(57)【要約】本発明は、配線板の位置をそこに配置されたマーキングに則して正確に検出する基板のビジュアル検出用光センサ装置に関する。本発明の光センサ装置は、フォトディテクタ、結像光学系、ビームスプリッタ、および異なるスペクトル色および異なる照明角度で検出すべき基板を照明する３つの照明ユニットを有している。異なる照明スペクトルおよび異なる照明角度の組み合わせたを１つのセンサ装置に統合し、個別の照明ユニットを制御する１つの制御ユニットを設けることにより、基板および基板上に配置されたマーキングの種々の材料に対する照明パラメータが自動で最適化される。
2004529373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線板上に配置されたマーキングに則して配線板の正確な位置検出を行う光センサ装置において、
フォトディテクタと、
検出すべき対象物の測定フィールドを光軸上に配置されたフォトディテクタへ結像する結像光学系と、
フォトディテクタと測定フィールドとのあいだに光軸に対して所定の角度で配置されたビームスプリッタと、
測定フィールドを斜めの角度で照明する第１の照明ユニットと、
ビームスプリッタでの反射の後に測定フィールドを光軸に対してほぼ平行に照明する第２の照明ユニットと、
測定フィールドを光軸に対してほぼ平行に照明する第３の照明ユニットとを有しており、
３つの照明ユニットのうち少なくとも１つは相互に異なるスペクトル領域で発光する少なくとも２つの発光素子を有する
ことを特徴とする光センサ装置。
【請求項２】
３つの照明ユニットのうち少なくとも２つは相互に異なるスペクトル領域で発光する少なくとも２つの発光素子を有する、請求項１記載の装置。
【請求項３】
第２の照明ユニットおよび第３の照明ユニットが相互に異なるスペクトル領域で発光する少なくとも２つの発光素子を有する、請求項１記載の装置。
【請求項４】
フォトディテクタはＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラである、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
第１の照明ユニットと測定フィールドとのあいだにディフューザが配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
第２の照明ユニットとビームスプリッタとのあいだにディフューザが配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
第３の照明ユニットと測定フィールドとのあいだにディフューザが配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
第１の照明ユニットは青色のスペクトル領域で発光する光源を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
第２の照明ユニットは白色のスペクトル領域で発光する光源と赤外のスペクトル領域で発光する光源を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
第３の照明ユニットは白色のスペクトル領域で発光する光源と赤外のスペクトル領域で発光する光源を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの光源は発光ダイオードである、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
各光源に接続され各光源を相互に独立に制御可能な制御装置を付加的に有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記制御装置は異なるタイプの光源照明を制御するための複数のパラメータを記憶するパラメータメモリを有している、請求項１２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線板または基板などの対象物をそこに配置されたマーキングに則して検出し、対象物の空間的な位置を正確に求める光センサ装置に関する。
【０００２】
いわゆる自動実装装置で配線板またはセラミック基板へモジュール、特にＳＭＤ素子（Surface Mounted Device）を自動実装する際には、実装の前に位置決め装置によって実装すべき基板の位置が求められる。モジュールとは以下では電子デバイス、電気機械的デバイス、または保護プレートなどの機械的デバイスを含めた全ての実装の対象物を指すものとする。位置決めは一般にカメラ（例えばＣＣＤカメラ）などのヴィジョンシステムおよび照明装置によって行われる。位置決めのほかヴィジョンシステムは品質コントロールにも用いられる。ここで例えば欠陥のある基板がベルトコンベヤ上に存在している欠陥のない基板のなかから識別されれば、これを自動実装プロセスから除外することができる。
【０００３】
基板の位置決めのために、基板上に被着されたセンタリング用マーキングが使用されている。欠陥のある基板を識別するために欠陥マークが用いられ、これにより欠陥のある基板が品質コントロールの範囲で識別され、実装プロセスから除外される。実装可能な基板としては、セラミック、プラスティック、硬質パルプ、プラスティックコーティングされたパルプおよび／またはエポキシ／ガラスファイバ化合物など種々の材料が使用される。また折り曲げの可能な可撓性材料としてプラスティックシートなども用いられている。マーキングの基板メーカの使用する材料も、光沢のある金属、マットな金属、金属酸化物、プラスティックおよび／またはレジストカバーなどさまざまである。さらにマーキングとしてしばしば基板に孔を設けることも行われている。
【０００４】
実装基板のメーカは一般に、製造している基板の電気的特性については仕様を明らかにしているが、光特性についてはそれを行っていない。基板およびマーキングに使用される種々の材料の光特性はふつう大幅に異なっている。このため、被着されたマーキングとバックグラウンドの基板とのあいだに生じる照明のコントラストは変動が大きい。したがって基板の照明は、基板に被着されるマーキングがバックグラウンドの基板に対してできる限り強いコントラストを有するように選定しなければならない。
【０００５】
このために米国特許第５４６９２９４号明細書から、１つまたは複数の光源、複数の透光性の分離壁および鏡を備えた照明システムが公知である。この照明システムによれば、半導体基板（例えば半導体ウェハ）上のマーキングが照明され、これが基板に対して平行または所定の角度で配向されたカメラによって検出される。光源は発光ダイオードＬＥＤおよび広いスペクトル領域で発光する白熱ランプを有している。暗視野照明部（カメラの光軸に対してほぼ平行な照明部）および明視野照明部（カメラの光軸に対してほぼ垂直な照明部）が設けられ、暗いバックグラウンドに対する明るいマーキングも明るいバックグラウンドに対する暗いマーキングも良好に識別できる。また光制御ユニットにより光強度を自動または手動で制御することができる。
【０００６】
国際公開第９９／２００９３号明細書からは、複数の照明ユニットを備えた照明装置が公知である。各照明ユニットはそれぞれ相互に異なるスペクトル領域で発光する。これは光強度の点でそれぞれ別個のものとなっている。これにより可変のスペクトル分布での照明が行われ、種々の材料がセンタリング用マーキングや配線板に使用されていても充分なコントラストが得られる。
【０００７】
こうした従来周知の照明装置は照明のスペクトルと角度との個別の組み合わせを特徴としている。この場合それぞれのケースで使用される照明は、複数のスペクトルおよび角度のなかから所定の基板に対して個別に選択される。この選択は主として基板または基板上に被着されたマーキングの材料やタイプに依存している。したがってユーザは実装すべき基板が変化すると照明装置を交換したり手動で調整したりしなければならない。基板やその上のマーキングの材料の組み合わせが新しくなると、バックグラウンドの基板とマーキングとのあいだに高いコントラストを生じさせる照明は困難になる。
【０００８】
したがって本発明の課題は、光センサ装置において、基板材料およびこの基板上に配置されたマーキングの材料の複数の組み合わせに対して確実な光検出に適した照明を保証し、基板材料および／またはマーキング材料の交換時にセンサ装置の手動での調整が必要ないようにすることである。
【０００９】
この課題は、本発明により、フォトディテクタと、検出すべき対象物の測定フィールドを光軸上に配置されたフォトディテクタへ結像する結像光学系と、フォトディテクタと測定フィールドとのあいだに光軸に対して所定の角度で配置されたビームスプリッタと、測定フィールドを斜めの角度で照明する第１の照明ユニットと、ビームスプリッタでの反射の後に測定フィールドを光軸に対してほぼ平行に照明する第２の照明ユニットと、測定フィールドを光軸に対してほぼ平行に照明する第３の照明ユニットとを有しており、３つの照明ユニットのうち少なくとも１つは相互に異なるスペクトル領域で発光する少なくとも２つの発光素子を有する光センサ装置を構成して解決される。
【００１０】
本発明の有利な実施形態によれば、３つの照明ユニットのうち少なくとも２つ、特に第２の照明ユニットおよび第３の照明ユニットは、相互に異なるスペクトル領域で発光する少なくとも２つの発光素子を有する。これにより本発明の光センサ装置は、光センサ装置の使用開始前に行わなくてはならないスペクトルおよび角度の初期設定のほかは、機械的な構造の組み替えまたはアライメントを行う必要がないという利点を有する。
【００１１】
本発明の別の有利な実施形態によれば、フォトディテクタはＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラである。これにより有利には市販のＣＣＤチップまたはＣＭＯＳチップをフォトディテクタとして使用し、本発明の光センサ装置を低コストで実現することができる。
【００１２】
本発明の別の有利な実施形態によれば、第１の照明ユニットと測定フィールドとのあいだ、および／または第２の照明ユニットとビームスプリッタとのあいだ、および／または第３の照明ユニットと測定フィールドとのあいだにディフューザが配置される。本発明では、ディフューザを使用することにより意図しない反射の光強度が低減され、フォトディテクタでの検出の際のコントラストが高められるという利点が得られる。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態によれば、第１の照明ユニットは青色のスペクトル領域で発光する光源を有する。本発明では測定フィールドは青色光で斜めに照明されるので、特に明るいバックグラウンド（例えばセラミック基板など）上に設けられた金属の反射性のマークをフォトディテクタによって高いコントラストで検出することができる。
【００１４】
本発明の別の有利な実施形態によれば、第２の照明ユニットおよび／または第３の照明ユニットは白色のスペクトル領域で発光する光源と赤外のスペクトル領域で発光する光源を有する。こうした実施形態により、有利には、鋭角で行われる白色照明から特にめっきマーキングを確実に検出することができる。めっきマーキングはきわめて頻繁に使用されているため、測定すべき基板へ向かって鋭角で拡散する光として入射する白色照明は光センサ装置で最も頻繁に使用される標準の照明となる。鋭角で行われる赤外光照明は相応の基板に被着されたマーキングがはんだストップレジストなどでカバーされている場合に特に有利である。カバーされたマーキングの検出は、測定すべき基板へ入射してくる赤外光が基板へ向かって拡散している場合、さらに改善される。
【００１５】
本発明の別の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの光源は発光ダイオードである。発光ダイオードは他の光源に比べてきわめて安価であるものの長い寿命を有しており、電気的なエネルギ消費も小さいという利点を有している。
【００１６】
本発明の別の有利な実施形態によれば、本発明の光センサ装置は各光源に接続され相互に独立に各光源を制御可能な制御装置を付加的に有する。これにより、個々の光源から発光される光の強度および時間特性を個別に設定でき、基板またはマーキングの材料の種々の組み合わせに応じて最適な照明を実現することができる。
【００１７】
本発明の別の有利な実施形態によれば、制御装置は異なる光源照明のタイプを制御するための複数のパラメータを記憶するパラメータメモリを有している。これにより基板またはマーキングに用いられる種々の材料の組み合わせに応じた適切な照明のパラメータが記憶され、検出すべき基板またはマーキングが変更されたときにも、確実かつ迅速に新たな組み合わせに最も適した照明を調整することができる。
【００１８】
まとめると、本発明では、照明のスペクトルおよび角度の種々の組み合わせが唯一のセンサ装置に統合され、個別の照明ユニットを制御する唯一の制御ユニットを設けるのみで基板またはマーキングの種々に適した照明パラメータが自動的に最適化される。
【００１９】
本発明の他の利点および特徴を以下に有利な実施例に則して説明する。
【００２０】
図１には本発明の有利な実施例による光センサ装置が示されている。
【００２１】
図１には本発明の有利な実施例の光センサ装置１００が示されている。センサ装置１００はフォトディテクタ１０１、結像光学系１０２、ビームスプリッタ１０３、第１の照明ユニット１１０、第２の照明ユニット１２０、第３の照明ユニット１３０を有している。この光センサ装置１００は、本発明によれば、配線板１４０の表面１４１を検出するために用いられる。配線板１４０の表面１４１には図示しないマーキングが存在しており、このマーキングに則して配線板１４０の位置が定められる。配線板１４０の下面１４２の側は図示しないベルトコンベヤ上に載置される。配線板１４０、ビームスプリッタ１０３、結像光学系１０２、およびフォトディテクタ１０１は結像光学系１０２の図示しない光軸上に配置されている。この実施例ではＣＣＤチップまたはＣＭＯＳカメラであるフォトディテクタ１０１と結像光学系１０２とのあいだにはさらにセンタリング絞り１０５が配置されている。測定すべき配線板１４０は結像光学系１０２の対物レンズ側に置かれる。相応にフォトディテクタ１０１は結像光学系１０２の画像側に置かれる。配線板１４０の表面１４１と結像光学系１０２との距離および結像光学系１０２とフォトディテクタ１０１との距離は、配線板１４０の表面１４１の部分領域を検出する図示しない測定フィールドが結像光学系１０２を介してフォトディテクタ１０１へ結像されるように選定される。
【００２２】
３つの照明ユニット１１０、１２０、１３０の役割は、フォトディテクタ１０１が結像光学系１０２を介して検出する測定フィールドを照明し、配線板１４０の表面１４１に位置する図示しない測定フィールド内の構造をできる限り高いコントラストで検出できるようにすることである。できる限りコントラストの高い検出を達成するために、測定フィールドの照明は種々の照明角度で行われる。
【００２３】
２つの発光ダイオード１１１、１１１’を有する第１の照明ユニット１１０は測定フィールドを結像光学系１０２の光軸に対して相対的に斜めの角度で照明する。この実施例では、この２つの発光ダイオード１１１、１１１’は青色のスペクトル領域で発光する。こうした斜めからの青色光での照明は、特に、明るいバックグラウンド（例えばセラミック基板）上に配置された金属の反射性のマーキングをセンサ装置１００で確実に検出するのに役立つ。
【００２４】
白色光を発光する発光ダイオード１２１および赤外光を発光する発光ダイオード１２２を有する第２の照明ユニット１２０は、センサ装置１００の測定フィールドを結像光学系１０２の光軸に対してほぼ平行に照明する。結像光学系１０２の光軸に対してほぼ平行に照明を行うには、２つの発光ダイオード１２１、１２２から放出される光をビームスプリッタ１０３で少なくとも部分的に反射させ、その光を結像光学系１０２の光軸に対してほぼ平行に測定フィールドに入射させる。さらにディフューザ１０７が２つの発光ダイオード１２１、１２２とビームスプリッタ１０３とのあいだに配置され、これにより結像光学系１０２を介してフォトディテクタ１０１で検出される測定フィールドが均一に照明される。つまり測定フィールドの全面にわたって一定の光強度の分布が得られる。
【００２５】
配線板１４０の表面１４１上に存在する測定フィールドはさらに第３の照明ユニット１３０によって結像光学系１０２の光軸に対してほぼ平行に照明される。図１から見て取れるように、第３の照明ユニット１３０は全部で６つの発光ダイオード１３１、１３２、１３３、１３１’、１３２’、１３３’を有している。この実施例では、発光ダイオード１３１、１３２、１３１’、１３２’は白色光を発光し、発光ダイオード１３３、１３３’は赤外光を発光する。測定フィールドをできる限り均一に照明できるようにするために、発光ダイオード１３１、１３２、１３３と測定フィールドとのあいだ、および発光ダイオード１３１’、１３２’、１３３’と測定フィールドとのあいだにディフューザ１０６が配置される。
【００２６】
図１に示されているケーシング１０４はセンサ装置１００に使用されている光学的素子の固定に用いられる。すなわちフォトディテクタ１０１、結像光学系１０２、ビームスプリッタ１０３、センタリング絞り１０５、ディフューザ１０６、１０７や３つの照明ユニット１１０、１２０、１３０がこれにより固定される。第２の照明ユニット１２０および第３の照明ユニット１３０で行われる測定フィールドの赤外光による照明は、特にカバーされたマーキング（例えばはんだストップレジストでカバーされたマーキング）を良好なコントラスト特性で確実に検出したい場合にきわめて重要な意義を有する。
【００２７】
マーキングがカバーされているときには短波長の照明を用いるよりも赤外光での照明を行うほうが良好なコントラスト比が得られる。なぜなら一般にマーキングをカバーする材料は赤外光に対して可視光よりも高い透過率を有するからである。カバー材料の透過能と使用されるＣＣＤセンサの感度との妥協点を見出す手段として、本発明の有利な実施例では、約８８０ｎｍの波長を中心としたスペクトル領域の光が使用される。
【００２８】
第２の照明ユニット１２０および第３の照明ユニット１３０はそれぞれ薄板上に配置された発光ダイオード１２１、１２２および発光ダイオード１３１、１３２、１３３、１３１’、１３２’、１３３’を有する。全ての発光ダイオード１２１、１２２、１３１、１３２、１３３、１３１’、１３２’、１３３’を共通に配列できるが、これらのダイオードは図示しない共通の制御装置によって個別に制御される。これにより明視野部分を配線板材料およびマーキング材料に依存して意図的に消去することにより、さらなるコントラストの改善が達成される。
【００２９】
最後に本発明は図１に則して説明した実施例に限定されるものではないことを指摘しておく。例えば３つの照明ユニット１１０、１２０、１３０は基本的に任意の数の発光ダイオードを使用することができる。その際に個々の発光ダイオードを任意のスペクトル領域で発光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の光センサ装置を示す図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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