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JP4846295B2 - Three-dimensional coordinate measuring apparatus and method - Google Patents

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JP4846295B2 JP2005224536A JP2005224536A JP4846295B2 JP 4846295 B2 JP4846295 B2 JP 4846295B2 JP 2005224536 A JP2005224536 A JP 2005224536A JP 2005224536 A JP2005224536 A JP 2005224536A JP 4846295 B2 JP4846295 B2 JP 4846295B2
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Description

本発明は、3次元座標測定装置及び方法に係り、特に、BGA等のように表面に多数の突起物を備えた被測定物を高精度に測定するのに好適な3次元座標測定装置及び方法に関する。   The present invention relates to a three-dimensional coordinate measuring apparatus and method, and more particularly to a three-dimensional coordinate measuring apparatus and method suitable for measuring a measured object having a large number of protrusions on its surface, such as a BGA. About.

半導体デバイスの1つとして、BGA(ボール・グリッド・アレイ)が使用されている。このBGAは、基板の表面に多数の微細な半田ボールが配列されたものであり、個々の半田ボールの高さ及び位置が規定の範囲内に収められていることが、半導体基板への実装に欠かせない。   As one of semiconductor devices, BGA (Ball Grid Array) is used. In this BGA, a large number of fine solder balls are arranged on the surface of a substrate, and the height and position of each solder ball are within a specified range. necessary.

すなわち、このBGAの普及に伴い、3次元的な曲面を持つボールの高さと位置を測定する技術が必要とされている。近年において、BGAデバイス上のボール数も増加しているため、特に、高速に測定する技術が必要とされている。   That is, with the spread of this BGA, a technique for measuring the height and position of a ball having a three-dimensional curved surface is required. In recent years, since the number of balls on the BGA device is also increasing, a technique for measuring at high speed is particularly required.

ところで、従来より曲面の3次元的位置測定の代表的な技術としては、以下の5種類の技術が知られている(非特許文献1〜5)。   By the way, the following five types of techniques are known as typical techniques for measuring the three-dimensional position of a curved surface (Non-Patent Documents 1 to 5).

非特許文献1は、共焦点光学系を用いる3次元測定方法に関するものである。非特許文献2は、光学的3角測量を用いる方法に関するものである。非特許文献3は、レーザー光走査(光切断法)を用いる方法に関するものである。非特許文献4は、モアレ干渉法を用いる方法に関するものである。非特許文献5は、真上及び左右45度方向に光学系を設置した3次元検査装置(ステレオ光学を応用)に関するものである。
カールツァイス株式会社 カタログ(3次元測定装置) 光三次元計測 2章 吉澤 徹 編、新技術コミュニケーションズ 1993年3月8日 光三次元計測 3章 吉澤 徹 編、新技術コミュニケーションズ 1993年3月8日 光三次元計測 4章 吉澤 徹 編、新技術コミュニケーションズ 1993年3月8日 株式会社アルゴル カタログ(3次元検査装置)
Non-Patent Document 1 relates to a three-dimensional measurement method using a confocal optical system. Non-Patent Document 2 relates to a method using optical triangulation. Non-Patent Document 3 relates to a method using laser light scanning (light cutting method). Non-Patent Document 4 relates to a method using moire interferometry. Non-Patent Document 5 relates to a three-dimensional inspection apparatus (applying stereo optics) in which an optical system is installed right above and in the direction of 45 degrees to the left and right.
Carl Zeiss Co., Ltd. Catalog (3D measuring device) Optical 3D Measurement, Chapter 2 Toru Yoshizawa, New Technology Communications March 8, 1993 Optical 3D Measurement, Chapter 3, Toru Yoshizawa, New Technology Communications, March 8, 1993 Optical 3D Measurement, Chapter 4 Toru Yoshizawa, New Technology Communications March 8, 1993 Algol Co., Ltd. Catalog (3D inspection equipment)

しかしながら、非特許文献1の方法では、光学系が複雑になりコストが非常にかかる。また高さ方向への微小移動も必要なため高速化は難しい。非特許文献2の方法によれば、2次元的な広がりのあるBGAデバイスの半田ボールの3次元座標測定に対しては、非特許文献3の方法のように光を走査しなければならない。そして後述する非特許文献3の方法と同じ問題点がある。   However, in the method of Non-Patent Document 1, the optical system becomes complicated and the cost is very high. In addition, it is difficult to increase the speed because a minute movement in the height direction is required. According to the method of Non-Patent Document 2, light must be scanned as in the method of Non-Patent Document 3 for measuring the three-dimensional coordinates of a solder ball of a BGA device having a two-dimensional spread. And there exists the same problem as the method of the nonpatent literature 3 mentioned later.

非特許文献3の方法によれば、レーザー光を被測定物である半田ボールの頂点を通るように走査させなければならないが、完全にボールの頂点を照射しないことや、走査方向とボール配列の方向にずれがあること等のため、ボールの平面位置を測定できない、すなわち精度を確保できないという問題点がある。   According to the method of Non-Patent Document 3, the laser beam must be scanned so as to pass through the apex of the solder ball as the object to be measured. There is a problem that the plane position of the ball cannot be measured, that is, the accuracy cannot be ensured due to a deviation in the direction.

非特許文献4の方法によれば、被測定物である半田ボールの等高線を白黒の画像パターンとして計測するため、1つ1つのボールの3次元座標を得るためには、複雑なアルゴリズム(ボールの半径のところで、等高線の何本かが重なる等の問題があるので)を必要とする。一方、精度を上げるために位相シフト法を取り入れると、処理時間がかかり、コストも増加するという問題点がある。   According to the method of Non-Patent Document 4, since a contour line of a solder ball as an object to be measured is measured as a black and white image pattern, in order to obtain the three-dimensional coordinates of each ball, a complicated algorithm (ball Because there is a problem that some of the contour lines overlap at the radius, etc.). On the other hand, when the phase shift method is adopted in order to increase accuracy, there are problems that processing time is required and costs are increased.

非特許文献5の3次元検査装置は、真上の光学系と左右対称に45度方向に配置された2つ光学系との合計3つの光学系で構成されており、既述のようにステレオ光学を形成している。このように、左右光学系を45度方向に配置すると、高さ方向に変化があった場合、他の角度で設置した場合と比較して、左右画像データで最も大きな変位として検出できる。   The three-dimensional inspection apparatus of Non-Patent Document 5 is composed of a total of three optical systems, that is, an optical system directly above and two optical systems arranged symmetrically in the 45-degree direction. Forming optics. As described above, when the left and right optical systems are arranged in the 45-degree direction, when there is a change in the height direction, it can be detected as the largest displacement in the left and right image data as compared with the case where it is installed at another angle.

ところが、45度傾けた光学系では、充分な焦点深度を確保しないと、画像データの中に高さの違いのために焦点の合わない部分が存在することとなる。このような焦点の合わない部分は、測定できないこととなる。そして、この検査装置では、照明のために真上光学系の直下に口径の大きい照明装置を配置している。   However, in an optical system tilted at 45 degrees, unless a sufficient depth of focus is ensured, there will be a portion in the image data that is out of focus due to the difference in height. Such an out-of-focus portion cannot be measured. In this inspection apparatus, an illuminating device having a large aperture is disposed directly under the optical system directly above for illumination.

このような検査装置は、シャープなエッジを持った被測定物の高さを測定する場合には大変有効である。しかしながら、3次元的な曲面で構成される被測定物に対しては、被測定物表面で照明光線が鏡面反射すると、左右光学系で得られる画像データにおいて、対象物上の同一点が一方の光学系では明るく見えるが、他方の光学系では暗く見えるという現象が発生する。この状態について図14を用いて説明する。   Such an inspection apparatus is very effective when measuring the height of an object having a sharp edge. However, for an object to be measured having a three-dimensional curved surface, when the illumination light beam is specularly reflected on the surface of the object to be measured, in the image data obtained by the left and right optical systems, the same point on the object is one of the objects. A phenomenon occurs in which the optical system looks bright but the other optical system looks dark. This state will be described with reference to FIG.

図14に示される3次元検査装置において、半球状の被測定物1は、真上に設置された広い面積をもつ照明装置2で照射され、左右光学系3、4により撮像される。図において、2A及び2Bは、照明光線である。半球状の被測定物1の表面(曲面)において、鏡面反射され左光学系3に結象する光線3Aが実線で、右光学系4に結象する光線4Aが破線で図示されている。   In the three-dimensional inspection apparatus shown in FIG. 14, a hemispherical measurement object 1 is irradiated with an illumination device 2 having a large area installed directly above and is imaged by left and right optical systems 3 and 4. In the figure, 2A and 2B are illumination rays. On the surface (curved surface) of the hemispherical object to be measured 1, a light ray 3 </ b> A that is specularly reflected and is connected to the left optical system 3 is indicated by a solid line, and a light ray 4 </ b> A that is connected to the right optical system 4 is indicated by a broken line.

このような半球状の被測定物1の表面では、被測定物1の法線に対して入射光線と反射光線の角度が等しくなる。そして、撮像された画像データ上で明るくなる領域は、光学系3、4の光軸の向きと平行に光学系3、4に入射する光線による。   On the surface of the hemispherical object 1 to be measured, the angles of incident light and reflected light are equal to the normal of the object 1 to be measured. The brightened area on the captured image data is due to light rays incident on the optical systems 3 and 4 in parallel with the direction of the optical axis of the optical systems 3 and 4.

図14より解るように、左画像データ上で明るくなる領域5(実線で表示)と右画像データ上で明るくなる領域6(破線で表示)とは一致しない。このように図14の検査装置では、左光学系3と右光学系4とでは、被測定物1に対する見え方が違うため、すなわち被測定物1上の同一点が同じ明るさとはならないため(画像データ上の明るい領域は互いに異なる場所であるため)正確に測定することが難しいという問題点がある。特に3次元的曲面では、同一点を左右画像データ上で対応をつけることが難しい。   As can be seen from FIG. 14, the region 5 (displayed with a solid line) that becomes bright on the left image data does not match the region 6 (displayed with a broken line) that becomes bright on the right image data. As described above, in the inspection apparatus shown in FIG. 14, the left optical system 3 and the right optical system 4 have different appearances with respect to the measurement object 1, that is, the same point on the measurement object 1 does not have the same brightness ( There is a problem that it is difficult to measure accurately (because bright areas on the image data are different from each other). In particular, in a three-dimensional curved surface, it is difficult to associate the same point on the left and right image data.

以上、要約すると、非特許文献5のように、ステレオ光学系を応用する場合には、左右の光学系で撮像点・撮像方向が異なるため、3次元的曲面を持つ被測定物に対し見え方が違い、同一点の同定ができないという問題がある。   In summary, as in Non-Patent Document 5, when a stereo optical system is applied, the left and right optical systems have different imaging points and imaging directions, so that the object to be measured has a three-dimensional curved surface. However, there is a problem that the same point cannot be identified.

本発明はこのような状況を考慮してなされたもので、上記の各問題点を解決でき、BGA等のように表面に多数の突起物を備えた被測定物の精密な3次元座標を測定するのに好適な3次元座標測定装置及び方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such a situation, and can solve the above-mentioned problems, and can measure precise three-dimensional coordinates of an object to be measured having a large number of protrusions on the surface, such as BGA. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional coordinate measuring apparatus and method suitable for the purpose.

前記目的を達成するために、本発明は、被測定物を載置する試料台と、同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記試料台の鉛直軸に対して光軸が所定の傾斜角度をなすように設けられる第1の撮像手段と、同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記試料台の鉛直軸に対して光軸が前期第1の撮像手段の光軸と線対称になるように設けられる第2の撮像手段と、前記第1及び第2の撮像手段で撮像した画像より被測定物表面の3次元座標を得る算出手段と、を備えたことを特徴とする3次元座標測定装置を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides an imaging means for a telecentric optical system having a sample stage on which an object to be measured is placed and a coaxial epi-illumination, wherein the optical axis is relative to the vertical axis of the sample stage. Is a first imaging means provided so as to form a predetermined inclination angle, and an imaging means of a telecentric optical system provided with coaxial epi-illumination, wherein the optical axis is the first in the previous period with respect to the vertical axis of the sample stage Second imaging means provided so as to be symmetrical with the optical axis of the imaging means, and calculation means for obtaining three-dimensional coordinates of the surface of the object to be measured from the images taken by the first and second imaging means, Provided is a three-dimensional coordinate measuring apparatus characterized by comprising the above.

また、このために、本発明は、同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、被測定物を載置した試料台の鉛直軸に対して光軸が所定の傾斜角度をなすように設けられる第1の撮像手段と、同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記試料台の鉛直軸に対して光軸が前期第1の撮像手段の光軸と線対称になるように設けられる第2の撮像手段とを使用し、前記第1の撮像手段で照明した被測定物表面を前記第2の撮像手段で撮像するステップと、前記第1の撮像手段と第2の撮像手段とを使用し、前記第2の撮像手段で照明した被測定物表面を前記第1の撮像手段で撮像するステップと、前記第1及び第2の撮像手段で撮像した画像より被測定物表面の3次元座標を得るステップと、を含むことを特徴とする3次元座標測定方法を提供する。   For this purpose, the present invention is an imaging means of a telecentric optical system provided with coaxial epi-illumination, and the optical axis makes a predetermined inclination angle with respect to the vertical axis of the sample stage on which the object to be measured is placed. The first imaging means provided as described above and the imaging means of a telecentric optical system provided with coaxial epi-illumination, the optical axis being in line with the optical axis of the first imaging means in the previous period with respect to the vertical axis of the sample stage Using the second imaging means provided so as to be symmetric, imaging the surface of the object to be measured illuminated by the first imaging means with the second imaging means, and the first imaging means; Using the second imaging means, the step of imaging the surface of the object to be measured illuminated by the second imaging means with the first imaging means, and the images captured by the first and second imaging means Obtaining three-dimensional coordinates of the surface of the object to be measured. Providing three dimensional coordinate measuring method comprising and.

本発明によれば、同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、左右に対称に設けられる第1及び第2の撮像手段を使用し、第1の撮像手段で照明した被測定物表面を第2の撮像手段で撮像し、また、第2の撮像手段で照明した被測定物表面を第1の撮像手段で撮像し、これらの画像より被測定物表面の3次元座標を得る。   According to the present invention, an imaging unit of a telecentric optical system having a coaxial epi-illumination, wherein first and second imaging units provided symmetrically on the left and right sides are used, and the measurement target illuminated by the first imaging unit The object surface is imaged by the second imaging means, and the surface of the object to be measured illuminated by the second imaging means is imaged by the first imaging means, and the three-dimensional coordinates of the object surface to be measured are obtained from these images. .

すなわち、本発明は、非特許文献5のようにステレオ光学を応用するものであるが、3次元的曲面を持つ被測定物であっても、左右の光学系で同一の画像が得られるように、左右対称に配置した同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系により、光の相反性(入射光線と反射光線とは反転できるという原理)を利用した3次元座標測定装置及び方法である。   That is, the present invention applies stereo optics as in Non-Patent Document 5, but the same image can be obtained with the left and right optical systems even if the object to be measured has a three-dimensional curved surface. This is a three-dimensional coordinate measuring apparatus and method using the reciprocity of light (the principle that incident light and reflected light can be reversed) by a telecentric optical system provided with coaxial epi-illumination arranged symmetrically.

したがって、本発明によれば、上記の各問題点が解消され、BGA等のように表面に多数の突起物を備えた被測定物の精密な3次元座標を測定するのに好適な3次元座標測定装置及び方法が得られる。   Therefore, according to the present invention, the above-mentioned problems are solved, and the three-dimensional coordinates suitable for measuring the precise three-dimensional coordinates of the object to be measured having a large number of protrusions on the surface, such as BGA. A measuring device and method are obtained.

なお、テレセントリック光学系とは、絞りが対物レンズの焦点の一つに置かれている望遠鏡光学系を指す。   The telecentric optical system refers to a telescope optical system in which a diaphragm is placed at one of the focal points of the objective lens.

本発明において、前記試料台の表面に被測定物との距離を検出するために設けられたマークと、被測定物が高輝度で検出される領域の重心との距離を前記第1の撮像手段と第2の撮像手段によりそれぞれ検出し、検出された前記距離同士の差より被測定物の高さ方向の座標を算出することが好ましい。   In the present invention, the distance between the mark provided on the surface of the sample stage for detecting the distance to the object to be measured and the center of gravity of the region where the object to be measured is detected with high luminance is the first imaging means. And the second imaging means, and the coordinates in the height direction of the object to be measured are preferably calculated from the difference between the detected distances.

このように、試料台のマークと、被測定物の検出領域の重心との距離が第1及び第2の撮像手段によりそれぞれ検出され、この距離同士の差より被測定物の高さ方向の座標が算出されれば、好適な3次元座標測定が行える。   In this way, the distance between the mark on the sample table and the center of gravity of the detection area of the object to be measured is detected by the first and second imaging means, respectively, and the coordinate in the height direction of the object to be measured is determined from the difference between the distances. Is calculated, suitable three-dimensional coordinate measurement can be performed.

また、本発明において、前記第1の撮像手段により被測定物が高輝度で検出される領域と前記第2の撮像手段により被測定物が高輝度で検出される領域とをパターンマッチングによりそれぞれ認識し、認識された前記領域同士の距離の差より被測定物の高さ方向の座標を算出することが好ましい。このように、パターンマッチングの技術を利用して第1及び第2の撮像手段によりそれぞれ検出され領域を認識すれば、高精度の3次元座標測定が行える。   In the present invention, the region where the object to be measured is detected with high luminance by the first imaging unit and the region where the object to be measured is detected with high luminance by the second imaging unit are respectively recognized by pattern matching. And it is preferable to calculate the coordinate of the to-be-measured object in the height direction from the recognized distance difference between the regions. In this way, highly accurate three-dimensional coordinate measurement can be performed by recognizing the areas detected by the first and second imaging means using the pattern matching technique.

また、本発明において、前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段の撮像位置パラメータを使用して、前記第1の撮像手段で撮像された画像と前記第2の撮像手段で撮像された画像とで被測定物の画像上での対応をとり、これにより被測定物の3次元座標を得ることが好ましい。そして、第1の撮像手段及び第2の撮像手段の撮像位置パラメータをキャリブレーションしておくことが好ましい。このように、第1の撮像手段及び第2の撮像手段の撮像位置パラメータをキャリブレーションしておけば、第1の撮像手段で撮像された画像と第2の撮像手段で撮像された画像とで、被測定物の画像上での対応をとることにより、被測定物の高精度の3次元座標測定が行える。   In the present invention, an image captured by the first imaging unit and an image captured by the second imaging unit using the imaging position parameters of the first imaging unit and the second imaging unit. Thus, it is preferable to take correspondence on the image of the object to be measured and thereby obtain the three-dimensional coordinates of the object to be measured. It is preferable to calibrate the imaging position parameters of the first imaging means and the second imaging means. As described above, if the imaging position parameters of the first imaging unit and the second imaging unit are calibrated, the image captured by the first imaging unit and the image captured by the second imaging unit are used. By taking correspondence on the image of the object to be measured, highly accurate three-dimensional coordinate measurement of the object to be measured can be performed.

また、撮像手段の撮像位置パラメータとしては、カメラの撮像位置(X、YC、及びZ)、カメラ撮像の方向(X軸周りの回転角度R、Y軸周りの回転角度R、及びZ軸周りの回転角度R)、主点位置(画像データの中心点とカメラ光軸との差異X及びY)及びカメラの焦点距離fの9つである。 Further, as the imaging position parameters of the imaging means, the imaging position of the camera (X C, Y C, and Z C), rotation around the direction (X-axis of the camera imaging angle R X, the rotational angle R Y around the Y axis, And the rotation angle R Z around the Z axis), the principal point position (difference X O and Y O between the center point of the image data and the camera optical axis), and the focal length f of the camera.

本発明によれば、従来よりの各問題点が解消され、BGA等のように表面に多数の突起物を備えた被測定物の精密な3次元座標を測定するのに好適な3次元座標測定装置及び方法が得られる。   According to the present invention, the conventional problems are solved, and the three-dimensional coordinate measurement suitable for measuring the precise three-dimensional coordinates of an object to be measured having a large number of protrusions on the surface, such as BGA. An apparatus and method are obtained.

以下、添付図面に従って本発明に係る3次元座標測定装置及び方法の好ましい実施の形態(第1の実施形態)について詳説する。   Hereinafter, a preferred embodiment (first embodiment) of a three-dimensional coordinate measuring apparatus and method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明に係る3次元座標測定装置10の構成図である。この装置において、被測定物(図の場合は、BGA)Wを載置する試料台12が設けられている。そして、試料台12の鉛直軸CLに対して光軸14Aが所定の傾斜角度θをなすように第1の撮像手段である左光学系14が設けられている。この左光学系14には、テレセントリック光学系の鏡筒14Bが設けられており、この鏡筒14Bの内部にはハーフミラー14Cが光軸14Aに対し45度の角度をなして配されている。   FIG. 1 is a configuration diagram of a three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 according to the present invention. In this apparatus, a sample stage 12 on which an object to be measured (BGA in the figure) W is placed is provided. A left optical system 14 as a first imaging unit is provided so that the optical axis 14A forms a predetermined inclination angle θ with respect to the vertical axis CL of the sample stage 12. The left optical system 14 is provided with a telecentric optical system barrel 14B, and a half mirror 14C is disposed in the barrel 14B at an angle of 45 degrees with respect to the optical axis 14A.

そして、鏡筒14Bの側面に設けられた照明鏡筒14Dに矢印方向に外部光源よりの照明光が照射されることにより、同軸落射照明系を構成している。また、鏡筒14Bの基端部には撮像カメラ14Eが連結されており、撮像カメラ14Eの出力ケーブル14Fは画像処理装置18に接続されている。この画像処理装置18は、左光学系14及び後述する
右光学系16が撮像した画像より被測定物W表面の3次元座標を得る算出手段に該当する。
A coaxial epi-illumination system is configured by irradiating illumination light from an external light source in the direction of the arrow onto the illumination barrel 14D provided on the side surface of the barrel 14B. An imaging camera 14E is connected to the base end of the lens barrel 14B, and an output cable 14F of the imaging camera 14E is connected to the image processing device 18. The image processing device 18 corresponds to a calculation unit that obtains three-dimensional coordinates of the surface of the workpiece W from images captured by the left optical system 14 and a right optical system 16 described later.

同様に、試料台12の鉛直軸CLに対して光軸16Aが所定の傾斜角度θをなすように第2の撮像手段である右光学系16が設けられている。すなわち、右光学系16において、試料台12の鉛直軸CLに対して光軸16Aが左光学系14の光軸14Aと線対称になるように設けられている。この右光学系16には、テレセントリック光学系の鏡筒16Bが設けられており、この鏡筒16Bの内部にはハーフミラー16Cが光軸16Aに対し45度の角度をなして配されている。   Similarly, a right optical system 16 that is a second imaging unit is provided so that the optical axis 16 </ b> A forms a predetermined inclination angle θ with respect to the vertical axis CL of the sample stage 12. That is, in the right optical system 16, the optical axis 16 </ b> A is provided so as to be symmetrical with the optical axis 14 </ b> A of the left optical system 14 with respect to the vertical axis CL of the sample stage 12. The right optical system 16 is provided with a telecentric optical system barrel 16B, and a half mirror 16C is disposed at an angle of 45 degrees with respect to the optical axis 16A inside the barrel 16B.

そして、鏡筒16Bの側面に設けられた照明鏡筒16Dに矢印方向に外部光源よりの照明光が照射されることにより、同軸落射照明系を構成している。また、鏡筒16Bの基端部には撮像カメラ16Eが連結されており、撮像カメラ16Eの出力ケーブル16Fは画像処理装置18に接続されている。   A coaxial epi-illumination system is configured by illuminating illumination light from an external light source in the direction of the arrow onto an illumination barrel 16D provided on the side surface of the barrel 16B. An imaging camera 16E is connected to the base end of the lens barrel 16B, and an output cable 16F of the imaging camera 16E is connected to the image processing device 18.

左光学系14及び右光学系16の鉛直軸CLに対する傾斜角度θに特に制限はないが、10〜20度が好ましく、12.5〜17.5度がより好ましい。   Although there is no restriction | limiting in particular in inclination-angle (theta) with respect to the vertical axis CL of the left optical system 14 and the right optical system 16, 10-20 degree is preferable and 12.5-17.5 degree is more preferable.

試料台12は、図1のX、Y及びZ方向に移動可能となっており、このX、Y及びZ方向の移動量が図示しない検知手段(たとえば、リニアスケール)により画像処理装置18に入力されるようになっている。   The sample stage 12 is movable in the X, Y, and Z directions in FIG. 1, and the movement amounts in the X, Y, and Z directions are input to the image processing apparatus 18 by a detection unit (for example, a linear scale) not shown. It has come to be.

試料台12上の被測定物Wの種類、サイズ等に特に制限はないが、たとえば、図のようにBGA(ボールの直径が0.25mmで、デバイスサイズが10mm角のもの)とできる。試料台12上の被測定物Wの載置位置の近傍には、識別用マーク(図4参照)が設けられている。これについては後述する。   There are no particular restrictions on the type, size, etc. of the object W to be measured on the sample stage 12, but for example, it can be BGA (having a ball diameter of 0.25 mm and a device size of 10 mm square) as shown in the figure. An identification mark (see FIG. 4) is provided in the vicinity of the placement position of the workpiece W on the sample stage 12. This will be described later.

鏡筒14B、16Bとしては、テレセントリック光学系のレンズ鏡筒であれば倍率、口径サイズ等に特に制限はないが、たとえば、0.1〜10倍のもので、測定領域の直径が40〜50mmのものとできる。   The lens barrels 14B and 16B are not particularly limited in magnification, aperture size, etc. as long as they are telecentric optical lens barrels. For example, the lens barrels 14B and 16B are 0.1 to 10 times in diameter, and the diameter of the measurement region is 40 to 50 mm. Can be.

撮像カメラ14E、16Eの種類、倍率等に特に制限はないが、たとえば1/2インチCCD(12.7mm)の工業用カメラが使用できる。   There are no particular restrictions on the types, magnifications, and the like of the imaging cameras 14E and 16E, but, for example, a 1/2 inch CCD (12.7 mm) industrial camera can be used.

次に、図1の3次元座標測定装置10を使用した測定の原理について説明する。   Next, the principle of measurement using the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 of FIG. 1 will be described.

先ず、本発明の3次元座標測定装置10で利用する光の相反性(入射光線と反射光線とは反転できるという原理)について説明する。図2(A)は、同軸落射照明光学系の撮像手段15により、平面上に置かれたボール(球)Bを撮像して画像データを取得する場合の概略図である。鏡筒15Bは、テレセントリック光学系のレンズ鏡筒であり、この基端部に撮像カメラ15Eが接続されている。なお、照明光学系の図示は省略されている。   First, the reciprocity of light used in the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 of the present invention (the principle that incident light and reflected light can be reversed) will be described. FIG. 2A is a schematic diagram in the case where the image data is acquired by imaging the ball (sphere) B placed on the plane by the imaging means 15 of the coaxial incident illumination optical system. The lens barrel 15B is a lens barrel of a telecentric optical system, and an imaging camera 15E is connected to this base end portion. Illustration of the illumination optical system is omitted.

図2(A)において、試料台12の表面(平面状である)及びボールBの頂上部分では、鏡面反射により、入射光線RIと反射光線ROとは方向が反対であるが同一線上となる。ボールBの頂上部分で、厳密にこの条件に合致するのは1点のみであるが、テレセントリック光学系を用いると、図2(B)に示される撮像画像のように、ボールBの頂上部分の所定の大きさ部分(図における白抜き部分)が鏡面反射により明るくなる。また、ボールBを置いた試料台12の平面からも鏡面反射する。なお、図2(A)では画像処理システムは何も描かれていないが、光学系のカメラでモニターしたとする。   In FIG. 2A, on the surface of the sample table 12 (which is planar) and the top portion of the ball B, the incident light RI and the reflected light RO are opposite in direction but are on the same line due to specular reflection. In the top part of the ball B, only one point strictly meets this condition. However, when the telecentric optical system is used, the top part of the ball B is shown in the captured image shown in FIG. A predetermined size portion (outlined portion in the figure) becomes bright due to specular reflection. Further, it is also specularly reflected from the plane of the sample table 12 on which the ball B is placed. In FIG. 2A, nothing is depicted in the image processing system, but it is assumed that the image processing system is monitored by an optical camera.

このように、テレセントリック光学系では、光軸に対して少し傾いた範囲も結像するので、ボールBの頂上部分の所定範囲が明るくなる。これは、厳密な鏡面条件より少しゆるい条件である。この明るい領域の周囲は、ボールBの外周までは、鏡面条件を満たすことはないので暗くなる。また、ボールBを置いた試料台12の平面は、再び鏡面条件を満たすので明るくなる。   As described above, in the telecentric optical system, an image of a range slightly tilted with respect to the optical axis is also formed, so that the predetermined range of the top portion of the ball B becomes bright. This is a slightly looser condition than the strict specular condition. The periphery of this bright area becomes dark because the mirror surface condition is not satisfied up to the outer periphery of the ball B. Further, the plane of the sample table 12 on which the ball B is placed becomes brighter because the mirror surface condition is satisfied again.

なお、ボールBの頂上付近の明るく見える領域のサイズ(径)は、ボールBの大きさ、ボールBの表面の状態、テレセントリック光学系の特性、照明装置の特性等に依存する。   The size (diameter) of the brightly visible region near the top of the ball B depends on the size of the ball B, the surface state of the ball B, the characteristics of the telecentric optical system, the characteristics of the illumination device, and the like.

図2(A)では、同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段15が1つの場合であったが、これを2つにしてもよい。テレセントリック光学系の撮像手段を2つにした場合、図3(図1)に示されるように左右対称となるように配置する。   In FIG. 2A, the number of the imaging means 15 of the telecentric optical system provided with the coaxial incident illumination is one, but two may be used. When there are two imaging means of the telecentric optical system, they are arranged so as to be symmetrical as shown in FIG. 3 (FIG. 1).

図3のように左右対称に配置すると、左側の光学系14の同軸落射照明を使用して右側の撮像光学系16で画像データを取得し、右側の光学系16同軸落射照明を使用して左側の撮像光学系14で画像データを取得することができる。   When arranged symmetrically as shown in FIG. 3, image data is acquired by the right imaging optical system 16 using the coaxial epi-illumination of the left optical system 14, and left using the right optical system 16 coaxial epi-illumination. The image pickup optical system 14 can acquire image data.

光には相反性がある(すなわち、入射光線と反射光線とは反転できる)ので、図3に示される2つのテレセントリック光学系では、水平な平面に対する鏡面条件は、図2の場合とほぼ一致するといえる。   Since the light has reciprocity (that is, the incident light and the reflected light can be reversed), in the two telecentric optical systems shown in FIG. 3, the specular condition for the horizontal plane is almost the same as in FIG. I can say that.

図3では、図2の場合と同じように、ボールBの頂上部分の平面は鏡面条件を満たしているので明るい領域となり、その周りの領域は、ボール外周までは、鏡面条件を満たすことはないので暗い領域となる。   In FIG. 3, as in FIG. 2, the plane of the top portion of the ball B satisfies the specular condition and thus becomes a bright area, and the surrounding area does not satisfy the specular condition until the outer periphery of the ball. So it becomes a dark area.

この図3の光学系で撮像した場合の画像データを図4に示す。このうち、(A)は、左側の光学系14で取得した画像データであり、(B)は、右側の光学系16で取得した画像データである。   FIG. 4 shows image data when imaged by the optical system of FIG. Among these, (A) is image data acquired by the left optical system 14, and (B) is image data acquired by the right optical system 16.

図4の画像データを図2(B)の画像データと比べると、図4の画像データではボールBの頂上部分の位置(図中の白抜き部分の位置)がズレている。(なお、ボールBの外周の黒い領域も左画像と右画像とでズレがあるが、測定には使用しない)。このズレの大きさ(長さ)は、試料台12の平面上にマークを付け、そのマークからの長さとして測定すれば容易に検出できる。このため、図4において、識別用マークとして“+”マークを試料台12の左上と右下に描いた。図4の識別用マークは、説明のために強調したもので、試料台12に固定されていれば、図4に示すことと同等の測定ができる。   When the image data in FIG. 4 is compared with the image data in FIG. 2B, the position of the top portion of the ball B (the position of the white portion in the figure) is shifted in the image data in FIG. (Note that the black region on the outer periphery of the ball B is also misaligned between the left image and the right image, but is not used for measurement). The size (length) of this deviation can be easily detected by placing a mark on the plane of the sample stage 12 and measuring it as the length from the mark. Therefore, in FIG. 4, “+” marks are drawn on the upper left and lower right of the sample stage 12 as identification marks. The identification marks in FIG. 4 are emphasized for the sake of explanation. If they are fixed to the sample stage 12, the same measurement as shown in FIG. 4 can be performed.

図3(図1)のように光学系14、16を画像データの横軸(X軸)方向に傾けて配置すると、このズレDはX方向のみに発生する。図4に示されるように、平面上に設置されたマークを位置の基準とすると、左画像データと右画像データとでは、ボールBの頂上部分の領域は、X軸方向でズレDL及びDR(位置の差異)がある。   When the optical systems 14 and 16 are tilted in the horizontal axis (X-axis) direction of the image data as shown in FIG. 3 (FIG. 1), this deviation D occurs only in the X direction. As shown in FIG. 4, when a mark placed on a plane is used as a position reference, in the left image data and the right image data, the area of the top portion of the ball B is shifted in the X-axis direction by DL and DR ( Position difference).

ボールBの頂上部分領域のX方向のズレ(左画像データと右画像データの差異)は、その高さにほぼ比例して変化する。したがって、高さによる左右画像データ上でのズレ(位置の差異)を予めキャリブレーションしておけば、被測定部位の高さを測定できる。本発明は、このように左右画像データ上のズレの大きさから、被測定部位の高さを検出するものである。   The deviation in the X direction of the top partial area of the ball B (difference between the left image data and the right image data) changes substantially in proportion to the height thereof. Therefore, if the deviation (positional difference) on the left and right image data due to the height is calibrated in advance, the height of the part to be measured can be measured. In the present invention, the height of the measurement site is detected from the size of the deviation on the left and right image data.

図3(図1)のように、同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の左光学系14及び右光学系16を左右対称となるように配置すると、左光学系14では右側の照明装置を使用して被測定物を撮像でき、右光学系16では左側の照明装置を使用して被測定物を撮像できる。このような光学系14、16では、水平平面に対して鏡面条件を満たすことができる。   As shown in FIG. 3 (FIG. 1), when the left optical system 14 and the right optical system 16 of the telecentric optical system with coaxial epi-illumination are arranged so as to be symmetric, the left optical system 14 uses the right illumination device. Thus, the object to be measured can be imaged, and the right optical system 16 can image the object to be measured using the left illumination device. Such optical systems 14 and 16 can satisfy the mirror condition with respect to the horizontal plane.

そして、試料台12の平面上に載せられた被測定物の頂上周辺は水平平面となる。すなわち、被測定物の頂上周辺は鏡面条件を満たしている。また、入射光線と反射光線は反転できる(光の相反性)ので、被測定物の頂上周辺の領域は左右光学系に対して同じ条件で撮像される。すなわち、画像データ上では同じ形状となる。これは、被測定物が後述するバンプ電極C(図9等参照)のような曲面であっても成り立ち、左右画像データで曲面上の同一点を識別できる手段を与えることとなる。また、光学系14、16をX方向に傾けたため、被測定物の高さを変えた場合、画像データ上では被測定部位がX方向に変化することとなる。   Then, the periphery of the top of the object to be measured placed on the plane of the sample table 12 is a horizontal plane. That is, the top periphery of the object to be measured satisfies the mirror condition. Further, since the incident light and the reflected light can be reversed (reciprocity of light), the area around the top of the object to be measured is imaged under the same conditions with respect to the left and right optical systems. That is, the image data has the same shape. This is true even if the object to be measured is a curved surface such as a bump electrode C (see FIG. 9 or the like), which will be described later, and provides means for identifying the same point on the curved surface with the left and right image data. In addition, since the optical systems 14 and 16 are tilted in the X direction, when the height of the measurement object is changed, the measurement site changes in the X direction on the image data.

このように、左右対称に配置したテレセントリック光学系を使用することが本発明の特徴とする構成である。このような光学系により、被測定物の頂上周辺の領域が左画像データ上と右画像データ上とで同じ形に撮像される。そして、この特性を利用して被測定物を左右画像データ上で対応させ、高さを測定できる。   In this way, the feature of the present invention is to use a telecentric optical system arranged symmetrically. With such an optical system, the area around the top of the object to be measured is imaged in the same shape on the left image data and on the right image data. Then, using this characteristic, the object to be measured is made to correspond on the left and right image data, and the height can be measured.

次に、図1の3次元座標測定装置10を使用した測定方法について説明する。同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の左光学系14及び右光学系16は、平行光線で被測定物Wを照明し、平行光線で結像させることができる。したがって、左光学系14では右側の照明装置を使用して被測定物Wを撮像し、右光学系16では左側の照明装置を使用して被測定物Wを撮像する。   Next, a measuring method using the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 of FIG. 1 will be described. The left optical system 14 and the right optical system 16 of the telecentric optical system provided with coaxial epi-illumination can illuminate the object W to be measured with parallel rays and form an image with parallel rays. Therefore, the left optical system 14 images the object W to be measured using the right illumination device, and the right optical system 16 images the object W to be measured using the left illumination device.

このように、図1の3次元座標測定装置10で、BGAデバイスを撮像すると、図4に示されるような左右画像が1つ1つのボールB、B…から得られる。既述したように、ボールBの高さが変わると、ボールBの頂上部分の明るい領域は画像データ上で変位量が変化する(ずれ量が変わる)。画像データ上の変位量と高さ差異との関係を説明するために図5を用いて説明する。   As described above, when the BGA device is imaged by the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 of FIG. 1, the left and right images as shown in FIG. 4 are obtained from the balls B, B. As described above, when the height of the ball B changes, the amount of displacement of the bright area at the top of the ball B changes on the image data (the amount of deviation changes). In order to explain the relationship between the amount of displacement on the image data and the height difference, a description will be given with reference to FIG.

図1の左光学系14に備えられた照明装置によりほぼ平行となる光線RI、RI…で被測定物Wを照明すると、被測定物W上で鏡面反射した光線RO、RO…は右光学系16で結像して画像データとなる。図5は、平面座標(X、Y座標)の同一の点が高さ(Z軸方向)とともにどのように変化するかを示したものである。高さの変化hに対する画像データ上の変位dxは簡単に、以下の式1で表せる。   When the object to be measured W is illuminated with light beams RI, RI,... That are substantially parallel by the illumination device provided in the left optical system 14 of FIG. 1, the light beams RO, RO,. The image is formed at 16 and becomes image data. FIG. 5 shows how the same point in the plane coordinates (X, Y coordinates) changes with the height (Z-axis direction). The displacement dx on the image data with respect to the height change h can be easily expressed by the following formula 1.

[数1]
dx=(撮像倍率)×h×sinθ (式1)
また、左光学系14で撮像された画像データ上での変位は、これと反対の方向となる。
[Equation 1]
dx = (imaging magnification) × h × sin θ (Formula 1)
Further, the displacement on the image data imaged by the left optical system 14 is in the opposite direction.

この変位dxを算出するために、図6に示される格子板を使用する。この格子板は、ガラス板上に間隔及び太さが一定となるようにエッチングで格子を形成した基準格子板であり、これを用いて左右光学系14、16の調整を行うためのものである。   In order to calculate the displacement dx, a lattice plate shown in FIG. 6 is used. This lattice plate is a reference lattice plate in which a lattice is formed by etching so that the distance and thickness are constant on a glass plate, and this is used for adjusting the left and right optical systems 14 and 16. .

図6に示される格子板は、格子間隔Pが1mmであり、格子線の太さtが0.05mmのものである。また、中央の格子点を識別するため余分のマーク(いわゆる、トンボマーク)を付加してある。なお、この図6は、この格子板を基準高さ(Z軸方向)位置に設置した状態で撮像した画像データである。   The lattice plate shown in FIG. 6 has a lattice interval P of 1 mm and a lattice line thickness t of 0.05 mm. In addition, an extra mark (a so-called register mark) is added to identify the center lattice point. FIG. 6 shows image data captured in a state where the lattice plate is installed at a reference height (Z-axis direction) position.

具体的には、この格子板を基準高さ(Z軸方向)位置に水平に置いて、左右の画像データ上で格子位置が重なるように左右光学系14、16を調整する。既述の図6は、格子板と被測定物Wとの距離を110mmにし、左右光学系14、16の交差角度を30度(θを15度)にし、倍率1.0倍の光学系(左光学系14)で撮像した例である。   Specifically, the left and right optical systems 14 and 16 are adjusted such that the grid plate is placed horizontally on the reference height (Z-axis direction) position and the grid positions overlap on the left and right image data. In FIG. 6 described above, the distance between the grating plate and the object W to be measured is 110 mm, the crossing angle of the left and right optical systems 14 and 16 is 30 degrees (θ is 15 degrees), and the optical system has a magnification of 1.0 ( This is an example of imaging with the left optical system 14).

図6に示される基準となる格子板を、高さ方向(Z軸方向)に正確に移動させて、画像データ上の(1点の)格子点の変位を正確に測定すると、図7のような高さ(縦軸)と、左右画像データ上での差異(横軸)の関係を示すグラフが得られる。すなわち、図7では、高さをY軸方向に、測定された画像データ上での差異(右画像データ上での測定値−左画像データ上での測定値)をX軸方向としている。   When the reference grid plate shown in FIG. 6 is accurately moved in the height direction (Z-axis direction) and the displacement of the grid point (one point) on the image data is accurately measured, as shown in FIG. A graph showing the relationship between the height (vertical axis) and the difference (horizontal axis) on the left and right image data is obtained. That is, in FIG. 7, the height is in the Y-axis direction, and the difference on the measured image data (measured value on the right image data−measured value on the left image data) is in the X-axis direction.

このように、図7のグラフを簡略的に表現したものが、既述の式1である。なお、画像データ上での差異は、dxの2倍となっている。   As described above, the simplified expression of the graph of FIG. Note that the difference in image data is twice dx.

被測定物WであるBGAデバイスのボールBの高さを測定する前に、このようなキャリブレーションを実施し、キャリブレーションデータを保存しておく。3次元座標測定装置10のX・Y・Z軸の直交性が正確であれば、このキャリブレーションは画像中央の1点で実施しておけばよいが、X・Y・Z軸の調整には許容値があるので、測定領域(図6中の白い破線で示す範囲)をカバーするように図6の格子板の中央部25点についてキャリブレーションデータをもつことが実際的である。   Before measuring the height of the ball B of the BGA device that is the workpiece W, such calibration is performed and calibration data is stored. If the orthogonality of the X, Y, and Z axes of the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 is accurate, this calibration may be performed at one point in the center of the image. However, for adjustment of the X, Y, and Z axes, Since there is an allowable value, it is practical to have calibration data for the central 25 points of the lattice plate in FIG. 6 so as to cover the measurement region (the range indicated by the white broken line in FIG. 6).

BGAデバイスの画像データ上では、多くのボールB、B…が撮像されるので、ボールBの高さを求めるときには、被測定ボールBに近い位置のキャリブレーションデータを使用するようにすることが好ましい(格子点の中間の位置では、補間計算を行うこともある)。   Since many balls B, B... Are imaged on the image data of the BGA device, it is preferable to use calibration data at a position close to the measured ball B when determining the height of the ball B. (Interpolation calculation may be performed at an intermediate position between grid points).

通常のBGAデバイスでは、ボールBの直径は250μmであり、ボールB、B同士の間隔(ピッチ)は500μmである。上述したような、交差角度が30度(θが15度)で、1倍の光学系(1画素を10μmとして)では、ボールBの高さは、画像データ上では6.47画素のズレとなり(左右画像ではこの2倍のズレ)、一方ボールB、B同士の間隔は50画素である。   In a normal BGA device, the diameter of the ball B is 250 μm, and the distance (pitch) between the balls B and B is 500 μm. As described above, when the crossing angle is 30 degrees (θ is 15 degrees) and the optical system is 1 × (one pixel is 10 μm), the height of the ball B is 6.47 pixels on the image data. (In the left and right images, this is twice as much), while the distance between the balls B and B is 50 pixels.

そのため、一方の画像データで明るい領域が見つけられれば、他方の画像データ上でも明るい領域は容易に見つけられる。たとえば、250μmのボール場合は、約13画素分X方向にズレた位置に見つけられる。   Therefore, if a bright area is found in one image data, a bright area is easily found in the other image data. For example, in the case of a 250 μm ball, it can be found at a position shifted by about 13 pixels in the X direction.

すなわち、同一ボールBに対して左右画像の対応をとることは難しくない。また、ボールBの頂上周辺の明るい領域は、ボールBの配列と同じ配列でほぼ一定の間隔となるので、領域の大きさが変化しても容易に見つけられる。   That is, it is not difficult to correspond the left and right images to the same ball B. Further, since the bright area around the top of the ball B is the same arrangement as the arrangement of the balls B and has a substantially constant interval, it can be easily found even if the size of the area changes.

BGAデバイスのボールBの3次元座標を測定するには、予めボールBの位置(ボールB、B…の配列も同時に)を画像データ上でティーチングしておく。試料台12にロードされるBGAデバイスの繰り返し位置決め精度程度に、画像データ上でのボールB位置がバラつくが、左右画像データでは、この大きさは同じである。   In order to measure the three-dimensional coordinates of the ball B of the BGA device, the position of the ball B (the arrangement of the balls B, B... At the same time) is taught in advance on the image data. The position of the ball B on the image data varies to the same extent as the repeated positioning accuracy of the BGA device loaded on the sample stage 12, but this size is the same for the left and right image data.

次に、ボールBの3次元座標測定のフローを説明する。図8は、ボールBの3次元座標測定のプロセスを説明するフロー図である。   Next, the flow of measuring the three-dimensional coordinates of the ball B will be described. FIG. 8 is a flowchart for explaining the process of measuring the three-dimensional coordinates of the ball B.

先ず、左右画像データ上でボールBの頂上部分の明るい領域を抽出する(ステップS−1)。明るい領域は、ティーチングされたボールBの配列と同じ配列となる。そして、左右画像データ間で、ほぼ一定のズレで同じ配列として測定される。   First, a bright area at the top of the ball B is extracted from the left and right image data (step S-1). The bright area has the same arrangement as the arrangement of the taught balls B. Then, the left and right image data are measured as the same array with a substantially constant shift.

次いで、ボールBの頂上部分の明るい領域の重心座標を求める(ステップS−2)。ボールBの頂上の3次元座標を求めるためには、明るい領域から1点を座標として抽出する必要がある。この1点は、形状重心又は輝度重心として算出する。形状重心は、明るい領域より少し広い範囲で画像を2値化して、明るい領域を確定してその重心座標を求める。輝度重心は、明るい領域より少し広い範囲で、明るさを重みとして加重平均して座標を求める。   Next, the barycentric coordinates of the bright area at the top of the ball B are obtained (step S-2). In order to obtain the three-dimensional coordinates of the top of the ball B, it is necessary to extract one point as a coordinate from a bright area. This one point is calculated as the shape centroid or luminance centroid. The shape centroid is binarized in a range slightly wider than the bright area, the bright area is determined, and the centroid coordinates are obtained. The luminance center of gravity is a little wider than the bright area, and the coordinates are obtained by weighted averaging with the brightness as a weight.

次いで、左右画像データから得られた重心座標のX座標差異から、そのボールBの高さを求める(ステップS−3)。この際、既述したように、25点についてのキャリブレーションデータがあるので、当該ボールBと一番近いデータを使用する。   Next, the height of the ball B is obtained from the X-coordinate difference of the barycentric coordinates obtained from the left and right image data (step S-3). At this time, as described above, since there is calibration data for 25 points, data closest to the ball B is used.

次いで、高さに相当するX座標の差異(図7のグラフで得られる大きさの半分)を画像データに対して補正する(ステップS−4)。   Next, the X coordinate difference corresponding to the height (half the size obtained in the graph of FIG. 7) is corrected for the image data (step S-4).

ステップS−4のようにして、画像座標上での座標と基準高さからの高さ差異が得られるので、これより3次元座標を求める(ステップS−5)。この際、画像データ上の座標と3次元座標とは、基準高さで基準格子板を測定して変換できるようにしておく。   As in step S-4, the height difference from the coordinates on the image coordinates and the reference height is obtained, and the three-dimensional coordinates are obtained from this (step S-5). At this time, the coordinates on the image data and the three-dimensional coordinates can be converted by measuring the reference lattice plate at the reference height.

以上のステップ(ステップS−1〜ステップS−5)をボールBの配列の個数分繰り返せば、登録されたボールBの全ての3次元座標が得られる。   If the above steps (step S-1 to step S-5) are repeated for the number of balls B arranged, all the three-dimensional coordinates of the registered balls B can be obtained.

ボールBの頂上部分の明るい画像領域の形状及び大きさは、ボールBの状態に依存している。しかしながら、ボールBの頂上部分の明るい画像領域の形状及び大きさが大きく変化しても、本発明によれば、光の相反性のため左右の画像データではほぼ同じ形状となる(後述する第2の実施形態の図9及び図10参照)。ボールBの形状が同じであれば、左右画像での重心位置も同等に算出されるので、高さ精度が確保される。本発明はこの点を考慮してなされたものである。   The shape and size of the bright image area at the top of the ball B depends on the state of the ball B. However, even if the shape and size of the bright image area at the top of the ball B change greatly, according to the present invention, the left and right image data have substantially the same shape due to the reciprocity of light (the second described later). 9 and 10 of the embodiment). If the shape of the ball B is the same, the center of gravity position in the left and right images is also calculated equally, so that the height accuracy is ensured. The present invention has been made in consideration of this point.

なお、画像データ上で0.2画素のズレを識別できるとすると、片側の光学系のズレは0.1画素である。既述の式1に代入して計算すると、この画素のズレは高さの差異として2.5μmとなる。このように、1倍のテレセントリック光学系を交差角度30度に配した場合、高さ方向で2〜3μmの精度となる。0.2画素より小さい差異を識別できれば、更に測定精度は向上する。   If it is possible to identify a deviation of 0.2 pixel on the image data, the deviation of the optical system on one side is 0.1 pixel. When calculated by substituting into the above-described equation 1, the deviation of this pixel is 2.5 μm as the height difference. As described above, when the 1 × telecentric optical system is arranged at an intersecting angle of 30 degrees, the accuracy in the height direction is 2 to 3 μm. If a difference smaller than 0.2 pixels can be identified, the measurement accuracy is further improved.

次に、本発明の第2の実施形態について説明する。この実施形態は、図1等で示される既述の第1の実施形態に対して、左右の光学系14、16の撮像位置パラメータを3次元的にキャリブレーションすること、及び、左右画像データ上で対応する点をパターンマッチングにより見つけるという2点を改良したものである。したがって、3次元座標測定装置10の構成は、図1と略同一である。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the imaging position parameters of the left and right optical systems 14 and 16 are three-dimensionally calibrated with respect to the first embodiment described above shown in FIG. The two points of finding corresponding points by pattern matching are improved. Therefore, the configuration of the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 is substantially the same as that in FIG.

本発明で採用されるテレセントリック光学系は、光軸に平行な光線で照明及び撮像するようにしたものであるが、レンズを使った結像系であるので、通常のカメラで撮像した場合と同様に、撮像位置パラメータを3次元的にキャリブレーションすることができる。   The telecentric optical system employed in the present invention is designed to illuminate and image with light rays parallel to the optical axis. However, since it is an imaging system using a lens, it is the same as when imaged with a normal camera. In addition, the imaging position parameter can be calibrated three-dimensionally.

撮像光学系(撮像カメラ)の撮像位置パラメータについては、後述するが、9つのパラメータよりなる。左右の光学系14、16の撮像位置パラメータが得られると、3次元座標を測定しようとする被測定物上の点を左右画像データ上で測定すれば、左右画像データ上の座標と撮像位置パラメータを用いて容易にその点の3次元座標を算出できる。この点は、ステレオ光学系による測定法として既知である。   Although the imaging position parameters of the imaging optical system (imaging camera) will be described later, it consists of nine parameters. When the imaging position parameters of the left and right optical systems 14 and 16 are obtained, the coordinates on the left and right image data and the imaging position parameters can be obtained by measuring on the left and right image data points on the object to be measured whose three-dimensional coordinates are to be measured Can be used to easily calculate the three-dimensional coordinates of the point. This point is known as a measurement method using a stereo optical system.

本実施形態においては、ステレオ光学系として、左画像データ上の位置及び右画像データ上の位置を測定することにより、被測定物の3次元座標を測定する。すなわち、既述の第1の実施形態では、左右画像データ上の対応点を重心座標から求めたが、本実施形態では、パターンマッチングにより、左画像と右画像の対応する位置を抽出する。   In the present embodiment, the three-dimensional coordinates of the object to be measured are measured by measuring the position on the left image data and the position on the right image data as a stereo optical system. That is, in the first embodiment described above, the corresponding points on the left and right image data are obtained from the barycentric coordinates, but in this embodiment, the corresponding positions of the left image and the right image are extracted by pattern matching.

図9は、被測定物Wとしてバンプ電極を採用した場合の拡大図であり、(B)は、バンプ電極Cの正面図(断面図)であり、(A)は、同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系で真上からバンプ電極Cを撮像した画像データである。   FIG. 9 is an enlarged view when a bump electrode is employed as the object to be measured W, (B) is a front view (sectional view) of the bump electrode C, and (A) is provided with coaxial epi-illumination. This is image data obtained by imaging the bump electrode C from directly above with a telecentric optical system.

テレセントリック光学系では、光軸と平行な光線で撮像するが、光軸に対し小さい角度をなす範囲の光線は結像に寄与する。図9のバンプ電極Cの表面での鏡面反射の条件は、水平な平面(X−Y平面)のみであるが、テレセントリック光学系では水平な平面から少しの角度傾いた平面からも反射光が戻ってくる。   In a telecentric optical system, an image is picked up with light rays parallel to the optical axis, but light rays in a range that makes a small angle with respect to the optical axis contribute to imaging. The condition of specular reflection on the surface of the bump electrode C in FIG. 9 is only the horizontal plane (XY plane), but in the telecentric optical system, the reflected light returns from a plane inclined at a slight angle from the horizontal plane. Come.

図9に示されるようなバンプ電極Cの高原状の頂上周辺では、一定の傾き以内の平面と言う条件は、頂上からほぼ一定の高さまでの範囲と言う条件に言い換えられる。このような近似的な見方をして、頂上からdh低い領域まで照明光が反射する状態がこの図9に示されている。このdhは、実際には無視しても差し支えないくらい小さい量(後述)である。   In the vicinity of the plateau-like top of the bump electrode C as shown in FIG. 9, the condition of a plane within a certain inclination is paraphrased as the condition of a range from the top to a substantially constant height. FIG. 9 shows a state in which the illumination light is reflected from the top to the dh lower region from such an approximate view. This dh is a small amount (described later) that can be ignored in practice.

図9のバンプ電極Cを、左右対称に配置したテレセントリック光学系(図1の左右の光学系14、16)で撮像した画像データを図10に示す。図10において、左画像データは、撮像カメラ14Eの撮像面における画像データであり、右画像データは、撮像カメラ16Eの撮像面における画像データである。これは、第1の実施形態の図4に相当する。   FIG. 10 shows image data obtained by imaging the bump electrode C in FIG. 9 with a telecentric optical system (left and right optical systems 14 and 16 in FIG. 1) arranged symmetrically. In FIG. 10, the left image data is image data on the imaging surface of the imaging camera 14E, and the right image data is image data on the imaging surface of the imaging camera 16E. This corresponds to FIG. 4 of the first embodiment.

図10において、バンプ電極Cの表面で鏡面反射する入射光と反射光とが示されている。左光学系14(図1参照)に備えられた同軸落射照明の光線は、結像して右画像データとなり、右光学系16(図1参照)に備えられた同軸落射照明の光線は、結像して左画像データとなる。光の相反性の原理により、入射光と反射光とは入れ替えることができるので、バンプ電極Cの頂上周辺の領域の形状とバンプ電極Cの底面の形状は、左右の画像データで同じ形状になる。   In FIG. 10, incident light and reflected light that are specularly reflected on the surface of the bump electrode C are shown. The light beam of the coaxial epi-illumination provided in the left optical system 14 (see FIG. 1) forms a right image data by forming an image, and the light beam of the coaxial epi-illumination provided in the right optical system 16 (see FIG. 1) The left image data. Due to the principle of light reciprocity, incident light and reflected light can be interchanged, so the shape of the area around the top of the bump electrode C and the shape of the bottom surface of the bump electrode C are the same in the left and right image data. .

また、バンプ電極Cの頂上周辺の領域の形状とバンプ電極Cの底面の形状は、高さの違いのため、左画像データと右画像データとでズレが発生する。図10では、照明光線及び撮像光線に直交するように、撮像カメラ14E、16Eの撮像面、及び撮像される画像データが描かれている。そして、撮像カメラ14E、16Eの撮像面の上流側に光学系があるので、実際の画像データは上下及び左右が入れ替わる(図10では、図が複雑とならないように、結像光学系を省略した)。すなわち、第1の実施形態の図4と図10とを比較すると、電極の頂上部分の領域は逆方向にずれている。実際の画像は、図10と上下左右が入れ替わるので、このようなことはない。   In addition, the shape of the region around the top of the bump electrode C and the shape of the bottom surface of the bump electrode C are different in height, and therefore, a deviation occurs between the left image data and the right image data. In FIG. 10, the imaging surfaces of the imaging cameras 14E and 16E and the image data to be captured are drawn so as to be orthogonal to the illumination beam and the imaging beam. Since there is an optical system upstream of the imaging surfaces of the imaging cameras 14E and 16E, the actual image data is switched up and down and left and right (in FIG. 10, the imaging optical system is omitted so as not to complicate the figure). ). That is, when FIG. 4 and FIG. 10 of 1st Embodiment are compared, the area | region of the top part of an electrode has shifted | deviated to the reverse direction. Since an actual image is interchanged with FIG.

画像処理の技術分野においては、形状が同じであれば、パターンマッチングにより最もよく重なる位置を容易に求めることができる。パターンマッチングを実行するためには、パターンマッチングの画像モデルを登録する必要がある。左右の光学系を持つステレオ画像システムでは、被測定物上の1点に対する左画像データ上の位置(座標)と右画像データ上の位置(座標)とが与えられれば、その点の3次元座標を算出できる。   In the technical field of image processing, if the shapes are the same, the best overlapping position can be easily obtained by pattern matching. In order to execute pattern matching, it is necessary to register an image model for pattern matching. In a stereo image system having left and right optical systems, if a position (coordinates) on the left image data and a position (coordinates) on the right image data for a point on the object to be measured are given, the three-dimensional coordinates of that point Can be calculated.

図10において、左画像データ上でバンプ電極Cの頂上周辺領域(画像データ上で明るい領域)をモデル画像として登録し、登録されたモデル画像を使用して右画像データをサーチ(パターンマッチングで最もよく重なる位置を求める)することにより、左画像と右画像との対応点を求める。右画像データ上の黒い+マークはモデル原点であり、明るい領域の重心位置で、頂上と見なした点である。右画像データ上の黒い+マークはサーチされた位置を示す。このような対応がとれれば、左右の画像データの画像座標から頂上と見なした点の3次元座標が算出できる。   In FIG. 10, the top peripheral area (bright area on the image data) of the bump electrode C is registered as a model image on the left image data, and the right image data is searched using the registered model image (most in pattern matching). The corresponding points of the left image and the right image are obtained by obtaining the overlapping position. The black + mark on the right image data is the model origin, and is the point considered as the top at the center of gravity of the bright area. A black + mark on the right image data indicates the searched position. If such a correspondence is taken, the three-dimensional coordinates of the point regarded as the top can be calculated from the image coordinates of the left and right image data.

デバイスの基板が鏡面反射する場合には、電極の底面の形状は既述の図9及び図10に示されるように、黒い境界で囲まれた領域となる。電極の底面の形状をモデル画像として登録しておけば、パターンマッチングにより、容易に電極の底面の位置(たとえば、重心位置)を求めることができる。電極の底面の位置が得られたら、バンプ電極Cの頂上周辺領域も簡単に求められ、バンプ電極Cの頂上周辺領域を設定して画像モデルを登録できる。   When the substrate of the device is specularly reflected, the shape of the bottom surface of the electrode is a region surrounded by a black boundary as shown in FIGS. 9 and 10 described above. If the shape of the bottom surface of the electrode is registered as a model image, the position of the bottom surface of the electrode (for example, the position of the center of gravity) can be easily obtained by pattern matching. If the position of the bottom surface of the electrode is obtained, the top peripheral region of the bump electrode C can be easily obtained, and the image model can be registered by setting the top peripheral region of the bump electrode C.

また、デバイスの基板が鏡面反射しない場合には、既述の図9及び図10に示されるような黒い境界は存在せず、バンプ電極Cの頂上周辺領域の明るい領域のみの画像となる。このような場合には、画像データ上で明るく見える領域を抽出し(領域の大きさが、バンプ電極Cの大きさ以下であることの確認が要)、抽出された領域がバンプ電極Cの配列と同じとなるか(同じ配列状に並んでいるか)、平面上の座標をチェックする。   Further, when the device substrate is not specularly reflected, there is no black boundary as shown in FIGS. 9 and 10 described above, and an image of only the bright area of the top peripheral area of the bump electrode C is obtained. In such a case, a region that appears bright on the image data is extracted (it is necessary to confirm that the size of the region is equal to or smaller than the size of the bump electrode C), and the extracted region is the arrangement of the bump electrodes C. Check the coordinates on the plane.

その後で、左画像の明るい領域を囲むようにモデル画像を登録する(図10と同様の操作)。登録された画像モデルにより右画像データをサーチすれば、左画像データ上と右画像データ上での対応点の座標が得られる。これにより、既述したように3次元座標が算出できる。   Thereafter, the model image is registered so as to surround the bright area of the left image (the same operation as in FIG. 10). If the right image data is searched using the registered image model, the coordinates of the corresponding points on the left image data and the right image data can be obtained. As a result, three-dimensional coordinates can be calculated as described above.

次に、バンプ電極Cの3次元座標測定のフローを説明する。図11は、バンプ電極Cの3次元座標測定のプロセスを説明するフロー図である。   Next, the flow of measuring the three-dimensional coordinates of the bump electrode C will be described. FIG. 11 is a flowchart for explaining the process of measuring the three-dimensional coordinates of the bump electrode C.

先ず、左画像上でバンプ電極Cの頂上部分の明るい領域を抽出する(ステップS−11)。次いで、抽出された領域がバンプ電極Cの配列と同じ配列状となるかチェックする(ステップS−12)。   First, a bright area at the top of the bump electrode C is extracted on the left image (step S-11). Next, it is checked whether or not the extracted area has the same arrangement as that of the bump electrode C (step S-12).

次いで、バンプ電極Cの頂上周辺の領域を画像モデルとして登録する(ステップS−13)。そして、登録された画像モデルを用いて右画像をサーチする(ステップS−14)。   Next, the area around the top of the bump electrode C is registered as an image model (step S-13). Then, the right image is searched using the registered image model (step S-14).

次いで、画像モデルの原点(左画像上の座標)とサーチされた位置(右画像上の座標)から3次元座標を算出する(ステップS−15)。   Next, three-dimensional coordinates are calculated from the origin of the image model (coordinates on the left image) and the searched position (coordinates on the right image) (step S-15).

以上のステップ(ステップS−13〜ステップS−15)をバンプ電極Cの配列の個数分繰り返せば、登録されたバンプ電極Cの全ての3次元座標が得られる(ステップS−16)。   If the above steps (step S-13 to step S-15) are repeated for the number of the bump electrodes C arranged, all the three-dimensional coordinates of the registered bump electrodes C are obtained (step S-16).

このように、本発明によれば、光の相反性の原理を利用して、被測定物の頂点近傍の平面で反射される光線の特性に着目して高さ測定を実施するので、バンプ電極のように3次元的な曲面で形成される被測定物の3次元座標の測定に適している。そして、視野内にある被測定物に対しては同時に測定できるので、処理を高速化することができる。   As described above, according to the present invention, the height measurement is performed using the principle of the reciprocity of light and paying attention to the characteristics of the light beam reflected by the plane near the vertex of the object to be measured. Thus, it is suitable for measuring the three-dimensional coordinates of the object to be measured formed by a three-dimensional curved surface. And since it can measure simultaneously in the to-be-measured object in a visual field, processing can be sped up.

既述したように、テレセントリック光学系では、対物レンズの焦点位置に絞りを置く(物体側テレセントリック光学系)。この絞りがあるため、対物レンズより物体側では光軸と平行な光線以外は絞りで遮蔽されるため結像に寄与しない。光学系の結像位置は、絞りには依存せず、同じである。   As described above, in the telecentric optical system, a stop is placed at the focal position of the objective lens (object-side telecentric optical system). Since there is this diaphragm, on the object side from the objective lens, light rays other than those parallel to the optical axis are shielded by the diaphragm, so that they do not contribute to image formation. The imaging position of the optical system is the same regardless of the stop.

このテレセントリック光学系も、レンズを使用した結像系であるので、カメラの位置決めと同じ方法でキャリブレーションできる。通常のカメラ位置決め方法を以下に記述する(たとえば、「写真による三次元測定(1983年共立出版)」参照)。ただし、カメラでは被測定物までの距離が大きいが、テレセントリック光学系では被測定物まで距離はそれほど大きくない。そのため、カメラ位置決めパラメータとして、カメラで焦点距離としているところは、光学系の設計に基づく結像距離(焦点距離より長い)である。   Since this telecentric optical system is also an imaging system using a lens, it can be calibrated by the same method as the camera positioning. A typical camera positioning method is described below (see, for example, “Three-dimensional measurement with photographs (1983 Kyoritsu Shuppan)”). However, the distance to the object to be measured is large in the camera, but the distance to the object to be measured is not so large in the telecentric optical system. For this reason, the focal length of the camera as the camera positioning parameter is the imaging distance (longer than the focal length) based on the design of the optical system.

カメラの撮像パラメータとしては、カメラの撮像位置(X、YC、及びZ)、カメラ撮像の方向(X軸周りの回転角度R、Y軸周りの回転角度R、及びZ軸周りの回転角度R)、主点位置(画像データの中心点とカメラ光軸との差異X及びY)及びカメラの焦点距離fの9つを用いる。 The imaging parameter of a camera, the imaging position of the camera (X C, Y C, and Z C), the rotational angle R X around direction of the camera imaging (X-axis, rotation about the Y axis angle R Y, and around the Z axis 9 of the rotation angle R Z ), the principal point position (difference X O and Y O between the center point of the image data and the camera optical axis), and the focal length f of the camera.

これら9つのパラメータは、基準とする座標系で3次元位置が既知である点より、撮像して得られた画像データ上で精密に座標を測定すれば、公開されている文献(たとえば、既述の「写真による三次元測定(1983年共立出版)」)に基づいた式から算出できる。この際、画像データ上の位置(画像データ上での座標)と3次元座標が既知である点を5点以上測定すればよい。この場合、3次元的に配置する必要がある。   These nine parameters can be obtained from published documents (for example, as described above) by accurately measuring coordinates on image data obtained by imaging from a point where a three-dimensional position is known in a reference coordinate system. "3D measurement with photographs (1983 Kyoritsu Shuppan)"). At this time, it is only necessary to measure five or more points whose positions on the image data (coordinates on the image data) and three-dimensional coordinates are known. In this case, it is necessary to arrange three-dimensionally.

図12は、カメラの撮像位置パラメータについて説明する図である。図12では、座標系を決める面を基準面とし、その面に平行に第二基準面、第三基準面を設け、これら3つの面上に座標が既知の点9点を配置した。(基準点は各基準面では直線上(図とは異なるが)にはないものとする)。   FIG. 12 is a diagram illustrating the imaging position parameter of the camera. In FIG. 12, the plane that determines the coordinate system is used as a reference plane, a second reference plane and a third reference plane are provided in parallel with the plane, and nine points with known coordinates are arranged on these three planes. (The reference point shall not be on a straight line (but different from the figure) at each reference plane).

これらの9点は、図12において直線で示されるように、画像データ上に撮像される。テレセントリック光学系では光軸に平行な光線で撮像するので、図の直線で示す光線は絞りで遮蔽される。しかし結象位置は絞りに依存しないので、結象位置を求めるためにはこの直線の方が簡単である。これら9点の画像座標を精密に測定すれば、カメラ撮像パラメータが得られる。   These nine points are imaged on the image data as indicated by straight lines in FIG. Since the telecentric optical system captures an image with light rays parallel to the optical axis, the light rays indicated by the straight lines in the figure are shielded by a diaphragm. However, since the figure position does not depend on the diaphragm, this straight line is easier to obtain the figure position. If these nine image coordinates are accurately measured, camera imaging parameters can be obtained.

次に、テレセントリック光学系でボールBの明るく見える領域について説明する。図13は、ボールBの中心Oを通る垂直線をBLとし、ボールBの中心Oで垂直線BLと角度φをなして交わる直線BHを垂直線BLの周りに回転させた状態を示す。この直線BHのボールBの球面上の軌跡は、図に示されるような円となる。中心Oからその円までの高さ(高さ方向の距離)は、ボールBの半径をrとした場合、r×cosφである。ボールBの頂点Tとその円との高さの違いdhは、以下の式2で表せる。   Next, a region where the ball B appears bright in the telecentric optical system will be described. FIG. 13 shows a state where a vertical line passing through the center O of the ball B is BL, and a straight line BH that intersects the vertical line BL at an angle φ at the center O of the ball B is rotated around the vertical line BL. The locus of the straight line BH on the spherical surface of the ball B is a circle as shown in the figure. The height from the center O to the circle (the distance in the height direction) is r × cos φ where the radius of the ball B is r. The height difference dh between the apex T of the ball B and its circle can be expressed by the following equation 2.

[数2]
dh=r×(1−cosφ)=r×φ×φ/2 (式2)
φが小さいとしてcosφを展開すると、式2の右式のようになる。φが微小量であるとこれは2次のオーダーの微小量となるので、無視できる大きさである。この図13はテレセントリック光学系の状況を近似している。φはテレセントリック光学系の設計要素と関連している。
[Equation 2]
dh = r × (1-cos φ) = r × φ × φ / 2 (Formula 2)
When cos φ is expanded with φ being small, the right equation of Equation 2 is obtained. If φ is a minute amount, it becomes a minute amount of the second order, and is negligible. FIG. 13 approximates the situation of the telecentric optical system. φ is related to the design element of the telecentric optical system.

以上に説明したように、本発明によれば、テレセントリック光学系を左右対称に配置することにより、光の相反性に着目して被測定物の頂点近傍の平面で反射される領域が左画像データと右画像データとで同じになるという特性を利用して、被測定物の高さを測定することができる。   As described above, according to the present invention, by arranging the telecentric optical system symmetrically, the region reflected on the plane near the vertex of the object to be measured is focused on the left image data by paying attention to the reciprocity of the light. And the right image data can be used to measure the height of the object to be measured.

したがって、本発明は、BGAや、図9に示されるような形状のバンプ電極のように3次元的な曲面で形成される対象物の3次元座標の測定に適している。そして、画像データとして撮像された範囲(すなわち、光学系の視野範囲)内の突起物が多数あるBGA等の場合には、これらを同時に、かつ高速に測定できるというメリットがある。   Therefore, the present invention is suitable for measuring the three-dimensional coordinates of an object formed by a three-dimensional curved surface, such as a BGA or a bump electrode having a shape as shown in FIG. In the case of a BGA or the like having a large number of protrusions within the range imaged as image data (that is, the visual field range of the optical system), there is an advantage that these can be measured simultaneously and at high speed.

たとえば、0.5〜1倍の光学系では、視野が6×5mm〜12×10mmとなり、100〜400個の半田ボールを備えるBGAデバイスを、精度3〜5μmで同時に測定できる。その上、±0.5〜±1mm程度の高さの測定範囲がある。したがって、精度が高く、コストが低く、スピードが速く、高さの測定範囲が広いという各点において、従来の装置に比べ大きなメリットがある。   For example, in a 0.5 to 1 × optical system, the visual field is 6 × 5 mm to 12 × 10 mm, and a BGA device having 100 to 400 solder balls can be simultaneously measured with an accuracy of 3 to 5 μm. In addition, there is a measuring range with a height of about ± 0.5 to ± 1 mm. Therefore, there are significant advantages over conventional devices in that the accuracy is high, the cost is low, the speed is high, and the height measurement range is wide.

以上、本発明に係る3次元座標測定装置及び方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。   As mentioned above, although embodiment of the three-dimensional coordinate measuring apparatus and method which concerns on this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, Various aspects can be taken.

たとえば、被測定物として主にBGAを取り上げて説明したが、これ以外の対象物の3次元座標測定であっても同様に行える。   For example, the BGA has been mainly described as an object to be measured, but it can be similarly performed even when measuring three-dimensional coordinates of other objects.

本発明に係る3次元座標測定装置の構成図Configuration diagram of a three-dimensional coordinate measuring apparatus according to the present invention 同軸落射照明光学系の撮像手段によりボールを撮像して画像データを取得する場合の概略図Schematic diagram when acquiring image data by imaging a ball with the imaging means of the coaxial incident illumination optical system 同軸落射照明光学系の撮像手段を左右対称に配置しボールを撮像して画像データを取得する場合の概略図Schematic diagram when acquiring image data by imaging the ball by arranging the imaging means of the coaxial incident illumination optical system symmetrically 図3の光学系で撮像した場合の画像データを示す図The figure which shows the image data at the time of imaging with the optical system of FIG. 図1の3次元座標測定装置でBGAデバイスを撮像する状態を説明する概略図Schematic explaining a state in which a BGA device is imaged by the three-dimensional coordinate measuring apparatus of FIG. 格子板の平面図Plan view of lattice plate 格子板の高さと左右画像データ上での差異との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the height of the grid plate and the difference in the left and right image data ボールの3次元座標測定のプロセスを説明するフロー図Flow diagram explaining the process of measuring the three-dimensional coordinates of a ball 被測定物としてバンプ電極を採用した場合の撮像した画像データ等Image data captured when bump electrodes are used as the object to be measured バンプ電極を左右対称に配置したテレセントリック光学系で撮像した画像データImage data captured by a telecentric optical system with bump electrodes arranged symmetrically バンプ電極の3次元座標測定のプロセスを説明するフロー図Flow chart explaining the process of measuring the three-dimensional coordinates of the bump electrode カメラの撮像位置パラメータについて説明する図The figure explaining the imaging position parameter of a camera テレセントリック光学系でボールの明るく見える領域について説明する図Diagram explaining the area where the ball looks bright in the telecentric optical system 従来例の3次元検査装置の構成図Configuration diagram of a conventional three-dimensional inspection apparatus

符号の説明Explanation of symbols

10…3次元座標測定装置、12…試料台、14…左光学系、16…右光学系、14B、16B…鏡筒、14C、16C…ハーフミラー、14D、16D…照明鏡筒、14E、16E…撮像カメラ、18…画像処理装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Three-dimensional coordinate measuring device, 12 ... Sample stand, 14 ... Left optical system, 16 ... Right optical system, 14B, 16B ... Lens barrel, 14C, 16C ... Half mirror, 14D, 16D ... Illumination lens barrel, 14E, 16E ... Imaging camera, 18 ... Image processing device

Claims (6)

鏡面状の表面を有した被測定物を載置する試料台と、
前記被測定物を平行光線で照明する同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記試料台の鉛直軸に対して光軸が所定の傾斜角度をなすように設けられる第1の撮像手段と、
前記被測定物を平行光線で照明する同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記試料台の鉛直軸に対して光軸が前記第1の撮像手段の光軸と線対称になるように設けられる第2の撮像手段と、
前記第1の撮像手段で平行光線を照明した被測定物表面を前記第2の撮像手段で撮像して得られる第1の画像、及び前記第2の撮像手段で平行光線を照明した被測定物表面を前記第1の撮像手段で撮像して得られる第2の画像より被測定物表面の3次元座標を得る算出手段であって、前記第1及び第2の画像からそれぞれ前記被測定物の高輝度領域を抽出し、前記第1の画像での前記高輝度領域の重心位置と前記第2の画像での前記高輝度領域の重心位置との差に基づいて前記被測定物表面の高さ方向の座標を算出する算出手段と、
を備えたことを特徴とする3次元座標測定装置。
A sample stage on which an object to be measured having a mirror-like surface is placed;
An imaging means of a telecentric optical system provided with a coaxial epi-illumination for illuminating the object to be measured with parallel rays, the first being provided such that the optical axis forms a predetermined tilt angle with respect to the vertical axis of the sample stage. Imaging means,
Wherein a telecentric optical system imaging unit having a coaxial incident illumination for illuminating the object to be measured in parallel rays, the optical axis and the line symmetry of the optical axis with respect to the sample stage of the vertical axis is the first image pickup means A second imaging means provided to be,
A first image obtained by imaging the surface of the object to be measured illuminated with parallel rays by the first imaging means with the second imaging means, and an object to be measured illuminated with parallel rays by the second imaging means Computation means for obtaining a three-dimensional coordinate of the surface of the object to be measured from a second image obtained by imaging the surface with the first imaging means , wherein each of the objects to be measured is obtained from the first and second images, respectively. A high brightness area is extracted, and the height of the surface of the object to be measured is determined based on a difference between a centroid position of the high brightness area in the first image and a centroid position of the high brightness area in the second image. Calculating means for calculating the coordinates of the direction;
A three-dimensional coordinate measuring apparatus comprising:
鏡面状の表面を有した被測定物を載置する試料台と、
前記被測定物を平行光線で照明する同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記試料台の鉛直軸に対して光軸が所定の傾斜角度をなすように設けられる第1の撮像手段と、
前記被測定物を平行光線で照明する同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記試料台の鉛直軸に対して光軸が前記第1の撮像手段の光軸と線対称になるように設けられる第2の撮像手段と、
前記第1の撮像手段で平行光線を照明した被測定物表面を前記第2の撮像手段で撮像して得られる第1の画像、及び前記第2の撮像手段で平行光線を照明した被測定物表面を前記第1の撮像手段で撮像して得られる第2の画像より被測定物表面の3次元座標を得る算出手段であって、前記第1の画像上の前記被測定物の高輝度領域と前記第2の画像上の前記被測定物の高輝度領域とのパターンマッチングにより、前記第1の画像上の高輝度領域と前記第2の画像上の高輝度領域とで対応する点を検出し、前記互いに対応する点の前記第1の画像上の位置と前記第2の画像上の位置との差より前記被測定物表面の高さ方向の座標を算出する算出手段と、
を備えたことを特徴とする3次元座標測定装置
A sample stage on which an object to be measured having a mirror-like surface is placed;
An imaging means of a telecentric optical system provided with a coaxial epi-illumination for illuminating the object to be measured with parallel rays, the first being provided such that the optical axis forms a predetermined tilt angle with respect to the vertical axis of the sample stage. Imaging means,
An imaging means of a telecentric optical system having a coaxial epi-illumination for illuminating the object to be measured with parallel rays, the optical axis being symmetrical with respect to the optical axis of the first imaging means with respect to the vertical axis of the sample stage A second imaging means provided to be,
A first image obtained by imaging the surface of the object to be measured illuminated with parallel rays by the first imaging means with the second imaging means, and an object to be measured illuminated with parallel rays by the second imaging means A calculation means for obtaining a three-dimensional coordinate of the surface of the object to be measured from a second image obtained by imaging the surface with the first image pickup means, wherein the high-luminance region of the object to be measured on the first image And corresponding points in the high-intensity region on the first image and the high-intensity region on the second image are detected by pattern matching between the high-intensity region of the object to be measured on the second image Calculating means for calculating the coordinate in the height direction of the surface of the object to be measured from the difference between the position on the first image and the position on the second image of the points corresponding to each other;
A three-dimensional coordinate measuring apparatus comprising:
鏡面状の表面を有した被測定物を平行光線で照明する同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記被測定物を載置した試料台の鉛直軸に対して光軸が所定の傾斜角度をなすように設けられる第1の撮像手段と、前記被測定物を平行光線で照明する同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記試料台の鉛直軸に対して光軸が前記第1の撮像手段の光軸と線対称になるように設けられる第2の撮像手段とを使用し、前記第1の撮像手段で平行光線を照明した被測定物表面を前記第2の撮像手段で撮像して第1の画像を取得するステップと、
前記第1の撮像手段と第2の撮像手段とを使用し、前記第2の撮像手段で平行光線を照明した被測定物表面を前記第1の撮像手段で撮像して第2の画像を取得するステップと、
前記第1及び第2の画像からそれぞれ前記被測定物の高輝度領域を抽出するステップと、
前記第1の画像での前記高輝度領域の重心位置と前記第2の画像での前記高輝度領域の重心位置との差に基づいて前記被測定物表面の高さ方向の座標を算出するステップと、
を含むことを特徴とする3次元座標測定方法。
An imaging means of a telecentric optical system having a coaxial epi-illumination for illuminating an object to be measured having a mirror-like surface with parallel rays , wherein the optical axis is relative to a vertical axis of a sample stage on which the object to be measured is placed Is a telecentric optical system imaging unit including a first imaging unit provided so as to form a predetermined inclination angle and a coaxial epi-illumination for illuminating the object to be measured with a parallel light beam, the vertical axis of the sample table using the second imaging means in which the optical axis is provided such that the optical axis line symmetry of the first image pickup means with respect to said first object surface that illuminates the parallel light by the imaging means Capturing the first image with the second imaging means; and
Using the first imaging unit and the second imaging unit, the second imaging unit captures a surface of the object to be measured, which is illuminated with parallel rays by the second imaging unit, and acquires a second image. And steps to
Extracting a high-intensity region of the object to be measured from each of the first and second images;
Calculating a coordinate in a height direction of the surface of the object to be measured based on a difference between a centroid position of the high-luminance region in the first image and a centroid position of the high-luminance region in the second image. When,
A three-dimensional coordinate measurement method comprising:
前記試料台の表面に設けられたマークを基準として前記高さ方向の座標を算出することを特徴とする請求項3に記載の3次元座標測定方法。 4. The three-dimensional coordinate measuring method according to claim 3, wherein the coordinate in the height direction is calculated with reference to a mark provided on the surface of the sample table. 鏡面状の表面を有した被測定物を平行光線で照明する同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記被測定物を載置した試料台の鉛直軸に対して光軸が所定の傾斜角度をなすように設けられる第1の撮像手段と、前記被測定物を平行光線で照明する同軸落射照明を備えたテレセントリック光学系の撮像手段であって、前記試料台の鉛直軸に対して光軸が前記第1の撮像手段の光軸と線対称になるように設けられる第2の撮像手段とを使用し、前記第1の撮像手段で平行光線を照明した被測定物表面を前記第2の撮像手段で撮像して第1の画像を取得するステップと、
前記第1の撮像手段と第2の撮像手段とを使用し、前記第2の撮像手段で平行光線を照明した被測定物表面を前記第1の撮像手段で撮像して第2の画像を取得するステップと、
前記第1の画像上の前記被測定物の高輝度領域と前記第2の画像上の前記被測定物の高輝度領域とのパターンマッチングにより、前記第1の画像上の高輝度領域と前記第2の画像上の高輝度領域とで対応する点を検出し、前記互いに対応する点の前記第1の画像上の位置と前記第2の画像上の位置との差より前記被測定物表面の高さ方向の座標を算出するステップと、
を含むことを特徴とする3次元座標測定方法。
An imaging means of a telecentric optical system having a coaxial epi-illumination for illuminating an object to be measured having a mirror-like surface with parallel rays, wherein the optical axis is relative to a vertical axis of a sample stage on which the object to be measured is placed Is a telecentric optical system imaging unit including a first imaging unit provided so as to form a predetermined inclination angle and a coaxial epi-illumination for illuminating the object to be measured with a parallel light beam, the vertical axis of the sample table The surface of the object to be measured is illuminated with a parallel light beam by the first imaging means using a second imaging means provided so that the optical axis is symmetrical with the optical axis of the first imaging means. Capturing the first image with the second imaging means; and
Using the first imaging unit and the second imaging unit, the second imaging unit captures a surface of the object to be measured, which is illuminated with parallel rays by the second imaging unit, and acquires a second image. And steps to
The pattern matching between the high-intensity region of the object to be measured on the first image and the high-intensity region of the object to be measured on the second image results in pattern matching between the high-intensity region on the first image and the first image. Corresponding points in the high-intensity area on the second image, and the difference between the position on the first image and the position on the second image of the points corresponding to each other is detected. Calculating coordinates in the height direction ;
A three-dimensional coordinate measurement method comprising:
前記第1の撮像手段及び第2の撮像手段の撮像位置パラメータを使用して、前記被測定物の3次元座標を得ることを特徴とする請求項5に記載の3次元座標測定方法。 6. The three-dimensional coordinate measurement method according to claim 5 , wherein the three-dimensional coordinates of the object to be measured are obtained using the imaging position parameters of the first imaging means and the second imaging means.
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