TW202407291A - 影像擷取裝置、測量裝置及物品製造方法 - Google Patents

Abstract

一種影像擷取裝置包括一影像感測器、及一光學系統，其組態成將來自延伸於一物件之一第一方向的一區域之光劃分成在正交於該第一方向之一區段中的複數光、及將該複數光聚集在該影像感測器之一成像表面上。滿足一預定條件。

Description

影像擷取裝置、測量裝置及物品製造方法

實施例的態樣之一係關於一種影像擷取裝置，其組態成產生一測試物件(待測量或檢驗物件)之光譜影像資料。

一種測量方法被用以從波長資訊(光譜波形)獲取測試物件之厚度分佈，該波長資訊係藉由利用諸如高光譜相機之影像擷取裝置(光譜影像擷取裝置)以接收來自測試物件之光而獲得。在日本專利公開案編號2018-205132中所揭露的一種測量方法以線性照明光照射測試物件，將產生為來自測試物件之傳輸光或反射光的干擾光劃分(或分裂)，獲取在測試物件之各測量點處的光譜波形，及計算來自藉由履行針對光譜波形之波數變換處理或傅立葉變換處理所獲得的功率光譜之峰值位置的各測量點之厚度。

然而，如在日本專利公開案編號2018-205132中之測量方法中，假如波數變換處理被履行在計算厚度之程序中，則在光譜波數中之波數方向上的取樣間隔不會變為規律，且快速傅立葉變換(FFT)無法被使用在傅立葉變換處理中。FFT需要額外的再取樣處理以使得取樣間隔變為規律，而因此整體處理花費長時間且測量準確度降低。雖然功率光譜可藉由使用Lomb-Scargle方法來獲得(即使取樣間隔是不規律的)，但此處理需要比FFT所需要者更長的時間。

依據實施例之一態樣的一種影像擷取裝置包括一影像感測器，及一光學系統，其組態成將來自延伸於一物件之一第一方向的一區域之光劃分成在正交於該第一方向之一區段中的複數光，及將該複數光聚集在該影像感測器之一成像表面上。以下不等式被滿足： 其中λ ₁、λ ₂、及λ ₃係各別地在該複數光之中的第一光、第二光、及第三光之波長，其滿足以下不等式，z ₁、z ₂、及z ₃係各別地在該區段中之該成像表面上的該第一、第二、及第三光之聚集位置，且α ₂₁及α ₃₂被界定如下：

包括上述影像擷取裝置之一種光譜成像系統及一種測量裝置亦構成實施例之另一態樣。一種使用上述影像擷取裝置之物品製造方法亦構成實施例之另一態樣。

本揭露之進一步特徵將從以下參考後附圖形之實施例的描述而變得清楚明白。

現在參考附圖，將提供依據本揭露之實施例的描述。各範例使用XYZ座標系統為絕對座標系統及xyz座標系統為針對各光學表面之局部座標系統。在局部座標系統中，x軸係平行於在光學表面之頂點(原點)處的法線之軸。y軸係平行於Y軸且在原點處正交於x軸之軸。z軸係正交於x軸及y軸之軸。Y軸方向及y軸方向被設定至成像方向而成為第一方向。Z軸方向及z軸方向被設定至光譜(光劃分)方向而成為第二方向。XY區段及xy區段被設定至成像區段而成為第一區段。ZX區段及zx區段被設定至光譜區段而成為第二區段。

圖1繪示當作依據此範例之影像擷取裝置的光譜影像擷取裝置101之成像區段。圖2繪示光譜影像擷取裝置101之光譜區段。圖1及2繪示包括光譜影像擷取裝置101之光學系統的光軸之區段。圖1為了便利而繪示在相同區段中之光譜影像擷取裝置101的元件。文中所指稱的光軸係指示相應於軸向主要射線之光學路徑的軸，該軸向主要射線係通過光屏蔽構件之狹縫的中心之主要射線，其將被描述於下。圖1及2為了便利而省略配置在繞射表面上之繞射光柵，其將被描述於下。

光譜影像擷取裝置101包括光譜光學系統10、及影像感測器20，其組態成接收由光譜光學系統10所形成之光學影像並將其轉換成電信號。在此範例中，當作物件之測試物件被置於平行於YZ平面之物件平面上接近Z=0的位置處，且來自未繪示照明裝置之照明光被施加至測試物件。

光譜影像擷取裝置101將來自延伸於成像方向之線性成像區域(線性區域)的照明光之反射光成像一次在具有影像感測器20之測試物件上，並獲取相應於反射光中所包括之光的各波長之複數件影像資訊影像(一維影像資料)。在此時刻，光譜影像擷取裝置101可被組態為多光譜相機，其可獲取相應於四個帶以上(其多於一般相機)之波長的影像資訊。光譜影像擷取裝置101可被組態為高光譜相機，其可獲取相應於100個帶以上之波長的影像資訊。

在影像感測器20中，複數像素被二維地配置在y方向及z方向之各者的規律間隔處。影像感測器20可使用CCD(電荷耦合設備)感測器、CMOS(互補金氧半導體)感測器，等等。影像感測器20可被組態成光電地轉換非僅可見光同時亦轉換紅外線光(近紅外線光及遠紅外線光)。更明確地，使用諸如InGaAs或InAsSb之材料的影像感測器可依據使用波長帶而被採用。在影像感測器中之像素的數目可基於在y軸及z軸方向上之所需解析度來判定。

光譜光學系統10包括，依序地從物件側(測試物件側)至影像側，前群組11、光屏蔽構件(狹縫構件)4、及後群組12。光譜光學系統10藉由聚集來自位於X側上之測試物件(未繪示)的光以將測試物件之光學影像形成在影像感測器20之光接收平面(成像表面)上。前群組11包括孔徑光闌1、第一反射表面、及第二反射表面3。後群組12具有第三反射表面(繞射表面)5及第四反射表面(繞射表面)6。封蓋玻璃G被配置就在影像感測器20之光接收平面前。在此範例中，封蓋玻璃G被視為無助於成像。

孔徑光闌1係一構件，其組態成藉由其孔徑以限制來自測試物件之光的光譜方向上之寬度，且被配置以使得其孔徑平面係正交於x方向。在此範例中，孔徑光闌1被包括在光譜光學系統10中，但孔徑光闌亦可被提供在光譜光學系統之外。

光屏蔽構件4具有狹縫，當作在成像方向上比在光譜方向上更長的開口。光屏蔽構件4作用為光圈，其限制在成像方向上之光的寬度，而同時限制在光譜光學系統10之成像區段內的視角以阻擋不需要的光。在光譜方向(z方向)上之狹縫的寬度係依據所需的光量、解析度等等來判定。更明確地，在光譜方向上之狹縫的寬度可係數μm至數百μm，其係短於在成像方向(y方向)上之寬度(數mm)。在其中在光譜方向上之狹縫的寬度變為太大的情況下，在影像感測器20之光接收平面上的解析度會惡化；而在其中寬度變為太小的情況下，有助於成像之有效光被輕易地屏蔽。在光譜方向上之狹縫的寬度可為10μm以上或0.2 mm以下。

孔徑光闌1及光屏蔽構件4之開口以外的區域係光屏蔽部分，其不會傳輸至少在光譜光學系統10之使用波長帶(設計的波長帶)中的光。孔徑光闌1及光屏蔽構件4可使用具有孔之金屬板、具有由鉻之氣相沈積所形成的光屏蔽膜之玻璃板等等。此一光屏蔽構件4致能光譜光學系統10在影像感測器20之光接收平面上形成延長於成像方向上之線性成像區域(測試區域)的光學影像。

第一反射表面2及第二反射表面3為藉由在具有自由形式表面形狀之基礎表面上提供反射塗層而得之反射表面。各反射表面之基礎表面係藉由處理由玻璃、樹脂、金屬等等所製成之阻擋材料來形成，藉由切割、拋光、模製等等。反射塗層可具有光譜反射特性，其實現在使用波長帶中之足夠的能量效率(光利用效率)。反射塗層可被省略在其中基礎表面具有在使用波長帶中之足夠的反射率之情況下。

在此範例中，第一反射表面2及第二反射表面3為非球表面，明確地在成像區段與光譜區段之間具有不同曲率(冪次)的變形表面(變形反射表面)。藉此，不同的光學動作可被產生在成像區段與光譜區段之間。前群組11之各反射表面可非變形表面。例如，各反射表面可為球形，且可取代地提供變形反射表面。然而，為了減少前群組11中之光學表面的數目，第一反射表面2及第二反射表面3之至少一者可係變形表面。

後群組12具有複數波散元件。繞射元件或稜鏡可被使用為波散元件。此範例使用複數反射繞射元件，且繞射表面5及6之基礎表面係非球表面(變形表面)。僅具有單一波散元件之光學系統需具有大尺寸，除了滿足以下所述之不等式(1)以外，以便獲得針對具有由繞射表面所分離之各別波長的複數光之良好成像性能。因此，複數波散元件(至少兩個波散元件)可被提供如在此範例中。在其中波散元件被提供在前群組11中之情況下，僅部分波長的光可通過光屏蔽構件4之開口。因此，波散元件可被提供至後群組12。

為了藉由在光譜光學系統10中的複數光學表面之間分享功率以抑制像差，前群組11及後群組12中所包括之所有光學表面可係變形表面。前群組11及後群組12之組態不受限，且各群組光學系統中之光學表面的數目可被增加或減少。透射繞射表面可被使用。然而，為了減少整個光譜光學系統10之組件的尺寸及數目，前群組11及後群組12之各者可包括兩個反射表面，如在此範例中。

稜鏡或內反射鏡可被使用為包括反射表面之反射構件，假如需要的話。然而，為了抑制如上所述之色差，反射構件可係外反射鏡且反射表面係相鄰於空氣。至少一個光學表面可係折射表面(透射表面)，假如需要的話。

特別在後群組12中，因為固持構件、佈線等等(未繪示)被配置在光屏蔽構件4及光接收平面周圍，所以難以確保用於折射(折光)光學元件之足夠的空間。即使可確保足夠的空間，複數折射光學元件將需被配置以令人滿意地校正色差，且整個系統之尺寸將增加。因此，至少包括在後群組12中之所有光學表面可係反射表面。包括在前群組11中之所有光學表面可係反射表面。

第三反射表面5及第四反射表面6係繞射表面(於下文中各別地稱為繞射表面5及6)，其包括基礎表面及提供至該基礎表面之繞射光柵。繞射表面5及6之基礎表面的各者具有類似於其他反射表面之自由形式表面形狀。繞射光柵包括配置在從次微米至微米等級之節距處的複數光柵(凸部)，且各光柵之高度亦從次微米至微米等級。在繞射光柵之光譜區段中的形狀可係具有階狀形狀、矩形凹凸形狀、火焰形狀、SIN波形狀等等之繞射光柵。繞射光柵之形狀係考量所需的繞射效率及可製造性來選擇。此範例使用火焰形狀，其係相對地易於增進繞射效率且促進製造。

基礎表面被形成以類似於上述其他反射表面之方式的方式。繞射光柵可藉由處理(諸如切割或拋光)基礎表面來形成。然而，繞射光柵可被形成在如形成基礎表面之相同時刻。例如，精細凹凸結構可被提供在構成模具之鏡件的表面上，且繞射光柵可藉由使用該模具之模製來提供。

為了增進繞射表面5及6之繞射效率，反射塗層可被提供在繞射光柵之表面上。

繞射表面5及6之基礎表面可係具有介於成像區段與光譜區段間之不同曲率的變形表面。藉此，功率可與其他變形表面共享，且像差之校正變得容易。在此範例中，繞射表面5及6之基礎表面係變形表面，但基礎表面可係平的或球形的以使得繞射光柵之製造變得更容易。

現在參考圖1及2，將提供光譜光學系統10之光學動作的描述。來自測試物件之光(反射光)通過孔徑光闌1之孔徑、由第一反射表面2及第二反射表面3(依此順序)所反射、且到達光屏蔽構件4。在此時刻，前群組11不會將測試物件之光學影像形成在成像區段中之光屏蔽構件4中的狹縫上，而是將測試物件之中間影像形成在光譜區段中的狹縫上。亦即，前群組11被組態以使得焦點位置不與成像區段中之物件平面重合。藉此，在成像方向上很長的線性中間影像(線影像)被形成在光屏蔽構件4中之狹縫上。文中所使用之術語「在狹縫上」包括非僅狹縫之確切位置、而亦包括稍微偏移自光軸方向上之狹縫的位置之位置，且可被光學地視為狹縫之位置。

通過光屏蔽構件4之狹縫的光藉由光譜區段中之繞射表面5而被劃分成具有不同波長之複數光。在此時刻，因為繞射表面5上之繞射光柵具有配置在光譜方向上之複數光柵(脊線)，所以入射在繞射表面5上之光僅在光譜方向上經歷光譜動作，而在成像方向上不經歷光譜動作。由繞射表面5所劃分之複數光係由繞射表面6所繞射且進入影像感測器20之光接收平面。在此時刻，來自繞射表面6之具有不同波長的複數光被聚集在光譜區段中之影像感測器20的光接收平面上之不同位置處。亦即，依據此範例之光譜光學系統10可針對各別波長而在影像感測器20上形成複數光學影像(光譜影像)。

因此，依據此範例之光譜光學系統10在包括成像方向的成像區段與包括光譜方向的光譜區段之間具有不同的光學操作。更明確地，在成像區段中，來自測試物件的光被成像在影像感測器20之光接收平面上而不形成中間影像在光屏蔽構件4中之狹縫上；且在光譜區段中，來自測試物件之光的中間影像被形成在光屏蔽構件4中之狹縫上並接著再成像在光接收平面上。亦即，光譜光學系統10在成像區段中將來自測試物件之光的影像形成一次，且在光譜區段中將來自測試物件之光的影像形成兩次。

假設z ₁係在影像感測器20之光接收平面上的光譜方向上之位置以及具有由光譜光學系統10所劃分之波長λ ₁的第一光之聚集位置(成像位置)，z ₂係具有比波長λ ₁更長之波長λ ₂的第二光之聚集位置，而z ₃係具有比波長λ ₂更長之波長λ ₃的第三光之聚集位置(λ1 ＜ λ2 ＜ λ3)。同時，假設以下關係：

接著，光譜光學系統10滿足以下不等式(1)：

不等式(1)表示：針對複數波長，介於波數(波長之倒數)的波動量與光譜方向(光譜區段)上的影像感測器20上之焦點位置的波動量之間的比係約略相等的。換言之，其意指：在光譜方向上之聚集位置的改變之斜率係幾乎等於波數。圖13中之實線繪示：介於第一波長λ ₁與第二波長λ ₂之間的斜率α ₂₁及介於第二波長λ ₂與第三波長λ ₃之間的斜率α ₃₂係約略相等的，在其中水平軸係波數而垂直軸係光譜方向上之聚集位置的情況下。

在光譜方向上之影像感測器20上的光譜影像之聚集位置與光譜影像之波數具有線性關係以滿足不等式(1)，且影像感測器20之像素被配置在規律間隔處。因此，可獲取在波數空間中之約略規律間隔處劃分的光之光譜資訊。

例如，在其中具有配置在光譜方向上之150個像素的影像感測器讀取400 nm至1000 nm之波長範圍(其係就波數而論之1.0×10 ⁶m ^-1至2.5×10 ⁶m ^-1的範圍)的情況下，光譜資訊可被獲取在1.0×10 ⁴m ^-1/像素之約略規律間隔處。在其中不等式(1)不被滿足的情況下，介於光譜影像的聚集位置與光譜方向上之光譜影像的波數之間的線性關係喪失，且光無法被劃分在波數空間中之約略規律間隔處。

不等式(1)可被以不等式(1a)取代如下：

不等式(1)可被以不等式(1b)取代如下：

不等式(1)可被以不等式(1c)取代如下：

如上所述，為了滿足不等式(1)，光譜光學系統10可包括至少兩個波散元件。已進入光譜光學系統10之光被劃分成在光譜方向上具有不同波長的複數光，藉由在至少兩個波散元件之中在光學路徑上最接近於物件平面的波散元件。另一波散元件可能將具有複數波長之經劃分光束引入至影像感測器20之光譜方向上的不同位置，並藉由依據波長以適當地設定在另一波散元件之光譜方向上的非球形狀或繞射光柵形狀來令人滿意地校正各波長之光學性能。在此時刻，至少兩個波散元件中之至少一個可係具有繞射表面之繞射元件，其中非球表面被設定至基礎表面。

為了滿足不等式(1)，具有短波長的光可比具有長波長的光被更稀疏地配置在影像感測器20上。因此，必須改變各波長之波散以使得由波散元件所分離之光分離量(亦即，波散)針對短波長是大的而針對長波長是小的。

在其中繞射元件被使用為波散元件的情況下，針對各波長之波散係恆定的，而因此難以利用單一繞射元件來改變各波長之波散。因此，一個繞射元件將光分離成具有不同波長的光，而另一繞射元件在不同點處反射具有不同波長的光以使得繞射表面之非球形狀及繞射光柵形狀在光譜方向上具有非球形狀。藉此，不等式(1)可被滿足。

另一方面，在其中稜鏡被使用為波散元件的情況下，稜鏡之波散在短波長處是大而在長波長處是小，所以波散針對各波長而不同。為了滿足不等式(1)，必須校正光譜位置。因此，如在繞射光柵的情況下，藉由加入另一繞射元件且使繞射表面之非球形狀及繞射光柵形狀在光譜方向上變為非對稱，則不等式(1)可被滿足。

α ₂₁可滿足以下不等式(2)：

不等式(2)中之α ₂₁係正比於在影像感測器20中在光成像區域(入射區域)之光譜方向上的每寬度之帶數目。在其中α ₂₁變為低於不等式(2)之下限的情況下，可測量帶之數目減少，且光譜資訊惡化。另一方面，在其中α ₂₁變為高於不等式(2)之下限的情況下，可測量帶之數目增加，且變得難以確保各帶中之足夠的光量。

不等式(2)可被取代以如下之不等式(2a)：

不等式(2)可被取代以如下之不等式(2b)： 數字範例1

現在將提供依據相應於上述範例之數字範例1的光譜光學系統10之描述。在此數字範例中，物件距離(其係從測試物件至孔徑光闌1之距離)係450 mm，而在成像方向上之成像區域的寬度係300 mm。使用波長帶係400 nm至1000 nm，而在影像感測器20之光接收平面中的光成像(入射)區域之光譜方向上的寬度係1.35 mm。

現在將提供表示光譜光學系統10之各光學表面的形狀之方程式的描述。以下所述之方程式僅係說明性的，且其他方程式可被用以表示各光學表面。

當作光學表面之如在第一反射表面2、第二反射表面3、第三反射表面(繞射表面)5、及第四反射表面(繞射表面)6之基礎表面的成像區段(xy區段)中之形狀的經向形狀(Meridional shape)係由各光學表面之局部座標系統中的以下方程式(3)來表示：

在方程式(3)中，Ry係經向曲率半徑，其係在成像區段中之曲率半徑，而Ky、B ₂、B ₄及B ₆係在成像區段中之非球係數。非球係數B ₂、B ₄、及B ₆可在x軸之兩側(-y側及+y側)上具有不同的數值。藉此，經向形狀可在相對於x軸之成像方向上形成為非對稱。雖然在本文中使用第二階至第六階非球係數，但亦可使用更高階的非球係數。

如在各光學表面之基礎表面的成像方向上之任何位置處的光譜區段中之形狀的弧矢形狀(sagittal shape)係由以下方程式(4)來表示：

在方程式(4)中，K _z及m _jk係光譜區段中之非球係數。r'係曲率弧矢半徑，其為在遠離光軸以成像方向(y軸方向)上之y的位置處之光譜區段中的曲率半徑，且係由以下方程式(5)來表示：

在方程式(5)中，r係光軸上之弧矢曲率半徑，而E ₂及E ₄係弧矢改變係數。在方程式(5)中，在其中r=0的情況下，在方程式(4)之右側上的第一項被視為0。弧矢改變係數E ₂及E ₄可在-y側及+y側上具有不同的數值。藉此，弧矢形狀之非球量可在成像方向上被形成為非對稱。雖然方程式(5)僅包括偶數項，但奇數項亦可被加入。更高階的弧矢改變係數亦可被使用。

在方程式(4)中之z的第一階項係有助於光譜區段中之光學表面的傾斜量(弧矢傾斜量)之項。因此，藉由設定m _jk至介於-y側與+y側之間的不同數值，弧矢傾斜量可在成像方向上被非對稱地改變。然而，弧矢傾斜量可藉由使用奇數項而被非對稱地改變。在方程式(4)中之z的第二階項係有助於光學表面之弧矢曲率半徑的項。因此，為了簡化各光學表面之設計，僅方程式(4)而非方程式(5)中之z的第二階項可被用以提供弧矢曲率半徑至光學表面。

在繞射表面5及6上之繞射光柵的各者之形狀並未特別地受限，只要其可由基於已知繞射光學理論之相位函數所表示。此數字範例使用由以下方程式(6)所表示之相位函數φ來界定在繞射表面5及6上之繞射光柵的各者之形狀，其中λ ₀係基本波長(設計波長)而C1、C2、及C3係光譜區段中之相位係數。在此時刻，繞射光柵之繞射階被設為1：

文中之基本波長係用於判定繞射光柵之高度的波長，且係基於繞射表面5及6以外之反射表面的光譜反射率、包括光接收平面之影像感測器20的光譜光接收敏感度、及所需的繞射效率來判定。換言之，基本波長相應於在光接收平面上之光檢測時被優先化的波長。此數字範例將基本波長λ ₀設為700 nm以致能以一良好平衡的方式來履行從可見區域至近紅外線區域之觀察。然而，例如，基本波長可被設為約850 nm以使得近紅外線區域可被優先地觀察，或者基本波長可被設為約550 nm以使得在使用波長帶中之可見區域可被優先地觀察。

表1繪示依據此數字範例之光譜光學系統10中的各光學表面之頂點的位置、在頂點處之法線的方向、及在各區段中之曲率半徑。在表1，各光學表面之頂點的位置係由在絕對座標系統中自原點的距離X、Y、Z [mm]所指示，而法線(x軸)之方向係光譜區段中之X軸，包括光軸係由相對於X軸之角度θ [度]所指示。d [mm]係介於光學表面之間的距離(表面距離)，而d' [mm]係介於各光學表面上之主要射線的反射點之間的距離。R _y及R _z[mm]各別地表示在主要射線之反射點處的成像區段及光譜區段中之曲率半徑。具有正值之各反射表面的曲率半徑意指凹表面，而具有負值之各反射表面的曲率半徑意指凸表面。

表2繪示依據此數字範例之光譜光學系統10的各光學表面之表面形狀。R _y、R _z及基本波長之單位係mm，而".E±M"意指×10 ^±M。

表3繪示孔徑光闌1中之孔徑、光屏蔽構件4中之狹縫、及成像方向(y軸方向)和光譜方向(z軸方向)上之影像感測器20的光接收平面的尺寸(直徑)[mm]。在此數字範例中，孔徑光闌1之孔徑、光屏蔽構件4之狹縫、及光接收平面均係矩形的。

表4繪示α ₂₁，在其中第一波長λ ₁及第二波長λ ₂被設為表中之值的情況下。如從表4所理解，此數字範例滿足不等式(2)。在其中表4中之第一波長及第二波長被各別地取代以第二波長λ ₂及第三波長λ ₃的情況下，繪示α ₃₂以取代α ₂₁。亦即，此數字範例滿足針對表4中之α ₂₁及α ₃₂的任何組合之不等式(1)。

如從表2所理解，為了滿足不等式(1)，採用m _jk之奇數階項k以及相位係數C3，其在第三反射表面與第四反射表面之間的光譜方向上係非對稱的。

圖3繪示依據此數字範例之光譜光學系統10的MTF。圖3繪示針對700 nm、400 nm、及1000 nm之波長的MTF，在其中成像區域中之物件高度[mm]各別地係Y=0、30、60、90、120、及150的情況下。如圖3中所繪示，在光接收平面側上之空間頻率[lines/mm]係20.0。如從圖3所理解，此數字範例令人滿意地校正了涵蓋整個成像區域之像差，且確保足夠的焦點深度。 數字範例2

現在將提供依據數字範例2的光譜光學系統10之描述。圖4及5各別地繪示依據此數字範例之光譜光學系統10的成像區段及光譜區段。在此數字範例中，將省略類似於依據數字範例1之光譜光學系統10的組態之描述。

在此數字範例中，從測試物件至孔徑光闌1之物件距離係450 mm，而在成像區域之成像方向上的寬度係300 mm。在依據此數字範例之光譜光學系統10中，使用波長帶係400 nm至1700 nm，其係比依據數字範例1之光譜光學系統10的寬度更寬。在影像感測器20之光接收平面內的光成像區域之光譜方向上的寬度係2.16 mm。

類似於表1，表5繪示依據此數字範例之光譜光學系統10中的各光學表面之頂點的位置、頂點之法線的方向、及在各區段處之曲率半徑。類似於表2，表6繪示各光學表面之形狀。表7繪示孔徑光闌1中之孔徑、光屏蔽構件4中之狹縫、及影像感測器20之光接收平面的尺寸(直徑)[mm]。即使在此數字範例中，孔徑光闌1之孔徑、光屏蔽構件4中之狹縫、及光接收平面均係矩形的。

表8繪示α ₂₁，在其中第一波長λ ₁及第二波長λ ₂被設為表中之值的情況下。如從表8所理解，此數字範例滿足不等式(2)。在其中表8中之第一波長及第二波長被各別地取代以第二波長λ ₂及第三波長λ ₃的情況下，繪示α ₃₂以取代α ₂₁。此數字範例亦滿足針對表8中之α ₂₁及α ₃₂的任何組合之不等式(1)。

圖6繪示依據此數字範例之光譜光學系統10的MTF，類似於圖3。如從圖5所理解，此數字範例亦令人滿意地校正了涵蓋整個成像區域之像差，且確保足夠的焦點深度。 數字範例3

現在將提供依據數字範例3的光譜光學系統10之描述。圖7及8各別地繪示依據此數字範例之光譜光學系統10的成像區段及光譜區段。在依據此數字範例之光譜光學系統10中，將省略類似於依據數字範例1之光譜光學系統10的組態之描述。

在此數字範例中，從測試物件至孔徑光闌1之物件距離係450 mm，而在成像區域之成像方向上的寬度係300 mm。所使用的波長帶係400 nm至900 nm，而在影像感測器20之光接收平面上的光成像區域之光譜方向上的寬度係1.35 mm。

依據此數字範例之光譜光學系統10包括後群組12中之第三反射表面5、稜鏡8及第四反射表面(繞射表面)6。類似於表1，表9繪示依據此數字範例之光譜光學系統10中的各光學表面之頂點的位置、頂點之法線的方向、及在各區段處之曲率半徑。表10繪示各光學表面之形狀，類似於表1，而表11繪示孔徑光闌1中之孔徑、光屏蔽構件4中之狹縫、及光接收平面的尺寸(直徑)[mm]。即使在此數字範例中，孔徑光闌1之孔徑、光屏蔽構件4之狹縫、及光接收平面均係矩形的。

表12繪示α ₂₁，在其中第一波長λ ₁及第二波長λ ₂被設為表中之值的情況下。如從表12所理解，此數字範例滿足不等式(2)。在其中表12中之第一波長及第二波長被各別地取代以第二波長λ ₂及第三波長λ ₃的情況下，繪示α ₃₂以取代α ₂₁。亦即，此數字範例亦滿足針對表12中之α ₂₁及α ₃₂的任何組合之表示式(1)。

圖9繪示依據此數字範例之光譜光學系統10的MTF，類似於圖3。如從圖9所理解，此數字範例亦令人滿意地校正了涵蓋整個成像區域之像差，且確保足夠的焦點深度。 厚度測量裝置

圖10繪示膜厚度測量裝置100之組態，其係當作使用依據上述範例之任一者的光譜影像擷取裝置101之成像系統(測量裝置)。膜厚度測量裝置100包括：照明單元105，其組態成以照明光照射待測量測試物件103；依據該等範例之任一者的光譜影像擷取裝置101；輸送器單元102，其組態成改變照明單元105、光譜影像擷取裝置101、及測試物件103之間的相對位置。膜厚度測量裝置100進一步包括膜厚度計算單元(膜厚度獲取單元)110，其組態成基於從光譜影像擷取裝置101中之影像感測器20所獲得的影像資訊來計算測試物件103之膜厚度。膜厚度計算單元110包括處理器，諸如CPU。膜厚度計算單元110可被提供在光譜影像擷取裝置101內部。

照明單元105可包括光源，其組態成發射寬帶中之照明光，該寬帶包括可由光譜影像擷取裝置101所測量的波長帶。光源可使用LED、鹵素燈等等。照明單元105可以延伸於成像方向(Y方向)之線性照明光來照射測試物件103，依據光譜影像擷取裝置101之成像範圍。

在圖10中，光譜影像擷取裝置101被組態成成像來自以照明光所照射之測試物件103的反射光，但可通過測試物件而成像傳輸光。

輸送器單元102包括皮帶輸送器等等，其在Z方向上移動測試物件103。藉由在Z方向上移動測試物件103，光譜影像擷取裝置101可將來自複數位置(線性區域)之反射光(或傳輸光)以Z方向成像在測試物件103上。在測量難以藉由皮帶輸送器等等來輸送的大型測試物件、或難以移動的測試物件之膜厚度時，輸送器單元102可在Z方向上移動照明單元105及光譜影像擷取裝置101。輸送器單元102可被組態成移動測試物件103、及影像擷取裝置與照明單元之組合兩者。替代地，輸送器單元102可在Z方向上彼此相反的方向上移動測試物件103、照明單元105與光譜影像擷取裝置101之組合。輸送器單元102可在光軸方向(X軸方向)上調整測試物件103及照明單元105及光譜影像擷取裝置101之相對位置。

此外，藉由將可驅動聚焦光學構件置於光譜影像擷取裝置101中之光譜光學系統10內部或外部並調整光學構件之位置，可聚焦測試物件103。 膜厚度計算方法

現在將提供膜厚度計算處理之描述，該處理將由膜厚度計算單元110依據程式來執行。圖11繪示配置在媒體S1與S3之間的薄膜S2。入射自媒體S1之光的部分被反射在媒體S1與薄膜S2之間的邊界處且變為反射光。餘留光被反射在薄膜S2與媒體S3之間的邊界處，且變為待發射自媒體S1之成分(反射光)、被多重反射在兩個邊界(在薄膜S2內)之間的成分、及待發射自媒體S3之成分(傳輸光)。

在此時刻，當考量薄膜S2內之多重反射時，能量透射率T及能量反射率R係各別地由以下方程式(7)來表示：

在方程式(7)中，振幅反射率r ₁₂表示在其中入射自媒體S1之光被反射在媒體S1與薄膜S2之間的邊界處的情況下之振幅反射率。Δ(λ)表示由薄膜S2內之光的反射所造成之相位差且由以下方程式(8)所表示：

在方程式(8)中，n ₂係針對具有波長λ之光的薄膜S2之折射指數，d係薄膜S2之膜厚度，而θ ₂係在其中光以入射角θ ₁被入射自媒體S1的情況下之薄膜S2中的折射角。依據方程式(8)，在其中波長λ被改變的情況下，相位差Δ(λ)改變；而在其中相位差Δ改變的情況下，能量反射率R及能量透射率T振盪。為了增進振動成分之可預測性，能量反射率R(λ)及能量透射率T(λ)被轉換，且經轉換反射率R'(λ)及經轉換反射率R'1(λ)係由以下方程式(9)所表示：

接下來，用於分析由於相位差之改變所致的經轉換反射率R'(λ)及經轉換反射率R'(λ)之振動成分的傅立葉變換係不可得的，假如相位差Δ(λ)變為相對於波長λ係非線性的話。因此，相位差Δ(λ)之波長λ被轉換成波數K，其係波長之倒數。經轉換相位差Δ(K)、經轉換反射率R'(K)、及經轉換反射率R'(K)係由以下方程式(10)所表示：

由於方程式(10)之轉換，相位差Δ(K)具有與波數K之線性關係，所以傅立葉變換變為可得的。因為由傅立葉變換所獲得之功率光譜的峰值位置相應薄膜S2之膜厚度d，所以膜厚度d可被計算自峰值位置。接著，在成像方向上之膜厚度分佈可藉由在成像方向(Y方向)上之各位置處針對測試物件之能量透射率T或能量反射率R履行上述膜厚度計算處理來計算。

圖12A繪示在波數轉換履行之前的經轉換反射率R'(λ)及在波數轉換被履行之後的經轉換反射率R'(K)之範例，其係藉由膜厚度測量裝置100來獲得。水平軸表示波數[nm ^-1]，而垂直軸表示轉換反射率R'(K)。在波數轉換被履行之前的經轉換反射率R'(λ)及在波數轉換被履行之後的轉換速率T'(K)被類似地獲得。

如從圖12A所理解，波數轉換可提供在波數方向(水平軸方向)上以規律間隔取樣的經轉換反射率R'(K)。藉由在波數方向上以規律間隔取樣經轉換反射率R'(K)，快速傅立葉變換(FFT)可被施加至傅立葉變換，且膜厚度計算處理可被加速。

圖12B繪示在先前技術中波數轉換被履行之前及之後的經轉換反射率R'(λ)之範例。經轉換透射率T'(λ)被類似地獲得。如圖12B中所繪示，因為在波數轉換被履行之前的經轉換反射率R'(λ)被取樣以相關於波長λ之規律間隔，所以在波數轉換被履行之後的經轉換反射率R'(λ)之波數方向上的取樣間隔係不規律間隔。圖13中之交替的長及短虛線表示先前技術中介於第一波長λ ₁與第二波長λ ₂之間的斜率α ₂₁'及介於第二波長λ ₂與第三波長λ ₃之間的斜率α ₃₂'係明顯不同的(非線性)。

在其中波數轉換被履行之後的經轉換反射率R'(λ)被取樣以不規律間隔的情況下，再取樣處理變為用以使取樣間隔規律以便將FFT用於傅立葉變換所必須的。此額外處理增加處理時間且減少膜厚度測量準確度。即使取樣間隔係不規律的，Lomb-Scargle方法可被應用以找出功率光譜，但處理時間變為比FFT的時間更長。

另一方面，因為依據此範例之膜厚度測量裝置100不需要再取樣處理，所以可使膜厚度計算處理更快速。其係特別適於需要高速處理之即時測量及線內測量。

膜厚度計算方法可使用一種藉由最佳化反射率及透射率之經獲得波長特性來判定膜厚度的方法，其係使用折射指數、入射角、波長、及膜厚度為理論方程式中之變數。

依據以上範例之光譜影像擷取裝置可被用於膜厚度測量之外的應用。例如，將提供用於使用光譜影像擷取裝置來檢驗測試物件(物品)之方法及用於製造物品之方法的描述。文中之檢驗方法適於在諸如製造、農業、及醫藥等工業領域中之物品的檢驗(評估)。

在檢驗方法之第一步驟(成像步驟)中，測試物件之影像資訊係藉由經由光譜光學系統10來成像測試物件而獲得。在此時刻，可使用上述光譜成像系統。亦即，整個測試物件之影像資訊可藉由成像測試物件來獲取，當測試物件與光譜影像擷取裝置之間的相對位置被改變時。複數測試物件之影像資訊可被依序地且連續地獲取。此外，在第一步驟中，相應於從光譜光學系統所發射之光的複數波長之複數件影像資訊可被獲得。

接下來，在第二步驟(檢驗步驟)中，測試物件係基於在第一步驟中所獲取的影像資訊而被檢驗。在此時刻，例如，使用者(檢驗者)可檢查(判定)影像資訊中是否有外物、瑕疵等，或者影像處理可檢測影像資訊中之外物、瑕疵等且使用者可被通知其結果。用於製造物品之製造裝置可依據外物或瑕疵之存在與否的判定結果而被控制或調整。

在第二步驟中，測試物件可基於使用針對各別波長之複數件影像資訊所獲得的測試物件之光譜分佈而被檢驗。藉由通過光譜光學系統而成像所獲取的影像資訊致能測試物件所特有之光譜分佈被檢測、及測試物件之材料被指明自光譜分佈。例如，藉由上色或其他方法而強調之影像資訊可針對各光譜來產生，且使用者可基於該影像資訊來檢驗測試物件。

依據此範例之檢驗方法可應用於物品(諸如半導體、食物、藥品、及化妝品)之製造方法。更明確地，用於製造物品之材料(物件)可藉由以上檢驗方法來檢驗，且該物品可使用經檢驗材料來製造。例如，在其中在上述第二步驟中判定其該材料具有外物或瑕疵的情況下，使用者(製造者)或製造裝置自該材料移除外物或者丟棄含有外物或瑕疵之該材料。

以上檢驗方法可被用以檢測製造裝置中之異常。例如，異常之存在與否可基於製造裝置之影像資訊來判定；且取決於該判定結果，製造裝置之驅動可被停止或者該異常可被校正。

本揭露提供一種可快速地且準確地測量測試物件之影像擷取裝置。 其他實施例

本揭露之實施例亦可由一種系統或裝置之電腦來實現，該電腦係讀出並執行在儲存媒體(其亦可被更完全地稱為「非暫態電腦可讀取儲存媒體」)上所記錄的電腦可執行指令(例如，一或多個程式)以履行上述實施例之一或多者的功能；及/或其包括一或多個電路(例如，特定應用積體電路(ASIC))以履行上述實施例之一或多者的功能；以及由一種由系統或裝置之電腦所履行的方法來實現，藉由(例如)從儲存媒體讀出並執行電腦可執行指令以履行上述實施例之一或多者的功能及/或控制一或多個電路來履行上述實施例之一或多者的功能。電腦可包含一或多個處理器(例如，中央處理單元(CPU)、微處理器單元(MPU))且可包括分離電腦或分離處理器之網路，用以讀出且執行電腦可執行指令。電腦可執行指令可被提供至電腦，例如，從網路或儲存媒體。儲存媒體可包括(例如)硬碟、隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、分散式計算系統之儲存、光碟(諸如光碟(CD)、數位多功能光碟(DVD)、或藍光光碟(BD)™)、快閃記憶體設備、記憶卡等等之一或多者。

雖然已參考了實施例來描述本揭露，但應理解其本揭露不限於所揭露的實施例。以下申請專利範圍之範圍應被賦予最寬廣的解讀以涵蓋所有此等修改及同等的結構和功能。

1:孔徑光闌 2:第一反射表面 3:第二反射表面 4:光屏蔽構件 5:第三反射表面 6:第四反射表面 8:稜鏡 10:光譜光學系統 11:前群組 12:後群組 20:影像感測器 100:膜厚度測量裝置 101:光譜影像擷取裝置 102:輸送器單元 103:測試物件 105:照明單元 110:膜厚度計算單元

[圖1]係繪示依據一個範例(數字範例1)之光譜影像擷取裝置的組態之XY剖視圖。

[圖2]係依據數字範例1之光譜影像擷取裝置的ZX剖視圖。

[圖3]繪示依據數字範例1之光譜影像擷取裝置的調變轉移函數(MTF)。

[圖4]係依據數字範例2之光譜影像擷取裝置的XY剖視圖。

[圖5]係依據數字範例2之光譜影像擷取裝置的ZX剖視圖。

[圖6]繪示依據數字範例2之光譜影像擷取裝置的MTF。

[圖7]係繪示依據數字範例3之光譜影像擷取裝置的組態之XY剖視圖。

[圖8]係依據數字範例3之光譜影像擷取裝置的ZX剖視圖。

[圖9]繪示依據數字範例3之光譜影像擷取裝置的MTF。

[圖10]繪示使用依據各範例之光譜影像擷取裝置的膜厚度測量裝置之組態。

[圖11]解釋使用膜厚度測量裝置之膜厚度計算方法。

[圖12A及12B]繪示經轉換反射率及經轉換透射率，在波數轉換被履行之前及之後。

[圖13]繪示介於波數與成像位置之間的關係，在其中不等式(1)被滿足之一範例中及在其中不等式(1)不被滿足之一傳統範例中。

1:孔徑光闌

2:第一反射表面

3:第二反射表面

4:光屏蔽構件

5:第三反射表面

6:第四反射表面

10:光譜光學系統

11:前群組

12:後群組

20:影像感測器

101:光譜影像擷取裝置

G:封蓋玻璃

Claims (10)

1. 一種影像擷取裝置，包含： 一影像感測器；及 一光學系統，其組態成將來自延伸於一物件之一第一方向的一區域之光劃分成在正交於該第一方向之一區段中的複數光、及將該複數光聚集在該影像感測器之一成像表面上， 其特徵在於滿足以下不等式： 0.90 ≤ α ₂₁/α ₃₂≤ 1.10 1×10 ^-12≤ |α ₂₁| ≤ 1×10 ^-6其中λ ₁、λ ₂、及λ ₃係各別地在該複數光之中的第一光、第二光、及第三光之波長，其滿足以下不等式，z ₁、z ₂、及z ₃係各別地在該區段中之該成像表面上的該第一、第二、及第三光之聚集位置，且α ₂₁及α ₃₂被界定如下： λ ₁＜ λ ₂＜ λ ₃α ₂₁= (z ₂-z ₁)/(1/λ ₂-1/λ ₁) α ₃₂= (z ₃-z ₂)/(1/λ ₃-1/λ ₂)。
2. 如請求項1之影像擷取裝置，其中該光學系統包括在一物件側上之一前群組及在一光屏蔽構件的一影像側上之一後群組，該光屏蔽構件具有在該第一方向上係長的一開口， 其中該後群組包括複數波散元件。
3. 如請求項2之影像擷取裝置，其中該波散元件包括一繞射元件或一稜鏡。
4. 如請求項2之影像擷取裝置，其中該複數波散元件之至少一者係一繞射元件， 其中該繞射元件之一繞射表面的一基礎表面係一變形表面，及 其中該基礎表面之一形狀在該第一方向上係非對稱的。
5. 如請求項2之影像擷取裝置，其中該前群組及該後群組之各者包括當作一光學表面之一變形表面。
6. 如請求項2之影像擷取裝置，其中包括在該前群組及該後群組中之光學表面的至少一者係一反射表面。
7. 如請求項2之影像擷取裝置，其中該前群組使導向該開口之光聚集且通過該開口，使得該光並未聚集在該第一方向上。
8. 一種光譜成像系統，包含： 依據請求項1至7之任一項的該影像擷取裝置；及 一輸送器單元，組態成改變介於該影像擷取裝置與該物件之間的相對位置。
9. 一種測量裝置，包含： 依據請求項1至7之任一項的該影像擷取裝置；及 一獲取單元，組態成從該影像感測器之一輸出獲取該物件之一厚度。
10. 一種物件製造方法，包含： 使用依據請求項1至7之任一項的該影像擷取裝置以獲取該物件之影像資訊；及 使用該影像資訊以檢驗或測量該物件。

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