JP2012527610A

JP2012527610A - ３次元形状測定方法

Info

Publication number: JP2012527610A
Application number: JP2012511749A
Authority: JP
Inventors: ジェパク，ヘイ; ジュンアン，ウー
Original assignee: SNU Precision Co Ltd
Current assignee: SNU Precision Co Ltd
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2012-11-08
Also published as: WO2010134694A2; CN102428344B; CN102428344A; TW201042236A; KR20100124902A; WO2010134694A3; KR101097716B1

Abstract

【課題】本発明は、３次元形状測定方法を提供する。
【解決手段】
本発明は、基板と、基板上に設けられた半田ボールを有する被検査体の３次元形状測定方法において、半田ボールのイメージを取得し、半田ボールの中心部を決定する中心部決定ステップと、被検査体に正弦波形を形成し、基板の上面と半田ボールを同時に含む統合イメージを取得するイメージ取得ステップと、統合イメージから半田ボールの中心を通過する仮想の直線である基準線を選定し、基準線上に位置した半田ボールの中心部で正弦波形が投影された部分の位相値を抽出して半田ボールの中心部の位相値として決定し、基準線上に位置する基板で正弦波形が投影された部分の位相値を抽出して基板の位相値として決定する位相値決定ステップ、及び半田ボールの中心部の位相値と基板の位相値との差に基づき、基板の上面から半田ボールの中心部までの高さを算出する高さ算出ステップと、を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、３次元形状測定方法に関し、より詳細には、正弦波の干渉縞の位相値の差に基づいて基板上に設けられた半田ボールの高さを測定できる３次元形状測定方法に関するものである。

一般的にモアレ干渉縞を用いた３次元形状測定装置は、検査しようとする被検査体の表面に一定の形態を有する光を照射して得られる格子縞と、基準となる格子縞を重ねてモアレ干渉縞を形成し、この干渉縞を測定および解析し、基準面に対する測定対象物の高さを測定する。このような３次元形状測定装置は、被検査体の３次元形状を簡単かつ迅速に得ることができるため、医療、産業分野で幅広く使われている。

モアレ干渉縞を用いた３次元形状を測定する方法は、投影モアレ方法とシャドーモアレ方法に大別される。シャドーモアレ方法は、レンズを使用せずに、被検査体の表面に表れる格子の影から生成されたモアレ縞を使って被検査体の表面形状を測定する方式であり、投影モアレ方法は、レンズを使用して、被検査体に投影した格子のイメージから生成されたモアレ縞を使って被検査体の表面形状を測定する方式である。

基板上に突出されるように設けられた、測定対象物の高さを測定するためのモアレ干渉縞を用いた装置は、位相差から測定対象物の高さを算出する方式を利用する。まず、基板と同一の厚さを有する基準板の上面に正弦波縞を結像させ、正弦波の縞が投影された標準板での位相値を抽出する。その後、基板上に装着された測定対象物に正弦波縞を結像させ、正弦波の縞が投影された測定対象物での位相値を抽出する。その後、２つの位相値の位相差を利用し、基準面に対する測定対象物の高さを算出する。

このように従来の３次元形状測定方法は、実際の測定対象物が装着された基板とは別途に設けられた基準板を用いるので、基準板と基板に対して各々別途に正弦波縞を形成しなければならない煩わしさがあり、基準板の厚さと基板の厚さとの間の誤差による誤差要因が測定対象物の高さデータに含まれる問題点がある。

したがって、本発明の目的は、このような従来の問題点を解決するためのもので、基板と同一の厚さを有する別途の基準板上に正弦波縞を形成せずに、基板と基板上に設けられた半田ボールに正弦波形を形成するとともに、正弦波形が投影された基板での位相値と、正弦波形が投影された半田ボールでの位相値を同時に抽出し、これを、半田ボールの高さの測定に利用できる３次元形状測定方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の３次元形状測定方法は、基板と、基板上に設けられた半田ボールを備える被検査体の３次元形状測定方法において、半田ボールのイメージを取得して半田ボールの中心部を決定する中心部決定ステップと、被検査体に正弦波形を形成し、基板の上面と半田ボールを同時に含む統合イメージを取得するイメージ取得ステップと、統合イメージで半田ボールの中心を通過する仮想の直線である基準線を選定し、基準線上に位置した半田ボールの中心部で正弦波形が投影された部分の位相値を抽出して半田ボールの中心部の位相値として決定し、基準線上に位置する基板で正弦波形が投影された部分の位相値を抽出して基板の位相値として決定する位相値決定ステップ、及び半田ボールの中心部の位相値と基板の位相値との差に基づき、基板の上面から半田ボールの中心部までの高さを算出する高さ算出ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明の３次元形状測定方法の中心部決定ステップは、好ましくは、半田ボールの上側に配置され、半田ボールの周囲を囲むリングタイプの照明部から光が照射された状態で半田ボールのイメージを取得する。

また、本発明の３次元形状測定方法のイメージ取得ステップは、好ましくは、基板と半田ボールの上側に配置され、複数の格子パターンが形成された格子部に光を投影して被検査体に正弦波形を形成させ、格子部の周期をＮ等分した間隔だけ格子部を繰り返して位相を移動させながら統合イメージをＮ個取得し、Ｎは３以上の整数である。

また、本発明の３次元形状測定方法の位相値決定ステップは、好ましくは、基準線上に位置する基板で正弦波形が投影された複数の位置の位相値を抽出して平均値を求め、その位相値の平均値を基板の平均位相値として決定し、高さ算出ステップは、半田ボールの中心部の位相値と基板の平均位相値の差に基づき、基板の上面から半田ボールの中心部までの高さを算出する。

また、本発明の３次元形状測定方法の位相値決定ステップは、好ましくは、基準線上に位置する半田ボールの中心部から正弦波形が投影された複数の位置の位相値を抽出して半田ボールの中心部の位相値として各々決定し、基準線上に位置する基板で正弦波形が投影された複数の位置の位相値を抽出して平均値を求め、その位相値の平均値を基板の平均位相値として決定し、高さ算出ステップは、各々の半田ボールの中心部の位相値と基板の平均位相値の差を求め、その位相値の差の平均値に基づいて基板の上面から半田ボールの中心部までの高さを算出する。

本発明によると、基板と、基板上に設けられた半田ボールの正弦波形を同時に形成し、正弦波形が投影された基板での位相値と正弦波形が投影された半田ボールでの位相値を同時に抽出して、これを半田ボールの高さの測定に利用することで、別途の基準面を測定せずに、測定対象物である半田ボールの周辺基準面を利用して、簡単で正確、かつ信頼性のある半田ボールの高さデータを算出することができる。

また、本発明によると、まず半田ボールの中心部を決定した後、半田ボールの中心部での位相値だけを抽出して、これを半田ボールの高さ測定に利用することにより、半田ボールの周辺部での位相値等のような不要なデータの処理にかかる時間とメモリなどを減らすことができる。

また、本発明によると、位相値の精度を高めるために、単一の位置の位相値を利用することではなく、複数の位置の位相値を抽出して、これを平均した値を利用することにより、半田ボールの高さの精度を向上させることができる。

さらに、本発明によると、半田ボールの周囲を囲むリングタイプの照明部から光が照射された状態で、半田ボールのイメージを取得することにより、半田ボールの中心部を正確に決定することができる。

本発明の３次元形状測定方法に利用される３次元形状測定装置の概略図である。本発明の一実施形態による３次元形状測定方法のフローチャートである。被検査体（半田ボールと基板）上に正弦波形が投影された状態を示す図面である。

以下、本発明による３次元形状測定方法の実施形態を、添付された図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の３次元形状測定方法に利用される３次元形状測定装置の概略図である。

図１を参照すると、３次元形状測定装置１００は、制御部１０と、ワークステージ２０と、投影部３０、及び結像部４０を含む。

制御部１０は、３次元形状測定装置１００を全般的に制御し、結像部４０で撮影された反射イメージを用いて被検査体３の３次元形状を測定する。ここで、被検査体３は、基板２と、基板２上に設けられた半田ボール１を含む。基板２上に突出されるように設けられた半田ボール１の３次元形状を測定するために、基板２を測定位置に移送する。

ワークステージ２０は、被検査体３を測定位置に移送させるためのものであり、支持板２１とモーター２３を備える。支持板２１は、被検査体３を支持し、モータ２３を介して被検査体３が測定位置に位置するように支持板２１を移送させる。

投影部３０は、光源３１と、格子部３２と、格子移送部３５と、投影レンズ３３、及びフィルタ３４を含む。光源３１で発生した白色光を格子部３２と、投影レンズ３３、及びフィルタ３４を介して投影させ、基板２と半田ボール１上に正弦波形が投影されるようにする。

格子部３２は、複数の格子パターンが一定の間隔で平行に配置されたもので、格子部３２に投影された光は、基板２と半田ボール１に正弦波形を形成する。格子移送部３５は、制御部１０の制御により格子部３２を直線往復運動させる。格子移送部３５によって格子部３２が直線往復運動することにより、基板２と半田ボール１に形成された正弦波形の位相シフト（ｐｈａｓｅｓｈｉｆｔ）が発生する。

結像部４０は、基板２と半田ボール１に形成された正弦波形のイメージを撮影し、結像レンズ４１と、カメラ４２、及びリングタイプの照明部４３で構成される。ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）で利用される半田ボール１の場合、その形状が球形に近いため、半田ボール１の周囲全体で光を照射してイメージを取得することが望ましい。半田ボール１の周囲全体から光を照射する場合のみ、半田ボール１によって反射される光の光度が円形断面積の全体に均等に分布され、均等に分布された光の光度によって半田ボール１の中心を正確に決定することができる。

以下、上述のように構成された３次元形状測定装置１００を利用して、本発明による３次元形状測定方法の実施形態について、図１乃至図３を参照し詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施形態による３次元形状測定方法のフローチャートであり、図３は、半田ボールと基板上に正弦波形が投影された状態を示す図面である。

図１乃至図３を参照すると、本実施形態の３次元形状測定方法は、正弦波形が投影された基板での位相値と、正弦波形が投影された半田ボールでの位相値を同時に抽出して半田ボールの高さを測定することができ、中心部決定ステップ（Ｓ１１０）と、イメージ取得ステップ（Ｓ１２０）と、位相値の決定ステップ（Ｓ１３０）、及び高さ算出ステップ（Ｓ１４０）とを含む。

中心部決定ステップ（Ｓ１１０）では、半田ボール１のイメージを取得して半田ボール１の中心部を決定する。本実施形態での半田ボール１は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）で使われる半田ボールの場合を例に挙げて説明する。基板２の上面から基板２上に配置された半田ボール１の高さを求めるためには、先ず、半田ボール１の表面上の複数の位置のうち最も高い位置、即ち、半田ボール１の中心部を探さなければならない。このように、半田ボール１の中心部を探すためには、半田ボール１の上側に半田ボール１の周囲を囲むリングタイプの照明部４３を配置し、その照明部４３から光を照射する状態で半田ボール１のイメージを取得する。半田ボール１の周囲全体で照射される光によって、半田ボール１の円形断面積の形状を比較的に正確に取得することができる。取得された半田ボール１のイメージの明るさと周辺部のイメージの明るさの差に基づいて半田ボール１の中心部を決定する。

イメージ取得ステップ（Ｓ１２０）では、被検査体３、即ち、基板２と半田ボール１に正弦波形を同時に形成させ、正弦波形が投影された基板２と半田ボール１の統合されたイメージを取得する。統合イメージには、正弦波形が投影された基板２と半田ボール１のイメージが同時に表示される。本実施形態では、後述する正弦波形の位相値を抽出するために、以下の数学式１を利用するため、少なくとも３枚の統合イメージを取得する。

ここで、Ｉ_ｎは、光度であり、ａ、ｂは、未知数である。φは、正弦波形が投影された位置でのピクセルの位相値であり、αは、格子部３２の位相移動した値である。

先ず、複数の格子パターンが形成された格子部３２を基板２と半田ボール１の上側に配置し、格子部３２に光を投影して基板２と半田ボール１に正弦波柄を形成した後、基板２と半田ボール１の第１統合イメージを取得する。その後、格子部３２の周期（２π）を３等分し、一つの間隔に相当する２π/３だけ格子部３２を位相移動させた後、基板２と半田ボール１に正弦波形を形成し、基板２と半田ボール１の第２統合イメージを取得する。その後、格子部３２を２π/３だけ、もう一度位相移動させた後、基板２と半田ボール１に正弦波形を形成し、基板２と半田ボール１の第３統合イメージを取得する。

一方、格子部３２の周期（２π）をＮ（４以上の整数）等分し、Ｎ等分された周期だけ、格子部３２を移動しながら、統合されたイメージをＮ個取得することができる。

位相値決定ステップ（Ｓ１３０）では、先ず、図３に図示したように、統合イメージで、半田ボール１の中心部を通過する仮想の直線である基準線４を選定する。基準線４上に位置する半田ボール１の中心部で、正弦波形が投影された部分でのピクセルの位相値を抽出し、基準線４上に位置する基板２の上面で正弦波形が投影された部分でのピクセルの位相値を抽出する。

その後、中心部決定ステップ（Ｓ１１０）で求めた半田ボール１の中心部で、正弦波形が投影された部分でのピクセルの位相値を求める。統合イメージから、基準線４上に位置する半田ボール１の中心部で、正弦波形が投影された部分でのピクセルの位相値を抽出して半田ボール１の中心部の位相値として決定する。位相移動しながら取得した３つの統合イメージの各ピクセルの光度（Ｉ_ｎ）と、格子部３２を位相移動した値（α）である０、２π/３、４π/３を数学式１に各々代入すると、半田ボール１の中心部で正弦波形が投影された部分でのピクセルの位相値（φ）を求めることができる。

本実施形態では、位相値の精度を高めるために、単一の位置の位相値を利用することではなく、複数の位置の位相値を抽出する。そのために、半田ボール１の中心部のうち、基準線４上に位置する複数の位置（ｐ１）で正弦波形が投影されたピクセルの位相値を抽出し、半田ボール１中心部の複数個の位相値を備える。

その後、統合イメージから基板２で正弦波形が投影された部分でのピクセルの位相値を求める。統合イメージから、基準線４上に位置する基板２で正弦波形が投影された部分でのピクセルの位相値を抽出して基板２の位相値として決定する。同様に、位相移動しながら取得した３つの統合イメージの各ピクセルの光度（Ｉ_ｎ）と、格子部３２を位相移動した値（α）である０、２π/３、４π/３を数学式１に各々代入すると、基板２で正弦波形が投影されたピクセルの位相値（φ）を求めることができる。位相値の精度を高めるために、複数の位置の位相値を抽出し、これを平均した値を利用する。ここで、基板２の複数の位置（ｐ２）で正弦波形が投影されたピクセルの位相値を抽出して平均値を求め、その位相値の平均値を、基板の平均位相値として決定する。

図３に図示したように、被検査体３にＸＹ直交座標系を設定すると、基準線４上に存在する基板１の複数の位置（ｐ２）のピクセルは、Ｘ座標は同一であり、Ｙ座標は位置によって変動される。

高さの算出ステップ（Ｓ１４０）では、半田ボール１の中心部の位相値と基板２の位相値の差に基づいて基板２の上面から半田ボール１の中心部までの高さを算出する。

位相値の差と被検査体の高さとの関係式は、下記の数学式２の通りである。

ここで、ｈ（ｘ、ｙ）は、基板２の上面から半田ボール１の中心部までの高さであり、ｐは、格子部３２の周期である。θは、光の投影角であり、φoは、半田ボール１の中心部での位相値であり、φrは、基板２での位相値である。

数学式２に半田ボール１の中心部の位相値と基板２の位相値を各々代入すると、基板２の上面から半田ボール１の中心部までの高さ（ｈ）を求めることができる。

基板２の上面から半田ボール１の中心部までの高さを求める過程は、まず設けられた複数の半田ボール１の中心部の位相値を数学式２の半田ボール１の中心部の位相値（φo）に、基板２の平均位相値を数学式２の基板２の位相値（φr）に代入する。その後、数学式２から得られる複数の高さ（ｈ）のデータを平均し、基板２の上面から半田ボール１の中心部までの高さ（ｈ）を決定する。

上述のように構成された本実施形態による３次元形状測定方法は、基板と、基板上に設けられた半田ボールに正弦波形を同時に形成し、正弦波形が投影された基板での位相値と正弦波形が投影された半田ボールでの位相値を同時に抽出して半田ボールの高さ測定に利用することにより、別途の基準面を測定せずに、測定対象物である半田ボールの周辺基準面を利用して簡単で正確、かつ信頼性のある半田ボールの高さデータを算出する効果を得ることができる。

また、先ず、半田ボールの中心部を決定した後、半田ボールの中心部での位相値のみを抽出し、これを半田ボールの高さ測定に利用することにより、半田ボールの周辺部での位相値のような不要なデータの処理にかかる時間とメモリを削減できる効果を得ることができる。

また、位相値の精度を高めるために、単一の位置の位相値を利用することではなく、複数の位置の位相値を抽出し、これを平均した値を利用することにより、半田ボールの高さの精度を向上させる効果を得ることができる。

さらに、半田ボールの周囲を囲むリングタイプの照明部から光が照射された状態で、半田ボールのイメージを取得することにより、半田ボールの中心部を正確に決定する効果を得ることができる。

本発明の権利範囲は、上述の実施形態及び変形例に限定されず、添付の特許請求の範囲内で多様な形態の実施形態として具現することができる。特許請求の範囲において請求する本発明の要旨を超えず、当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも変形可能な、様々な範囲まで本発明の請求範囲の記載範囲内にあるものとみなす。

基板と同一の厚さを有する別途の基準板上に正弦波形を形成せず、基板と基板上に設けられた半田ボールに正弦波形を同時に形成し、正弦波形が投影された基板での位相値と、正弦波形が投影された半田ボールでの位相値を同時に抽出して、半田ボールの高さの測定に利用できる３次元形状測定方法が提供される。

Claims

基板と、前記基板上に設けられた半田ボールを備える被検査体の３次元形状測定方法において、
前記半田ボールのイメージを取得して前記半田ボールの中心部を決定する中心部決定ステップと、
前記被検査体に正弦波形を投影し、前記基板の上面と前記半田ボールを同時に含む統合イメージを取得するイメージ取得ステップと、
前記統合イメージで前記半田ボールの中心部を通過する仮想の直線である基準線を選定し、前記基準線上に位置した半田ボールの中心部で正弦波形が投影された部分の位相値を抽出して半田ボールの中心部の位相値として決定し、前記基準線上に位置する基板において正弦波形が投影された部分の位相値を抽出して基板の位相値として決定する位相値決定ステップ、及び
前記半田ボールの中心部の位相値と前記基板の位相値との差に基づき、前記基板の上面から前記半田ボールの中心部までの高さを算出する高さ算出ステップと、を含むことを特徴とする３次元形状測定方法。
前記中心部決定ステップは、
前記半田ボールの上側に配置され、前記半田ボールの周囲を囲むリングタイプの照明部から光が照射された状態で前記半田ボールのイメージを取得することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
前記イメージ取得ステップは、
前記基板と前記半田ボールの上側に配置され、複数の格子パターンが形成された格子部に光を投影して前記被検査体に正弦波形を形成させ、
前記格子部の周期をＮ等分した間隔だけ前記格子部を繰り返して位相を移動させながら前記統合イメージをＮ個取得し、
前記Ｎは、３以上の整数であることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
前記位相値決定ステップは、前記基準線上に位置する基板において、正弦波形が投影された複数の位置の位相値を抽出して平均値を求め、その位相値の平均値を前記基板の平均位相値として決定し、
前記高さ算出ステップは、前記半田ボールの中心部の位相値と前記基板の平均位相値の差に基づき、前記基板の上面から前記半田ボールの中心部までの高さを算出することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
前記位相値決定ステップは、前記基準線上に位置する半田ボールの中心部において、正弦波形が投影された複数の位置の位相値を抽出して半田ボールの中心部の位相値として各々決定し、
前記基準線上に位置する基板において、正弦波形が投影された複数の位置の位相値を抽出して平均値を求め、その位相値の平均値を前記基板の平均位相値として決定し、
前記高さ算出ステップは、半田ボールの中心部の位相値の各々と前記基板の平均位相値の差を求め、その位相値の差の平均値に基づいて前記基板の上面から前記半田ボールの中心部までの高さを算出することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。