TWI394946B - Method and device for measuring object defect - Google Patents

Description

物體缺陷之量測方法及其裝置

本發明係有關一種物體缺陷之量測方法及其裝置，尤指一種利用以角度偏向法與CCD感測裝置待測物之表面與內部缺陷量測者。

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。近年來，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。

粗糙度的量測可分為接觸式量測與非接觸式量測，以傳統型探針式輪廓儀量測工物件時，往往會破壞待測物之表面，加上探針尺寸的關係請參看參考文獻[1][2]，使得其解析度受到一定的限制。另外，非接觸式量測係以光學方法量測工物件之表面粗糙度，由於不會對待測物表面造成破壞，且具有可較佳的解析度以及即時性量測的優點，所以非接觸式量已經成為業界的主流趨勢。

請參看參考文獻[3]，於1969年J.Hodgkinson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。

請參看參考文獻[4]，於1972年R.A.Sprague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。

請參看參考文獻[5]，同年Elbaum等人也提出了進一步的論點[5]，包含利用由有限的同調長度的光形成斑點圖案並測量其對比度。也藉由縮短光的同調長度去得到少量的斑點，並且使用這項特點來減少斑點所帶給人困擾的效應。更探討在不同波長下所形成的遠場斑點圖案之間的相互關係，並說明它與粗糙度的相關性。

請參看參考文獻[6]，1984年J.0.Porteus及Steven C.Seitel[6]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。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。

請參看參考文獻[7]，於1997年，Takayuki Okamoto及Ichirou Yamaguchi[7]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。

請參看參考文獻[8]，1998年Zu－HanGu[8]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影像擷取裝置來拍斑點圖片，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。

請參看參考文獻[9]，2000年Luis Miguel Sanchez－Brea等人[9]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。

另外相關技術更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體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體表面之反覆圖案；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,用來對受檢物體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。

(8)專利公開第200743779號『表面電漿共振量測裝置及方法』，該表面電漿共振量測裝置40中，主要以TM波經表面電漿共振稜鏡於共振角時產生表面電漿波，此表面電漿共振稜鏡為一光耦合元件400，是以一稜鏡與一相對物體距離一間隙，以此光耦合元件400之反射光強度變化來量測此間隙之大小，雖是類似Otto組態架構，與本發明所用之KR組態不同，且二組態乃已於許多文獻揭露，早已是習知技術，雖然如此，本發明係應用其KR組態之表面電漿共振耦合稜鏡之角度靈敏特性，來 做為一角度感測器，與專利公開第200743779號做為間隙量測功用不同。

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，本發明架構上係結合表面電漿共振強度檢測技術與角度偏向法，再以擷取影像方式分析待測物表面或內部之缺陷。當光束入射於待測物件上時，會因待測物表面的高低變化，造成穿透或反射的光束有微小的角度改變量，使得光強度因偏離共振角附近的角度而變大或變小，以影像擷取裝置擷取缺陷光強影像，與標準面之影像相比，即可得到待測物之缺陷與形貌。因而使待測物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，具有快速即時、簡易操作、非接觸、大範圍、高靈敏度及抗空氣擾動的高穩定性檢測等優勢，因此，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(1981).

3. 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, pp. 2811-2816, 1972.

5. M. Elbaum, M. King, and M. Greenebaum, J.Opt. Soc. Am. 62,732A, 1972

6. J. O. Porteus and Steven C. Seitel, “Absolute onset of optical surface damage using distributed defect ensembles”,Applied Optics , 23, 3796- 3805(1984)

7. 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). Zu-Han Gu, ”Detection of a small defect on a rough surface”,OPTICS LETTERS , 23, 1998 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物體缺陷之量測方法及其裝置，主要將擷取影像技術與表面電漿共振技術結合，以量測待測物之表面形貌、缺陷、平整度以及平行度，不僅具備光學量測精度佳及簡化光學系統以降低成本等之特點，而且可以不須由專業人員操作即可達到快速量測之目的。

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角度感測器之間的光路上，以光學掃瞄手段發出一掃瞄光束穿透或反射該良品後至角度感測器，當掃瞄光束入射至角度感測器時，以旋轉手段轉動該角度感測器，使掃瞄光束達到共振角附近，以作為基準面光強度，再以影像擷取手段擷取基準面光強度以作為基準影像，以光學掃瞄手段發出該掃瞄光束穿透或反射一待測物，當掃瞄光束入射至角度感測器時，藉由待測物表面或內部缺陷使該掃瞄光束偏離共振角而產 生待測物光強度，再以影像擷取手段擷取待測物表面光強度以作為測試影像，以運算手段將基準影像與測試影像進行比對，進而得到待測物之缺陷資訊者。

壹．本發明基本技術特徵 1.1方法基本技術特徵

請參看第五至七圖所示，本發明主要係將擷取影像技術與表面電漿共振技術結合，以量測待測物(1)之表面形貌、缺陷、平整度以及平行度，而可應用於精密工業之量測用途上，為達上述功效，其包括提供一光學掃瞄手段(10)、一角度感測器(20)、一用以驅動角度感測器(20)之旋轉手段(30)、一影像擷取手段(40)及一運算手段(50)。

請參看第五至七圖所示，將一良品(1a)置於該光學掃瞄手段(10)與該角度感測器(20)之間的光路上，以該光學掃瞄手段(10)發出一掃瞄光束穿透或反射該良品(1a)後至該角度感測器(20)，當該掃瞄光束入射至該角度感測器(20)時，以該旋轉手段(30)轉動該角度感測器(20)，使該掃瞄光束達到共振角附近，但不是共振角，在此反射率較為線性區段(此與專利公開第200743779號不同)，以作為基準面光強度。

請參看第一至三圖所示，以該影像擷取手段(40)擷取該基準面光強度以作為基準影像，移開該良品(1a)，再以該光學掃瞄手段(10)發出該掃瞄光束穿透或反射一待測物(1)，當該掃瞄 光束入射至該角度感測器(20)時，藉由該待測物(1)表面或內部缺陷使該掃瞄光束偏離共振角附近，但不是共振角，而產生待測物(1)光強度。

請參看第五至七圖及附件一、附件二所示，再由該影像擷取手段(40)擷取該待測物(1)表面光強度以作為測試影像，並以該運算手段(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(1)之缺陷資訊。

上述方法基本技術特徵中，該影像擷取手段(40)之較佳實施例係為一電荷耦合元件CCD。另該角度感測器(20)係為一包含鍍有三層膜厚的角度感測器(20)SPR(angular sensor)，如第三圖所示。

1.2裝置基本技術特徵

請參看第五至七圖所示，本發明主要係將擷取影像技術與表面電漿共振技術結合，以量測待測物之表面形貌、缺陷、平整度以及平行度，而可應用於精密工業之量測用途上，為達上述功效，其包括一光學掃瞄手段(10)、一影像擷取手段(40)、一旋轉手段(30)、一角度感測器(20)及一運算手段(50)。

請參看第一至三圖所示，上述之光學掃瞄手段(10)用以發出一掃瞄光束。該角度感測器(20)設置於該旋轉手段(30)上，其中，該掃瞄光束穿透或反射一良品(1a)而入射至該角度感測器(20)時，藉由該旋轉手段(30)轉動該角度感測器(20)使該掃瞄光束達到共振角附近，但不是共振角，以作為基準面光強度， 並以該影像擷取手段(40)擷取該基準面光強度作為基準影像，再於該掃瞄光束穿透或反射一待測物(1)而入射至該角度感測器(20)時，藉由該待測物(1)表面或內部缺陷使該掃瞄光束偏離共振角附近，但不是共振角，而產生待測物(1)光強度變化，再以該影像擷取手段(40)擷取該待測物(1)光強度，以作為測試影像，另該運算手段(50)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(1)之缺陷資訊。

上述裝置基本技術特徵中，該影像擷取手段(40)之較佳實施例係為一電荷耦合元件CCD。另該角度感測器(20)係為一包含鍍有三層膜厚的角度感測器(20)SPR(angular sensor)，如第三圖所示。

貳．本發明具體技術特徵 2.1光學掃瞄手段第一種實施

請參看第五圖所示，本發明光學掃瞄手段(10)第一種具體實施例係採用穿透式對透明待測物(1)量測，以發出一用以掃瞄之光源，其包括：一雷射光源(11)，其用以發出該掃瞄光束；一光阻隔器(12)，其用以組絕反射光返回至該雷射光源(11)；一透鏡(13)，其用以擴大該掃瞄光束；一空間濾波器(14)，其介置於該光阻隔器(12)與該透鏡(13)之間； 一偏極板(15)，其介置於該透鏡(13)與該待測物(1)之間，其透光軸與x軸平行，用以供該掃瞄光束入射而穿透該待測物(1)；及一檢偏板(16)，用以調整該掃瞄光束透光軸方位角，用以使該掃瞄光束之強度調整至該影像擷取手段(40)可以解析的程度。

2.2光學掃瞄手段(10)第二種實施

請參看第六圖所示，本發明光學掃瞄手段(10)第二種具體實施例係採用垂直入射反射式量測，以發出一用以掃瞄之光源，其包括：一用以發出該掃瞄光束的雷射光源(11)；一用以組絕反射光返回至該雷射光源(11)的光阻隔器(12)；一用以擴大該掃瞄光束的第一透鏡(13a)；一介置於該光阻隔器(12)與該透鏡(13)之間的空間濾波器(14)；一介置於該第一透鏡(13)與該待測物(1)之間的偏極板(15)，其透光軸與Y軸平行；一偏極分光鏡(17)，用以將由該偏極板(15)所入射之該掃瞄光束予以反射；一四分之一波片(18)，用以使由該偏極分光鏡(17)所反射之該掃瞄光束成為一圓偏極光，經該待測物(1)反射沿原路徑返 回後，再一次通過該四分之一波片而成水平偏極光，再經該偏極分光鏡穿透入射該角度感測器(20)，而可調整旋轉手段(30)使該掃瞄光束之入射角為共振角附近，但不是共振角；及一檢偏板(16)，其可供旋轉來調整掃瞄光束的強度，而可將該掃瞄光束透過一第二透鏡(13b)成像在該影像擷取手段(40)上，經由該影像擷取手段(40)拍攝其光強之該測試影像，再由該運算手段(50)來分析該待測物(1)之缺陷。

2.3光學掃瞄手段(10)第三種實施

請參看第七圖所示，本發明光學掃瞄手段(10)第三種具體實施例係採用斜向入射反射式量測，以發出一用以掃瞄之光源，其包括：一用以發出該掃瞄光束的雷射光源(11)；一用以組絕反射光返回至該雷射光源(11)的光阻隔器(12)；一用以擴大該掃瞄光束的第一透鏡(13a)；一介置於該光阻隔器(12)與該透鏡(13)之間的空間濾波器(14)；一介置於該第一透鏡(13a)與該待測物(1)之間的偏極板(15)，該偏極板(15)之透光軸與Y軸平行，再將該掃瞄光束斜向入射該待測物(1)，經過該偏極板(15)入射至該角度感測器(20)中，調整該旋轉手段(30)使其入射角為共振角附近，但不是共振角；及 一檢偏板(16)，其可供旋轉該檢偏板(16)來調整該掃瞄光束的出射強度，而可透過一第二透鏡(13)成像在該影像擷取手段(40)上，經由該影像擷取手段(40)來擷取該待測物(1)的該測試影像，再由該運算手段(50)來分析該待測物(1)之缺陷。

2.4雙軸移動平台的實施

請參看第五至七圖所示，為選擇待測物(1)所欲量測之部位，故本發明更包括一供該待測物(1)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(1)所需掃瞄的資料，而可繪出量測結果。

2.5運算手段(50)的實施

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手段(40)置所提供之影像的影像擷取卡(圖中未示)，及一分析軟體，該分析軟體用以將該基準影像與測試影像相比，再經過電腦(50a)分析影像，即可得到該待測物(1)之缺陷。

參．本發明應用原理 3.1幾何光學原理

光線入射至具有微小內部偏移角的透明平板(待測物(1))如第一圖所示。且令內部偏移角為α ，在第一界面的入射角為θ _{i 1} ，第二界面折射角為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β =sin^-1 (n sinα )-α (n -1)α (2)

從上式可知，角度偏向是正比於內部偏移角。當我們已知待測物(1)的折射率，就可以藉由測量β 角可經由公式得到待測物(1)內部偏移角α 。

由第二圖中顯示出測試光束入射於待測物(1)，當待測物(1)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(1)件再折射出去。若待測物(1)件的表面(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(1)件的兩表面間產生±α 的角度，則會分別形成+β 或-β 的偏向角度變化量。此現象可由圖2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(1)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(1)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，當CCD上的像素間格夠小時，△h =-α △x 可視為△h =-α △x ，經積分後可得h =-αx +h ₀ ，其中h ₀ 為初始表面高度。

3.2表面電漿共振原理

本發明使用三層角度感測器(20)SPR以KR組態[1]為例，如第三圖所示。其中n ₁ ，n ₂ ，n ₃ ，n ₄ 分別代表介質1--稜鏡(prism)、介質2、介質3(金屬)、介質4--空氣(air)之折射率。根據SPR理論，當入射至稜鏡的角度θ 為共振角θ _sp ，將可激發表面電漿波。平行至界面的電場強度分量可寫成 這裡的k ₀ 及k _sp 分別為在空氣中的波向量以及在SPR狀況下之波向量，ε ₃ 及ε ₄ 分別為介質3(金屬)、空氣之介電常數。其中θ _sp 又 可寫成：根據Fresnel’s equation，P極化光和S極化光所造成的反射 係數可寫成而且係表示由介質2、3及4層反射的反射係數 。為從介質i 及j 間反射的反射係數；d ₂ 及d ₃ 分別為介 質2、介質3之厚度；t 可表示S或P極化光；符號可表示為[2]在(6)式中，k _{zi (j )} 為由介質i (j )中，沿著z 方向傳播的波向量，可表示成下列的 式子假設反射係數及可分別改寫為及。這裡δ _p 、δ _s 分別為P、S極化光所引起的相位，此外，P、S偏振光的反射率分別為，。

舉例說明，如第三圖，三層角度感測器(20)SPR(BK7稜鏡-鈦Ti-金Au-空氣)的條件參數如下：d ₂ =2.5nm ，d ₃ =44.3nm ，入射波長λ =632.8nm ，介電常數分別為BK-7稜鏡(ε ₁ =n ₁ ² )，鈦Ti(ε ₂ =n ₂ ² )，金Au(ε ₃ =n ₃ ² )，空氣(ε ₄ =n ₄ ² )，其中ε ₁ =(1.51509)² ，ε ₂ =-3.84+12.5i ，ε ₃ =-12+1.26i ，ε ₄ =(1.0003)² [2]。將這些參數代入(4)~(8)式，所得R _p 對入射角θ 圖如第四圖所示。因為只有在P偏極光才會激發表面電漿共振，且共振角(θ _sp =43.85°)位於最小反射率值R _p ，此時光強度為最弱，即R _p =0，如圖4所示，我們可以選擇最佳金膜厚度及靠近θ _sp 之入射角去找出反射率之中的最大斜率，其反射靈敏度也是最大。

由於光強度值是入射角θ 的函數，入射角變化△θ 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)△h =-αdx ，因此，本發明可以利用光強度變化量△R _P 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△h 。△R _P 的值可由影像擷取裝置感測器量測之，分別記錄經待測物(1)(平行板)與標準平板後之光強度值，取出其間影像擷取裝置影像之光強度差值，即可快速獲得待測物(1)缺陷資訊。

3.3待測物件缺陷和表面電漿共振強度之關係

首先將未有刮痕之待測物(1)放置於角度感測器(20)SPR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)，調整光線靠近共振角，但不是共振角，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(1)換成有刮痕(缺陷)之待測物(1)，光線入射至缺陷待測物(1)，產生光線偏移，使得光線入射至角度感測器(20)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，我們把測試影像與基準影像相比，即可得知待測物(1)之缺陷資訊。

3.4系統架構原理 A.穿透式對透明待測物(1)量測：

請參看第五圖所示，首先以表面電漿共振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(1)之缺陷光強影像。以He-Ne雷射當雷射光源(11)，入射經由一個光阻隔器(12)(Isolator)以避免一個系統的反射光返回雷射光源(11)，從光阻隔器(12)的出來光入射至空間濾波器(14)(Spatial filter)和透鏡(13)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(1)，可利用雙軸移動平台(60)選擇待測物(1)欲量測之部位，光線經由角度感測器(20)(SPR Sensor)，旋轉手段(30)(Rotation Stage)使入射角達到共振角附近，使反射率在線性區段，折射出來的 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

B.垂直入射反射式量測：

請參看第六圖所示，以He-Ne雷射當雷射光源(11)，入射經由一個光阻隔器(12)(Isolator)以避免一個系統的反射光返回雷射光源(11)，從光阻隔器(12)的出來光入射至空間濾波器(14)(Spatial filter)和透鏡(13)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PBS(17)(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，經待測物(1)反射沿原路徑返回，再一次通過四分之一波片(18)而成水平偏極光，因此再經偏極分光鏡PBS(17)穿透，入射角度感測器(20)SPR，調整旋轉手段(30)(Rotation Stage)使其入射角為共振角附近，其出射強度可藉由旋轉檢偏板(16)ANt(Analyzer)調整之。然後經透鏡(13)成像系統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(1)之缺陷。把基準影像(未有缺陷之待測物(1))與測試影像(有缺陷之待測物(1))相比，再經過電腦分析軟體分析影像，即可得到待測物(1)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，而可繪出量測結果。

C.斜向入射反射式量測：

請參看第七圖所示，可利用雙軸移動平台(60)選擇待測物(1)欲量測之部位，同樣以He-Ne雷射當雷射光源(11)，入射經由一個光阻隔器(12)(Isolator)以避免一個系統的反射光返回雷射，從光阻隔器(12)的出來光入射至空間濾波器(14)(Spatial filter)和透鏡(13)擴大光束。斜向入射待測物(1)，經過偏極板(15)PL(Polarizer)(其透光軸與x軸平行)，入射角度感測器(20)SPR，調整旋轉手段(30)(Rotation Stage)使其入射角為共振角，其出射強度可藉由旋轉檢偏板(16)ANt(Analyzer)調整之。然後經透鏡(13)成像系統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(1)之缺陷。把基準影像(未有缺陷之待測物(1))與測試影像(有缺陷之待測物(1))相比，再經過電腦分析軟體分析影像，即可得到待測物(1)之缺陷。

肆．本發明之實驗例

請參看第五圖所示，係為本發明光學量測架構，以測量玻璃缺陷。首先以標準面(未有缺陷)來當做基準，所得的影像擷取裝置基準影像如附件一所示，之後再把有缺陷的玻璃換上去，用影像擷取裝置(40)拍下來缺陷影像，如附件二所示。再以連續拍下基準影像與缺陷影像，並可把時間平均以得到更準確的結果。比照附件一上圖及下圖，從中可以觀察到上圖與下圖的光強度有所差異，其中也表示光強大小與缺陷、高度差成正比。我們把測試影像(有缺陷影像者)減掉基準影像，經過 電腦分析軟體分析，即可得到待測物(1)的缺陷，如第八圖及附件二所示。再將此待測物(1)放到光學顯微鏡下量測，其結果如附件二所示，經由比對可見第八圖與附件二互相符合。

伍．本發明應用範圍

(a)在光學及精密器械製造業與電機及電子機械器材業方面，可應用在玻璃平板、光學面、面鏡、光學鍍膜表面、光學元件表面與內部等的表面形貌、平整度、氣泡或缺陷量測與檢驗，以及LCD面板玻璃缺陷檢測。

(b)在機械製造業與模具製造業方面，可應用在表面缺陷、光滑與粗糙的檢測。

(c)在醫療器材製造業方面，可應用於樣本外表與內部輪廓量測。

陸．結論

因此，藉由上述技術特徵的建置，本發明確實具有下列所述之特點：

1.本發明係利用光束經待測物件，所造成測量光束的角度偏移，而得到其相對應之待測物理量，如粗糙度、高度差、或折射率之變化，利用影像擷取裝置大面積影像擷取，而得到待測物件表面之輪廓、粗糙度、或內部細微結構。

2.本發明系統架構與原理簡單，故成本較為低廉。

3.本發明測量的範圍和解析度皆決定於系統的選用，故可任意調整量測範圍以及解析度。

4.本發明待測物件可選用透明和非透明樣本，適用性極佳，並可適用於各型的精密度樣本，應用性廣泛。

5.本發明非破壞性、非接觸性，故不需任何表面處理、即時性量測與大量測範圍之表面形貌粗糙度檢測技術，可觀察物體粗糙度、表面輪廓、折射率變化、與系統的對準、定位、校正、安裝等功能。

6.本發明可觀察物體表面或結構的排列分佈、與異樣分析。可作為生物科技的組織、細胞、基因、蛋白質…等及時觀測，對樣品也不會產生任何破壞與毒性，故可做為活體試驗。可做為半導體、光電、精密製造、生醫產業之製程中物件表面粗糙、輪廓、鍍膜厚度之量測。

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)‧‧‧待測物

(1a)‧‧‧良品

(10)‧‧‧光學掃瞄手段

(11)‧‧‧雷射光源

(12)‧‧‧光阻隔器

(13)‧‧‧透鏡

(13a)‧‧‧第一透鏡

(13b)‧‧‧第二透鏡

(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)‧‧‧角度感測器

(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

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。

第三圖係本發明三層KR組態之角度感測器SPR示意圖。

第四圖係本發明反射率對應入射角的關係圖。

第五圖係本發明第一種具體實施示意圖。

第六圖係本發明第二種具體實施示意圖。

第七圖係本發明第三種具體實施示意圖。

第八圖係本發明電腦分析後之待測物缺陷影像示意圖。

附件一：上圖為本發明基準影像示意畫面，下圖為本發明測試影像示意畫面。

附件二：係以光學顯微鏡拍攝的玻璃缺陷影像。

(1)‧‧‧待測物

(1a)‧‧‧良品

(10)‧‧‧光學掃瞄手段

(11)‧‧‧雷射光源

(12)‧‧‧光阻隔器

(13)‧‧‧透鏡

(14)‧‧‧空間濾波器

(15)‧‧‧偏極板

(16)‧‧‧檢偏板

(20)‧‧‧角度感測器

(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 (17)

1. 一種物體缺陷之量測方法，其包括：提供一光學掃瞄手段、一角度感測器、一用以驅動角度感測器之旋轉手段、一影像擷取手段及一運算手段；將一良品置於該光學掃瞄手段與該角度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角度感測器，當該掃瞄光束入射至該角度感測器時，以該旋轉手段轉動該角度感測器，使該掃瞄光束達到共振角附近的入射角，以作為基準面光強度；再以該影像擷取手段擷取該基準面光強度以作為基準影像；以該光學掃瞄手段發出該掃瞄光束穿透或反射一待測物，當該掃瞄光束入射至該角度感測器時，藉由該待測物表面或內部缺陷使該掃瞄光束偏離該入射角而產生待測物光強度；再以該影像擷取手段擷取該待測物表面光強度以作為測試影像；及以該運算手段將該基準影像與該測試影像進行比對，進而得到該待測物之缺陷資訊，當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而形成+β 或-β 的角度偏移量，其關係式為β =sin^-1 (n sinα )-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，經過該運算手段將△h 做累加後，進而求出該待測物之缺陷或傾斜角度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之物體缺陷之量測方法，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；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手段可以解析的程度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之物體缺陷之量測方法，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、一介置於該光阻隔器與該透鏡之間的空間濾波器、一介置於該第一透鏡與該待測物之間光路上的偏極板、一偏極分光鏡、一四分之一波片及一檢偏板，該偏極板之透光軸與Y軸平行，用以供該掃瞄光束入射該偏極分光 鏡經反射後又經該四分之一波片，使該掃瞄光束成為一圓偏極光，經該待測物反射沿原路徑返回後，再一次通過該四分之一波片而成水平偏極光，再經該偏極分光鏡穿透入射該角度感測器，並調整旋轉手段使該掃瞄光束之入射角為共振角附近，再旋轉該檢偏板來調整掃瞄光束的強度，而可將該掃瞄光束透過一第二透鏡成像在該影像擷取手段上，經由該影像擷取手段拍攝其光強之該測試影像，再由該運算手段來分析該待測物之缺陷。
4. 如申請專利範圍第1項所述之物體缺陷之量測方法，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、一介置於該光阻隔器與該透鏡之間的空間濾波器、一介置於該第一透鏡與該待測物之間的偏極板及一檢偏板，該偏極板之透光軸與X軸平行，再將該掃瞄光束斜向入射該待測物，經過該偏極板入射至該角度感測器中，調整該旋轉手段使其入射角為共振角附近，再旋轉該檢偏板來調整該掃瞄光束的出射強度，而可透過一第二透鏡成像在該影像擷取手段上，經由該影像擷取手段來擷取該待測物的該測試影像，再由該運算手段來分析該待測物之缺陷。
5. 如申請專利範圍第1項所述之物體缺陷之量測方法，其更包括提供一供該待測物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，而可繪出量測結果。
6. 如申請專利範圍第1項所述之物體缺陷之量測方法，其中，該影像擷取手段擷取該測試影像及該基準影像的光強度值後，經該運算手段運算即可得出光強度變化量△R _P 值以及該待測物的缺陷資訊。
7. 如申請專利範圍第1項所述之物體缺陷之量測方法，其中，所提供之角度感測器係為三層膜厚的角度感測器，該角度感測器為KR組態之表面電漿共振感測器SPR(angular sensor)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之物體缺陷之量測方法，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手段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。
9. 如申請專利範圍第1項所述之物體缺陷之量測方法，其中，該影像擷取手段包含一電荷耦合元件影像擷取裝置。
10. 一種物體缺陷之量測裝置，其包括：一光學掃瞄手段，其用以發出一掃瞄光束；一影像擷取手段；一旋轉手段，其具旋轉角度功能；一角度感測器，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角度感測器時，藉由該旋轉手 段轉動該角度感測器使該掃瞄光束達到共振角附近的入射角，以作為基準面光強度，並以該影像擷取手段擷取該基準面光強度作為基準影像，再於該掃瞄光束穿透或反射一待測物而入射至該角度感測器時，藉由該待測物表面或內部缺陷使該掃瞄光束偏離該入射角而產生待測物光強度，再以該影像擷取手段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，當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 (n sinα )-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，經過該運算手段將△h 做累加後，進而求出該待測物之缺陷或傾斜角度。
11. 如申請專利範圍第10項所述之物體缺陷之量測裝置，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，其用以阻絕反射光返回至該雷射光源；一透鏡，其用以擴大該掃瞄光束；一空間濾波器，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，用以供該掃瞄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，用以使該掃瞄光束之強度調整至該影像擷取手段可以解析的程度。
12. 如申請專利範圍第10項所述之物體缺陷之量測裝置，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；一介置於該光阻隔器與該透鏡之間的空間濾波器；一介置於該第一透鏡與該待測物之間的偏極板，其透光軸與Y軸平行；一偏極分光鏡，用以將由該偏極板所入射之該掃瞄光束予以反射；一四分之一波片，用以使由該偏極分光鏡所反射之該掃瞄光束成為一圓偏極光，經該待測物反射沿原路徑返回後，再一次通過該四分之一波片而成水平偏極光，再經該偏極分光鏡穿透入射該角度感測器，而可調整旋轉手段使該掃瞄光束之入射角為共振角；及一檢偏板，其可供旋轉來調整掃瞄光束的強度，而可將該掃瞄光束透過一第二透鏡成像在該影像擷取手段上，經由該影像擷取手段拍攝其光強之該測試影像，再由該運算手段來分析該待測物之缺陷。
13. 如申請專利範圍第10項所述之物體缺陷之量測裝置，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；一介置於該光阻隔器與該透鏡之間的空間濾波器；一介置於該第一透鏡與該待測物之間的偏極板，該偏極板之透光軸與Y軸平行，再將該掃瞄光束斜向入射該待測物，經過該偏極板入射至該角度感測器中，調整該旋轉手段使其入射角為共振角附近，或入射角為光強度對入射角曲線中較為線性靈敏區段之入射角度；及一檢偏板，其可供旋轉該檢偏板來調整該掃瞄光束的出射強度，而可透過一第二透鏡成像在該影像擷取手段上，經由該影像擷取手段來擷取該待測物的該測試影像，再由該運算手段來分析該待測物之缺陷。
14. 如申請專利範圍第10項所述之物體缺陷之量測裝置，其中，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，而可繪出量測結果。
15. 如申請專利範圍第10項所述之物體缺陷之量測裝置，其中，所提供之角度感測器係為三層膜厚的角度感測器，該角 度感測器為KR組態之表面電漿共振感測器SPR(angular sensor)。
16. 如申請專利範圍第10項所述之物體缺陷之量測裝置，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手段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。
17. 如申請專利範圍第10項所述之物體缺陷之量測裝置，其中，該影像擷取手段係為一電荷耦合元件影像擷取裝置。