KR20100120142A - 다중-위상 구조의 광을 이용한 3차원 이미징 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 테스트 표면(22) 상의 피쳐(36)의 높이를 매핑하는 방법(300)을 제공한다. 이 방법은 피쳐(36) 상에 복수의 별개의 프린지 주기를 갖는 패터닝된 조명을 투사하는 단계(310A)를 포함한다. 피쳐의 제1 이미지는 패터닝된 조명이 피쳐 상에 투사되는 동안 취득된다(310). 그리고, 검출기(46)의 시계의 일부분의 상대 변위를 야기하도록 센서와 피쳐(36) 사이에 상대 운동이 생성되고, 검출기의 시계의 일부분은 패턴을 생성하는 레티클의 별개의 영역의 수의 역수와 동일하다. 피쳐의 제2 이미지는 패터닝된 조명이 피쳐(36) 상에 투사되는 동안 취득된다(314). 높이 맵은 적어도 제1 및 제2 이미지에 기초하여 생성된다.

Description

다중-위상 구조의 광을 이용한 3차원 이미징 방법{Improved method for three-dimesional imaging using multi-phase structured light}

개별 전자부품과 전자회로를 실장한 회로 보드는 잘 알려져 있다. 회로 보드 기판은 미리 정해진 도체 경로(conductor paths)와, 집적회로 칩, 저항기 또는 캐패시터와 같은 전자부품의 리드(lead, 도선)를 수용하는 패드(pads)로 제작된다. 회로 보드 제조 공정 중에, 납땜 페이스트(solder paste) 덩어리가 회로 보드 기판상의 적절한 위치에 위치된다. 납땜 페이스트 도포는 통상 스크린을 기판상에 위치시키고, 스크린 개구부를 통하여 납땜 페이스트를 도포하고, 기판으로부터 스크린을 제거함으로써 이루어진다. 이어서 회로 보드 전자부품은, 바람직하게는 픽 앤드 플레이스 기기(pick and place machine)를 이용하여 각각의 납땜 페이스트 덩어리 상에 위치된 전자부품의 리드와 함께 기판상에 위치된다. 모든 부품들이 기판상에 위치된 후, 회로 보드가 오븐을 통과하면 납땜 페이스트가 용융되어서 부품과 기판은 전기적, 기계적으로 접속되게 된다.

납땜 페이스트 덩어리의 크기와 납땜 페이스트 덩어리가 기판상에 위치되어야 하는 정밀도는 전자산업에서의 소형화에 대한 중요성이 증가함에 따라 점점 작아지고 엄격해지고 있다. 납땜 페이스트 덩어리 높이는 대략 100 미크론 정도로 작아질 수 있으나, 종종 설계 높이 및 크기의 1% 이내로 측정되어야 하는 경우가 있다. 납땜 페이스트 덩어리들 사이의 중심에서 중심까지의 간격은 때때로 200 미크론이다. 납땜 페이스트가 너무 작으면 전자부품의 리드와 회로 보드 기판의 패드 사이의 전기적 접속이 이루어지지 않게 될 수도 있다. 납땜 페이스트가 너무 많으면 부품의 리드들 사이에 브리지가 형성되어 회로가 쇼트될 수 있다.

단일 회로 보드를 제조하기 위하여 수천 달러 또는 수만 달러가 소요될 수 있다. 제조공정이 완료된 후 회로 보드의 시험으로 납땜 페이스트 위치 및 부품 리드 접속에 에러가 있는지를 검출할 수 있으나, 결함 보드에 대한 단순한 수리만으로도 종종 전체 보드가 불합격되기도 한다. 따라서, 기판상에 전자부품을 위치시키기 전에 부적절한 납땜 페이스트 위치가 검출될 수 있도록 제조공정 중에 회로 보드를 검사하는 것이 필수적이다. 이와 같이 공정 도중의 납땜 검사는 값비싼 부품이 아직 회로 보드에 위치되지 않았기 때문에 실패비용(failure cost)을 줄여준다.

본 발명의 실시예들은 전자제품의 제조에 대한 다양한 자동 광학 검사에 적용될 수 있다. 중요한 검사로는 납땜 페이스트 검사, 접착제 또는 아교 검사, 위치결정 후 부품검사(post-placement component inspection), 리드/볼 동일 평면 검사(lead/ball coplanarity inspection) 등이 있다.

본 출원의 양수인에게 양도된 미국특허 제6,750,899호는 인쇄회로기판의 영역에 광의 패턴을 투사하기 위하여 레티클(reticle)을 통하여 광을 투사시킴으로써 납땜 페이스트 크기와 높이를 검출할 수 있는 높이 위상 검사 시스템(height topology inspection system)을 제공한다. 보드 트랜스포트(board transport)는 투사된 광의 상이한 위상에 대응하는 적어도 2개의 다른 위치에 대하여 회로 보드를 위치시킨다. 각각의 위치 위상에 대응하는 이미지는 각 위치에서 얻어진다. 센서와 보드 사이의 상대 운동이 측정되고, 프로세서는 적어도 2개의 이미지를 동일한 곳에 위치시키고, 동일 위치의 이미지로 높이 맵 이미지(height map image)를 구성한다. 높이 맵 이미지는 회로 보드 상의 납땜 페이스트의 크기 및 높이를 검출하기 위하여 사용된다.

미국특허 제6,750,899호는 높이 위상 검사 분야에 중요한 공헌을 하고 있지만, 여기에는 일부 개선의 여지가 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 후술하는 바와 같이 미국특허 제6,750,899호에 제공된 설계에 대한 개선을 제공하고 있다.

본 발명에서는 테스트 표면 상의 피쳐(feature)의 높이를 매핑(mapping)하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 피쳐 상에 복수의 별개의 프린지 주기(fringe periods)를 갖는 패터닝된 조명을 투사하는 단계를 포함한다. 피쳐의 제1 이미지는 패터닝된 조명이 피쳐 상에 투사되는 동안 취득된다. 그리고, 검출기의 시계(feild of view)의 일부분의 상대 변위(relative displacement)를 야기하도록 센서와 피쳐 사이에 상대 운동이 생성되고, 검출기의 시계의 일부분은 패턴을 생성하는 레티클의 별개의 영역의 수의 역수와 동일하다. 이어서, 피쳐의 제2 이미지가 패터닝된 조명이 피쳐 상에 투사되는 동안 취득된다. 높이 맵은 적어도 제1 및 제2 이미지에 기초하여 생성된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 유용한 높이 위상 검사 시스템의 개략도,
도 2는 평탄한 표면에 투사된 종래의 표면측정장치(profilometer)의 레티클 패턴을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 투사된 다중-위상 레티클 패턴(multi-phase reticle pattern)을 도시한 개략도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중-위상 구조의 광을 이용하여 테스트 표면을 3차원적으로 이미징하는 방법을 도시한 흐름도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 시간의 경과에 따른 Y축 센서 변위와 프린지 이미지 취득을 도시한 타이밍 챠트,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 투사된 다중-위상 레티클 패턴을 도시한 개략도이다.

본 발명의 실시예는 일반적으로 회로 보드 상의 납땜 페이스트 등의 피쳐(features)의 높이를 맵핑 또는 측정하기 위한 기술을 이용한다. 3차원 위상 표면 측정기술(phase profilometry)은 예를 들어, 본 출원의 양수인에게 특허 허여된 미국특허 제6,049,384호 및 제6,750,899호에 참조되는 바와 같이 공지의 기술이다.

본질적으로 광 패턴은 기판상에 투사되고, 베니션 블라인드(Venetian blind)를 통과하는 태양 광에 의하여 플로어 상에 드리워지는 어두운 영역과 밝은 영역을 갖는 패턴과 유사하다. 베니션 블라인드를 통과하는 태양 광이 평탄한 플로어(floor) 상에 평행하고, 직선인 스트라이프(stripes) 패턴이 나타나는 것과 마찬가지로, 평탄한 표면상의 광의 패턴은 평행하고 직선이지만, 레티클의 불투명한 사인곡선(sinusoidal) 패턴에 따라 강도가 변화하는 스트라이프 중의 하나가 될 것이다. 베니션 블라인드를 통과하는 태양 광의 유사성에 대하여 계속 살펴 보면, 태양 광의 스트라이프 패턴은 평탄한 플로어의 높이와 다른 높이를 갖는 물체(예를 들어, 잠자는 고양이)와 부딪히면 측면으로 이동하게 된다는 것을 상술한 설명으로부터 이해할 수 있을 것이다. 마찬가지로, 광은 평탄한 표면의 평면에 대하여 어떤 각도를 갖고 평탄한 표면에 투사되기 때문에, 평탄한 표면에 나타나는 스트라이프 패턴은 평탄한 표면의 높이와 다른 높이를 갖는 물체의 존재로부터 측면으로 이동하게 된다.

도 1은 높이 위상 검사 시스템(height topology inspection system)(10)을 도시한 도면으로서, 프로세서(14), X-Y 이동 시스템(16) 및 광센서 시스템(18)을 포함한다. 예시를 위하여, 높이 위상 검사 시스템(10)은 납땜 페이스트 검사 시스템으로 설명하지만, 당업자라면 이 시스템(10)이 위상 검사의 다른 적합한 유형에 사용될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

납땜 페이스트 검사 시스템(10)은 인쇄회로 보드 상의 납땜 검사와 관련된 정보를 송수신하기 위하여 네트워크(21) 등을 통하여 호스트 장치(19)에 접속될 수 있다. 예를 들어, 납땜 페이스트 검사 시스템(10)은 특정 납땜 페이스트 위치에 대한 위치정보와 그들의 각각의 공칭 체적(nominal volume)을 수신할 수 있다. 프로세서(14)는, 키보드 및 마우스 등의 입력장치와 비디오 모니터 형태의 출력장치를 갖는 공지의 장치인 마이크로 컴퓨터(12) 내에 배치되는 것이 바람직하다. 또한 마이크로 컴퓨터(12)는 산업 표준형 아키텍처(architecture)와 마이크로프로세서를 포함하는 것이 바람직하다. 마이크로 컴퓨터의 일례로, 인텔 펜티엄® 프로세서를 구비하는 마이크로소프트 윈도우® 운영체제에서 운영되는 퍼스널 컴퓨터가 있다.

프로세서(14)는 산업 표준형 요소를 갖춘 컴퓨터 주변 카드상에 구현되는 것이 바람직하다. 또한 프로세서(14)는 표준 주변요소 상호접속(Peripheral Component Interconnect, PCI) 버스(bus)를 통하여 마이크로 컴퓨터(12)와 결합되기에 적합한 것이 바람직하다. 프로세서(14)는 고속의 데이터 전송을 용이하게 하기 위하여 직접 메모리 접근(Direct Memory Access, DMA) 전송방식을 이용하여 마이크로 컴퓨터(12)와 데이터를 주고 받을 수 있다.

프로세서(14)는 아날로그/디지털 전자장치(48)로부터 디지털 비디오 데이터를 수신하며, 수신된 데이터에 대하여 많은 기능을 수행한다. 예를 들어, 프로세서(14)는 라인(20)을 통하여 인코더(24)로부터 수신된 인코더 정보에 기초하여 이미지를 취득하도록 센서 시스템(18)을 트리거한다. 프로세서(14)는 또한 동작모드(즉, 고해상도 대 고속)를 제어하기 위하여 센서 시스템(18)과 통신한다. 프로세서(14)는 프레임 버퍼(도시 생략)에 저장하기 위하여 이미 디지털화된 비디오 데이터를 광 센서 시스템(18)으로부터 수신한다. 프로세서(14)는 센서 시스템(18) 내의 특정 CMOS 어레이(46) 내의 결함을 보정하기 위하여 상기 디지털화된 비디오 이미지에 작용한다. 프로세서(14)는 또한 높이 맵에 관한 알려진 광학적 왜곡의 효과를 보상하기 위하여 사용된다.

프로세서(14)는 라인(20)을 통하여 X-Y 이동 시스템(16)과 결합된다. X-Y 이동 시스템(16)은 또한 X축 및 Y축 각각에 대하여 회로 보드(22)를 위치시키는 X 모터 및 Y 모터(도시 생략)를 포함하고 있다. X 모터 및 Y 모터는 X축, Y축을 따라 회로 보드의 위치를 나타내는 데이터를 프로세서(14)에 제공하는 X 및 Y 인코더(블록 24에서 개략적으로 도시됨)에 결합된다. 이동 명령은 라인(25)를 통하여 X-Y 이동 시스템(16)으로 송신된다. X-Y 이동 시스템(16)은 매우 안정되고, 그 이동은 높이 맵을 생성하기 위하여 사용되는 적어도 2개의 위상 이미지를 취득하기 위하여 필요한 거리에 비하여 화소 사이즈의 대략 일부분의 범위 내에 있도록 제어된다. 만약 X-Y 이동 시스템(16)이 충분히 안정적이지 않으면, 동등한 정밀도와 반복성을 제공할 수 있도록 전자장치 내에서 부가적 처리가 필요할 수도 있다. 일례로, 선형(linear) 인코더의 각각은 레니쇼(Renishaw)로부터 구매할 수 있는 바와 같이, 약 0.5 ㎛의 해상도를 갖는 것이 바람직하다. 따라서 협동 작업에 의하여 컴퓨터(12)와 X-Y 이동 시스템(16)은 회로 보드(22)를 화살표 7, 8에서 X, Y방향으로 원하는 만큼 정밀하게 이동시킨다.

광센서 시스템(18)은 카메라 시스템(30)과 투사 시스템(28)을 포함한다. 카메라 시스템(30)은 카메라 렌즈(31), CMOS 검출기(46) 및 A/D 전자장치 세트(48)를 포함한다. 투사 시스템(28)은 플래시 램프(38), 콘덴서(40), 레티클(41) 및 투사렌즈(42)를 포함한다. 광센서 시스템(18) 내의 모든 부품들은 시스템의 하우징 내에 고정된다. 광센서 시스템(18)은 초점 제어를 위한 z 방향 이동을 제공하도록 이송 스테이지(translation stage)(도시 생략)에 고정되게 부착된다.

투사 시스템(28)은 납땜 페이스트 피쳐(36) 상에 다중 위상 구조 광(multiple phase of structured light)을 투사한다. 플래시 램프(38)는 바람직하게는 크세논 가스로 충진된 고속 스트로브 램프이고, 광대역 백색 광을 투사한다. 시스템(18) 하우징 내의 고속 방전회로(도시생략)는 램프(38)를 구동시키고, 이때 채널(34)을 통한 타이밍 신호는, 램프(38)가 단기간 내에, 바람직하게는 적어도 1 밀리초에 플래시 램프가 안정한 상태로 유지되는 것을 보증해 주기 위하여 스트로브들 사이에서 다수 회 점등하도록 한다. 이러한 짧은 시간 내에 3개의 플래시를 제공할 수 있는 고속 방전회로는 높은 시스템 처리량을 확보하는데 매우 중요하다.

이러한 고속 방전회로의 일례가 본 출원의 양수인에게 양도되고 참고로 본 명세서에 참조되는 "고속 점화 플래시램프 방전회로"란 명칭의 미국특허 제6,593,705호의 발명에 제공되어 있다. 펄스 레이저 또는 펄스 LED와 같은 다른 종류의 조명 광원이, 선택된 시간 내에 짧은 지속시간(duration), 높은 에너지의 연속 펄스를 공급할 수 있는 한, 본 발명에 이용될 수 있다. 콘덴서(40) 렌즈는 플래시 램프(38)로부터 광을 집광하여 레티클(41)을 통하여 투사렌즈(42)로 향하게 하고, 투사렌즈(42)는 테스트 표면 상에서 사인곡선으로 변화되는 프린지 이미지들을 형성한다. 바람직하게는, 레티클(41)은 비점수차 패턴(astigmatic pattern)을 갖고, 투사렌즈(42)는 비점수차이고, 모두는 고조파 왜곡(low harmonic distortion)을 갖는 사인곡선으로 변화하는 비점수차 패턴을 확실히 형성한다.

투사렌즈 시스템(28)은 더블 텔레센트릭(doubly telecentric)인 것이 바람직하고, 즉 회로 보드(22) 상의 납땜 페이스트 부착물(solder paste deposit)(36)에서의 레티클 공간과 타겟 공간 내에서 텔레센트릭하다. 더블 텔레센트릭 특성은 높이, 볼륨 및 영역 계산이 시계(field of view) 및 초점 심도(depth of focus) 내에서 납땜 페이스트의 위치와 독립적으로 되도록 해주기 때문에 중요하다. 이러한 특성은 또한 전체 시스템에 대하여 보다 낮은 왜곡을 제공하고, 타겟이 노출들 사이에서 이동하기 때문에 중요하다.

카메라 시스템(30)은 납땜 페이스트 부착물(36)의 타겟 상에 투사된 프린지(fringe)를 관찰하여, 빠르게 연속적으로 이미지를 포착하여 디지털화한다. 카메라 시스템(30)은 모아레 간섭 측정 시스템(moire interferometry system) 내에 통합되는 것과 같이, 격자(grating)를 포함하지 않는다. 카메라 시스템(30)은 타겟 공간 내에서는 텔레센트릭인 것이 바람직하며, 상술한 바와 동일한 이유로 낮은 왜곡을 갖는다. 시계(field of veiw)의 크기는 타겟의 충분한 해상도를 유지하면서 필드 범위(field coverage)를 최대화하도록 선택된다. CMOS 어레이(46)는 메가픽셀 어레이인 것이 바람직하고, 이는 상세한 세부까지 납땜 페이스트 피쳐를 검사할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 칩 스케일 페키지(Chip Scale Package, CSP) 또는 마이크로볼 그리드 어레이(microball grid array)와 같은 부품의 납땜 페이스트 피쳐가 검사될 수 있다. 그러나, 개개의 픽셀로부터 데이터를 샘플링하거나 복합함으로써 보다 큰 등가의 픽셀을 생성하여 고속으로 검사를 용이하게 한다. 이러한 보다 큰 효과적인 픽셀은 고속의 응용을 가능하게 하므로 후속 처리시간을 줄일 수 있다. 일례로, 회로 보드(22)의 상이한 영역에서 발견되는 부품의 종류에 기초하여, 동일 회로 보드 상의 상이한 납땜 페이스트 피쳐에 대하여 검사 모드가 고해상도 모드와 고속 모드 사이에서 신속하게 스위칭될 수 있다. 이와 같이, 광센서 시스템(18)은 동일한 장비로 이중 해상능력을 이용한다.

표면의 높이를 결정하기 위한 종래의 위상 표면 측정 방법에 대한 조건의 하나로, 위상 랩(phase wrap)이 있다. 위상 랩은 위상 재구성 기술의 순환 특징으로 인하여 높이의 불명료함을 발생시킨다. 이 문제는 불연속 단차 프로파일(discontinuous step height profiles)을 갖는 표면뿐만 아니라 센서의 위상주기보다 큰 높이 변화를 갖는 표면에서 특히 문제가 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위한 시도는 일반적으로 제2 센서의 추가 또는 이미지 소스 생성기(image source generator) 내에서의 프린지 주파수의 수정을 포함한다. 제2 센서를 부가하는 것은 2개의 분리된 광 경로가 필요하기 때문에 보다 값비싼 접근방법이다. 또한, 동일한 이미지 소스 생성기로 프린지 주파수를 변경시키는 방법의 부가는 표면측정장치에 대한 가격을 추가하며, 수신 카메라로부터 다수의 판독 사이클을 필요로 하므로, 센서의 데이터 취득속도를 저하시킨다.

본 발명의 실시예는 일반적으로 전술한 시도의 결함을 극복하며, 추가 비용이나 속도의 불리함 없이 상당히 확장된 효과적인 높이 허용한계(height envelope)를 갖는 3차원 이미징 시스템을 제공한다.

도 2는 평탄 표면에 투사된 종래의 표면측정장치(profilometer)의 레티클 패턴을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 패턴(100)은 표면측정장치와 공작물(workpiece) 사이의 상대 운동 방향에 대하여, 바람직하게는 45°와 같은 각도로 배열된 어둡기(darkness)가 변화하는 복수의 평행 라인으로 구성된다. 도 2에서 패턴의 사이클 사이의 거리는 프린지 주기(fringe period)가 고려된 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 투사된 다중-위상(multi-phase) 레티클 패턴을 도시한 도면이다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 레티클 패턴(200)은 센서와 회로 보드 사이의 상대 운동 방향에 대하여 일반적으로 각도가 있는 다수의 평행라인으로 구성된다는 점에서 레티클 패턴(100)과 다소 유사하다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 레티클 패턴(200)은 복수의 별개의 위상 영역을 포함한다. 특히, 영역(202)은 상대적으로 짧은 프린지 주기를 가짐으로써 매우 높은 정밀도를 가질 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 랩 높이(wrap height)를 갖는다. 영역(204)은 영역(202)에 인접하여 배치되며, 영역(202)의 프린지 주기와 다른, 이 케이스에는 더 큰 프린지 주기를 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상이한 영역들(202, 204)은 서로 정렬되는 것이 바람직하다. 또한 각 프린지 영역(202, 204)의 크기는 동일한 것이 바람직하다. 이러한 특징은 다른 프린지 주기를 갖는 부가적인 프린지 영역이 이용되는 경우에도 존재한다. 예를 들어, 3개의 영역이 이용되면, 3 영역의 각각은 동일한 크기인 것이 편리하다.

상이한 영역에 대한 별개의 프린지 주기의 선택은 중요하다. 예를 들어, 하나의 프린지 주기는 대략적인 높이 매핑에 있어서는 상대적으로 클 수 있다. 대략적인 높이 매핑 기능이 제2 프린지 주기의 래핑 높이 내에서 높이를 결정할 수 있는 한, 이것은 유용할 것이다. 따라서, 제1 프린지 주기는 매우 정밀할 수 있으나, 단 1 mm의 랩 높이를 갖는다. 그리고 제2 프린지 주기는 9 mm의 랩 높이를 가질 수 있으나 1 mm 내에서 높이를 판별할 수 있다. 서로에 대하여 2개를 레버리지함으로써(leveraging), 보다 큰 프린지 주기의 전체 높이 허용한계 내에서 매우 정밀한 높이 매핑을 얻기 위하여 보다 작은 프린지 주기의 정밀도를 사용할 수 있다. 별개의 프린지 주기의 다른 복합 또한 고려된다.

상술한 예에서, 프린지 주기들의 하나만이 극도로 미세한 높이 정밀도를 제공하며, 다른 것은 대략적인 높이 결정을 위하여 사용된다. 그러나, 2개의 상대적으로 유사한 프린지 주기들이, 개개의 프린지 높이 맵의 랩 높이보다 큰 거리에 걸쳐 명백하고, 정밀한 높이 맵을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 1.2 mm의 랩 높이를 갖는 제2 프린지 주기와 함께 사용되는 1 mm의 랩 높이를 갖는 프린지 주기는 각각 정밀한 높이 매핑에 기여하게 될 것이고, 6 mm의 랩 높이를 제공하게 될 것이다. 이는 6 mm의 높이 내에서, 각 프린지 주기의 복합으로부터 도출된 높이 정보는 6 mm 높이 허용한계 내에서 단일 높이로 변하게 되기 때문이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 다중-위상 구조의 광을 이용하는 테스트 표면을 3차원적으로 이미징하는 방법을 도시한 흐름도이다. 이미지를 얻기 위하여, 센서(18)가 도 1에 도시된 바와 같이 회로 보드(22)의 테스트 표면에 대하여 Y축 방향(8)으로 이동한다. 이 이미징 방법(300)은 블록 302에서 시작하고, 이어 블록 304로 진행한다. 블록 304에서는 높이 스캐닝 장치가 초기화된다. 이러한 초기화는 동작 프로파일(motion profile)을 시작하는 것뿐 아니라 임의의 적합한 변수 및/또는 등록값(registers)을 0으로 하는 것을 포함한다.

일단 초기화가 완료되면, 블록 306으로 제어가 진행하며, 여기에서 센서는 "다음" 위치로 이동한다. 이 위치는 테스트될 표면 상의 피쳐(feature)의 위치이다. 일반적으로 이 위치는 납땜 페이스트 부착물의 위치가 될 것이지만, 높이 맵이 요구되는 다른 적합한 위치일 수 있다.

일단, 센서가 정확하게 위치되면, 블록 308이 시작된다. 이 블록 308은 전체 높이 이미지를 얻기 위한 프로세스이다. 블록 308 내의 블록 310은 먼저 제1 이미지(이미지 A)를 얻도록 실행된다. 블록 310은 서브 스텝들 310A, 310B 및 310C를 포함한다. 블록 310A에서 프린지 조명장치가 트리거된다. 이 단계에서 조명, 바람작하게는 스트로브 조명은, 2개의 별개의 프린지 패턴을 갖는 레티클(41) 같은 레티클을 통하여 점등된다. 이 조명장치는 센서가 제1 프린지 이미지를 얻도록 위치될 때 스테이지 인코더(24)에 의하여 트리거되는 것이 바람직하다. 이것은 CMOS 센서(46)의 시계(field of view) 내에서 2개의 별개의 패턴을 생성한다. 블록 310B에서 프린지 이미지 1A가 액세스되고 저장된다. 블록 310C에서는 프린지 이미지 2A가 액세스되고 저장된다. 따라서, 단일 이미지 획득을 위하여, 조명장치는 레티클의 이미지를 테스트 표면상에 투사하고, 이미지는 영역 어레이 이미지 생성기 상에서 취득된다. 이 이미지는 이미지 생성기로부터 다운로드되어 콘트롤러의 메모리에 저장된다. 따라서, 프린지 이미지 1A 및 2A는, 이들이 CMOS 검출기(46)의 동일 시계(field of view) 내에 있기 때문에 동시에 획득된다.

이미지 A가 블록 310에서 취득된 후, 제어는 블록 312로 진행하며, 여기에서 시스템은 다음 위상 위치가 준비될 때까지 대기한다. 이것은 이동 제어 시스템이 작업물과 센서 사이의 상대 운동을 생성시킬 때까지, 또는 이동 웹이 작업물을 충분한 거리만큼 이동시킬 때까지의 대기일 수 있다. 블록 310의 이미지 A와 블록 314의 이미지 B의 취득 사이에 발생하는 이동은 도 2 및 도 3에 표시된 방향과 같이 단일 방향이라는 점에 주목하는 것이 중요하다.

블록 314에서 이미지 B가 취득된다. 블록 310과 마찬가지로 블록 314는 서브스텝 314A, 314B 및 314C를 포함한다. 블록 314A에서 프린지 조명장치가 트리거된다. 이 단계에서의 조명은, 바람직하게는 스트로브 조명은, 2개의 별개의 프린지 패턴을 갖는 레티클(41) 같은 레티클을 통하여 점등된다. 이것은 CMOS 센서(46)의 시계 내에서 2개의 별개의 패턴을 생성한다. 블록 314B에서 프린지 이미지 1B가 액세스되고 저장된다. 블록 314C에서는 프린지 이미지 2B가 액세스되고 저장된다. 프린지 이미지 1B, 2B는, 그들이 CMOS 검출기(46)의 동일 시계 내에 있기 때문에 동시에 획득된다.

이미지 B가 블록 314에서 취득된 후, 제어는 블록 316으로 진행하며, 여기에서 시스템은 다음 위상 위치가 준비될 때까지 대기한다.

블록 318에서 이미지 C가 취득된다. 블록 310 및 314와 마찬가지로 블록 318은 서브스텝 318A, 318B 및 318C를 포함한다. 블록 318A에서 프린지 조명장치가 트리거된다. 이 단계에서의 조명은, 바람작하게는 스트로브 조명은, 2개의 별개의 프린지 패턴을 갖는 레티클(41) 같은 레티클을 통하여 점등된다. 이것은 CMOS 센서(46)의 시계 내에서 2개의 별개의 패턴을 생성한다. 블록 318B에서 프린지 이미지 1C가 액세스되고 저장된다. 블록 318C에서는 프린지 이미지 2C가 액세스되고 저장된다. 프린지 이미지 1C, 2C는, 이들이 CMOS 검출기(46)의 동일 시계 내에 있기 때문에 동시에 획득된다.

블록 320 및 322에서, N번째 높이 이미지가 프린지 1 및 프린지 2에 대하여 각각 산출된다. 다음으로, 블록 324에서, 프린지 1에 대하여 산출된 N번째 높이 이미지가 프린지 2에 대하여 산출된 N-1번째 높이 이미지와 복합되어 확장된 범위의 높이 이미지를 생성한다. 그리고 제어는 블록 326으로 진행하며, 여기에서 시스템은 스캔이 완료되었는 지의 여부를 결정한다. 만약 스캔이 완료되었으면, 제어는 블록 328로 진행하며 작업을 종료한다. 그러나, 만약 스캔이 완료되지 않았으면, 제어는 라인(330)을 경유하여 블록 306으로 복귀하고, 시스템은 "다음" N+1 위치로 이동한다. 또한, 현재의 위치 N과 "다음" 위치 사이의 이동은 CMOS 검출기의 시계의 일부분인 것이 바람직하다. 2 이상의 별개의 프린지 주기가 이용되는 경우의 실시예에서, 상기 일부분은 패턴을 생성하는 레티클의 별개의 영역의 수의 대략 역수와 같은 것이 바람직하다.

1 프린지 주기 이상 투사함으로써 2 이상의 프린지 주기 영역이 영역 어레이 이미지 생성기에 의해 취득되고, 2개의 별개의 높이 맵으로서 분리되어 처리될 수 있다. 각 이미지 취득 사이클에 있어서, 프린지 이미지의 2 이상의 영역에 의하여 생성되는 2 이상의 높이 이미지는 테스트 표면의 상이한 영역을 나타낸다. 그러나, 센서는 테스트 표면에 대하여 이동하도록 요구되기 때문에, 만약 상이한 프린지 주기의 이미지 영역이 센서 이동 축을 따라 정렬되면, 2개의 프린지 주기에 의해 정의되는 영역의 각각은 테스트 표면의 이미지를 취득할 수 있을 것이다. 일단 테스트 표면에 대한 높이 정보가 각 프린지 주기에 의하여 취득되면, 개별적인 높이 이미지가 비교되고 단일 프린지 이미지의 랩 높이를 지나 측정의 높이 범위를 확장하도록 복합될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 시간의 경과에 따른 Y축 센서 변위와 프린지 이미지 취득을 도시한 타이밍도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 시간 프레임 to에서 프린지 패턴 1, 2를 갖는 레티클 이미지가 위치 yo에서 투사된다. 이 레티클 이미지가 투사되는 동안(프린지 1 및 2), 2 또는 바람직하게는 3개의 변화하는 위상 이미지가 취득된다. 미국특허 제6,750,899호에 나타나 있는 바와 같이, 이들 이미지는 제1 시간 프레임에 대한 높이 맵이 구성되도록 하는 위상차(120°의 위상차에서 취득되는 바와 3개의 이미지와 같은)를 갖는다.

도 5에 도시된 바와 같이, 시간 프레임 to 동안의 이미지 취득은 시간 프레임 t1까지 지속되지 않고, 대신 to와 t1 사이에는 시간 지연이 있고, 여기에서 센서는 Y축으로 다음 위치까지 이동한다. 이러한 지연은 도 4의 블록 306과 관련하여 기술되어 있다. 바람직하게는, 센서는 시간 프레임 t1 동안 취득되는 이미지가 센서 시계 내에서 시간 프레임 to 동안 취득되는 이미지와 중첩되는 일부를 포함하도록 이동한다. 조명시에는 시간 프레임 t1에서의 프린지 패턴 1이 시간 프레임 to로부터의 프린지 패턴 2와 중첩된다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 과정은 센서가 전체 Y축을 스캔하거나 감지할 때까지 계속한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 투사된 다중-위상 레티클 패턴을 도시한 도면이다. 패턴(400)은 3개의 별개 영역을 포함한다. 특히 패턴(400)은 영역들(402, 404, 406)을 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 영역(404)은 영역(402, 406)보다 상대적으로 작은 프린지 주기를 갖는 높이 맵 영역이다. 따라서, 영역(404)이 테스트 표면에 투사되면, 미세한 높이 상세가 확인될 수 있다. 그러나, 작업물은 실제로 평탄하게 놓이지 않을 수 있으므로, 영역(402, 404) 중의 하나는 이미지 영역(404)의 취득에 앞서 높이를 대략적으로 결정하도록 사용될 수 있다. 이것은 높이 맵 이미지에 대하여 더 양호한 초점을 제공하기 위하여 센서 z 높이가 조정되도록 한다. 일단, z 높이가 조정되거나 확정되면 테스트 표면에 대한 영역(404)의 이미지가 취득된다. 이것은 시스템이 실제로 평탄하게 놓이지 않은 회로 보드 또는 작업물을 따르도록 동적으로 초점을 변화시키도록 하고, 그 작업물의 피쳐에 대하여 매우 정밀한 높이 맵을 제공하도록 한다. 또한, 양방향으로 이동이 허용되는 미세한 해상도의 레티클보다 앞서는 "초점" 정보가 가능하도록 하는 2개의 프린지 이미지가 존재한다.

본 발명의 실시예는 일반적으로 많은 이점을 제공해 준다. 예를 들어, 위상 표면 측정장치 높이 측정의 유용한 범위는 해상도를 줄이지 않고도 증가될 수 있다. 또한, 동일한 프로젝터, 이미지 캡쳐 및 이미지 처리 메커니즘이 절대 높이를 측정하기 위하여 사용될 수 있거나, 주기적인 높이 측정을 개발하기 위하여 사용되는 바와 같은 높이 이미지 내의 특정 위상 사이클을 확인하기 위하여 사용될 수 있거나, 또는 이들 모두를 위하여 사용될 수 있다. 더 나아가, 추가적인 높이 정보를 결정하기 위하여 추가적인 노출시간이 불필요하다. 또한, 다중 프린지 주기를 투사하기 위하여 필요로 하는 부가적인 하드웨어가 필요없는 것으로 믿어진다. 이들 다중 프린지 주기는 동일 광학 시스템을 통하여 투사되어 취득될 수 있다. 다중 프린지 주기는 동시에 취득될 수 있으며, 고정 위상 표면측정장치 내에서 다중 기간 프린지 투사의 취득과 관련된 공칭 취득시간을 줄여준다.

비록 본 발명이 바람직한 실시예를 참고하여 설명되었으나, 당해 기술분야의 기술자라면 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 그 형태 및 세부사항을 변경할 수 있을 것이다. 예를 들어, 이미지 검출기(46)는 CMOS 검출기인 것으로 설명되었으나, CCD 검출기와 같은 어떠한 적합한 검출기가 사용될 수 있다.

Claims (11)

1. 피쳐 상에 복수의 별개의 프린지 주기를 갖는 패터닝된 조명을 투사하는 단계;
   상기 패터닝된 조명이 피쳐 상에 투사되는 동안, 제1 높이 맵을 생성하도록 적어도 2개의 별개의 위상을 갖는, 피쳐의 복수의 제1 이미지를 취득하는 단계;
   검출기의 시계의 일부분의 상대 변위를 야기하도록 센서와 피쳐 사이에 상대 운동을 생성하는 단계;
   상기 패터닝된 조명이 피쳐 상에 투사되는 동안, 제2 높이 맵을 생성하도록 적어도 2개의 별개의 위상을 갖는, 피쳐의 복수의 제2 이미지를 취득하는 단계; 및
   상기 제1 높이 맵과 제2 높이 맵을 복합하는 단계를 포함하는, 테스트 표면 상의 피쳐의 높이를 매핑하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 패터닝된 조명은 스트로브 조명장치에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제2 이미지가 취득된 후, 센서의 상대 변위를 야기하도록 센서와 피쳐 사이에 상대 운동을 생성하는 단계; 및
   상기 패터닝된 조명이 제3 높이 맵을 생성하도록 피쳐 상에 투사되는 동안, 피쳐의 복수의 제3 이미지를 취득하는 단계를 추가로 포함하고,
   상기 제1, 제2 및 제3 높이 맵은 복합되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제1 이미지의 일부분과 복수의 제2 이미지의 일부분을 동일 장소에 위치시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 별개의 프린지 주기는 검출기의 시계 내에서 서로 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 제1 프린지 주기는 제1 영역 내에 투사되고, 제2 프린지 주기는 제2 영역 내에 투사되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 복합된 높이 맵은 보다 작은 프린지 주기에 기초한 정밀도를 갖고, 그 랩 높이는 보다 큰 프린지 주기의 랩 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 검출기의 시계의 일부분은 패턴을 생성하는 레티클의 별개의 영역의 수의 역수와 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
9. 시스템과 피쳐 사이의 상대 운동을 생성하는 로봇 시스템;
   상기 피쳐 상에 적어도 2개의 별개의 프린지 주기를 갖는 패터닝된 조명을 투사하도록 구성된 프로젝터;
   상기 피쳐 상에 투사되는 패터닝된 조명의 복수의 이미지를 취득하도록 구성된 이미지 검출기; 및
   상기 프로젝터와 이미지 검출기에 결합되어, 적어도 복수의 이미지에 기초하여 높이 맵을 생성하는 프로세서를 포함하는, 작업물 상의 피쳐의 3차원 높이를 검출하는 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 프로젝터는 적어도 2개의 별개의 프린지 주기를 동시에 투사하도록 구성되는 레티클을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 제9항에 있어서, 상기 프로젝터는 스트로브 조명장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
    

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