TWI507659B - 三維形狀測量裝置 - Google Patents

Description

三維形狀測量裝置

本文所述之實施例一般係關於一種三維形狀測量裝置，其藉由使用一共焦光學系統來測量一物件的三維形狀。

作為用來測量如一物件之表面形狀之三維形狀的其中一種方法，有一種方法是藉由使用一共焦光學系統透過取得關於在物件之表面上之每點高度的資訊來測量物件的表面形狀。在使用一共焦光學系統的測量中，原則上為每點進行測量，因此必須專門設計去測量一表面面積。

在JP-A 9-329748中揭露的技術係作為藉由使用一共焦光學系統來測量一表面面積(如一物件的表面)的這類技術。

JP-A 9-329748揭露一種裝有一光源以及一Nipkow轉盤的共焦顯微鏡，其內部形成複數個光圈。每個光圈當作一點光源以及一偵測器。接物鏡將分別已通過複數個光圈的複數個光束聚集至各自在一測量物件端的對應之聚集位置。因此，當旋轉Nipkow轉盤時，已通過複數個光圈並聚集到測量物件端上之複數個聚集位置的每個光束(以下稱為光點)能在測量物件的表面上輕易地以高速掃描。

然而，很難避免在藉由使用Nipkow轉盤掃描在測量物件之表面上的光點之方法中由於旋轉Nipkow轉盤而產 生的反作用。由於旋轉Nipkow轉盤而產生的反作用之實例包括由光圈根據旋轉Nipkow轉盤所得之軌道之曲線的曲率會根據距轉盤之中心的距離而不同。每個光圈之軌道的曲率都不同，因此會發生偏差而使得每個光圈的掃描速度都不同。此外，不可能避免由於轉盤之離心率而造成的旋轉偏斜，以及避免由轉盤之連續旋轉所產生的振動。

根據上述情況來產生本發明，於是本發明之一目的在於提出一種能線性地掃描在測量物件之表面上之複數個光點的三維形狀測量裝置。

為了解決上述議題，根據本發明之一態樣的三維形狀測量裝置使用一共焦光學系統，並包括一光圈板、一接物鏡、一焦點位置改變單元、一光偵測器群組、一光圈板位移單元、一成像控制單元、一高度決定單元、一覆蓋構件、以及一成像光學系統。光圈板設有複數個共焦光圈，其分別允許光束從一光源通過且為二維排列以具有一預定排列週期。接物鏡聚集已通過複數個共焦光圈之在一物件端聚焦點上的每個光束，並在各自對應之共焦光圈上再聚集由在一測量物件上之聚集光束之反射形成的每個反射光束。焦點位置改變單元包括在上方設有複數個平行板型構件的一旋轉主體，平行板型構件至少在折射率和厚度之其一者上彼此不同，且沿著一旋轉方向排列，以便穿過接物鏡的一光軸、及一驅動部，配置以用一預定速度來連續旋 轉旋轉主體。而且焦點位置改變單元在每次穿過光軸的平行板型構件經由旋轉旋轉主體而改變時，便離散地改變物件端聚焦點在一光軸方向上的位置。光偵測器群組包括複數個光偵測器，各輸出對應至已再通過共焦光圈之一反射光束的強度之一信號。光圈板位移單元在垂直於光軸方向的一預定方向上以一恆定速度位移光圈板，以改變在垂直於光軸方向之方向上的物件端聚焦點之位置與測量物件之位置之間的一相對位置關係。成像控制單元使光偵測器群組在光圈板於垂直光軸方向之預定方向上的恆定速度移動期間進行複數次曝光、且每次有一成像目標區包括在平行板型構件中時，便使光偵測器群組進行每次曝光。另外，成像控制單元控制光圈板的一移動速度、旋轉主體的一旋轉速度、和光偵測器群組的一曝光時間與曝光時序，使得光偵測器群組的曝光時間與在以由預定排列週期乘以一第一正整數所得到的一距離來移動光圈板期間的時間一致。高度決定單元基於對藉由焦點位置改變單元在光軸方向上直接改變的物件端聚焦點之各位置的光偵測器之信號，來估算測量物件的位置，其中在此位置之入射到光偵測器之各者上的反射光束之強度會變成一最大值。覆蓋構件係設置在光圈板上以便藉由光圈板位移單元來與光圈板整體移位。覆蓋構件包括允許光源之光束通過並允許光源之光束照到複數個共焦光圈的一透明主體，且覆蓋構件保護複數個共焦光圈免於灰塵。成像光學系統係考慮到包括覆蓋構件之透明主體的一整個光學系統之光學特性來設計，並引 導再次通過共焦光圈的反射光束至光偵測器。

藉由三維形狀測量裝置，能線性地掃描測量物件之表面上的複數個光點。

在下文中，將參考圖示說明根據本發明之實施例的三維形狀測量裝置。

根據本發明之一實施例的三維形狀測量裝置藉由使用具有二維陣列型之共焦光圈陣列的共焦光學系統來測量一測量物件的形狀。以將光圈二維地排列在一光圈板中以具有一預定排列週期的這類方式來設置共焦光圈陣列。測量物件的實例包括大量生產之元件(如IC封裝)的電極端(具有例如幾十至幾百微米之大小)。

(第一實施例)

第1圖係為顯示根據本發明之第一實施例的三維形狀測量裝置之配置實例的示意全視圖。注意在接下來的說明中，會描述光軸方向係設成Z軸方向且垂直於光軸方向的方向係設成X軸方向和Y方向的情況作為實例。

三維形狀測量裝置10包括具有一光源11a的一照明光學系統11、一光圈板12，其主要表面係垂直於光軸方向來排列、一接物鏡13、一焦點位置改變部14、用來將一測量物件15安裝在上方的一安裝基底16。三維形狀測量裝置10更包括具有複數個光偵測器17a的一光偵測器 群組17，用來接收從測量物件15反射的光束、一安裝基底驅動部18，用來在XYZ之各方向上移動安裝基底16、支撐安裝基底16和安裝基底驅動部18的一支撐基底19、以及一影像處理裝置20。安裝基底驅動部18包括一安裝基底Z位移部21以及一安裝基底XY位移部22。

例如，能使用鹵素燈、雷射等作為光源11a。從光源11a發射的光通過照明透鏡23而形成一平面照明光束。這個光通過一偏極化分光鏡24而照射光圈板12。

第2圖係為顯示光圈板12之配置實例的平面圖。配置光圈板12使得複數個共焦光圈(以下稱為光圈)25為二維排列以具有一預定排列週期△d。光圈板12藉由光圈板位移部26來驅動，以在垂直於光軸方向的一預定方向上位移。接下來，說明光圈板12在Y軸方向之正和負方向上位移之情況的實例。

一般來說，為了降低光束之間的串擾，必須設置二維排列型之光圈陣列的光圈25以彼此分開一預定分開距離。為了這個理由，在具有二維排列型之光圈陣列的共焦光學系統中，在垂直於光軸之同平面方向上的解析度會受限於此分開距離。另一方面，近年來，關於使用固態成像元件的二維影像感測器，已開發具有非常大量像素(例如，5000×5000等)的影像感測器。

為了處理上述，在本實施例中，製造一種光圈25以藉由在暴露光偵測器群組17之狀態下線性掃描光圈板12來對應至複數個像素。

如第2圖之部分放大圖所示，當光圈板12移位預定排列週期(週期間隔)△d時，成像目標區27的內部能被光圈25均勻地掃描一次。在第2圖中，對應於配置光偵測器群組17之光偵測器(像素)17a的位置實際上係以虛線來表示。

當控制光偵測器17a的曝光時間與在以由排列週期△d乘以一正整數m所得到的距離來移動光圈板12期間的時間一致時，在光束透過每個光圈25照到每個光偵測器17a期間能使時間一致。此控制係由影像處理裝置20來進行。

光圈板12的每個光圈25當作一點光源。通過每個光圈25的光束藉由接物鏡13經由焦點位置改變部14照在測量物件15上，以聚集在與點光源結合的光點(物件端聚焦點)。每個物件端聚焦點係位在排列於Z軸方向之預定位置以及垂直於光軸方向的表面上(此後係參照為物間端聚焦點平面)。注意可由複數個透鏡及快門來配置接物鏡13，以形成例如一雙端遠心光學系統。

光圈板位移部26在垂直於光軸方向的方向上位移光圈板12。然而，當缺乏光圈板12的恆定速度性質時，就會任意地在影像中形成不均勻，以降低形狀測量的準確性。為了對付這種情況，最好使用可高度控制並能進行直接驅動的線性馬達或音圈馬達來對光圈板位移部26進行閉路控制。

安裝基底Z位移部21係以共同驅動裝置(如步進馬 達、伺服馬達、或超音波馬達)來配置，並在光軸方向上移位安裝基底16。位移的量、方向、及時序係藉由影像處理裝置20經由Z軸驅動器30來控制。安裝基底Z位移部21例如在開始測量之前大略地在光軸方向上移位安裝基底16。

第3圖係為顯示焦點位置改變部14之配置實例的透視圖。

當在接物鏡13的光學路徑上排列平行板型透明構件31時，接物鏡13的物件端聚焦平面之位置會在Z方向上移動。移動的範圍會受透明構件31的折射率和厚度控制。

基於這個原因，如第3圖所示，透明構件31係沿著旋轉主體32的旋轉方向以固定間隔排列在旋轉主體32上。每個透明構件31係配置以具有不同移動範圍的接物鏡13之物件端聚焦平面的位置。當驅動部33(如馬達)以一預定速度來連續旋轉旋轉主體32時，每次每個透明構件31穿過接物鏡13之光軸時，便能在Z方向上離散地(逐步)移動接物鏡13之物件端聚焦平面的位置。

旋轉主體32的旋轉狀態係由時序感測器34來偵測。時序感測器34的輸出會傳到影像處理裝置20。在影像處理裝置20中事先儲存了關聯每個透明構件31與物件端聚焦點之Z軸座標的資訊。當影像處理裝置20基於時序感測器34的輸出而在每個透明構件31穿過光軸時重複曝光光偵測器群組17時，能輕易地並以高速在複數個分開物 件端聚焦點之每個位置上進行成像。

請注意驅動部33可配置以受影像處理裝置20控制。既然這樣，影像處理裝置20能控制旋轉主體32的旋轉速度。

在測量物件15所反射的光束之間，尤其是在物件端聚焦點上反射的光束會被接物鏡13聚集在與物件端聚焦點具有光學共軛關係的點(以下稱為影像端聚焦點)上。當作點光源的光圈25一一地對應於物件端聚焦點。

在本實施例中，係說明在影像端聚焦點與當作點光源之光圈25一致的情形中的實例。在此例中，通過光圈25的光束會聚集在物件端聚焦點，並在物件端聚焦點上反射，以再次進入光圈25。

再次進入光圈25的光束會被偏極化分光鏡24偏斜，以便進入成像光學系統35並進入形成光偵測器群組17的光偵測器17a。這裡，配置成像光學系統35使得在光圈25上的影像會形成在光偵測器群組17的光電轉換表面上。光圈25(影像端聚焦點)以及排在對應於光圈25之位置上的光偵測器17a藉由偏極化分光鏡24以及成像光學系統35而彼此會有光學共軛關係。

光偵測器群組17即是所謂的二維影像感測器。構成光偵測器群組17的光偵測器17a係以CCD(電荷耦合裝置)影像感測器或CMOS(互補金氧半導體)影像感測器來構成，並輸出相當於放射光束之強度的信號至影像處理裝置20。另外，光偵測器群組17的光偵測之時序係受影 像處理裝置20控制。

影像處理裝置20能接收從光偵測器群組17輸出的信號，並使用收到的信號作為影像資料(以下稱為共焦影像資料)來產生影像(以下稱為共焦影像)。另外，影像處理裝置20可基於共焦影像資料來例如為每次曝光產生一共焦影像。在本實施例中，係說明在影像處理裝置20為光偵測器群組17的每次曝光而產生一共焦影像之情形中的實例。此外，當影像處理裝置20能得到關於光偵測器群組17之每次曝光之光偵測器群組17的輸出信號時，就有可能基於輸出信號來進行三維形狀測量，因而不必產生共焦影像。

安裝基底驅動部18的安裝基底XY位移部22在垂直於光軸方向的方向上移位安裝基底16。例如，安裝基底XY位移部22係用來在測量間的每次間隔時在XY表面上移動測量目標區。

安裝基底XY位移部22包括一X軸位移機制41以及一Y軸位移機制42，分別進行安裝基底16之X軸方向和Y軸方向的定位。X軸位移機制41以及Y軸位移機制42例如各以伺服馬達來配置。而且X軸位移機制41以及Y軸位移機制42之各者的位移量、方向、及時序係藉由影像處理裝置20經由XY軸驅動器45來控制。

第4圖係為顯示影像處理裝置20之內部配置之實例的示意方塊圖。影像處理裝置20能例如以桌上型個人電腦、筆記型個人電腦、或之類來配置。影像處理裝置20 包括一輸入部51、一顯示部52、一儲存部53、及一主控制部。

輸入部51係以例如鍵盤、觸控面板、及十鍵之常見輸入裝置來配置，並輸出對應於使用者操作之操作輸入信號給主控制部。

顯示部52係以例如液晶顯示器或OLED(有機發光二極體)顯示器之常見顯示輸出裝置來配置，並根據主控制部的控制來顯示各種資訊。

儲存部53係為能被CPU讀取和寫入的儲存媒體。儲存部53事先儲存關聯每個平行板型透明構件31與物件端聚焦點之Z軸座標的資訊。

主控制部係由CPU、包括RAM及ROM之儲存媒體等構成。主控制部的CPU將儲存在包括ROM之儲存媒體中的線性掃描程式以及執行程式所需並儲存在儲存媒體中的資料載入至RAM，以及執行處理以線性地掃描測量物件的表面。

主控制部的RAM提供一工作區，用來暫時儲存CPU所執行的程式和資料。主控制部之包括ROM的儲存媒體儲存影像處理裝置20的啟動程式和線性掃描程式、以及執行程式所需的各種資料。

包括ROM之儲存媒體和儲存部53可藉由包括CPU可讀記錄媒體(如磁性記錄媒體、光學記錄媒體、或半導體記憶體)來配置，如此經由電子網路來下載儲存在儲存媒體中之部分或全部的程式及資料。這裡，電子網路整體 來說是表示使用電子通訊技術的資訊通信網路，且除了無線或有線LAN(區域網路)、及網際網路之外，還包括電話通信網路、光纖通信網路、電纜通信網路、衛星通信網路、等等。

主控制部的CPU執行線性掃描程式以至少當作成像控制部54、高度決定部55、及影像產生部56。各部54至56使用RAM的必須工作區作為資料的暫時儲存區。實現各自功能的各部54至56亦可藉由使用硬體邏輯電路而不使用CPU來配置。

成像控制部54控制焦點位置改變部14、光偵測器群組17、及光圈板位移部26。藉此當光圈板位移部26以恆定速度在Y軸方向上移位光圈板12時，成像控制部54於每次成像目標區27包括在平行板型透明構件31中之期間，便使光偵測器群組17進行曝光(成像)。此時，成像控制部54控制光圈板12的移動速度、旋轉主體32的旋轉速度、和光偵測器群組17的曝光時間與曝光時序，使得光偵測器群組17的曝光時間與以由排列週期△d乘以一正整數m所得到的距離來移動光圈板12的時間一致。

高度決定部55從成像控制部54取得物件端聚焦點的目前Z軸座標(關於目前穿過光軸之透明構件31的資訊)，且亦取得光偵測器群組17的輸出。基於對在光軸方向上分開改變的物件端聚焦點之各位置的光偵測器17a之信號，高度決定部55為每個光偵測器17a計算測量物件在光軸方向上的位置，其中在此位置之進入光偵測器 17a的反射光束之強度會變成最大值。

這裡，當考量座標系統(安裝基底座標系統)的原點係設在安裝基底16的中心時，安裝基底座標系統的測量目標區(成像目標區27)之XY座標能唯一地根據安裝基底XY位移部22之目前位置來獲得。基於此原因，安裝基底座標系統中對應至每個光偵測器17a的XY座標會唯一地符合安裝基底XY位移部22之目前位置而決定。

傳統上，已知道各種方法作為使得在使用共焦光學系統之形狀測量技術中，基於從光偵測器17a之輸出分開得到的複數個信號的強度，來計算測量物件15之Z軸座標的方法，其中在此座標之反射光束的強度會變成最大值。能使用這些方法中的任何方法。

第5A圖係為用於說明藉由傳統方法計算測量物件15之Z軸座標之方法的視圖，其中在此座標之反射光束的強度會變成最大值。第5B圖係為用於說明根據本實施例之計算測量物件15之Z軸座標之方法的視圖。

第5圖中的山形曲線表示共焦光學系統之軸上反應曲線(在有關測量物件15之接物鏡13之焦點位置之相對位置(物件端聚焦點之位置)會在與光軸方向平行之方向上改變的情形下的光偵測器17a之輸出)。可以說在軸上反應曲線中，在山形曲線之中心處的峰值位置是最佳的焦點位置。此峰值係為入射到光偵測器17a之反射光束的強度會變成最大值的相對位置(以下稱為表面聚焦位置)。因此，基於關於峰值位置的資訊，有可能得到關於在測量物 件15之表面上的XY位置(對應至光偵測器17a)之光軸方向位置(表面高度)的資訊。

然而，如第5A圖所示，在傳統技術中，已使用一種方法係藉由以必要解析度階級大小精確地移動物件端聚焦點之位置來得到光偵測器17a之輸出信號，以從所得到之輸出信號來找出對應於最大強度的位置。在此方法中，當有關測量物件15之焦點位置的相對位置例如藉由在Z方向上移動安裝基底16而在與光軸方向平行之方向上改變時，必須為一個測量獲得200以上的共焦影像。

另一方面，當線性掃描光圈板12時，光圈板12必須非常長，以在獲得所有大量共焦影像期間以恆定速度來移動光圈板12。為了對付這個，本發明使用能減少一個測量所需之共焦影像數量的算術運算方法。

具體來說，如第5B圖所示，當以比必要解析度階級大小更大階級大小(例如，以能夠在反射光束之強度之中心山形分佈中得到約三點之資料的階級大小)來改變在光軸方向上之有關測量物件15之焦點位置的相對位置(接物鏡13的物件端聚焦點)時，便在每個相對位置處進行曝光，並藉由使用內插運算來估算中心山形分佈的峰值位置。

內插運算方法之實例包括將山形分佈假設為高斯分佈的方法。當藉由使中心山形分佈適用至高斯函數來得到中心山形分佈的峰值位置時，可由下面所示之等式(1)來估算峰值位置。藉由等式(1)，能基於三點(包括對應 至最大值fp之一點以及分別對應至值fp-1和fp+1且為對應於最大值fp之前和之後的點之其他兩點)之值來估算峰值位置。

zfocus=zp+(ln(fp+1)-ln(fp-1))/(2(2ln(fp)-ln(fp-1)-ln(fp+1))) (1)

這裡，參考字元zfocus表示提供山形分佈之峰值的焦點位置，且參考字元zp表示提供最大值fp的焦點位置。

透過上述內插運算，高度決定所必須且在光軸方向上分開改變的物件端聚焦點之位置(光軸方向測量位置)的數量，亦即輸入共焦影像的數量能比傳統方法更顯著地減少。例如，雖然傳統需要200個共焦影像，但影像數量能減少至20以下。

藉由高度決定部55為每個光偵測器17a來計算測量物件15的光軸方向位置。基於測量物件15的光軸方向位置，影像產生部56產生測量物件15的形狀影像以能夠藉由顯示部52來顯示形狀影像。

注意到一個測量所必須(用來產生一個形狀影像的處理)且在光軸方向上分開改變的物件端聚焦點之位置(光軸方向測量位置)的數量可設成旋轉主體32之透明構件31之數量分之一正整數的分數(例如，1/2、1/3或之類)。例如，在光軸方向測量位置的數量與旋轉主體32之透明構件31的數量一致之情況下，能藉由旋轉旋轉主體32來進行測量。另外，設在光圈板12中之光圈25週 期的數量可設成當在Y軸方向之預定方向(正或反方向之其一者)上以恆定速度移動光圈板12時能進行至少一測量的數量。

此外，亦可以這樣的方式來進行測量，即當在Y軸方向之預定方向(正或反方向之其一者)上以恆定速度移動光圈板12時進行至少一測量，以及在反向光圈板12的移動方向，並接著以恆定速度移動光圈板12之後，進行下一次的測量。再者，在此時，在光圈板12之移動方向反向或之類之加速和減速光圈板12的週期中，亦可藉由在XY軸方向上移動測量物件15來改變測量目標區。在此例中，能整體減少複數次測量所需的時間。

注意到共焦「顯微鏡」主要是用來觀察，因此必須進行連續成像。在這方面中，可以說使用Nipkow轉盤的共焦顯微鏡係為方便的，因為藉由它，只要旋轉Nipkow轉盤便能連續地得到共焦影像。然而，在表面形狀測量中，每個測量(每個視野)之間會有間隔，因而不必連續地進行成像。因此，即使使用分開掃描方法(如根據本實施例之使用光圈板12之移動的方法)來替代連續掃描方法(如使用Nipkow轉盤之旋轉的掃描方法)，只要在以恆定速度移動光圈板12的期間完成一個測量就沒問題。

根據本實施例之三維形狀測量裝置10能線性掃描光圈板12。因此，儘管曝光光偵測器群組17，當線性掃描光圈板12時，能使一個光圈25對應至複數個像素，使得能實現高解析度。另外，能使物件端聚焦點的掃描軌道沿 著直線行進，因而測量物件15之表面上的掃描區(測量目標區)能形成三角形。因此，相較於使用Nipkow轉盤的情況，能更增進與二維影像感測器的相容性。

在本實施例中，係說明光圈板12係為設有複數個小孔(光圈25)之小孔陣列型之情形的實例。在此情形中，僅需要排列光圈以具有預定排列週期△d，因而亦可使用狹口陣列型的光圈板。在使用狹口陣列型光圈板作為光圈板12之情形中，其在垂直於光圈板12之移動方向上之每個狹口中設有長邊，當排列複數個狹口使得在彼此毗連之狹口的中心之間的移動方向中的間隔係為△d的正整數分數時，能操縱預定排列週期作為△d。

在使用具有上述狹口之光圈板12的情形中，獲得共焦影像所需的最小掃描寬度會等於彼此毗連之狹口的中心之間的間隔(間距)。亦即，當以狹口的間距移動光圈板12時，藉由構成光偵測器群組17的所有光偵測器17a能得到共焦資料。基於這個原因，當使用狹口陣列型光圈板12時，會比使用小孔陣列型光圈板12之情形更減少獲得一個共焦影像所須的光圈板12之移動距離。

接下來，將說明光圈板12的詳細結構以及光圈板12之防塵的方法。

光圈25係形成在光圈板12中以具有1至數μm的直徑大小。基於這個原因，對至少形成複數個光圈25的區域(以下稱為光圈區)採用防塵的方法。當採取以外蓋封閉三維形狀測量裝置10之整個光學系統的方法、或以外 蓋封閉光圈板12和光圈板位移部26的方法作為光圈區的防塵手段時，任何方法都需要大規模的配置，且亦可能從驅動部(如光圈板位移部26)產生灰塵，以黏附光圈陣列區。

為了對付此，根據本實施例的三維形狀測量裝置10包括一覆蓋構件60，用來保護光圈板12免於灰塵。覆蓋構件60係用來保護光圈板12之光圈區的兩側免於灰塵。第1圖示意地顯示覆蓋構件60之配置的實例。另外，第6A圖係為根據第1圖所示之實例之裝有覆蓋構件60之光圈板12的側視圖，而第6B圖係為裝有覆蓋構件60之光圈板12的透視圖。

在第1圖和第6圖所示之覆蓋構件60的配置實例中，係由透明基板12a來構成光圈板12。這個配置適用於以鉻蝕刻透明基板12a之光源側表面以形成光圈25的情形。在此情形中，透明基板12a會保護光圈區的接物鏡側表面免於灰塵。基於此原因，覆蓋構件60只需要保護光圈區的光源側表面免於灰塵。因此，如第1圖和第6圖所示，只需要將覆蓋構件60可分開地設置在光圈板12的光源側上(在形成光圈25的側表面上)以覆蓋光圈25並保護光圈區的光源側表面免於灰塵。下面將更詳細地說明此例中的光圈板12以及覆蓋構件60之配置。

覆蓋構件60包括透明主體61、透明主體61的支撐構件62、及中間板63。另一方面，光圈板12包括一光圈區，其中在透明基板12a的光源側表面上有形成複數個光 圈25。

支撐構件62和中間板63各設有用來傳送來自光源11a的光束之開口。透明主體61的整個圓周會結合支撐構件62之開口的內側或外側。支撐構件62會用螺絲釘固定到中間板63，使得支撐構件62之開口的中心大致上與中間板63之開口的中心一致。此外，當在支撐構件62與中間板63之間的接觸面上設置如O型圈的墊片64以圍繞中間板63的開口時，就能更加提高防塵效果。

另外，光圈板12的整個周圍焊接至中間板63的側表面(為支撐構件62之固定側之相對側表面)，使得光圈25之形成表面65與中間板63之開口彼此相對。所以，能在由光圈板12、透明主體61、支撐構件62、及中間板63形成之封閉空間中設置形成複數個光圈25的光圈區。另外，光圈板12和覆蓋構件60會藉由光圈板位移部26在Y軸方向上整體移位。

注意到光圈板12的整個周圍不必焊接至中間板63，且光圈板12經由如O型圈的墊片64可分開地以螺絲釘固定到中間板63。既然這樣，覆蓋構件60可分開地附加在光圈板12上。在光圈板12可分開地壓進覆蓋構件60的情形中，能容易地進行光圈板12的交換和維護。

中間板63會以螺絲釘固定到L型治具66的縱向部，使得光圈板12安裝在L型治具66的的開口中。L型治具66的橫向部會以螺絲釘固定到光圈板安裝部67。光圈板安裝部67會藉由以成像控制部54控制的線性馬達68來 沿著線性滑軌68a在Y軸方向上移位。線性馬達68的驅動控制係藉由使用來自設置在線性滑軌68a附近之各種感測器的感測器群組69之輸出信號來進行。感測器群組69中包括原始感測器、極限感測器、等等。

覆蓋構件60係設置在光圈板12之光圈25的光源側形成表面65上，以覆蓋光圈區並保護光圈區的光源側免於灰塵。因此，相較於以外蓋覆蓋整個光圈板位移部26的情形、或以外蓋覆蓋三維形狀測量裝置10之整個光學系統的情形，能以非常輕量且簡單的配置來達到防塵，且亦能防止由馬達產生之灰塵的不利影響。

雖然透明主體61和透明基底12a各防止灰塵依附到光圈板12的光圈區，卻不能防止灰塵依附到透明主體61和透明基底12a之各者本身。然而，當透明主體61和透明基底12a各具有足夠的厚度時，便能從光圈板12的位置分開依附於透明主體61和透明基底12a之各表面的灰塵。這個光圈板12的位置係為成像光學系統35和接物鏡13的影像形成位置。因此，在依附於透明主體61和透明基底12a之各表面的灰塵之位置處的影像形成發光量之直徑是非常大的。所以，影像形成發光量不會完全被灰塵擋住，因而灰塵的影像很小。

然而，當厚的透明主體61插進光學路徑時，便無法忽略透明主體61對成像光學系統35之影像形成效能的影響。因此，必須考慮透明主體61的厚度來設計成像光學系統35。當然，必須使用不具細槽並具有夠高表面準確性 以及平行的光學透鏡作為透明主體61。

注意雖然第1圖和第6圖中顯示在透明基板12a的光源側上形成光圈25之情形、以及覆蓋構件60保護光圈區的光源側免於灰塵之情形的實例，但可將光圈板12和覆蓋構件60在光學路徑上整個反向佈置。亦即，光圈25可形成在透明基板12a的接物鏡側，並可藉由覆蓋構件60保護光圈區的接物鏡側免於灰塵。

另外，覆蓋構件60只需要具有保護光圈板12之光圈區的兩側免於灰塵的配置。因此，覆蓋構件60的配置不限於如第1圖和第6圖所示的配置。在第1圖和第6圖所示的配置實例中，可藉由透明基板12a保護光圈板12之光圈區的一個側表面免於灰塵，因而只需要配置覆蓋構件60能夠保護光圈區的另一個側表面免於灰塵。另一方面，例如，當光圈板12係由具有高遮光特性的板(包括金屬板、塗覆遮光塗料的塑膠板、等等)構成時，且當藉由在板上設置孔洞來形成光圈25時，最好配置覆蓋構件60來覆蓋光圈板12之光圈區的光源側和接物鏡側兩者。在此時，覆蓋構件60最好包括例如兩組如第1圖所示之透明主體61和支撐構件62，且每組係可分開地設置在由具有高遮光特性的板構成之光圈板12之光圈區的光源側和接物鏡側之各者。

接下來，將說明成像控制部54的成像控制方法。

成像控制部54控制焦點位置改變部14、光偵測器群組17、及光圈板位移部26。成像控制部54因此控制光圈 板12的移動速度、旋轉主體32的旋轉速度、和光偵測器群組17的曝光時間與曝光時序，使得光偵測器群組17的曝光時間與以由排列週期△d乘以正整數m所得到的距離來移動光圈板12的時間一致。例如，當光圈25的排列週期△d為100μm時，且當光圈板12的恆定移動速度v為10mm/s時，則光圈板12移動排列週期△d所需的時間△t為10ms。在此情形中，便控制光偵測器群組17的曝光時間△t1精確地與由△t=10ms乘以正整數m所得到的時間一致。

然而，即使在曝光時間△t1精確地與m‧△t一致之情況中，當在曝光時間△t1中有微小誤差時，便在影像中產生一圖案。圖案係由在曝光開始時間時的光圈25之位置來決定。亦即，在曝光開始時間時的光圈25之位置附近的像素中發生曝光不足或曝光過度，而顯現成圖案。此外，在光圈25的排列方向和光圈板12的移動方向彼此不精確相符且朝彼此傾斜之情況中，即使當傾斜是微小的，仍會出現類似的圖案。此圖案亦由在曝光開始時間時的光圈25之位置決定。因此，當在曝光開始時間時任意地定位光圈25時，圖案亦會任意地改變。

其間，曝光開始時序係根據焦點位置改變部14的時序感測器34之觸發時序來決定。基於此原因，例如，當旋轉主體32的旋轉數量完全無關於光圈板位移部26來決定時，便幾乎對每個影像取得任意地改變上述圖案，以反映成在用於測量操作之軸上反應曲線上的雜訊成分。因 此，測量準確性會下降。

為了避免上述問題，有必要防止曝光在任意時序下開始，並允許曝光只在相當於在以排列週期△d移動光圈板12期間之時間的整數倍(在上述實例中是10ms)之間隔下開始。因此，防止圖案的任意產生，使得能得到清楚影像。

第7圖係為顯示用於取得清楚影像之時序圖之實例的圖示。

如第7圖所示，成像控制部54使光偵測器群組17在每次旋轉主體32之透明構件31穿過光軸時進行曝光。此時，成像控制部54使光偵測器群組17的曝光時間△t1只與由以排列週期△d移動光圈板12所需之時間△t乘以正整數m所得到的時間m‧△t一致。此時，成像控制部54控制光圈板12的移動速度v，使得移動速度v被設為v=△d/△t。此外，成像控制部54使彼此相鄰之曝光開始時間之間的間隔與由△t乘以正整數n(n>m)所得到的時間n‧△t一致。

例如，在上述實例中，考量m=1且n=2的情況。在此情況中，假設以相機之最高成像速度為60fps(大約每張17ms)的方式來獲得影像。亦假設在開始測量第一影像之曝光開始時序(可任意設定)時進行曝光之後，便從曝光開始時序起經過20ms之間隔時開始下一次影像的曝光，以得到下一張影像。當然，假設曝光時間係精確地設成10ms。在此情況中，在接在第一影像之後獲得的每張影像 中的圖案會完全出現在與第一影像之圖案相同的位置。當任意定位曝光開始時間的光圈25時，圖案亦會任意地改變，以混成在軸上反應曲線上的雜訊，因此影響測量準確性。然而，當圖案的位置不會改便且固定時，圖案不會顯現成在軸上反應曲線上的雜訊，而只是整體以曲線之高度(強度)之差的形式顯現。因此，圖案幾乎不會影響測量準確性。

另外，當藉由取得符合設置在旋轉主體32上之透明構件31之數量的影像之數量來完成一個測量時，最好使旋轉主體32的旋轉速度與乘以透明構件31之數量的曝光(影像輸出)週期之倒數一致。例如，當假設透明構件31的數量是10，則在上述實例中乘以透明構件31之數量的曝光週期便求得為20ms×10(構件)=200ms，因而以1/200ms=5rps的旋轉速度來旋轉旋轉主體32。當旋轉主體32的速度是準確時，且當時序感測器34具有高準確性並能準確地(在可忽略的誤差之內)以20ms的間隔產生時序信號時，便能達到上述目標。此外，當旋轉主體32的時序信號不準確時，可以在測量開始指令之後，藉由使用時序感測器34之第一信號作為觸發器來啟動曝光，並接著以20ms的間隔準確地啟動曝光這樣的方式來取得影像。以此方式，只需要使旋轉主體之速度僅在最多一個旋轉週期期間不會大量偏離，因而並不會那麼嚴格地需要旋轉主體之旋轉速度的準確性。

接下來，將說明用來降低加速和減速光圈板12而產 生之力的影響之方法。

光圈板12最好儘可能快地加速至一恆定速度。然而，考慮到當迅速地加速和減速光圈板12時，光圈板12可能會因加速和減速所產生的力而振動，以降低測量準確性。為了降低加速和減速光圈板12而產生之力的影響，最好提供反作用力機制。

第8圖係為顯示一反作用力機制70之配置實例的透視圖。反作用力機制70包括一可動主體71，以線性馬達68沿著線性滑軌68a在Y軸方向上移位、以及一調整構件72，設置在可動主體71上以整體與可動主體71一起移位。

可動主體71係藉由以成像控制部54控制之線性馬達68來驅動，並藉此降低(消除)因加速和減速光圈板12而產生之力的影響。例如，當選擇調整構件72的重量使得放置在光圈板安裝部67上之物品的重量加上光圈板安裝部67本身的重量與反作用力機制70的重量一致時，光圈板安裝部67和反作用力機制70之重力的中心便存在於光圈板安裝部67和可動主體71之間的中點。在此情況中，例如，當可動主體71和光圈板安裝部67分別以相反方向之相同速率加速或減速，以在上述重力之中心對稱地定位時，便能降低因加速和減速光圈板12而產生之力的影響。

(第二實施例)

接下來，將說明根據本發明之三維形狀測量裝置的第二實施例。

第9圖係為根據本發明之第二實施例的三維形狀測量裝置10A之配置實例的示意全視圖。

如第二實施例所示的三維形狀測量裝置10A與如第一實施例所示的三維形狀測量裝置10之不同之處在於焦點位置改變部14係設置在接物鏡13與光圈板12的側上。由於三維形狀測量裝置10A之其他配置和操作大致上未不同於第1圖所示的三維形狀測量裝置10之配置和操作，因此以相同的參考數字表示相同的元件和配置，並省略其說明。

以藉由以交換接物鏡來增加放大倍率以提高(觀察)準確性，且相反地降低(觀察)準確性以觀察大視野的整個物件這樣的方式來使用顯微鏡。以此方式，顯微鏡能夠根據觀察目的來選擇最適宜的放大倍率，因而具有高彈性。

希望三維形狀測量裝置具有上述彈性。因此，若在根據第一實施例之三維形狀測量裝置10的例子中，當包括旋轉主體32的焦點位置改變部14插在測量物件15的側邊上(測量物件15和接物鏡13之間)，就無法獲得上述彈性。這是因為會決定在旋轉主體32上之透明構件31的厚度間距，使得儘管當交換接物鏡13時改變在測量物件15之側上之接物鏡13的NA(數值孔徑)，但仍能在共焦軸上反應曲線(表現當在Z方向上移動物件端聚焦點時 的偵測器之輸出改變的曲線)之中央山形部中取樣三個或更多點之值。

中央山形部的寬度係由測量物件15之側上的NA決定。基於此理由，當交換接物鏡13時，亦有必要改變設置在旋轉主體32上之透明構件31的間距。亦即，有必要交換接物鏡13以及旋轉主體32本身。

第10圖係為用於說明根據第二實施例之計算測量物件之Z軸座標之方法的視圖。

若未改變影像側(光圈板12靠近接物鏡13的一側)上的NA，亦即，不交換影像側上之成像透鏡的狀態下(且在此狀態中，在常見顯微鏡中交換接物鏡13)，則在測量物件15之側上之接物鏡13的NA係由影像側NA乘以放大倍率來決定。此外，中央山形部的寬度會與測量物件15之側上的NA之平方成反比。亦即，中央山形部的寬度會與放大倍率的平方成反比。

因此，如第9圖所示，當在影像側(光圈板12之側)上的間隔中放置旋轉主體32時，影像側間隔(其取樣間距係由透明構件31的厚度間距決定)中的取樣間距會與測量物件15之側上間隔中的透鏡之縱向放大倍率(橫向放大倍率的平方)成反比。基於此原因，如能從第5B圖和第10圖之間的比較看出，即使當交換接物鏡13以改變放大倍率時，不只中央山形部的寬度還有測量物件15之側上的取樣間距都會同樣自動地改變，以與橫向放大倍率的平方成反比。因此，如第9圖所示，在旋轉主體32 位在影像側間隔(光圈板12之側上)中的情況中，即使當交換接物鏡13時，仍不必交換旋轉主體32。當然，光軸方向上的物件側間隔(Z軸方向上的測量範圍)(其中能在此間隔中實際進行測量)亦會與橫向放大倍率的平方成反比地改變。然而，通常以較高的放大倍率來觀察較小的物件，因而上述改變是合理的。

因此，透過根據第二實施例的三維形狀測量裝置10A，能輕易改變接物鏡13的放大倍率。另外，相較於焦點位置改變部14係設置在測量物件15之側上的情況下，測量物件15之側上的間隔之工作距離會足夠安全，使得能提升可使用性，且亦能輕易地提供輔助照明(如傾斜入射照明)。

儘管已說明某些實施例，但只是藉由舉例來呈現這些實施例，並非限制本發明的範疇。當然，本文所述之新穎實施例可以各種其他形式來具體化；再者，可以本文所述之實施例的形式做出各種省略、替代及改變，而不背離本發明之精神。附屬申請專利範圍及其等效會涵蓋上述形式或修改而落在本發明之範疇及精神內。

例如，焦點位置改變部14並不限於第3圖所示的配置，只要能在Z方向上移動接物鏡13之物件端聚焦點的位置即可。例如，焦點位置改變部14亦可藉由光學路徑長度調整構件(由具有預定折射率和在光軸方向上的厚度變數之透明主體構成)以及調整構件驅動部(改變透明主體在光軸方向上的厚度)來配置。在此情況中，焦點位置 改變部14能以藉由改變穿過光軸之透明主體的光軸方向厚度來改變通過光學路徑長度調整構件這樣的方法來改變物件端聚焦點在光軸方向上的位置。光學路徑長度調整構件能例如以兩個彼此平行排列之平行平面玻璃板以及在玻璃板之間填充液體來構成。在此情況中，調整構件驅動部能藉由改變液體的容積來改變光學路徑長度。

10‧‧‧三維形狀測量裝置

11a‧‧‧光源

11‧‧‧照明光學系統

12‧‧‧光圈板

13‧‧‧接物鏡

14‧‧‧焦點位置改變部

15‧‧‧測量物件

16‧‧‧安裝基底

17a‧‧‧光偵測器

17‧‧‧光偵測器群組

18‧‧‧安裝基底驅動部

19‧‧‧支撐基底

20‧‧‧影像處理裝置

21‧‧‧安裝基底Z位移部

22‧‧‧安裝基底XY位移部

23‧‧‧照明透鏡

24‧‧‧偏極化分光鏡

25‧‧‧光圈

26‧‧‧光圈板位移部

△d‧‧‧排列週期

27‧‧‧成像目標區

30‧‧‧Z軸驅動器

31‧‧‧透明構件

32‧‧‧旋轉主體

33‧‧‧驅動部

34‧‧‧時序感測器

35‧‧‧成像光學系統

41‧‧‧X軸位移機制

42‧‧‧Y軸位移機制

45‧‧‧XY軸驅動器

51‧‧‧輸入部

52‧‧‧顯示部

53‧‧‧儲存部

54‧‧‧成像控制部

55‧‧‧高度決定部

56‧‧‧影像產生部

60‧‧‧覆蓋構件

61‧‧‧透明主體

62‧‧‧支撐構件

63‧‧‧中間板

64‧‧‧墊片

12a‧‧‧透明基底

65‧‧‧形成表面

66‧‧‧L型治具

67‧‧‧光圈板安裝部

68‧‧‧線性馬達

68a‧‧‧線性滑軌

69‧‧‧感測器群組

70‧‧‧反作用力機制

71‧‧‧可動主體

72‧‧‧調整構件

10A‧‧‧三維形狀測量裝置

併入且構成一部分說明書的附圖顯示本發明的實施例，並連同上面提出的通用說明以及下面提出的實施例之詳細說明來說明本發明的原理。

第1圖係為顯示根據本發明之第一實施例的三維形狀測量裝置之配置實例的示意全視圖；第2圖係為顯示光圈板之配置實例的平面圖；第3圖係為顯示焦點位置改變部之配置實例的透視圖；第4圖係為顯示影像處理裝置之內部配置之實例的示意方塊圖；第5A圖係為用於說明藉由傳統方法計算測量物件之Z軸座標之方法的視圖，其中在此座標之反射光束的強度會變成一最大值；第5B圖係為用於說明根據本實施例之計算測量物件之Z軸座標之方法的視圖；第6A圖係為根據第1圖所示之實例之裝有覆蓋構件 之光圈板的側視圖；第6B圖係為裝有覆蓋構件之光圈板的透視圖；第7圖係為顯示用於取得清楚影像之時序圖之實例的圖示；第8圖係為顯示一反作用力機制之配置實例的透視圖；第9圖係為根據本發明之第二實施例的三維形狀測量裝置之配置實例的示意全視圖；以及第10圖係為用於說明根據第二實施例之計算測量物件之Z軸座標之方法的視圖。

10‧‧‧三維形狀測量裝置

11a‧‧‧光源

11‧‧‧照明光學系統

12‧‧‧光圈板

13‧‧‧接物鏡

14‧‧‧焦點位置改變部

15‧‧‧測量物件

16‧‧‧安裝基底

17‧‧‧光偵測器群組

18‧‧‧安裝基底驅動部

19‧‧‧支撐基底

20‧‧‧影像處理裝置

21‧‧‧安裝基底Z位移部

22‧‧‧安裝基底XY位移部

23‧‧‧照明透鏡

24‧‧‧偏極化分光鏡

25‧‧‧光圈

26‧‧‧光圈板位移部

30‧‧‧Z軸驅動器

35‧‧‧成像光學系統

41‧‧‧X軸位移機制

42‧‧‧Y軸位移機制

45‧‧‧XY軸驅動器

60‧‧‧覆蓋構件

61‧‧‧透明主體

62‧‧‧支撐構件

Claims (8)

1. 一種三維形狀測量裝置，使用一共焦光學系統，該三維形狀測量裝置包含：一光圈板，其設有複數個共焦光圈，其分別允許光束從一光源通過且為二維排列以具有一預定排列週期；一接物鏡，配置以聚集已通過該複數個共焦光圈之在一物件端聚焦點上的每個光束，並在各自對應之共焦光圈上再聚集由在一測量物件上之聚集光束之反射形成的每個反射光束；一焦點位置改變單元，包括在上方設有複數個平行板型構件的一旋轉主體，該些平行板型構件至少在折射率和厚度之其一者上彼此不同，且沿著一旋轉方向排列，以便穿過該接物鏡的一光軸、及一驅動部，配置以用一預定速度來連續旋轉該旋轉主體，該焦點位置改變單元係配置以在每次穿過該光軸的該平行板型構件經由旋轉該旋轉主體而改變時，便離散地改變該物件端聚焦點在一光軸方向上的位置；一光偵測器群組，包括複數個光偵測器，各輸出對應至已再通過該共焦光圈之一反射光束的強度之一信號；一光圈板位移單元，配置以在垂直於該光軸方向的一預定方向上以一恆定速度位移該光圈板，以改變在垂直於該光軸方向之方向上的該物件端聚焦點之位置與該測量物件之位置之間的一相對位置關係；一成像控制單元，配置以使該光偵測器群組在該光圈 板於垂直該光軸方向之該預定方向上的恆定速度移動期間進行複數次曝光、且每次有一成像目標區包括在該平行板型構件中時，便使該光偵測器群組進行每次曝光、並控制該光圈板的一移動速度、該旋轉主體的一旋轉速度、和該光偵測器群組的一曝光時間與曝光時序，使得該光偵測器群組的該曝光時間與在以由該預定排列週期乘以一第一正整數所得到的一距離來移動該光圈板期間的時間一致；一高度決定單元，配置以基於對藉由該焦點位置改變單元在該光軸方向上離散地改變的該些物件端聚焦點之各位置的該光偵測器之該信號，來估算該測量物件的位置，其中在該位置之入射到該些光偵測器之各者上的該反射光束之強度會變成一最大值；一覆蓋構件，設置在該光圈板上以便該覆蓋構件藉由該光圈板位移單元來與該光圈板整體移位，且以便該複數個共焦光圈被設置在藉由該覆蓋構件和該光圈板所形成的一封閉空間中，該覆蓋構件配置以包括被設置在該光源和該光圈板之間的一透明主體，該透明主體允許該光源之光束通過並允許該光源之光束照到該複數個共焦光圈；及一成像光學系統，係考慮到包括該覆蓋構件之該透明主體的一整個光學系統之光學特性來設計，並配置以引導已再通過該些共焦光圈的該反射光束至該光偵測器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三維形狀測量裝置，其中該覆蓋構件係可分開地附加在該光圈板上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之三維形狀測量裝 置，其中該成像控制單元更控制該光圈板的該移動速度、該旋轉主體的該旋轉速度、和該光偵測器群組的該曝光時間與該曝光時序，使得在該複數次曝光中，從任一曝光開始時間到下一次曝光開始時間的期間與以由該預定排列週期乘以大於該第一正整數之一第二正整數所得到的一距離來移動該光圈板所需的時間一致。
4. 如申請專利範圍第1項所述之三維形狀測量裝置，其中該焦點位置改變單元係佈置在該光圈板與該接物鏡之間，使得該複數個平行板型構件穿過在該光圈板之一側上的該接物鏡的該光軸。
5. 如申請專利範圍第1項所述之三維形狀測量裝置，更包含：一安裝基底，該測量物件係安裝在該安裝基底上；及一安裝基底位移單元，配置以在垂直於該光軸方向的方向上移位該安裝基底，以改變在垂直於該光軸之方向上的該物件端聚焦點之位置與該測量物件之位置之間的該相對位置關係，其中該安裝基底位移單元係在除了在垂直於該光軸方向的該預定方向上以該恆定速度位移該光圈板之期間的期間時，才改變在垂直於該光軸方向之方向上的該物件端聚焦點之位置與該測量物件之位置之間的該相對位置關係，且除了在垂直於該光軸方向的該預定方向上以該恆定速度移位該光圈板之期間的期間係為該光圈板位移單元在該 預定方向上加速或減速該光圈板的期間、以及當該光圈板位移單元在該預定方向上反向該光圈板之移動方向的時間或期間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之三維形狀測量裝置，其中該光圈板位移單元包括：一光圈板安裝單元，該光圈板係安裝在該光圈板安裝單元上；及一線性馬達，係由該成像控制單元控制並配置以在垂直於該光軸方向的該預定方向上移位該光圈板安裝單元。
7. 如申請專利範圍第6項所述之三維形狀測量裝置，其中該光圈板位移單元更包括在垂直於該光軸方向的該預定方向上移位的一反作用力機制，且該成像控制單元運用該反作用力機制以降低由該線性馬達加速或減速該光圈板安裝單元所產生的力之影響。
8. 如申請專利範圍第1項所述之三維形狀測量裝置，其中該焦點位置改變單元包含：一光學路徑長度調整構件，係由設置在穿過該接物鏡之該光軸之位置上且在該光軸方向上具有一預定折射率和一可變厚度的一透明構件構成；及一調整構件驅動單元，配置以改變該透明構件在該光軸方向上的厚度，且該焦點位置改變單元係配置以利用藉由改變穿過 該光軸之該透明構件的該光軸方向厚度來改變一光學路徑長度的方式，來改變在該光軸方向上的該物件端聚焦點之位置。