CN108603789B - 用于超光谱成像计量的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种计量系统，其包含：照明源，其经配置以产生照明光束；一或多个照明光学器件，其经配置以将所述照明光束引导到样本；一或多个收集光学器件，其经配置以收集从所述样本发出的照明；检测器；及超光谱成像子系统。所述超光谱成像子系统包含：分散元件，其定位于所述组收集光学器件的光瞳平面处，所述分散元件经配置以光谱分散所述所收集的照明；透镜阵列，其包含聚焦元件阵列；及一或多个成像光学器件。所述一或多个成像光学器件组合所述光谱分散的所收集的照明以在所述透镜阵列上形成所述光瞳平面的图像。所述透镜阵列的所述聚焦元件使所述所收集的照明以阵列图案分布于所述检测器上。

Description

用于超光谱成像计量的系统及方法
相关申请案的交叉参考
本申请案根据35U.S.C.§119(e)规定主张2016年2月2日申请的将安德鲁V.希尔(Andrew V.Hill)命名为发明者的标题为“叠加散射测量中的超光谱成像(HYPER SPECTRALIMAGING IN OVERLAY SCATTEROMETRY)”的序列号为62/290,157的美国临时申请案的权益，所述美国申请案以全文引用的方式并入本文中。
本申请案根据35U.S.C.§119(e)规定主张2016年7月21日申请的将安德鲁V.希尔(Andrew V.Hill)命名为发明者的标题为“用于超光谱成像计量的系统及方法(SYSTEM ANDMETHOD FOR HYPERSPECTRAL IMAGING METROLOGY)”的序列号为62/365,120的美国临时申请案的权益，所述美国申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及计量，且更特定来说，本发明涉及超光谱成像计量。
背景技术
作为测量样本的图像的替代及/或作为测量样本的图像补充，散射测量计量系统可通过测量及分析从样本散射、反射或衍射的光学辐射(例如，光)的图案特性化半导体晶片上的特征的大小、形状或分布。由计量系统检测的散射、反射或衍射光的图案可受晶片上的特定特征以及入射于晶片上的光波长影响。因此，来自特定晶片的散射、反射或衍射光的此图案的敏感度可基于光的入射波长而变化。
可期望使用多个光波长特性化晶片。然而，用于产生多个散射测量术测量的典型方法相对于单个测量增大测量获取时间及/或减少与每一测量相关联的光。因此，应期望提供一种用于解决例如上文所识别的缺陷的系统及方法。
发明内容
揭示根据本发明的一或多个说明性实施例的一种计量系统。在一个说明性实施例中，所述计量系统包含照明源，其经配置以产生照明光束。在另一说明性实施例中，所述计量系统包含一或多个照明光学器件，其经配置以将所述照明光束引导到样本。在另一说明性实施例中，所述计量系统包含一或多个收集光学器件，其经配置以收集从所述样本发出的照明。在另一说明性实施例中，所述计量系统包含检测器。在另一说明性实施例中，所述计量系统包含超光谱成像子系统。在另一说明性实施例中，所述超光谱成像子系统包含分散元件，其定位于所述组收集光学器件的光瞳平面处，所述分散元件经配置以光谱分散所述所收集的照明。在另一说明性实施例中，所述超光谱成像子系统包含透镜阵列，其包含聚焦元件阵列。在另一说明性实施例中，所述超光谱成像子系统包含一或多个成像光学器件。在另一说明性实施例中，所述一或多个成像光学器件组合所述光谱分散的所收集的照明以在所述透镜阵列上形成所述光瞳平面的图像。在另一说明性实施例中，所述透镜阵列的所述聚焦元件使所述所收集的照明以阵列图案分布于所述检测器上。
揭示根据本发明的一或多个说明性实施例的一种超光谱成像设备。在一个说明性实施例中，所述超光谱成像设备包含分散元件，其经配置以定位于一组收集光学器件的光瞳平面处。在另一说明性实施例中，所述组收集光学器件经配置以收集从样本发出的照明。在另一说明性实施例中，所述分散元件经配置以光谱分散所述所收集的照明。在另一说明性实施例中，所述超光谱成像设备包含透镜阵列，其包含聚焦元件阵列。在另一说明性实施例中，所述超光谱成像设备包含一或多个成像光学器件。在另一说明性实施例中，所述一或多个成像光学器件组合所述组空间分散波长以使所述光瞳平面成像于所述透镜阵列上。在另一说明性实施例中，所述透镜阵列的所述聚焦元件经配置以使所述所收集的照明以阵列图案分布。
揭示根据本发明的一或多个说明性实施例的一种方法。在一个说明性实施例中，所述方法包含由一组收集光学器件从样本收集照明。在另一说明性实施例中，所述方法包含由分散元件光谱分散所述所收集的照明，其中所述分散元件定位于所述组收集光学器件的光瞳平面处。在另一说明性实施例中，所述方法包含在包含聚焦元件阵列的透镜阵列上产生所述光瞳平面的图像。在另一说明性实施例中，所述组光谱分散的所收集的照明经组合以形成所述光瞳平面的所述图像。在另一说明性实施例中，所述方法包含使所述所收集的照明以阵列图案分布。
附图说明
所述领域的技术人员可通过参考附图更好地理解本发明的数种优点，其中：
图1是根据本发明的一或多个实施例的超光谱计量系统的概念视图。
图2是根据本发明的一或多个实施例的包含超光谱成像子系统的放大视图的超光谱计量系统的概念视图。
图3是图2的一部分的放大视图，其说明根据本发明的一或多个实施例的由透镜阵列分段光瞳平面中的样本辐射。
图4是说明根据本发明的一或多个实施例的在透镜阵列上形成光瞳平面的图像的示意图。
图5是说明根据本发明的一或多个实施例的由图4中所说明的透镜阵列进行的样本辐射在检测器上的示范性分布的示意图。
图6是根据本发明的一或多个实施例的说明在用于超光谱成像计量的方法中执行的步骤的流程图。
具体实施方式
现将详细参考说明于附图中的所揭示的标的物。已相对于本发明的特定实施例及具体特征来特别展示及描述本发明。本文中所陈述的实施例被视为具说明性而非限制性。所属领域的一般技术人员应易于明白，可在不背离本发明的精神及范围的情况下作出形式及细节的各种改变及修改。
大体上参考图1到6，揭示根据本发明的一或多个实施例的用于超光谱成像计量的系统及方法。本发明的实施例涉及一种用于在单个检测器上同时测量与多个波长相关联的多个计量图像的超光谱计量系统。本发明的额外实施例涉及测量与计量系统的光瞳平面(例如，物镜的后焦平面、衍射平面或类似物)相关联的光谱分辨照明。另外实施例涉及使与用于多个波长的光瞳平面相关联的照明交错以促进同时测量与来自样本的光的角分布相关联的光谱分辨照明。
本文中应认识到，散射测量计量系统通常可通过测量及分析来自样本的散射、反射或衍射光的图案而特性化所述样本的一或多个方面。此外，作为对测量样本的图像的替代及/或作为对测量样本的图像的补充，可测量散射、反射或衍射光的图案。应注意，光学系统通常包含两个交互平面(reciprocal plane)：图像平面及光瞳平面。图像平面(例如，场平面或与所述图像平面共轭的任何平面)可对应于样本的图像。因此，以任何角度从样本上的特定点发出的光可经成像到图像平面中的对应特定点。相比之下，以特定角度从样本(与样本上的位置无关)发出的光可经成像到光瞳平面(或与光瞳平面共轭的任何平面)中的特定点。在这方面，光瞳平面中的光的空间分布可对应于从样本收集的光的角分布。
应进一步认识到，光瞳平面可对应于从样本收集光的光学元件(例如，物镜或其类似物)的后焦平面。举例来说，许多物镜在后焦平面(例如，对应于光瞳平面)处提供孔径光阑，使得传播通过系统的光的角范围或数值孔径受限于此衍射平面中。出于本发明的目的，可互换地使用术语光瞳平面、后焦平面及衍射平面。然而，应注意，仅出于说明性目的而提供上述光瞳平面、后焦平面及衍射平面的位置描述且所述描述不应被解释为具限制性。
另外，光瞳平面中的光分布可根据照明波长而变化。举例来说，样本上的特征可在第一角分布中散射、反射及/或衍射包含第一波长的照明且可进一步在第二角分布中散射、反射及/或衍射包含第二波长的照明。应认识到，与包含特定波长的照明相关联的光瞳平面中的辐射(例如，散射测量信号)的分布图案对样本特性(例如，样本上的特征的大小、形状或分布)的偏差可比其它图案更敏感。因此，同时测量与用于多个波长的光瞳平面相关联的照明可为有益的。本发明的实施例涉及一种测量与计量系统的光瞳平面相关联的光谱分辨照明的超光谱成像系统。本发明的一些实施例涉及将光瞳平面分成多个片段且将光谱分散照明从每一片段引导到检测器上。在这方面，可同时测量与来自用于多个波长的光瞳平面的照明相关联的数据。本发明的一些实施例涉及在检测器上产生片段中的每一者的按比例调整且光谱分散的图像。因此，可同时测量用于多个波长的光瞳平面的图像。
如贯穿本发明所使用，术语“样本”大体上是指由半导体材料或非半导体材料形成的衬底(例如，晶片或类似物)。举例来说，半导体材料或非半导体材料可包含(但不限于)单晶硅、砷化镓及磷化铟。样本可包含一或多个层。举例来说，此类层可包含(但不限于)抗蚀剂、电介质材料、导电材料及半导电材料。所属领域中已知许多不同类型的此类层，且如本文中所使用的术语样本希望涵盖其上可形成所有类型的此类层的样本。形成于样本上的一或多个层可经图案化或未经图案化。举例来说，样本可包含多个裸片，每一裸片具有可重复图案化特征。此类材料层的形成及处理最终可导致完整装置。许多不同类型的装置可形成于样本上，且如本文中所使用的术语样本希望涵盖其上制造所属领域中已知的任何类型的装置的样本。此外，出于本发明的目的，术语样本及晶片应被解释为可互换。
图1是根据本发明的一或多个实施例的超光谱计量系统的概念视图。在一个实施例中，系统100包含：照明源102，其经配置以产生具有包含多个波长的光谱内容的照明光束104；超光谱成像子系统106，其定位于系统100的光瞳平面处以光谱分散光瞳平面处的照明；及检测器108，其捕获与光瞳平面相关联的光谱分散照明。在这方面，系统100可同时捕获与用于多个离散光谱带的光瞳平面相关联的照明。
在另一实施例中，照明源102可包含(但不限于)具有包含多个离散波长的光谱的多色光源、宽带光源、波长可调谐光源或波长扫掠光源。此外，照明光束104的光谱内容可包含所选择光波长，其包含(但不限于)紫外(UV)辐射、可见辐射或红外(IR)辐射。在另一实施例中，照明源102包含超连续谱激光源。
在另一实施例中，系统100包含照明路径110，其包含将照明光束104引导到样本114的一或多个照明光学元件112。照明光学元件112可包含适合于修改及/或调节照明光束104的一或多个光学元件。举例来说，照明路径110可包含将照明光束104聚焦到样本114上的一或多个位置上的物镜116。在另一实施例中，系统100包含适合于固定样本114的置物台组合件118。此外，置物台组合件118可定位及/或平移样本114以使样本114的一或多个部分暴露于照明光束104。
在另一实施例中，系统100包含收集路径120，其包含收集从样本114发出的样本辐射122的一或多个光学元件。举例来说，收集路径120可接收从样本114反射或散射(例如，经由镜面反射、漫反射及其类似物)的辐射。举另一实例来说，收集路径120可接收由样本114产生的辐射(例如，与照明光束104的吸收相关联的发光及其类似物)。作为额外实例，收集路径120可从样本114接收辐射的一或多个衍射级(例如，0级衍射、±1级衍射、±2级衍射及其类似物)。
系统100可包含(但不要求包含)光束分离器124以作为照明路径110及/或收集路径120两者的部分。在这方面，单个光学元件(例如，物镜116)可引导照明光束104沿第一光学路径通过光束分离器124到样本114且引导来自样本114的样本辐射122沿第二光学路径通过光束分离器124。
在另一实施例中，系统100包含一或多个中继光学元件126。举例来说，中继光学元件126可将光瞳平面或与光瞳平面共轭的平面中继到超光谱成像子系统106(例如，中继到超光谱成像子系统106的第一光学元件、中继到超光谱成像子系统106的入射光瞳或类似物)。举例来说，中继光学元件126可在超光谱成像子系统106的第一光学元件上产生光瞳平面(例如，物镜116的后孔径、衍射平面或类似物)的图像。因此，超光谱成像子系统106可光谱分散光瞳平面处的样本辐射122的分布且将辐射引导到检测器108以同时捕获与用于样本辐射122的多个波长的光瞳平面相关联的照明。在另一实施例中，系统100包含限制样本114的视场传播通过系统100的视场光阑128。
在另一实施例中，系统100包含通信地耦合到检测器108的控制器130。举例来说，控制器130可经配置以接收数据，数据包含(但不限于)测量结果(目标图像、光瞳图像及其类似物)或计量度量(例如，精度、工具引起的偏移、敏感度、衍射效率、离焦(through-focus)斜率、侧壁角度、临界尺寸及其类似物)。在另一实施例中，控制器130通信地耦合到照明源102。举例来说，控制器130可引导照明源102以提供一或多个所选择照明波长。就一般意义来说，控制器130可与系统100内的任何元件通信地耦合。在另一实施例中，控制器130通信地耦合到照明光学元件112及/或照明源102以引导照明光束104与样本114之间的入射角的调整。
在另一实施例中，控制器130对从检测器108接收的数据执行数据分析。举例来说，控制器130可基于从检测器108接收的数据产生计量数据(例如，叠加计量数据、散射测量数据或类似物)。
图2是根据本发明的一或多个实施例的包含超光谱成像子系统106的放大视图的超光谱计量系统的概念视图。在一个实施例中，超光谱成像子系统106光谱分散光瞳平面处的样本辐射122，将光瞳平面分成多个片段且将与每一片段相关联的照明引导到检测器108的空间分离部分。在这方面，与光瞳平面相关联的照明可经分段及分布为检测器108上的阵列图案。在另一实施例中，超光谱成像子系统106光谱分散检测器108上的样本辐射122，使得阵列图案经光谱分散。因此，与具有不同波长的光瞳平面相关联的照明可占据检测器上的不同位置。
在一个实施例中，超光谱成像子系统106包含定位于系统100的光瞳平面处的分散元件132以光谱分散光瞳平面处的样本辐射122的分布。举例来说，分散元件132可分散光瞳平面处的样本辐射122，使得样本辐射122从分散元件132的出射角根据光谱内容(例如，波长)而变化。以说明的方式，如图2中所展示，包含入射于分散元件132上的三个不同波长的样本辐射122可经分散为样本辐射122的不同子光束(例如，λ1、λ2、λ3)。
然而，应注意，与图2中所说明及上文所描述的不同波长相关联的子光束的描绘仅出于说明性目的而提供且不应被解释为具限制性。举例来说，样本辐射122可包含宽光谱范围(例如，与照明光束104的光谱范围相关联或类似物)，使得由分散元件132分散的样本辐射122可包含单个光谱分散光束(例如，不具有不同子光束)。
分散元件132可为适合于将光谱分散引入到样本辐射122中的所属领域中已知的任何类型的分散元件。举例来说，分散元件132可通过例如(但不限于)衍射或折射的任何机制将分散引入到样本辐射122中。此外，分散元件132可由透射及/或反射光学元件形成。
在一个实施例中，分散元件132包含通过根据光谱内容(例如，波长)以不同角度折射样本辐射122而光谱分散样本辐射122的棱镜。在另一实施例中，分散元件132包含通过衍射来光谱分散样本辐射122的衍射光学元件。举例来说，分散元件132可包含光谱分散光瞳平面中的样本辐射122以使得衍射角根据样本辐射122的光谱内容而变化的衍射光栅。分散元件132可包含任何类型的衍射光栅，例如(但不限于)制造光栅(例如，全息光栅、刻线光栅、闪耀光栅或类似物)或动态生成光栅(例如，声光调制器、电光调制器或类似物)。在一个实施例中，分散元件132包含由与换能器耦合的固体介质组成的声光调制器，所述换能器经配置以产生传播通过固体介质的超声波。可通过传播的超声波来修改固体介质的性质(例如(但不限于)折射率)，使得样本辐射122在与固体介质相互作用之后被衍射。此外，超声波可以介质中的声速传播通过固体介质且具有与驱动信号的频率以及固体介质中的声速相关的波长。
在另一实施例中，超光谱成像子系统106包含用以中继光瞳平面(例如，中继定位于超光谱成像子系统106的第一光学元件处的光瞳平面的图像、超光谱成像子系统106的入射光瞳或类似物)的超光谱中继光学元件134。举例来说，如图2中所说明，超光谱中继光学元件134可收集从分散元件132引导的光谱分散样本辐射122的至少一部分以形成光瞳平面的中继图像。在这方面，超光谱中继光学元件134可组合样本辐射122的光谱分散分量以形成光瞳平面的图像。因此，样本辐射122可不在光瞳平面的中继图像的位置处被光谱分散，而可在超光谱成像子系统106内的其它位置被光谱分散。
超光谱成像子系统106可包含与样本114共轭的平面(例如，场平面)，其定位于超光谱中继光学元件134的两者之间以含有样本114的光谱分散图像。在一个实施例中，超光谱成像子系统106包含滤波器(例如，限制样本辐射122的光谱内容的空间滤波器)。举例来说，超光谱成像子系统106可包含限制样本辐射122的光谱范围的光谱视场光阑136。举另一实例来说，超光谱成像子系统106可包含选择性控制样本辐射122的光谱内容的每一部分的强度的部分透射元件。举例来说，样本辐射122的光谱内容的部分的强度可被正规化为共同值以补偿衍射分散元件132的衍射效率的差异。举另一实例来说，超光谱成像子系统106可包含动态可控制元件(例如(但不限于)空间光调制器)以动态地控制传播到检测器108的样本辐射122的光谱内容。
在另一实施例中，超光谱成像子系统106包含形成为聚焦元件(例如，透镜)阵列的透镜阵列138。在另一实施例中，透镜阵列138定位于光瞳平面的中继图像处，使得透镜阵列138根据透镜阵列138的聚焦元件的分布将光瞳平面中的样本辐射122分成多个片段。在这方面，透镜阵列138的每一聚焦元件可捕获光瞳平面中的样本辐射122的分布的特定部分。
图3是根据本发明的一或多个实施例的图2的一部分140的放大视图，其说明由透镜阵列138分段光瞳平面中的样本辐射122。在一个实施例中，样本辐射122在透镜阵列138上的入射角根据光谱内容(例如，波长)而变化。此外，样本辐射122从透镜阵列138的出射角可根据光谱内容(例如，波长)而变化。在这方面，透镜阵列138的每一聚焦元件可收集与来自光瞳平面的特定部分的所有波长相关联(例如，与从样本114的特定散射角范围相关联)的照明且将所收集的照明以光谱分散图案引导到检测器108。
在另一实施例中，透镜阵列138的每一聚焦元件将样本辐射122聚焦到检测器108上。举例来说，如图3中所说明，透镜阵列138可聚焦样本辐射122，使得由相邻聚焦元件收集的样本辐射122不会在检测器108上重叠。
透镜阵列138的聚焦元件的大小、形状或分布可控制光瞳平面的分段(例如，由每一聚焦元件收集的样本辐射122的散射角范围)以及样本辐射122在检测器上的分布。透镜阵列138可为所属领域中已知的任何类型的透镜阵列，例如(但不限于)一维透镜阵列或二维透镜阵列。在一个实施例中，透镜阵列138包含一维透镜阵列。举例来说，一维透镜阵列可形成为柱面透镜的一维阵列。在另一实施例中，透镜阵列138包含二维透镜阵列。举例来说，二维透镜阵列可包含以二维图案(例如(但不限于)网格图案、偏移网格图案或六边形图案)分布的聚焦元件。此外，聚焦元件可以规则图案(例如，晶格布置或类似物)或不规则图案分布。另外，聚焦元件可以周期性布置或非周期性布置(例如，随机布置或类似物)分布。
本文中应注意，由定位于系统100的光瞳平面处的透镜阵列138的特定聚焦元件收集的样本辐射122的散射角范围可取决于所述特定聚焦元件的大小或形状。在一个实施例中，透镜阵列138的聚焦元件的大小跨越光瞳平面的图像的空间范围恒定。在这方面，由每一聚焦元件收集的样本辐射122的散射角范围的大小可恒定。在另一实施例中，透镜阵列138的聚焦元件的大小可跨越光瞳平面的图像的范围而变化。举例来说，聚焦元件的大小在光瞳平面的关注区域中可小于额外区域，使得所捕获的散射角的分辨率可在关注区域中增大。
透镜阵列138可包含折射及/或衍射光学元件。举例来说，透镜阵列138可包含(但不限于)球形聚焦元件(例如，其中一或多个表面包含球的一部分的聚焦元件)、菲涅耳(Fresnel)聚焦元件或作为具有变化折射率的区域嵌入透明材料的体积内的衍射光学元件。
图4是说明根据本发明的一或多个实施例的在透镜阵列138上形成光瞳平面402的图像的示意图。在一个实施例中，透镜阵列138包含柱面聚焦元件404的一维阵列。举例来说，如图4中所说明，透镜阵列138可包含具有以节距406分布的相等宽度的相邻柱面聚焦元件404的阵列。在这方面，透镜阵列138可将光瞳平面402的图像分成一系列线性片段。因此，光瞳平面402的图像的每一线性片段可包含由样本114在如沿着聚焦元件的分离方向测量的散射角范围内散射的样本辐射122。此外，可不沿着垂直于第一方向的第二方向分段光瞳平面402的图像。
图5是说明根据本发明的一或多个实施例的由如图4中所描绘的透镜阵列138形成的样本辐射122在检测器108上的示范性分布的示意图。在一个实施例中，跨越检测器108光谱分散包含三个不同波长(例如，λ1、λ2、λ3)的样本辐射122。举例来说，光瞳平面402的图像中的与波长λ1相关联的样本辐射122可经分段及聚焦到检测器108上作为阵列图案502。在这方面，每一片段502可包含与从样本114的特定散射角范围相关联的样本辐射122。此外，光瞳平面402的图像中的与波长λ2相关联的样本辐射122可经分段及聚焦到检测器108上以作为阵列图案504，阵列图案504从阵列图案502位移(例如，偏离或类似物)。另外，光瞳平面402的图像中的与波长λ3相关联的样本辐射122可经分段及聚焦到检测器108上以作为阵列图案506，阵列图案506从阵列图案502进一步位移。在这方面，阵列图案502、504、506可在检测器108上交错。在另一实施例中，如图5中所说明，样本辐射122的光谱范围以非重叠分布而分布于检测器108上。举例来说，阵列图案502、504、506中的每一者可具有节距508且可相对于彼此位移。此外，光谱分散样本辐射122在检测器108上的空间范围510(例如，来自透镜阵列138的单个聚焦元件的所有光谱分散波长的照明的空间范围)可小于节距508。在这方面，来自相邻聚焦元件的照明可不在检测器108上重叠。
本文中应注意，图5中所说明的检测器108上的不同阵列图案的描述以及相关联的描述仅出于说明性目的而提供且不应被解释为具限制性。举例来说，样本辐射122可经分布为单个光谱分散阵列图案。此外，在样本辐射122的光谱内容包含连续波长范围(例如，与宽带照明源102相关联或类似物)的情况中，光谱分散样本辐射122的空间范围510可包含样本辐射122的对应连续变化波长分布。
应进一步注意，可通过透镜阵列138的聚焦元件的形状、大小或分布控制样本辐射122在检测器108上的分布。举例来说，如图5中所说明，由柱面透镜的一维阵列形成的透镜阵列138可在检测器108上提供线性阵列图案(例如，阵列图案502)。举另一实例来说，由聚焦元件的二维阵列形成的透镜阵列138可在检测器108上提供二维阵列图案。在一些实施例中，二维透镜阵列138可与二维分散元件132耦合，使得样本辐射122在检测器108上以二维形式光谱分散。
在另一实施例中，检测器108可经放置在透镜阵列138的焦平面处。在这方面，与由聚焦元件收集的样本辐射122的特定波长相关联的片段的宽度512可与如由系统100捕获的样本114的视野相关。此外，可由视场光阑(例如，图1的视场光阑128或类似物)控制宽度512。因此，宽度512可经调整以减轻样本辐射122的光谱内容的重叠(例如，不同光谱范围、连续光谱分布或类似物)。
在另一实施例中，由透镜阵列138的每一聚焦元件收集的样本辐射122经提供到检测器108以作为光瞳平面的对应部分的按比例调整的图像。举例来说，超光谱中继光学元件134、透镜阵列138及/或一或多个额外光学元件(未展示)可将光瞳平面的分段及空间分散表示中继到检测器108。举另一实例来说，一或多个额外中继光学元件(未展示)可将光瞳平面从透镜阵列138中继到检测器108。在这方面，检测器108可同时捕获光瞳平面的多个分段、按比例调整及交错例子(例如，对应于样本辐射122的多个光谱范围)。
在另一实施例中，可通过考虑接收从样本发出的特定光谱范围的阵列图案的检测器108的像素来建构表示所述特定光谱范围的光的角分布的光瞳图像。举例来说，光瞳图像可包含阵列图案中的多个片段，其中每一片段包含来自光瞳平面的一部分的聚焦照明。举另一实例来说，光瞳图像可包含阵列图案中的多个片段，其中每一片段包含光瞳平面的一部分的按比例调整的图像。在另一实施例中，多个光瞳图像的阵列图案可在检测器上交错。在这方面，检测器108可同时捕获一个以上光瞳图像，其中每一光瞳图像表示来自样本的照明的不同光谱范围。
在另一实施例中，来自检测器108的测量数据可经处理(例如，由控制器130或类似物处理)以合并及/或按比例调整经测量的阵列图案的片段以形成连续光瞳图像。
本文中应注意，分段光瞳平面中的样本辐射122且将光谱分散样本辐射122从每一片段引导到检测器可提供系统100的光、物理空间及/或测量时间的高效率使用。举例来说，所收集的样本辐射122的每一波长处的光学强度(例如，光谱功率)可以最小损耗提供到检测器。举另一实例来说，可由单个检测器108使用测量光瞳平面的单个图像所需的相同检测器面积来测量与光瞳平面相关联的光谱分辨照明。举例来说，(例如，由透镜阵列138或类似物)分段光瞳平面且将样本辐射122从每一片段聚焦到检测器108上可减少样本辐射122的每一波长所需的检测器面积且可在检测器108上提供空间以同时捕获与用于多个波长的光瞳平面相关联的照明。此外，同时测量与光瞳平面相关联的光谱分辨照明可促进快速测量时间(例如，相对于依序捕获用于不同照明波长的光瞳平面的图像或类似物)。
再次参考图1，照明源102可包含适合于产生具有多个光谱分量的照明光束104的所属领域中已知的任何照明源。举例来说，照明源102可包含用于同时捕获与用于宽波长光谱的光瞳平面相关联的照明的宽光谱范围。举另一实例来说，照明源102可包含用于同时捕获与用于所选择照明光谱带的光瞳平面相关联的照明的多个窄光谱带范围。
照明源102可(但不限于)由白色光源(例如，具有包含可见波长的光谱的宽带光源)、激光源、弧光灯、无电极灯或激光维持等离子体(LSP)源形成。举例来说，照明源102可包含超连续谱光源。作为另一实例，照明源102可包含超连续谱激光源(例如，白光激光源)。此外，可经由自由空间传播或引导光(例如，光纤、光导管或类似物)递送照明光束104。在另一实施例中，照明源102是可调谐照明源。在这方面，照明光束104的辐射波长可经调整为任何所选择辐射波长(例如，UV辐射、可见辐射、红外辐射或类似物)。另外，照明光束104可展现任何程度的空间及/或时间相干。举例来说，配置为激光源的照明源102可产生空间及时间相干照明光束104。举另一实例来说，配置为灯源的照明源102可产生空间及/或时间不相干照明光束104。
照明源102可经由照明路径110以任何角度将照明光束104引导到样本。举例来说，照明光学元件112可包含(但不限于)一或多个透镜、一或多个偏光器、一或多个滤波器、一或多个光束分离器、一或多个扩散器、一或多个均匀器、一或多个变迹器或一或多个光束成形器。在一个实施例中，照明源102以垂直于样本114的表面的入射角将照明光束104引导到样本114。在另一实施例中，照明源102以一角度(例如，掠射角、45度角及其类似物)将照明光束104引导到样本114。在另一实施例中，照明光束104在样本114上的入射角是可调整的。举例来说，照明光束104通过光束分离器124及物镜116的路径可经调整以控制照明光束104在样本114上的入射角。在这方面，照明光束104可具有通过光束分离器124及物镜116的标称路径，使得照明光束104在样本114上具有法向入射角。此外，可通过修改照明光束104在光束分离器124上的位置及/或角度(例如，通过可旋转镜、空间光调制器、自由形式照明源或类似物)来控制照明光束104在样本114上的入射角。
置物台组合件118可包含所属领域中已知的任何样本置物台架构。举例来说，置物台组合件118可包含(但不限于)线性置物台。举另一实例来说，置物台组合件118可包含(但不限于)旋转置物台。此外，样本114可包含晶片，例如(但不限于)半导体晶片。
此外，本文中应注意，检测器108可包含适合于测量接收从样本114的照明的所属领域中已知的任何光学检测器。举例来说，检测器108可包含(但不限于)CCD检测器、TDI检测器、光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)或类似物。在另一实施例中，检测器108可包含适合于识别从样本114发出的辐射波长的光谱检测器。此外，收集路径120可包含多个光学元件以引导及/或修改由物镜116收集的照明，物镜116包含(但不限于)一或多个透镜、一或多个滤波器、一或多个偏光器、一或多个光束块或一或多个光束分离器。
在另一实施例中，控制器130包含一或多个处理器142。在另一实施例中，一或多个处理器142经配置以执行维持在存储器144或存储器媒体中的一组程序指令。此外，控制器130可包含一或多个模块，其含有存储在存储器144中的可由一或多个处理器142执行的一或多个程序指令。控制器130的一或多个处理器142可包含所属领域中已知的任何处理元件。就此意义来说，一或多个处理器142可包含经配置以执行算法及/或指令的任何微处理器类型装置。如贯穿本发明所描述，在一个实施例中，一或多个处理器142可由桌面计算机、大型计算机系统、工作站、图像计算机、并行处理器或经配置以执行经配置以操作系统100的程序的任何其它计算机系统(例如，网络计算机)组成。应进一步认识到，术语“处理器”可经广泛地定义以涵盖具有一或多个处理元件(其执行来自非暂时性存储器144的程序指令)的任何装置。
本文中应认识到，可由控制器130实施贯穿本发明所描述的步骤。此外，控制器130可由单个组件或多个组件形成。本文中应进一步注意，控制器130的多个组件可容置于共同外壳中或多个外壳内。以此方式，任何控制器或控制器的组合可经分开封装为适合于集成为完整系统100的模块。
存储器144可包含适合于存储可由相关联的一或多个处理器142执行的程序指令的所属领域中已知的任何存储媒体。举例来说，存储器144可包含非暂时性存储器媒体。作为额外实例，存储器144可包含(但不限于)只读存储器、随机存取存储器、磁性或光学存储器装置(例如，光盘)、磁带、固态驱动器及其类似物。应进一步注意，存储器144可与一或多个处理器142一起容置于共同控制器外壳中。在一个实施例中，存储器144可相对于一或多个处理器142及控制器130的物理位置在远程定位。例如，控制器130的一或多个处理器142可存取可通过网络(例如，因特网、内部网络及其类似物)存取的远程存储器(例如，服务器)。因此，上述描述不应被解释为对本发明的限制而仅解释为说明。
再次参考图2，在一个实施例中，分散元件132是可动态地配置的。在这方面，可配置及/或可选择分散元件132的操作(例如，分散值、特定光波长的出射角或类似物)。举例来说，具有不同分散值的一系列衍射光学元件(例如，具有不同线性分散值的一系列衍射光栅或类似物)可安装到可平移组合件(未展示)，使得可动态地修改超光谱成像子系统106的分散值。可平移组合件可为适合于配置超光谱成像子系统106的分散元件132的所属领域中已知的任何类型的可平移组合件。举例来说，可平移组合件可包含(但不限于)旋转组合件或线性平移器。此外，可平移组合件可包含可手动平移组合件、可电动平移组合件或类似物。
在另一实施例中，可动态地修改动态生成的分散元件132(例如，声光调制器、电光调制器或类似物)的分散。举例来说，可动态地调整换能器的调制频率以修改来自分散元件132的光谱分散样本辐射122的路径。
图6是根据本发明的一或多个实施例的说明在用于超光谱成像计量的方法600中执行的步骤的流程图。申请人注意到，先前在本文中的系统100的上下文中所描述的实施例及实现技术应被解释为扩展到方法600。然而，应进一步注意，方法600不受限于系统100的架构。
在一个实施例中，方法600包含由一组收集光学器件从样本收集照明的步骤602。举例来说，一或多个收集光学器件可以大量散射角从样本收集照明(例如，样本辐射122)(例如，来自由样本散射、反射及/或衍射的照明源的照明)。此外，由样本收集的照明的角分布可表示为照明的空间分布(例如，在光瞳平面、后焦平面、衍射平面或类似物中)。
在另一实施例中，方法600包含由分散元件光谱分散所收集的照明的步骤604。举例来说，分散元件可定位于光瞳平面处。因此，分散元件可根据所收集的照明的光谱内容来光谱分散光瞳平面。
在另一实施例中，方法600包含在聚焦元件的透镜阵列上产生光瞳平面的图像的步骤606。举例来说，光谱分散的所收集的照明可经组合以在透镜阵列上形成光瞳平面的图像。
在另一实施例中，方法600包含使所收集的照明以阵列图案分布的步骤608。举例来说，透镜阵列可根据聚焦元件的分布将光瞳平面(例如，光瞳平面在透镜阵列上的图像)分成多个片段。因此，透镜阵列的每一聚焦元件可收集及分布光瞳平面的一部分，使得所收集的照明(例如，在检测器、另一光学元件或类似物上)形成阵列图案。在另一实施例中，阵列图案经光谱分散。举例来说，每一光谱部分(例如，样本辐射122的波长)可与阵列图案相关联且对应于多个光谱部分的阵列图案可经空间位移。在这方面，检测器可同时捕获与用于大量波长的光瞳平面相关联的照明，所述大量波长与样本辐射122相关联。在另一实施例中，阵列图案(例如，用于给定光谱部分的阵列图案)的每一元素可包含光瞳平面的一部分的按比例调整的图像。此外，可同时捕获与光瞳平面相关联的多个照明图像(例如，光瞳平面或类似物)。
本文中所描述的标的物有时说明含于其它组件内或与其它组件连接的不同组件。应理解，所描绘的此类架构仅具示范性，且事实上可实施实现相同功能性的许多其它架构。就概念意义来说，实现相同功能性的组件的任何布置经有效地“相关联”，使得实现所要功能性。因此，不管架构或中间组件如何，本文中经组合以实现特定功能性的任何两个组件可被视为彼此“相关联”，使得实现所要功能性。同样地，如此相关联的任何两个组件也可被视为彼此“连接”或“耦合”以实现所要功能性，且能够如此相关联的任何两个组件也可被视为彼此“可耦合”以实现所要功能性。可耦合的具体实例包含(但不限于)可物理相互作用及/或物理相互作用的组件及/或可无线相互作用及/或无线相互作用的组件及/或可逻辑相互作用及/或逻辑相互作用的组件。
据信，将通过前述描述理解本发明及其许多伴随优点，且将明白，可在不背离所揭示的标的物或不牺牲所揭示的标的物的所有材料优点的情况下执行组件的形式、构造及布置的各种改变。所描述的形式仅具解释性，且所附权利要求书希望涵盖及包含此类改变。此外，应理解，本发明由所附权利要求书定义。

Claims (33)

1.一种计量系统，其包括：
照明源，其经配置以产生照明光束；
一或多个照明光学器件，其经配置以将所述照明光束引导到样本；
一或多个收集光学器件，其经配置以收集从所述样本发出的照明；
检测器；及
超光谱成像子系统，其包括：
分散元件，其定位于所述收集光学器件的光瞳平面处，所述分散元件经配置以光谱分散所述所收集的照明；
透镜阵列，其包含聚焦元件阵列；及
一或多个成像光学器件，其中所述一或多个成像光学器件组合所述光谱分散的所收集的照明以在所述透镜阵列上形成所述光瞳平面的图像，其中所述透镜阵列的所述聚焦元件基于所述透镜阵列的所述聚焦元件的空间分布对所述光瞳平面的所述图像进行分段、并且使与所述光瞳平面的所述图像的片段相关联的照明以阵列图案分布于所述检测器上。
2.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述检测器上的所述阵列图案经光谱分散。
3.根据权利要求2所述的计量系统，其中与所述所收集的照明的第一波长相关联的所述阵列图案的第一部分相对于与所述所收集的照明的第二波长相关联的所述阵列图案的第二部分而空间位移。
4.根据权利要求3所述的计量系统，其中所述阵列图案的所述第一部分及所述阵列图案的所述第二部分以非重叠分布而空间分布于所述检测器上。
5.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述超光谱成像子系统进一步包括：
滤波器，其定位于与所述样本共轭的平面处，其中与所述样本共轭的所述平面与所述样本的光谱分散图像相关联，其中所述滤波器使所述所收集的照明的所选择部分通过。
6.根据权利要求5所述的计量系统，其中所述滤波器包含限制所述所收集的照明的空间范围的空间滤波器。
7.根据权利要求5所述的计量系统，其中所述滤波器包含空间光调制器。
8.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述透镜阵列包含一维透镜阵列。
9.根据权利要求8所述的计量系统，其中所述透镜阵列包含柱面透镜阵列。
10.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述透镜阵列包含二维透镜阵列。
11.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述分散元件包括：
衍射光栅。
12.根据权利要求11所述的计量系统，其中所述衍射光栅包括：
炫耀衍射光栅、刻线衍射光栅或全息衍射光栅中的至少一者。
13.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述分散元件包括：
声光调制器。
14.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述照明源包括：
超连续谱激光源。
15.一种超光谱成像设备，其包括：
分散元件，其经配置以定位于一组收集光学器件的光瞳平面处，其中所述收集光学器件经配置以收集从样本发出的照明，其中所述分散元件经配置以光谱分散所述所收集的照明；
透镜阵列，其包含聚焦元件阵列；及
一或多个成像光学器件，其中所述一或多个成像光学器件收集空间分散波长以在所述透镜阵列上产生所述光瞳平面的图像，其中所述透镜阵列的所述聚焦元件经配置以基于所述透镜阵列的所述聚焦元件的空间分布对所述光瞳平面的所述图像进行分段、并且使与所述光瞳平面的所述图像的片段相关联的照明以阵列图案分布于检测器上。
16.根据权利要求15所述的超光谱成像设备，其中所述阵列图案经光谱分散。
17.根据权利要求16所述的超光谱成像设备，其中与所述所收集的照明的第一波长相关联的所述阵列图案的第一部分相对于与所述所收集的照明的第二波长相关联的所述阵列图案的第二部分而空间位移。
18.根据权利要求17所述的超光谱成像设备，其中所述阵列图案的所述第一部分及所述阵列图案的所述第二部分以非重叠分布进行空间分布。
19.根据权利要求15所述的超光谱成像设备，其中所述超光谱成像子系统进一步包括：
滤波器，其定位于与所述样本共轭的平面处，其中与所述样本共轭的所述平面与所述样本的光谱分散图像相关联，其中所述滤波器使所述所收集的照明的所选择部分通过。
20.根据权利要求19所述的超光谱成像设备，其中所述滤波器包含限制所述所收集的照明的范围的空间滤波器。
21.根据权利要求19所述的超光谱成像设备，其中所述滤波器包含空间光调制器。
22.根据权利要求15所述的超光谱成像设备，其中所述透镜阵列包含一维透镜阵列。
23.根据权利要求22所述的超光谱成像设备，其中所述透镜阵列包含柱面透镜阵列。
24.根据权利要求15所述的超光谱成像设备，其中所述透镜阵列包含二维透镜阵列。
25.根据权利要求15所述的超光谱成像设备，其中所述分散元件包括：
衍射光栅。
26.根据权利要求25所述的超光谱成像设备，其中所述衍射光栅包括：
炫耀衍射光栅、刻线衍射光栅或全息衍射光栅中的至少一者。
27.根据权利要求15所述的超光谱成像设备，其中所述分散元件包括：
声光调制器。
28.一种计量系统，其包括：
照明源，其经配置以产生照明光束；
一或多个照明光学器件，其经配置以将所述照明光束引导到样本；
一或多个收集光学器件，其经配置以收集从所述样本发出的照明；
超光谱成像子系统，其包括：
分散元件，其定位于所述收集光学器件的光瞳平面处，所述分散元件经配置以光谱分散所述所收集的照明；
透镜阵列，其包含聚焦元件阵列；及
一或多个成像光学器件，其中所述一或多个成像光学器件组合所述光谱分散的所收集的与特定光谱波长范围相关联的照明、以在所述透镜阵列上产生所述光瞳平面的图像，其中所述透镜阵列的所述聚焦元件经配置以基于所述聚焦元件的空间分布对所述光瞳平面的所述图像进行分段，从而产生一组光瞳图像；及
检测器，其经配置以捕获所述组光瞳图像，其中所述组光瞳图像的个别光瞳图像分别表示来自所述一或多个收集光学器件、具有所述特定光谱波长范围的所述所收集的照明的角分布。
29.根据权利要求28所述的计量系统，其中所述组光瞳图像的第一光瞳图像包含第一图像片段阵列，其中所述组光瞳图像的第二光瞳图像包含至少第二图像片段阵列，其中所述第一图像片段阵列至少与所述第二图像片段阵列在所述检测器上交错。
30.根据权利要求28所述的计量系统，其中所述个别光瞳图像的所述特定光谱波长范围是非重叠的。
31.一种计量方法，其包括：
由一组收集光学器件从样本收集照明；
由分散元件光谱分散所述所收集的照明，其中所述分散元件定位于所述收集光学器件的光瞳平面处；
在包含聚焦元件阵列的透镜阵列上产生所述光瞳平面的图像，其中经光谱分散的所述所收集的照明经组合以形成所述光瞳平面的所述图像，其中所述透镜阵列的所述聚焦元件基于所述透镜阵列的所述聚焦元件的分布对所述光瞳平面的所述图像进行分段；并
基于所述透镜阵列的所述聚焦元件的所述分布使与所述光瞳平面的所述图像的片段相关联的照明以阵列图案分布于检测器上。
32.根据权利要求31所述的方法，其中使所述所收集的照明以阵列图案分布包括：
使所述所收集的照明以光谱分散阵列图案分布。
33.根据权利要求1所述的计量系统，其中在所述透镜阵列上的所述光瞳平面的所述图像经光谱分散。
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