(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
狭ピッチで固定配置された光沢のある球状の測定対象に光を走査して照射させ反射光の位置を光位置検出手段で検出して該測定対象の変位量を該走査方向に沿って連続的に非接触で検出する変位測定装置において、
直線偏光を有する光を受けて前記光を所定の回転方向に円偏光させ前記測定対象に照射させる第１のλ／４波長板（３）と、
前記第１のλ／４波長板（３）通過後の光を所定方向に走査させる偏向手段（２２）と、
前記第１のλ／４波長板から前記測定対象への円偏光の光の照射に伴って該測定対象から反射される円偏光の光を平行光として出射するレンズアレイ（２５）と、
前記レンズアレイから出射される円偏光の平行光を直線偏光にするものであり、前記走査範囲に対応した長さを有する第２のλ／４波長板（６ａ）と、
前記第２のλ／４波長板で直線偏光にされた光のうち所定方向に直線偏光されている光のみ透過させ、他の方向に直線偏光されている迷光成分を屈曲させるものであり、前記走査範囲に対応した長さを有する偏光ビームスプリッタ（７ｃ）と、
前記偏光ビームスプリッタを透過した光を受光し、受光位置に基づき前記測定対象の変位量に対応した変位信号を出力する光位置検出手段（８）と、
を備えたことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の前記偏光ビームスプリッタ（７ｃ）に代えて、前記直線偏光にされた光のうち所定方向に直線偏光されている光のみ透過させ、他の方向に直線偏光されている迷光成分を透過させないものであり、前記走査範囲に対応した長さを有する偏光板が用いられた変位測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の前記偏光ビームスプリッタ（７ｃ）に代えて、前記直線偏光にされた光のうち所定方向に直線偏光されている光を所定方向に屈曲させ、他の方向に直線偏光されている迷光成分を透過させるものであり、前記走査範囲に対応した長さを有する偏光ミラーが用いられ、
前記光位置検出手段（８）は、偏光ミラーで屈曲された光を受光する構成とされた変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触で測定対象の変位量を測定する変位測定装置に係り、特に、狭ピッチの測定時における不要な反射光を除去でき高精度な測定が行える変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、変位測定装置を示す概要図である。
レーザ１から放射された光は、コリメータレンズ２で平行光とされ、投光レンズにより測定対象（被測定物）１１上に光スポットをつくる。この測定対象１１で反射された光は、受光レンズ５を介して光位置検出手段８上に光スポットをつくる。
これにより、光位置検出手段８上で検出された光スポットの位置に応じて、測定対象１１の変位量（例えば高さ）を測定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成では、測定対象１１の配置が狭ピッチである場合に、近隣の測定対象１２から２次反射された光が測定精度を低下させる場合があった。
図示の測定対象１１は、ＬＳＩ等の半導体パッケージの端子であり、この端子の状態（コプラナリティ）を測定しようとするものである。
この測定対象１１は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）  など光沢のある球状の金属面（半田ボール、バンプと呼称される）であり、０．３〜０．８ｍｍ程度の狭ピッチで配置されている。
【０００４】
このような、光沢のある球状の測定対象１１に投光さえた光は、近隣の測定対象１２に向けて反射しやすい（図中点線で記載）。
上記形状の測定対象１１の変位量を測定する場合において、この測定対象１２で２次反射された光（迷光成分３３）が光位置検出手段８で同時に受光された際には、測定精度を著しく悪化させる問題が生じていた。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、測定対象の形状等によって近隣で反射した光を除去することができ、特に、狭ピッチの測定対象を高精度に測定できる変位測定装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の変位測定装置は、請求項１記載のように、狭ピッチで固定配置された光沢のある球状の測定対象に光を走査して照射させ反射光の位置を光位置検出手段で検出して該測定対象の変位量を該走査方向に沿って連続的に非接触で検出する変位測定装置において、
直線偏光を有する光を受けて前記光を所定の回転方向に円偏光させ前記測定対象に照射させる第１のλ／４波長板３と、
前記第１のλ／４波長板３通過後の光を所定方向に走査させる偏向手段２２と、
前記第１のλ／４波長板から前記測定対象への円偏光の光の照射に伴って該測定対象から反射される円偏光の光を平行光として出射するレンズアレイ２５と、
前記レンズアレイから出射される円偏光の平行光を直線偏光にするものであり、前記走査範囲に対応した長さを有する第２のλ／４波長板６ａと、
前記第２のλ／４波長板で直線偏光にされた光のうち所定方向に直線偏光されている光のみ透過させ、他の方向に直線偏光されている迷光成分を屈曲させるものであり、前記走査範囲に対応した長さを有する偏光ビームスプリッタ７ｃと、
前記偏光ビームスプリッタを透過した光を受光し、受光位置に基づき前記測定対象の変位量に対応した変位信号を出力する光位置検出手段８と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２記載のように、請求項１記載の前記偏光ビームスプリッタ（７ｃ）に代えて、前記直線偏光にされた光のうち所定方向に直線偏光されている光のみ透過させ、他の方向に直線偏光されている迷光成分を透過させないものであり、前記走査範囲に対応した長さを有する偏光板が用いられた構成としてもよい。
【０００８】
また、請求項３記載のように、請求項１記載の前記偏光ビームスプリッタ７ｃに代えて、前記直線偏光にされた光のうち所定方向に直線偏光されている光を所定方向に屈曲させ、他の方向に直線偏光されている迷光成分を透過させるものであり、前記走査範囲に対応した長さを有する偏光ミラーが用いられ、
前記光位置検出手段８は、偏光ミラーで屈曲された光を受光する構成とすることもできる。
【００１４】
放射された光は、第１のλ／４波長板３により所定の回転方向を有する円偏光とされる。第１のλ／４波長板３通過後の光は、偏向手段２２により所定方向に走査され、狭ピッチで配置される光沢のある球状の測定対象１１（１２）に照射される。第１のλ／４波長板３から測定対象１１（１２）への円偏向の光の照射に伴って測定対象１１（１２）から反射される反射光はレンズアレイ２５によって平行光として出射される。この平行光は、第２のλ／４波長板６ａにより直線偏光に戻された後、偏光ビームスプリッタ７ａを透過して光位置検出手段８の受光面に入射される。光位置検出手段８は、受光面上での反射光の受光位置に応じて測定対象１１（１２）の変位量に対応した変位信号を出力する。
測定対象１１（１２）の反射光が近隣の測定対象１２（１１）で２次反射して第２のλ／４波長板６ａ方向に反射されても、この迷光成分３３は逆の回転方向を有する円偏光状態であり、偏光ビームスプリッタ７ａを透過せず、屈曲され光位置検出手段８に入射されず、測定精度を悪化させない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の変位測定装置を示す概要図である。従来技術で説明した箇所には同一符号を附してある。
光源（レーザ）１からの放射光軸上には、コリメータレンズ２、円偏光手段３、投光レンズ４が設けられる。
測定対象１１からの反射光軸上には、結像レンズ５、直線偏光手段６、透過偏光手段７、光位置検出手段８が設けられる。これら放射光と反射光は、所定の角度θを有している。これら光軸上には、光の偏光方向を記載した。
【００１６】
レーザ１は、所定の偏光成分を有する（直線偏光）の光を放射する。コリメータレンズ２は、この放射された光を平行光にする。円偏光手段３は、この光を円偏光にするλ／４波長板が用いられる。投光レンズ４は、この光を測定対象１１上で光スポットをつくる。
【００１７】
結像レンズ５は、測定対象１１からの反射光が光位置検出手段８上で光スポットをつくるよう結像させる。直線偏光手段６は、円偏光の反射光を直線偏光にするλ／４波長板が用いられる。この直線偏光手段６で用いられるλ／４波長板は、円偏光手段３のものと同一構成のものを用い、光軸設定の向きを異ならせて配置している。
具体的には、円偏光手段３と直線偏光手段６とでは、λ／４波長板の光学軸を９０°変えて配置している。
【００１８】
透過偏光手段７は、直線偏光とされた反射光のうち、所定の偏光方向の光のみ透過させ、異なる偏光方向の光（例えば９０度異なる偏光方向の光）を屈曲させる偏光ビームスプリッタが用いられる。
光位置検出手段８は、反射光を受光する受光面の位置に応じた検出信号を出力するポジションセンサが用いられる。
【００１９】
上記構成によれば、レーザから放射された光は測定対象１１にあたり、光位置検出手段８の受光面上の所定箇所に点状の光スポットをつくる。この光スポットは、測定対象１１の変位量（例えば高さ）に対応した位置となり、光位置検出手段８は、この光スポットの位置に対応した変位信号を出力する。
【００２０】
図示しない制御手段は、この光位置検出手段８の変位信号に基づき、測定対象１１の変位量（例えば高さ）を演算出力する。また、変位測定装置に対し測定対象１１を相対的に水平移動させる制御を行うことにより、測定対象１１の変位量を該移動方向に沿って連続的に測定して、測定対象１１の表面形状や断面形状を算出することもできる。
【００２１】
例えば、上記測定対象１１は、ＬＳＩ等の半導体パッケージの端子であり、この端子の状態（コプラナリティ）を測定することができる。
これにより、ＢＧＡなど光沢のある金属面（半田ボール）の各高さや、複数の半田ボールの高さのバラツキ、半田ボールの欠落、及び余分な半田ボールの検出等を行うことができる。
【００２２】
この際、λ／４波長板３は、放射の光軸３１上の光を円偏光させ所定の回転方向を有して測定対象１１にあてる。対応して測定対象１１からの反射の光軸３２は、円偏光が同様の回転方向を有してλ／４波長板６に入射される。λ／４波長板６で直線偏光に戻され前記所定の偏光角度を有して偏光ビームスプリッタ７を透過し、光位置検出手段８に達する。
【００２３】
ここで、測定対象１１が図示したように、ＢＧＡ等の狭ピッチで配置され、測定対象１２により２次反射が生じた場合を説明する。
この場合、従来同様に、光沢のある球状の測定対象１１にあてられた光が、上記反射の光軸３２に加えて、近隣の測定対象１２方向に反射したとする（図中点線で記載）。
この反射光（迷光成分３３と称する）は、この測定対象１２で反射して反射の光軸３２と同方向に進行し偏光ビームスプリッタ７に入射されることになる。
【００２４】
この迷光成分３３は、測定対象１２での反射（即ち、通常時に比して１回分余計な反射：２次反射）であり、円偏光の回転方向が上記反射の光軸３２とは逆向きとなる。
したがって、λ／４波長板６は、この迷光成分３３は、直線偏光の偏光方向が異なる方向に偏光させる。偏光ビームスプリッタ７は、この異なる偏光方向を有する迷光成分３３を透過させず、屈曲した角度方向（反射の光軸３２と９０度直交する方向）に出射させる。これにより、迷光成分３３の光が光位置検出手段８に入射することを防止できる。
なお、偏光ビームスプリッタ７における迷光成分３３の屈曲方向上には、光吸収体１５を配置させる等してこの迷光成分３３を吸収させて不要な反射を防止する構成が望ましい。
【００２５】
上記のように、狭ピッチで配列されて２次反射を生じやすい形状の測定対象１１であっても、この２次反射を要因とする測定誤差を生じることがなく、測定精度を高精度化させることができる。なお、ＢＧＡに限らず、ＩＣリードの曲がりの測定や、プリント配線基板上に狭ピッチで形成されたランド上に印刷されたクリーム半田やそのリフロー後の半田形状測定等の、２次反射を生じやすい形状の測定対象を測定する場合においても同様の作用効果を得ることができる。
【００２６】
図２は、上記第１実施形態の構成の変形例を示す図である。
上記の偏光ビームスプリッタ７に代えて、偏光板７ａを用いる構成としてもよい。この構成の場合、偏光板７ａは、直線偏光に戻された所定の偏光方向の反射の光軸３２のみを透過させ、偏光方向の異なる迷光成分３３を透過しない。
【００２７】
図３は、上記の偏光ビームスプリッタ７に代えて、偏光ミラー７ｂを用いた構成を示す図である。この偏光ミラー７ｂを用いた場合、反射の光軸３２と、迷光成分３２の透過、屈曲の関係が上記偏光ビームスプリッタ７の場合と逆になるため、対応して反射の光軸３２側に光位置検出手段８を配置すればよい。
【００２８】
上記構成の変位測定装置は、変位測定装置と測定対象１１を相対的に移動させ（例えば測定対象１１側を図中矢印Ａ方向に移動）させることにより、この移動方向に沿って測定対象１１の変位量を連続的に測定する構成となっている。
次に、図４に示す変位測定装置は、本発明の第２実施形態であり、測定対象１１に放射する光を走査する走査型の構成である。測定対象１１は固定配置される。
【００２９】
レーザ１からの光軸３１上には、λ／４波長板３、偏向手段２２が配置される。偏向手段２２は、回転ミラー型や振動ミラー型などが用いられ、光軸を図中矢印Ｂ方向に偏向（走査）させる。レンズ２３は、走査された光を測定対象１１に対し同一平面内でそれぞれ平行となるように所定範囲（例えば３０ｍｍ）で照射する。
【００３０】
測定対象１１からの反射の光軸３２上には、レンズアレイ２５、λ／４波長板６ａ、偏光ビームスプリッタ７ｃ、結像レンズ２６、光位置検出手段８が設けられる。
レンズアレイ２５は、反射の光軸３２の走査幅に対応する長さを有し、平行光としてλ／４波長板６ａに出射する。
λ／４波長板６ａ及び偏光ビームスプリッタ７ｃについても、反射の光軸３２の走査幅に対応する長さを有するものが用いられる。
【００３１】
偏光ビームスプリッタ７ｃは、反射の光軸３２を透過して結像レンズ２６に出射し、迷光成分３３を屈曲して出射する。
これにより、光位置検出手段８の受光面には、結像レンズ２６で集束された反射の光軸３２のみの光スポットが形成される。
【００３２】
このように、走査型の変位測定装置においても、同様に２次反射の影響を防止して高精度な変位測定が可能となる。このような光軸の走査型によれば、第１実施形態のものに比して変位測定を高速に行えるようになる。
【００３３】
上記第２実施形態の構成においても、偏光ビームスプリッタ７ｃに代えて同様に走査幅に対応した長さを有する偏光板や偏光ミラーを用いる構成とすることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の変位測定装置によれば、狭ピッチで固定配置された球状の測定対象に光を走査して照射し、測定対象からの反射光により測定対象の変位量を走査方向に沿って連続的に非接触で検出する場合、測定対象の形状等によって近隣で反射した光が反射光軸側に反射しても、光位置検出手段に入射させず除去することができ、狭ピッチの測定対象を高精度に高速測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変位測定装置の第１実施の形態を示す概要図。
【図２】図１の構成の変形例を示す図。
【図３】図１の構成の変形例を示す図。
【図４】第２実施形態である走査型の変位測定装置を示す概要図。
【図５】従来の変位測定装置を示す概要図。
【符号の説明】
１…レーザ、２…コリメータレンズ、３，６，６ａ…λ／４波長板、４…投光レンズ、５，２６…結像レンズ、７，７ｃ…偏光ビームスプリッタ、７ａ…偏光板、７ｂ…偏光ミラー、８…光位置検出手段、１１，１２…測定対象、２２…偏向手段、２３…レンズ、２５…レンズアレイ、３１…照射光軸、３２…反射光軸、３３…迷光成分。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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