CN101387596B - 光学机构水平调整方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学机构水平调整方法及其装置，其提供包括高度测量装置、运算控制单元、物件承载装置以及待测物件所构成的光学机构水平调整装置，以进行该待测物件在各轴倾斜角的表面形貌测量，并计算或拟合该待测物件在不同姿态下的平面方程式，再透过几何关系，由平面方程式决定旋转机构的旋转中心，最后获得调平后的坐标是与初始坐标之间的转换关系，使得测量无须回复到旋转中心，才能执行调平，因此可在物件平台上任何地方调平。

Description

光学机构水平调整方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种光学机构水平调整方法及其装置，其特别是提供一待测样品水平面测度，用以达到光学机构的调校。

背景技术

在已知白光干涉分析仪测量微小表面形貌的技术中，大都需要透过将待测样品进行水平调校，藉以提升测量的准确度并缩短扫描范围，而有益于测量速度与准确度的增进，使得这类的白光干涉分析仪测量技术可解析表面形貌至奈米等级。

然而，这类已知白光干涉分析仪测量技术，其中的一种待测样品水平调校方式，是使用手动方式调整承载该待测样品的载台的倾斜角度，并辅以观测待测样品表面干涉条纹的粗细以及条纹倾斜角度，来回调整该载台的倾斜角度，直到干涉条纹消失为止，则表示此白光干涉分析仪的光轴垂直该待测样品的表面。其中，若光轴与该待测样品的载台旋转中心不一致时，需同时调整该载台的倾斜角度与高度，而这样的待测样品调平方式应用在高倍率物镜的光学系统时，往往会因为高度调整过大而造成失焦。因此，这样的待测样品调平方式不但调平的准确度会因人而异，且其操作的时间也相当长。再者，这样的待测样品调平方式如果使用在多视野扫描缝合(Multi-FOV)中，往往会因为一小角度的误差，而在远距离处产生很大的偏移，且若又使用于高倍率物镜的光学系统时，此偏移现象会更加明显。

已知白光干涉分析仪测量技术，其中的另一种待测样品水平调校方式，是将待测样品设置在载台的旋转机构的旋转中心，利用调节旋转两个相互垂直的旋转轴，并依据获得的影像计算光流(Optical Flow)的变化决定调整方向与轴向，再来回调整该载台的倾斜角度，直到干涉条纹消失为止。然而，此方法虽可透过自动化的手段达成，但因为其利用调整该载台的倾斜角度、影像撷取、光流计算以及判断，使得整个待测样品的调平程序过于耗时，占据整个待测样品测量总时间的比例太高而导致待测样品表面形貌测量的时间效率不佳。再者，这种白光干涉分析仪测量技术的待测样品水平调校方式，同样受限于只适合单一视野的表面形貌测量，且其需要将待测样品放置于载台的旋转机构的旋转中心，否则无法进行其自动化的测量作业。另外，若待测样品的表面过于粗糙，则会使得待测样品表面的干涉条纹不明显，进而导致无法使用光流的特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决前述的已知技术在决定旋转机构的旋转中心的坐标问题，提供一种缩短旋转中心的决定所耗费时间，并获得更准确的旋转中心坐标的光学机构水平调整方法及其装置。

为了解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：提供一种光学机构水平调整方法，其包括下列步骤：提供运算控制单元、影像撷取装置以及粗略高度传感器；将待测物件放置在物件承载装置的物件平台上；在该待测物件的待测平面上的视野范围中定义至少三个待测点，并透过该运算控制单元、该影像撷取装置以及该粗略高度传感器获得该些待测点的水平坐标参数以及高度坐标参数；该运算控制单元根据该些待测点的坐标参数进行，并演算该待测物件的待测平面的平面方程式，且该平面方程式表示为ax+by+cz＝d，其中该x轴位置参数与y轴位置参数分别定义为水平面上两个正交方向上的位置参数，该z轴位置参数则是垂直方向上的位置参数；该运算控制单元控制该物件承载装置，使得该物件平台所承载的待测物件以x轴旋转第一旋转角θ₁，该第一旋转角θ₁系为 ${\sin }^{-1}(b/\sqrt{b^2+c^2});$ 该运算控制单元控制该物件承载装置，使得该物件平台所承载的待测物件以y轴旋转第二旋转角θ₂，该第二旋转角θ₂系为 ${\sin }^{-1}(a/\sqrt{a^2+b^2+c^2});$ 该运算控制单元获得旋转中心位置；该运算控制单元控制该物件承载装置的高度调整装置，直到旋转中心达到聚焦高度位置参数；以及该运算控制单元获得调平后的坐标是与初始坐标之间的转换关系。

一种光学机构水平调整装置，其包括：高度测量装置，其进一步包括：影像撷取装置，其是具有影像撷取功能的光学装置；光学机构，其包括有干涉物镜、焦距调节装置与光源讯号导引装置；光源装置，其是光源讯号的产生装置；粗略高度传感器，是用以测量单点位置高度的装置；运算控制单元，其具有逻辑演算装置、记忆装置以及控制装置；物件承载装置，其进一步包括：物件平台，其是承载物件的平台；高度调整装置，其是用以调节该物件平台垂直高度；第一水平转轴调整装置；第二水平转轴调整装置；第一水平位移调整装置；第二水平位移调整装置；其中该第一水平转轴调整装置设置于该第二水平转轴调整装置上，该第二水平转轴调整装置设置于该第一水平位移调整装置上，该第一水平位移调整装置设置于该第二水平位移调整装置上；以及该第一水平转轴调整装置与该第二水平转轴调整装置相互正交并用以调节该物件平台在水平面上的倾斜角度，且该高度调整装置、该第一水平转轴调整装置、该第二水平转轴调整装置、该第一水平位移调整装置以及该第二水平位移调整装置可分别回馈所对应的位置信息至该运算控制单元。

本发明提出了一种旋转中心决定方法，其可以经过一次调校就完成旋转中心的三维坐标，而无需反复调整水平坐标与旋转角度，亦无需事先调整旋转中心的高度，有效降低误差，并可同时检验旋转机制的精度好坏，并提升旋转机构的可靠度与精确度。

本发明提供的光学机构水平调整方法及其装置，其可应用于光学系统，如白光干涉分析仪的调校，并可使用于多视野的光学测量。并且使得测量无须回复到旋转中心，才能执行调平，因此可在物件平台上任何地方调平。

附图说明

图1为本发明光学机构水平调整装置的系统元件关联图；

图2为本发明光学机构水平调整方法的步骤流程图。

图中：

1、高度测量装置  11、影像撷取装置  12、光学机构  13、光源装置  14、粗略高度传感器  2、运算控制单元  3、物件承载装置  31、物件平台  32、高度调整装置  33、第一水平转轴调整装置  34、第二水平转轴调整装置  35、第一水平位移调整装置  36、第二水平位移调整装置4、待测物件  41、待测平面  5、光轴  101-107、步骤

具体实施方式

参考图1所示，其是本发明光学机构水平调整装置的系统元件关联图。本发明光学机构水平调整装置包括高度测量装置1、运算控制单元2、物件承载装置3以及待测物件4，并用以透过该待测物件4的表面形貌测量而获得该待测物件4的平面方程式后，进一步获得该待测物件4的表面倾斜角度。

前述的本发明光学机构水平调整装置中，该高度测量装置1包括影像撷取装置11、光学机构12、光源装置13以及粗略高度传感器14，用以测量待测物件表面上任意位置的高度坐标参数。其中该影像撷取装置11是具有影像撷取功能的光学装置，举例来说，这类光学装置可以是一CCD或CMOS光学感测元件及其相关的控制以及讯号传输电气线路；该光学机构12包括有干涉物镜、焦距调节装置与光源讯号导引装置；该光源装置13是光源讯号的产生装置，并可产生白光光源讯号的入射光束，且该光源讯号经由该光学机构12投射至该物件承载装置3上；以及该粗略高度传感器14，是用以测量单点位置高度的装置，且其可以选择使用快速干涉测量方法或激光三角法。

前述的本发明光学机构水平调整装置中，该运算控制单元2具有逻辑演算装置、记忆装置以及控制装置，并可由电子电路或者是计算机系统所达成，其中该逻辑演算装置根据该高度测量装置1回馈的讯息演算获得侦测点的高度坐标参数，以及根据该高度测量装置1中的粗略高度传感器14回馈的讯息演算获得粗略的高度坐标参数。该记忆装置储存该逻辑演算装置与该控制装置操作所需的资料，而该控制装置则用以控制该物件承载装置3的机构动作。

前述的本发明光学机构水平调整装置中，该物件承载装置3具有多轴控制的平台，且包括物件平台31、高度调整装置32、第一水平转轴调整装置33、第二水平转轴调整装置34、第一水平位移调整装置35以及第二水平位移调整装置36。其中该物件平台31系一承载物件的平台；该高度调整装置32是用以调节该物件平台31垂直高度，该第一水平转轴调整装置33与该第二水平转轴调整装置34相互正交并用以调节该物件平台31在水平面上的倾斜角度，该第一水平位移调整装置35与该第二水平位移调整装置36相互正交并用以调节该物件平台31的水平位置。再者，该高度调整装置32、该第一水平转轴调整装置33、该第二水平转轴调整装置34、该第一水平位移调整装置35以及该第二水平位移调整装置36可分别回馈所对应的位置信息至该运算控制单元2，藉以获得该物件平台31的机构姿态以及该待测物件4表面任一点的位置信息。

前述本发明光学机构水平调整装置中，该待测物件4是一光学用校正平板或一待测物件，该待测物件4上表面定义为一待测平面41，该待测平面41是指该高度测量装置1扫瞄该待测物件4的最大视野范围内的表面。另外关于前述该光源讯号经由该光学机构12投射至该物件承载装置3的光源投射方向定义为一光轴5，且该光轴5的方向定义为垂直方向，而垂直该光轴5的平面定义为水平面。

基于前述本发明光学机构水平调整装置的实施例，透过该高度测量装置1的光源装置13提供一光源讯号经过该高度测量装置1的光学机构12，使得入射光束抵达该待测物件4的待测平面41并反射形成携带干涉讯号的反射光束，且该反射光束的干涉讯号再经过该光学机构12后被该粗略高度传感器14所撷取，并获得粗略的高度坐标参数。另外，该高度测量装置1的光源装置13所提供的光源讯号经过该高度测量装置1的光学机构12，使得入射光束抵达该待测物件4的待测平面41并反射形成携带干涉讯号的反射光束，且该反射光束的干涉讯号再经过该光学机构12后，该运算控制单元2可选择该影像撷取装置11撷取该反射光束的干涉讯号，并将该影像撷取装置11撷取的讯号传输至该运算控制单元2进行后续的演算。

因此，可透过该运算控制单元2选择该粗略高度传感器14快速获得该待测物件4的待测平面41的粗略高度坐标参数。另外，也可以透过该运算控制单元2选择该其控制装置与手段以及记忆装置，进行调节该物件平台31上的待测物件4的待测平面41并纪录该影像撷取装置11所撷取的光学信息，使得本发明光学机构水平调整装置可透过该运算控制单元2所具有的逻辑演算装置，计算影像撷取装置11所撷取的光学信息，并获得该待测物件4的待测平面41的平面坐标以及平面方程式，进而获得该物件承载装置3的表面倾斜角度。

前述的高度测量装置1可采用自动对焦、粗略高度测量以及白光干涉测量中的任一已知技术，这类技术如快速干涉测量法或激光三角法，而达到获得该待测物件4的待测平面41任一待测点的高度坐标信息。

进一步参考图2所示，其是本发明光学机构水平调整方法的步骤流程图。本发明光学机构水平调整方法之主要步骤包括：步骤101，其将该待测物件4放置在该物件承载装置3中的物件平台31上，将该物件承载装置3回馈的位置信息归零，并透过该高度调整装置32调整物件平台31高度至聚焦高度Zf，同时定义初始视野中心的坐标参数为(x_c，y_c，z_c)；步骤102，其在该待测物件4的待测平面41的表面上任意定义至少三个待测点，并透过该影像撷取装置11撷取的影像以及该运算控制单元2的判断而获得该些待测点的平面坐标参数为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)以及(x₃，y₃)，且透过该粗略高度传感器14以及该运算控制单元2的判断而获得该些待测点的高度坐标参数；步骤103，其是该运算控制单元2根据该些待测点的平面坐标参数与高度坐标参数演算该待测物件4的待测平面41的平面方程式，且该平面方程式可表示为ax+by+cz＝d，其中该x轴位置参数与y轴位置参数分别定义为水平面上两个正交方向上的位置参数，该z轴位置参数则是垂直方向上的位置参数，而(a，b，c)向量是该待测平面41的表面方向；步骤104，其是该运算控制单元2控制该物件承载装置3的第一水平转轴调整装置33与第二水平转轴调整装置34，使得该物件平台31所承载的待测物件4以x轴旋转一第一旋转角θ₁，该第一旋转角θ₁为 ${\sin }^{-1}(b/\sqrt{b^2+c^2}),$ 且此时该待测物件4的待测平面41平行该y轴；步骤105，其是该运算控制单元2控制该物件承载装置3的第一水平转轴调整装置33与第二水平转轴调整装置34，使得该物件平台31所承载的待测物件4以y轴旋转一第二旋转角θ₂，该第二旋转角θ₂为 ${\sin }^{-1}(a/\sqrt{a^2+b^2+c^2}),$ 且此时该待测物件4的待测平面41垂直该z轴亦即垂直该光轴5；步骤106，其是该运算控制单元2控制该物件承载装置3的高度调整装置32，直到z轴位置参数为z₀，且z₀＝(d-ax₀-by₀)/c，其中(x₀，y₀)是旋转中心的水平坐标参数；步骤107，其将初始视野中心的坐标参数(x_c，y_c，z_c)平移到目前的平面坐标系统，则初始视野中心的平面坐标参数可表示为(x′，y′)，  其中x′＝(x_c-x₀)cosθ_x-((z_c-z₀)cosθ_y+(y_c-y₀)sinθ_y)sinθ_x+x₀，y′＝(y_c-y₀)cosθ_y-(z_c-z₀)sinθ_y+y₀，且将水平坐标移动至(x′，y′)，即可回复到初使的待测物件4观测区域。

基于前述本发明的光学机构水平调整装置及其操作方法，本发明针对单一视野的调平，可藉由调平后的坐标是与初始坐标之间的转换关系，使得测量无须回复到旋转中心，才能执行调平，因此可在物件平台上任何地方调平，并可透过电路或任何逻辑控制方式实现本发明的光学机构水平调整方法达到自动化的手段，而提升白光干涉测量的速度。

前述该运算控制单元2根据该些待测点的坐标参数，并可采用最小平方法或拟合法演算该待测平面41的平面方程式。

另外，前述步骤101至步骤106是针对单一视野，当需要多视野的测量时，在各个视野中选择三个以内的视野，并分别于所择的视野中定义至少三个待测点，且该些待测点的平面坐标参数为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)以及(x₃，y₃)，同时分别对应各个待测点且透过该高度调整装置32调整物件平台31高度至聚焦高度，使得该些平面坐标参数为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)以及(x₃，y₃)的待测点所对应的高度分别为z₁、z₂以及z₃，再经过该运算控制单元2根据该些待测点的平面坐标参数与高度坐标参数演算该待测物件4的待测平面41的平面方程式，而同样再经过步骤103至步骤106获得旋转中心的坐标并定义新的坐标系。

虽然本发明以具体实施例揭露如上，然其所揭露的具体实施例并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，其所作的更动与润饰皆属于本发明的范畴，本发明的保护范围应当以申请专利范围所界定为准。

Claims (11)

1.一种光学机构水平调整方法，其特征在于包括下列步骤：

提供运算控制单元、影像撷取装置以及粗略高度传感器；

将待测物件放置在物件承载装置的物件平台上；

在该待测物件的待测平面上的视野范围中定义至少三个待测点，并透过该运算控制单元、该影像撷取装置以及该粗略高度传感器获得该些待测点的水平坐标参数以及高度坐标参数；

该运算控制单元根据该些待测点的水平坐标参数与高度坐标参数演算该待测物件的待测平面的平面方程式，且该平面方程式表示为ax+by+cz＝d，其中该x轴位置参数与y轴位置参数分别定义为水平面上两个正交方向上的位置参数，该z轴位置参数则是垂直方向上的位置参数；

该运算控制单元控制该物件承载装置，使得该物件平台所承载的待测物件以x轴旋转第一旋转角θ₁，该第一旋转角θ₁系为

该运算控制单元控制该物件承载装置，使得该物件平台所承载的待测物件以y轴旋转第二旋转角θ₂，该第二旋转角θ₂系为

该运算控制单元获得旋转中心位置；

该运算控制单元控制该物件承载装置的高度调整装置，直到旋转中心达到聚焦高度位置参数；以及

该运算控制单元获得调平后的坐标是与初始坐标之间的转换关系。

2.根据权利要求1所述的光学机构水平调整方法，其特征在于：提供光学机构水平调整装置，该光学机构水平调整装置包括高度测量装置、以及前述物件承载装置；其中：

该高度测量装置，包括前述的影像撷取装置、前述粗略高度传感器、以及光学机构与光源装置；该影像撷取装置是具有影像撷取功能的光学装置，该光学机构包括有干涉物镜、焦距调节装置与光源讯号导引装置，该光源装置是光源讯号的产生装置；

该物件承载装置，包括物件平台、高度调整装置、第一水平转轴调整装置、第二水平转轴调整装置、第一水平位移调整装置、以及第二水平位移调整装置；该第一水平转轴调整装置与该第二水平转轴调整装置相互正交并用以调节该物件平台在水平面上的倾斜角度，且该高度调整装置、该第一水平转轴调整装置、该第二水平转轴调整装置、该第一水平位移调整装置以及该第二水平位移调整装置可分别回馈所对应的位置信息至该运算控制单元。

3.根据权利要求1所述的光学机构水平调整方法，其特征在于：该运算控制单元具有逻辑演算装置、记忆装置以及控制装置。

4.根据权利要求1所述的光学机构水平调整方法，其特征在于：获得该些待测点的坐标参数的方法选自自动对焦法、粗略高度测量法以及白光干涉测量法。

5.根据权利要求1所述的光学机构水平调整方法，其特征在于：该运算控制单元根据该些待测点的坐标参数，并采用最小平方法演算该待测平面的平面方程式。

6.根据权利要求1所述的光学机构水平调整方法，其特征在于：该运算控制单元根据该些待测点的坐标参数，并采用拟合法演算该待测平面的平面方程式。

7.一种光学机构水平调整方法，其特征在于包括下列步骤：

提供运算控制单元、影像撷取装置以及粗略高度传感器；

将待测物件放置在物件承载装置的物件平台上；

在该待测物件的待测平面上的多数个视野中选择三个以内的视野，并分别于所择的视野中定义至少三个待测点，并透过该运算控制单元、该影像撷取装置以及该粗略高度传感器获得该些待测点的水平坐标参数以及高度坐标参数；

该运算控制单元根据该些待测点的水平坐标参数与高度坐标参数演算该待测物件的待测平面的平面方程式，且该平面方程式表示为ax+by+cz＝d，其中该x轴位置参数与y轴位置参数分别定义为水平面上两个正交方向上的位置参数，该z轴位置参数则是垂直方向上的位置参数；

该运算控制单元控制该物件承载装置，使得该物件平台所承载的待测物件以x轴旋转第一旋转角θ₁，该第一旋转角θ₁系为

该运算控制单元控制该物件承载装置，使得该物件平台所承载的待测物件以y轴旋转第二旋转角θ₂，该第二旋转角θ₂系为

该运算控制单元获得旋转中心位置；

该运算控制单元控制该物件承载装置的高度调整装置，直到旋转中心达到聚焦高度位置参数；

该运算控制单元获得调平后的坐标是与初始坐标之间的转换关系；

透过该运算控制单元、该影像撷取装置以及该粗略高度传感器获得该些待测点的水平坐标参数以及高度坐标参数；以及

该运算控制单元纪录结果根据该运算控制单元所纪录的各个视野之间的x轴位置参数值、y轴位置参数值以及z轴位置参数值，重组各个视野的坐标关系。

8.根据权利要求7所述的光学机构水平调整方法，其特征在于：该高度测量装置获得该些待测点的坐标参数的方法选自自动对焦法、粗略高度测量法以及白光干涉测量法。

9.根据权利要求7所述的光学机构水平调整方法，其特征在于：该运算控制单元根据该些待测点的坐标参数，并采用最小平方法演算该待测平面的平面方程式。

10.根据权利要求7所述的光学机构水平调整方法，其特征在于：该运算控制单元根据该些待测点的坐标参数，并采用拟合法演算该待测平面的平面方程式。

11.一种光学机构水平调整装置，其特征在于包括高度测量装置、运算控制单元和物件承载装置：

所述高度测量装置进一步包括：

影像撷取装置，其是具有影像撷取功能的光学装置；

光学机构，其包括有干涉物镜、焦距调节装置与光源讯号导引装置；

光源装置，其是光源讯号的产生装置；以及

粗略高度传感器，其是用以测量单点位置高度的装置；

所述运算控制单元具有逻辑演算装置、记忆装置以及控制装置；

所述物件承载装置进一步包括：

物件平台，其是承载物件的平台；

高度调整装置，其是用以调节该物件平台垂直高度；

第一水平转轴调整装置；

第二水平转轴调整装置；

第一水平位移调整装置；以及

第二水平位移调整装置；

其中该第一水平转轴调整装置设置于该第二水平转轴调整装置上，该第二水平转轴调整装置设置于该第一水平位移调整装置上，该第一水平位移调整装置设置于该第二水平位移调整装置上；以及该第一水平转轴调整装置与该第二水平转轴调整装置相互正交并用以调节该物件平台在水平面上的倾斜角度，且该高度调整装置、该第一水平转轴调整装置、该第二水平转轴调整装置、该第一水平位移调整装置以及该第二水平位移调整装置可分别回馈所对应的位置信息至该运算控制单元。

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