專利名稱：三維形狀測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文說明的實(shí)施例總體上涉及一種三維形狀測量裝置，其通過使用共焦光學(xué)系統(tǒng)來測量物體的三維形狀。
背景技術(shù)：
作為用于測量三維形狀，例如物體的表面形狀的方法之一，存在通過借助使用共焦光學(xué)系統(tǒng)獲取與物體的表面上每一點(diǎn)的高度有關(guān)的信息來測量該物體的表面形狀的方法。在使用共焦光學(xué)系統(tǒng)的測量中，原則上針對每一點(diǎn)執(zhí)行測量，因此用以測量表面積的特殊工具是必需的。作為通過使用共焦光學(xué)系統(tǒng)的用于測量諸如物體的表面的表面積的此類技術(shù)，在JP-A9-329748中公開了一種技術(shù)。JP-A9-329748公開了一種提供有光源和其中形成多個孔的Nipkow盤的共焦顯微鏡。每一個孔用作點(diǎn)光源和檢測器。分別通過多個孔的多個光束由物鏡會聚到測量物體的側(cè)面上各自的相應(yīng)會聚位置。因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)Nipkow盤時,在測量物體的表面上可以容易地以高速掃描通過多個孔并會聚在測量物體側(cè)面上的多個會聚位置的每一個光束(下文中稱為斑點(diǎn)(spot))。然而，在通過使用Nipkow盤在測量物體表面上掃描斑點(diǎn)的方法中，難以避免由Nipkow盤的旋轉(zhuǎn)引起的不利影響。由Nipkow盤的旋轉(zhuǎn)引起的不利影響的示例包括以下事實(shí):按照距盤的中心的距離，根據(jù)Nipkow盤的旋轉(zhuǎn)由孔引出的軌跡(trajectory )的曲線的曲率是不同的。軌跡的曲率對于每一個孔都是不同的，由此出現(xiàn)變化，以至于對于每一個孔的掃描速度是不同的。此外，無法避免由于盤的偏心造成的旋轉(zhuǎn)偏差，并且無法避免由盤的連續(xù)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到以上情形而做出本發(fā)明，因此本發(fā)明的目的是提供一種三維形狀測量裝置，其能夠線性掃描測量物體表面上的多個斑點(diǎn)。為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明方面的三維形狀測量裝置使用共焦光學(xué)系統(tǒng)，并包括孔板、物鏡、焦點(diǎn)位置改變單元、光檢測器組、孔板位移單元、成像控制單元、高度確定單元、蓋構(gòu)件及成像光學(xué)系統(tǒng)?？装逄峁┯卸鄠€共焦孔，該多個共焦孔允許來自光源的光束通過其中并且該多個共焦孔被二維設(shè)置為具有預(yù)定設(shè)置周期。物鏡將通過多個共焦孔的每一光束會聚于物側(cè)聚 焦點(diǎn)，并再次將由會聚光束在測量物體處的反射所形成的每一反射光束會聚于各自對應(yīng)的共焦孔。焦點(diǎn)位置改變單元包括旋轉(zhuǎn)體和驅(qū)動部，所述旋轉(zhuǎn)體上提供有多個平行板式構(gòu)件，所述多個平行板式構(gòu)件至少在折射率和厚度之一上彼此不同，并沿著旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置以便與物鏡的光軸相交，所述驅(qū)動部配置為以預(yù)定速度連續(xù)地旋轉(zhuǎn)所述旋轉(zhuǎn)體。并且每次由所述旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)改變與光軸相交的所述平行板式構(gòu)件時，焦點(diǎn)位置改變單元不連續(xù)地改變物側(cè)聚焦點(diǎn)在光軸方向上的位置。光檢測器組包括多個光檢測器，每一個光檢測器輸出與再次通過共焦孔的反射光束的強(qiáng)度相對應(yīng)的信號。孔板位移單元使所述孔板在垂直于所述光軸方向的預(yù)定方向上以恒定速度產(chǎn)生位移，以改變在垂直于所述光軸方向的所述方向上所述物側(cè)聚焦點(diǎn)的所述位置與所述測量物體的位置之間的相對位置關(guān)系。成像控制單元使所述光檢測器組在所述孔板在垂直于所述光軸方向的所述預(yù)定方向上的恒定速度移動時段中多次執(zhí)行曝光，以及使所述光檢測器組在每次成像目標(biāo)區(qū)包括在所述平行板式構(gòu)件中時執(zhí)行每一所述曝光。并且，成像控制單元控制所述孔板的移動速度、所述旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)速度以及所述光檢測器組的曝光時間和曝光時序，以使得所述光檢測器組的所述曝光時間與所述孔板移動由所述預(yù)定設(shè)置周期乘以第一正整數(shù)獲得的距離所經(jīng)歷的時間一致。高度確定單元基于所述光檢測器的對于由所述焦點(diǎn)位置改變單元不連續(xù)地改變的所述物側(cè)聚焦點(diǎn)在所述光軸方向上的每一所述位置的所述信號，估計所述測量物體的所述位置，在所述位置處入射到每一所述光檢測器上的所述反射光束的強(qiáng)度變?yōu)樽畲?。蓋構(gòu)件提供在所述孔板上方，以與所述孔板整體地由所述孔板位移單元產(chǎn)生位移。所述蓋構(gòu)件包括透明體，所述透明體允許所述光源的所述光束通過其中并且允許所述光源的所述光束照射到所述多個共焦孔，并且所述蓋構(gòu)件保護(hù)所述多個共焦孔避免灰塵。考慮到包括所述蓋構(gòu)件的所述透明體的整個光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性而設(shè)計的成像光學(xué)系統(tǒng)，并且成像光學(xué)系統(tǒng)將再次通過所 述共焦孔的所述反射光束引導(dǎo)到所述光檢測器。使用三維形狀測量裝置，可以線性地掃描測量物體表面上的多個斑點(diǎn)。


包含在說明書中并組成其一部分的附圖示出本發(fā)明的實(shí)施例，連同以上給出的總體說明和以下給出的實(shí)施例的詳細(xì)說明一起用于解釋本發(fā)明的原理。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的三維形狀測量裝置的結(jié)構(gòu)示例的示意性總體圖；圖2是示出孔板的結(jié)構(gòu)示例的平面圖；圖3是示出焦點(diǎn)位置改變部的結(jié)構(gòu)示例的透視圖；圖4是示意性地示出圖像處理裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示例的方框圖；圖5A是用于解釋由常規(guī)方法計算測量物體的Z軸坐標(biāo)的方法的視圖，反射光束的強(qiáng)度在該坐標(biāo)變?yōu)樽畲笾担粓D5B是用于解釋根據(jù)本實(shí)施例的計算測量物體的Z軸坐標(biāo)的方法的視圖；圖6A是根據(jù)圖1中所示的示例的提供有蓋構(gòu)件的孔板的側(cè)視圖；圖6B是提供有蓋構(gòu)件的孔板的透視圖；圖7是不出用于獲取清晰圖像的時序圖的不例的圖不說明；圖8是示出反作用力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示例的透視圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的三維形狀測量裝置的結(jié)構(gòu)示例的示意性總體圖；以及
圖10是用于解釋根據(jù)第二實(shí)施例的計算測量物體的Z軸坐標(biāo)的方法的視圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將參考附圖給出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的三維形狀測量裝置的說明。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的三維形狀測量裝置通過使用共焦光學(xué)系統(tǒng)測量測量物體的形狀，共焦光學(xué)系統(tǒng)具有二維陣列型的共焦孔陣列。共焦孔陣列提供為孔被二維地設(shè)置在孔板中以具有預(yù)定設(shè)置周期。測量物體的示例包括大規(guī)模生產(chǎn)的諸如IC封裝的部件的電極端子(例如，具有幾十到幾百微米的尺寸)。(第一實(shí)施例)圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的三維形狀測量裝置的結(jié)構(gòu)示例的示意性總體圖。注意，在以下說明中，將光軸方向設(shè)定為Z軸方向以及將垂直于光軸方向的方向設(shè)定為X軸方向與Y軸方向的情況作為示例來進(jìn)行說明。三維形狀測量裝置10包括具有光源Ila的照明光學(xué)系統(tǒng)11 ;孔板12，設(shè)置為其主表面垂直于光軸方向；物鏡13 ;焦點(diǎn)位置改變部14 ;安裝底座16，用于在其上安裝測量物體15。三維形狀測量裝置10還包括具有用于接收從測量物體15反射的光束的多個光檢測器17a的光檢測器組17、用于在XYZ的每一方向上移動安裝底座16的安裝底座驅(qū)動部18、支撐安裝底座16和安裝底座驅(qū)動部18的支撐底座19、以及圖像處理裝置20。安裝底座驅(qū)動部18包括安裝底座Z位移部21和安裝底座XY位移部22。例如可以使用例如鹵素?zé)?、激光器等作為光?1a。從光源Ila發(fā)出的光經(jīng)由照明透鏡23形成平面照明光通量。該光經(jīng)由偏振分束器24照亮孔板12。圖2是示出孔板12的結(jié)構(gòu)示例的平面圖。配置孔板12以使得多個共焦孔(在下文中稱為孔)25 二維地設(shè)置以具有預(yù)定設(shè)置周期Ad?？装?2由孔板位移部26驅(qū)動，以便在垂直于光軸方向的預(yù)定方向·上產(chǎn)生位移。在下文中，說明在Y軸方向的正負(fù)方向上產(chǎn)生位移的孔板12的情況的示例。通常，為了減小光束之間的串?dāng)_，二維設(shè)置型的孔陣列的孔25必需設(shè)置為彼此由預(yù)定間隔距離分開。為此，在具有二維設(shè)置型的孔陣列的共焦光學(xué)系統(tǒng)中，垂直于光軸的面內(nèi)方向上的分辨率受到這一間隔距離的限制。另一方面，近年來，對于使用固態(tài)成像元件的二維圖像傳感器而言，已經(jīng)開發(fā)出具有非常大量像素(例如，5000X5000等)的圖像傳感器。為此，在本實(shí)施例中，在光檢測器組17曝光的狀態(tài)下，通過線性掃描孔板12來使一個孔25對應(yīng)于多個像素。如圖2的局部放大圖所示的，當(dāng)孔板12產(chǎn)生預(yù)定設(shè)置周期(周期間隔)Ad的位移時，成像目標(biāo)區(qū)域27的內(nèi)部可以由孔25均勻地掃描一次。在圖2中，由虛線虛擬地表示與構(gòu)成光檢測器組17的光檢測器(像素)17a相對應(yīng)的位置。當(dāng)將光檢測器17a的曝光時間控制為與將孔板12移動由設(shè)置周期Ad乘以正整數(shù)m而獲得的距離所經(jīng)歷的時間一致時，可以使光束經(jīng)由每一個孔25照射到每一個光檢測器17a所經(jīng)歷的時間一致。這一控制由圖像處理裝置20執(zhí)行。孔板12的每一個孔25用作點(diǎn)光源。通過每一個孔25的光束經(jīng)由焦點(diǎn)位置改變部14通過物鏡13照射在測量物體15上，以便會聚在與點(diǎn)光源共軛的斑點(diǎn)(物側(cè)聚焦點(diǎn))。每一個物側(cè)聚焦點(diǎn)位于設(shè)置在Z軸方向上的預(yù)定位置并且垂直于光軸方向的表面上(下文中稱為物側(cè)聚焦平面)。注意，可以由多個透鏡和光闌來配置物鏡13，以便形成例如雙側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)?？装逦灰撇?6使孔板12在垂直于光軸方向的方向上產(chǎn)生位移。然而，當(dāng)孔板12的恒定速度特性較差時，在圖像中隨機(jī)地形成不均勻，以使得形狀測量精度惡化。為此，優(yōu)選地，使用高度可控并且可以執(zhí)行直接驅(qū)動的線性電機(jī)或音圈電機(jī)來使孔板位移部26受閉環(huán)控制。由常用的驅(qū)動設(shè)備，例如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)或壓電電機(jī)來配置安裝底座Z位移部21，并在光軸方向上使安裝底座16產(chǎn)生位移。由圖像處理裝置20經(jīng)由Z軸驅(qū)動器30來控制位移的量、方向和時序。安裝底座Z位移部21例如在開始測量前在光軸方向上使安裝底座16大致產(chǎn)生位移。圖3是示出焦點(diǎn)位置改變部14的結(jié)構(gòu)示例的透視圖。當(dāng)在物鏡13的光程中設(shè)置平行的板狀透明構(gòu)件31時，物鏡13的物側(cè)聚焦平面的位置在Z方向上移動。這個移動的范圍可以由透明構(gòu)件31的折射率和厚度來控制。為此，如圖3所示，透明構(gòu)件31沿著旋轉(zhuǎn)體32的旋轉(zhuǎn)方向以規(guī)則間隔設(shè)置在旋轉(zhuǎn)體32上。每一個透明構(gòu)件31配置為具有物鏡13的物側(cè)聚焦平面的位置的不同移動范圍。當(dāng)由諸如電機(jī)的驅(qū)動部33以預(yù)定速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)體32時，每次每個透明構(gòu)件31與物鏡13的光軸相交時，可以在Z方向上不連續(xù)地(步進(jìn)地)移動物鏡13的物側(cè)聚焦平面的位置。由時序傳感器34檢測旋轉(zhuǎn)體32的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。時序傳感器34的輸出傳輸?shù)綀D像處理裝置20。將每一個透明構(gòu)件31與物側(cè)聚焦點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)的該信息事先存儲在圖像處理裝置20中。當(dāng)圖像處理裝置20基于時序傳感器34的輸出，以每一個透明構(gòu)件31與光軸相交的時序重復(fù)光檢測器組17的曝光時，可以在多個離散的物側(cè)聚焦點(diǎn)的位置容易且高速地執(zhí)行成像。注意，驅(qū)動部33可以配置為可由圖像處理裝置20來控制。在此情況下，圖像處理裝置20可以控制旋轉(zhuǎn)體32的旋轉(zhuǎn)速度。在由測量物體15反射的光束中，尤其是在物側(cè)聚焦點(diǎn)反射的光束由物鏡13會聚于與物側(cè)聚焦點(diǎn)具有光學(xué)共軛關(guān)系的點(diǎn)(在下文中稱為像側(cè)聚焦點(diǎn))。用作點(diǎn)光源的孔25與物側(cè)聚焦點(diǎn)--對應(yīng)。在本實(shí)施例中，說明了像側(cè)聚焦點(diǎn)與用作點(diǎn)光源的孔25 —致的情況下的示例。在此情況下，通過孔25的光束會聚于物側(cè)聚焦點(diǎn)，并在物側(cè)聚焦點(diǎn)反射，以便再次進(jìn)入孔25。再次進(jìn)入孔25的光束由偏振分束器24偏轉(zhuǎn)，以便進(jìn)入成像光學(xué)系統(tǒng)35，并進(jìn)入構(gòu)成光檢測器組17的光檢測器17a。在此，成像光學(xué)系統(tǒng)35配置為使得孔25處的圖像形成在光檢測器組17的光電轉(zhuǎn)換表面上?？?5 (像側(cè)聚焦點(diǎn))和設(shè)置在對應(yīng)于孔25的位置處的光檢測器17a通過偏振分束器24和成像光學(xué)系統(tǒng)35而彼此處于光學(xué)共軛關(guān)系。光檢測器組17是所謂的二維圖像傳感器。構(gòu)成光檢測器組17的光檢測器17a由CXD (電荷耦合器件)圖像傳感器或CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器構(gòu)成，并將對應(yīng)于照射光束的強(qiáng)度的信號輸出到圖像處理裝置20。此外，光檢測器組17的光檢測的時序可由圖像處理裝置20控制。

圖像處理裝置20可以接收從光檢測器組17輸出的信號，并使用接收信號作為圖像數(shù)據(jù)(在下文中稱為共焦圖像數(shù)據(jù))來產(chǎn)生圖像(在下文中稱為共焦圖像)。此外，圖像處理裝置20例如可以基于共焦圖像數(shù)據(jù)針對每一次曝光產(chǎn)生共焦圖像。在本實(shí)施例中，說明了圖像處理裝置20針對光檢測器組17的每一次曝光產(chǎn)生共焦圖像的情況下的示例。另外，當(dāng)圖像處理裝置20可以針對光檢測器組17的每一次曝光獲得光檢測器組17的輸出信號時，可以基于輸出信號執(zhí)行三維形狀測量，因此共焦圖像不是必需產(chǎn)生。安裝底座驅(qū)動部18的安裝底座XY位移部22使安裝底座16在垂直于光軸方向的方向上產(chǎn)生位移。例如，安裝底座XY位移部22用于在測量之間的每一間隔在XY表面中移動測量目標(biāo)區(qū)域。安裝底座XY位移部22包括X軸位移機(jī)構(gòu)41和Y軸位移機(jī)構(gòu)42，它們分別執(zhí)行安裝底座16在X軸方向和Y軸方向上的定位。例如，由伺服電機(jī)配置X軸位移機(jī)構(gòu)41和Y軸位移機(jī)構(gòu)42中的每一個?？梢杂蓤D像處理裝置20借助XY軸驅(qū)動器45來控制X軸位移機(jī)構(gòu)41和Y軸位移機(jī)構(gòu)42中每一個的位移的量、方向和時序。圖4是示意性示出圖像處理裝置20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示例的方框圖。例如，可以由臺式個人計算機(jī)、筆記本個人計算機(jī)等來配置圖像處理裝置20。圖像處理裝置20包括輸入部51、顯示部52、存儲部53和主控制部。輸入部51由常用輸入設(shè)備來配置，例如鍵盤、觸摸面板和數(shù)字鍵，并將與用戶的操作相對應(yīng)的操作輸入信號輸出到主控制部。顯示部52由常用示出輸出設(shè)備來配置，例如液晶示出器或OLED (有機(jī)發(fā)光二極管)顯示器，并根據(jù)主控制部的控制顯示各種信息。存儲部53是可以由CPU讀出和寫入的存儲介質(zhì)。存儲部53事先存儲將每一個平行的板狀透明構(gòu)件31與物側(cè)聚焦點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)的信息。主控制部由 CPU、包括RAM、ROM等的存儲介質(zhì)來配置。主控制部的CPU將存儲在包括ROM的存儲介質(zhì)中的線性掃描程序，以及程序執(zhí)行所需的并存儲在存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)加載到RAM，并執(zhí)行處理以線性掃描測量物體的表面。主控制部的RAM提供用于臨時存儲由CPU執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)的工作區(qū)。主控制部的包括ROM的存儲介質(zhì)存儲圖像處理裝置20的啟動程序和線性掃描程序，以及程序執(zhí)行所需的各種數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^包括諸如磁記錄介質(zhì)、光學(xué)記錄介質(zhì)、或者半導(dǎo)體存儲器的CPU可讀記錄介質(zhì)來配置包括ROM和存儲部53的存儲介質(zhì)，以便經(jīng)由電子網(wǎng)絡(luò)下載存儲在存儲介質(zhì)的中的部分或全部程序和數(shù)據(jù)。在此，電子網(wǎng)絡(luò)總體上是指使用電子通信技術(shù)的信息通信網(wǎng)絡(luò)，并且除了無線或有線LAN (局域網(wǎng))和互聯(lián)網(wǎng)之外還包括電話通信網(wǎng)絡(luò)、光纖通信網(wǎng)絡(luò)、電纜通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等。主控制部的CPU執(zhí)行線性掃描程序，從而至少用作成像控制部54、高度確定部55和圖像產(chǎn)生部56。部54到56中的每一個均使用RAM的所需工作區(qū)作為數(shù)據(jù)的臨時存儲區(qū)。不使用CPU的情況下，也可以通過使用硬件邏輯電路來配置實(shí)現(xiàn)各自功能的部54到56中的每一個。成像控制部54控制焦點(diǎn)位置改變部14、光檢測器組17和孔板位移部26。由此對于成像目標(biāo)區(qū)域27包含在平行板狀透明構(gòu)件31中，同時孔板位移部26使孔板12以恒定速度在Y軸方向上產(chǎn)生位移的每一個周期，圖像控制部54使光檢測器組17執(zhí)行曝光(成像)。此時，成像控制部54控制孔板12的移動速度、旋轉(zhuǎn)體32的旋轉(zhuǎn)速度及光檢測器組17的曝光時間和曝光時序，以使得光檢測器組17的曝光時間與孔板12移動由設(shè)置周期Ad乘以正整數(shù)m獲得的距離所經(jīng)歷的時間一致。高度確定部55從成像控制部54獲得物側(cè)聚焦點(diǎn)的當(dāng)前Z軸坐標(biāo)(關(guān)于當(dāng)前與光軸相交的透明構(gòu)件31的信息)，并還獲得光檢測器組17的輸出?；谟糜诠廨S方向上不連續(xù)變化的物側(cè)聚焦點(diǎn)的每一個位置的光檢測器17a的信號，高度確定部55針對每一個光檢測器17a計算測量物體15在光軸方向上的位置，進(jìn)入光檢測器17a的反射光束的強(qiáng)度在該位置變?yōu)樽畲蟆Ｔ诖?，?dāng)考慮將原點(diǎn)設(shè)定在安裝底座16的中心的坐標(biāo)系時(安裝底座坐標(biāo)系)，可以根據(jù)安裝底座XY位移部22的當(dāng)前位置唯一地獲得測量目標(biāo)區(qū)域(成像目標(biāo)區(qū)域27)在安裝底座坐標(biāo)系中的XY坐標(biāo)。為此，與安裝底座XY位移部22的當(dāng)前位置相一致地，唯一地確定對應(yīng)于每一個光檢測器17a的安裝底座坐標(biāo)系中的XY坐標(biāo)。傳統(tǒng)上，已知各種方法，作為在使用共焦光學(xué)系統(tǒng)的形狀測量技術(shù)中，基于從光檢測器17a的輸出不連續(xù)地獲得的多個信號的強(qiáng)度，來計算測量物體15的反射光束的強(qiáng)度變?yōu)樽畲蟮腪軸坐標(biāo)的方法。在這些方法中，可以使用任意方法。圖5A是用于解釋由常規(guī)方法計算測量物體15的Z軸坐標(biāo)的方法的視圖，反射光束的強(qiáng)度在該坐標(biāo)變?yōu)樽畲?。圖5B是用于解釋根據(jù)本實(shí)施例的計算測量物體15的Z軸坐標(biāo)的方法的視圖。圖5中的山形曲線表示共焦光學(xué)系統(tǒng)的軸上響應(yīng)曲線(在物鏡13的焦點(diǎn)位置相對于測量物體15的相對位置(物側(cè)聚焦點(diǎn)的位置)在平行于光軸方向的方向上變化的情況下光檢測器17a的輸出)?？梢哉f在軸上響應(yīng)曲線中，在山形曲線中心的峰值位置是最佳焦點(diǎn)位置。該峰值位置是入射在光檢測器17a上的反射光束的強(qiáng)度變?yōu)樽畲蟮南鄬ξ恢?在下文中稱為表面聚焦位置)。因此，基于有關(guān)峰值位置的信息，可以獲得有關(guān)于測量物體15的表面上XY位置處的光軸方向位 置(表面高度)的信息，該XY位置對應(yīng)于光檢測器17a。然而，如圖5A所示，在常規(guī)技術(shù)中，已使用一種方法，其中通過以必需的分辨率步長尺寸精細(xì)地移動物側(cè)聚焦點(diǎn)的位置來獲得光檢測器17a的輸出信號，以便從所獲得的輸出信號中找出對應(yīng)于最大強(qiáng)度的位置。在該方法中，對于一次測量，在例如通過在Z方向上移動安裝底座16,以在平行于光軸方向的方向上改變焦點(diǎn)位置相對于測量物體15的相對位置的同時，必需獲得200個或更多的共焦圖像。另一方面，當(dāng)線性掃描孔板12時，孔板12不得不非常長，以便在獲得全部的大量共焦圖像的時段期間以恒定速度移動孔板12。為此，本實(shí)施例使用可以減少對于一次測量所需要的共焦圖像的數(shù)量的算術(shù)運(yùn)算方法。具體地，如圖5B中所示，在以遠(yuǎn)大于必要分辨率步長尺寸的步長尺寸(例如，以能夠在反射光束的強(qiáng)度的中央山形分布中獲得約三點(diǎn)的數(shù)據(jù)的步長尺寸)改變焦點(diǎn)位置在光軸方向上相對于測量物體15的相對位置(物鏡13的物側(cè)聚焦點(diǎn))的同時，在每一個相對位置執(zhí)行曝光，并且通過使用插值運(yùn)算來估計中央山形分布的峰值位置。插值運(yùn)算方法的示例包括假定山形分布是高斯分布的方法。當(dāng)通過將中央山形分布擬合為高斯函數(shù)來獲得中央山形分布的峰值位置時，可以由以下示出的等式(I)來估計峰值位置。借助等式(1)，可以基于三個點(diǎn)的值來估計峰值位置，這三個點(diǎn)包括對應(yīng)于最大值fp的一個點(diǎn)，以及分別對應(yīng)于值fp -1和fp+Ι的其他兩個點(diǎn)，并且它們是在對應(yīng)于最大值fp的點(diǎn)之前和之后的點(diǎn)。zfocus=zp+(In(fp+1)-1n(fp-1))/(2(21n(fp)-1n(fp-1)-1n(fp+1))) (I)在此，參考符號zfocus表示提供山形分布的峰值的焦點(diǎn)位置，參考符號zp表示提供最大值fp的焦點(diǎn)位置。相比于常規(guī)方法，使用這樣的插值運(yùn)算，可以顯著減少高度確定所必需的，且在光軸方向上不連續(xù)改變的物側(cè)聚焦點(diǎn)的位置(光軸方向測量位置)的數(shù)量，即輸入共焦圖像的數(shù)量。例如，盡管常規(guī)上需要200個共焦圖像，但可以將圖像的數(shù)量減少到20個或更少。由高度確定部55針對每一個光檢測器17a計算測量物體15的光軸方向位置?；跍y量物體15的光軸方向位置，圖像產(chǎn)生部56產(chǎn)生測量物體15的形狀圖像，以使得顯示部52能夠示出形狀圖像。注意，對于一次測量所必需的(用于產(chǎn)生一個形狀圖像的處理)，且在光軸方向上不連續(xù)改變的物側(cè)聚焦點(diǎn)的位置(光軸方向測量位置)的數(shù)量可以設(shè)定為旋轉(zhuǎn)體32的透明構(gòu)件31的數(shù)量的正整數(shù)的分?jǐn)?shù)(例如，1/2、1/3等)。例如，在光軸方向測量位置的數(shù)量與旋轉(zhuǎn)體32的透明構(gòu)件31的數(shù)量一致的情況下，可以由旋轉(zhuǎn)體32的一次旋轉(zhuǎn)來執(zhí)行一次測量。此外，孔板12中設(shè)置的孔25的周期的數(shù)量可以設(shè)定為在以恒定速度在Y軸方向的預(yù)定方向上(正負(fù)方向之一)移動孔板12的同時可以執(zhí)行至少一次測量所需的數(shù)量。此外，也可以以如下方式執(zhí)行測量，即，在以恒定速度在Y軸方向的預(yù)定方向上(正負(fù)方向之一)移動孔板12的同時，執(zhí)行至少一側(cè)測量，在反轉(zhuǎn)孔板12的移動方向之后，以恒定速度移動孔板12，執(zhí)行下一次測量。而且，此時，在對于孔板12的移動方向反向等而加速和減速孔板12的周期中，·也可以通過在XY軸方向上移動測量物體15來改變測量目標(biāo)區(qū)域。在此情況下，可以在總體上減少多次測量所需的時間。注意，共焦“顯微鏡”主要用于觀察，因此需要執(zhí)行連續(xù)成像。在這方面，可以說使用Nipkow盤的共焦顯微鏡是方便的，因?yàn)槭褂盟?，只要旋轉(zhuǎn)Nipkow盤，就可以連續(xù)獲得共焦圖像。然而，在表面形狀測量中，在每一次測量(每一個視場)之間存在間隔，因此不必連續(xù)執(zhí)行成像。因此，只要在以恒定速度移動孔板12的周期期間完成一次測量就沒有問題，即使使用諸如根據(jù)本實(shí)施例的利用孔板12的移動的方法的不連續(xù)掃描方法來代替諸如利用Nipkow盤旋轉(zhuǎn)的掃描方法的連續(xù)掃描方法。根據(jù)本實(shí)施例的三維形狀測量裝置10可以線性掃描孔板12。因此，當(dāng)在光檢測器組17曝光的同時線性掃描孔板12時，可以使一個孔25對應(yīng)于多個像素，從而可以實(shí)現(xiàn)高分辨率。此外，可以使物側(cè)聚焦點(diǎn)的掃描軌跡沿著絕對的直線，從而可以以矩形形成測量物體15的表面上的掃描區(qū)域(測量目標(biāo)區(qū)域)。因此，與使用Nipkow盤的情況相比，可以改進(jìn)與二維圖像傳感器的兼容性。在本實(shí)施例中，說明了孔板12是提供有多個針孔(孔25)的針孔陣列型的情況下的示例。在此情況下，僅必需將孔設(shè)置為具有預(yù)定設(shè)置周期Λ d，因此也可以使用狹縫陣列型的孔板。在將狹縫陣列型的孔板用作孔板12的情況下，將每一個狹縫的長邊設(shè)定為在垂直于孔板12的移動方向的方向上，當(dāng)設(shè)置多個狹縫時可以將預(yù)定設(shè)置周期處理為Ad，以使得在移動方向上彼此相鄰的狹縫的中心之間的間隔是△(!的正整數(shù)分?jǐn)?shù)。在使用具有這樣的狹縫的孔板12的情況下，獲得共焦圖像所需的最小掃描寬度等于彼此相鄰的狹縫的中心之間的間隔(間距)。即，當(dāng)將孔板12移動狹縫的間距時，可以由構(gòu)成光檢測器組17的全部光檢測器17a獲得共焦數(shù)據(jù)。為此，當(dāng)使用狹縫陣列型孔板12時，與使用針孔陣列型孔板12的情況相比，可以減小獲得一個共焦圖像所需的孔板12的移
動距離。接下來，將說明孔板12的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和孔板12的防塵方法。在孔板12中形成孔25，以具有一到幾μ m的直徑尺寸。為此，對其中形成多個孔25的至少一個區(qū)域(下文中稱為孔區(qū)域)采取防塵措施。當(dāng)采用以外殼封閉三維形狀測量裝置10的整個光學(xué)系統(tǒng)的方法，或者以外殼封閉孔板12和孔板位移部26的方法作為孔區(qū)域的防塵措施時，任何方法都需要大規(guī)模的結(jié)構(gòu)，并且同樣會從諸如孔板位移部26的驅(qū)動部產(chǎn)生灰塵，以至于附著于孔陣列區(qū)域。為此，根據(jù)本實(shí)施例的三維形狀測量裝置10包括蓋構(gòu)件60，用于保護(hù)孔板12避免灰塵。蓋構(gòu)件60用于保護(hù)孔板12的孔區(qū)域的兩側(cè)避免灰塵。圖1示意性地示出蓋構(gòu)件60的結(jié)構(gòu)的示例。此外，圖6A是根據(jù)圖1中所示的示例的提供有蓋構(gòu)件60的孔板12的側(cè)視圖，圖6B是提供有蓋構(gòu)件60的孔板12的透視圖。在圖1和圖6所示的蓋構(gòu)件60的結(jié)構(gòu)示例中，由透明基板12a配置孔板12。這一結(jié)構(gòu)適合于鉻蝕刻透明基板12a的光源側(cè)表面以形成孔25的情況。在此情況下，由透明基板12a保護(hù)孔區(qū)域的物鏡側(cè)表面避免灰塵。為此，僅僅孔區(qū)域的光源側(cè)表面需要由蓋構(gòu)件60保護(hù)以避免灰塵。因此，如圖1和圖6所示，僅必需在孔板12的光源側(cè)(其上形成孔25的側(cè)面)可分離地提供蓋構(gòu)件60，以便覆蓋孔25并保護(hù)孔區(qū)域的光源側(cè)表面免于灰塵。以下將更詳細(xì)地說明此情況下的孔板12和蓋構(gòu)件60的結(jié)構(gòu)。蓋構(gòu)件60包括透明體 61、透明體61的支撐件62、和中間板63。另一方面，孔板12包括孔區(qū)域，在其中在透明基板12a的光源側(cè)表面上形成多個孔25。支撐件62和中間板63中的每一個提供有開口，用于傳輸來自光源I Ia的光束。透明體61的整個外周粘結(jié)到支撐件62的開口的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。將支撐件62擰緊到中間板63，以使得支撐件62的開口的中心基本上與中間板63的開口的中心一致。此外，當(dāng)在支撐件62與中間板63之間的接觸表面上提供諸如O形圈的襯墊(packing)64以便圍繞中間板63的開口時，可以進(jìn)一步提聞防塵效果。此外，將孔板12的整個外圍焊接到中間板63的側(cè)面，該側(cè)面與支撐件62的固定側(cè)相對，以使得孔25的形成表面與中間板63的開口彼此面對。結(jié)果，可以在由孔板12、透明體61、支撐件62和中間板63形成的封閉空間中提供其中形成有多個孔25的孔區(qū)域。此夕卜，孔板12和蓋構(gòu)件60由孔板位移部26在Y軸方向上整體地產(chǎn)生位移。注意，不需要將孔板12的整個外圍焊接到中間板63，孔板12可以借助諸如O形圈的襯墊可分離地擰緊到中間板63。在此情況下，蓋構(gòu)件60可分離地附接到孔板12。在將孔板12可分離地壓配到蓋構(gòu)件60的情況下，可以容易地執(zhí)行孔板12的更換和維護(hù)。將中間板63擰緊到L形夾具66的縱向部，以便將孔板12安裝到L形夾具66的開口中。L形夾具66的橫向部擰緊到孔板安裝部67?？装灏惭b部67由受成像控制部54控制的線性電機(jī)68沿線性導(dǎo)軌68a在Y軸方向上產(chǎn)生位移。通過使用來自設(shè)置在線性導(dǎo)軌68a附近的多個傳感器的傳感器組69的輸出信號來執(zhí)行線性電機(jī)68的驅(qū)動控制。傳感器組69中包括原點(diǎn)傳感器、限制傳感器等。在孔板12的孔25的光源側(cè)形成表面65上提供蓋構(gòu)件60，以便覆蓋孔區(qū)域，并保護(hù)孔區(qū)域的光源側(cè)避免灰塵。由此，與由外殼覆蓋整個孔板位移部26的情況，或者由外殼覆蓋三維形狀測量裝置10的整個光學(xué)系統(tǒng)的情況相比，可以以非常輕便和簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)防塵，并還可以避免由電機(jī)產(chǎn)生的灰塵的不利影響。透明體61和透明基板12a中的每一個均防止灰塵附著到孔板12的孔區(qū)域，但不能避免灰塵附著到透明體61和透明基板12a每一個的本身。然而，當(dāng)透明體61和透明基板12a中的每一個具有足夠的厚度時，附著到透明體61和透明基板12a中的每一個的灰塵與孔板12的位置間隔分開?？装?2的位置是物鏡13的和成像光學(xué)系統(tǒng)35的圖像形成位置。因此，圖像形成光通量的直徑在灰塵附著到透明體61和透明基板12a中的每一個的表面的位置較大。因此，圖像形成光通量無法被灰塵完全阻塞，從而灰塵的影響較小。

然而，當(dāng)將厚的透明體61插入到光程中時，不能忽視透明體61對成像光學(xué)系統(tǒng)35的圖像形成性能的影響。因此，需要在考慮到透明體61的厚度的情況下設(shè)計成像光學(xué)系統(tǒng)35。當(dāng)然，需要將沒有任何條紋并具有足夠高的表面精度和平行度的光學(xué)玻璃用作透明體61。注意，圖1和圖6中示出在透明基板12a的光源側(cè)上形成孔25，且蓋構(gòu)件60保護(hù)孔區(qū)域的光源側(cè)避免灰塵的情況的示例，但孔板12和蓋構(gòu)件60可以布置為整體上在光程中倒置。即，可以在透明基板12a的物鏡側(cè)形成孔25，且可以由蓋構(gòu)件60保護(hù)孔區(qū)域的物鏡側(cè)避免灰塵。此外，僅必需蓋構(gòu)件60具有保護(hù)孔板12的孔區(qū)域的兩側(cè)避免灰塵的結(jié)構(gòu)。因此，蓋構(gòu)件60的結(jié)構(gòu)不限于圖1和圖6所示的結(jié)構(gòu)。在圖1和圖6所示的結(jié)構(gòu)示例中，由透明基板12a保護(hù)孔板12的孔區(qū)域的一個側(cè)面避免灰塵，因此僅必需配置蓋構(gòu)件60以便能夠保護(hù)孔區(qū)域的另一側(cè)面避免灰塵。另一方面，例如，當(dāng)由具有高遮光特性的板(包括金屬板、涂覆有遮光涂料的塑料板等)形成孔板12時，且當(dāng)通過在板中提供孔來形成孔25時，優(yōu)選地，配置蓋構(gòu)件60以便覆蓋孔板12的孔區(qū)域的光源側(cè)和物鏡側(cè)兩者。此時，優(yōu)選地，蓋構(gòu)件60包括例如，圖1中所示的兩組透明體61和支撐件62，每一組均可分離地提供在由具有高遮光特性的板形成的孔板12的孔區(qū)域的光源側(cè)和物鏡側(cè)中的每一個上。接下來，將說明借助成像控制部54的成像控制方法。成像控制部54控制焦點(diǎn)位置改變部14、光檢測器組17和孔板位移部26。成像控制部54由此控制孔板12的移動速度、旋轉(zhuǎn)體32的旋轉(zhuǎn)速度及光檢測器組17的曝光時間和曝光時序，以使得光檢測器組17的曝光時間與將孔板12移動由設(shè)置周期Ad乘以正整數(shù)m而獲得的距離所經(jīng)歷的時間一致。例如，當(dāng)孔25的設(shè)置周期是100 μ m時，且當(dāng)孔板12的恒定移動速度V是10mm/s時，孔板12移動設(shè)置周期Λ d所需的時間Λ t是lOm/s。在此情況下，控制光檢測器組17的曝光時間Atl，以便與由At=10m/s乘以正整數(shù)m所獲得的時間準(zhǔn)確地一致。然而，即使在曝光時間Λ tl與m.Λ t準(zhǔn)確一致的情況下，當(dāng)曝光時間Λ tl存在微小誤差時，在圖像中會產(chǎn)生圖案。該圖案由孔25在曝光開始時間的位置來確定。S卩，曝光不足或曝光過度出現(xiàn)在孔25在曝光開始時間的的位置附近的像素中，以至于呈現(xiàn)為圖案。此外，在孔25的設(shè)置方向和孔板12的移動方向彼此未準(zhǔn)確一致且彼此傾斜的情況下，即使當(dāng)傾斜是微小的時，也出現(xiàn)類似的圖案。這一圖案也由孔25在曝光開始時間的位置來確定。因此，當(dāng)孔25在曝光開始時間隨機(jī)定位時，圖案也隨機(jī)地改變。
同時，根據(jù)焦點(diǎn)位置改變部14的時序傳感器34的觸發(fā)時序來確定曝光開始時序。為此，例如，當(dāng)完全獨(dú)立于孔板位移部26來確定旋轉(zhuǎn)體32的旋轉(zhuǎn)的數(shù)量時，對于每一個圖像獲取，上述圖案幾乎是隨機(jī)變化的，以至于被反射為用于測量操作的軸上響應(yīng)曲線中的噪聲成分。從而使測量精度惡化。為了避免這樣的問題，必須避免曝光以隨機(jī)的時序開始，并允許曝光僅以與將孔板12移動設(shè)置周期Ad的時間(在上述示例中是IOms)的整數(shù)倍相對應(yīng)的間隔開始。由此，防止圖案的隨機(jī)產(chǎn)生，以使得獲得更清晰的圖像。圖7是示出用于獲取清晰圖像的時序圖的示例的圖示說明。如圖7所示，每一次旋轉(zhuǎn)體32的透明構(gòu)件31與光軸相交時，成像控制部54使得光檢測器組17執(zhí)行曝光。此時，成像控制部54使光檢測器組17的曝光時間Atl僅與時間m.At—致，該時間m.At通過將孔板12移動設(shè)置周期Ad所需的時間At乘以正整數(shù)m而獲得。此時，成 像控制部54控制孔板12的移動速度V，以使得移動速度V設(shè)定為v=Ad/At。此外，成像控制部54使彼此相鄰的曝光開始時間之間的間隔與由At乘以正整數(shù)n (n>m)獲得的時間η.Δ t —致。例如，在上述示例中，考慮m=l且n=2的情況。在此情況下，假定以相機(jī)的最高成像速度是60fps (約17ms/張)的方式獲得圖像。還假定在測量開始時的第一個圖像的曝光開始時序(其可以隨機(jī)設(shè)定)執(zhí)行曝光后，在距曝光開始時序20ms的間隔時開始下一個圖像的曝光，以便獲得下一個圖像。當(dāng)然，假定曝光時間準(zhǔn)確設(shè)定為10ms。在此情況下，出現(xiàn)在第一個圖像之后獲得的每一個圖像中的圖案出現(xiàn)在與第一個圖像的圖案完全相同的位置。當(dāng)孔25在曝光開始時間隨機(jī)定位時，圖案也隨機(jī)地改變，以至于被混淆成為軸上響應(yīng)曲線中的噪聲，從而影響測量精度。然而，當(dāng)圖案的位置不改變并被固定時，圖案不作為軸上響應(yīng)曲線中的噪聲而出現(xiàn)，而僅僅在整體上以曲線的高度(強(qiáng)度)的差的形式出現(xiàn)。因此，圖案幾乎不影響測量精度。此外，當(dāng)通過獲得與設(shè)置在旋轉(zhuǎn)體32上的透明構(gòu)件31的數(shù)量相對應(yīng)的圖像數(shù)量來完成一次測量時，優(yōu)選地，使旋轉(zhuǎn)體32的旋轉(zhuǎn)速度與乘以透明構(gòu)件31的數(shù)量的曝光(圖像輸入)時段的倒數(shù)一致。例如，當(dāng)假定透明構(gòu)件31的數(shù)量為10時，獲得上述示例中乘以透明構(gòu)件31數(shù)量的曝光時段是20ms X 10 (件)=200ms，因此，以旋轉(zhuǎn)速度l/200ms=5rps旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)體32。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體32的速度準(zhǔn)確時，且當(dāng)時序傳感器34具有高精度且可以準(zhǔn)確地以20ms間隔產(chǎn)生時序信號(在可忽略的誤差內(nèi))時，可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。此外，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體32的時序信號不準(zhǔn)確時，可以以如下方式獲得10個圖像:在測量開始指令之后，通過將時序傳感器34的第一個信號用作觸發(fā)來開始曝光，并且隨后準(zhǔn)確地以20ms間隔開始曝光。以此方式，僅必需使旋轉(zhuǎn)體的速度僅在至多一個旋轉(zhuǎn)周期期間沒有較大偏離，因此不必嚴(yán)格要求旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)速度的精度。接下來，將說明用于減小由孔板12的加速和減速產(chǎn)生的力的影響的方法。優(yōu)選地，將孔板12盡快地加速到恒定速度。然而，考慮到當(dāng)孔板12被快速加速和減速時，孔板12會由加速和減速產(chǎn)生的力而振動，從而降低測量精度。為了減小由孔板12的加速和減速產(chǎn)生的力的影響，優(yōu)選地提供反作用力機(jī)構(gòu)。圖8是示出反作用力機(jī)構(gòu)70的結(jié)構(gòu)示例的透視圖。反作用力機(jī)構(gòu)70包括可移動體71及調(diào)節(jié)構(gòu)件72，通過線性電機(jī)68使可移動體71沿線性導(dǎo)軌68a在Y軸方向上產(chǎn)生位移，調(diào)節(jié)構(gòu)件72設(shè)置在可移動體71上，以與可移動體71整體地產(chǎn)生位移?？梢苿芋w71由受成像控制部54控制的線性電機(jī)68驅(qū)動，由此減小(消除)由孔板12的加速和減速產(chǎn)生的力的影響。例如，當(dāng)選擇調(diào)節(jié)構(gòu)件72的重量，以使得設(shè)置在孔板安裝部67上的物件的重量加上孔板安裝部67自身的重量與反作用力機(jī)構(gòu)70的重量一致時，孔板安裝部67與反作用力機(jī)構(gòu)70的重心存在于孔板安裝部67與可移動體71的中間。在此情況下，例如，當(dāng)可移動體71與孔板安裝部67以相同速率在相反方向上分別加速或減速，以相對于上述的重心對稱地定位時，可以減小由孔板12的加速或減速產(chǎn)生的力的影響。(第二實(shí)施例)接下來，將說明根據(jù)本發(fā)明的三維形狀測量裝置的第二實(shí)施例。圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的三維形狀測量裝置IOA的結(jié)構(gòu)示例的示意性總體圖。示出為第二實(shí)施例的三維形狀測量裝置IOA與示出為第一實(shí)施例的三維形狀測量裝置10的不同之處在于:焦點(diǎn)位置改變部14設(shè)置在孔板12相對于物鏡13的一側(cè)。由于三維形狀測量裝置IOA的其他結(jié)構(gòu)和操作與圖1中的三維形狀測量裝置10基本上沒有不同，由相同的參考標(biāo)號和字母來表示相同的組件和結(jié)構(gòu)，并省略其解釋。以如下方式來使用顯微鏡:通過更換物鏡而增大放大倍率來提高(觀察)精度，相反地，降低(觀察)精度以便在大視場中觀察整個物體。以此方式，顯微鏡實(shí)現(xiàn)了根據(jù)觀察目的來選擇最佳放大倍率，從而具有高度靈活性。期望三維形狀測量裝置具有這樣的靈活性。然而，如在根據(jù)第一實(shí)施例的三維形狀測量裝置10的情況下，當(dāng)將包括旋轉(zhuǎn)體32的焦點(diǎn)位置改變部14插入測量物體15 —側(cè)(在測量物體15與物鏡13之間)時，無法獲得這樣的靈活性。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)體32上的透明構(gòu)件31的厚度間距被確定為在共焦軸上響應(yīng)曲線(表示當(dāng)物側(cè)聚焦點(diǎn)在Z方向上移動時檢測器的輸出變化的曲線)的中央山形部分中可以采樣三個或更多個點(diǎn)的值，盡管當(dāng)更換物鏡13時，測量物體15 —側(cè)的物鏡13的NA (數(shù)值孔徑)被改變。中央山形部分的寬度由測量物體15—側(cè)的NA確定。為此，當(dāng)更換物鏡13時，還必需改變設(shè)置在旋轉(zhuǎn)體32上的透明構(gòu)件31的間距。即，不僅必需更換物鏡13，還有旋轉(zhuǎn)體32自身。圖10是用于解釋根據(jù)第二實(shí)施例的計算測量物體的Z軸坐標(biāo)的方法的視圖。如果像側(cè)(孔板12相對于物鏡13的一側(cè))的NA沒有改變，即像側(cè)的成像透鏡沒有更換的狀態(tài)(在此狀態(tài)下，在共同顯微鏡中物鏡13被更換)，測量物體15 —側(cè)的物鏡13的NA由像側(cè)NA乘以放大倍率來確定。此外，中央山形部分的寬度與測量物體15 —側(cè)的NA的平方成反比。即，中央山形部分的寬度與放大倍率的平方成反比。因此，如圖9所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體32位于像側(cè)(孔板12 —側(cè))的空間中時，像側(cè)空間的采樣間距與測量物體15 —側(cè)的空間中的透鏡的縱向放大倍率(橫向放大倍率的平方)成反t匕，該采樣間距由透明構(gòu)件31的厚度間距來確定。為此，如可以從圖5B與圖10之間的比較見到的，即使當(dāng)更換物鏡13以改變放大倍率時，不僅中央山形部分的寬度，而且測量物體15 —側(cè)的采樣間距也類似地自動改變，以與橫向放大倍率的平方成反比。因此，如圖9所示，在旋轉(zhuǎn)體32位 于像側(cè)空間(在孔板12 —側(cè)上)中的情況下，即使當(dāng)更換物鏡13時，也不必更換旋轉(zhuǎn)體32。當(dāng)然，在光軸方向上的物側(cè)空間(Z軸方向上的測量區(qū))也與橫向放大倍率的平方成反比地變化，實(shí)際上能夠在該空間中執(zhí)行測量。然而，通常以較高放大倍率觀察較小的物體，因此這樣的變化是合理的。因此，使用根據(jù)第二實(shí)施例的三維形狀測量裝置10A，可以容易地改變物鏡13的放大倍率。此外，與焦點(diǎn)位置改變部14設(shè)置在測量物體15 —側(cè)的情況相比，可以充分地確保測量物體15 —側(cè)的空間中的工作距離，從而能夠改進(jìn)可操作性，并還可以容易地提供諸如傾斜入射照明的輔助照明。盡管已經(jīng)說明了某些實(shí)施例，但僅是示例性地提出這些實(shí)施例，并非旨在限制本發(fā)明的范圍。實(shí)際上，可以以多種其他形式來體現(xiàn)本文所述的創(chuàng)新實(shí)施例；而且，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可以做出本文所述實(shí)施例的形式上的各種省略、替代和改變。所附權(quán)利要求及其等價物旨在覆蓋此類形式或修改，它們也屬于本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。例如，焦點(diǎn)位置改變部14不限于圖3所示的結(jié)構(gòu)，只要其可以在Z方向上移動物鏡13的物側(cè)聚焦點(diǎn)的位置。例如，焦點(diǎn)位置改變部14還可以由光程長度調(diào)節(jié)構(gòu)件和調(diào)節(jié)構(gòu)件驅(qū)動部來配置，該光程長度調(diào)節(jié)構(gòu)件由具有預(yù)定折射率和光軸方向上可變的厚度的透明體構(gòu)成，該調(diào)節(jié)構(gòu)件驅(qū)動部改變透明體在光軸方向上的厚度。在此情況下，焦點(diǎn)位置改變部14可以以如下方式改變物側(cè)聚焦點(diǎn)在光軸方向上的位置:通過改變與光軸相交的透明體的光軸方向厚度來改變通過光程長度調(diào)節(jié)構(gòu)件的光束的光程長度。例如，光程長度調(diào)節(jié)構(gòu)件可以由彼此平行設(shè)置的兩個平行平面玻璃板來配置，并在玻璃板之間填充液體。在此情況下，調(diào)節(jié)構(gòu)件 驅(qū)動部可以通過改變液體的體積來改變光程長度。
權(quán)利要求
1.一種使用共焦光學(xué)系統(tǒng)的三維形狀測量裝置，包括: 提供有多個共焦孔的孔板，所述多個共焦孔各自允許來自光源的光束從其通過并且所述多個共焦孔被二維設(shè)置為具有預(yù)定設(shè)置周期； 物鏡，配置為將通過所述多個共焦孔的每一所述光束會聚于物側(cè)聚焦點(diǎn)，并再次將由會聚光束在測量物體處的反射形成的每一反射光束會聚于各自對應(yīng)的共焦孔； 包括旋轉(zhuǎn)體和驅(qū)動部的焦點(diǎn)位置改變單元，所述旋轉(zhuǎn)體上提供有多個平行板式構(gòu)件，所述多個平行板式構(gòu)件至少折射率和厚度之一彼此不同，并沿著旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置以便與所述物鏡的光軸相交，所述驅(qū)動部配置為以預(yù)定速度連續(xù)地旋轉(zhuǎn)所述旋轉(zhuǎn)體，所述焦點(diǎn)位置改變單元配置為每次由所述旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)改變與所述光軸相交的所述平行板式構(gòu)件時，不連續(xù)地改變所述物側(cè)聚焦點(diǎn)在光軸方向上的位置； 光檢測器組，包括多個光檢測器，每一個所述光檢測器輸出與再次通過所述共焦孔的反射光束的強(qiáng)度相對應(yīng)的信號； 孔板位移單元，配置為使所述孔板在垂直于所述光軸方向的預(yù)定方向上以恒定速度產(chǎn)生位移，以改變在垂直于所述光軸方向的所述方向上所述物側(cè)聚焦點(diǎn)的所述位置與所述測量物體的位置之間的相對位置關(guān)系； 成像控制單元，配置為使所述光檢測器組在所述孔板在垂直于所述光軸方向的所述預(yù)定方向上的恒定速度移動時段中多次執(zhí)行曝光，以及使所述光檢測器組在每次成像目標(biāo)區(qū)包括在所述平行板式構(gòu)件中時執(zhí)行每一所述曝光，以及控制所述孔板的移動速度、所述旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)速度以及所述光檢測器組的曝光時間和曝光時序，以使得所述光檢測器組的所述曝光時間與所述孔板移動由所述預(yù)定設(shè)置周期乘以第一正整數(shù)獲得的距離所經(jīng)歷的時間一致； 高度確定單元，配置為基于所述光檢測器的對于由所述焦點(diǎn)位置改變單元不連續(xù)地改變的所述物側(cè)聚焦點(diǎn)在所述光軸方向上的每一所述位置的所述信號，估計所述測量物體的所述位置，在所述位置處入·射到每一所述光檢測器上的所述反射光束的強(qiáng)度變?yōu)樽畲螅? 蓋構(gòu)件，提供在所述孔板上方，以與所述孔板整體地由所述孔板位移單元產(chǎn)生位移，所述蓋構(gòu)件配置為包括透明體，所述透明體允許所述光源的所述光束從其通過并且允許所述光源的所述光束照射到所述多個共焦孔，并且所述蓋構(gòu)件配置為保護(hù)所述多個共焦孔避免灰塵；以及 考慮到包括所述蓋構(gòu)件的所述透明體的整個光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性而設(shè)計的成像光學(xué)系統(tǒng)，并且所述成像光學(xué)系統(tǒng)配置為將再次通過所述共焦孔的所述反射光束引導(dǎo)到所述光檢測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維形狀測量裝置，其中，所述蓋構(gòu)件可分離地附接到所述孔板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維形狀測量裝置，其中， 所述成像控制單元還控制所述孔板的所述移動速度、所述旋轉(zhuǎn)體的所述旋轉(zhuǎn)速度、以及所述光檢測器組的所述曝光時間和所述曝光時序，以使得在所述多次曝光中，從任一曝光開始時間到下一曝光開始時間的時段與所述孔板移動由所述預(yù)定設(shè)置周期乘以大于所述第一正整數(shù)的第二正整數(shù)獲得的距離所需的時間一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維形狀測量裝置，其中，所述焦點(diǎn)位置改變單元設(shè)置在所述孔板與所述物鏡之間，以使得所述多個平行板式構(gòu)件與所述物鏡在所述孔板一側(cè)的光軸相交。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維形狀測量裝置，還包括: 安裝底座，所述測量物體安裝在所述安裝底座上；以及 安裝底座位移單元，配置為使所述安裝底座在垂直于所述光軸方向的所述方向上產(chǎn)生位移，以改變在垂直于所述光軸方向的所述方向上所述物側(cè)聚焦點(diǎn)的所述位置與所述測量物體的所述位置之間的所述相對位置關(guān)系， 其中，在除了所述孔板在垂直于所述光軸方向的所述預(yù)定方向上以恒定速度產(chǎn)生位移的時段之外的時段中，所述安裝底座位移單元改變在垂直于所述光軸方向的所述方向上所述物側(cè)聚焦點(diǎn)的所述位置與所述測量物體的所述位置之間的所述相對位置關(guān)系，以及 除了所述孔板在垂直于所述光軸方向的所述預(yù)定方向上以恒定速度產(chǎn)生位移的時段之外的所述時段是所述孔板由所述孔板位移單元在所述預(yù)定方向上加速和減速的時段，和當(dāng)由所述孔板位移單元在所述預(yù)定方向上反轉(zhuǎn)所述孔板的移動方向時的時間或時段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維形狀測量裝置，其中，所述孔板位移單元包括: 孔板安裝單元，所述孔板安裝在所述孔板安裝單元上；以及 線性電機(jī)，由所述成像控制單元控制，并且配置為使所述孔板安裝單元在垂直于所述光軸方向的所述預(yù)定方向上產(chǎn)生位移。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述 的三維形狀測量裝置，其中， 所述孔板位移單元還包括在垂直于所述光軸方向的所述預(yù)定方向上產(chǎn)生位移的反作用力機(jī)構(gòu)，以及 所述成像控制單元操作所述反作用力機(jī)構(gòu)，以減小由所述線性電機(jī)加速和減速所述孔板安裝單元所產(chǎn)生的力的影響。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維形狀測量裝置，其中， 所述焦點(diǎn)位置改變單元包括: 光程長度調(diào)節(jié)構(gòu)件，由提供于與所述物鏡的所述光軸相交的位置并具有預(yù)定折射率和所述光軸方向上的可變厚度的透明構(gòu)件構(gòu)成，以及 調(diào)節(jié)構(gòu)件驅(qū)動單元，配置為改變所述透明構(gòu)件在所述光軸方向上的厚度，以及焦點(diǎn)位置改變單元，配置為以通過改變與所述光軸相交的所述透明構(gòu)件的所述光軸方向厚度來改變光程長度的方式改變所述物側(cè)聚焦點(diǎn)在所述光軸方向上的所述位置。
全文摘要
根據(jù)一個實(shí)施例，一種三維形狀測量裝置至少包括提供有多個共焦孔的孔板，所述多個共焦孔被二維設(shè)置為具有預(yù)定設(shè)置周期；以及孔板位移部，其使孔板在垂直于光軸方向的預(yù)定方向上以恒定速度產(chǎn)生位移。此外，孔板提供有蓋構(gòu)件，該蓋構(gòu)件與孔板整體地移動并包括透明體，該透明體允許來自光源的光束通過其中并照射到多個共焦孔，并且保護(hù)多個共焦孔避免灰塵。此外，考慮到包括蓋構(gòu)件的透明體的整個光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性來設(shè)計成像光學(xué)系統(tǒng)，每一反射光束通過該成像光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)到光檢測器。
文檔編號G01B11/24GK103245302SQ20121048714
公開日2013年8月14日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月3日
發(fā)明者石原滿宏 申請人:株式會社高岳制作所