TW201409073A - 共焦點掃描器及使用彼之光學計測裝置 - Google Patents

Abstract

在一軸的移動台安裝共焦點開口陣列、及內部具有楔形的空間的移動稜鏡，且在移動台的外部設置具有楔形的頂角的固定稜鏡。藉由移動台的移動來實現開口的XY掃描的同時，藉由移動稜鏡及固定稜鏡的一對，等效平行平面基板的厚度會變化，焦點移動(Z掃描)也同時被實現。

Description

共焦點掃描器及使用彼之光學計測裝置

本發明是利用光的計測裝置。特別是利用共焦點光學系來進行物體的三次元計測或表面形狀計測之裝置的高速化、簡素化。

若利用共焦點光學系來攝取畫像(以下將共焦點光學系的畫像稱為共焦點畫像)，則未對焦模糊擴散的光不會被畫像化，僅對焦的部分的光會被畫像化。在一般的結像光學系，未對焦模糊的光會擴散於像面上使畫像劣化，但在共焦點光學系是不會有如此的情形(或非常少)，因此可取得對比高之清晰的畫像。並且，可利用僅對焦的部分的光被畫像化的特徵來計測攝像物體的三次元形狀，亦為人所知，活用如此的特徵，近幾年正擴大適用在其產業界。

在圖7顯示共焦點光學系(反射型)的基本構造。從點光源701射出的光是藉由對物透鏡703來集光，投影至物體。從物體反射而再度射入對物透鏡703的光是經由半透 明反射鏡702來射入位於與點光源701光學上同位置的針孔704，通過針孔704的光的量可藉由檢測器705來檢測得知。此為共焦點光學系的基本的構造。

可藉由利用此光學系來如其次般計測物體表面的各位置的高度。當物體表面位於與點光源701共軛的位置時，反射光是收斂於同共軛的位置之針孔704面，更多的反射光會通過針孔704。但，若物體表面離開與點光源701共軛的位置，則通過針孔704的光量會急速地減少。由此，只要使物體與對物透鏡703的距離變化來找出檢測器705顯示最大輸出的點，便可得知物體表面的高度。

共焦點光學系基本上是點檢測的光學系，因此為了取得共焦點畫像，一般必須進行XY的掃描。XY掃描的方法，一般是雷射射束掃描或使用具有多數個螺旋狀的針孔列之被稱為Nipkow disk的旋轉圓盤的掃描，使用該等的掃描手法來取得共焦點畫像之光學系是有共焦點顯微鏡為人所知。

使用共焦點顯微鏡的三次元計測也是基本上與先前使用點計測型的共焦點光學系的高度計測同樣，使物體與對物透鏡703的距離變化來找出檢測器705顯示最大輸出的點，但每使物體與對物透鏡703的距離變化時所取得的資料不是物體表面1點的資料，而是2次元的畫像資料，最大輸出位置是按每個畫像資料的畫素求取的點不同。

具體而言，若將高度計測的分解能設為a，則在每使物體與對物透鏡703的距離各變化a時取得共焦點畫像予 以保存，完成掃描(亦即變化物體與對物透鏡703的距離)之後，按每個畫素探索檢測器705的輸出最大的畫像的位置，藉此可按每個畫素求取物體表面的位置，可取得三次元的形狀計測資料。在專利文獻1是揭示使物體與對物透鏡的距離光學性地變化的方法。

[先行技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平8-304043

如上述般，共焦點光學系的三次元計測是結果必須進行XYZ的三軸所有的掃描。為此，構造會變複雜．大規模，招致高成本化。並且，由計測速度的觀點來看也會被要求高速化。

有鑑於如此的狀況，本發明是以實現簡素且高速的共焦點三次元計測裝置為目的。

為了解決上述課題，構成一種共焦點掃描器，其特徵係由下列所構成：移動台，其係至少具有一軸的移動軸；開口陣列，其係具有被安裝於前述移動台而移動的多數個共焦點開口； 移動稜鏡，其係具有對於前述移動台的移動軸以同角度傾斜於彼此相反方向的對面的2個面，被安裝於前述移動台而移動；及固定稜鏡，其係具有對於前述移動台的移動軸以和前述移動稜鏡正確同角度傾斜於彼此相反方向的對面的2個面，被設置在前述移動台外，不移動，在組合前述移動稜鏡及前述固定稜鏡之下成為等效性的平行平面基板，隨著前述移動台的移動，等效性的平行平面基板的厚度會變化。

或，構成更具備用以防止異物往前述開口陣列附著之至少1片的保護透明板的共焦點掃描器，該保護透明板係被安裝於前述移動台，與前述移動台一起移動。

前述開口陣列為針孔陣列，以共焦點效果能夠被發揮的方式，每間隔P設置各針孔，在移動方向相鄰的針孔係於與移動方向正交的方向錯開微小距離S，且以P/S能夠成為整數的方式配置。

又，前述開口陣列為取代針孔陣列之縫隙陣列，各縫隙係以共焦點效果能夠被發揮的方式，在移動方向取一定間隔P配置。

前述移動稜鏡及前述固定稜鏡的一方為具有彼此相等的角度且彼此在反方向對於前述移動台的移動軸傾斜的2個面之稜鏡，前述移動稜鏡及前述固定稜鏡的另一方為具有對於長方體形狀的構件形成有前述一方的稜鏡可插拔的開口部即 彼此相等的前述角度且在彼此相反方向對於前述移動台的移動軸傾斜的2個面所夾持的開口部的形狀之稜鏡。

前述等效性的平行平面基板係隨著前述移動台的移動，前述一方的稜鏡對於前述另一方的稜鏡的前述開口部插拔，藉此厚度變化。

一種光學的計測裝置，係由下列所構成：前述的共焦點掃描器；對物透鏡，其係於像面位置配置有前述開口陣列；照明光學系，其係照射前述對物透鏡的有效像面全體；偏光元件，其係將在計測物體反射而射入前述對物透鏡且通過前述開口陣列的物體反射光予以偏向至和前述照明光學系不同的方向；2次元檢測器，其係接受藉由前述偏光元件來偏向後的前述物體反射光而光電變換作為畫像訊號輸出；結像光學系，其係使前述開口陣列的像經由前述偏光元件來結像於前述2次元檢測器上；及畫像處理裝置，其係將前述2次元檢測器的輸出設為數位訊號輸入，利用所取得的一連串的焦點位置不同的資料，探索賦予最大值的焦點位置，由探索後的焦點位置來特定該點的高度，前述開口陣列及前述移動稜鏡係藉由前述移動台來使以一定速度移動，在移動中複數次藉由前述2次元檢測器來取得畫像，前述2次元檢測器的1次的曝光時間係設定 成與前述開口陣列移動方向的開口配列週期的整數倍的移動時間相同。

藉由以上那樣構成，僅一軸的掃描便可成為XYZ的三軸分的掃描，可實現簡素低成本且高速的共焦點三次元計測裝置。

101‧‧‧移動台

102‧‧‧支架

103‧‧‧開口陣列

104‧‧‧移動稜鏡

105‧‧‧固定稜鏡

106‧‧‧保護透明板

501‧‧‧光源

502‧‧‧照明光學系

503‧‧‧對物透鏡

504‧‧‧物體

505‧‧‧偏光元件

506‧‧‧結像光學系

507‧‧‧2次元檢測器

508‧‧‧畫像處理裝置

509‧‧‧λ/4相位差板

701‧‧‧點光源

702‧‧‧半透明反射鏡

703‧‧‧對物透鏡

704‧‧‧針孔

705‧‧‧檢測器

圖1是表示本發明的共焦點掃描器的實施例的圖。

圖2是用以說明針孔型的開口陣列的圖。

圖3是用以說明平行平面基板之焦點移動的圖。

圖4是用以說明縫隙型的開口陣列的圖。

圖5是表示使用本發明的共焦點掃描器的計測裝置的實施例的圖。

圖6是用以說明本發明的曝光時間中的焦點位置變動的圖。

圖7是用以說明以往技術的圖。

圖8是用以說明楔形的圖

圖9是用以說明楔形稜鏡對的圖。

以下，敘述有關具體實施本發明時最佳的實施形態。

首先，參照圖1~圖4來說明使本發明的共焦點掃描 器具體化的實施形態的例子。

如圖1所示般，本發明的共焦點掃描器是由：一軸的移動台101、被安裝於該移動台101上的支架102、開口陣列103及移動稜鏡104、以及與移動台101獨立設置的固定稜鏡105所構成。

開口陣列103是如圖2所示般成為針孔陣列，各針孔彼此間的間隔P是以能夠顯現出共焦點的效果之方式設定成針孔直徑的數倍程度。如圖2所示般在移動軸方向相鄰的針孔是在與移動軸垂直的方向錯開微小距離S配置。

以P/S能夠成為整數的方式設定距離P及錯開量S，藉此在移動方向成為P/S個部分，亦即每P×(P/S)的週期構造。

錯開量S是儘可能小者，與移動正交的方向的掃描會變細，但由對物透鏡的分解能來思考，不需要無謂浪費的細，以針孔的半徑分量程度來設定成P/S成為整數的量為佳。

開口陣列103原封不動是無法取得非開口部分的透過光(資訊)，但在只移動上述的週期P×(P/S)之下，開口陣列103全面全都被掃描，可取得全面的資訊。

在此，只要使移動台101以一定速度v移動，便可在任意的時機的(P×P/S)/v時間進行上述全面掃描。藉此，XY掃描可以1軸實現。

並且，與開口陣列103一起移動的移動稜鏡104是例如圖1所示般，具有使2個楔形的稜鏡彼此組合成斜面相 向的形狀，在斜面間具有V字形的空間。另一方面，與移動台101獨立設置，對於物體不移動的固定稜鏡105是具有持有與移動稜鏡104的斜面彼此間所成的V字的角度同一角度的頂角之楔形的形狀。藉由組合使用移動稜鏡104及固定稜鏡105來形成等效性的平行平面基板。此等效平行平面基板是隨著移動稜鏡104的移動，厚度變化。另外，最好使移動稜鏡104的斜面彼此間所成的V字的頂角的2等分面與固定稜鏡105的頂角的2等分面一致。

在此所言的楔形主要是意指具有圖8A所示般的剖面形狀之三角柱或具有如圖8B所示般對面的長邊不平行的剖面形狀之四角柱，但重要的是對面的長邊不平行的剖面形狀，如圖8C所示般短邊部分的形狀是不被限定。

如圖3所示般，一般結像透鏡的焦點位置是可藉由被插入至結像透鏡的光路中之平行平面基板的厚度來使變化。亦即可藉由平行平面基板的厚度變化來進行焦點移動=Z掃描。平行平面基板的厚度變化是可藉由組合使用楔形稜鏡來實現。雖只使用1個楔形稜鏡也可焦點變化，但對於結像光學系造成致命性的像差。如圖9所示般只要組合2個的楔形稜鏡作為平行平面基板使用，便可縮小像差，但隨著移動台101的移動，稜鏡間的空間的距離會變化，所以光線會移動。在圖1所示的移動稜鏡104與固定稜鏡105的組合是成為與圖9的楔形稜鏡對在相反方向組合2段同等的構造，成為稜鏡間的空間的距離的變化之光線的移動再度回到原來被補償的構造。

當然，只要移動稜鏡104與固定稜鏡105組合使用來構成等效平行平面基板即可，所以即使相反也無妨。亦即，亦可具有楔形的頂角的稜鏡為移動稜鏡104，具有V字形的空間的稜鏡為固定稜鏡105。亦即，只要移動稜鏡104及固定稜鏡105的一方被構成具有彼此相等的角度且在彼此相反方向對於移動台101的移動軸傾斜的對向的2個面，且另一方被構成具有此稜鏡可插拔的開口部(開口空間)對於長方體形狀的構件形成的形狀即可。此時，在長方體形狀的構件所被形成的空間是設為與被插拔於空間的稜鏡所具有的2個對向面相同之彼此相等的角度且在彼此相反方向對於移動台101的移動軸傾斜的2個面所夾持的空間即可。例如，此空間的形狀是形成與被插拔於空間的稜鏡相似形即可。並且，該空間是亦可形成分割長方體形狀的構件，此情況，長方體形狀的構件是分成2個的稜鏡。此時，2個的稜鏡是分別形成與被插拔的稜鏡對向的面的相反面對於移動台101的移動軸成為平行即可。如此構成的移動稜鏡104及固定稜鏡105所成的等效性的平行平面基板是隨著移動台101的移動，一方的楔形的稜鏡會被插拔於另一方之可嵌合的空間，其等效性的厚度會變化。

並且，在此是設為移動稜鏡104及固定稜鏡105的2個稜鏡，但亦可如前述般以重疊成2段的4個稜鏡來構成圖9的楔形稜鏡對。

以上，若使移動台101以一定速度移動，則可同時進 行XY方向的掃描及Z方向的掃描。

又，開口陣列103亦可設為例如圖4那樣的縫隙陣列。縫隙陣列是在與移動方向垂直的方向不必進行掃描，因此縫隙間距P就那樣成為週期。

又、開口陣列103是一旦有塵埃等的異物附著，則為致命性，因此使異物不會附著的對策為不可欠缺。為此，如圖1所示般必須在移動台101上設置保護透明板106。在保護透明板106上，例如蒸鍍鉻的不透明膜，藉由微影的技術來圖案化開口陣列103之類的情況是有關開口陣列103的一側並不一定要設置保護透明板106。並且，另一側的保護是亦可使移動稜鏡104擔任該任務。

其次，顯示使用上述的共焦點掃描器之共焦點三次元計測裝置的一例。利用圖5來說明。

來自光源501的光是藉由照明光學系502來以最適的狀態照明開口陣列103。光源501是像雷射那樣的連貫的光源也可使用，或支離的熱光源亦可。但，各個最適的光學系不同。照明光的連貫性是在共焦點光學系中不需要，因此使用雷射時是支離化那樣的機構被設在照明光學系502內部。

透過開口陣列103的照明光是通過共焦點掃描器的移動稜鏡104，更通過固定稜鏡105之後，再度通過移動稜鏡104而射入對物透鏡503。照明光是藉由對物透鏡503的結像作用來成為開口陣列103的像而照明物體504。在物體504反射的照明光是成為反射光而射入對物透鏡 503，再鍍藉由對物透鏡503的結像作用來結像於像空間，一部分或幾乎全部通過開口陣列103的開口。

通過開口陣列103的反射光是藉由設在照明光學系502的內部或照明光學系502與開口陣列103之間的偏光元件505來偏向，經由結像光學系506來到達2次元檢測器507。結像光學系506是以能夠將開口陣列103的像予以結像於2次元檢測器507上的方式配置。

在2次元檢測器507所被檢測出之來自物體504的反射光是被光電變換，作為畫像資料(2次元資料)輸出，儲存於畫像處理裝置508，然後，藉由運算來變換成物體的三次元資訊。

通常，為了防止在開口陣列103反射的照明光往2次元檢測器507行進，而使用偏光射束分裂器作為偏光元件505，且一般在對物透鏡503內部或對物透鏡503與物體504之間插入λ/4相位差板509。

在開口陣列103反射的照明光是完全不要的光，另一方面，來自物體504的訊號光之反射光是不一定要強度大者，因此有必要儘可能完全除去。

若根據上述那樣的構成，則照明光是在偏光射束分裂器之偏光元件505成為直線偏光，即使在開口陣列103反射，也不會有在偏光元件505被偏向的情形，照原樣直進透過而不會有往2次元檢測器507去的情形。另一方面，通過開口陣列103的直線偏光照明光是在一度通過λ/4相位差板509的時間點成為圓偏光，若在物體504反射而再 度通過λ/4相位差板509，則會被變換成與照明光正交的方向的直線偏光，在偏光元件505被偏向而可到達2次元檢測器507。

而且，為了更完全地除去在開口陣列103反射的照明光，亦有時有別於偏光射束分裂器的偏光元件505，另在照明光學系502內設置偏光板，更在結像光學系506內設置檢偏鏡。

近年來，幾乎可完全消除光學元件表面的反射之無反射表面處理等也被開發，因此並非一定要使用如此的偏光元件。

以下敘述以上的構成，在實際的計測時如何動作。

計測動作的啟動是始於共焦點掃描器的移動台101的移動開始。一旦移動台101被加速安定到達所定的速度，則開始畫像資料取得。

所謂畫像資料取得是意思攝影機之2次元檢測器507的各感測器畫素被曝光，按照在曝光所被光電變換的電荷量之每個畫素的電氣訊號會作為畫像資料輸出，儲存於畫像處理裝置508。

此時，若將曝光的時間設定成開口陣列103的週期構造的一週期分或其倍數分移動台101移動的時間，則可取得完全被掃描於XY的共焦點畫像。以下具體地表示。

若將開口陣列103設為在圖2所示的針孔陣列型，則一週期是P×P/S，所以若將移動台的定速時的速度設為v，則曝光時間T是設定成(P×P/S)/v。或設定成其倍數 N×(P×P/S)/v。N是自然數。若如此設定，則開口陣列103的針孔會在移動方向的所有位置均等的時間存在，且有關與移動方向正交的方向也P/S線分掃描針孔間隔P之間，可實現完全的XY掃描。只要移動台101定速移動中，便可在任意的時機取得被XY掃描的共焦點畫像。條件是僅將曝光時間設為T。

另一方面，移動稜鏡104及固定稜鏡105是對於通過該等的結像光束，可等效地視為平行平面基板。在此一旦移動台101移動，則隨之平行平面基板的厚度會連續性地變化。如前述般，在結像透鏡的光路中一旦平行平面基板的厚度變化，則焦點位置會移動，所以在此裝置中對物透鏡503的焦點位置會移動，實現Z掃描。只要移動台101的速度為一定，厚度便會與時間成比例變化，焦點位置會以等速變化。

基於以上的情形，移動台101啟動而加速後形成定速狀態之後，若以等時間間隔來取得複數張畫像，則可取得焦點位置會以一定間隔變化的一連串的共焦點畫像，僅一軸的移動便可實現XYZ三軸的掃描。畫像取得後，可藉由畫像處理裝置508來進行三次元計測運算。

三次元計測運算是利用焦點位置以一定間隔變化的一連串的共焦點畫像，按每個畫素來探索處理成為最大值的共焦點畫像，藉此實現。由於在可取得賦予最大值的共焦點畫像的焦點位置存在物體表面(或界面)，因此可特定Z方向的位置亦即高度。

取得以一定間隔改變焦點位置的共焦點畫像時，並非一定要以必要計測精度間隔來取得畫像。即使較粗的焦點位置變化間隔，也可藉由內挿處理，以超過間隔的精度來特定物體的表面(或界面)的位置。

並且，易於理解在上述是將焦點位置間隔顯示為一定，但這不是絶對要件。即使間隔不均，也可特定物體的表面(或界面)的位置。

如以上般，僅一軸的移動便可實現XYZ三軸的掃描，但Z的移動是連續性，所以在2次元檢測器507的曝光時間中可想像焦點位置也會變化。因此，在所取得的共焦點畫像是含有曝光時間分焦點位置不同的資料。例如，Z移動亦即焦點移動為1mm/s時，若曝光時間為1ms，則焦點位置會移動1μm程度，成為在共焦點畫像中混在1μm程度焦點位置不同的資料之狀態。

如圖6所示般，想想看被針孔包圍的P×P區域。在曝光時間中，此P×P區域是以P/S條的線來掃描，但各個的線通過該位置的時機是不同。L1的線通過此位置的是曝光時間開始時候，線L10通過的是曝光時間終了時候。

亦即，在此區域中從曝光開始時到終了時的所有的時機齊全。此條件是在畫像內的任意的位置相同，在任意的位置的P×P的區域是含曝光時間的所有的時機。若假設在微小區域的P×P區域內物體504的高度均一，則在將畫素大小設定成P×P之下，各畫素是可只將曝光時間T之間的高度變化予以積分，顯示平均之曝光開始後T/2的焦點 位置的資料。P×P的倍數也同樣。

即使不一定將畫素大小調成P×P，只要光學性地施以相當直徑P以上的平滑化，亦即模糊的狀態，便可將畫像中的任意的點視為表示曝光時間中的平均位置的狀態，可取得同樣的效果。

亦即，若為在共焦點畫像不求取針孔間隔P水準以上高的橫分解能之計測，則此問題是不成大的問題。

當需要比針孔間隔P水準高的分解能的計測時，必須縮短曝光時間T或縮小Z方向的掃描速度等，設定成曝光時間中的焦點位置變化對於必要計測精度而言不成問題的程度。

以上，說明本發明的實施例，但這只不過是本發明的一例。開口陣列103的圖案是可為提高同樣效果的其他圖案，且亦可思考開口陣列103是按每個針孔伴隨微透鏡，亦即成為開口陣列及微透鏡陣列組合使用的構造之類的情況。該等亦為本發明所包含。

[產業上的利用可能性]

藉由本發明，僅一軸的掃描便可成為XYZ的三軸分的掃描，可實現簡素、低成本且高速的共焦點三次元計測裝置。藉此可想像在必須利用光之高速且高精度的計測的零件多數存在的半導體產業中特別需要。

101‧‧‧移動台

102‧‧‧支架

103‧‧‧開口陣列

104‧‧‧移動稜鏡

105‧‧‧固定稜鏡

106‧‧‧保護透明板

Claims (7)

1. 一種共焦點掃描器，其特徵係由下列所構成：移動台，其係至少具有一軸的移動軸；開口陣列，其係被安裝於前述移動台，具有與前述移動台一起移動的多數個共焦點開口；移動稜鏡，其係被安裝於前述移動台，與前述移動台一起移動；及固定稜鏡，其係以能夠與前述移動稜鏡組合來構成等效性的平行平面基板之方式設置於前述移動台外，隨著前述移動台的移動，前述等效性的平行平面基板的厚度會變化。
2. 如申請專利範圍第1項之共焦點掃描器，其中，更具備用以防止異物往前述開口陣列附著之至少1片的保護透明板，其係被安裝於前述移動台，與前述移動台一起移動。
3. 如申請專利範圍第1或2項之共焦點掃描器，其中，前述開口陣列為針孔陣列，以共焦點效果能夠被發揮的方式，每間隔P設置各針孔，在移動方向相鄰的針孔係於與移動方向正交的方向錯開微小距離S，且以P/S能夠成為整數的方式配置。
4. 如申請專利範圍第1或2項之共焦點掃描器，其中，前述開口陣列為縫隙陣列，各縫隙間係以共焦點效果能夠被發揮的方式，在移動方向取一定間隔P配置。
5. 如申請專利範圍第1~4項中的任一項所記載之共 焦點掃描器，其中，前述移動稜鏡及前述固定稜鏡的一方為具有彼此相等的角度且彼此在相反方向對於前述移動台的移動軸傾斜的2個面之稜鏡，前述移動稜鏡及前述固定稜鏡的另一方為具有對於長方體形狀的構件形成有前述一方的稜鏡可插拔的開口部即彼此相等的前述角度且在彼此相反方向對於前述移動台的移動軸傾斜的2個面所夾持的開口部的形狀之稜鏡。
6. 如申請專利範圍第5項之共焦點掃描器，其中，前述等效性的平行平面基板係隨著前述移動台的移動，前述一方的稜鏡對於前述另一方的稜鏡的前述開口部插拔，藉此厚度變化。
7. 一種光學的計測裝置，係利用光的計測裝置，其特徵係由下列所構成：如申請專利範圍第1~6項中的任一項所記載之共焦點掃描器；對物透鏡，其係於像面位置配置有前述開口陣列；照明光學系，其係照射前述對物透鏡的有效像面全體；偏光元件，其係將在計測物體反射而射入前述對物透鏡且通過前述開口陣列的物體反射光予以偏向至和前述照明光學系不同的方向；2次元檢測器，其係接受藉由前述偏光元件來偏向後的前述物體反射光而光電變換作為畫像訊號輸出； 結像光學系，其係使前述開口陣列的像經由前述偏光元件來結像於前述2次元檢測器上；及畫像處理裝置，其係將前述2次元檢測器的輸出設為數位訊號輸入，利用所取得的一連串的焦點位置不同的資料，探索賦予最大值的焦點位置，由探索後的焦點位置來特定該點的高度，前述開口陣列及前述移動稜鏡係藉由前述移動台來使以一定速度移動，在移動中複數次藉由前述2次元檢測器來取得畫像，前述2次元檢測器的1次的曝光時間係設定成與前述開口陣列移動方向的開口配列週期的整數倍的移動時間相同。