KR20020060151A - 물체의 기복을 측정하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

물체의 기복을 측정하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

물체의 기복을 측정하기 위한 방법 및 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템은 그리드를 투사하기 위한 그리드 투사 조립체, 카메라를 포함하는 이미지 획득 장치 및 컴퓨터를 포함한다. 측정할 물체와 공통 구성요소를 가진 기준 물체를 제공하고, 상기 방법은 a) 상기 카메라와 상기 공통 구성요소에 대해 3개의 상이한 알려진 위치에 그리드를 배치하는 단계; b) 상기 그리드의 각 위치에 대해, 그리드를 상기 기준 물체 상으로 투사하고, 카메라의 각 픽셀에 대한 값을 가진 3개의 이미지를 산출하기 위해 상기 기준 물체의 이미지를 촬영하는 단계; 및 대응하는 픽셀에 대한 3개의 기준 물체 세기값을 이용하여 각 픽셀에 대해 기준 물체 위상을 계산하는 단계를 포함한다. 상기 기준 물체를 측정될 물체와 대체하여 상기 단계 a), b) 및 c)가 반복된다. 다음에는, 대응하는 픽셀에 대한 기준 물체 위상 및 물체 위상을 감산함으로써, 각 픽셀에 대해 측정될 물체와 기준 물체 사이의 고도차가 계산된다.

Description

물체의 기복을 측정하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MEASURING THE RELIEF OF AN OBJECT}
결함에 대해 물체의 표면을 검사하고 물체의 기복을 측정하기 위해 간섭계적인 방법(interferometric methods)을 이용하는 것은 잘 알려져 있다. 일반적으로 말하면, 이러한 방법은 물체의 표면 상에 간섭계 패턴을 생성하고 물체의 기복을 얻기 위해 도출된 간섭계 이미지(또는 인터페로그램)를 분석하는 단계로 이루어진다. 간섭계 이미지는 일반적으로 일련의 흑백 프린지를 포함한다.
간섭계 패턴을 생성하기 위해 레이저의 이용을 필요로 하는 간섭계 방법은 "고전적인 간섭계 방법"으로 불린다. 이러한 고전적인 방법에 있어서는, 레이저의 파장 및 측정하는 조립체(assembly)의 구성이 일반적으로 도출된 인터페로그램(interferogram)의 주기를 결정한다. 고전적인 간섭계 방법은 일반적으로 마이크론 정도의 고도 변화를 측정하기 위한 가시 스펙트럼(visible spectrum)에 사용된다.
그러나, 가시 스펙트럼으로 구현되는 경우에 0.5-1um 이상의 변화를 보이는 표면 상의 고도 변화(기복)를 측정하기 위해 이러한 방법을 이용하는 것은 어려운 것으로 알려졌다. 실제로, 도출된 인터페로그램의 흑백 프린지의 밀도가 증가하여, 그 분석을 어렵게 만든다.
고전적인 간섭계 방법의 다른 결점은 측정하는 조립체가 잡음 및 진동에 특히 민감한 것을 필요로 한다는 것이다.
무아레(Moire) 간섭계에 기초한 표면 검사 방법은 고전적인 간섭계 방법의 정확성 보다 훨씬 큰 정확성을 갖고 가시 스펙트럼에서 물체의 기복을 측정할 수 있도록 한다. 이들 방법은 (1) 측정될 물체 상에 위치한 그리드(grid)와 물체 상의 그 음영(shadow) 사이("Shadow Moire Techniques") 또는 (2) 물체 상의 그리드와 도출된 인터페로그램의 사진을 촬영하는데 사용된 카메라와 물체 사이에 위치한 다른 그리드의 프로젝션("Projected Moire Techniques") 사이에서 얻어지는 주파수 비트(beats)의 분석에 기초한다. 두 경우 모두, 2개의 그리드 사이의 주파수 비트가 도출된 인터페로그램의 프린지를 발생한다.
특히, "Shadow Moire 기술"은 측정될 물체에 근접하여 그리드를 배치하는 단계, 물체의 평면으로부터 제1 각도(예, 45도)로 조명을 제공하는 단계 및 인터페로그램의 사진을 촬영하기 위해 제2 각도(예, 물체 평면으로부터 90도)로 위치한 카메라를 이용하는 단계를 포함한다.
그리드와 물체 사이의 거리가 변화되기 때문에, 고도의 변화는 인터페로그램의 패턴에서 변화를 발생한다. 다음에, 물체의 기복을 얻기 위해 이러한 패턴에서의 변화가 분석될 수 있다.
물체의 기복을 측정하기 위해 "Shadow Moire 기술"을 이용하는데 있어서의 결점은 정확한 결과를 산출하기 위해 그리드가 물체에 매우 근접하여 위치되어야 하며, 그에 따라 측정하는 조립체의 셋업에 제약을 유발한다는 것이다.
"Projected Moire 기술"은 "Shadow Moire 기술"과 매우 유사한데, 그 이유는 카메라와 물체 사이에 위치한 그리드가 "Shadow Moire 기술"에서의 그리드의 음영와 유사한 기능을 갖기 때문이다. 그러나, "Projected Moire 기술"의 결점은 그것이 2개의 그리드의 배치(positioning) 및 추적(tracking)을 필요로 하기 때문에 여러번의 조정을 수반하고, 그러므로 결과에서의 부정확할 위험성을 더 많이 발생한다는 것이다. 또한, 제2 그리드가 카메라를 가리기 쉬우며, 따라서 다른 측정을 행하는 것과 동시에 이용되는 것을 방해한다.
따라서, 종래 기술의 전술한 결점이 없이 물체의 기복을 측정하기 위한 방법 및 시스템이 요구된다.
본 발명은 일반적으로 물체의 기복(relief)을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 회로 기판 상의 리드 동일평면성(lead coplanarity)을 검사하기 위해 이러한 시스템 및 방법을 이용하는 것에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따라 물체의 표면을 검사하기 위한 시스템의 개략도.
도2는 도1의 이미지 획득 장치 및 그리드 투사 조립체의 개략도.
도3은 물체 상에 그리드를 투사하는 것을 예시한 개략도.
도4는 본 발명의 일실시예에 따라 물체의 기복을 측정하기 위한 방법의 블록도.
도5는 도1의 시스템에 의해 촬영된 바와 같은, 기판상에 장착된 구체의 이미지를 도시한 도면.
도6은 그리드의 의해 조명된, 도5의 기판의 이미지를 도시한 도면.
도7은 도6의 기판의 위상을 나타내는, 도1의 시스템에 의해 계산된 이미지를 도시한 도면.
도8은 그리드에 의해 조명된, 기판에 장착된 도5의 구체의 이미지를 도시한 도면.
도9는 도8의 기판을 이용하여 구체의 위상을 나타내는, 도1의 시스템에 의해 계산된 이미지를 도시한 도면.
도10은 도7과 도9의 이미지 사이의 위상 변화를 예시하는 이미지를 도시한 도면.
도11은 기준 표면과 기판상의 리드 볼을 포함하는 모듈 사이의 위상 변화를 나타내는 이미지를 도시한 도면.
도12는 도11의 모듈의 위상을 나타내는 이미지를 도시한 도면.
도13은 도12의 이미지의 위상과 상보 표면의 이미지의 위상 사이의 위상 변화를 나타내는 이미지를 도시한 도면.
도14는 상보 표면과 기준 표면의 이미지들의 위상 사이의 위상 변화를 나타내는 이미지를 도시한 도면.
도15는 언랩핑 이후의 도14의 이미지를 도시한 도면.
발명의 목적
본 발명의 목적은 물체의 기복을 측정하기 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 리드 동일평면성 검사에 적절한 이러한 시스템을 제공하는 것이다.
발명의 요약
특히, 본 발명에 따르면, 픽셀들의 어레이를 갖춘 카메라를 이용하여 물체의 기복을 측정하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은,
a) 기준 물체 상에 그리드를 투사하는 단계 - 상기 그리드는 상기 카메라와 상기 기준 물체에 대해 제1 위치에 위치됨 - ;
b) 상기 투사된 그리드에 의해 조명되는 기준 물체의 이미지를 카메라를 이용하여 촬영하는 단계 - 상기 기준 물체의 이미지는 각 픽셀에 대한 세기 값을 가짐 - ;
c) 각 픽셀에 대해 적어도 3개의 세기 값을 산출하기 위해 상기 카메라와 상기 기준 물체에 대해 적어도 2개의 상이한 알려진 위치에 위치한 그리드를 이용하여 상기 단계 a) 및 b)를 적어도 2회 반복하는 단계;
d) 대응하는 픽셀에 대한 적어도 3개의 기준 물체 세기 값을 이용하여 각 픽셀에 대해 기준 물체 위상을 계산하는 단계;
e) 상기 물체 상에 그리드를 투사하는 단계 - 상기 그리드는 상기 제1 위치에 위치됨 - ;
f) 상기 투사된 그리드에 의해 조명되는 상기 물체의 이미지를 카메라를 이용하여 촬영하는 단계 - 상기 물체의 이미지는 각 픽셀 위치에 대한 세기 값을 가짐 - ;
g) 각 픽셀에 대해 적어도 3개의 세기 값을 산출하기 위해 상기 적어도 2개의 상이한 위치에 위치한 그리드를 이용하여 상기 단계 e) 및 f)를 적어도 2회 반복하는 단계;
h) 대응하는 픽셀에 대한 적어도 3개의 물체 세기 값을 이용하여 각 픽셀 위치에 대해 물체 위상을 계산하는 단계; 및
i) 대응하는 픽셀에 대해 상기 기준 물체 위상 및 상기 물체 위상을 이용하여 각 픽셀에 대해 상기 물체와 상기 기준 물체 사이의 고도차를 계산하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 물체의 기복을 측정하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은,
그리드 투사 조립체;
픽셀들의 어레이를 갖춘 카메라를 포함하는 이미지 획득 장치; 및
컴퓨터
를 포함하고,
상기 컴퓨터는,
a) 상기 물체 상에 투사된 그리드의 적어도 3개의 이미지 - 상기 물체 상에 투사된 그리드의 상기 각각의 이미지는 상기 그리드의 상이한 알려진 위치에 대응함 - 와 기준 물체 상에 투사된 그리드의 적어도 3개의 이미지 - 상기 기준 물체 상에 투사된 그리드의 상기 각각의 이미지는 상기 그리드의 상기 알려진 위치 중 하나에 대응함 - 를 상기 이미지 획득 장치로부터 수신하고;
b) 대응하는 픽셀에 대한 적어도 3개의 기준 물체 세기 값을 이용하여 각 픽셀에 대해 기준 물체 위상을 계산하고;
c) 대응하는 픽셀에 대한 적어도 3개의 물체 세기 값을 이용하여 각 픽셀에 대해 물체 위상을 계산하고;
d) 대응하는 픽셀에 대한 상기 기준 물체 위상 및 상기 물체 위상을 이용하여 각 픽셀에 대해 상기 물체와 상기 기준 물체 사이의 고도차를 계산하도록 구성된다.
본 발명의 다른 목적, 장점 및 특징은 단지 예로서 제공된 바람직한 실시예에 관한 다음의 설명을 첨부도면을 참조하여 읽음으로써 보다 명백해질 것이다.
이하에서는 첨부된 도면의 도1 및 도2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따라 물체의 기복을 측정하기 위한 시스템(10)에 대해서 설명된다.
표면 검사 시스템(10)은 그리드 투사 조립체(grid projecting assembly)(11), 이미지 획득 장치(image acquisition apparatus)(12), 및 저장 장치(16), 출력 장치(18) 및 입력 장치(20)가 유리하게 제공된 컴퓨터(14)로 구성된다.
이하에서는 첨부된 도면의 도2를 보다 상세하게 참조하여, 그리드 투사 조립체(11) 및 이미지 획득 장치(12)가 보다 상세하게 설명된다.
그리드 투사 조립체(11)는 조명 조립체(illuminating assembly)(22), 이동 지지대(movable support)(26) 및 프로젝터(projector)(28)에 장착되어 있는 그리드(grid)(24)를 포함한다.
조명 조립체(22)는 그리드(24)를 통해 투사되는 백색광원(a source of white light)(34)를 유리하게 포함한다. 예를 들어, 광원(34)는 백색광원(미도시)로부터 빛이 제공되는 광섬유(미도시)의 단부(end)이다. 비구면 렌즈(aspherical lens)(36) 또는 임의의 집광렌즈(condenser)가 광원(34)과 그리드(24) 사이에서 유리하게 사용된다. 다른 광원 또한 사용될 수 있다. 본 발명의 범위 내에서 다른 조명 조립체를 착안하는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 생각할 수 있는 범주 내이다.
그리드(24)의 구성은 물체(30)의 기복을 적정하게 측정하기 위해 필요한 해상도(resolution)에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 인치당 250 라인을 갖는 론치 궤선(ronchi ruling)은 1mm 정도의 해상도가 요구되는 회로기판(circuit board)에서 리드 동일평면성(lead coplanarity)을 측정할 수 있다.
그리드(24)는 그리드(24) 상의 양쪽 라인들 및 광의 입사방향(direction of incidence)(도2의 점선 42)에 수직한 방향으로 그리드(24)의 변위를 허용하는 이동 지지대(26)에 유리하게 장착되어 있다.
이동 지지대(26)는 스테핑 모터(stepping motor)(미도시)에 의해 작동된다. 스테핑 모터는 컴퓨터(14)에 의해 동작하는 마이크로컨트롤러(미도시)에 의해 유리하게 제어된다. 물론, 스테핑 모터는 컴퓨터(14)에 의해 직접 제어될 수도 있다.
50 mm TV 렌즈 형태의 프로젝터(28)는 물체(38) 상에 그리드(24)를 투사하기 위해 유리하게 사용된다.
광의 입사방향(도2의 점선 42)와 이미지 획득 장치(12)의 목선(line of sight)(도2의 점선 44) 사이의 각도 θ는 측정되는 물체(30)의 속성(nature)에 따라 변할 수 있다.
물체(30)상에 원하는 피치(pitch)p를 갖는 투사된 그리드를 산출하기 위해, 물체(30)에 상대적인 조명 조립체(22), 그리드(24) 및 그리드 프로젝터(28)를 배치하는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 생각할 수 있는 범주 내이다.
예를 들어, 인치당 250 라인의 밀도를 갖고 물체(30)와 프로젝터(28) 사이의 22 cm 간격(43)을 유지하며, 30 도의 각도 θ를 위한 ronchi 그리드(ronchi grid)는 0.5 mm의 피치p를 갖는 투사된 그리드를 제공한다. 이러한 피치는 물체(30)의 표면상에서 약 1 mm의 고도 변화와 등가이다.
명백하게, 투사된 그리드의 피치는 그리드(24)의 피치와 함께 변화한다.
이하에서 설명되는 바와 같이, 그리드(24)의 위치를 고정시키고 물체(30) 및 카메라(46)을 함께 이동시킴으로써 물체(30) 상의 투사된 그리드(24)의 변위를 달리 성취할 수 있다.
시스템(10)에서는 카메라(46)와 물체(30) 사이의 그리드가 요구되지 않는다. 이러한 장점은 이하에서 설명될 것이다.
이미지 획득 장치(12)는 픽셀(pixels) 어레이를 갖추고 유리하게는 CCD 카메라 형태인 카메라(46)를 포함한다. 이러한 카메라는 예를 들어 1300X1024 픽셀의 해상도를 제공한다.
이미지 획득 장치(12)는 또한 광 확장 튜브(optical extension tube)(50)를 통해 카메라(46)에 유리하게 장착된 원격중심 렌즈(telecentric lense)(48)를 유리하게 포함한다.
이미지 획득 장치(12)의 구성 및 장치(12)와 물체(30)사이의 거리는 이미지 획득 장치(12)의 뷰의 필드(field of view)를 결정한다. 다른 한편으로, 확장 튜브(50) 없이도 물체(30)로부터 카메라(46)를 이격시킴으로써 원하는 뷰의 필드를 얻을 수 있다.
컴퓨터(14)가 획득한 이미지를 디지털화하도록 구성된 경우 CCD 카메라는 통상의 카메라로 대체될 수 있다.
컴퓨터(14)는 그리드(24)의 변위를 제어하고, 카메라(46)에 의해 획득된 물체(30)의 이미지를 처리하며, 물체(30)의 기복을 측정하기 위해 상기 이미지들을 분석하도록 유리하게 구성된다.
컴퓨터(14)에는 이미지들이 컴퓨터(14)에 의해 처리된 경우 이러한 이미지들을 저장하여 처리 속도를 증가시키는 메모리 수단이 구비된다.
저장 장치(16)는 예를 들어 하드 드라이브, 기록가능한 CD-ROM 드라이브 또는 다른 잘 알려진 데이터 저장 수단이 될 수 있다. 저장 장치(16)는 컴퓨터(14)에 직접 연결되거나 또는 인터넷과 같은 컴퓨터 네트워크를 통해 원격으로 연결될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 저장 장치(16)는 이미지 획득 장치(12)에 의해 획득된 이미지, 물체(30)의 기복 및 다른 중간 결과를 저장하는데 이용된다. 이러한 파일들은 컴퓨터(14)에 의해 판독될 수 있는 임의의 포맷 및 해상도로 저장될 수 있다.
출력장치(20)는 컴퓨터(14)에 의해 생성된 데이터 및 이미지들의 시각화를 허용하며, 디스플레이 모니터로부터 프린트 장치에 이르기까지 다양한 형태를 취할 수 있다.
입력장치(18)는 통상의 마우스, 키보드 또는 다른 잘 알려진 입력장치 또는 이러한 입력장치의 조합이 될 수 있으며 컴퓨터(14)로의 데이터 및 명령어를 입력할 수 있도록 한다.
저장장치(16), 디스플레이 모니터(18) 및 입력장치(20)은 모두 데이터 케이블과 같은 표준 연결 수단을 통해 컴퓨터(12)에 연결되어 있다.
컴퓨터(14)는 통상의 개인용 컴퓨터 또는 프로세서, 메모리 및 입출력 포트(미도시)를 포함하는 기타 데이터 처리 장치가 될 수 있다. 입출력 포트는 저장장치(16)로부터/로 이미지들이 전송될 수 있는 네트워크 접속(networkconnectivity)을 포함할 수 있다.
물론, 컴퓨터(12)는 이하에서 설명되는 본 발명에 따른 방법을 구현하는 소프트웨어를 구동시킨다.
시스템(10)은 각각에 상대적이고 또한 물체(30)에 상대적인 이미지 획득 장치(12) 및 그리드 투사 조립체(11)를 배치하는, 조정가능한 지지 수단(미도시)을 포함한다. 또 다른 한편, 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 등록 수단(registration means)이 이용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라 물체의 기복을 측정하는 방법을 자세히 설명하기에 앞서, 이러한 방법에 내재되어 있는 일반 이론이 우선 설명된다. 이 이론은 본 발명이 속하는 분야에서 잘 알려져 있으며 간략화를 위해 이하에서는 약술될 것이다.
간섭계 이미지(interferometic image)의 모든 픽셀(x,y)에 대한 세기(intensity) I(x, y)는 다음의 수학식1에 의해 표현될 수 있다.
여기서는 위상 변화량(phase variation)(또는 위상 변조(phase modulation))이고, A 및 B는 각 픽셀별로 연산될 수 있는 계수이다.
위상 변화량을 알면, 각 포인트 h(x,y)에서의 기준 표면(reference surface)에 상대적인 물체 고도 분포(기복)가 다음의 수학식2에 의해 계산될 수 있다(도3 참조).
여기서p는 그리드 피치, θ는 투사각도로서 앞서 설명되었다.
비록 상기 수학식은 도3에 나타난 바와 같이(그리드 투사으로부터 입력되는 광 60이 평행함) 물체상에 그리드의 평행 투사의 경우에 유효한 것이나, 그리드 투사가 평행하지 않은 경우에는 다른 수학식이 사용될 수 있다는 점은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 생각할 수 있는 범위 내이다.
예를 들어, 핀홀(pinhole) 투사는 기준 표면의 평면상의 그리드로부터의 거리에 따라 피치p및 θ가 증가한다(도3의 X 참조). 1차 근사(approximation)에 의해p및 θ의 변화량은 서로 상쇄시키고 수학식2는 파라미터들의 소정의 한계 내에서 유효하다.
고도 h(x,y)와 위상 ΔΦ의 변화량간의 관계를 재평가하는 것과 기복을 측정하기 위해 이용되는 시스템의 구성에 따라 상기 관계를 보정하는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 생각할 수 있는 범위 내이다.
이하에서는 첨부된 도면의 도4를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 물체 기복을 측정하는 방법이 보다 상세하게 설명된다.
개괄적으로, 본 방법은 시스템(10)을 이용하여 다음의 단계를 수행함으로써물체(30)의 기복을 측정하는 것이다:
100 - 그리드(24)를 기준 물체(reference object)에 대해 제1 위치에 위치시킴;
102 - 기준 물체에 그리드(24)를 투사함;
104 - 카메라(46)을 이용하여 기준 물체의 이미지를 획득하여 상기 이미지의 각 픽셀의 세기값(intensity value)을 수집함;
106 - 적어도 각 픽셀에 대해 3개의 세기값을 산출하기 위해 2개의 다른 알려진 위치에 상기 그리드를 위치시켜 상기 단계 100 내지 104를 적어도 2회 반복함;
108 - 상기 3개의 세기값을 이용하여 각 픽셀의 위상을 계산함;
110 - 상기 기준 물체를 측정하고자 하는 물체(30)으로 대체하여 상기 단계 100 내지 108을 반복함;
112 - 상기 기준 물체 및 물체(30)의 각 픽셀의 위상을 이용하여 상기 기준 물체 및 물체(30)의 각 픽셀에서의 고도차를 계산함; 및
114 - 상기 각 픽셀의 고도차를 이용하여 각 픽셀에 대해 물체의 기복을 판단함.
이러한 개괄적인 단계들은 기판(66)에 장착된 구체(64)가 측정될 물체(62)인 제1예를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다. 상기 물체(62)의 이미지는 도5에 도시되어 있다.
유사한 기판을 기준 물체로 선택함으로써 물체(62)와 기준 물체 사이의 고도차는 구체(64)의 고도를 제공한다. 본 예에서 물체(62)와 기준 물체의 공통 요소는 기판(66)이다.
단계(100)에서, 그리드(24)는 스테핑 모터에 의해 동작하는 지지대(26)에 의해 제1의 소정 위치로 이동된다. 상기된 바와 같이, 시스템(10)은 기준 물체(나중에는 물체)에 대한 그리드(24) 및 카메라(46)의 위치를 등록하고 고정시키는 수단을 포함한다.
단계(102)에서는, 그리드(24)가 기준 물체에 투사된다.
단계(104)에서 카메라(46)는 기준 물체의 이미지를 획득한다.
상기 이미지는 각 픽셀의 세기값을 포함한다. 컴퓨터(14)는 차후 처리를 위해 상기 세기값을 저장한다.
다음으로, 2개의 다른 알려진 위치에 상기 그리드를 위치시켜 상기 단계(100 내지 104)가 적어도 2회 반복된다. 이는 3개의 약간씩 다른 이미지를 제공할 것이며, 따라서 각 픽셀에 대해 3개의 세기값을 제공할 것이다. 그리드(24)에 의해 조명된 상기 기판에 대한 3개의 이미지 중 하나가 도6에 도시되어 있다.
수학식1은 3개의 미지수(A, B및 ΔΦ), 각 픽셀에 대한 세기값 I1,I2및 I3및 그에 따른 3개의 이미지로 구성되기 때문에, 위상 변화량 ΔΦ의 계산이 요구된다.
기준 물체의 표면에 상대적인 그리드(24)의 이동(translation) 이후에 2개의 새로운 이미지가 획득된다. 변위는 이미지의 위상 변화량을 산출하기 위해 선택된다. 카메라(46)의 픽셀 배열의 각 픽셀에 대한 수학식1에 유사한 3개 수학식들에서의 이 결과는 다음의 수학식3과 같다:
수학식 3의 시스템을 해석하면, ΔΦ의 값을 얻는다. 그리드(24)의 변위는 바람직하게 Δφ1, Δφ2및 Δφ3의 다른 값을 제공하도록 선택된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 3개 이상의 이미지가 취해진다. 이는 계산된 위상의 정확성를 증가시키는 데에 이용할 수 있는 부가적인 세기 값을 도출한다.
종래 기술에 따른 방법은 4개의 이미지의 사용을 필요로 하고, 이 이미지로 부터의 총 4개의 값이 위상 평가를 위해 취해진다. 본 발명에 따른 방법은 3개의 이미지만을 요구하기 때문에, 부가적인 복수개의 이미지는 방법의 정확성 및 의존성을 증가시키는 데에 이용될 수 있다.
예를 들어, 4개( 또는 그 이상의) 이미지를 유지함에 의해, 복수개의 잡음 픽셀 및 이미지를 버리고, 가장 적합한 세기의 픽셀을 유지하는 것이 가능하다. 실제로, 4개의 세기 값 중 하나가 잡음일 때(이는, 예를 들어, 이미지 포화에 의해 일어날 수 있다), 관련된 세기는 이 특정한 픽셀의 도출된 위상의 정확성 문제를 해결하는 과정을 생략할 수 있게 한다.
선택적으로, 일반적으로 3개 이상의 세기 값이 최소 스퀘어 피트(a least square fit)와 같은 수치적 방법을 이용하여 위상을 계산하는 데에 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 오류 위상 값이 어떤 픽셀로 계산되는 것을 막을 수 없어, 잠재적으로, 물체의 기복의 계산에 있어서 부정확을 야기한다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따라, 제2 및 제3 이미지( 및 제4 이미지)의 그리드의 변위는 180도 위상 변화 Δφn(수학식 3 참조)를 갖는 두 개의 이미지를 제공하도록 선택된다. 이에 의해, 투사된 그리드 없이 기준 물체의(또는 물체의) 이미지를 획득한다. 이는 180도 시프트된 두 개의 이미지 위상의 세기 값을 부가하여 달성될 수 있다.
더욱 일반적으로, 카메라(46)에 의해 촬영된 세 개 이상의 이미지 중 몇몇의 위상 변화의 합이 360도라면, 관련된 2차원 이미지는 각 픽셀에 대한 세 개의 이미지의 세기 값을 더함으로써 얻을 수 있다. 이러한 재구성된 2차원 이미지는 투사된 그리드를 포함하지 않는다. 이 이미지는 기준 물체의(또는 물체의) 예비 분석을 수행하도록 이용될 수 있어, 단계(112)로부터 도출될 값 또는 이미지에 수행될 후속 분석을 가속시킬 수 있다.
단계(108)에 있어서, 위상은 각 픽셀에 대해 세 개의 세기 값( 또는 세 개의 최상 세기 값)을 이용하여 수학식 3을 해결함으로써 계산된다. 예를 들면, 이는 종래의 수치법(numerical methods)을 이용하여 획득될 수 있다. 이러한 수학식의 시스템을 해석하기 위한 복수개의 수치법은 당업자에게 공지되어 있으며, 본원에서는상술하지 않을 것이다.
모든 픽셀의 기준 물체의 도출 위상은 도7에 도시되어 있다.
도4의 방법이 복수개의 물체의 시리즈를 검사하는 데에 이용될 때, 단계(100 내지 108)는 검사 전에 기준 물체에 대해서 오직 한번 유용하게 수행될 수 있다.
단계(100 내지 108)는 기준 물체가 측정할 물체, 즉, 물체(62)로 대체됨으로써 반복된다.
그리드(24)에 의해 조명된, 기판(66)를 갖는 구체(64)의 복수개의 이미지중 하나는 도8에 나타낼 수 있다.
단계(100 내지 108)를 수행하는 데에 있어서 물체와 기준 물체의 차이가 없기 때문에, 편의상, 물체에 대해 이들 단계를 상술하지 않을 것이다.
구체(64)의 도출 위상이 기판(66)과 함께 도9에 도시되어 있다. 도9의 이미지 내의 지역(68)이 구체(64)의 음영에 의해 야기된 것을 알 수 있다.
단계(112)에 있어서, 단계(108)에서 획득된 바와 같이, 물체(30)과 기준 물체 사이의 고도차는 각 픽셀마다 계산되는데, 이는 투사된 물체의 위상에서 기준 물체의 위상을 감산함에 의해 이루어진다. 도출 이미지는 도10에 나타내었다.
물체 및 기준 물체 대하여 단계(108)에 계산된 위상이 도7 및 도9에 도시되어 있으며, 이는 가상의 투사 플랜(plan)에 대한 복수개의 표면 위상에 대응한다는 것을 주목하자.
그리드(24)의 평행하지 않은 투사가 행해지면, 이 가상의 투사 플랜은 약간 휘어진다. 이는 본 발명에 따른 물체의 기복를 측정하는 방법에 유해하지 않은데,이는 물체 및 기준 물체의 이미지가 동일한 시스템(10)에서 취해지기 때문이다.
각 픽셀에서 물체 또는 기준 물체의 위상은 물체(또는 기준 물체)과 동일한 가상의 투사 평면(동일한 시각적 셋업을 갖는 동일한 시스템이 이용되기 때문임) 사이의 고도차에 관련되므로, 그들의 차는 물체와 기준 물체의 고도차를 나타내게 된다. 이는 물체 및 기준 물체의 이미지 획득(acquisition)이 다른 조명 하에서 수행되도록 한다.
선택적 단계(114)에 있어서, 물체의 기복, 즉, 그 고도는 각 픽셀에 대하여 물체와 기준 물체 사이의 모든 픽셀에서의 고도차를 이용하고, 기준 물체의 차원을 인지하여 결정된다.
당업자에게 명백하듯이, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 두 개의 물체(하나는 기준 물체임) 사이의 고도차를 측정하는 데 이용될 수 있다. 이 경우에, 단계(114)는 당연히 수행되지 않는다.
몇몇의 애플리케이션에 있어서, 기준 물체에서처럼 측정 시 측정할 물체을 그 상면에 놓을 평면 표면을 이용하는 것이 유용할 수 있다.
몇몇의 애플리케이션에 있어서, 물체 및 기준 물체을 카메라에 대해 알려진 위치로 위치를 결정하는 데에 도움을 주는 기록 시스템을 갖는 시스템(10)을 제공하는 것이 유용할 수 있다. 실제로, 물체와 기준 물체의 비교는 각 픽셀에 대하여 수행되기 때문에, 기록 시스템은 복수개의 관련 점을 비교하는 데에 확신을 기하도록 할 수 있다.
이러한 기록 시스템은 평면 표면상의 표시(indicia), 스탠드 또는 컴퓨터 내에 구현된 소프트웨어 프로그램을 포함하는 많은 형태를 취할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 벗어나지 않은 채로, 복수개의 이미지가 먼저 얻어지고, 이후에서 처리되는 것이 가능함이 명백하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법, 상세한 설명에 의해 알 수 있듯이, 백색 광을 이용한 물체의 기복 측정이 가능하다.
본 발명이 구형의 물체을 측정하는 일례를 들고 있지만, 다른 형상을 갖는 물체의 측정 및 검사도 가능하다.
시스템(10)이 물체의 기복의 시간에 따른 변화를 연구하는 데에 이용되는 경우에도 동일한 물체가 기준 물체로서 작용할 수 있다.
한편, 기준 물체는 물체의 컴퓨터 모델에 의해 대체될 수 있는데, 이는, 예를 들어, 시스템(10)의 셋업에 따라 가상으로 위치되도록 CAD(Computer Assisted Design)에 의해 생성된다.
기준 물체는 또한 받아들일 만한 복수개의 파라미터 내에서의 결함을 갖는 유사한 물체일 수 있다. 더욱이, 물체와 기준 물체의 위상 차는 검사 하에 물체의 결함으로 될 것이다. 발명의 양상은 특히 기복의 중요한 변화를 갖는 물체의 기복를 검사하는 데에 흥미롭다.
실제로, 위상 값은 0에서 2π까지의 범위 내에 한정되므로, 최대 고도(h0)는 수학식 2에 따른 종래 기술의 대부분의 시스템에 의해 감지될 수 있다.
(수학식 2 참조)
일반적으로, 위상의 언랩핑(unwrapping)은 충분히 큰 피치(p)를 갖는 그리드를 사용하여 행해지므로, 모든 고도 변화가 단일 위상 차원(0 내지 2π) 내에서 이루어지도록 한다.
이것으로의 드로우백(drawback)은 내재된 정확성의 손실이 된다. 예를 들어, 측정된 물체가 이미지 수집 장치에 따라 어긋나게 되면, 정확성의 손실을 중요할 수 있다.
후술하는 일례는 본 발명에 따른 방법이 어떻게 상술한 드로우백을 피하는 지를 나타내고, 회로 기판 상의 동일평면성(coplanarity) 검사를 유도하는 지에 관한 것이다.
도 11은 기판(72) 상의 복수개의 리드 볼(lead balls)(70)을 포함하는 모듈(69)의 기복를 나타내는 이미지이다. 도11의 이미지는 도4의 단계(110 내지 114)를 수행함에 의해 획득된다. 이 일례에 있어서, 물체는 (기판(72) 및 복수개의 리드(lead) 볼을 포함하는) 모듈(69)이고 기준 물체는 기준 평면 표면(도시되지 않음)이다.
도 11에 나타난 바와 같이, 이미지 내의 회색 음영 내의 변화에 의해, 기판(72)은 평면 표면과 평행하지 않다. 그러므로, 이러한 이미지는 기판이 평면일 때보다 물체의 고도를 측정하는 데에 있어서 약간 부족한 정확성를 제공한다. 실제로, 이미지 상의 기판(72) 내의 어긋남이 시스템(12)에 야기된 것이 아니라, 기판(72)의 실제 형상을 반영한다는 것을 알 수 있다. 각각의 리드 볼(70)의 고도에 있어서 작은 변화를 기판(72) 외형에 있어서 총체적 변화 내에서 잃어버릴 수있다.
이미지 상의 기판을 가상으로 교정하는 컴퓨터 알고리즘을 알려진 경우에도, 이러한 알고리즘은 검사 처리 시간을 더할 수 있다. 생성 라인 상에서 검사가 실시간으로 수행될 때, 이는 드로우백으로 나타날 수 있다.
제안된 해결책은 제2 기준 물체로써 기판의 표면의 근사를 이용하는 것이다.
실제로, 각 픽셀에서, 먼저, 평면 표면에 대한 기판(72)의 고도, 둘째로, 기판(72)에 대한 복수개의 리드 볼(70)의 고도를 발견하고, 마지막으로 이들 두 고도를 더하여 물체, 즉, 복수개의 볼을 갖는 기판의 총 고도를 제공하는 것이 유용할 수 있다.
모듈의 위상은 도12에 나타내고, 도4의 방법의 단계(100 내지 108)을 통해 획득된다.
기판(72)의 표면에 관한 정보는 이후에 도12의 이미지 상의 (복수개의 볼(70) 사이의 )기판(72)에 관한 픽셀을 분석함에 의해 얻어지는데, 여기서, 보상 표면의 유사-위상 이미지가 계산된다.
모듈의 위상 및 보상 표면의 위상을 감산함에 의해(도12) 복수개의 볼(70)의 고도는 각 픽셀에 대하여 계산된다(단계 112). 도출 이미지는 도13에 도시된다.
마찬가지로, 기판(72)의 고도는 각 픽셀에 대하여(단계 112) 보상 표면의 위상 및 기준 평면의 위상을 감산함으로써 계산된다. 도출 이미지는 도 14에 도시된다. 이 위상 이미지는 이후에 언랩핑된다(unwrapped)(도15 참조).
모듈(69)의 고도는 이후에 도 13 및 15의 복수개의 위상의 고도를 더함으로써 얻어진다.
본 발명이 본원에서 그의 바람직한 실시예의 방식으로 기술되었으나, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 조정될 수 있으며, 이는 첨부된 청구항 내에서 정의된 바에 있어서도 마찬가지이다.

Claims (17)

  1. 픽셀들의 어레이를 갖춘 카메라를 이용하여 물체의 기복을 측정하기 위한 방법에 있어서,
    a) 기준 물체 상에 그리드를 투사하는 단계 - 상기 그리드는 상기 카메라와 상기 기준 물체에 대해 제1 위치에 위치됨 - ;
    b) 상기 투사된 그리드에 의해 조명되는 기준 물체의 이미지를 카메라를 이용하여 촬영하는 단계 - 상기 기준 물체의 이미지는 각 픽셀에 대한 세기 값을 가짐 - ;
    c) 각 픽셀에 대해 적어도 3개의 세기 값을 산출하기 위해 상기 카메라와 상기 기준 물체에 대해 적어도 2개의 상이한 알려진 위치에 위치한 그리드를 이용하여 상기 단계 a) 및 b)를 적어도 2회 반복하는 단계;
    d) 대응하는 픽셀에 대한 적어도 3개의 기준 물체 세기 값을 이용하여 각 픽셀에 대해 기준 물체 위상을 계산하는 단계;
    e) 상기 물체 상에 그리드를 투사하는 단계 - 상기 그리드는 상기 제1 위치에 위치됨 - ;
    f) 상기 투사된 그리드에 의해 조명되는 상기 물체의 이미지를 카메라를 이용하여 촬영하는 단계 - 상기 물체의 이미지는 각 픽셀 위치에 대한 세기 값을 가짐 - ;
    g) 각 픽셀에 대해 적어도 3개의 세기 값을 산출하기 위해 상기 적어도 2개의 상이한 위치에 위치한 그리드를 이용하여 상기 단계 e) 및 f)를 적어도 2회 반복하는 단계;
    h) 대응하는 픽셀에 대한 적어도 3개의 물체 세기 값을 이용하여 각 픽셀 위치에 대해 물체 위상을 계산하는 단계; 및
    i) 대응하는 픽셀에 대해 상기 기준 물체 위상 및 상기 물체 위상을 이용하여 각 픽셀에 대해 상기 물체와 상기 기준 물체 사이의 고도차를 계산하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물체의 기복을 판단하기 위해 상기 각각의 픽셀에 대해 상기 물체와 상기 기준 물체 사이의 상기 고도차를 이용하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 d)와 h) 중 적어도 하나의 단계에서, 다음의 방정식,
    즉,
    을 해결하여 각 픽셀에 대해 위상 △Φ가 계산되고,
    여기서,I n 은 적어도 3개의 세기값을 나타내고, A와 B는 알려진 계수이고, △φn은 그리드의 상이한 위치에 의해 유발되는 위상 변화량인
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방정식은 수치법을 이용하여 해결되는
    방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 c)에서, 각 픽셀에 대해 상기 적어도 3개의 세기 값과 적어도 하나의 추가적인 값을 산출하기 위해 상기 카메라와 상기 기준 물체에 대해 2개 이상의 상이한 알려진 위치에 위치한 그리드를 이용하여 상기 단계 a) 및 b)가 2회 이상 반복되고, 상기 단계 d)에서는, 3개의 가장 유익한 세기 값을 산출하기 위해 상기 적어도 3개의 세기 값과 상기 적어도 하나의 추가적인 값 사이에서 선택이 수행되고, 상기 3개의 가장 유익한 세기 값은 각 픽셀에 대해 기준 물체 위상을 계산하기 위해 이용되는
    방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 c)에서, 3개 이상의 세기 값을 산출하기 위해 상기 카메라와 상기 기준 물체에 대해 2개 이상의 상이한 알려진 위치에 위치한 그리드를 이용하여 상기 단계 a) 및 b)가 2회 이상 반복되고, 상기 단계 d)에서는, 상기 3개 이상의 가장 유익한 세기 값으로부터의 3개의 가장 유익한 값이 각 픽셀에 대해 기준 물체 위상을 계산하기 위해 이용되는
    방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 g)에서, 각 픽셀에 대해 상기 적어도 3개의 세기 값과 적어도 하나의 추가적인 값을 산출하기 위해 상기 카메라와 상기 물체에 대해 2개 이상의 상이한 알려진 위치에 위치한 그리드를 이용하여 상기 단계 e) 및 f)가 2회 이상 반복되고, 상기 단계 h)에서는, 3개의 가장 유익한 세기 값을 산출하기 위해 상기 적어도 3개의 세기 값과 상기 적어도 하나의 추가적인 값 사이에서 선택이 수행되고, 상기 3개의 가장 유익한 세기 값은 각 픽셀에 대해 물체 위상을 계산하기 위해 이용되는
    방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 g)에서, 3개 이상의 세기 값을 산출하기 위해 상기 카메라와 상기 물체에 대해 2개 이상의 상이한 알려진 위치에 위치한 그리드를 이용하여 상기 단계 a) 및 b)가 2회 이상 반복되고, 상기 단계 d)에서는, 상기 3개 이상의 세기 값으로부터의 3개의 가장 유익한 값이 각 픽셀에 대해 물체 위상을 계산하기 위해 이용되는
    방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 c)에서, 상기 그리드의 상기 2개의 알려진 위치는 그들 사이의 위상차가 180도인 상기 물체의 적어도 2개의 이미지를 제공하도록 선택되는
    방법.
  10. 제9항에 있어서,
    그들 사이의 위상차가 180도인 상기 물체의 상기 적어도 2개의 이미지를 감산함으로써 상기 물체의 2차원 이미지가 계산되고, 상기 2차원 이미지는 상기 물체의 예비 분석을 수행하기 위해 이용되는
    방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단계 g)에서, 상기 그리드의 상기 2개의 알려진 위치는 그들 사이의 위상차가 180도인 상기 기준 물체의 적어도 2개의 이미지를 제공하도록 선택되는
    방법.
  12. 제11항에 있어서,
    그들 사이의 위상차가 180도인 상기 기준 물체의 상기 적어도 2개의 이미지를 감산함으로써 상기 기준 물체의 2차원 이미지가 계산되고, 상기 2차원 이미지는 상기 기준 물체의 예비 분석을 수행하기 위해 이용되는
    방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기준 물체는 평면인
    방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기준 물체는 과거의 소정의 시간에서의 상기 물체이고, 상기 기준 물체 위상은 상기 과거 시간 주위에서 계산되고,
    그에 따라, 상기 단계 i)는 상기 과거 시간과 상기 물체 위상이 계산될 때의 근사 시간 사이의 각 픽셀에서의 고도의 변화를 제공하는
    방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 기준 물체는 상기 물체의 CAD이고, 상기 그리드는 상기 단계 a)에서 가상적으로 배치되어 상기 CAD 내로 투사되고, 상기 기준 물체의 상기 이미지는 상기 단계 b)에서 시뮬레이트되는
    방법.
  16. 물체의 기복을 측정하기 위한 시스템에 있어서,
    그리드 투사 조립체;
    픽셀들의 어레이를 갖춘 카메라를 포함하는 이미지 획득 장치; 및
    컴퓨터
    를 포함하고,
    상기 컴퓨터는,
    a) 상기 물체 상에 투사된 그리드의 적어도 3개의 이미지 - 상기 물체 상에 투사된 그리드의 상기 각각의 이미지는 상기 그리드의 상이한 알려진 위치에 대응함 - 와 기준 물체 상에 투사된 그리드의 적어도 3개의 이미지 - 상기 기준 물체 상에 투사된 그리드의 상기 각각의 이미지는 상기 그리드의 상기 알려진 위치 중 하나에 대응함 - 를 상기 이미지 획득 장치로부터 수신하고;
    b) 대응하는 픽셀에 대한 적어도 3개의 기준 물체 세기 값을 이용하여 각 픽셀에 대해 기준 물체 위상을 계산하고;
    c) 대응하는 픽셀에 대한 적어도 3개의 물체 세기 값을 이용하여 각 픽셀에 대해 물체 위상을 계산하고;
    d) 대응하는 픽셀에 대한 상기 기준 물체 위상 및 상기 물체 위상을 이용하여 각 픽셀에 대해 상기 물체와 상기 기준 물체 사이의 고도차를 계산하도록 구성된
    시스템.
  17. 리드-동일평면성 검사를 위해 제1항의 방법의 용도.
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