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JP3678916B2 - Non-contact 3D measurement method - Google Patents

Non-contact 3D measurement method Download PDF

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JP3678916B2
JP3678916B2 JP16109998A JP16109998A JP3678916B2 JP 3678916 B2 JP3678916 B2 JP 3678916B2 JP 16109998 A JP16109998 A JP 16109998A JP 16109998 A JP16109998 A JP 16109998A JP 3678916 B2 JP3678916 B2 JP 3678916B2
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、CCDカメラ等の撮像手段でワークを撮像して得られた画像から被測定対象の輪郭形状等を測定する非接触画像測定機能と、ワークの測定面との距離を変位量として非接触に検出する非接触変位検出機能とを備えた非接触三次元測定装置を用いてICパッケージのような精密部品の測定を行う際に有効な非接触三次元測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、精密部品の輪郭形状の測定等に画像測定装置が使用されている。画像測定装置は、測定すべきワークをCCDカメラを用いて任意の拡大率で撮像し、得られた二次元画像からエッジを検出し、種々の計測ツールを用いて必要な箇所の座標値を求めるものである。この画像測定装置でワークの高さ方向も含めた三次元測定を行う場合には、測定面の画像のコントラストから合焦判定を行って、この合焦位置を高さ方向の位置とする。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
LSIパッケージのBGA(Ball Grid Array)のコプラナリティー(平面度)は、歩留まりを決定する大きな要因となる。このため、BGAの平面度を高精度に測定できる装置が望まれている。従来の画像測定装置では、オートフォーカスによって高さ方向(Z軸方向)の位置を測定するようにしているので、測定したい箇所が必ずXY平面に平行でなければならないという制約があり、また、オートフォーカスで測定されるのは、設定した領域の平均的な値でしかない。従って、Z軸方向の細かい凹凸を測るような輪郭形状測定又は表面粗さ測定はできなかった。
【0004】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、微細なLSIパッケージのBGAの平面度を高精度に三次元測定することができる非接触三次元測定方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る非接触三次元測定方法は、ICパッケージからなるワークを撮像して画像測定用の二次元画像情報を出力する撮像手段及び前記ワーク上の所定の測定点との距離を変位量として検出可能な非接触変位計を一定の位置関係を保って配置してなる撮像ユニットを測定三次元空間内で移動させることにより三次元点列データを得、この三次元点列データに基づいて前記ICパッケージのボールグリッドアレイの平面度を測定する非接触三次元測定方法であって、前記撮像手段を用いて前記ICパッケージを画像測定するステップと、前記画像測定によって得られた測定結果に基づき、前記非接触変位計を指定された測定軌道に沿って、且つ前記ボールグリッドアレイの各ボールの頂点を含む所定範囲を指定された頂点走査パターンに従って倣い測定することにより三次元の点列データを取得するステップと、このステップで得られた点列データに対して平面度の評価処理を実行するステップとを備えたことを特徴とする
【0006】
本発明によれば、撮像手段で得られた二次元画像情報を用いて指定された測定軌道に沿って非接触変位計がワークの変位量を倣い測定していく際に、非接触変位計がBGAの各ボールの頂点を含む所定範囲を指定された頂点パターンに従って倣い測定するので、ボールの頂点が円中心にない場合や非接触変位計の測定軌道がボールの中心位置からずれているような場合でも、所定範囲にわたる走査を行うことによって、極めて高い確率で頂点座標を検出することができ、高精度のBGAの平面度評価が可能になる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の好ましい実施の形態について説明する。
図1は、この発明の一実施例に係る非接触三次元測定装置の全体構成を示す斜視図である。
この装置は、非接触画像測定機能と非接触変位測定機能とを備えた三次元測定機1と、この三次元測定機1を駆動制御すると共に、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム2とにより構成されている。
【0008】
三次元測定機1は、次のように構成されている。即ち、架台11上には、被測定対象であるワーク12を載置する測定テーブル13が装着されており、この測定テーブル13は、図示しないY軸駆動機構によってY軸方向に駆動される。架台11の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム14,15が固定されており、この支持アーム14,15の両上端部を連結するようにX軸ガイド16が固定されている。このX軸ガイド16には、撮像ユニット17が支持されている。撮像ユニット17は、図示しないX軸駆動機構によってX軸ガイド16に沿って駆動される。コンピュータシステム2は、計測情報処理及び各種制御を司るコンピュータ21と、各種指示情報を入力するキーボード22、ジョイスティックボックス23及びマウス24と、計測画面、指示画面及び計測結果を表示するCRTディスプレイ25と、計測結果をプリントアウトするプリンタ26とを備えて構成されている。
【0009】
撮像ユニット17の内部は、図2に示すように構成されている。即ち、X軸ガイド16に沿って移動可能にスライダ31が設けられ、スライダ31に一体にZ軸ガイド32が固定されている。このZ軸ガイド32には、支持板33がZ軸方向に摺動自在に設けられ、この支持板33に、画像測定用の撮像手段であるCCDカメラ34と、非接触変位計であるレーザプローブ35とが併設されている。これにより、CCDカメラ34とレーザプローブ35とは、一定の位置関係を保ってX,Y,Zの3軸方向に同時に移動できるようになっている。CCDカメラ34には、撮像範囲を照明するための照明装置36が付加されている。レーザプローブ35の近傍位置には、レーザプローブ35のレーザビームによる測定位置を確認するために、測定位置の周辺を撮像するCCDカメラ38と、レーザプローブ35の測定位置を照明するための照明装置39とが設けられている。レーザプローブ35は、撮像ユニット17の移動の際にレーザプローブ35を退避するための上下動機構40と、レーザビームの方向性を最適な方向に適合させるための回転機構41とにより支持されている。
【0010】
図3は、レーザプローブ35の詳細を示す図である。
半導体レーザ51から放射された光は、ビームスプリッタ52及び1/4波長板53を介したのち、コリメートレンズ54によって平行光線とされ、ミラー55,56及び対物レンズ57を介してワーク12の測定部に光スポットを形成する。ワーク12の測定部から反射された光は、ミラー56,55、コリメートレンズ54及び1/4波長板53の逆経路を辿ってビームスプリッタ52で反射され、エッジミラー58で上下に二分割される。上下に分割された光は、上下に配置された2分割受光素子59,60で検出される。検出回路61は、2分割受光素子59,60からの出力信号をもとに対物レンズ57の焦点位置からワーク12の測定面62までのずれ量に応じた信号を出力する。サーボ回路63は、検出回路61の検出出力に基づいて駆動機構64に対物レンズ57の駆動のための駆動信号を出力する。対物レンズ57が上下動すると、変位検出器66の可動部材67が固定部材68に対して移動する。この移動量が変位量として出力される。
【0011】
図4には、三次元測定機1及びコンピュータシステム2の構成を更に詳細に示した装置全体のブロック図が示されている。
三次元測定機1において、画像測定用のCCDカメラ34及びレーザプローブ35の測定位置確認用のCCDカメラ35でワーク12を撮像して得られた画像信号は、それぞれA/D変換器71,72で多値画像データに変換されたのち、選択回路73によっていずれか一方が選択されてコンピュータ21に供給される。CCDカメラ34,38の撮像に必要な照明光は、コンピュータ21の制御に基づき、照明制御部74,75が照明装置36,39をそれぞれ制御することにより与えられる。レーザプローブ35から得られた変位量の信号は、A/D変換器76を介してコンピュータ21に供給される。そして、これらを含む撮像ユニット17が、コンピュータ21の制御に基づいて動作するXYZ軸駆動部77によってXYZ軸方向に駆動される。撮像ユニット17のXYZ軸方向の位置は、XYZ軸エンコーダ78によって検出され、コンピュータ21に供給される。
【0012】
一方、コンピュータ21は、制御の中心をなすCPU81と、このCPU81に接続される多値画像メモリ82、プログラム記憶部83、ワークメモリ84及びインタフェース85,86と、多値画像メモリ81に記憶された多値画像データをCRTディスプレイ25に表示するための表示制御部87とにより構成されている。CPU81は、画像測定モードとレーザ測定モードとで選択回路73を切り換える。選択回路73で選択された画像測定用の多値画像データ又はレーザ測定用の多値画像データは、多値画像メモリ82に格納される。多値画像メモリ82に格納された多値画像データは、表示制御部87の表示制御動作によってCRTディスプレイ25に表示される。一方、キーボード22,ジョイスティック23及びマウス24から入力されるオペレータの指示情報は、インタフェース85を介してCPU81に入力される。また、CPU81には、レーザプローブ35で検出された変位量やXYZ軸エンコーダ78からのXYZ座標情報等を取り込む。CPU81は、これらの入力情報、オペレータの指示及びプログラム記憶部83に格納されたプログラムに基づいて、XYZ軸駆動部77によるステージ移動、測定値の演算処理等の各種の処理を実行する。ワークメモリ84は、CPU81の各種処理のための作業領域を提供する。測定値は、インタフェース86を介してプリンタ26に出力される。
【0013】
次に、このように構成された本実施例に係る非接触三次元測定装置の測定処理及びデータ処理について説明する。この装置では、画像測定モードとレーザ測定モードとを備えている。画像測定モードでは、従来の画像測定装置と同様の動作がなされるので、ここでばレーザ測定モードについて説明する。
【0014】
図5は、レーザ測定モードによる倣い測定の手順を示すフローチャートである。まず、画像測定用画像とレーザプローブ35の校正を行う(S1)。即ち、三次元測定機1のステージ13上に、図6に示すようなCCDカメラ34及びレーザプローブ35で測定可能な平行でない2本の直線成分L1,L2を含む治具91を載置する。この治具91は、例えば基板92上に所定幅hの台形パターン93を配置したようなものでよい。CCDカメラ34及びレーザプローブ35によりZ軸方向の投影面内で直線L1,L2をそれぞれ測定してこれら直線の方程式をそれぞれ求め、得られた式を演算処理することにより、CCDカメラ34及びレーザプローブ35の各座標軸間のオフセット値を求め、このオフセット値をCCDカメラ34及びレーザプローブ35の位置校正データとして用いる。
【0015】
校正処理が終了したら、次に、ワーク12を画像測定してワーク12の位置を確認し、レーザプローブ35による測定点を測定開始点に移動する(S2)。画像測定の際には、レーザプローブ35がワーク12と干渉する可能性があるので、画像測定中は、上下動機構40によってレーザプローブ35を上に退避させる。制御は例えばエアーシリンダにより行われる。次にレーザ測定モードを選択すると(S3)、選択回路73が切り替わり、CRTディスプレイ25の画面はCCDカメラ34からレーザ測定用のCCDカメラ38の画面となる。この画面により、レーザプローブ36からのレーザビームスポットの位置(測定位置)を確認する(S4)。ここで、ジョイスティック23やマウス24等を使用してビームスポットの位置を微調整することもできる。なお、CCDカメラ38は、レーザビームスポットが正しくワーク12上の目標位置に当たっているかどうかを確認するためのものであるから、その画像データは測定には使用しない。このため、画像測定用のCCDカメラ34のように高精細なものである必要はない。また、レーザの光だけでは、レーザスポットの位置だけが明るく見え、その周りは暗くなってきれいな画像が得られないので、専用の照明装置39に切り換える。勿論、CCDカメラ38及び照明装置39をCCDカメラ34及び照明装置36と兼用することも可能である。
【0016】
次に、倣い測定の経路を与えるため、測定ツールを選択し、必要なパラメータを設定する(S5)。測定ツールとしては、例えば図7に示すようなものが考えられる。
(a)点ツール
現在の測定点(黒丸)のX,Y,Z座標値を測定する。
(b)直線ツール
終点位置Peを与えて、現在の測定点から終点Peまでの直線上を倣い測定する。
(c)領域ツール
領域検索の幅W、高さH、ピッチPT1,PT2を与えて、現在の測定点から指定領域内を指定ピッチで往復運動しながら倣い測定する。
(d)円ツール
半径R、ピッチPT、開始角度θを与えて、現在の測定点から同心円上を倣い測定する。
(e)長方形ツール
幅Wと高さHを与えて、長方形に沿って倣い測定する。
(f)クロスツール
互いに直交する2つの線分の長さL1,L2を与えて、十字上を倣い測定する。
(g)螺旋ツール
最大半径R及びピッチRT(1回転で増加する半径値)を与えて、螺旋状を倣い測定する。
(h)フォーカスツール
現在位置で単にフォーカスをとる。
【0017】
測定ツールが選択され、必要なパラメータが設定されたら、倣い測定を実行する(S6)。レーザプローブ35の変位検出精度には、若干の方向性がある。このため、軌道に沿って輪郭や表面粗さを測定するときは、この軌道の進む方向に対してレーザプローブ35が最適な方向を向くように、レーザプローブ35を回転機構41によって回転させる。円軌道や螺旋軌道に沿って測定する場合には、レーザプローブ35を回転させながら測定するとより効果的である。
【0018】
倣い測定に際しては、レーザプローブ35の測定範囲内、例えば±0.5mmの範囲を超えてZ軸方向の座標値が得られるよう、例えば図8に示すように、レーザプローブ35からの変位量に基づいてXYZ軸駆動部77を駆動して、撮像ユニット17のZ軸方向位置を上下させる。これにより、レーザプローブ35の合焦位置が常に測定範囲の中心になるように制御する。この場合、XYZ軸エンコーダ78で得られるZ軸座標値がZ軸方向の変位量となる。Z軸方向の位置制御が間に合わないような高速の測定を行うには、Z軸座標値をレーザプローブ35の変位量で補正して正しい変位量を算出すればよい。また、レーザプローブ35の測定範囲内の微小な表面粗さを計測する場合には、図9に示すように、レーザプローブ35のZ軸方向位置を固定して、レーザプローブ35内の対物レンズ57の駆動制御のみで対応することができ、この場合、更に高速な処理が可能であると共に、Z軸駆動による分解能(例えば0.1μm)よりも高分解能(例えば0.01μm)の測定が可能になる。このような倣い測定により、指定された測定軌道に沿って所定の間隔でZ軸方向の座標値がX,Y軸座標値と共に点列データとして求められ、これがワークメモリ84に格納される。点列データが求められたら点列データの解析処理を実行する(S7)。
【0019】
次に、点列データの解析処理について説明する。従来の輪郭形状測定機や表面粗さ測定機は、二次元データであるのに対し、この非接触三次元測定装置で得られる輪郭形状測定データは、三次元データである。しかも、指定二次元軌道に沿った倣い測定を行うため、データ処理はより複雑化する。そこで、データ処理を簡単化するために、次のような点列データの解析処理を実行する。図10のフローチャート及び図11の波形図に基づいて、この点列データの解析処理について説明する。
【0020】
まず、ワーク12自体が傾いている場合があるので、点列データから平均面(直線の場合は平均線)を求めて、この面に対してデータのトレンド補正を実行する(S11)。これにより図11(a)に示すような傾いた点列データから同図(b)に示すトレンド補正された点列データが得られる。次に、測定軌道に沿って進行方向を第1軸方向、上記平均面の法線方向を第2軸方向として、三次元の点列データを二次元の点列データに変換する(S12)。これにより、図11(c)のようなデータが得られる。この点列データは、測定軌道に沿った加減速を伴う走査によって得られているので、定ピッチではない。定ピッチでないとFFT(高速フーリエ変換)や形状測定機などで通常使用されているガウシアン(Gaussian)フィルタ処理を実行することができないので、ここでは定ピッチ化処理を実行する(S13:図11(d))。次に、ガウシアンフィルタ処理を実行する(S14:図11(e))。そして、定ピッチ化されたデータをもとの位置(不定ピッチの位置)に戻す(S15:図11(f))。次に、ステップS12で変換された二次元データをもとの測定軌道位置(XY位置)上へ戻すための二次元→三次元変換を実行する(S16:図11(g)。最後に、ステップS11のデータトレンド補正により処理された傾きの補正をもとに戻し、本来ワーク12が傾いている方向へデータを変換する(S17:図11(h))。
【0021】
以上の処理により、三次元点列データのフィルタリングを容易に行うことができる。また、ステップS14の処理後のデータは、定ピッチでフィルタ処理された二次元データであるから、通常の輪郭形状測定機や表面粗さ測定機等で行われているような各種解析処理が可能になる。
【0022】
次にワーク12の一例としてLSIパッケージのLGA(Land Grid Array)及びBGL(Ball Grid Array)のコプラナリティ(平面度)を評価する手順について説明する。
図12は、ワーク12としてのLSIパッケージ101,102の各平面図及び縦断面図である。同図(a)のLGAを備えたLSIパッケージ101の場合、ランド103の高さを、また同図(b)のBGAを備えたLSIパッケージ102の場合、ボール104の頂点を、それぞれ領域ツールを用いて往復直線走査して点列データを得る。そして、得られた点列データに基づいて、図13に示すように、その頂点部又は谷底部のコプラナリティーを評価する。
【0023】
図14に、LGAのコプラナリティーを評価する手順を示す。
ここで、ステップS21のデータのトレンド補正からステップS24のガウシアンフィルタの実行までの処理は、図10で説明した処理と同様であるため、ここでは説明を割愛する。なお、この処理に必要なフィルタ定数等の設定は、例えば図15に示すようなパラメータ設定用ビュウワーを用いて行う。トレンド補正の有無やフィルタの高域、低域カットオフ周波数、演算条件等を設定することができる。
【0024】
図16には、LGAを走査して定ピッチ化された二次元点列データ(a)からフィルタ処理を実行して得られた二次元点列データ(b)が示されている。この点列データから、山谷検出アルゴリズムを用いて各谷(Land)の中心位置を抽出して点群データ(図16(c))を得る(S25)。山谷アルゴリズムは、図17に示すように、予め基準位置からの最低深さhと最低ピッチpを与え、最も谷の部分から最低深さhの範囲に存在する点列データが、最低ピッチpだけ続いているかどうかの条件判断によって谷部分を検出する。この方法は、設計値ファイルを持たなくても谷部を検出できるという利点がある。
【0025】
また、図18に示すように、ランドの横方向の数Nx、縦方向の数Ny、走査のスタート位置Stx,Sty、横方向のピッチPx、縦方向のピッチPyがそれぞれ設計データとして予め用意されている場合には、この設計データを用いて谷部の点群データを抽出するようにしても良い。
【0026】
この様な処理によって図16(c)に示すような点群データが得られたら、これを二次元点群データから三次元点群データに変換し(S26)、最後にコプラナリティーを算出する(S27)。
【0027】
同様に、BGAのコプラナリティーを評価する場合には、図19に示す処理を実行すればよい。データのトレンド補正(S31)からガウシアンフィルタの実行処理(S34)までは、図14のステップS21〜S24までの処理と同様であり、フィルタ処理後に、山谷検出アルゴリズムを用いて各ボールの頂点部を検出すればよい。この場合、最低高さhと、最低ピッチpとを与えて、条件に当てはまる山を検出することになる。抽出された点群データに対するその後の処理(S36,S37)も図14のステップS26,S27と同様である。
【0028】
但し、このBGA検出に当たっては、図20(a)に示すように、ボール104の頂点(最も高い部分)が円中心に位置しない場合もある。また、同図(b)に示すように、レーザプローブ35には、例えば±13°といった許容傾斜角があり、走査位置がずれることによってレーザビームの反射光が検出されず正しい測定ができなくなることがある。このような点に留意して、例えば図21(a)に示すように、ボール104の上面をジクザグ走査したり、同図(b)に示すように、螺旋走査することが望ましい。具体的には、例えば設計値又は画像測定により、各ボール104のXY座標を用意し、図22に示すように、許容傾斜角の範囲内であるa点において、ステージを停止し(レーザプローブ35のフォーカスサーチ)、パターンab間を図21に示したような頂点部走査パターンで測定する。bc間は、測定を行わずに高速移動する。なお、図23は、このようなグリッドアレイの走査の各パラメータや走査パターンを設定するための設定画面を示す図である。
【0029】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、撮像手段で得られた二次元画像情報を用いて指定された測定軌道に沿って非接触変位計がワークの変位量を倣い測定していく際に、非接触変位計がBGAの各ボールの頂点を含む所定範囲を指定された頂点パターンに従って倣い測定するので、ボールの頂点が円中心にない場合や非接触変位計の測定軌道がボールの中心位置からずれているような場合でも、所定範囲にわたる走査を行うことによって、極めて高い確率で頂点座標を検出することができ、高精度のBGAの平面度評価が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係る非接触三次元画像測定装置の斜視図である。
【図2】 同装置における撮像ユニットの内部の斜視図である。
【図3】 同装置におけるレーザプローブの構成を示す図である。
【図4】 同装置の全体ブロック図である。
【図5】 同装置によるレーザ測定の手順を示すフローチャートである。
【図6】 同装置における画像とレーザプローブの校正方法を説明するための図である。
【図7】 同装置で使用される測定ツールの例を示す図である。
【図8】 同装置の倣い測定の一例を説明するための図である。
【図9】 同装置の倣い測定の他の例を説明するための図である。
【図10】 同装置の点列データ解析処理のフローチャートである。
【図11】 同解析処理を説明するための図である。
【図12】 ワークの一例であるLSIパッケージを示す図である。
【図13】 同パッケージのBGAのコプラナリティー測定を説明するための図である。
【図14】 LGAコプラナリティー評価の手順を示すフローチャートである。
【図15】 同評価を行うためのパラメータ設定画面を示す図である。
【図16】 同評価処理の各時点で得られるデータを示す図である。
【図17】 同評価処理で使用される山谷アルゴリズムを説明するための図である。
【図18】 設計データを使用した同評価処理を説明するための図である。
【図19】 BGAコプラナリティー評価の手順を示すフローチャートである。
【図20】 BGAコプラナリティー評価の問題点を説明するための図である。
【図21】 同問題点を解決するための走査方法で使用される頂点走査パターンの例を示す図である。
【図22】 同走査方法の詳細を説明するための図である。
【図23】 同走査方法を実現するためのパラメータ設定画面を示す図である。
【符号の説明】
1…三次元測定機、2…コンピュータシステム、11…架台、12…ワーク、13…測定テーブル、14,15…支持アーム、16…X軸ガイド、17…撮像ユニット、21…コンピュータ、22…キーボード、23…ジョイスティックボックス、24…マウス、25…CRTディスプレイ、26…プリンタ、34,38…CCDカメラ、35…レーザプローブ、36,39…照明装置。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a non-contact image measurement function for measuring a contour shape or the like of an object to be measured from an image obtained by imaging a workpiece with an imaging means such as a CCD camera, and a distance between the measurement surface of the workpiece as a displacement amount. The present invention relates to a non-contact three-dimensional measurement method effective when measuring a precision component such as an IC package using a non-contact three-dimensional measurement apparatus having a non-contact displacement detection function for detecting contact.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an image measuring device has been used for measuring the contour shape of precision parts. The image measuring device images a workpiece to be measured at an arbitrary magnification using a CCD camera, detects an edge from the obtained two-dimensional image, and obtains a coordinate value of a necessary portion using various measurement tools. Is. When performing three-dimensional measurement including the height direction of the workpiece with this image measurement device, focus determination is performed from the contrast of the image on the measurement surface, and this focus position is set as a height direction position.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The coplanarity (flatness) of the BGA (Ball Grid Array) of the LSI package is a major factor that determines the yield. For this reason, an apparatus capable of measuring the flatness of the BGA with high accuracy is desired. In the conventional image measuring apparatus, the position in the height direction (Z-axis direction) is measured by autofocus. Therefore, there is a restriction that the position to be measured must be parallel to the XY plane. Only the average value of the set area is measured by the focus. Therefore, contour shape measurement or surface roughness measurement that measures fine irregularities in the Z-axis direction cannot be performed.
[0004]
The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a non-contact three-dimensional measurement method capable of measuring three-dimensionally the flatness of a BGA of a fine LSI package with high accuracy.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The non-contact three-dimensional measuring method according to the present invention includes an imaging unit that images a workpiece made of an IC package and outputs two-dimensional image information for image measurement, and a distance from a predetermined measurement point on the workpiece as a displacement amount. Three-dimensional point sequence data is obtained by moving an imaging unit in which a non-contact displacement meter that can be detected is maintained in a fixed positional relationship within the measurement three-dimensional space, and based on this three-dimensional point sequence data A non-contact three-dimensional measuring method for measuring the flatness of a ball grid array of the IC package, the step of measuring an image of the IC package using the imaging means, and based on a measurement result obtained by the image measurement along said specified measurement track non-contact displacement meter, and the vertex scanning pattern specified a predetermined range including the apex of each ball of the ball grid array A step of acquiring three-dimensional point sequence data by scanning measurement and a step of executing a flatness evaluation process on the point sequence data obtained in this step. 0006
According to the present invention, when the non-contact displacement meter measures the displacement amount of the workpiece along the measurement trajectory designated using the two-dimensional image information obtained by the imaging means, the non-contact displacement meter Since a predetermined range including the apex of each ball of the BGA is measured according to a specified apex pattern, the measurement trajectory of the non-contact displacement meter is shifted from the center position of the ball when the apex of the ball is not at the center of the circle Even in this case, by performing scanning over a predetermined range, vertex coordinates can be detected with extremely high probability, and flatness evaluation of BGA can be performed with high accuracy.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of a non-contact three-dimensional measuring apparatus according to one embodiment of the present invention.
This apparatus includes a coordinate measuring machine 1 having a non-contact image measuring function and a non-contact displacement measuring function, and a computer system 2 that drives and controls the coordinate measuring machine 1 and executes necessary data processing. It is configured.
[0008]
The three-dimensional measuring machine 1 is configured as follows. That is, a measurement table 13 on which a workpiece 12 to be measured is placed is mounted on the gantry 11, and this measurement table 13 is driven in the Y-axis direction by a Y-axis drive mechanism (not shown). Support arms 14 and 15 extending upward are fixed to the center of both side edges of the gantry 11, and an X-axis guide 16 is fixed so as to connect both upper ends of the support arms 14 and 15. An imaging unit 17 is supported on the X-axis guide 16. The imaging unit 17 is driven along the X-axis guide 16 by an X-axis drive mechanism (not shown). The computer system 2 includes a computer 21 that performs measurement information processing and various controls, a keyboard 22 that inputs various instruction information, a joystick box 23 and a mouse 24, a CRT display 25 that displays a measurement screen, an instruction screen, and measurement results, And a printer 26 that prints out the measurement result.
[0009]
The inside of the imaging unit 17 is configured as shown in FIG. That is, the slider 31 is provided so as to be movable along the X-axis guide 16, and the Z-axis guide 32 is fixed to the slider 31 integrally. A support plate 33 is provided on the Z-axis guide 32 so as to be slidable in the Z-axis direction. The support plate 33 is provided with a CCD camera 34 as an imaging means for image measurement, and a laser probe as a non-contact displacement meter. 35. As a result, the CCD camera 34 and the laser probe 35 can move simultaneously in the three-axis directions of X, Y, and Z while maintaining a fixed positional relationship. An illumination device 36 for illuminating the imaging range is added to the CCD camera 34. In order to confirm the measurement position of the laser probe 35 by the laser beam, a CCD camera 38 that images the periphery of the measurement position and an illumination device 39 for illuminating the measurement position of the laser probe 35 are located near the laser probe 35. And are provided. The laser probe 35 is supported by a vertical movement mechanism 40 for retracting the laser probe 35 when the imaging unit 17 is moved, and a rotation mechanism 41 for adapting the directivity of the laser beam to an optimum direction. .
[0010]
FIG. 3 is a diagram showing details of the laser probe 35.
The light emitted from the semiconductor laser 51 passes through the beam splitter 52 and the quarter-wave plate 53 and is then converted into a parallel light beam by the collimator lens 54 and passes through the mirrors 55 and 56 and the objective lens 57 to measure the workpiece 12. To form a light spot. The light reflected from the measurement unit of the workpiece 12 follows the reverse path of the mirrors 56 and 55, the collimating lens 54 and the quarter wavelength plate 53, is reflected by the beam splitter 52, and is divided into two parts by the edge mirror 58. . The vertically divided light is detected by the two-divided light receiving elements 59 and 60 arranged above and below. The detection circuit 61 outputs a signal corresponding to the amount of deviation from the focal position of the objective lens 57 to the measurement surface 62 of the workpiece 12 based on the output signals from the two-divided light receiving elements 59 and 60. The servo circuit 63 outputs a drive signal for driving the objective lens 57 to the drive mechanism 64 based on the detection output of the detection circuit 61. When the objective lens 57 moves up and down, the movable member 67 of the displacement detector 66 moves with respect to the fixed member 68. This movement amount is output as a displacement amount.
[0011]
FIG. 4 is a block diagram of the entire apparatus showing the configurations of the coordinate measuring machine 1 and the computer system 2 in more detail.
In the CMM 1, image signals obtained by imaging the workpiece 12 with the CCD camera 34 for image measurement and the CCD camera 35 for confirming the measurement position of the laser probe 35 are A / D converters 71 and 72, respectively. Then, one of them is selected by the selection circuit 73 and supplied to the computer 21. Illumination light necessary for imaging by the CCD cameras 34 and 38 is given by the illumination controllers 74 and 75 controlling the illumination devices 36 and 39 based on the control of the computer 21, respectively. A displacement amount signal obtained from the laser probe 35 is supplied to the computer 21 via the A / D converter 76. Then, the imaging unit 17 including these is driven in the XYZ axis direction by an XYZ axis driving unit 77 that operates based on the control of the computer 21. The position of the imaging unit 17 in the XYZ axis direction is detected by the XYZ axis encoder 78 and supplied to the computer 21.
[0012]
On the other hand, the computer 21 is stored in the multi-value image memory 81, the CPU 81 that is the center of control, the multi-value image memory 82 connected to the CPU 81, the program storage unit 83, the work memory 84, and the interfaces 85 and 86. The display control unit 87 is configured to display multi-value image data on the CRT display 25. The CPU 81 switches the selection circuit 73 between the image measurement mode and the laser measurement mode. The multi-value image data for image measurement or the multi-value image data for laser measurement selected by the selection circuit 73 is stored in the multi-value image memory 82. The multi-value image data stored in the multi-value image memory 82 is displayed on the CRT display 25 by the display control operation of the display control unit 87. On the other hand, operator instruction information input from the keyboard 22, joystick 23, and mouse 24 is input to the CPU 81 via the interface 85. Further, the CPU 81 captures the displacement detected by the laser probe 35, XYZ coordinate information from the XYZ axis encoder 78, and the like. The CPU 81 executes various processes such as stage movement by the XYZ axis driving unit 77 and calculation processing of measured values based on the input information, the operator's instructions, and the program stored in the program storage unit 83. The work memory 84 provides a work area for various processes of the CPU 81. The measured value is output to the printer 26 via the interface 86.
[0013]
Next, measurement processing and data processing of the non-contact three-dimensional measuring apparatus according to the present embodiment configured as described above will be described. This apparatus has an image measurement mode and a laser measurement mode. In the image measurement mode, the same operation as that of the conventional image measurement apparatus is performed, so here the laser measurement mode will be described.
[0014]
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for scanning measurement in the laser measurement mode. First, the image measurement image and the laser probe 35 are calibrated (S1). That is, a jig 91 including two non-parallel linear components L1 and L2 that can be measured by the CCD camera 34 and the laser probe 35 as shown in FIG. For example, the jig 91 may be such that a trapezoidal pattern 93 having a predetermined width h is arranged on a substrate 92. By measuring the straight lines L1 and L2 in the projection plane in the Z-axis direction by the CCD camera 34 and the laser probe 35, respectively, the equations of these straight lines are obtained, and the obtained formulas are processed, whereby the CCD camera 34 and the laser probe An offset value between the 35 coordinate axes is obtained, and this offset value is used as position calibration data for the CCD camera 34 and the laser probe 35.
[0015]
When the calibration process is finished, next, the image of the workpiece 12 is measured to confirm the position of the workpiece 12, and the measurement point by the laser probe 35 is moved to the measurement start point (S2). During the image measurement, there is a possibility that the laser probe 35 interferes with the workpiece 12. Therefore, during the image measurement, the laser probe 35 is retracted upward by the vertical movement mechanism 40. The control is performed by, for example, an air cylinder. Next, when the laser measurement mode is selected (S3), the selection circuit 73 is switched, and the screen of the CRT display 25 changes from the CCD camera 34 to the screen of the CCD camera 38 for laser measurement. From this screen, the position (measurement position) of the laser beam spot from the laser probe 36 is confirmed (S4). Here, the position of the beam spot can be finely adjusted using the joystick 23, the mouse 24, or the like. The CCD camera 38 is for confirming whether or not the laser beam spot correctly hits the target position on the workpiece 12, and the image data is not used for measurement. For this reason, it is not necessary to have a high definition like the CCD camera 34 for image measurement. In addition, only the position of the laser spot appears bright with only the laser beam, and the surrounding area becomes dark and a beautiful image cannot be obtained. Of course, the CCD camera 38 and the illumination device 39 can also be used as the CCD camera 34 and the illumination device 36.
[0016]
Next, in order to provide a scanning measurement path, a measurement tool is selected and necessary parameters are set (S5). As a measurement tool, for example, the one shown in FIG. 7 can be considered.
(A) Point tool Measures the X, Y, and Z coordinate values of the current measurement point (black circle).
(B) A linear tool end point position Pe is given, and the measurement is performed by copying along the straight line from the current measurement point to the end point Pe.
(C) Given the width W, height H, and pitches PT1 and PT2 for the area tool area search, the scanning measurement is performed while reciprocating within the designated area at the designated pitch from the current measurement point.
(D) A circular tool radius R, a pitch PT, and a start angle θ are given, and a concentric circle is measured from the current measurement point.
(E) A rectangular tool width W and a height H are given and measured along the rectangle.
(F) Cross tools The lengths L1 and L2 of two line segments orthogonal to each other are given, and the cross is measured along the cross.
(G) Giving a spiral tool maximum radius R and a pitch RT (radius value increasing with one rotation), and measuring a spiral.
(H) Focus tool Simply focus at the current position.
[0017]
When a measurement tool is selected and necessary parameters are set, scanning measurement is executed (S6). The displacement detection accuracy of the laser probe 35 has a slight direction. For this reason, when measuring the contour and the surface roughness along the trajectory, the laser probe 35 is rotated by the rotation mechanism 41 so that the laser probe 35 is oriented in an optimum direction with respect to the traveling direction of the trajectory. When measuring along a circular or spiral trajectory, it is more effective to measure while rotating the laser probe 35.
[0018]
In the scanning measurement, the amount of displacement from the laser probe 35 is set so as to obtain a coordinate value in the Z-axis direction within a measurement range of the laser probe 35, for example, exceeding ± 0.5 mm, as shown in FIG. Based on this, the XYZ-axis drive unit 77 is driven to move the imaging unit 17 up and down in the Z-axis direction. Thereby, control is performed so that the in-focus position of the laser probe 35 is always at the center of the measurement range. In this case, the Z-axis coordinate value obtained by the XYZ-axis encoder 78 is the displacement amount in the Z-axis direction. In order to perform high-speed measurement so that the position control in the Z-axis direction is not in time, the correct displacement amount may be calculated by correcting the Z-axis coordinate value with the displacement amount of the laser probe 35. When measuring a minute surface roughness within the measurement range of the laser probe 35, as shown in FIG. 9, the Z-axis direction position of the laser probe 35 is fixed, and the objective lens 57 in the laser probe 35 is fixed. In this case, higher-speed processing is possible, and measurement with higher resolution (eg, 0.01 μm) than resolution by Z-axis drive (eg, 0.1 μm) is possible. Become. By such scanning measurement, coordinate values in the Z-axis direction are obtained as point sequence data along with the X and Y-axis coordinate values at predetermined intervals along the designated measurement trajectory, and stored in the work memory 84. When the point sequence data is obtained, the point sequence data is analyzed (S7).
[0019]
Next, analysis processing of point sequence data will be described. The conventional contour shape measuring machine and the surface roughness measuring machine are two-dimensional data, whereas the contour shape measuring data obtained by this non-contact three-dimensional measuring apparatus is three-dimensional data. In addition, since the scanning measurement is performed along the designated two-dimensional trajectory, the data processing becomes more complicated. Therefore, in order to simplify the data processing, the following point sequence data analysis processing is executed. Based on the flowchart of FIG. 10 and the waveform diagram of FIG. 11, this point sequence data analysis processing will be described.
[0020]
First, since the workpiece 12 itself may be inclined, an average surface (an average line in the case of a straight line) is obtained from the point sequence data, and data trend correction is executed on this surface (S11). As a result, the trend-corrected point sequence data shown in FIG. 11B is obtained from the tilted point sequence data shown in FIG. Next, the three-dimensional point sequence data is converted into two-dimensional point sequence data with the traveling direction along the measurement trajectory as the first axis direction and the normal direction of the average plane as the second axis direction (S12). Thereby, data as shown in FIG. 11C is obtained. Since this point sequence data is obtained by scanning with acceleration / deceleration along the measurement trajectory, it is not a constant pitch. If the pitch is not constant, the Gaussian filter processing normally used in FFT (Fast Fourier Transform), shape measuring machine, etc. cannot be executed, so here the constant pitching processing is executed (S13: FIG. 11 ( d)). Next, Gaussian filter processing is executed (S14: FIG. 11 (e)). Then, the fixed pitch data is returned to the original position (indefinite pitch position) (S15: FIG. 11 (f)). Next, two-dimensional → three-dimensional conversion is performed to return the two-dimensional data converted in step S12 to the original measurement trajectory position (XY position) (S16: FIG. 11G). The inclination correction processed by the data trend correction in S11 is returned to the original, and the data is converted in the direction in which the workpiece 12 is originally inclined (S17: FIG. 11 (h)).
[0021]
Through the above processing, it is possible to easily filter the three-dimensional point sequence data. Further, since the data after the processing in step S14 is two-dimensional data filtered at a constant pitch, various analysis processes such as those performed by a normal contour shape measuring machine or surface roughness measuring machine are possible. become.
[0022]
Next, a procedure for evaluating coplanarity (flatness) of an LGA (Land Grid Array) and a BGL (Ball Grid Array) of an LSI package as an example of the work 12 will be described.
FIG. 12 is a plan view and a longitudinal sectional view of the LSI packages 101 and 102 as the work 12. In the case of the LSI package 101 having the LGA of FIG. 10A, the height of the land 103 is used, and in the case of the LSI package 102 having the BGA of FIG. Using this method, point sequence data is obtained by reciprocating linear scanning. And based on the obtained point sequence data, as shown in FIG. 13, the coplanarity of the vertex part or the valley bottom part is evaluated.
[0023]
FIG. 14 shows a procedure for evaluating the coplanarity of LGA.
Here, since the process from the trend correction of the data in step S21 to the execution of the Gaussian filter in step S24 is the same as the process described in FIG. 10, the description is omitted here. The filter constants necessary for this processing are set using a parameter setting viewer such as shown in FIG. Presence / absence of trend correction, filter high frequency, low frequency cutoff frequency, calculation conditions, etc. can be set.
[0024]
FIG. 16 shows two-dimensional point sequence data (b) obtained by executing filter processing from two-dimensional point sequence data (a) obtained by scanning the LGA and having a constant pitch. From this point sequence data, the center position of each valley (Land) is extracted using the valley detection algorithm to obtain point cloud data (FIG. 16C) (S25). As shown in FIG. 17, the Yamatani algorithm gives a minimum depth h and a minimum pitch p from the reference position in advance, and the point sequence data existing in the range from the most valley portion to the minimum depth h is only the minimum pitch p. A valley portion is detected by judging whether or not it continues. This method has the advantage that valleys can be detected without having a design value file.
[0025]
As shown in FIG. 18, the number Nx of the land in the horizontal direction, the number Ny in the vertical direction, the scanning start positions Stx and Sty, the pitch Px in the horizontal direction, and the pitch Py in the vertical direction are prepared in advance as design data. If so, the valley point cloud data may be extracted using this design data.
[0026]
When point cloud data as shown in FIG. 16C is obtained by such processing, this is converted from 2D point cloud data to 3D point cloud data (S26), and finally the coplanarity is calculated (S26). S27).
[0027]
Similarly, when evaluating the coplanarity of BGA, the process shown in FIG. 19 may be executed. The process from the data trend correction (S31) to the Gaussian filter execution process (S34) is the same as the process from steps S21 to S24 in FIG. 14, and after the filter process, the apex of each ball is detected using the Yamatani detection algorithm. What is necessary is just to detect. In this case, the minimum height h and the minimum pitch p are given, and a mountain that meets the condition is detected. Subsequent processing (S36, S37) for the extracted point cloud data is the same as steps S26 and S27 in FIG.
[0028]
However, in this BGA detection, as shown in FIG. 20A, the apex (the highest portion) of the ball 104 may not be located at the center of the circle. Further, as shown in FIG. 5B, the laser probe 35 has an allowable tilt angle of, for example, ± 13 °, and the reflected light of the laser beam is not detected and correct measurement cannot be performed due to the shift of the scanning position. There is. With this in mind, for example, as shown in FIG. 21A, it is desirable to perform zigzag scanning on the upper surface of the ball 104, or spiral scanning as shown in FIG. Specifically, for example, XY coordinates of each ball 104 are prepared by design values or image measurement, and as shown in FIG. 22, the stage is stopped at the point a within the allowable tilt angle range (laser probe 35). ) And the pattern ab is measured with a vertex scanning pattern as shown in FIG. Between bc, it moves at high speed without performing measurement. FIG. 23 is a diagram showing a setting screen for setting each scanning parameter and scanning pattern of such a grid array.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when the non-contact displacement meter measures the displacement amount of the workpiece along the measurement trajectory designated using the two-dimensional image information obtained by the imaging means, Since the non-contact displacement meter measures and measures a predetermined range including the vertex of each ball of the BGA according to the designated vertex pattern, the measurement trajectory of the non-contact displacement meter is not at the center of the circle, Even in such a case, it is possible to detect vertex coordinates with a very high probability by performing scanning over a predetermined range, and it is possible to evaluate the flatness of the BGA with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a non-contact three-dimensional image measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the inside of an imaging unit in the apparatus.
FIG. 3 is a view showing a configuration of a laser probe in the apparatus.
FIG. 4 is an overall block diagram of the apparatus.
FIG. 5 is a flowchart showing a laser measurement procedure performed by the apparatus.
FIG. 6 is a diagram for explaining a calibration method of an image and a laser probe in the apparatus.
FIG. 7 is a diagram showing an example of a measurement tool used in the apparatus.
FIG. 8 is a diagram for explaining an example of scanning measurement of the apparatus.
FIG. 9 is a diagram for explaining another example of the scanning measurement of the apparatus.
FIG. 10 is a flowchart of point sequence data analysis processing of the apparatus.
FIG. 11 is a diagram for explaining the analysis processing;
FIG. 12 is a diagram showing an LSI package which is an example of a workpiece.
FIG. 13 is a diagram for explaining coplanarity measurement of BGA of the same package.
FIG. 14 is a flowchart showing a procedure of LGA coplanarity evaluation.
FIG. 15 is a diagram showing a parameter setting screen for performing the evaluation.
FIG. 16 is a diagram showing data obtained at each point of the evaluation process.
FIG. 17 is a diagram for explaining a Yamatani algorithm used in the evaluation process.
FIG. 18 is a diagram for explaining the same evaluation process using design data.
FIG. 19 is a flowchart showing a procedure of BGA coplanarity evaluation.
FIG. 20 is a diagram for explaining problems of BGA coplanarity evaluation;
FIG. 21 is a diagram showing an example of a vertex scanning pattern used in a scanning method for solving the same problem.
FIG. 22 is a diagram for explaining details of the scanning method.
FIG. 23 is a diagram showing a parameter setting screen for realizing the scanning method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... CMM, 2 ... Computer system, 11 ... Mount, 12 ... Work, 13 ... Measurement table, 14, 15 ... Support arm, 16 ... X-axis guide, 17 ... Imaging unit, 21 ... Computer, 22 ... Keyboard 23 ... Joystick box, 24 ... Mouse, 25 ... CRT display, 26 ... Printer, 34, 38 ... CCD camera, 35 ... Laser probe, 36, 39 ... Illumination device.

Claims (3)

ICパッケージからなるワークを撮像して画像測定用の二次元画像情報を出力する撮像手段及び前記ワーク上の所定の測定点との距離を変位量として検出可能な非接触変位計を一定の位置関係を保って配置してなる撮像ユニットを測定三次元空間内で移動させることにより三次元点列データを得、この三次元点列データに基づいて前記ICパッケージのボールグリッドアレイの平面度を測定する非接触三次元測定方法であって、
前記撮像手段を用いて前記ICパッケージを画像測定するステップと、
前記画像測定によって得られた測定結果に基づき、前記非接触変位計を指定された測定軌道に沿って、且つ前記ボールグリッドアレイの各ボールの頂点を含む所定範囲を指定された頂点走査パターンに従って倣い測定することにより三次元の点列データを取得するステップと、
このステップで得られた点列データに対して平面度の評価処理を実行するステップと
を備えたことを特徴とする非接触三次元測定方法。
An image pickup means for picking up an image of a workpiece made of an IC package and outputting two-dimensional image information for image measurement, and a non-contact displacement meter capable of detecting a distance from a predetermined measurement point on the workpiece as a displacement amount with a certain positional relationship an imaging unit formed by arranging keeping to give a three-dimensional point sequence data by moving in the measuring three-dimensional space, measuring the flatness of a ball grid array of the IC package based on the three-dimensional point sequence data A non-contact three-dimensional measuring method,
Measuring the image of the IC package using the imaging means;
Based on the measurement result obtained by the image measurement, the non-contact displacement meter is copied along a designated measurement trajectory and in accordance with a designated vertex scanning pattern including a predetermined range including the vertex of each ball of the ball grid array. Obtaining three-dimensional point sequence data by measuring;
A non-contact three-dimensional measurement method comprising: a step of executing a flatness evaluation process on the point sequence data obtained in this step.
前記頂点走査パターンは、ジクザグパターンであることを特徴とする請求項1記載の非接触三次元測定方法。  The non-contact three-dimensional measurement method according to claim 1, wherein the vertex scanning pattern is a zigzag pattern. 前記頂点走査パターンは、螺旋パターンであることを特徴とする請求項1記載の非接触三次元測定方法。  The non-contact three-dimensional measurement method according to claim 1, wherein the vertex scanning pattern is a spiral pattern.
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