测量物体二维或三维形状的光学仪器.pdf

本发明提供一种二维和三维光学测量仪器，所述仪器能交替地或有选择性地测量物体的二维尺寸和三维特征，并且不使用基准面的反射光而仅使用投射格栅来测量物体的三维特征，从而最大程度地减小测量误差。所述仪器包括：CCD照相机，所述CCD照相机装在探针外壳的上部，用于通过成像透镜产生物体的二维图像和三维图像；第一照明系统，所述第一照明系统装在CCD照相机的下方，并且当测量物体的二维尺寸时照亮被测物体的测量表面；第二照明系统，所述第二照明系统装在第一照明系统的下方并连接到探针外壳(10)底部的图像拾取管上，当测量物体二维尺寸时用于照亮被测物体的角；第三照明系统，所述第三照明系统装在探针外壳的某一部分中，当测量物体的三维特征时，用于通过投射格栅、投射透镜、总反射镜和图像拾取管照亮物体的测量表面；以及压电致动器，所述压电致动器用于精细地移动投射格栅。

1.  一种二维和三维光学测量仪器，所述仪器能使用光学系统选择性地和交替地测量物体的尺寸和特征，所述仪器包括：
CCD照相机，所述CCD照相机装在探针外壳的上部，用于通过成像透镜产生物体的二维图像和三维图像；
第一照明系统，所述第一照明系统装在CCD照相机的下方，并且当测量物体的二维尺寸时照射被测物体的测量表面；
第二照明系统，所述第二照明系统装在第一照明系统的下方并连接到探针外壳底部的图像拾取管上，当测量物体二维尺寸时用于照亮被测物体的角；
第三照明系统，所述第三照明系统装在探针外壳的某一部分中，当测量物体的三维特征时，用于通过投射格栅、投射透镜、总反射镜和图像拾取管照亮物体的测量表面；以及
压电致动器，所述压电致动器用于精细地移动投射格栅。

2.  如权利要求1所述的仪器，其中第一照明系统包括：
环形的主体，用于通过CCD照相机获取物体的图像信息；以及
多个发光二极管，所述发光二极管以一个倾斜角度装在相应的槽中，所述槽沿外边缘部分形成在主体的下部。

3.  如权利要求1所述的仪器，其中第二照明系统包括：
环形的主体，用于通过CCD照相机获取的物体的图像信息；
在主体的下部沿外边缘部分形成的多个槽；以及
多个发光二极管，所述发光二极管置于装在相应槽中的相应倾斜板上。

4.  如权利要求1所述的仪器，其中物体的三维特征信息是通过展开Moire相位获得的，所述Moire相位是基准相位与物体相位之间的相位差，基准相位是通过将桶算法应用到基准格栅图案上而得到的，所述基准格栅图案被投射在上面接收被测物体的运送台的基准平面上，物体相位是通过将桶算法应用到变形格栅图案上而获得，所述变形格栅图案被投射到物体的测量表面上。

5.  如权利要求1所述的仪器，其中物体的二维尺寸信息是通过选择性地使用当第一照明系统点亮时所获取的第一照明图像和当第二照明系统点亮时所获取的第二照明图像而获得，或者是通过将第一照明图像与第二照明图像进行对比而获得。

测量物体二维或三维形状的光学仪器
技术领域
本发明涉及测量物体二维尺寸和三维特征的光学测量仪器，更具体地，涉及二维和三维光学测量仪器，所述仪器能选择性地和交替地测量被测物体的二维尺寸和三维特征，包括表面粗糙度。
背景技术
一般地，随着电子和机械的发展，电子和机械零件的小型化和精细化加速。因此，为了检查小型化精细电子和机械零件的工艺和制造状态，必须以高精度来测量尺寸、特征以及表面粗糙度。
使用公知的接触式测量仪器不能测量半导体晶片以及半导体晶片上形成的精细图案的二维尺寸、三维特征和表面粗糙度。这种特别地具有探针尖端的接触式测量仪器的缺点在于探针尖端在测量物体的表面粗糙度时可能划伤被测物体的表面。并且，接触式测量仪器的缺点还在于，它难以测量物体表面的面积。
因此，为了测量小型电子或机械零件的尺寸、特征和表面粗糙度，通过非接触方法测量物体的二维尺寸和三维特征的二维和三维测量仪器已经出现。公知的二维测量仪器，通过使用从光源发出的光束，仅仅测量二维尺寸。公知的三维测量仪器仅仅测量三维特征和表面粗糙度，其方式是校准从光源发出的光束，将校准的光束投射到物体上，并对比由校准光束获取的基准图案与由测量光束获取的变形图案，其中测量光束是从物体上反射的光束。
但是，这种传统的二维测量仪器和传统的三维测量仪器是彼此独立设计和分别实现的。因此，为了测量物体的二维尺寸和三维特征，需要同时使用传统的二维和三维测量仪器。由于同时使用了两种测量仪器，所以二维和三维测量工作是繁琐的，并且浪费了很多时间和成本。
为了解决传统测量仪器的这些问题，本发明申请者在韩国专利284080中提出了一种选择性或交替地测量物体二维尺寸和三维特征，包括表面粗糙度的光学测量仪器，此专利在此引用作为参考。
图1、图2和图3表示根据先前技术的光学测量仪器，此仪器能选择性和交替地测量物体的二维尺寸和三维特征，包括表面粗糙度。
图1是根据先前技术的光学测量仪器的透视示意图。参看图1，光学测量仪器包括输入装置，如键盘114和鼠标116；控制器112，用于控制和管理整个光学测量仪器在键盘114和鼠标116所设定的特定模式下工作；以及输出装置，如监视器118和打印机120，用于输出测量的结果，使操作者获知结果。
根据先前技术的光学测量仪器还包括与控制器112连接的测量单元130，用于测量被测量物体P的二维尺寸和三维特征。测量单元130包括控制台130a。测量单元130还包括振动隔离系统136、花岗岩表面板138、X-Y台140以及倾转台142，这些按次序堆积在控制台130a上。测量单元130还包括固定在花岗岩表面板138的边缘部分的支撑44，其中支撑44中具有探针146，用于测量物体P的特征，并被控制线性地上下运动。
探针146具有第一光学系统150，用于测量物体P的二维尺寸，以及第二光学系统152b，用于测量物体P的三维特征。图2表示第一光学系统150，图3表示第二光学系统152a。
参看图2，为了使用第一光学系统150测量物体P的二维尺寸，光学测量仪器的转台148(示于图1)向前或向后转动，使物镜172朝向控制台130a上放置的物体P。当转台148转动并且测量仪器的操作启动后，白光束从光源160发出，并通过第一透镜162、第二透镜164、第三透镜166和总反射透镜168入射到光束分光镜170上。
入射到光束分光镜170上的白光束，通过物镜172照射到被测物体P上，接着从物体P反射出去。反射的光通过物镜172返回，由装在反射光光路上的成像透镜174聚焦；接着进入其中装有电荷耦合器件(CCD)的CCD照相机，从而获得二维图像并且测量二维尺寸。
另一方面，参看图3，为了使用第二光学系统152a测量物体P的三维特征，转动转台148(示于图1)，使物镜172、基准面178和光束分光镜180朝向放置在控制台130a上的物体P。在转台148转动并且光学测量装置的操作启动后，白光束从光源160发出，并且通过第一透镜162、第二透镜164、第三透镜166和总反射透镜168入射到光束分光镜170上。
入射到光束分光镜170的白光束通过物镜172、基准面178和光束分光镜180照射到被测物体P上。此时，基准面178相对于由物镜172会聚的会聚光束形成基准光束并且光束分光镜形成测量物体P特征/表面粗糙度的测量光束。
基准光束和测量光束分别入射到基准面178和物体的测量表面，接着分别从基准面178和测量表面反射。此时，在反射的基准光束与反射的测量光束之间形成干涉，从而形成条纹。CCD照相机176通过成像透镜174摄取条纹，并产生三维图像，从而测量三维特征和表面粗糙度。
图1到3所示的传统光学测量仪器的优点在于，第一和第二光学系统150、152b分享共用的元件，从而简化仪器结构。但是，图1到3所示的传统光学测量仪器的缺点是，每当测量参数，如二维尺寸和三维特征发生变化时，必须通过向前或向后转动转台148来选择第一光学系统150和第二光学系统152b，从而使得仪器的使用不方便。
并且，传统光学测量仪器的缺点还在于，保留在基准面的图像可能引起测量误差，从而难以保证测量结果的可靠性，因为由传统光学测量仪器CCD获取的三维图像是由基准面和测量表面反射的光束经干涉而形成的条纹。
发明内容
因此，在考虑到上述问题时提出本发明，本发明的一个目地是提供二维和三维光学测量仪器，它能选择性地和交替地测量二维尺寸和三维特征，包括表面粗糙度，但不使用基准面，而仅使用投射格栅。
根据本发明，上述和其它目的的实现是通过提供一种二维和三维光学测量仪器，其中包括CCD照相机，所述CCD照相机装在探针外壳的上部，用于通过成像透镜产生物体的二维和三维图像；第一照明系统，所述第一照明系统装在CCD照相机的下方，并且当测量物体的二维尺寸时照亮被测物体的测量表面；第二照明系统，所述第二照明系统装在第一照明系统的下方并连接到探针外壳10底部的图像拾取管上，当测量物体二维尺寸时用于照亮被测物体的角；第三照明系统，所述第三照明系统装在探针外壳的一部分中，当测量物体的三维特征时，用于通过投射格栅、投射透镜、总反射镜和图像拾取管照亮物体的测量表面；以及压电致动器，用于精细地移动投射格栅。
优选地，第一照明系统可以包括环形的主体，用于通过CCD照相机获取物体的图像信息；以及多个发光二极管，所述发光二极管以一个倾斜角度装在相应的槽中，所述槽沿外边缘部分形成在主体的下部。
优选地，第二照明系统可以包括环形的主体，用于通过CCD照相机获取物体的图像信息；在主体的下部沿外边缘部分形成的多个槽；以及多个发光二极管，所述发光二极管置于装在相应槽中的相应倾斜板上。
优选地，根据本发明，物体的三维特征信息可以通过展开Moire相位来获得，所述Moire相位是基准相位与物体相位之间的相位差，基准相位是通过将桶算法(bucket algorithm)应用到基准格栅图案上得到的，所述基准格栅图案被投射在上面接收被测物体的运送台的基准平面上，物体相位是通过将桶算法(bucket algorithm)应用到变形格栅图案上而获得的，所述变形格栅图案被投射到物体的测量表面上。
优选地，根据本发明，物体二维尺寸信息的获得可以通过选择性地使用当第一照明系统点亮时获取的第一照明图像以及当第二照明系统点亮时获取的第二照明图像，或者将第一照明图像与第二照明图像进行对比。
附图说明
参考附图，并从下面的详细描述中，将能更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点。在附图中：
图1是传统光学测量仪器的透视示意结构图；
图2是图1所示传统光学测量仪器中包括的第一光学系统的示意图；
图3是图1所示传统光学测量仪器中包括的第二光学系统的示意图；
图4示意地表示根据本发明的二维和三维光学测量仪器的内部；
图5是图4中第一照明系统的放大图；
图6是图4中第二照明系统的放大图；
图7是用于解释根据本发明的仪器的工作的说明图；
图7A是用于解释使用根据本发明的仪器测量三维特征的方法的图；以及
图7B和7C是用于解释使用根据本发明的仪器测量二维尺寸的方法的图。
具体实施方式
下面将结合附图详细地描述本发明的一个优选实施例。
根据本发明的二维和三维光学测量仪器的总体结构，除了其中具有第一和第二光学系统的探针外，与图1所示的传统光学测量仪器的结构相同。因此，为了避免重复解释，下面仅对与本发明优选实施例相关的探针进行说明。
图4是根据本发明的二维和三维光学测量仪器中包括的探针的剖视图。参看图4，探针包括探针外壳10和装在探针外壳10内的支架12上的CCD照相机11。探针还包括成像透镜13，该成像透镜13通过透镜支架14固定在一部分探针外壳10上并且装在CCD照相机11的下方。探针还包括第一照明系统15，该第一照明系统15通过第一照明支架16固定在一部分探针外壳10上并且装在成像透镜13的下方。第一照明系统15用于获取物体的二维图像。
第一照明系统15包括环形的主体15a，用于通过CCD照相机11获取物体的图像信息；沿主体15a外边缘部分在下部形成的多个槽15b；以及装在相应的槽15b中并且以一个倾斜角度朝物体倾斜的多个发光二极管(LED)15c，其中物体放置在成像透镜13的中心的正下方。
并且，探针还包括图像拾取管17，所述图像拾取管17在第一照明系统15的下方，处于探针外壳10的下部；以及第二照明系统18，所述第二照明系统18装在图像拾取管17的下方并且用于测量物体的三维尺寸。
参看图6，第二照明系统18包括形成环形的主体18a，用于通过CCD照相机11获取物体的图像信息；沿主体16a的外边缘部分在主体16a的下部形成的多个槽18b；具有一个倾斜角度的多个倾斜板18c，多个倾斜板18c装在相应的槽18b中，用于接收各个LED18d；以及装在各个倾斜板上的多个LED18d。
探针还包括总反射镜19，总反射镜19单独地装在探针外壳10的内部的一部分上，离开第一照明系统15，并朝向图像拾取管17；以及投射透镜20，投射透镜20通过透镜支架21固定在探针外壳10的内壁上且位于总反射镜19的上方。投射透镜20用于测量物体的三维特征。
并且，可以通过压电致动器(PZT)(未图示)移动的投射格栅22装在投射透镜20的上方，用于测量物体三维特征的第三照明系统23装在投射格栅22的上方，并通过第三照明支架24固定在探针外壳10上。
下面参看图7、图7A、图7B和图7C描述使用根据本发明优选实施例的仪器测量二维尺寸和三维特征的方法。
首先，使用诸如键盘和鼠标的输入装置设定三维特征的测量参数。
接着，参看图7A，为了得到相对基准面的基准相位，从第三照明系统23发出的光束，通过投射格栅22、投射透镜20和总反射镜19入射到运送台的基准面上。
从第三照明系统23发出的光束，将投射格栅22的格栅图案投射到基准面上，同时由压电致动器25精细地移动投射格栅22，从而基准格栅图案形成在基准面上，并且通过成像透镜13被CCD照相机11摄取。因此，得到基准格栅图像。并且，通过将桶算法(bucket algorithm)应用于基准格栅图像，而获取相对基准面的基准相位。
接着，将被测物体P置于运送台上，并且从第三照明系统19发出的光束通过投射格栅22、投射透镜20和总反射镜19入射到物体的测量表面上。
此时，投射格栅22通过压电致动器25a精细地移动，而投射格栅22的格栅图案通过第三照明系统19发出的光束投射到物体P的被测表面上。投射格栅22的原始格栅图案沿物体的弯曲表面发生变形。此变形的格栅图案通过成像透镜13被CCD照相机11摄取，从而得到变形的格栅图像。
并且，通过将桶算法应用于变形的格栅图像，得到物体的相位。接着，通过计算基准相位与物体相位之间的相位差得到Moire相位，并且通过展开Moire相位得到物体的实际高度信息。即，得到物体的三维特征信息、高度信息。
并且，在通过使用诸如鼠标和键盘的输入装置选择二维尺寸的测量参数时，参看图7B，装在第一照明系统15的主体15c中的LED15c发出白光束，并且白光束入射到物体P上，从物体P的测量表面反射并进入CCD照相机11。
接着，第一照明系统15熄灭，装在第二照明系统18的主体18a中的LED18d被点亮并发出光束。光束从物体P的角上反射并通过成像透镜13进入CCD照相机11。因此，通过选择性地使用由使用第一照明系统而得到的第一照明图像以及由使用第二照明系统而得到的第二照明图像，或者将二者进行对比，就可得到物体P的尺寸、二维形状信息。
从上面的描述可以清楚地看出，本发明提供一种二维和三维光学测量仪器，所述仪器能选择性地或交替地测量二维尺寸和三维特征。并且，本发明提供一种能测量三维特征的二维和三维光学测量仪器，不使用从基准面反射的光束，而仅使用投射格栅，从而仪器不可能产生测量误差，并且可以在低成本下以紧凑的尺寸实现。并且，本发明的仪器便于使用。
虽然为了说明的目的描述了本发明的优选实施例，但本领域一般技术人员应该理解的是，在不偏离权利要求限定的本发明范围和精神的条件下，可以做出不同的修改、增添和替代。