CN105937882B - 用于使用彩色摄像机测量厚度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用彩色摄像机测量厚度的方法和装置，该方法包括滤波操作、光强度获取操作、扫描操作以及曲线图制作操作。滤波操作通过声光可调滤波器对从白光源发射的光的多个波长范围内的多个波长进行滤波。光强度获取操作通过彩色摄像机同时获取多个波长范围内的多个波长的光强度信号。扫描操作在每个波长范围内以预定间隔执行与波长同样多的扫描的情况下通过重复执行滤波操作和光强度获取操作来获取波长范围中的每个波长范围内的多个光强度信号。曲线图制作操作合成多个光强度信号以制作反射率关于全部光谱的曲线图。

Description

用于使用彩色摄像机测量厚度的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于使用彩色摄像机测量厚度的方法和装置，并且更具体地，涉及用于使用彩色摄像机测量厚度的方法和装置，其中同时扫描多个波长以快速测量薄膜层的厚度。
背景技术
随着遍及目前所有工业领域的技术的飞速发展，对于半导体、微电子机械***(MEMS)、平板显示器、光学部件等都需要微细加工，并且现在需要纳米级的超精密加工。此外，所需的加工图案变得复杂，并且因此，测量微细薄膜层的厚度的重要性变得突出。
已广泛用于对薄膜层的厚度和反射率进行测量的装置基于反射测量术。广义上被称为薄膜层测量***的反射计是非接触式且无损的测量装置，该测量装置能够对多层薄膜的特性进行测量以及在没有特别的准备工作或处理的情况下直接测量目标物体。
图1是用于说明使用常规反射计测量厚度的方法的图示。
参照图1，常规反射计采用来自白光源的光以预定间隔进行与波长同样多的扫描并且通过黑白摄像机在各波长处获取光强度信号11、光强度信号12以及光强度信号13。然后，合成在各波长处获取的多个光强度信号11、光强度信号12以及光强度信号13以绘制反射率关于全部光谱(whole spectra)的曲线图，并且因此可以基于反射率曲线图来测量薄膜层的厚度。
然而，常规的厚度测量方法具有下述问题：由于在关于从白光源发射的光的全部光谱来执行扫描的情况下在多个波长处获取多个光强度信号，所以获取多个光强度信号所花费的时间被延迟。获取光强度信号的时间的延迟直接关系到厚度测量装置的性能，并且因此导致厚度测量装置具有单位时间内的低测量性能。
发明内容
因此，本发明旨在解决上述问题，以及本发明的一方面是提供用于使用彩色摄像机测量厚度的方法和装置，其中在白光的多个波长范围中对多个波长进行滤波，并且在各波长范围内同时获取光强度信号，从而显著改进厚度测量装置的测量速度。
根据本发明的实施方式，提供了一种使用彩色摄像机测量厚度的方法，该方法采用白光源、声光可调滤波器(AOTF)和彩色摄像机，该声光可调滤波器(AOTF)用于对来自从白光源发射的光的多个离散波长进行滤波，该彩色摄像机用于获取从物体反射的光强度信号，以及该方法包括：滤波操作，该滤波操作用于通过声光可调滤波器对从白光源发射的光的多个波长范围内的多个波长进行滤波；光强度获取操作，该光强度获取操作用于通过彩色摄像机同时获取上述多个波长范围内的多个波长的光强度信号；扫描操作，该扫描操作用于通过在每个波长范围内以预定间隔执行与波长同样多的扫描的情况下重复执行滤波操作和光强度同时获取操作来获取波长范围的每个波长范围内的多个光强度信号；以及曲线图制作操作，该曲线图制作操作用于合成多个光强度信号以制作反射率关于全部光谱的曲线图。
滤波操作可以包括同时对红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围内的波长进行滤波。
根据本发明的另一实施方式，提供了一种用于使用摄像机测量厚度的装置，该装置包括：白光源；声光可调滤波器(AOTF)，该声光可调滤波器(AOTF)用于对从白光源发射的光的多个波长范围内的多个波长进行滤波；分束器，该分束器用于使由声光可调滤波器进行滤波的光行进到物体；彩色摄像机，该彩色摄像机用于同时获取从物体反射的光的多个波长范围内的多个波长的光强度信号；声光可调滤波器控制器，该声光可调滤波器控制器用于向声光可调滤波器发送用于在各波长范围内以预定间隔执行与波长同样多的扫描以获取各波长范围内的多个光强度信号的滤波信号；以及图像处理器，该图像处理器用于合成多个光强度信号以制作反射率关于全部光谱的曲线图。
声光可调滤波器可以同时对红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围内的波长进行滤波。
附图说明
结合附图根据下述示例性实施方式的描述，本发明的上述和/或其他方面将变得清楚并且更易于理解，在附图中：
图1是用于说明使用反射计测量厚度的常规方法的图示；
图2是示出根据本发明的实施方式的用于使用彩色摄像机测量厚度的装置的图示；
图3是示出根据本发明的实施方式的使用彩色摄像机测量厚度的方法的图示；以及
图4是示出通过图3的使用彩色摄像机测量厚度的方法所绘制的反射率曲线图的图示。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述根据本发明的用于使用彩色摄像机测量厚度的方法和装置的实施方式。
图2是示出根据本发明的实施方式的用于使用彩色摄像机测量厚度的装置的图示，图3是示出根据本发明的实施方式的使用彩色摄像机测量厚度的方法的图示，以及图4是示出通过图3的使用彩色摄像机测量厚度的方法所绘制的反射率曲线图的图示。
参照图2至图4，根据本发明的用于使用彩色摄像机测量厚度的装置100包括白光源110、声光可调滤波器120、声光可调滤波器控制器130、分束器140、彩色摄像机150以及图像处理器160。在本示例性实施方式中，可以通过示例的方式描述由用于测量厚度的装置100所测量的物体3包括衬底1和施加至衬底1上的薄膜层2。
白光源110是用于发射白光的光源，以及白光源110可以包括卤素灯、发光二极管(LED)等。在白光源110的后面可以布置有用于对从白光源110发射的白光进行准直的准直透镜等。
声光可调滤波器(AOTF)120可以对从白光源110发射的光的多个波长范围20、波长范围30以及波长范围40内的多个波长21、波长31以及波长41进行滤波。一般地，声光可调滤波器120可以对光的相对于全部光谱的特定波长进行滤波，或者可以对光所涉及的多个波长范围内的多个离散波长进行滤波。
参照图3，根据本实施方式的声光可调滤波器120可以同时对红色波长范围20内的一个波长21、绿色波长范围30内的一个波长31以及蓝色波长范围40内的一个波长41进行滤波。因此，具有通过声光可调滤波器120分别从红色波长范围20、绿色波长范围30以及蓝色波长范围40进行滤波的三个离散波长21、离散波长31以及离散波长41的光行进到物体3。
分束器140使具有通过声光可调滤波器120进行滤波的三个离散波长21、离散波长31以及离散波长41的光行进到物体3。此外，从物体3反射的光经由分束器140进入彩色摄像机150，这将在后面进行描述。
彩色摄像机150布置在物体3的上方并且同时获取光强度信号，所述光强度信号具有从物体3所反射的光的多个波长范围20、波长范围30以及波长范围40内的多个波长21、波长31以及波长41。
当具有分别在红色波长范围20、绿色波长范围30以及蓝色波长范围40内进行滤波的三个离散波长21、离散波长31以及离散波长41的光从物体3反射并且进入彩色摄像机150时，彩色摄像机150能够通过三个通道即红色通道、绿色通道以及蓝色通道同时获取三个波长21、波长31以及波长41的光强度信号。
一般地，具有适合待测量区域的像素数的电荷耦合器件(CCD)摄像机被用作彩色摄像机150。在彩色摄像机150的前面可以布置有聚光透镜以集聚来自分束器140的入射光。
声光可调滤波器控制器130向声光可调滤波器120传输用于在相应波长范围20、波长范围30以及波长范围40内以预定间隔执行与波长同样多的扫描的滤波信号。
参照图3，声光可调滤波器控制器130向声光可调滤波器120发送用于同时对红色波长范围20内的一个波长21、绿色波长范围30内的一个波长31以及蓝色波长范围40内的一个波长41进行滤波的滤波信号。然后，声光可调滤波器控制器130向声光可调滤波器120发送用于在红色波长范围20、绿色波长范围30以及蓝色波长范围40中的每个波长范围内以预定间隔将波长增加或减小，以使得对相应波长范围内的波长进行扫描的滤波信号。
例如，假设700nm～610nm是红色波长范围20、570nm～500nm是绿色波长范围30以及500nm～450nm是蓝色波长范围40。在这种情况下，声光可调滤波器控制器130可以向声光可调滤波器120发送用于同时对红色波长范围20内的610nm的波长21、绿色波长范围30内的500nm的波长31以及蓝色波长范围40内的450nm的波长41进行滤波的滤波信号。然后，声光可调滤波器控制器130向声光可调滤波器120发送用于在波长范围20、波长范围30以及波长范围40中的每个波长范围内将波长增加10nm，以使得对波长范围20、波长范围30以及波长范围40中的每个波长范围内的整个波长进行扫描的滤波信号。
采用这些处理，可以在红色波长范围20、绿色波长范围30以及蓝色波长范围40内以10nm的间隔相对于波长范围20、波长范围30以及波长范围40的每个波长范围中的整个波长同时获取多个光强度信号22、光强度信号32以及光强度信号42。
图像处理器160合成多个光强度信号22、光强度信号32以及光强度信号42以制作反射率关于全部光谱的曲线图50。
由于通过彩色摄像机150的红色通道、绿色通道以及蓝色通道同时获取三个波长范围20、波长范围30以及波长范围40的光强度信号22、光强度信号32以及光强度信号42，所以相较于常规装置，根据本发明的实施方式的用于测量厚度的装置可以更快速地获取光强度信号。
如此，如果从各波长范围20、波长范围30以及波长范围40获取的光强度信号22、光强度信号32以及光强度信号42被合成，那么可以绘制出从物体3反射的光的光强度关于全部光谱的曲线图。然后，如果从物体3反射的光的关于全部光谱的光强度信号除以入射到物体3的光的关于全部光谱的光强度信号，那么可以绘制出反射率关于全部光谱的曲线图50。
在对薄膜层2上的相应位置处的前述的反射率曲线图50进行制作之后，可以基于反射率曲线图50来测量薄膜层2在相应位置处的厚度。因为对本领域技术人员而言基于反射率曲线图50来测量薄膜层2的厚度的方法是公知的，所以省略对其的详细描述。
将在下面描述采用前述的用于使用彩色摄像机测量厚度的装置100，根据本发明的使用彩色摄像机测量厚度的方法。
参照图2至图4，根据本实施方式的使用彩色摄像机测量厚度的方法包括滤波操作、光强度获取操作、扫描操作以及曲线图制作操作。
滤波操作采用声光可调滤波器120对从白光源110发射的光的多个波长范围20、波长范围30以及波长范围40内的多个波长21、波长31以及波长41进行滤波。
参照图3，根据本实施方式的滤波操作同时对红色波长范围20内的一个波长21、绿色波长范围30内的一个波长31以及蓝色波长范围40内的一个波长41进行滤波。因此，具有通过声光可调滤波器120分别从红色波长范围20、绿色波长范围30以及蓝色波长范围40进行滤波的三个离散波长21、离散波长31以及离散波长41的光行进到物体3。
光强度获取操作采用彩色摄像机150同时获取多个波长范围20、波长范围30以及波长范围40内的多个波长21、波长31以及波长41的光强度信号。
如果具有分别从红色波长范围20、绿色波长范围30以及蓝色波长范围40进行滤波的三个离散波长21、离散波长31以及离散波长41的光从物体3反射并且入射到彩色摄像机150，那么彩色摄像机150通过三个通道即红色通道、绿色通道以及蓝色通道同时获取三个波长21、波长31以及波长41的光强度信号。
扫描操作同时获取波长范围20、波长范围30以及波长范围40的每个波长范围内的多个光强度信号22、光强度信号32以及光强度信号42。
声光可调滤波器控制器130向声光可调滤波器120发送用于在红色波长范围20、绿色波长范围30以及蓝色波长范围40中的每个波长范围内以预定间隔将波长增加或减小从而对相应波长范围内的波长进行扫描的滤波信号。
如果在分别扫描三个波长范围20、波长范围30以及波长范围40中的波长的情况下重复执行滤波操作和光强度获取操作，那么从红色波长范围20、绿色波长范围30以及蓝色波长范围40内的所有波长(特别地，从选自全部波长的离散波长)中同时获取多个光强度信号22、光强度信号32以及光强度信号42。
曲线图制作操作合成多个光强度信号22、光强度信号32以及光强度信号42以制作反射率关于全部光谱的曲线图50。
通过合成在各波长范围20、波长范围30以及波长范围40内获取的光强度信号22、光强度信号32以及光强度信号42，可以制作从物体3反射的光的光强度关于全部光谱的曲线图。然后，如果从物体3反射的光的关于全部光谱的光强度信号除以入射到物体3的光的关于全部光谱的光强度信号，那么可以制作出反射率关于全部光谱的曲线图50。
在对薄膜层2上的相应位置处的前述的反射率曲线图50进行制作之后，可以基于反射率曲线图50来测量薄膜层2在相应位置处的厚度。因为对本领域技术人员而言基于反射率曲线图50来测量薄膜层2的厚度的方法是公知的，所以省略对其的详细描述。
采用前述的用于使用彩色摄像机测量厚度的方法和装置，在白光的多个波长范围中对多个波长进行滤波，并且在各波长范围内同时获取光强度信号，从而显著改进对薄膜层的厚度进行测量的速度。
如上所述，用于使用彩色摄像机测量厚度的方法和装置可以显著改进对薄膜层的厚度进行测量的速度。
虽然示出和描述了本发明的一些示例性实施方式，但是本领域技术人员应了解，在不脱离本发明原理和精神的前提下可以对这些实施方式进行修改，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种使用彩色摄像机测量厚度的方法，所述方法采用白光源、声光可调滤波器和所述彩色摄像机，所述声光可调滤波器用于对来自从所述白光源发射的光的多个离散波长进行滤波，所述彩色摄像机用于获取从物体反射的光强度信号，以及所述方法包括：
滤波操作，所述滤波操作用于通过所述声光可调滤波器同时对从所述白光源发射的光的红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围内的三个离散波长分别进行滤波；
光强度获取操作，所述光强度获取操作用于使与由所述声光可调滤波器所滤出的所述三个离散波长相对应的光至所述物体，以及通过所述彩色摄像机同时获取从所述物体反射的光分别于所述红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围内的所述三个离散波长的光强度信号；
扫描操作，所述扫描操作通过在所述红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围中的每一者内以预定间隔增加或减小波长情况下重复执行所述滤波操作和所述光强度获取操作来获取所述波长范围的每个波长范围内的整个波长的多个光强度信号；以及
曲线图制作操作，所述曲线图制作操作用于合成于所述红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围获取的整个波长的全部所述多个光强度信号以制作反射率关于全部光谱的曲线图；
其中所述曲线图制作操作是通过合成所获取的全部所述多个光强度信号来制作从所述物体反射的光的光强度关于全部光谱的曲线图，以及通过将从所述物体反射的光的关于全部光谱的光强度信号除以入射到所述物体的光的关于全部光谱的光强度信号来制作所述反射率关于全部光谱的曲线图。
2.一种用于使用摄像机测量厚度的装置，所述装置包括：
白光源；
声光可调滤波器，所述声光可调滤波器用于同时对从所述白光源发射的光的红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围内的三个离散波长分别进行滤波；
分束器，所述分束器用于使与由所述声光可调滤波器进行滤波的所述三个离散波长相对应的光行进到物体；
彩色摄像机，所述彩色摄像机用于同时获取从所述物体反射的光的所述红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围内的所述三个离散波长的光强度信号；
声光可调滤波器控制器，所述声光可调滤波器控制器向所述声光可调滤波器发送用于在所述红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围中的每一者内以预定间隔增加或减小波长执行每个波长范围内的整个波长扫描以便获取所述各波长范围内的多个光强度信号的滤波信号；以及
图像处理器，所述图像处理器用于合成于所述红色波长范围、绿色波长范围以及蓝色波长范围获取的整个波长的全部所述多个光强度信号以制作反射率关于全部光谱的曲线图；
其中所述图像处理器是通过合成所获取的全部所述多个光强度信号来制作从所述物体反射的光的光强度关于全部光谱的曲线图，以及通过将从所述物体反射的光的关于全部光谱的光强度信号除以入射到所述物体的光的关于全部光谱的光强度信号来制作所述反射率关于全部光谱的曲线图。
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