CN104067158B - 共焦扫描仪及使用它的光学测量装置 - Google Patents

Abstract

在一轴的移动工作台上安装共焦开口阵列、和在内部具有楔子型空间的移动棱镜，在移动工作台的外部设置具有楔子型顶角的固定棱镜。通过移动工作台的移动实现开口的XY扫描，与此同时，通过移动棱镜和固定棱镜的对，等效平行平面基板的厚度变化，也同时实现焦点移动（Z扫描）。

Description

共焦扫描仪及使用它的光学测量装置

技术领域

本发明涉及利用光的测量装置。特别涉及使用共焦光学***进行物体的三维测量或表面形状测量的装置的高速化、简洁化。

背景技术

如果使用共焦光学***拍摄图像（以下，将由共焦光学***形成的图像称作共焦图像），则焦点没有对上而模糊扩散的光没有被图像化，仅将焦点对上的部分的光图像化。在一般的成像光学***中，焦点没有对上而模糊的光在像面上扩散，使图像变差，但在共焦光学***中没有这样的情况（或者非常少），所以能够得到对比度较高的锐利的图像。此外，还已知使用仅将焦点对上部分的光图像化的特征能够测量摄像物体的三维形状，利用这样的特征，近年来其向产业界的应用正在扩大。

在图7中表示共焦光学***（反射型）的基本构造。从点光源701射出的光被物镜703聚光而投影到物体上。从物体反射并再次入射到物镜703中的光经由半反射镜702入射到处于与点光源701在光学上为相同的位置的针孔704中，通过检测器705检测通过针孔704后的光的量。这是共焦光学***的基本的构造。

通过利用该光学***，能够如以下这样测量物体表面的各位置的高度。在物体表面处于与点光源701共轭的位置的情况下，反射光收敛在同样是共轭的位置的针孔704面上，许多反射光通过针孔704。但是，如果物体表面从与点光源701共轭的位置离开，则通过针孔704的光量迅速减少。因此，只要使物体与物镜703之间的距离变化而找到检测器705呈现最大输出的点，就知道物体表面的高度。

由于共焦光学***基本上是点检测的光学***，所以为了得到共焦图像而一般需要进行XY扫描。作为XY扫描的方法，一般是激光束扫描或使用具有许多螺旋状的针孔列的称作Nipkowdisk的旋转圆盘的扫描，使用这些扫描方法得到共焦图像的光学***周知有共焦显微镜。

使用共焦显微镜的三维测量也基本上与前面的使用点测量型共焦光学***的高度测量相同，使物体与物镜703之间的距离变化而找到检测器705呈现最大输出的点，但在每次使物体与物镜703之间的距离变化得到的数据不是物体表面1点的数据而是2维的图像数据、最大输出位置按照图像数据的像素求出这一点上不同。

具体而言，如果设高度测量的分辨率为a，则使物体与物镜703之间的距离每变化a而取得并保存共焦图像，将光轴方向测量范围全部扫描（即，使物体与物镜703之间的距离变化）结束后，通过按照像素探索检测器705的输出最大的图像的位置，能够按照像素求出物体表面的位置，能够得到三维的形状测量数据。在专利文献1中，公开了使物体与物镜的距离在光学上变化的方法。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8－304043

发明内容

发明要解决的技术问题

如上述那样，在通过共焦光学***的三维测量中，最终需要进行XYZ的三轴全部的扫描。因此，构造变得复杂且大规模，导致高成本化。此外，从测量速度的观点出发也要求高速化。

鉴于这样的状况，本发明的目的是实现简单且高速的共焦三维测量装置。

用于解决技术问题的手段

为了解决上述课题，构成一种共焦扫描仪，其特征在于，由以下部分构成：移动工作台，具有至少一轴的移动轴；开口阵列，安装在上述移动工作台上，与上述移动工作台一起移动，具有多个共焦开口；移动棱镜，具有相对于上述移动工作台的移动轴相互向反方向以相等的角度倾斜的对面的两个面，安装在上述移动工作台上而移动；固定棱镜，具有相对于上述移动工作台的移动轴以与上述移动棱镜正确地相同的角度相互向反方向倾斜的对面的两个面，设置在上述移动工作台外，不移动；通过将上述移动棱镜与上述固定棱镜组合，成为等效的平行平面基板；随着上述移动工作台的移动，等效的平行平面基板的厚度变化。

或者，构成一种共焦扫描仪，还具备安装在上述移动工作台上、与上述移动工作台一起移动的、用来防止异物向上述开口阵列附着的至少一片保护透明板。

上述开口阵列是针孔阵列，按照间隔P设置各针孔以发挥共焦效果；在移动方向上相邻的针孔配置为，在与移动方向正交的方向上错开微小距离S，并且P/S为整数。

此外，上述开口阵列是代替针孔阵列的狭缝阵列，各狭缝在移动方向上隔开一定间隔P配置，以发挥共焦效果。

上述移动棱镜及上述固定棱镜的一方，是具有相互以相等的角度相互向反方向相对于上述移动工作台的移动轴倾斜的两个面的棱镜；上述移动棱镜及上述固定棱镜的另一方，是具有对于长方体形状的部件、形成有上述一方的棱镜能够插拔、且被以相互相等的上述角度相互向相反方向相对于上述移动工作台的移动轴倾斜的两个面夹着的开口部的形状的棱镜。

随着上述移动工作台的移动，上述一方的棱镜相对于上述另一方的棱镜的上述开口部插拔，从而上述等效的平行平面基板的厚度变化。

一种光学测量装置，由以下部分构成：上述共焦扫描仪；物镜，在像面位置上配置有上述开口阵列；照明光学***，对上述物镜的有效像面整体进行照射；偏向光学元件，将由测量物体反射而入射到上述物镜中、同过上述开口阵列的物体反射光向与上述照明光学***不同的方向偏向；2维检测器，接收由上述偏向光学元件偏向后的上述物体反射光，进行光电变换，并作为图像信号输出；成像光学***，将上述开口阵列的像经由上述偏向光学元件成像到上述2维检测器上；图像处理装置，将上述2维检测器的输出作为数字信号输入，使用得到的一系列的焦点位置不同的数据，探索带来最大值的焦点位置，根据探索出的焦点位置确定这一点的高度；通过上述移动工作台以一定速度移动上述开口阵列及上述移动棱镜，在移动中通过上述2维检测器多次取得图像，将上述2维检测器的1次的曝光时间设定为与上述开口阵列移动方向的开口排列周期的整数倍的移动时间相同。

发明的效果

通过如以上那样构成，仅通过一轴的扫描就能够进行XYZ的三轴的扫描，能够实现简单、低成本且高速的共焦三维测量装置。

附图说明

图1是表示本发明的共焦扫描仪的实施例的图。

图2是用来说明针孔型的开口阵列的图。

图3是用来说明由平行平面基板进行的焦点移动的图。

图4是用来说明狭缝型的开口阵列的图。

图5是表示使用本发明的共焦扫描仪的测量装置的实施例的图。

图6是用来说明本发明的曝光时间中的焦点位置变动的图。

图7是用来说明以往技术的图。

图8是用来说明楔子型的图。

图9是用来说明楔子型棱镜对的图。

具体实施方式

以下，对具体实施本发明时认为最优的实施方式进行说明。

首先，参照图1～图4说明将本发明的共焦扫描仪具体化的实施方式的例子。

如图1所示，本发明的共焦扫描仪由一轴的移动工作台101、安装在该移动工作台101上的托架102、开口阵列103和移动棱镜104、和与移动工作台101独立设置的固定棱镜105构成。

开口阵列103如图2所示，为针孔阵列，各针孔相互间的间隔P设定为针孔直径的几倍左右，以呈现共焦效果。如图2所示，在移动轴方向上相邻的针孔在垂直于移动轴的方向上错开微小距离S而配置。

通过设定距离P和错开量S以使P/S为整数，在移动方向上成为P/S个、即成为按照P×（P/S）的周期构造。

错开量S尽可能小时，与移动正交的方向的扫描变细，但从物镜的分辨率考虑，不需要无用地变细，优选的是以针孔的半径左右设定为P/S为整数的量。

开口阵列103原样不能得到非开口部分的透射光（信息），但通过移动上述周期P×（P/S），将开口阵列103整面没有遗漏地扫描，能够得到整面的信息。

这里，如果使移动工作台101以一定速度V移动，则以任意的定时的（P×P/S）/v时间进行上述整面扫描。这样，能够用一轴实现XY扫描。

此外，与开口阵列103一起移动的移动棱镜104例如如图1所示，具有将两个楔子型的棱镜以斜面相互面对的方式组合的形状，在斜面间具有V字型的空间。另一方面，与移动工作台101独立设置、相对于物体不移动的固定棱镜105具有与移动棱镜104的斜面彼此所成的V字的角度相同角度的顶角的楔子型的形状。通过将移动棱镜104和固定棱镜105组合使用，形成等效的平行平面基板。这些等效平行平面基板随着移动棱镜104的移动而厚度变化。另外，优选的是使移动棱镜104的斜面彼此所成的V字的顶角的2等分面与固定棱镜105的顶角的2等分面一致。

这里所述的楔子型，主要是指具有图8（A）所示那样的截面形状的三角柱或具有图8（B）所示那样对面的长边不平行的截面形状的四方柱，重要的是指对面的长边不平行的截面形状，如图8（C）所示，短边部分的形状没有被限定。

如图3所示，一般而言，成像透镜的焦点位置能够根据***到成像透镜的光路中的平行平面基板的厚度而变化。即，通过平行平面基板的厚度变化，能够进行焦点移动=Z扫描。平行平面基板的厚度变化可以通过将楔子型棱镜组合使用来实现。虽然仅使用一个楔子型棱镜也能够实现焦点变化，但对于成像光学***带来致命性的像差。如果如图9所示那样将两个楔子型棱镜组合作为平行平面基板使用，则能够将像差抑制得较小，但随着移动工作台101的移动，棱镜间的空间的距离变化，所以光线移位了。对于图1所示的移动棱镜104与固定棱镜105的组合，为与将图9的楔子型棱镜对在相反方向上组合两级同等的构造，为由棱镜间的空间距离的变化带来的光线的移位再次回到原来而被补偿的构造。

当然，只要移动棱镜104和固定棱镜105组合而构成等效平行平面基板就可以，所以也可以相反。即，具有楔子型的顶角的棱镜也可以是移动棱镜104，具有V字型的空间的棱镜是固定棱镜105。即，移动棱镜104及固定棱镜105中的一方构成为，具有以相互相等的角度相互向反方向相对于移动工作台101的移动轴倾斜的对置的两个面，并且，另一个构成为，具有相对于长方体形状的部件形成有该棱镜能够插拔的开口部（开口空间）的形状。此时，在长方体形状的部件所形成的空间，优选的是被以与向空间插拔的棱镜具有的两个对置面相同的相互相等的角度、相互向反方向相对于移动工作台101的移动轴倾斜的两个面夹着的空间。例如，该空间的形状优选的是与向空间插拔的棱镜呈相似形。此外，该空间也可以以将长方体形状的部件分割的方式形成，在此情况下，长方体形状的部件被分为两个棱镜。此时，优选的是两个棱镜分别形成为，与***拔的棱镜对置的面的相反面相对于移动工作台101的移动轴平行。这样构成的移动棱镜104及固定棱镜105所成的等效的平行平面基板随着移动工作台101的移动，一个楔子形的棱镜被相对于另一个的可嵌合的空间插拔，其等效的厚度变化。

此外，这里设为移动棱镜104和固定棱镜105这两个棱镜，但也可以如上述那样将图9的楔子型棱镜对重叠两级、用4个棱镜构成。

由以上可知，如果使移动工作台101以一定速度移动，则能够同时进行XY方向的扫描和Z方向的扫描。

此外，开口阵列103例如也可以做成图4那样的狭缝阵列。在狭缝阵列中，由于不需要在垂直于移动方向的方向上进行扫描，所以狭缝间距P原样成为周期。

此外，开口阵列103如有垃圾等的异物附着则是致命性的，所以采取对策以使异物不附着是不可或缺的。因此，需要如图1所示那样在移动工作台101上设置保护透明板106。在保护透明板106上蒸镀例如铬的不透明膜、通过光刻的技术将开口阵列103形成图案那样的情况下，关于开口阵列103的一侧不需要特意设置保护透明板106。此外，另一侧的保护也可以由移动棱镜104担负该任务。

接着，表示使用上述共焦扫描仪的共焦三维测量装置的一例。使用图5说明。

来自光源501的光通过照明光学***502以最优的状态将开口阵列103照明。光源501既可以使用激光那样的相干的光源，也可以是不相干的热光源。但是，各自最优的光学***不同。照明光的相干性在共焦光学***中是不需要的，所以在使用激光的情况下，在照明光学***502内部设置进行不相干化那样的机构。

透过开口阵列103后的照明光在通过共焦扫描仪104、进而通过固定棱镜105后，再次通过移动棱镜104而向物镜503入射。通过物镜503的成像作用，照明光成为开口阵列103的像，将物体504照明。由物体504反射后的照明光成为反射光，入射到物镜503中，再次通过物镜503的成像作用，在像空间成像，一部分或其大致全部通过开口阵列103的开口。

通过开口阵列103后的反射光被设在照明光学***502的内部或照明光学***502与开口阵列103之间的偏向光学元件505偏向，经由成像光学***506到达2维检测器507。成像光学***506被配置为，将开口阵列103的像成像到2维检测器507上。

由2维检测器507检测出的来自物体504的反射光被光电变换，作为图像数据（2维数据）输出，并保存到图像处理装置508中，然后通过运算被变换为物体的三维信息。

通常，为了防止由开口阵列103反射后的照明光向2维检测器507的方向行进，作为偏向光学元件505使用偏光束分离器，此外，一般在物镜503内部或物镜503与物体504之间***λ/4相位差板509。

由开口阵列103反射后的照明光是完全不需要的光，另一方面，作为来自物体504的信号光的反射光的强度不一定大，所以需要尽可能完全除去。如果做成上述那样的结构，则照明光通过作为偏光束分离器的偏向光学元件505而成为直线偏光，即使被开口阵列103反射，也不会被偏向光学元件505偏向而原样直线前进透射，不会向2维检测器507的方向行进。另一方面，通过开口阵列103后的直线偏光照明光在一次通过λ/4相位差板509的时点成为圆偏光，如果被物体504反射而再次通过λ/4相位差板509，则被变换为与照明光正交的方向的直线偏光，被偏向光学元件505偏向，而能够到达2维检测器507。

进而，为了更完全地将由开口阵列103反射后的照明光除去，也有与作为偏光束分离器的偏向光学元件505不同地、在照明光学***502内设置偏光板、进而在成像光学***506内设置检光元件的情况。

近年来，由于也开发出了能够将光学元件表面的反射大致完全消除的无反射表面处理等，所以并不一定需要这样的使用偏光元件的对策。

以下，说明通过以上的结构、在实际的测量时怎样动作。

测量动作的启动，以共焦扫描仪的移动工作台101的移动开始而开始。将移动工作台101加速，如果达到规定的速度并稳定，则开始图像数据取得。

图像数据取得是指，将作为所谓摄像机的2维检测器507的各传感器像素曝光，将与通过曝光被光电变换后的电荷量对应的各像素的电信号作为图像数据输出，保存到图像处理装置508中。

此时，如果将曝光的时间设定为移动工作台101移动开口阵列103的周期构造的一个周期或其倍数的量的时间，则能够得到在XY上完全扫描的共焦图像。以下具体地表示。

如果将开口阵列103做成图2所示的针孔阵列型，则由于一周期是P×P/S，所以如果设移动工作台的恒速时的速度为v，则曝光时间T设定为（P×P/S）/v。或者设定为其倍数N×（P×P/S）/v。N是自然数。如果这样设定，则开口阵列103的针孔在移动方向的所有位置上存在均等的时间，此外，关于与移动方向正交的方向，也在针孔间隔P之间扫描P/S线，能够实现完全的XY扫描。只要移动工作台101以定速移动中，就能够在任意的定时取得XY扫描的共焦图像。条件只是将曝光时间设为T。

另一方面，移动棱镜104和固定棱镜105对于通过它们的成像光束，可以等效地看作平行平面基板。这里，如果移动工作台101移动，则随之平行平面基板的厚度连续地变化。如上述那样，如果在成像透镜的光路中平行平面基板的厚度变化，则焦点位置移动，所以在该装置中，物镜503的焦点位置移动，实现Z扫描。只要移动工作台101的速度一定，厚度就与时间成比例地变化，焦点位置等速变化。

因为以上，在移动工作台101启动、加速后成为定速状态后，如果以等时间间隔取得多张图像，则能够得到焦点位置以一定间隔变化的一系列的共焦图像，仅通过一轴的移动就能够实现XYZ三轴的扫描。在图像取得后，能够通过图像处理装置508进行三维测量运算。

三维测量运算通过使用焦点位置以一定间隔变化的一系列的共焦图像、按照像素探索处理成为最大值的共焦图像来实现。物体表面（或界面）存在于能得到带来最大值的共焦图像的焦点位置，所以能够确定Z方向的位置即高度。

在得到以一定间隔改变焦点位置的共焦图像的情况下，并不一定需要以必要测量精度间隔取得图像。即使是比较粗的焦点位置变化间隔，通过内插处理，也能够以超过间隔的精度确定物体的表面（或界面）的位置。

此外，为了容易理解，在上述中将焦点位置间隔表示为一定，但不是绝对必要条件。即使间隔是散乱的，也能够确定物体的表面（或界面）的位置。

如以上那样，仅通过一轴的移动就能够实现XYZ三轴的扫描，但由于Z移动是连续的，所以可以考虑在2维检测器507的曝光时间中焦点位置也变化。因此，在所得到的共焦图像中包含焦点位置相差曝光时间量的数据。例如，在Z移动即焦点移动是1mm/s的情况下，如果曝光时间是1ms，则焦点位置移动了1μm左右，成为在共焦图像中混合存在焦点位置相差1μm左右的数据的状态。

如图6所示，考虑被针孔包围的P×P区域。在曝光时间中，该P×P区域被用P/S条线扫描，但由各个线通过该位置的定时不同。L1的线通过该位置的是曝光时间的开始左右，线L10通过的是曝光时间的结束左右。

即，在该区域中聚齐了从曝光开始时到结束时的全部的定时。该条件在图像内的任意的位置是相同的，在任意的位置的P×P的区域中包括曝光时间的全部的定时。如果假设在作为微小区域的P×P区域内物体504的高度是均匀的，则通过将像素尺寸设定为P×P，各像素成为单单仅将曝光时间T之间的高度变化积分，可以认为表示作为平均的曝光开始后T/2处的焦点位置的数据。在P×P的倍数时也同样。

即使不一定将像素尺寸匹配于P×P，只要是在光学上施加了相当于直径P以上的平滑化的、即模糊的状态，图像中的任意的点多可看作表示曝光时间中的平均位置的状态，能得到同样的效果。

即，如果是对共焦图像不要求针孔间隔P水平以上的较高的横分辨率的测量，该问题就可以说不为较大的问题。

在需要比针孔间隔P水平高的分辨率下的测量的情况下，需要使曝光时间T变短、或者使Z方向的扫描速度变小等，设定为曝光时间中的焦点位置变化对于需要测量精度而言不成为问题的程度。

以上说明了本发明的实施例，但这不过是本发明的一例。开口阵列103的图案可以有能够带来同样效果的其他图案，此外，还可以考虑开口阵列103为按照针孔而伴随微透镜的、即将开口阵列与微透镜阵列组合的构造那样的情况。这些也包含在本发明中。

产业上的可利用性

通过本发明，仅通过一轴的扫描就能够进行XYZ的三轴的扫描，能够简洁而低成本、并且高速的共焦三维测量装置。由此，可以想到在需要光的高速且高精度的测量的零件大量存在的半导体产业中有特别大的需求。

Claims (6)

1.一种共焦扫描仪，其特征在于，

由以下部分构成：

移动工作台，具有至少一轴的移动轴；

开口阵列，安装在上述移动工作台上，与上述移动工作台一起移动，具有多个共焦开口；

移动棱镜，安装在上述移动工作台上，与上述移动工作台一起移动；以及

固定棱镜，设置在上述移动工作台外，以通过与上述移动棱镜组合而构成等效的平行平面基板；

上述移动棱镜及上述固定棱镜的一方，是具有相互以相等的角度相互向反方向相对于上述移动工作台的移动轴倾斜的两个面的棱镜；

上述移动棱镜及上述固定棱镜的另一方，是具有相对于长方体形状的部件形成有开口部的形状的棱镜，该开口部是上述一方的棱镜能够插拔的开口部，且被以相互相等的上述角度相互向相反方向相对于上述移动工作台的移动轴倾斜的两个面夹着，

随着上述移动工作台的移动，上述等效的平行平面基板的厚度变化。

2.如权利要求1所述的共焦扫描仪，其特征在于，

还具备安装在上述移动工作台上、与上述移动工作台一起移动的、用来防止异物向上述开口阵列附着的至少一片保护透明板。

3.如权利要求1或2所述的共焦扫描仪，其特征在于，

上述开口阵列是针孔阵列，按照间隔P设置各针孔以发挥共焦效果；

在移动方向上相邻的针孔配置为，在与移动方向正交的方向上错开微小距离S，并且P/S为整数。

4.如权利要求1或2所述的共焦扫描仪，其特征在于，

上述开口阵列是狭缝阵列，各狭缝间在移动方向上隔开一定间隔P配置，以发挥共焦效果。

5.如权利要求4所述的共焦扫描仪，其特征在于，

随着上述移动工作台的移动，上述一方的棱镜相对于上述另一方的棱镜的上述开口部插拔，从而上述等效的平行平面基板的厚度变化。

6.一种光学测量装置，是利用光的测量装置，其特征在于，

由以下部分构成：

权利要求1～5中任一项所述的共焦扫描仪；

物镜，在像面位置上配置有上述开口阵列；

照明光学***，照射上述物镜的有效像面整体；

偏向光学元件，将由测量物体反射、入射到上述物镜中、通过上述开口阵列的物体反射光向与上述照明光学***不同的方向偏向；

2维检测器，接收由上述偏向光学元件偏向后的上述物体反射光，进行光电变换，并作为图像信号输出；

成像光学***，将上述开口阵列的像经由上述偏向光学元件成像到上述2维检测器上；

图像处理装置，将上述2维检测器的输出作为数字信号输入，使用得到的一系列的焦点位置不同的数据，探索带来最大值的焦点位置，根据探索出的焦点位置确定这一点的高度；

通过上述移动工作台以一定速度移动上述开口阵列及上述移动棱镜，在移动中通过上述2维检测器多次取得图像，将上述2维检测器的1次曝光时间设定为与上述开口阵列移动方向的开口排列周期的整数倍的移动时间相同。