JPH04282845A - 三次元形状測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元形状測定装置に
関し、特にＩＣリードの半田付け部の三次元形状測定に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来の三次元形状測定装置を説
明する斜視図である。

【０００３】図８の三次元形状測定装置は一軸ステージ
を有する測定台５０に載置された測定対象物５５である
ＩＣを走査する走査光学系を備えている。

【０００４】この走査光学系は、レーザ５１と、レーザ
５１のビーム径を所要のビーム径に拡大するビームエキ
スパンダ５２と、レーザ光を測定台５０の真上から測定
台５０の送り方向と直交する方向に走査させるガルバノ
ミラー５３と、ガルバノミラー５３で走査されたレーザ
光を測定台５０の測定面上で所要のビーム径に集光させ
、かつ定速度で走査させるｆθレンズ５４とを有する。

【０００５】走査されたレーザ光の測定対象物５５の反
射光の中で走査方向に直交する方向に反射する光の一部
を斜め上方から集光レンズ５７で集光し、集光レンズ５
７を通過したレーザ光をシリンドリカルレンズ５８で走
査方向に集光し、さらにこのレーザ光を集光レンズ５７
と、シリンドリカルレンズ５８の焦点位置に置かれた受
光素子５９で受光する。

【０００６】図９は、測定対象物５５の高さ測定の原理
を説明するための平面図である。

【０００７】測定対象物５５に真上からレーザ光６０を
当て測定対象物５５からの反射光をレーザの入射方向か
ら角度θ傾いた方向で集光レンズ５７を介して受光素子
５９で受光した場合、集光レンズ５７の倍率をｍとする
と、測定対象物５５の高さｔと受光素子５９上での距離
ｄ（高さｔからの反射光の受光位置と測定台５０の表面
からの反射光の受光位置との間の距離）との関係は

【０
００８】

【０００９】で与えられる。従って受光素子５９上の受
光位置の変位を測ることで測定対象物５５の高さが測定
できる。

【００１０】図１０は、実際の測定対象物５５であるＩ
Ｃのリード６５の半田付け部の高さ測定を説明する斜視
図である。集光レンズ５７，シリンドリカルレンズ５８
および受光素子５９による受光では受光方向が１方向に
限られているため、真上からのレーザ光６０に対して反
射方向６３が受光方向６４に近い全面フィレット６１部
の高さ測定はできるが、反射方向６３′が受光方向６４
に対して大きくずれる側面フィレット６２部の高さ測定
は困難であった。従って半田側面フィレット６２部の高
さ測定を行うためには測定対象物５５を９０度回転し再
測定する必要があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この従来の三次元形状
測定装置は、反射光の受光方向がレーザ走査方向と直交
する方向に限られているため、ＩＣのリードの側面フィ
レットのように測定対象物が走査方向に傾斜部を有する
場合には十分な反射光を受光できないため走査方向の傾
斜部の高さ測定は困難であるという欠点があった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の三次元形状測定
装置は、（Ａ）測定対象物を載置する測定台と、（Ｂ）
レーザと、前記レーザのビーム径を所要のビーム径に拡
大するビームエキスパンダと、前記ビームエキスパンダ
を通過したレーザ光を前記測定台の真上から前記測定台
の送り方向と直交する方向に走査する走査ミラーと、前
記走査ミラーで走査されたレーザ光を前記測定台の測定
面上で所要のビーム径に集光させかつ定速度で走査させ
るｆθレンズとで構成される走査光学系と、（Ｃ）測定
対象物の反射光の中で前記走査光学系による走査方向に
直交する方向に反射する光の一部を斜め上方から集光す
る前記走査光学系による走査線に対し対称に置かれた一
対の第１の集光レンズと、前記第１の集光レンズを通過
したレーザ光を前記走査方向に集光する一対の第１のシ
リンドリカルレンズと、前記第１の集光レンズと前記第
１のシリンドリカルレンズの焦点位置に置かれレーザ光
を受光する一対の第１の受光素子とで構成された第１の
受光光学系と、（Ｄ）測定対象物の反射光の中で前記走
査方向に反射する光の一部を斜め上方から集光する前記
走査線の中心に対し対称に置かれた一対の第２の集光レ
ンズと、前記第２の集光レンズを通過したレーザ光を前
記走査方向と直交する方向に集光する一対の第２のシリ
ンドリカルレンズと、前記第２の集光レンズと前記第２
のシリンドリカルレンズの焦点位置に前記測定台と平行
に置かれレーザ光を受光する一対の第２の受光素子とで
構成された第２の受光光学系と、（Ｅ）前記第１の受光
素子の受光位置出力から測定対象物の高さを算出する一
対の第１の高さ演算回路と、前記走査ミラーの走査に同
期して三角波の信号を発生する三角波発振回路と、前記
第２の受光素子の受光位置出力と前記三角波発振回路の
出力との差から測定対象物の高さを算出する一対の第２
の高さ演算回路と、前記第１および第２の受光素子の受
光量を比較し最も受光量の多い受光素子の信号を受ける
前記第１または第２の高さ演算回路の高さ演算結果を選
択する高さ判定回路とで構成される信号処理回路とを備
えている。

【００１３】本発明の三次元形状測定装置は、（Ａ）測
定対象物を載置する測定台と、（Ｂ）レーザと、前記レ
ーザのビーム径を所要のビーム径に拡大するビームエキ
スパンダと、前記ビームエキスパンダを通過したレーザ
光を前記測定台の真上から前記測定台の送り方向と直交
する方向に走査する第１の走査ミラーと、前記第１の走
査ミラーで走査されたレーザ光を前記測定台の測定面上
で所要のビーム径に集光させかつ定速度で走査させるｆ
θレンズとで構成される走査光学系と、（Ｃ）測定対象
物の反射光の中で前記走査光学系による走査方向に直交
する方向に反射する光の一部を斜め上方から集光する前
記走査光学系による走査線に対し対称に置かれた一対の
第１の集光レンズと、前記第１の集光レンズを通過した
レーザ光を前記走査方向に集光する一対の第１のシリン
ドリカルレンズと、前記第１の集光レンズと前記第１の
シリンドリカルレンズの焦点位置に置かれレーザ光を受
光する一対の第１の受光素子とで構成された第１の受光
光学系と、（Ｄ）測定対象物の反射光の中で前記走査方
向に反射する光の一部を斜め上方から集光する前記走査
線の中心に対し対称に置かれた一対の第２の集光レンズ
と、前記第２の集光レンズを通過したレーザ光を前記走
査方向と直交する方向に集光する一対の第２のシリンド
リカルレンズと、前記第２シリンドリカルレンズを通過
したレーザ光を前記第１の走査ミラーと同期して走査す
る一対の第２の走査ミラーと、前記第２の集光レンズと
前記第２のシリンドリカルレンズの焦点位置に置かれ前
記第２の走査ミラーで走査された光を受光する一対の第
２の受光素子で構成された第２の受光光学系と、（Ｅ）
前記第１の受光素子の受光位置出力から測定対象物の高
さを算出する一対の第１の高さ演算回路と、前記第２の
受光素子の受光位置出力から測定対象物の高さを算出す
る一対の第２の高さ演算回路と、前記第１および第２の
受光素子の受光量出力を比較し最も受光量の多い受光素
子の信号を受ける前記第１または第２の高さ演算回路の
高さ演算結果を選択する高さ判定回路とで構成される信
号処理回路とを備えている。

【００１４】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１５】図１および図２はそれぞれ本発明の一実施
例を示す斜視図および信号処理回路のブロック図である
。

【００１６】本実施例は一軸ステージを有する測定台１
に載置されと測定対象物６を走査する走査光学系ならび
にこの走査光学系により走査されたレーザ光の測定対象
物からの反射光を受光する第１および第２の受光光学系
を備えている。

【００１７】この走査光学系は、レーザ２と、レーザ２
のビーム径を所要のビーム径に拡大するビームエキスパ
ンダ３と、レーザ光を測定台１の真上から測定台１の送
り方向と直交する方向に走査するガルバノミラー４と、
ガルバノミラー４で走査されたレーザ光を測定台１の測
定面上で所要のビーム径に集光させ、かつ定速度で走査
させるｆθレンズ５とを有する。

【００１８】第１の受光光学系は走査光学系により走査
されたレーザ光の測定対象物６の反射光の中で走査方向
に直交する方向に反射する光の一部を斜め上方から第１
の集光レンズ８，８′で集光し、集光レンズ８，８′を
通過したレーザ光を第１のシリンドリカルレンズ９，９
′で走査方向に集光し、さらにこのレーザ光を集光レン
ズ８，８′とシリンドリカルレンズ９，９′の焦点位置
に置かれた第１の受光素子１０，１０′で受光する。

【００１９】第２の受光光学系は、測定対象物６の反射
光の中で走査方向に反射する光の一部を斜め上方から第
２の集光レンズ１２，１２′で集光し、集光レンズ１２
，１２′を通過したレーザ光を走査方向と直交する方向
に第２のシリンドリカルレンズ１３，１３′で集光し、
さらにこのレーザ光を集光レンズ１２，１２′とシリン
ドリカルレンズ１３，１３′の焦点位置に測定台１と平
行に置かれた第２の受光素子１４，１４′で受光する。

【００２０】図２に示す信号処理回路では、第１の受光
素子１０，１０′の受光位置出力から第１の高さ演算回
路１５，１５′で測定対象物６の高さを算出する。また
、ガルバノミラー４に同期して１走査間に１つの三角波
を発生する三角波発振回路１７の出力と、受光素子１４
，１４′の受光位置出力との差から第２の高さ演算回路
１６，１６′が測定対象物６の高さを算出する。最後に
判定回路８で、４つの受光素子１０，１０′，１４，１
４′の受光量を比較し最も受光量の多い受光素子の高さ
演算結果を選択する。

【００２１】図３（ａ），（ｂ）は、第２の受光光学系
の高さ測定原理を説明するための光学系の平面図および
走査光学系による走査位置と受光素子１４または１４′
の受光位置出力との関係を表したグラフである。

【００２２】ガルバノミラー４により走査されたレーザ
光２４はＡ→Ｂ→Ｃの順で測定対象物走査面１９上を移
動し、各走査位置に対応してそれぞれ受光素子１４，１
４′のＡ′，Ｂ′，Ｃ′上に結像する。図３（ａ）にお
いて受光素子１４，１４′は測定対象物走査面１９と平
行に置かれいるので、測定対象物走査面１９上の移動距
離と、受光素子１４，１４′上の受光位置の移動距離は
比例する。さらに測定対象物走査面１９上のレーザ走査
速度は一定であるから受光素子１４，１４′の受光位置
出力は図３（ｂ）に示すような三角波となる。一方、測
定対象物の高さが高さｈだけ変わり、レーザ光２４が点
Ｂを通り測定対象物走査面上の点ｂで反射し、受光素子
１４、１４′上の点ｂ′に結像したとすると、図３（ａ
）においてレーザ光の出射方向と反射光の受光方向との
なす角をθとすれば高さｈと受光素子１４，１４′上の
受光位置との関係は、倍率をｍとしてｈ＝ｂ′Ｂ′／ｍ
　　ｔａｎθで与えられる。

【００２３】従って、受光素子１４，１４′の受光位置
出力と三角波発振回路１７が出力する基準の三角波出力
との差から測定対象物の高さを求めることができる。

【００２４】図４は、測定対象物６であるＩＣのＩＣリ
ード２１の半田付け部の斜視図である。フィレット形状
によりレーザ光２４の乱反射２５の方向が異なり、半田
前面フィレット２２に対しては走査方向と直交する方向
へ、また半田側面フィレット２３に対しては走査方向に
より多くの反射が起こる。従って第１の受光光学系の受
光素子１０，１０′および第２の受光光学系の受光素子
１４，１４′を用いて走査方向、走査方向に直交する方
向それぞれに２方向ずつの合わせて４方向から反射光を
受光し最も反射光量の多い方向の受光素子の受光位置か
ら測定対象物の高さを測定することにより、半田前面フ
ィレット２２および半田側面フィレット２３の高さを同
時に高Ｓ／Ｎ比で測定できる。

【００２５】図５および図６はそれぞれ本発明の他の実
施例を示す斜視図および信号処理回路のブロック図であ
る。

【００２６】本実施例は一軸ステージを有する測定台１
に載置された測定対象物６を走査する走査光学系ならび
にこの走査光学系により走査されたレーザ光の測定対象
物からの反射光を受光する第１および第２の受光光学系
を備えている。走査光学系，第１の受光光学系ならびに
第２の受光光学系の第２の集光レンズ１２，１２′およ
び第２のシリンドリカルレンズ１３，１３′は図１に示
す実施例と同じである。

【００２７】第２の受光光学系において、シリンドリカ
ルレンズ１３，１３′を通過したレーザ光を第１のガル
バノミラー４と同期して走査する第２のガルバノミラー
３０，３０′で反射させ、この反射させられたレーザ光
を集光レンズ１２，１２′とシリンドリカルレンズ１３
，１３′の焦点位置に置かれた第２の受光素子３１，３
１′で受光する。

【００２８】図６に示す信号処理回路は受光素子１０，
１０′の受光位置出力から測定対象物６の高さを算出す
る１組の第１の高さ演算回路１５，１５′と、第２の受
光素子３１，３１′の受光位置出力から測定対象物６の
高さを算出する１組の高さ演算回路３２，３２′と、４
つの受光素子１０，１０′，３１，３１′の受光量出力
を比較し最も受光量の多い受光素子の高さ演算結果を最
終的に決定する測定対象物６の高さとして選択する高さ
判定回路３３とで構成される。

【００２９】図７（ａ），（ｂ）は第２の受光光学系の
高さ測定原理を説明するための平面図である。

【００３０】図７（ａ）は、従来の三角測量と同様の方
法で高さを測定した場合である。この場合測定対象物走
査面１９の高さが一定でも走査位置により受光素子２０
での結像位置が異なるため受光素子２０の受光位置出力
から高さを求めることが不可能である。

【００３１】図７（ｂ）は本実施例の第２の受光光学系
の場合で、集光レンズで集光した後、回転するガルバノ
ミラー３０，３０′で反射して受光素子３１，３１′へ
結像させた場合である。Ｄ点と集光レンズ１２，１２′
の位置Ｏとを結ぶ線ＤＯを基準として各走査位置Ｅ，Ｆ
から点Ｏとを結ぶ線ＥＯ，ＦＯが線ＤＯとなす角をθ１
，θ２とすれば、レーザ光２４の点Ｅ，Ｆの走査に対応
してこの角度に等しい角度θ１，θ２だけ回転ミラー３
０，３０′を回転することにより、走査位置にかかわら
ず測定対象物走査面１９の高さが一定であればレーザ光
２４の測定対象物走査面１９からの反射光を受光素子２
０の１点Ｐに結像させることができる。すなわち走査光
学系の第１のガルバノミラー４に同期して第２の受光光
学系の第２のガルバノミラー３０，３０′を回転させる
ことにより走査方向への反射光を利用して従来の三角測
量と同様の手法で測定対象物６の高さ測定ができる。

【００３２】図１に示す実施例と同様に第１の受光光学
系の受光素子１０，１０′および第２の受光光学系の受
光素子３１，３１′を用いて走査方向、走査方向に直交
する方向それぞれに２方向ずつの合わせて４方向から反
射光を受光し最も反射光量の多い方向の受光素子の受光
位置から測定対象物の高さを測定することにより、半田
前面フィレットおよび半田側面フィレットの高さを高Ｓ
／Ｎ比で測定できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、レーザ走
査方向と直交する方向への反射光だけでなくレーザ走査
方向への反射光によっても測定対象物の高さ測定ができ
るため、走査方向に傾斜部を有する物体の高さが測定で
きる上、４方向で受光した反射光の中で受光量が最大と
なる方向で高さ測定を行うことによりＳ／Ｎ比の高い精
度の良い高さ測定ができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図である。

【図２】図１に示した実施例の受光光学系の信号処理回
路のブロック図である。

【図３】（ａ）は図１に示した実施例の第２の受光光学
系における高さ測定原理を説明する平面図、（ｂ）は第
２の受光素子１４，１４′の受光位置出力を表したグラ
フである。

【図４】測定対象物６であるＩＣのＩＣリードの半田部
のレーザ光の反射を説明する斜視図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す斜視図である。

【図６】図５に示した実施例の受光光学系の信号処理回
路のブロック図である。

【図７】図５に示した実施例の第２の受光光学系におけ
る高さ測定原理を説明する図である。

【図８】従来の三次元形状測定装置を示す斜視図である
。

【図９】図８に示す三次元形状測定装置の受光光学系に
おける測定原理を説明する平面図である。

【図１０】測定対象物５５であるＩＣのＩＣリードの半
田部の高さ測定を説明する斜視図である。

【符号の説明】

１，５０　　　　測定台 ２，５１　　　　レーザ ３，５２　　　　ビームエキスパンダ ４，５３　　　　ガルバノミラー ５，５４　　　　ｆθレンズ ６，５５，５５′　　　　測定対象物 ８，８′　　　　第１の集光レンズ ９，９′　　　　第１のシリンドリカルレンズ１０，１
０′　　　　第１の受光素子 １２，１２′　　　　第２の集光レンズ１３，１３′　
　　　第２のシリンドリカルレンズ１４，１４′，３１
，３１′　　　　第２の受光素子１５，１５′　　　　
第１の高さ演算回路１６，１６′，３２，３２′　　　
　第２の高さ演算回路１７　　　　三角波発振回路 １８，３３　　　　高さ判定回路 １９　　　　測定対象物走査面 ２１，６５　　　　リード ２２，６１　　　　半田前面フィレット２３，６２　　
　　半田側面フィレット２４，６０　　　　レーザ光 ５７，５７′　　　　集光レンズ ５８　　　　シリンドリカルレンズ ５９　　　　受光素子 ６３，６３′　　　　反射方向 ６４　　　　受光方向

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（Ａ）測定対象物を載置する測定台と、（
   Ｂ）レーザと、前記レーザのビーム径を所要のビーム径
   に拡大するビームエキスパンダと、前記ビームエキスパ
   ンダを通過したレーザ光を前記測定台の真上から前記測
   定台の送り方向と直交する方向に走査する走査ミラーと
   、前記走査ミラーで走査されたレーザ光を前記測定台の
   測定面上で所要のビーム径に集光させかつ定速度で走査
   させるｆθレンズとで構成される走査光学系と、（Ｃ）
   測定対象物の反射光の中で前記走査光学系による走査方
   向に直交する方向に反射する光の一部を斜め上方から集
   光する前記走査光学系による走査線に対し対称に置かれ
   た一対の第１の集光レンズと、前記第１の集光レンズを
   通過したレーザ光を前記走査方向に集光する一対の第１
   のシリンドリカルレンズと、前記第１の集光レンズと前
   記第１のシリンドリカルレンズの焦点位置に置かれレー
   ザ光を受光する一対の第１の受光素子とで構成された第
   １の受光光学系と、（Ｄ）測定対象物の反射光の中で前
   記走査方向に反射する光の一部を斜め上方から集光する
   前記走査線の中心に対し対称に置かれた一対の第２の集
   光レンズと、前記第２の集光レンズを通過したレーザ光
   を前記走査方向と直交する方向に集光する一対の第２の
   シリンドリカルレンズと、前記第２の集光レンズと前記
   第２のシリンドリカルレンズの焦点位置に前記測定台と
   平行に置かれレーザ光を受光する一対の第２の受光素子
   とで構成された第２の受光光学系と、（Ｅ）前記第１の
   受光素子の受光位置出力から測定対象物の高さを算出す
   る一対の第１の高さ演算回路と、前記走査ミラーの走査
   に同期して三角波の信号を発生する三角波発振回路と、
   前記第２の受光素子の受光位置出力と前記三角波発振回
   路の出力との差から測定対象物の高さを算出する一対の
   第２の高さ演算回路と、前記第１および第２の受光素子
   の受光量を比較し最も受光量の多い受光素子の信号を受
   ける前記第１または第２の高さ演算回路の高さ演算結果
   を選択する高さ判定回路とで構成される信号処理回路と
   を備えることを特徴とする三次元形状測定装置【請求項
   ２】（Ａ）測定対象物を載置する測定台と、（Ｂ）レー
   ザと、前記レーザのビーム径を所要のビーム径に拡大す
   るビームエキスパンダと、前記ビームエキスパンダを通
   過したレーザ光を前記測定台の真上から前記測定台の送
   り方向と直交する方向に走査する第１の走査ミラーと、
   前記第１の走査ミラーで走査されたレーザ光を前記測定
   台の測定面上で所要のビーム径に集光させかつ定速度で
   走査させるｆθレンズとで構成される走査光学系と、（
   Ｃ）測定対象物の反射光の中で前記走査光学系による走
   査方向に直交する方向に反射する光の一部を斜め上方か
   ら集光する前記走査光学系による走査線に対し対称に置
   かれた一対の第１の集光レンズと、前記第１の集光レン
   ズを通過したレーザ光を前記走査方向に集光する一対の
   第１のシリンドリカルレンズと、前記第１の集光レンズ
   と前記第１のシリンドリカルレンズの焦点位置に置かれ
   レーザ光を受光する一対の第１の受光素子とで構成され
   た第１の受光光学系と、（Ｄ）測定対象物の反射光の中
   で前記走査方向に反射する光の一部を斜め上方から集光
   する前記走査線の中心に対し対称に置かれた一対の第２
   の集光レンズと、前記第２の集光レンズを通過したレー
   ザ光を前記走査方向と直交する方向に集光する一対の第
   ２のシリンドリカルレンズと、前記第２シリンドリカル
   レンズを通過したレーザ光を前記第１の走査ミラーと同
   期して走査する一対の第２の走査ミラーと、前記第２の
   集光レンズと前記第２のシリンドリカルレンズの焦点位
   置に置かれ前記第２の走査ミラーで走査された光を受光
   する一対の第２の受光素子で構成された第２の受光光学
   系と、（Ｅ）前記第１の受光素子の受光位置出力から測
   定対象物の高さを算出する一対の第１の高さ演算回路と
   、前記第２の受光素子の受光位置出力から測定対象物の
   高さを算出する一対の第２の高さ演算回路と、前記第１
   および第２の受光素子の受光量出力を比較し最も受光量
   の多い受光素子の信号を受ける前記第１または第２の高
   さ演算回路の高さ演算結果を選択する高さ判定回路とで
   構成される信号処理回路とを備えることを特徴とする三
   次元形状測定装置。