JP4138555B2 - 非接触三次元測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワーク上の特定の測定要素の変位を非接触変位計で測定してワークの性状を測定するのに好適な非接触三次元測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ワーク(被測定物)を非接触で測定する装置としては、ワークをCCDカメラ等で撮像し、そのワーク画像に基づいてワークの輪郭形状の測定等を実行する画像測定装置が広く知られている。この画像測定装置でワークの高さ方向も含めた三次元測定を行う場合には、測定面の画像のコントラストから合焦判定を行って、この合焦位置を高さ方向の位置とする。しかし、合焦判定の方法では、判定に時間が掛かるだけでなく、測定誤差が大きいという問題がある。特に、LSIパッケージの平面度測定などの場合には、画像測定装置だけでは要求に見合う測定は困難である。
【0003】
そこで、画像測定用のCCDカメラと共にレーザプローブなどの非接触変位計を併設した撮像ユニットを備え、合焦判定が難しいワークの微小変位は非接触変位計で測定するように構成した画像測定装置が、例えば特許文献1により知られている。これによれば、LSIパッケージの平面度測定など、高さ方向に関し高い精度が求められるワークの測定も実行することができる。また、CCDカメラにより得られたワーク画像を見ながら、例えばLSIパッケージのLGA(Land Grid Array)やBGA(Ball Grid Array)等のバンプの高さを測定するための測定ルートを規定するための測定ツール(直線ツール、領域ツール、螺旋ツール等)を設定し、この測定ルートに沿って非接触変位計が駆動されるようにされており、これにより高速で高精度のワークの倣い測定が可能とされている。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−351841号公報(第5頁、図1、図2、図7、図12〜18等)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この特許文献1に開示の装置では、測定ツールを配置するに際し、オペレータがワーク画像を見て、そのツールの形状・大きさ、測定ピッチ等を入力しなければならず、操作が煩雑になるものであった。
また、特許文献1には、設計値データを用いて測定ピッチ等を決定することも開示されているが、測定ピッチとして一定の値を入力するだけのものであった。このため、例えばLSIパッケージのLGAやBGA等のバンプの場合、バンプの配置が定ピッチであれば問題ないが、バンプの配置ピッチが代わる場合(不定ピッチ)には、同一のピッチの部分のみを測定範囲とし、異なる配置ピッチの部分については、新たに測定範囲を指定し、測定ピッチも別に入力し直す必要がある。このため、測定時間の短縮化が思うように達成できない。
本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、操作が簡単で、しかも測定時間の短縮を図ることのできる非接触三次元測定装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述の課題達成のため、本発明に係る非接触三次元測定装置は、ワークを撮像して画像測定用の二次元画像情報を出力する撮像手段及び前記ワーク上の測定点との間の距離を変位量として検出する非接触変位計を備えた撮像ユニットと、前記撮像ユニットを測定三次元空間内の任意の位置へ駆動する撮像ユニット駆動部と、前記ワークの形状データから前記ワーク上の特定の測定要素の位置を示す位置情報を抽出し、この位置情報から前記非接触変位計が前記特定の測定要素をたどる測定ルートを生成する測定ルート生成部と、前記測定ルートに沿って前記非接触変位計が移動するように前記撮像ユニット駆動部を制御する制御部と、前記非接触変位計の検出信号から前記特定の測定要素の部分の変位量のみを前記位置情報に基づいて抽出する抽出部と、前記抽出部で抽出された変位量に基づいて前記ワークの性状データを生成し出力する性状データ生成出力手段とを備えたことを特徴とする。
【0010】
この発明によれば、測定ルート生成部により、ワークの形状データからワーク上の特定の測定要素の位置を示す位置情報が抽出され、この位置情報から前記特定の測定要素を辿る測定ルートが生成される。撮像ユニット駆動部は、この測定ルートに沿って、制御部により制御される。また、この位置情報に基づいて、非接触変位計の検出信号の中からこの特定の測定要素の部分の変位量のみが抽出部により抽出される。そして、この抽出された変位量に基づいて、ワークの性状データが性状データ生成出力手段より生成・出力される。すなわち、特定の測定要素が前記測定ルート上で不定ピッチで配置されていたとしても、その特定の測定要素の位置情報が取得され、抽出部によりその特定要素の部分の変位量のみが抽出される。ワークの形状データに基づき、測定ルートが生成され、また特定の測定要素の位置情報も抽出されるので、その特定の測定要素が定ピッチで形成されているか、不定ピッチで形成されているかに関係なく、特定の測定要素の測定を完了することができ、測定時間も短縮することができる。
【0011】
本発明において、前記測定ルート生成部は、前記ワークの設計データに基づいて前記測定ルートを生成するように構成することができる。また、本発明において、前記ワーク画像の座標系を前記設計データの座標系に一致させる座標系一致手段を備えるように構成することができる。また、前記測定ルート生成部は、前記撮像手段で撮像した前記ワークの画像を用いて前記測定ルートを生成するように構成することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の好ましい実施の形態について説明する。
図1は、この発明の実施の形態に係る非接触三次元測定装置の全体構成を示す斜視図である。この装置は、非接触画像測定機能と非接触変位測定機能とを備えた三次元測定機1と、この三次元測定機1を駆動制御すると共に、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム2とにより構成されている。
【0014】
三次元測定機1は、次のように構成されている。即ち、架台11上には、ワーク12を載置する測定テーブル13が装着されており、この測定テーブル13は、図示しないY軸駆動機構によってY軸方向に駆動される。架台11の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム14、15が固定されており、この支持アーム14、15の両上端部を連結するようにX軸ガイド16が固定されている。このX軸ガイド16には、撮像ユニット17が支持されている。撮像ユニット17は、図示しないX軸駆動機構によってX軸ガイド16に沿って駆動される。コンピュータシステム2は、計測情報処理及び各種制御を司るコンピュータ21と、各種指示情報を入力するキーボード22、ジョイスティックボックス23及びマウス24と、計測画面、指示画面及び計測結果を表示するCRTディスプレイ25と、計測結果をプリントアウトするプリンタ26とを備えて構成されている。
【0015】
撮像ユニット17の内部は、図2に示すように構成されている。即ち、X軸ガイド16に沿って移動可能にスライダ31が設けられ、スライダ31に一体にZ軸ガイド32が固定されている。このZ軸ガイド32には、支持板33がZ軸方向に摺動自在に設けられ、この支持板33に、画像測定用の撮像手段であるCCDカメラ34と、非接触変位計であるレーザプローブ35とが併設されている。これにより、CCDカメラ34とレーザプローブ35とは、一定の位置関係を保ってX、Y、Zの3軸方向に同時に移動できるようになっている。CCDカメラ34には、撮像範囲を照明するための照明装置36が付加されている。レーザプローブ35の近傍位置には、レーザプローブ35のレーザビームによる測定位置を確認するために、測定位置の周辺を撮像するCCDカメラ38と、レーザプローブ35の測定位置を照明するための照明装置39とが設けられている。レーザプローブ35は、撮像ユニット17の移動の際にレーザプローブ35を退避するための上下動機構40と、レーザビームの方向性を最適な方向に適合させるための回転機構41とにより支持されている。
【0016】
図3は、レーザプローブ35の詳細を示す図である。半導体レーザ51から放射された光は、ビームスプリッタ52及び1/4波長板53を介したのち、コリメートレンズ54によって平行光線とされ、ミラー55、56及び対物レンズ57を介してワーク12の測定部に光スポットを形成する。ワーク12の測定部から反射された光は、ミラー56、55、コリメートレンズ54及び1/4波長板53の逆経路を辿ってビームスプリッタ52で反射され、エッジミラー58で上下に二分割される。上下に分割された光は、上下に配置された2分割受光素子59、60で検出される。
【0017】
検出回路61は、2分割受光素子59、60からの出力信号をもとに対物レンズ57の焦点位置からワーク12の測定面62までのずれ量に応じた信号を出力する。サーボ回路63は、検出回路61の検出出力に基づいて駆動機構64に対物レンズ57の駆動のための駆動信号を出力する。対物レンズ57が上下動すると、変位検出器66の可動部材67が固定部材68に対して移動する。この移動量が変位量として出力される。
【0018】
図4には、三次元測定機1及びコンピュータシステム2の構成を更に詳細に示した装置全体のブロック図が示されている。三次元測定機1において、画像測定用のCCDカメラ34及びレーザプローブ35の測定位置確認用のCCDカメラ38でワーク12を撮像して得られた画像信号は、それぞれA/D変換器71、72で多値画像データに変換されたのち、選択回路73によっていずれか一方が選択されてコンピュータ21に供給される。CCDカメラ34、38の撮像に必要な照明光は、コンピュータ21の制御に基づき、照明制御部74、75が照明装置36、39をそれぞれ制御することにより与えられる。レーザプローブ35から得られた変位量の信号は、A/D変換器76を介してコンピュータ21に供給される。そして、これらを含む撮像ユニット17が、コンピュータ21の制御に基づいて動作するXYZ軸駆動部77によってXYZ軸方向に駆動される。撮像ユニット17のXYZ軸方向の位置は、XYZ軸エンコーダ78によって検出され、コンピュータ21に供給される。
【0019】
一方、コンピュータ21は、制御の中心をなすCPU81と、このCPU81に接続される多値画像メモリ82と、プログラム記憶部83と、ワークメモリ84と、インタフェース85、86、88と、多値画像メモリ82に記憶された多値画像データをCRTディスプレイ25に表示するための表示制御部87とにより構成されている。CPU81は、画像測定モードとレーザ測定モードとで選択回路73を切り換える。選択回路73で選択された画像測定用の多値画像データ又はレーザ測定用の多値画像データは、多値画像メモリ82に格納される。多値画像メモリ82に格納された多値画像データは、表示制御部87の表示制御動作によってCRTディスプレイ25に表示される。
【0020】
一方、キーボード22、ジョイスティック23及びマウス24から入力されるオペレータの指示情報は、インタフェース85を介してCPU81に入力される。また、CPU81には、レーザプローブ35で検出された変位量やXYZ軸エンコーダ78からのXYZ座標情報等を取り込む。CPU81は、これらの入力情報、オペレータの指示及びプログラム記憶部83に格納されたプログラムに基づいて、XYZ軸駆動部77によるステージ移動、測定値の演算処理等の各種の処理を実行する。ワークメモリ84は、CPU81の各種処理のための作業領域を提供する。測定値は、インタフェース86を介してプリンタ26に出力される。また、インタフェース88は、外部の図示しないCADシステム等より提供されるワーク12のCADデータを、所定の形式に変換してコンピュータシステム21に入力するためのものである。
【0021】
次に、このように構成された本実施の形態に係る非接触三次元測定装置において、多数の特定測定要素(例:LSIパッケージのバンプ等)を通過する測定ルートに沿ってレーザプローブ35を移動させることにより、この多数の特定測定要素を連続的に測定する倣い測定モードについて説明する。ワーク12としては様々なものが考えられるが、ここでは、頂点部が水平なバンプ(LGA)が多数個水平方向、垂直方向に並ぶように形成されたLSIパッケージをワーク12とした場合について説明する。
【0022】
図5は、レーザプローブ35による倣い測定モードの実行手順を示すフローチャートである。
まず、CCDカメラ34とレーザプローブ35の校正を行う(S1)。すなわち、測定ステージ13上に、図6に示すように、平行でない2本の直線成分L1、L2を備えた冶具91を載置する。CCDカメラ34及びレーザプローブ35により、Z軸方向の投影面内で直線L1、L2をそれぞれ測定してこれら直線の方程式をそれぞれ求め、得られた式を演算処理することにより、CCDカメラ34及びレーザプローブ35の各座標軸間のオフセットを求め、このオフセット値をCCDカメラ34及びレーザプローブ35の位置校正データとして用いる。
【0023】
校正処理が終了したら、次に、冶具91に代えてワーク12を測定テーブル13上に載置し、ワーク座標系をワーク12上に設定する(S2)。ワーク12の測定結果は、このワーク座標系を基準に算出される。ワーク座標系の設定は、CADデータを表現するCADデータ座標系との位置関係を規定するために行われるものである。両者の位置関係(オフセット、回転)が判るようにワーク座標系を規定することで必要十分である。しかし本実施の形態では、公差判定や測定ルートの生成上の便宜のため、両者を一致させるものとする。
また、ワーク座標系と機械座標系とは、同様に両者の位置関係が判ることで必要十分であり、オフセット、回転とも0にする必要はないが、少なくとも回転だけは0(すなわち座標軸方向が一致)としていた方が、CCDカメラ34等の駆動を簡易化することができるため、この実施の形態では、冶具等を利用して両者が一致するようにする。すなわち、ワーク座標系と機械座標系とが一致していれば、測定ルートがX軸又はY軸と平行である場合、撮像ユニット17のXY駆動機構の駆動も、X軸駆動機構又はY軸駆動機構の単独の駆動とすることができ、このため、測定ルートに沿った駆動を迅速に実行することができる。
【0024】
ワーク座標系の設定の手順を、図7を用いて説明する。まず、同図(a)に示すように、CRT25上において、CCDカメラ34で撮像したワーク12の画像を表示する。そして、ワーク12としてのLSIパッケージ上に多数存在するバンプのうち、左下端に存在するバンプB1をマウス24で指定し、このバンプB1の中心点P1の座標(x1、y1、z1)(機械座標系に基づく値)をCCDカメラ34又はレーザプローブ35により計測する。計測されたZ座標値z1は、自動的または手動のリセット動作により0にリセットされる。
【0025】
次に、図7(b)に示すように、このバンプ1が存在する直線状のバンプ列BL1の他端に存在するバンプB2をマウス24で指定し、このバンプ2の中心点P2の座標(x2、y2、z2)(機械座標系に基づく値)をCCDカメラ34又はレーザプローブ35により計測する。
続いて、図7(c)に示すように、点P1を再びマウス24で指定し、点P1とP2を結ぶ直線をX軸に指定することにより、ワーク座標系の設定が完了する。
【0026】
次に、ワーク座標系とCADデータ座標系を一致させるため、図8に示すように、CADデータ図形をCRT24上に表示させ、現在設定されているワーク座標系の原点位置(点P1)に相当するCADデータ図形上の位置P1´に、マウス24のポインタPを合わせ、マウス24をクリックすることにより、この点P1´を指定する。
これにより、点P1のワーク座標系に基づく座標値と、指定された点P1´のCADデータ座標系に基づく座標値との差(ΔX、ΔY)に基づき、ワーク座標系が(−ΔX、−ΔY)だけ移動される。すなわち、ワーク座標系がCADデータ座標系と一致するように再設定される。
【0027】
次に、測定ルートを生成するステップに移行する。既に作成済みの測定ルートが測定ルート情報ファイルとしてプログラム記憶部83に保存されているか否かをチェックし(S3)、保存されていない場合には、新たに測定ルートを生成し(S4)、測定ルート情報ファイルとして保存する(S5)。保存されている場合には、その測定ルート情報ファイルをプログラム記憶部83より読み出す(S6)。
測定ルートの生成(S4)は、CADデータをあるX軸(又はY軸)に水平な直線102上で検索して、中心位置のY座標(又はX座標)が、この直線のY座標(又はX座標)を中心とした許容範囲内にあるバンプ101の位置情報を抽出し、抽出結果としての位置情報からバンプ101を辿るルートを測定ルートとして生成する。このようにすることにより、X軸又はY軸に平行な測定ルートを自動生成することができる。ここでの許容範囲は、バンプ101の直径等を考慮して決定する。測定ルートとしての線は、どのような形状に生成してもよいが、演算の容易化、三次元測定機1の駆動の迅速化等の観点から、X軸、Y軸に沿った直線として生成するのが好適である。生成した測定ルートは、パートプログラムの一部を校正する測定ルート情報ファイルとして、プログラム記憶部83に保存される(S5)。この実施の形態では、バンプ101の位置情報がCADデータに基いて抽出され、この位置情報から測定ルートが生成されるので、バンプ101が定ピッチに配置されているか、不定ピッチに配置されているかに拘わらず測定ルートを生成することができる。
【0028】
次に、この作成された測定ルート情報ファイルに基づくパートプログラムを起動して、ワーク12の測定を開始する(S7)。パートプログラムにおいては、予め、検出信号をフィルタリングするためのフィルタカットオフ周波数、測定速度、助走・後走距離等のパラメータが設定される。CPU81は、この測定ルート情報ファイルに保存された測定ルート情報や前述のパラメータに基づき、XYZ駆動部77、上下動機構40、回転機構41を駆動するための駆動信号を生成する。回転機構41は、レーザプローブ35を回転させるためのものである。これは、レーザプローブ35の変位検出精度には若干の方向性があるため、レーザプローブ35が測定ルートに対して最適な方向を向くように制御する必要があるためである。
【0029】
なお、測定ルートに沿った倣い測定を実行する際、ワーク12のZ軸方向の凹凸の大きさが小さい場合には、XYZ駆動系77のZ方向の駆動は行わず、レーザプローブ35のZ方向位置を固定しておき、対物レンズ57のみを駆動し、対物レンズの駆動量のみに基づいてワーク12のZ座標を測定することができる。ワーク12のZ軸方向凹凸の大きさが大きい場合には、対物レンズ57だけでなく、XYZ駆動部77も併せて駆動し、対物レンズ57の駆動量及びXYZ駆動部77の駆動量に基づいて、ワーク12のZ軸方向の高さを測定する。このXYZ駆動部77、上下動機構40、回転機構41の駆動により、レーザプローブ35が測定ルートに沿って移動し所定の間隔でZ方向の座標値がx、y軸座標値と共に点列データ(図10の111)として求められ、これがワークメモリ84に格納される。また、ワーク12が傾いている場合には、点列データ111の平均面を求め、この面に対してトレンド補正を実行した後、ワークメモリ84に格納する。
【0030】
次に、測定ルート情報に沿ったバンプの位置データを、CADデータに基づいて取得する(S8)。図10の112は、CADデータに基づいて作成され、測定ルートに沿ったバンプの位置を示すバンプ位置信号であり、凸部112aがバンプの存在する位置を示している。このバンプ位置信号112を利用して、点列データ111をフィルタリングし、さらに高周波成分を図示しないローパスフィルタでフィルタリングすることにより、図10に示すように、検出信号111のうち、バンプに関わる部分のみを抽出した信号113が得られる(S9)。この実施の形態では、図10の信号113の部分で太線で示すように、バンプの中心から所定距離以内の周辺領域のデータのみを抽出する。この抽出された信号113の高さの平均を算出することにより、LSIパッケージの平面度(コプラナリティー)を性状データとして算出することができる(S10)。バンプ位置信号112で点列データ111をフィルタリングするので、点列データ111は、測定ルートに沿ったバンプ以外の部分の形状データを含んでいてもよい。このため、本実施の形態では、レーザプローブ35を逐一個々のバンプ上で止めて測定しなくてもよいことになり、測定時間の短縮が可能となる。
【0031】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、ワーク座標系がCADデータと一致するようワーク座標系を設定させていたが、ワーク座標系とCADデータ座標系とを一致させる必要は必ずしもなく、対応関係を示すデータ(オフセット及び回転量)を取得し、このデータに基づいて座標変換するようにしてもよい。
【0032】
また、上記実施の形態では、ワーク12の形状データとしてのCADデータに基づいて測定ルートを生成するようにしていたが、CADデータの代わりに、CCDカメラ34で撮像したワークの画像を利用してもよい。即ち、CCDカメラ34で撮像したワーク画像を表示させると共に、そのワーク画像上でバンプ等の特定の測定要素の画像をパターンマッチング等の周知の手法で抽出した後、その抽出された特定の測定要素の位置に基づいて測定ルートを生成してもよい。
【0033】
また、上記実施の形態では、ワーク12として、多数のバンプ(LGA等)を備えたLSIパッケージを想定したが、本発明のワーク12はこれに限定されるものではなく、特定の測定要素を多数有するものであれば、同様に本発明を適用できる。たとえば、ワーク12として、多数のピンを備えたPGA(Pin Grid Array)のピンや、マイクロレンズアレイのレンズなどを特定の測定要素とし、このようなピンやレンズを辿る測定ルートを生成し、パートプログラムにより測定することもできる。
【0034】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る非接触三次元測定装置は、操作が簡単で、しかも測定時間の短縮を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係る非接触三次元画像測定装置の斜視図である。
【図2】 図1に示す装置における撮像ユニットの内部の斜視図である。
【図3】 図1に示す装置におけるレーザプローブの構成を示す図である。
【図4】 図1に示す装置の全体ブロック図である。
【図5】 図1に示す装置によるレーザプローブ35による測定の手順を示している。
【図6】 図1に示す装置同装置のCCD34とレーザプローブ35の校正方法を説明するための図である。
【図7】 図1に示す装置におけるワーク座標系の設定手順を示す図である。
【図8】 ワーク座標系とCADデータ座標系を一致させるための手順を示す図である。
【図9】 図1に示す装置における測定ルートの決定の方法を示す。
【図10】 図1に示す装置において、レーザプローブ35の検出信号から、バンプに関する信号のみを抽出する方法を説明する図である。
【符号の説明】
1・・・三次元測定機、2・・・コンピュータシステム、11・・・架台、12・・・ワーク、13・・・測定テーブル、14、15・・・支持アーム、16・・・X軸ガイド、17・・・撮像ユニット、21・・・コンピュータ、22・・・キーボード、23・・・ジョイスティックボックス、24・・・マウス、25・・・CRTディスプレイ、26・・・プリンタ、34、38・・・CCDカメラ、35・・・レーザプローブ、36、39・・・照明装置、40・・・上下動機構、41・・・回転機構、51・・・半導体レーザ、52・・・ビームスプリッタ、53・・・1/4波長板、54・・・コリメートレンズ、55、56・・・ミラー、57・・・対物レンズ、58・・・エッジミラー、59、60・・・ 2分割受光素子、61・・・検出回路、63・・・サーボ回路、64・・・駆動機構、66・・・変位検出器、67・・・可動部材、68・・・固定部材、71、72・・・A/D変換器、73・・・選択回路、74、75・・・照明制御部、76・・・A/D変換器、77・・・XYZ軸駆動部、78・・・XYZ軸エンコーダ、81・・・CPU、82・・・多値画像メモリ、83・・・プログラム記憶部、84・・・ワークメモリ、85、86、88・・・インタフェース、87・・・表示制御部、101・・・バンプ図形、102・・・線。
Claims (4)
- ワークを撮像して画像測定用の二次元画像情報を出力する撮像手段及び前記ワーク上の測定点との間の距離を変位量として検出する非接触変位計を備えた撮像ユニットと、
前記撮像ユニットを測定三次元空間内の任意の位置へ駆動する撮像ユニット駆動部と、
前記ワークの形状データから前記ワーク上の特定の測定要素の位置を示す位置情報を抽出し、この位置情報から前記非接触変位計が前記特定の測定要素を辿る測定ルートを生成する測定ルート生成部と、
前記測定ルートに沿って前記非接触変位計が移動するように前記撮像ユニット駆動部を制御する制御部と、
前記非接触変位計の検出信号から前記特定の測定要素の部分の変位量のみを前記位置情報に基づいて抽出する抽出部と、
前記抽出部で抽出された変位量に基づいて前記ワークの性状データを生成し出力する性状データ生成出力手段と
を備えたことを特徴とする非接触三次元測定装置。 - 前記測定ルート生成部は、前記ワークの設計データに基づいて前記測定ルートを生成する請求項1に記載の非接触三次元測定装置。
- 前記ワークの位置を示すワーク座標系を前記設計データの座標系に一致させる座標系一致手段を備えた請求項2に記載の非接触三次元測定装置。
- 前記測定ルート生成部は、前記撮像手段で撮像した前記ワークの画像を用いて前記測定ルートを生成する請求項1に記載の非接触三次元測定装置。
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