TWI327638B - Non-contact surface configuration measuring apparatus and method thereof - Google Patents

Description

1327638 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種使用雷射探針系統的非接觸表面形 狀測定方法。 【先前技術】 用以測定具有特定形狀之卫件（物件）的表面形狀，已 知有-種非接觸表忘形狀測定方法，其中：將待測工件安 置於掃指平台上；藉由掃描平台使該工件在χ方向上以預 ==㈣動，同時使雷射探針在ζ方向上自動聚焦於 工件表面上.，以及從自動聚隹氺昼糸 上的移動量來決定工件的表面 '形狀Γ之物鏡在2方向 【發明内容】 ==雷㈣制用的自== 成很陡的角度二:=:施加的表*與雷射探針 而使精確測定變得困難。已知’在οι ^ 測量中，倘若雷射束所施加 二〜月度的 為直…。。或更大角度，則反射的雷:=角度 減少，而無法獲得精確的測量資料。束的折返部分會 本發明係鑑於前揭習用技藝而完成 測定與雷射探針成很陡^—種可精確 定方法。 ㈣表面之非接觸表面形狀測 316665 5

1JZ/OJO 根據本發明的第—個技術態樣 形狀測定裝置，用以制—A Μ 八種非接觸表面 ^ ^ ^ 'Ρ! ^ “疋勿件的表面形狀。該裝置包含有： 用以導引、二置“益係相對於該裝置固定於定位，並 導引I過物鏡的光轴的周圍之 過該物鏡而到这兮舲扯 70予峪虹的田射束，通 】達5亥物件，以及使在該物件的表面反射廿.g 過該物鏡的雷射束在光檢測哭r，千的表面反射亚通 、』. 尤知馮态（Pftot〇 detector)上形成爭 像’以檢測該表面在光 … 兮铷杜* ^ 在九轴的方向上的位5 ;以及用以支撐 (scanner) ^ ^ i- 4 弟—方向上移動之掃描器 L anner) 5亥知》描器相對於噹 物件嘵著平杆於以以於定位’並可使該 观讦·虎者十仃於與該光軸及 假想軸而轉動。μ^铷&第—方向相父之第三方向的 成的的表面的法向量與該光轴所形 w以使該位置檢測器以預定的位置精度檢 笛一、^ 在忒知榀态上之該物件的表面設定有 •向量落於該角度範圍内|㈣物件表面垂直的法 圍内S亥物件的表面設定有在該第一區 域的邊緣與該第—區域重聶 _ 品 區诗卜mm / 且之弟一連續區域。獲得該第— 。”’弟-位置資訊。藉由該掃 於該第三方向的虛擬軸轉 使… n叫 丁貝疋角度，以佶該篦_ 内的表面的法向量落於該角度 一 上的第二位置資訊。使該第一立了，传邊弟二區域 ^+ 定系弟位置賁訊與該第二位置資訊 上一致。 且表面上的各個位置資訊片段實質 根據本發明的第二個技術態樣’提供一種測定物件的 336665 6 1327638 表面形狀之非接觸方法，其係設置一檢測器， :光學系統的光_周圍之光學路徑的雷射束 ==達:物件，以及檢測在該物件的表面反射而: 先軸的方向之雷射束，以沿著與光轴方向才目交 檢測該表面在光軸方向上的位 ° 狀之非接觸方法。該方味勺人士、亥物件的表面形 * s " /匕3有以下步驟：設定該物件的 口 =置與該光軸的方向所形成的角度 ==位置的檢測;在該物件的表面上，設定第 域’㈣—連續區域中該物件表面的法 物件表面設定在該第-區域的邊緣與該第 [域重$之弟二連續區域;獲 資訊；使該物件繞著盥兮#缸古& η 匕4上的弟一位置 軸轉動-預定自/ 第二方向相交之假想 該角η 使該第二區域内的表面的法向量落於 :又範圍内’而獲得該第二區域上的第二位 使該第一位置資訊與該第二位 汛，以及 •疊表面上的各個位置資訊月段實質丄以使该物件的重 【實施方式】 下。佳實施例將參考第…C圖而說明如 …在第1圖中，X方向與γ方向為 向。肖’且通常為彼此正交的兩個水平方 為與別揭平面相交的方向，且通常為垂直的。 且轴對财:Γ圖示於第1圖中的工件1為具有球面 的球面透鏡。掃描平台2設成在乂與γ方向 316665 7 1327638 上精確地移動。在本實施例中’ X方向為掃描方向 平台3安置於掃描平台2上。旋轉平台3設有繞著γ轴轉 動的轉轴4。工件1係相對於轉軸4固定在定位。 ,雷射束L1係、來自雷射發射裝£ 5，並藉由自動聚 學系統而施加於工件i的表面。更具體地說，I自雷射

射裝置5的雷射束L1係由反射鏡6反射，並通過^盘X 轴平行的光軸P之物鏡8，而施加於工件i的表面上^ 加於工件i的雷射束L1構成所謂的“雷射 也 probe)，，。 U Ser 在工件1的表面反射的雷射束的一部分L2會 過物鏡8 ’並由二個反射鏡6, 7反射然後通過成:象鏡人广 而在光位置檢測器1G形成影像。光位置檢測器1()包人右 用以檢測對應於Y轴方向之y軸方向上的光點的偏 像感測器心。影像感測器10a通常為分割成 ： !隔開的二個部分之光感測器。所發射的雷射束l1;m =物鏡8的光軸(主軸)P之光學路經而進入物鏡心 射棄τ而入二至工件1的表面。在工件1的表面反射的雷 2會沿著相對於光軸？在雷射束u的相反側之光學 仏而通過物鏡8，然後經由反射鏡6, 7與成像 :至影像感測器10a。隨著物鏡…方向上的移動= 自物鏡8之雷射束L1的照射 物镑S砧λ μ A产 丹及μ汉珩的田射束L2進入 物鏡8的入射角度會發生改變。使用於測量之 像2:7的貝二定:於Μ平面内。所以，當含有物鏡8與成 的先學系統不形成影像於影像感測器10a上時，反 316665 8 叫7638 ^的雷射束L2會到達偏離中心1〇s的位置。當其形成 4，反射的雷射| τ 9奋？丨、去士 ' 達中S。因此，藉由檢測反 ，勺田射束L2的成像位置便可確認成像條件。 f 地說，當反射的雷射束L2纟y方向上偏離光位 :“/0的中心10"夺，伺服機構11會在聚焦方向（Z /)上移動物鏡8,以校正該偏離（自動聚焦控制）。所以， 苗射束係經控制成不斷地形成影像於影像感測器…上。 因此’從物鏡8的移動量便可決^工件之表面在z方向上 或決定工件之形狀。物鏡8、成像鏡9、光位置檢 d。。10及伺服機構u等構成自動聚焦光學系統。 當雷射束L自動聚焦於工件i的表面上時，經由旋轉 ^ ^置於掃描平台2上之工件i 方向上移動， =此在知描方向上連續測量工件1的表面之位置。在完成 ζ向上的-次掃描後’於¥方向上移動工件i，並再次 於X方向上進行測量。重複進行測量便能測定工件丨之 面的三維形狀。 第2圖係從Y方向看工件i之圖。用於測量之雷射束 L的-部分係沿著包含Y軸與z軸的假想平面而反射，因 :構成從Y方向看時，純直方向（z方向）上連續照射工 1千1的表面之雷射探針。 工件1的表面的傾斜度係從中心往周邊而增加。隨著 頃斜度的增加’表面法向量與物鏡8的光軸p之間的角戶 將變大。具體地說，如第2圖及第3A至3C圖所示’在二 件1的中心頂端(第2圖的箭號DB所示)，雷射束反射點 336665 9 i327_ * . SB之表面的切綠目 θ 边具有相對於Υ軸為零之傾斜度ΘΤ，且f .面法向罝η愈氺缸r> / , u 且表 - s , /、先軸p平仃（此狀態稱為最佳狀能）。當盥中 心頂端的距離捭如B± * m u f 曰加4，表面的切線（切線平 *相交線）相對於Y “ w — 丁 ®只Y-Z千面的 號DA，DC所示的=梯/會逐f增加。在周邊區域中（箭 一般而言，在二二表面的最大傾斜度ΘΤ約為4。' . 周以區域中，表面法向量η盥氺鮭p成r上 .的角度Θ (以下稱為傾斜角)約為40。。〜 ： 赭度測量物件的表面 ::預疋的位置 籲斜角△ ^的範圍存在有可達成精確測量的傾 的強度急遽下降，而雜、，/± m 反射由射束 置精产钟定兔η 、1吏用預定的精度進行測量。在位 置‘度叹疋為（U微米或更小的 △ 0在-30。S △ a <yn。 逋电希望傾斜角 的傾斜角Θ俜從光軸ρ ’ ^祀圍内。在圖中’法向量η 月以知攸先軸1>往順時針方向算。以 傾斜角在I △ /9丨< 2 Λ。 L 將以預疋的 丄△ β I $3〇的範圍内進行說明。 在本貫施例中，工件1在 -個連續的u χ方向上的總掃描區域分成 中在兮j「域及二個連續的特定區域A、C;皇 中在该—般區域B中，工件 '、 jb . 々表面具有在相對於最佳洌 里狀怨之預定的範圍（！ △ 取住洲 最佳範圍，而該特定^ A )内之傾斜角△㈣ 預定的範圍外的部：!二=含有傾斜角θ落於該 有相鄰的區域相重4之重與特定區域A、C包含 獲得測量資料。星測置部分M。掃描各該區域而 第7圖係顯示沿著掃描方 法向量η相對於光軸？之傾斜°之工件表面的 、’、角0以及各區域中之傾斜角 316665 1327638 列Dm2*丨n*i，n*2, ...n*s，}構成在與測量資料Db的重複 資料陣列Dm2 {nl，n2， ns}之區域相同的區域上之形狀 資料陣列。 因此，使資料陣列Da*整個在z方向上偏移，且使彼 此對應的重複資料陣列Dml*與Dml之間以最佳相關性 (coirelation)相重$。由於偏移量為$〗，所以區域a上的 經偏移的形狀資料陣列為Da+ {aM+5l，a*2+(n，^ + 占1’ 1，. m*q，+川。重疊區域資料陣列

Dml+ {m*l+^l, ηι*?+Λΐ * , (5 1，…m q + (5 1 }所表示的形狀 係與B區域重複資料陣列Dml {ml，m2” mq}所表示的 形狀幾乎-致。所以，重複資料陣列加+與㈤之間的 統計誤至可降至最低(第叱圖)。相似地，使資料陣列Dc* 在Z方向上偏移’且使相對應的重複資料陣列與_ 之間以最佳關連性相重疊。由於偏移量為5 的C區域形狀資料陣列為DcM…2,咖2 = + 6 2, c*l+(5 2, c*2+d2,…c*k+(52}。 在本實施例中，因為其係選擇中心的 測量資料Db作為參考資料，所 匕$ B上的 量資料片段Da，Dc與—般區域Β上寺疋區旦域穴A、C上之測 重疊在資料組合時僅-次(最少次數：二貧料片段Db的 組合時的處理速度。倘若使用例如特定成’因而增加 料Da作為參考，則要將一般區域B寺二區= 於測量資料Da’再將特定區域：里貝枓Db重疊 上的，則量資料Dc會A # 一般區域B上的測量資料Db。 、 且' 口此’要二次才能完成重 316665 14 1327638 疊，而需複雜的計算。 最後士第8C圖所示，__般區$ β & 段Db與特定區域A、c 貝卄月 上的/則里貝科片段Da, Dc會盥作 為連接資料的重複資料片段成連續態。刪除重複資料片、段 =之以產生完全組合的㈣U。因為該連接用的重 稷貧料片⑨Dm具有幾乎相等的資料量，所以組合的資料 u可具有高精度與可靠度。 更具體地說，可將工件i之區域A、B、c上的形狀資 料陣列女適地重疊，以產生—個連續的資料陣列Μ + DmiS+仍+Dlll2s+DC+ = { a”…，a*2+“，...咖 5 2, c 2+5 2，...c*k+(5 2 }(見第 8C 圖）。資料陣列 Dm】」— s，m2s，···mq'}為A區域與B區域間之重疊區域μ上的 形狀資料陣列，並為Β區域上的形狀資料Dm]，Α區域上 的形狀㈣Dm】*，或這些資料片段平均的統計資料。再 者，資料陣列 域：之重疊區域M上的形狀資料陣列，並為B區域上的形 狀貢料Dm2 ’ C區域上的形狀資料，或這些資料片段 平均的統計資料。 如前所述，根據本實施例，縱使在包含有相對於雷射 束L的傾斜角在± 3〇。範圍之外的部分之工件！的表面的 特定區域A、C上，仍可獲得精確的測量資料片段Dc 因為在測定前使工件1轉動，以使特定區域A、c内之表 面與對於雷射束L而言最佳的測量狀態的角度差在測量用 316665 的± 30。之範圍内。可使 次 的資料片段與-般區域B⑯貝曰料片段Dm而將所獲得 組合的資料u決定工件 】1資料Db做組合，以從 A、C内的測量並非於轉形狀:因為特定區域 進行’所以旋轉平台3 =而疋於轉動之後才 高精度的旋轉平台，因 =度亚無影響。因此，無須 成本維持在最低的優點。#錢置易於製造，並具有將 3係上固定工件1之旋轉以 修改現有的掃描平台2,且:：::平台2上，可 根據本發明，在工件表；^對千D 2做大幅的改變。 域進行測量之前，特定區域掃描區域的特定區 L而言最佳的測量狀能有傾斜超過從對於雷射束 工件轉動，以使特定度範圍的部分，故使 佳的測量狀態的角度差:::=雷言最 定區域的座標系'=：： = :資料片段’縱使該特 般區域*特定因為所獲得之一 資料片段重最，所以賁料片段係與相鄰區域的測量 上的測量^=:::疊Π複資料一域 合資料，以從組合資料=二;生整個掃描區域之組 士内：測里亚非於轉動期間進行，而是於轉動之後才進 、動的&度亚無影響。因此，無須高精度的旋轉 因而使得該裝置易於製造，並具有將成本維持在最 316665 16 ^27638 -白’優點。申請專利範圍第]項中之“整個掃描區域，，並 1指在180。範圍或360°範圍中曝露的工件的整個表 面’而係指為操作者要測量的曝露表面的整個區域。 〜為將測量資料與參考測量資料重疊並組合，重疊用的 it考測1貢料係經選擇，以便重1能以最少次數完成，而 曰加組合資料的處理速度。 因為設有轉轴以在轉轴上固定工件之旋轉平台係安裝 =至少在X方向上移動的掃描平台上，所以可修改現有的 知描平台，且無須對平台做大幅的改變。 根據本發明，可精確測定具有陡峭斜率之工件（諸如非 球面透鏡或球面透鏡）的表面形狀的整個掃描區域，而有助 於該種透鏡的研究與開發。 本貝施例中，雖然工件1為非球面透鏡’但是並不 :於此。其可為斜率陡,肖超過相對於最佳測量狀態之傾斜 ^預以圍的任何待測物體’諸如球面透鏡。雖然本每

測量工件1的單側表面（在約刚。的範圍内），但! 亦可藉由增加一般區域B 将疋區域A、C的分區而測定 正個工件1的周邊（在36〇。的範圍内）。 安第tr案主張2004年1月13曰申請之曰本專利申請 4-005389號的優先權，該專利申請案的所有 在此係以引用的方式納入太 、本文中。雖然本發明已參考本發 =特，實施例而說明如上’但是本發明並不限於前揭實 316665 17 1 本技㈣可根據這純導而對前揭實施例進行 ^又化。本發明的範嘴係參考下列申請專利範圍而界 1327638 定。 【圖式簡單說明】 置之結構的 第1圖係圖示雷射捏料* 一 . 奴針式表面形狀測定裝 不意圖； 圖； 弟2圖係圖示工件之 般區域與特定區域的橫剖面 相對：:A佳至二：：顯示工件的-般區域與特定區域内之 相對：取佳測竭之表面的角度之橫剖面圖； 圖； .弟4圖係其中一個特定區域接受測量之工件的橫剖面

圖； 圖 第5圖係其中—個—般區域接受 測量之工件的橫剖 面 第6圖係其中 個特定區域接受測量之工件的橫剖面 第7圖係顯示工件表面 圖；以及 的傾斜分佈及傾斜角 偏移 之 不組合測量資料的步驟之圖 第8A至8C圖係顯 【主要元件符號說明】 1 工件 3 旋轉平台 5 雷射發射裝置 8 物鏡 10 光位置檢測器 1 Os 申心 2 知描平台 4 轉軸 6, 7 反射鏡 9 成像鏡 10a 影像感測器 11 飼服機構

JS 316665 1327638 100 雷射探針式表面形狀測定裝置 A、C 特定區域 B —般區域 L1，L2 雷射束 Μ 重複測量部分（重疊區域） Ρ 光軸

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Claims (1)

1327638 …十、申請專利範圍： 、，1·—種非接觸表面形狀測定裝置，用以測定物件的表面形 狀，該裝置包含有： ’ 用以檢測物件的表面的位置之位置檢測器，該位置 檢測器係相對於該裝置固定於定位，並用以導引通過物 鏡的光轴的周圍之光學路徑的雷射束，通過該物鏡而到 達該物件’以及使在該物件的表面反射並通過該物鏡的 雷射束在料—H上形絲像，以㈣該表面在光軸 • 的方向上的位置；以及 用以支撐該物件並在與該光軸相交的第二方向上 移動之掃描器’該掃描器相對於該裝置固^於定位，並 可使.亥物件繞著與該光轴及該第二方向相交之第三假 想軸而轉動，其中， :疋4物件的表面的法向量與該光軸所形成的角 度的範圍’以使該位置檢測器以預定的位置精度檢測表 面的位置， • π ^ 备固疋在該掃描器上之該物件的表面設定有第一連 :d域’ 4第—連續區域中與該物件表面垂直的法向量 落於S玄角度範圍内， 該物件的表面設定有在該第一區域的邊緣與該第 一區域重疊之第二連續區域， 。。獲得該第-區域上的第—位置資訊，及藉由該掃描 :使㈣件繞著該第三假想軸轉動—預定角度，以使該 弟二區域内的表面的法向量落於該角度範圍内，而獲得 316665 20 该第二區域上的第二位置資訊，以及 使該第一位置資訊與該第_ 物件的重晶声而…7 貝訊重疊’以使該 0重宜表面上的各個位置資訊片段實暂μ一的。 .如申請專利範圍第〗 ' 、 中非接觸表面形狀测定裝置，其 光^ 有自動聚^學系統，該自動聚焦 鏡在其光轴方向上移動以使反射的雷 射束在该影像感測器上形成影像。 3_ 2申清專利範圍第1項之非接觸表面形狀測定裝置，其 ，遠角度範圍係相對於該光l3(r至+3『之範圍。 4. -種非接觸表面形狀測定方法，其係使用—檢㈣，以導 引通過—光學系統的光軸的周圍之光學路徑的雷射束，通 過該光學系統而到達該物件，以及檢測在該物件的表面反 射而朝光轴的方向之雷射束，以沿著與光轴方向相交之第 二方向檢測該表面在光轴方向上的位置，以測定該物件的 表面形狀之非接觸方法，該方法包含有以下步驟： 5又定遠物件的表面的法向量與該光軸方向所形成 的角度的範圍，以用預定的精度進行位置的檢測； 在遠物件的表面上，設定第一連續區域，該第一連 續區域中δ玄物件表面的法向量落於該角度範圍内； 在該物件表面設定在該第一區域的邊緣與該第— 區域重疊之第二連續區域； 獲得該第一區域上的第一位置資訊； 使遠物件繞著與該光軸方向及該第二方向相交之 假想軸轉動一預定角度，以使該第二區域内的表面的法 21 ，而獲得該第二區域上的第二位 向量落於該角度範圍内 置資訊；以及 物件的重疊表面：二一位置資訊重叠，以使該 如申过真;;上的各個位置資訊片段實質上-致。 中月專利乾圍第4項之非接觸表面形狀測定方法，其 中由該角度範圍係相對於該光袖方向±30。之 °，專利範圍第4項之非接觸表面形狀測定方法，更 包含有以下步驟： 以第二區域的步驟之後，在該物件表面設定 μ 區域的另一邊緣與該第一區域重疊之第一遠 續區域； 1之弟二連 ^在彳又彳寸6玄第二位置資訊的步驟之後，使該物件繞著 ⑹nt轉動—預定角度’以使該第三區域内的表面的 法向里落於該角度範圍内，而獲得該第三區域上的第三 位置資訊；以及 — 在重疊該第一與第二位置資訊的步驟之後，使該第 一位置資訊與該第三位置資訊重疊，以使該物件的重疊 表面上的各個位置資訊片段實質上一致。 如申請專利範圍第6項之非接觸表面形狀測定方法，其 中’ S玄物件為球面透鏡或非球面透鏡。 316665 22