TWI598568B - 修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差之方法 - Google Patents

修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差之方法 Download PDF

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Description

修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差之方法
本發明係關於修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法，且更特定言之係關於修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法，其中防止當判定由白光相移干涉儀獲取之干擾信號之序號時歸因於相位未定性之誤差。
干涉儀為一裝置，其發射光至待掃描之物體的表面及參考面，基於自物體反射且通過物體的兩個光波產生干擾信號，且量測與分析此干擾信號，從而獲得關於此物體之表面形狀的資訊。
因為干涉儀可容易地判定待掃描的物體之形狀，所以此干涉儀已在工業領域中廣泛應用。特定言之，隨著在遍及所有近年來的工業領域中技術之快速發展，已經對半導體、微機電系統(microelectromechanical systems；MEMS)、平面顯示器、光學元件等等存在微型製造之需要，且目前需要奈米尺度的超精度製造。此外，所需製造圖案已變得複雜，且因此正在重視量測精細圖案之重要性。
在干涉儀中，已廣泛使用白光相移干涉測量法。白光相移干涉測量法使用白光掃描干涉測量法之可見度提取算法以獲得可見度峰值，且藉由使用在峰值周圍量測的資料進行相移干涉測量法之算法來將相位計算為位置。
第1圖為用於說明判定習知白光相移干涉儀中之條紋序號之方法的視圖，且第2圖為用於說明當判定習知白光相移干涉儀中之條紋序號時發生之誤差的視圖。
參看第1圖，有可能基於經由白光相移干涉儀獲得之干擾信號10，以及藉由干擾信號之絕對強度值獲得之可見度函數21來判定條紋序號。首先，基於干擾信號10獲得可見度函數21；且隨後，在複數個量測點11、12、13、14及15(在此等量測點處量測干擾信號)之中最接近於可見度函數21之峰值22的量測點11之位置經設定為零序號干擾信號量測位置h1。因為零序號干擾信號量測位置h1並非其中光具有大體上最大強度之零序號干擾信號真位置h0，所以具有大體上最大光強度之零序號干擾信號真位置h0係藉由增加或減小零序號干擾信號量測位置h1及零序號干擾信號量測位置h1之相位來計算。
然而，參看第2圖，當設定零序號干擾信號量測位置h1時，待掃描物體之性質、物體之傾斜、外部振動等可在判定序號時引起誤差，且誤差帶來2π相位未 定性。亦即，若干擾信號10歸因於引起誤差之許多因素而由雜訊損壞，則可見度函數23之峰值24自零序號干擾信號真位置h0偏移達π或π以上。
在此狀態中計算之零序號干擾信號誤差位置h2與零序號干擾信號真位置h0之相位的相位差達2π，且因此在量測物體之形狀時引起誤差。
因此，構想本發明來解決上述問題，且本發明之態樣係提供修正在白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法，其中使用經由彩色照相機獲取之彩色干擾信號來代替可見度函數，以便在其中量測干擾信號之位置之中設定零序號干擾信號量測位置，從而防止在判定干擾信號中之序號時的誤差，且從而防止2π相位未定性。
根據本發明之實施例，提供一種修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法，該白光相移干涉儀包括白光源；物鏡，用於基於自白光源發射之光產生干擾信號；彩色照相機，用於獲取由物鏡產生之彩色干擾信號；及黑白照相機，用於獲取由物鏡產生之黑白干擾信號，該方法包括：經由彩色照相機在紅色干擾信號、綠色干擾信號及藍色干擾信號之中獲取至少兩個彩色干擾信號；基於在至少兩個彩色干擾信號之間具有最小相位差的位置，判定零序號干擾信號之位置索引；以及藉由以下方式來計算其中光具有最大強度的零序號干 擾信號真位置：將位置之中的對應於零序號干擾信號之位置索引之位置設定為零序號干擾信號量測位置，其中干擾信號係在經由黑白照相機獲取之黑白干擾信號中量測，且增加或減少在零序號干擾信號量測位置處之零序號干擾信號量測位置之相位值。
此方法可進一步包括在獲取干擾信號之後，根據來自至少兩個經獲取彩色干擾信號之各個彩色擷取相位，其中判定位置索引包括判定一位置作為零序號干擾信號之位置索引，此位置具有在對應於各個顏色之經擷取相位之間的最小相位差。
獲取干擾信號可包括獲取紅色干擾信號、綠色干擾信號及藍色干擾信號；且判定位置索引可包括判定一位置作為零序號干擾信號之位置索引，此位置具有在兩個不同彩色干擾信號的相位之間的差的絕對值之最小和。
擷取相位可包括使用小波變換以自彩色干擾信號擷取相位。
1‧‧‧物體
10‧‧‧干擾信號
11‧‧‧量測點
12‧‧‧量測點
13‧‧‧量測點
14‧‧‧量測點
15‧‧‧量測點
21‧‧‧可見度函數
22‧‧‧峰值
23‧‧‧可見度函數
24‧‧‧峰值
100‧‧‧白光相移干涉儀
101‧‧‧主光束分離器
102‧‧‧聚光透鏡
103‧‧‧光束分離器
110‧‧‧白光源
120‧‧‧物鏡
121‧‧‧聚光透鏡
122‧‧‧光束分離器
123‧‧‧參考鏡
130‧‧‧物鏡驅動器
140‧‧‧彩色照相機
150‧‧‧黑白照相機
210‧‧‧紅色干擾信號
211‧‧‧模數
212‧‧‧相位
220‧‧‧綠色干擾信號
222‧‧‧相位
230‧‧‧藍色干擾信號
232‧‧‧相位
241‧‧‧絕對值
242‧‧‧絕對值
243‧‧‧絕對值
245‧‧‧和
250‧‧‧黑白干擾信號
251‧‧‧量測點
252‧‧‧量測點
253‧‧‧量測點
254‧‧‧量測點
255‧‧‧量測點
S10‧‧‧操作
S20‧‧‧操作
S30‧‧‧操作
S40‧‧‧操作
當結合附圖時，本發明之上述及其他態樣將自示例性實施例之以下描述變得顯而易見且更加容易地瞭解，在此等附圖中：第1圖為用於說明習知白光相移干涉儀中之條紋序號之方法的視圖； 第2圖為用於說明當判定習知白光相移干涉儀中之條紋序號時發生之誤差的視圖；第3圖為示意地圖示用於達成根據本發明的修正條紋序號中之誤差的方法之白光相移干涉儀之視圖；第4圖為順序地圖示根據本發明之實施例的修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法之流程圖；第5圖為用於說明在第4圖之修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法中獲取干擾信號之操作的視圖；第6圖為用於說明在第4圖之修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法中擷取相位之操作的視圖；第7圖為用於說明在第4圖之修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法中判定索引之操作的視圖；第8圖為用於說明在第4圖之修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法中計算真位置之操作的視圖。
在下文中，將參看附圖詳細描述根據本發明的修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法之實施例。
第3圖為示意地圖示根據本發明的用於達成修正條紋序號中之誤差的方法之白光相移干涉儀之視圖；
參看第3圖，用於達成根據本發明的修正條紋序號中之誤差之方法的白光相移干涉儀100包括白光源110、物鏡120、物鏡驅動器130、彩色照相機140，及黑白照相機150。
白光源110可使用鹵素燈、發光二極體(light emitting diode；LED)等作為用於發射白光之光源。在白光源110後方，可佈置用於準直白光之準直透鏡。
物鏡120將自白光源110發射之白光導引至物體1及參考鏡123，且基於自物體1反射之光及參考鏡123之參考光產生干擾信號。在此實施例中，物鏡120包括聚光透鏡121、光束分離器122及參考鏡123。
參看第3圖，聚光透鏡121將光朝向物體1聚集，以便自白光源110發射之白光可經由聚光透鏡121朝向光束分離器122行進。
光束分離器122將通過聚光透鏡121之光反射或透射。自光束分離器122反射之光入射至參考鏡123，且通過光束分離器122之光經導引至物體1且再次自物體1反射。
參考鏡123經佈置在聚光透鏡121與光束分離器122之間且產生與自物體1反射之光具有光程差之 參考光。參考鏡123再次朝向光束分離器122反射入射光，此入射光係自光束分離器122反射。
自物體1反射之光及由參考鏡123產生之參考光係用以構成干擾信號。此參考信號係藉由彩色照相機140及黑白照相機150偵測。
物鏡驅動器130將物鏡120接近或遠離物體1移動。
當物鏡驅動器130正在驅動物鏡120以若干奈米之間隔朝向物體1移動時，彩色照相機140或黑白照相機150發現偵測到強干擾信號之位置。物鏡驅動器130可驅動物鏡120以按自白光源110發射之光的0、π/2、π，3π/2個週期朝向物體1移動。
彩色照相機140經佈置在物體1上方且獲取由物鏡120產生之彩色干擾信號。黑白照相機150經佈置在物體上方且獲取由物鏡120產生之黑白干擾信號。
通常，彩色照相機140或黑白照相機150使用電荷耦合器件(charge coupled device；CCD)照相機，此電荷耦合器件照相機具有對於待量測之區域之適當數目的像素。在彩色照相機140或黑白照相機150前方，聚光透鏡102可經佈置以聚集接收自主光束分離器101之干擾光，且光束分離器103可經佈置以將通過聚光透鏡102之光朝向彩色照相機140或黑白照相機150分離。
在此實施例中，反射型干涉儀被描述為用於達成根據本發明的修正條紋序號中之誤差之方法的白光相移干涉儀100之實例，但不以此為限。或者，傳輸型干涉儀可被用作用於達成根據本發明的修正條紋序號中之誤差之方法的白光相移干涉儀之實例。
在下文中，將描述修正上述白光相移干涉儀100中之條紋序號中之誤差的方法。
第4圖為順序地圖示根據本發明之實施例的修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法之流程圖；第5圖為用於說明在第4圖之修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法中獲取干擾信號之操作的視圖；第6圖為用於說明在第4圖之修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法中擷取相位之操作的視圖；第7圖為用於說明在第4圖之修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法中判定索引之操作的視圖；且第8圖為用於說明在第4圖之修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法中計算真位置之操作的視圖。
參看第4圖至第8圖，根據本發明之實施例的修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法包括獲取干擾信號之操作(S10)、擷取相位之操作(S20)、判定索引之操作(S30)、計算真位置之操作(S40)，以便判定使用白光相移干涉儀獲取之干擾信號中之序號。
在獲取干擾信號之操作S10中，彩色照相機140係用以獲取紅色干擾信號210、綠色干擾信號220及藍色干擾信號230之中的至少兩個干擾信號。
參看第5圖，彩色照相機140係用以獲取紅色干擾信號210、綠色干擾信號220及藍色干擾信號230。在此等干擾信號之中，至少兩個彩色干擾信號係用於達成根據本發明的修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法。
在根據此實施例之獲取干擾信號之操作S10中，可獲取所有紅色干擾信號210、綠色干擾信號220及藍色干擾信號230。將根據使用所有紅色干擾信號210、綠色干擾信號220及藍色干擾信號230之假設給出以下描述。
在擷取相位之操作S20中，根據各個顏色之相位係自在獲取彩色干擾信號之操作S10中獲取之至少兩個彩色干擾信號中擷取。
例如，參看第6圖，小波變換可用於自在獲取彩色干擾信號之操作S10中獲取之紅色干擾信號210中擷取相位212。
小波變換可藉由根據頻帶改變稱為小波之窗口函數之波幅來分析所有頻帶之信號。小波變換之特徵在於，信號之所有頻率特性係藉由使用高頻帶中之窄窗口及低頻帶中之寬窗口以單個時頻空間表達。
經由小波變換，有可能分析小波變換係數之模數及相位。如第6圖中所示，紅色干擾信號210之模數211及相位212係經由小波變換自紅色干擾信號210擷取。
因為小波變換為本領域具有通常知識者所熟知，所以將省略關於小波變換之詳細表達式或函數之描述。
儘管未圖示，但類似於紅色干擾信號210之模數及相位，綠色干擾信號220之模數及相位222亦可經由小波變換自綠色干擾信號220擷取，且藍色干擾信號230之模數及相位232亦可經由小波變換自藍色干擾信號230擷取。
在判定索引之操作S30中，在至少兩個彩色干擾信號之間具有最小相位差之位置係判定為零序號干擾信號之位置索引hc。
在此實施例中，使用在擷取相位之操作S20中擷取的紅色干擾信號之相位212、綠色干擾信號之相位222及藍色干擾信號之相位232，而並非直接地使用用於獲得相位差之紅色干擾信號210、綠色干擾信號220及藍色干擾信號230，將在分別對應於不同顏色之相位212、222及232之中具有最小相位差的位置判定為零序號干擾信號之位置索引hc。
此處，零序號干擾信號之位置索引hc代表發現量測點之索引，此量測點對應於在其中實際量測干擾信號之複數個點之間的零序號干擾信號。
實際上，外部因素可帶來差異。然而，理論上認為此等相位為相同的，與在複數個量測點之中的零序號干擾信號量測位置h1中之光源無關。因此，在對應於不同顏色之相位212、222及232之中具有最小差異之位置經判定為零序號干擾信號之位置索引hc。
在此實施例中，在對應於兩個不同顏色之干擾信號之相位212、222及232之間的差的絕對值之和245可經獲得以判定在不同顏色之相位212、222及232之間具有最小差異之位置。
首先，參看第7圖之(b)圖，分別地使用不同顏色之相位212、222及232獲得紅色干擾信號之相位212與綠色干擾信號之相位222之差的絕對值241、綠色干擾信號之相位222與藍色干擾信號之相位232之差的絕對值242，以及紅色干擾信號之相位212與藍色干擾信號之相位232之差的絕對值243。
隨後，參看第7圖之(c)圖，獲得三個絕對值241、242及243之和245，且具有絕對值之最小和245之位置經判定為零序號干擾信號之位置索引hc。
在計算真位置之操作S40中，計算其中光具有最大強度之零序號干擾信號真位置。
參看第8圖，使用在判定索引之操作S30中判定之零序號干擾信號之位置索引hc，將在位置(在此等位置中，干擾信號係在由黑白照相機150獲取之黑白干擾信號250中量測)之中對應於零序號干擾信號之位置索引hc之位置設定為零序號干擾信號量測位置h1。
因為當掃描位置係藉由經由物鏡驅動器130朝向物體1移動物鏡120而改變時獲取干擾信號，所以在黑白干擾信號250之複數個量測點251、252、253、254及255之中選擇與零序號干擾信號之位置索引hc具有相同掃描位置之量測點251，且經選擇量測點251之位置係判定為零序號干擾信號量測位置h1。
然後，具有最大光強度之零序號干擾信號真位置h0係藉由增加或減小在零序號干擾信號量測位置h1處之零序號干擾信號量測位置之相位值b來計算。零序號干擾信號真位置h0係藉由以下表達式來計算。
其中，h0為零序號干擾信號真位置，h1為零序號干擾信號量測位置，a0為白光源之中心波長，且b為零序號干擾信號量測位置之相位值。
零序號干擾信號真位置h0大體上代表其中偵測到最強干擾信號之位置。藉由經由上述方法根據物體1上之預定點發現零序號干擾信號真位置h0且隨後將 此等真位置h0彼此連接，有可能在無相位未定性之情況下正確地量測物體1之形狀。
在根據本發明之實施例的修正在上述白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的上述方法中，在複數個點之中設定零序號干擾信號量測位置，其中使用由彩色照相機獲取之彩色干擾信號量測干擾信號，從而具有在判定條紋序號時防止誤差且從而防止2π相位未定性之效應。
此外，在根據本發明之實施例的修正在上述白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的上述方法中，相位未定性得以防止以從而具有更準確地量測物體之形狀且提高量測精度之效應。
如上所述，根據本發明之實施例的修正在白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法防止在判定條紋序號時之誤差且從而防止2π相位未定性。
另外，根據本發明之實施例的修正白光相移干涉儀中之條紋序號中之誤差的方法防止相位未定性，以從而更準確地量測物體之形狀且提高量測精度。
儘管已圖示且描述了本發明之一些示例性實施例，但是熟習該項技術者應瞭解，可在不背離本發明之原理及精神之情況下於此等實施例中進行變化，且本發明之範疇係在附加申請專利範圍及其同等物中定義。
S10‧‧‧操作
S20‧‧‧操作
S30‧‧‧操作
S40‧‧‧操作

Claims (4)

  1. 一種修正一白光相移干涉儀中之條紋序號中之一誤差之方法，該白光相移干涉儀包含：一白光源；一物鏡，用於基於自該白光源發射之光產生一干擾信號；一彩色照相機，用於獲取由該物鏡產生之一彩色干擾信號；及一黑白照相機，用於獲取由該物鏡產生之一黑白干擾信號；該方法包含以下步驟：經由該彩色照相機在一紅色干擾信號、一綠色干擾信號及一藍色干擾信號之中獲取至少兩個彩色干擾信號；基於在該至少兩個彩色干擾信號之間具有一最小相位差的一位置，判定一零序號干擾信號之一位置索引；藉由以下方式來計算其中光具有最大強度的一零序號干擾信號真位置：將該等位置之中對應於該零序號干擾信號之該位置索引之一位置設定為該零序號干擾信號量測位置，其中該等干擾信號係在經由該黑白照相機獲取之該黑白干擾信號中量測，且增加或減少在該零序號干擾信號量測位置處之該零序號干擾信號量測位置之一相位值。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包含以下步驟：在獲取該干擾信號之後，擷取根據來自至少兩個經獲取彩色干擾信號之各個顏色之相位；其中該判定該位置索引之步驟包含以下步驟：判定一位置作為該零序號干擾信號之該位置索引，該位置具有在對應於該各個顏色之該等經擷取相位之間的一最小相位差。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該獲取該干擾信號之步驟包含以下步驟：獲取該紅色干擾信號、該綠色干擾信號及該藍色干擾信號；以及該判定該位置索引之步驟包含以下步驟：判定一位置作為該零序號干擾信號之該位置索引，該位置具有在兩個不同彩色干擾信號的相位之間的差的絕對值的一最小和。
  4. 如請求項2所述之方法，其中該擷取該相位之步驟包含以下步驟：使用一小波變換以自該彩色干擾信號擷取該等相位。
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