TWI388817B - Method and device for measuring the defect of the CCD object by the critical angle method - Google Patents

Description

臨界角法結合CCD作物件缺陷量測之方法及裝置

本發明係有關一種臨界角法結合CCD作物件缺陷量測之方法及裝置，尤指一種結合擷取影像技術與臨界角法技術，俾能量測出待測物之表面與內部缺陷資訊者

由於工業的快速發展，使得各種精密加工產業急遽增加，而加工物件的表面平整度與缺陷，也日益要求精細。這些年來，各種研究加工物件的粗糙度的專題報告，有不斷增加的趨勢。

按，物件粗糙度量測大致上可分為接觸式量測與非接觸式量測二種，以傳統型探針式輪廓儀來說，常常在測量時破壞了待測物表面，也因為探針尺寸的關係，如參考文獻[1][2]所示，使得解析度受到限制。而非接觸式量測以光學方法量測表面粗糙度，並不會對待測物造成破壞，也可提供不錯的解析度以及具有即時性的量測優點，所以已經成為主流趨勢。以下是一些光學法量測表面粗糙度的文獻回顧。

於1969年，I. J. Hodgkinson如參考文獻[3]提出一個新的拍照方法用來描繪出成對的鍍膜光學平面，可以應用在λ/10或更好的表面上。在曝光期間藉由慢慢改變平面之間的分隔線，干涉圖形變化會被記錄由於透光值所對應的高度誤差幾乎是線性的，因此可在從大量干涉圖形的透光樣本中決定出表面缺陷。

於1972年的時候，R. A. Sprague如參考文獻[4]首度提出利用空間相干性光在一個透鏡的成像平面附近形成干涉斑點圖案，當把粗糙和光照度來做比較時，將會發現表面粗糙與斑點的對比度有關，表面適合於0.05到25μm(2-1000-μin.)標準粗糙範圍。然而，這個方式有兩個限制條件：1.粗糙度必須是在高度(必須小於光照量的15%波長)上，由波長取得的一小部分的波長。2.表面高度必須呈高斯分佈。

1984年，J. 0. Porteus及Steven C. Seitel如參考文獻[5]，提出具有受照的光點尺寸之雷射損失極限比例是已知的效應。當損失由缺陷所控制時，光點尺寸比例會被歸因為損失機率的50%之傳統定義的極限。藉由重新定義在0%等級(絕對損失起始)，將會獲得與光點無關的結果。在這裡發表一個方法，此法為了要得到光學表面(此面屬於脈衝雷射輻射)的損耗初始值。這個方法牽涉到損耗頻率數據之加權最小平方擬合法，這個方法有三個參數分佈總合代表內部缺陷損耗特性。在數據中的光點尺寸效應藉由刻度轉換(可應用擬合之前的總合)來模擬。直接與反向轉換是由高斯和top-hat空間強度輪廓，可以指出測試後部的好處。最後提出三個應用在2.7-μm的多層膜，證明一般兩個參數衰減總合不適當性。最後提取不同的缺陷強度，區分不同的缺陷分類，而且討論在起始不確定性的表示式。

於1997年，Takayuki Okamoto及Ichirou Yamaguchi(如參考文獻[6]，提出藉由即時性全像術產生的非線性空間濾波方法結果，運用在提高週期性圖案的缺陷。他們利用上述特點(提高週期性圖案的缺陷)提出即時性的光學系統。實驗方法是利用欲探查的週期性圖案的傅立葉轉換來讀取被寫入在BR(bacteriorhodopsin)膜中的一個筆直和同位置的光柵。因為光柵的繞射效率決取於讀取光的強度，只有缺陷的分量會被選擇性的繞射及成像。這個系統是可應用在移動的物體上。實驗結果顯示出在具有150μm像素定位光罩(用在液晶顯示上)中有10μm一樣大小增加的缺陷。

1998年，Zu-Han Gu如參考文獻[7]，使用的方法類似角度記憶線(angular memory line)的方法，來偵測在粗糙表面幾何形狀的微小變化，實驗方法是在不同的觀察角度使用CCD來拍斑點圖片，以測量角度相關性。實驗結果顯示出遠場相干函數對粗糙的表面幾何的微小局部變化相當靈敏，會採用其中斑點空間相關性而不是待測物整體的平均值。當極化光從真空中(其中使用這表面的一部分是一個薄電介質層，其沉積在玻璃基板上及另一個部分除了局部性的缺陷，不然其餘都跟先前的一樣)入射在粗糙的表面，可以測量由1D任意的粗糙表面所散射之遠場斑點散射角度交叉相關函數。利用斑點製圖的工具來做待測物缺陷的檢驗，將可以想像其中的靈敏度特性的應用。

再於2000年，Luis Miguel Sanchez-Brea等人如參考文獻[8]，提出一個光學技術用在這個金屬線(直徑50-2000μm，被用在表面品質控制的線上系統)上的表面缺陷的技術檢測。這個技術是基於當光線在一個傾斜的角度入射到金屬線上，使得散射圓錐體的光強度變化。

另外，與本發明相關之技術包括下列的專利前案：

(1)專利公開第200427980號『透明基板端面部之檢查裝置及檢查方法』，當透明基板之顯示面板基板10載置於旋轉台21時，則以與顯示面板基板10之端面部呈對向配置的端面照明部39間歇地照射光線。沿著顯示面板基板10表面所照射之光線，係藉下部反射鏡42往顯示面板基板10之端面部反射。該端面部及其附近部分，係以影像擷取裝置攝影機36拍攝，且依據所獲得之影像資料之各像素的影像濃度，來檢測出顯示面板基板10之端面部的缺陷。

(2)專利公開第200527321號『缺陷檢查方法』，其係提供一種缺陷檢查方法，其可按照圖案之密度自動地設定具有相應於缺陷部分之尺寸之缺陷檢測靈敏度的尺寸判定區域，進行缺陷檢查。其包含第1步驟，其基於參照圖像資料，對於複數個方向計測圖案之寬度，並將上述參照圖像資料變換為相應於上述圖案對於上述各方向之寬度的亮度，製作對應於上述各方向之複數個掃描圖像資料；第2步驟，其比較上述複數個掃描圖像資料，並自該等掃描圖像資料選出為最小之亮度的最小亮度，製作寬度圖像資料；第3步驟，其基於被檢查圖像資料與上述參照圖像資料抽出缺陷部分，並將對於上述圖案之寬度成為最小亮度之方向測定上述缺陷部分之尺寸變換為亮度，製作缺陷尺寸圖像資料；以及第4步驟，其基於上述缺陷尺寸圖像資料與上述寬度圖像資料，進行對於上述缺陷部分之缺陷判定。

(3)專利公開第200813421號『表面檢查裝置』，其對反覆圖案之複數種類的缺陷能確保充分的檢測感度。該表面檢查裝置具備：用以照明形成於被檢物件20之表面的反覆圖案，並測定反覆圖案之形狀變化所引起之正反射光L2之強度變化的機構(13~15)；以直線偏光照明反覆圖案，且將反覆圖案之反覆方向與直線偏光之振動面之方向所形成的形成角度設定成傾斜的角度，並測定反覆圖案之形狀變化所引起之正反射光L2之偏光狀態之變化的機構(13~15)；及根據正反射光L2之強度變化與偏光狀態的變化，以檢測反覆圖案之缺陷的機構15。

(4)專利公開第200804758『表面檢查裝置』其具備：將直線偏光L1照射於形成有反覆圖案之晶圓10表面之照明光學系統30、用以保持晶圓10之對準載台20、用以拍攝來自晶圓10表面之反射光的像之攝影光學系統40、用以儲存藉由攝影光學系統40所拍攝的影像之影像儲存部51、對儲存於影像儲存部51之影像進行既定影像處理以檢測出反覆圖案缺陷之影像處理部52、以及用以輸出影像處理部52之影像處理結果之影像輸出部53；其中，係將第2偏光板43之透射軸之方位設定成相對第1偏光板32之透射軸傾斜45度。

(5)專利公開第200811433號『表面檢查裝置』，其具備：照明機構，係以直線偏光照射形成於被檢測物件表面之反覆圖案；設定機構，係將該直線偏光之入射面在該表面的方向與該反覆圖案之反覆方向所構成之角度設定為0以外的既定值；抽出機構，係抽出自該反覆圖案往正反射方向產生之光中、與該直線偏光之振動面垂直的偏光成分；受光機構，係接收以該抽出機構抽出之光，並輸出該正反射光的光強度；以及檢測機構，係根據自該受光機構輸出之該正反射光的光強度，來檢測該反覆圖案的缺陷；該設定機構，係將該直線偏光之入射面在該表面的方向與該反覆圖案之反覆方向所構成之角度，設定成來自該表面之正常部分的光強度與來自該表面之缺陷部分之光強度的差成為最大。

(6)專利公開第200741199號『表面檢查裝置及表面檢查方法』，其在於降低底層之影響，良好地進行表面之重複圖案的缺陷檢查。其特徵在於具備：機構13,用來對受檢物件20之表面的重複圖案照射照明光L1；機構11、12,用來將含照明光之照射方向及表面之法線1A的入射面於表面之方向與重複圖案之重複方向所形成的角度設定為0以外之既定值；受光機構14,當照射照明光時，接受來自重複圖案所產生之正反射光，然後將該正反射光之光強度資訊輸出；以及檢測機構15,根據從受光機構所輸出之資訊，來檢測重複圖案之缺陷。又，入射面於表面之方向與重複方向所形成的角度φ、照明光之照射方向與表面之法線所形成的角度θ、照明光之波長λ、以及重複圖案之間距p係滿足條件式(λ/【2cos(θ.sinφ)】>p)。

(7)專利公開第200745538『缺陷檢測裝置』，其具有於一軸方向掃瞄被檢測體之表面圖像而取得之照相機，且照相機之輸出傳送至控制部3之圖像取得電路。藉圖像取得電路分隔拍攝開始觸發、擷取開始像素位置及擷取結束像素位置，取得從照相機取得之圖像資料，而僅作成缺陷區域之圖像，以進行圖像處理等。根據本缺陷檢測裝置，可從基板等被檢測體快速挑選必要之資訊，而快速執行檢測。

上述專利前案皆非以角度偏向法與影像擷取裝置做表面與內部缺陷的量測；反觀，本發明係為一種高精度表面粗糙度及形貌輪廓的量測技術，架構上以CCD擷取影像結合臨界角強度檢測技術方式。當光束入射於待測物件上時，會因待測物件表面的高低變化，造成穿透或反射的光束有微小的角度改變量，使得光強度因偏離臨界角附近的角度而變大或變小，以CCD擷取缺陷光強影像，與標準影像相比，即可得到待測物之缺陷與形貌。因架構在檢測應用上的靈活選擇性，使待測物件可做超光滑表面的高解析度量測或高表面變化的低解析度檢測，具有非接觸、大範圍、高靈敏度及抗空氣擾動的高穩定性檢測優勢。

有鑑於此，本發明與上述專利前案所採用之技術手段及達成功效皆有所不同，故本發明足以與上述專利前案做一有效的區別。

參考文獻：

[1]J. Garratt and M. Mills,“Measurement of the roughness of supersmooth surfaces using a stylus instrument”,Nanotechnology ,7 ,13-20,1996.

[2]J. M. Bennett and J. H. Dancy,“Stylus profiling instrument for measuring statistical properties of smooth optical surface”,Applied Optics ,20 ,1785-1802,1981.

[3]I. J. Hodgkinson,“A Method for Mapping and Determining the Surface Defects Function of Pairs Coated Optical Flats“,Applied Optics ,8 ,1373-1378,1969.

[4]Robert A. Sprague,“Surface roughness measurement using white light speckle“,Applied Optics ,11 ,2811-2816,1972.

[5]J. 0. Porteus and Steven C. Seitel,“Absolute onset of optical surface damage using distributed defect ensembles”,Applied Optics ,23 ,3796-3805,1984.

[6]Takayuki Okamoto and Ichirou Yamaguchi,“Real-time enhancement of defects in periodic patterns by use of a bacteriorhodopsin film”,Optics Letters ,22 ,337-339,1997.

[7]Zu-HanGu,”Detection of a small defect on a rough surface”,Optics Letters,23 ,494-496,1998.

[8]Luis Miguel Sanchez-Brea,Philip Siegmann,Maria Aurora Rebollo,and Eusebio Bernabeu,“Optical technique for the automatic detection and measurement of surface defects on thin metallic wires”,Applied Optics ,39 , 539-545,2000.

本發明之目的在於提供一種臨界角法結合CCD作物件缺陷量測之方法及裝置，由於採用架構於檢測應用上具有靈活選擇性，使待測物件可做超光滑表面的高解析度量測或高表面變化的低解析度檢測，因而具有非接觸、大範圍、高靈敏度、檢測快速即時、高精密、簡易操作以及抗空氣擾動的高穩定性檢測等諸多的優勢。

為達成上述功效，本發明採用之技術手段係將良品置於光學掃瞄手段與多次反射稜鏡感測器之間的光路上，再以光學掃瞄手段發出一掃瞄光束穿透或反射良品後至多次反射稜鏡感測器中，當掃瞄光束入射至多次反射稜鏡感測器時，以旋轉手段轉動多次反射稜鏡感測器，使掃瞄光束調整靠近至臨界角以作為基準面的光強度，再以影像擷取裝置擷取基準面光強度以作為基準影像，並以光學掃瞄手段發出掃瞄光束穿透或反射一待測物而入射至該多次反射稜鏡感測器，使掃瞄光束產生微小角度變化而偏離原本角度以造成光強度的變化，而以影像擷取裝置擷取待測物表面光強度以作為測試影像，再以運算手段將基準影像與測試影像進行比對，俾能得到待測物之缺陷資訊者。

壹．本發明基本技術特徵 1.1本發明之方法特徵

請參看第七至九圖所示，本發明主要係將擷取影像技術與臨界角法技術結合，當光束入射於待測物(1a)時，會因待測物(1a)表面的高低變化，造成穿透或反射的光束有微小的角度改變量，使光強度因偏離臨界角附近的角度而變大或變小，再以擷取影像技術擷取缺陷光強影像，再與標準面影像相比，即可得到待測物(1a)之缺陷與形貌，為達上述功效，本發明係提供一光學掃瞄手段(10)、一多次反射稜鏡感測器(20)、一用以驅動該多次反射稜鏡感測器(20)改變角度的旋轉手段(30)、一影像擷取裝置(40)及一運算手段(50)。

請參看第五至七圖所示，本發明之具體方法係將一良品(1)置於光學掃瞄手段(10)與多次反射稜鏡感測器(20)之間的光路上，再以光學掃瞄手段(10)發出一掃瞄光束穿透或反射良品(1)後至多次反射稜鏡感測器(20)中。當掃瞄光束入射至多次反射稜鏡感測器(20)時，再以旋轉手段(30)轉動多次反射稜鏡感測器(20)的角度，使掃瞄光束之入射角調整至靠近臨界角以作為基準面的光強度，再以該影像擷取裝置(40)擷取該基準面光強度以作為基準影像。

再請參看第七至九圖所示，再使光學掃瞄手段(10)發出掃瞄光束穿透或反射一待測物(1a)而入射至多次反射稜鏡感測器(20)中，使掃瞄光束產生微小角度變化而偏離原本角度以造成光強度的變化，再以影像擷取裝置(40)擷取待測物(1a)表面光強度以作為測試影像。

請參看第七至九圖所示，以該運算手段(50)將該基準影像與該測試影像進行比對，進而得到該待測物(1a)之缺陷資訊。上述方法基本特徵中，多次反射稜鏡感測器(20)之較佳實施例可為一四邊形稜鏡感測器。另該影像擷取裝置(40)之較佳實施例可為一電荷耦合元件CCD。

1.2本發明之裝置特徵

請參看第七至九圖所示，本發明主要係將擷取影像技術與臨界角法技術做一結合，當光束入射於待測物(1a)時，會因待測物(1a)表面的高低變化，造成穿透或反射的光束有微小的角度改變量，使光強度因偏離臨界角附近的角度而變大或變小，再以擷取影像技術擷取缺陷光強影像，再與標準面影像相比，即可得到待測物(1a)之缺陷與形貌，為達上述功效，其包括一光學掃瞄手段(10)、一影像擷取裝置(40)、一旋轉手段(30)、一多次反射稜鏡感測器(20)及一運算手段(50)，茲將本發明具體結構形態詳細陳述如后：

請參看第七至九圖所示，本發明之光學掃瞄手段(10)主要係用來發出一掃瞄光束，並以影像擷取裝置(40)來擷取待測物(1a)之光強影像。而且多次反射稜鏡感測器(20)可以設置在旋轉手段(30)上，藉由旋轉角度而可調整多次反射稜鏡感測器(20)的角度，當掃瞄光束穿透或反射一良品(1)而入射至多次反射稜鏡感測器(20)時，藉由旋轉手段(30)轉動多次反射稜鏡感測器(20)，使入射之掃瞄光束靠近至臨界角以作為基準面的光強度，並以影像擷取裝置(40)擷取基準面光強度，用以作為基準影像。

另外，再以掃瞄光束穿透或反射一待測物(1a)而入射至多次反射稜鏡感測器(20)中，使掃瞄光束產生微小角度變化而偏離原 本角度以造成光強度的變化，因而可以影像擷取裝置(40)來擷取待測物(1a)光強度，以作為測試影像。

請參看第七至九圖所示，再運用運算手段(50)將基準影像與測試影像進行比對，進而可以得到待測物(1a)之缺陷資訊。

上述裝置基本特徵中，多次反射稜鏡感測器(20)係為一四邊形稜鏡感測器。該影像擷取裝置(40)係為一電荷耦合元件CCD。

貳．本發明具體實施例

2.1光學掃瞄手段第一種實施例

請參看第七圖所示，於本實施例中係為一種穿透式透明物件量測技術，為達此目的，其包括一用以發出掃瞄光束的雷射光源(11)、一用以擴大掃瞄光束的第一透鏡(12)、一用以阻絕該掃瞄光束之反射光返回至該雷射光源(11)的光阻隔器(13)、一用以濾除雜散光源的空間濾波器(14)、一偏極板(15)及一檢偏板(16)。空間濾波器(14)係介置於光阻隔器(13)與該第一透鏡(12)之間。另偏極板(15)係介置於該第一透鏡(12)與該待測物(1a)之間，其透光軸與x軸平行，以供該掃瞄光束入射而穿透該待測物(1a)。又，檢偏板(16)係用來調整掃瞄光束透光軸方位角，使掃瞄光束之強度調整至影像擷取裝置(40)可以解析的程度。

2.2光學掃瞄手段第二種實施例

請參看第八圖所示，於本實施例中係為一種垂直入射反射式量測技術，為達此目的，其包括用以發出該掃瞄光束的雷射光源(11)、一用以擴大掃瞄光束的第一透鏡(12)、一用以阻絕該掃瞄光束之反射光返回至該雷射光源(11)的光阻隔器(13)、一的空間濾波器(14)、一偏極板(15)、一偏極分光鏡(17)、一四分之一波 片(18)及一檢偏板(16)。

再請參看第八圖所示，本發明係以雷射光源(11)發出作為掃瞄光束的雷射光源(11)，且空間濾波器(14)係介置於該光阻隔器(13)與該第一透鏡(12)之間，用來濾除雜散光源。另，偏極板(15)介置於第一透鏡(12)與待測物(1a)之間，使其偏極在y方向。並以偏極分光鏡(17)反射掃瞄光束，再以四分之一波片(18)使掃瞄光束成為圓偏極光，在透過透光軸與Y軸平行的檢偏板(16)來調整掃瞄光束之出射強度，並使掃瞄光束經一第二透鏡(120)聚焦，再由待測物(1a)反射沿原光路返回至第二透鏡(120)，並再次通過四分之一波片(18)而成為水平偏極光，再經偏極分光鏡(17)穿透而入射至多次反射稜鏡感測器(20)中，再調整旋轉手段(30)之角度，使掃瞄光束之入射角靠近臨界角，並經第三透鏡(121)成像於影像擷取裝置(40)上，再由運算手段(50)來分析該待測物(1a)之缺陷。

2.3光學掃瞄手段第三種實施例

請參看第九圖所示，於本實施例中係為一種斜向入射反射式量測技術，為達此目的，其包括一用以發出掃瞄光束的雷射光源(11)、一用以擴大掃瞄光束的第一透鏡(12)、一用以阻絕該掃瞄光束之反射光返回至該雷射光源(11)的光阻隔器(13)、一空間濾波器(14)、一偏極板(15)及一檢偏板(16)。

於本實施例中，係以雷射光源(11)發出掃瞄光束，空間濾波器(14)係介置於光阻隔器(13)與第一透鏡(12)之間，以供掃瞄光束入射以濾除雜散光源。且偏極板(15)介置於該待測物(1a)與該多次反射稜鏡感測器(20)之間，該偏極板(15)透光軸與x軸平行，以供該掃瞄光束斜向入射該待測物(1a)。另，檢偏板(16)介置於多次反射稜鏡感測器(20)與影像擷取裝置(40)之間，且檢偏板(16)透光軸與X軸平行，用以調整掃瞄光束之出射強度，並使掃瞄光束之入射角靠近臨界角，再經一第二透鏡(120)成像於該影像擷取裝置(40)上，再由該運算手段(50)分析該待測物(1a)之缺陷。

2.4雙軸移動平台的實施例

請參看第七至九圖所示，為選擇待測物(1a)所欲量測之部位，故本發明更包括一供該待測物(1a)置放的雙軸移動平台(60)，再以該運算手段(50)用以控制該雙軸移動平台(60)往X或Y軸方向移動，以控制擷取該待測物(1a)所需掃瞄的資料，而可繪出量測結果。

2.5運算手段的實施例

請參看第五至七圖所示，本發明於一種具體實施例中，該運算手段(50)係為一電腦(50a)，其包含一用以擷取由該影像擷取裝置(40)所提供之影像的影像擷取卡(圖中未示)，及一分析軟體，該分析軟體用以將基準影像與測試影像相比，再經過電腦(50a)分析影像，即可得到待測物(1a)之缺陷資訊。

參．本發明之原理 3.1待測物之光線偏向推導

當光線入射至具有微小內部偏移角的透明平板待測物(1a)如第一圖所示。內部偏移角為α，在第一界面的入射角為θ _{i 1} ，第二界面反射角為θ _{t 2} 。根據幾何光學理論，偏向角度可寫成

β=θ _{i 1} +θ _{t 2} -α　(1)

如第二圖所示，假設光線垂直入射於第一界面，即θ _{i 1} =0、θ _{t 2} =sin^-1 (n sinα)在這裡的n 為平板之折射率。所以偏向角度又可重寫為 從上式可知，角度偏向是正比於內部偏移角。當我們已知平板的折射率，就可以藉由測量β角可經由公式得到待測物(1a)內部偏移角α。

3.2.待測物表面高度變化和偏向角度之關係

由第二圖中得知，測試光束入射於待測物(1a)，當待測物(1a)表面有△h 的變化時，造成光路偏移原來路徑方向，形成+β或-β的角度偏移量。在此裝置中，雷射光先入射至待測物(1a)再折射出去。若待測物(1a)的表面(平面1與平面2)互相平行時，透射出去的光線不會產生角度的偏移，若待測物(1a)的兩表面間產生±α的角度，則會分別形成+β或-β的偏向角度變化量。此現象可由第二圖的幾何關係圖推導出來。β=sin^-1 (n sinα)-α(n -1)α，其中α為待測物(1a)內部偏移的角度，當第二面的斜率為正時，我們定義α值為正，反之，則α為負。θ _{t 2} 為出射角，n 為待測物(1a)的折射率，△x 為每單位掃描的移動距離，△h 為每單位掃描的高度變化。已知β和α幾乎是維持一個線性關係。因此表面高度差可寫成△h =-α△x (3)

故掃描此平板，即可求出每一個位置上的△h 值，而求出待測平板之缺陷或傾斜角度。

3.3入射角θ ₁ 與外角θ推導

當雷射光從空氣(其折射率n ₂ =1.0003)中以角度θ入射到折射率n ₁ (=1.51509)之直角稜鏡，如第三圖所示，可以求得θ和鏡內入射角θ₁ 之間的關係，以及折射角θ₂ 及入射角θ₁ 關係，根據Snell定律可寫出下列兩個式子：

n ₁ sinθ₁ =n ₂ sinθ₂ 　(4)

n ₁ sinθ^' =n ₂ sinθ　(5)

移項第(4)式，可得折射角θ₂ 及入射角θ₁ 關係：

移項第(5)式，可得法線與入射光線夾角θ^' 與外角θ關係

又θ₁ =45°+θ^' 　(8)

把(7)式代入(8)式可得入射角θ₁ 與外角θ關係式

3.4臨界角與全反射原理

如第三圖所示，當光線由光密介質n ₁ (折射率較大的介1質)入射光疏介質n ₂ (折射率較小的介質)，稱之為內反射，在內反射的情況下，折射光會較偏離法線，即入射角θ₁ 小於折射角θ₂ 。所以當入射角繼續增大時，之後將會使得折射角先達到90°，折射角為90°時所對應的入射角我們稱之為臨界角θ _c ，而任何大於臨界角的入射光線，都只會有反射情形，看不到折射光線，此現象稱為全反射。

根據(4)式，我們把θ₁ 改為θ _c ，再把θ₂ =90°、直角稜鏡折射率n ₁ (=1.51509)、空氣折射率n ₂ (=1.0003)代入(4)式即可得到。

所以根據第(9)可知，入射角θ₁ >θ _c ，故會產生全反射現象。根據P極化光的Fresnel equations可知其反射係數為：

其中r _p 為反射係數，n ₁ 為折射率較大的介質，n ₂ 為折射率較小的介質，θ₁ 為入射角，θ₂ 為折射角。

反射率R _p 定義為反射係數絕對值的平方即為：

上式為一次反射之反射率。

若為兩次反射時，則兩次反射率R _{p 2} 為反射係數平方之絕對值平方即為：

我們把直角稜鏡折射率(n ₁ =1.51509)、空氣折射率n ₂ (=1.0003)以及入射角θ₁ 取30°到45°的範圍先後代入(6)、(10)、(11)式，可得到第四圖。我們發現在臨界角41.317°近附的反射率變化是最靈敏的。

再考慮兩次反射之反射率，一樣把直角稜鏡折射率(n ₁ =1.51509)、空氣折射率以及入射角θ₁ 取30°到45°的範圍先後代入(6)、(10)、(11)、(12)式，可得到第五圖。觀察第四圖、第五圖可知，經過兩次反射的反射率對角度的變化會比一次反射的變化來的明顯，亦可增加反射次數以增加角度量測解析度。

根據(9)式，在n ₁ =1.51509、n ₂ =1.0003的條件下，令，可得到外角。我們把θ角度範圍取-14°到-4°、n ₁ =1.51509、n ₂ =1.0003先後代入(9)、(6)、(10)、(11)、(12)式可得到第六圖。

再觀察第六圖在臨界角所對應的外角-5.585°附近的反射率變化是最靈敏的。所以我們取外角-5.585°附近的角度來做量測。

由於光強度值是外角θ的函數，外角變化Δθ又與偏向角β成正比，而根據公式(2)，β角又與α角成正比，以及根據公式(3)Δh =-αdx ，因此我們可以利用光強度變化量ΔR _{P 2} 的值，來求出待測之平行板的傾角α，或求出此平行板的表面或內部缺陷Δh 。ΔR _{P 2} 的值可由影像擷取裝置(40)量測之，分別記錄經待測物(1a)(平行板)與標準平板後之光強度值，取出其間影像擷取裝置(40)影像之光強度差值，即可快速獲得待測物(1a)缺陷資訊。

3.5待測物件缺陷和臨界角強度之關係

首先，先將未有刮痕之待測物(1a)放置於多次反射稜鏡感測器(20)與偏極板(15)(其透光軸與x軸平行)之間，然後轉動旋轉手段(30)(Rotation Stage)，調整光線靠近臨界角，為基準面的強度，由影像擷取裝置(40)拍攝其影像，當作基準影像。之後再把未有刮痕之待測物(1a)換成有刮痕(缺陷)之待測物(1a)，光線入射至缺陷待測物(1a)，產生光線偏移，使得光線入射至感測器會偏離原本的角度，而造成光強度上升或下降，之後再由影像擷取裝置(40)拍攝其影像，當作測試影像，利用電腦(50a)儲存圖片，再將測試影像與基準影像相比，即可知道待測物(1a)缺陷。

肆．本發明之實驗例 4.1本發明採用之光學元件及儀器介紹：

(1)雷射光源(11)：係為波長632.8nm之系統光源。

(2)Isolator光阻隔器(13)：避免一個系統的反射光返回雷射，造成雷射損傷。

(3)Spatial Filter空間濾波器(14)：使其在物鏡焦距上以便濾除雜散光源。

(4)第一透鏡(12)、第二透鏡(120)及第三透鏡(121)：可擴大光束或是聚焦光點。

(5)(PL)Polarizer偏極板(15)：可調整其角度，以改變光偏極方向。

(6)Rotation Stage旋轉手段(30)：可改變角度的平台。

(7)Ant(Analyzer檢偏板(16)：可調整其角度，以改變光強度大小。

(8)Wave plate(四分之一波片(18)：光經過此波片，會變成圓偏極光。

(9)影像擷取裝置(40)：用來拍攝待測物(1a)的工具。

(10)多次反射稜鏡感測器(20)：在臨界角附近做為微小角度感測之用，其反射次數大於一次。

4.2以臨界角法結合CCD作缺陷量測之實驗架構

本實驗例整個穿透式光學系統架構如第七圖所示，第八圖為反射式垂直入射小面積量測架構，第九圖為反射式斜向入射測量大面積架構。主要可分成三個部份：(A)光源部份，(B)光路架構與(C)信號處理部份。

(A)掃瞄光束，該光源為雷射光源(11)。

(B)光路架構，其包括：一個光阻隔器(13)(Isolator)以避免一個系統的反射光返回雷射。從光阻隔器(13)的出來光入射至空間濾波器(14)(Spatial filter)和透鏡(12)(Lens)擴大光束。擴束光經由一偏極板(15)(其透光軸平行於X軸)，然後入射至靠近臨界角情形之多次反射稜鏡感測器(20)，即可使用旋轉手段(30)(Rotation Stage)來調整多次反射稜鏡感測器(20)(即平形四邊形稜鏡)的入射角，再由影像擷取裝置(40)偵測結果。

(C)信號處理包括：影像擷取裝置(40)、電腦(50a)、檢偏板(16)Ant：可旋轉檢偏板(16)來調整影像擷取裝置(40)的光強度以避免CCD亮度飽和。

影像擷取裝置(40)、電腦(50a)：利用電腦(50a)儲存強度影像當做基準影像。在表面的量測當中，把一待測物(1a)放置在偏極板(15)和多次反射稜鏡感測器(20)之間，而測試面是朝向擴束光。通過平板的光入射至多次反射稜鏡感測器(20)。因此，測試影像由影像擷取裝置(40)記錄下來，然後由電腦(50a)儲存。對照測試以及基準影像顯示出在強度變化圖形中顯示著缺陷訊息，同時也正比於表面高度。

4.3穿透式對透明待測物量測

本發明係以臨界角原理為基礎再經過一些巧妙的光路安排，用影像擷取裝置(40)拍攝待測物(1a)之缺陷光強影像。如第七圖所示，以雷射當光源，入射經由一個光阻隔器(13)(Isolator)以避免一個系統的反射光返回雷射，從光阻隔器(13)的出射光入射至空間濾波器(14)(Spatial filter)和透鏡(12)擴大光束，經過偏極板(15)PL(Polarizer)(其透光軸與x軸平行)，入射至待測物(1a)(Sample)，可利用雙軸移動平台(60)選擇欲量測之部位，光線經由多次反射稜鏡感測器(20)，旋轉手段(30)(Rotation Stage)使入射角達到靠近臨界角產生靈敏的光強度變化，出射出來的光線由於光強度太強，加入檢偏板(16)(Analyzer)ANt，調整其透光軸方位角，使光強度調整至影像擷取卡能解析的光強度範圍，再經由影像擷取裝置(40)拍攝其影像，最後由電腦(50a)來分析待測物(1a)之缺陷。把基準影像即未有缺陷之待測物(1a)與測試影像即有缺陷之待測物(1a)相比，再經過電腦(50a)分析軟體分析影像，即可得到待測物(1a)之缺陷。以電腦(50a)控制掃瞄xy雙軸移動平台(60)，擷取所有掃瞄的資料，並繪出量測結果。

4.4垂直入射反射式量測

如第八圖所示，以雷射當光源，入射經由一個光阻隔器(13)(Isolator)以避免一個系統的反射光返回雷射，從光阻隔器(13)的出射光入射至空間濾波器(14)(Spatial filter)和第一透鏡(12)擴大光束，經過偏極板(15)PL(Polarizer)(其透光軸與y軸平行)，使其偏極在y方向。經一偏極分光鏡(17)PBS(Polarization Beam splitter)反射後，再經一四分之一波片(18)(Wave plate)，使此光成圓偏極光，先經第二透鏡(12)聚焦，經待測物(1a)(Sample)反射沿原路徑返回第二第一透鏡(12))，再一次通過四分之一波片(18)而成水平偏極光，因此再經PBS穿透，入射多次反射稜鏡，調整旋轉平台(Rotation Stage)使其入射角靠近臨界角，其出射強度可藉由旋轉檢偏板(16)ANt(Analyzer)調整之。然後經第三透鏡(121)成像在影像擷取裝置(40)上，經由影像擷取裝置(40)拍攝其影像，最後由電腦(50a)來分析待測物(1a)之缺陷。把基準影像即未有缺陷之待測物(1a)與測試影像即有缺陷之待測物(1a)相比，再經過電腦(50a)分析軟體分析影像，即可得到待測物(1a)之缺陷。以電腦(50a)控制掃瞄xy雙軸移動平台(60)，擷取所有掃瞄的資料，並繪出量測結果。

4.5斜向入射反射式量測

如第九圖，可利用雙軸移動平台(60)選擇欲量測之部位，同樣以雷射光源(11)入射經由一個光阻隔器(13)(Isolator)以避免一個系統的反射光返回雷射，從光阻隔器(13)的出射光入射至空間濾波器(14)(Spatial filter)和第一透鏡(12)擴大光束。斜向入射待測物(1a)(Sample)，經過偏極板(15)PL(Polarizer)(其透光軸與x軸平行)，入射至多次反射稜鏡感測器(20)，調整旋轉手段(30)(Rotation Stage)使其入射角靠近臨界角，其出射強度可藉由旋轉檢偏ANt(Analyzer)調整之。然後經第二第一透鏡(12)成像在影像擷取裝置(40)上，經由影像擷取裝置(40)拍攝其影像，最後由電腦(50a)來分析待測物(1a)之缺陷。把基準影像即未有缺陷之待測物(1a)與測試影像即有缺陷之待測物(1a)相比，再經過電腦(50a)分析軟體分析影像，即可得到待測物(1a)之缺陷。

陸．結論

因此，藉由上述技術特徵的建置，本發明係採用架構於檢測應用上具有靈活選擇性，使待測物件可做超光滑表面的高解析度量測或高表面變化的低解析度檢測，因而具有非接觸、大範圍、高靈敏度、快速即時、高精密、簡易操作以及抗空氣擾動的高穩定性檢測等諸多的特點。

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列申請專利範圍所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明之方法及其機構，除上述優點外，並深具產業之利用性，可有效改善習用所產生之缺失，而且所具體界定於申請專利範圍之特徵，未見於同類物品，故而具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

(1)．．．良品

(1a)．．．待測物

(10)．．．光學掃瞄手段

(11)．．．雷射光源

(12)．．．第一透鏡

(120)．．．第二透鏡

(121)．．．第三透鏡

(13)．．．光阻隔器

(14)．．．空間濾波器

(15)．．．偏極板

(16)．．．檢偏板

(17)．．．偏極分光鏡

(18)．．．四分之一波片

(20)．．．多次反射稜鏡感測器

(30)．．．旋轉手段

(40)．．．影像擷取手段

(50)．．．運算手段(50)

(50a)．．．電腦

(60)．．．雙軸移動平台

第一圖係本發明光經過待測物之偏向角度示意圖。

第二圖係本發明待測面傾斜之高度差與角度偏向關係示意圖。

第三圖係本發明光線入射直角稜鏡光路之示意圖。

第四圖係本發明一次反射之反射率對應入射角θ₁ 的關係示意圖。

第五圖係本發明兩次反射之反射率對應入射角θ₁ 的關係示意圖。

第六圖係本發明兩次反射之反射率對應外角θ的關係示意圖。

第七圖係本發明第一種光學掃瞄手段之架構示意圖。

第八圖係本發明第二種光學掃瞄手段之架構示意圖。

第九圖係本發明第三種光學掃瞄手段之架構示意圖。

(1)．．．良品

(1a)．．．待測物

(10)．．．光學掃瞄手段

(11)．．．雷射光源

(12)．．．第一透鏡

(13)．．．光阻隔器

(14)．．．空間濾波器

(15)．．．偏極板

(16)．．．檢偏板

(20)．．．多次反射稜鏡感測器

(30)．．．旋轉手段

(40)．．．影像擷取手段

(50)．．．運算手段

(50a)．．．電腦

(60)．．．雙軸移動平台

Claims (18)

1. 一種臨界角法結合CCD作物件缺陷量測之方法，其包括：提供一光學掃瞄手段、一多次反射稜鏡感測器、一用以驅動該多次反射稜鏡感測器改變角度的旋轉手段、一影像擷取裝置及一運算手段；將一良品置於該光學掃瞄手段與該多次反射稜鏡感測器之間的光路上；以該光學掃瞄手段發出一掃瞄光束穿透或反射該良品後至該多次反射稜鏡感測器，當該掃瞄光束入射至該多次反射稜鏡感測器時，以該旋轉手段轉動該多次反射稜鏡感測器，使該掃瞄光束調整靠近至臨界角以作為一基準面光強度；再以該影像擷取裝置擷取該基準面光強度作為一基準影像；以該光學掃瞄手段發出一掃瞄光束穿透或反射一待測物而入射至該多次反射稜鏡感測器，使該掃瞄光束產生微小角度變化而偏離原本角度以造成光強度的變化；再以該影像擷取裝置擷取該待測物表面光強度以作為一測試影像；及以該運算手段將該基準影像與該測試影像進行比對，並依據比對結果產生該待測物之缺陷資訊。
2. 如請求項第1項所述之物件缺陷量測之方法，其中，所提供之該光學掃瞄手段包括：一雷射光源，其用以發出該掃瞄光束；一光阻隔器，用以阻絕該掃瞄光束之反射光返回至該雷射光源； 一透鏡，用以擴大該掃瞄光束；一用以濾除雜散光源的空間濾波器，其介置於該光阻隔器與該第一透鏡之間；一偏極板，其介置於該透鏡與該待測物之間，其透光軸與x軸平行，以供該掃描光束入射而穿透該待測物；及一檢偏板，用以調整該掃瞄光束透光軸方位角，使該掃瞄光束之強度調整至該影像擷取裝置可以解析的程度。
3. 如請求項第1項所述之物件缺陷量測之方法，其中，所提供之該光學掃瞄手段包括：一用以發出該掃瞄光束的雷射光源；一用以阻絕反射光返回至該雷射光源的光阻隔器；一用以擴大該掃瞄光束的第一透鏡；一用以濾除雜散光源的空間濾波器，其介置於該光阻隔器與該第一透鏡之間；一介置於該第一透鏡與該待測物之間的偏極板，使其偏極在y方向；一偏極分光鏡，用以反射該掃瞄光束；一四分之一波片，用以使該掃瞄光束成為圓偏極光；一檢偏板，其透光軸與Y軸平行，用以調整該掃瞄光束之出射強度，並使該掃瞄光束經一第二透鏡聚焦，再由該待測物反射沿原光路返回至該第二透鏡，並再次通過該四分之一波片而成為水平偏極光，再經該偏極分光鏡穿透而入射至該多次反射稜鏡感測器中，再調整該旋轉手段之角度，使該掃瞄光束之入射角靠近臨界角，並經第三透鏡成像成像於該影像擷取裝置上，再由該運 算手段來分析該待測物之缺陷。
4. 如請求項第1項所述之物件缺陷量測之方法，其中，所提供之該光學掃瞄手段包括：一用以發出該掃瞄光束的雷射光源；一光阻隔器，其可供該掃瞄光束入射以阻絕反射光返回至該雷射光源；一第一透鏡，其用以將穿透該光阻隔器該掃瞄光束予以擴大；一空間濾波器，其介置於該光阻隔器與該透鏡之間，可供該掃瞄光束入射以濾除雜散光源；一偏極板，其介置於該待測物與該多次反射稜鏡感測器之間，該偏極板透光軸與x軸平行，以供該掃瞄光束斜向入射該待測物；及一檢偏板，其介置於該多次反射稜鏡感測器與該影像擷取裝置之間，該檢偏板透光軸與X軸平行，用以調整該掃瞄光束之出射強度，並以該旋轉手段使該掃瞄光束之入射角靠近臨界角，再經一第二透鏡成像於該影像擷取裝置上，而由該運算手段分析該待測物之缺陷。
5. 如請求項第1項所述之物件缺陷量測之方法，其更包括提供一供該待測物或該良品置放的雙軸移動平台，用以控制該待測物所欲量測之部位，再以該運算手段來控制該雙軸移動平台往X或Y軸方向移動，以控制擷取該待測物掃瞄的資料。
6. 如請求項第1項所述之物件缺陷量測之方法，其中，該掃瞄光束入射於該待測物且該待測物件的兩表面間具有高度變化時，會使由該掃瞄光束之光路偏移原來路徑方向，而形成+β或-β 的角度偏移量，其關係式為β=sin^-1 (nsinα)-α(n -1)α，其中α為該待測物內部偏移的角度，該β與該α係維持一個線性關係，而該待測物之表面高度差△h 其關係式為△h =-α△x ，再以該掃瞄光束掃描該待測物，即可求出每一個位置上的△h 值，進而求出該待測物之缺陷或傾斜角度。
7. 如請求項第1項所述之物件缺陷量測之方法，其中，該影像擷取裝置擷取該測試影像及該基準影像的光強度值後，經運算手段運算即可得出光強度變化量△R _{P 2} 值以及該待測物的缺陷資訊。
8. 如請求項第1項所述之物件缺陷量測之方法，其中，所提供之該多次反射稜鏡感測器係為一平行四邊形稜鏡感測器。
9. 如請求項第1項所述之物件缺陷量測之方法，其中，該運算手段係為一電腦，其包含一用以擷取該影像擷取裝置所提供之影像的影像擷取卡，及一分析軟體，該分析軟體用以將該基準影像與測試影像相比，再經過電腦分析影像，即可得到該待測物之缺陷資訊。
10. 如請求項第1項所述之物件缺陷量測之方法，其中，該影像擷取裝置係為一電荷耦合元件CCD。
11. 一種臨界角法結合CCD作物件缺陷量測之裝置，其包括：一光學掃瞄手段，其用以發出一掃瞄光束；一影像擷取裝置；一旋轉手段，其具旋轉角度功能；一多次反射稜鏡感測器，其設置於該旋轉手段上，其中，該掃瞄光束穿透或反射一良品而入射至該多次反射稜鏡感測器時，藉由該旋轉手段轉動該多次反射稜鏡感測器，使該掃瞄光束靠近 至臨界角以作為基準面的光強度，並以該影像擷取裝置擷取該基準面光強度作為基準影像，再以該掃瞄光束穿透或反射一待測物而入射至該多次反射稜鏡感測器，使該掃瞄光束產生微小角度變化而偏離原本角度以造成光強度的變化，而可以該影像擷取裝置擷取該待測物光強度，以作為測試影像；及一運算手段，其用以將該基準影像與該測試影像進行比對，進而得到該待測物之缺陷資訊。
12. 如請求項第11項所述之物件缺陷量測之裝置，其中，該光學掃瞄手段包括：一雷射光源，其用以發出該掃瞄光束；一光阻隔器，用以阻絕該掃瞄光束之反射光返回至該雷射光源；一透鏡，用以擴大該掃瞄光束；一用以濾除雜散光源的空間濾波器，其介置於該光阻隔器與該透鏡之間；一偏極板，其介置於該透鏡與該待測物之間，其透光軸與x軸平行，以供該掃瞄光束入射而穿透該待測物；一檢偏板，用以調整該掃瞄光束透光軸方位角，使該掃瞄光束之強度調整至該影像擷取裝置可以解析的程度。
13. 如請求項第11項所述之物件缺陷量測之裝置，其中，該光學掃瞄手段包括：一用以發出該掃瞄光束的雷射光源；一用以阻絕反射光返回至該雷射光源的光阻隔器；一用以擴大該掃瞄光束的第一透鏡； 一用以濾除雜散光源的空間濾波器，其介置於該光阻隔器與該透鏡之間；一介置於該第一透鏡與該待測物之間的偏極板，使其偏極在y方向；一偏極分光鏡，用以反射該掃瞄光束；一四分之一波片，用以將該掃瞄光束成為圓偏極光；一檢偏板，其透光軸與Y軸平行，用以調整該掃瞄光束之出射強度，並使該掃瞄光束經一第二透鏡聚焦，再由該待測物反射沿原光路返回至該第二透鏡，並再次通過該四分之一波片而成為水平偏極光，再經該偏極分光鏡穿透而入射至該多次反射稜鏡感測器中，再調整旋轉平台之角度，使該掃瞄光束之入射角靠近臨界角，並經第三透鏡成像成像於該影像擷取裝置上，再由該運算手段來分析該待測物之缺陷。
14. 如請求項第11項所述之物件缺陷量測之裝置，其中，該光學掃瞄手段包括：一用以發出該掃瞄光束的雷射光源；一光阻隔器，其可供該掃瞄光束入射以阻絕反射光返回至該雷射光源；一第一透鏡，其用以將穿透該光阻隔器該掃瞄光束予以擴大；一空間濾波器，其介置於該光阻隔器與該透鏡之間，可供該掃瞄光束入射以濾除雜散光源；一偏極板，其介置於該待測物與該多次反射稜鏡感測器之間，該偏極板透光軸與x軸平行，以供該掃瞄光束斜向入射該待測物；一檢偏板，其介置於該多次反射稜鏡感測器與該影像擷取裝置之間，該檢偏板透光軸與X軸平行，用以調整該掃瞄光束之出射強度，並使該掃瞄光束之入射角靠近臨界角，經一第二透鏡成像於該影像擷取裝置上，再由該運算手段分析該待測物之缺陷。
15. 如請求項第11項所述之物件缺陷量測之裝置，其更包括一供該待測物置放的雙軸移動平台，用以選擇該待測物所欲量測之部位，再以該運算手段用以控制該雙軸移動平台往X或Y軸方向移動，以控制擷取該待測物所需掃瞄的資料。
16. 如請求項第11項所述之物件缺陷量測之裝置，其中，該多次反射稜鏡感測器係為一平行四邊形稜鏡感測器。
17. 如請求項第11項所述之物件缺陷量測之裝置，其中，該運算手段係為一電腦，其包含一用以擷取由該影像擷取裝置所提供之影像的影像擷取卡，及一分析軟體，該分析軟體用以將該基準影像與測試影像相比，再經過電腦分析影像，即可得到該待測物之缺陷資訊。
18. 如請求項第11項所述之物件缺陷量測之裝置，其中，該影像擷取裝置係為一電荷耦合元件CCD。