TWI843197B - 形狀測定裝置用光學系統 - Google Patents
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Abstract
本發明的形狀測定裝置用光學系統，係具備平行光照射系統及攝像光學系統，前述平行光照射系統係具備：點光源、準直透鏡、及使來自前述準直透鏡的光隔著被測定物體進行照射之兩側或物體側遠心構造的遠心透鏡，前述攝像光學系統係具備：讓基於通過了前述遠心透鏡的光所形成之前述被測定部的影像投影之影像感測器，前述點光源係具備：LED、讓來自前述LED的光擴散並射出之擴散構件、及形成有讓來自前述擴散構件的光入射的針孔之針孔構件。
Description
本發明係關於在形狀測定裝置所使用的形狀測定裝置用光學系統，該形狀測定裝置是將平行光隔著被測定物體朝向影像感測器照射，利用投影於影像感測器之被測定物體的影像來測定被測定物體的2維形狀。
在將平行光隔著被測定物體朝向影像感測器照射並利用投影於影像感測器之被測定物體的影像來測定被測定物體的2維形狀之形狀測定裝置中，所使用的形狀測定裝置用光學系統揭示於例如專利文獻1。
在該專利文獻1所揭示的形狀測定裝置用光學系統係具備平行光照射系統、攝像光學系統，該平行光照射系統，係對圓盤狀的被測定物體之外周端緣部分即被測定部，以沿著前述被測定物體之圓形面且使前述被測定物體之前述被測定部配置在光束中的方式照射平行光，該攝像光學系統係拍攝前述被測定部的影像，前述平行光照射系統係具備：具有白色LED的點光源、用於讓來自前述點光源的光入射而成為平行光之準直透鏡、使來自前述準直透鏡的光隔著被測定物體進行照射之兩側或物體側遠心構造的遠心透鏡，前述攝像光學系統係具備：讓基於通過了前述遠心透鏡的光所形成之前述被測定部的影像投影之影像感測器。
然而，在專利文獻1所揭示的形狀測定裝置用光學系統，當使用高亮度的白色LED的情況，因為其指向性，通過針孔後的光會產生亮度不均，結果有使被測定物體之外周端緣部分的輪廓形狀發生變形的疑慮。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1] 日本特許第4500157號公報
[發明所欲解決之問題]
本發明是有鑑於上述事情而開發完成的發明，其目的是為了提供可減少亮度不均之形狀測定裝置用光學系統。
[解決問題之技術手段]
本發明的形狀測定裝置用光學系統，係具備平行光照射系統、攝像光學系統，前述平行光照射系統係具備：點光源、準直透鏡、讓來自前述準直透鏡的光隔著被測定物體進行照射之兩側或物體側遠心構造的遠心透鏡，前述攝像光學系統係具備：讓基於通過了前述遠心透鏡的光所形成之前述被測定物體之一部分的影像投影之影像感測器，前述點光源係具備：LED、讓來自前述LED的光擴散並射出的擴散構件、及讓來自前述擴散構件的光入射並形成針孔之針孔構件。
上述及其他本發明的目的、特徴以及優點，應可根據以下的詳細記載及所附圖式而變得明白。
以下，參照圖式來說明本發明之1個或複數個實施形態。然而，發明的範圍並不限定於所揭示的實施形態。又在各圖中賦予同一符號的構成，表示同一構成，而適當地省略其說明。在本說明書中，在總稱的情況是用省略了下標之符號表示，在指個別構成的情況則是用賦予下標之符號表示。
圖1係用於說明實施形態之形狀測定裝置用光學系統的構成之示意圖。實施形態的形狀測定裝置用光學系統A，係在將平行光隔著被測定物體朝向影像感測器照射並利用投影於影像感測器之被測定物體Ob的影像來測定被測定物體Ob之2維形狀的形狀測定裝置中，所使用的光學系統，例如，如圖1所示般，係具備平行光照射系統1及攝像光學系統2，平行光照射系統1，是對圓盤狀的被測定物體Ob之外周端緣部分即被測定部，以沿著前述被測定物體Ob之圓形面且使前述被測定物體Ob之前述被測定部配置在光束中的方式照射平行光，攝像光學系統2是拍攝前述被測定部的影像。
被測定物體Ob只要是圓盤狀的構件即可，可以是任意的構件，例如半導體晶圓、硬碟的基板(鋁製基板、玻璃製基板)等。
平行光照射系統1係具備：點光源11a、準直透鏡12、遠心透鏡13。
點光源11a係具備：LED(發光二極體)111、擴散構件112(例如光纖112a)、針孔構件113。
LED111是將光射出的光源。
擴散構件112是將來自LED111的光擴散並射出的構件，在圖1所示的例子是光纖112a。光纖112a是在其芯部(core)內將來自LED111的光反覆進行反射而傳播並射出。藉由該反射的反覆進行而使來自LED111的光擴散。因為相較於前述光纖呈直線形狀的情況會產生更多的反射，光纖112a較佳為呈彎曲形狀，在圖1所示的例子，光纖112a呈捲繞形狀(線圈形狀)。捲繞的光纖112a之線圈形狀的半徑及匝數，是按照所需之光的擴散而適當地設定，作為一例其半徑約50mm且匝數3以上。光纖112a是例如玻璃製或樹脂製，其材質沒有特別的限定。
針孔構件113是將從LED111射出之白色光遮光之板狀的構件，在前述板狀的構件形成有讓來自擴散構件112(本例是光纖112a)的光入射之貫穿開口的針孔。前述針孔的直徑雖越小越好，但若過小會無法獲得足以進行形狀測定的光量，因此較佳為1μm~1mm的範圍內，更佳為10μm~800μm的範圍內。
光纖112a的直徑較佳為與針孔的直徑相同，因此，較佳為1μm~1mm的範圍內，更佳為10μm~800μm的範圍內。
在如此般構成的點光源11a，來自LED111的白色光朝光纖112a入射，在光纖112a的芯部內反覆進行反射而傳播並從光纖112a射出，再朝針孔構件113的針孔入射。
準直透鏡12是使來自點光源11a的光成為平行光(平行光束)並射出之光學系統(包含單透鏡及透鏡群)。準直透鏡12和針孔構件113配置成使針孔構件113的針孔位於準直透鏡12的焦點位置。
遠心透鏡13是將來自準直透鏡12的光隔著被測定物體Ob照射之兩側或物體側遠心構造的光學系統。在圖1所示的例子，遠心透鏡13是兩側遠心構造的光學系統，是以讓第1透鏡(包含透鏡群)131的後側焦點和第2透鏡(包含透鏡群)133的前側焦點一致的方式將2個透鏡131、133排列，並在該焦點位置具備可變的光闌(孔徑光闌)132。該遠心透鏡13，在物體側(被測定物體Ob側)、像側(攝像光學系統2側)都是使主光線與光軸AX平行，僅讓通過了被測定物體Ob後的光當中之平行光(包含非常接近平行的光)通過。準直透鏡12和第1透鏡131的間隔距離例如設定成200mm左右，被測定物體Ob配置在從該準直透鏡12前往第1透鏡131的平行光束中。為了適當地測定被測定物體之外周端緣部分即被測定部的形狀，較佳為將被測定物體Ob配置成使其表背各面都與光軸AX平行。
又為了僅讓通過了被測定物體Ob後的光當中之平行光(包含非常接近平行的光)通過，遠心透鏡13亦可代替上述之兩側遠心構造的光學系統，而採用僅在物體側(被測定物體Ob側)使主光線成為與光軸平行之物體側遠心構造的光學系統。在該物體側遠心構造的情況，作為光闌的後側之第2透鏡，是使用一般的成像透鏡。
攝像光學系統2具備：讓基於通過了遠心透鏡13的光所形成之被測定物體Ob的外周端緣部分即被測定部的影像投影之影像感測器。前述影像感測器是例如2維CCD影像感測器、2維CMOS影像感測器等。
上述構成的平行光照射系統1，為了讓被測定物體Ob之外周端緣部分的影像更良好地形成於攝像光學系統2的影像感測器，在未配置被測定物體Ob的情況，較佳為以使照射到前述影像感測器的光之亮度分布成為25%以下的方式照射前述平行光，更佳為以使前述亮度分布成為20%以下的方式照射前述平行光。形狀測定測定裝置，因為最佳為無亮度分布，亮度分布是越小越好。但為了進一步改善，將針孔徑、光纖徑縮小而接近更理想的點光源雖是有效的，但若徑變小，所入射的光量會減少而不適合測定。若為了獲得必需的光量而將電壓提高，會有產生LED111的壽命變短等的缺點之疑慮。
具備有如此般構成的形狀測定裝置用光學系統A之形狀測定裝置，是將從攝像光學系統2的前述影像感測器輸出之拍攝了被測定物體Ob之外周端緣部分的影像之圖像(圖像資料)，例如實施擷取邊緣之邊緣擷取處理等之既定的圖像處理，而將被測定物體Ob之外周端緣部分的外輪廓擷取，藉此可測定被測定物體Ob之外周端緣部分的形狀。
本實施形態的形狀測定裝置用光學系統A，藉由具備點光源11a，經過準直透鏡12，可將盡可能接近平行的光隔著被測定物體照射，且藉由遠心透鏡13，能僅讓通過了被測定物體後的光當中之平行光(包含非常接近平行的光)通過，因此縱使是沿著光軸方向的縱深長度較長的被測定物體Ob，仍可在攝像光學系統2之前述影像感測器獲得輪廓模糊程度小之良好的被測定物體Ob之外周端緣部分的影像。如此，縱使被測定物體Ob是沿著光軸方向的縱深長度較長之例如半導體晶圓，仍可在攝像光學系統2之前述影像感測器捕捉到輪廓模糊程度小之良好的半導體晶圓之外周端緣部分的影像。
本實施形態的形狀測定裝置用光學系統A，讓來自LED111的光經由擴散構件112(在上述例是光纖112a)擴散後朝針孔入射，因此可減少亮度不均。
依據本實施形態，可提供前述擴散構件為光纖之形狀測定裝置用光學系統A。
本實施形態的形狀測定裝置用光學系統A，因為光纖112a呈彎曲的形狀，相較於光纖呈直線形狀的情況，可進行更多的反射而在芯部內讓光傳播，因此可更適當地將光擴散，而進一步減少亮度不均。
接下來，針對實施例及比較例做說明。圖2係用於說明亮度分布的運算手法之圖。
在實施例的形狀測定裝置用光學系統，點光源11a是使用LED111，擴散構件112是使用半徑50mm且呈線圈形狀捲繞3圈的光纖，針孔構件113是使用形成有ϕ400μm的針孔之板狀的構件。面發光型LED係具備：InGaN系藍色LED、塗布於其表面之YAG：Ce螢光體的黃色螢光體。準直透鏡12是使用焦點距離f：50mm的準直透鏡，遠心透鏡13是使用光學倍率2倍的物體側遠心透鏡。攝像光學系統2的影像感測器是使用2維CMOS影像感測器。前述物體側遠心透鏡之工作距離(從透鏡前端到被測定物體的距離)：約110mm。
另一方面，比較例的形狀測定裝置用光學系統，是從上述實施例的形狀測定裝置用光學系統將擴散構件112(在上述例是線圈形狀的光纖112a)除去而構成。
實施例的形狀測定裝置用光學系統之亮度分布為11%，比較例的形狀測定裝置用光學系統之亮度分布為26%。因此，相較於比較例的形狀測定裝置用光學系統，實施例的形狀測定裝置用光學系統改善了亮度不均。
前述亮度分布BD，例如圖2所示般，在未將被測定物體Ob配置於形狀測定裝置用光學系統的情況，可使用基於照射於攝像光學系統2之前述影像感測器的光所形成之圖像P的對角線LN上之最大亮度Bmax及最小亮度Bmin而根據下式1求出。
BD=(1-Bmin/Bmax)×100[%]…式1
又在上述實施形態，擴散構件112雖是光纖112a，但擴散構件112也可以是積分球。如此，可提供擴散構件為積分球之形狀測定裝置用光學系統。
圖3係用於說明前述形狀測定裝置用光學系統所使用之變形形態的點光源的構成之示意圖。
如此般變形形態的形狀測定裝置用光學系統A，是在上述構成中，代替點光源11a而具備圖3所示的點光源11b。在圖3所示的點光源11b係具備：白色LED111、積分球112b、針孔構件113。白色LED111及針孔構件113分別是與使用圖1所說明之上述白色LED111及針孔構件113相同，因此省略其說明。
積分球112b是中空的球體構件，且具備有：讓來自白色LED111的光入射之入射開口、讓在前述球體構件的內部擴散反射後的光朝針孔構件113的針孔射出之射出開口。在前述球體構件的內面(內壁面)，為了效率良好地進行擴散反射而塗布有例如氧化鎂、氧化鋇、氧化鋅等。
在如此般構成的點光源11b，來自白色LED111的白色光，透過其入射開口朝積分球112b入射，在積分球內進行擴散反射，而從積分球112b透過其射出開口朝針孔構件113的針孔入射。
又LED111亦可配置在積分球內而省略前述入射開口。在此情況， 為了避免來自LED111的光直接到達前述射出開口，是在LED111和前述射出開口之間設置遮光板。
本說明書揭示了上述般之各種態樣的技術，將其中主要的技術總結如下。
一態樣的形狀測定裝置用光學系統，係具備平行光照射系統及攝像光學系統，前述平行光照射系統，係對圓盤狀的被測定物體之外周端緣部分即被測定部，以沿著前述被測定物體之圓形面且使前述被測定物體之前述被測定部配置在光束中的方式照射平行光，前述攝像光學系統係拍攝前述被測定部的影像，前述平行光照射系統係具備：點光源、使來自前述點光源的光成為平行光並射出之準直透鏡、及使來自前述準直透鏡的光隔著被測定物體進行照射之兩側或物體側遠心構造的遠心透鏡，前述攝像光學系統係具備：讓基於通過了前述遠心透鏡的光所形成之前述被測定部的影像投影之影像感測器，前述點光源係具備：LED、讓來自前述LED的光擴散並射出之擴散構件、及形成有讓來自前述擴散構件的光入射的針孔之針孔構件。較佳為，在上述形狀測定裝置用光學系統中，前述平行光照射系統，在未配置前述被測定物體的情況，以使照射於前述影像感測器之光的亮度分布成為25%以下(更佳為20%以下)的方式照射前述平行光。
這樣的形狀測定裝置用光學系統，來自白色LED的光經由擴散構件擴散後朝針孔入射，因此可減少亮度不均。
在另一態樣，在上述形狀測定裝置用光學系統中，前述擴散構件是光纖。
依據此構成，可提供前述擴散構件為光纖之形狀測定裝置用光學系統。
在另一態樣，在上述形狀測定裝置用光學系統中，前述光纖呈彎曲的形狀。較佳為，在上述形狀測定裝置用光學系統中，前述光纖呈捲繞的形狀。
如此般的形狀測定裝置用光學系統，因為前述光纖呈彎曲的形狀，相較於前述光纖呈直線形狀的情況，可進行更多的反射而在芯部內讓光傳播，因此可更適當地將光擴散，而進一步減少亮度不均。
在另一態樣，在上述形狀測定裝置用光學系統中，前述擴散構件是積分球。
依據此構成，可提供前述擴散構件為積分球之形狀測定裝置用光學系統。
本申請案是以2021年9月27日申請之日本專利申請特願2021-157114為基礎，其內容包含於本申請案中。
為了表現本發明，在上述說明中一邊參照圖式一邊透過實施形態來對本發明做適切且充分地說明，但只要是所屬技術領域具有通常知識者，要將上述實施形態予以變更及/或改良應可輕易完成。因此，所屬技術領域具有通常知識者所實施的變更形態或改良形態，只要在不脫離申請專利範圍所載之請求項的權利範圍內，該變更形態或該改良形態應被解釋為包括在該請求項的權利範圍。
[產業利用性]
依據本發明可提供在形狀測定裝置所使用的形狀測定裝置用光學系統，該形狀測定裝置是將平行光隔著被測定物體朝向影像感測器照射，利用投影於影像感測器之被測定物體的影像來測定被測定物體的2維形狀。
1:平行光照射系統
2:攝像光學系統
11a,11b:點光源
12:準直透鏡
13:遠心透鏡
111:LED
112a:光纖
112b:積分球
113:針孔構件
131:第1透鏡
132:可變的光闌
133:第2透鏡
A:形狀測定裝置用光學系統
AX:光軸
LN:圖像P的對角線
Ob:被測定物體(半導體晶圓)
P:圖像
[圖1]係用於說明實施形態之形狀測定裝置用光學系統的構成之示意圖。
[圖2]係用於說明亮度分布的運算手法之圖。
[圖3]係用於說明在前述形狀測定裝置用光學系統所使用之變形形態的點光源的構成之示意圖。
1:平行光照射系統
2:攝像光學系統
11a:點光源
12:準直透鏡
13:遠心透鏡
111:LED
112a:光纖
113:針孔構件
131:第1透鏡
132:可變的光闌
133:第2透鏡
A:形狀測定裝置用光學系統
AX:光軸
Ob:被測定物體(半導體晶圓)
Claims (1)
- 一種形狀測定裝置用光學系統，係具備平行光照射系統及攝像光學系統，前述平行光照射系統，係對圓盤狀的被測定物體之外周端緣部分即被測定部，以沿著前述被測定物體之圓形面且使前述被測定物體之前述被測定部配置在光束中的方式照射平行光，前述攝像光學系統係拍攝前述被測定部的影像，前述平行光照射系統係具備：點光源、使來自前述點光源的光成為平行光並射出之準直透鏡、及使來自前述準直透鏡的光隔著前述被測定物體進行照射之兩側或物體側遠心構造的遠心透鏡，前述攝像光學系統係具備：讓基於通過了前述遠心透鏡的光所形成之前述被測定部的影像投影之影像感測器，前述點光源係具備：LED、讓來自前述LED的光擴散並射出之擴散構件、及形成有讓來自前述擴散構件的光入射的針孔之針孔構件，前述擴散構件係呈彎曲的形狀之光纖。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| JP2021157114A JP2023047919A (ja) | 2021-09-27 | 2021-09-27 | 形状計測装置用光学系 |
| JP2021-157114 | 2021-09-27 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202323764A TW202323764A (zh) | 2023-06-16 |
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Family
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4772128A (en) | 1986-03-25 | 1988-09-20 | Dolan-Jenner Industries, Inc. | Fiber optic imaging system for on-line monitoring |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4772128A (en) | 1986-03-25 | 1988-09-20 | Dolan-Jenner Industries, Inc. | Fiber optic imaging system for on-line monitoring |
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