TW201800720A - 光學系統及使用該系統之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種藉由同步多點光學掃描之高速全域式光學系統與物體表面或內部光反射介面(含物體之背面)三維形貌偵測方法。將光調制單元產生之至少一點光源投射至一物體表面或內部光反射介面(含物體之背面)的至少一位置。再以該影像擷取裝置接收由該至少一深度位置反射之至少一反射物光，以產生該深度相對應的一特定光學繞射影像，其係具有至少一光學繞射圖案。該偵測方法利用精密深度位移進行各個深度所對應光學繞射圖案之紀錄，以形成一個複數個光學繞射圖案資料庫。將物體表面或內部光反射介面(含物體之背面)三維形貌深度所量測得到的光學繞射圖案，利用控制與計算單元，將量測光學繞射圖案與複數個光學繞射圖案樣本進行正歸化影像匹配運算，以決定對應該光學繞射圖案之位置的精密深度資訊。

Description

光學系統及使用該系統之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法

本發明為一種藉由同步多點光學掃描之高速全域式光學系統與偵測技術，特別是指一種利用散射圖案影像來偵測物體表面或內部光反射介面(含物體之背面)三維形貌的一種光學系統，以及使用該系統之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法。

彩色共焦顯微系統是量測物體表面三維形貌的方法之一，可以量測機械或半導體結構中的階高、線寬、溝槽寬度以及深度等資訊，進而作為製程改良或良率檢測的重要依據。本技術最早在1957年由馬文·閔斯基(Marvin Minsky)提出。彩色共焦的原理是將入射光色散，形成具有不同聚焦深度的多個偵測光，形成光學式垂直掃描之量測機制，應用這種方式來偵測待測物，可以獲得不同深度之光學切片影像，藉由針孔(pinhole)進行失焦訊號之過濾，將聚焦區外之反射光與散射光濾除，保留聚焦面資訊，並由電腦將不同深度所得之光學切片影像重建起來，即可求得待測物之三度空間影像資訊。

例如美國專利US.Pat.No.6,934,019所揭露的一種共焦晶圓檢測系統，光源投射之光場經過透鏡而聚焦在不同聚焦位置。由於為點光場之故，因此透過由待測晶圓上之反射之光場只有一種顏色的光場可以經由分光鏡14的反射而通過濾波元件。透過移動待測物或者是移動光學結構，以量測待測晶圓上不同位置之表面高度。前述之習用技術雖然可以量測待測物之表面高度，但是因為聚焦之位置係為點光場，因此每一次檢測之位置僅為單點，因此要能夠量測到整個待測物的表面三維形貌不但耗時而且降低製程的生產效率。此外，由於反射之光場為單一色光，因此直接由光譜儀感測即可分析。

另外，又如美國專利 US.Pat.No.5,785,651所揭露的一種共焦顯微裝置。在該技術中，該共焦顯微裝置利用一光源所產生之多色光場 (polychromatic light)經過無色差準直透鏡 (achromatic collimator lens)，然後形成無色差之準直光場而投射至Fresnel光學元件上。經過Fresnel光學元件後形成隨著波長不同而有不同聚焦點之分散光場，以檢測待測物之表面三維形貌。在該技術中，同樣地，亦是將光場調制成隨著不同波長而聚焦於不同位置之點，由於每一次檢測之位置僅為單點，因此要能夠量測到整個待測物的表面三維形貌不但耗時而且降低製程的生產效率。此外，由於反射之光場為單一色光，因此直接由感測元件感測即可分析。此外，又如美國公開申請案第US.Pub.No.2004/0109170所揭露的共焦檢測感測器，其亦是將光場分成不同波長而分別聚焦於不同之聚焦位置上。

雖然彩色共焦之偵測光因為具有不同的聚焦深度，而可以免除傳統垂直掃描時，因為垂直移動機構的運動對量測機台所造成的振動問題，但是仍然有幾個部分有待解決的部分：

第一、在多點同時量測射時，緊鄰量測點之間失焦光和雜散光重疊而易生橫向干擾(cross talk)之雜訊問題，習用技術中，爲了減少光線間相互干擾的問題，多在光譜儀前面設置針孔(pinhole)，然而此種方式雖可以減少干擾，但是如果是應用在量測物體二維表面形貌或者需要高解析度的量測時，則需要配合橫向移動的機制，如此一來會增加量測所需的時間以及振動對量測精度的影響，因此一般共焦三維形貌量測的方式多半還是應用在單點量測的領域。

第二、光譜儀體積佔據空間以及解析光譜耗時的問題。習用技術中，爲了還原表面三維形貌，需要透過光譜儀偵測通過狹縫或者是針孔結構的光譜，進而找出對應偵測位置的光線波長與其光強度，而還原該位置對應的深度。利用光譜儀的方式有幾個有待克服的部分，首先是光譜儀的體積龐大，佔據空間。再者，由於光譜儀還原光譜資訊耗時不具量測效率，其主要的原因是對每一個量測位點而言，展開的光譜是一維度的光譜，如果對一個線性量測位置而言，展開的就是一個二維光譜，在量測速度與資料計算上均屬不利的情況，一般均將量測速度大幅降低。由此可知，每一個光譜儀進行一次性的解析，最多就是一個線性的量測區域，因此，如果要量測一個面，這就必須要透過橫向移動的掃描，如此一來不但增加量測的時間，更有可能因為橫向機械掃描運動對量測機台造成振動問題，而影響量測精度。

目前光學顯微共焦量測技術上，量測訊號之擷取主要憑藉對應於量測深度之單一光強或光譜資訊，藉由機械式或光學式的軸向深度掃描方式，進行軸向之量測光強或光譜資訊之尋峰演算方法，尋找出共軛焦的深度位置。由於單一光強或光譜資訊易受光感測器之雜訊或量測系統不穩定性或量測環境變異的極大影響，以致於所量測獲得的深度資訊容易產生很大的量測誤差，其量測精準度受到影響，而無法進一步提升到更優越的等級，此為目前光學顯微共焦量測方法亟待突破的關鍵問題。

綜合上述，因此亟需一種光學系統及使用該系統之物體表面或內部光反射介面(含物體之背面)三維形貌偵測方法來解決習用技術所產生之問題。

本發明提供一種光學系統與物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其係利用數位光調制單元，例如：數位微型反射鏡元件(digital mirror device, DMD) 或矽基液晶元件 (liquid crystal on silicon, LCOS)，產生多個具有特定距離的點光源，投射至物體表面或內部光反射介面，進行多通道光學掃描，進而測得光學繞射圖案(或稱點分佈函數，Point Spread Function (PSF))，再藉由建立關於深度的光學繞射圖案樣本資料庫，將待測物上至少一位置的光學繞射圖案與資料庫內的光學繞射影像樣本來進行互相關運算，以得知其相應的深度。由於本發明藉由光調制單元，將入射光調制成多個點光源投射至待測物表面，因此可以大幅降低因光點重疊而產生橫向干擾 (cross talk)之雜訊，進而提高三維形貌或量測介面的深度量測之準確度。

本發明提供一種光學系統與物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其係可以產生一維或二維的陣列式點光源，透過點光源的位置切換以及搭配影像擷取裝置的偵測率(frame detection rate)，進行高速全域式(full-field)物體表面或內部光反射介面三維形貌檢測，使得本發明之光學系統不僅可以透過準單擊 (quaisi-single shot)的方式快速取得待測物之全域性 (Full field)表面輪廓資訊 ，其中準單擊量測方式為全域多點共焦量測方式，而被應用在線上(in-situ )的即時量測。此外，透過單擊的量測方式，也可以免於因為垂直或橫向移動掃描時，所產生的振動對量測結果所造成的負面影響，量測結果之精準性可獲大幅之提升。

在一實施例中，本發明提供一種光學系統，包括有一光源模組、一物鏡、一影像擷取裝置以及一控制與計算單元。該寬頻光源模組，用以產生至少一點光源。該物鏡用以將該至少一點光源投射至一物體表面或內部光反射介面的至少一位置。該影像擷取裝置，用以接收由該至少一位置反射之至少一反射物光，以產生相應的一光學繞射影像，其係具有至少一光學繞射圖案，每一光學繞射圖案可精準對應於該物體表面或內部光反射介面上之一深度位置。該控制與計算單元，將該光學繞射影像中對應每一位置的光學繞射圖案與複數個光學繞射圖案樣本進行運算，以決定每一位置的深度。

在另一實施例中，本發明提供一種物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，包括有下列步驟：首先，產生至少一點光源；接著，以一物鏡將該至少一點光源投射至一物體表面或內部光反射介面的至少一深度位置；然後，使該至少一位置反射之至少一反射物光通過該物鏡；接下來，將該至少一反射物光導引至一影像擷取裝置；之後，該影像擷取裝置感測該至少一反射物光而產生一光學繞射影像，其係具有對應該至少一深度位置的至少一光學繞射圖案。最後，從該光學繞射影像中分別擷取該至少一光學繞射圖案，並將每一光學繞射圖案與複數個光學繞射圖案樣本進行運算，以決定對應每一物體表面或內部光反射介面量測位置的深度資訊。

在一實施例中，其中決定出每一位置的深度更包括有下列步驟：首先，建立一資料庫，其係具有複數個對應不同深度的光學繞射圖案樣本。接著，將每一擷取到的光學繞射圖案和資料庫中與其相對應之點光源位置之複數個對應不同深度的光學繞射圖案樣本進行運算，以產生複數個關於光學繞射圖案樣本之正規化互相關 (normalized cross correlation, NCC)數值。最後，以該複數個正規化互相關值中最大值所對應的光學繞射圖案樣本所對應的深度，以作為對應該光學繞射圖案位置的量測深度。其中，建立該資料庫更包括有下列步驟：提供一鏡面，其表面與該物鏡具有一第一距離；以至少一校正點光源經由該物鏡頭產生色散之後射至該鏡面上；從該鏡面反射的反射物光經由該物鏡後，被導引至該影像擷取裝置而產生關於該第一距離的一校正光學繞射影像(calibrated optical diffractive patterns)，其係具有至少一光學繞射圖案樣本，其係分別對應一校正點光源；分別擷取關於該第一距離之該至少一光學繞射圖案樣本；將該第一距離改變至一第二距離，進一步取得關於改變後第二距離的另一校正光學繞射影像；以及分別擷取關於該第二距離之該至少一光學繞射圖案樣本。

在下文將參考隨附圖式，可更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式來說明所述磁性感測裝置，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖1A所示，該圖為本發明之光學系統實施例示意圖。該光學系統2包括有一光源模組20、一物鏡21、一影像擷取裝置22以及一控制與計算單元23。該寬頻光源模組20，用以產生至少一點光源。該至少一點光源可以為單一點光源、呈現一維陣列的點光源或者是呈現二維陣列的點光源。在一實施例中，該光源模組20包括有一光源200、一準直鏡組201以及一光調制單元202。該光源200用以產生一入射光90，本實施例的入射光90為寬頻光，例如：白光光源，但不以此為限制，例如：雷射光也可以實施。該準直鏡組201接收該入射光90，然後將該入射光準直化，形成一準直光場91，投射至光調制單元202。該光調制單元202，可以產生針孔濾波的效果，用以將該準直光場91調制成該至少一點光源。該光調制單元202可以選擇為數位微型反射鏡元件(digital mirror device, DMD) 或矽基液晶元件 (liquid crystal on silicon, LCOS)。

前述的光調制單元202，具有複數個光控開關203，可以根據控制訊號改變光的路徑。例如：以圖2A所示的DMD元件為例，光調制單元202具有複數個成二維陣列排列的反光元件作為光控開關203，圖中僅以四個做代表。一般而言，光控開關203至少有開(on)以及關(off)狀態。光控開關203可以透過電訊的控制改變其轉動的角度，進而呈現開或關的狀態。當有光投射至複數個光控開關203時，根據其偏轉的方向會決定反射光的路徑。在一實施例中，如圖2B所示，當光控開關203a處開的狀態時，其反光元件會偏轉至一個角度，以將光反射至物鏡，而光控開關203b處於關的狀態時，其反光元件會將光反射至他處。在一實施例中，如圖2C所示，可以4個光控開關203a (2x2)為一個產生點光源的單位，而在其周圍的光控開關203b的偏轉方向和作為點光源的光控開關203a偏轉方向不同。作為點光源的光控開關203a所偏轉方向，係可將反射光導向至物鏡。此外，透過這樣的多通道光學掃描方式，當有多個點光源產生時，由於其相互橫向之空間距離D，因此，可以避免相鄰量測點間共焦量測信號之串擾問題的產生。而LCOS則是透過液晶作為光通過或不通過的開關，亦可以作為本發明的光調制單元，其為本領域技術之人所熟知的元件，在此不做贅述。

再回到圖1A所示，在該物鏡21與該光調制單元202之間具有一分光元件24，用以將從該光調制單元202來的至少一點光源導引至物鏡21。該影像擷取裝置22，係配合物鏡的種類而有所不同。在一實施例中，如果該物鏡21為一般聚焦用的物鏡，則影像擷取裝置22可以為彩色或者是單色的影像擷取裝置，用以產生包括灰階或者是複數種顏色(光波長)的光學繞射影像，其中單色的影像擷取裝置可以為12位元的單色CCD。要說明的是，深度量測範圍和物鏡的聚焦深度有很大的關係，如果我們使用高數值光圈(numerical aperture, NA)，雖然可以增加量測斜率(measuring slope)，然而選擇具有高NA的物鏡會減少其聚焦的深度。爲了能兼顧高NA值以及不過度減少可量測深度距離的範圍，在另一實施例中，如圖1B所示，該物鏡21a可以採用軸向色散物鏡 (axial chromatic objectives)，例如：折射式或繞射式色散物鏡，同時，該影像擷取裝置22a就選擇彩色的影像擷取裝置，例如：12bit彩色CCD。在一實施例中，該色散物鏡21a將入射的每一點光源分成複數種色光，本實施例以紅光R、綠光G以及藍光B來作代表。每一個色光的聚焦點之間相距一距離D。如此，可以確保在彩色影像擷取裝置上，可以擷取到具有區別性的光學繞射影像，以利後續尋找所對應的正規化互相關係數的峰值，進而可以重建物體表面或內部光反射介面(含物體之背面)的三維形貌。

再回到圖1A所示，物鏡21用以將至少一準直光場投射至設置於乘載台25上的一待測物8，由該待測物8反射的物光93則循原光路回到物鏡21，再經過分光元件23的分光投射至影像擷取裝置22。影像擷取裝置22接收由該至少一位置反射之至少一反射物光93，以產生相對應的一光學繞射影像，其係具有相對應於該至少一位置的光學繞射圖案。

除了圖1B之色散物鏡的架構之外，如圖1C所示，其係為軸向色散物鏡的架構另一實施例架構示意圖，與圖1B的架構不同的是本實施例中的光調制單元202產生兩次針孔濾波的效果，亦即光源200，例如：白光光源，產生入射光，然後經過分光元件24而投射至光調制單元202，此時光調制單元202扮演第一次針孔濾波的角色，將入射光調制成至少一點光源再反射至準直鏡組201。此調制的方式可以透過控制訊號控制該光調制單元202的第一區域將該準直寬頻光調制成該至少一點光源，而反射至該色散物鏡21a，並控制該光調制單元202中環繞於該第一區域外圍的第二區域將該準直入射光反射至不同於該色散物鏡21a的區域。

該色散物鏡21a將點光源色散之後而投射至待測物8上。由待測物8反射的反射物光循原光路，再次投射至該光調制單元202，此時光調制單元202扮演第二次針孔濾波的角色，也就是，透過控制訊號控制該光調制單元202的第一區域將該反射物光反射至該分光元件24，並控制該光調制單元202中環繞於該第一區域外圍的第二區域將該反射物光導引至不同於該分光元件24的區域。接收反射物光的分光元件24，再將該反射物光分光導引至聚焦鏡組26，而聚焦投射至彩色的影像擷取裝置22a，例如：12bit彩色CCD上而產生光學繞射影像。圖1C中透過光調制單元202兩次針孔濾波的架構可以增加共焦效果，增加軸向解晰度。要說明的是圖1C的物鏡並不以色散物鏡21a為限制，也可以為一般的物鏡。如果使用一般的物鏡，則該影像擷取裝置22a則採用單色的影像擷取裝置。

在圖1A~1C中係為針對量測物體表面形貌深度的實施例，不過根據本發明利用繞射圖案還原待測面形貌的技術，並不限制於量測物體表面的形貌，在另一實施例中，可以進一歩利用具有穿透性的光源投射在待測物上，而量測到待測物內部光反射介面(含物體之背面)的形貌。所謂內部，可以為待測物與承載台接觸的下表面，或者是待測物內部的結構面，例如缺陷或者是中空結構等，如圖1D所示，在本實施例中係以圖1A的光學系統架構來說明，在本實施例中的光源所產生的入射光為對待測物具有穿透性的光源，在一實施例中，例如：光源選用紅外光，待測物為矽晶圓，在此架構下，穿透待測物8a，並在待測物8a的底面反射，形成測物光93a，再反射經過物鏡21而在影像擷取裝置22上形成對應該待測物底面的形貌深度的繞射影像。此外，在另一實施例中，在待測物體8a中， 如果有裂縫或者是內層的中空結構83，入射光在該裂縫表面或者是中空結構表面上會反射形成測物光93b，而在影像擷取裝置22上產生對應該裂縫表面或內層結構表面的繞射圖案。要說明的是，雖然圖1D係以圖1A的光學系統來說明，但並不以該光學系統為使用限制，圖1B和圖1C的光學系統也可以應用。

接下來說明本發明光學繞射影像的原理，在光學上，夫朗和斐繞射(Fraunhofer diffraction），又稱遠場繞射，是波動繞射的一種，在電磁波通過圓孔或狹縫時發生，導致觀測到的成像大小有所改變，成因是觀測點的遠場位置，及通過圓孔向外的繞射波有漸趨平面波的性質。在本發明中由於從光調制單元202所產生的點光源至待測物8的距離，遠大於光調制單元202中產生點光源的尺寸，例如2x2的光控開關的尺寸，因此，可以適用夫朗和斐繞射的原理。

在一實施例中，由於光調制單元202中產生點光源的光控開關203陣列可視為矩形點光源，因此可用如圖3所示的架構來分析。在圖3中，S代表點光源平面，其中斜線區域代表將光反射至別處的光控開關203b，而空白區域則代表將光反射至物鏡21的光控開關203a。因此空白區域可以視為矩形的點光源。S’則代表光學繞射圖案的平面，根據上述的架構，透過該點光源在S’平面上產生的光學繞射圖案上每一個位置P的光場 u(x,y,z) 可以被表示為如式(1)所示：

…..(1) 其中z為點光源至光學繞射圖案平面S’的距離，A為光源振幅，a, b為代表空白區域矩形點光源的尺寸。當原點改成矩形點光源的中心位置時，進行積分的結果，可以得到如式(2)所示：

….. (2) 其中

如下式(3)所示：

….. (3) 其中

如下式(4)所示：

….. (4) 其中

代表沿著Y方向的光學繞射角度。 根據圖1A的架構，當待測物和光源的距離改變，不同聚失焦(in and out focus) 的光學繞射圖案會被影像擷取裝置所擷取，而該光學繞射圖案上每一個位置的強度分布則如式(5)所示：

….. (5)

再回到圖1A所示，控制與計算單元23則可以根據待測物8的光學繞射影像以及資料庫中的光學繞射圖案樣本，決定待測物8表面上應每一個點光源的位置的深度。亦即，與控制與計算單元23電性連接的資料庫內存放有對應複數個點光源位置的複數張光學繞射圖案樣本，而光學繞射影像中又有對應每一個點光源的光學繞射圖案，因此每一個控制與計算單元23擷取每一個光學繞射圖案，並將其與資料庫中對應相同點光源位置的複數個光學繞射圖案樣本進行正規化互相關(NCC)演算，控制與計算單元23可以根據演算的結果決定待測物表面上對應該點光源的位置所具有的深度。

進一步地，該控制與計算單元23更改變點光源的位置，每改變一次，就得到另一張光學繞射影像，同樣具有對應不同點光源位置的光學繞射圖案，擷取出來之後，再與相應點光源位置的複數個光學繞射圖案樣本進行演算，可以得到待測物表面上相應改變位置的點光源的位置所具有的深度資訊。待收集到關於物體表面或內部光反射介面上複數個位置的光學繞射圖案，並進行演算得知其深度資訊後，即可以進而重建待測物表面三維形貌。要說明的是，是否要利用光調制單元202改變點光源位置，可以根據重建影像解析度而定，如果點光源的數量夠多，也足夠構成偵測所需的解析度，則可以單次性擷取影像即可。此外，針對多次切換點光源位置的控制方式而言，由於控制光控開關改變點光源的位置速度很快，大於影像擷取裝置擷取影像的偵測率，因此影像擷取裝置的偵測率越快，則代表可以快速的完成物體表面或內部光反射介面的掃描。透過這樣的掃描方式，可以避免習用橫向掃描的機構動作，進而降低量測中震動的干擾，提升的完成表面三維形貌偵測的速度與準確性。

接下來說明本發明測量物體表面或內部光反射介面三維形貌的方法，首先進行步驟30提供如圖1所示的光學系統2，以及提供一具有複數張光學繞射圖案樣本的資料庫，該複數張光學繞射圖案樣本對應一光波長的樣本資訊，本實施例為白光。其中，建立該光學繞射圖案樣本的資料庫包括有下列步驟，如圖6所示，先進行步驟300將一平面鏡80放置承載台25上，再以步驟301使該光源模組20產生至少一點光源，其係為白光光源，而經由該物鏡21投射至該平面鏡80上。在步驟301的實施例中，係以複數個二維陣列排列的點光源來做說明。步驟31中，複數個經由光調制單元202反射至物鏡21的入射光，從平面鏡80反射至影像擷取裝置22上。接著進行步驟302，控制該影像擷取裝置22擷取影像，擷取下的影像如圖4A所示的光學繞射影像。要說明的是，由於本實施例具有複數個點光源，因此產生對應的光學繞射影像也是具有複數個光學繞射圖案。每一個被擷取的光學繞射圖案，如圖4B或圖4C所示，其差別在於曝光時間長度的不同。而圖5A與圖5B則是分別對應圖4B與圖4C的光學繞射圖案光強度電腦模擬影像。

再回到圖6所示，接下來進行步驟303，對該平面鏡80進行深度掃描並擷取相應深度的光學繞射影像。每一個深度h₀ ~ h_n 都取一張光學繞射影像，每一張影像都具有複數個相對應點光源位置的光學繞射圖案。例如，當影像擷取裝置22擷取到關於目前平面鏡位置 h₀ 的光學繞射影像之後，接著改變該平面鏡的位置 h₀ 換至 h₁ ，例如，透過壓電元件(PZT)調整至下一個位置 h₁ 之後，繼續擷取關於改變位置的光學繞射影像。由於光學共焦之聚失焦效應，每一個點光源在每一個深度位置所產生的光學繞射圖案是唯一。經過改變該平面鏡深度位置從 h₀ 至 h_n 之後，亦即校正的深度範圍的所有深度均被完成時，對應每一個點光源的位置可以得到複數個對應不同已知深度的光學繞射圖案，這些光學繞射圖案可以作為將來判斷待測物表面深度的比對光學繞射圖案樣本。因此，資料庫中儲存有關於複數個對應光調制單元202所產生的點光源位置所具有的複數張光學繞射圖案樣本。

要說明的，爲了避免物體表面或內部光反射介面反射率不同，而造成步驟33所取得的光學繞射圖案的光強度不一的問題，在另一實施例中，更進一步可以對每一個深度所擷取到關於每一個點光源的繞射圖案樣本，進行正規化的運算，其方程式如式(6)所示：

…..(6)

以圖7所示的光學繞射圖案樣本為例，其係為5x5像素(pixel)的影像，其中斜線區域代表亮部，空白區域代表暗部。每一個像素(P₀ ~P₂₄ )對應有光強度 I₀ (x,y) ~ I₂₄ (x,y)。經過正規化之後的光強度 In₀ (x,y)~In₂₄ (x,y)則用方程式(6)來進行演算。其中 I_max 與 I_min 是代表爲正規化之前 I₀ (x,y)~I₂₄ (x,y)中最強的光強度值以及最弱的光強度值。在圖7的例子中，最強的是P₁₂ 像素所具有的光強度值，最弱為P₀ 的光強度值。因此，方程式(6)的 I_max 與 I_min 就可以得知。接著，將每一個像素所具有的光強度，代入方程式(6)進行演算，即可以得到每一個像素所具有的正規化光強度值。因此，對每一個點光源位置而言，其所具有的每一個深度的光學繞射圖案樣本都可以經過正規化的演算，使得光學繞射圖案樣本的每一個像素都具有正規化的光強度值。

同理，對於色散物鏡與彩色影像擷取裝置的組合而言，如圖1B所示的架構，則會建立出關於複數種對應不同顏色之光波長的光學繞射圖案樣本，在一實施例中，因為彩色影像擷取裝置具有三種顏色(RGB)的濾波元件，因此，可以建立成紅色光學繞射圖案樣本、綠色光學繞射圖案樣本以及藍色光學繞射圖案樣本，每一種顏色的光學繞射圖案樣本都可以經過方程式(6)來進行正規化演算，使得光學繞射圖案樣本的每一個像素都具有正規化的光強度值。要說明的是，建立資料庫只需要在架設量測系統完成之初進行，其所得到的深度光學繞射圖案樣本，可以作為後來決定待測物表面深度的依據。

步驟30之後，接下來即可進行當待測物表面三維形貌的量測的步驟31，在本步驟中，可以透過複數個點光源陣列的控制以及配合影像擷取裝置的偵測率完成準單擊(quasi-single shot)的全域式(full-field)表面三維形貌掃描，以取得一張關於待測物表面之至少一個位置的光學繞射影像。例如，配合參閱圖1所示，當物鏡21將光調制單元202所產生的複數個點光源，投射至待測物8表面上的時候，影像擷取裝置22可以擷取到一張繞射影像，每一個繞射影像上有複數個光學繞射圖案，分別對應複數個點光源。每一個光學繞射圖案係由複數個像素所構成，每一個像素都有對應的光強度值，此光強度值係由影像擷取裝置22感測而得。

取得待測物之光學繞射影像之後，接著，再進行步驟32透過影像比對步驟，例如正規化互相關(normalized cross correlation) 比對的方式，來決定待測物上對應點光源的深度。在本步驟中，首先從資料庫中選擇對應該光學繞射影像的點光源位置所具有的複數個光學繞射圖案樣本，每一個光學繞射圖案樣本對應著一個深度值。接下來，根據方程式(7)，從光學繞射影像中擷取出每一個光學繞射圖案，並計算出每一光學繞射圖案和每一個光學繞射圖案樣本的一正規化互相關值(normalized cross correlation, NCC)。

….. (7) 如圖8所示，其中標號50代表影像擷取裝置所產生的光學繞射影像中，關於待測物表面上的特定位置被一點光源投射所反射的光學繞射圖案，而標號511至511n則代表資料庫中對應該點光源位置的多張光學繞射圖案樣本，每一光學繞射圖案樣本對應一個深度值。光學繞射影像的每一像素的亮度值I(x,y)，和每一個光學繞射圖案樣本對應的像素所具有的正規化亮度值R(x,y)，可透過方程式(7)進行演算，而得到一個NCC值。 因此，光學繞射圖案50在和複數張光學繞射樣本511~511n進行運算之後，可以得到複數個NCC0~NCCn值。由於每一張光學繞射樣本511至511n對應一個深度，因此每一個NCC 值同樣對應一個深度，藉由複數個NCC值NCC0~NCCn與其對應的深度，可以建構出如圖9所示的正規化互相關值與深度關係曲線。從曲線中可以看到其具有一最大值，該最大的NCC值代表待測物的光學繞射圖案和對應該NCC值的光學繞射圖案樣本兩者最接近。因此，最後一個步驟 33，即為從該複數個NCC值NCC0~NCCn中，找出最大NCC值，並以該NCC值所對應的深度值，作為待測物上對應該光學繞射圖案位置的深度。以圖9為例，在深度 250 μm的地方其NCC值最大，因此可以代表待測物表面上對應該光學繞射圖案50的位置其深度為250 μm。同理，其他點光源所對應的光學繞射圖案也是根據前述的方式找出相應的深度。最後，根據多個對應多個點光源位置的深度，即可以透過單一次的光學繞射影像擷取，進行物體表面或內部光反射介面全域式的形貌量測掃描，進而完整的重建待測物表面的二維或者是三維形貌。

要說明的是，對於圖1B或圖1C所示的架構而言，彩色影像擷取裝置22a可以產生對應複數種光波長的光學繞射影像，要說明的是，前述之光波長可以為單一波長或者是一連續波長段所構成。在一實施例中，為紅色光學繞射影像、綠色光學繞射影像以及藍色光學繞射影像。每一種顏色的光學繞射影像中的關於每一個位置的光學繞射圖案在和對應顏色的光學繞射圖案樣本進行演算，同樣可以得到對應不同顏色的正規化互相關值與深度關係曲線。最後，在從複數個曲線中找出最大NCC值，並以該NCC值所對應的深度值，作為待測物上對應該光學繞射圖案位置的深度。

此外，要說明的是，如果要增加量測解析度，可以再一次變換點光源的位置，如圖10所示，其中在第一時間點的時候，光調制單元202所調制的點光源位置如果左區域所示，其中203a處開的狀態時亦即將光導引至物鏡，203b處關的狀態時，亦即將光導引至他處。當擷取完光學繞射影像的時候，控制與計算單元控制光調制單元202使其改變點光源的位置，形成如圖10中的右區域所述的狀態，如此即可以對待測物表不同位置進行深度量測，以提高解析度。

綜合上述，由於本發明之光學系統與物體表面或內部光反射介面(含物體之背面)形貌偵測方法可以利用數位光源，進行同步多點光學掃描進行高速全域式表面三維形貌偵測，以及解決習用共焦偵測物體表面或內部光反射介面(含物體之背面)三維形貌所產生的光學串擾的問題，因此可以提升偵測準確度以及效率，同時也避免習用技術需要進行橫向或垂直掃描時所產生的震動對檢測效果的影響。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

2‧‧‧光學系統
20‧‧‧光源模組
200‧‧‧光源
201‧‧‧準直鏡組
202‧‧‧光調制單元
203、203a­、203b‧‧‧光控開關
21、21a‧‧‧物鏡
22、22a‧‧‧影像擷取裝置
23‧‧‧控制與計算單元
24‧‧‧分光元件
25‧‧‧乘載台
26‧‧‧聚焦鏡組
50‧‧‧光學繞射圖案
511~511n‧‧‧光學繞射圖案樣本
8、8a‧‧‧待測物
80‧‧‧平面鏡
81‧‧‧底面
82‧‧‧內部平面
83‧‧‧待測物內部的裂縫或者是內部的中空結構
90‧‧‧入射光
91‧‧‧準直光場
93、93a­、93b‧‧‧物光

圖1A為本發明之光學系統第一實施例示意圖； 圖1B為本發明之光學系統第二實施例示意圖； 圖1C為本發明之光學系統第三實施例示意圖； 圖1D為本發明之光學系統第四實施例示意圖； 圖2A與圖2B 為光控開關以及改變其反射方向示意圖； 圖2C為利用光調制單元模擬點光源示意圖； 圖3為說明夫朗和斐繞射示意圖； 圖4A為影像擷取裝置所擷取關於一物體表面或內部光反射介面的繞射影像； 圖4B與圖4C為不同曝光時間的光學繞射影像； 圖5A與圖5B為關於圖4A與圖4B的光學繞射影像光強度的3D電腦模擬示意圖； 圖6為建構資料庫改並平面鏡位置示意圖； 圖7為光學繞射圖案樣本中每一個像素的光強度示意圖； 圖8為每一個光學繞射圖案和對應的複數個光學繞射圖案樣本進行演算關係示意圖； 圖9為正規化互相關與深度關係曲線示意圖；以及 圖10為光調制單元變換點光源示意圖。

2‧‧‧光學系統

20‧‧‧光源模組

200‧‧‧光源

201‧‧‧準直鏡組

202‧‧‧光調制單元

203‧‧‧光控開關

21‧‧‧物鏡

22‧‧‧影像擷取裝置

23‧‧‧控制與計算單元

24‧‧‧分光元件

25‧‧‧乘載台

8‧‧‧待測物

90‧‧‧入射光

91‧‧‧準直光場

93‧‧‧物光

Claims (24)

1. 一種光學系統，包括有： 一光源模組，用以產生至少一點光源； 一物鏡，用以將該至少一點光源投射至一物體表面或內部光反射介面的至少一位置； 一影像擷取裝置，用以接收由該至少一位置反射之至少一反射物光，以產生相應的一光學繞射影像，其係具有至少一光學繞射圖案，每一光學繞射圖案對應該物體表面或內部光反射介面上之一形貌深度位置；以及 一控制與計算單元，將該光學繞射影像中對應每一形貌深度位置的光學繞射圖案與複數個光學繞射圖案樣本進行運算，以決定每一物體表面或內部光反射介面位置的形貌深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該光源模組更具有： 一光源，用以產生一入射光； 一準直鏡組，用以將該入射光準直；以及 一光調制單元，用以將該準直入射光調制成該至少一點光源。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學系統，其係更包括有一分光元件，設置在該準直鏡組以及該光調制單元之間，該物鏡為一色散物鏡，其中，該入射光經過該分光元件投射至該光調制單元，該光調制單元將入射光調制成至少一點光源，再反射至該準直鏡組，進而將該至少一點光源準直而導引至該色散物鏡，該色散物鏡將點光源色散之後而投射至該物體表面或內部光反射介面，而產生該反射物光，該反射物光循原光路，再次投射至該光調制單元，該光調制單元再將該反射物光反射至該分光元件，該分光元件將該反射物光分光導引至該影像擷取裝置。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光學系統，其中該光調制單元為數位微型反射鏡元件或矽基液晶元件。
5. 如申請專利範圍第2項所述之光學系統，其中該入射光為寬頻光或單頻光。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，該控制與計算單元將每一光學繞射圖案與該複數個光學繞射圖案樣本進行運算，使得每一光學繞射圖案產生相對於該複數個光學繞射圖案樣本之複數個正規化互相關數值，每一個正規化互相關的數值對應一個深度，該控制與計算單元以最大的正規化互相關值所對應的深度，為相對應光學繞射圖案之物體表面或內部光反射介面上位置的形貌深度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該至少一點光源構成一維或二維的點光源陣列。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中每一點光源之間相距一距離，而不產生串擾。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光學系統，其中該控制與計算單元控制該光源模組產生複數個點光源，以完成準單擊的全域式表面三維形貌掃描，進而取得一張關於待測物表面之複數個位置的光學繞射影像。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該物鏡為一色散物鏡，該影像擷取裝置為一彩色影像擷取裝置，用以產生複數個光學繞射影像，每一光學繞射影像為對應一種波長的光在其深度聚焦位置所形成的一光學繞射影像。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光學系統，其中該色散物鏡為一折射式或光學繞射式色散物鏡。
12. 一種物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，包括有下列步驟： 產生至少一點光源； 以一物鏡將該至少一點光源投射至一物體表面或內部光反射介面的至少一形貌深度位置； 使該至少一形貌深度位置反射之至少一反射物光通過該物鏡； 將該至少一反射物光導引至一影像擷取裝置； 該影像擷取裝置感測該至少一反射物光而產生一光學繞射影像，其係具有對應該至少一形貌深度位置的至少一光學繞射圖案；以及 從該光學繞射影像中分別擷取該至少一光學繞射圖案，並將每一光學繞射圖案與複數個光學繞射圖案樣本進行運算，以決定對應每一物體表面或內部光反射介面位置的形貌深度。
13. 如申請專利範圍第12項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中該至少一點光源構成一維或二維的點光源陣列。
14. 如申請專利範圍第12項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中產生該至少一點光源更包括有下列步驟： 提供一光源用以產生一入射光； 以一準直鏡組準直該入射光，並將準直的入射光導引至一光調制單元；以及 控制該光調制單元的第一區域將該準直寬頻光調制成該至少一點光源，而導引至該物鏡，並控制該光調制單元中環繞於該第一區域外圍的第二區域，將該準直入射光導引至不同於該物鏡的區域。
15. 如申請專利範圍第12項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中產生該至少一點光源更包括有下列步驟： 提供一光源用以產生一入射光； 以一準直鏡組準直該入射光，並將準直的入射光導引至一光調制單元；以及 控制該光調制單元產生複數個點光源以完成準單擊的全域式表面三維形貌掃描。
16. 如申請專利範圍第12項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中產生該至少一點光源更包括有下列步驟： 提供一光源用以產生一入射光； 以一準直鏡組準直該入射光，並將準直的入射光導引一分光元件； 該分光元件將該入射光分光並導引至一光調制單元；以及 控制該光調制單元的第一區域將該準直寬頻光調制成該至少一點光源，而導引至該色散物鏡，並控制該光調制單元中環繞於該第一區域外圍的第二區域，將該準直入射光導引至不同於該色散物鏡的區域。
17. 如申請專利範圍第12項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中產生該至少一點光源更包括有下列步驟： 提供一光源用以產生一入射光； 以一準直鏡組準直該入射光，並將準直的入射光導引一分光元件； 該分光元件將該入射光分光並導引至一光調制單元；以及 控制該光調制單元產生複數個點光源以完成準單擊的全域式物體表面或內部光反射介面三維形貌掃描。
18. 如申請專利範圍第16項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其係更包括有調制該反射物光之步驟： 控制該光調制單元的第一區域將該反射物光導引至該分光元件，並控制該光調制單元中環繞於該第一區域外圍的第二區域，將該反射物光導引至不同於該分光元件的區域；以及 該分光元件將該反射物光分光，並導引至該影像擷取裝置。
19. 如申請專利範圍第15項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中該光調制單元為數位微型反射鏡元件或矽基液晶元件。
20. 如申請專利範圍第15項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中該入射光為寬頻光或單頻光。
21. 如申請專利範圍第12項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中決定出每一物體表面或內部光反射介面位置的形貌深度更包括有下列步驟： 建立一資料庫，其係具有至少一種光波長的樣本資訊，每一樣本資訊包括有複數個對應不同深度的光學繞射圖案樣本； 將每一擷取到的光學繞射圖案，和資料庫中與其相對應之點光源位置之複數個對應不同深度的光學繞射圖案樣本進行運算，以產生複數個關於光學繞射圖案樣本之互相關數值；以及 以該複數個互相關值中最大值所對應的光學繞射圖案樣本所對應的深度作為對應該光學繞射圖案位置的形貌深度。
22. 如申請專利範圍第20項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中建立該每一種光波長的樣本資訊更包括有下列步驟： 提供一鏡面，其表面與該物鏡具有一第一深度距離； 以對應特定光波長之至少一校正點光源經由該物鏡頭產生色散之後入射至該鏡面上； 從該鏡面反射的反射物光經由該物鏡後，被導引至該影像擷取裝置而產生關於該第一深度距離的一校正光學繞射影像，其係具有至少一光學繞射圖案樣本，其係分別對應一校正點光源； 分別擷取關於該第一深度距離之該至少一光學繞射圖案樣本； 將該第一距離改變至一第二深度距離，進一步取得關於改變後第二深度距離的另一校正光學繞射影像；以及 分別擷取關於該第二深度距離之該至少一光學繞射圖案樣本。
23. 如申請專利範圍第21項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其更包括有對分別對每一光學繞射圖案樣本進行正規化演算之步驟。
24. 如申請專利範圍第21項所述之物體表面或內部光反射介面三維形貌偵測方法，其中該物鏡為一色散物鏡，該影像擷取裝置為一彩色影像擷取裝置，用以產生複數個對應不同光波長的校正光學繞射影像。