TWI452256B - 共焦點測量裝置 - Google Patents

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TWI452256B
TWI452256B TW101105724A TW101105724A TWI452256B TW I452256 B TWI452256 B TW I452256B TW 101105724 A TW101105724 A TW 101105724A TW 101105724 A TW101105724 A TW 101105724A TW I452256 B TWI452256 B TW I452256B
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confocal
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Masayuki Hayakawa
Mariko Hirata
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Omron Tateisi Electronics Co
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Description

共焦點測量裝置
本發明係有關一種共焦點測量裝置，其係以非接觸方式測量待測目標物之位移的測量裝置，且係利用共焦點光學系統而測量待測目標物對之位移的共焦點測量裝置。
以非接觸方式測量待測目標物之位移的測量裝置中利用共焦點光學系統而測量待測目標物之位移的共焦點測量裝置係揭露於專利文獻1中。專利文獻1所揭露的共焦點測量裝置係具備一色像差透鏡，其使從射出複數個波長之光的光源(例如白色光源)射出之光沿著光軸產生色像差之色像差透鏡。專利文獻1所揭露的共焦點測量裝置，係藉由對焦之來自色像差透鏡之光的波長依據待測目標物之位移而不同，使得通過針孔之光的波長改變，測定通過針孔之光的波長以測量待測目標物之位移。
此外，專利文獻2中揭露之共焦點測量裝置係換掉色像差透鏡而使用繞射透鏡以使從光源射出之光沿著光軸產生色像差。其中，專利文獻2中揭露之共焦點測量裝置係使用光纖作為光源至準直透鏡的光路徑、及準直透鏡至分光器之光路徑。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]美國發明專利第4585349號說明書
[專利文獻2]美國發明專利第5785651號說明書
然而，發明專利文獻1及2中揭露的共焦點測量裝置因為係利用色像差透鏡或繞射透鏡將光對焦於待測目標物，故會因色像差透鏡或繞射透鏡之光學特性造成景深因光波長而大幅度變化。若景深因光波長而大幅度變化，則變成可通過針孔之光量會依各個光的波長而異，專利文獻1及2所揭露的共焦點測量裝置存在有測量待測目標物之位移的準確度(分辨率)因光波長而大幅變動之問題。
本發明係鑑於如此之情形而作成，目的為提供一種共焦點測量裝置，其係利用共焦點光學系統而測量待測目標物之位移的共焦點測量裝置，且係抑制因光波長所導致之測量待測目標物之位移的準確度之變動的共焦點測量裝置。
根據本發明的共焦點測量裝置係利用共焦點光學系統而測量待測目標物之位移的測量裝置。共焦點測量裝置係具備：光源，其係射出複數個波長之光；繞射透鏡，其係使從光源射出之光沿著光軸方向產生色像差；接物透鏡，其係配置於比繞射透鏡靠近待測目標物之側，將利用繞射透鏡而產生色像差之光集聚於待測目標物；針孔，其係使利用接物透鏡而集聚之光中對焦於待測目標物之光通過；以及測定部，其係依每個波長測定通過針孔之光的強度；其中繞射透鏡之焦距係大於繞射透鏡至接物透鏡之距離與接物透鏡之焦距之差。
此外，本發明的共焦點測量裝置中，較佳為繞射透鏡至接物透鏡之距離係大致等於接物透鏡之焦距。
另外，本發明的共焦點測量裝置中，較佳為接物透鏡是可更換的。
再且，本發明的共焦點測量裝置中，較佳為在繞射透鏡至測定部之光路徑上具備光纖，並將光纖作為針孔使用。
再者，本發明的共焦點測量裝置中，較佳為繞射透鏡係具有玻璃基板、以及形成於玻璃基板之至少一面並沿著光軸方向產生色像差之圖案的樹脂層。
根據上述構成，根據本發明之共焦點測量裝置係將接物透鏡配置於比繞射透鏡靠近待測目標物之側，並將繞射透鏡之焦距設定成大於繞射透鏡至接物透鏡之距離與接物透鏡之焦距之差，藉此抑制因光波長所導致之景深的變化，並抑制因光波長所導致之測量待測目標物之位移的準確度之變動。
 [實施發明之形態]
以下，對於本發明之實施形態，在參照圖式下詳作說明。
(實施形態1)
圖1係顯示本發明之實施形態1的共焦點測量裝置之構成的示意圖。圖1所示之共焦點測量裝置100係利用共焦點光學系統而測量待測目標物200之位移的測量裝置。利用共焦點測量裝置100測量之待測目標物200例如有液晶顯示面板之液晶單元間隙(cell gap)等。
共焦點測量裝置100係具備：具有共焦點之光學系統的頭部10、透過光纖11以光學方式連接之控制部20、顯示從控制部20輸出之信號的監視部30。
頭部10係具備：繞射透鏡1、配置於比繞射透鏡1靠近待測目標物200之側的接物透鏡2。繞射透鏡1之焦距係設定為大於繞射透鏡至接物透鏡之距離與接物透鏡之焦距之差。
此處，繞射透鏡1係一光學元件，其使從發出後述之複數個波長之光的光源(例如，白色光源)發出的光沿著光軸方向產生色像差。繞射透鏡1係在透鏡表面周期地形成例如kinoform形狀或binary形狀(step形狀、階差形狀)等之精細的起伏形狀，或形成光之透過率周期地變更之振幅型波帶片(zone plate)。其中，繞射透鏡1之構成並非限定為上述記載之構成。
接物透鏡2係將利用繞射透鏡1產生色像差之光集聚於待測目標物200之光學元件。此外，對於共焦點測量裝置100係使用白色光源作為發出複數個波長之光的光源之情況，於下作說明。
從白色光源發出之光係透過光纖11而引導至頭部10。若要在繞射透鏡1有效利用從光纖11發出之光，則需要使光纖11之數值孔徑(NA：numerical aperture)與繞射透鏡1之數值孔徑一致。為此，在光纖11與繞射透鏡1之間設置聚光透鏡3，以光纖11之數值孔徑與繞射透鏡1之數值孔徑一致的方式作調整。
光纖11係頭部10至控制部20之光路徑，同時亦有作為針孔之功能。換言之，在接物透鏡2集聚之光中對焦於待測目標物200之光會在光纖11之開口部對焦。為此，光纖11會作用為將未對焦於待測目標物200之波長的光遮掉並使對焦於待測目標物200之光通過之針孔。由於頭部10至控制部20之光路徑採用光纖11，故將不需要針孔。
共焦點測量裝置100雖亦可係頭部10至控制部20之光路徑不採用光纖11之構成，但若該光路徑採用光纖11，則將可使頭部10相對於控制部以可撓方式移動。此外，共焦點測量裝置100係在頭部10至控制部20之光路徑不採用光纖11之構成情況需要具備針孔，但若為採用光纖11之構成的情況，則共焦點測量裝置100係不需要具備針孔的。
控制部20係具備為白色光源的白色LED(Light Emitting Diode)21、分岐光纖22、分光器23、攝像元件24、控制電路部25。雖採用白色LED21作為白色光源，但只要係可發出白色光之光源則亦可為其它光源。
分岐光纖22係在與光纖11連接之側具有一條光纖22a、在相對側具有二條光纖22b、22c。此外，光纖22b與光纖22c係分別連接於白色LED21與分光器23。為此，分岐光纖22可將從白色LED21發出之光引導至光纖11，同時可透過光纖11將從頭部10返回之光引導至分光器23。
分光器23係具有將從頭部10返回之光反射之凹面鏡23a、射入在凹面鏡23a反射之光的繞射光柵23b、將從繞射光柵23b射出之光集聚之聚光透鏡23c。分光器23係只要可將從頭部10返回之光依每個波長分開，則可為Zernitana型、Littrow型等任一之構成。
攝像元件24係測定從分光器23發出之光的強度的線性CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)或CCD(Charge Coupled Device)。此處，共焦點測量裝置100中係以分光器23及攝像元件24構成依每個波長測定從頭部10返回之光的強度之測定部。其中，測定部係只要可依每個波長測定從頭部10返回之光的強度，則亦可藉CCD等之攝像元件24的單體構成。此外，攝像元件24亦可係2維之CMOS或2維之CCD。
控制電路部25係控制白色LED21或攝像元件24等之動作的電路。此外，雖未圖示，但控制電路部25中係具有輸入用以調整白色LED21或攝像元件24等之動作的信號之輸入介面、輸出攝像元件24的信號之輸出介面等。
監視部30係顯示攝像元件24輸出之信號。例如，監視部30係描繪從頭部10返回之光的光譜波形，並顯示待測目標物之位移為123.45μm的資訊。
其次，說明頭部10之共焦點光學系統採取將接物透鏡2配置於比繞射透鏡1靠近待測目標物200之側，並將繞射透鏡1之焦距設定為大於繞射透鏡1至接物透鏡2之距離與接物透鏡2之焦距之差，共焦點測量裝置100從而抑制因光波長而導致對待測目標物200之位移所測量的準確度之變動之情況。
首先，圖2係顯示在歷來的共焦點測量裝置中所採用之頭部的共焦點光學系統之構成的示意圖。圖2所示之共焦點光學系統之構成係將繞射透鏡400配置於比準直透鏡300靠近待測目標物200之側的構成。換言之，歷來的共焦點測量裝置係利用準直透鏡300將從光纖11之端部發出之光變成平行光，並利用繞射透鏡400將平行光集聚於待測目標物200，同時沿著光軸方向產生色像差。
歷來的共焦點測量裝置係利用繞射透鏡400將光集聚於待測目標物200，故就繞射透鏡400之光學特性而言，景深會依光之波長而大幅變化。若景深依光之波長而大幅變化，則可射入光纖11之光量(可通過針孔之光量)會因每個光之波長而異，歷來的共焦點測量裝置係對待測目標物之位移所測量的準確度(分辨率)依光之波長而大幅變動。
測量待測目標物之位移的準確度係可依利用共焦點測量裝置之測定部獲得之光譜波形中之光譜的半峰全寬來評估。此處，光譜之半峰全寬係指相對於峰值之光強度成為1/2之光強度的光譜之2點間的距離。
圖3係顯示利用歷來的共焦點測量裝置而測得之待測目標物之位移的光譜波形之一例的圖。圖3所示之光譜波形係橫軸為對應於光之波長的工件高度(將待測目標物200至頭部10前端之高度設定為零)(mm)、縱軸為光之強度(標準化的值)。光譜波形顯示有複數個光譜之波峰，工件高度位在負側(光之波長短之側)的光譜之半峰全寬大於工件高度位在正側(光之波長長之側)的光譜之半峰全寬。此外，此半峰全寬亦取決於光纖11之直徑及光纖11側之透鏡300的焦點深度。光纖11之直徑若減小或透鏡300的焦點深度變淺，則半峰全寬會變窄。然而，光纖11之直徑及光纖11側之透鏡300的焦點深度由於係固定於測量裝置內，故因工件之高度所致的半峰全寬之相對差異不會變化。
具體而言，在工件高度為約-0.6mm的情況下，光譜之半峰全寬A為約0.046mm，但在工件高度為約0.6mm的情況下，光譜之半峰全寬B則為約0.023mm。即，光譜之半峰全寬A會成為光譜之半峰全寬B之約2倍，光譜之半峰全寬係隨著工件高度變小(光之波長短)而變大。此外，光譜之波峰依工件高度而變化的原因為，白色光源所含之光之強度因光之波長而異的緣故。
歷來的共焦點測量裝置中，因為光譜之半峰全寬係隨著工件高度變小(光之波長短)而變大，故可得知隨著工件高度變小(光之波長短)，測量待測目標物200之位移的準確度會變差。
其次，圖4係顯示本發明之實施形態1的共焦點測量裝置100中所採用之頭部10的共焦點光學系統之構成的示意圖。圖4所示之共焦點光學系統之構成係將接物透鏡2配置於比繞射透鏡1靠近待測目標物200之側的構成。換言之，共焦點測量裝置100中係利用繞射透鏡1使從光纖11之端部發出之光沿著光軸方向產生色像差，並利用接物透鏡2將產生有色像差之光集聚於待測目標物200。
共焦點測量裝置100因為是利用接物透鏡2將光集聚於待測目標物200，而非利用繞射透鏡1將光集聚於待測目標物200，故基於後述之理由而抑制因光之波長所致之景深的變化，並抑制因光波長所致之測量待測目標物200之位移的準確度之變動。
圖5係顯示利用本發明之實施形態1的共焦點測量裝置100而測量之待測目標物之位移的光譜波形之一例的圖。圖5所示之光譜波形係橫軸為對應光之波長的工件高度(待測目標物200至頭部10之前端的高度設定為零)(mm)、縱軸為光之強度(標準化之值)。光譜波形係圖示有複數個光譜之波峰，工件高度位在負側(光之波長短之側)的光譜之半峰全寬與工件高度位在正側(光之波長長之側)的光譜之半峰全寬大致相等。
具體而言，在工件高度為約-0.6mm的情況下，光譜之半峰全寬C係約0.025mm，在工件高度為約0.6mm的情況下，光譜之半峰全寬D係約0.029mm。換言之，光譜之半峰全寬C係大致等於光譜之半峰全寬D。
因此，共焦點測量裝置100係由於工件高度(光之波長)即使變化，光譜之半峰全寬仍難變化，因而抑制因光之波長所致之測量待測目標物200之位移的準確度之變動。
圖6係顯示光譜之半峰全寬相對於工件高度的變化的圖表。圖6所示之圖表係圖示表示歷來的共焦點測量裝置之光譜之半峰全寬(圖3所示之光譜之半峰全寬)的折線a與表示共焦點測量裝置100之光譜之半峰全寬(圖5所 示之光譜之半峰全寬)的折線b。折線a係顯示隨著工件高度變小(光之波長短)，光譜之半峰全寬會變大，折線b則係無關於工件高度(光之波長)而大致固定。具體而言，折線a所示之光譜之半峰全寬係具斜率而從約0.023mm變化至約0.046mm，折線b所示之光譜之半峰全寬則係以約0.030mm為中心從約0.023mm變化至約0.034mm。
其次，對於共焦點測量裝置100抑制因光之波長所致之景深的變化並抑制因光之波長所致之測量待測目標物200之位移的準確度之變動的情況，利用數學式以理論方式作說明。
首先，圖4所示的共焦點測量裝置100之光學系統中，將光纖11之端部至繞射透鏡1的距離設為a，將繞射透鏡1至接物透鏡2的距離設為b，將接物透鏡2至藉接物透鏡2而對焦之點的距離設為c(λ)。再者，繞射透鏡1係將光之波長λ0 時之焦距設為fd0 ，將有效直徑設為a。此外，距離a係設成等於焦距fd0 。接物透鏡2係將焦距設為fo ，將有效直徑設為(λ)。
另一方面，圖2所示之歷來的共焦點測量裝置之光學系統中，為了簡化計算，將光纖11之端部至準直透鏡300的距離設為a，將準直透鏡300至繞射透鏡400的距離設為b，將繞射透鏡400至藉繞射透鏡400而對焦之點的距離設為c(λ)。再且，準直透鏡300係將焦距設為fd0 。此外，距離a係設成等於焦距fd0 。繞射透鏡400係將光之波長λ0 時之焦距設為fo ，將有效直徑設為。
繞射透鏡400之焦距fd(λ)係光之波長λ的函數，若將光之波長λ0 時之焦距設為fo ，則一般可利用繞射透鏡之公式而顯示如(式1)。
再且，繞射透鏡400之數值孔徑NA1 (λ)係可利用(式1)之關係而表示為如(式2)。
其次，對於圖4所示的共焦點測量裝置100之光學系統，可利用一般之透鏡的公式而將光纖11之端部至繞射透鏡1的距離a、由繞射透鏡1至來自光纖11之出射光藉繞射透鏡1而對焦的點的距離ag (λ)(未圖示)、與繞射透鏡1之焦距fd (λ)之關係、以及繞射透鏡1至接物透鏡2的距離b、由接物透鏡2至藉接物透鏡2而對焦之點的距離c(λ)、與接物透鏡2之焦距fo 之關係顯示如(式3)。其中此處係作成可無視接物透鏡之色像差。
此外，接物透鏡2之有效直徑Φ b (λ)係可利用(式3)之關係而顯示如(式4)。
此外，由接物透鏡2至藉接物透鏡2而對焦之點的距離c(λ)係可利用(式3)、(式4)之關係而顯示如(式5)。
再且，接物透鏡2之數值孔徑NA2 (λ)係可利用(式3)～(式5)之關係而顯示如(式6)。
距離a若設成等於焦距fd0 ，則(式6)係以fd0 =a而可顯示如(式7)。
此處，比較與歷來之構成的接物透鏡相當的繞射透鏡400之數值孔徑NA1 (λ)與本發明的接物透鏡2之數值孔徑NA2 (λ)。此時，將(式8)所示之條件納入考量。(式8)所示之條件係光之波長λ0 時的繞射透鏡1之焦距fd0 (設計波長之焦距)大於繞射透鏡1至接物透鏡2的距離b與接物透鏡之焦距之差。
若將(式8)所示之條件納入考慮，則接物透鏡2之數值孔徑NA2 (λ)為，相對於光之波長λ的變化率(光之波長λ的函數之斜率)小於繞射透鏡400之數值孔徑NA1 (λ)。
圖7係顯示繞射透鏡400之數值孔徑與接物透鏡2之數值孔徑之比較的圖表。圖7所示之圖表係橫軸為光之波長、縱軸為數值孔徑之反正弦值。並且，直線c與直線d係分別表示繞射透鏡400之數值孔徑NA1 (λ)與接物透鏡2之數值孔徑NA2 (λ)。
直線d係若將(式8)所示之條件納入考慮，則斜率比直線c小。換言之，接物透鏡2之數值孔徑NA2 (λ)係呈現出比繞射透鏡400之數值孔徑NA1 (λ)還不易因光之波長λ而變化的特性。因為接物透鏡2之數值孔徑NA2 (λ)不易因光之波長λ而變化，故接物透鏡2係可抑制因光之波長λ所致之景深的變化。
此外，在距離b與焦距fd0 相等的情況(b=fd0 )，接物透鏡2之數值孔徑NA2 (λ)會成為不含光之波長λ的變數之固定值。換言之，接物透鏡2之數值孔徑NA2 (λ)不會因光之波長λ而變化。為此，共焦點測量裝置100係即使使光之波長λ變化，可射入光纖11之光量(可通過針孔之光量)仍會固定，測量待測目標物之位移的準確度會固定而不受光之波長影響。
其次，更詳細說明頭部10。圖8係顯示本發明之實施形態1的共焦點測量裝置100之頭部10的構成之示意圖。圖8所示之頭部10係採取將接物透鏡2接著於間隔件4，並可卸下該間隔件4，故接物透鏡2係可更換的。具體而言，從頭部10卸下環件5，使間隔件4移動於光軸方向而從頭部10卸下間隔件4，並將接著有不同焦距的接物透鏡2之間隔件4插入頭部10，使得頭部10係可輕易更換接物透鏡2。藉由更換成不同焦距的接物透鏡2，使得共焦點測量裝置100係可變更頭部10與待測目標物200之距離、或可變更可測定之工件高度(WD)的範圍。
此處，接物透鏡2係使用一般之光學透鏡，但亦可使用將以折射率不同之2種類的玻璃材製成的凸透鏡與凹透鏡接近或接著而成的消色差透鏡。消色差透鏡係設計成除去色像差，故共焦點測量裝置100係使用消色差透鏡作為接物透鏡2，從而進一步抑制因光之波長λ所致之測量待測目標物200之位移的準確度之變動。
此外，光纖11係可採用多模光纖，亦可採用單模光纖。採用多模光纖之光纖11係因光纖的直徑較大，故可減少傳送來自白色LED21之出射光時之光功率的損耗，即使是測量光反射率低之待測目標物，亦可在高S/N比之情況下穩定測量。採用單模光纖之光纖11係因光纖的直徑小至數μm，故亦可具有針孔的功能，使得可如前述般將受光波形之半峰全寬縮窄，可準確度佳地作測量。一般而言，使用光纖於共焦點光學系統中之情況，因為光功率之損耗會變大，使得S/N比成為問題之情況偏多，故光纖11採用多模光纖較佳。
此外，光纖11較佳係採用耐彎曲光纖。頭部10以安裝於電子零件構裝裝置等之驅動部分的情況居多，在該情況下頭部10本身亦會移動。為此，連接於頭部10之光纖11會經常彎曲於頭部10之移動方向，故採用耐彎曲光纖可防止損傷。
此外，繞射透鏡1不限定為在玻璃或樹脂等之單一材料的基板上形成有沿著光軸方向產生色像差之圖案的構成，亦可利用複數個材料構成。圖9係利用複數個材料構成之繞射透鏡1的示意圖。圖9所示之繞射透鏡1係具有玻璃基板1a、與形成於玻璃基板1a之單面且沿著光軸方向產生色像差之圖案的樹脂層1b。
樹脂層1b可藉由下述方式形成：將紫外線硬化樹脂塗布於玻璃基板1a，並在塗布有紫外線硬化樹脂之玻璃基板1a之一面壓上期望之圖案的模具，照射紫外線而使紫外線硬化樹脂硬化。
僅以玻璃構成之繞射透鏡1係因為加工硬玻璃而形成沿著光軸方向產生色像差之圖案，故製造成本高。然而，以玻璃基板1a與樹脂層1b構成之繞射透鏡1係因為利用期望的圖案之模具加工樹脂層1b而形成沿著光軸方向產生色像差之圖案，故製造成本低。
此外，僅以樹脂構成之繞射透鏡1，其因環境溫度造成之形狀的變化大，溫度特性不良。然而，以玻璃基板1a與樹脂層1b構成之繞射透鏡1，其因環境溫度造成之形狀的變化小的玻璃基板1a佔構成之大部分，故溫度特性優良。
此外，圖9所示之繞射透鏡1並非限定為在玻璃基板1a之單面形成樹脂層1b的情況，亦可在玻璃基板1a之兩面形成樹脂層1b。
如以上所述，根據本發明的共焦點測量裝置100係將接物透鏡2配置於比繞射透鏡1靠近待測目標物200之側，藉由使繞射透鏡1之焦距大於繞射透鏡1至接物透鏡2之距離與接物透鏡2之焦距之差，而抑制因光之波長所致之景深的變化，並抑制因光波長所致之測量待測目標物200之位移的準確度之變動。
(實施形態2)
以下，針對圖1所示之構成共焦點測量裝置100的頭部10、分光器23、白色LED21與光纖22b之結合部，說明其他構成之頭部、分光器、白色LED與光纖之結合部。
圖10係顯示本發明之實施形態2的共焦點測量裝置100之頭部的構成之概略圖。圖10所示之頭部10a係包含具有繞射透鏡1之本體單元12、以及具有接物透鏡2之接物透鏡單元13。接物透鏡單元13係依待測定之目標物而準備具有不同之接物透鏡2者，因為係嵌合於本體單元12之構成，故可輕易更換。本體單元12與接物透鏡單元13之嵌合方式係只要可固定本體單元12與接物透鏡單元13則可為旋緊方式、嵌入方式任一者。
本體單元12係設有與光纖11連接用之光纖插座14。此外，光纖11係在連接本體單元12之側的端部設有可與光纖插座14嵌合之光連接部15。本體單元12係藉由使光纖插座14與光連接部15嵌合，而以可裝卸的方式連接光纖11。藉由將本體單元12與光纖11設成可裝卸，使得即使光纖11在已設置共焦點測量裝置100之現況下破損，亦可僅更換光纖11而不需更換頭部10a全體，可減低共焦點測量裝置100之維護成本。此外，因為僅更換光纖11，故不需再調整頭部10a之光軸，可在更換光纖11後立即再進行測定。
光纖11係採用將連接於本體單元12之側的端部之面(端面)以呈現相對於光軸傾斜的方式截斷的APC(Angled PC)研磨之光纖。為此，可減低來自光纖11之端面的反射光，可減少反射光對受光波形造成之偏移且能抑制測量範圍縮小。此外，採用APC研磨之光纖11的情況，因為光之出射方向成為相對於光纖11之光軸傾斜，故必須將光纖插座14之中心軸設置成相對於本體單元12之中心軸傾斜，以使光之出射方向沿著本體單元12之中心軸。
此外，圖10所示之頭部10a為了縮小形狀，而將繞射透鏡1與接物透鏡2之距離縮得比接物透鏡2之焦距還短。此外，圖10所示之頭部10a係未採用圖8所示之聚光透鏡3。為此，圖10所示之頭部10a其光之利用效率比圖8所示之頭部10還差，但因為透鏡之片數減少，可減少透鏡之成本與透鏡之調整工時。
其次，圖11係顯示本發明之實施形態2的共焦點測量裝置100之分光器的構成之概略圖。圖11所示之分光器230係ZERNITANA型，其包含繞射光柵23b、聚光透鏡23c、準直透鏡23d。此外，圖11中分光器230係對與圖1所示之分光器23相同之構成要件標上相同符號。
在分光器230中會射入經由光纖22c而自頭部10返回之光。從光纖22c發出之光係藉由準直透鏡23d變成準直光，在繞射光柵23b反射後，由聚光透鏡23c集聚而照射於攝像元件24，即照射於CCD。
光纖22c之端部係設有光纖套管部22c1，光纖套管部22c1係固定於光纖插座23e。繞射光柵23b、聚光透鏡23c、準直透鏡23d、光纖插座23e及攝像元件24係以各自的位置不易偏離的方式固定於分光器基底部23f。
分光器230係使用單透鏡之準直透鏡23d將從光纖22c入射之光變成準直光，並非反射鏡，故可減低成本。
其次，圖12係顯示本發明之實施形態2的共焦點測量裝置100之白色LED與光纖之結合部的構成之概略圖。圖12所示之白色LED21與光纖22b之結合部係包含保持框體210、光纖扣結件211。保持框體210中係利用螺絲等而固定有構裝了白色LED21之基板21a。保持框體210係鋁合金等之金屬製品，其係作成可易於將點亮白色LED21時產生之熱透過基板21a散出。此外，白色LED21其為了抑制發熱量，較佳為脈衝式發光，但若為了抑制雜訊則以連續發光者較佳。
在保持框體210中光纖22b之光纖套管部22b1插入設於白色LED21之光軸上的凹部，利用光纖扣結件211鎖住光纖22b，而構成白色LED21與光纖22b之結合部。光纖22b之光纖套管部22b1係保護光纖前端之金屬或陶瓷製的零件，前端之直徑為50μm左右。
此外，白色LED21與光纖套管部22b1之前端之距離，在提升光之利用效率上較佳為盡可能短。然而，若考量到製造偏差不均，則必須按白色LED21、光纖套管部22b1等之尺寸公差的程度，將白色LED21與光纖套管部22b1之前端的距離隔開。
接著，詳細說明使用於實施形態2的共焦點測量裝置100之白色LED21。白色LED21係採用螢光體方式者。螢光體方式之白色LED係利用以螢光體覆蓋藍色或波長比藍色短之發光二極體之晶片的構造，取得來自晶片之出射光與因其而產生之螢光體的激發光，藉以獲得白色光。
圖13係顯示採用螢光體方式的白色LED21之分光光譜的圖。圖13所示之分光光譜係包含藍色的部分(波長440nm附近)有很強的強度之成分與在波長500nm~700nm之範圍強度平滑變化之成分的兩個成分。分光光譜之有很強的強度之成分係來自晶片之出射光的成分，分光光譜之強度平滑變化之成分係螢光體之激發光的成分。
此處，在本發明之實施形態2的共焦點測量裝置100中，因為係以具有相對於波長軸接近均勻的強度分布之光源為理想，故較佳為使用分光光譜之強度平滑變化的成分。將相對於分光光譜之強度平滑變化的成分之峰值(波長560nm)可獲得一半以上之強度的波長設為共焦點測量裝置100之測量區域(波長520～650nm)。
接著，本發明之實施形態2的共焦點測量裝置100中，為了獲得穩定的測定結果而調整了白色LED21之發光強度。換言之，共焦點測量裝置100若其白色LED21之發光強度太大，則會導致攝像元件24之受光波形飽和，而無法獲得正確之峰值，反之若白色LED21之發光強度太小，則攝像元件24之受光波形會遭雜訊埋沒造成無法獲得正確之峰值。
此外，如前述，白色LED21之分光光譜其發光強度係會相對於波長變化而非固定。因此，為了獲得穩定之測定結果，需要調整白色LED21之發光強度。
圖14係顯示攝像元件24之受光波形與臨界值之關係的圖。為了獲得穩定之測定結果，將白色LED21之發光強度調調整為，攝像元件24之受光波形的峰值位於第1臨界值與第2臨界值之間。
圖15係用以說明調整白色LED21之發光強度之動作的流程圖。首先，攝像元件24取入如圖14所示之受光波形(步驟S151)。接著，圖1所示之控制電路部25判斷利用攝像元件24取入之受光波形是否含有峰值(步驟S152)。控制電路部25係在判斷為利用攝像元件24取入之受光波形不含峰值的情況(步驟S152：NO)，將接通電流變大、或將發光脈衝寬度變寬，以使白色LED21之發光強度變大(步驟S153)。
控制電路部25係在判斷為利用攝像元件24取入之受光波形含有峰值的情況(步驟S152：YES)，判斷受光波形之峰值是否為如圖14所示之第1臨界值以上(步驟S154)。控制電路部25係在判斷為受光波形之峰值不是第1臨界值以上(比第1臨界值小)的情況(步驟S154：NO)，使處理前進至步驟S153，將接通電流變大、或將發光脈衝寬度變寬，以使白色LED21之發光強度變大。
控制電路部25係在判斷為受光波形之峰值為第1臨界值以上的情況(步驟S154：YES)，判斷受光波形之峰值是否比如圖14所示之第2臨界值小(步驟S155)。控制電路部25係在判斷為受光波形之峰值不比第2臨界值小(第2臨界值以上)的情況(步驟S155：NO)，將接通電流變小、或將發光脈衝寬度變窄，以使白色LED21之發光強度變小(步驟S156)。
控制電路部25係在判斷為受光波形之峰值比第2臨界值小的情況(步驟S155：YES)，結束處理。
如以上所述，本發明之實施形態2的共焦點測量裝置100係依圖15所示之流程圖而調整白色LED21之發光強度，使得即使白色LED21之波長造成受光波形之峰值發生變化，待測目標物之反射率造成受光波形之峰值發生變化，仍可獲得穩定之測定結果。
此外，圖15所示之流程圖中係對於藉由調整白色LED21之接通電流、或調整發光脈衝寬度而調整白色LED21之發光強度的情況作說明，但亦可採取使攝像元件24之攝像時間或放大率變化以調整受光波形之峰值而獲得穩定之測定結果。
本次所揭露之實施形態所有特徵點皆屬例示，不應視作具限制性者。本發明之範圍並非僅由上述之說明顯示，另由申請專利範圍顯示，更意欲包含與申請專利範圍均等之含義及範圍內所有變更。
1、400．．．繞射透鏡
2．．．接物透鏡
3、23c．．．聚光透鏡
4．．．間隔件
5．．．環件
10、10a．．．頭部
11、22a、22b、22c．．．光纖
12．．．本體單元
13．．．接物透鏡單元
14、23e．．．光纖插座
15．．．光連接部
20．．．控制部
21．．．白色LED
22．．．分岐光纖
22b1、22c1．．．光纖套管部
23、230．．．分光器
23a．．．凹面鏡
23b．．．繞射光柵
23d．．．準直透鏡
23f．．．分光器基底部
24．．．攝像元件
25．．．控制電路部
30．．．監視部
100．．．共焦點測量裝置
200．．．待測目標物
210．．．保持框體
211．．．光纖扣結件
300．．．準直透鏡
圖1係顯示本發明之實施形態1的共焦點測量裝置之構成的示意圖。
圖2係顯示在歷來的共焦點測量裝置中所採用之頭部的共焦點光學系統之構成的示意圖。
圖3係顯示利用歷來的共焦點測量裝置所測得之待測目標物之位移的光譜波形之一例的圖。
圖4係顯示本發明之實施形態1的共焦點測量裝置中所採用之頭部的共焦點光學系統之構成的示意圖。
圖5係顯示利用本發明之實施形態1的共焦點測量裝置所測得之待測目標物之位移的光譜波形之一例的圖。
圖6係顯示光譜之半峰全寬相對於工件高度的變化的圖表。
圖7係顯示繞射透鏡之數值孔徑與接物透鏡之數值孔徑之比較的圖表。
圖8係顯示本發明之實施形態1的共焦點測量裝置之頭部的構成之示意圖。
圖9係利用複數個材料構成之繞射透鏡1的示意圖。
圖10係顯示本發明之實施形態2的共焦點測量裝置之頭部的構成之概略圖。
圖11係顯示本發明之實施形態2的共焦點測量裝置之分光器的構成之概略圖。
圖12係顯示本發明之實施形態2的共焦點測量裝置之白色LED與光纖之結合部的構成之概略圖。
圖13係顯示採用螢光體方式的白色LED之分光光譜的圖。
圖14係顯示攝像元件之受光波形與臨界值之關係的圖。
圖15係用以說明調整白色LED之發光強度之動作的流程圖。
1．．．繞射透鏡
2．．．接物透鏡
3．．．聚光透鏡
10．．．頭部
20．．．控制部
21．．．白色LED
22．．．分岐光纖
22a．．．光纖
22b．．．光纖
22c．．．光纖
23．．．分光器
23a．．．凹面鏡
23b．．．繞射光柵
23c．．．聚光透鏡
24．．．攝像元件
25．．．控制電路部
30．．．監視部
200．．．待測目標物

Claims (5)

  1. 一種共焦點測量裝置，其係利用共焦點光學系統而測量待測目標物之位移的共焦點測量裝置，具備：光源，其係射出複數個波長之光；繞射透鏡，其係使從前述光源射出之光沿著光軸方向產生色像差；接物透鏡，其係配置於比前述繞射透鏡靠近前述待測目標物之側，將利用前述繞射透鏡而產生色像差之光集聚於前述待測目標物；針孔，其係使利用前述接物透鏡而集聚之光中對焦於前述待測目標物之光通過；以及測定部，其係依每個波長測定通過前述針孔之光的強度；其中前述繞射透鏡之焦距係大於前述繞射透鏡至前述接物透鏡之距離與前述接物透鏡之焦距之差。
  2. 如申請專利範圍第1項之共焦點測量裝置，其中，前述繞射透鏡至前述接物透鏡之距離係大致等於前述接物透鏡之焦距。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之共焦點測量裝置，其中，前述接物透鏡是可更換的。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之共焦點測量裝置，其中，在前述繞射透鏡至前述測定部之光路徑上具備光纖，並將前述光纖作為前述針孔使用。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之共焦點測量裝置，其中，前述繞射透鏡係具有玻璃基板、以及形成於前述玻璃基板之至少一面並沿著光軸方向產生色像差之圖案的樹脂層。
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