JP4864734B2 - Optical displacement sensor and displacement measuring apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、被測定物の光(ビーム)を当てて走査しつつその反射光を受けることにより、被測定物の表面の変位を三角測量するのに用いられる光変位センサー及びそれを用いた変位測定装置に関する。特に、本発明は、正反射光及び乱反射光を利用して走査方向に傾斜する被測定物の表面の変位を測定できる技術に係る。 The present invention relates to an optical displacement sensor used to triangulate the displacement of the surface of the object to be measured by applying the light (beam) of the object to be measured and receiving the reflected light, and the displacement using the optical displacement sensor. It relates to a measuring device. In particular, the present invention relates to a technique that can measure the displacement of the surface of an object to be measured that is inclined in the scanning direction using regular reflection light and irregular reflection light.
光源により被測定物に斜め方向から光(ビーム)を照射して、被測定物からの正反射光(照射した地点における垂直線に対する照射角と同じ角度で反対側へ反射するビーム)三角測量により変位測定する装置においては、被測定物の傾斜面における測定精度に弱点があり、これを克服すべく、同時に照射地点から垂直の方向に反射する乱反射光を捕捉して測定する技術があった(特許文献1)。 By irradiating the object to be measured from an oblique direction with a light source, the specularly reflected light from the object to be measured (a beam reflected to the opposite side at the same angle as the irradiation angle with respect to the vertical line at the irradiated point) by triangulation The displacement measurement device has a weak point in the measurement accuracy on the inclined surface of the object to be measured, and in order to overcome this, there has been a technique for capturing and measuring irregularly reflected light reflected in the vertical direction from the irradiation point at the same time ( Patent Document 1).
特許文献1の技術は、正反射光と乱反射光とをそれぞれ異なるPSD(Position Sensitive Detector)で同時に、変位情報及び光量を検出して、光量の大きさを比較して良好な変位情報を用いて、測定する技術である。
The technique of
上記の特許文献1の技術によれば、被測定物の傾斜している表面の変位を測定することができるが、まだ、垂直線に対して光源と反対側のほうの被測定物の傾斜、つまり陰になる部分の測定には不十分なものがあった。例えば、基板に印刷されたはんだ(クリームはんだ)の量(例えば体積)を異なる方向から測定した場合、その測定の方向によって、陰になる部分があるため異なる体積値を示す傾向があった。
According to the technique of
本発明の目的は、照射角度の異なる複数の光源により正反射光と乱反射光を受け、正反射光だけでは求めにくい陰の部分の変位測定精度を改善できる技術を提供する。 An object of the present invention is to provide a technology that can receive regular reflection light and irregular reflection light from a plurality of light sources having different irradiation angles and improve the displacement measurement accuracy of a shadow portion that is difficult to obtain with only regular reflection light.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、被測定物の表面の対象位置を照射する第1の光源(OS1)と、前記対象位置にて該第1の光源の第1の光軸に対して第1の角度θ1で形成される第1の散乱光路上に配置された第1の受光手段(D1)と、該第1の光軸に対して該第1の散乱光路と反対側に第2の角度θ2で形成される第2の散乱光路上に配置された第2の受光手段(D2)と、該第1の光軸に対して斜めの角度θ3で前記対象位置を照射する第2の光源(OS2)と、該対象位置にて該第2の光源の第2の光軸に対して第3の角度2θ3で形成される正反射光路上に配置された第3の受光手段(D3)と、を相互の位置を定めて一つの筐体内に備え、前記第1の受光手段、前記第2の受光手段及び前記第3の受光手段のそれぞれは、所定長さの受光面を有し、該所定長さ方向における受光位置に応じて光変位情報を検出する位置検出器であって、前記第1の光軸、前記第2の光源の光軸、前記第1の散乱光路、前記第2の散乱光路及び正反射光路を含む平面内で、前記所定長さ方向を該平面に沿うように配置されており、さらに、前記第1の角度θ1、前記第2の角度θ2と前記第3の角度2θ3は同一になるよう構成され、前記第1の受光手段が前記第1の散乱光路となす角度(α1)、第2の受光手段が前記第2の散乱光路となす角度(α2)及び第3の受光手段が前記正反射光路となす角度(α3)が同一になるように構成した。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2記載の発明は、被測定物の表面の対象位置を照射する第1の光源(OS1)と、前記対象位置にて該第1の光源の第1の光軸に対して第1の角度θ1で形成される第1の散乱光路上に配置された第1の受光手段(D1)と、該第1の光軸に対して該第1の散乱光路と反対側に第2の角度θ2で形成される第2の散乱光路上に配置された第2の受光手段(D2)と、該第1の光軸に対して斜めの角度θ3で前記対象位置を照射する第2の光源(OS2)と、該対象位置にて該第2の光源の第2の光軸に対して第3の角度2θ3で形成される正反射光路上に配置された第3の受光手段(D3)と、を相互の位置を定めて一つの筐体内に備え、前記第1の受光手段、前記第2の受光手段及び前記第3の受光手段のそれぞれは、所定長さの受光面を有し、該所定長さ方向における受光位置に応じて光変位情報を検出する位置検出器であって、前記第1の光軸、前記第2の光源の光軸、前記第1の散乱光路、前記第2の散乱光路及び正反射光路を含む平面内で、前記所定長さ方向を該平面に沿うように配置されており、さらに、前記第1の散乱光路上で、所定距離L1nにおいて前記対象位置からの前記第1の角度θ1を軸とした散乱光を集め、所定距離L1mに離れた前記第1の受光手段に結像させる第1の集光機能素子(K1)と、前記第2の散乱光路上で、所定距離L2nにおいて前記対象位置からの前記第2の角度θ2を軸とした散乱光を集め、所定距離L2mに離れた前記第2の受光手段に結像させる第2の集光機能素子(K2)と、前記正反射光路上で、所定距離L3nにおいて前記対象位置からの前記第3の角度θ3を軸とした正反射光を集め、所定距離L3mに離れた第3の受光手段に結像させる第3の集光機能素子(K3)とを備え、前記第1の受光手段が前記第1の散乱光路となす角度α1がtan ―1 (L1n/L1m×tanθ1)、第2の受光手段が前記第2の散乱光路となす角度α2がtan ―1 (L2n/L2m×tanθ2)及び前記第3の受光手段が前記正反射光路となす角度α3がtan ―1 (L3n/L3m×tan2θ3)になる配置にされ、前記所定距離の比L1n/L1m、L2n/L2m及びL3n/L3mが同一値で、前記第1の角度θ1、前記第2の角度θ2及び前記第3の角度2θ3が同一値である構成とした。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a first light source (OS1) for irradiating a target position on the surface of the object to be measured, and a first optical axis of the first light source at the target position. A first light receiving means (D1) disposed on a first scattered light path formed at an angle θ1, and a second angle θ2 opposite to the first scattered light path with respect to the first optical axis; And a second light source (OS2) that irradiates the target position at an oblique angle θ3 with respect to the first optical axis. And a third light receiving means (D3) disposed on a regular reflection optical path formed at a third angle 2θ3 with respect to the second optical axis of the second light source at the target position. provided in one casing defining a position of mutual, the first light receiving means, wherein each of the second light receiving means and the third light receiving means, receiving the predetermined length A position detector that detects light displacement information in accordance with a light receiving position in the predetermined length direction, wherein the first optical axis, the optical axis of the second light source, and the first scattered light path The predetermined length direction is arranged along the plane in a plane including the second scattered light path and the regular reflection optical path, and further, the predetermined distance L1n is set on the first scattered light path. A first light-condensing function element (K1) that collects scattered light from the target position with the first angle θ1 as an axis and forms an image on the first light-receiving means separated by a predetermined distance L1m; and the second A second collection of scattered light having the second angle θ2 from the target position as an axis at a predetermined distance L2n and forming an image on the second light receiving means separated by a predetermined distance L2m. An optical functional element (K2) and a predetermined distance L3n on the regular reflection optical path. A third condensing function element (K3) that collects specularly reflected light from the target position with the third angle θ3 as an axis and forms an image on a third light receiving means separated by a predetermined distance L3m. The angle α1 formed by the first light receiving unit with the first scattered light path is tan −1 (L1n / L1m × tan θ1), and the angle α2 formed by the second light receiving unit with the second scattered light path is tan −1. (L2n / L2m × tan θ2) and an angle α3 formed by the third light receiving unit with the specular reflection optical path are arranged to be tan −1 (L3n / L3m × tan2θ3), and the predetermined distance ratios L1n / L1m, L2n / L2m and L3n / L3m have the same value, and the first angle θ1, the second angle θ2, and the third angle 2θ3 have the same value.
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の光変位センサー(2)と、前記被測定物の位置に対して該光変位センサーを前記平面と平行な方向へ相対的に走査させる走査機構(7)と、前記第1の受光手段の出力と前記第2の受光手段の出力との和と、前記第3の受光手段の出力を基に、前記被測定物の表面の変位を求める測定部(100)と、を備えた。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the optical displacement sensor (2) according to the first or second aspect, and scanning for causing the optical displacement sensor to scan in a direction parallel to the plane with respect to the position of the object to be measured. Based on the mechanism (7), the sum of the output of the first light receiving means and the output of the second light receiving means, and the output of the third light receiving means, the displacement of the surface of the object to be measured is obtained. And a measurement unit (100) .
請求項4の発明は、請求項3に記載の発明において、前記光変位センサーにおける、前記第1の光源が照射する光の波長と前記第2の光源が照射する光の波長とは、同一にされていて、さらに、前記走査機構が前記光変位センサーを被測定物の対象位置を照射させるとき、同一の前記対象位置で、前記第1の光源による照射と前記第2の光源による照射とを切り換える構成とした。 According to a fourth aspect of the present invention, in the invention of the third aspect, in the optical displacement sensor, the wavelength of the light emitted by the first light source and the wavelength of the light emitted by the second light source are the same. Furthermore, when the scanning mechanism causes the optical displacement sensor to irradiate the target position of the object to be measured, the irradiation by the first light source and the irradiation by the second light source are performed at the same target position. It was set as the structure switched.
請求項1、2又は3に記載の発明は、三角測量における正反射光による変位測定と、互いに相反する方向への乱反射光による変位測定とを行える構成であるから、第1の光軸に直交する平面、或いはその平面に対して傾斜する面における変位の測定が可能となり、さらに請求項1に記載の発明によれば、各受光手段同士が同じ感度で測定可能であり、請求項2に記載の発明によれば、各受光手段において、それぞれの測定範囲(変位の範囲)でほぼ同じ感度で測定可能である。
Since the invention according to
本発明の実施形態を図を用いて説明する。図1は本発明に係る光変位センサーの実施形態を説明するための模式的な構成図である。図2は図1の各要素の位置関係を説明するための図である。図3は、図1の各受光手段が検出する光量について説明するための図である。図4は図1の光変位センサーの実施形態を用いた測定部の実施形態を示す図である。図5は図4の測定部を用いた検査装置の実施形態を示す図である。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram for explaining an embodiment of an optical displacement sensor according to the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining the positional relationship between the elements in FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining the amount of light detected by each light receiving means in FIG. FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a measurement unit using the embodiment of the optical displacement sensor of FIG. FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of an inspection apparatus using the measurement unit of FIG.
[光変位センサー]
図1で、光変位センサー2は、一枚の板状の基板あるいは平板上の基台(以下、「基台」と言う。)に、被測定部物の表面の対象位置を照射する第1の光源OS1と、対象位置にて該第1の光軸に対して第1の角度θ1で形成される第1の散乱光路上に配置された第1の受光手段D1と、第1の光軸に対して第1の光路と反対側に第2の角度θ2で形成される第2の散乱光路上に配置された第2の受光手段D2と、第1の光軸に対して斜めの角度θ3で対象位置を照射する第2の光源OS2と、対象位置にて第2の光源の第2の光軸に対して第3の角度2θ3で形成される正反射光路上に配置された第3の受光手段D3と、を備え、互いの位置関係を固定して、一体的に1筐体を形成するように備えている。それは、図1に示すように被測定物1の表面を光変位センサー2は、基台の面に平行な方向(図面に向かって左右方向)に要素間の位置関係を保持したまま移動して走査できるようにするためである。
[Optical displacement sensor]
In FIG. 1, the
図1で、第1の光源OS1は、例えば、レーザであって、被測定物1の面(この面は、被測定物1の詳細部位における面ではなく、全体的な方向性を示す面)に対して垂直方向に光(ビーム)を照射する。つまり第1の光軸は被測定物1の面に垂直である。第2の光源OS2は、例えば、レーザであって、第1の光軸に対して図1の右方向から(左からでも良い)角度θ3で交叉するように光(ビーム)を照射する。この交叉する位置が測定しようとする被測定物1の対象位置である。第1の光源OS1から対象位置までの第1の照射光路、及び第2の光源OS2から対象位置までの第2の照射光路のそれぞれには、図示しないが、各光源からの光を集光して平行光に変換するコリメータレンズ、更にその平行光を対象位置へ集光させる集光レンズを備えても良い(つまり、この場合、対象位置は、第1の光源OS1及び後記の第2の光源OS2のそれぞれからの光が集光される位置でもある。)。また、第1の光源OS1と第2の光源OS2とは、同一波長の場合は、同一光源から分岐して取り出した光であっても良い。
In FIG. 1, the first light source OS1 is, for example, a laser, and the surface of the device under test 1 (this surface is not a surface of the detailed portion of the device under
被測定物1上の照射位置(対象位置)において、第1の光軸に対して左に角度θ1を成した位置(第1の散乱光路上の位置)に第1の受光手段D1が配置され、第1の光軸に対して右に角度θ2を成した位置(第2の散乱光路上の位置)に第2の受光手段D2が配置されている。第1の受光手段D1及び第2の受光手段D2は、第1の光源OS1が照射した光によって反射された反射光の内、それぞれ角度θ1、角度θ2で乱反射した光(ビーム)を受光する。第3の受光手段D3は、第2の光源OS2の第2の光軸に対して角度2θ3を成す光路上(正反射光路上)で正反射した光(ビーム)を受光する。
In the irradiation position (target position) on the
第1の光源OS1,第1の受光手段D1及び第2の受光手段D2を用いた乱反射による変位測定系は、被測定物1の面が傾斜を有するときに有効であり、第2の光源OS2,及び第3の受光手段D3を用いた正反射による変位測定系は、被測定物1の面が平坦であるときに有効である。したがって、角度θ3は角度θ1或いは角度θ2より小さい方が好ましい。また、はんだが印刷されたプリント基板は、光沢の弱く、主に凸凹の多いはんだ面と、光沢の強く主に平坦なレジスト面に分けられるが、前者は乱反射変位測定系により、後者は反射変位測定系により測定することが望ましい。
The displacement measurement system by irregular reflection using the first light source OS1, the first light receiving means D1, and the second light receiving means D2 is effective when the surface of the
正反射光と乱反射光の相互干渉を避けるため、第1の光源OS1,第1の受光手段D1及び第2の受光手段D2を用いた乱反射変位測定系の変位測定動作と、第2の光源OS2,及び第3の受光手段D3を用いた正反射変位測定系による変位測定動作とは、別々の波長で同時に行うか、或いは同一波長で交互にタイムシェアリングで行う。別々な波長で行う場合は、第1の受光手段D1及び第2の受光手段D2と、第3の受光手段D3とにそれぞれが受光する波長を通過させ、他の波長を遮る光学フィルターを挿入する必要がある。 In order to avoid mutual interference between the regular reflection light and the irregular reflection light, the displacement measurement operation of the irregular reflection displacement measurement system using the first light source OS1, the first light receiving means D1 and the second light receiving means D2, and the second light source OS2 , And the displacement measurement operation by the specular reflection displacement measurement system using the third light receiving means D3 are performed simultaneously at different wavelengths or alternately by time sharing at the same wavelength. In the case of using different wavelengths, an optical filter that inserts wavelengths received by each of the first light receiving means D1, the second light receiving means D2, and the third light receiving means D3 and blocks other wavelengths is inserted. There is a need.
図3は、図3(A)に示す被測定物1として平面に反射強度の強いレジスト領域1aと、斜面と平坦部を有し反射強度の弱いはんだ領域1bとを有するプリント基板の変位を測定する例であって、図3(B)〜(D)は走査して測定したときの各受光手段の光量を模擬的に示したものである。図3(B)〜(D)に示されるように、はんだ領域1bに傾斜があっても、いずれかの受光手段で受光できる、つまり、変位を測定できることを示している。
FIG. 3 shows the displacement of a printed circuit board having a
図2では、さらに、第1の受光手段D1と対象位置との間の第1の乱反射光路、第2の受光手段D2と対象位置との間の第2の乱反射光路、及び第3の受光手段D3と対象位置との間の正反射光路のそれぞれには、対象位置から各反射光を集光して平行光に変換するコリメータレンズと、更にその平行光を対象位置へ集光して結像させる集光レンズとを備えた集光機能素子K1,K2、K3を備えている。ここでは「集光機能素子」と言う表現を用いているが、基本的には各反射光(ビーム)を集光して各受光手段へ結像させる機能であり、これと同一機能を単一のレンズ或いは複数のレンズで達成できることから、それら全体を表すための表現である。そして、図1のように、各集光機能素子K1,K2,K3のそれぞれが配置された光軸を中心として反射光を平行光に変換する位置までの距離をL1n、L2n、L3nとし、各受光手段へ集光させるまでの距離をL1m、L2m及びL3mとする。集光機能素子K1,K2、K3が平行光として維持している距離(集光機能素子の長さ)は、各受光素子の対象位置に対する位置を決めるのに用いられる。 In FIG. 2, the first irregular reflection optical path between the first light receiving means D1 and the target position, the second irregular reflection optical path between the second light receiving means D2 and the target position, and the third light receiving means. In each of the regular reflection optical paths between D3 and the target position, a collimator lens that collects each reflected light from the target position and converts it into parallel light, and further collects the parallel light at the target position to form an image. Condensing functional elements K1, K2, and K3 including a condensing lens to be provided. Here, the expression “condensing functional element” is used, but it is basically a function that condenses each reflected light (beam) and forms an image on each light receiving means. This is an expression for representing all of them because it can be achieved with a lens or a plurality of lenses. As shown in FIG. 1, the distances to the positions where the reflected light is converted into parallel light around the optical axis where each of the light condensing functional elements K1, K2, and K3 is arranged are L1n, L2n, and L3n. L1m, L2m, and L3m are distances until the light receiving means collects light. The distance (the length of the light condensing function element) that the light condensing function elements K1, K2, and K3 maintain as parallel light is used to determine the position of each light receiving element with respect to the target position.
また、第1の受光手段D1、第2の受光手段D2及び第3の受光手段D3のそれぞれは、所定長さの受光面を有し、該所定長さ方向における受光位置に応じて光変位情報を検出する位置検出器(PSD)が用いられている。PSDは、長さ方向に光検出素子が配置され、その長さ方向の両端からの位置を示す情報としてそれらの各端部から出力A、出力Bが出力されるとその変位情報は(A−B)/(A+B)で示される。また、併せて、各受光手段は光量情報を出力する。PSDは、光学的に変位を測定し電気信号に変換する素子であり、フォトダイオードで構成されても良いし、CCDで構成されても良い。 Each of the first light receiving means D1, the second light receiving means D2, and the third light receiving means D3 has a light receiving surface with a predetermined length, and the optical displacement information according to the light receiving position in the predetermined length direction. A position detector (PSD) is used to detect. In the PSD, the light detection elements are arranged in the length direction, and when the output A and the output B are output from each end as information indicating the positions from both ends in the length direction, the displacement information is (A− B) / (A + B). In addition, each light receiving means outputs light quantity information. The PSD is an element that optically measures displacement and converts it into an electrical signal, and may be composed of a photodiode or a CCD.
そして、第1の受光手段D1が第1の散乱光路となす角度α1、第2の受光手段が第2の散乱光路となす角度α2及び第3の受光手段が前記正反射光路となす角度α3とに設定される。これらの角度は、感度調整のために設定される。 An angle α1 formed by the first light receiving unit D1 with the first scattered light path, an angle α2 formed by the second light receiving unit with the second scattered light path, and an angle α3 formed by the third light receiving unit with the specularly reflected light path, Set to These angles are set for sensitivity adjustment.
本実施形態では、上記第1の受光手段D1が第1の散乱光路となす角度α1がtan―1(L1n/L1m×tanθ1)、第2の受光手段D2が第2の散乱光路となす角度α2がtan―1(L2n/L2m×tanθ2)、及び第3の受光手段D3が正反射光路となす角度α3がtan―1(L3n/L3m×tan2θ3)になる配置にしていることにより、各受光手段は、その長さ方向における光をセンシングする感度がほぼ同じ感度、つまり受光手段の長さ方向(センシングする素子が配列されている方向)の感度の差を軽減して測定することができる。 In the present embodiment, the angle α1 formed by the first light receiving unit D1 with the first scattered light path is tan −1 (L1n / L1m × tan θ1), and the angle α2 formed by the second light receiving unit D2 with the second scattered light path. Tan −1 (L2n / L2m × tan θ2) and the angle α3 formed by the third light receiving means D3 with the regular reflection optical path is tan −1 (L3n / L3m × tan2θ3). Can be measured while reducing the difference in sensitivity in the length direction of the light receiving means (direction in which the sensing elements are arranged).
これらの基になる原理は、シャインプルークの原理(Scheimpflug Principle)と呼ばれ、ある像をレンズで被写体面へ写すとき、像の面とレンズの面と被写体の面の3つの面のそれぞれの延長線が同一点で交われば、像の面全体でピントが合うとされているものである。本実施形態では、図2に示すようにこの条件を利用して、3つの受光手段における感度を適切に合わせている。図2において、範囲Rが、被測定物1の測定可能な変位範囲を示し、受光手段D(各受光手段D1,D2,D3を代表する。)の長さ方向の面を示す。範囲Rの延長線(この場合は、光源からの光軸と同じ)と、集光機能素子K(各集光機能素子K1,K2,K3を代表する。)の面の延長線と、受光手段Dの面の延長線とが一点で交わるように、配置構成することにより、ピントの合った、つまり、受光手段の長さ方向において(いわば範囲R全体において)、適切な感度で変位測定ができる。
These underlying principles are called Scheimpflug Principles, and when an image is projected onto a subject surface with a lens, each of the three surfaces of the image surface, the lens surface and the subject surface is extended. If the lines meet at the same point, the entire surface of the image is said to be in focus. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the sensitivity of the three light receiving means is appropriately adjusted using this condition. In FIG. 2, a range R indicates a measurable displacement range of the
そして、上記式で、さらに、距離の比L1n/L1m、L2n/L2m及びL3n/L3mが同一値で、第1の角度θ1、第2の角度θ2及び第3の角度2θ3が同一値(θ)であることにより、範囲Rに対して角度α1、角度α2及び角度α3も同じ値(α)になり、受光手段間の感度の差も少なくして測定することができる。 In the above formula, the distance ratios L1n / L1m, L2n / L2m, and L3n / L3m have the same value, and the first angle θ1, the second angle θ2, and the third angle 2θ3 have the same value (θ). Therefore, the angle α1, the angle α2, and the angle α3 with respect to the range R also have the same value (α), and the difference in sensitivity between the light receiving means can be reduced for measurement.
なお、上記式で、距離の比L1n/L1m、L2n/L2m及びL3n/L3mが同一値であるか無いかに関わらず、第1の角度θ1、第2の角度θ2及び第3の角度2θ3を同一値(θ)とし、角度α1、角度α2及び角度α3も同一値(α)として配置することにより、受光手段内部ではピントの合うところと合わないところが出るが、受光手段間の感度のバラツキは抑えることができる。なお、本発明における距離や角度は、測定範囲におけるほぼセンターの値で説明している。 In the above formula, the first angle θ1, the second angle θ2, and the third angle 2θ3 are the same regardless of whether the distance ratios L1n / L1m, L2n / L2m, and L3n / L3m have the same value. If the angle α1, the angle α2, and the angle α3 are also set to the same value (α) by setting the value (θ), the in-focus portion and the out-of-focus portion are generated inside the light-receiving device, but the sensitivity variation between the light-receiving devices is suppressed. be able to. In addition, the distance and angle in the present invention are described by the value of the approximate center in the measurement range.
以上のように、光変位センサー2は、対称な2つの方向の乱反射を利用した乱反射変位測定系を用いていること、その乱反射変位測定系と正反射変位測定系とで分かれており、互いの干渉の無い状態で測定できること、さらに、第1の角度θ1、第2の角度θ2及び第3の角度2θ3が同一値(θ)であるため、各変位計測を同じ感度にすることができるので、被測定物1の反射率に関係無く感度補正無しで、正反射の陰の部分も測定でき、乱反射変位測定系と正反射変位測定系とでの変位測定の差を軽減して、精度の高い測定ができる。
As described above, the
[測定部の構成]
上記の光変位センサー2を用いた変位測定を行う測定部100の実施形態について図4を基に説明する。
図4で、走査機構7は、モータ等の駆動源及びベルト等の駆動機構を有し、被測定部1,もしくは光変位センサー2、或いはそれらの双方を移動させて走査させる。図1に示すように光変位センサー2の平面方向、つまり、第1の受光手段D1等の各要素が配列された配列方向へ主走査させながら変位測定をさせ、次にその配列方向と直交方向に移動して(副走査)して、そこから主走査して変位測定を行う。この動作を繰り返すことにより、被測定物1の、所望範囲についての変位測定を行わせる。
[Configuration of measurement unit]
An embodiment of the measurement unit 100 that performs displacement measurement using the
In FIG. 4, the
制御部8は、パネル等(不図示)からの指示により例えば、はんだが印刷されたプリント基板の所望測定範囲の指示を受け、その所望範囲についての走査指示を走査機構7へ送って上記のように走査させる。走査にあたっては、第1の光源OS1と第2の光源OS2が同一波長の光源を利用した場合は、被測定物1上の同一の走査位置(対象位置)で第1の光源OS1と第2の光源OS2を交互に切り替える構成とする。異なる波長の光源を利用した場合は、必ずしも切り替える必要はなく、同時に出力させる構成としても良い。
In response to an instruction from a panel or the like (not shown), for example, the
加算器3は、第1の受光手段D1の出力A1と第2の受光手段D2の出力A2を受けてそれらを加算し、その結果Ax=A1+A2を出力する。加算器4は、第1の受光手段D1の出力B1と第2の受光手段D2の出力B2を受けてそれらを加算し、その結果Bx=B1+B2を出力する。演算器5は、それらを基に乱反射による変位情報L1=(Ax−Bx)/(Ax+Bx)を求める。また、演算器5は、第3の受光手段D3からの出力を受けて正反射による変位情報L2=(A3−B3)/(A3+B3)を求める。このとき、演算器5は、それぞれの受光手段から光量情報を受けており、乱反射変位測定系による光量と正反射変位測定系による光量の大きさを比較し、光量の大きい方の変位測定系の変位情報を求めた変位情報として画像処理部6へ出力する。そうすることにより、図3のように各受光手段における受光光量が異なっても、より光量の高い方の変位情報を利用できる。
The
なお、乱反射変位測定系による光量と正反射変位測定系による光量の大きさを比較し、光量の大きい方の変位測定系の変位情報を選択するにあたっては、本出願人が出願した特許3817232号公報に示される手順を採用しても良い。つまり、乱反射変位測定系による光量、正反射変位測定系による光量のうち、所定の下限閾値以上、かつ所定の上限閾値以下の光量を採用して、一方の光量だけが採用された場合は、その採用された光量に該当する変位測定系の変位情報を測定値とし、双方の光量が採用された場合は、双方の光量を比較し、光量の高い方の変位測定系の変位情報を測定値として出力し、或いは画像処理部6へ送る。なお、変位情報を得るだけであれば、演算器5の出力を制御部8からの位置情報に対してプロットすることにより得られる。
When comparing the amount of light by the irregular reflection displacement measurement system and the amount of light by the regular reflection displacement measurement system and selecting the displacement information of the displacement measurement system having the larger light amount, Japanese Patent No. 3817232 filed by the present applicant. You may employ | adopt the procedure shown by. In other words, out of the amount of light by the diffuse reflection displacement measurement system and the amount of light by the regular reflection displacement measurement system, when a light amount not less than a predetermined lower limit threshold and not more than a predetermined upper limit threshold is employed, and only one light amount is employed, The displacement information of the displacement measurement system corresponding to the adopted light quantity is taken as the measurement value. When both light quantities are adopted, the light quantity of both is compared, and the displacement information of the displacement measurement system with the higher light quantity is taken as the measurement value. Output or send to the
画像処理部6は、制御部8から被測定物1のレイアウト情報(配置図)と走査して測定しているときの位置情報とを受け、演算器5からその位置情報における変位情報を受けて、レイアウト上に変位情報に応じて量的な形状を表す立体画像を形成することにより、画像として再現出力する。
The
なお、被測定物1が、図3(A)に示すような、クリームはんだが印刷されたプリント基板であって、光沢の弱く、主に凸凹の多いはんだ面と、光沢の強く主に平坦なレジスト面に分けられるような場合は、画像処理部6は、交互に測定されて演算器5で求められた、乱反射変位測定系による測定された変位情報L1及び正反射変位測定系により測定された変位情報L2を基に、それぞれの画像を生成し、演算器5が双方の光量を比較して、暗いと判断された方のその位置の画像を削除し、そして重ね合わせて作成する方法でもよい。
典型的な例で言えば、乱反射による変位情報L1で作成された画像から、レジスト面の画像(この画像に相当する変位情報L1)を削除し、正反射による変位情報L2で作成された画像から、はんだ面の画像を(この画像に相当する変位情報L2)を削除し、削除された双方の画像を重ねることで、目的の画像が得ることができる。
上記説明のいずれの手法も、下記説明の形状検査装置に適用可能である。
In addition, the
In a typical example, the image on the resist surface (displacement information L1 corresponding to this image) is deleted from the image created with the displacement information L1 due to irregular reflection, and the image created with the displacement information L2 due to regular reflection is used. The target image can be obtained by deleting the image of the solder surface (displacement information L2 corresponding to this image) and superimposing both deleted images.
Any of the methods described above can be applied to the shape inspection apparatus described below.
[形状検査装置]
図5を基に、上記説明した光変位センサー2を使用した図4の測定部100(変位測定装置)を利用して被測定物の表面の変位を検査する形状検査装置に利用した実施形態について説明する。本実施形態は、例えば、プリント基板にクリームはんだを印刷したときの、斜面を含む形状のはんだの状態の良否判定に利用できる。図5において、制御部12,比較手段9、判定手段10及び表示手段11は、検査部200を構成している。なお、制御部12は、図4の制御部8を含む。
[Shape inspection device]
Based on FIG. 5, an embodiment used for a shape inspection apparatus that inspects the displacement of the surface of the object to be measured using the measurement unit 100 (displacement measurement apparatus) of FIG. 4 using the
画像処理部6(図4のものと同じ)は、演算器5の出力と制御部12からの被測定物の測定点の位置(座標)とから測定したエリア(測定点の集合領域:例えば、プリント基板上に印刷されたクリームはんだ面)における面積(例えば、はんだ印刷された面積)や体積(例えば、はんだ量)を表す画像データを生成する。比較手段9は、制御部12からそのエリアにおける、設計値等をレファレンス(面積や体積)として受けて、画像データとレファレンスとの差を演算し出力する。なお、画像データに変換することなく、その測定点において測定した変位(高さ:例えば、はんだの高さ)とレファレンス(この場合は、例えば、測定点における設計上の高さ)との差を出力しても良い。
The image processing unit 6 (same as that shown in FIG. 4) is an area (measuring region of measurement points: for example, an area measured from the output of the computing unit 5 and the position (coordinates) of the measurement points of the measurement object from the
判定手段10は、レファレンスに対応する許容値を制御部12から受けて、比較手段9からの出力と比較し、比較手段9の出力が、許容値内であれば合格とし、許容値外であれば不良(否)と判定する。
The
表示手段11は、判定手段10の判定結果を表示する。また、制御部12からレイアウト情報(例えば、プリント基板のはんだ箇所の配置図)を受けて表示し、レイアウトのどの位置におけるはんだが不良(否)であり、合格であるかを識別可能に表示してもよい。また、それらと別に或いは併せて、画像処理部6で生成した画像データに基づく画像を表示させて、どの箇所のはんだ状態が不良であり、合格であるかを識別可能に表示させることもできる。
The
上記の光変位センサー2を用いて被測定物の表面形状を検査すると、単に頂点やフラット部分のならず傾斜部分の形状も含めて良否判定の検査ができる。
When the surface shape of the object to be measured is inspected using the
上記説明において、被測定物における測定対象として図3(A)のように被測定物1の表面の凸部で傾斜とその頂点が、本実施形態で変位測定できる旨を説明したが、反対に凹部であっても、その凹部の開口の広さにもよるがその傾斜部と底部の変位を測定できる。 In the above description, the measurement object in the object to be measured has been explained that the inclination and the apex of the convex part on the surface of the object to be measured 1 can be measured in this embodiment as shown in FIG. Even in the case of a recess, the displacement of the inclined portion and the bottom portion can be measured depending on the size of the opening of the recess.
1 被測定物、 2 光変位センサー、 3 加算器、4 加算器、5 演算器、
6 画像処理部、7 走査機構、8 制御部、9 比較手段、10 判定手段、
11 表示手段、12 制御部、100 測定部、200 検査部
D1 第1の受光手段、D2 第2の受光手段、D3 第3の受光手段、
K1,K2,K3 集光機能素子、
L1 乱反射による変位情報
L2 正反射による変位情報
OS1 第1の光源、OS2 第2の光源、
R 範囲
1 object to be measured, 2 optical displacement sensor, 3 adder, 4 adder, 5 arithmetic unit,
6 image processing unit, 7 scanning mechanism, 8 control unit, 9 comparison unit, 10 determination unit,
11 display means, 12 control section, 100 measuring section, 200 inspection section D1 first light receiving means, D2 second light receiving means, D3 third light receiving means,
K1, K2, K3 Condensing functional element,
L1 Displacement information by diffuse reflection L2 Displacement information by regular reflection OS1 first light source, OS2 second light source,
R range
Claims (4)
前記第1の受光手段、前記第2の受光手段及び前記第3の受光手段のそれぞれは、所定長さの受光面を有し、該所定長さ方向における受光位置に応じて光変位情報を検出する位置検出器であって、前記第1の光軸、前記第2の光源の光軸、前記第1の散乱光路、前記第2の散乱光路及び正反射光路を含む平面内で、前記所定長さ方向を該平面に沿うように配置されており、
さらに、
前記第1の角度θ1、前記第2の角度θ2と前記第3の角度2θ3は同一になるよう構成され、
前記第1の受光手段が前記第1の散乱光路となす角度(α1)、第2の受光手段が前記第2の散乱光路となす角度(α2)及び第3の受光手段が前記正反射光路となす角度(α3)が同一になるように構成されることを特徴とする光変位センサー。 A first light source (OS1) that irradiates the target position on the surface of the object to be measured, and a first angle formed at a first angle θ1 with respect to the first optical axis of the first light source at the target position. First light receiving means (D1) disposed on the scattered light path, and a second scattering formed at a second angle θ2 on the opposite side of the first scattered light path with respect to the first optical axis. A second light receiving means (D2) disposed on the optical path, a second light source (OS2) that irradiates the target position at an oblique angle θ3 with respect to the first optical axis, and the target position The third light receiving means (D3) disposed on the specular reflection optical path formed at the third angle 2θ3 with respect to the second optical axis of the second light source is positioned with respect to each other, and Prepare in the housing ,
Each of the first light receiving means, the second light receiving means, and the third light receiving means has a light receiving surface having a predetermined length, and detects optical displacement information according to the light receiving position in the predetermined length direction. A position detector, wherein the predetermined length is within a plane including the first optical axis, the optical axis of the second light source, the first scattered light path, the second scattered light path, and the specularly reflected light path. It is arranged so that the direction is along the plane,
further,
The first angle θ1, the second angle θ2, and the third angle 2θ3 are configured to be the same,
The angle (α1) formed by the first light receiving unit with the first scattered light path, the angle (α2) formed by the second light receiving unit with the second scattered light path, and the third light receiving unit with the specularly reflected light path. An optical displacement sensor characterized in that the formed angles (α3) are the same .
前記第1の受光手段、前記第2の受光手段及び前記第3の受光手段のそれぞれは、所定長さの受光面を有し、該所定長さ方向における受光位置に応じて光変位情報を検出する位置検出器であって、前記第1の光軸、前記第2の光源の光軸、前記第1の散乱光路、前記第2の散乱光路及び正反射光路を含む平面内で、前記所定長さ方向を該平面に沿うように配置されており、
さらに、
前記第1の散乱光路上で、所定距離L1nにおいて前記対象位置からの前記第1の角度θ1を軸とした散乱光を集め、所定距離L1mに離れた前記第1の受光手段に結像させる第1の集光機能素子(K1)と、前記第2の散乱光路上で、所定距離L2nにおいて前記対象位置からの前記第2の角度θ2を軸とした散乱光を集め、所定距離L2mに離れた前記第2の受光手段に結像させる第2の集光機能素子(K2)と、前記正反射光路上で、所定距離L3nにおいて前記対象位置からの前記第3の角度θ3を軸とした正反射光を集め、所定距離L3mに離れた第3の受光手段に結像させる第3の集光機能素子(K3)とを備え、前記第1の受光手段が前記第1の散乱光路となす角度α1がtan ―1 (L1n/L1m×tanθ1)、第2の受光手段が前記第2の散乱光路となす角度α2がtan ―1 (L2n/L2m×tanθ2)及び前記第3の受光手段が前記正反射光路となす角度α3がtan ―1 (L3n/L3m×tan2θ3)になる配置にされ、
前記所定距離の比L1n/L1m、L2n/L2m及びL3n/L3mが同一値で、前記第1の角度θ1、前記第2の角度θ2及び前記第3の角度2θ3が同一値であることを特徴とする光変位センサー。 A first light source (OS1) that irradiates the target position on the surface of the object to be measured, and a first angle formed at a first angle θ1 with respect to the first optical axis of the first light source at the target position. First light receiving means (D1) disposed on the scattered light path, and a second scattering formed at a second angle θ2 on the opposite side of the first scattered light path with respect to the first optical axis. A second light receiving means (D2) disposed on the optical path, a second light source (OS2) that irradiates the target position at an oblique angle θ3 with respect to the first optical axis, and the target position The third light receiving means (D3) disposed on the specular reflection optical path formed at the third angle 2θ3 with respect to the second optical axis of the second light source is positioned with respect to each other, and Prepare in the housing,
Each of the first light receiving means, the second light receiving means, and the third light receiving means has a light receiving surface having a predetermined length, and detects optical displacement information according to the light receiving position in the predetermined length direction. A position detector, wherein the predetermined length is within a plane including the first optical axis, the optical axis of the second light source, the first scattered light path, the second scattered light path, and the specularly reflected light path. It is arranged so that the direction is along the plane,
further,
On the first scattered light path, the scattered light having the first angle θ1 as the axis from the target position at a predetermined distance L1n is collected and imaged on the first light receiving means separated by the predetermined distance L1m. The scattered light having the second angle θ2 as the axis from the target position is collected at a predetermined distance L2n on the second light collecting functional element (K1) and the second scattered light path, and separated by a predetermined distance L2m A second light-condensing functional element (K2) that forms an image on the second light receiving means, and regular reflection about the third angle θ3 from the target position at a predetermined distance L3n on the regular reflection optical path. A third condensing function element (K3) that collects light and forms an image on a third light receiving means separated by a predetermined distance L3m, and an angle α1 formed by the first light receiving means and the first scattered light path receiving There tan -1 (L1n / L1m × tanθ1 ), the second Angle α2 which means makes with the second scattered light paths are tan -1 (L2n / L2m × tanθ2 ) and the third angle α3 which light receiving means makes with the positive reflection light path of tan -1 (L3n / L3m × tan2θ3 ) Is arranged to be
The ratios L1n / L1m, L2n / L2m, and L3n / L3m of the predetermined distance are the same value, and the first angle θ1, the second angle θ2, and the third angle 2θ3 are the same value. An optical displacement sensor.
前記被測定物の位置に対して該光変位センサーを前記平面と平行な方向へ相対的に走査させる走査機構(7)と、
前記第1の受光手段の出力と前記第2の受光手段の出力との和と、前記第3の受光手段の出力を基に、前記被測定物の表面の変位を求める測定部(100)と、を備えたこと特徴とする変位測定装置。 The optical displacement sensor (2) according to claim 1 or 2 ,
A scanning mechanism (7) for scanning the optical displacement sensor relative to the position of the object to be measured in a direction parallel to the plane;
A measuring section (100) for determining a displacement of the surface of the object to be measured based on the sum of the output of the first light receiving means and the output of the second light receiving means and the output of the third light receiving means; And a displacement measuring device.
前記走査機構が前記光変位センサーを被測定物の対象位置を照射させるとき、同一の前記対象位置で、前記第1の光源による照射と前記第2の光源による照射とを切り換えることを特徴とする請求項3に記載の変位測定装置。 In the optical displacement sensor, the wavelength of the light emitted by the first light source and the wavelength of the light emitted by the second light source are the same, and
When the scanning mechanism causes the optical displacement sensor to irradiate the target position of the object to be measured, the irradiation by the first light source and the irradiation by the second light source are switched at the same target position. The displacement measuring device according to claim 3 .
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