[发明专利]三维形状测量装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年2月3日提交的日本专利申请No.2012-022189的优先权权益，其全部内容通过参考并入本文中。

技术领域

本文说明的实施例总体上涉及一种三维形状测量装置，其通过使用共焦光学系统来测量物体的三维形状。

背景技术

作为用于测量三维形状，例如物体的表面形状的方法之一，存在通过借助使用共焦光学系统获取与物体的表面上每一点的高度有关的信息来测量该物体的表面形状的方法。在使用共焦光学系统的测量中，原则上针对每一点执行测量，因此用以测量表面积的特殊工具是必需的。

作为通过使用共焦光学系统的用于测量诸如物体的表面的表面积的此类技术，在JP-A9-329748中公开了一种技术。

JP-A9-329748公开了一种提供有光源和其中形成多个孔的Nipkow盘的共焦显微镜。每一个孔用作点光源和检测器。分别通过多个孔的多个光束由物镜会聚到测量物体的侧面上各自的相应会聚位置。因此，当旋转Nipkow盘时，在测量物体的表面上可以容易地以高速扫描通过多个孔并会聚在测量物体侧面上的多个会聚位置的每一个光束（下文中称为斑点（spot））。

然而，在通过使用Nipkow盘在测量物体表面上扫描斑点的方法中，难以避免由Nipkow盘的旋转引起的不利影响。由Nipkow盘的旋转引起的不利影响的示例包括以下事实：按照距盘的中心的距离，根据Nipkow盘的旋转由孔引出的轨迹（trajectory）的曲线的曲率是不同的。轨迹的曲率对于每一个孔都是不同的，由此出现变化，以至于对于每一个孔的扫描速度是不同的。此外，无法避免由于盘的偏心造成的旋转偏差，并且无法避免由盘的连续旋转所产生的振动。

发明内容

考虑到以上情形而做出本发明，因此本发明的目的是提供一种三维形状测量装置，其能够线性扫描测量物体表面上的多个斑点。

为了解决上述问题，根据本发明方面的三维形状测量装置使用共焦光学系统，并包括孔板、物镜、焦点位置改变单元、光检测器组、孔板位移单元、成像控制单元、高度确定单元、盖构件及成像光学系统。孔板提供有多个共焦孔，该多个共焦孔允许来自光源的光束通过其中并且该多个共焦孔被二维设置为具有预定设置周期。物镜将通过多个共焦孔的每一光束会聚于物侧聚焦点，并再次将由会聚光束在测量物体处的反射所形成的每一反射光束会聚于各自对应的共焦孔。焦点位置改变单元包括旋转体和驱动部，所述旋转体上提供有多个平行板式构件，所述多个平行板式构件至少在折射率和厚度之一上彼此不同，并沿着旋转方向设置以便与物镜的光轴相交，所述驱动部配置为以预定速度连续地旋转所述旋转体。并且每次由所述旋转体的旋转改变与光轴相交的所述平行板式构件时，焦点位置改变单元不连续地改变物侧聚焦点在光轴方向上的位置。光检测器组包括多个光检测器，每一个光检测器输出与再次通过共焦孔的反射光束的强度相对应的信号。孔板位移单元使所述孔板在垂直于所述光轴方向的预定方向上以恒定速度产生位移，以改变在垂直于所述光轴方向的所述方向上所述物侧聚焦点的所述位置与所述测量物体的位置之间的相对位置关系。成像控制单元使所述光检测器组在所述孔板在垂直于所述光轴方向的所述预定方向上的恒定速度移动时段中多次执行曝光，以及使所述光检测器组在每次成像目标区包括在所述平行板式构件中时执行每一所述曝光。并且，成像控制单元控制所述孔板的移动速度、所述旋转体的旋转速度以及所述光检测器组的曝光时间和曝光时序，以使得所述光检测器组的所述曝光时间与所述孔板移动由所述预定设置周期乘以第一正整数获得的距离所经历的时间一致。高度确定单元基于所述光检测器的对于由所述焦点位置改变单元不连续地改变的所述物侧聚焦点在所述光轴方向上的每一所述位置的所述信号，估计所述测量物体的所述位置，在所述位置处入射到每一所述光检测器上的所述反射光束的强度变为最大。盖构件提供在所述孔板上方，以与所述孔板整体地由所述孔板位移单元产生位移。所述盖构件包括透明体，所述透明体允许所述光源的所述光束通过其中并且允许所述光源的所述光束照射到所述多个共焦孔，并且所述盖构件保护所述多个共焦孔避免灰尘。考虑到包括所述盖构件的所述透明体的整个光学系统的光学特性而设计的成像光学系统，并且成像光学系统将再次通过所述共焦孔的所述反射光束引导到所述光检测器。

使用三维形状测量装置，可以线性地扫描测量物体表面上的多个斑点。

附图说明

包含在说明书中并组成其一部分的附图示出本发明的实施例，连同以上给出的总体说明和以下给出的实施例的详细说明一起用于解释本发明的原理。