TWI575219B - Measurement method and measuring device of phase - type omni - directional angle deviation microscope - Google Patents

Description

相位型全場角度偏向顯微鏡之量測方法及其量測裝置

本發明係有關一種相位型全場角度偏向顯微鏡之量測方法及其量測裝置，尤指一種可以算出待測物表面高度、表面形貌以及折射率等資訊的相位型全場角度偏向顯微鏡量測技術。

根據17世紀末葉van Leeuwenhoek與Hooke兩位學者的使用紀錄，當時van Leeuwenhoek所使用的顯微鏡只是單一鏡片組，而Hooke所使用的卻已是數片鏡片組成的複式顯微鏡。至此之後，顯微鏡即往複式顯微鏡發展，經鏡頭的改良提高解像力(resolution)與對比(contrast)，比起1683年van Leeuwenhoek所使用的顯微鏡，其放大倍率已高出數千倍，而且成像更清晰，功能也更強大。

經本發明人專利檢索後發現與本發明相關之專利前案如下列所示：

(1)發明第I 274150號「角度偏移顯微鏡裝置及其方法」，其是結合共光程外差干涉及表面電漿共振(SPR)技術，利用光線角度偏移來測量相位差，進而計算出微小位移或折射率，並以雷射掃描方式求出待測物之表面起伏或折射率分布，而成為一顯微鏡。此乃有別以往顯微鏡性能，其具有不受環境影響之高穩定性、高靈敏度、高解析度及高量測範圍等優點。可應用於如光學表面、生物醫學、微奈米等三度空間影像方面的量測。其解析度可優於1nm。經比對後發現，本發明係使用移相干涉術(phase-shift interferometry)且量測範圍較廣，故而本發明不需經掃描即可獲得三維影像資訊，因此，本發明之技術手段與達成功效皆與既有發明第I 274150號專利完全不同。

(2)發明第I436029號「光學式強度型三維表面形貌與顯微量測裝置及方法」；及發明第I 495841號「高解析度反射式三維光電顯微鏡」。其係有關一種光學式強度型三維表面形貌與顯微量測方法，其包括光源、擴束器、偏極板、第二透鏡、偏極分光鏡、第二物鏡、旋轉平台、四分之一波片、第三透鏡、角度感測器及矩陣式光感測器。將光束投射至待測物，利用光感測陣列元件取出待測物之反射光，由二維影像測量其面積尺寸大小，並由反射光之強度變化(或反射率變量)轉換成高度值，進而繪製成三維之圖像。本發明採用穿透式架構與發明專利發明第I436029號「光學式強度型三維表面形貌與顯微量測裝置及方法」及發明第I 495841號「高解析度反射式三維光電顯微鏡」不同；本發明採用相位法與發明專利發明第I436029號「光學式強度型三維表面形貌與顯微量測裝置及方法」及發明第I 495841號「高解析度反射式三維光電顯微鏡」的方法不同；本發明採用之角度感測器與發明專利發明第I436029號「光學式強度型三維表面形貌與顯微量測裝置及方法」及發明第I 495841號「高解析度反射式三維光電顯微鏡」不同。至於發明第I 495841號專利原理與方法類似中華民國專利發明第I436029號「光學式強度型三維表面形貌與顯微量測裝置及方法」，但採用雙CCD擷取影像及增加放大倍率，並改善操作與計算的方便性，故有所不同。

(3)發明第I 467227號「穿透式三維顯微鏡裝置及方法」其原理類似中華民國專利發明第I436029號「光學式強度型三維表面形貌與顯微量測裝置及方法」，但其方法採穿透式架構故有所不同。本發明採用相位法與發明專利發明第I467227號「穿透式三維顯微鏡裝置及方法」之反射率法 不同；本發明採用之角度感測器與發明專利發明第I467227號「穿透式三維顯微鏡裝置及方法」不同；本發明採用移相干涉術與發明專利發明第I467227號「穿透式三維顯微鏡裝置及方法」之方法不同。

由上述前揭專利前案得知，前述專利所採用之技術手段與達成功效確實皆與本發明有所不同，因此，前述專利確實無法達成本發明的達成功效。

本發明主要目的，在於提供一種相位型全場角度偏向顯微鏡之量測方法，主要是一種採用光學式非破壞性、非接觸性、非掃描方式的快速高精度顯微量測技術，而且是利用幾何光學光軌跡成像技術與表面電漿共振之相位對角度變化來求出相位對表面高度之轉換，系統原理與架構簡單而類似於拍照手法，由於可以快速取得待測物的三維影像資訊，故而具備節省成本、時間及高精度之三維量測等諸多優點。達成本發明主要目的所採用之技術手段，係將表面電漿共振角度感測器設置於旋轉平台上，使入射角定位在共振角附近；將待測物置於光投射裝置與顯微鏡單元之間而投射光束，使光束穿透待測物出射為角度偏向光束，角度偏向光束穿經顯微鏡單元而依序入射至表面電漿共振角度感測器及四步移相干涉術量測單元。運算單元控制液晶相位延遲器之外加電壓而產生0度、90度、180度以及270度等移相角度，再控制影像擷取裝置依序拍攝四張影像。運算單元將四張影像之光強度值以相位計算手段求出該影像中之各像素點的相位，再算出各像素點的外角值，再計算出二個相鄰像素點之間的角度差，以算出待測物之各點的角度偏向，俾能算出待測物的表面高度。

10‧‧‧光投射單元

11‧‧‧雷射元件

12‧‧‧光阻隔器

13‧‧‧光擴束器

14‧‧‧偏極板

20‧‧‧表面電漿共振角度戚測器

21‧‧‧旋轉平台

30‧‧‧待測物

40‧‧‧顯微鏡單元

41‧‧‧物鏡

42‧‧‧透鏡

50‧‧‧四步移相干涉術量測單元

51‧‧‧液晶相位延遲器

52‧‧‧影像擷取裝置

53‧‧‧二分之一波片

54‧‧‧檢偏板

60‧‧‧運算單元

70‧‧‧外差光源

71‧‧‧分光鏡

72,75‧‧‧檢偏板

73,76‧‧‧光偵測器

74‧‧‧鎖相放大器

圖1係本發明四層表面電漿共振角度感測器的結構示意圖。

圖2係本發明相位量測的實施架構示意圖。

圖3係本發明入射角與量測相位值的對照關係示意圖。

圖4係本發明LCD相位延遲對外加電壓量測的曲線示意圖。

圖5係本發明相光束經過待測物之偏向角度的示意圖。

圖6係本發明待測面傾斜之高度差與角度偏向關係示意圖。

圖7係本發明光束在待測物中行進之示意圖。

圖8.係本發明相位型全場角度偏向顯微鏡系統架構示意圖。

圖9係本發明依序於有待測物時相移四種角度的實體拍攝示意圖；(a)有待測物時相移0度拍攝圖，(b)有待測物時相移90度拍攝圖；(c)有待測物時相移180度拍攝圖，(d)有待測物時相移270度拍攝圖。

圖10係本發明依序於無待測物時相移四種角度的實體拍攝圖；(a)無待測物時相移0度拍攝圖，(b)無待測物時相移90度拍攝圖；(c)無待測物時相移180度拍攝圖，(d)無待測物時相移270度拍攝圖。

圖11係本發明量測表面粗造度引起之相位差的示意圖。

圖12係本發明進行表面粗糙度三維量測的結果示意圖。

圖13係本發明進行AFM量測三維結果示意圖。

圖14係本發明折射率變化的三維圖示意。

圖15係本發明相位誤差分佈曲線圖。

圖16係本發明相位誤差換算表面粗糙度之分佈圖。

圖17係本發明相位誤差換算折射率變化之分佈圖。

圖18係本發明拍攝影像選取位置圖。

圖19係本發明於A、B、C、D、E五點之折射率變化示意圖。

本發明係藉由四步移相干涉術(four-step phase-shift interferometry)以影像擷取裝置52(如感光元件CCD)連續擷取移相相位為0度、90度、180度、與270度等四張影像，然後加以計算出整面相位資訊，經相位對表面高度之轉換後，以電腦軟體計算與繪圖，呈現3D立體圖像。使用者可輕易在任何一個量測位置上獲得該位置的3D資訊。此光學橫向解析度受限於繞射極限的影響，可高於0.5微米，但其縱向解析度可高於1奈米，量測光學倍率可高於1250倍。適合量測穿透式光學表面輪廓，因此，對於高精細樣品量測會有很好的應用。

為讓 貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明： 請配合參看圖8所示，為達成本發明主要目的之具體實施例，係包括一光投射單元10、一表面電漿共振角度感測器20、一旋轉平台21、一待測物30、一顯微鏡單元40、一四步移相干涉術量測單元50及一運算單元60等技術特徵。其中，該四步移相干涉術量測單元50係包含一液晶相位延遲器51，及一影像擷取裝置52。

再請配合參看圖8所示，本發明於具體的量測運作時，係將表面電漿共振角度感測器20設置於旋轉平台21上，並調整旋轉平台21角度，使表面電漿共振角度感測器20之入射角在共振角附近；接著，將待測物30設於光投射裝置與顯微鏡單元40之間；再以光投射單元10向待測 物30投射一光束；此時，光束穿透待測物30而出射為一角度偏向光束，此角度偏向光束穿經顯微鏡單元40後，其偏向角則依據顯微鏡單元40之放大倍率縮小而依序入射至表面電漿共振角度感測器20以及四步移相干涉術量測單元50中；接著，運算單元60(如電腦或是微處理器)依序控制液晶相位延遲器51之四個外加電壓而產生0度、90度、180度以及270度等四種移相角度，緊接著，再控制影像擷取裝置52(如感光元件CCD)依序拍攝上述四種移相角度的四張影像；此外，本發明可預先於運算單元60建立一資料庫，該資料庫儲存有複數筆與每一相位逐一對應之入射角的外角值(如圖3所示之關係對照資料)；然後，運算單元60再將四張影像之光強度值以一相位計算手段依序求出四張影像中之各像素點的相位，並由資料庫逐一比對算出各像素點的該外角值，再計算出二個相鄰像素點之間的角度差，以算出待測物30之待測面上之各像素點的角度偏向，再以一表面高度計算手段算出待測物30的表面高度。

承上所述，該相位計算手段係為相位計算公式，該相位計算公式可以表示為： ，其中，ψ為相位， I ₁ ~I ₄ 為對應該四個外加電壓的電流值，該四個外加電壓分別為0V、2.055V、2.6V以及3.26V，以獲得四步 移相，π，，0°等之該相位。該相位範圍約在±180度以內；該角度偏向範圍約為0~±10度；該表面高度量測範圍為0.1nm~100μm，縱向解析度為0.1nm~100nm，橫向解析度為0.1μm~2μm；該顯微鏡單元40的放大倍率可為1~1250倍。

本發明於一種較為具體的實施例中，該運算單元60係以折射率計算公式算出待測物30的折射率變化量，該折射率計算公式可以表示 為：，其中，β為偏向角，該偏向角係透過量測相位所得，n為折射率，其中，該折射率解析度可達2.2×10^-8。

本發明於一種較為具體的實施例中，該運算單元60係以一表面粗糙度計算公式算出待測物30的表面粗糙度，該表面粗糙度計算公式可以表示為： 其中，d 為相位變化量，dX為各該像素點的尺寸，n為折射率，藉由求出待測物30之表面形貌變化量dh後，運算單元60再以內建之一Matlab軟體以積分方式運算後繪出待測物30的三維圖形資訊。

具體來說，上述光投射單元10具體構造係包含一用以發射光束的雷射元件11、一用以阻止光投射單元10之反射光返回至雷射元件11的光阻隔器12、一用以擴大光束的光擴束器13及一位於擴束器與待測物30之間用以選取光束之偏極方向的偏極板14。至於顯微鏡單元40則是包含一物鏡41及一透鏡42，而待測物30則是一種透明物件，且待測物30係置於物鏡41的前焦平面上。此外，上述四步移相干涉術量測單元50更包含一位於旋轉平台21與液晶相位延遲器51之間的二分之一波片53，用以擴大角度偏向光束的相位；及一位於液晶相位延遲器51與影像擷取裝置52之間的檢偏板54，用以干涉角度偏向光束。

再者，本發明角度感測器相位差與入射角之關係的技術原理如下所述： 如圖1所示，本發明是以稜鏡/二氧化矽/金膜/空氣四層方式做出表面電漿共振角度感測器20(SPR angular sensor)，而對此感測器的參數如下(舉例說明)。入射波長：632.8nm。各層之介電常數：ε ₁=1.51509²(稜鏡)；ε ₂=1.457²(二氧化矽)；ε ₃=-12+1.26i(金)；ε ₄=1.0003²(空氣)。二氧化矽膜厚度：17.3nm。金膜厚度：46.9nm。其中α _sp 為共振角。根據多重反射原理，四層介質反射係數可表示為：

其中j包含s或p偏極光，則包含s或p偏極光之相位與，r ₁₂與r ₂₃₄為1-2層及2-4層的反射係數，，其中n ₃ 與d ₃ 分別是金膜的折射率與厚度。於p偏極光情況下，當入射角等於共振角且滿足表面電漿波共振條件時，即當在稜鏡沿著界面方向的入射波向量(k _x )等於表面電漿波向量(k_sp)時，如第(2)式所示，即會激發出表面電漿波，使p偏極光反射係數或反射率迅速衰減並引入相位。

其中，ε ₃ 與ε ₄ 分別是金膜與空氣的介電常數。因此(1)式中包含s與p偏極光個別的相位差，其之間的相位差可寫成。為了得出SPR的s與p偏極光之間的相位差與入射角之關係曲線，採用共光程外差干涉術(common-path heterodyne interferometry)進行量測，其實驗架構如圖2所示，首先外差光源70會經過分光鏡71(Beam Splitter,BS)將光分為反射光與穿透光兩部分。反射光會經由一透光軸與水平軸夾45°的檢偏板72(Analyzer,ANr)，再經由光偵測器73(Dr)將擷取的光干涉信號轉成電信號， 最後再把電信號傳送到鎖相放大器74(Lock-in Amplifier)(SR830)當做參考信號。而分光鏡71穿透光則會入射到表面電漿共振角度感測器20(SPR Sensor)，再反射到由一透光軸與水平軸夾10°的檢偏板75(ANt)，再經過光偵測器76(Dt)擷取光干涉信號轉成電信號，再把該電信號傳送到鎖相放大器74當作待測信號。最後由鎖相放大器74將參考信號與待測信號解析，求得s與p偏光之間的相位差。當改變入射角時(可透過驅動控制器(Newport,ESP-300)轉動旋轉平台，使SPR旋轉)，以鎖相放大器74連續求得SPR於s與p偏光之間的相位差，如圖3所示)。其中〝*〞為量測值；〝-〞為漸近曲線，相較之下得知金膜厚度為46.9nm。由圖3所示，可知共振角在外角等於1.4度(相當於內角等於43.78)及相位差△為0度之時。

本發明移相干涉術的技術原理如下所述：移相干涉術量測相位具有多種方法，根據移相量擷取影像張數及演算法的不同，較常見的移相演算法有三步移相、四步移相、五步移相，而本論文所使用的移相演算法為四步移相演算法。四步移相法是移相0度、90度、180度、與270度，此由1982年由J.C.Wyant所提出其算法可表示為：

其相位為：

使用液晶相位延遲器51可以達成相移的功效，經共光程外差干涉儀量測後，分別在液晶相位延遲器51的外加電壓分別加入0，2.055，2.6，3.26(V)，即可獲得四步移相，π，，0°等相位差值，如圖4所示。

本發明應用於表面高度量測的技術原理如下所述：當光線入射至具有微小內部偏移角的透明待測物30，如圖5所示。令這個內部偏移角為α，在第一界面的入射角為θ _i1，第二界面出射角為θ _t2，根據幾何光學理論，偏向角β可寫成如下之公式8：β=θ _i1+θ _t2-α (8)

假設光線垂直入射於界面1如圖6所示，入射角即為θ _i1=0°、出射角θ _t2=sin^-1(n sin α)，其中n為待測物30之折射率，故偏向角又可寫成：

由(9)式可知，偏向角β角正比於內部偏移角，當我們已知待測物30之折射率n，即可藉由量測β角再透過(9)式即可算出待測物30內部偏移角α。由圖6可知，測試光束入射至待測物30，若待測物30有表面高度有dh之變化時，會造成光路偏離原路徑方向，得到+β或-β之角度偏移量。在此待測物30中，雷射光束入射至待測物30再折射出待測物30，若待測物30表面(界面1、界面2)互相平行時，透射出的光線不會產生角度的偏移，若待測物30的兩界面產生±α角，則會分別形成+β或-β的偏向角度變化量。

dh=αdx (10)

若dx即α皆很小時，將(11)式代入(10)式可得：

因偏向角β等於SPR感測器外角的微小變化的M倍(即β=Mdθ)，其中M為光學系統之放大倍率，又，若令dX=M．dx，而dX可視為CCD上的點(pixel)的大小，所以(13)式可改寫為：

其中m是相位對角度的斜率，所以只需要測量出d ，已知待測物30折射率n與CCD之像素點的大小(dX)，即可求得高度差dh。藉由量測SPR之相位來求取θ以及它的變化量dθ，而量測SPR相位可以藉由四步相移干涉術，如前所述以每次相移90°，經四步移相後以(7)式求得值，在由SPR相位曲線如圖3，求出入射角之外角θ。兩像素點pixel之間於是有d 的關係後，亦即可求出dθ最後代入(13)式，可以求出dh，再以積分方式將待測物30之表面形貌h畫出來而形成3D形貌，至於四步移相干涉術可以用液晶相位延遲器51來執行。

本發明應用於折射率分佈量測的技術原理如下所述：當光線進入待測物30，而容器中有兩種差異不大的折射率的液體時，光線會因折射率不同而改變行進方向，如圖7所示，根據Snell’s law，可以將公式寫為n cos θ=C，C為一常數，此時θ是光線與水平方向的夾角，當光線從n₂行進到n₁時可以表示為：n ₁ cos θ ₁=C=n ₂ cos 0°=n ₂ (15)

若角度不大，可以用近軸近似公式將之代入(15)可得：

若令兩折射率的平均值為，則：

將(18)式減(17)式

當光線從n₁到n₀，由折射定律可表示為：n ₁ sin θ ₁=n ₀ sin β。其中為空氣折射率為1.0，因此為n ₁ θ ₁=β。將此關係代入(17)式而得：

△n<<2，因2遠大於△n，所以△n可忽略不計，(20)式可改寫為：

所以透過量測相位獲得偏向角β就可算出折射率的變化。

再者，本發明相位型全場角度偏向顯微鏡之架構係包含如下所示的技術元件：

1：雷射元件11(Laser)，用以發出雷射光束。

2：光阻隔器12(Isolator)，阻止光學系統的反射光返回雷射。

3：光擴束器13(Beam expander)，由物鏡41與透鏡42所組成，使雷射光束擴大。

4：偏極板14(polarizer)，用於選取光束的偏極方向。

5：待測物30(sample)，透明物件，置於物鏡41之前焦平面上。

6：物鏡41(objective)，構成顯微鏡單元40之一元件。

7：透鏡42(lens)，構成顯微鏡單元40之一元件。

8：表面電漿共振角度感測器20(SPR angular sensor)，作為角度感測之用。

9：旋轉平台21(rotation stage)，調整表面電漿共振角度感測器20之入射角。

10：二分之一波片(half-wave plate)，用於擴大相位之用。

11：液晶相位延遲器51(LCD retarder)，四步移相干涉術之用，調整移相0度、90度、180度、與270度。

12：檢偏板54(analyzer)，用於干涉用途。

13：感光元件(如CCD)，作為影像紀錄用，置於成像面上。

本發明於表面高度的量測實施例中，雷射元件11經光阻隔器12與光擴束器13擴束後，再經一個偏極板14，選擇光的偏極方向，之後，垂直入射於待測物30的待測面上，其穿透光束(即角度偏向光束)則會進入顯微鏡單元40中，再調整旋轉平台21角度，使表面電漿共振角度感測器20之入射角在共振角附近；此時，穿透待測物30之角度偏向光束係將待測物30表面之資訊或折射率資訊將轉換成角度偏向資訊，此角度偏向光束角度則會依顯微鏡單元40之放大倍率縮小而進入表面電漿角度感測器(SPR angular sensor)與四步移相干涉術)量測單元中；接著，調整液晶相位延遲器51之外加電壓，再控制影像擷取裝置52(如CCD)逐步紀錄移相0度、90度、180度、與270度等四張影像，干涉條紋之對比度(visibility)可以旋轉檢偏板)的透光軸方向調整之；接著，再以運算單元60內建之電腦軟體將此 四張影像光強度值代入上述之第(7)式，將影像中各像素點的相位算出，再算出各像素點的外角值，然後相鄰兩像素點間的角度差即可算出，然後算出待測面上各像素點的角度偏向，最後若代入公式(13)式可算出待測物30的表面高度，若代入(21)式則可算出折射率變化量。

本發明於表面粗造度量測的量測實驗例中，本實驗例所量測待測物30為一空白載玻片，在共振角的條件下所拍攝的四步移相影像圖，使用第2節中的液晶相位延遲器51之相位對外加電壓曲線圖，分別調整外加電壓來改變相位延遲器的相位，移相為0度、90度、180度、270度的相位，再利用CCD(13)拍攝其影像，圖9中之(a)、(b)、(c)、(d)為放入待測物30後相移0度、90度、180度、270度時所拍攝之影像圖，圖10中之(a)、(b)、(c)、(d)是在無待測物30狀態下相移0度、90度、180度、270度時所拍攝之影像圖。將圖9與圖10分別代入(7)式中，再將所得到的兩相位相減以扣除起始誤差，所得之實際相位圖如圖11所示，再把每一個像素點的相位換算成θ，因此兩點間的dθ可求，最後再代入(13)式計算出表面粗糙度，經由Matlab軟體積分運算後繪出三維圖形，如圖12所示。此平均粗造度為20nm左右與原子力顯微鏡(AFM：Atomic Force Microscope)的結果(如圖13所示)相同，因此足以證明本發明之量測方法的可行性。

本發明於折射率分佈量測的實施例中，如同前面的作法，將放入待測物30的前後以CCD個別取相移為0度、90度、180度、270度的影像各四張，扣除起始相位後計算出實際的相位，然後轉換成角度偏向角β，最後代入公式(21)折射率變化分布圖。本實驗例係將兩種稍微不同的光學匹配油放入載波片中，混合後的折射率變化分布圖，其量測結果如圖 14所示。

本發明對於相位解析度的具體技術原理如下所述：量測相位時若將雷射光強本身的變動量△I=0.1%考慮進去就可將(7)式中加入△I亦可改寫為：

加入雷射變動量後找即可找出相位的誤差值如圖15所示，相位範圍為-90°~130°，誤差範圍在±0.6°之內，因此將其相位誤差做一個標準差計算： 其中，σ為標準差，N為總數，其平均誤差為0.15°，標準差為0.11°。根據相位的誤差值，代入(14)公式中，可計算出各相位之表面粗糙度如圖16所示，其平均誤差為0.12nm，標準差為0.07nm。根據相位的誤差值，代入(21)公式中，可計算出各相位之折射率變化圖17所示，其誤差平均值為8×10^-10(RIU)，標準差為1×10^-9(RIU)。再者，利用本實驗架構在每一個相移的相位皆拍攝10張影像圖，以A點位置座標[10，341]、B點位置座標[291，341]、C點位置座標[10，10]、D點位置座標[291，10]、E點位置座標[150，175]，為中心點的3×3矩陣的9筆資料(如圖18)，再作平均計算系統誤差。根據A、B、C、D、E之相位值，其相位標準差約2度。使用公式(21)，可計算出折射率變化如圖19所示，其折射率標準差最佳為2×10^-8(RIU)。

因此，藉由上述之具體實施例說明，本發明確實具有下列所 述的特點：

1.本發明確實為一種光學式相位型三維表面形貌與顯微量測裝置，可作為瑕疵、缺陷、表面分析、粗糙度、透明材料表面等之各式量測用途。

2.本發明為一種類似光學系統(如顯微鏡)二維影像加上表面高度資訊所構成的三維電子影像，並可利用相位轉換成表面高度的一種量測裝置。

3.本發明確實可利用矩陣式光感測器(例如：CCD,COMS…)作為擷取待測物影像，其每點上的相位作為量測表面高度的資訊，而且是包含利用表面高度變化或折射率變化所造成的光線角度變化的一種裝置。

4.本發明相位範圍在±180度以內，角度偏向範圍為0~±10度，表面高度量測範圍為0.1nm~100μm，縱向解析度為0.1nm~100nm；橫向解析度為0.1μm~2μm；放大倍率可為1~1250倍；折射率解析度達2.2×10^-8(RIU：refractive index unit)。

4.本發明所使用之角度感測器是一種相位對入射角變化之轉換，可以為有鍍膜之元件，未與待測樣品直接接觸，而且所使用之光源為單一波長光源或採用雷射元件。

以上所述，僅為本發明之可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、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。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，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。

參考文獻

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10‧‧‧光投射單元

11‧‧‧雷射元件

12‧‧‧光阻隔器

13‧‧‧光擴束器

14‧‧‧偏極板

20‧‧‧表面電漿共振角度感測器

21‧‧‧旋轉平台

30‧‧‧待測物

40‧‧‧顯微鏡單元

41‧‧‧物鏡

42‧‧‧透鏡

50‧‧‧四步移相干涉術量測單元

51‧‧‧液晶相位延遲器

52‧‧‧影像擷取裝置

53‧‧‧二分之一波片

54‧‧‧檢偏板

Claims (10)

1. 一種相位型全場角度偏向顯微鏡之量測方法，其包括：提供一光投射單元、一表面電漿共振角度感測器、一旋轉平台、一待測物、一顯微鏡單元、一四步移相干涉術量測單元及一運算單元，其中，該四步移相干涉術量測單元包含一液晶相位延遲器及一影像擷取裝置：將該表面電漿共振角度感測器設置於該旋轉平台上，並調整該旋轉平台角度，使該表面電漿共振角度感測器之入射角在共振角附近；將該待測物設於該光投射裝置與該顯微鏡單元之間；以該光投射單元向該待測物投射一光束，該光束穿透該待測物出射為一角度偏向光束，該角度偏向光束穿經該顯微鏡單元後，則依據該顯微鏡單元之放大倍率縮小而依序入射至該表面電漿共振角度感測器及該四步移相干涉術量測單元；以該運算單元依序控制該液晶相位延遲器之四個外加電壓而產生0度、90度、180度以及270度等四種移相角度，再控制該影像擷取裝置依序拍攝該四種移相角度的四張影像；於該運算單元建立一資料庫，該資料庫儲存有複數筆與每一相位逐一對應之入射角的外角值；及以該運算單元將該四張影像之光強度值以一相位計算手段依序求出該四張影像中之各像素點的相位，再由該資料庫逐一比對算出各該像素點的該外角值，再計算出二個相鄰該像素點之間的角度差，以算出該待測物之待測面上之各點的角度偏向，再以一表面高度計算手段算出該待測物的表面高度。
2. 如請求項1所述之方法，其中，該相位計算手段係為相位計算公式，該相位計算公式表示為： ，其中，ψ為相位，I ₁~I ₄為對應該四個外加電壓的電流值，該四個外加電壓分別為0V、2.055V、2.6V以及3.26V，以獲得四步移相，π，，0°等之該相位。
3. 如請求項1所述之方法，其中，該相位範圍約在±180度以內；該角度偏向範圍約為0~±10度；該表面高度量測範圍為0.1nm~100μm，縱向解析度為0.1nm~100nm，橫向解析度為0.1μm~2μm；該顯微鏡單元的放大倍率可為1~1250倍。
4. 如請求項1所述之方法，其中，該運算單元係以折射率計算公式算出該待測物的折射率變化量，該折射率計算公式表示為：△n ，其中，β為偏向角，該偏向角係透過量測相位所得，n為折射率。
5. 如請求項4所述之方法，其中，該折射率解析度達2.2×10^-8。
6. 如請求項1所述之方法，其中，該運算單元係以一表面粗糙度計算公式算出該待測物的表面粗糙度，該表面粗糙度計算公式表示為：，其中，d 為相位變化量，dX為各該像素點的尺寸，m是相位對角度的斜率，n為折射率，藉由求出該待測物之表面形貌變化量dh後，該運算單元再以內建之一Matlab軟體以積分方式運算後繪出該待測物的三維圖形。
7. 如請求項1所述之方法，其中，該光投射單元包含一用以發射該光束的雷射元件、一用以阻止該光投射單元之反射光返回至該雷射元件的光阻隔器、一用以擴大該光束的光擴束器及一位於該擴束器與該待測物之間用以選取該光束之偏極方向的偏極板。
8. 如請求項1所述之方法，其中，該顯微鏡單元包含一物鏡及一透鏡，該待測物係為透明物件，且該待測物係位於該物鏡的前焦平面上。
9. 如請求項1所述之方法，其中，該四步移相干涉術量測單元更包含一位於該旋轉平台與該液晶相位延遲器之間的二分之一波片，用以擴大該角度偏向光束的相位；及一位於該液晶相位延遲器與該影像擷取裝置之間的檢偏板，用以干涉。
10. 一種相位型全場角度偏向顯微鏡之量測裝置，其包括：一光投射單元，其用以向一待測物投射一光束，該光束穿透該待測物出射為一角度偏向光束；一表面電漿共振角度感測器；一旋轉平台，其可供預先調整角度以供該表面電漿共振角度感測器設置其上，使該表面電漿共振角度感測器之入射角在共振角附近；一顯微鏡單元，其位於該待測物與該表面電漿共振角度感測器之間，以供該角度偏向光束入射，並依據預設之放大倍率縮小該角度偏向角；一四步移相干涉術量測單元，其可供自顯微鏡單元出射之該角度偏向光束入射，該四步移相干涉術量測單元包含一液晶相位延遲器及一影像擷取裝置；及一運算單元，其用以依序控制該液晶相位延遲器之四個外加電壓而產生移相0度、90度、180度以及270度等四種移相角度，再控制該影像擷取裝置依序拍攝移相0度、90度、180度以及270度等角度的四張影像，該運算單元建立一資料庫，該資料庫儲存有複數筆與每一相位逐一對應之入射角的外角值，該運算單元將該四張影像之光強度值以一相位計算手段依序求出該四張影像中之各像素點的相位，再由該資料庫逐一比對算出各該像素點的該外角值，再計算出二個相鄰該像素點之間的角度差，以算出該待測物之待測面上之各點的角度偏向，再以一表面高度計算手段算出該待測物的表面高度。