(57)【要約】レンズ（１８）および少なくとも２つの検出装置（２２ａ；２２ｂ）を使用する三次元対象物の三次元の空間寸法を測定するためのシステム（１０）。その組合わせは２つまたはそれ以上の対象物面（１４）を形成する。レンズと検出装置の組合わせは、対象物面に対して垂直でレンズの焦点を通る光学軸（１６）を形成する。少なくとも第１の光検出装置（２２ａ）および第２の光検出装置（２２ｂ）は、レンズを通して対象物と光学的に整合している。第１および第２の光検出装置または検出装置のアレイは、さらに上記表面に対して平行であるが、この表面に対して異なる高さを有する。さらに、第１および第２の光検出装置は、対象物に対して移動することができる。第１および第２の光検出装置からの電気出力は、プロセッサ（３０）に供給され、プロセッサは、レンズから対象物の距離を測定し、それにより対象物の高さを測定する。このシステムは、ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）電子パッケージの表面に装着された半田ボールの空間寸法を測定するのに特に適している。
2005504305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元対象物（１２；２８）の空間的寸法を測定するためのシステム（１０）であって、
前記対象物を照射するための光源（１７）と、
レンズ（１８）およびセンサ（２０）とを備え、これらで光学軸（１６）を画成し、前記センサが少なくとも第１の光検出装置（２２ａ）および第２の光検出装置（２２ｂ）とを含み、
測定対象の前記対象物が前記光学軸にほぼ垂直な対象物面（１４）と整合し、前記第１の光検出装置が前記レンズから第１の距離だけ離れていて、前記第２の光検出装置が前記レンズから第２の距離だけ離れていて、前記第１の距離が前記第２の距離より長く、その結果、前記第１の光検出装置が、前記レンズからある距離で、前記レンズの前記焦点距離により決まる前記対象物面内に一点を最善の焦点で画像形成し、前記第２の光検出装置が、この場合も前記レンズの焦点距離で決まる、前記レンズから前記対象物面内のもう１つの点を最善の焦点で画像形成し、
別々の電気出力が、前記第１の光検出装置および前記第２の光検出装置により発生し、前記別々の電気出力の強さが前記レンズが前記対象物から収集した光に比例し、
さらに少なくとも前記第１および第２の光検出装置のコントラストを比較することにより、前記レンズから前記対象物上の一点までの前記光学軸沿いの距離を測定するために、少なくとも前記第１および第２の光検出装置からの前記別々の電気出力を効果的に捕捉し記憶する電子処理モジュール（３０）と含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記対象物を前記センサにより走査することができ、それにより、前記対象物の異なるエリアが前記センサの視野内に位置することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記対象物および前記センサの中の少なくとも一方が、他方に対して移動することができることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記移動が、前記少なくとも第１および第２の光検出装置によるデータ収集を周期的にトリガし、それにより前記第１の光検出装置および時間的に遅れて前記第２の光検出装置が、前記対象物の同じ点についてのデータを収集することを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記センサが長方形のアレイの形に配置されている複数の光検出装置を含み、光検出装置の前記長方形のアレイが、前記光学軸に対してある角度（β）傾いているアレイ面（２５）を形成することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記電子プロセッサが電子コンピュータ（４２）に対してバッファ（４４）として機能し、前記コンピュータが移動制御、センサ画像収集、トリガ動作および画像分析の中の１つまたはそれ以上を管理することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記バッファが、前記センサからの前記電子信号をグレイ・スケール値（４５）に変換し、その後で前記グレイ・スケール値が高さの測定値（４６）に変換されることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
三次元対象物（１２；２８）の空間的寸法を測定するためのシステム（１０）であって、
高度の色収差を有するレンズ（１８）および前記対象物の対象物面（１４）に垂直であり、前記レンズの焦点を通る光学軸（１６）を画成するセンサ（２０）を含み、
前記センサが、前記レンズを通してまた前記レンズと前記センサとの間に位置する前記回折格子（８０）により、前記対象物と光学的に整合している少なくとも第１の光検出装置（２２ａ）と第２の光検出装置（２２ｂ）を含み、それにより、前記回折格子は前記レンズが前記対象物から収集した光（７６；７８）の異なる波長が、前記センサ上の異なる光検出装置へ向い、さらに前記レンズの高度の縦方向の色収差のために、光の異なる波長が、前記レンズからの異なる距離で前記対象物面内に最善の焦点を結び、
前記各光検出装置からの電気出力が、前記レンズからの前記対象物の距離を測定し、それにより前記対象物の高さを測定するプロセッサに送られることを特徴とするシステム。
【請求項９】
前記レンズが、被写体深度を浅くするために少なくとも０．１の開口数を有することを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記対象物が、前記センサに対して移動することができることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記移動が、前記対象物を三次元で表示するために前記センサのデータ収集を周期的にトリガすることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記プロセッサが電子コンピュータ（４２）に対してバッファ（４４）として機能し、前記電子コンピュータ（４２）が移動制御、センサ画像収集、トリガ動作および画像分析の中の１つまたはそれ以上を管理することを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記電子処理バッファが、前記センサからの前記電子信号をグレイ・スケール値（４５）に変換し、その後で前記グレイ・スケール値が高さの測定値（４６）に変換されることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記バッファが前記光検出装置のコントラストの比較により、前記公称対象物面に対する前記対象物上の点のＺ軸高さ位置を測定するアルゴリズムを含むことを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記電子コンピュータが、前記対象物を記憶している品質規格に適合すべく、前記対象物の三次元表示を生成することを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の空間的寸法を測定するための光学システムに関し、特に光学システムの画像面に対してある角度を持つセンサに関する。画像面内のセンサの種々のエリアは、若干異なる高さに焦点を結ぶ。どの線形走査が最善の焦点を結んでいるのかを決定するために電子処理が使用される。最善の焦点データから、基板面に対する対象物の高さ、および他の対象物に対するその対象物の同一平面性の両方を迅速に測定することができる。
【背景技術】
【０００２】
１つまたはそれ以上の半導体マイクロエレクトロニクス・デバイスを収容するための半導体パッケージは、外部ソースからデバイスへ電気信号を送信する機能を含む。リード・フレームは、電気信号を送信するために広く使用されているが、リード・フレームは、上記デバイスをサポートするために必要なプリント基板上のエリアを延びる半導体パッケージ周辺を越えて延びる。多くの場合、空間を考慮に入れなければならないので、リードのない半導体パッケージも開発されてきた。このようなリードを持たない半導体パッケージの中の１つは、ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）パッケージと呼ばれる。
【０００３】
ＢＧＡパッケージにおいては、半田ボールが、半導体基板またはカバー上に形成されているボンド・パッドに装着される。導電性バイアがボンド・パッドから半導体パッケージ内部の導電性サイトに延びている。導電性サイトは、例えば、直径の細いボンド・ワイヤを通して、１つまたはそれ以上のマイクロエレクトロニクス・デバイスに電気的相互接続している。結果として得られる構造体は、マイクロエレクトロニクス・デバイスから半田ボールへの電気的な接続を行う。
【０００４】
半導体パッケージをプリント基板に接続する場合には、半導体パッケージおよび基板が半田ボールを十分に溶融する温度に加熱され、プリント基板の表面に形成されているボンド・パッドと融合する。半田ボールは、直径０．０４０インチ程度の比較的小さいもので、０．０８０インチの半田ボール・ピッチで通常の半田ボールと相互に狭い間隔で分離している。
【０００５】
溶融段階中、隣接する半田ボールは相互に接触してはならない。接触するとショートしてしまう。さらに、各半田ボールは、プリント基板上の対応するボンド・パッドに接触しなければならない。さもないと回路が形成されない。これらの欠点をなくすためには、半田ボールのサイズ（半田量）および半田ボールの同一平面性（半田ボールの直径）を厳しく管理しなければならない。
【０００６】
溶融の前の品質管理機能としてＢＧＡパッケージ内の半田ボールを測定するために、現在多くの光学システムが使用されている。これらのシステムは、通常、各半田ボールを測定するためにかなりの時間を必要とし、１つのＢＧＡパッケージを測定するのに最大１秒程度掛かる。メーカーは、検査時間を短縮する一方で、半田ボールの特徴を知る方法を探している。
【０００７】
現在使用されている半田ボール検査システムの中には、２つの別々のビデオ・カメラの画像を比較することにより、ＢＧＡの特徴を測定するシステムがある。人間の目が、両眼の間の僅かな物理的なズレに基づいて奥行きを知覚するように、これらのシステムは、各カメラの２つの画像の間の違いを比較することにより、各突起の高さを測定するために同じ視差のコンセプトを使用する。メーカーは、測定対象の各部分につき０．２５０から１秒の検査処理能力による、各ボールの同一平面性および直径に対して１０〜１２ミクロンの精度を要求している。上記測定対象の部分は使用中、検査カメラの前面で停止しなければならない。
【０００８】
もう１つの検査システムは、高速モアレ（Ｆａｓｔ  Ｍｏｉｒｅ）干渉計を使用している。明るい部分と暗い部分の濃いパターンを半田ボールに投影して、ビデオ・カメラが対象物の画像を撮影する。パターンは物理的に若干シフトしていて、ビデオ・カメラはその測定対象部分の第２の画像を入手する。これを１回または複数回行うことができ、システムは種々の画像を記録する。一連の長方形のように、パターンがかなりきちんと配置されている場合には、これら長方形が半田ボールの球形を横切る場合に、システムは半田ボールの位置および形状を測定することができる。投影されたパターンを所与の量だけシフトし、画像の変化を再度チェックすることにより、システムは半田ボールの高さそして最終的には同一平面性を測定することができる。メーカーは、視差コンセプトをベースとするシステムと比較した場合、このシステムが若干速度が速く若干正確なことが要求される。
【０００９】
さらにもう１つの測定システムは、ある部分にレーザ光線の細いラインを投影することにより、半田突起のような対象物の三次元形状を測定する。ビデオ・カメラは、レーザ光線のラインの画像を撮影する。平らな対象物の場合には、レーザ・ラインの画像は単に１本の線である。半田突起が導入されると、レーザ・ラインは、突起のサイズに比例して湾曲するように見える。このシステムの測定速度は、ビデオ・カメラの撮影速度により制限される。
【００１０】
現在使用されている突起の高さを測定するための他の方法としては、顕微鏡自動焦点およびレーザ点三角測量がある。これらの方法は、上記方法と比較するとかなり遅く、インライン１００％のパッケージ検査用に使用されているとは考えられない。
【００１１】
Ｓｉｒａｔ他の米国特許第６，１３４，０１３号は、構成部材の表面上に突き出ている部材の三次元構造を正確に測定するために視準した光を使用する、電子構成部材のような三次元構造体を検査するための方法および装置を開示している。視準された光は表面を照射し、検出装置面内の光学検出装置のアレイを使用して、構造体が反射したまたは散乱した光の立体鏡分析、ホログラフィ分析、モアレ分析またはコノスコピック分析（ｃｏｎｏｓｃｏｐｉｃ  ａｎａｌｙｓｉｓ）により、表面上の球形または他の三次元構造体が分析される。
【００１２】
Ｈａｌｌｅｒｍａｎ他の米国特許第６，１４４，４５３号は、物品に対して斜めの角度で物品上に光のパターンを投影することにより、ＢＧＡデバイスのような鏡面を持つ物品に関する三次元情報を入手するために使用する三次元検査システムを開示している。このシステムは、検査中の物品に対して斜めの角度で位置する光学軸を持つパターン形成された光の投影装置、および物品上に投影されたパターンの画像を検出するために、通常、検査中の物品上に位置する画像検出装置またはカメラを含む。パターン形成された光の投影装置は、光学軸に沿って光を照射する長い光源と、光のパターンが物品の面に平行な画像面内に焦点を結び、それにより（歪みを防止し、フィルム面、サブジェクト面およびレンズ面が１本のラインに沿って収束するような）Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件を満足するように、光学軸に対してある角度で配置されている光パターン形成部材を含む。光のパターンは、好適には、ほぼ等しい厚さおよび間隔で物品上に投影された光のラインを含むことが好ましい。ラインの間隔は、好適には、鏡面素子の間隔またはピッチより広いことが好ましい。画像プロセッサは、画像を受信し、ラインの位置を知り、ラインの横へのシフトを測定するために画像検出装置に結合している。高さ情報は、三角測量により横へのシフトおよび投影角から決定される。
【００１３】
Ｆｒｅｉｆｅｌｄの米国特許第６，１６０，９１０号は、ビデオ画像から入手した情報が、品質管理および他の用途用の対象物の正確な測定を行うのに十分であるように、十分な精度で対象物のビデオ画像を捕捉するのに効果がある高精度カメラを開示している。このカメラは、機械的走査システム内で遷移および定常状態の機械的許容度に影響をほとんど受けない位置コード化技術を使用する。
【００１４】
上記方法は産業界で十分役に立ってきたが、改善の余地がある。視差システムおよびモアレ・システムは、その測定対象部分を少なくとも０．２秒間カメラの前でストップしなければならない。産業界は、できれば測定対象部分が停止する必要がないセンサを必要としている。さらに、これらの方法は、ボールの全周の高さを表示するものでなく、ボールの頂部の表面および１つの側面の一部の特徴を示すにすぎない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、本発明の１つの目的は、三次元対象物の高さおよび表面形状の特徴を示す検査システムを提供することである。本発明のもう１つの目的は、検査を本質的に動的に行うことである。すなわち、検査中、カメラの前で測定対象部分をストップしないこと、またはストップするにしてもストップ時間を最低限度まで短くすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の１つの特徴は、一実施形態の場合、検査システムが、レンズの画像面に近い光学軸内の異なる高さのところに位置する複数の検出装置を使用することである。コンピュータ・システムは、各検出装置からデータを受信し、あるピクセルと種々の高さのその周囲とのコントラストの比較に基づいて、対象物とレンズとの間の距離を測定する。コントラストが最大のところで、通常、対象物の焦点がもっともよく合っていることが分かっている。
【００１７】
本発明のシステムの１つの利点は、半導体パッケージから突き出ている半田の突起のような三次元対象物を、現在の技術よりももっと正確に、もっと完全に、もっと高速で測定できることである。本発明のもう１つの利点は、この検査システムの場合には、検査カメラの前で測定対象部分をストップする必要がなく、対象物は、単に移動しながら検査カメラを通過するだけですむことである。
【００１８】
本発明の第１の実施形態の場合には、レンズおよびセンサを使用する三次元対象物の空間の寸法を測定するためのシステムを供給する。このセンサは少なくとも２つの検出装置からなる。レンズとセンサとの組合わせは、対象面に垂直であり、レンズの焦点を通る光学軸を与える。少なくとも第１および第２の光検出装置または検出装置のアレイは、レンズを通して対象物と光学的に整合している。第１および第２の光検出装置または検出装置のアレイは、さらに、対象面に平行であるが、対象面に対して異なる高さを持つ。さらに、第１および第２の光検出装置は、対象物に対して移動することができる。第１および第２の光検出装置からの電気出力は、プロセッサに送られ、プロセッサはレンズからの対象物の距離を測定し、それにより対象物の高さを測定する。本発明のさらにもう１つの利点は、Ｘ、ＹおよびＺ座標情報およびグレイ・スケール情報が同時にプロセッサに送信されることである。
【００１９】
本発明の第２の実施形態の場合には、光のパターンおよび暗いフィーチャが対象物上に投影される。この投影により、対象物が粒状の外観となり焦点アルゴリズムを助ける。背面照明レチクルにより、明るいエリアと暗いエリアのグリッドを投影することにより、もう１つの改善を行うことができる。
【００２０】
本発明の第３の実施形態の場合には、投影レンズ内に色収差が導入される。
【００２１】
本明細書を読み、図面を見れば、上記目的、特徴および利点をよりよく理解することができるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ＢＧＡパッケージ上の半田ボールにより本発明の測定システムについて説明するが、この測定システムは、同様に、他の三次元対象物の高さおよび形状を測定するのにも適している。従って、本発明はＢＧＡ半田ボールの測定に限定されない。
【００２３】
図１は、対象物の面１４から突き出ている三次元対象物１２の大きさおよび直径のような空間的特性を測定するためのシステム１０の略図である。図１の場合には、対象物１２は半田ボールであり、対象物面１４はマイクロエレクトロニクス・パッケージのような基板１９の表面１５である。しかし、任意の表面上に装着されている他の対象物も測定することができる。対象物面１４および対象物１２には、光ファイバ・パネルまたは蛍光灯光源のような任意の適当な光源１７により光が照射される。好適には、光源は光学軸１６に対して１０度〜１７０度の範囲内のある角度αで傾斜していて、適当に照射することができることが好ましい。
【００２４】
対象物面１４は、レンズ１８とセンサ２０との組合わせが形成する光学軸１６に対して、ほぼ垂直（９０度±１度）に位置する。以下に説明するように、対象物面１４とセンサ２０との間には相対的な動きがある。レンズ１８は、かなり浅い被写体深度を持つ任意の高品質の光学レンズである。この被写体深度は、本発明の深度測定解像度に直接影響を与える。０．４の開口数を持つレンズは、約６ミクロンの被写体深度を供給する。何故なら、被写体深度は、通常、開口数の平方の逆数に比例するからである。開口数は、正弦１／２レンズ視野角度であると定義される。高開口数レンズを使用することにより、システムの光学系の被写体深度は非常に浅くなる。その結果、システムの焦点をある対象物上に結んだ場合には、若干高いか低い他の対象物はぼやける。好適には、開口数は少なくとも０．１であることが好ましい。
【００２５】
センサ２０は少なくとも２つの検出装置２２を含む。図１の例示としてのセンサは、３６個の検出装置を含む。検出装置２２ａ．．．．２２ｆの各行は、線形アレイ・ラインに沿って整合している。好適には、長方形アレイ内に、５０〜１００の範囲内またはそれ以上の線形アレイ・ラインが存在することが好ましい。各線形アレイは、好適には光検出装置のピクセルであることが好ましい、複数の検出装置から形成することが好ましい。一実施形態の場合には、正方形グリッドではないＣＣＤアレイを使用することができる。１本の線形アレイ・ライン２４当たりの検出装置２２の数は変えることができ、検出装置の数が多くなると解像度が向上する。好適には、線形アレイ当たりの検出装置の数は１０２４個より多いことが好ましく、一例を挙げると、４０９６個にすることができる。
【００２６】
検出装置が対象物１２から反射した光で照射されると、検出装置は光を受光し電気信号を発生する。この電気信号は画像処理電子回路により、通常、８ビット・デジタルコード化の場合には、０〜２５５の範囲内であるグレイ・スケール値に変換される。
【００２７】
センサ２０は、各線形アレイ・ライン２４が対象物面に対しては平行であるが、各線形アレイ・ライン２４、２４’、２４”とレンズ１８との間の距離がそれぞれ異なるように、アレイ面を形成している長方形のアレイが光学軸に対して角度βを持つように配置している。この角度βは、１〜８９度、好適には、３０〜６０度の範囲内の任意の角度とすることができるが、最も好適には約４５度であることが好ましい。システム１０は、各線形アレイ・ライン２４、２４’、２４”が確実にレンズ１８を通して対象物１２を妨害されずに見ることができるように設計されている。さらに、センサ２０は、対象物１２が線形アレイ・ライン２４上の検出装置２２ａ．．．２２ｆの中の少なくとも１つに対して焦点を結ぶように、レンズの光学的画像面の近くに位置する。
【００２８】
線形アレイ・ライン２４、２４’、２４”を含むセンサ２０は、光学系の画像面内に平らに設置されていない。平らに設置される代わりに、各検出装置の線形アレイ・ラインが、異なる画像面の位置のところに位置するように傾斜して設置されている。好適には、検出装置の中央ラインであることが好ましい、例えば、２４”のような検出装置の１本のラインは、公称画像面位置に位置していて、そのため、ラインのほぼ半分は公称画像面の前面に位置していて、ラインの半分はそれに対応して公称画像面の背後に位置している。中央ラインから離れれば離れるほど特定のラインは、公称画像面の位置から遠くなる。
【００２９】
好適な実施形態の場合には、センサ２０は、ピクセル検出装置の一連の線形アレイから形成されていて、この場合、各線形アレイは、個々のライン走査カメラとして機能する例えば、カナダのワーテルロー在所のＤａｌｓａ製ものがある。上記の従来技術の方法が使用するエリア・カメラと比較した場合、画像収集速度がより速く、解像度がより高いので、一連の線形アレイ・カメラを使用することが好ましい。本発明によれば、一連の線形アレイ検出装置は、視覚的画像の各ピクセルの深度測定値を含む画像を入手する。
【００３０】
本発明は、光学システム１０が、低いｆ／＃と、それに対応する非常に浅い被写体深度を持っているという事実を利用する。検出装置の１本ラインを含むのではなく、センサ２０は、それぞれが移動する部分の画像を走査する、例えば１００本のラインのような多くの隣接するラインを使用する。Ｄａｌｓａ社製のような時間遅延統合（ＴＤＩ）ライン走査カメラにおいては、エンコーダ信号トリガが、各ラインの連続的読出しを同期させるので、測定対象部分の同じエリアは、トリガ信号が供給された場合、連続している各ラインの下に位置する。トリガ信号は、対象物、センサまたはステージの運動により駆動することができる。別な方法としては、線形アレイ画像捕捉タイミングを制御し、同時に同期走査のために適当な速度で走査機構を駆動するように、運動制御電子回路に指示する独立クロックにより、トリガ信号を駆動することができる。
【００３１】
センサ内のピクセルの各線形アレイは、それ自身の独立画像を生成していると考えることができる。このような傾斜センサが、低ｆ／＃レンズと結合している場合には、レンズ１８の画像空間内の各線形アレイ・ラインは、対象物空間内に最善の焦点の対応する位置を持つ。このような配置を平らな対象物を走査するために使用した場合には、この対象物の個々の走査を各線形アレイ・ラインでおこなうことができる。合成画像の中の１つは、最善の焦点および最善の鮮明度で現れる。光学システムのｆ／＃が低減すると、最善の焦点の画像と他の画像との間の違いが、自動焦点技術によるグレイ・スケール内でより鮮明になる。グレイ・スケール焦点技術は、機械視覚産業においては周知のものである。これらの技術は、画像の焦点が最善である場合には、画像の焦点が合っていない場合と比較すると、通常、隣接するピクセル間のコントラストの度合いがより鮮明になるという事実を利用している。
【００３２】
多数の対象物１２がアレイ内に置かれ、次に、検出装置に対して移動し、システム１０により走査され、すべての対象物が同じ高さである場合には、すべての対象物の頂部はすべて画像面の中の１つに最善の焦点で現れる。ある対象物２８が、他の対象物１２の高さと異なっている場合には、対応して異なるラインが生成した異なる画像面の対象物２８の焦点が最善になる。他の対象物に対して最善の焦点を結んだラインからのこのラインの距離は、高さの違いを表す物理的距離に対応する。
【００３３】
補間技術により、システム１０は、線形アレイの各行間の光学軸に沿った距離の何分の一以内で最善の焦点に対応する対象物の高さを測定することができる。達成する妥当な値は、線形アレイ・ラインの１／５である。これにより、１００の線形アレイ・ラインを含むシステムは、１／５００に等しい精度を持つ。５００ミクロンの走査範囲の場合には、システムは１ミクロンの精度を持ち、大部分のシステムの現在の１０ミクロンを超える精度に有意に改善する。
【００３４】
速いライン速度で操作した場合、センサ２０は、巨大な量のデータを発生し、恐らく関連するプロセッサの能力では処理できなくなる。すべてのデータを処理するのにかなりの時間が掛り、システムの処理能力が低下する。処理能力を強化するために、システム１０は、最終分析のためにホスト・コンピュータに移送中のデータの量を減らすために、専用電子処理モジュール３０を含むことができる。
【００３５】
図２は、対象物の高さを測定するために、グレイ・スケール値に変換される、センサ２０の各検出装置２２が発生した数値を管理するバッファの使用方法を示す。４０９６個の検出装置（検出装置はピクセルと呼ぶ場合もある）を含む１００個の線形アレイの例示としてのアレイは、各検出装置２２について数値が発生される。これらの数値は、電子的にバッファ４４に移送され、これらの数値は高さの測定値４６に変換することができる、０〜２５５の範囲内のグレイ・スケール値４５に変換される。
【００３６】
測定対象部分がカメラの下を移動する場合に、隣接するライン内の各ピクセルが時間的に同期して、その部分の同じセクションをチェックするＴＤＩカメラのように、本発明は、それぞれが異なる高さで隣接する各ラインから１つの値で、例えば、１００の線形アレイ・ライン値を収集し、これらの値をバッファに送る。バッファは、これら１００の値からそのピクセルに対する理想的な焦点位置を選択する集積回路上で実行する分析アルゴリズムを供給する。
【００３７】
図１に戻って説明すると、処理モジュール３０からのデータは、任意の有効な形で使用することができる。第１の実施形態の場合には、走査した画像内の各ピクセル２２に対して、電子処理モジュール３０は、最善の焦点を結ぶライン２４、２４’、２４”を識別する１つの値を返送することができる。もっと高い精度の場合には、処理モジュール３０は、２つの隣接するラインにより識別された値の間に含まれる、もっと高い精度に補間される１つの値を返送することができる。この最善の焦点値は部分上の実際の高さに対して校正することができる。第２の実施形態の場合には、最善の焦点の時点で、そのラインの実際のグレイ・スケール値を、大型のフォーマットのビデオ画像を生成するために返送することができる。長さが４０９６ピクセルの線形アレイを使用する場合には、システムは、ボールの直径および設置のようなものを測定するための１０２４×１０２４エリア・カメラの場合と比較すると、４倍の解像度と精度で画像を返送することができる。
【００３８】
対象物１２、２８を横切っての線形アレイ・ライン２４の走査は、任意の効果的な手段で行うことができる。例えば、対象物１２またはセンサ２０を物理的に移動することができる。一実施形態の場合には、基板１９によりサポートされている対象物１２は、並進を行うステージ２９上に装着されている。別な方法としては、実際に物理的な移動を行わないで、線形アレイ・ライン２４を横切って、対象物１２の画像を走査するためにミラーを使用することができる。
【００３９】
物理的移動は、光学軸に直角な少なくとも１本の運動軸を持つ並進ステージ２９により行うことができる。対象物１２またはセンサ２０は、並進ステージ上に装着することができる。
【００４０】
処理モジュール３０に関連するクロックを、各時間間隔毎に、線形アレイ列２５内の検出装置がチェックした対象物１２の同じエリアを、同じ列内の他の検出装置がチェックするように、対象物１２の移動と同期して線形アレイ・ライン２４の取得をトリガするために使用することができる。別な方法としては、エンコーダを、各時間間隔毎に、ある検出装置がチェックした対象物１２の同じエリアを、同じ列内の他の検出装置がチェックするように、対象物１２の移動と同期して検出装置２２の取得をトリガするために、機械的運動生成装置と関連づけることができる。
【００４１】
図３は、本発明の測定システムの動作の略図である。半田ボール１２および２８は、それぞれ対象物面１４、１４’を持ち、表面１５によりサポートされ、光源１７により照射される。センサ２０は線形アレイの列２５内に整合している複数の検出装置２２ａ．．．２２ｆを含む。各検出装置アレイ・ラインは、対象物面内の異なる高さで、次いで、表面１５から対応する異なる距離のところに最善の焦点で画像を形成する。特定の線形アレイ上の最善の焦点内にそれを運ぶ走査中に、それがある点に位置している場合に、半田ボールの頂部から最大のコントラストが入手される。この特定のアレイは、対象物空間内の焦点のある点と対応していて、半田ボール２８の頂部の高さを、基板１５のような他の対象物の高さに対して知ることができる。反射光の輝度に比例するグレイ・スケール値は、コントラストに基づいてグレイ・スケール値および高さを考慮する、処理モジュール３０に電子的に送信される。次に、各検出装置のＸ、ＹおよびＺ座標のデータおよびグレイ・スケール・データが、コンピュータ４２に送信される。コンピュータ４２は、最大のコントラストを高さに対応するようにプログラムされていて、半田ボールの高さの測定値を供給する。コンピュータは、また、通常、運動制御、センサ画像取得、トリガ動作および画像分析の中の１つまたはそれ以上を管理する。
【００４２】
半田ボールの側面も検出装置に光の一部を反射するが、その輝度は半田ボールの頂部からの輝度より低い。輝度の違いおよびコントラストの違いに基づいて、コンピュータ４２は、半田ボールの直径および形状の両方を計算することができる。直径および高さから半田の量を計算することができる。
【００４３】
図４は、本発明の他の実施形態によるセンサ３２である。線形アレイ・ライン３４は、相互に直接隣接しているのではなく、相互にある間隔で分離している。同様に、空間３６を隣接する検出装置素子３８間に設けることができる。空間３６は非光活性領域である。センサ３２は、工場内でこの方法でセンサを作ることにより、またはセンサの選択した部分の上にマスクを置くことにより形成することができる。センサ全体の大きさに対してセンサ検出装置の大きさを基本的に少なくするには、カメラの感度が増大することである。好適には、検出装置の能動領域を、レンズのボケ点の大きさより小さくすることが好ましい。ボケ点の大きさは、（０．６λ／Ｎ．Ａ．）で定義される。この場合、λは投影された光の波長として、Ｎ．Ａ．は開口数として定義される。
【００４４】
このような装置の実際の例として、それぞれが、１４×１４ミクロンの大きさの４０９６の正方形のピクセルを含む、１００本のラインからなるセンサにより画像形成される、３０ｍｍ平方のＢＧＡパッケージについて考えてみよう。このようなシステムの倍率は約２倍である。このことは、視野内のピクセルの大きさが７×７ミクロンであることを意味する。マスクを置くとセンサ上のピクセルの大きさが、例えば５×５ミクロンに小さくなり、２．５×２．５ミクロンの視野内にピクセルが形成される。この大きさのピクセルは、高さの測定の精度に対して感度が高い。
【００４５】
本発明の大部分の実施形態の場合には、対象物はニューハンプシャ州のＮｏｒｔｈ  Ｅａｓｔ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ社が販売しているＣｌｏｕｄｙ  Ｄａｙ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ（ＣＤＩ）のような均質拡散光により照射される。別な方法としては、明るいフィーチャおよび暗いフィーチャのパターンを対象物上に投影することができる。これらフィーチャの大きさは、対象物の大きさにより決まり、フィーチャの大きさは視野内の検出装置の大きさと等しくなるように選択される。投影されたフィーチャにより対象物は粒状になり、焦点アルゴリズムを助ける。光学経路内のビーム・スプリッタは、このような投影を導入することができる。
【００４６】
図５のもう１つの実施形態は、ビーム・スプリッタ７４と一緒に背面照明レチクル７２により、光のグリッド７０と暗いフィーチャとを投影する。好適には、レチクルは、センサ２０と同じ角度で光学軸１６に対して配置することが好ましい。レチクルの投影されたグリッド７０は、画像センサが焦点を結ぶ視野内の同じ位置内の対象物１２上に焦点を結ぶ。
【００４７】
図６の本発明のもう１つの他の実施形態は光学的色収差レンズ１８を使用する。すべてのレンズはある程度の縦方向の色収差を持っていて、そのため、光学システムは、光７８の青の光線と比較した場合、光７６の赤の光線に対しては異なる焦点を持つ。通常の光学的設計者は、この効果を最低限度に低減するために、光学的処方を選択するが、この実施形態では、このレンズはこの効果を最大にするように選択される。
【００４８】
この実施形態の場合には、レンズ１８は高度の色収差を持つように選択される。レンズおよび測定対象の三次元対象物は、対象物の対象物面に対して垂直で上記レンズの焦点を通る光学軸を定義する。少なくとも第１の光検出装置および第２の光検出装置を持つセンサは、レンズを通して対象物と、レンズとセンサとの間に位置する回折格子との両方に光学的に整合している。
【００４９】
回折格子８０またはプリズムはセンサ２０の前に位置する。回折格子８０は、検出装置のアレイを横切って色により光を展開する。異なる色の光７６’、７８’は検出装置の各ライン上に異なる焦点を結ぶ。
【００５０】
回折格子は、レンズが対象物から収集した光の異なる波長が、センサ上の異なる光検出装置に向くように、さらに、レンズの縦方向の高度の色収差によりセンサに到着する光のスペクトルを分離する。光の異なる波長は、上記レンズからの異なる距離のところの対象物面内に最善の焦点を結ぶ。各光検出装置からの電気出力はプロセッサに送られ、プロセッサは上記レンズからの上記対象物の距離を測定し、それにより上記対象物の高さを測定する。
【００５１】
図７に示すように、ボール・グリッド・アレイのような対象物は、捕捉／設置機械移動されている間に走査することができる。ペンシルバニア州所在のＱｕａｄ  ｏｆ  Ｗｉｌｌｏｗ  Ｇｒｏｖｅ社、またはイリノイ州バーモンヒル所在のＦｕｊｉ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の捕捉／設置機械のような捕捉／設置機械は、品質規格に適合しているかどうかを確認する際に集積回路の製造中に通常使用される。半田ボール１２は、捕捉／設置機械４８により移動されている間に走査される。捕捉／設置機械４８は、取りつけられた半田ボール１２を含む、ボール・グリッド・アレイ・パッケージを捕捉し、ＢＧＡを移動する（矢印５０参照）。捕捉／設置機械４８および処理モジュール３０に関連するエンコーダ４９は、対象物が移動した際に、センサ２０上に位置する検出装置によるデータの取得をトリガする（５１）。本発明の１つの利点は、捕捉／設置機械が、データ取得のためにセンサ２０の前で半田ボール１２をストップさせる必要がないことである。
【００５２】
これら実施形態のもう１つの要素は、本発明の精度を確保するための校正技術の使用である。既知の段の高さの対象物を試験することができ、計算した高さを既知の高さと比較することにより、システムを校正することができる。
【００５３】
図では、本発明は共通の面内に位置する検出装置であるが、対象物をあまり動かさないですむように検出装置をずらすこともできる。さらに、線形アレイの代わりにＣＣＤエリア検出装置を使用することもできる。ピクセル・アレイの物理的大きさおよび形状よりも、ピクセル値の読出しの際の電子的構成に大きな違いがある。
【００５４】
本発明が上記の目的、特徴および利点を完全に満足する光学的測定システムを提供することは明らかである。実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者であれば上記の説明を読めば、種々の他の実施形態、修正および変更を容易に思い付くことはいうまでもない。従って、このようなすべての他の実施形態、修正および変更は、添付の特許請求の範囲の精神および広い範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】対象物の空間的寸法を測定するための本発明のある実施形態の略図である。
【図２】本発明のある実施形態による空間的測定を行う際に使用する、複数の検出装置が生成するデータを管理するためのバッファの使用方法を示す。
【図３】本発明の測定システムの動作を示す略図である。
【図４】本発明の他の実施形態によるセンサである。
【図５】本発明のある実施形態による解像度を強化するための投影パターンである。
【図６】本発明のある実施形態による焦点距離を識別するためのレンズの光学的色収差の使用方法である。
【図７】捕捉／設置機械を使用する本発明のある実施形態である。
【図２】
2005504305.tif 000003
【図７】
2005504305.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2005504305.tif 000005
2005504305.tif 000006
2005504305.tif 000007
2005504305.tif 000008
2005504305.tif 000009
2005504305.tif 000010
2005504305.tif 000011
2005504305.tif 000012
2005504305.tif 000013
2005504305.tif 000014
2005504305.tif 000015
2005504305.tif 000016
2005504305.tif 000017
2005504305.tif 000018
2005504305.tif 000019
2005504305.tif 000020
2005504305.tif 000021
2005504305.tif 000022
2005504305.tif 000023
2005504305.tif 000024
2005504305.tif 000025
2005504305.tif 000026
2005504305.tif 000027
2005504305.tif 000028
2005504305.tif 000029
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005504305.tif 000030
2005504305.tif 000031
【国際調査報告】
2005504305.tif 000032
2005504305.tif 000033
2005504305.tif 000034