KR101121691B1 - 삼차원 계측 장치 - Google Patents

Abstract

텔레센트릭 광학계를 이용하는 일 없이, 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있는 삼차원 계측 장치를 제공한다.

삼차원 계측 장치를 구비하는 기판 검사 장치는, 크림 땜납이 인쇄되어 이루어지는 프린트 기판의 표면에 대하여 줄무늬 모양{縞狀}의 패턴광을 조사{照射}하기 위한 조사 장치(4)와, 프린트 기판 상의 조사된 부분을 촬상하기 위한 CCD 카메라(5)와, CCD 카메라(5)에 의해 촬상된 화상 데이터에 의거해서 프린트 기판 상의 각 좌표 위치에서의 높이 계측을 행하는 제어 장치를 구비하고 있다. 또, 제어 장치는, CCD 카메라(5)의 렌즈(5a)의 화각{畵角}에 의해 생길 수 있는 계측 데이터의 어긋남을, CCD 카메라(5)의 높이 Lco와, 프린트 기판에 대해서 조사되는 패턴광의 조사각 α에 의거해서 보정한다.

기판 검사 장치, 프린트 기판, 조명 장치, 투영 렌즈, CCD 카메라, 렌즈, 제어 장치.

Description

삼차원 계측 장치{THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT DEVICE}

본 발명은, 삼차원 계측 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 프린트 기판 상에 전자 부품을 실장하는 경우, 우선 프린트 기판 상에 배설{配設}된 소정의 전극 패턴 상에 크림 땜납이 인쇄된다. 다음에, 그 크림 땜납의 점성에 의거해서 프린트 기판 상에 전자 부품이 가고정된다. 그 후, 상기 프린트 기판이 리플로 로{爐}에 인도되고, 소정의 리플로 공정을 거침으로써 납땜이 행해진다. 요즈음에는, 리플로 로에 인도되기 전{前}단계에서 크림 땜납의 인쇄 상태를 검사할 필요가 있으며, 이러한 검사시에 삼차원 계측 장치가 이용되는 일이 있다.

근래, 광을 이용한 이른바 비접촉식 삼차원 계측 장치가 여러 가지 제안되어 있으며, 예를 들면 위상 시프트법이나 공간 코드화법 등을 이용한 삼차원 계측 장치에 관한 기술이 제안되어 있다.

상기 기술에서의 삼차원 계측 장치에 있어서는, CCD 카메라 등의 촬상 수단이 이용된다. 예를 들면, 위상 시프트법을 이용하는 경우에는, 광원과 정현파 패턴의 필터와의 조합으로 이루어지는 조사{照射} 수단에 의해, 정현파모양의 광강도 분포를 가지는 패턴광을 피계측물(이 경우, 프린트 기판)에 조사한다. 그리고, 기판 상의 점을 바로 위에 배치한 CCD 카메라 등을 이용해서 관측한다. 이 경우, 화면 상의 소정의 계측 대상점{對象点}의 광의 강도 I는 아래 식으로 주어진다.

I=e+f?cosΦ

[단, e: 직류광 노이즈(오프셋 성분), f: 정현파의 콘트라스트(반사율), Φ: 물체의 요철{凹凸}에 의해 주어지는 위상]

이 때, 패턴광을 이동시켜서, 위상을 예를 들면 4단계(Φ+0, Φ+π/2, Φ+π, Φ+3π/2)로 변화시키고, 이들에 대응하는 강도 분포 I0, I1, I2, I3을 가지는 화상을 취입{取入}하고, 하기 식에 의거해서 변조분 α를 구한다.

α=arctan{(I3-I1)/(I0-I2)}

이 변조분 α를 이용해서, 프린트 기판(크림 땜납) 상의 계측 대상점의 3차원 좌표(X, Y, Z)가 구해지고, 그로 인해 크림 땜납의 삼차원 형상, 특히 높이가 계측된다.

그런데, 삼차원 계측 장치의 분야에서는, 촬상 수단의 카메라 렌즈의 화각에 기인해서, 계측 대상점의 높이에 따라서, 그 높이 데이터나 프린트 기판 상에서의 좌표 데이터가 실제와 달리 계측되는 일이 있다. 그 원리에 대해서 도 4를 참조해서 설명한다.

상술한 바와 같이, 소정의 조사 수단으로부터 발해진 패턴광 H는 소정의 계측 대상점에서 반사하고, 그 반사광 H'가 카메라(70)에 의해서 촬상된다. 이것에 의거해서, 삼차원 계측 장치는, 예를 들면 촬상면(기준면) M 상에 있는 계측 대상 점 A(X0, Z0)를, 촬상면 중심 O'로부터 X0 떨어진 위치에서 높이 Z0(=0)에 있는 점이라고 인식할 수가 있다.

이것에 대하여, 촬상면 중심 O'로부터 X1 떨어진 위치에서 촬상면 M으로부터 Z1 떨어진 높이에 있는 계측 대상점 B(X1, Z1)에서 반사한 반사광 H'가 카메라(70)에 입사한 경우, 삼차원 계측 장치는, 해당 반사광 H'를, 촬상면 중심 O'로부터 X0 떨어진 위치에서 높이 Z2에 있는 계측 대상점 C(X0, Z2)에서 반사한 것이라고 오인한다. 이것이 계측 오차로 되며, 계측 정밀도의 저하를 초래할 우려가 있었다.

이와 같은 부적당함{不具合}을 해소하기 위해, 삼차원 계측 장치의 분야에서는, 계측 대상점의 높이에 따라서, 계측되는 높이 데이터나 촬상면 상에서의 좌표 데이터에 어긋남이 생기지 않는 텔레센트릭 광학계가 사용되는 일이 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

[특허 문헌 1] 일본특표{特表} 2003-527582호 공보

그렇지만, 상기 텔레센트릭 광학계는 매우 대형이고 또한 고가임과 동시에, 촬상 시야가 좁다는 등의 문제가 있다.

또한, 상기 과제는, 반드시 프린트 기판 상에 인쇄된 크림 땜납 등의 높이 계측에 한정되지 않으며, 다른 삼차원 계측 장치의 분야에서도 내재하는 것이다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 텔레센트릭 광학계를 이용하는 일 없이, 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있는 삼차원 계측 장 치를 제공하는 것에 있다.

이하, 상기 과제를 해결하는데 적합한 각 수단에 대해서 항목 분류{項分}해서 설명한다. 또한, 필요에 따라서 대응하는 수단에 특유의 작용 효과를 부기한다.

수단 1.

적어도 피계측물에 대해서, 줄무늬 모양{縞狀}의 광강도 분포를 가지는 패턴광을 조사가능한 조사 수단과,

상기 패턴광이 조사된 피계측물로부터의 반사광을 촬상가능한 촬상 수단과,

적어도 상기 촬상 수단에서 촬상된 화상 데이터에 의거해서, 상기 피계측물 상의 각 좌표 위치에서의 높이 계측을 행하는 화상 처리 수단을 구비한 삼차원 계측 장치로서,

상기 화상 처리 수단에 의해 계측된 상기 피계측물 상의 계측 대상점의 좌표 데이터 및 높이 데이터에 대해서 상기 촬상 수단의 렌즈의 화각에 의해 생길 수 있는 어긋남을, 적어도 상기 촬상 수단의 높이 정보와, 상기 피계측물에 대해서 조사되는 패턴광의 조사각 정보에 의거해서 보정하는 보정 연산 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.

상기 수단 1에 따르면, 텔레센트릭 광학계를 이용하는 일 없이, 촬상 수단의 렌즈의 화각에 의해 생길 수 있는 계측 데이터의 어긋남을 연산 처리에서 소프트적으로 보정하고, 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있다. 결과로서, 일반적인 매크 로 렌즈 등을 사용하는 것이 가능하게 되어, 촬상 시야를 넓힐 수 있다. 나아가서는, 장치의 대형화나 복잡화를 억제하고, 제조 코스트의 증가 억제를 도모할 수가 있다.

수단 2.

상기 촬상 수단은, 상기 피계측물의 바로 위에 배치되고,

상기 조사 수단은, 상기 피계측물의 비스듬한 위쪽에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수단 1에 기재된 삼차원 계측 장치.

상기 수단 2와 같이, 촬상 수단이 피계측물의 바로 위에 배치되고, 조사 수단이 피계측물의 비스듬한 위쪽에 배치되어 있는 경우에는, 촬상 수단의 렌즈의 화각에 의해 생길 수 있는 계측 데이터의 어긋남이 커지기 쉽기 때문에, 상기 수단 1의 작용 효과가 보다 주효{奏效}하다.

수단 3.

상기 보정 연산 수단은,

상기 피계측물의 촬상면을 기준으로 한 상기 촬상 수단의 렌즈의 주점{主点}의 높이 Lco를 상기 촬상 수단의 높이 정보로 하고, 상기 조사 수단으로부터 조사되는 패턴광의 광선과 상기 촬상면이 이루는 각 α를 상기 패턴광의 조사각 정보로 하고,

하기 식 (a), (b)에 의해, 상기 계측 대상점의 외관{見掛}의 좌표 데이터 X1 및 높이 데이터 Z1로부터, 상기 계측 대상점의 진짜{眞} 좌표 데이터 X0 및 높이 데이터 Z0을 산출하는 것을 특징으로 하는 수단 2에 기재된 삼차원 계측 장치.

본 발명에 따르면, 텔레센트릭 광학계를 이용하는 일 없이, 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있는 삼차원 계측 장치를 제공할 수 있다.

이하, 1실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은, 본 실시형태에서의 삼차원 계측 장치를 구비하는 기판 검사 장치(1)를 모식적으로 도시하는 개략 구성도이다. 같은 도면에 도시하는 바와 같이, 기판 검사 장치(1)는, 크림 땜납이 인쇄되어 이루어지는 피계측물로서의 프린트 기판(2)을 재치{載置}하기 위한 재치대(3)와, 프린트 기판(2)의 표면에 대해서 비스듬한 위쪽으로부터 소정의 패턴광을 조사하기 위한 조사 수단으로서의 조명 장치(4)와, 프린트 기판(2) 상의 상기 조사된 부분을 촬상하기 위한 촬상 수단으로서의 CCD 카메라(5)와, 기판 검사 장치(1) 내에서의 각종 제어나 화상 처리, 연산 처리를 실시하기 위한 제어 장치(6)를 구비하고 있다. 제어 장치(6)가 본 실시형태에서의 화상 처리 수단이나 보정 연산 수단을 구성한다.

조명 장치(4)는, 공지의 액정 광학 셔터를 구비하고 있으며, 프린트 기판(2)에 대해서, 비스듬한 위쪽으로부터 4분의 1 피치씩 위상 변화하는 줄무늬 모양의 패턴광을 조사하도록 되어 있다. 본 실시형태에서는, 패턴광이, 직사각형모양{矩形狀}의 프린트 기판(2)의 한쌍의 변과 평행하게 X축 방향을 따라서 조사되도록 설 정되어 있다. 다시 말해, 패턴광의 줄무늬가, X축 방향에 직교하고, 또한 Y축 방향에 평행하게 조사된다.

또한, 조명 장치(4)에서, 도시하지 않은 광원으로부터의 광은 광 파이버에 의해 한쌍의 집광 렌즈에 인도되고, 그곳에서 평행광으로 된다. 그 평행광이, 액정 소자를 거쳐서 항온 제어 장치 내에 배치된 투영 렌즈(4a)(도 3 참조)에 인도된다. 그리고, 투영 렌즈(4a)로부터 4개의 위상 변화하는 패턴광이 조사된다. 이와 같이, 조명 장치(4)에 액정 광학 셔터가 사용되고 있는 것에 의해서, 줄무늬 모양의 패턴광을 작성한 경우에, 그 조도가 이상적인 정현파에 가까운 것이 얻어지고, 이것에 의해, 삼차원 계측의 측정 분해능이 향상되도록 되어 있다. 또, 패턴광의 위상 시프트의 제어를 전기적으로 행할 수 있고, 제어계의 컴팩트화를 도모할 수 있도록 되어 있다.

재치대(3)에는, 모터(15, 16)가 설치되어 있으며, 그 모터(15, 16)가 제어 장치(6)에 의해 구동 제어되는 것에 의해서, 재치대(3) 상에 재치된 프린트 기판(2)이 임의의 방향(X축 방향 및 Y축 방향)으로 슬라이드시켜지도록 되어 있다. 이러한 구성에 의해, CCD 카메라(5)의 시야, 즉 검사 시야를 이동시킬수 있도록 되어 있다.

다음에, 제어 장치(6)의 전기적 구성에 대해서 설명한다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 제어 장치(6)는, 기판 검사 장치(1) 전체의 제어를 담당하는 CPU 및 입출력 인터페이스(21), 키보드나 마우스, 혹은 터치 패널로 구성되는 「입력 수단」으로서의 입력 장치(22), CRT나 액정 등의 표시 화면을 가 지는 「표시 수단」으로서의 표시 장치(23), CCD 카메라(5)에 의한 촬상에 의거하는 화상 데이터를 기억하기 위한 화상 데이터 기억 장치(24), 각종 연산 결과를 기억하기 위한 연산 결과 기억 장치(25), 후술하는 보정 연산 처리 등을 행하기 위해서 각종 정보를 미리 기억해 두는 설정 데이터 기억 장치(26)를 구비하고 있다. 또한, 이들 각 장치(22～26)는, CPU 및 입출력 인터페이스(21)에 대해서 전기적으로 접속되어 있다.

상기 구성하에서, 제어 장치(6)는, 조명 장치(4)를 구동 제어해서 패턴광의 조사를 개시시킴과 동시에, 이 패턴광의 위상을 4분의 1 피치씩 시프트시켜서 4종류의 조사를 순차 전환 제어한다. 또, 이와 같이 해서 패턴광의 위상이 시프트하는 조명이 행해지고 있는 동안에, 제어 장치(6)는 CCD 카메라(5)를 구동 제어해서, 이들 각 조사마다 검사 에리어 부분을 촬상하고, 각각 4화면분의 화상 데이터를 얻는다.

그리고, 제어 장치(6)는, 검사 에리어의 화상 데이터(4화면분의 화상 데이터)에 의거해서, 위상 시프트법에 의해서 검사 에리어 내의 각 좌표 위치(X, Y)에서의 높이 데이터(Z)를 산출한다. 각 화소마다 상기 처리를 반복함으로써, 검사 에리어 전체에 대한 높이 데이터(Z)를 얻을 수가 있다.

다음에, 제어 장치(6)는, 이와 같이 해서 얻어진 각 부위의 좌표 데이터(X, Y) 및 높이 데이터(Z)에 대해서, CCD 카메라(5)의 렌즈(5a)의 화각에 의해 생길 수 있는 어긋남을 보정하는 보정 연산 처리를 행한다.

이하에, 그 원리에 대해서 도 3을 참조하여 설명한다. 또한, 도 3중에 도시 하는 각 점 등은, 이하의 것이다(단, 여기서 나타내는 부호는 [배경 기술] 및 [도 4]에서 기입한 부호와는 무관계하다).

P: 조명 장치(4)의 투영 렌즈(4a)의 주점

O: 조명 장치(4)(주점 P)를 통과하는 연직선과 촬상면(기준면) M과의 교점

A: 조명 장치(4)에 의해서 조사된 패턴광중, 계측 대상점 C에 조사되는 광선 H와 동일한 광선이 조사되는 촬상면 M 상의 점

B(X1,Z1): 외관의 계측 대상점

C(X0, Z0): 진짜 계측 대상점

D: CCD 카메라(5)의 렌즈(5a)의 주점

E: 외관의 계측 대상점 B를 통과하는 연직선과 촬상면 M과의 교점

F: 진짜 계측 대상점 C를 통과하는 연직선과 촬상면 M과의 교점

X0: 촬상면 중심 O'로부터 교점 F까지의 거리

X1: 촬상면 중심 O'로부터 교점 E까지의 거리

Z0: 촬상면 M으로부터 진짜 계측 대상점 C까지의 높이

Z1: 촬상면 M으로부터 외관의 계측 대상점 B까지의 높이

Lpop: 투영 렌즈(4a)의 주점 P의 촬상면 M으로부터의 높이

Lpc: CCD 카메라(5)의 렌즈(5a)의 주점 D와 조명 장치(4)의 투영 렌즈(4a)의 주점 P와의 수평 방향에서의 거리

Lco: CCD 카메라(5)의 렌즈(5a)의 주점 D의 촬상면 M으로부터의 높이(CCD 카메라(5)의 높이 정보)

α: 조명 장치(4)로부터 조사되는 광선 H와 촬상면 M이 이루는 각(조사각 정보)

계속해서, 보정 연산 처리에 이용되는 연산식 (a), (b)를 구하는 수순에 대해서 설명한다.

OP/OA=tanα, OP=Lpop에 의해, 하기 식 (1)이 도출된다.

또, 조명 장치(4)와 계측 대상점 C와의 수평 방향에서의 거리 OF는, 하기 식(2)에 의해 도출된다.

또, CF/AF=tanα, CF=Z0에 의해, Z0/OA-OF=tanα로 된다. 따라서, Z0=(OA-OF)?tanα, 상기 식(1), (2)에 의해, 하기 식 (3)이 도출된다.

다음에, △DO'E에 주목{着目}하면, Lco/X1=Z0/(X1-X0)이 성립한다. 따라서, (X1-X0)?Lco=Z0?X1로부터, 이하와 같이 하기 식 (4)가 도출된다.

그리고, 상기 식 (4)를 식 (3)에 대입하면,

Z0={Lpop/tanα-Lpc-(1-Z0/Lco)?X1)}?tanα로 된다.

이것을 Z0에 대해서 정리하면,

Z0=Lpop-Lpc?tanα-X1?tanα+(X1?Z0/Lco)tanα

(1-X1?tanα/Lco)?Z0=Lpop-(Lpc+X1)tanα

우변은 Z1과 똑같으므로, 하기 식 (a)가 도출된다.

또, 상기 식 (a)를 식 (4)에 대입하면, 하기 식 (b)가 도출된다.

상기 식 (a), (b)를 기초로, 제어 장치(6)는, 화상 데이터로부터 계측된 외관의 계측 대상점 B의 좌표 데이터 X1 및 높이 데이터 Z1로부터, 진짜 계측 대상점 C의 좌표 데이터 X0 및 높이 데이터 Z0을 산출할 수가 있다.

또한, 보정을 행하기 위해서 필요한 CCD 카메라(5)의 높이 정보 Lco, 조사각 α, 상기 식 (a), (b) 등은, 계측 전에 미리 설정 데이터 기억 장치(26)에 기억해 두게 된다.

이와 같이 해서 얻어진 각 부위의 보정 후의 계측 데이터(좌표 데이터 및 높이 데이터)는, 제어 장치(6)의 연산 결과 기억 장치(25)에 저장{格納}된다. 그리고, 해당 각 부위의 계측 데이터에 의거해서, 기준면보다 높아진 크림 땜납의 인쇄 범위가 검출되고, 이 범위 내에서의 각 부위의 높이를 적분하는 것에 의해, 인쇄된 크림 땜납의 양이 산출된다. 그리고, 이와 같이 해서 구한 크림 땜납의 위치, 면적, 높이 또는 양 등의 데이터가 미리 설정 데이터 기억 장치(26)에 기억되어 있는 기준 데이터와 비교 판정되고, 이 비교 결과가 허용 범위 내에 있는지 여부에 따라 서, 그 검사 에리어에서의 크림 땜납의 인쇄 상태의 좋고 나쁨{良否}이 판정된다.

이상 자세하게 기술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 텔레센트릭 광학계를 이용하는 일 없이, CCD 카메라(5)의 렌즈(5a)의 화각에 의해 생길 수 있는 계측 데이터의 어긋남을 연산 처리에서 소프트적으로 보정하고, 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있다. 결과로서, CCD 카메라(5)의 렌즈(5a)에, 일반적인 매크로 렌즈 등을 사용하는 것이 가능하게 되어, 촬상 시야를 넓힐수 있다. 나아가서는, 장치의 대형화나 복잡화를 억제하고, 제조 코스트의 증가 억제를 도모할 수가 있다.

또, 상술한 실시형태의 기재 내용에 한정되는 일 없이, 예를 들면 다음과 같이 실시해도 좋다.

(a) 상기 실시형태에서는, 삼차원 계측 방법으로서, 위상 시프트법을 채용하고 있지만, 다른 수법, 예를 들면 광 절단법, 공간 코드법, 초점 맞춤법{合焦法} 등, 공지의 계측 방법중 임의의 계측 방법을 채용해도 좋다.

(b) 상기 실시형태에서는, 삼차원 계측 장치를, 프린트 기판(2)에 인쇄 형성된 크림 땜납의 높이를 계측하는 기판 검사 장치(1)로 구체화했지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 기판 상에 인쇄된 땜납 범프나, 기판 상에 실장된 전자 부품 등, 다른 것의 높이를 계측하는 구성으로 구체화해도 좋다.

(c) 상기 실시형태에서는, 연산식 (a), (b)를 이용해서 보정 연산 처리를 행하는 구성으로 되어 있지만, 보정 연산식은 이것에 한정되는 것은 아니다.

또, 조사각 α의 값은, 패턴광을 측정하는 등 해서 직접 구해도 좋고, 삼각 측량의 원리에 의거해서, 투영 렌즈(4a)의 주점 P의 높이 [Lpop] 등의 값으로부터 계산해서 간접적으로 구해도 좋다. 이 경우, 연산식 (a), (b)에서, tanα=(Lpop-Z1)/(Lpc+X1)로 치환할 수도 있다.

도 1은 1실시형태에서의 기판 검사 장치를 모식적으로 도시하는 개략 사시도,

도 2는 기판 검사 장치의 전기적 구성을 도시하는 블록도,

도 3은 보정 연산 처리의 원리를 설명하기 위한 도면,

도 4는 카메라 렌즈의 화각에 기인한 계측 데이터의 어긋남의 발생 원리에 대해서 설명하기 위한 도면.

[부호의 설명]

1: 기판 검사 장치, 2: 프린트 기판, 4: 조명 장치, 4a: 투영 렌즈, 5: CCD 카메라, 5a: 렌즈, 6: 제어 장치.

Claims (3)

1. 적어도 피계측물에 대해서, 줄무늬 모양{縞狀}의 광강도 분포를 가지는 패턴광을 조사{照射}가능한 조사 수단과,

   상기 패턴광이 조사된 피계측물로부터의 반사광을 촬상가능한 촬상 수단과,

   적어도 상기 촬상 수단에서 촬상된 화상 데이터에 의거해서, 상기 피계측물 상의 각 좌표 위치에서의 높이 계측을 행하는 화상 처리 수단을 구비한 삼차원 계측 장치로서,

   상기 화상 처리 수단에 의해 계측된 상기 피계측물 상의 계측 대상점의 좌표 데이터 및 높이 데이터에 대해서 상기 촬상 수단의 렌즈의 화각{畵角}에 의해 생길 수 있는 어긋남을, 적어도 상기 촬상 수단의 높이 정보와, 상기 피계측물에 대해서 조사되는 패턴광의 조사각 정보에 의거해서 보정하는 보정 연산 수단을 구비하고,

   상기 촬상 수단은 상기 피계측물의 바로 위에 배치되고,

   상기 조사 수단은 상기 피계측물의 비스듬한 위쪽에 배치되고,

   상기 보정 연산 수단은,

   상기 피계측물의 촬상면을 기준으로 한 상기 촬상 수단의 렌즈의 주점{主点}의 높이 Lco를 상기 촬상 수단의 높이 정보로 하고, 상기 조사 수단으로부터 조사되는 패턴광의 광선과 상기 촬상면이 이루는 각 α를 상기 패턴광의 조사각 정보로 하고,

   하기 식 (a), (b)에 의해, 상기 계측 대상점의 외관{見掛}의 좌표 데이터 X1 및 높이 데이터 Z1로부터, 상기 계측 대상점의 진짜{眞} 좌표 데이터 X0 및 높이 데이터 Z0을 산출하는 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.

   
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