JPH0377007A - 物体形状検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物体形状検査装置に関し、特に、物体の形状
を非接触で計測する装置に関する。

ＳＯＰ、ＱＦＰなどのいわゆる表面実装部品（Ｓ　Ｍ　
Ｄ　：　５ｕｒｆａｃｅ　Ｍｏｕｎｔｅｄ　Ｄｅｖｉｃ
ｅ）は、基板上に載置された状態で半田付けされるので
、わずかにブリッジ浮きや、半田未着があった場合、こ
れが原因で故障を起こしやす＜、確実な実装検査が望ま
れる。こうした実装検査は、目視によって行われるのが
一般的であった。しかし、目視では人的過誤が避けられ
ないことから自動的に実装検査を行うことのできる装置
が求められている。

〔従来の技術〕

従来のこの種の実装検査に用いられる物体形状検査装置
としては、例えば、第７図に示すものが知られている（
以下、従来装置〉。この従来装置の構成は、レーザ光源
ｌと、レーザ光［１からのレーザ光Ｐａを反射するとと
もに、モータＭの駆動を受けて回動運動し、反射レーザ
光ｐｂを走査するガルバノミラ−２と、反射レーザ光ｐ
ｂを集光する光学レンズ３と、検査物体４表面からの反
射レーザ光Ｐｃを受光する受光部５と、を有し、受光部
５は、反射レーザ光Ｐｃの光軸上に凸レンズ５ａと、凸
レンズ５ａで集光された反射レーザ光Ｐｃを受光して電
気信号１＋、Ｉｚに変換して出力する半導体装置検出素
子（以下、ＰＳＤ）５ｂとを備える。ここで、ＰＳＤは
、その受光面（第７図中のハンチング面）に照射された
レーザ光スボフトの位置に応じて２つの出力電流■□Ｉ
□の電流値を変化させる半導体素子で、受光面の中央（
１，の引き出しを一辺側、Ｉ２の引き出しを一辺側に対
向する他辺側とした場合、これら両辺の真中を中央とい
う）に光を照射すると、ｈとＩ２とがほぼ等しい大きさ
となり、また、両辺の何れかに片寄って光を照射すると
、片寄った方の辺から引き出された電流値が大きくなる
特性を持つ。

すなわち、第７図の例の場合には、レーザ光の走査に伴
って位置検出素子５ｂの受光面上に、第８図に示す光の
軌跡ｘ、ｙ、ｚが描かれ、この軌跡はＹが検査物体４の
上面に、そしてＸ、Ｚが検査物体４を載置する例えばス
テージ上面に対応している。これらのｘ、　ｙ、　　ｚ
の軌跡に沿って出力されたＩ、、Ｉ、は次式■■に従っ
て演算処理され、それぞれ高さｈ、および明るさＰの値
を得る。

Ｐ＝Ｉｌ　　＋ｌ！　　　・・・・・・■上式ので求め
られたｈは、検査物体４の高さを表している。例えば、
このｈを所定の検査基準値と比較すれば、検査物体４の
高さの良否検査を自動的に行うことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の物体形状検査装置にあ
っては、受光部５内に凸レンズ５ａを設け、この凸レン
ズ５ａによって反射レーザ光Ｐｃを集光し、位置検出素
子５ｂに結像する構成であったため、以下に述べる不具
合があった。

すなわち、一般に、任意の像Ａを凸レンズによって結像
した場合、その結像Ｂは像Ａと相似関係にある。例えば
、像ＡがａＸｂの平面矩形の場合、ａＸｂにその凸レン
ズの倍率を乗じた大きさの像がＢとなる。第９図におい
て、左側の像Ａ（ａｘｂ）を右側のＰＳＤ　（有効面積
Ｓ＋ＸＬ＋）上に結像した場合その結像Ｂの大きさは、
像Ａに相似するＳ＋　　Ｘｊｏ　　（Ｓ＋　　：　ｔ６
　＝ｂ　：　ａ）の大きさとなる（第１０図参照）。こ
こで、ｂを物体の高さとすると、ＰＳＤはｂに対応する
ｔ、を測定し、そのｔｏの大きさに応じたＩｌ、Ｉｌを
出力することになる。しかし、通常、Ｓ　ＯＰ　（Ｓｍ
ａｌｌ　０ｕｔｌｉｎ−ｅ　Ｐａｃｋａｇｅ）やＱ　Ｆ
　Ｐ　（Ｑｕａｎｄ　Ｆｌａｔ　Ｐａｃｋａｇｅ）等で
は、ａ　（例えば、パッケージの一辺長）に比べてｂ（
例えば、半田高さ）ははるかに小さい。したがって、Ｐ
ＳＤ上のｔｏもきわめて小さくなり、このため、ＰＳＤ
から出力されるＩｌ、Ｉｌはｔｏに応じた微小な電流差
となって、Ｓ／Ｎ比が悪化し、その結果、特に高さ方向
の充分な測定精度を得ることができ居い欠点がある。

なお、４ハレンズの倍率を変えればく大きくすれば）ｔ
ｏを大きくしてＳ／Ｎ比を改善できることが考えられる
が、倍率を変えると、Ｓ、も同し倍率で変化してと２よ
い、場合によっては、Ｐ　Ｓ　Ｔ３の有効面からＳ、が
はみ出してしまうこたがある。

したがって、単に倍率を変えたのみではＳ／Ｎ比を改善
するここはできない。

［発明の目的〕 そこで、本発明は、縦・横それぞれ独立した倍率ｆＪ、
ｒＪで、ＰＳＤ受光面に像を結ぶことができ、Ｐ’　Ｓ
　Ｄ受光面の有効エリア（ｓｔ　Ｘｔ、）の全体を使用
して、特に、高さ方向の測定精度を改善することを目的
としている。

（課題を解決するための手段） 本発明にかかる物体形状検査装置は、上記［」的を達成
するために、レーザ光線を発生し、該レーザ光線を集束
して物体表面上を走査するレーザ光線走査手段１６を備
えるとともに、該物体表面からの反射レーザ光線の光軸
上に位置し、反射し・〜ザ光線を集束する集束系１７ａ
および集束レー・ザ光線を受光し１、受光位置に応じた
電気信号を出力する位置検出系１７ｂを備える物体形状
検査装置において、前記集束系１７ａは、光軸上に少な
くとも２枚の円筒レンズＬｉ、Ｌｘを配列して備え、該
レンズの筒袖方向を互いに直角に交差させて配列し、−
・方の円筒レンズの筒軸方向と前記レーザ光線の走査方
向とを略平行させたことを特徴としている。

〔作用〕

本発明では、物体からの反射レーザ光線を互いに直角に
交差した少なくとも２枚の円筒レンズによって集光し、
位置検出系上に導いて結像させている。したがって、２
枚のレンズの各倍率を適当に設定することで、結像の縦
・横サイズを個別に調節することができ、ＰＳＤの有効
面積の全体を活用して計測精度を向上できる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１〜６図は本発明に係る物体形状検査装置の一実施例
を示す図である。

第１図において、１０は半導体レーザおよびコリメーテ
ィングレンズを含むレーザ光源ユニット、１１はレーザ
光源ユニット１０からのレーザ光線Ｐａを反射するガル
バノミラ−１１２はガルバノミラ−Ｈを回動させて反射
レーザ光線１）　ｂを走査するモータ、１３は反射レー
ザ光線Ｐｂを集光する走査レンズ、１４はＸ−Ｙ方向に
移動可能なステージで、このステージ１４上には検査物
体１５（例えば、ＩＣパッケージ）が載置される。上記
レーザ光源、ユニット１０、ガルバノ逅う−１１、モー
タ１２、走査レンズ１３は一体としてＬ・−ザ光線走査
手段１６を構成する。１７はレーザ光線Ｐｂの光軸（Ｚ
軸）に対して所定の角度（検知角）をなして設置された
撮像ユニットで、撮像ユニソ）１６は、１Ｍｉの円筒レ
ンズ（シリンドリカルレンズともいう）ＬＩ、Ｌｚを含
む集束系１７ａと、ＰＳＤを含む位置検出系１７ｂεを
備える。上記１組の円筒レンズＬ、、Ｌ、は、互いに交
差状態で配列する。すなわち、一方の円筒レンズ（例え
ばＬＩ）の筒軸方向〔円筒レンズを円柱と仮定した場合
の柱の軸方向〕をｐｂの走査方向（Ｆ−Ｆ’）と略平行
させるとともに、他方の円筒レンズＬ２の筒軸方向をｐ
ｂの走査方向（Ｆ−Ｆ’）に対してほぼ直角となるよう
に配置する。ＰＳＤは従来例と同様に受光面上のビーム
照射位置に応じて変化する２つの出力電流１．．１！を
出力する。

第２図は、第１図の光学系を含むシステムの構成図で、
１８はＰＳＤからの１．、Ｉ、を受け、高さ一タＰ　（
Ｐ＝１＋　＋　Ｉｔ　）を演算するＰＳＤ信号処理回路
、１９は上記２つのデータｈ、Ｐを画像メモリ２０に転
送する画像入力回路、２１は制御部で、制御部２１はＣ
ＰＵ２１ａ、モータコントロール回路２１ｂ、ステージ
コントロール回路２１ｅおよびｌ１０２１ｄを含み、画
像メモリ２０内のデータｈ、ＰをＣＰＵ２１ａで画像処
理し、検査物体１５の実装状態を検査する。２２はバス
信号線を示す。

このような構成において、レーザ光源ユニット１０から
のレーザ光線は、ガルバノミラ−１１で反射されたあと
、走査レンズ１３で集光され、検査物体１５ないしステ
ージ１４の表面上にスポット照射される。上記ガルバノ
ミラ−１１はモータ１２によって回動し、この回動に伴
って、検査物体１５ないしステージ１４上のスポットは
Ｆ−Ｆ　’の間で線走査される。Ｆ−Ｆ’間で反射した
反射レーザ光ｐｃは、集束系１６ａで集束されたあと、
ＰＳＤに導かれ、ＰＳＤの受光面にスポット像を結ぶ。

第３図はＦ−Ｆ’からＰＳＤの受光面までの光経路を示
す図で、ａはＦ−Ｆ　’の長さ、ｂは高さに相当する。

像ａｘｂは、２つの円筒レンズＬ＋、Ｌｔによって縦・
横独立した倍率が与えられる。ここで、Ｌｌの倍率をｍ
、　、Ｌ、の倍率をｍ２とすると、ＰＳＤの受光面上に
は、（（ｍｔｘａ）ｘ　（ｍ、ｘｂ））の大きさの像が
結ばれる。すなわち、ＰＳＤの受光面の有効面積を５ｌ
ｘｔｌとすれば、ｍｌ。

ｍ２を適当に設定（ｍｔ＜ｍｚ）することにより、ｓ＋
　　＃　（ｍｌ　　ｘｂ）　、ｔ、　　＃　（ｍｚ　Ｘ
ａ）とすることができ、ＰＳＤの有効面積のエリア全体
を使用して測定対象物を撮像することができる。したが
って、特に、測定対象物の高さ（ｂ）を充分に拡大して
受光でき、ＰＳＤからの出力電流Ｉｔ、Ｉｚの電流差を
大きくして高さの計測精度を改善することができる。

このように、本実施例では、直角に交差して配列した少
なくとも２つの円筒レンズＬ＋、Ｌｘを備え、これらの
Ｌ＋、Ｌｚによって検査物体からの反射レーザ光線Ｐｃ
をＰＳＤに導くようにしたので、ＰＳＤ上の結像の縦・
横サイズを各々独立して設定でき、ＰＳＤの有効受光面
をフルに活用して物体の３次元形状を測定することがで
きる。したがって、特に、高さの測定精度を改善するこ
とができる。

なお、円筒レンズを用いたことにより、走査線の長さ方
向における受光光量の変動を抑えることができる。すな
わち、凸レンズを用いた場合には、第５図に示すように
、ＰＳＤの受光光量が走査中心で最も大きく、そして、
両端になるに従って光量が低下する傾向があり、このた
め、走査端付近の高さ計測誤差（ｅ）が大きくなる不具
合があったが、本実施例では、こうした不具合も解決で
きる。

また、レーザ光を用いて物体の３次元形状を測定する場
合、検知角を任意に設定したい要求がある。すなわち、
第６図に示すように、例えば、２つの検知角θ１　（検
知方向Ｉ）、θ２　（検知方向■）を比較すると、■よ
りも■の方が反射光量が大きいので、光量の点では■の
方が望ましい。しかし、高さ計測精度の点では物体の実
高さをｈｏとした場合に、θ１θ２の見掛は上の高さは
それぞれり、、ｈ、となり、ｈ、＜ｈ、となるので■が
望ましく、したがって、光量と高さ測定精度を共に満足
させることが困難であった。本実施例によれば、２枚の
円筒レンズｔ＋、ｔ、ｚの各倍率ｍｌ、ｍｌを適当に設
定することにより、見掛上の高さ（例えばｈＩ）を拡大
して高さ測定精度を充分に向上できるので、例えば、検
知方向Ｉを採用することができ、光量を大きくしてＳ／
Ｎ比を改善しつつ、高さの測定精度も向上できる。

なお、本実施例では、２枚の円筒レンズを用いた例を示
したが、これに限るものではなく、３枚以上であっても
よい。要は、少なくとも２枚の円筒レンズを備え、これ
らのレンズがほぼ直角に交差していればよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、縦・横それぞれ独立した倍率ｍｌ、ｍ
ｚで、ＰＳＤ受光面に像を結ぶことができ、ＰＳＤ受光
面の有効エリア（Ｓ＋Ｘｔｉ）の全体を使用して、特に
、高さ方向の測定精度を改善できる。

【図面の簡単な説明】

第１〜６図は本発明に係る物体形状検査装置の一実施例
を示す図であり、 第１図はその光学系の構成図、 第２図はその信号処理系の構成図、 第３図はその光学系の要部の＋！戒図、第４図はそのＰ
ＳＤ上の結像を示す図、第５図は８レンズを用いた場合
の光量の変動と高さ計測誤差の関係を示すグラフ、 第６図は２つの検知角θ、θ２を比較して説明する図、 第７〜１０図は従来例を示す図であり、第７図はその光
学系の構成図、 第８図はそのＰＳＤ上のスポット軌跡を示す図、第９図
はその光学系の要部の構成図、 第１０図はそのＰＳＤ上の結像を示す図である。 １６・・・・・・レーザ光線走査手段、１７ａ・・・・
・・集束系、 １７ｂ・・・・・・位置検出系、 Ｌ＋、Ｌｚ・・・・・・円筒レンズ。 円筒レンズ 一実施例のＰＳＤ上の結像を示す図 第４図 第 ５ 図 ２つの検知角θ、θ２を比較して説明する固溶６図 従来例の光学系の構成図 第７図 ＰＳＤ上のスポット軌跡を示す図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザ光線を発生し、該レーザ光線を集束して物体表面
   上を走査するレーザ光線走査手段（１６）を備えるとと
   もに、 該物体表面からの反射レーザ光線の光軸上に位置し、反
   射レーザ光線を集束する集束系（１７ａ）および集束レ
   ーザ光線を受光し、受光位置に応じた電気信号を出力す
   る位置検出系（１７ｂ）を備える物体形状検査装置にお
   いて、 前記集束系（１７ａ）は、光軸上に少なくとも２枚の円
   筒レンズ（Ｌ＿１、Ｌ＿２）を配列して備え、該レンズ
   の筒軸方向を互いに直角に交差させて配列し、一方の円
   筒レンズ（例えばＬ＿１）の筒軸方向と前記レーザ光線
   の走査方向とを略平行させたことを特徴とする物体形状
   検査装置。