专利名称：三维测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够使用相位偏移法等对测量对象进行三维测量的三维测量装置。
背景技术：
迄今为止，作为检查诸如印刷基板的测量对象的质量的方法，已经使用了分析通过对测量对象拍摄获得的图像并且检查该测量对象的质量的方法。在二维图像分析中，难以检测出测量对象在高度方向上的缺陷(例如，裂纹和空洞)。由于这个原因，近来采用了 通过三维图像分析测量测量对象的三维形状并且检测该测量对象的质量的方法。作为通过图像分析测量测量对象的三维形状的方法，广泛地采用作为一种光学切割法的相位偏移法(时间条纹分析法)(例如，参见日本未审查专利申请公开第2010-169433 号(第
段、第
段至第
段以及图 I))。日本未审查专利申请公开第2010-169433号(第
段、第
段至第段以及图I)中记载的三维测量装置包括印制有焊料的印刷基板载置在其上的载物台以及从斜面的上方对印刷基板的表面照射条纹状光图案的照明设备。此外，该三维测量装置进一步包括C⑶相机，用于从印刷基板的正上方拍摄被条纹状光图案照射的部分；以及控制设备，用于执行图像处理或运算处理。照明设备通过将光图案的相位移动约1/4节距来用该光图案照射印刷基板。CXD相机捕获用光图案的相位移动后的光图案所照射的印刷基板的图像，并获得总共四个图像。控制设备通过对所获得的四个图像进行处理来利用相位偏移法计算印刷基板的每个坐标的闻度。

发明内容
这里，在测量对象(例如，印刷基板)的检查区中，形成诸如从基准面突起的焊料或从基准面凹入的空洞的检查对象。当用条纹状光图案照射检查对象时，会在检查对象的表面上形成阴影。进一步，当用条纹状光图案照射检查对象时，会根据入射到检查对象的光的角度而形成光晕。在这种情况下，就不能准确地算出检查对象的三维形状。因此，期望提供一种能够解决阴影或光晕问题的三维测量装置。根据本发明的一个实施方式，提供了一种三维测量装置，包括投影单元、拍摄单元以及控制单元。投影单元向可投影区投射条纹，该可投影区是向测量对象作垂线时测量对象上的交点的外围区域。拍摄单元包括可投影区中的多个拍摄区，其中在该多个拍摄区对投射有条纹的测量对象进行拍摄。基于由拍摄单元拍摄的图像，控制单元执行三维测量该测量对象的处理。在三维测量装置中，投影单元能够向可投影区投射条纹，该可投影区是向测量对象作垂线时测量对象上的交点的外围区域。因此，在该实施方式中，通过投影单元能够将条纹投射到较宽的范围。进一步，该较宽范围的可投影区被有效地利用，并且在该可投影区中布置多个拍摄区。例如，通过在该可投影区中适宜地布置多个拍摄区并且在这些拍摄区对测量对象的检查区进行拍摄，可以解决关于检查区中的检查对象的阴影问题或光晕问题。可选地，例如，当测量对象具有两个以上检查区时，通过使两个以上检查区同时定位在两个以上拍摄区中，并且使拍摄单元同时拍摄这些检查区，可以高速地计算多个检查区的三维形状。该三维测量装置可以进一步包括移动单元。该移动单元移动测量对象相对多个拍摄区的相对位置。在这种情况下，控制单元可控制移动单元对相对位置的移动，使得移动单元将测量对象中的一个检查区顺次移动至多个拍摄区中的两个以上拍摄区，并且控制单元控制拍摄单元，使得每当检查区与拍摄区的位置吻合时，拍摄单元对检查区进行拍摄。在三维测量装置中，可以移动测量对象相对多个拍摄区的相对位置，并且可以在各个不同的拍摄区对测量对象中的一个检查区进行拍摄。因此，通过将拍摄区布置在用于适宜地消除检查对象中的检查区中出现的阴影的位置处，并且在每个拍摄区对该一个检查区进行拍摄，可以解决阴影问题。进一步，在三维测量装置中，可以在各个不同的拍摄区对一个检查区进行拍摄。例如，当在给定拍摄区对检查区进行拍摄时，即使出现光晕，也可通过在不同拍摄区对检测对象进行拍摄解决该光晕问题。当三维测量装置可进一步包括移动单元时，控制单元控制移动单元对相对位置的移动，使得移动单元将测量对象中两个以上检查区同时移动至多个拍摄区中的两个以上拍摄区，并且控制拍摄单元，使得拍摄单元对两个以上检查区同时拍摄。在三维测量装置中，可以将两个以上检查区同时定位在两个以上拍摄区中，并且能够通过拍摄单元同时拍摄。因此，可以高速地计算多个检查区的三维形状。在三维测量装置中，控制单元可以在第一模式和第二模式之间切换。在第一模式中，控制单元控制移动单元对相对位置的移动，使得移动单元将测量对象中的一个检查区顺次移动至多个拍摄区中的两个以上拍摄区，并且控制单元控制拍摄单元，使得每当该检查区与拍摄区的位置吻合时，拍摄单元对该检查区进行拍摄。在第二模式中，控制单元控制移动单元对相对位置的移动，使得移动单元将测量对象中的两个以上检查区同时移动至多个拍摄区中的两个以上拍摄区，并且控制单元控制拍摄单元，使得拍摄单元对两个以上检查区同时拍摄。在三维测量装置中，控制单元能够在第一模式和第二模式之间随意地切换，在该第一模式中能够解决阴影问题，并且能够准确地检查检查区，而在该第二模式中，能够通过拍摄单元高速地对两个以上检查区进行同时拍摄，并且计算检查区的三维形状。在三维测量装置中，可以将多个拍摄区中的至少一个拍摄区的位置定位在相对可投影区中的其他拍摄区为180° ±90°的范围内的位置处。因此，可以适宜地消除该检查对象中出现的阴影的影响。在三维测量装置中，可以将多个拍摄区中的至少一个拍摄区的位置定位在相对可投影区中的其他拍摄区为180° ±45°的范围内的位置处。因此，可以适宜地消除该检查对象中出现的阴影的影响。在三维测量装置中，可以将多个拍摄区中的至少一个拍摄区定位在可投影区中偏离O。、土90°以及180°的位置处。因此，可以适宜地消除光晕的影响。在三维测量装置中，可以将多个拍摄区中的至少一个拍摄区定位在可投影区中偏离±45°和±135°的位置处。因此，可以适宜地消除光晕的影响。在三维可测量装置中，可以将多个拍摄区中的至少一个拍摄区定位在可投影区中偏离0°、土45°、土90°、土135°以及180°的位置处。因此，能够适宜地消除光晕的影响。在三维可测量装置中，多个拍摄区中的至少一个拍摄区与可投影区中的交点之间的距离可以不同于其他拍摄区与可投影区中的交点之间的距离。因此，能够将该拍摄区布置成具有与其他拍摄区不同的测量精度和测量范围。 在三维测量装置中，拍摄单元包括与多个拍摄区相对应的多个拍摄部。在三维测量装置中，拍摄单元可以包括能够对多个拍摄区中两个以上拍摄区逐一拍摄的拍摄部。因此，由于可以减少拍摄部的数量，所以可以降低成本。在三维测量装置中，当拍摄单元包括能够对两个以上拍摄区逐一拍摄的拍摄部时，该三维测量装置可以进一步包括反射单元和驱动单元。该驱动单元驱动反射单元，使得在第一入射状态和第二入射状态之间切换，在第一入射状态中，来自多个拍摄区之一的光入射在该拍摄部上，在第二入射状态中，通过反射单元将来自另一个拍摄区的光引导至该拍摄部上。在三维测量装置中，投影单元可以包括遮光罩，该遮光罩限制条纹的投射，使得该条纹不投射至可投影区中多个拍摄区之外的区域。因此，可以防止由于将条纹投射至可投影区中不必要的区域以及漫反射光入射到拍摄单元上的事实而导致的检查区的测量精度下降。如上所述，根据本发明的实施方式，提供了一种能够解决光晕或阴影问题的三维
测量装置。


图I是示出了根据本发明实施方式的三维测量装置的示图；图2是示出了将通过三维测量装置进行三维测量的测量对象的示例的示图；图3是示出了投影单元的光学系统的示图；图4是示出了遮光罩的平面视图；图5是示出了投射在基板上的条纹的形状并示出了可投影区与拍摄区之间的关系的平面视图；图6是示出了根据本发明实施方式的三维测量装置的控制单元的处理的流程图；图7是示出了在检查区位于第一拍摄区时由形成在检查区中的诸如焊料的检查对象所形成的阴影的形状的示图；图8是示出了在检查区位于第二拍摄区时由检查对象所形成的阴影的形状的示图9是示出了用于消除阴影影响的多个拍摄区的位置并示出了检查对象位于这些拍摄区时所形成的阴影的形状的示图10是示出了检查对象位于拍摄区时所形成的阴影的形状的示图；图11是示出了检查对象位于拍摄区时所形成的阴影的形状的示图；图12是示出了检查对象位于拍摄区时所形成的阴影的形状的示图；图13是示出了根据本发明另一实施方式的设置在可投影区中的多个拍摄区的示图；图14是示出了用于消除光晕影响的多个拍摄区的位置并示出了检查对象位于这些拍摄区时光晕的影响的示图；图15是示出了检查对象位于拍摄区时光晕的影响的示图；图16是示出了检查对象位于拍摄区时光晕的影响的示图；图17是示出了检查对象位于拍摄区时光晕的影响的示图；图18是示出了根据另一实施方式的三维测量装置的处理的流程图；图19A至图19D是示出了当拍摄区设置在偏离0°、土45°、土90°、土 135°以及180°的位置时光晕的影响的示图；图20是示出了根据又一实施方式的设置在可投影区中的多个拍摄区的示图；以及图21是示出了能够对两个以上的拍摄区进行逐一拍摄的拍摄部的示例的示图。
具体实施例方式下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。第一实施方式三维测量装置100的整体构成以及各单元的构成图I是示出了根据本发明第一实施方式的三维测量装置100的示图。图2是示出了将通过三维测量装置100进行三维测量的测量对象10的示例的示图。如图2所示，根据该实施方式，将描述具有多个检查区IUllA至11J)的基板10的示例作为将通过三维测量装置100进行三维测量的测量对象10的示例。例如，在检查区11，印制焊料作为检查对象12 (参见图7和图8等图)。在图2中示出的示例中，基板10具有十个检查区11。如图I所示，三维测量装置100包括基板10载置于其上的载物台45、载物台移动机构46 (移动单元)、投影单元20、拍摄单元30、控制单元41、存储单元42、显示单元43以及输入单元44。通过例如投影仪来构造投影单元20。将投影单元20设置成光轴4垂直于基板10的表面(投影表面)。图3是示出了投影单元20的光学系统21的示图。图4是示出了遮光罩26的平面视图。图5是示出了投射至基板10的条纹的形状并示出了可投影区2和拍摄区I之间的关系的平面视图。如图3所示，投影单元20包括光学系统21。光学系统21包括光源22 ;聚光透镜23 ;用于将来自光源22的光会聚；相位光栅24,用于使被聚光透镜23会聚的光穿过以形成条纹；以及投影透镜25，用于将穿过相位光栅24的光投射至基板10的表面。光学系统21被构造为整个光学系统21的光轴4垂直于基板10的表面。光源22的示例包括卤素灯、氙灯、汞灯以及LED(发光二极管)，但光源22的种类并不被特定地限制。相位光栅24包括多个狭缝。相位光栅24利用多个狭缝形成了亮度正弦变化的条纹，并且将该条纹投射至基板10的表面。相位光栅24设置有用于使相位光栅24在与形成狭缝的方向垂直的方向(X轴方向)上移动的光栅移动机构(未示出)。光栅移动机构在控制单元41的控制下移动相位光栅24，并且使投射至基板10的条纹的相位移动。可以采用用于显示光栅形条纹的液晶光栅等来代替相位光栅24和光栅移动机构。参照图3至图5，当从投影单元20至基板10作垂直线时，投影单元20能够将条纹投射至该垂直线和基板10的表面(投影表面)之间的交点3的外围区域。此外，将作为垂直线和基板10的表面(投影表面)之间的交点3的外围区域并且条纹能够投射至的区域称作可投影区2。在该实施方式中，如上所述，由于光轴4垂直于基板10的表面，所以从投影单元20开始至基板10的垂直线与该光轴吻合。因此，在该实施方式中，光轴和基板的表面(投影表面)之间的交点3的外围区域成为可投影区2。这里，由于投影单元20的光轴4垂直于基板10的表面，所以投影单元20能够将没有图像变形而具有均匀宽度的条纹投射至整个可投影区2。当光轴4相对于基板的表面倾斜时，在一些情况下条纹图像会变形。可投影区2中布置有多个拍摄区I (1A和1B)。条纹所投射至的检查区11在拍摄区I中被拍摄。由于可投影区2被构造为以交点3为中心的宽广区域，所以在可投影区2中可设置有多个拍摄区I。进一步，由于投影单元20能够将没有图像变形而具有均匀宽度的条纹投射至整个可投影区2，所以拍摄区I可以设置在可投影区2中的任意位置。为了消除阴影的影响；消除光晕的影响以及提高检查速度，可以任意地设定可投影区2中拍摄区I的数量或拍摄区I的位置。在该实施方式中，将描述例如为了消除阴影的影响，在可投影区2中设置多个拍摄区I的情况。拍摄区I的数量为两个。在该实施方式中，为了便于理解，设置两个拍摄区，即，第一拍摄区IA和第二拍摄区1B。以交点3为基准，第一拍摄区IA和第二拍摄区IB设置在彼此相对的位置(180° )。稍后将详细描述可投影区2中拍摄区I的相对位置。参照图3和图4，在投影透镜25的下方形成遮光罩26。这里，当将条纹投射至可投影区2中第一拍摄区IA和第二拍摄区IB之外的区域时，会发生漫反射，从而漫反射条纹入射在拍摄单元30上。因此，会担心检查对象12的测量精度降低。因此，在该实施方式中，设置用于限制条纹投射的遮光罩26，以防止条纹投射至可投影区2中第一拍摄区IA和第二拍摄区IB之外的区域。例如，通过在圆形薄板件中形成开口 27(27A和27B)来形成遮光罩26。开口 27A和27B设置在与设置在可投影区2中的第一拍摄区IA和第二拍摄区IB的位置相对应的位置处。如图5所示，遮光罩26能够防止将条纹投射至第一拍摄区IA和第二拍摄区IB之外的区域。因此，能够防止由于入射在拍摄单元30上的漫反射条纹所导致的检查对象12(为焊料)的测量精度的下降。
在图3中，遮光罩26设置在投影透镜25的下方。然而，遮光罩26可以设置在光源22和聚光透镜23之间、聚光透镜23和相位光栅24之间、或相位光栅24和投影透镜25之间。返回参照图1，拍摄单元30包括分别对应于第一拍摄区IA和第二拍摄区IB的弟一拍摄部31和弟_■拍摄部32。弟一拍摄部31和弟_■拍摄部32均包括拍摄兀件，例如CCD (电荷耦合器件)传感器或CMOS (互补金属氧化物半导体)传感器。第一拍摄部31和第二拍摄部32均包括用于利用来自拍摄区I的光在拍摄元件的拍摄表面上形成图像的诸如图像形成透镜的光学系统。第一拍摄部31和第二拍摄部32在控制单元41的控制下，对基板10上投射有条纹的检查区11进行拍摄。载物台45被构造为保持基板10。载物台移动机构46根据来自控制单元41的驱动信号使载物台45在XY方向上移动。通过使 载物台45在XY方向上移动，载物台移动机构46改变基板10的检查区11相对于拍摄区I的相对位置。通过例如液晶显示器来构造显示单元43。显示单元43在控制单元41的控制下，显示基板10上检查区11的三维图像。通过键盘、鼠标、触摸屏等来构造输入单元44。输入单元44输入来自用户的指令。存储单元42包括用于存储三维测量装置100进行处理所必要的各种程序的非易失性存储器(例如R0M(只读存储器))；以及用作控制单元41的工作区的易失性存储器，例如RAM (随机存取存储器)。通过例如CPU (中央处理单元)来构造控制单元41。控制单元41基于存储在存储单元42中的各种程序，整体控制三维测量装置100。例如，控制单元41将载物台移动机构46控制为载物台移动机构46改变检查区11相对于拍摄区I的相对位置，以使检查区11和拍摄区I的位置吻合。控制单元41将光栅移动机构控制为光栅移动机构使投射至基板10的条纹的相位移动。进一步，控制单元41将拍摄单元30控制为拍摄单元30捕获投射有条纹的检查区11的图像，或者基于捕获的图像利用相位偏移法计算检查区11的三维形状。处理的描述图6是示出了三维测量装置100的控制单元41的处理的流程图。首先，三维测量装置100的控制单元41控制载物台移动机构46，以使得载物台移动机构46将载物台45移动达到基板10的接受位置。载物台移动机构46从基板传送设备(未示出)接受基板10 (ST 101)。接下来，控制单元41控制载物台移动机构46，使得载物台移动机构46移动载物台45，并且使多个检查区11中的一个检查区11与第一拍摄区IA的位置吻合(ST 102)。在这种情况下，多个检查区11中位于图2中的左上部分的检查区IlA与第一拍摄区IA的位置吻合。接下来，控制单元41使光从投影单元20发出，使得投影单元20将条纹投射至与第一拍摄区IA的位置吻合的检查区11 (ST 103)。图7是示出了检查区11位于第一拍摄区IA时由形成在检查区11中的检查对象12(例如，焊料)所形成的阴影的形状的示图。如图7所示，当检查区11位于第一拍摄区IA时，在检查对象12的右侧形成阴影。当投射条纹时，控制单元41使第一拍摄部31在第一拍摄区IA对投射有条纹的检查区11进行拍摄(ST 104)。接下来，控制单元41控制光栅移动机构，使得光栅移动机构移动相位光栅24，以使投射至检查区11的条纹的相位移动约/2 [rad] (ST 105)。当控制单元41使条纹的相位移动时，控制单元41随后确定是否捕获到四个图像(ST 106)。
当未捕获到四个图像时(ST 106中为否)，该处理返回至ST 104，并且控制单元41拍摄投射有条纹的检查区11。接着，控制单元41再次将条纹的相位移动约JiAtad] (ST105)，并且再次确定是否捕获到四个图像(ST106)。以这种方式，捕获条纹相位彼此不同的总共四个图像。当捕获到四个图像时(ST 106中为是)，控制单元41利用相位偏移法基于四个图像计算图像的每个像素的高度(ST 107)。在这种情况下，控制单元41从这四个图像中提取每个像素(坐标(x，y))的亮度值，并且通过应用下面的式子(I)计算每个像素的相位小(x，y)。接着，控制单元基于算得的每个像素的相位0 (x，y)，利用三角测量原理计算每个像素的高度。在式子⑴中，当相位为O、Ji/2、n 和 3 /2 时，ItlU, y)、L/Jx, y)、I11 (X, y)和 l3,/2(x,y)分别为像素(坐标)的亮度值。(x, y)…(I)如图7所示，检查对象12(例如焊料)的阴影部分的亮度为零。因此，由于像素(坐标)中各图像之间的亮度值没有差别，所以利用以上的式子⑴可算出相位cK因此，控制单元41不能算出阴影部分中每个像素的高度。当计算每个像素的高度时，控制单元41随后控制载物台移动机构46，使得载物台移动机构46改变检查区11相对于拍摄区IA和IB的相对位置。接着，控制单元41使先于第一拍摄区IA即刻拍摄的检查区11与第二拍摄区IB的位置吻合(ST 108)。当检查区11与第二拍摄区IB的位置吻合时，将条纹投射至检查区11 (ST 109)。图8是示出了当检查区11位于第二拍摄区IB时通过检查对象12形成的阴影的形状的示图。如图8中所示，当检查区11位于第二拍摄区IB时，在检查对象12(例如焊料)的左侧形成阴影。然而，可以将条纹投射至图7中已形成有阴影的检查对象12的右侧上。当投射条纹时，控制单元41使第二拍摄部32对投射有条纹的检查区11进行拍摄(ST 110)。接下来，控制单元41控制光栅移动机构，使得光栅移动机构移动相位光栅24，以在第二拍摄区IB中使投射至检查区11的条纹的相位移动约JiAtad] (ST 111)。接下来，控制单元41确定是否捕获到四个图像(ST 112)。当捕获到条纹相位彼此不同的总共四个图像时(ST 112中为是)，控制单元41利用相位偏移法，基于四个图像计算该图像的每个像素的高度。在这种情况下，控制单元41利用以上的式子(I)，通过相位偏移法计算每个像素(坐标)的高度。这里，当检查区11位于第二拍摄区IB时，检查区11位于第一拍摄区IA时所形成的阴影部分(参见图7和图8)不被阴影。因此，在ST 108，控制单元41可对由于ST 107中的阴影而未算得其高度的像素(坐标)进行插值。以这种方式，控制单元41能够准确地计算检查区11中检查对象12的形状。也就是，通过在多个拍摄区I中拍摄一个检查区11，并且计算检查对象12的三维形状，能够消除阴影的影响。因此，能够准确地计算检查对象12的形状。当计算检查区11的三维形状时，控制单元41使检查区11的三维形状显示在显示单元43上。用户观察该三维图像，并且检查形成于基板10的检查区11中的检查对象12。由于显示在显示单元43上的图像是通过消除了阴影的影响而准确地形成的图像，所以能够准确地确定检查对象12的微小缺陷。
接下来，控制单元41确定是否对于所有检查区11结束利用相位偏移法进行的检查区11的三维形状的计算(ST 114)。当不是对所有检查区11结束三维形状的计算(ST114中为否)时，控制单元41转变到计算随后检查区11的三维形状(ST 115)，并且使随后的检查区11与第一拍摄区IA的位置吻合(ST 101)。接着，重复从ST 101至ST 114的处理。检查区11的三维形状的计算顺序不被特定地限制。例如，以检查区11A、11B、11C...，和IlJ的顺序计算三维形状。当对于基板10的所有检查区11结束三维形状的计算(ST 114中的是)时，控制单元41控制载物台移动机构46，使得载物台移动机构46将基板10移动达到卸载位置，并且将基板10卸载(ST 116)。接着，控制单元41从基板传送装置接受新基板10，并且执行从ST 101至ST 116的处理。如参照图6所描述的，在拍摄区I (也就是，在第一拍摄区IA和第二拍摄区IB两者)拍摄Iv检查区11，接着拍摄随后的检查区11。然而，可以在弟一拍摄区IA拍摄所有检查区11，并且接着可以在第二拍摄区IB拍摄所有检查区11。
用于消除阴影的影响的多个拍摄区I的位置接下来，将描述用于消除阴影影响的可投影区2中多个拍摄区的位置。图9至图12是示出了用于消除阴影影响的多个拍摄区I的位置以及示出了当检查对象12(12A至12D)位于拍摄区I中(Ia至Ih)时所形成的阴影的形状的示图。图9至图12示出了检查对象12以横向(0° )、纵向(90° )、+45°方向以及-45°方向定位于基板10上的检查区11中时的阴影的形状。如图9至图12所示，在许多情况下，基板10上的检查区11中所形成的诸如焊料的检查对象12(12A至12D)通常具有沿一个方向为纵向长方体的形状。在这种情况下，如图9和图10所示，最一般的是检查对象12 (12A和12B)以横向(0° )(x轴方向)或纵向(90° ) (y轴方向)形成在基板10上。最一般的是检查对象12以横向方向或纵向方向形成，另如图11和图12所示，次之一般的是检查对象12(12C和12D)以±45°方向形成。下面将参照图9至图12描述可投影区2中两个拍摄区I的相对位置。这里，假定两个拍摄区I中的一个拍摄区I设置在拍摄区Ia的位置(基准位置)。现在将描述另一个拍摄区I相对这一个拍摄区I的合适的相对位置。将假定在可投影区2中拍摄区Ia的位置为0°进行描述。首先，参照图9至图10，将描述在检查区11中检查对象12(12A和12B)横向或纵向形成的情况。在这种情况下，当检查对象12位于拍摄区Ia时，在检查对象12的右侧形成阴影。在定位在相对于拍摄区Ia成±45°角度的位置的拍摄区Ib和Ih中，在检查对象12位于拍摄区Ia时形成阴影的部分中形成有阴影。然而，在拍摄区lc、lg、ld、lf以及Ie (定位在相对于拍摄区Ia成±90°、土135°以及180°角度的位置)中，在检查对象12设置在第一拍摄区Ia时形成阴影的部分中未形成阴影。也就是，当检查对象12横向或纵向形成时，只要另一个拍摄区I落在相对这个拍摄区I的180° ±90°的范围内，就能适宜地消除阴影的影响。接下来，参照图11至图12，将描述在检查区11中检查对象12(12C和12D)以+45°或-45°方向形成的情况。在这种情况下，当检查对象12位于拍摄区Ia时，在检查对象12的右侧形成阴影。在拍摄区lb、lh、lc和Ig(位于相对拍摄区Ia成±45°和±90°的位置)中，在检查对象12位于拍摄区Ia时形成阴影的部分中形成有阴影。然而，在拍摄区ld、lf以及Ie (位于相对拍摄区Ia成±135°和180°的位置)中，在检查对象12位于拍摄区Ia中时形成阴影的部分中未形成阴影。S卩，当检查对象12以+45°或-45°方向形成在基板10上时，只要另一个拍摄区I落在相对这个拍摄区I成1 80° ±45°的范围中，就能适宜地消除阴影的影响。进一步，即使检查对象12以横向、纵向、+45°方向以及-45°方向中任一个方向形成时，只要另一个拍摄区I落在相对这个拍摄区I的180° ±45°的范围内，就能适宜地消除阴影的影响。如以上参照图9和图10所述，为了便于理解，在一个检查区11中设置一个检查对象12。然而，在一些情况下，多个检查对象12可以以不同的方向形成在一个检查区11中。例如，在一些情况下，在一个检查区11中检查对象12A、12B、12C和12D以横向、纵向、+45°方向、-45°方向形成。即使在这种情况下，只要另一个拍摄区I落在相对这个拍摄区I成180° ±45°的范围内，就能适宜地消除阴影的影响。第二实施方式接下来，将描述本发明的第二实施方式。当描述第二实施方式时，具有与上述第一实施方式相同的构造和功能的组成要素将被赋予相同的参考标号，并且其描述将不被重复或被简化。图13是示出了根据第二实施方式的设置在可投影区2中的多个拍摄区I的示图。在图13示出的示例中，在可投影区2中，第一拍摄区IC设置在0°的位置，并且第二拍摄区ID设置在135°的位置。在第二实施方式中，由于第二拍摄区ID的位置不同于第一实施方式的位置，所以适宜地改变拍摄单元30 (第二拍摄部32)的位置或遮光罩26的开口 27的位置，以适合于第二拍摄区ID的位置。第一拍摄区IC和第二拍摄区ID设置在这些位置，以消除光晕的影响。下文中，将描述第一拍摄区IC和第二拍摄区ID的位置。图14至图17是示出了用于消除光晕影响的多个拍摄区I的位置并示出了检查对象12(12A至12D)位于拍摄区I (Ia至Ih)时形成的光晕的影响的示图。图14至图17示出了当检查对象12以横向(0° )、纵向(90° ),+45°方向以及-45°的方向设置在检查区11中时光晕的影响。当光垂直地照射至检查对象12 (例如，焊料)的长边时，在一些情况下会发生光晕。因此，在图14至图17中，当光垂直地照射至检查对象12的长边时，给予标记X，当光垂直地照射至检查对象12的短边时，在一些情况下，也会发生光晕。与光垂直地照射至检查对象12的长边的情况相比，光垂直地照射至检查对象12的短边情况下发生光晕的可能性较低。在这种情况下，在图中，给予标记Λ。由于在其他情况下发生光晕的可能性较低，所以在图中给予标记〇。首先，如图14中所示，将描述横向设置检查对象12A的情况。在这种情况下，当检查对象12A位于±90°的拍摄区Ic和Ig时，光垂直地照射至检查对象12A的长边。因此，在一些情况下会出现光晕(参见标记X)。当检查对象12A位于0°和180°的拍摄区Ia和Ie时，光垂直地照射至检查对象12A的短边。因此，在一些情况下会出现光晕(参见标记Λ)。然而，当检查对象12A位于±45°和±135°的拍摄区lb、lh、Id和If时，光不照射至检查对象12A的长边和短边。在这种情况下，出现光晕的可能性较低(参见标记〇)。
如图15所示，当纵向设置检查对象12B时，在0°和180°的拍摄区Ia和Ie中，光垂直地照射至检查对象12B的长边(参见标记X)。在±90°的拍摄区Ic和Ig中，光垂直地照射至检查对象12B的短边。然而，在±45°和±135°的拍摄区lb、lh、Id和If中，光不照射至检查对象12B的长边和短边(参见标记〇)。应当理解的是，多个拍摄区I中的至少一个拍摄区I设置在可投影区2中偏离0°、土90°和180°的位置处，以防止光垂直地入射至横向或纵向设置的检查对象12A和12B的边上。从这个角度来看，如图13所示，第二拍摄区ID设置在可投影区2中的135°位置处。如图16所示，当以+45°方向设置检查对象12C时，在-45°和135°的拍摄区Ih和Id中，光垂直地照射至检查对象12C的长边(参见标记X)。在45°和-135°的拍摄区Ib和If中，光垂直地照射至检查对象12C的短边(参见标记Λ )。然而，在0°、土90°和180°的拍摄区la、lc、Ig和Ie中，光不垂直地照射至检查对象12C的长边和短边(参见标记〇)。如图17所示，当以-45°方向设置检查对象12D时，在45°和-135°的拍摄区Ib和If中，光垂直地照射至检查对象12D的长边(参见标记X)。在-45°和135°的拍摄区Ih和Id中，光垂直地照射至检查对象12D的短边(参见标记Λ )。然而，在0°、土90°和180°的拍摄区la、lc、lg和Ie中，光不垂直地照射至检查对象12D的长边和短边(参见标记〇)。应当理解，在可投影区2中将多个拍摄区I中的至少一个拍摄区I设置在偏离±45°和±135°的位置，以防止光垂直地入射至以±45°的方向设置的检查对象12C和12D的边。从这点来看，如图13所示，第一拍摄区IC设置在可投影区2中0°位置。处理说明接下来，将描述根据第二实施方式的三维测量装置100的处理。图18是示出了根据第二实施方式的三维测量装置100的处理的流程图。首先，三维测量装置100的控制单元41从基板传送设备接受基板10(ST 201)，并且确定检查区11是否是在第一检查区IC拍摄的区域(ST202)。用户通过输入单元44，重设参照图2的基板10的多个检查区11(11A至11J)中将要在第一拍摄区IC拍摄的检查区11和将要在第二拍摄区ID中拍摄的检查区11。例如，假定+45°和-45°方向的检查对象12C和12D形成在多个检查区11中的检查区IlA至IlE中，并且横向和纵向的检查对象12A和12B形成在检查区IlF至IlJ中。在这种情况下，用户将检查区设定为检查区IlA至IlE在第一拍摄区IC中拍摄，以及检查区IlF至IlJ在第~■拍摄区ID中拍摄。当检查区11是将在第一拍摄区IC中拍摄的区域(ST 202中的是)时，控制单元41使检查区11与第一拍摄区IC的位置吻合(ST 203)。接下来，控制单元41使投影单元20将条纹投射至位于第一拍摄区IC中的检查区11 (ST 204)，并且获得条纹相位彼此不同的四个图像(ST 205至ST 207)。进一步，当用光(条纹)照射检查对象12时，入射在检查对象12上的光不垂直地照射至检查对象12的边(参见图16和图17)。因此，不会出现光晕。当获得条纹相位彼此不同的四个图像(ST 207中为是)时，控制单元41利用相位偏移法，基于四个图像计算检查区11的每个像素(坐标)的高度(ST 208)。当ST 202中的判定为否时(ST 202中为否)，也就是，检查区11是将在第二拍摄区ID中拍摄的区域时，控制单元41使检查区11和第二拍摄区ID的位置吻合(ST 209)。接下来，控制单元41将条纹投射至位于第二拍摄区ID中的检查区11 (ST 210)，并且获得条纹相位彼此不同的四个图像(ST 211至ST 213)。进一步，当用光(条纹)照射检查对象12时，入射至检查对象12上的光不垂直地 照射至检查对象12的边(参见图14和图15)。因此，不会出现光晕。当获得条纹相位彼此不同的四个图像(ST 213中为是)时，控制单元41利用相位偏移法，基于四个图像计算检查区11的每个像素(坐标)的高度(ST 214)。当控制单元41计算检查区11的每个像素的高度时，控制单元41随后确定是否对于所有检查区11结束对检查区11进行的三维形状的计算(ST 215)。当不结束对所有检查区11的三维形状的计算时(ST 215中为否)，控制单元41转变到计算随后的检查区11的三维形状(ST 216)，并且重复处理ST 201至ST 215。当结束对基板10上所有检查区11的三维形状的计算(ST 215中为是)时，控制单元41将基板10移动达到卸载位置，并且卸下基板10 (ST217)。接着，控制单元41从基板传送装置接受新基板10，并且执行ST 201至ST 217的处理。通过以上所述的处理，可以解决光晕问题，而不用考虑检查对象12的方向。第二实施方式的变形例在图18示出的处理中，已经描述了一个检查区11位于第一拍摄区IC和第二拍摄区ID中的一个拍摄区I中并被拍摄的情况。另一方面，如在上述的第一实施方式中，一个检查区11顺次被移动至第一拍摄区IC和第二拍摄区ID的位置，并且该检查区11在第一拍摄区IC和弟_■拍摄区ID中被拍摄。例如，假定检查对象12纵向设置在检查区11中。在这种情况下，例如，当检查区11在第一拍摄区IC中被拍摄时，光会垂直地入射至检查区12的长边。因此，一些情况下可能会出现光晕。然而，当检查区11在第二拍摄区ID中被拍摄时，光不垂直地入射至检查对象12的边。因此，不会出现光晕。同样应用于以横向和±45°方向形成检查对象12的情况。两个拍摄区I之一中可能会出现光晕，但在另一拍摄区中就不会出现光晕。因此，即使一个检查区11在两个拍摄区IC和ID中被拍摄时，也可以解决光晕问题，而不用考虑检查对象12的方向。当一个检查区11在两个拍摄区IC和ID中的每一个中拍摄时，由于用户不可以设定检查区11拍摄所在的拍摄区1，所以能够特别实现该效果。进一步，当一个检查区11在两个拍摄区IC和ID中都拍摄时，彼此朝向不同的多个检查对象12形成在一个检查区11中的情况下，可以适宜地解决光晕问题。进一步，当Iv检查区11在两个拍摄区IC和ID中拍摄时，可以冋时解决阴影问题和光晕问题。也就是，在第二实施方式中，第二拍摄区ID在相对于第一拍摄区IC成180° ±45°的范围内(参见图9至图12)。因此，通过在两个拍摄区IC和ID中拍摄一个检查区11，可以同时解决阴影问题和光晕问题，而不用考虑检查对象12的方向。如以上参照图14至图17所述，将多个拍摄区I中的至少一个拍摄区I设置在可投影区2中偏离0°、土90°、和180°或±45°和±135°的位置。然而，多个拍摄区I中的至少一个拍摄区I可被设置为不在0°、土45°、土90°和±135°和180°的位置。图19A至图19D是示出了当拍摄区I设置在偏离0°、土45°、土90°、土 135°和180°的位置时光晕的影响的示图。图19A至图19D示出了以横向(0° )、纵向(90° )、+45°方向以及-45°方向形成的检查对象12。进一步，在图19A至图19D中，例如，检查区11设置在202. 5°的位置。
如图19A至图19D所示，当将拍摄区Ii设置在偏离0°、土45°、土90°、土 135°和180°的位置时，在形成检查对象12的任一方向上光(条纹)都不垂直地照射至检查对象12的边。因此，即使以任意方向形成检查对象12时，都可以防止发生光晕。第三实施方式接下来，将描述本发明的第三实施方式。第三实施方式与以上描述的实施方式的不同之处在于，根据第三实施方式的三维测量装置100能在高精度模式(第一模式)和高速模式(第二模式)之间切换。高精度模式是通过将一个检查区11移动至多个拍摄区I的位置而使一个检查区11在多个拍摄区中拍摄的模式。高速模式是通过将多个检查区11同时地设置在多个拍摄区I中来同时拍摄多个拍摄区I的模式。图20是示出了根据第三实施方式的可投影区2中多个拍摄区I的布置的示图。如图20所示，在第三实施方式中，可投影区2中设置有五个拍摄区1E、1F、1G、1H和II。这五个拍摄区1E、1F、1G、1H和II分别设置在0°、45。、135。,202. 5°和270。的位置。在第三实施方式中，设置在0°、45°、135° ,202. 5°和270°位置处的拍摄区I分别被称为第一拍摄区1E、第二拍摄区1F、第三拍摄区1G、第四拍摄区IH和第五拍摄区II。在第三实施方式中，由于有五个拍摄区1，例如，拍摄单元30包括与该五个拍摄区I对应的五个拍摄部。进一步，遮光罩26的五个开口 27形成在与五个拍摄区I的位置对应的位置，以与这五个拍摄区I相对应。以上述方式设置五个拍摄区1，以解决阴影或光晕问题。例如，为了消除阴影的影响，该五个拍摄区I中的至少一个拍摄区I设置在相对于另一拍摄区I成180° ±90° (或180° ±45° )的范围内(参见图9至图12)。为了消除光晕的影响，第二拍摄区IF和第三拍摄区IG设置在偏离0°、土90°、和180°的位置(参见图14和图15)。为了消除光晕的影响，第一拍摄区IE和第五拍摄区II设置在偏离±45°和±135°的位置(参见图16和图17)。为了消除光晕的影响，第四拍摄区IH设置在偏离0°、土45°、土90°、土135°、和180°的位置(参见图19A至图19D)。在拍摄区与可投影区2的中心(光轴4与基板10的表面间的交点)的距离方面，第二拍摄区IF不同于其他拍摄区1E、1G、1H和II。通过以这种方式设置拍摄区，与其他拍摄区1E、1G、1H和II相比，第二拍摄区IF中的测量精度和测量范围可以改变，这是因为照射至检查对象12的光的照射角度改变。通常，照射至检查对象12的光的照射角度越小，分辨能力(测量精度)就越高。然而，测量范围就越窄。与之相比，在相位偏移法中，照射至检查对象12的光的照射角度越小，分辨能力就越差。然而，测量范围却越宽。高精度模式首先，将描述高精度模式。在高精度模式下，通常执行的处理与第一实施方式中所 描述的那些处理相同。例如，在高精度模式下，控制单元41使一个检查区11顺次移动至第一拍摄区IE和第四拍摄区IH的位置，并且使一个检查区11在第一拍摄区IE和第四拍摄区IH中都拍摄。作为拍摄区I的组合，可以采用第一拍摄区IA和第四拍摄区IH的组合、第一拍摄区IE和第三拍摄区IG的组合以及第三拍摄区IG和第五拍摄区II的组合。本发明并不限于这些组合。当然，也可以采用其他组合。使用的拍摄区I的数量不限于两个，而是可以采用三个以上拍摄区I。在高精度模式下，由于能够显示检查对象12的准确的三维图像，而不 会有阴影问题或光晕问题，所以用户能够准确地检查检查区11。高速模式接下来，将描述高速模式。根据用户通过输入单元44输入的指令，在高精度模式和高速模式之间切换。在高速模式下，控制单元41将多个检查区11同时地移动至多个拍摄区1，并且使多个检查区11同时在该多个拍摄区I中拍摄。例如，假定多个检查区11设置在基板10上图2中所示的位置。在这种情况下，控制单元41将检查区IlC和检查区IlA同时地移动至第一拍摄区IE和第三拍摄区1G，并且同时拍摄这两个检查区IlC和IlA0进一步，控制单元41将检查区11J、11I、和IlH同时地移动至第一拍摄区1E、第三拍摄区1G、和第四拍摄区1H，并且同时拍摄这三个检查区11J、11I、和11H。用户通过输入单元44预先在三维测量装置100中设定十个检查区11中将同时拍摄的检查区11。控制单元41使其他五个检查区IlB和IlD至IlG与第四拍摄区IH的位置吻合，并且使该其他五个检查区IlB和IlD至IlG在第四拍摄区IH中拍摄。在该示例中，由于两个检查区IlC和IlA能够同时地被拍摄，并且三个检查区11J、11I、和IlH能够同时地被拍摄，所以通过七次拍摄就能够将这十个检查区11拍摄(四个图像需要一次拍摄)。以这种方式，在高速模式下，可以将检查区11高速拍摄，并且高速地计算检查对象12的三维形状。这里，到目前为止已经描述了两个或三个检查区11同时拍摄的情况。然而，四个以上检查区11可移动至四个以上拍摄区I的位置，并且可以同时被拍摄。在根据第三实施方式的三维测量装置100中，用户能够在高精度模式和高速模式之间随意地切换。因此，当需要准确地检查检查对象12时，用户能够选择高精度模式，并且准确地显示检查对象12的三维图像。另一方面，当需要快速地检查检查对象12时，用户能够选择高速模式，并且快速地显示检查对象12的三维图像。在第三实施方式中，到目前位置已经描述了三维测量装置100具有高精度模式和高速模式的情况。然而，可以推测的是，三维测量装置100只具有高速模式。各种变形例在上述的实施方式中，迄今为止已经描述了载物台移动机构46作为用于在XY方向移动基板10相对于多个拍摄区I的相对位置的移动单元的示例。然而，移动单元通常可在XY方向移动基板10相对于多个拍摄区I的相对位置。例如，移动单元可在XY方向移动投影单元20和拍摄单元30。可替换地，移动单元可在XY方向移动载物台45 (基板10)、投影单元20和拍摄单元30。在上述实施方式中，拍摄单兀30包括与多个拍摄区I相对应的多个拍摄部。然而，拍摄单兀30可以包括能够对两个以上拍摄区I逐一拍摄的拍摄部。
图21是示出了能够对两个以上拍摄区I逐一拍摄的拍摄部的示例的示图。将参照图21主要描述与第一实施方式的不同之处。如图21所示,在该示例中，设置反射单元50。反射单元50包括安装在拍摄单元33下方的第一反射部51 (在第一拍摄区IA的上方)以及安装在第二拍摄区IB上方的第二反射部52。第一反射单元51可以绕Y轴方向的轴线转动。第一反射单元51通过驱动单元53(例如，电机)的驱动而转动。驱动单元53在控制单元41的控制下使第一反射单元51转动，以在来自第一拍摄区IA的光入射至拍摄部33的第一入射状态和来自第二拍摄区IB的光通过反射单元50被引导至拍摄部33并入射在拍摄部分33上的第二入射状态之间切换。当除了第一拍摄区IA和第二拍摄区IB之外还存在拍摄区I时，可以将反射单元50配置为来自其他拍摄区I的光能够入射在拍摄部33上。在图21示出的示例中，由于可以减少拍摄部33的数量，从而能够降低成本。可替换地，可以将能够在XY方向移动投影单元20的相对位置的拍摄部用作能够对两个以上拍摄区I逐一拍摄的拍摄部的另一示例。拍摄部能够绕投影单元20和拍摄单元转动，并且能够在拍摄部越来越接近投影单元20的方向或拍摄部越来越远离投影单元20的方向移动。在以上所述的实施方式中，至今将其上印制有用于焊接装配部件的焊料的基板10示例为测量对象10的例子。然而，测量对象10并不局限于此。测量对象10的示例包括其上形成有用于粘合装配部件的粘合剂的基板；形成有配线图案的配线基板；印制有玻璃的基板以及印制有突光物质的基板。在以上所述的实施方式中，目前为止，已经描述了通过使条纹的相位移动四次而获得四个图像并应用相位偏移法的情况。然而，当相位移动次数和图像数量为三个以上时，也可以应用本发明的实施方式。在以上所述的实施方式中，到目前为止，已经描述了投影单元20的光轴4垂直于基板10的表面(投影表面)的情况。然而，光轴4不是必须垂直于基板的表面。也就是，投影单元20的光轴4不一定垂直于基板的表面，只要当从投影单元20至基板10作垂直线时，条纹能够投射至该垂直线和基板10的表面之间的交点3的外围区域即可。甚至在这种情况下，也能够适宜地消除阴影问题或光晕问题。本发明包含于2011年2月I日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2011-019431中所公开的相关主题，其全部内容通过引证结合于此。本领域的技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合以及替换，只要它们在所附权利要求书或其等同物的范围内。
权利要求
1.一种三维测量装置，包括 投影单元，所述投影单元将条纹投射至可投影区，所述可投影区是向测量对象作垂线时所述测量对象上的交点的外围区域； 拍摄单元，所述拍摄单元包括所述可投影区中的多个拍摄区，投射有所述条纹的所述测量对象在所述多个拍摄区中被拍摄；以及 控制单元，所述控制单元基于通过所述拍摄单元拍摄的图像，执行对所述测量对象进行的三维测量的处理。
2.根据权利要求I所述的三维测量装置，进一步包括 移动单元，所述移动单元移动所述测量对象相对于所述多个拍摄区的相对位置， 其中，所述控制单元控制所述移动单元对所述相对位置的移动，使得所述移动单元将所述测量对象中的一个检查区顺次移动至所述多个拍摄区中的两个以上拍摄区，并且所述控制单元控制所述拍摄单元，使得每当所述检查区与所述拍摄区的位置吻合，所述拍摄单元对所述检查区进行拍摄。
3.根据权利要求I所述的三维测量装置，进一步包括 移动单元，所述移动单元移动所述测量对象相对于所述多个拍摄区的相对位置， 其中，所述控制单元控制所述移动单元对所述相对位置的移动，使得所述移动单元将所述测量对象中的两个以上检查区同时移动至所述多个拍摄区中的两个以上拍摄区，并且所述控制单元控制所述拍摄单元，使得所述拍摄单元对所述两个以上检查区同时拍摄。
4.根据权利要求2所述的三维测量装置， 其中，所述控制单元在第一模式和第二模式之间切换，在所述第一模式中，所述控制单元控制所述移动单元对所述相对位置的移动，使得所述移动单元将所述测量对象中的一个检查区顺次移动至所述多个拍摄区中的两个以上拍摄区，并且所述控制单元控制所述拍摄单元，使得每当所述检查区与所述拍摄区的位置吻合，所述拍摄单元对所述检查区进行拍摄，以及在所述第二模式中，所述控制单元控制所述移动单元对所述相对位置的移动，使得所述移动单元将所述测量对象中两个以上检查区同时移动至所述多个拍摄区中的两个以上拍摄区，并且所述控制单元控制所述拍摄单元，使得所述拍摄单元对所述两个以上检查区冋时拍摄。
5.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，在所述可投影区中，所述多个拍摄区中的至少一个拍摄区的位置定位在相对于其他拍摄区成180° ±90°的范围内的位置处。
6.根据权利要求5所述的三维测量装置，其中，在所述可投影区中，所述多个拍摄区中的至少一个拍摄区的位置定位在相对于其他拍摄区成180° ±45°的范围内的位置处。
7.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，在所述可投影区中，所述多个拍摄区中的至少一个拍摄区定位在偏离0°、±90°和180°的位置处。
8.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，在所述可投影区中，所述多个拍摄区中的至少一个拍摄区定位在偏离±45°和±135°的位置处。
9.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，在所述可投影区中，所述多个拍摄区中的至少一个拍摄区定位在偏离0°、土45°、土90°、土135°以及180°的位置处。
10.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，所述多个拍摄区中至少一个拍摄区与所述可投影区中的所述交点之间的距离不同于其他拍摄区与所述可投影区中的所述交点之间的距离。
11.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，所述拍摄单元包括与所述多个拍摄区相对应的多个拍摄部。
12.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，所述拍摄单元包括能够独自地对所述多个拍摄区中的两个以上拍摄区拍摄的拍摄部。
13.根据权利要求12所述的三维测量装置，进一步包括 反射单元；以及 驱动单元，所述驱动单元驱动所述反射单元以在第一入射状态和第二入射状态之间切换，在所述第一入射状态中，来自所述多个拍摄区之一的光入射在所述拍摄部上，而在所述第二入射状态中，来自另一拍摄区的光通过所述反射单元弓I导至所述拍摄部。
14.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，所述投影单元包括遮光罩，所述遮光罩用于限制条纹的投射，使得所述条纹不投射至所述可投影区中所述多个拍摄区之外的区域中。
全文摘要
本发明提供了一种三维测量装置，包括投影单元，其将条纹投射至可投影区，该可投影区是向测量对象作垂线时测量对象上的交点的外围区域；拍摄单元，包括可投影区中的多个拍摄区，投射有条纹的测量对象在多个拍摄区中被拍摄；以及控制单元，基于利用拍摄单元拍摄的图像，执行对测量对象进行的三维测量的处理。
文档编号G01B11/25GK102628677SQ20121002240
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月1日 优先权日2011年2月1日
发明者外丸匠 申请人:索尼公司