第３の高さ計測値Ｅ₁〜Ｅ₁₆の値を、縞次数を考慮した値に置き換えるデータ置換処理を行う。

【0159】

より詳しくは、図１１に示すように、例えば図中太枠で囲まれた第１の高さ計測値Ｃ₆に注目し、ここには第１位置での計測により得られた「４」の値が記憶されている。また、第１の高さ計測値Ｃ₆に隣接した周囲の第２の高さ計測値Ｄ₅，Ｄ₆及び第４の高さ計測値Ｆ₂，Ｆ₆には、それぞれ「１６」，「１２」，「１２」，「１６」が記憶されている。なお、図１１において記載されているのは、これらの値だけであるが、実際には、これらと同様に他の位置にも各種高さ計測値が記憶されている（図１２に関しても同様）。

【0160】

上記実施形態と同様、第１の高さ計測値として得られた値が「４（±１）μｍ」の場合、縞次数の違いによってクリーム半田（被計測座標）の真の高さの候補は、「４（±１）μｍ」若しくは「１４（±１）μｍ」となる。つまり、縞次数が１であれば、実際の高さは「４（±１）μｍ」であるとされ、縞次数が２であれば、実際の高さは「１４（±１）μｍ」であるとされる。

【0161】

そして、これら候補値「４」若しくは「１４」のうち、当該データ置換処理を行う場合には、当該第１の高さ計測値Ｃ₆の周囲の第２の高さ計測値Ｄ₅，Ｄ₆及び第４の高さ計測値Ｆ₂，Ｆ₆の平均〔（１６＋１２＋１２＋１６）／４＝１４〕により近い値を最適値として採用する。つまり、位相シフト法の縞次数が特定される。そして、第１の高さ計測値Ｃ₆の値を縞次数を考慮した値「１４」に置き換える。上記処理は各第１の高さ計測値Ｃ₁〜Ｃ₁₆及び第３の高さ計測値Ｅ₁〜Ｅ₁₆に対し同様に行われる。

【0162】

次に、当該縞次数を考慮した第１の高さ計測値Ｃ₁〜Ｃ₁₆及び第３の高さ計測値Ｅ₁〜Ｅ₁₆を基にして、第２の高さ計測値Ｄ₁〜Ｄ₁₆及び第４の高さ計測値Ｆ₁〜Ｆ₁₆を補正する補正処理を行う。

【0163】

より詳しくは、図１２に示すように、例えば図中太枠で囲まれた第２の高さ計測値Ｄ₆に注目し、ここには第２位置での計測により得られた「１２」の値が記憶されている。また、第２の高さ計測値Ｄ₆に隣接した周囲の第１の高さ計測値Ｃ₆，Ｃ₇及び第３の高さ計測値Ｅ₂，Ｅ₆には、それぞれ上記置換処理後の値「１４」，「１２」，「１２」，「１４」が記憶されている。

【0164】

まず、これの周囲の４つ第１の高さ計測値Ｃ₆，Ｃ₇及び第３の高さ計測値Ｅ₂，Ｅ₆の平均値〔（１４＋１２＋１２＋１４）／４＝１３〕を算出する。そして、第２の高さ計測値Ｄ₆の値が当該平均値と「±２」の誤差範囲内にあるか否かを判定する。

【0165】

ここで、「±２」の誤差範囲内にあると判定された場合には、上記第１実施形態と同様、第１の高さ計測値Ｃ₆，Ｃ₇及び第３の高さ計測値Ｅ₂，Ｅ₆の平均値を第２の高さ計測値Ｄ₆の最適値に採用する。

【0166】

一方、「±２」の誤差範囲内にないと判定された場合には、上記第１実施形態と同様、実測データである第２の高さ計測値Ｄ₆の値をそのまま最適値に採用する。

【0167】

上記一連の処理が終了すると、撮像視野全体（検査エリア）について８×８画素の撮像画像データから得られる計測データと同等の精度を有する計測データが完成する。

【0168】

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。つまり、図１３に示すように、広い計測レンジで高分解能の計測を行うことができ、より高精度な計測を実現することができる。

【0169】

また、本実施形態では、各種高さ計測値を合成して高分解能のデータを作成するにあたり、データの欠落部分が生じるといった不具合がないため、データを補間するデータ補間処理を行う必要はない。結果として、より真の値に近い計測データを得ることができる。

【0170】

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。

【0171】

（ａ）上記各実施形態では、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半田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半田バンプや、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。

【0172】

（ｂ）上記各実施形態では、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、これを切換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。

【0173】

（ｃ）上記各実施形態では、載置台３上に載置されたプリント基板２を動かすことにより、カメラ５とプリント基板２との位置関係を相対変位させる構成となっているが、これに限らず、カメラ５を動かし、両者を相対変位させる構成としてもよい。

【0174】

（ｄ）上記各実施形態では、第１位置における計測時には、位相が９０°ずつ異なる４通りの第１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、位相シフト法により高さ計測を行う構成となっているが、これに限らず、例えば位相が１２０°ずつ異なる３通りの第１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高さ計測を行う構成としてもよい。つまり、第１位置における撮像回数である「第１所定数」は、少なくとも位相シフト法により高さ計測を実行可能な数であれば良い。

【0175】

（ｅ）上記第１実施形態における第２位置での計測時、及び、上記第２実施形態における第２〜第４位置での計測時においては、位相シフトせず、１通りの位相の所定の光パターンを照射して得られた１通りの画像データを基に、既知のゲインＡ及びオフセットＢの値を利用して高さ計測を行う構成となっている。これに限らず、例えば位相が異なる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、既知のゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を利用して高さ計測を行う構成としてもよい。

【0176】

つまり、上記第１実施形態における第２位置での撮像回数、及び、上記第２実施形態における第２〜第４位置での撮像回数である「第２所定数」は、少なくとも第１位置での撮像回数である「第１所定数」よりも少ない数であれば良い。例えば第１位置での計測時において、４通りの位相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高さ計測を行う構成となっている場合には、第２位置等での計測時において、３通りの位相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、既知のゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を利用して高さ計測を行う構成としてもよい。かかる場合においても、従来に比べれば、比較的簡単な演算式に基づいて光パターンの位相を求めることができ、処理の高速化が可能となる。

【0177】

（ｆ）既知のゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を利用して、位相が異なる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は、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が挙げられる。

【0178】

かかる構成によれば、第２位置等にて第２光パターンにより取得した２通りの画像データ上の各画素における既知の輝度値Ｖ₂₀，Ｖ₂₁、並びに、第１位置にて第１光パターンにより取得した既知のオフセットＢにより、第２光パターンの位相θ₂を特定することができる〔上記式（Ｔ８）参照〕。また、かかる構成では、「tan^-1」を用いた演算式に基づいて位相θ₂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。

【0179】

勿論、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、既知のゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を利用して高さ計測を行う構成に限らず、例えば位相が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、既知のゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を利用して高さ計測を行う構成としてもよい。

【0180】

（ｇ）上記各実施形態では、周期１０μｍ（高さ分解能２μｍ）の第１光パターンと、周期２０μｍ（高さ分解能４μｍ）の第２光パターンとを組合わせて、高さが２０μｍまでのクリーム半田を計測する場合を例示しているが、勿論、各光パターンの周期や計測範囲はこれに限定されるものではない。

【0181】

また、上記各実施形態では、周期が短い方の第１光パターン（周期１０μｍ）の下で撮像した４通りの画像データを基に、ゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を取得する構成となっているが、これに限らず、周期が長い方の第２光パターン（周期２０μｍ）の下で撮像した画像データを基にゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を取得する構成としてもよい。

【0182】

（ｈ）上記各実施形態では、周期の異なる２種類の光パターンを照射して計測レンジを拡大する構成となっているが、これに限らず、第１光パターンと第２光パターンを同一周期（例えば両者とも周期１０μｍ）の光パターンとしてもよい。

【0183】

また、上記第２実施形態においては、周期の異なる３種類以上の光パターンを照射して計測レンジを拡大する構成としてもよい。例えば第１位置にて周期αの光パターンを照射し、第２位置にて周期βの光パターンを照射し、第３位置にて周期γの光パターンを照射し、第４位置にて周期σの光パターンを照射する構成としてもよい。

【0184】

（ｉ）上記各実施形態では、第１の計測値及び第２の計測値として高さ計測値が計測値記憶手段２７に記憶される構成となっているが、これに限らず、第１の計測値及び第２の計測値として位相計測値（位相θ₁，θ₂等）が記憶される構成としてもよい。

【0185】

（ｊ）高さ計測値等の補正処理や、データ欠落部分の補間処理の手順は、上記各実施形態に限らず、他の方法により行う構成としてもよい。

【0186】

（ｋ）上記各実施形態では、ゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を利用して、第２位置等にて撮像された１通りの画像データを基に、所定の画素に係る高さ計測値等を取得する際には、カメラ５の撮像素子の同一座標位置（同一画素）において取得されたゲインＡ及びオフセットＢの値を利用する構成となっている。

【0187】

これに限らず、所定の画素に係る高さ計測値を取得するに際し、該画素の周辺部位におけるゲインＡの平均値及び／又はオフセットＢの平均値を利用する構成としてもよい。例えば図１４に示すように、第２位置にて撮像された画像データの画素Ｑ₁（図中にて太枠で囲まれた範囲）に係る第２の高さ計測値を取得するに際し、該画素Ｑ₁の周辺部位、すなわち第１位置にて撮像された画像データのうち、前記画素Ｑ１の撮像範囲を一部に含む４つの画素Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄（図中にて散点模様を付した範囲）に係るゲインＡの平均値及び／又はオフセットＢの平均値を利用する構成としてもよい。

【0188】

勿論、これに限らず、画素Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄のうち、いずれか２つ又は３つの画素に係るゲインＡの平均値及び／又はオフセットＢの平均値を利用する構成としてもよい。

【符号の説明】

【0189】

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、２２…照明制御手段、２３…モータ制御手段、２４…画像データ記憶手段、２５…ゲイン・オフセット記憶手段、２６…三次元計測手段、２７…計測値記憶手段、２８…高さデータ取得手段、Ａ…ゲイン、Ｂ…オフセット。

【要約】

【課題】位相シフト法を利用した三次元計測を行うにあたり、より高精度な計測をより短時間で実現することのできる三次元計測装置を提供する。
【解決手段】基板検査装置１は、プリント基板２に対し縞状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、撮像された画像データに基づき三次元計測を行う制御装置６とを備えている。制御装置６は、第１位置にて第１周期の第１光パターンを照射して得られた画像データを基に第１の高さ計測値を算出すると共に、該画像データからゲイン及びオフセットの値を取得する。また、半画素ピッチ斜めにずれた第２位置にて、第２周期の第２光パターンを照射して得られた画像データを基に、前記ゲイン及びオフセットの値を利用して第２の高さ計測値を算出する。そして、第１の計測値及び第２の計測値から特定される高さデータを、真の高さデータとして取得する。
【選択図】 図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】