JP4578538B2 - 非接触三次元測定方法 - Google Patents

Description

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方法に関する。

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。

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。

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。
特開平１１−３５１８４１号公報

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方法を提供することを目的とする。

上述の課題達成のため、本発明に係る非接触三次元測定方法は、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特定の測定要素を測定するための測定ルートを生成するステップと、前記測定ルートに沿って非接触変位計を移動させて前記特定の測定要素を含む前記ワークの形状を測定するステップと、前記測定ルートに沿った前記特定の測定要素の位置を示す位置情報を前記形状データに基づいて取得するステップと、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検出信号のみを前記位置情報に基づいて抽出するステップと、前記抽出された検出信号に基づいて前記ワークの性状データを生成し出力するステップとを備えたことを特徴とする。

本発明に係る非接触三次元測定方法は、装置の操作が簡単で、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、図９に示すように、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。

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。

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。

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。 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。

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。

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。

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１に示す装置の全体ブロック図である。 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。 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)

1. 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特定の測定要素を巡り前記特定の測定要素を測定するための測定ルートを生成するステップと、
   前記測定ルートに沿って非接触変位計を移動させてその検出信号を取得し前記特定の測定要素を含む前記ワークの形状を測定するステップと、
   前記測定ルートに沿った前記特定の測定要素の位置を示す位置情報を前記形状データに基づいて取得するステップと、
   前記非接触変位計の前記検出信号から前記特定の測定要素の部分の検出信号のみを前記位置情報に基づいて抽出するステップと、
   前記抽出された検出信号に基づいて前記ワークの性状データを生成し出力するステップと
   を備えたことを特徴とする非接触三次元測定方法。
2. 前記測定ルートを生成するステップは、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方法。
3. 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ステップを更に備えた請求項２に記載の非接触三次元測定方法。
4. 前記測定ルートを生成するステップは、撮像され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方法。

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