KR100431764B1

KR100431764B1 - 광학근접센서

Info

Publication number: KR100431764B1
Application number: KR1019970709729A
Authority: KR
Inventors: 권터 되멘스; 안톤 쉬크; 파울 쾰렌슈페르거
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1996-06-19
Publication date: 2004-09-04
Also published as: DE59609158D1; EP0835423B1; KR19990028413A; TW360775B; JP2962581B2; WO1997002466A1; JPH10512054A; EP0835423A1; US5991040A

Abstract

3각 측량 방법에 더하여, 공초점 원리에 따른 측정 시스템은 표면의 3차원 감지에 사용된다. 이들 측정 시스템은 높은 분해능을 갖지만, 어떤환경하에서는 낮은 데이터 속도를 갖는다. 광학 근접 센서를 공초점 현미경을 기초로하여 제조 공정에 허용가능한 시간내에 표면의 자동 검사를 수행한다. 이 경우, 상응하는 광원(2) 및 광 수신기(5)의 선형 시스템은 높은 비용이 요구되는 스캐닝 빔 대신에 사용된다. 수신 유니트(4)와 광학 이미징 장치 사이의 광학 경로는 길이는 높은 값의 분해능 때문에 변화되며, 광 세기 최대값은 피크 검출기에 의해 검출된다.

Description

광학 근접 센서

다수의 측정 포인트를 갖는 평면 좌표는 측정될 대상물에 대한 근접 센서의 수평 변위이고, 그리드 패턴이 형성된다.

바람직한 사용 영역은 반도체 및 인쇄 회로 기판 조립체의 제조에 있어서 연결 및 장착 프로세스의 분야이다. 대체로, 검사될 대상물은 예를 들면, 볼 그리드 어레이나 플립-칩 접점-형성부(contact-making)에서 납땜 범프(bump)의 형상 및 높이 그리고 와이어 본딩에서 못대가리의 형상에서 3차원 특성을 갖는다. 이러한 이유 때문에, 체킹될 영역의 빠른 3차원 감지가 필요하다. 그러나, 대체로 종래의 3차원 센서들은 각각 높게 만곡된 영역의 경우 허용가능한 비용 및 적당한 검출 신뢰성에 대한 요건을 만족할 수 없다.

전기 테스트뿐만 아니라 외부의 중요한 광학 검사는 전자부품의 제조에 있어서 품질 검사의 측면에서 상당한 역할을 갖는다. 품질에 대한 한층 더 고도한 요건이 반도체 및 인쇄회로기판 조립체의 제조에 있어서 연결 및 장착 프로세스로 이루어지기 때문에, 그에 상응하게 사용되는 검사 방법은 점점 더 정밀화되어야 한다. 그러므로, 예를 들면 10 dpm이하의 결함율(10⁶당 결함)이 요구된다. 이러한 거창한 목적은 단지 프로세스를 최적화함으로써 달성될 수는 없다. 궁극적으로, 실질적으로 매 프로세스 단계후 자동 검사가 요구된다.

대체로, 통상적인 2차원 이미지 프로세싱 방법은 현재의 요건을 만족하지 못한다.

표면의 3차원 감지를 위해 삼각측량(triangulation) 방법이 자주 사용된다. 그러나, 예를 들면, 10㎛의 분해능에서, 이들 방법은 예를 들면 2차 광 반사와 같은 광학적 이유 때문에 상당히 제한된다. 동축 빔 배열을 갖는 공초점 시스템은 이러한 목적에 대하여 아주 적합하다. 그러나, 달성될 수 있는 데이터율은 기계적으로 이동하는 대상물 때문에 아주 제한된다.

광학 근접 센서에 관한 유럽 특허 EP 0 615 607호에는 데이터율을 2MHz까지 증가시키는 방법 및 공초점 원리를 이용하여 영역 감지를 하는 방법에 대하여 기술되어 있다. 빠른 빔 편향을 기초로한 스캐닝 시스템에 의해 고데이터율이 달성될 수 있다. 검사될 대상물과 스캐닝 센서 사이의 상대 이동은 구불구불한 방식으로 이루어진다. 대상물의 기계적인 이동을 피하기 위하여, 측정 빔에 대해 축 방향으로 엇갈려 위치하는 검출기에 의해 이미지측상에서 높이 결정이 수행된다. 그러나, 기술적인 면에서 아주 개선된 이 원리는 아주 높은 비용과 연관된다. 설계에 의존하지만 대체로 표면의 광학 성질에 무관한 공초점 검사 방법은 어떠한 경우에도 3차원 표면 측정에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 이것은 이상적으로는 대상물 표면을 포인트 조명하고 이어서 반사된 광을 포인트 검출기상에 이미징함으로써 달성된다. 조명된 영역과 그것에 상응하는 검출기 영역이 작을수록, 분해능이 더 커지고 2차 산란 광에 기인한 간섭 및 형상이나 측정 스포트의 영역에서의 곡률에 기인한 부정확한 측정의 억제 레벨이 더 높아진다. 이것은 아주 만곡된 반사 영역이 측정 스포트가 영역의 곡률반경보다 아주 더 작을 때 편평하게 나타나도록 수학적으로 공식화될 수 있다.

WO-A-92/14118호에는 구조화된 광으로 기능을 하는 광학 센서를 기술하고 있다. 광원은 패턴내 고 콘트라스트 영역의 위치의 변화를 구현할 수 있도록 하여, 검출기 엘리먼트의 배열이 검출기를 형성하도록 하는 방법으로 조절가능하다. 이 경우, 두 개의 이미지는 대상물상에 각각 포커싱되고 대상물상의 제 1 이미지의 포커싱은 변화된다.

US-A-4 719 341호에는 소위 근접 센서를 개시하고 있다. 이 경우, 광학 경로 길이는 변화되지만, 중간 이미지는 어떤 포인트에서 발생되지 않는다. 수렴하는 광선속(light pencil)은 조절가능한 미러를 통과하지 못하며, 그 결과 공초점 시스템의 요건(포인트 광원, 포인트 검출기, 포커싱될 대상물)은 주어지지 않는다.

통상적인 상업적으로 이용가능한 공초점 현미경은 실제로 상기한 광학적 성질들을 가지만, 대체로, 대상물 및/또는 현미경 대상물의 필수적인 기계적인 트래킹 때문에 제조 사용할 때에 너무 느리다.

본 발명은 고데이터율로 자동적인 표면 검사를 할 수 있고 시스템 비용이 낮게 유지될 수 있는 공초점 광학 근접 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 청구항 1항 또는 2항의 특징부에 의해 달성된다.

본 발명은 수신 유니트와 광학 영상 장치 사이의 광학 경로의 동시적이고 주기적인 변화를 갖는 이미지측상에서 단일 수신 유니트의 사용이 고데이터율의 광학 근접 센서를 가능케 한다는 인식을 기초로 한다. 측정될 대상물의 표면상에 스캐닝된 포인트의 높이값은 수신 유니트에 기록되는 측정 빔의 휘도의 최대값을 검출하기 위하여 피크 검출기를 사용함과 동시에, 높이값에 상응하는 광학 경로 길이를 포착함으로써 산출된다.

전자 컴포넌트의 특정 장착 프로세스에서, 특히 아주 작은 곡률반경과 관련하여 반사 표면을 갖는 땜납 범프의 검사시에 센서의 적용가능성을 개선하는 다른 분해능은 다음과 같이 이해된다:

공초점으로 배열된 포인트 광원 및 센서가 중첩되는 실상의 중간 이미지를 발생하기 위하여, 빔 방향은 광축에 대하여 기계적으로 이동되는 (진동하는) 미러 시스템의 도움으로 평행한 오프셋으로 180°에 걸쳐 동시에 검출된다. 생성된 실상의 중간 이미지는 적당한 광학 장치에 의하여 대상물상에 이미징된다. 대상물로부터 후방산란된 광은 고정 센서나 수신기 상에 동일한 진동 미러 장치를 통하여 후방으로 인도된다. 최대 휘도가 측정되는 미러 시스템의 현재 위치는 대상물 표면에 대하여 순간적인 높이값에 상응한다.

본 발명의 이점은 수신 유니트에서 복수의 광학 수신기를 사용한다는 것이다. 광축에 대하여 수신기의 배열이 지정되며, 그에 상응하게 동일한 수의 광원이전송 유니트상에 나타난다. 이것은 대상물 표면상에 측정 포인트의 동시적인 선형 배열 및 예를 들면, 제 1 수신기와 제 1 광원의 상호작용 및 제 2 광원과 제 2 수신기의 상호작용 등을 초래한다. 이러한 발광원의 배열이 주어지면, 예를 들면 측정될 대상물의 표면상에 복수의 스캐닝 포인트가 동시에 픽업되면, 수신단에서 위치를 분리하는 것이 불가능하게 된다. 즉, "크로스토크(crosstalk)"은 정확한 측정을 방해한다. 결론적으로, 이 실시예의 경우, 데이터율은 광원 및 그에 상응하는 수신기를 갖는 개별적인 스캐닝 포인트에 대한 일련의 스캐닝을 필요로 하는 한에서는 제한된다. 필요한 것은 세기(시분할 멀티플렉스)의 일시적인 변화에 의한 개별적인 전송/수신 채널의 분리 및 송신기 및 수신기의 평행 배치와 함께, 수신기를 기계적으로 이동시키거나 빔 경로에 위치된 미러 시스템을 이동시킴으로써 대상물과 수신 유니트 사이 및/또는 대상물과 전송 유니트 사이의 광학 경로의 변화이다. 진동하는 수신기 대신에 미러 시스템의 사용은 크기 및 격자 크기에 대하여 진동하는 수신기의 설계가 치수설정 파라미터에 저촉될 때 권장할 만하다. 수신기의 크기는 진동을 일으키기 위하여 가능한 한 작아야 하지만, 이것은 동시에 사용될 수 있는 광원수를 엄격하게 제한함으로써 광학기계적 처리를 더 어렵게 한다.

수신단에서, 상이한 광 주파수를 갖는 다양한 광원에 의해 동시에 스위칭 온 되는 복수의 광원들을 구별하는 것이 가능하다. 이것은 상이한 주파수를 갖는 개별적인 광원의 상응하는 변조에 의해 수신단에서 행해진다. 수신단에서, 수신 유니트와 피크 검출기 사이에 접속된 대역필터 장치는 각각의 경우 검출된 휘도 피크가 속하는 스캐닝 포인트를 구별하기 위하여 사용되며, 스캐닝 포인트는 특정 주파수의 광에 의해 발생된다.

측정되고 예를 들면 전자 컴포넌트를 갖는 인쇄회로기판 조립체와 같은 가로 방향으로 직각으로 설계된 측정될 대상물의 표면을 스캐닝하기 위한 본 발명의 다른 이점은 동시에 발생된 스캐닝 포인트의 열이 근접 센서의 상응하는 입사의 결과로서 또는 일반 이동 경로에 대하여 측정될 대상물과 관련하여 45° 경사지게 한다는 것이다. 예를 들면, 프레임과 같은 직교형 스캐닝 트랙이 측정될 대상물의 경우에 제공될 경우, 상술된 방법은 이동 경로의 방향이 90° 변화되는 경우에 측정된 대상물에 대해 측정 헤드나 스캐닝 센서를 회전시킬 필요가 없다는 것을 의미한다.

이하에서 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조로 설명된다.

본 발명은 측정될 대상물의 표면에 또는 표면으로부터 간격 또는 높이값을 결정하기 위한 공초점(confocal) 광학 영상 원리에 따른 광학 근접 센서에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 공초점 광학 근접 센서의 개략도.

도 2는 본드(20), 전자 컴포넌트(19) 및 본딩 와이어(21)가 제공되어 있는 표면(13)의 상세도.

도 3은 거의 직사각형 배열로 본드(20)가 제공되어 있는 전자 컴포넌트(19)의 표면을 도시한 도면.

도 4는 도 3에 상응하는 방법으로 상응하는 인쇄회로기판상에 땜납물(23)을 갖는 전자 컴포넌트(19)의 고정 위치(25)에서의 횡측 배열을 도시한 도면.

도 5는 진동 수신 유니트(4)를 갖는 시스템의 기본적인 설명을 나타내는 도면.

도 6a 내지 6d는 한편으로는 인쇄회로기판 조립체의 완전한 3차원 감지를,다른 한편으로는 인쇄회로기판 조립체의 표면을 부분적으로 감지하는 것을 도시한 도면.

도 7은 진동 미러 시스템(30)에 의하여 변화될 수 있는 광학 경로 길이를 갖는 공초점 광학 시스템의 배열을 도시한 도면.

도 8a 내지 8c는 미러 시스템 및 이 포인트에서 발생된 중간 이미지의 이동을 도시한 도면.

도 9는 도 7에 따른 시스템의 변화를 도시한 도면.

도 1은 공초점 원리에 따른 광학 근접 센서를 도시한다. 이러한 형태의 센서는 측정될 대상물(12)의 표면(13)상에 이미징되는 포인트 광원(2)으로 동작한다. 측정될 대상물(12)로부터 후방산란된 광은 유사한 포인트 수신기나 수신 유니트(4) 내로 이미징된다. 측정될 대상물(12)과 발생된 이미지 및 수신 유니트는 각각 조명 빔(7)과 측정 빔(8)의 초점에 위치된다. 조명 빔은 이 경우에 정적이며 초점 심도에 기초하여 높이 측정 범위를 한정한다. 공초점 원리에 대한 상세한 설명은 예를 들면, 유럽 특허 EP 0 615 607호에 개시되어 있다.

전송 유니트(1)는 도 1의 전송단에서 설명된다. 이 전송 유니트는 광원(2) 및 조리개(3)를 각각 포함하는 하나 이상의 포인트 광원(1.1, 1.2,...)을 포함한다. 조명 빔(7)은 이 수단에 의해 발생된다. 광학 장치(9,10,11)는 대체로 상호 작용하며 광학 영상 장치를 나타낸다. 수신 유니트(4) 및 광학 영상 장치 사이의 주기적으로 변화가능한 광학 경로 길이는 이 경우에 광학 장치(11)에 대한 경로 길이를 평균하는 것으로 이해하여야 한다. 조명 빔(7)은 측정되며 표면(13)을 갖는 대상물(12)의 방향으로 스플리터 미러(14)를 통하여 진행된다. 반사된 측정 빔은 광학 장치(10,11) 및 스플리터 미러(14)에 의하여 수신 유니트(4)로 경로 설정된다. 수신 유니트(4)는 각각 연관된 조리개(6)를 갖는 광수신기(5)를 포함하며, 그로 인해 포인트 수신기(4.1, 4.2, ...)를 구성한다. 광학 영상 장치 또는 그 부품의 질량이 비교적 크기 때문에, 광학 경로 길이의 변화를 발생하기 위한 목적으로, 수신 유니트(4)가 광축의 방향으로 진동되는 것이 더 바람직하다. 이것은 도면의 측면에서 높이값 z/시간 t로 지시된다. 진동 방향(17)은 이미지 측상의 측정 영역에서 시스템의 광축에 평행하다. 진동, 예를 들면 2kHz로 주기적이며 특히 정현적이다.

이론적으로, 단일 포인트 광원(1.1)과 단일 포인트 수신기(4.1)를 사용할 수 있다. 그러나, 컴포넌트(19)의 전체 표면을 스캐닝할 때 달성될 수 있는 데이터율은 아주 낮다. 포인트 광원 및 수신기의 수가 증가하면, 각각 제 1 광원은 제 1 수신기에 상응하고 제 2 광원은 제 2 수신기에 상응한다. 직렬 스캐닝 대신에, 광원이나 다양한 광원의 광은 상이하게 변조되며, 그로 인해 상기 광은 상이한 주파수를 갖게 된다. 결론적으로, 광원/수신기 쌍의 수에 따라, 상응하는 수의 스캐닝 포인트(18)가 표면(13)상에서 직선으로 발생된다. 이미 기술된 바와 같이, 하나의 높이값은 각 포인트에 대하여 거의 동시에 결정된다.

도 2는 본드(20)와 본딩 와이어(21)로 고정된 전자 컴포넌트(19)의 표면을 상세히 도시하고 있다. 이러한 설명에서의 다운스트림 처리 단계에서 본딩와이어(21)를 손상시키지 않도록 하기 위하여 최대 높이 z_max를 허용한다. 더구나, 본드(20)의 높이 h 및 직경 D는 특정치에 따라야 한다. 도 2에 도시된 라인(24)은 일반 이동 경로(24)를 나타낸다. 스캐닝 속도에 관한 요건은 상응하는 수의 스캐닝 포인트(18)를 갖는 하나 이상의 광원/수신기 쌍이 사용되는지를 초기에 결정한다. 그러나, 복수의 스캐닝 포인트(18)가 동시에 발생된다는 사실은 측정될 대상물(12)의 표면(13)에 대하여 수평 이동을 갖는 센서 헤드 또는 스캐닝 센서의 관점에서 알 수 있어야 한다.

본 발명에 따라 기술된 현미경은 상당히 비용이 효율적이고 더 빠른 전자 유니트의 3차원 광학 검사에서 사용하고자 하는 목적을 갖는다. 이 때문에, 공초점 높이 측정은 직선 배열된 복수의 측정 포인트에서 동시에 수행되며, 그 결과 측정될 대상물과 센서 사이의 상대 이동 동안에, 평행한 스캐닝 포인트의 스트립(라인, 열), 예를 들면 그들 중 30개가 생성된다. 센서의 구조 및 그것으로 달성될 수 있는 검사율은 대체로 이 스트립에 의해 감지되는 전자 컴포넌트의 영역이 예를 들면 체킹될 납땜된 조인트가 위치되어 있는 에지 영역에 있을 때에만 실용적이다. 그 결과, 일반적인 전자 조립체의 경우, 스캐닝은 전체 인쇄 회로 기판 조립체의 약 5%로 감소된다. 병렬 동작을 갖는 공초점 현미경과 연관된 부분적인 표면 감지의 특성이 필수적이며 제일 먼저 수용가능한 비용/성능비를 유도한다. 부분적이고 유연한 감지는 임계 영역에 대해서만 검사를 확장시키는 능력을 나타낸다.

도 3은 전자 컴포넌트(19)를 도시하며, 그 상방으로 향하는 표면(13)상에는복수의 본드(20)가 직교 배열로 놓여있다. 본드는 예를 들면 리드 프레임(도시하지 않음)상의 전기 단자 포인트에 본딩 와이어(21)에 의해 접속되어 있다. 본 발명에 따른 광학 근접 센서의 사용은 직선으로 스캐닝 포인트(18)의 열(row)을 발생한다. 컴포넌트(19)상에 체킹될 필요가 있는 모든 것들이 본드(20) 및 상응하는 본딩 와이어(21)이기 때문에, 컴포넌트(19)에 대한 센서의 일반적인 이동 경로(24)를 위해 직교형으로 구성된 일종의 프레임을 추적할 수 있다. 여기에 도시된 스캐닝 포인트(18)의 열이 이동 경로(24)에 대하여 45°경사를 갖기 때문에, 스캐닝 센서와 함께 검사 헤드를 회전시킬 필요가 없다. 스캐닝 센서가 도 3 및 4에서 도시된 이동 경로(24)를 추적할 경우, x축 및 y축에 평행한 일종의 통로(corridor)가 각 시간마다 감지되며, 통로는 예를 들면, 폭이 256분의 22 ㎛이다. 예를 들면, 16개의 스캐닝 포인트(18)는 열을 이루고 있다.

도 4는 검사될 땜납 증착물(23)이 스캐닝되는 이동 경로(24)를 도 3에 상응하는 2차원 설명으로 도시한다. 이동 경로(24)에 대한 직교 프레임의 구성은 이 경우에 유사하게 적용된다. 컴포넌트(19)는 이 포인트에서 항상 고정 위치(25)에 위치하지는 않는다. 이 적용에 있어서, 땜납 페이스트 증착물의 위치, 형상 및 체적이 검사된다.

수신기의 기계적인 이동은 그 질량이 낮을 경우 용이하게 된다. 이 때문에, 수신 유니트(4) 및 평행 광원 장치는 크기 및 격자 크기에 대하여 아주 작은 치수로 주어져야 하며, 그 결과 광학 기계적인 처리가 더 어려워지고 동시에 사용될 수 있는 광원이나 스캐닝 포인트(18)의 수가 엄격히 제한된다.

전송기 및 수신기의 평행 배열에 있어서, 광학 크로스토크 및 부정확한 측정이 발생한다. 이것은 조명 스폿 직경 및/또는 상응하는 조리개 직경이 가로방향 공간에 대하여 클 경우에 특히 명백하다. 본질적으로 휘어지지 않는 조명 빔의 레일리파(Rayleigh) 길이가 이동하는 수신기를 가진 구성에서 높이 측정 범위를 지정하기 때문에, 개구 각도는 작은 크기로 주어져야 한다. 이것의 결론은 측정 스폿 직경이 빔 웨이스트의 영역에서도 비교적 크다는 것이다. 그러므로 크로스토크는 예를 들면 광의 상이한 주파수에 의한 강도의 일시적 변화 또는 차별화와 같은 방법에 의해 억제되어야 한다. 진동하는 미러 시스템과 관련하는 공초점 검출기는 특히 다음과 같은 이점을 갖는다:

- 렌즈의 상응하는 선택에 의하여, 공초점 검출기 장치 및 광원 장치는 이동하는 중간 이미지에서 감소된 크기로 이미징될 수 있다. 그 결과, 미러는 아주 작은 크기로 주어질 수 있으며 그에 상응하게 고주파수는 진동하는 미러에 대하여 달성될 수 있다.

- 광원과 검출기의 격자 엘리먼트 간격의 치수설정에 대하여 이용될 수 있는 많은 선택 옵션이 있는데, 그 이유는 크기 스케일이 광학 영상 장치의 적정 설계에 의하여 설정될 수 있기 때문이다.

- 높이 측정 범위는 더 이상 조명 빔의 형태로 지정되지 않으며, 미러 시스템(30)의 기계적인 진동의 진폭과 관련하는 광학 장치의 선택에 의하여 지정된다. 기술한 미러 시스템의 경우에 있어서, 중간 이미지는 미러 진동의 진폭의 2배만큼 이동한다.

- 조명 빔의 공초점 평면이 대상물 영역에서 동시에 이동되기 때문에, 축방향 및 가로방향(높이 및 폭)으로 조명 빔의 개구수 및 분해능을 증가시킬 수 있다.

- 병렬 동작에 있어서, 각 광원에 대하여 상응하는 수신기가 존재하고, 이 경우 광학 크로스토크가 부정확한 측정을 초래할 수 있다. 크로스토크가 크게 될 수록, 공초점 검출기의 직경도 수신기들 사이의 간격에 비해 더 커진다. 공초점 영상 때문에, 개별적인 광원 사이의 간격은 검출기 사이의 상호 간격에 비례한다. 그러므로, 예를 들면 일정 방사 각도 또는 조명 스폿 크기를 가진 큰 조명 스폿 간격을 갖는 광원이 선택되며, 중간 이미지 또는 대상물 영역에서 필요한 정도로 감소되며, 그로 인해 크로스토크가 상당히 감소될 수 있다. 그러므로, 25㎛의 격자 크기를 갖는 대신에 125㎛의 격자 크기를 갖는 레이저 다이오드 장치를 사용할 수도 있다. 이 경우, 어떤 환경하에서 크로스토크의 전자적 억제로 전체적으로 필요 없게 될 수도 있으며, 이는 기술적인 경비뿐만 아니라 이러한 형태의 센서의 비용을 감소시키게 된다.

- 측정 스폿 간격에 대한 측정 스폿 직경의 비율의 적당한 선택에 의한 크로스토크의 억제 때문에, 광원은 별도로 구동되거나 상이한 주파수에 의해 구별될 수 있어서는 안된다. 이것은 단지 단일 광원으로 병렬 표면 스캐닝을 가능하게 한다. 다양한 전송 채널로 분할되는 빔은 예를 들면, 광 편향 요소에 의하여 이루어 질 수 있다.

청구항 1항에 따른 본 발명의 시스템은 빔-편향 스캐닝 유니트없이 사용될 수 있다. 유사하게, 측정 빔을 따라 엇갈림 방식으로 배열된 수신기를 전혀 사용하지 않는다. 존재하는 단일 수신 유니트는 예를 들면 압전기적으로, 자기변형적으로 또는 전자기적으로 제거될 수 있다. 실질적인 적용에 충분한 진동 주파수는 2kHz이다. 동시에, 데이터율의 증가는 전송 유니트(1)에서의 복수의 광원(1.1, 1.2, ...) 및 단일 수신 유니트(4)에서의 복수의 상응하는 수신기(4.1, 4.2,...)의 사용에 의해 달성된다. 포토다이오드의 통합된 열은 예를 들면, 수신기로서 사용될 수 있다. 레이저 다이오드 어레이는 바람직하게는 광원으로서 사용된다. 이전의 설명은 광원(2)이나 광수신기(5)가 일반적인 형태가 정상적인 비용 구조로 사용되는 한 광원이나 포인트 수신기로서 간주될 수 없기 때문에, 조리개(3,6)의 사용에 기초로 하였다. 레이저에서 조리개의 사용은 필요없다.

그러나, 언제든지 평행한 광원(2)의 세기는 비교적 상이한 관계에 따라 일시적으로 변화될 수 있으며, 그 결과 수신단에서 명백한 할당 및 크로스토크가 절대적으로 제거된다. 어떤 적용에 대해서는, 광원(2) 및 토크(talks)(5)의 직렬 동작이 가능하다. 핀홀 조리개 어레이 뒤의 단일 광검출기의 배열은 이 경우에 충분하다.

복수의 송-수신 유니트의 병렬 동작이 고데이터율을 발생하기 위하여 사용되면, 일방향으로 측정될 대상물의 이동중에는 초기에 라인의 스캐닝만이 가능하다. 대체로, 칩이나 컴포넌트(19)의 에지 영역의 모니터링은 반도체 및 인쇄회로기판 조립기술의 연결 및 장착 프로세스에서 충분하다. 그러나, 이들 영역은 컴포넌트의 전체 주변으로 확장된다. 센서 헤드가 이러한 형태의 필요한 직교 스캐닝 트랙의 경우에 회전되지 않도록 하기 위하여, 그에 상응하게 선형으로 배열된 전송기 및수신기의 축 및 표면(13)상의 스캐닝 스폿의 열의 정렬은 스캐닝 방향에 대하여 45° 방향설정되어 있다.

서로 인접한 복수의 수신기 및 전송기의 평행 배열 및 이미지측의 수신기의 기계적인 진동 이동은 간단하고 비용 저렴한 방법으로 구현될 수 있다. 상이한 광 주파수에 의해 개별적인 전송 및 수신 채널의 분리는 개별적인 채널 사이의 선택도를 증가시킨다. 직교 스캐닝 방향에 비하여 스캐닝 포인트의 열의 45°배열은 검사 헤드의 인도를 간단하게 한다. 편리하게, 장면은 전체적으로 감지되지 않으며, 그 영역만이 감지되어 검사되고 전자 컴포넌트의 큰 영역 표면상의 에지 영역에 놓이게 된다. 광학 경로 길이를 변화시키기 위한 미러 시스템을 갖는 시스템의 사용은 상기 언급한 기술적인 이점을 제공하며, 상기 기술은 다른 식별 신뢰성과 부가적인 비용 절약과 연관된다.

도 5는 진동 수신기를 갖는 시스템의 아주 간단하고 개략적인 도면을 설명한다. 본 방법의 다음과 같은 전형적인 값들이 인용될 수 있다:

분해능(x,y,z) : 10㎛

높이 측정 범위 : 500㎛

평행 스캐닝 트랙 : 30

데이터율 : 150 kHz

이동 속도 : 4 cm/sec

도 6a 및 6b에서 상당한 시간 및 비용 절약을 알 수 있으며, 스캐닝될 영역들은 각 경우에 설명된다. 도 6a에서, 표면의 3차원 감지는 예를 들면컴포넌트(26)가 위치되어 있는 인쇄회로기판을 포함하는 전체 인쇄회로기판 조립체에 관한 것이다. 스캐닝 영역은 전체 영역에 걸쳐있다. 도 6b에서, 부분적인 스캐닝 동작만이 수행된다. 스캐닝 영역(27)은 직교 스트립이며, 컴포넌트(26)의 전기 접속 영역의 땜납 조인트 검사가 상기 스트립의 스캐닝 및 평가에 의해 완전히 보장된다. 인쇄회로기판의 표면의 부분적인 감지는 예를 들면, 전체 영역의 5%에 달한다.

도 7은 전송 유니트(1), 수신 유니트(4), 스플리터 미러(14), 미러 시스템(30) 및 광학 영상 장치의 시스템을 포함하는 공초점 현미경의 구조를 도시한다. 이 경우, 측정될 대상물(13)의 표면(12)은 스캐닝될 수 있으며 그 릴리프 이미지가 발생될 수 있다. 미러 시스템(30)은 서로 90°정도 오프셋되고 연결되어 있으며 적어도 균일하게 이동될 수 있는 두 미러의 유니트를 포함한다. 시스템은 진동 방향(17)으로 이동한다. 광학 경로 길이는 이러한 진동의 결과로 변화된다. 진동은 바람직하게는 정현적 진동이다. 주파수는 예를 들면 2MHz이다. 광학 경로 길이하에서, 도 7에 따르면, 먼저 광학 영상 장치(31)와 미러 시스템(30) 사이의 경로 길이를 고려할 수 있다. 그러나 중요한 것은 대상물 표면(13)의 스캐닝과 수신 유니트(4) 또는 전송 유니트(1) 사이의 빔 경로에서의 변화이다. 전송 유니트(1)의 공초점으로 배열된 포인트 광원과 수신 유니트(4)의 검출기가 중첩되는 중간 이미지가 미러 시스템(30)에서 발생된다. 미러 시스템(30)에서, 빔은 도 7에서 볼 수 있는 구조로 전체적으로 180° 재반사된다. 그러나, 이것은 평행한 오프셋으로 행해지며, 그로 인해 빔 경로는 광학 영상 장치(31)를 통해 두 번 인도된다. 미러 시스템(30)의 대칭축은 광학 영상 장치(31)의 광축상에 놓여 있다. 더구나, 미러 시스템(30)은 광학 영상 장치(31)의 일측상에 광선속의 수렴 영역에 놓여 있다.

도 8a, 8b 및 8c는 미러 시스템(30)에서의 빔 경로를 도시하며, 미러 시스템(30)의 진동 동안에 반사된 이미지의 이동 및 제로 위치(32)가 나타나 있다. 도 8a에서, 미러 시스템(30)은 진동방향(17)에 비하여 거의 제로 위치이다. 축 빔(거의 축방향으로 평행한 빔)(28)은 2×90°로 반사된다. 더욱이, 상응하는 화살표로 연속 라인을 이용하여 도시된 비-축방향으로 정렬된 빔은 전체 180°로 반사된다. 중간 이미지는 이와 유사하게 중앙 위치에 있다. 도 8a로부터 도 8b로의 전이는 진동 방향(17)에 따라 영향을 받는 우측으로의 변위를 포함한다. 이 경우, 중간 이미지의 위치는 이동(29)에 따라서 상방으로 변위된다. 축방향 빔의 편향은 동일하게 남게 된다. 다른 비-축방향으로 인도된 빔의 경로는 상응하게 변경된다. 도 8a로부터 도 8c로의 전이는 진동 방향(17)에 따라서 제로 위치(32)로부터 변위된다. 축방향 빔(28)의 반사는 미러 방향에 비하여 변하지 않고 계속해서 남게 된다. 다른 비-축방향으로 인도된 빔의 반사는 중간 이미지(29)의 이동이 아래쪽으로 향하도록 변경된다.

도 9는 본 발명의 변형을 도시하며, 여기서 빔 경로는 광학 영상 장치(31)를 통하여 단 한번만 인도된다. 빔 경로는 부가적인 편향 미러(33)를 경유하여 대상 물상에 편향된다.

Claims

측정될 대상물(12)의 표면(13)상에 이미징되는 적어도 하나의 포인트 광원(1.1, 1.2...)을 갖는 전송 유니트(1),

이미지측의 측정 영역에서 상기 포인트 광원에 대하여 공초점으로 배열되며 적어도 하나의 포인트 수신기(4.1, 4.2...)를 갖는 수신 유니트(4), 및

상기 대상물(12)과 가장 가까운 광학장치 사이의 조명 및 측정 빔(7;8)의 동축 인도장치를 가지며, 3차원 표면 측정을 위하여 표면(13)의 간격 및 높이값중 적어도 하나를 결정하기 위한 공초점 광학 영상 원리에 따른 광학 근접 센서에 있어서,

상기 수신 유니트(4)와 상기 수신 유니트(4)에 가장 가까운 광학 장치 사이의 광학 경로 길이는 변화될 수 있으며, 상기 수신 유니트(4)상에 최대 휘도를 형성하기 위하여 피크 검출기(16)가 사용되며, 그 경우 각각 상응하는 광학 경로 길이는 현재 스캐닝 포인트(18)의 각각의 높이값에 상응하는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
측정될 대상물(12)의 표면(13)상에 이미징되는 적어도 하나의 포인트 광원(1.1, 1.2...)을 갖는 전송 유니트(1),

이미지측의 측정 영역에서 상기 포인트 광원에 대하여 공초점으로 배열되며 적어도 하나의 포인트 수신기(4.1, 4.2...)를 갖는 수신 유니트(4), 및

상기 대상물(12)과 가장 가까운 광학장치 사이의 조명 및 측정 빔(7;8)의 동축 인도장치를 가지며, 3차원 표면 측정을 위하여 표면(13)의 간격 및 높이값중 적어도 하나를 결정하기 위한 공초점 광학 영상 원리에 따른 광학 근접 센서에 있어서,

상기 수신 유니트(4)와 상기 대상물(12) 사이 및 상기 전송 유니트(1)와 상기 대상물(12) 사이의 광학 경로 길이는 광학 영상 장치(31)의 광축의 방향으로 진동하는 미러 시스템(30)을 사용함으로써 변화될 수 있으며,

상기 수신 유니트(4)상에 최대 휘도를 형성하기 위하여 피크 검출기(16)가 사용될 수 있으며,

각 경우에 있어서 상기 전송 유니트(1)와 측정될 대상물 사이 및 상기 수신 유니트(4)와 측정될 대상물(12) 사이의 빔 경로는 광학 영상 장치(31)를 통하여 서로에 대해 대칭적으로 편심되게 인도되며, 및

각 경우에 있어서 상기 광학 영상 장치(31)를 통과하는 두 통로 사이의 상기 각 빔 경로는 180°편향되고 미러 시스템(30)에 의하여 평행한 오프셋을 가지며, 상기 미러 시스템(30)은 서로 90° 경사진 두 개의 미러를 포함하며 전송된 빔에 대하여 광학 영상 장치(31)의 초점 영역에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 2 항에 있어서, 상기 동축 빔 경로는 추가의 편향 미러(33)와 상기 대상물(12) 사이의 광학 장치를 통하여 상기 미러 시스템(30) 및 상기 추가의 편향 미러(33)에 의하여 광학 영상 장치(31)에서 편심되게, 상기 광학 영상 장치(31)와 대상물(12) 사이로 또는 그 사이로부터 멀리 인도될 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 1항, 2항 또는 3항에 있어서, 상기 전송 유니트(1)에는 복수의 포인트 광원(1.1, 1.2...)이 포함되고, 상기 수신 유니트(4)에는 상응하는 동일한 수의 복수의 포인트 수신기(4.1, 4.2...)가 포함되어 있으며, 상기 포인트 광원(1.1, 1.2...) 및 포인트 수신기(4.1, 4.2...)는 각 경우에 있어서 광축에 직교하는 평면에 선형으로 배열되며, 상기 표면(13)상에 직선으로 스캐닝 포인트(18)의 열(row)을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 1항, 2항 또는 3항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 각각 연관된 상응하는 포인트 광원(1,1, 1.2...) 및 포인트 수신기(4.1, 4.2..)에 의해 스캐닝 포인트(18)를 통하여 직렬 스캐닝하는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 1항, 2항 또는 3항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 상이한 포인트 광원(1.1, 1.2)에서의 광을 상이한 주파수로 변조시키고, 각 주파수에 필터가 매칭되는 수신 유니트(4) 후방에 있는 대역통과 필터(15)를 사용하는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 4항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 직선으로 스캐닝 포인트(18)의 열을 형성하기 위하여 직선으로 일렬로 상기 포인트 광원 및 상응하는 포인트 수신기를 배열하며, 상기 스캐닝 포인트(18)의 열은 상기 근접 센서의 이동 경로(24)에 대하여 45°각도를 형성하며, 각 스캐닝 포인트(18)의 빔 인도에는 공 초점 광학 영상 원리가 적용되는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 7항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 대상물 구조에 상응하는 직교 방향으로 스캐닝을 하기 위하여 대상물(12)의 직교방향으로 구성된 구조로 이동 경로(24)를 정렬하는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 7항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 상기 측정될 대상물(12)의 표면(13)을 부분적으로 스캐닝하고, 상기 표면(13) 영역을 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 9항에 있어서, 상기 영역은 전자 컴포넌트(26)의 에지 영역인 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 4항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 각각 연관된 상응하는 포인트 광원(1.1, 1.2...) 및 포인트 수신기(4.1, 4.2..)에 의해 스캐닝 포인트(18)를 통하여 직렬 스캐닝하는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 4항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 상이한 포인트 광원(1.1, 1.2)에서의 광을 상이한 주파수로 변조시키고, 각 주파수에 필터가 매칭되는 수신 유니트(4) 후방에 있는 대역통과 필터(15)를 사용하는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 5항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 상이한 포인트 광원(1.1, 1.2)에서의 광을 상이한 주파수로 변조시키고, 각 주파수에 필터가 매칭되는 수신 유니트(4) 후방에 있는 대역통과 필터(15)를 사용하는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 5항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 직선으로 스캐닝 포인트(18)의 열을 형성하기 위하여 직선으로 일렬로 상기 포인트 광원 및 상응하는 포인트 수신기를 배열하며, 상기 스캐닝 포인트(18)의 열은 상기 근접 센서의 이동 경로(24)에 대하여 45°각도를 형성하며, 각 스캐닝 포인트(18)의 빔 인도에는 공초점 광학 영상 원리가 적용되는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 6항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 직선으로 스캐닝 포인트(18)의 열을 형성하기 위하여 직선으로 일렬로 상기 포인트 광원 및 상응하는 포인트 수신기를 배열하며, 상기 스캐닝 포인트(18)의 열은 상기 근접 센서의 이동 경로(24)에대하여 45°각도를 형성하며, 각 스캐닝 포인트(18)의 빔 인도에는 공초점 광학 영상 원리가 적용되는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.
제 8항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 상기 측정될 대상물(12)의 표면(13)을 부분적으로 스캐닝하고, 상기 표면(13) 영역을 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 근접 센서.