形状测量方法与流程

1.本发明涉及一种形状测量方法。
2.例如，本发明涉及如下形状测量方法，该形状测量方法用于获得待测量透光对象的顶面形状与底面形状之间的差异或在待测量对象上的任意位置处的厚度方向上的形状数据。


背景技术：

3.诸如移动电话、智能手机和膝上型计算机等的便携式小型终端装置都配备有摄像头，并且已经要求该摄像头具有显著高的性能。
4.为了提高摄像头的性能，要求透镜的精度，并且需要一种用于检查透镜精度的形状测量方法。


技术实现要素：

5.为了检查透镜，对透镜表面进行扫描或用接触式探针进行点测量。
6.然而，上述测量方法具有不可避免的技术问题。
7.第一个问题是，在测量透镜的顶面之后要测量透镜的底面的情况下，需要翻转(反转)透镜，或者需要移动整个测量设备或探针以面对透镜的底面。
8.为了实现这样的配置，需要大型设备。
9.另外，如果测量顶面时的测量轴(坐标轴)相对于测量底面时的测量轴(坐标轴)偏离，则偏差成为测量误差。
10.第二个问题是，由于摄像头透镜最近已经被极度小型化，因此用接触式探针对这样的透镜进行高精度和高分辨率的形状检查正在接近极限。
11.注意，本技术人的jp 5592763 b和jp 6502113 b公开了作为无接触的面形状测量方法的方法。然而，上述第一个问题仍未解决，并且透镜形状测量仍然具有测量设备的尺寸增大和偏离测量轴(坐标轴)所导致的测量误差的问题。
12.基于这些原因，提供了一种形状测量方法，用于计算例如透镜的顶面和底面的面形状，来以高精度和高通量获得待测量对象的厚度方向上的形状数据。
13.本发明的一个目的是提供一种用于获得待测量透光对象的厚度方向上的形状数据的形状测量方法。
14.本发明实施例中的一种使用形状测量设备的形状测量方法，包括：光源；周期性图案施加部件，用于将周期性图案施加于来自所述光源的光束，所述周期性图案在与光轴垂直的方向上具有周期性并且在与所述光轴垂直的方向上能够移位；物镜，其用施加有所述周期性图案的光束照射待测量对象；焦点驱动单元，其在与所述光轴平行的方向上使所述物镜的焦点相对于所述待测量对象移位；光检测器，其检测所述待测量对象所反射的光束；面形状计算单元，其基于所述光检测器所检测到的光束的强度的振幅来计算所述待测量对象上的面形状数据；以及形状分析单元，其根据所述面形状计算单元所计算出的面形状数
据来分析所述待测量对象的形状，所述形状测量方法包括：顶面测量步骤，通过所述形状测量设备获取所述待测量对象的顶面上的面形状数据；底面测量步骤，通过所述形状测量设备，通过经由所述待测量对象的顶面进行透射并将所述物镜的焦点与所述待测量对象的底面对准，获取所述待测量对象的底面上的面形状数据；以及形状分析步骤，基于在所述顶面测量步骤中所获取的顶面形状数据和在所述底面测量步骤中所获取的底面形状数据，计算顶面形状和底面形状之间的差或所述待测量对象上的任意位置处在厚度方向上的形状数据，其中，所述待测量对象是透光对象，所述顶面是靠近所述物镜的面，以及所述底面是远离所述物镜的面。
15.在本发明的示例性实施例中，优选的是，形状测量方法还包括第一折射校正步骤，在所述面形状计算单元在所述底面测量步骤中计算所述底面形状时，基于所述待测量对象的折射率进行校正。
16.在本发明的示例性实施例中，优选的是，形状测量方法还包括第二折射校正步骤，在所述面形状计算单元在所述底面测量步骤中计算所述底面形状时，对由于所述待测量对象的顶面形状而导致的光折射量进行校正。
17.在本发明的示例性实施例中，优选的是，在所述底面测量步骤之前进行所述顶面测量步骤，以及所述方法还包括第二折射校正步骤，在所述面形状计算单元计算所述底面形状时，基于在所述顶面测量步骤中所获得的顶面形状，对由于所述待测量对象的顶面形状而导致的光折射量进行校正。
18.在本发明的示例性实施例中，优选的是，所述待测量对象是透镜。
19.在本发明的示例性实施例中，优选的是，所述形状分析单元对所述顶面形状数据和所述底面形状数据中的至少一个进行拟合以计算所述透镜的顶点。
20.在本发明的示例性实施例中，优选的是，所述形状分析单元计算所述透镜的顶面的顶点和底面的顶点之间的距离作为透镜厚度。
附图说明
21.图1是示意性地示出根据第一示例性实施例的形状测量系统的配置的图；
22.图2是示出台周围的配置的图；
23.图3是例示通过空间图案滤波器的图像的图；
24.图4是例示通过所述空间图案滤波器的图像的图；
25.图5是例示通过空间图案滤波器的图像中的光强度的振幅的图；
26.图6是控制单元300的功能框图；
27.图7是用于说明形状测量方法中的运动的流程图；
28.图8是示出正在搜索顶面的图；
29.图9是示出通过面形状计算所获得的顶面形状的示例的图；
30.图10是示出通过面形状分析所获得的顶面形状的示例的图；
31.图11是示出正在搜索底面的图；
32.图12是示出通过面形状计算所获得的底面形状的示例的图；
33.图13是示出通过从透镜顶面分布减去透镜底面分布并计算各个位置处的透镜厚度而获得的结果的示例的图；
34.图14是示出正在搜索底面的图；以及
35.图15是示出透镜w在光轴倾斜的情况下放置在台上的图。
36.附图标记
37.100 形状测量系统
38.200 形状测量设备
39.205 光源
40.210 台
41.211 台孔
42.212 安装台面
43.220 空间图案滤波器
44.230 周期性图案驱动单元
45.240 分束器
46.250 物镜
47.260 焦点驱动单元
48.270 光检测器
49.300 控制单元
50.310 运动控制器
51.320 驱动控制单元
52.330 焦点驱动控制单元
53.340 周期性图案驱动控制单元
54.350 光量调整单元
55.360 主计算机
56.370 存储单元
57.380 运算处理单元
58.381 面形状计算单元
59.382 形状分析单元
具体实施方式
60.参考附图中的元件所附有的附图标记来说明和描述本发明的示例性实施例。
61.(第一示例性实施例)
62.图1是示意性地示出根据第一示例性实施例的形状测量系统100的配置的图。
63.形状测量系统100包括作为光学观察系统的形状测量设备200和用于控制形状测量设备200的控制单元300。
64.在图1中，待测量对象是透镜w。
65.首先，描述作为待测量对象的透镜w和其上放置有透镜w的台210。
66.图2示出作为待测量对象的透镜w的周边。
67.透镜w是便携式小型终端装置(诸如移动电话、智能电话或膝上型计算机等)的摄像头用的透镜，并且具有约10mm或更小的直径和约500微米的厚度。透镜w在透镜部的周围具有凸缘部，并且该凸缘部放置在台210上。台210配置有孔(称为台孔211)。台孔211具有大
于透镜w的透镜部并且小于凸缘部的直径。
68.在台210的顶面中，在台孔211周围设置安装台面212以放置凸缘部。
69.安装台面212被加工成尽可能与形状测量设备200的光轴垂直的面。可选地，安装台面212可以是略微朝向台孔211倾斜的(锥形的)斜面(圆锥)。然后，在凸缘部的底面放置在台210的安装台面212上的情况下，透镜w的光轴将尽可能与形状测量设备200的光轴平行。
70.注意，期望透镜w的光轴与形状测量装置200的光轴基本对准，但是如果它们稍微彼此偏离或倾斜，仍可以进行测量。
71.具体地，只要透镜w的(顶面和底面中的各个的)顶点在形状测量设备200的物镜250的视野内，就允许透镜w的光轴和形状测量设备200的光轴之间的偏差。
72.(例如，尽管取决于透镜倍率，显微镜的视野大小约为0.3mm
×
0.3mm，并且只需要以使得顶点在该范围内的方式放置透镜w。)
73.返回图1，描述形状测量设备200的基本配置及其测量原理。
74.注意，通过申请人所持有的jp 5592763 b等，形状测量设备200的基本配置及其测量原理是已知的，但是下面进行简要描述。
75.沿着光路依次描述形状测量设备200的配置。
76.从光源205发射的光束首先通过空间图案滤波器220(周期性图案施加部件)，并且此时将周期性图案施加于该光束。
77.空间图案滤波器220是在一个方向上具有周期性的周期性图案、并且例如是具有类似条纹的图案(栅格)的滤波器。
78.空间图案滤波器220仅需要是具有周期性的任意周期性图案，并且可以具有例如矩形波图案或正弦波图案。在光束通过空间图案滤波器220时，将条纹图案施加于该光束。
79.另外，用于在与光轴垂直的方向上移位空间图案滤波器220的周期性图案驱动单元230附接至空间图案滤波器220。因此，空间图案滤波器220可在与光轴垂直的方向上移动。
80.当空间图案滤波器220在与光轴垂直的方向上移动时，光束的条纹图案也被移位。即，光束的条纹图案的条纹方向与光轴垂直并且与移动方向垂直。
81.图3例示了要施加于光束的周期性图案。
82.由于空间图案滤波器220的移动，图3所示的三个图案各自偏移120
°
(2/3π)。
83.施加了周期性图案的光束通过透镜，被分束器240反射，然后朝向物镜250行进。
84.物镜250利用该光束来照射待测量对象(这里为透镜w)。
85.用于沿着光轴移位物镜250的焦点驱动单元260附接至物镜250。
86.同时地并行进行周期性图案驱动单元230移动空间图案滤波器220的步骤和焦点驱动单元260沿着光轴移动物镜250的步骤。
87.这里，假设在通过移动空间图案滤波器220使周期性图案的相位正在偏移时，通过使物镜250移位来移动焦点(焦平面)。
88.然后，在假设物镜250的高度正在改变期间对从待测量面反射的光束进行成像的情况下，在图4中示出图像。
89.图4示出在焦点(焦平面)与待测量面对准的情况下，即在待测量面处于聚焦的情
况下，图像(条纹)被清晰地看到。
90.相反，图4示出在焦点(焦平面)与待测量面未对准的情况下，即在待测量面未处于聚焦的情况下，图像被不清晰地看到。
91.这里，图5示出通过相对于物镜250的高度绘制所获取的图像中的一个点(可以被解释为任意像素)处的光强度所获得的内容。
92.在待测量面处于紧挨在聚焦之前和紧挨在聚焦之后，图像(条纹)被清晰地看到。然后，由于图像的明暗条纹逐渐横向偏移，因此在相对于物镜250的高度绘制一个点(可以被解释为任意像素)处的光强度时，偏差在待测量面处于聚焦的高度位置附近变得大。
93.换句话说，光强度的偏差最大处的点是待测量面处于聚焦处的高度位置。
94.待测量对象(透镜w)所反射的反射光束返回通过物镜250，通过分束器240透射，并进入光检测器270。
95.光检测器270是用于将接收到的光束的强度转换成电信号的元件，并且例如是(二维)ccd图像传感器或cmos图像传感器。来自光检测器270的电信号被发送到控制单元300。
96.图6是控制单元300的功能框图。
97.描述了控制单元300的配置和操作。
98.控制单元300包括运动控制器310和主计算机360。
99.主计算机360按需连接到输出装置(显示器和打印机)和输入装置(键盘和鼠标)。
100.运动控制器310包括驱动控制单元320和光量调整单元350。
101.驱动控制单元320包括焦点驱动控制单元330和周期性图案驱动控制单元340。
102.焦点驱动控制单元330向焦点驱动单元260提供驱动命令，并且焦点驱动单元260根据该驱动命令来沿着光轴移位物镜250。
103.周期性图案驱动控制单元340向周期性图案驱动单元230提供驱动命令，并且周期性图案驱动单元230根据该驱动命令在与光轴垂直的方向上移位空间图案滤波器220。
104.优选的是，物镜250的移动速度和周期性图案的相位变化速度具有预定的固定关系(关系表达式)，并且物镜250的移动速度和周期性图案的相位变化速度被以一定关系同步控制。
105.尽管不是必须的，但是最简单和优选的驱动方法是物镜250的移动速度和空间图案滤波器220的移动速度这两者都是恒定的。如果将物镜250设置为相对缓慢地移动并且将空间图案滤波器220设置为相对快速地移动，则测量中的高度分辨率变高。
106.不用说，用于对图像进行采样的间隔越短越好。
107.光量调整单元350调整光源205的光量。
108.主计算机360包括中央处理单元(cpu)和存储器(rom或ram)，根据预定的测量控制程序经由运动控制器310来控制形状测量设备200的操作，并且对来自形状测量设备200的检测数据进行运算处理，以计算待测量对象(透镜w)的形状。
109.主计算机360还包括存储单元370和运算处理单元380。
110.存储单元370存储与待测量对象(透镜w)的形状相关的基本数据(设计数据、曲率和折射率等)、通过测量所获得的测量数据以及用于控制整个测量操作的测量控制程序。cpu执行测量控制程序，由此进行测量操作。
111.运算处理单元380包括面形状计算单元381和形状分析单元382。
112.下面参照流程图来描述面形状计算单元381和形状分析单元382的处理操作。
113.图7是用于说明根据本示例性实施例的形状测量方法中的操作的流程图。
114.首先，在st110中，搜索透镜w的顶面。
115.在该步骤中，如上所述，在周期性图案的相位正在偏移期间，物镜250的焦点(焦平面)在透镜顶面附近与(物镜250的)光轴平行地偏移，并且此时，反射光束被光检测器270接收(图8)。然后，在st120中，计算透镜顶面的面形状。该步骤由面形状计算单元381进行。
116.相对于物镜250的高度来绘制光检测器270接收到的光束的光强度，并且计算光强度的偏差最大处的高度位置作为待测量面处于聚焦处的高度位置。由于物镜250的焦距是已知的，因此根据物镜250的位置来确定透镜面的高度(位置)。以这种方式计算透镜顶面的结果作为图9中的示例示出。
117.通过针对二维光检测器270的各个像素计算光强度偏差最大处的高度位置，可以以光检测器270的分辨率水平的精度获得透镜表面的高度图(高度分布、等高线分布、等高线图、或等值线图)。
118.然而，物镜250的水平分辨率(分辨力)具有限制，并且用于针对光检测器270的各个像素进行诸如傅立叶变换或傅立叶逆变换等的运算处理的运算能力也具有限制。因此，优选的是，通过根据所需精度将像素组合成四个像素、九个像素或25个像素等来进行滤波以计算各个子区域(小区域)的透镜表面的高度。
119.接下来，在st130中，对计算出的透镜顶面的面形状执行面形状分析。
120.该步骤由形状分析单元382进行。
121.在本示例中，待测量对象是透镜，并且已知所获取到的透镜顶面的面形状作为球面透镜的一部分(或非球面透镜的一部分)。因此，通过进行球面拟合(或使用所提供的设计值进行非球面拟合)，计算透镜顶面的顶点位置和以顶点为中心的同心圆的等高线。
122.图10是通过面形状分析所获得的结果的示例。视野的中心以星号指示，并且透镜顶面的顶点位置以点c指示。
123.接下来，测量透镜底面。
124.在st140中，搜索透镜w的底面。
125.图11例示了在物镜250的焦点正在光轴方向上移动期间，搜索透镜w的底面。
126.在测量透镜顶面之后，在透镜w保持放置在台210上期间，降低物镜250以搜索透镜w的底面。即，从物镜250发射的光束通过透镜顶面并且聚焦在透镜底面(或附近)上。
127.以这种方式，测量光束通过透镜顶面并测量透镜底面，并且在测量透镜底面时，透镜不需要翻转(反转)使得透镜底面朝上(以更靠近物镜250)。
128.另外，为了测量透镜底面，不需要在透镜底面侧准备第二形状测量设备200。
129.注意，测量光束的一部分可能被透镜顶面反射并返回物镜250，但是可以认为，与底面处于聚焦时的反射光束的强度相比，杂散光对测量几乎没有影响。
130.(根据本示例性实施例的测量原理，来自顶面的杂散光的光强度的振幅很少波动，并且可以认为是恒定的，但是底面处于聚焦时的反射光束的强度的振幅足够大。)
131.基于来自透镜底面的反射光束，计算透镜底面的面形状(st150)。
132.该步骤由面形状计算单元381进行。
133.根据由光检测器270接收到的光束的光强度的偏差(振幅)的大小来计算透镜底面
形状的原理与上述描述相同，并且省略重复描述。
134.图12示出计算透镜底面的面形状(高度图、高度分布、轮廓线分布、轮廓线图、或轮廓图)的结果的示例。
135.在上述步骤中，已经计算了透镜顶面的分布和透镜底面的分布，并且通过获得顶面和底面之间的差来计算待测量对象在各个位置处的厚度。
136.该形状数据分析处理由形状分析单元382进行。
137.例如，图13示出通过从透镜顶面分布减去透镜底面分布来计算各个位置处的透镜厚度的结果的示例。
138.为了测量顶面和底面，使用相同的物镜250和光检测器270，并且在不移动待测量对象的情况下仅物镜250的高度沿着光轴移动。因此，图9中的(st120中的)顶面分布和图12中的(st150中的)底面分布之间的数据位置(水平方向上的位置)是完全相同的。即，在不需要进行定位等的情况下，通过简单地获得顶面和底面之间的差可以非常准确地计算出对象的厚度。这是用于评价例如玻璃板的厚度、或顶面和底面之间的平行度等的最佳方法。
139.这里，为了获得更准确的结果，期望在st160中校正底面形状数据。
140.当测量底面时，测量光束通过顶面并在待测量对象内部行进，并且反射光束的光路中包括顶面的形状(曲率)和待测量对象本身的折射率的影响。
141.首先，由于待测量对象(透镜w)本身的折射率的影响，物镜250的焦距f0被缩短，并且需要校正所缩短的长度(第一折射校正步骤)。
142.(如果待测量对象的折射率n2小于空气的折射率n1(＝1.0)，则校正的焦距f’比物镜250的焦距f0长。)
143.从待测量对象(透镜w)的材料获得用于进行校正的待测量对象(透镜w)的折射率n2。
144.另外，物镜250的焦距f0的变化率(变化量)取决于待测量对象(透镜w)的测量光束通过的厚度。
145.关于用于进行校正的待测量对象(透镜w)的厚度，可以认为使用了作为其设计值而提供的待测量对象(透镜w)的厚度。
146.考虑到物镜250的焦距f0、待测量对象(透镜w)的折射率n2和作为设计值的待测量对象(透镜w)的厚度，在底面处于聚焦的情况下，可以根据物镜250到焦点的距离来计算空气和待测量对象(透镜w)之间的光路比率。
147.此外，还可以认为，在底面处于聚焦的情况下，基于如下假设进行校正：从物镜250到焦点的光路在待测量对象(透镜w)中。
148.尽管被夸大，但是图14示出在底面处于聚焦的情况下，物镜250被移动到离待测量对象的顶面更近，其程度能够认为从物镜250到焦点的光路在待测量对象(透镜w)中。(可选地，可以认为使用具有如下焦距的物镜250：在该焦距处测量底面时物镜250接近于待测量对象的顶面。)
149.接下来，如果待测量对象是透镜，则光路也被透镜顶面的曲率折射。
150.透镜的顶面的曲率可以设置为透镜的设计值，或者如果已经计算了透镜顶面的形状，则可以使用根据通过测量已经获得的透镜顶面的形状而获得的形状数据(或曲率等)来校正折射量(第二折射校正步骤)。
151.图14相关的校正表达式的示例如下。
[0152][0153]
在该校正表达式中，roc是工件w的顶面形状的半径，并且是如上所述通过拟合所获得的半径，或者是基于待测量对象(透镜w)的设计值(设计等式)的半径。
[0154]
在st170中，如果待测量对象是透镜w，则计算顶面的顶点和底面的顶点之间的距离作为透镜厚度。
[0155]
在拟合中已经计算了顶面的顶点(图10中的st130)。
[0156]
可以通过拟合来计算底面的顶点。
[0157]
然后，计算顶面的顶点和底面的顶点之间的距离作为透镜厚度。
[0158]
可选地，可以认为透镜在视野的中心具有底面的顶点。
[0159]
尽管被夸大，但是图15示出作为待测量对象的透镜w在透镜w的光轴由于某种原因正倾斜的情况下被放置在台210上。在这种情况下，由于透镜w的倾斜，因此透镜的顶面的顶点偏离视野的中心，但是，可以认为，只要该透镜放置在台210(台孔211)的中心上，不管透镜光轴的倾斜如何，底面的顶点都基本上在视野的中心。
[0160]
如上所述，利用根据本示例性实施例的形状测量系统100，可以获取待检测透光对象(例如，透镜)的顶面和底面的面形状数据，以根据顶面形状数据和底面形状数据获得待测量对象的厚度方向上的形状数据。
[0161]
注意，本发明不限于上述示例性实施例，并且可以在不脱离范围的情况下适当地修改。
[0162]
作为用于将周期性图案施加于光束的配置，除了光束通过可移动地配置的空间图案滤波器220的配置之外，还可以采用各种配置。
[0163]
例如，通过在光路中结合铁电液晶显示器(flcos)或数字微镜装置(dmd)，在光束被flcos或dmd反射的情况下，可以将周期性图案施加于光束。
[0164]
在上述示例性实施例的描述中，物镜250和周期性图案持续不停止地移动。然而，通过采用常规方法，可以暂时停止物镜250，并且可以在正在停止物镜250的期间使周期性图案偏移(90
°
或120
°
)，以获得在物镜250的各个高度位置处具有不同相位的多个图像。
[0165]
另外，周期性图案被例示为在一个方向上周期性改变的图案(例如，条纹)，但是可以使用在两个方向周期性改变的周期性图案(例如，十字栅格)或更多个方向上周期性改变的周期性图案(例如，jp 6502113公开了这样的图案)。
[0166]
在上述示例性实施例中，首先，在待测量对象(例如，透镜w)的顶面附近搜索焦点，并且从结果中获得顶面的高度数据。
[0167]
作为另一焦点搜索，在待测量对象(例如，透镜w)的底面附近搜索焦点，并且从结果中获得底面的高度数据。
[0168]
原则上，可以在一次行程(one stroke)中从待测量对象的底面到顶面连续地进行搜索。
[0169]
在这种情况下，仅需要在高度方向上移动物镜250一次，并且这可以预期提高测量效率。
[0170]
然而，在这种情况下，光强度的振幅的峰值(针对上表面和下表面)出现两次。
[0171]
通过运算处理(诸如傅立叶变换或傅立叶逆变换等)来计算两个峰值位置并非不可能，但这需要麻烦的处理，并且会略微劣化精度。
[0172]
因此，当前优选的是，将搜索顶面的步骤与搜索底面的步骤分离。
[0173]
优选的是，作为通过形状分析所获得的待测量对象上的形状数据，在待测量对象是透镜的情况下，除了上述示例之外还准备透镜偏心率。
[0174]
连接顶面的曲面的顶点和底面的曲面的顶点的线是光轴。
[0175]
另一方面，假设连接透镜的顶面侧的轮廓圆的中心(顶圆的中心)和透镜的底面侧的轮廓圆的中心(底圆的中心)的线是基于轮廓的中心线。根据光轴与中心线之间的偏差来计算待测量对象的形状数据作为透镜偏心率。(透镜偏心率包括偏移和倾斜。)
[0176]
如果仅利用上述示例性实施例难以基于透镜的轮廓计算中心线，则可以采用以下方法。
[0177]
通过使用另一形状测量设备(例如，图像测量设备)通过测量透镜的形状来获得形状数据，可以使用所获得的形状数据。可选地，在上述示例性实施例中，台和物镜可以被配置为在横向方向(x轴方向和y轴方向)上以高精度相对移动来测量透镜的直径。
[0178]
相关申请的交叉引用
[0179]
本技术基于2020年7月28日提交的日本专利申请2020-127404(das代码397f)，并要求其优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。