7796852 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】

(24)【登録日】2025-12-25

(45)【発行日】2026-01-09

(54)【発明の名称】三次元計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20251226BHJP

【ＦＩ】

G01B11/25 H

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2024205102

(22)【出願日】2024-11-26

【審査請求日】2025-11-06

【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】▲高▼村 健介

(72)【発明者】

【氏名】大山 剛

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１２４９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４６２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１２４９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０９５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６８２８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００ － １１／２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の光を発する光源及び該光源からの光を所定の縞パターンに変換可能な反射型光変調素子を有し、単位時間あたり所定のフレーム数で前記縞パターンを被計測物に対し投影可能な複数の投影手段と、
前記被計測物に投影された前記縞パターンを撮像可能な撮像手段と、
前記投影手段及び前記撮像手段を制御し、複数通りの位相の異なる前記縞パターンを順次投影し撮像することにより、光強度分布の異なる複数の画像データを取得可能なデータ取得手段と、
前記データ取得手段により取得された複数の画像データを基に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た三次元計測装置であって、
前記反射型光変調素子は、前記光源からの光を前記被計測物に対し投射可能なように反射させるオン状態又は前記光源からの光を前記被計測物に対し投射しないようにするオフ状態に切換可能な複数の画素が二次元配列された構成を有するとともに、１フレーム期間中における前記オン状態とされる時間の割合が前記画素ごとに調節されることで前記縞パターンを生成可能に構成されており、
前記データ取得手段は、前記光源の点灯を開始して該光源から発せられる光の輝度が安定するまでに要する立上り時間が経過した後に、該光源を点灯させたまま前記縞パターンの位相を複数回変化させた上で該光源を消灯する位相変化点灯処理を、制御対象の前記投影手段を切換えながら複数の前記投影手段のそれぞれにて順次実行させるとともに、前記光源の点灯中であって該光源から発せられる光の輝度が安定しているときにおいて位相の異なる複数通りの前記縞パターンをそれぞれ撮像する連続撮像処理を、前記撮像手段にて実行させるように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。

【請求項2】

前記データ取得手段は、１の前記投影手段にて前記位相変化点灯処理を実行させている最中に、該投影手段の次に前記位相変化点灯処理を行う前記投影手段にて、前記被計測物に対し前記縞パターンが投影されないように前記反射型光変調素子を制御しながら前記光源の点灯を開始させるように構成されてい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】

前記データ取得手段は、１の前記投影手段にて前記光源を消灯させている最中に、前記被計測物に対し前記縞パターンが投影されないように該投影手段の前記反射型光変調素子を制御する一方、前記連続撮像処理を開始させるように前記撮像手段を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１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、位相シフト法などを用いて三次元計測を行う三次元計測装置に関する。

【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基板製造ラインにおいては、まずプリント基板のランド上にクリーム半田が印刷される（半田印刷工程）。次に、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（マウント工程）。その後、かかるプリント基板がリフロー炉へ導かれ、クリーム半田を加熱溶融することで半田付けが行われる（リフロー工程）。

【0003】

このような基板製造ラインにおいては、例えば部品実装前のクリーム半田の印刷状態などを検査するための基板検査装置を設けることがある。従来、基板検査装置としては、位相シフト法などを用いた三次元計測装置が種々提案されている。

【0004】

三次元計測装置は、例えば、所定の光を発する光源及び該光源からの光を所定の縞パターンに変換する格子等からなる投影手段と、被計測物の真上に配置された撮像手段（例えば、ＣＣＤカメラ等）とを備えている。そして、投影手段から被計測物に対し縞パターンを投影した状態で、撮像手段によって被計測物に投影された縞パターンを撮像し、得られた画像データに基づき被計測物の各座標（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）を取得する。

【0005】

また、三次元形状をより精度よく計測すべく、２つ以上の投影手段を用いた三次元計測装置が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。この特許文献１に係る三次元計測装置は、光源及び格子素子を有するとともに、格子素子を２回以上移送させて移送ごとに被計測物に対し縞パターン（格子パターン）を投影する２つの投影手段（投影部）と、被計測物に投影された縞パターンを撮像して画像データを取得する撮像手段（結像部）とを備えている。そして、縞パターンの投影（このときに撮像が行われる）と縞パターンの位相変化（格子素子の移送）とが両投影手段にて交互に行われることで、一方の投影手段に係る縞パターンと他方の投影手段に係る縞パターンとが交互に撮像されるようになっている。

【0006】

ところで、計測精度を高めるという点では、正弦波状の光強度分布を有する縞パターンを投影することが好ましい。しかしながら、精度の良い理想的な正弦波状の光強度分布を有する縞パターンを投影することは非常に難しい。

【0007】

そこで、縞パターンをより理想的な正弦波状の光強度分布に近づけるために、縞パターンの中間階調をより正確に表現することが可能なデジタル・マイクロミラー・デバイス（Digital Micromirror Device：以下「ＤＭＤ」と称する。）を用いることが考えられる。ＤＭＤでは、画素毎に１フレーム（例えば１／６０秒）中のデューティ比を０～１００％の範囲内で変化させることにより、フレーム単位で所望の輝度となる光を表現している（図４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１０－２７６６０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ところで、光源から発せられる光の輝度が安定するまでにはある程度の立上り時間を要し、この立上り時間では、光源から発せられる光の輝度が変化する。ここで、所定の縞パターンに係る所定数フレーム分の投影期間のうちの１フレーム期間にてこのような輝度の変化が生じると、ＤＭＤの各画素がフレーム単位で表現している光の輝度（デューティ比に則した階調）が、撮像手段により取得された画像データに適切に反映されず、結果的に、計測精度を十分に向上させることができないおそれがある。

【0010】

そこで、光源から発せられる光の輝度を安定させるための十分な立上り時間を確保し、輝度が安定してから撮像手段による撮像を開始することが考えられる。この場合、両光源をそれぞれ連続点灯したり、両光源における点灯及び消灯を適宜繰り返したりしながら、撮像手段（カメラ）によって、一方の投影手段（第一投影装置）に係る縞パターンと他方の投影手段（第二投影装置）に係る縞パターンとを交互に撮像すること（例えば、図６，７参照）が考えられる。尚、図６等における「パターン黒」とは、投影領域全域が黒くなる（真っ暗となる）光学像を意味し、「パターン黒」が投影された場合には、投影領域全域に対し光が全く照射されない状態となる。

【0011】

しかしながら、例えば４通りの縞パターンを撮像するにあたり、連続点灯の場合には約８フレーム（＝７フレーム＋立上り時間ｔ１＋立下り時間ｔ２）の点灯時間ｔが必要となり、また、点灯及び消灯を適宜繰り返す場合でも約８フレーム〔＝４×（１フレーム＋立上り時間ｔ１＋立下り時間ｔ２）〕の点灯時間ｔが必要となる。従って、複数通りの縞パターンを得るためには光源を長時間点灯させる必要があり、光源の寿命が短くなるおそれがある。

【0012】

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、投影手段にＤＭＤ等の反射型光変調素子を用いた場合において、三次元計測に係る計測精度の低下をより確実に防止しつつ、光源の長寿命化を図ることが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】

【0013】

以下、上記目的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。

【0014】

手段１．所定の光を発する光源及び該光源からの光を所定の縞パターンに変換可能な反射型光変調素子を有し、単位時間あたり所定のフレーム数で前記縞パターンを被計測物に対し投影可能な複数の投影手段と、
前記被計測物に投影された前記縞パターンを撮像可能な撮像手段と、
前記投影手段及び前記撮像手段を制御し、複数通りの位相の異なる前記縞パターンを順次投影し撮像することにより、光強度分布の異なる複数の画像データを取得可能なデータ取得手段と、
前記データ取得手段により取得された複数の画像データを基に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た三次元計測装置であって、
前記反射型光変調素子は、前記光源からの光を前記被計測物に対し投射可能なように反射させるオン状態又は前記光源からの光を前記被計測物に対し投射しないようにするオフ状態に切換可能な複数の画素が二次元配列された構成を有するとともに、１フレーム期間中における前記オン状態とされる時間の割合が前記画素ごとに調節されることで前記縞パターンを生成可能に構成されており、
前記データ取得手段は、前記光源の点灯を開始して該光源から発せられる光の輝度が安定するまでに要する立上り時間が経過した後に、該光源を点灯させたまま前記縞パターンの位相を複数回変化させた上で該光源を消灯する位相変化点灯処理を、制御対象の前記投影手段を切換えながら複数の前記投影手段のそれぞれにて順次実行させるとともに、前記光源の点灯中であって該光源から発せられる光の輝度が安定しているときにおいて位相の異なる複数通りの前記縞パターンをそれぞれ撮像する連続撮像処理を、前記撮像手段にて実行させるように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。

【0015】

上記手段１によれば、光源の点灯を開始してから立上り時間が経過した後に、つまり、光源から発せられる光の輝度が安定しているときに、縞パターンの位相が変化されつつ撮像手段による撮像が行われる。従って、反射型光変調素子の各画素がフレーム単位で表現している光の輝度（デューティ比に則した階調）が、撮像手段により取得された画像データに適切に反映されることとなる。これにより、三次元計測に係る計測精度の低下をより確実に防止することができる。

【0016】

また、光源の点灯中であって該光源から発せられる光の輝度が安定しているときに、撮像手段によって、位相の異なる複数通りの縞パターンがそれぞれ連続的に撮像される。従って、１の投影手段に係る縞パターンとその他の投影手段に係る縞パターンとを交互に撮像する場合と比べて、複数通りの縞パターンを撮像するために必要となる光源の点灯時間を短くすることができる。例えば、４通りの縞パターンを撮像するにあたり、光源の点灯時間ｔを約５フレーム（＝４フレーム＋立上り時間ｔ１＋立下り時間ｔ２）とすることができる（図５参照）。これにより、光源の長寿命化を図ることができる。

【0017】

手段２．前記データ取得手段は、１の前記投影手段にて前記位相変化点灯処理を実行させている最中に、該投影手段の次に前記位相変化点灯処理を行う前記投影手段にて、前記被計測物に対し前記縞パターンが投影されないように前記反射型光変調素子を制御しながら前記光源の点灯を開始させるように構成されていることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

【0018】

上記手段２によれば、１の投影手段により位相変化点灯処理が実行されている最中（つまり、該投影手段の光源が点灯している最中）に、該投影手段の次に位相変化点灯処理を行う投影手段にて光源の点灯が開始される。従って、１の投影手段における光源の点灯中又は消灯直後に、次に位相変化点灯処理を行う投影手段の光源から発せられる光の輝度を安定させることができる。これにより、１の投影手段から投影された複数通りの縞パターンの撮像を完了した直後に、光源から発せられる光の輝度を安定させるための立上り時間を特段確保することなく、別の投影手段から投影された縞パターンの撮像を開始することができる。その結果、三次元計測処理の高速化を図ることができる。

【0019】

また、次に位相変化点灯処理を行う投影手段は、被計測物に縞パターンが投影されないようにしながら光源の点灯を開始する。従って、光源の点灯開始による影響を画像データに与えずに済む。これにより、三次元計測処理の高速化を図りながら、計測精度の低下をより確実に防ぐことができる。

【0020】

手段３．前記データ取得手段は、１の前記投影手段にて前記光源を消灯させている最中に、前記被計測物に対し前記縞パターンが投影されないように該投影手段の前記反射型光変調素子を制御する一方、前記連続撮像処理を開始させるように前記撮像手段を制御するように構成されていることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

【0021】

上記手段３によれば、１の投影手段にて光源を消灯させている最中に、撮像手段による撮像が開始される。つまり、１の投影手段における光源の消灯を待つことなく、撮像手段による撮像が開始される。これにより、三次元計測処理の更なる高速化を図ることができる。

【0022】

また、１の投影手段にて光源を消灯させている最中には、被計測物に対し縞パターンが投影されないように該投影手段の反射型光変調素子が制御される。これにより、取得される画像データに対し、消灯の最中に撮像を開始することによる影響を与えずに済む。その結果、三次元計測処理の更なる高速化を図りながら、計測精度の低下をより確実に防ぐことができる。

【0023】

尚、上記各手段に係る技術事項を適宜組み合わせてもよい。従って、上記手段２に係る技術事項に対し、上記手段３に係る技術事項を組み合わせてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【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】ＤＭＤの反射面を模式的に示す部分拡大平面模式図である。

【図4】各画素における輝度とマイクロミラーのオン時間との関係を示す図である。

【図5】各投影装置やカメラの処理動作を説明するためのタイミングチャートである。

【図6】一方の投影手段に係る縞パターンと他方の投影手段に係る縞パターンとを交互に撮像する場合に考えられる各投影手段やカメラの処理動作であって、特に光源を連続点灯する場合の処理動作を説明するためのタイミングチャートである。

【図7】一方の投影手段に係る縞パターンと他方の投影手段に係る縞パターンとを交互に撮像する場合に考えられる各投影手段やカメラの処理動作であって、特に光源の点灯及び消灯を繰り返す場合の処理動作を説明するためのタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

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、基板検査装置１を模式的に示す概略構成図である。本実施形態では、基板検査装置１が「三次元計測装置」を構成する。

【0026】

図１に示すように、基板検査装置１は、載置台３、第一投影装置４ｘ、第二投影装置４ｙ、カメラ５及び制御装置６を備えている。本実施形態では、第一投影装置４ｘ及び第二投影装置４ｙがそれぞれ「投影手段」を構成し、カメラ５が「撮像手段」を構成する。

【0027】

載置台３は、計測対象たるクリーム半田が印刷されてなる「被計測物」としてのプリント基板２を載置するための台である。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）へスライドするようになっている。

【0028】

第一投影装置４ｘ及び第二投影装置４ｙ（以下、単に「投影装置４ｘ，４ｙ」ということがある）は、プリント基板２の表面に対し斜め上方から所定の縞パターン（正弦波状の光強度分布を有する光パターン）を投影する。投影装置４ｘ，４ｙは、例えば、載置台３の中心を基準とした対称位置に設けられている。

【0029】

投影装置４ｘ，４ｙは、所定の光を発する光源４ｘａ，４ｙａと、該光源４ｘａ，４ｙａからの光を縞パターンに変換する「反射型光変調素子」としてのデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下「ＤＭＤ」という）４ｘｂ，４ｙｂとを備えている。投影装置４ｘ，４ｙは、単位時間あたり所定のフレーム数（例えば１秒あたり６０フレーム：６０ＦＰＳ）で縞パターン等の光学像をプリント基板２に対し投影可能である。

【0030】

投影装置４ｘ，４ｙにおいて、光源４ｘａ，４ｙａから発せられた光は集光レンズ（図示略）等を介してＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂに導かれる。そして、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂの反射面において選択的に反射され変調された光が投影レンズ４ｘｃ，４ｙｃに導かれると、該光は投影レンズ４ｘｃ，４ｙｃを介してプリント基板２に対し投射されることとなる。

【0031】

本実施形態では、光源４ｘａ，４ｙａとして白色光を出射するＬＥＤ光源を採用している。勿論、光源４ｘａ，４ｙａは、これに限定されるものではなく、例えばランプ光源やレーザー光源等であってもよい。また、白色光に限らず、例えば近赤外光など他の光を出射する光源を採用してもよい。但し、光源４ｘａ，４ｙａとしては、発する光の輝度が安定するまでに要する立上り時間が比較的小さなもの（例えば、立上り時間が１０ｍｓ以下となるもの）が好ましい。

【0032】

本実施形態で用いるＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂは公知のものである。以下、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂの基本的構成について図３を参照して説明する。図３は、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂの反射面を模式的に示す部分拡大平面模式図である。

【0033】

ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂは、光源４ｘａ，４ｙａからの光を所定の縞パターンに変換するためのものであり、互いに独立して駆動制御可能な平面視矩形状の多数のマイクロミラー（可動ミラー）４１がシリコン基板上に二次元配列された構成を有している。各マイクロミラー４１がそれぞれＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂの１画素を構成する。

【0034】

各マイクロミラー４１は、その一対角線を揺動軸４１ａとして揺動可能に支持されるとともに、その裏側に配設された図示しない電極に対し駆動電圧が印加されることで発生する静電引力によって傾斜した状態となる。

【0035】

そして、各画素に印加される駆動電圧を制御することで、各マイクロミラー４１は、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂの基準面に対し、例えば＋１０°傾いた状態であるオン状態と、－１０°傾いた状態であるオフ状態とに択一的に切替え可能とされている。

【0036】

オン状態のマイクロミラー４１に対し光源４ｘａ，４ｙａから光が入射した場合、該マイクロミラー４１に反射した反射光が投影レンズ４ｘｃ，４ｙｃに入射し、投影レンズ４ｘｃ，４ｙｃを介してプリント基板２に対し投射される。

【0037】

一方、オフ状態のマイクロミラー４１に光源４ｘａ，４ｙａから光が入射した場合、該マイクロミラー４１に反射した反射光は投影レンズ４ｘｃ，４ｙｃには入射せず、所定の光吸収体（図示略）に向け投射される。つまり、プリント基板２に向けて光は投射されず、プリント基板２上には黒点が投影されることとなる。

【0038】

また、図４に示すように、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂは、オンオフ制御を高速で行い、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によって各マイクロミラー４１の１フレーム期間中におけるオン状態にある時間割合（デューティ比）を変化させることで、画素毎に例えば２５６階調の階調表現が可能となっている。

【0039】

そして、予め設定された投影パターン情報を基に生成した制御信号によって、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂ上に二次元配列された各マイクロミラー４１をそれぞれ個別に駆動制御することにより、投影パターン情報に応じて変調された縞パターン（正弦波状の光強度分布を有する光パターン）等の光学像をプリント基板２上に投影することが可能となっている。

【0040】

カメラ５は、レンズや撮像素子等からなり、プリント基板２に投影された縞パターン（より正確には縞パターン及びこれが投影されたプリント基板２）を撮像する。撮像素子としては、例えばＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサ等を挙げることができる。

【0041】

カメラ５によって撮像され取得された画像データは、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に入力され、後述する画像データ記憶装置２４に記憶される。

【0042】

制御装置６は、投影装置４ｘ，４ｙやカメラ５の駆動制御など基板検査装置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ものである。制御装置６は、カメラ５により取得された画像データを基に、後述するような画像処理や演算処理等を実施する。

【0043】

ここで、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、ＣＰＵ及び入出力インターフェース２１（以下、「ＣＰＵ等２１」という）、入力装置２２、表示装置２３、画像データ記憶装置２４、演算結果記憶装置２５及び設定データ記憶装置２６を備えている。尚、これら各装置２２～２６は、ＣＰＵ等２１に対し電気的に接続されている。

【0044】

ＣＰＵ２１等は、基板検査装置１全体の制御を司るとともに、外部の装置（例えば投影装置４ｘ，４ｙ等）との間における信号の送受信を担う。入力装置２２は、キーボードやマウス、タッチパネル等で構成されており、制御装置６に対する情報の入力に用いられる。表示装置２３は、ＣＲＴや液晶などの表示画面を有し、制御装置６に記憶された各種情報を表示する。

【0045】

画像データ記憶装置２４は、カメラ５による撮像で取得された画像データなどを記憶する。演算結果記憶装置２５は、検査結果などの各種演算結果を記憶する。設定データ記憶装置２６は、プリント基板２に係る設計情報や、投影装置４ｘ，４ｙが生成する縞パターン等に係る投影パターン情報などの各種情報を予め記憶する。

【0046】

次に、基板検査装置１によってプリント基板２の検査エリアごとに行われる検査ルーチンについて図５を参照して詳しく説明する。図５は、投影装置４ｘ，４ｙ及びカメラ５の処理動作を説明するためのタイミングチャートである。

【0047】

かかる検査ルーチンは、制御装置６（ＣＰＵ等２１）にて実行されるものである。本実施形態では、検査エリアごとに、４回の画像取得処理を２回ずつ行う。これにより、検査エリアごとに、光強度分布の異なる計８通りの画像データが取得される。

【0048】

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（撮像範囲）をプリント基板２上の所定の検査エリアに合わせる。尚、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。

【0049】

続いて、制御装置６は、クロック信号等に基づき所定のタイミングで１フレーム分の「パターン黒」の生成処理を開始する。

【0050】

具体的には、制御装置６は、投影装置４ｘ，４ｙを制御することで、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂの全画素（全てのマイクロミラー４１）が１フレーム全期間においてオフ状態となる処理を実行する。これにより、光源４ｘａ，４ｙａの点灯の有無に拘らず、プリント基板２に対しては、１フレーム全期間において継続して投影装置４ｘ，４ｙから光が投射されることはなく、「パターン黒」が投影された状態となる。「パターン黒」が投影された状態では、投影領域全域に対し光が全く照射されないこととなる。

【0051】

そして、制御装置６は、この「パターン黒」の投影期間中の所定のタイミングにおいて、第一投影装置４ｘにおける光源４ｘａの点灯処理を開始する。点灯処理の開始タイミングは、第一投影装置４ｘから投影される縞パターンの撮像処理の開始タイミングと、光源４ｘａから発せられる光の輝度が安定するまでに要する立上り時間ｔ１とに基づき設定される。尚、立上り時間ｔ１は、採用する光源４ｘａ，４ｙａによって変動し得る。

【0052】

制御装置６は、立上り時間ｔ１の経過後、第一投影装置４ｘからプリント基板２に投影される縞パターンの位相を変化させながら、カメラ５によって、位相の異なる複数通り（本実施形態では４通り）の縞パターンを撮像する。従って、縞パターンの生成及びカメラ５による撮像は、立上り時間ｔ１が経過し、光源４ｘａから発せられる光の輝度が安定した段階で行われる。

【0053】

縞パターンの生成及びカメラ５による撮像について具体的に説明すると、制御装置６は、まず、第一投影装置４ｘに係る１つ目の縞パターン生成処理を実行する。この処理では、ＤＭＤ４ｘｂを駆動制御することで、位相の異なる４通りの縞パターンのうちの１つ目の縞パターン（位相「０°」のパターン１）の生成処理が所定数フレーム分（図５の例では１フレーム分）実行される。これにより、所定数フレームの間、プリント基板２に対し、第一投影装置４ｘに係る１つ目の縞パターンが投影された状態となる。

【0054】

また、制御装置６は、第一投影装置４ｘに係る１つ目の縞パターンの投影に合わせてカメラ５を駆動制御することで、第一投影装置４ｘに係る１回目の撮像処理（露光処理）を開始する。第一投影装置４ｘによって１つ目の縞パターンが投影されている間、カメラ５による１回目の撮像処理（撮像Ｘ１）は継続して実行される。尚、カメラ５による撮像で取得された画像データは、各撮像処理の終了後、画像データ記憶装置２４へ転送され記憶される。

【0055】

次いで、制御装置６は、１回目の縞パターン投影期間（縞パターン生成処理）の終了後、第一撮像装置４ｘに係る２つ目の縞パターン生成処理を実行する。具体的には、ＤＭＤ４ｘｂを駆動制御して、第一投影装置４ｘに係る２つ目の縞パターン（位相「９０°」のパターン２）の生成処理を所定数フレーム分（図５の例では１フレーム分）実行する。これにより、所定数フレームの間、プリント基板２に対し、第一投影装置４ｘに係る２つ目の縞パターンが投影された状態となる。

【0056】

そして、制御装置６は、第一投影装置４ｘに係る２つ目の縞パターンの投影に合わせてカメラ５を駆動制御することで、第一投影装置４ｘに係る２回目の撮像処理（露光処理）を開始する。２つ目の縞パターンが投影されている間、カメラ５による２回目の撮像処理（撮像Ｘ２）は継続して実行される。

【0057】

さらに、制御装置６は、２回目の縞パターン投影期間（縞パターン生成処理）の終了後、第一投影装置４ｘに係る３回目の縞パターン生成処理を実行するとともに、該縞パターン（位相「１８０°」のパターン３）の投影に合わせて、カメラ５による３回目の撮像処理（撮像Ｘ３）を実行する。また、制御装置６は、３回目の縞パターン投影期間（縞パターン生成処理）の終了後、第一投影装置４ｘに係る４つ目の縞パターン生成処理を実行し、該縞パターン（位相「２７０°」のパターン４）の投影に合わせて、カメラ５による４回目の撮像処理（撮像Ｘ４）を実行する。尚、各縞パターンを撮像する間、光源４ｘａは点灯したままとされる。

【0058】

さらに、制御装置６は、カメラ５による４つ目の縞パターンの撮像処理が終了すると、第一投影装置４ｘに係る光源４ｘａの消灯処理を開始する。このとき、制御装置６は、光源４ｘａを消灯させている最中に、つまり、立下り時間ｔ２の間に、プリント基板２に縞パターンが投影されないように、ＤＭＤ４ｘｂの全画素をオフ状態とする処理を実行し、「パターン黒」が投影された状態とする。

【0059】

このように制御装置６は、光源４ｘａの点灯を開始して該光源４ｘａから発せられる光の輝度が安定するまでに要する立上り時間ｔ１が経過した後に、該光源４ｘａを点灯させたまま縞パターンの位相を４回変化させた上で該光源４ｘａを消灯する位相変化点灯処理を、第一投影装置４ｘにて実行させる。また、制御装置６は、光源４ｘａの点灯中であって該光源４ｘａから発せられる光の輝度が安定しているときにおいて位相の異なる４通りの縞パターンをそれぞれ連続的に撮像する連続撮像処理を、カメラ５に実行させる。

【0060】

さらに、制御装置６は、カメラ５による４つ目の縞パターンの撮像中に、すなわち、第一投影装置４ｘにて位相変化点灯処理を実行させている最中に、第二投影装置４ｙにおける光源４ｙａの点灯処理を開始する。このとき、制御装置６は、プリント基板２に対し、第二投影装置４ｙに係る縞パターンが投影されないようにすべく、全画素がオフ状態となるようにＤＭＤ４ｙｂを制御する。尚、光源４ｙａの点灯処理の開始タイミングは、第二投影装置４ｙに係る縞パターンの撮像処理の開始タイミングと、光源４ｙａから発せられる光の輝度が安定するまでに要する立上り時間ｔ１とに基づき設定される。

【0061】

そして、制御装置６は、第二投影装置４ｙに係る立上り時間ｔ１の経過後に、第二投影装置４ｙからプリント基板２に投影される縞パターンの位相を変化させながら、カメラ５によって、位相の異なる４通りの縞パターンを撮像する。

【0062】

ここで、第二投影装置４ｙに係る縞パターンの生成及びカメラ５による撮像は、第一投影装置４ｘの光源４ｘａを消灯させている最中に開始される。つまり、第二投影装置４ｙに係る縞パターンを撮像するための連続撮像処理は、第一投影装置４ｘの光源４ｘａを消灯させている最中（第一投影装置４ｘに係る立下り時間ｔ２）に開始される。また、第二投影装置４ｙに係る縞パターンの生成及びカメラ５による撮像は、第二投影装置４ｙに係る立上り時間ｔ１が経過した後であって、光源４ｙａから発せられる光の輝度が安定している段階で行われる。

【0063】

第二投影装置４ｙに係る縞パターンの撮像は、第一投影装置４ｘに係る縞パターンの撮像と同様に行われる。すなわち、制御装置６は、第二投影装置４ｙ（特にＤＭＤ４ｙｂ）を制御することで、第二投影装置４ｙに係る１つ目、２つ目、３つ目及び４つ目の縞パターン（位相「０°」、「９０°」、「１８０°」及び「２７０°」の縞パターン）をプリント基板２に対し順次投影させる。そして、制御装置６は、カメラ５を制御して、各縞パターンにてそれぞれ１回ずつの撮像処理（撮像Ｙ１，撮像Ｙ２，撮像Ｙ３及び撮像Ｙ４）を実行させる。これにより、４通りの縞パターンが順次撮像される。カメラ５による４つ目の縞パターンの撮像処理が終了すると、制御装置６は、光源４ｙａを消灯させる。

【0064】

従って、制御装置６は、第一投影装置４ｘに係る縞パターンを撮像するときと同様に、光源４ｙａの点灯を開始して該光源４ｙａから発せられる光の輝度が安定するまでに要する立上り時間ｔ１が経過した後に、該光源４ｙａを点灯させたまま縞パターンの位相を４回変化させた上で該光源４ｙａを消灯する位相変化点灯処理を、第二投影装置４ｙにて実行させる。また、制御装置６は、光源４ｙａの点灯中であって該光源４ｙａから発せられる光の輝度が安定しているときにおいて位相の異なる４通りの縞パターンをそれぞれ撮像する連続撮像処理を、カメラ５にて実行させる。

【0065】

このように制御装置６は、制御対象の投影装置４ｘ，４ｙを切換えながら、これら投影装置４ｘ，４ｙのそれぞれにて位相変化点灯処理を順次実行させるとともに、光源４ｘａ，４ｙａから発せられる光の輝度が安定しているときに、カメラ５にて連続撮像処理を実行させる。本実施形態では、投影装置４ｘ，４ｙ及びカメラ５を制御し、８（＝４×２）通りの位相の異なる縞パターンを順次投影し撮像することにより、光強度分布の異なる複数の画像データを取得する制御装置６が「データ取得手段」を構成する。

【0066】

次いで、制御装置６は、上記のように取得した８通りの画像データ（各画素の輝度値）を基に、公知の位相シフト法により三次元計測（高さ計測）を行い、かかる計測結果を演算結果記憶装置２５に記憶する。本実施形態では、複数の画像データを基にプリント基板２の三次元計測を実行する制御装置６が「画像処理手段」を構成する。

【0067】

次に、制御装置６は、三次元計測結果（各座標における高さデータ）に基づき、クリーム半田の良否判定処理を行う。具体的に、制御装置６は、上記のように得られた検査エリアの計測結果に基づいて、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。

【0068】

続いて、制御装置６は、算出したクリーム半田の量等のデータを、予め設定データ記憶装置２６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。

【0069】

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させ、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。

【0070】

以上詳述したように、本実施形態によれば、光源４ｘａ，４ｙａの点灯を開始してから立上り時間ｔ１が経過した後に、つまり、光源４ｘａ，４ｙａから発せられる光の輝度が安定しているときに、縞パターンの位相が変化されつつカメラ５による撮像が行われる。従って、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂの各画素がフレーム単位で表現している光の輝度（デューティ比に則した階調）が、カメラ５により取得された画像データに適切に反映されることとなる。これにより、三次元計測に係る計測精度の低下をより確実に防止することができる。

【0071】

また、光源４ｘａ，４ｙａの点灯中であって該光源４ｘａ，４ｙａから発せられる光の輝度が安定しているときに、カメラ５によって、位相の異なる４通りの縞パターンがそれぞれ連続的に撮像される。従って、第一投影装置４ｘに係る縞パターンと第二投影装置４ｙに係る縞パターンとを交互に撮像する場合と比べて、４通りの縞パターンを撮像するために必要となる光源４ｘａ，４ｙａの点灯時間を短くすることができる。すなわち、本実施形態では、４通りの縞パターンを撮像するにあたり、光源４ｘａ，４ｙａの点灯時間ｔを約５フレーム（＝４フレーム＋立上り時間ｔ１＋立下り時間ｔ２）とすることができる（図５参照）。これにより、光源４ｘａ，４ｙａの長寿命化を図ることができる。

【0072】

さらに、第一投影装置４ｘにより位相変化点灯処理が実行されている最中（つまり、第一投影装置４ｘの光源４ｘａが点灯している最中）に、第二投影装置４ｙにて光源４ｙａの点灯が開始される。従って、第一投影装置４ｘにおける光源４ｘａの点灯中又は消灯直後に、次に位相変化点灯処理を行う第二投影装置４ｙの光源４ｙａから発せられる光の輝度を安定させることができる。これにより、第一投影装置４ｘから投影された４通りの縞パターンの撮像を完了した直後に、光源４ｙａから発せられる光の輝度を安定させるための立上り時間ｔ１を特段確保することなく、第二投影装置４ｙから投影された縞パターンの撮像を開始することができる。その結果、三次元計測処理の高速化を図ることができる。

【0073】

加えて、第二投影装置４ｙは、ＤＭＤ４ｙｂの各画素をオフ状態とし、プリント基板２に縞パターンが投影されないようにしながら光源４ｙａの点灯を開始する。従って、光源４ｙａの点灯開始による影響を画像データ（第一投影装置４ｘから投影される縞パターンに係る画像データ）に与えずに済む。これにより、三次元計測処理の高速化を図りながら、計測精度の低下をより確実に防ぐことができる。

【0074】

また、第一投影装置４ｘにて光源４ｘａを消灯させている最中に、カメラ５による撮像が開始される。つまり、第一投影装置４ｘにおける光源４ｘａの消灯を待つことなく、第二投影装置４ｙに係る縞パターンを撮像するためのカメラ５による撮像が開始される。これにより、三次元計測処理の更なる高速化を図ることができる。

【0075】

さらに、第一投影装置４ｘにて光源４ｘａを消灯させている最中には、プリント基板２に対し縞パターンが投影されないように該第一投影装置４ｘのＤＭＤ４ｘｂが制御される。これにより、取得される画像データ（第二投影装置４ｙから投影される縞パターンに係る画像データ）に対し、消灯の最中に撮像を開始することによる影響を与えずに済む。その結果、三次元計測処理の更なる高速化を図りながら、計測精度の低下をより確実に防ぐことができる。

【0076】

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。

【0077】

（ａ）上記実施形態において、基板検査装置１は、２つの投影装置４ｘ，４ｙを備えているが、３つ以上の投影装置を備えていてもよい。この場合においても、制御装置５は、上記実施形態と同様に、制御対象の投影装置を切換えながら、これら投影装置のそれぞれにて位相変化点灯処理を順次実行させるとともに、光源から発せられる光の輝度が安定しているときに、カメラ５にて連続撮像処理を実行させる。

【0078】

（ｂ）上記実施形態では、三次元計測装置を、プリント基板２に印刷されたクリーム半田の印刷状態を検査する基板検査装置１に具体化しているが、これに限らず、例えばプリント基板上に塗布された接着剤や、プリント基板上に実装された電子部品、ウエハ基板に形成された半田バンプなど、他の対象を計測する構成に具体化してもよい。また、被計測物をプリント基板２以外としてもよい。

【0079】

（ｃ）上記実施形態において、各投影装置４ｘ，４ｙは、位相が９０°ずつ異なる４通りの縞パターンを投影するように構成されているが、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く、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。従って、投影装置４ｘ，４ｙは、例えば、位相が１２０°ずつ異なる３通りの縞パターンを投影するものであってもよいし、位相が１８０°ずつ異なる２通りの縞パターンを投影するものであってもよい。

【0080】

（ｄ）上記実施形態では、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など、他のパターン投影法（三次元計測法）を採用してもよい。但し、クリーム半田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。

【0081】

（ｅ）基板検査装置１の構成は上記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では、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（撮像範囲）をプリント基板２上の所定の検査エリアに合わせる構成となっている。これに限らず、例えばプリント基板２を固定した状態で、投影装置４ｘ，４ｙ及びカメラ５からなる検査ヘッドを移動させ、プリント基板２上の所定の検査エリアに合わせる構成としてもよい。

【0082】

（ｅ）投影装置４ｘ，４ｙに係る構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、「反射型光変調素子」としてＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂを採用しているが、これに代えて、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal On Silicon）など、他のものを採用してもよい。

【0083】

また、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂに係る画素数、階調数、フレームレート、マイクロミラー４１の二次元配列構成、マイクロミラー４１の揺動軸４１ａの向き、マイクロミラー４１の傾斜角度などは上記実施形態に限定されず、他の構成を採用してもよい。

【0084】

さらに、上記実施形態では、ＤＭＤ４ｘｂ，４ｙｂにおける各マイクロミラー４１の１フレーム期間中におけるオン状態にある時間割合（デューティ比）を変化させる方法として、パルス幅変調（ＰＷＭ）を例示しているが、これに限らず、例えば各マイクロミラー４１の１フレーム期間中におけるオン状態にある回数を調整するパルス密度変調（ＰＤＭ）等を採用してもよい。

【符号の説明】

【0085】

１…基板検査装置（三次元計測装置）、２…プリント基板（被計測物）、４ｘ…第一投影装置（投影手段）、４ｘａ…光源、４ｘｂ…ＤＭＤ（反射型光変調素子）、４ｙ…第二投影装置（投影手段）、４ｙａ…光源、４ｙｂ…ＤＭＤ（反射型光変調素子）、５…カメラ（撮像手段）、６…制御装置（データ取得手段、画像処理手段）。

【要約】

【課題】ＤＭＤなどの反射型光変調素子を用いた場合において、計測精度の低下をより確実に防止しつつ、光源の長寿命化を図ることができる三次元計測装置を提供する。
【解決手段】第一投影装置、第二投影装置及びカメラを制御し、複数通りの縞パターンを順次投影し撮像することにより、光強度分布の異なる複数の画像データが取得される。画像データを取得するにあたっては、投影装置４ｘ，４ｙの光源の点灯を開始して該光源から発せられる光の輝度が安定するまでに要する立上り時間が経過した後に、該光源を点灯させたまま縞パターンの位相を複数回変化させた上で該光源を消灯する位相変化点灯処理が、投影装置４ｘ，４ｙのそれぞれにて順次実行される。また、光源の点灯中であって該光源から発せられる光の輝度が安定しているときにおいて位相の異なる複数通りの縞パターンをそれぞれ撮像する連続撮像処理がカメラ５にて実行される。
【選択図】 図５

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】