JP2003504634A

JP2003504634A - 物体の凹凸を測定する方法とシステム

Info

Publication number: JP2003504634A
Application number: JP2001510801A
Authority: JP
Inventors: クローンブ，アラン; カルタン，ミッシェル; ニキティーヌ，アレクサンドル
Original assignee: ソルビジョンインコーポレイティド
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2003-02-04
Anticipated expiration: 2020-07-14
Also published as: CA2579563A1; DE60010462T2; HK1047470B; WO2001006210A1; JP4112858B2; HK1047470A1; AU6143300A; KR100815503B1; CA2378867C; IL147607A0; ATE266188T1; EP1192414B1; CA2378867A1; CA2277855A1; CN1375053A; KR100858521B1; IL147607A; KR20070058652A; USRE42899E1; EP1192414A1

Abstract

(57)【要約】物体の凹凸を測定する方法とシステムがここに述べられる。このシステムは、格子を投影する格子投影アセンブリ、カメラを組み込んだ画像収集装置、およびコンピュータを含む。測定する物体と共通の要素を持つ基準物体を提供する際、この方法は、ａ）カメラと、これらの共通要素に対して、３つの異なる既知の位置に、格子を位置づける工程と、ｂ）格子の位置ごとに、格子を、基準物体上に投影し、また基準物体の像をカメラで撮って、カメラのピクセルごとに輝度値を持つ３つの像をもたらす工程と、ｃ）該当するピクセルに対して、上記の３つの基準物体輝度値を用いて、ピクセルごとに基準物体の位相を計算する工程を含む。工程ａ）と工程ｂ）と工程ｃ）は、この基準物体を、その測定される物体に代えることで繰り返される。次に、該当するピクセルに対して、基準物体の位相と物体の位相を差し引くことで、その測定される物体と、この基準物体との高さの差を、ピクセルごとに計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、一般に、物体の凹凸を測定する方法に関する。さらに具体的に言え
ば、本発明は、このようなシステムと方法を用いて、回路基板上のリード平坦度
を検査することに関する。（背景技術）干渉計測法を利用して、物体の表面に欠陥がないか検査するか、あるいは、物
体の凹凸を測定することがよく知られている。一般的に言うと、このような方法
は、物体の表面上に干渉計測パターンを発生させ、次に、その結果得られた干渉
計測像（すなわち、インターフェログラム）を分析して、その物体の凹凸を得る
。この干渉計測像は、一般に、一連の白黒の縞模様を含む。

【０００２】レーザを利用して干渉計測パターンを発生させることを必要とする干渉計測法
は、「代表的な干渉計測法」と呼ばれる。このような代表的な測定法では、レー
ザの波長と、測定アセンブリの構成が、一般に、結果として得られるインターフ
ェログラムの周期を決定する。代表的の干渉計測法は、一般に可視スペクトルで
利用されて、ミクロン・オーダーの高さむらを測定する。

【０００３】しかしながら、高さむら（凹凸）が可視スペクトルで実施されるときに、この
ような測定法を用いて、表面上で、０．５〜１μｍを越える変化を示す高さむら
（凹凸）を測定することは困難であることが判明した。実際、結果として得られ
るインターフェログラムの白黒の縞模様の密度（濃度）が増して、それにより、
その分析があきあきするものとなる。

【０００４】代表的な干渉計測法の別の欠点は、これらの干渉計測法が、ノイズや振動に特
に敏感な測定アセンブリを必要とすることである。

【０００５】モアレ干渉計測に基づく表面検査法は、代表的な干渉計測法の精度よりもさら
に高い精度を用いて、可視スペクトルで物体の凹凸を測定できるようにしている
。この表面検査法は、１）測定される物体の真上に位置づけられた格子と、その
物体上の格子の陰影との間（「陰影モアレ技法」）、あるいは、２）物体上の一
方の格子の投影と、物体と、その結果得られるインターフェログラムの写真を撮
るのに使用されるカメラとの間に位置づけられた他方の格子の投影との間（「投
影モアレ技法」）で得られる周波数ビートの分析に基づいている。双方の場合に
、２つの格子間の周波数ビートが、その結果得られるインターフェログラムの縞
模様を発生させる。

【０００６】さらに具体的に言えば、「陰影モアレ」技法は、測定される物体の近くに格子
を位置づける工程、その物体の平面からの第１の角度（例えば、４５度）より照
明を提供する工程、第２の角度（例えば、その物体の平面から９０度）に位置づ
けられたカメラを使用して、このインターフェログラムの写真を撮る工程を含む
。

【０００７】この格子と物体との間隔が変わるから、このような高さむらが、そのインター
フェログラムのパターンを変化させる。その場合、このようなパターンの変化を
分析すれば、物体の凹凸を得ることができる。

【０００８】「陰影モアレ」技法を用いて物体の凹凸を測定することの欠点は、正確な結果
をもたらすように、格子を、物体に非常に近づけて位置づけなければならず、そ
のことから、測定アセンブリのセットアップが制限されることである。

【０００９】「投影モアレ」技法は、「陰影モアレ」技法と非常によく似ている。すなわち
、カメラと物体との間に位置づけられた格子は、「陰影モアレ」技法における格
子の陰影と似た機能を持っているからである。しかしながら、「投影モアレ」技
法の欠点は、その技法が多くの調整をともない、そえゆえ、結果の精度不良の危
険性を高めることである。つまり、「投影モアレ」技法は、２つの格子の位置づ
けと追跡を必要とするからである。さらに、第２の格子は、カメラをおおい隠し
がちであり、それゆえ、他の測定を行うために、カメラを同時に使用できないよ
うにしている。

【００１０】したがって、従来技術の上記欠点のないような、物体の凹凸を測定する方法と
システムが望ましい。（発明の目的）それゆえ、本発明の目的は、物体の凹凸を測定する改良された方法とシステム
を提供することである。

【００１１】本発明の他の目的は、リード平坦度の検査に適するようなシステムを提供する
ことである。（発明の概要）さらに具体的に言えば、本発明により、一そろいのピクセルを備えたカメラを
用いて物体の凹凸を測定する方法であって、ａ）上記のカメラに対して、また基準物体に対して、第１の位置に位置づけられ
た格子を、その基準物体上に投影する工程と、ｂ）この投影格子により照らされ、かつピクセルごとに輝度値を持つ基準物体の
像を、上記のカメラで撮る工程と、ｃ）上記の格子を、カメラに対して、また基準物体に対して、２つの異なる既知
の位置に位置づけて、少なくとも２回、工程ａ）と工程ｂ）を繰り返して、ピク
セルごとに、少なくとも３つの輝度値をもたらす工程と、ｄ）該当するピクセルに対して、上記の少なくとも３つの基準物体輝度値を用い
て、ピクセルごとに基準物体の位相を計算する工程と、ｅ）上記第１の位置に位置づけられた格子を物体上に投影する工程と、ｆ）この投影格子により照らされ、かつピクセル位置ごとに輝度値を持つ物体の
像を、カメラで撮る工程と、ｇ）上記の格子を、これら２つの異なる位置に位置づけて、少なくとも２回、工
程ｅ）と工程ｆ）を繰り返して、ピクセルごとに、少なくとも３つの輝度値をも
たらす工程と、ｈ）該当するピクセルに対して、上記の少なくとも３つの物体輝度値を用いて、
ピクセル位置ごとに物体の位相を計算する工程と、ｉ）該当するピクセルに対して、上記の基準物体の位相と、物体の位相を用いて
、ピクセルごとに、物体と基準物体との高さの差を計算する工程と、を含む方法が提供される。

【００１２】本発明の他の面により、物体の凹凸を測定するシステムであって、格子投影アセンブリと、一そろいのピクセルを備えたカメラを含む画像収集装置と、ａ）それぞれが、格子の異なる既知の位置に対応する物体上に投影された格子の
少なくとも３つの像と、それぞれが、格子のこれらの既知の位置の１つに対応す
る基準物体上に投影された格子の少なくとも３つの像を、上記の画像収集装置か
ら受け取り、ｂ）該当するピクセルに対して、上記の少なくとも３つの基準物体輝度値を用い
て、ピクセルごとに、基準物体の位相を計算し、ｃ）該当するピクセルに対して、上記の少なくとも３つの物体輝度値を用いて、
ピクセルごとに、基準物体の位相を計算し、ｄ）該当するピクセルに対して、上記の基準物体の位相と、上記の物体の位相を
用いて、ピクセルごとに物体と基準物体との高さの差を計算するように構成され
ているコンピュータと、を備えるシステムが提供される。

【００１３】本発明の他の目的、利点、特徴は、例示としてのみ与えられた本発明の好まし
い実施例の限定されない下記説明を、添付図面を参照して読めば、さらに明らか
になるであろう。（好適な実施形態の記述）ここで、添付図面の図１と図２に移って、本発明の一実施例により、物体の凹
凸を測定するシステム１０を説明する。

【００１４】表面検査システム１０は、格子投影アセンブリ１１、画像収集装置１２、およ
び、好都合なことに記憶装置１６、出力装置１８、入力装置２０を備えたコンピ
ュータから成っている。

【００１５】次に、さらに具体的に、添付図面の図２に移って、格子投影アセンブリ１１と
画像収集装置１２を、さらに詳しく説明する。

【００１６】格子投影アセンブリ１１は、照明アセンブリ２２、可動支持体２６に取り付け
られた格子２４、およびプロジェクタ２８を含む。

【００１７】照明アセンブリ２２は、好都合なことに、格子２４を通じて投影される白色光
源３４を含む。例えば、光源３４は、白色光源（図示されてない）から光を提供
する光ファイバ（図示されてない）の端部である。好都合なことに、光源３４と
格子２４との間には、非球面レンズ３６、または他の任意の集光レンズも利用さ
れる。他の光源も利用される場合がある。当業者であれば、本発明の精神の範囲
内で、容易に他の照明アセンブリを思いつくこともできると考えられる。

【００１８】格子２４の構成は、物体３０の凹凸を適切に測定するのに必要な解像度に応じ
て様々である。例えば、２５０ライン／インチのｒｏｎｃｈｉｒｕｌｉｎｇに
より、約１ｍｍの解像度を必要とする回路基板のリード平坦度を測定できること
がわかった。

【００１９】好都合なことに、可動支持体２６に格子２４を取り付けることにより、格子２
４上の線にも、光の入射方向（図２の破線４２）にも垂直な方向に（図２上の両
頭矢印４０を参照のこと）、格子２４を移動させることができる。

【００２０】可動支持体２６は、ステッピングモータ（図示されてない）によって作動され
る。このステッピングモータは、好都合なことに、コンピュータ１４でトリガさ
れるマイクロコントローラ（図示されてない）によって制御される。もちろん、
このステッピングモータは、コンピュータ１４で直接に制御されることもある。

【００２１】好都合なことに、５０ｍｍのＴＶレンズの形式を取るプロジェクタ２８を使用
して、物体３８上に格子２４を投影する。

【００２２】光の入射方向（図２の破線４２）と、画像収集装置１２の目視線（図２の破線
４４）との成す角度は、測定される物体３０の性状によって様々である。

【００２３】当業者であれば、物体３０に対して、照明アセンブリ２２、格子２４、格子プ
ロジェクタ２８を位置づけて、物体３０上に所望のピッチρを持つ投影格子をも
たらすことが理解できると考えられる。

【００２４】例えば、密度が２５０ライン／インチのｒｏｎｃｈｉ格子は、物体３０とプロ
ジェクタ２８との間隔を４３〜２２ｃｍにし、また角度θを３０度にした場合に
、０．５ｍｍピッチρを取る投影格子を提供する。このようなピッチは、物体３
０の表面上で、約１ｍｍの高さむらに相当する。

【００２５】明らかに、この投影格子のピッチは、格子２４のピッチによって変わる。

【００２６】下に説明される通り、物体３０上の投影格子２４の移動は、格子２４の位置を
固定し、かつ、物体３０とカメラ４６をともに移動させることにより、別法で達
成される場合もある。

【００２７】システム１０は、カメラ４６と物体３０との間に格子を必要としないことに留
意されたい。このような利点は、以下で述べる。

【００２８】画像収集装置１２は、一そろいのピクセルを備えたカメラ４６を含み、これは
、好都合なことに、ＣＣＤカメラ４６の形式を取っている。このようなカメラは
、例えば、１３００×１０２４ピクセルの解像度を提供する。

【００２９】画像収集装置１２は、オプションの接写リング５０を通じて、都合よくカメラ
４６に取り付けられたテレセントリック・レンズ４８も含む。

【００３０】画像収集装置１２の構成、および、画像収集装置１２と物体３０との間隔が、
画像収集装置１２の視野を決定する。別法として、カメラ４６を物体３０から遠
ざければ、接写リング５０なしで、所望の視野を得ることができる。

【００３１】コンピュータ１４が、これらの得られた像を計数化するように構成されている
ときには、ＣＣＤカメラを、通常のカメラに代えることができる。

【００３２】好都合なことに、コンピュータ１４は、格子２４の移動を制御し、カメラ４６
で撮られた物体３０の像を処理し、さらにこれらの像を分析して、物体３０の凹
凸を測定するように、構成されている。

【００３３】好都合なことに、コンピュータ１４は、像をコンピュータ１４で処理するとき
に、これらの像を蓄積し、それゆえ、その処理速度を上げられるようにする記憶
手段を備えている。

【００３４】記憶装置１６は、例えば、ハードドライブ、書込み可能なＣＤ−ＲＯＭドライ
ブ、または、他の公知のデータ記憶手段であることもある。記憶装置１６は、じ
かにコンピュータ１４に接続できるか、あるいは、インターネットなどのコンピ
ュータネットワークを通じてリモート接続できる。本発明の一実施例により、記
憶装置１６を利用して、画像収集装置１２で撮られた像も、物体３０の凹凸も、
さらに、他の中間結果も蓄積する。これらのファイルは、コンピュータ１４で読
み取られる形式や解像度であれば、どんなものでも蓄積できる。

【００３５】出力装置２０（「１８」の誤り）は、コンピュータ１４により生成された画像
やデータを表示できるようにし、またディスプレイモニタから印刷装置まで多く
の形式を取ることができる。入力装置１８（「２０」の誤り）は、データやコマ
ンドをコンピュータ１４に入力できるようにする通常のマウス、キーボード、ま
たは他の任意の公知の入力装置、あるいは、それらの組合せであることもある。

【００３６】記憶装置１６、ディスプレイモニタ１８、入力装置２０はすべて、データケー
ブルなどの標準の接続手段を通じて、コンピュータ１２（「１４」の誤り）に接
続される。

【００３７】コンピュータ１４は、通常のパーソナルコンピュータ、あるいは、プロセッサ
、メモリ、入出力ポート（図示されてない）を含む他の任意のデータ処理装置で
あることもある。これらの入出力ポートは、ネットワーク・コネクティビティを
含んで、画像を、記憶装置１６に、また記憶装置１６から転送する場合がある。

【００３８】もちろん、コンピュータ１２（「１４」の誤り）は、以下に記述されるように
、本発明の方法を織り込んだソフトウェアを実行する。

【００３９】システム１０は、調整可能な支持手段（図示されてない）を含んで、画像収集
装置１２と格子投影アセンブリ１１を、互いに、また物体３０に対して位置づけ
ることに留意されたい。別法として、本発明の性質と精神から逸脱することがな
ければ、他の位置決め手段も利用できる。

【００４０】本発明の一実施例により、物体の凹凸を測定する方法を詳しく説明する前に、
このような方法の基礎になる一般理論を、まず最初に述べる。この理論は、当業
界では周知のものであると考えられるから、簡明さのために、ここでは、簡潔に
のみ説明する。

【００４１】干渉画像上の各ピクセル（x,y）の輝度l(x,y)は、以下の式によって表される
ことが可能である。

【００４２】 l(x,y)＝A(x,y)＋B(x,y)・cos（ΔΦ(x,y)）（１）ただし、ΔΦは、位相の変化（または位相の修正）であり、AおよびBは、ピクセ
ル毎に算出されることが可能な係数である。

【００４３】位相変化ΔΦがわかっている場合、基準面に対する各点ｈ（x,y）での対象物
の高さ分布（起伏）は、以下の式を用いて算出されることが可能である（図３参
照）。

【００４４】 h(x,y)=ΔΦ(x,y)・p／2π・tan(θ) （２）ただし、上述のように、ｐはグリッドのピッチ、θは投射角度である。

【００４５】上記の式は、図３に図示するように、対象物上の格子の平行投射に対して有効
であるが（ただし、格子投射からの投射線６０は平行である）、格子投射が平行
でない場合、別の式を使用することは、当業者の到達可能な範囲内である。

【００４６】たとえば、ピンホール投射を用いることによって、基準面（図３のX参照）の
平面上の格子からの距離に伴う高さｐおよび角度θの増加が確認される。第１の
オーダーの概算において、ｐとθの変化は互いに相殺し、式２は、パラメーター
の特定の制限内において依然として有効である。

【００４７】高さh(x,y)と位相ΔΦの変化間の関係を再評価し、起伏を計測するために使用
されるシステムの構成にしたがってその関係に修正を加えることは、当業者が到
達可能な範囲であると考えられる。

【００４８】添付の図面のうちの図４において、本発明の実施形態に従う対象物の起伏を計
測する方法をより詳細に説明する。

【００４９】一般的に述べると、本方法は、以下の工程を実行することによって、システム
１０を使用して対象物３０の起伏を計測することを含む。

【００５０】１００−基準物を基準として第１の位置に格子２４を配置する。

【００５１】１０２−基準物上に格子２４を投射する。

【００５２】１０４−カメラ４６を用いて、画像の各ピクセルに対する輝度値を収集するた
めに基準物の画像を撮影する。

【００５３】１０６−ピクセル毎に少なくとも３つの輝度値を求めるために、工程１００〜
１０４を、２つの新規の異なる既知の位置に配置された格子を用いて少なくとも
２回反復する。

【００５４】１０８−３つの輝度値を用いて各ピクセルの位相を算出する。

【００５５】１１０−基準物を計測される対象物３０と置換することによって、工程１００
〜１０８を反復する。

【００５６】１１２−各ピクセルに対して、ピクセル毎のそのそれぞれの位相を使用するこ
とによって、対象物３０と基準物との高さの差を算出する。

【００５７】１１４−各ピクセルにおける高さの差を使用して、各ピクセルに対する対象物
の起伏を決定する。

【００５８】計測する対象物６２が板６６に取り付けられた球６４である第１の例を参照し
て、以上の一般的な工程をさらに説明する。上記対象物６２の画像を図５に示す
。

【００５９】基準物として同様の板を選択することによって、対象物６２と基準物との高さ
の差は、球６４の高さとなる。対象物６２と基準物との共通の要素は、この例に
おいて、板６６である。

【００６０】工程１００において、格子２４は、ステッピング・モータによって作動される
支持２６を用いて第１の所定の位置に移動される。上述のように、システム１０
は、基準物（後に対象物）を基準として格子２４およびカメラ４６の位置を登録
および固定する手段を含む。

【００６１】工程１０２において、格子２４は、基準物上に投射される。

【００６２】工程１０４において、カメラ４６は、基準物の画像を撮影する。

【００６３】その画像は、画像の各ピクセルに対する輝度値を含む。コンピュータ１４は、
後の処理のために、それらの輝度値を格納する。

【００６４】その後、工程１００〜１０４は、２つの新しい既知の異なる位置に配置される
（工程１０６）格子を用いて、少なくとも２回反復される。これは、各ピクセル
に対して、わずかに異なる３つの画像と、したがって３つの輝度値とを提供する
。格子２４によって照射される板の３つの画像のうちの１つを図６に示す。

【００６５】式１が３つの未知数（すなわちA,B, ΔΦ）を含むため、各ピクセルに対する
３つの輝度値l₁,l₂,およびl₃と、したがって３つの画像は、位相変化ΔΦを算出
するために必要とされる。

【００６６】２つの新規の画像に対して、基準物の表面を基準とした格子２４の小さな変換
が行われる。画像Δφ₁，Δφ₂，およびΔφ₃における位相変化を発生させるよ
うに移動量が選択される。この結果、カメラ４６のピクセル・アレイの各ピクセ
ルに対して、式１と同様の３つの式ができる。

【００６７】 l_ｎ＝A＋B・cos（ΔΦ＋Δφ_n）（３）ただし、ｎ＝１，３である。

【００６８】式３の式を解くことによって、Δφの値が得られる。格子２４の移動量は、Δ
φ₁，Δφ₂，およびΔφ₃の異なる値が提供されるように選択される。

【００６９】本発明の好適な実施形態によれば、４つ以上の画像が撮影される。これによっ
て、算出された位相の精度を増加させるために使用されることが可能な、さらな
る輝度値が得られる。

【００７０】従来技術による方法は４つの画像の使用を必要とし、これらの画像からの全４
つの値は位相推定のために撮影される。本発明による方法は、３つの画像のみを
必要とするため、本方法の精度と信頼性を増加させるために、さらなる画像を使
用可能である。

【００７１】たとえば、４つ（またはそれ以上）の画像を維持することによって、ノイジー
なピクセルまたは画像を破棄し、最も有効な輝度値を有するピクセルのみを維持
することが可能である。実際、４つの輝度値のうちの１つがノイジー（たとえば
画像過剰供給が原因となる場合がある）の場合、対応する輝度は、この特定のピ
クセルに対する結果的な位相の精度を妥協することなく削除されることが可能で
ある。

【００７２】もしくは、少なくとも平方適合値などの数的方法を用いて位相を従来通り計算
するために、４つ以上の輝度値を使用することが可能である。しかしながら、そ
のような方法は、特定のピクセルに対して算出される誤りの位相値を防ぐことが
できず、それによって対象物の起伏の計算が不正確となってしまう可能性がある
。

【００７３】本発明の別の好適な実施形態によれば、第２の画像と第３の画像と（第４の画
像と）の間の格子の移動量は、１８０度の位相変化Δφ（式３参照）を有する３
つの画像を供給するように選択される。これによって、投射された格子なしに基
準物の（または対象物の）画像を獲得可能となる。これは、１８０度移動された
２つの画像の輝度値を加えることによって実現可能である。

【００７４】より一般的に、カメラ４６によって撮影された３つ以上の画像のうちのいくつ
かの位相変化の合計が３６０度である場合、対応する二次元画像は、各ピクセル
に対するこれらの画像の輝度値を加えることによって得られる。この再構成され
た二次元画像は投射格子を含まない。この画像は、工程１１２の結果である画像
または値に対して施される後続の分析を加速可能である基準物の（または対象物
の）予備分析を実行するために使用されることが可能である。

【００７５】工程１０８において、位相は、式３を解くことによって各ピクセルに対して３
つの輝度値（または３つの最良な輝度値）を用いて算出される。これは、たとえ
ば従来の数的方法を用いることによって実現されることが可能である。そのよう
な式を解く数的方法は、当業界において周知であると考えられ、ここではこれ以
上説明しない。

【００７６】各ピクセルに対する基準物の結果的な位相を図７に示す。

【００７７】図４の方法が一連の対象物を検査するために使用される場合、工程１００〜１
０８は、その検査の前に基準物に対して１度だけ実行されることが可能で便利で
ある。これによって、検査の速度を加速することができる。

【００７８】工程１００〜１０８は、基準物を、計測対象物、すなわち対象物６２と置換す
ることによって反復される。

【００７９】格子２４によって照射される、板６６を有する球６４の画像の１つを図８に示
す。

【００８０】対象物と基準物とに対する工程１００〜１０８の実行においてまったく差異が
ないため、さらに簡略にするため、これらの工程は、対象物を参照することによ
って再度説明されない。

【００８１】板６６を有する球６４の結果的な位相を図９に示す。なお、図９の画像中の領
域６８は、球６４の影によって発生されるものである。

【００８２】工程１１２において、対象物３０と基準物との間の高さの差は、検査対象物の
位相から基準物の位相を差し引くことによって、工程１０８で得られるように、
各ピクセルに対して算出される。この結果的な画像を図１０に示す。

【００８３】なお、対象物および基準物に対して工程１０８で算出され、図７および図９に
示された位相は、想像上の投射面に関連する表面位相に対応する。

【００８４】格子２４の非平行投射が行われると、この想像上の投射面はわずかにカーブす
るようになる。これは、対象物と基準物の両方の画像が同一のシステム１０とと
もに撮影されるため、本発明による対象物の起伏を計測する方法の欠点ではない
。

【００８５】各ピクセルでの対象物および基準物の位相は対象物（または基準物）と同一の
想像上の投射面との高さの差に対応するため（同一の光学機構を有する同一のシ
ステムが使用されるため）、それらを差し引くことによって、対象物と基準物と
の間の差が算出される。これによって、対象物と基準物との画像獲得が、異なる
照射の下で実行されることが可能となる。

【００８６】任意の工程１１４において、対象物の起伏（すなわち高さ）は、各ピクセルに
おける対象物と基準物との高さの差を使用し、基準物の寸法を認識して、ピクセ
ル毎に決定される。

【００８７】当業者には明らかなように、本発明の実施形態に従う方法は、２つの対象物（
そのうち１つは基準物）の高さの差を計測するために使用されることが可能であ
る。その場合、工程１１４は、当然ながら実行されない。

【００８８】一部の適用において、計測時に基準物として計測対象物が配置される面の表面
を使用することは有効である。

【００８９】一部の適用において、カメラを基準とした既知の位置に対象物と基準物とを配
置する上で役立つ登録システムをシステム１０に提供することは有効である。実
際、対象物と基準物との比較はピクセル毎に実行されるため、登録システムによ
って、対応する点が確実に比較されることが可能となる。

【００９０】このような登録システムは、面表面上のしるし、台、またはコンピュータに実
装されるソフトウェア・プログラムを含む多くの形態をとることが可能である。

【００９１】なお、画像はまず獲得され、その後、本発明の精神から逸脱することなく、将
来のある時点において処理されることが可能である。

【００９２】本発明を読むことによって明らかなように、本発明の実施形態に従う方法によ
って、白光を用いた対象物の起伏の計測は可能となる。

【００９３】本発明は球形対象物が計測される例を用いて説明されたが、他の構成を有する
対象物の検査および計測が可能である。

【００９４】また、システム１０が対象物の起伏の時間における変化を調査するために使用
される場合、同一の対象物は基準物としての役割を果たすことも可能である。

【００９５】もしくは、基準物は、たとえばシステム１０の機構にしたがって実質的に配置
されたコンピュータ支援設計（CAD)によって生成される、対象物のコンピュータ
・モデルと置換されることが可能である。

【００９６】また、基準物は、許容可能なパラメーター内に欠落点を有する同様の物体でも
よい。したがって、対象物と基準物との位相の差し引きは、検査対象の対象物の
欠落点を明らかにする。本発明のこの局面は、起伏の重要な変化を有する対象物
の起伏を検査する上で、特に重要である。

【００９７】実際、位相値は０〜２πの範囲に限定されるため、従来技術の大部分のシステ
ムによって検出されることが可能な最大の高さh₀は、 h₀＝ｐ／tan（θ）となる（式２参照）。

【００９８】通常、位相の非ラッピングは、すべての高さの変化が単一位相オーダー（０〜
２π）にあることが確実なほど十分に大きいピッチｐを有する格子を用いること
によって実行される。

【００９９】この欠点は、それが伴う精度の損失である。たとえば、計測される対象物が画
像獲得装置にしたがって傾いている場合、精度の損失は重要な場合がある。

【０１００】以下の例は、本発明による方法が、どのように上記の欠点の防止を可能とし、
回路基板上のリード（lead）平坦度検査に関係するかを図示する。

【０１０１】図１１は、基板７２上の複数個のリード・ボール７０を含むモジュール６９の
起伏を示す画像である。図１１の画像は、図４の工程１１０〜工程１１４を実行
することによって獲得される。この例において、対象物は、モジュール６９（基
板７２とリードボール７０とを含む）であり、基準物は基準面表面（不図示）で
ある。

【０１０２】図１１において、画像中のグレーの影部分の変化によって、基板７２は面表面
に平行でないことがわかる。したがって、そのような画像は、基板が平面である
場合よりも対象物の高さの計測時に低い精度を提供する。実際、画像上の基板７
２における傾きの原因がシステム１２ではないが、基板７２の実際の構成を反映
する。各リードボール７０の高さにおけるわずかな変化は、基板７２の輪郭にお
ける全体的な変化において消失されることがある。

【０１０３】画像上の基板を仮想的に修正するコンピュータ・アルグリズムも考えられるが
、そのようなアルゴリズムはその検査に処理時間を追加する場合がある。これは
、その検査が実時間において製造ラインで実行される場合に欠点となる可能性が
ある。

【０１０４】提案される解決策は、第２の基準物として基板の表面の近似値を使用すること
である。

【０１０５】実際、各ピクセルにおいて、最初に面表面を基準とした基板７２の高さを見つ
け、第２に、基板７２を基準としたリードボール７０の高さを見つけ、最後にそ
れら２つの高さを加えて、対象物、すなわちボールを有する基板の全体的な高さ
を求めることは有効な場合がある。

【０１０６】モジュールの位相は、図１２に図示されており、図４の方法の工程１００〜１
０８において得られる。

【０１０７】その後、基板７２の表面に関する情報が、補足面の擬似位相画像が算出される
図１２の画像上の基板７２（ボール７０の間）に対応するピクセルを分析するこ
とによって得られる。

【０１０８】ボール７０の高さは、モジュール（図１２）の位相と補足面の位相とを差し引
くことによって、ピクセル毎に算出される（工程１１２）。その結果的な画像を
図１３に示す。

【０１０９】同様に、基板７２の高さは、補足面の位相と基準面の位相とを差し引くことに
よって、ピクセル毎に算出される（工程１１２）。その結果的な画像を図１４に
示す。その後、この位相画像は非ラッピングされる（図１５参照）。

【０１１０】その後、モジュール６９の高さは、図１３および図１５の位相の高さを加える
ことによって得られる。

【０１１１】本発明は、その好適な実施形態を使用して上述したが、特許請求の範囲に定義
されるように、本発明の精神および特徴から逸脱することなく修正されることが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例により、物体の表面を検査するシステムの略図である。

【図２】図１の画像収集装置と格子投影アセンブリの双方の略図である。

【図３】物体上の格子の投影を図示した略図である。

【図４】本発明の一実施例により、物体の凹凸を測定する方法のブロック線図である。

【図５】図１のシステムで検査されるような、基板に実装された球体の像の説明図であ
る。

【図６】格子で照らされた図５の基板の像の説明図である。

【図７】図６の基板の位相を表わす、図１のシステムで計算された像の説明図である。

【図８】格子で照らされた、基板に実装された図５の球体の像の説明図である。

【図９】図８の基板とともに球体の位相を表わす、図１のシステムで計算された像の説
明図である。

【図１０】図７の像と図９の像の間の位相変化を図示した像の説明図である。

【図１１】基板上にリードボールを備えるモジュールと、基準表面との位相変化を表わす
像の説明図である。

【図１２】図１１のモジュールの位相を表わす像の説明図である。

【図１３】図１２の像の位相と、相補形表面の位相像との位相変化を表わす像の説明図で
ある。

【図１４】相補形表面と基準平面の像の位相間の位相変化を表わす像の説明図である。

【図１５】アンラップされた後の図１４の像の説明図である。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年１月２５日（２００２．１．２５）

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図１】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図３】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図４】

【手続補正書】

【提出日】平成１４年２月１４日（２００２．２．１４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の名称】物体の凹凸を測定する方法とシステム

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、一般に、物体の凹凸を測定する方法に関する。さらに具体的に言え
ば、本発明は、このようなシステムと方法を用いて、回路基板上のリード平坦度
を検査することに関する。（背景技術）干渉計測法を利用して、物体の表面に欠陥がないか検査するか、あるいは、物
体の凹凸を測定することがよく知られている。一般的に言うと、このような方法
は、物体の表面上に干渉計測パターンを発生させ、次に、その結果得られた干渉
計測画像（すなわち、インターフェログラム）を分析して、その物体の凹凸を得
る。この干渉計測画像は、一般に、一連の白黒の縞模様を含む。

【０００２】レーザを利用して干渉計測パターンを発生させることを必要とする干渉計測法
は、「代表的な干渉計測法」と呼ばれる。このような代表的な測定法では、レー
ザの波長と、測定アセンブリの構成が、一般に、結果として得られるインターフ
ェログラムの周期を決定する。代表的な干渉計測法は、一般に可視スペクトルで
利用されて、ミクロン・オーダーの高さ変化を測定する。

【０００３】しかしながら、高さ変化（凹凸）が可視スペクトルで実施されるときに、この
ような測定法を用いて、表面上で、０．５〜１μｍ以下の変化を示す高さ変化（
凹凸）を測定することは困難であることが判明した。実際、結果として得られる
インターフェログラムの白黒の縞模様の密度（濃度）が増して、それにより、そ
の分析が煩雑なものとなる。

【０００５】モアレ干渉計測に基づく表面検査法は、代表的な干渉計測法の精度よりもさら
に高い精度を用いて、可視スペクトルで物体の凹凸を測定できるようにしている
。この表面検査法は、１）測定される物体の真上に置かれた格子と、その物体上
の格子の陰影との間（「陰影モアレ技法」）、あるいは、２）物体上の一方の格
子の投影と、物体と、その結果得られるインターフェログラムの写真を撮るのに
使用されるカメラとの間に置かれた他方の格子との間（「投影モアレ技法」）で
得られる周波数ビートの分析に基づいている。双方の場合に、２つの格子間の周
波数ビートが、その結果得られるインターフェログラムの縞模様を発生させる。

【０００６】さらに具体的に言えば、「陰影モアレ」技法は、測定される物体の近くに格子
を置く工程、その物体の平面からの第１の角度（例えば、４５度）より照明を提
供する工程、第２の角度（例えば、その物体の平面から９０度）に置かれたカメ
ラを使用して、このインターフェログラムの写真を撮る工程を含む。

【０００７】この格子と物体との間隔が変わるから、このような高さ変化が、そのインター
フェログラムのパターンを変化させる。その場合、このようなパターンの変化を
分析すれば、物体の凹凸を得ることができる。

【０００８】「陰影モアレ」技法を用いて物体の凹凸を測定することの欠点は、正確な結果
をもたらすように、格子を、物体に非常に近づけて置かなければならず、そのこ
とから、測定アセンブリのセットアップが制限されることである。

【０００９】「投影モアレ」技法は、「陰影モアレ」技法と非常によく似ている。すなわち
、カメラと物体との間に置かれた格子は、「陰影モアレ」技法における格子の陰
影と似た機能を持っているからである。しかしながら、「投影モアレ」技法の欠
点は、その技法が多くの調整をともない、そえゆえ、結果の精度不良の危険性を
高めることである。つまり、「投影モアレ」技法は、２つの格子の位置決めと追
跡を必要とするからである。さらに、第２の格子は、カメラをおおい隠しがちで
あり、それゆえ、他の測定を行うために、カメラを同時に使用できないようにし
ている。

【００１１】本発明の他の目的は、リード平坦度の検査に適するようなシステムを提供する
ことである。（発明の概要）さらに具体的に言えば、本発明によれば、画素アレイを備えたカメラを用いて
物体の凹凸を測定する方法であって、ａ）上記のカメラと基準物体に対して、第１の位置に置かれた格子を、その基準
物体上に投影する工程と、ｂ）この投影格子により照らされた基準物体の画像を、上記のカメラで撮る工程であって、基準物体の画像は各画素についての輝度値を有するものと、ｃ）上記の格子を、カメラと基準物体に対して、２つの異なる既知の位置に置いて、少なくとも２回、工程ａ）と工程ｂ）を繰り返して、画素ごとに、少なくと
も３つの輝度値をもたらす工程と、ｄ）各画素についての基準物体の位相を、当該画素についての上記の少なくとも
３つの基準物体の輝度値を用いて計算する工程と、ｅ）上記第１の位置に置かれた格子を物体上に投影する工程と、ｆ）この投影格子により照らされた物体の像を、カメラで撮る工程であって、物体の画像は各画素についての輝度値を有するものと、ｇ）上記の格子を、これら２つの異なる位置に置いて、少なくとも２回、工程ｅ
）と工程ｆ）を繰り返して、画素ごとに、少なくとも３つの輝度値をもたらす工
程と、ｈ）各画素についての物体の位相を、当該画素についての上記の少なくとも３つ
の物体の輝度値を用いて計算する工程と、ｉ）各画素についての物体と基準物体との高さの差を、当該画素についての基準
物体の位相と物体の位相を用いて計算する工程と、ｊ）画素ごとに、物体と基準物体との高さの差を用いて、物体の凹凸を決定する工程と、を含む方法が提供される。

【００１２】本発明の他の側面によれば、画素アレイが設けられたカメラを用いてほぼ平担な基板にマウントされた少なくとも１つの物体を含むモジュールの高さを測定する方法であって、ｌ）カメラおよびモジュールに対して第１の位置に置かれた格子をモジュールに投影し、ｍ）該投影された格子によって照明されたモジュールの画像であって各画素についての輝度値を有するものをカメラで撮影し、ｎ）格子をカメラ及びモジュールに対して２つの異なる既知の位置に置いて少なくとも２回ステップｌ）およびｍ）を反復して各画素について少なくとも３つの輝度値をもたらし、ｏ）各画素についてのモジュールの位相を、当該画素の少なくとも３つのモジュールの輝度値を用いて計算し、ｐ）前記少なくとも１つの物体に対応しないモジュールの画像上の画素からの前記少なくとも３つの輝度値を用いることによって基板の相補位相を計算し、ｑ）各画素についての前記少なくとも１つの物体の高さを、当該画素についての前記基板の相補位相および前記モジュールの位相を用いて計算し、ｒ）前記第１の位置に置かれた格子を基準面に投影し、ｓ）該投影された格子によって照明された基準面の画像であって各画素位置について輝度値を有するものをカメラで撮影し、ｔ）前記２つの異なる位置に格子を置いて少なくとも２回ステップｒ）とｓ）を反復することによって各画素について少なくとも３つの輝度値をもたらし、ｕ）各画素位置についての基準面の位相を、当該画素についての少なくとも３つの基準面の輝度値を用いて計算し、ｖ）各画素についての基板の高さを、当該画素についての基板の相補位相および前記基準面の位相を用いて計算し、ｗ）基板の高さと前記少なくとも１つの物体の高さを加算することによってモジュールの高さを計算するステップを具備する方法が提供される。

【００１３】本発明の他の側面によれば、物体の凹凸を測定するシステムであって、格子と、格子を経て物体を照明する光源を含む照明アセンブリと、格子を物体に投影するプロジェクタを含み、格子が支持体上に搭載される、格子投影アセン
ブリと、画素アレイを備えたカメラを含む画像取得装置と、ａ）物体と画像取得装置に対して格子を位置決めし、ｂ）それぞれが格子の異なる既知の位置に対応する、物体上に投影された格子の
少なくとも３つの画像と、それぞれが格子のこれらの既知の位置の１つに対応す
る、基準物体上に投影された格子の少なくとも３つの画像を、上記の画像取得装
置から受け取り、ｃ）各画素についての基準物体の位相を、当該画素についての少なくとも３つの
基準物体輝度値を用いて計算し、ｄ）該当する画素に対して、各画素についての物体の位相を、当該画素についての上記の少なくとも３つの物体の輝度値を用いて計算し、ｅ）該当する画素に対して、各画素についての物体と基準物体との高さの差を、当該画素についての上記の基準物体の位相と、上記の物体の位相を用いて計算す
るように構成されているコンピュータと、を備えるシステムが提供される。

【００１４】本発明の他の目的、利点、特徴は、例示としてのみ与えられた本発明の好まし
い実施例の限定されない下記説明を、添付図面を参照して読めば、さらに明らか
になるであろう。（好適な実施形態の記述）ここで、添付図面の図１と図２に移って、本発明の一実施例により、物体の凹
凸を測定するシステム１０を説明する。

【００１５】表面検査システム１０は、格子投影アセンブリ１１、画像取得装置１２、およ
び、好ましくは記憶装置１６、出力装置１８、入力装置２０を備えたコンピュー
タから成っている。

【００１６】次に、さらに具体的に、添付図面の図２に移って、格子投影アセンブリ１１と
画像取得装置１２を、さらに詳しく説明する。

【００１７】格子投影アセンブリ１１は、照明アセンブリ２２、可動支持体２６に取り付け
られた格子２４、およびプロジェクタ２８を含む。

【００１８】照明アセンブリ２２は、好ましくは、格子２４を通じて投影される白色光源３
４を含む。例えば、光源３４は、白色光源（図示されてない）から光を提供する
光ファイバ（図示されてない）の端部である。好ましくは、光源３４と格子２４
との間には、非球面レンズ３６、または他の任意の集光レンズも利用される。他
の光源も利用される場合がある。当業者であれば、本発明の精神の範囲内で、容
易に他の照明アセンブリを思いつくこともできると考えられる。

【００１９】格子２４の構成は、物体３０の凹凸を適切に測定するのに必要な解像度に応じ
て様々である。例えば、２５０ライン／インチのロンキー規則により、約１ｍｍ
の解像度を必要とする回路基板のリード平坦度を測定できることがわかった。

【００２０】好ましくは、可動支持体２６に格子２４を取り付けることにより、格子２４上
の線にも、光の入射方向（図２の破線４２）にも垂直な方向に（図２上の両頭矢
印４０を参照のこと）、格子２４を移動させることができる。

【００２１】可動支持体２６は、ステッピングモータ（図示されてない）によって作動され
る。このステッピングモータは、好ましくは、コンピュータ１４でトリガされる
マイクロコントローラ（図示されてない）によって制御される。もちろん、この
ステッピングモータは、コンピュータ１４で直接に制御されることもある。

【００２２】好ましくは、５０ｍｍのＴＶレンズの形を取るプロジェクタ２８を使用して、
物体３８上に格子２４を投影する。

【００２３】光の入射方向（図２の破線４２）と、画像取得装置１２の目視線（図２の破線
４４）との成す角度は、測定される物体３０の性状によって様々である。

【００２４】当業者であれば、物体３０に対して、照明アセンブリ２２、格子２４、格子プ
ロジェクタ２８を位置決めして、物体３０上に所望のピッチρを持つ投影格子を
もたらすことが理解できると考えられる。

【００２５】例えば、密度が２５０ライン／インチのロンキー格子は、物体３０とプロジェ
クタ２８との間隔を４３〜２２ｃｍにし、また角度θを３０度にした場合に、０
．５ｍｍピッチρを取る投影格子を提供する。このようなピッチは、物体３０の
表面上で、約１ｍｍの高さ変化に相当する。

【００２６】明らかに、この投影格子のピッチは、格子２４のピッチによって変わる。

【００２７】以下に説明される通り、物体３０上の投影格子２４の変位は、格子２４の位置
を固定し、かつ、物体３０とカメラ４６をともに移動させることによっても達成
される場合もある。

【００２８】システム１０は、カメラ４６と物体３０との間に格子を必要としないことに留
意されたい。このような利点は、以下で述べる。

【００２９】画像取得装置１２は、画素アレイを備えたカメラ４６を含み、これは、好ましくは、ＣＣＤカメラ４６の形を取っている。このようなカメラは、例えば、１３
００×１０２４画素の解像度を提供する。

【００３０】画像取得装置１２は、好ましくはオプションの接写リング５０でカメラ４６に
取り付けられたテレセントリックレンズ４８も含む。

【００３１】画像取得装置１２の構成、および、画像取得装置１２と物体３０との間隔が、
画像取得装置１２の視野を決定する。別法として、カメラ４６を物体３０から遠
ざければ、接写リング５０なしで、所望の視野を得ることができる。

【００３２】コンピュータ１４が、取得された画像をディジタル化するように構成されてい
るときには、ＣＣＤカメラを、通常のカメラに代えることができる。

【００３３】好ましくは、コンピュータ１４は、格子２４の移動を制御し、カメラ４６で撮
られた物体３０の画像を処理し、さらにこれらの画像を分析して、物体３０の凹
凸を測定するように、構成されている。

【００３４】好ましくは、コンピュータ１４は、画像をコンピュータ１４で処理するときに
、これらの画像を蓄積することによって処理速度を上げられるようにする記憶手
段を備えている。

【００３５】記憶装置１６は、例えば、ハードドライブ、書込み可能なＣＤ−ＲＯＭドライ
ブ、または、他の公知のデータ記憶手段である。記憶装置１６は、じかにコンピ
ュータ１４に接続できるか、あるいは、インターネットなどのコンピュータネッ
トワークを通じてリモート接続できる。本発明の一実施例によれば、記憶装置１
６を利用して、画像取得装置１２で撮られた画像も、物体３０の凹凸も、さらに
、他の中間結果も蓄積する。これらのファイルは、コンピュータ１４で読み取り可能な形式や解像度であれば、どんなものでも蓄積できる。

【００３６】出力装置１８は、コンピュータ１４により生成された画像やデータを表示でき
るようにし、またディスプレイモニタから印刷装置まで多くの形式を取ることが
できる。入力装置２０は、データやコマンドをコンピュータ１４に入力できるよ
うにする通常のマウス、キーボード、または他の任意の公知の入力装置、あるい
は、それらの組合せである。

【００３７】記憶装置１６、ディスプレイモニタ１８、入力装置２０はすべて、データケー
ブルなどの標準の接続手段を通じて、コンピュータ１４に接続される。

【００３８】コンピュータ１４は、通常のパーソナルコンピュータ、あるいは、プロセッサ
、メモリ、入出力ポート（図示されてない）を含む他の任意のデータ処理装置で
ある。これらの入出力ポートは、画像を、記憶装置１６に、また記憶装置１６か
ら転送するためのネットワーク接続を含む場合がある。

【００３９】もちろん、コンピュータ１４は、以下に記述されるように、本発明の方法を織
り込んだソフトウェアを実行する。

【００４０】システム１０は、調整可能な支持手段（図示されてない）を含んで、画像取得装置１２と格子投影アセンブリ１１を、互いに、また物体３０に対して位置決めすることに留意されたい。別法として、本発明の性質と精神から逸脱することが
なければ、他の位置決め手段も利用できる。

【００４１】本発明の一実施例による、物体の凹凸を測定する方法を詳しく説明する前に、
このような方法の基礎になる一般理論を、まず最初に述べる。この理論は、当業
界では周知のものであると考えられるから、簡明さのために、ここでは、簡潔に
のみ説明する。

【００４２】干渉画像上の各画素（x,y）の輝度l(x,y)は、以下の式によって表すことが可
能である。

【００４３】 l(x,y)＝A(x,y)＋B(x,y)・cos（ΔΦ(x,y)）（１）ただし、ΔΦは、位相の変化（または位相変調）であり、AおよびBは、画素毎に
算出することが可能な係数である。

【００４４】位相変化ΔΦがわかっている場合、基準面に対する各点ｈ（x,y）での対象物
の高さ分布（起伏）は、以下の式を用いて算出することが可能である（図３参照
）。

【００４５】 h(x,y)=ΔΦ(x,y)・p／2π・tan(θ) （２）ただし、上述のように、ｐは格子のピッチ、θは投影角度である。

【００４６】上記の式は、図３に図示するように、対象物上の格子の平行投影に対して有効
であるが（格子投影からの投影線６０は平行である）、格子投影が平行でない場
合、別の式を使用することは、当業者の到達可能な範囲内である。

【００４７】たとえば、ピンホール投影では、基準面（図３のX参照）の平面上の格子から
離れるとともにピッチｐおよび角度θが増加することがわかっている。第１次近似の概算において、ｐとθの変化は互いに相殺し、式２は、パラメーターの特定
の制限内において依然として有効である。

【００４８】高さh(x,y)と位相ΔΦの変化間の関係を再評価し、起伏を計測するために使用
されるシステムの構成にしたがってその関係に修正を加えることは、当業者が到
達可能な範囲であると考えられる。

【００４９】添付の図面のうちの図４において、本発明の実施形態に従う対象物の起伏を計
測する方法をより詳細に説明する。

【００５０】一般的に述べると、本方法は、以下の工程を実行することによって、システム
１０を使用して対象物３０の起伏を計測することを含む。

【００５１】１００−基準物を基準として第１の位置に格子２４を配置する。

【００５２】１０２−基準物上に格子２４を投影する。

【００５３】１０４−カメラ４６を用いて、画像の各画素に対する輝度値を収集するために
基準物の画像を撮影する。

【００５４】１０６−画素毎に少なくとも３つの輝度値を求めるために、工程１００〜１０
４を、２つの新規の異なる既知の位置に配置された格子を用いて少なくとも２回
反復する。

【００５５】１０８−３つの輝度値を用いて各画素の位相を算出する。

【００５６】１１０−基準物を計測される対象物３０と置換することによって、工程１００
〜１０８を反復する。

【００５７】１１２−各画素に対して、画素毎のそのそれぞれの位相を使用することによっ
て、対象物３０と基準物との高さの差を算出する。

【００５８】１１４−各画素における高さの差を使用して、各画素に対する対象物の起伏を
決定する。

【００５９】計測する対象物６２が板６６に取り付けられた球６４である第１の例を参照し
て、以上の一般的な工程をさらに説明する。上記対象物６２の画像を図５に示す
。

【００６０】基準物として同様の板を選択することによって、対象物６２と基準物との高さ
の差は、球６４の高さとなる。対象物６２と基準物との共通の要素は、この例に
おいて、板６６である。

【００６１】工程１００において、格子２４は、ステッピング・モータによって作動される
支持体２６を用いて第１の所定の位置に移動される。上述のように、システム１
０は、基準物（後に対象物）を基準として格子２４およびカメラ４６を位置決めし固定する手段を含む。

【００６２】工程１０２において、格子２４は、基準物上に投影される。

【００６３】工程１０４において、カメラ４６は、基準物の画像を撮影する。

【００６４】その画像は、画像の各画素に対する輝度値を含む。コンピュータ１４は、後の
処理のために、それらの輝度値を格納する。

【００６５】その後、工程１００〜１０４は、２つの新しい既知の異なる位置に配置される
（工程１０６）格子を用いて、少なくとも２回反復される。これは、各画素に対
して、わずかに異なる３つの画像と、したがって３つの輝度値とを提供する。格
子２４によって照明される板の３つの画像のうちの１つを図６に示す。

【００６６】式１が３つの未知数（すなわちA,B, ΔΦ）を含むため、各画素に対する３つ
の輝度値l₁,l₂,およびl₃と、したがって３つの画像が、位相変化ΔΦを算出する
ために必要である。

【００６７】基準物の表面を基準として格子２４がわずかに変位した形の２つの新規な画像が得られる。画像Δφ₁，Δφ₂，およびΔφ₃における位相変化を発生させるよ
うに移動量が選択される。この結果、カメラ４６の画素アレイの各画素に対して
、式１と同様の３つの式ができる。

【００６８】 l_ｎ＝A＋B・cos（ΔΦ＋Δφ_n）（３）ただし、ｎ＝１，３である。

【００６９】式３の式を解くことによって、Δφの値が得られる。格子２４の移動量は、Δ
φ₁，Δφ₂，およびΔφ₃の異なる値が提供されるように選択される。

【００７０】本発明の好適な実施形態によれば、４つ以上の画像が撮影される。これによっ
て、算出された位相の精度を増加させるために使用されることが可能な、さらな
る輝度値が得られる。

【００７１】従来技術による方法は４つの画像の使用を必要とし、これらの画像からの全４
つの値は位相推定のために撮影される。本発明による方法は、３つの画像のみを
必要とするため、本方法の精度と信頼性を増加させるために、さらなる画像を使
用可能である。

【００７２】たとえば、４つ（またはそれ以上）の画像を取得することによって、ノイジー
な画素または画像を破棄し、最も有効な輝度値を有する画素のみを取得すること
が可能である。実際、４つの輝度値のうちの１つがノイジー（たとえば画像の飽和が原因となる場合がある）の場合、その輝度を、この特定の画素に対して得られる位相の精度を損うことなく削除することが可能である。

【００７３】もしくは、少なくとも最小自乗フィットなどの数値的方法を用いて位相を従来
通り計算するために、４つ以上の輝度値を使用することが可能である。しかしな
がら、そのような方法は、特定の画素に対して算出される誤りの位相値を防ぐこ
とができず、それによって対象物の起伏の計算が不正確となってしまう可能性が
ある。

【００７４】本発明の別の好適な実施形態によれば、第２の画像と第３の画像と（第４の画
像と）の間の格子の移動量は、１８０度の位相変化Δφ（式３参照）を有する３
つの画像を供給するように選択される。これによって、格子を投影することなく基準物の（または対象物の）画像を取得することが可能となる。これは、１８０
度移動された２つの画像の輝度値を加えることによって実現可能である。

【００７５】より一般的に、カメラ４６によって撮影された３つ以上の画像のうちのいくつ
かの位相変化の合計が３６０度である場合、対応する二次元画像は、各画素に対
するこれらの画像の輝度値を加えることによって得られる。この再構成された二
次元画像は投影格子を含まない。この画像は、工程１１２の結果である画像また
は値に対して施される後続の分析を加速可能である基準物の（または対象物の）
予備分析を実行するために使用されることが可能である。

【００７６】工程１０８において、位相は、式３を解くことによって各画素に対して３つの
輝度値（または３つの最良な輝度値）を用いて算出される。これは、たとえば従
来の数値的方法を用いることによって実現されることが可能である。そのような
式を解く数値的方法は、当業界において周知であると考えられ、ここではこれ以
上説明しない。

【００７７】各画素に対する基準物について得られた位相を図７に示す。

【００７８】図４の方法が一連の対象物を検査するために使用される場合、工程１００〜１
０８は、その検査の前に基準物に対して１度だけ実行されることが可能で便利で
ある。これによって、検査の速度を加速することができる。

【００７９】工程１００〜１０８は、基準物を、計測対象物、すなわち対象物６２と置換す
ることによって反復される。

【００８０】格子２４によって照明される、板６６を有する球６４の画像の１つを図８に示
す。

【００８１】対象物と基準物とに対する工程１００〜１０８の実行においてまったく差異が
ないため、さらに簡略にするため、これらの工程は、対象物を参照することによ
って再度説明されない。

【００８２】板６６を有する球６４について得られた位相を図９に示す。なお、図９の画像
中の領域６８は、球６４の影によって発生されるものである。

【００８３】工程１１２において、対象物３０と基準物との間の高さの差は、検査対象物の
位相から基準物の位相を差し引くことによって、工程１０８で得られるように、
各画素に対して算出される。この結果得られた画像を図１０に示す。

【００８４】なお、対象物および基準物に対して工程１０８で算出され、図７および図９に
示された位相は、仮想的な投影面に対する表面位相に対応する。

【００８５】格子２４の非平行投影が行われると、この仮想的な投影面はわずかにカーブす
るようになる。これは、対象物と基準物の両方の画像が同一のシステム１０で撮
影されるためであり、本発明による対象物の起伏を計測する方法の欠点ではない
。

【００８６】各画素での対象物および基準物の位相は対象物（または基準物）と同一の仮想的な投影面との高さの差に対応するため（同一の光学機構を有する同一のシステ
ムが使用されるため）、それらを差し引くことによって、対象物と基準物との間
の差が算出される。これによって、対象物と基準物との画像取得を、異なる照明の下で実行することが可能となる。

【００８７】オプションの工程１１４において、対象物の起伏（すなわち高さ）が、各画素における対象物と基準物との高さの差を使用して画素毎に決定され、基準物の寸法が認識される。

【００８８】当業者には明らかなように、本発明の実施形態に従う方法を、２つの対象物（
そのうち１つは基準物）の高さの差を計測するために使用することが可能である
。その場合、工程１１４は、当然ながら実行されない。

【００８９】いくつかの応用において、計測時に計測対象物が置かれる面の表面を基準物として使用することが望ましい。

【００９０】いくつかの応用において、カメラに対して既知の位置に対象物と基準物とを配
置する上で役立つ位置決めシステムをシステム１０に設けることが望ましい。実
際、対象物と基準物との比較は画素毎に実行されるため、位置決めシステムによ
って、対応する点を確実に比較することが可能となる。

【００９１】このような位置決めシステムは、面表面上のしるし、台、またはコンピュータ
に実装されるソフトウェア・プログラムを含む多くの形態をとることが可能であ
る。

【００９２】なお、画像はまず取得され、その後、本発明の精神から逸脱することなく、将
来のある時点において処理されることが可能である。

【００９３】本発明を読み取ることで明らかなように、本発明の実施形態に従う方法によっ
て、白光を用いた対象物の起伏の計測が可能となる。

【００９４】本発明は球形対象物が計測される例を用いて説明されたが、他の構成を有する
対象物の検査および計測が可能である。

【００９５】また、システム１０が対象物の起伏の時間変化を調べるために使用される場合
、同一の対象物が基準物としての役割も果たすことが可能である。

【００９６】もしくは、基準物の代わりに、たとえばシステム１０の機構にしたがって仮想的に置かれたコンピュータ支援設計（CAD)によって生成される、対象物のコンピ
ュータ・モデルを使用することも可能である。

【００９７】また、基準物は、許容可能なパラメーター以内の欠落点を有する同様の物体で
もよい。その場合に、対象物と基準物との位相の差し引きは、検査対象の対象物
の欠落点を明らかにする。本発明のこの局面は、起伏の重要な変化を有する対象
物の起伏を検査する上で、特に重要である。

【００９８】実際、位相値は０〜２πの範囲に限定されるため、従来技術の大部分のシステ
ムによって検出することが可能な最大の高さh₀は、 h₀＝ｐ／tan（θ）となる（式２参照）。

【００９９】通常、位相のアンラッピングは、すべての高さの変化が単一位相オーダー（０
〜２π）にあることが確実なほど十分に大きいピッチｐを有する格子を用いるこ
とによって実行される。

【０１００】この欠点は、それが伴う精度の損失である。たとえば、計測される対象物が画
像取得装置にしたがって傾いている場合、精度の損失は重要な場合がある。

【０１０１】以下の例は、本発明による方法が、どのように上記の欠点の防止を可能とし、
回路基板上のリード（lead）平坦度検査に関係するかを図示する。

【０１０２】図１１は、基板７２上の複数個のリードボール７０を含むモジュール６９の起
伏を示す画像である。図１１の画像は、図４の工程１１０〜工程１１４を実行す
ることによって取得される。この例において、対象物は、モジュール６９（基板
７２とリードボール７０とを含む）であり、基準物は基準面表面（不図示）であ
る。

【０１０３】図１１において、画像中のグレーの影部分の変化によって、基板７２は面表面
に平行でないことがわかる。したがって、そのような画像は、基板が平面である
場合よりも対象物の高さの計測時に低い精度を提供する。実際、画像上の基板７
２における傾きの原因はシステム１２ではなく、基板７２の実際の構成を反映していることに注意すべきである。各リードボール７０の高さにおけるわずかな変
化は、基板７２の輪郭における全体的な変化において消失されることがある。

【０１０４】画像上の基板を仮想的に修正するコンピュータアルゴリズムも考えられるが、
そのようなアルゴリズムはその検査の処理時間を増大させる場合がある。これは
、その検査が実時間において製造ラインで実行される場合に欠点となる可能性が
ある。

【０１０５】提案される解決策は、第２の基準物として基板の表面の近似値を使用すること
である。

【０１０６】実際、各画素において、最初に面表面を基準とした基板７２の高さを見つけ、
第２に、基板７２を基準としたリードボール７０の高さを見つけ、最後にそれら
２つの高さを加えて、対象物、すなわちボールを有する基板の全体的な高さを求
めることが有効な場合がある。

【０１０７】モジュールの位相は、図１２に図示されており、図４の方法の工程１００〜１
０８において得られる。

【０１０８】その後、基板７２の表面に関する情報が、補足面の擬似位相画像が算出される
図１２の画像上の基板７２（ボール７０の間）に対応する画素を分析することに
よって得られる。

【０１０９】ボール７０の高さは、モジュール（図１２）の位相と補足面の位相とを差し引
くことによって、画素毎に算出される（工程１１２）。その結果得られた画像を
図１３に示す。

【０１１０】同様に、基板７２の高さは、補足面の位相と基準面の位相とを差し引くことに
よって、画素毎に算出される（工程１１２）。その結果得られた画像を図１４に
示す。その後、この位相画像はアンラッピングされる（図１５参照）。

【０１１１】その後、モジュール６９の高さは、図１３および図１５の位相の高さを加える
ことによって得られる。

【０１１２】本発明は、その好適な実施形態を使用して上述したが、特許請求の範囲に定義
されるように、本発明の精神および特徴から逸脱することなく修正されることが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図２】図１の画像取得装置と格子投影アセンブリの双方の略図である。

【図３】物体上の格子の投影を図示した略図である。

【図５】図１のシステムで検査されるような、基板に実装された球体の画像の説明図で
ある。

【図６】格子で照らされた図５の基板の画像の説明図である。

【図７】図６の基板の位相を表わす、図１のシステムで計算された画像の説明図である
。

【図８】格子で照らされた、基板に実装された図５の球体の画像の説明図である。

【図９】図８の基板とともに球体の位相を表わす、図１のシステムで計算された画像の
説明図である。

【図１０】図７の像と図９の像の間の位相変化を図示した画像の説明図である。

【図１１】基板上にリードボールを備えるモジュールと、基準表面との位相変化を表わす画像の説明図である。

【図１２】図１１のモジュールの位相を表わす画像の説明図である。

【図１３】図１２の像の位相と、相補形表面の位相像との位相変化を表わす画像の説明図
である。

【図１４】相補形表面と基準平面の像の位相間の位相変化を表わす画像の説明図である。

【図１５】アンラップされた後の図１４の画像の説明図である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図１】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図３】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図４】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者カルタン，ミッシェルカナダ国，ケベックジェイ４ダブリュ３エル２，ブロサール，ブールバールマリー−ビクトラン 7680，アパルトマン 1410 (72)発明者ニキティーヌ，アレクサンドルカナダ国，ケベックエイチ２ジェイ３アール７，モントリオール，ガルニエ 4243，アパルトマン 35 Ｆターム(参考） 2F065 AA01 AA06 AA14 AA20 AA24 AA47 AA53 BB02 BB05 CC01 DD02 DD03 FF01 FF02 FF04 FF42 GG24 HH06 HH18 JJ03 JJ26 LL01 LL04 LL41 MM14 QQ24 QQ25 QQ28 QQ31 5B057 AA03 BA02 BA17 DA03 DB02 DB05 DB09 DC22 DC30 DC34 【要約の続き】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一そろいのピクセルを備えたカメラを用いて物体の凹凸を測
定する方法であって、ａ）前記カメラに対して、また基準物体に対して、第１の位置に位置づけられた
格子を、前記基準物体上に投影する工程と、ｂ）前記投影格子により照らされ、かつピクセルごとに輝度値を持つ前記基準物
体の像を、前記カメラで撮る工程と、ｃ）前記格子を、前記カメラに対して、また前記基準物体に対して、２つの異な
る既知の位置に位置づけて、少なくとも２回、工程ａ）と工程ｂ）を繰り返して
、ピクセルごとに、少なくとも３つの輝度値をもたらす工程と、ｄ）該当するピクセルに対して、前記少なくとも３つの基準物体輝度値を用いて
、ピクセルごとに前記基準物体の位相を計算する工程と、ｅ）前記第１の位置に位置づけられた格子を前記物体上に投影する工程と、ｆ）前記投影格子により照らされ、かつピクセル位置ごとに輝度値を持つ前記物
体の像を、カメラで撮る工程と、ｇ）前記格子を、前記２つの異なる位置に位置づけて、少なくとも２回、工程ｅ
）と工程ｆ）を繰り返して、ピクセルごとに、少なくとも３つの輝度値をもたら
す工程と、ｈ）該当するピクセルに対して、前記少なくとも３つの物体輝度値を用いて、ピ
クセル位置ごとに前記物体の位相を計算する工程と、ｉ）該当するピクセルに対して、前記基準物体の位相と、前記物体の位相を用い
て、ピクセルごとに、前記物体と前記基準物体との高さの差を計算する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】前記ピクセルごとに、前記物体と前記基準物体との前記高さ
の差を用いて、前記物体の凹凸を測定する工程をさらに含むことを特徴とする請
求項１記載の方法。
【請求項３】工程ｄ）と工程ｈ）の少なくとも１つにおいて、Ｉ_ｎ＝Ａ＋Ｂ・ｃｏｓ（ΔΦ＋Δφ_ｎ）（ここで、Ｉ_ｎは少なくとも３つの輝度値を表わし、ＡとＢは既知の係数であり
、またΔφ_ｎは、前記格子の異なる位置で発生する位相変化である）の方程式系を解くことで、ピクセルごとに、前記位相ΔΦを計算することを特徴
とする請求項１記載の方法。
【請求項４】数値法を用いて、前記方程式系を解くことを特徴とする請求
項３記載の方法。
【請求項５】工程ｃ）において、前記格子を、前記カメラに対して、また
前記基準物体に対して、３つ以上の異なる既知の位置に位置づけて、３回以上、
工程ａ）と工程ｂ）を繰り返して、ピクセルごとに、前記少なくとも３つの輝度
値と、少なくとも１つの追加値をもたらし、また、工程ｄ）において、前記少な
くとも３つの輝度値と、前記少なくとも１つの追加値の中から選択を行って、も
っとも好ましい３つの輝度値をもたらして、前記もっとも好ましい３つの輝度値
を用いて、ピクセルごとに、前記基準物体の位相を計算することを特徴とする請
求項１記載の方法。
【請求項６】工程ｃ）において、前記格子を、前記カメラに対して、また
前記基準物体に対して、３つ以上の異なる既知の位置に位置づけて、３回以上、
工程ａ）と工程ｂ）を繰り返して、４つ以上の輝度値をもたらし、また、工程ｄ
）において、前記もっとも好ましい４つ以上の輝度値から、もっとも好ましい３
つの輝度値を用いて、ピクセルごとに、前記基準物体の位相を計算することを特
徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】工程ｇ）において、前記格子を、前記カメラに対して、また
前記物体に対して、３つ以上の異なる既知の位置に位置づけて、３回以上、工程
ｅ）と工程ｆ）を繰り返して、ピクセルごとに、前記少なくとも３つの輝度値と
、少なくとも１つの追加値をもたらし、また、工程ｈ）において、前記少なくと
も３つの輝度値と、前記少なくとも１つの追加値の中から選択を行って、もっと
も好ましい３つの輝度値をもたらして、前記もっとも好ましい３つの輝度値を用
いて、ピクセルごとに、前記物体の位相を計算することを特徴とする請求項１記
載の方法。
【請求項８】工程ｇ）において、前記格子を、前記カメラに対して、また
前記物体に対して、３つ以上の異なる既知の位置に位置づけて、３回以上、工程
ａ）と工程ｂ）を繰り返して、４つ以上の輝度値をもたらし、また、工程ｄ）に
おいて、前記３つの輝度値から、もっとも好ましい３つの輝度値を用いて、ピク
セルごとに、前記物体の位相を計算することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】工程ｃ）において、前記格子の前記２つの既知の位置を選択
して、互いに１８０度の位相差を持つ前記物体の少なくとも２つの像を提供する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】互いに１８０度の位相差を持つ前記物体の前記少なくとも
２つの像を差し引くことで、前記物体の二次元像を計算し、また、前記二次元像
を用いて、前記物体の予備分析を行うことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】工程ｇ）において、前記格子の前記２つの既知の位置を選
択して、互いに１８０度の位相差を持つ前記基準物体の少なくとも２つの像を提
供することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】互いに１８０度の位相差を持つ前記物体の前記少なくとも
２つの像を差し引くことで、前記基準物体の二次元像を計算し、また、前記二次
元像を用いて、前記基準物体の予備分析を行うことを特徴とする請求項１１記載
の方法。
【請求項１３】前記基準物体が平面であることを特徴とする請求項１記載
の方法。
【請求項１４】前記基準物体が、前の所定の時点における前記物体であり
、また前記基準物体が、前の時点を中心として計算され、それにより、工程ｉ）
が、前記前の時点と、前記物体の位相が計算される近似時点との間で、各ピクセ
ルにおける高さむらを与えることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１５】前記基準物体が、前記物体のＣＡＤであり、工程ａ）にお
いて、前記格子を、事実上、前記ＣＡＤ内に位置づけて投影し、また工程ｂ）に
おいて、前記基準物体の前記像をシミュレートすることを特徴とする請求項１記
載の方法。
【請求項１６】物体の凹凸を測定するシステムであって、格子投影アセンブリと、一そろいのピクセルを備えたカメラを含む画像収集装置と、ａ）それぞれが、前記格子の異なる既知の位置に対応する前記物体上に投影され
た格子の少なくとも３つの像と、それぞれが、前記格子の前記既知の位置の１つ
に対応する前記基準物体上に投影された格子の少なくとも３つの像を、前記画像
収集装置から受け取り、ｂ）該当するピクセルに対して、前記少なくとも３つの基準物体輝度値を用いて
、ピクセルごとに、前記基準物体の位相を計算し、ｃ）該当するピクセルに対して、前記少なくとも３つの物体輝度値を用いて、ピ
クセルごとに、前記物体の位相を計算し、ｄ）該当するピクセルに対して、前記基準物体の位相と、前記物体の位相を用い
て、ピクセルごとに前記物体と前記基準物体との高さの差を計算するように構成
されているコンピュータと、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１７】リード平坦度の検査のために、請求項１記載の方法の利用
。