TWI396826B - Surface contour measuring device with auto focus and its measuring method - Google Patents

Description

具自動對焦之表面輪廓測量裝置及其測量方法

本發明係有關於一種表面輪廓測量裝置及其測量方法，特別是指一種具自動對焦之表面輪廓測量裝置及其測量方法。

隨著工藝技術的提昇，元件加工對表面平整度、線寬間隔、工差的要求等更為嚴格，因為某些精細的微元件其表面粗糙度足以左右訊號品質，或是其加工深寬量誤差會影響繞射元件效能。而表面的量測可分為二維尺寸與三維輪廓的量測，其中以三維輪廓的量測最為複雜與困難。三維輪廓的量測在各產業中像是光學元件的形狀、表面粗糙度、曲率及刮傷之量測，或是光纖端面的量測，或是晶圓的表面輪廓的量測，或是電路板上錫高厚度的量測，或是零組件的表面粗糙度等。

三維表面輪廓儀大致可分為三大類，例如探針式輪廓儀；探針式輪廓儀屬於接觸式的量測儀器，因此會有傷害待測物表面問題產生。一種是掃描式探針顯微鏡，掃描式探針顯微鏡不論是橫向或縱向解析，為表面輪廓儀中解析度最佳，且為非接觸式的量測儀器，因此不會有傷害待測物表面問題產生，但缺點為量測速度慢。另一種是干涉光學輪廓儀；有著水平解析度可達次微米(受繞射極限影響)，垂直解析度可達奈米尺寸，屬於光學非接觸式，不會對待測物表面造成傷害。

白光干涉儀的量測精度可達奈米級，是目前國內半導體產業與平面顯示器產業在表面形貌顯微量測領域使用最為廣泛的設備之一，包含晶圓的表面粗糙度和平面度的量測、覆晶製程中錫球與凸塊的尺寸和共面度的量測、液晶平面顯示器CF與cell製程中spacer的尺寸和高度之檢測、PCB盲孔檢測、光纖端面和微光學元件表面形貌之量測等，需求性極高；此外，近幾年來工業產品日趨微小化，加工精度已達次微米級，使奈米級的檢測需求也愈來愈重要，故白光干涉檢測設備的的研製逐漸成為國內自動化光學 檢測領域的重點項目。目前已有工研院量測中心及台灣設備商進行白光干涉設備之開發，但在自動對焦與垂直掃描之系統整合部份仍有相當開發空間。

一般常用自動對焦之方式不外乎為使用自行開發的對焦軟體，或者外購已商品化之對焦裝置，再搭配於光學系統上。此兩種對焦方式與掃描取像係分別由不同位移裝置來完成，當系統進行對焦時為步進馬達作動，掃描取像則為PZT，這樣的系統架構，不僅會增加設備成本且無法提升系統之量測效率。自動對焦系統可分為兩類，一類為直接對所擷取的圖像進行處理，透過適當的演算法則針對圖像清晰度或搜尋聚焦點等特性尋找對焦位置，另一類為另行設置檢測元件搭配主體系統執行自動對焦設計。國內所自行開發的技術多以前者為主，應用系統執行影像擷取時所使用的電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)，將光強度訊號轉變為電壓訊號，靠著適當的時序，將一維的電壓訊號完整表現出二維的影像，再經由視覺處理方式以軟體配合對焦演算法推算出正確對焦位置，但由於程式需在接近焦點時來回不斷搜尋焦點位置，所需對焦時間較長而無法符合產業界快速對焦之需求。

此外，由於面型CCD通常僅具備30FPS(Frame per second)的傳遞速度，故也無法應用在快速對焦系統上。後者則以日本中央精機的自動對焦系統為代表，利用外置投射的雷射光束或光柵圖案判定聚焦位置，價格較為昂貴，應用在放大倍率為50倍以上干涉物鏡時，由於景深較淺，移位速度需較為緩慢，亦常無法達有效的高速對焦目標。

而在垂直掃描系統部分，一般常使用在位移上具有高解析度與高精度之壓電致動器(Piezo-electric Transducer，PZT)，但在實際量測時其量測範圍會受限於PZT行程，且PZT在移動上為非線性運動，需配合回授定位控制，使得取像效率會被定位時間所限制，因此花費較長的掃描時間。綜合上述，若能完全以較少的硬體判定對焦位置與輪廓測量，將有可能使對焦與量測的速度與精度都大為提升。

因此，本發明提供一種具自動對焦之表面輪廓測量裝置及其測量方法，其係可提升判定最佳對焦位置的速度與精度，如此可解決上述之問題。

本發明之目的之一，在於提供一種具自動對焦之表面輪廓測量裝置及其測量方法，其係藉由一控制電路判斷一影像訊號之一干涉強度之一最大值，並依據最大值控制一位移器而移動一干涉儀於對焦位置，如此不但可提升干涉儀對焦時的速度與精度，以節省時間而增加量測效率，更可減少帶動干涉儀之位移裝置的使用數量，以節省表面輪廓測量裝置之生產成本。

本發明之具自動對焦之表面輪廓測量裝置，其包含一干涉儀、一控制電路與一位移器，干涉儀包含一光源、一分光結構、一干涉結構與一影像感測元件，分光結構設於光源之一側並接收光源所發之光線；干涉結構設於分光結構下方並接收分光結構所傳輸之光線；影像感測元件設於分光結構上方並接收分光結構所傳輸之光線之一影像訊號；控制電路與影像感測元件電性相接並判斷影像訊號之一干涉強度之一最大值，控制電路依據最大值發出一控制訊號；位移器設於干涉儀之一側，位移器與控制電路電性相接並接收控制訊號。如此可提升干涉儀對焦時的速度與精度，以節省時間而增加量測效率，更可減少表面輪廓測量裝置之生產成本。

本發明之具自動對焦之表面輪廓測量裝置之量測方法，首先使用一干涉儀擷取一待測物之至少一影像訊號；之後擷取該影像訊號之一干涉強度；接著計算影像訊號之干涉強度之一最大值；然後依據最大值計算干涉儀之一對焦高度；最後依據該具焦高度描繪待測物之表面高度。

茲為使貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第一圖，其係為本發明較佳實施例之結構示意圖；如圖所示， 本具自動對焦之表面輪廓測量裝置包含一干涉儀10、一控制電路20與一位移器30，干涉儀10包含一光源12、一分光結構14、一干涉結構16與一影像感測元件18，分光結構14設於光源12之一側並接收光源12所發之光線；干涉結構16設於分光結構14下方並接收分光結構14所傳輸之光線；影像感測元件18設於分光結構14上方並接收分光結構14所傳輸之光線之一影像訊號；控制電路20與影像感測元件18電性相接並判斷影像訊號之一干涉強度之一最大值，控制電路20依據最大值發出一控制訊號；位移器30設於干涉儀10之一側，位移器30與控制電路20電性相接並接收控制訊號。於本發明將一待測物40至於干涉儀10下方後，以影像感測元件18擷取待測物40的影像訊號的干涉強度，藉由控制電路20判斷影像訊號之干涉強度的最大值，並依據最大值控制本發明單一個位移器30而移動干涉儀10於對焦位置。如此不但可提升干涉儀10對焦時的速度與精度，以節省時間而增加量測效率，更可減少帶動干涉儀10之位移裝置的使用數量，以節省生產成本。

本發明之干涉儀10之光源12包含一白光光源或是白光搭配特定波段濾光片或LED光源或是一LED光源。此實施例係以白光為範例做說明，亦即本發明之干涉儀10係以白光干涉儀做範例，本發明之光源12亦可依使用需求以其他波長之光源來產生待測物40干涉之影像訊號。本發明之控制電路20包含一微處理器22與一控制器24，微處理器22電性相接於影像感測元件18並接收該干涉之影像訊號，而且該微處理器22將判斷影像訊號之干涉強度，並且依據干涉強度之最大值發出一驅動訊號，而控制器24電性相接於微處理器22並接收驅動訊號，使控制器24發出控制訊號至位移器30，使位移器30推動干涉儀10移動。

由於本發明係以白光為光源12，因此本發明之精度要求較高，故本發明之位移器30係以一步進馬達做說明，使用者亦可依不同精度的需求而使用不同的位移器30，例如以位移器30以線性馬達或是超音波馬達等。本發明之步進馬達移動速度為200μm/sec、解析度為20nm、全行程為20mm， 可依不同需求使用不同的步進馬達。習知干涉儀10設計有兩組垂直軸，量測順序係以馬達帶動垂直軸對焦後再經由壓電致動器做垂直掃描，但因對焦速度慢以及壓電致動器行程短、定位時間長等因素而影響干涉儀10量測之效率，因此，本發明之位移器30使用高解析度之步進馬達來同步執行對焦與垂直掃描動作，將習用的兩軸設計簡化為單軸，除了可以降低原來成本之外，透過擷取位移器30內部的控制訊號進行觸發影像擷取，可將位移器30運作時同步於CCD掃描取像，使得量測系統效能獲得提升，亦可執行具較大行程輪廓變化的量測需求。

請一併參閱第二圖，其係為本發明較佳實施例之干涉結構的結構示意圖，如圖所示，由於干涉結構的種類眾多，因此本發明係以Mirau干涉原理之干涉結構16為範例做說明。而本發明亦可使用Michelson干涉原理、Newton干涉原理或是Linnik干涉原理等之干涉結構。本發明之Mirau干涉原理之干涉結構16包含一顯微物鏡162、一參考面鏡164與一分光鏡166；參考面鏡164設於顯微物鏡162下方，分光鏡166設於參考面鏡164之下方。光線經由顯微物鏡162聚焦至待測物40之表面，在途中，部分的光線被分光鏡166反射至參考面鏡164。由於參考面鏡164與待測物40相對於分光鏡166的距離相同，因此經由參考面鏡164及待測物40反射的光線會重合在一起，然後產生干涉現象。在作表面粗糙度或階高量測時，通常會使用白光光源12，也就是說，當干涉發生時，可以從顯微物鏡觀察到彩色的干涉條紋。由於白光的同調長度很短(約2 μm)，因此干涉條紋出現的條件相當嚴格。由於白光干涉現象為兩波相加或互減後產生全亮或全暗之干涉條紋，在零光程差時會有最亮條紋或者最暗條紋，即光強度最強或最弱之峰值，本發明利用此一特性，在垂直移動干涉儀10之量測平台時，同步應用適當的影像感測元件18以準確判斷光強峰值位置，可大幅提升判定最佳對焦位置的速度與精度。

請一併參閱第三圖，其係為本發明較佳實施例之白光光源光程差與強度之關係圖；如圖所示，橫軸為光程差，緃軸為光強度，白光之干涉儀10 量測方式主要係使用垂直掃描技術，其原理主要就是利用白光干涉時其同調長度很短的特性，由於在光程差為零的位置有最大之光強度，透過干涉結構16在待測物40上方垂直移位，若能在垂直方向找出干涉圖峰值強度的位置，即可定出特定點的高度位置。故本發明利用影像感測元件18之電荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)作為二維空間之位置強度紀錄，再於垂直方向逐步作步進掃描，藉由干涉結構16中之參考面鏡164的深度變化或是干涉結構16整體位移，找出不同深度影像中同一像素點的強度變化，紀錄所有強度值而形成所謂的波包，再透過適當演算法求出其最高峰值即可求得相對應的深度值，亦即在物鏡不同聚焦深度進行不同層面之掃描，再將這些輪廓層面的資料做三維精密疊合，即可重建出工件之三維形貌。

請一併參閱第四圖其係為本發明較佳實施例之流程圖；如圖所示，本發明表面輪廓測量裝置之測量方包含下列步驟：首先，進行步驟S1，使用一干涉儀10擷取一待測物40之至少一影像訊號；之後，進行步驟S2，擷取影像訊號之一干涉強度；接著，進行步驟S3，計算影像訊號之該干涉強度之一最大值；然後，進行步驟S4，依據該最大值計算干涉儀10之一對焦高度；最後，進行步驟S5，依據具焦高度描繪待測物40之表面高度。

請一併參閱第五圖，其係為本發明另一較佳實施例之構示意圖；如圖所示，本發明亦可不需由影像感測元件18擷取待測物40影像訊號的干涉強度。此實施例不同於上一實施例在於此實施例將待測物40的干涉之影像訊號藉由一個或多個額外的分光結構導引出來後再做分析。以下而外增加一個分光結構為範例做說明。本實施例之干涉儀10包含一光源12、一第一分光結構13、一干涉結構16、一第二分光結構15、一影像感測元件18與一光感測器17；第一分光結構13設於光源12之一側並接收光源12所發之光線；干涉結構16設於第一分光結構13下方並接收第一分光結構13所傳輸之光線；第二分光結構15設於第一分光結構13之上方並接收第一分光結構13所傳輸之光線；影像感測元件18設於第二分光結構15上方；光感 測器17設於第二分光結構15之一測並接收第二分光結構15所傳輸之光線之一影像訊號；控制電路20與影像感測元件18電性相接並判斷影像訊號之一干涉強度之一最大值，控制電路20依據最大值發出一控制訊號；一位移器30設於干涉儀10之一側，位移器30與控制器24電性相接並接收控制訊號。本發明增加第二分光結構15分別連接影像感測元件18與光感測器17，再將光感測器17之訊號傳送至控制電路20，經由控制電路20運算判斷後對位移器30下達停止訊號。

由於本發明之自動對焦方式係利用白光干涉在零光程差時，其條紋對比度最強之概念，來判斷零光程差位置。因此本發明利用反應時間快、靈敏度高的光感測器17將光導引出來做處理。又因考慮反應時間快、靈敏度高及低成本等因素下，遂採用將光電二極體做為感應干涉發生時光強度變化之光感測器17，以獲取光強極大值作為對焦位置判斷依據，由於光電二極體會因光強變化而產生輸出電壓的變化，因此可設計外部類比電路判斷光電二極體輸出電壓之大小，以此連續電壓作訊號微分處理，此概念為求出輸出電壓之斜率曲線，並據此判斷此微分曲線之峰值位置，當達到曲線之極大值並達預設之下降電壓閥值即送出脈波訊號停止馬達，並定義此光強最大值(即輸出電壓最大值)位置為最佳對焦位置。

請一併參閱第六圖，其係為本發明較佳時實施例之控制訊號流程圖；由於訊號處理的方式眾多，此實施例僅列舉一種實施態樣做說明；如圖所示，由於光電二極體輸出為類比訊號，因此需利用類比數位轉換IC將電壓訊號轉換。類比數位轉換器的解析度由輸入之參考電壓與位元數決定，解析度定義了可被ADC測量的最小電壓變化，可用參考電壓除以位元階數加以計算。本研究係採用ANALOG DEVICES公司之AD976A系列類比數位轉換器，其具備16位元轉換解析度共計2¹⁶階轉換能力，若以其輸入電壓範圍+10V~-10V為例，其最小電壓解析為305μV並具備200ksps轉換速度，此ADC除輸入轉換電壓外，需另外供給額外電壓源+5V以供其正常工作。經過數位轉換後將數位化之訊號連接至89C51單晶片之邏輯訊號輸入端，利 用其暫存器將輸入訊號作比對動作，即由前後兩數值作微分運算，由於在對焦過程中其對焦訊號強度應會逐步增加，藉由此演算方式執行判斷，即前後兩點斜率由正值改變為零或負值且電壓數值下降達到預設之閥值時則判斷式成立，當此條件成立時單晶片立即透過RS-232介面送出訊號停止馬達繼續作動，由於步進馬達有失步之現象，因此得知其偏移量，將此數值寫入程式中令其於對焦訊號出現後回饋此量值，藉此達到對焦補償之動作， 請一併參閱第七圖，其係為本發明較佳時實施例之程式流程圖；由於程式控制的方式眾多，此實施例僅列舉一種實施態樣做說明；如圖所示，自動對焦程式由組合語言撰寫，其程式流程為將光感元件之電壓值經AD976轉換完成之數位訊號，輸入至微處理器22I/O埠，將數值存入暫存器中，之後對此一序列數值進行微分運算並比較微分後數值之大小，若後者大於前者且其二數值差值符合預設之電壓閥值，即達到合焦之條件，則將送出停止訊號予步進馬達控制器24停止馬達。

綜上所述，本發明之具自動對焦之表面輪廓測量裝置，其包含一干涉儀、一控制電路與一位移器，干涉儀包含一光源、一分光結構、一干涉結構與一影像感測元件，分光結構設於光源之一側並接收光源所發之光線；干涉結構設於分光結構下方並接收分光結構所傳輸之光線；影像感測元件設於分光結構上方並接收分光結構所傳輸之光線之一影像訊號；控制電路與影像感測元件電性相接並判斷影像訊號之一干涉強度之一最大值，控制電路依據最大值發出一控制訊號；位移器設於干涉儀之一側，位移器與控制電路電性相接並接收控制訊號。如此可提升干涉儀對焦時的速度與精度，以節省時間而增加量測效率，更可減少表面輪廓測量裝置之生產成本。

故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精 神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧干涉儀

12‧‧‧光源

13‧‧‧第一分光結構

14‧‧‧分光結構

15‧‧‧第二分光結構

16‧‧‧干涉結構

162‧‧‧顯微物鏡

164‧‧‧參考面鏡

166‧‧‧分光鏡

17‧‧‧光感測器

18‧‧‧影像感測元件

20‧‧‧控制電路

22‧‧‧微處理器

24‧‧‧控制器

30‧‧‧位移器

40‧‧‧待測物

第一圖為習知接觸式感測裝置之結構示意圖；第二圖為本發明之接觸式感測裝置之一實施例的結構示意圖；第三圖為本發明之處理電路之一實施例的方塊圖；第四圖為本發明之接觸式感測裝置設置於固定帶之一實施例的示意圖；第五圖為本發明之頭部配戴固定帶之一實施例的示意圖；第六圖為本發明之接觸式感測裝置之另一實施例的結構示意圖；以及第七圖為本發明之接觸式感測裝置之另一實施例的結構示意圖。

10‧‧‧干涉儀

12‧‧‧光源

14‧‧‧分光結構

16‧‧‧干涉結構

18‧‧‧影像感測元件

20‧‧‧控制電路

22‧‧‧微處理器

24‧‧‧控制器

30‧‧‧位移器

40‧‧‧待測物

Claims (17)

1. 一種具自動對焦之表面輪廓測量裝置，包含：一干涉儀，該干涉儀包含：一光源；一分光結構，設於該光源之一側並接收該光源所發之光線；一干涉結構，設於該分光結構下方並接收該分光結構所傳輸之光線；及一影像感測元件，設於該分光結構上方並接收該分光結構所傳輸之光線之一影像訊號；一控制電路，與該影像感測元件電性相接並判斷該影像訊號之一干涉強度之一最大值，該控制電路依據該最大值發出一控制訊號；以及一位移器，設於該干涉儀之一側，該位移器與該控制電路電性相接並接收該控制訊號，該控制訊號為控制該位移器對該干涉儀之位移。
2. 如申請專利範圍第1項所述之表面輪廓測量裝置，其中該光源包含一白光光源。
3. 如申請專利範圍第2項所述之表面輪廓測量裝置，其中該光源包含一濾光片。
4. 如申請專利範圍第1項所述之表面輪廓測量裝置，其中該光源包含一LED光源。
5. 如申請專利範圍第1項所述之表面輪廓測量裝置，其中該控制電路包含：一微處理器，電性相接於該影像感測元件並判斷該影像訊號之該干涉強度，該微處理器依據該干涉強度之最大值發出一驅動訊號；以及一控制器，電性相接於該微處理器並接收該驅動訊號，該控制器發出該控制訊號至該位移器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之表面輪廓測量裝置，其中該干涉結構包含：一顯微物鏡；一參考面鏡，設於該顯微物鏡下方；以及 一分光鏡，設於該參考面鏡之下方。
7. 如申請專利範圍第1項所述之表面輪廓測量裝置，其中該位移器包含一步進馬達。
8. 如申請專利範圍第7項所述之表面輪廓測量裝置，其中該步進馬達移動速度為200μm/sec、解析度為20nm、全行程為20mm。
9. 一種具自動對焦之表面輪廓測量裝置，包含：一干涉儀，該干涉儀包含：一光源；一第一分光結構，設於該光源之一側並接收該光源所發之光線；一干涉結構，設於該第一分光結構下方並接收該第一分光結構所傳輸之光線；一第二分光結構，設於第一分光結構之上方並接收該第一分光結構所傳輸之光線；一影像感測元件，設於該第二分光結構上方；及一光感測器，設於該第二分光結構之一側並接收該第二分光結構所傳輸之光線之一影像訊號；一控制電路，與該影像感測元件電性相接並判斷該影像訊號之一干涉強度之一最大值，該控制電路依據該最大值發出一控制訊號；以及一位移器，設於該干涉儀之一側，該位移器與該控制電路電性相接並接收該控制訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之表面輪廓測量裝置，其中該光源包含一白光光源。
11. 如申請專利範圍第10項所述之表面輪廓測量裝置，其中該光源包含一濾光片。
12. 如申請專利範圍第9項所述之表面輪廓測量裝置，其中該光源包含一LED光源。
13. 如申請專利範圍第9項所述之表面輪廓測量裝置，其中該控制電路包含： 一微處理器，電性相接於該影像感測元件並判斷該影像訊號之該干涉強度，該微處理器依據該干涉強度之最大值發出一驅動訊號；以及一控制器，電性相接於該微處理器並接收該驅動訊號，該控制器發出該控制訊號至該位移器。
14. 如申請專利範圍第9項所述之表面輪廓測量裝置，其中該干涉結構包含：一顯微物鏡；一參考面鏡，設於該顯微物鏡下方；以及一分光鏡，設於該參考面鏡之下方。
15. 如申請專利範圍第9項所述之表面輪廓測量裝置，其中該光感測器包含一光電二極體。
16. 如申請專利範圍第9項所述之表面輪廓測量裝置，其中該位移器包含一步進馬達。
17. 如申請專利範圍第16項所述之表面輪廓測量裝置，其中該步進馬達移動速度為200μm/sec、解析度為20nm、全行程為20mm。