TWI600924B - 量測非球面及其他非平面表面凹凸形狀之方法 - Google Patents

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Description

量測非球面及其他非平面表面凹凸形狀之方法 參照相關申請
此申請基於先前2014年1月9日申請的臨時專利申請號No.61/925570。在此加入臨時專利申請案的整篇內容做為參考。
本揭露是有關於量測非球面與其他非平面表面的形貌。
在近年來，使用微小化攝影機的行動裝置(如手機)的製造及販售顯著的增加。此種攝影機一般需要包括小的、非球面鏡片的鏡片組件。非球面鏡片包括一表面或兩個表面的形狀既不是球形也不是圓柱形的鏡片。非球面鏡片可使用鑽石車削的模具且用射出成形製造這些模具的塑膠複製品以達到大量生產。目前工業上的應用包括使用機械座標量測機器(Coordinate measuring machines，CMMs)來量測模具與鏡片。
非球面鏡片表面(以及其他非平面表面)的光學 量測可能非常困難，如量測在手機的鏡片組件中所使用的那些非球面鏡片表面。近來使用在手機鏡片組件中的很多非球面表面具有鷗翼飛機(gull-wing)或薄煎餅的形狀。由於它們較高的表面斜率與/或相當大的表面積，使得此種鏡片無法以傳統的光學計量學技巧適當地描繪輪廓。雖然如條紋投影系統(fringe projection system)、同調掃描干涉計、相位偏移干涉計、如哈特曼-夏克(Shack-Hartmann)感測器的波前感測器或錯位干涉儀(shearing interferometer)等技術可得到表面形貌的空中2½-d量測，但基於這些技術的系統不但視野受限且斜率允收範圍也受限。術語「2½-d量測」在此參照為指定如高度值的一測量變數(measurand)到一側向位置的一給定格點的每個點的量測值。舉例而言，在一光學輪廓儀中，在其他因素下，允收斜率被成像系統的允收孔徑所限制。典型地，即使視野小到只有1釐米(mm)，這也只有幾度而已。很多表面不只超過視野大小，也超過儀器的允收斜率範圍，又或兩者都超過。使得移動裝置中的非球面表面的光學輪廓量測任務更加複雜，因為通常都需要提供非球面表面與周圍輔助表面之間關係性的量測。周圍輔助表面是用來疊放與對齊鏡片組件裡的非球面。在一些例子中，光學輪廓儀系統的視野可被延伸，但是相對地會造成允收斜率更小；反之亦然。最困難的表面需求是既要大視野又要大的允收角度，使得單個空中的量測一般不足以量測整個表面。
藉由減少儀器的視野與延伸斜率範圍，有可能可找出一個折衷的分案。其中，量測測試物體的表面上的資料連 續片，就是相當於量測已填滿的攝影機視野。在這些被量測的表面片之間提供足夠的重疊，表面的多個視圖可在軟體中被接合在一起，因此可增加儀器的視野大小。即便如此，如果表面斜率太陡與/或表面太平整，仍可能增加描繪一非平面表面的複雜度。尤其是當斜率很陡時，在具有較嚴的量測不確定性需求的應用中，很難提供測試目標準確的相對移動與/或轉動座標，而且也很貴。此外，在鄰近表面片上的特徵之間，即使只有數奈米的匹配誤差，仍會造成實質的誤差。在量測的表面粗糙度低(如無任何缺陷的拋光表面)的情況下，特別需要考量這點。因為缺乏可作為位置的標誌、如刮痕等的任何缺陷，缺乏缺陷使決定鄰近影像的方位更加困難。
本揭露的標的藉由組合一區域表面形貌，具有平台的高解析度顯微鏡，可解決先前的問題，此顯微鏡可使測試物體相對於顯微鏡的相對運動達到六個自由度且具有大角度範圍(如大約30°或更大的向上翹的範圍)。和顯微鏡通訊的電子處理器組合測試物體表面不同區域的多個三維影像，使成為表面的單個大幅影像。由平台所提供的大角度範圍和額外的自由度，對於非平面的測試物體表面而言，可增加成像系統的允收斜率。再者，因為顯微鏡較高的側向解析度，即使是拋光表面的重疊影像也可藉由辨識一般高頻表面特徵(如表面特徵的空間頻率大約為成像系統的解析度倒數)加以組合。的確在一些例子中，測試物體的最終合成影像可不需要極精確的平台座標而獲得。此外，仔細的校正和補償影像與/或系統，可確保高頻特徵的匹配準確。
一般來說，在一些樣態中，本揭露的標的可在一設備中體現，該設備包括一區域形貌量測顯微鏡、相對於該形貌量測顯微鏡可調整測試物體位置和方向的一機械式平台以及一資料處理單元。該形貌量測顯微鏡具有足夠的側向解析度以觀看表面形式與曲面表面上的微結構兩者、與/或表面的波紋。在形貌體系內，微結構一般和表面的粗糙度與紋理相關聯。
在其他樣態中，本揭露的標的可在一方法中體現，該方法包括在該顯微鏡視野內定位該測試物體後，量測一第一部分的區域形貌或測試物體表面的一第一次孔徑。接著，相對於該形貌量測顯微鏡，使用該機械式平台，調整測試物體的相對位置和方向。下一步，量測不同於該第一次孔徑的一第二部分的區域形貌或測試物體表面的一第二次孔徑。重複量測兩個或多個次孔徑的過程，以產生一群、部分重疊的次孔徑形貌量測值。再下一步，資料處理單元分析部分重疊的次孔徑形貌量測值以決定一組剛體參數，該組剛體參數使用一方法以最小化一部分重疊區域中的次孔徑量測值之間的微結構形貌差異。接著，資料處理單元把該組剛體參數和該些次孔徑形貌影像組合在一起，以產生該部件表面的一最終三維(three-dimensional,3D)表面形貌圖。
一般來說，在另一樣態中，該揭露的該標的可在下列方法中體現：使用該顯微鏡，獲得一測試物體的一非平面表面的不同區域的多個影像，且每個影像包含和至少一鄰近影像重疊的一區域，具有足夠解析度的該顯微鏡對該非平面表面上的一微結構進行三維取像，該微結構具有十微米或更小的一 側向尺寸與十微米或更小的一高度；對於該些影像每個，以共用座標系統，決定關於在該影像中該測試物體的一位置與一方向的一組剛體(Rigid body)參數，且該組剛體參數由在該影像的該重疊區域所解析出的該微結構與該鄰近影像的該重疊區域相應的該微結構所配適決定；以及基於該些組剛體參數組合該些影像以產生該表面的一合成影像。
一般來說，在其他樣態中，本揭露的標的可在一系統中體現，該系統包括：一顯微鏡，在測試物體的該非平面表面上的一微結構具有10微米(microns)或更小的一側向尺寸與10奈米(nm)或更小的一高度，該顯微鏡具有足以在三維對該微結構取像的解析度；一平台，用以相對於該顯微鏡排列該測試物體，該平台具有相對於該顯微鏡的至少一旋轉自由度，且該平台具有相對於該顯微鏡的10度或更大的一角度範圍以變化該測試物體的一角度方向；以及一電子處理器，與該顯微鏡通訊，其中，在操作過程中，該顯微鏡獲得該非平面表面的不同區域的多個影像，每個影像包含與至少一鄰近影像重疊的一區域，以及獲取該些影像的至少一些是為了相對於物鏡(objective)的該測試物體的不同角度方向，且該電子處理器被程式化以由該顯微鏡接收該些影像，且對該些影像每個以共用座標系統決定關於該測試物體的一位置與一方向的一組剛體參數，該組剛體參數由該鄰近影像的該重疊區域內對應的該微結構配適在該影像的該重疊區域所解析出的該微結構所決定，且基於該些組剛體參數組合該些影像以產生該表面的一合成影像。
該裝置、方法以及系統的各種實施例是可行的。舉例而言，在一些實施例中，該非平面表面的不同區域的該些影像是三維影像。在一些實施例中，該合成影像是三維影像。
在一些實施例中，區域表面形貌顯微鏡包括一光學儀器，在此參照為一光學輪廓儀，諸如相位偏移干涉(PSI)顯微鏡、同調掃描干涉(CSI)顯微鏡、共焦顯微鏡、焦點掃描顯微鏡、數位全像顯微鏡、結構照明顯微鏡或彩色共焦顯微鏡。
在一些實施例中，該顯微鏡包括一測頭型儀器，能量測區域表面形貌而非剖面輪廓。
在一些實施例中，該顯微鏡包括一光學儀器，該光學儀器裝配為總是在最佳焦點的位置取得資料。
在一些實施例中，該顯微鏡包括一光學儀器，該光學儀器操作在可見光波長，或者操作在紫外光或紅外光波長。
在一些實施例中，該顯微鏡足夠敏感以量測寬度為1至10微米(micron)之間、表面高度為0.1至10奈米(nm)之間的特徵。在0.4至0.8微米之間的可見光波長下，這些值與一般理解為光學性平滑或拋光的表面一致。
在一些實施例中，該顯微鏡使用兩個或多個感測技術，舉例而言，使用一技術以量測或偵測微結構且使用另一技術量測或偵測表面形式。
在一些實施例中，該平台的一軸可動，舉例而言，旋轉或組合側向位移與轉動的好幾個運動。
在一些實施例中，該平台調整只有該部件、只有該顯微鏡，或該部件與該顯微鏡兩者。
在一些實施例中，該平台使用額外的度量衡，如光學編碼器或干涉計以增進準確度。
在一些實施例中，該資料處理倚賴該顯微鏡形貌影像以產生最終的3D表面地圖，而非倚賴該平台的位置資訊。
在一些實施例中，該資料處理倚賴該顯微鏡形貌影像與該平台的位置資訊兩者，以產生最終的3D表面地圖。
在一些實施例中，該方法包括量測分離的表面且將這些表面在尺寸上彼此關聯。舉例而言，一透明物體後表面與前表面相關，或該部件的操作表面與裝設表面相關。
在一些實施例中，該方法包括一個或多個校正步驟以補償系統的誤差。
在一些實施例中，該資料處理包括與所有量測值同步的一總體配適。
在一些實施例中，該資料處理包括一量測值至下一個量測值的一連續性配適，最後產出一最終的3D形貌。
在一些實施例中，該資料處理包括在重疊的量測值的對之間的配適，產出的剛體參數經歷一總體最佳化。
在一些實施例中，該測試物體表面形貌包括平面表面、球狀表面、非球狀表面以及自由曲面表面。
在一些實施例中，微觀來說，該測試物體的尺寸為任意一個尺寸約0.1釐米(mm)到最大10釐米，或巨觀來說，任意一個尺寸約10釐米到最大1000釐米。
在一些實施例中，該非平面表面包括至少兩個位置，該些位置各自的法線形成一角度大於20度、大於30度、大於45度或大於60度。
在一些實施例中，該組剛體參數包括至少兩個平移座標與至少兩個角座標。
在一些實施例中，該組剛體參數包括至少五個座標。
在一些實施例中，該組剛體參數包括六個座標。
在一些實施例中，該組剛體參數足以將該非平面表面的至少兩個位置的該些方向彼此關聯，其中該至少兩個位置具有各自的法線，該些法線形成大於10度的角度、大於20度的角度、大於30度的角度、大於45度的角度或大於60度的角度。
在一些實施例中，該組剛體參數包含三個正交旋轉角。
在一些實施例中，該非平面表面的不同區域的該些影像的該些不同區域包括具有各自法線的至少兩個位置，該些法線形成大於10度的角度、大於20度的角度、大於30度的角度、大於45度的角度或大於60度的角度。以該顯微鏡獲取該些影像可包括：連續定位該測試物體，使得具有各自法線的該些位置大體上平行於該顯微鏡的一軸。該顯微鏡包含一支架，該支架裝配為保持該測試物體且將其在一方向範圍內加以定位，該方向範圍足以連續的使該些位置的法線大體上平行於該顯微鏡的該軸。在一些實施例中，該顯微鏡與該平台裝配為 在一方向範圍內定位該測試物體，該方向範圍足以連續的使該測試物體上的該些位置的法線大體上平行於該顯微鏡的該光軸。在一些實施例中，該顯微鏡與該平台裝配為相對於彼此、在該非平面表面的該些不同區域的該些影像的連續影像之間，平移該測試物體。該平台可包括一個或多個致動器，以相對於該顯微鏡移動該測試物體。在一些實施例中，該顯微鏡與該平台裝配為相對於彼此、在該些影像的連續影像之間，轉動該測試物體。該平台可包含一個或多個致動器，以相對於該顯微鏡旋轉該測試物體。
在一些實施例中，該合成影像的一區域大於該顯微鏡的一視野。
在一些實施例中，為了連續影像，該測試物體相對於該顯微鏡被移動。
在一些實施例中，為了連續影像，該測試物體相對於該顯微鏡被轉動。
在一些實施例中，基於該非平面表面的一曲率，該測試物體被旋轉。將該非平面表面的一部分適當地定位到該顯微鏡的視野內，以使用該顯微鏡取像。
在一些實施例中，在該些影像的至少一些中，該測試物體的一相對旋轉為10度或更多。
在一些實施例中，該非平面表面具有一表面粗糙度的均方根值(RMS)為1奈米(nm)或更小。
在一些實施例中，該非平面表面是一光學性平滑表面。
在一些實施例中，該測試物體是一非球面鏡片。
在一些實施例中，決定該組剛體參數包括：在配適解析出的該微結構之前，校正該非平面表面的不同區域的該些影像。校正該些影像可包括：使用該顯微鏡，獲得一參考鏡的一影像；以及由該非平面表面的該些區域的該些影像每個萃取出該參考鏡影像。獲得非平面表面的不同區域的該些影像可包括：使用一多元件偵測器偵測該些影像，且其中校正該些影像包括：在該多元件偵測器偵測一參考樣品的一影像，該參考樣品包含一既定的週期性表面圖樣；在該量測的參考樣品的一畫素圖樣內，決定一誤差；以及在該畫素圖樣內，補償該些影像每個的該誤差。獲得該非平面的該些不同區域的該些影像可包括：使用一多元件偵測器偵測該些影像，且其中為了每個影像，校正該些影像包括：為了該影像的每個畫素，沿著兩個正交方向決定一表面斜率；為了該影像的每個畫素，計算一對應的回程誤差(retrace error)函數；以及由該影像中的該對應的畫素，萃取該回程誤差函數。
在一些實施例中，該方法包括使用一光學顯微鏡獲得該非平面表面的該些不同區域的該些影像。
在一些實施例中，該方法包括使用一同調掃描干涉顯微鏡、一相位偏移干涉顯微鏡、一共焦顯微鏡、一焦點掃描顯微鏡、一數位全像顯微鏡、一結構照明顯微鏡或一彩色共焦顯微鏡，獲得該非平面表面的該些不同區域的該些影像。
在一些實施例中，獲得該非平面表面的該些不同區域的該些影像包括：使用同調掃描干涉計，以得到該非平面 表面的該些不同區域的一形貌地圖。
在一些實施例中，獲得該非平面表面的該些不同區域的該些影像包括：使用測頭(stylus)量測該非平面表面的該些不同區域每個的一形貌地圖。
在一些實施例中，決定該組剛體參數包括：遍及該些影像的該些重疊區域，應用解析出的該微結構的一總體配適，以得到每個影像的一組最佳剛體參數。應用該總體配適可包括：遍及該些影像的該些重疊區域，得到解析出的該微結構的一最佳配適。
在一些實施例中，為了一系列的鄰近的影像對，以該鄰近影像的該重疊區域中對應的該微結構，連續在該影像中的該重疊區域配適解析出的該微結構。為了每個鄰近的影像對，該配適產生一中介組剛體參數，該中介組剛體參數與在該對中的該些影像之間的該測試物體的相對位置與方向有關，以及決定該組剛體參數更包括：進行一總體最佳化以得到一最終組剛體參數，該最終組剛體參數可最佳匹配該中介組參數。
在一些實施例中，該顯微鏡包括一多元件偵測器，該多元件偵測器用以偵測該非平面表面的該些不同區域的該些影像，且其中該處理器裝配為校正由該多元件偵測器所偵測的該些影像。
在一些實施例中，該電子處理器被程式化，在遍及該些影像的該些重疊區域，應用解析出的該微結構的一總體配適，以得到每個影像的一組最佳剛體參數。該電子處理器被程式化，在遍及該些影像的該些重疊區域，得到解析出的該微 結構的一最佳配適。
在一些實施例中，該電子處理器被程式化，為了一系列鄰近影像對，以該鄰近影像的該重疊區域的相應的該微結構，連續的配適在該影像中的該重疊區域的解析出的該微結構。其中，為了每個鄰近的影像對，該配適產生一中介組剛體參數，該中介組剛體參數與在該對中的該些影像之間的該測試物體的相對位置與方向有關，以及其中，該電子處理器更進一步程式化以進行一總體最佳化，以得到一最終組剛體參數，該最終組剛體參數可最佳匹配該中介組參數。
在一些實施例中，該顯微鏡包含一第一感測器與一第二感測器，該第一感測器裝配為偵測該微結構，該第二感測器裝配為偵測該測試物體的一表面形式。
一個或多個實施例的細節在下列附隨的圖式與實施方式中提出。在實施方式、圖式與申請專利範圍中，其他特徵與優勢顯而易見。
100‧‧‧同調掃描干涉顯微鏡
102‧‧‧鏡片
103‧‧‧鏡片
105‧‧‧源模組
106‧‧‧照明光
107‧‧‧致動器/轉換器
108‧‧‧物鏡組件
109‧‧‧測試物體
110‧‧‧源
112‧‧‧參考平面
113‧‧‧分光器
115‧‧‧參考鏡
120‧‧‧止檔
122‧‧‧參考光
124‧‧‧量測光
125‧‧‧偵測器
128‧‧‧電腦
130‧‧‧成像鏡片
140‧‧‧分光器
145‧‧‧瞳面
150‧‧‧物鏡
170‧‧‧平台
180‧‧‧極化光學元件
200‧‧‧層疊平台
202‧‧‧第一內平台
204‧‧‧第二外平台
206‧‧‧樣品
208‧‧‧量測光
300‧‧‧流程
302、304、306、308、310、312、314‧‧‧步驟
400‧‧‧感測頭
402‧‧‧樣品平台
402a‧‧‧次平台
402b‧‧‧次平台
404‧‧‧路徑
502‧‧‧次孔徑形貌地圖
502a‧‧‧中心地圖
504‧‧‧電子處理器
506‧‧‧中心地圖
508‧‧‧移動/轉動軸
700‧‧‧測試物體
702‧‧‧區域
704‧‧‧位置
706‧‧‧表面偏差
708‧‧‧表面特徵
1000‧‧‧雙折射顯微鏡
1005‧‧‧電腦控制
1006‧‧‧可旋轉線性偏光片
1010‧‧‧物鏡
1015‧‧‧光源
1020‧‧‧焦點掃描器
1040‧‧‧極化相位偏移器
1050‧‧‧空間光調變器
1060‧‧‧分光器
1071‧‧‧平面上
1072‧‧‧出平面
1090‧‧‧樣品
1099‧‧‧攝影機
Rθ‧‧‧旋轉到方位角(C軸)
Ru‧‧‧旋轉到表面斜率(B軸)
圖1是示意圖，繪示同調掃描顯微鏡的一個例子。
圖2是示意圖，繪示在顯微鏡的物鏡頭下層疊的旋轉平台。
圖3是流程圖，敘述程序流程300，對測試物體取像與產生測試物體的3D代表圖。
圖4是示意圖，繪示光學輪廓感測器頭與/或測試物體平台的旋轉路徑的一個例子。
圖5是示意圖，繪示使用一總體優點函數的3D拼接與表 面形貌地圖最佳化的原理。
圖6是實驗的交叉相關圖，對一真實的測試物體樣品，展示拼接配適的品質。
圖7是示意圖，繪示一鏡片的一個例子，鏡片可使用在此揭露的技巧來量測輪廓。
圖8是示意圖，繪示系統的一個例子，其中雙折射顯微鏡用以偵測微結構，結合可快速量測全面形式的條紋投影顯微鏡。
為了對表面區域具有高曲率的測試物體取像，區域表面形貌顯微鏡(如光學輪廓儀)的允收斜率可藉由減少輪廓儀的視野而延伸變大。如果測試物體的表面面積大於縮小的視野，於是由縮小的視野對多個區域取像(表面片或次孔徑)，獲得整個測試物體表面的一影像。使用電子處理器將量測的影像熔接在一起，因此人工地增加了儀器的視野。
獲得測試物體的不同次孔徑影像的量測值包括：相對於顯微鏡的感測頭來操作測試物體，使測試物體表面上的不同位置可以相對於表面、以適當的感測方向被量測。以適當的平台與專屬的重建演算法，此方法可克服傳統光學輪廓儀技術中視野與斜率的限制。即使擴張到半球以外的表面幾何形狀，也可用只能進行2½-d資料的儀器來量測。
此原理的一個例子可用干涉顯微鏡加以說明，如圖1中所示的同調掃描干涉顯微鏡100。干涉成像系統，如圖1中的所示的同調掃描干涉顯微鏡100，以參考表面反射出的 參考波前和由待測物表面反射的波前量測值加以組合，以產出一干涉圖案。干涉圖案的強度分布的空間性變化相當於組合的量測值與參考波前之間的相位差，由相對於參考面的物體表面的輪廓變化所造成。基於量測到的相位差，干涉成像系統可用於量測表面形貌與/或具有複雜表面結構物體的其他特徵，如量測薄膜、不同材料的離散結構或無法被干涉顯微鏡的光學解析度所辨識的離散結構。
在成像系統的參考段與量測段之間的光徑長度差(optical path length difference,OPD)被掃描，替每個攝影機畫素產生一掃描干涉訊號。在一特定時間點、遍及攝影機產生的干涉圖案相當於干涉圖。在低的同調掃描干涉計中，光徑長度差在等同或大於干涉波前的同調長度的一範圍內被掃描。受限的同調長度可在掃描干涉成像系統中產生，舉例而言，藉由使用白光光源，參照為掃描白光干涉(scanning white light interferometry,SWLI)或更一般的說法為同調掃描干涉。典型的同調掃描干涉訊號是局部分布在靠近零光徑長度差位置的數個條紋。訊號的特徵典型是具有鐘型、條紋對比包絡線的正弦載波調變(條紋)。在同調掃描干涉成像系統中，最佳焦點的位置典型在相當於條紋包絡線的尖峰或中心，如光徑長度差為零的位置。
圖1中所示的同調掃描干涉顯微鏡100為Mirau干涉成像系統。為了解釋這個例子，圖1中的y軸假定為垂直頁面。源模組105提供照明光106到分光器140，接著光通過極化光學元件180到Mirau干涉物鏡組件108。平面145相當 於組件108的瞳面。組件108包括量測物鏡鏡片150、在中心部分有小小的反射塗布的參考平面112(由此定義一參考鏡115)以及分光器113。在操作過程中，物鏡鏡片150聚焦照明光通過參考平面112到測試物體109上。分光器113反射聚焦光的第一部分到參考鏡115以定義參考光122且傳送聚焦光的第二部分到測試物體109上以定義量測光124。接著，分光器113以由參考鏡115反射的參考光與由測試物體109反射(或散射)的量測光將之重組，而物鏡150與成像鏡片130將組合光成像，形成在偵測器125(如一多元件感光元件或CMOS偵測器)上的干涉。
偵測器125是多元件(如多畫素)攝影機，可獨自量測在量測光與參考光之間的干涉，相當於測試物體上的不同點與參考鏡(如為干涉圖案提供空間解析度)之間的干涉。偵測器125量測在偵測器的一個或多個畫素量測光學干涉的強度，相當於測試物體的相對位置被掃描，偵測器125將訊息送到電腦128中分析。在分析過程中，電腦128(或具有電子處理器的其他系統)由掃描干涉訊號決定和波長相關、測試表面的複合反射率。舉例而言，在每個偵測元件的掃描干涉訊號可用傅立葉轉換表示，根據波長提供訊號的強度與相位。藉由強度與相位資訊，電腦128獲得關於樣品的高度資訊。對已取像的區域，由每個偵測器取得的高度資訊接著被含括在高度/形貌地圖中。
源模組105包括源110(如點源或空間性延伸源)、由鏡片102與103形成的望遠鏡、位在鏡片102後面的聚焦平 面的止檔120(和鏡片103的前聚焦平面相符)。這組合將源成像到Mirau干涉物鏡組件108的瞳面145，這就是克勒(Koehler)照明的一個例子。止檔120的尺寸可控制測試物體109上照明場的尺寸。在其他實施例中，源模組可包括一組合，其中源直接成像到測試物體上，這已知為臨界照明。
另一種掃描干涉成像系統，舉例而言，包括Michelson和Linnik干涉物鏡。對比於Mirau幾何形狀，在Linnik型與Michelson干涉物鏡，兩者的參考光徑垂直於測試光徑。在Linnik的例子中，將測試光與參考光分開與重組的分光器位於量測物鏡與參考物鏡之前。在Michelson的例子中，將測試光與參考光分開與重組的分光器位於單個物鏡之後。
掃描干涉成像系統可包括任何下列特徵。在一些實施例中，用以產生掃描干涉訊號的光是基於白光光源，或更一般的說，為寬頻光譜的光源。在其他實施例，光源可為單色光源，或更一般的說，為窄頻光譜的光源。光源的例子包括發光二極體或雷射、弧燈以及熱源(如白熾燈泡)。具有不同數值孔徑(numerical aperture,NA)的量測干涉物鏡可用在掃描干涉成像系統中。舉例而言，干涉物鏡可界定大於0.01到約0.9之間的一數值孔徑。可用的干涉物鏡的例子包括玻璃、油/水浸入型以及固體浸入型。由源提供的光可為極化或非極化，包括線形、圓形或結構偏極光。光可為電磁頻譜的可見光波長、紫外光波長或紅外光波長。在一些實施例中，干涉成像系統可包括極化光學，以選擇由測試物體的一入射光的所欲極化與出射光。掃描干涉成像系統的進一步說明可在美國專利申請 號No.7,106,454與No.7,271,918中找到，在此引入兩篇的全文做為參考。
雖然說明了圖1所示的同調掃描干涉顯微鏡，但也可使用其他種的光學輪廓儀。舉例而言，光學輪廓儀可包括使用相位偏移干涉對測試物體取像的相位偏移干涉(Phase-shifting interferometry,PSI)顯微鏡、共焦顯微鏡、焦點掃描顯微鏡、使用數位全像對測試物體取像的數位全像顯微鏡、結構照明顯微鏡或彩色共焦顯微鏡。在一些實施例中，顯微鏡是測頭型儀器(如原子力探針儀器)，可使用測頭去量測區域表面形貌而非剖面輪廓。最佳地，使用的光學輪廓儀具有足夠的解析度，在三維對測試部件表面上的微結構取像，微結構具有10微米或更小的側向尺寸與10奈米或更小的高度。
同調掃描干涉顯微鏡100可裝配為沿著六個不同的自由度、相對於該顯微鏡物鏡，對測試物體定位。不同的自由度包括活塞式(如沿著z軸、物鏡與測試物體之間的偏差)、x軸平移、y軸平移、旋轉、x軸傾斜與y軸傾斜。在干涉顯微鏡100中，活塞運動可使用耦合到Mirau干涉物鏡組件108的致動器/轉換器(如壓電轉換器PZT)107來達成。致動器/轉換器107裝配為沿著物鏡150的光軸、相對於測試物體109，掃描作為整體的組件108，以在攝影機的每個畫素提供掃描干涉資料，其中ζ是掃描座標且h是測試物體表面的相對高度。或者，致動器/轉換器可耦接到保持測試物體的平台170而不是耦接到組件108，以在平台170與組件108兩者之間提供相對運動。在其他實施例中，可由沿著物鏡光軸、相對於測試物體移動整 個顯微鏡的線性平台來提供掃描。在又一實施例中，沿著物鏡150的光軸、相對於物鏡150，可藉由移動參考鏡115與分光器113其中之一或兩者提拱掃描。每個轉換器(如附著在同調掃描干涉顯微鏡100上的致動器/轉換器以及附著在平台170上的轉換器)可被耦接到電腦128，使得電腦128可控制轉換器的速度及操作。
測試物體的平台170可裝配為沿著其他自由度提供測試物體的移動。舉例而言，在一些實施例中，測試物體平台170可包括一組層疊的平台，其中每個平台能使測試物體沿著一個或多個不同的自由度運動。圖2是示意圖，繪示層疊平台200的一個例子，用在量測旋轉對稱性表面樣品206，其中層疊平台200與裝在平台上的樣品位於以量測光208照射樣品206的同調掃描干涉顯微鏡的顯微鏡物鏡頭108下方。如圖1所示，x軸和z軸在頁面內延伸，而y軸延伸進入與離開頁面(如沿著垂直頁面的方向)。層疊平台200包括耦接到第二外平台204的第一內平台202。內平台202允許在其旋轉軸附近(C軸，在圖2所示的示意圖的平面上延伸，如延伸穿越內平台202的中心的線)旋轉(Rθ)部件。內平台組件202被安裝在外旋轉平台204上，外旋轉平台204允許旋轉(Ru)目前被同調掃描干涉顯微鏡100取像的表面片的法線(在B軸附近，在圖2中平行於延伸離開頁面的y軸)，使得法線指向感測頭108。 在一些實施例中，組件200包括提供線性移動(如沿著x軸與/或y軸)的第三平台，使得感測頭可在測試物體上定位不同的徑向位置。組件中的每個平台(如內平台202與外平台204) 可包括致動用的轉換器。
在一些實施例中，如圖2所示，顯微鏡的物鏡頭108被裝配，使得能沿著x軸與/或y軸線性移動。舉例而言，在一些實施例中，轉換器可被安裝到物鏡頭108上，其中轉換器能沿著x軸與/或y軸移動物鏡頭108。物鏡頭108也可沿著z軸被移動，在儀器的高度擷取範圍內得到表面。物鏡頭108沿著z軸的移動可由提供沿著x軸與/或y軸移動的相同的傳動器提供。或者，也可使用不同的傳動器提供。一般來說，測試物體的平台與/或顯微鏡可裝配為沿著多個自由度對測試物體取像。最佳地，平台具有相對於顯微鏡的至少一旋轉自由度，且平台具有相對於該顯微鏡的10度或更大的一角度範圍以變化該測試物體的一角度方向。在下面會更詳細說明，在不同應用中，可使用其他種平台幾何形狀。
沿著多個自由度，顯微鏡物鏡與測試物體能相對於彼此被定位，掃描顯微鏡接著可對測試樣品的多個不同表面片取像。舉例而言，參照圖1中的顯微鏡100，在顯微鏡100的視野內定位測試物體後，對測試物體表面的第一部分的區域形貌(第一表面片)取像，藉由紀錄的干涉資料中獲得一高度地圖。表面片影像相當於在最佳焦點的位置所取得。下一步，平台調整相對於同調掃描干涉顯微鏡100的物鏡頭108的部件的相對位置和方向(使得測試物體表面的局部平面區域的法線被定位成平行於物鏡108的光軸)。下一步，顯微鏡量測不同於第一表面片的第二表面片的區域形貌，其中第二表面片和第一表面片有局部重疊。重疊量是可變化的，舉例而言，可包括 兩個影像大約10%至50%之間的重疊比例。可重複此過程，使至少量測到兩個表面片，產出一群形貌地圖/表面片影像。一但獲得表面片影像，電腦128或其他電子處理器組合(或拼接)該些表面片成為一個大幅影像。尤其是，電腦128分析每個影像的形貌量測值，以決定與精製一組剛體參數。
剛體參數將影像中的測試物體的位置與方向關聯到共用座標系統(例如顯示最終拼接影像的座標系統)。藉由應用線性或非線性配適程序，可完成剛體參數的精製，配適程序會迭代修改剛體參數，使最小化次孔徑影像之間的重疊區域的形貌差異。或者，作為一中介步驟，可協助上述配適程序，基於重疊次孔徑的高頻內容之間的迴歸分析的結果(回歸結果的一個例子如圖6所示)，盡可能地結合平面配適程序，剛體參數可被精製。剛體參數可包括平移座標(如x座標、y座標以及z座標)與/或角座標(如俯仰(pitch)、偏航(yaw)以及翻滾(roll))。在一些實施例中，剛體座標包括至少四個座標(如至少兩個平移座標與至少兩個角座標)。在一些實施例中，剛體座標包括五個座標(如三個平移座標與兩個角座標)。在一些實施例中，剛體座標包括六個座標(三個平移座標與三個角座標)。剛體參數設定小於六個參數整組的實施例需倚賴平台在一個或多個自由度提供足夠準確的運動。基於精製的剛體運動參數組，電腦128組合次孔徑形貌影像，以產生部件表面的最終三維(3D)或2½-d表面形貌地圖。
原理上，平台能提供足夠的平移和轉動準確度，即不需要使用拼接演算法(需要影像重疊)就可以在電腦記憶 體中融合數據。在量測不確定性需求較寬鬆的應用中，與/或可達到的準確度被其他因素所限制的應用中(如巨觀部分上的畫素尺寸大於或等於約100微米)，此方法是可行的。然而，對需要較嚴格不確定性的應用中，由適當的平台提供所需的座標變得越來越困難且成本越來越貴。對一特定的顯微鏡應用來說，一個畫素可能小到約200奈米或甚至更小，而數奈米的匹配誤差可能變成顯而易見的問題。如多層的機械平台需提供這數字的一部分到外部座標，技術上變得很困難，即使對最準確的空氣軸承與編碼系統而言仍很困難。
發明人已觀察到即使是目前市面上有的最高品質、超級光滑的表面也具有高頻的表面紋理。因此，如果光學輪廓儀(如干涉顯微鏡)具有足夠高的解析度，可偵測高頻表面紋理，且利用光學輪廓儀提供同時拼接多個表面視圖的引導，而不需要倚賴由平台提供極準確的座標，或即使由平台提供的任何座標。使用電腦128或其他電子處理器，在次畫素準確度下，即可達到此目標。即，電腦128在兩個或多個鄰近的次孔徑影像中可辨識出相同的高頻特徵，且使用辨識出的特徵決定鄰近影像的一適當的調整(如平移、旋轉、翹起或傾斜)，以獲得同時拼接影像的最佳匹配。舉例而言，在一些實施例中，顯微鏡足夠敏感以量測寬度介於1至10微米之間、表面高度介於0.1至10奈米之間的特徵。這些值和一般理解為在0.4至0.8微米的可見光波長的光學性平滑或拋光表面一致。藉由使用來自測試物體表面的形式與高頻資訊，以組合個別表面片。此方法可完全自我參照，如可不需要關於平台的位置/ 方向的資訊。又或者，只需要由形貌地圖中所獲得的資訊來重建施工架，施工架可同時保持個別表面地圖且施工架也可把表面結成一個整體。在一些實施例中(如不需倚賴小的表面特徵便可將形貌影像匹配到另一個)，藉電子處理器，仍可使用關於平台定位的資訊，建構測試物體的最終表面地圖。
在一些實施例中，顯微鏡使用兩個或多個感測技術。舉例而言，使用第一偵測技術偵測高頻微結構，而使用不同的偵測技術偵測測試物體的表面形式、粗糙度與/或波形。對表面粗糙度較敏感的感測技術的例子包括相位對比顯微術、差分干涉對比顯微術、相位調變偏折術以及焦點感測術。除了先前提到的光學輪廓儀技術之外，最適合表面形式量測的技術包括條紋投影顯微術與紅外掃描顯微術。這些技術中的一些的細節，舉例來說，可在M.Pluta，進階光學顯微術第二冊的“特定方法”(”Specialized Methods”in Advanced Light Microscopy,Vol.2,(Elsevier,Amsterdam,Warsaw,1989))、專利權授予X.Colonna De Lega的美國專利申請號No.2012/0140243，”使用調變的照明得到非接觸表面特徵”的以及專利權授予X.Colonna De Lega et al.的美國專利號No.6,195,168，”紅外掃描干涉裝置與方法”中找到。在此引入這些文獻的整篇內容作為參考。關於表面形式、粗糙度、紋理以及波形的資訊可被找到，舉例而言，在國際標準組織(International Organization for Standardization,ISO)的標準25178、4287以及10110中找到。
如雙感測器技術的例示性實施例，圖8是示意圖， 繪示系統的一個例子，其中雙折射顯微鏡1000，用以偵測微結構、加上條紋投影顯微鏡用以快速量測整體表面形式。在其他的特徵中，圖8繪示了定位的雙折射鏡片1010(它的雙折射軸在圖的平面上與垂直圖的平面上)、在電腦控制下可旋轉線性偏光片1006、空間光調變器1050、焦點掃描器1020、光源1015、分光器1060以及極化相位偏移器1040。指出線性極化的兩個方向：平面上(1071)與出平面(1072)。
當操作如條紋投影顯微鏡時，電腦控制1005可旋轉線性偏光片1006，使得只有平面上的極化1071的光束可通過攝影機且出平面的極化光束1072被完全擋住。在物鏡1010的一焦點掃描，電腦控制1005指示空間光調變器1050在樣品1090上產生投影的條紋。樣品1090的影像和那些投影的條紋一起被攝影機1099偵測。極化相位偏移器1040不作用。產生3D型式的資料擷取與處理方法在專利權授予X.Colonna De Lega的已公告美國專利號2012/0140243，”使用調變的照明得到非接觸表面特徵”中可找到。此方法允許快速地量測形式，通常比同調掃描干涉還快，但在低放大率下，以不足的高度敏感度偵測微結構。
當操作如微結構成像系統時，電腦控制1005可旋轉線性偏光片1006，以組合垂直極化(1072)與平行極化(1071)兩者的光束到圖中。攝影機1099因此同步觀察兩影像，兩影像彼此互相干涉，相當於兩個不同的對焦組態：一個相當於表面的精確成像(在圖的平面上，極化成1071的光束)與其他完全模糊成像(正交於圖的平面上，極化成1072的光束)。電 腦控制1005指示極化相位偏移器1040，調變具有正交極化1071與1072的光束之間的相對相位，在攝影機1099產出調變的干涉圖案。資料處理的進行如Tsujiuchi,et al.,“使用雙焦鏡片進行表面輪廓描繪的相位偏移通路干涉計，”(Proc.SPIE 1720,133-141,1992)，論文的例子中所述，在此引入全文作為參考。
如上述已提過，可使用其他光學感測技術。然而，同調掃描干涉(CSI)顯微術最適合在此揭露的光學輪廓量測過程，至少有下列原因。首先，同調掃描干涉對抗平面量測而履行2½-d，平面暗指沒有特定形狀從光學資料中被移除，如現況使用球形孔的干涉計中典型的例子。第二，以原理來說，同調掃描干涉顯微鏡量測的每個表面點永遠在最佳對焦，已知為同調掃描干涉的自動對焦性質。在此方法下，部件特徵會被最佳地解析，尤其是對於準確地獲取高空間頻率特徵是很重要的。第三，同調掃描干涉允許分離起源於不同介面的訊號，當量測透明或半透明的樣品時(如手機鏡片)這是非常重要的。在測試中，大多數光學技術遭受來自鏡片背面的嚴重的反射。通常解決這個問題只能在背表面塗佈其他種材料而使反射受阻。在同調掃描干涉中，這個問題可由干涉訊號的適當處理而輕鬆解決，使得在測試中，不需要實質上修改樣品即可抑制背反射。並且，由不同介面同時蒐集資訊的能力具有超越其他機制的優勢，因為其允許經由鏡片進行關係化量測。如一個例子，沿著鏡片的光軸使用同調掃描干涉，可以由一側量測鏡片的光學厚度。
為了拼接同一個表面的多個視圖，在接合之前，個別地圖的誤差應該越小越好，使得重疊資料區域盡可能不會發生衝突。為了獲得高準確度的量測，光學輪廓儀系統應該仔細地校正與補償。因此，在拼接形貌地圖成一體前，應遵循一個或多個校正步驟以準備資料。在同調掃描干涉的例子中，顯微鏡校正可包括但不限於關於至少下列靜態誤差源的校正：
●參考鏡面形式的誤差：這些誤差可使用標準平面被特性化，可能用一些平均的技巧被特性化。首先，取得參考鏡形貌地圖。接著，參考鏡形貌地圖由量測的偵測器資料萃取，因此可消除由每個同調掃描干涉量測所產生的誤差。
●變形誤差/側向校正：變形是與視野相關但與瞳無關的誤差，可藉由量測已知的週期性圖案(側向校正標準)被特性化，週期性圖案如蝕刻矩形井嚴謹的週期格點。由此種圖案的資料，明顯的圖案特徵位置的側向偏移(和視野相關)可被計算且每個連續的同調掃描干涉量測值可修正這些誤差，而產出無變形的表面片。隨著計算，也可決定儀器的側向校正(如物鏡空間內的畫素間距或系統的放大倍率)。
●回程誤差：同調掃描干涉顯微鏡是基於雙光束干涉。測試中，典型地使用Mirau或Michelson干涉物鏡對部件取像。當量測包括大斜率的表面片時，這些系統遭受到回程誤差：在非零斜率處，干涉違反通道條件。這意謂量測光束與參考光束沿著不同路徑通過光學系統，直到他們最終在攝影機重新結合以形成干涉圖案。沿著這些不同路徑的光徑差直接進到表面高度的結果裡。因此，將這些回程誤差特性化與修正是很重要 的。這些回程誤差和視野與斜率變數兩者有關(因為表面斜率直接轉換為主要光線的入射角)。即，回程誤差函數是一四維函數：R=R(x,y,sx,sy)
其中R代表回程誤差，x與y是場座標以及sx與sy是描述表面斜率的變數。存在多種方法可用來特性化此四維函數(見Yue Zhou、Young-Sik Ghimc以及Angela Davies的”藉由使用隨機球測試，得到光學輪廓學中的與斜率相關的誤差自校正”，Proc.Of SPIE Vol.8493(2012)，在此引入全文作為參考)。一旦此函數已知，則每個表面片可被修正。首先，對每個畫素位置(x,y)，進行表面資料的數值差分以計算sx與sy。接著，回程誤差函數由量測的表面地圖中萃取：
在前述，方程式S(x,y)是量測的表面地圖而且也是修正的表面地圖。一個更加完整的儀器校正也會考慮回程誤差，回程誤差會產生出現在側向偏移位置的表面特徵。在兩個側向方向的偏移強度和局部斜率以及場座標有關。
圖3是流程圖，說明使用光學輪廓儀如圖1中的同調掃描干涉顯微鏡100，對測試物體取像與產生測試物體3D代表圖的流程300。在第一步驟(302)，流程300包括安裝測試樣品以及在顯微鏡物鏡的視野內對樣品初始定位。接著，使用光學輪廓儀，獲得測試樣品的不同次孔徑區域的多個形貌地圖(304)，其中鄰近的次孔徑形貌地圖彼此之間重疊。獲得不 同形貌地圖需要相對於光學輪廓儀修改與測試樣品相關的移動與旋轉。舉例而言，以顯微鏡獲得影像可包括：連續定位測試物體，使得測試物體表面上的位置的各自法線大體上平行於顯微鏡的光軸。接著對每個基於平台資訊(如和每個次孔徑影像相關聯的平台位置座標)的高度地圖，電腦128獲得(306)初步的剛體運動參數。如使用一個或多個上述校正程序，電腦128也進行校正(308)高度地圖，以獲得修正的次孔徑形貌地圖。在圖3繪示的流程例子中，校正程序包括由取得的影像獲得原始次孔徑形貌地圖、補償原始的形貌地圖中儀器特定的靜態誤差源，以及接著提供校正後的次孔徑形貌地圖(在經過誤差補償後得到)。使用校正的高度地圖，為每個次孔徑地圖，藉由匹配(如配適)位在鄰近次孔徑的重疊區域的高頻微結構，電腦精製(310)該組初步剛體運動參數，以得到最終剛體運動參數。接著，電腦128組合(312)修正的次孔徑地圖。電腦128接著輸出(314)最終表面代表圖(如測試物體的3D地圖)到如電視螢幕上。
平台
參照圖1如上述說明，測試物體可被安裝到平台上，平台提供沿著多個自由度的運動。作為替代或除此之外，光學輪廓儀可裝配為調整物鏡/感測頭的位置，以獲得測試物體與輪廓儀之間的相關定位。一般來說，可使用一些可調式平台。舉例而言，在一些實施例中，平台可包括層疊的一組個別平台，每個平台提供沿著一個或多個的自由度的運動。安裝測試物體的平台可包括機動的線性平台、機動的轉動平台與/或 機動的垂直平台。機動平台可耦接到致動器，致動器依據電子處理器(如電腦128)接收到的指令來驅動平台移動。平台的範圍足以允許顯微鏡遍及整個測試物體表面進行掃描。舉例而言，線性平台應裝設為提供掃描範圍從約0.1釐米到最大約1000釐米之間的任意一個尺寸(如對微觀物體，在約0.1釐米到約10釐米之間或對巨觀物體，在約10釐米到1000釐米之間)。線性移動平台最小的增量運動可在約0.0002微米到約100微米的範圍內(如至少0.01微米、至少0.05微米、至少0.1微米、至少1微米或至少10微米)。旋轉平台也應該提供足夠的旋轉，使得被勘測的每個表面片可被定向，使其表面法線指向感測器/物鏡頭(如被對齊物鏡的光軸)。舉例而言，旋轉平台應裝設為提供10度或更大的旋轉範圍(如達到20度、達到30度、達到45度、達到90度、達到180度或達到360度)。最小增量旋轉可在約0.0002度到約1度的範圍內(如至少約0.001度、至少約0.01度或至少約0.1度)。
在一些實施例中，用以安裝測試物體的平台將物體沿著一軸(如旋轉)、沿著兩軸(如x軸和翻滾(θz))、三軸(如x軸、y軸以及翻滾(θz))、四軸(如x軸、y軸、z軸以及翻滾(θz))、五軸(如x軸、y軸、z軸、俯仰(θx)以及翻滾(θz))或六軸(如x軸、y軸、z軸還有俯仰、偏航以及翻滾(θx,θy,θz))運動。用來驅動機動平台的致動器可包括步進馬達、直流伺服馬達、壓電致動器還有其他。以機動平台來說，平台的移動可為自動化。舉例而言，電腦128可程式化以自動調整測試物體與光學輪廓儀之間的相對位置，同時獲得次孔徑形貌地圖。或 者，使用者能將所需的平台位置座標和運動輸入電腦128。
在一些實施例中，平台是手動操作而非機動平台。使用微調螺絲與或微尺，平台接著可被調整。
本技術的不同應用可能需要不同的平台幾何形狀。在下列，我們將討論對一些應用來說所偏好的幾何形狀，以及對可能性進行初次討論。然而，在此章節中提到的表單並不完整，因為在每個設定中，層疊平台的次序和分解架構可被改變，並產生很多可能的置換。在所有例子中，物鏡可沿著它的光軸被移動，如為了將物體移到焦點與/或在同調掃描干涉量測原理的部件中進行光徑差掃描。
在一些實施例中，運動的單個額外軸就很足夠。舉例而言，考量環的高解析度量測如由閥門座得到(或就此而言，很多其他的密封表面)。在此例中，足夠將物鏡頭定位在環的第一起始片。接著，環在感測頭下被旋轉，以獲得覆蓋待測物整個表面的多個瓦狀。
另一個應用是棒狀物體的量測(如非球面剖面的柱狀)。作為一個例子，棒狀物體可能太長(沿著柱狀軸量測)而無法一次完成量測，但是部件的剖面可能小到足以進入光學輪廓儀的視野和斜率擷取範圍之內。於是，可以沿著一維的移動軸移動該部件或感測器，使該部件得到完全的重疊性量測值。
如果棒狀剖面在擷取範圍之外，則需要旋轉棒狀、移動棒狀以及Z軸感測器再定位(如沿著平行於物鏡光軸的軸再定位)的組合，以完成整個部件的量測。舉例而言，這 允許以較大開孔角度量測柱狀鏡面(快速柱狀鏡片)。
量測旋轉對稱性表面的幾何的第一個例子如圖2所示。為此應用的平台幾何的替代例子如圖4所示。如圖4的示意圖所示，光學輪廓儀感測頭400(如顯微鏡物鏡)或樣品平台402可遵循路徑404(如虛線所圍的範圍內)，使得感測頭400可在旋轉時對測試物體的不同次孔徑取像。在圖4繪示的例子中，樣品平台402包括多個次平台402a、402b，每個次平台也提供樣品在額外方向的移動與/或旋轉。
最一般的例子是自由形式表面的例子。所有其他表面只是自由形式表面的特殊例子。自由形式表面的簡單例子為複曲面透鏡(toric)或雙錐形(biconic)表面。為最一般的例子來說，伴隨適當平台的一個可能的幾何形狀，舉例而言，使用置放在通用接頭(十字接頭(cardan joint)、萬向支架(gimbal mount))上的感測頭，使得可定位在空間中每個可能的位置。下面的部件可裝設到兩軸(x,y)平台上，使得感測頭可定位在部件的每個可能位置上。
演算法
除了上述提到的校正演算法之外，光學輪廓儀系統的電子處理器(如電腦128的電子處理器)使用拼接演算法(見圖3的步驟312)，把所有的次孔徑形貌地圖組合在一起。為了如此做，處理器辨識位在鄰近的次孔徑形貌地圖的重疊區域中的表面特徵(如高頻的表面特徵)，且超出平台提供的資訊之外，決定測試物體座標。對此，量測的表面特徵基於測試物體的形式與紋理被辨識。結果，幾乎可不需要高度準確的平 台座標。
每個次孔徑形貌地圖和三維空間中的一位置相關，藉由操作這相關的3D位置，在虛擬的3D空間中，可像一片瓦狀被移動。根據應用與可用的平台效能，每個瓦狀位置可達到六個自由度。不同的自由度相當於不同的剛體運動參數。為了特定應用，可使用少於六個自由度的運動，但在大部分的例子中，所有六個自由度皆被使用，使得每個瓦狀在3D空間中可不受限制的移動。
為了將數學問題以獨特解法表示，可選擇將自由度由瓦狀之一(所謂的參考瓦狀)移除，使得一瓦狀固定在空間中。所有其他的瓦狀可在固定的參考瓦狀附近移動。為了所有量測的次孔徑表面地圖，由資料擷取階段已知的平台座標可用來定義良好的起始位置。由適當的平台，所有瓦狀的起始位置已經足以等同數個畫素，且在一些例子中甚至更好。
接著，數值最佳化演算法操作瓦狀位置(如修改和瓦狀相關的剛體運動參數)，且進行配適以辨識最佳排列。舉例而言，演算法可使用總體配適，如總體優點函數。優點函數量測重疊區域中鄰近瓦狀的匹配，以決定相當於最佳配適的瓦狀位置與方向。最佳配適發生在當總體優點函數被最小化時。舉例而言，以畫素為基礎，優點函數倚賴貢獻的形貌地圖的均方根(RMS)差。
在一些實施例中，電子處理器可由一形貌地圖到下一個鄰近地圖實行一連續配適，直到每個形貌地圖已被配適。舉例而言，基於辨識微結構的最佳化只在鄰近的瓦狀之間 被連續地完成，產生在鄰近瓦狀間描述測試物體的相對位置與方向的一中介剛體參數。接著，進行總體最佳化程序，為該些瓦狀找出整組剛體參數，整組剛體參數提供和連續配適所決定的中介組參數有最佳可能的一致性。在此例子中的總體最佳化只可應用到中介剛體參數上，且不可進一步在測試物體上使用關於表面微結構的資訊。為了決定最佳可能的一致性，最佳組的剛體參數被轉換到和中介組剛體參數相同參數空間中比較。
和總體最佳化程序相比，連續的配適和之後的總體最佳化程序可導致計算時間顯著地減少，因為總體最佳化程序一次性匹配所有重疊區域中的微結構。因為在連續配適程序中，被最佳化的剛體參數的總數等於自由度的數目D乘與重疊影像區域的數目N。對比地，當一次性應用總體最佳化到所有影像上，被最佳化的參數總數可能更大、需要更長的處理時間。尤其是，由在鄰近瓦狀之間重疊區域數目與在重疊區域中畫素數目的乘積，決定參數的數目。
除了均方根配適以外的配適技巧也可用來拼接形貌地圖，舉例來說，包括最小平方配適技巧。
因為和非平面表面關聯的陡斜率，瓦狀的方向可能需要在大部分的角度範圍操作。舉例而言，瓦狀的俯仰、偏航以及翻滾可能被修改至少10度或更多。
圖5是示意圖，繪示使用總體優點函數與線性或非線性瓦狀位置最佳化的3D拼接的原理。圖5中所示的流程可由適當的電腦系統進行，舉例而言，包括圖1中的光學輪廓儀的電腦128。在圖5的例子中，光學輪廓儀已獲得一系列的 重疊次孔徑形貌地圖502(如圖5”表面瓦狀”所示)，每個代表測試物體表面一個不同區域。藉由為每個地圖502的多個不同的移動/轉動軸508，電腦的電子處理器504如所說明地(表示為”最佳器”)可自由操作其他周圍形貌地圖502的位置與方向時(如藉由修改其他周圍形貌地圖的剛體運動參數)，中心地圖502a為固定的。基於重疊區域每個點之間的差異(如圖5中的橢圓形所示)，對於每個新的排列、優點函數506被重新計算，直到處理器得到最小值。
在總體優點函數的例子中，在最小值被確認之後，儲存在電腦中的資訊現在包括一組具有最佳化3D位置的地圖，如所謂測試後整個表面的地圖集代表。最終，地圖集代表可被排列成一完全的3D代表圖，或者，在測試中，被排列成重組表面的適當2½-d代表圖。
接著這個表面結果可進一步處理，舉例而言，移除總體剛體運動或由給定的表面設計方程式計算出量測表面的偏差值。在很多表面測試與製造流程品質控制的應用中，此種計算出的表面偏差是主要的量測結果。其他應用可能需要配適數值模型到整個表面資料。即，舉例而言，在逆向工程應用中一個重要的步驟。
在特定實施例中，不論是應用線性或非線性、瓦狀最佳化的選擇是由被取像的表面本質所決定。舉例而言，由向上翹起與活塞誤差引起的在次孔徑影像的重疊區域中的形貌差異可為線性，而由表面法線附近的切向剪切或旋轉引起的形貌差異可為高度非線性，因為作為標誌的微結構的高頻本質 與隨機性。在一些實施例中，如果初始剛體參數被準確地決定(如具有小於1微米誤差的位置)，問題可能變成線性的。
圖6是交叉相關圖，指出實際測試物體樣品的拼接配適品質。其中，拼接倚賴測試樣品微粗糙度的辨識。本例中的測試物體非常光滑，粗糙度均方根值為0.06奈米。測試樣品的微粗糙度是高頻特徵的一個例子。即使在這非常平滑的部件，仍具有足夠可解析的結構，以決定側向剪切剛體參數，側向剪切剛體參數在兩個形貌地圖之間產生最佳匹配，如交叉相關圖中的尖峰所示。該計算基於兩個100x100畫素形貌地圖，如交叉相關圖的右邊所示的圖”量測1”與”量測2”。使用以Zygo NewViewTM同調掃描干涉顯微鏡的極低雜訊量測模式所量測的超級拋光平面，完成此實驗。用以獲得圖6中影像的實驗中儀器校正被受限於參考鏡形式誤差的補償。
雖然在此揭露的技巧對具有大斜率的測量表面是有用的，但是測試物體表面形貌可能包括平面表面、球狀表面與/或包括自由形式表面的非球狀表面。在非球面表面的例子中，測試物體表面可能有至少具有各自法線的兩個位置，該些法線形成的角度包括大於10度、大於20度、大於30度、大於45度、大於60度、大於75度以及大於90度。
圖7是一個例子的示意圖，可使用在此討論的技巧對測試物體700取像。測試物體700是透鏡，類似於用在手機攝影機中的鏡片。如在例子中可見，物體700具有曲面與平面區域，大體上彼此位在不同的角度。揭露在此、為描繪3D表面輪廓的技巧，可被用來量測在不同區域702之間的側壁角 度、在不同位置704的測試物體厚度、表面偏差706，還有不同表面特徵708之間的相關性量測，如功能性表面特徵、連鎖裝置以及側壁之間。
額外的實施例
在一些實施例中，用以提供在光學輪廓儀與測試物體之間相對運動的平台可使用額外的度量衡以改善準確度。舉例而言，平台可包括光學編碼器或干涉計。一個例子是平台可包括形成在一側或多側的一個或多個1D或2D編碼器光柵。可基於由編碼器刻度繞射的一個或多個光束的相位資訊，獲得關於編碼器刻度的位移的高準確性位置資訊與從而的平台資訊。
在編碼器刻度的一個或多個位移方向可精確量測變化的編碼器系統，包括：一頻率穩定照明的源光束，包含具有不同頻率的兩個線性正交極化元件；一光學組件，將一個或兩個元件導至附著在平台上的編碼器刻度；一光學組件，接收一個或兩個由編碼器刻度來的繞射光束元件；一光學組件，用以組合與混合兩個頻率元件以產生外插干涉訊號；一偵測器模組，包括產生電性量測訊號的光電偵測器；以及一相位尺，指出由量測訊號來的量測相位值。量測的相位和編碼器刻度的繞射結構以及沿著敏感方向編碼器刻度的位移有關。由測得的相位，關於達到完整3D運動(如翹起、傾斜、移動以及旋轉)的平台運動變化資訊可被決定。追溯位移的編碼系統的例子在專利權賦予Leslie L.Deck et al的美國專利號No.8,300,233，”干涉式編碼系統”中有說明，在此引入全文作為參考。
在一些實施例中，方法包括量測分離表面以及把表面在尺寸上彼此關聯。舉例而言，關於透明物體後表面的前表面或相對於部件的操作表面的安裝表面。
干涉式成像系統可使用其他步驟，以減少誤差。舉例而言，在一些實施例中，干涉式成像系統可使用減少對量測振動靈敏度的技術。此種實施例在環境遭受劇烈振動時特別有利，如用在工廠的設備中。減少同調掃描干涉系統振動靈敏度技術的例子如授予專利權給Leslie Deck et al.的美國專利號No.8,379,218，”觀測成像干涉計的光纖類干涉計系統”以及授予專利權給Jan Liesener,et al.,的美國專利號No.8,120,781，”具有對不均勻樣品作資料頻譜分析的干涉系統與方法”，在此引入該些專利的整篇內容作為參考。
應用
在此說明的技術大幅的應用到計量學的不同範疇。舉例而言，在此說明的技術可能包括：用於小型化成像系統的鏡片或鏡片模具的缺陷觀察，如用在移動電子裝置中的成像系統(如手機、平板或車用電子)；量測非球面的表面形貌；量測如柱體或非柱體的棒狀物體的表面形貌；量測複面曲透鏡與非複面曲透鏡的表面形貌；量測雙錐形與非雙錐形的表面形貌；自由形式表面的一般特徵化；包括非連續表面物體的一般3D輪廓。
一般來說，上述任何的計量學分析方法可用電腦硬體或軟體來實行，或兩者的組合來實行。舉例而言，在一些實施例中，電子處理器可為部件的模組，被安裝到電腦裡且與 一個或多個干涉成像系統連接，以及裝配為進行來自干涉成像系統(如由多元件偵測器或由轉換器)的訊號的分析。可在電腦程式裡進行分析，使用標準化的程式技巧，該程式技巧接續在此說明的方法與圖式。程式碼被施加到輸入資料上，以進行在此說明的函數且產生一輸出資訊。輸出資訊被施加到一個或多個輸出裝置(如視頻顯示螢幕)。每個程式可用高階程序語言或物體導向程式語言進行，以和電腦系統溝通。然而，若需要，程式也可以組合語言或機器語言進行。在任何狀況中，語言可為編譯語言。此外，程式可在以此目的預程式化的專屬的積體電路上執行。
每個此種電腦程式可最佳儲存在可被一般或特殊用途程式化電腦讀取的儲存媒體或元件中(如唯讀記憶體或磁碟)。當儲存媒體或元件被電腦讀取而進行在此說明的程序時，可組態與操作電腦。程式執行的過程中，電腦程式也可位在快取記憶體或主記憶體中。分析方法也可作為電腦可讀儲存媒體般實作，以電腦程式加以組態化。完全組態後的儲存媒體會使電腦操作在特定與既定行為，以進行在此說明的函數。
已說明完一些實施例。此外，需理解的是在不偏離本發明的精神與範疇下，各種不同的修改可為之。其他的實施例也包含在下列申請專利範圍的範疇內。
300‧‧‧流程
302、304、306、308、310、312、314‧‧‧步驟

Claims (45)

  1. 一種使用一顯微鏡對一測試物體的一非平面表面產生一合成影像的方法，該方法包含：使用該顯微鏡獲得該非平面表面中不同區域的多個三維影像，每個影像包含和至少一鄰近影像重疊的一區域；對於重疊之每一區域，辨識出對應之一微結構；對於該些影像每個，以共用座標系統，決定關於在該影像中該測試物體的一位置與一方向的一組剛體(Rigid body)參數，且該組剛體參數由在該影像的該重疊區域所解析出的該微結構與該鄰近影像的該重疊區域相應的該微結構所配適決定；其中，為了一系列的鄰近的影像對，以該鄰近影像的該重疊區域中對應的該微結構，連續在該影像中的該重疊區域配適解析出的該微結構；其中，為了每個鄰近的影像對，該配適產生一中介組剛體參數，該中介組剛體參數與在該對中的該些影像之間的該測試物體的相對位置與方向有關；進行一總體最佳化以得到一最終組剛體參數，該最終組剛體參數可最佳匹配該中介組參數；以及基於該最終組剛體參數組合該些影像以產生該表面的一合成影像。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該非平面表面包含具有各自法線(normal)的至少兩個位置，該些法線形成一大於20度的角度。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該最終組剛體參數包含至少兩個平移座標(translation coordinate)與至少兩個角座標。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該最終組剛體參數包含至少五個座標。
  5. 如申請專利範圍第4項的方法，其中該最終組剛體參數包含六個座標。
  6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該最終組剛體參數足以將該非平面表面的至少兩個位置的該些方向彼此關聯，其中該至少兩個位置具有各自的法線，該些法線形成大於10度的角度。
  7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該最終組剛體參數包含三個正交旋轉角。
  8. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該些三維影像的該些不同區域包含：具有各自法線的至少兩個位置，該些法線形成大於10度的角度。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其中以該顯微鏡獲得的該些影像包含：連續定位該測試物體，使得具有各自法線的該些位置大體上平行於該顯微鏡的一軸。
  10. 如申請專利範圍第9項的方法，其中該顯微鏡包含一支架，裝配為保持該測試物體且將其在一方向範圍內加以定位，該方向範圍足以連續的使該些位置的法線大體上平行於該顯微鏡的該軸。
  11. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該合成影像的一區域 大於該顯微鏡的一視野。
  12. 如申請專利範圍第1項的方法，其中為了連續影像，該測試物體相對於該顯微鏡被移動。
  13. 如申請專利範圍第1項的方法，其中為了連續影像，該測試物體相對於該顯微鏡被旋轉。
  14. 如申請專利範圍第1項的方法，其中基於該非平面表面的一曲率，該測試物體被旋轉，將該非平面表面的一部分適當地定位到該顯微鏡的視野內，以使用該顯微鏡取像。
  15. 如申請專利範圍第13項的方法，其中在該些影像至少一些中，該測試物體的一相對旋轉為10度或更多。
  16. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該非平面表面具有一表面粗糙度的均方根值(RMS)為1奈米(nm)或更小。
  17. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該非平面表面是一光學性平滑表面。
  18. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該測試物體是一非球面鏡片。
  19. 如申請專利範圍第1項的方法，其中決定該組剛體參數包含：在配適解析出的該微結構之前，校正該些三維影像。
  20. 如申請專利範圍第19項的方法，其中校正該些三維影像包含：使用該顯微鏡，獲得一參考鏡的一影像；以及由該些三維影像每個萃取出該參考鏡影像。
  21. 如申請專利範圍第19項的方法，其中獲得該些三維影像包含：使用一多元件偵測器偵測該些影像，且其中校正該些 三維影像包含：在該多元件偵測器偵測一參考樣品的一影像，該參考樣品包含一既定的週期性表面圖樣；在該量測的參考樣品的一畫素圖樣內，決定一誤差；以及在該畫素圖樣內，補償該些三維影像每個的該誤差。
  22. 如申請專利範圍第19項的方法，其中獲得該些三維影像包含：使用一多元件偵測器偵測該些影像，且其中為了每個三維影像，校正該些三維影像包含：為了該三維影像的每個畫素，沿著兩個正交方向決定一表面斜率；為了該三維影像的每個畫素，計算一對應的回程誤差(retrace error)函數；以及由該三維影像中的該對應的畫素，萃取該回程誤差函數。
  23. 如申請專利範圍第1項的方法，包含使用一光學顯微鏡獲得該些三維影像。
  24. 如申請專利範圍第1項的方法，包含使用一同調掃描干涉顯微鏡(coherence scanning interferometry microscope)、一相位偏移干涉顯微鏡、一共焦顯微鏡、一焦點掃描顯微鏡、一數位全像顯微鏡、一結構照明顯微鏡或一彩色共焦(chromatic confocal)顯微鏡，獲得該些三維影像。
  25. 如申請專利範圍第1項的方法，其中獲得該些三維影像包含：使用同調掃描干涉計，以得到該非平面表面的該些不同區域的一形貌圖。
  26. 如申請專利範圍第1項的方法，其中獲得該些三維影像包 含：使用測頭(stylus)量測該非平面表面的該些不同區域每個的一形貌圖。
  27. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該合成影像是一個三維影像。
  28. 一種產生一測試物體的一非平面表面的一合成影像的系統，該系統包含：一顯微鏡，該顯微鏡具有足以在三維對在該非平面表面上的一微結構取像的解析度；一平台，用以相對於該顯微鏡排列該測試物體，該平台具有相對於該顯微鏡的至少一旋轉自由度；以及一電子處理器，與該顯微鏡通訊，其中，在操作過程中，該顯微鏡獲得該非平面表面的不同區域的多個三維影像，每個影像包含與至少一鄰近影像重疊的一區域，以及獲取該些影像的至少一些是為了相對於物鏡(objective)的該測試物體的不同角度方向，且該電子處理器被程式化以由該顯微鏡接收該些影像，且對於重疊之每一區域，辨識出對應之一微結構，且對該些影像每個以共用座標系統決定關於該測試物體的一位置與一方向的一組剛體參數，該組剛體參數由下列所決定：(a)為了一系列的鄰近的影像對，該鄰近影像的該重疊區域內對應的該微結構配適在該影像的該重疊區域所解析出的該微結構，其中，為了每個鄰近的影像對，該配適產生一中介組剛體參數，該中介組剛體參數與在該影像對中的該些影像之間的該測試物體的相對位置與方向有關，以及(b)進行一總體 最佳化，以得到一最終組剛體參數，該最終組剛體參數可最佳匹配該中介組參數，且基於該最終組剛體參數組合該些影像以產生該表面的一合成影像。
  29. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該最終組剛體參數包含至少兩個平移座標與至少兩個角座標。
  30. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該最終組剛體參數包含至少五個座標。
  31. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該最終組剛體參數包含六個座標。
  32. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該最終組剛體參數足以將該非平面表面的至少兩個位置的該些方向彼此關聯，其中該至少兩個位置具有各自的法線(normal)，該些法線形成大於10度的角度。
  33. 如申請專利範圍第32項的系統，其中該顯微鏡裝配為連續的定位該測試物體以獲得該些三維影像，使該測試物體的該非平面表面的該些位置各自的法線大體上平行於該顯微鏡的一量測軸。
  34. 如申請專利範圍第33項的系統，其中該顯微鏡與該平台裝配為遍及一方向範圍內定位該測試物體，足以連續地使該測試物體上的位置的法線大體上平行於該顯微鏡的該光軸。
  35. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該顯微鏡與該平台裝配為相對於彼此、在該些三維影像的連續影像之間，平移該測試物體。
  36. 如申請專利範圍第35項的系統，其中該平台包含一個或多個致動器，以相對於該顯微鏡移動該測試物體。
  37. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該顯微鏡與該平台裝設為相對於彼此、在該些三維影像的連續影像之間，旋轉該測試物體。
  38. 如申請專利範圍第37項的系統，其中該平台包含一個或多個致動器，以相對於該顯微鏡旋轉該測試物體。
  39. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該顯微鏡更包含一多元件偵測器，該多元件偵測器用以偵測該些三維影像，且其中該處理器裝配為校正由該多元件偵測器所偵測的該些三維影像。
  40. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該顯微鏡是一光學顯微鏡。
  41. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該顯微鏡是一同調掃描干涉(CSI)顯微鏡。
  42. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該顯微鏡是一相位偏移干涉(PSI)顯微鏡、一共焦顯微鏡、一焦點掃描顯微鏡、一數位全像顯微鏡、一結構照明顯微鏡或一彩色共焦量測顯微鏡。
  43. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該顯微鏡包含一測頭，該測頭裝配為量測該測試物體的一形貌圖。
  44. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該顯微鏡包含一第一感測器與一第二感測器，該第一感測器裝配為偵測該微結構，該第二感測器裝配為偵測該測試物體的一表面形式。
  45. 如申請專利範圍第28項的系統，其中該合成影像是一三維影像。
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TW104100683A TWI553342B (zh) 2014-01-09 2015-01-09 量測非球面及其他非平面表面凹凸形狀之方法

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Families Citing this family (51)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9784568B2 (en) * 2011-05-20 2017-10-10 Universitat Politècnica De Catalunya Method and device for non-contact three dimensional object surface imaging
CN104903678B (zh) * 2012-11-30 2018-12-11 Qed技术国际股份有限公司 集成的波前传感器和轮廓测定仪
US9854163B2 (en) * 2015-03-22 2017-12-26 Innova Plex, Inc. System and method for scanning a specimen into a focus-stacked scan
CN105066908B (zh) * 2015-08-12 2017-06-09 北京航空航天大学 一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置
TWI589851B (zh) * 2015-11-20 2017-07-01 九驊科技股份有限公司 光學波前量測裝置與方法
EP3190379A1 (de) * 2016-01-08 2017-07-12 SwissOptic AG Interferometrisches stitching-verfahren
WO2018093637A1 (en) * 2016-11-18 2018-05-24 Zygo Corporation Method and apparatus for optimizing the optical performance of interferometers
GB201704770D0 (en) * 2017-01-05 2017-05-10 Illumina Inc Predictive focus tracking apparatus and methods
US10473454B1 (en) * 2017-01-06 2019-11-12 Kla-Tencor Corporation Imaging-based height measurement based on known geometric information
CN106950560A (zh) * 2017-01-16 2017-07-14 东莞市三姆森光电科技有限公司 一种多维光谱共焦测距软件
CN108020174B (zh) * 2017-11-30 2019-06-11 哈尔滨工业大学 基于结构光照明的面形测量装置和方法
CN108020173B (zh) * 2017-11-30 2019-06-11 哈尔滨工业大学 基于结构光照明的面形测量装置和方法
CN107727003B (zh) * 2017-11-30 2019-06-18 哈尔滨工业大学 基于结构光照明的面形测量装置和方法
CN108007382B (zh) * 2017-11-30 2019-06-11 哈尔滨工业大学 基于结构光照明的面形测量装置和方法
US11566993B2 (en) * 2018-01-24 2023-01-31 University Of Connecticut Automated cell identification using shearing interferometry
EP4113993A1 (en) 2018-01-24 2023-01-04 Cyberoptics Corporation Structured light projection for specular surfaces
US10451413B2 (en) * 2018-01-31 2019-10-22 Zygo Corporation Surface topography apparatus and method
DE102018211853A1 (de) 2018-07-17 2020-01-23 Carl Zeiss Smt Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung der Oberflächenform eines optischen Elements
WO2020036782A2 (en) 2018-08-10 2020-02-20 University Of Connecticut Methods and systems for object recognition in low illumination conditions
JP7242846B2 (ja) * 2018-10-12 2023-03-20 エレクトリック パワー リサーチ インスチテュート インコーポレイテッド 光学歪曲媒体内の表面特性を測定する方法
CN109253868B (zh) * 2018-10-24 2020-04-24 京东方科技集团股份有限公司 一种视场角测量方法及装置
KR20200055851A (ko) * 2018-11-13 2020-05-22 삼성디스플레이 주식회사 피검체의 결함 검사 시스템 및 결함 검사 방법
CN109470146B (zh) * 2018-12-07 2020-06-09 哈尔滨工业大学 高分辨力立体视觉系统与测量方法
CN109470144B (zh) * 2018-12-07 2020-11-20 哈尔滨工业大学 线扫描高分辨力立体视觉测量系统与方法
CN109470145A (zh) * 2018-12-07 2019-03-15 哈尔滨工业大学 偏振调制高分辨力立体视觉测量系统与方法
CN109579700B (zh) * 2018-12-07 2020-07-28 哈尔滨工业大学 盘扫描高分辨力立体视觉测量系统与方法
CN109470147B (zh) * 2018-12-07 2020-05-22 哈尔滨工业大学 自适应高分辨力立体视觉系统与测量方法
CN109596063B (zh) * 2018-12-07 2020-07-28 哈尔滨工业大学 多波长高分辨力立体视觉测量装置与方法
CN109470143B (zh) * 2018-12-07 2020-07-28 哈尔滨工业大学 外部光源高分辨力立体视觉测量系统与方法
US20220146370A1 (en) * 2019-02-25 2022-05-12 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Deflectometry devices, systems and methods
US11921285B2 (en) * 2019-04-19 2024-03-05 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona On-chip signal processing method and pixel-array signal
WO2020245511A1 (fr) * 2019-06-07 2020-12-10 Fogale Nanotech Dispositif et procédé de mesure d'interfaces d'un élément optique
CN110455216B (zh) * 2019-07-11 2020-06-16 北京理工大学 一种基于互相关的评价面形测量方法有效性的方法
TWI708040B (zh) * 2019-07-25 2020-10-21 微采視像科技股份有限公司 外反射式三維形貌測量儀
CN112345549A (zh) * 2019-08-07 2021-02-09 金宝电子印第安纳公司 用于表面检查的成像系统
US20210042909A1 (en) * 2019-08-07 2021-02-11 Kimball Electronics Indiana, Inc. Imaging system for surface inspection
CN114502912B (zh) 2019-10-06 2024-03-08 奥宝科技有限公司 混合式3d检验系统
US20220100000A1 (en) * 2019-10-07 2022-03-31 Essilor International Characterizing an optical element
EP3896386A1 (en) * 2020-04-16 2021-10-20 Taylor Hobson Limited Interferometric measuring device
CN111426272B (zh) * 2020-04-21 2021-12-03 湘潭大学 一种测定边坡模型内部位移变化的方法
CN111998794B (zh) * 2020-09-08 2021-04-27 中国民用航空飞行学院 一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法
CN112734916B (zh) * 2021-01-25 2022-08-05 华侨大学 基于图像处理的彩色共聚焦并行测量三维形貌还原方法
WO2022225897A1 (en) * 2021-04-20 2022-10-27 Nikon Corporation Systems and methods for measuring height properties of surfaces
US20220349916A1 (en) * 2021-05-03 2022-11-03 Optipro Systems, LLC Nanoscale imaging systems and methods thereof
CN113469865B (zh) * 2021-06-28 2024-04-19 平湖莱顿光学仪器制造有限公司 一种获取显微图像的方法与设备
CN113933029A (zh) * 2021-10-15 2022-01-14 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种离轴非球面元件的加工检测系统和制造方法
FR3131955A1 (fr) * 2022-01-17 2023-07-21 Fogale Nanotech Procédé et dispositif de détermination d’informations géométriques d’interfaces d’un élément optique
KR102630427B1 (ko) * 2022-01-25 2024-01-29 경희대학교 산학협력단 자가 간섭 홀로그래픽을 이용한 컴퓨터 단층 촬영 시스템 및 방법
CN114234863B (zh) * 2022-02-23 2022-11-15 三代光学科技（天津）有限公司 内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统
WO2023232585A1 (en) * 2022-05-30 2023-12-07 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. 3d visualisation of deposits
CN115131350B (zh) * 2022-08-30 2022-12-16 南京木木西里科技有限公司 一种大景深观测与表面形貌分析系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030117632A1 (en) * 2001-12-18 2003-06-26 Qed Technologies Inc. Method for self-calibrated sub-aperture stitching for surface figure measurement
US20090091566A1 (en) * 2007-10-05 2009-04-09 Turney Stephen G System and methods for thick specimen imaging using a microscope based tissue sectioning device

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3162355B2 (ja) * 1989-03-31 2001-04-25 キヤノン株式会社 面形状等測定方法及び装置
JP3663465B2 (ja) * 1994-03-08 2005-06-22 ザ ユニバーシティ オブ コネティカット 画像情報を強調するための、ピクセルのデジタル式精密強度処理法
JP3309743B2 (ja) 1996-11-27 2002-07-29 富士ゼロックス株式会社 形状測定方法及び装置
US5987189A (en) * 1996-12-20 1999-11-16 Wyko Corporation Method of combining multiple sets of overlapping surface-profile interferometric data to produce a continuous composite map
JP3124959B2 (ja) 1998-09-18 2001-01-15 スタンレー電気株式会社 二重焦点レンズを具備する車両用灯具
US6195168B1 (en) * 1999-07-22 2001-02-27 Zygo Corporation Infrared scanning interferometry apparatus and method
JP2001066123A (ja) 1999-08-27 2001-03-16 Ricoh Co Ltd ３次元形状の形状測定装置及び形状測定方法
US7106454B2 (en) 2003-03-06 2006-09-12 Zygo Corporation Profiling complex surface structures using scanning interferometry
CN1784587B (zh) * 2003-03-06 2010-09-08 齐戈股份有限公司 使用扫描干涉测量形成复杂表面结构的轮廓
US7271918B2 (en) 2003-03-06 2007-09-18 Zygo Corporation Profiling complex surface structures using scanning interferometry
US7173691B2 (en) 2003-12-22 2007-02-06 Qed Technologies International, Inc. Method for calibrating the geometry of a multi-axis metrology system
US7483133B2 (en) 2004-12-09 2009-01-27 Kla-Tencor Technologies Corporation. Multiple angle of incidence spectroscopic scatterometer system
US7446882B2 (en) 2005-01-20 2008-11-04 Zygo Corporation Interferometer for determining characteristics of an object surface
KR101393171B1 (ko) 2005-04-05 2014-05-08 퀘드 테크놀러지즈 인터내셔날, 인크. 비구면을 정밀 고해상도로 측정하는 방법
EP2232195B1 (en) 2007-12-14 2015-03-18 Zygo Corporation Analyzing surface structure using scanning interferometry
CN100582657C (zh) * 2008-01-31 2010-01-20 武汉理工大学 三维微观形貌斜扫描方法及装置
US8004688B2 (en) 2008-11-26 2011-08-23 Zygo Corporation Scan error correction in low coherence scanning interferometry
WO2011068905A2 (en) * 2009-12-01 2011-06-09 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus of operating a scanning probe microscope
EP2553401B1 (en) 2010-03-30 2015-09-02 Zygo Corporation Interferometric encoder systems
US8649024B2 (en) 2010-12-03 2014-02-11 Zygo Corporation Non-contact surface characterization using modulated illumination
NL2008111A (en) * 2011-02-18 2012-08-21 Asml Netherlands Bv Optical apparatus, method of scanning, lithographic apparatus and device manufacturing method.
TWI470184B (zh) 2011-08-20 2015-01-21 Tonta Electro Optical Co Ltd 表面輪廓偵測裝置及其對位方法以及全口徑量測資料的擷取方法
JP5970824B2 (ja) 2012-01-16 2016-08-17 株式会社ニコン 光干渉観察装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030117632A1 (en) * 2001-12-18 2003-06-26 Qed Technologies Inc. Method for self-calibrated sub-aperture stitching for surface figure measurement
US20090091566A1 (en) * 2007-10-05 2009-04-09 Turney Stephen G System and methods for thick specimen imaging using a microscope based tissue sectioning device

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Publication number Publication date
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US9798130B2 (en) 2017-10-24

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Quinten et al. Optical Surface Metrology: Methods
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