TW201825890A - 透明基板之瑕疵檢測方法與裝置 - Google Patents

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Abstract

一種透明基板之瑕疵檢測方法，包括：(a)提供一光學系統，以將經過待測透明基板產生之物體光波進行繞射；(b)將該物體繞射光波與參考光波干涉與波前記錄，以重建待測透明基板之瑕疵複數影像；(c)將該待測透明基板的瑕疵複數影像進行特性分析、特徵分類與篩選；以及(d)將該瑕疵複數影像建立瑕疵複數影像資料庫，以作為該待測透明基板之瑕疵複數影像比對與檢測。

Description

透明基板之瑕疵檢測方法與裝置
本發明係關於透明基板之瑕疵檢測，特別係一種結合干涉與波前記錄，以重建瑕疵複數影像資訊之透明基板瑕疵複數影像檢測方法與裝置。
玻璃基板是目前各式光電顯示器、智慧型手機面板、微型化鏡片等光電產品中最為廣泛而普遍使用的元件。國內外光電產業對於玻璃基板皆有著大量的需求與各種領域應用。尤其，在各種光電顯示器(例如：液晶顯示器、電漿顯示板、有機發光二極體)、數位相機、智慧型手機面板等光電產品之製作與組裝過程中，玻璃基板扮演者非常重要且關鍵的角色。另外，在與矽晶片之黏接(bonding)、微機電系統(micro electro mechanical systems，MEMS)、生物製藥(Bio-medical)領域、微鏡(micro mirror)、微型玻璃塊(micro glass-block)、偏振分光器(polarized beam splitter)、雙色性濾光器(dichroic filter)亦會使用到各種規格之玻璃基板。
再者，不論是在上述各種半導體製程裝置、精密機械、顯示器裝置的高科技產業中，皆朝向微小化、精密化、與奈米等級的方向前進。因此在精密機械領域之量測設備、製造技術、整合技術的發展中，玻璃基板的瑕疵檢測相關技術是非常重要的。
中國專利公開第CNI01241086號之發明專利申請，揭露「一種基於對玻璃材料的氣泡、雜質量測的檢測儀」；另，中國專利公開第CNI01750422號之發明專制申請案，揭露「一種玻璃缺陷在線自動檢測裝置」；又，中國專利公開第CNI02305798號之發明專利申請案，揭露「基於機器視覺的玻璃缺陷的檢測與分類方法」。然而，前述公開發明專利申請案之中，玻璃缺陷的檢測與分類方法僅以對圖像進行缺陷邊緣檢測，以獲得缺陷的邊緣信息；其無法適用於檢測玻璃微小氣泡瑕疵，並且其玻璃氣泡檢測系統或裝置仍必然存在進一步改良其玻璃缺陷的檢測方法之需求。
此外，中華民國專利公開第I512284之玻璃氣泡瑕疵檢測系統，其利用一擴散光照射至一待測玻璃片上，以獲得一玻璃片光照影像，並利用二值化閥值於感興趣區塊搜尋一氣泡影像，以達成提升檢驗準確性之目的。然而，上述公開專利方法皆係透過擷取強度影像資訊，配合影像處理方式及資料庫檢索比對，最後判斷出玻璃基板的瑕疵位置以及種類。
在實務上，目前大多數透明玻璃基板檢測仍採用人工/半機械作業方式進行各種玻璃基板的反射或穿透圖案以判別其中可能的瑕疵，僅些許採用機器視覺的方式運用攝影機直接拍攝玻璃基板的反射或穿透圖案進行各式的瑕疵影像演算法來嘗試嘗試進行檢測工作。惟，透過機器視覺攝影機僅能取得其中的強度影像而無法完整的獲得玻璃基板的複數影像資訊。再者，由於該攝影機對於透明基板無法有效對焦而容易產生失焦或無法對焦現象。因此，往往需要複雜而耗時的演算法進行多重前置訊號處理與分類辨識後才能進行後續瑕疵檢測工作。這一連串動作導致了現有機器視覺無法快速而有效地進行透明基板的檢測，並無法提高其檢測良率。
現今對於微光學元件的瑕疵檢測，包含：表面瑕疵檢測、表面粗糙度、表面輪廓、薄膜厚度與平整度、曲率半徑、波前量測、像差分析、折射率分佈等...等。在目前可行的瑕疵檢測技術中，包括：金相顯微鏡、共軛焦顯微鏡、原子力顯微鏡、白光干涉儀...等技術。上述的檢測技術根據瑕疵類型的不同，需要發展各自適用的量測裝置與架構以配合生產線的速度。然而，在傳統瑕疵檢測的廣視野成像光學系統之中，普遍存在諸多問題，例如：影像感測器的像素解析度不足，以致於需要使用機械掃描與影像縫合等相關的技術，來完成大面積且具高解析度的廣視野重建影像。這將使得瑕疵檢測的過程耗時，以致於僅能透過抽取部分樣本來縮短檢測時間。再者，傳統工業產品瑕疵檢測技術往往無法適用於透明玻璃基板的穿透式檢測方式。因此，如何有效進行透明基板檢測，提升量測的解析度與視野範圍，並縮短檢測時間及提高現場檢測量，已成為現有國內外產業與檢測領域所面臨的重要課題。因此，如何提升量測的視野範圍及具高解析度的成像機制以縮短檢測時間及增加檢測數量，已成為現有瑕疵檢測所面臨的重要議題。
有鑑於奈米、微米製程技術的快速演進，眾多產業紛紛趨向微型化的生產製造與應用，其中的積體電路與半導體組件，以及微光學元件等皆係 構成各項科技產品的重要元件。近幾年受到社群媒體與網路資訊的快速傳播影響，在智慧型手機及其顯示面板產品的需求量與廣泛使用最為顯著。因而，面對快速生產的需求下，如何有效提升製程與產品的良率成為企業營運成本考量的重要指標。
透明基板的瑕疵將可能帶來整個產品製程與組裝上嚴重的良率下降，而大大地增加製作的成本與資源材料的浪費。因此，透明基板的瑕疵檢測在整個光電產品的製作與組裝過程就變得十分重要。
惟，目前市面上尚無有效而可靠的透明基板檢測技術與方法可供產業檢測應用。實在有必要發展一種新穎的光學檢測技術來解決與克服上述的問題。
本發明提供一種透明基板之瑕疵檢測方法，包括(a)提供一光學系統，以將待測透明基板之物體光波進行繞射而產生低頻繞射條紋資訊，於解決光偵測器陣列的實際像素尺寸受限而無法有效解析的限制；(b)將該物體繞射光波與參考光波干涉，以形成至少一個全像條紋影像(以下簡稱全像影像)，並進行該全像影像的波前記錄，以重建待測透明基板的瑕疵複數影像；(c)運用數值重建將該待測透明基板的瑕疵複數影像進行特性分析、特徵分類與篩選；以及(d)將該瑕疵複數影像建立瑕疵複數影像資料庫，以作為該待測透明基板之瑕疵複數影像比對與檢測。
上述待測透明基板之瑕疵複數影像檢測方法更包含於該步驟(b)，透過至少一個光學影像縮小系統以記錄至少一個全像影像。其中該步驟(b)之中，物體光波可以為成像或非成像的繞射光波與參考光波干涉係形成至少一個全像影像，並進行該全像影像的波前記錄，以重建待測透明基板之瑕疵複數影像。其中全像影像為一廣視野的全像影像，該數值重建的瑕疵複數影像包含相位影像與振幅影像。其中瑕疵複數影像包括氣泡、灰塵、刮痕與水紋影像。
上述待測透明基板之瑕疵複數影像檢測方法更包含於該步驟(c)，將該等瑕疵複數影像進行數值傳播與對焦，以建立不同平面下的瑕疵複數影像之特性
根據本發明之另一觀點，其中該步驟(c)之中的瑕疵複數影像係建立在三維座標軸上的影像特性。
根據本發明之一觀點，上述透明基板包括玻璃基板、藍寶石基板、透明陶瓷基板、高分子透明基板或具高穿透率光學基板。
根據本發明之另一觀點，透明基板之瑕疵檢測方法更包含一升採樣技術以提昇該光學系統之光偵測器陣列的等效解析度，包括使用傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法或菲涅耳繞射近似方法來重建該透明基板之該瑕疵複數影像。
其中步驟(d)之中，瑕疵複數影像係儲存於一瑕疵複數影像資料庫之中。其中步驟(c)之中，瑕疵複數影像之特性分析、特徵分類與篩選係藉由一瑕疵複數影像分類單元來執行。
本發明提供一種透明基板之瑕疵檢測裝置，包括：一發射光源；複數個面鏡，用於改變該光源之光路徑；一光擴束器，用以該發射光源所發出光成為一擴束光；一第一分光鏡，配置於光擴束器之下；一第二分光鏡；一透鏡組，包含複數個透鏡，配置於該第一分光鏡與該第二分光鏡之旁側；以及一光偵測器陣列，配置於該第二分光鏡之旁側。
其中該發射光源包括同調、低同調與非同調發射光源。其中該複數個面鏡包含三個面鏡，第一面鏡配置於光源旁側與光擴束器之上，第二面鏡配置於該第一分光鏡之一側與第二分光鏡之上，第三面鏡配置於光擴束器之下。其中該透鏡組包括五個透鏡，第一透鏡配置於第一分光鏡之旁側，第二透鏡配置於第三面鏡之旁側，第三透鏡配置於第二分光鏡之旁側，第四透鏡配置於第二分光鏡之旁側，第五透鏡配置於第四透鏡之一側，其中第四透鏡與第五透鏡構成一光學影像縮小系統。
根據本發明之另一觀點，一種透明基板之瑕疵檢測裝置，包括：一發射光源；複數個面鏡，用於改變該發射光源之光路徑；一光擴束器，用以發射光源所發出光濾波並成為一擴束光；一光學影像縮小系統，包含第一透鏡與第二透鏡；以及一光偵測器陣列，配置於該第二透鏡之旁側。
根據本發明之一觀點，上述裝置更包括一濾波器遮罩配置於光學影像縮小系統之第一透鏡與第二透鏡之間。
根據本發明之另一觀點，上述裝置更包括一光學中繼系統、一濾波器遮罩以及一光柵，其中該光柵配置於光學影像縮小系統與光學中繼系統之間，而該濾波器遮罩配置於光學中繼系統之第三透鏡與第四透鏡之間。
根據本發明之一觀點，一種透明基板之瑕疵檢測裝置，包括：一發射光源；複數個面鏡，用於改變該發射光源之光路徑；一光擴束器，用以發射光源所發出光濾波並成為一擴束光；一光學影像縮小系統，包含第一透鏡與第二透鏡；一光學中繼系統，包含第三透鏡與第四透鏡；一分光鏡，配置於第二透鏡之光路出口與第三透鏡之光路入口之間；一濾波器遮罩，配置於第三透鏡與第四透鏡之間；以及一光偵測器陣列，配置於第四透鏡之旁側。
根據本發明之一觀點，上述裝置更包括一濾波器遮罩，該濾波器遮罩為相位式或振幅式遮罩。
此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。
100‧‧‧發射光源
110‧‧‧光擴束器
120、130‧‧‧分光鏡
140‧‧‧光偵測器陣列
L1~L5‧‧‧透鏡
M1~M3‧‧‧面鏡
PZT‧‧‧相位移元件
TL1‧‧‧光學影像縮小系統
TL2‧‧‧光學中繼系統
150‧‧‧透明基板
160‧‧‧濾波器遮罩
162‧‧‧第一過濾區
164‧‧‧第二過濾區
170‧‧‧光柵
200、210、220、230、240、250‧‧‧步驟
301、302‧‧‧黑色實線
401、402、501、502‧‧‧黑色方框
如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。
第一圖A顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之離軸式(Off-axis)廣視野平面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖B顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之離軸式廣視野球面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖C顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之同軸式(On-axis)廣視野平面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖D顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之同軸式廣視野球面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖E顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之共軸式(In-line)廣視野平面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖F顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之共軸式廣視野球面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖G顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之同軸式共光程(On-axis common-path)廣視野平面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖H顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝 置之同軸式共光程廣視野球面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖I顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之離軸式共光程(Off-axis common-path)廣視野平面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖J顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之離軸式共光程廣視野球面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖K顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之離軸式共光程(Off-axis common-path)廣視野平面波照射之光學系統之一示意圖；第一圖L顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之離軸式共光程廣視野球面波照射之光學系統之一示意圖；第二圖顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測之方法流程圖之一示意圖；第三圖A顯示根據本發明之一實施例之未使用升採樣技術之菲涅耳繞射全像影像的振幅重建影像一示意圖；第三圖B顯示根據本發明之一實施例之使用升採樣技術之菲涅耳繞射全像影像的振幅重建影像之一示意圖；第三圖C與第三圖D顯示分別根據第三圖A與第三圖B中黑色實線之一維剖面之示意圖；第四圖A與第四圖B顯示根據本發明之一實施例之使用球面參考光編碼於菲涅耳繞射全像影像的振幅重建影像之示意圖；第五圖A與第五圖B顯示根據本發明之一實施例之全像影像最佳化前與後的全像影像的振幅重建影像之示意圖；第五圖C與第五圖D分別顯示第五圖A與第五圖B中黑色寬線之重點區域之示意圖；第六圖A至第六圖D顯示數值重建的瑕疵複數影像的振幅重建影像(左)與相位重建影像(右)之示意圖；第七圖顯示根據本發明之一實施例之數值重建的待測透明基板的瑕疵複數影像於不同平面下之氣泡瑕疵相位重建影像之示意圖；第八圖顯示根據本發明之一實施例之數值重建的待測透明基板 的瑕疵複數影像於不同平面下之灰塵瑕疵相位重建影像之示意圖；第九圖A至第九圖D顯示透明基板瑕疵複數影像資料庫之示意圖；第十圖A顯示數位全像裝置於檢測透明基板的瑕疵複數影像之一示意圖；第十圖B至第十圖E係分別顯示經過瑕疵複數影像資料庫所判別的瑕疵複數影像之示意圖。
此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。
本發明揭露關於一種結合干涉與波前記錄，以重建透明基板的瑕疵複數影像裝置，並進行瑕疵複數影像的特性分析、特徵分類與篩選作為瑕疵檢測的參考依據。實施例中指出一種將瑕疵複數影像經過特性分析、特徵分類與篩選所組成的瑕疵複數影像資料庫，用以建立瑕疵複數影像分類單元來進行各類待測物體的瑕疵檢測，以及一種使用球面參考光波照射與升採樣技術來提昇光學系統中光偵測器陣列的等效解析度，以達成廣視野高解析成像效果的大面積而高傳真度的透明基板瑕疵檢測方法。
本發明之透明基板瑕疵檢測方法與裝置係使用波前記錄與重建的裝置與瑕疵複數影像資料庫的瑕疵複數影像分類方法，以及藉由球面參考光波照射與升採樣技術來提昇光學系統中光偵測器陣列的等效解析度方法來實施。該等瑕疵檢測裝置是由瑕疵複數影像資料庫來作為對各類待測影像進行瑕疵檢測的依據。
本發明為了滿足上述技術問題及需求，其提供一種透明基板瑕疵檢測之方法與裝置。其利用一發射光源照射至一待測透明基板，接著，繞射一段距離形成物體的低頻繞射條紋；之後，再與球面參考光波干涉。最後，由光偵測器陣列記錄全像影像。此全像影像經過電腦進行數值重建後可獲得待測透明基板的瑕疵複數影像，其中包含振幅與相位資訊，且不受限制於光偵測器陣列的像素與畫素大小。
第一圖A~第一圖L顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測裝置之光學系統。該些實施例適用於處理至少一個相關於一解析度標準樣本與一透明基板之全像影像。此等全像影像可以由該些實施例之光學系統所產生。在第一圖A之實施例之中，其為離軸式(Off-axis)廣視野平面波照射之光學系統；此光學系統包括一發射光源100、一光擴束器(Beam expander；BE)110、二個分光鏡(Beam Splitter)120與130、一光偵測器陣列140(例如：感光耦合元件(Charge-coupled Device；CCD)、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor；CMOS)等影像感測器、光感測器(Photodetector))、及五個透鏡(Lens)L1~L5及三個面鏡(Mirror)M1~M3。發射光源100包括垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser；VCSEL)、半導體雷射(Semiconductor laser)、固態雷射(Solid-state laser)、氣態雷射(Gas laser)、液體雷射(Dye laser)、光纖雷射(Fiber laser)或發光二極體(LED)。發射光源100之光源形式包括線光源、平面光源或球面光源。發射光源100之光源特性包括同調光源、低同調光源或非同調光源。此光學系統包括一光學影像縮小系統(Telescopic Imaging System)TL1，其包括一個放大率為0.5倍(M TL =0.5×)且具有焦距為100mm(millimeter)的透鏡L4及一個具有焦距為50mm的透鏡L5。透鏡L4的前後焦距可以相等，也可以實質上相等(有極些微差異)，而透鏡L5的前後焦距可以相等，也可以實質上相等(有極些微差異)。在參考光端的球面參考光波也具有一個焦距為50mm的透鏡L3，透鏡L3的前後焦距可以相等，也可以實質上相等(有極些微差異)。透明基板瑕疵檢測裝置之光學系統之光路經包含：二極體雷射100光源產生一個具有中心波長為405nm(奈米)的雷射光，該雷射光經過面鏡M1反射之後先通過光擴束器110以產生一個擴束光，再入射至分光鏡120而分別輸出兩道光束，接著分別通過直徑2吋的透鏡L1與1吋的透鏡L2而成為光束直徑2吋與1吋的準直平面波。其中一道光束經過面鏡M3反射之後先穿過待測透明基板150上之物體以形成物光(Object Wave)，該物光再經由光學影像縮小系統(透鏡L4及透鏡L5)TL1以縮像作為具廣視野的物光，再經過分光鏡130之後，投射(可包含成像或非成像方式)於光偵測器陣列140。另一道光束經過面鏡M2反射之後作為參考光(Reference Wave)先經過透鏡L3以形成球面參考光，而提供數值放大率(M S =2)，再經過分光鏡130之後，入射至光偵測器陣列140，並與正向入射的物光維持離軸角度，以進行離軸式(Off-Axis)的數位全像記錄，並確保該參 考光在可消除直流項與共軛項的離軸記錄架構。上述三個面鏡M1~M3僅用於改變雷射光的光路徑。上述透鏡L2可以為其他可產生擴束波前之元件(平面與球面波)。上述透鏡L3可以為其他可產生平面、球面與具任意的曲面波前之元件。
在另一實施例之中，如第一圖B所示，其為離軸式廣視野球面波照射之光學系統；相較於第一圖A之實施例，此光學系統省略透鏡L3，且透鏡L2配置於面鏡M1與分光鏡130之間。
在一實施例之中，如第一圖C所示，其為同軸式(On-axis)廣視野平面波照射之光學系統；相較於第一圖A之實施例，此光學系統省略透鏡L3，且透鏡L1與透鏡L2之配置為至亦與前二個實施例有所不同。面鏡M3所裝載的壓電式轉換器(Piezoelectric Transducers；PZT)係用於調整參考光的相位移之相位移元件(例如：壓電式轉換器PZT、空間光調制器(Spatial light modulator；SLM)以及旋轉平行板導致相位移元件)。
在一實施例之中，如第一圖D所示，其為對軸式廣視野球面波照射之光學系統；相較於第一圖C之實施例，此光學系統進一步省略了透鏡L1。面鏡M3所裝載的壓電式轉換器PZT係用於調整參考光的相位移之相位移元件。
在一實施例之中，如第一圖E所示，其為共軸式(In-line)廣視野平面波照射之光學系統；相較於第一圖A之實施例，此光學系統省略透鏡L2、透鏡L3、分光鏡120與130、面鏡M3。物光與參考光直接在共軸之中進行干涉。
在一實施例之中，如第一圖F所示，其為共軸式廣視野球面波照射之光學系統；相較於第一圖E之實施例，此光學系統進一步省略了透鏡L1。
在一實施例之中，如第一圖G所示，其為同軸式共光程(On-axis common-path)廣視野平面波照射之光學系統；相較於第一圖E之實施例，此光學系統增加一個濾波器遮罩(filter mask)160，配置於光學影像縮小系統TL1之二透鏡之間。此濾波器遮罩160包含第一過濾區162與第二過濾區164，其中第一過濾區162可以讓物體光通過，而第二過濾區164可以讓參考光通過。
在一實施例之中，如第一圖H所示，其為同軸式共光程廣視野球面波照射之光學系統；相較於第一圖G之實施例，此光學系統進一步省略了透鏡L1。
在一實施例之中，如第一圖I所示，其為離軸式共光程(Off-axis common-path)廣視野平面波照射之光學系統；相較於第一圖G之實施例，此光 學系統新增加一組光學中繼系統TL2以及一光柵(Grating)170，其中光柵170配置於TL1與TL2之間，而濾波器遮罩160配置於光學中繼系統TL2之二透鏡之間。在本實施例之中，TL1與TL2之間係互相平行。在一實施例之中，光學中繼系統TL2例如為一光學影像縮小系統。
在一實施例之中，如第一圖J所示，其為離軸式共光程廣視野球面波照射之光學系統；相較於第一圖I之實施例，此光學系統進一步省略了透鏡L1。
在一實施例之中，如第一圖K所示，其為離軸式共光程(Off-axis common-path)廣視野平面波照射之光學系統；相較於第一圖I之實施例，此光學系統之TL1與TL2之間係互相垂直配置，TL1與TL2之光路出口與入口之間配置一分光鏡130，以及增加面鏡M3與面鏡M4。分光鏡130經由位於其兩側之面鏡M3與面鏡M4來導光。
在一實施例之中，如第一圖L所示，其為離軸式共光程廣視野球面波照射之光學系統；相較於第一圖K之實施例，此光學系統進一步省略了透鏡L1。
值得一提的是：在上述第一圖A與第一圖B之實施例中，藉由光學系統採用一種改良式的馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀來實現一種離軸式的數位全像，以產生廣視野的全像影像。在其它實施例中，該等全像影像也能透過，例如：機械式地移動光偵測器陣列、待測物體與入射光束等其它拓展視野範圍的技術來產生同軸(On-axis)、離軸(Off-axis)、共軸(In-line)或共光程(Common-Path)架構的數位全像。
第二圖顯示根據本發明之一實施例之一透明基板瑕疵檢測之方法流程圖。本發明係藉由一個透明基板瑕疵檢測裝置來處理該透明基板之瑕疵複數影像，並透過瑕疵複數影像資料庫來進行特性分析、特徵分類與篩選以作為瑕疵檢測的依據。透明基板瑕疵檢測之方法包含步驟200~250。首先，進行步驟200，藉由一透明基板瑕疵檢測裝置(例如第一圖A~第一圖L之光學裝置)，將待測物體光波進行繞射。光波繞射例如為菲涅耳繞射(Fresnel diffraction)或夫朗和斐繞射(Fraunhofer diffraction)。於步驟200之中，可以解決光偵測器陣列的實際像素尺寸受限而無法有效解析待測物體之高頻資訊的限制。在本實施例中，當考慮使用平面波入射至待測物體的光場分佈時，其繞射資訊將由光學影 像縮小系統縮像以達到廣視野影像輸出；再接著成像至物體的中間影像平面，並繞射一段距離至菲涅耳區域以產生低頻繞射條紋資訊，以解決光偵測器陣列的實際像素尺寸受限問題。
舉一實施例而言，透明基板例如為玻璃基板、藍寶石基板、透明陶瓷基板、高分子透明基板，例如聚碳酸酯(polycarbonate：PC)基板、聚酸甲酯(Polymethylmethacrylate：PMMA)基板或具高穿透率光學基板。
接下來，於步驟210之中，藉由待測透明基板之物體繞射光波與參考光波進行干涉，以獲得待測透明基板之瑕疵複數影像。在一實施例之中，兩光波之干涉係形成至少一個全像影像，將作為廣視野的全像影像的波前記錄與重建，以獲得待測透明基板的瑕疵複數影像。上述參考光波包含：平面光波、球面光波或者任意曲面光波。在本實施例中，透過球面參考光所編碼球面因子而形成放大倍率，將可用於縮小待測物體在傅立葉平面上的頻譜寬度，以避免物體頻譜和直流項與共軛項之間產生頻譜重疊，並使其有效像素數目內能擷取與記錄待測物體的高頻資訊。編碼球面因子所形成的數值放大倍率如下式所示：
其中，物體的中間影像平面至光偵測器陣列的距離為物距z o ，球面參考光的聚焦點至光偵測器陣列的距離為z R ，數值放大倍率為M S 。透過參考光編碼球面因子將使得物體在傅立葉平面上的頻譜寬度得以進行調制，其中頻譜有效取樣寬度(a TL )如下所述：
其中，數值孔徑為NA、入射光波長為λ、光偵測器陣列的畫素數量為N、像素大小為△x，以及光學影像縮小系統的放大倍率為M TL 。然而，考慮物體光波與球面參考光波所形成的干涉條紋空間頻率將受限於實際光偵測器陣列的像素尺寸。干涉條紋的取樣條件如下所述：
其中，干涉條紋的取樣條件為C p ，光偵測器陣列所能解析的空間頻率上限值為f max 。考慮當C p >1時，干涉條紋的空間頻率將無法被光偵測器陣列的像素解析，而當C p 1時，則表示干涉條紋的空間頻率可以被光偵測器陣列的像素解析。在本實施例中係使用球面參考光來進行干涉，其空間頻率的上限值為f max =N△x/2λz o 。因此，在與參考光干涉時，干涉條紋的取樣條件可得如下之表示式：
考慮當參考光為平面波時，干涉條紋的空間頻率為一個常數。然而，當參考光為球面波時，干涉條紋的空間頻率將隨著球面參考光的相位曲面變化而產生較高頻的干涉條紋空間頻率。這樣的干涉條紋空間頻率變化將受限制於光偵測器陣列的像素尺寸，以致其重建影像的數值放大倍率受到限制，而無法對物體頻譜進行有效的取樣寬度。頻譜有效取樣寬度將決定其光學系統的橫向空間解析度如下所述：
其中，橫向空間解析度為△δ，頻譜有效取樣寬度為a TL ，同調光源係數為0.77。在光偵測器陣列的像素尺寸限制下，球面參考波所能提供的數值放大倍率將被干涉條紋空間頻率限制在C p =1。因此，這將產生一個新的物距z o ，使得干涉條紋空間頻率可被光偵測器陣列所解析。則橫向空間解析度成為：
最後，即可透過最佳化物距z o 與球面參考光z R 來獲得廣視野數位全像的最佳化橫向解析度與視野範圍。
上述的廣視野數位全像可用於完成波前記錄與重建，以獲得待測物體的複數影像。
接下來，於步驟220之中，藉由數位全像來對透明基板進行瑕疵檢測，並藉由全像影像進行升採樣技術，提升以光學系統中光偵測器陣列的等效解析度，以達成廣視野高解析成像效果。包括使用傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法或菲涅耳繞射近似法之數值傳播方法來重建該透明基板上之物體的光波。在本實施例中，透過使用傅立葉轉換(Fourier transform approach)的數值傳播方法來重建物體的繞射光波。在傅立葉轉換的重建方法中，畫素的多寡會隨著重建距離遠近而變化。這樣的特性將使得重建影像的像素尺寸縮小，以避免實際光偵測器陣列的像素尺寸受限制的問題發生，並可同時達到重建影像的升採樣目的。
如第三圖A與第三圖B所示，其係顯示菲涅耳全像影像的振幅重建影像，量測解析度標準樣本的實驗結果。其中第三圖A顯示未使用升採樣技術的畫素數量為300×300，第三圖B顯示使用升採樣技術的畫素數量為1,900×1,900。第三圖A與第三圖B係比較使用升採樣技術的結果，其可將畫素數量自300×300提升至畫素數量1,900×1,900。意即，使用升採樣技術結合菲涅耳全像影像之重建方法可將畫素解析度提升至6倍。另外，比較第三圖A與第三圖B中黑色實線301、302之一維剖面，經過升採樣技術後可有效提升解析度標準樣本重建振幅影像的線寬資訊，如第三圖C與第三圖D所示。
接著，延續步驟210的球面參考光將使得廣視野數位全像中頻譜的有效取樣寬度獲得提昇，以擷取解析度標準樣本的完整高頻資訊。在傅立葉轉換的方法中，一方面透過調整數值球面參考波以改變重建影像放大倍率，另一方面透過調整傳播距離作數位對焦。如第四圖A與第四圖B所示，其為編碼球面參考光的菲涅耳全像影像的振幅重建影像。第四圖A顯示當物距z O =7mm時，改變z R =35mm時，數值放大倍率M s =1.26×，黑色方框401中的群5要素3的線寬可被解析，並可達橫向解析度至線寬12.40μm。而第四圖B顯示當物距z O =7mm時，改變z R =20mm時，數值放大倍率為M s =1.51×時，黑色方框402中的第5組之第5圖元可被解析，並可提升橫向解析度至線寬9.84μm。最後， 考慮光偵測器陣列的像素尺寸限制下，將調整物距z O 與球面參考光z R 的距離以將干涉條紋空間頻率最佳化在C p =1的條件。如第五圖A與第五圖B所示，其為全像影像最佳化前與後的振幅重建影像，干涉條紋空間頻率的解析度標準樣本實驗結果。如第五圖A所示，其係全像影像最佳化前，其視野範圍將受限於球面干涉條紋的空間頻率與光偵測器陣列的像素大小；而第五圖B係全像影像最佳化後的振幅重建影像，其視野範圍可獲得有效地提升。另外，第五圖C與第五圖D分別是第五圖A與第五圖B中黑色寬線的重點(感興趣)區域，其中的黑色框線501、502區域指出，第五圖D的第5組之第5圖元具有較佳的橫向空間解析度達9.84μm。全像影像的數值重建包含透明基板之瑕疵複數影像資訊。透過數值的球面相位調制，數值重建的複數影像將包含振幅影像與相位影像。
接下來，於步驟230之中，藉由透明基板瑕疵檢測裝置將該等各類待測物體進行全像影像的波前記錄與重建，以對待測透明基板的瑕疵複數影像進行特性分析、特徵分類與篩選。瑕疵複數影像包含振幅影像與相位影像。在本實施例中，將使用透明基板來進行瑕疵種類的特性分析與分類。首先，如第六圖A至第六圖D所示為瑕疵複數影像的振幅影像(左)與相位影像(右)，其依序為第六圖A之氣泡、第六圖B之灰塵、第六圖C之刮痕與第六圖D之水紋。根據所擷取瑕疵複數影像的特性，可依序分類其特徵如表一中的敘述。
然後，於步驟240之中，藉由透明基板瑕疵檢測裝置將各類瑕疵複數影像進行數值傳播與對焦，以觀察其在不同平面上的振幅與相位影像特 性，並同時定義(建立)該瑕疵複數影像在三維座標軸(x-y-z)上的影像特性及空間分佈。意即，瑕疵複數影像在不同的重建平面的影像特性及空間分佈。本發明係透過瑕疵複數影像來觀察待測物體特徵，並且不論成像或非成像都可以記錄該瑕疵複數影像。在本實施例中，將針對氣泡與灰塵進行數值傳播與對焦，如第七圖與第八圖所示。如第七圖所示，其為使用數值傳播所重建的透明基板中之氣泡瑕疵的相位影像，依箭頭方向為不同平面的重建相位影像，最後一個影像是氣泡的數值對焦影像。第八圖顯示使用數值傳播所重建的透明基板中之灰塵瑕疵的相位影像，依箭頭方向為不同平面的重建相位影像，最後一個影像是灰塵的數值對焦影像，但因為散射影響導致無法清晰對焦。實驗結果指出第七圖之氣泡的相位影像在不同傳播距離時，邊界變化相當明顯，而第八圖之灰塵的相位影像，則顯示出在不同傳播距離下皆呈現紊亂的雜散分佈。如此即顯現出不同的瑕疵複數影像具有不同的影像特性及空間分佈。
最後，於步驟250之中，建立複數影像資料庫，並將該等資料庫作為各類待測影像之瑕疵比對與檢測。藉由透明基板瑕疵檢測裝置將該等各類瑕疵複數影像的特性建立瑕疵複數影像資料庫，用以進行特徵分類與篩選。意即，瑕疵複數影像可以儲存於一影像資料庫之中。而瑕疵複數影像之判別與分類可以藉由一瑕疵複數影像分類單元來執行。在本實施例中，依據步驟230與步驟240所得到的瑕疵複數影像特性，可以建立如第九圖A至第九圖D的透明基板瑕疵複數影像資料庫。其中，依據瑕疵種類可分類為振幅影像(左)與相位影像(右)，瑕疵複數影像包括第九圖A之氣泡複數影像、第九圖B之灰塵複數影像、第九圖C之刮痕複數影像與第九圖D之水紋複數影像。而瑕疵複數影像之判別與分類檢測流程則在上述步驟240與步驟250中完成；首先，定義瑕疵種類，接著進行瑕疵資料庫比對，再使用數值重建來判別與分析瑕疵複數影像在三維坐標軸(x-y-z)空間上的分佈與位置及其影像特性。上述步驟可以經過電腦的運算來執行。如第十圖A至第十圖E所示，其係量測透明基板的瑕疵複數影像。意即，使用數位全像對透明基板進行瑕疵檢測。第十圖A係表示使用數位全像量測透明基板之瑕疵複數影像，包括振幅影像(左)與相位影像(右)。第十圖B至第十圖E係分別表示經過瑕疵資料庫所判別的瑕疵複數影像，其瑕疵複數影像分別為第十圖B之氣泡複數影像、第十圖C之灰塵複數影像、第十圖D之刮痕複數影像與第十圖E之水紋複數影像，左邊為振幅影像，右邊為相位影像。
綜上所述，藉由透明基板瑕疵檢測裝置以實施透明基板的瑕疵檢測，並將數位全像所重建獲得的瑕疵複數影像，經由瑕疵影像資料庫的判別與分類以實現廣視野的瑕疵檢測，確實能達成本發明之目的。
綜合上述，本發明之特徵與優點包括：
(1)本發明運用數位全像以取得透明基板的瑕疵複數影像，並進行瑕疵複數影像的振幅與相位特性分析、特徵分類與篩選作為瑕疵檢測的參考依據。
(2)本發明之裝置包含：至少一組數位全像的波前記錄與重建單元；至少一組瑕疵複數影像資料庫；至少一組瑕疵複數影像分類單元。
(3)數位全像作為透明基板瑕疵的波前記錄與重建單元，其所獲得的瑕疵複數影像得經特性分析與分類組成瑕疵資料庫。
(4)瑕疵複數影像分類單元係將各類待測影像進行特徵分類與篩選作為瑕疵檢測。
(5)為了能達到大面積而高傳真度的透明基板瑕疵檢測目的，本發明之數位全像波前記錄與重建單元係結合波前記錄與重建，以提昇光學系統中光偵測器陣列之等效解析度以達成廣視野(wide-field)高解析成像效果。
(6)運用球面參考光波照射方式得以提升重建影像的放大倍率而達到提升橫向空間解析度，進而使得光偵測器陣列在其有效像素數目內能擷取與記錄透明基板的瑕疵複數資訊。
(7)升採樣技術係透過記錄物體的菲涅耳繞射(Fresnel diffraction)低頻條紋，得以解決光偵測器陣列的實際像素尺寸(pixel size)受限而無法有效解析瑕疵中較高頻資訊成分的限制。
(8)經實驗結果驗證，本發明配合上述數位全像的波前記錄與重建方法與裝置所取得的高傳真透明基板瑕疵的振幅與相位影像可以準確地達成透明基板的瑕疵檢測目的。
除描述於此之外，可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所達成之不同改良方式，皆應涵蓋於本發明之範疇中。因此，揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明，本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。

Claims (14)

  1. 一種透明基板之瑕疵檢測方法，包括：(a)提供一光學系統，以將經過待測透明基板產生之物體光波進行繞射；(b)將該物體繞射光波與參考光波進行干涉與波前記錄，以重建待測透明基板之瑕疵複數影像；(c)將該待測透明基板之該瑕疵複數影像進行特性分析、特徵分類與篩選；(d)將該瑕疵複數影像建立瑕疵複數影像資料庫，以作為該待測透明基板之瑕疵比對與檢測。
  2. 如請求項1所述之透明基板之瑕疵檢測方法，其中該步驟(b)之中，透過至少一個光學影像縮小系統以記錄至少一個全像影像。
  3. 如請求項1所述之透明基板之瑕疵檢測方法，其中該步驟(b)之中，該物體光波可以為成像或非成像的繞射光波與參考光波干涉係形成至少一個全像影像，並進行該全像影像的波前記錄，以重建該待測透明基板之該瑕疵複數影像。
  4. 如請求項1所述之透明基板之瑕疵檢測方法，其中該步驟(b)之中，數值重建之該瑕疵複數影像包含相位影像與振幅影像。
  5. 如請求項1所述之透明基板之瑕疵檢測方法，更包含一升採樣技術以提昇該光學系統之光偵測器陣列的等效解析度，包括使用傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法或菲涅耳繞射近似法之數值傳播方法來重建該透明基板之高解析度瑕疵複數影像。
  6. 如請求項1所述之透明基板之瑕疵檢測方法，其中該步驟(c)之中，更包含將該瑕疵複數影像進行數值傳播與對焦，以建立不同平面下之該瑕疵複數影像之特性。
  7. 如請求項1所述透明基板之瑕疵檢測方法，其中該步驟(d)之中，該瑕疵複數影像係儲存於至少一個瑕疵複數影像資料庫之中，其中該步驟(c)之中，該瑕疵複數影像之判別與分類係藉由至少一個瑕疵複數影像分類單元來執行。
  8. 一種透明基板之瑕疵檢測裝置，包括： 一發射光源；複數個面鏡，用於改變該發射光源之光路徑；一光擴束器，用以該發射光源所發出光成為一擴束光；一第一分光鏡，配置於該光擴束器之下；一第二分光鏡；一相位移元件，用以調整參考光的相位移；一透鏡組，包含複數個透鏡配置於該第一分光鏡與該第二分光鏡之旁側；以及一光偵測器陣列，配置於該第二分光鏡之旁側。
  9. 如請求項8所述之透明基板之瑕疵檢測裝置，其中該透鏡組包含第一透鏡與第二透鏡構成一光學影像縮小系統。
  10. 一種透明基板之瑕疵檢測裝置，包括：一發射光源；複數個面鏡，用於改變該發射光源之光路徑；一光擴束器，用以該發射光源所發出光濾波並成為一擴束光；一光學影像縮小系統，包含第一透鏡與第二透鏡；以及一光偵測器陣列，配置於該第二透鏡之旁側。
  11. 如請求項10所述之透明基板之瑕疵檢測裝置，更包括一濾波器遮罩配置於該光學影像縮小系統之該第一透鏡與該第二透鏡之間。
  12. 如請求項10所述之透明基板之瑕疵檢測裝置，更包括一光學中繼系統、一濾波器遮罩以及一光柵，其中該光柵配置於該光學影像縮小系統與該光學中繼系統之間，而該濾波器遮罩配置於該光學中繼系統之第三透鏡與第四透鏡之間。
  13. 一種透明基板之瑕疵檢測裝置，包括：一發射光源；複數個面鏡，用於改變該發射光源之光路徑；一光擴束器，用以該發射光源所發出光濾波並成為一擴束光；一光學影像縮小系統，包含第一透鏡與第二透鏡； 一光學中繼系統，包含第三透鏡與第四透鏡；一分光鏡，配置於該第二透鏡之光路出口與第三透鏡之光路入口之間；一濾波器遮罩，配置於該第三透鏡與該第四透鏡之間；以及一光偵測器陣列，配置於該第四透鏡之旁側。
  14. 如請求項13所述之透明基板之瑕疵檢測裝置，更包括一濾波器遮罩，該濾波器遮罩為相位式或振幅式遮罩。
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