TW201323822A

TW201323822A - 使用調變照明作非接觸式表面特性檢測

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Publication number: TW201323822A
Application number: TW100146115A
Authority: TW
Inventors: De Lega Xavier Colonna
Original assignee: Zygo Corp
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-06-16
Also published as: TWI438393B

Abstract

本揭露提供一種形成一待測物之一三維影像的方法，包括：引導光線至一成像元件之一最佳聚焦面，其中光線在上述最佳聚焦面之至少一方向具有一強度調變；掃描相對於上述成像元件的一待測物，使得當上述待測物被掃描時，上述量測物之一表面穿過上述成像元件之上述最佳聚焦面；使用上述成像元件，對於上述待測物一系列位置的每一者，取得在上述掃描步驟中，上述量測物的一單一影像，其中對於連續的影像，上述最佳聚焦面的上述調變是不同的；以及根據取得的上述影像，形成上述待測物的一三維影像。

Description

使用調變照明作非接觸式表面特性檢測

本揭露有關於使用調變照明作非接觸式表面特性檢測的方法與裝置。

非接觸式表面檢測的領域包括特性檢測及/或物體表面資訊的量測，舉例來說，包括外形與表面光滑度(surface finish)量測。當例如為製程研發、品質與製程控制之生產程序還停留在製造部門時，非接觸式表面特性檢測對製造而言是很有用的工具。藉由在光學系統中分析待測物影像的頻率分量，非接觸式表面檢測方法包括取得關於待測物位置與三維外形的資訊。

一般來說，本揭露說明書所述的主題有關於取得樣品表面資訊的方法與系統。舉例來說，揭露的方法包括：當將最佳聚焦表面中的一個視野(field)成像至多元件偵測器時，引導一個圖案化(structured)照明圖案至成像元件的最佳聚焦表面。圖案化照明圖案是一種不均勻的照明圖案，其包括根據光強度所作之某一些編碼。圖案化照明圖案的例子包括週期性強度圖案(例如在一維或二維上調變)。當使用多元件偵測器依序取得樣品表面上照明圖案的一系列影像時，樣品會掃描通過最佳聚焦面。對於取得的每一個連續影像，照明圖案被修正使得視野中對應於偵測器元件的每一個點，由一個畫框至下一個畫框，其強度都能被調變。當其與樣品的最佳聚焦面相交時，在每一個偵測器元件取得之最終訊號具有調變，該調變具有發生於樣品表面(或附近)的最大數值。根據對一系列影像所作的訊號分析，能夠得到樣品的表面樣貌與表面紋理，並且在一些實施例中，可以產生樣品表面的三維影像。

在一些實施例中，偵測器平面和圖案產生平面(pattern-generating plane)被映射至物空間的一個表面，該表面與樣品的外形理論上共形(conformal)，舉例來說，該樣品可為平面、球面、拋物面、圓柱、錐形或非球面元件。

在一些實施例中，偵測器一個畫素(例如元件)記錄的訊號具有調變封包，調變封包模擬掃描式低同調干涉儀(SWLI)訊號的一些特徵。因此，使用SWLI所用的包絡偵測演算法可以將掃描資料轉換成表面樣貌或反射率資料，例如頻域分析(frequency domain analysis，FDA)或最小平方分析(least squares analysis，LSQ)。

在一些實施例中，用以產生照明投影圖案的裝置是可程式化的，使得對於一個已知物體，可以擷取頻率分量、偏轉與空間強度分佈，用於將量側能力最佳化。

將圖案化照明的調變架構最佳化能讓光學系統快速自動對焦。在雷射眼科手術的應用中，本揭露用於雷射元件的定位，雷射元件係相對於與角膜接觸之關鍵元件而言。另一種應用是低同調干涉儀的快速聚焦，其中從偵測到的訊號作平均得到介面訊號，並選擇其為自動聚焦掃描率(autofocus scan rate)。

在一些實施例中，本揭露的裝置提供物體的強化影像，其結合高度資訊與額外的表面資訊，例如色彩、吸收率、紋理等。

本說明書所述主題的多種樣態摘要如下。

一般而言，本說明所述主題的其中一種態樣能夠在方法上加以修正以形成待測物件的三維影像，其中該方法包括引導光線至一成像元件之一最佳聚焦面，其中光線在上述最佳聚焦面之至少一方向具有一強度調變；掃描相對於上述成像元件的一待測物，使得當上述待測物被掃描時，上述量測物之一表面穿過上述成像元件之上述最佳聚焦面；使用上述成像元件，對於上述待測物一系列位置的每一者，取得在上述掃描步驟中，上述量測物的一單一影像，其中對於連續的影像，上述最佳聚焦面的的上述調變是不同的；以及根據取得的上述影像，形成上述待測物的一三維影像。

每一個此等與其他實施例能夠選擇性地包括一個或多個下述特徵。舉例來說，在一些實施中，引導光線至上述最佳聚焦面包括將一光學空間調製器(SLM)成像至上述最佳聚焦面。在上述最佳聚焦面中光線的上述強度調變係使用上述光學空間調製器而被改變。

在一些實施例中，引導光線至上述最佳聚焦面包括將一圖案產生平面成像至物空間中的一表面。上述表面與上述待測物的外形共形。上述待測物的外形係平面、球面、拋物面、圓柱、錐形或非球面。

在一些實施例中，上述強度調變為一週期性調變。上述週期性調變為正弦調變。在連續的影像之間，上述週期性調變的相位能以少於2π相位的方式改變。在連續的影像之間，上述週期性調變的相位能以等於或少於π相位的方式改變。在連續的影像之間，上述週期性調變的相位能等於π/2相位的方式改變。

在一些實施例中，上述強度調變係二維強度調變。所掃描的上述位置係均勻相間的。上述強度調變係根據上述待測物之表面的斜率而決定。

在一些實施例中，其中形成上述三維影像包括：對於上述待測物之表面的多種不同位置，辨認對應於與上述最佳聚焦面相交之每一個位置的掃描位置。在每一個上述不同位置且為掃描位置之函數之取得的上述影像的強度包括振幅調變。辨認對應於與上述最佳聚焦面相交之每一個位置的掃描位置包括辨認調變振幅最大的掃描位置。

在一些實施例中，形成上述三維影像包括取得上述待測物表面上多種不同位置之每一者的強度訊號，每一個強度訊號對應於在相應的上述位置且為掃描位置之函數之取得的上述影像的強度。形成上述三維影像包括辨認在每一個位置上，對應於上述強度訊號之調變之最大振幅的一掃描位置。辨認上述掃描位置包括將每一個強度訊號轉換至頻率域。

在一些實施例中，上述待測物係一透鏡元件。舉例來說，上述三維影像係一單色影像。此外，上述三維影像可為一彩色影像。

一般來說，本說明所述主題的其中一種態樣能夠在方法上加以修正以形成待測物件的三維影像，其中該方法包括：在一成像元件的一最佳聚焦面上，形成一光學空間調製器之一影像；掃描相對於上述成像元件的一待測物，使得當上述待測物被掃描時，上述量測物之一表面穿過上述成像元件之上述最佳聚焦面；使用上述成像元件，對於上述待測物一系列位置的每一者，取得在上述掃描步驟中，上述量測物的一單一影像，其中上述光學空間調製器改變形成上述影像之光的一強度調變，使得對於連續的影像，上述最佳聚焦面的的上述調變是不同的；以及根據取得的上述影像，形成上述待測物的一三維影像。

一般來說，本說明所述主題的其中另一種態樣能夠在方法上加以修正以形成待測物件的三維影像，其中該方法包括：引導光線至一成像元件之一最佳聚焦面，其中光線在上述最佳聚焦面之至少一方向具有一強度調變；掃描相對於上述成像元件的一待測物，使得當上述待測物被掃描時，上述量測物之一表面穿過上述成像元件之上述最佳聚焦面；將上述最佳聚焦面成像至一多元件偵測器；對於上述待測物一系列位置的每一者，取得在上述掃描步驟中，上述多元件偵測器之一個或多個元件中之一單一強度量測，其中對於上述待測物之連續的位置，上述最佳聚焦面上光的上述強度調變是不同的；以及根據取得的上述強度量測，形成上述待測物的一三維影像。

一般來說，本說明所述主題的其中另一種態樣能夠在系統上加以修正以形成待測物件的三維影像，其中該系統包括：一顯微鏡，包括一成像元件，上述成像元件具有一最佳聚焦面；一光學空間調製器；一個或多個光學元件，在上述系統操作時，自上述光學空間調製器引導光線以在上述最佳聚焦面形成上述光學空間調製器的一影像；一掃描平台，在上述系統操作時，掃描相對於上述顯微鏡之物鏡的上述待測物，使得上述待測物的表面與上述最佳聚焦面相交；一多元件偵測器，相對設置於上述顯微鏡，在上述系統操作時，使得上述顯微鏡在上述最佳聚焦面形成一視野的一影像；以及一電子控制模組，與上述掃描平台、上述光學空間調製器與上述多元件偵測器通訊，其中在操作期間，上述系統使得上述多元件偵測器，對於相對於上述成像元件之上述待測物之多種掃描位置之每一者，取得上述待測物之一單一影像，使得上述光學空間調製器改變上述最佳聚焦面上光的強度，使得對於連續的影像，光的強度調變是不同的，並且根據取得的上述影像，形成上述待測物的一三維影像。

每一個此等與其他實施例能夠選擇性地包括一個或多個下述特徵。舉例來說，該系統更包括：一光源，在上述系統操作期間，引導光線至上述光學空間調製器。上述光學空間調製器係一反射式光學空間調製器或一穿透式光學空間調製器。

在一些實施例中，光學空間調製器係一液晶平板，或包括一微鏡陣列。

在一些實施例中，上述成像元件具有大於0.6的數值孔徑、大於0.8的數值孔徑、大於0.9的數值孔徑或具有0.95的數值孔徑。

在一些實施例中，該系統更包括彩色濾光器，用以將在上述多元件偵測器形成影像的光過濾出來。

舉例來說，上述一個或多個光學元件包括一魚眼透鏡、一內視鏡及/或一變焦透鏡。

本處揭露之實施例提供數種優點。舉例來說，在一些實施例中，本方法與裝置能夠提供物體的非接觸式三維影像。使用短量測時間來進行成像以取得物體表面的高解析度影像。在一些實施例中，係以較低靈敏度進行成像，以適應環境擾動，例如震動或噪音。

實施例亦提供其他優點。舉例來說，在一些實施例中，本文揭露方法與結構能夠類似於習知共焦顯微鏡(confocal microscope)的深度切片能力。相較於共焦顯微鏡和干涉顯微鏡，使用圖案畫照明剖析(structured illumination profiling)具有一些優點，如減少光源亮度需求。

舉例來說，在一些實施例中，相對於習知干涉顯微鏡，圖案化照明的光源亮度需求較低。此外，能夠使用之非干涉式顯微鏡物競的限制也較少。舉例來說，在一些實施例中，相對於Michelson或Mirau干涉儀能夠使用的物鏡，本揭露可使用高數值孔徑值的物鏡。

一種或多種實施例細節搭配所附圖式作說明如下。根據說明書、圖式與申請專利範圍，本發明其他技術特徵與優點係清晰易懂的。

取得光強度訊號

第1圖為本發明具體實施例之照明系統100，用於提供樣品102的三維影像。照明系統100的光源部103包括光源104、光學空間調製器(spatial light modulator，SLM)106、一個或多個透鏡(108a-108c)、孔徑110，以及光束組合器112。照明系統100的成像部105包括影像記錄裝置114、分光器116、物鏡118，以及柱狀透鏡120。為了說明本發明，座標系統定義如下：z軸係平行於物鏡118的光軸且x與y軸係平行於物鏡的最佳聚焦面(plane of best-focus)，使得xyz形成正交座標系統。

在照明系統100操作期間，光源104產生之光101穿過透鏡108a、108b以及孔徑110，其中光101接著射入分光器112。分光鏡112將部分入射之光101反射至光學空間調製器106。在本實施例中，光學空間調製器106調變並反射射入其表面的光，用以產生不連續(binary)(例如影像圖案之中，有些區域為明，有些區域為暗)或準連續(quasi-continuous)(例如影像圖案之光強度準位大致上為連續變化)的照明圖案。

自光學空間調製器106反射回來的照明圖案接著穿過分光鏡112與透鏡108c至第二分光器116，其中照明圖案藉由物鏡118被導向且先射入物鏡118的背光瞳(back pupil)。照明圖案在物空間被重新成像在物鏡118的最佳聚焦面(焦平面)。自樣品102表面反射及/或散射後的光接著穿過物鏡118、分光器116，以及柱狀透鏡120至影像記錄裝置114的光偵測表面/平面，光在其中被記錄下來。所得之記錄後的光能以光強度訊號的方式被數位化記錄下來，每一個光強度訊號能夠自影像記錄裝置114的相應畫素取得。

在成像期間，樣品102相對於物鏡118作垂直移動(即朝向或遠離物鏡118)。樣品102能夠藉由機電轉換器(未圖示)與電腦122控制之相關驅動電子裝置所致動，沿著樣品102移動的方向作精密的掃描。機電轉換器包括壓電轉換器(piezoelectric transducers，PZT)、步進馬達(stepper motors)與音圈(voice coils)，但並非以此為限。此外，物鏡118能夠相對於樣品102的位置作垂直移動。機電轉換器與相關驅動電子裝置能用於控制移動。當樣品102被掃描過物鏡118的最佳聚焦面，影像記錄裝置114立刻記錄影像資料，許多時間強度訊號隨著時間被記錄下來。換言之，樣品的影像與照明圖案能夠以相應掃描位置之光強度訊號的形式，使用影像記錄裝置記錄下來。舉例來說，在一次掃描中，若影像記錄裝置114包括128×128的畫素陣列且記錄了64個影像，則大約會有16,000個光強度訊號，每一個光強度訊號長度約64個資料長度。在一些實施例中，掃描距離是均勻分隔的，即影像記錄裝置所取得的連續影像之間的移動距離是相同的。

此外，當樣品102移動時，光學空間調製器106對照明圖案作空間的調變，讓樣品102在不同的相應垂直掃描位置，被不同照明圖案所照射。掃描過程中，照明圖案的連續調變會在影像記錄裝置114的每一個畫素產生調變後的光強度。在取得資料之後，電腦122根據圖案匹配技術處理光強度訊號，並輸出代表樣品102表面樣貌的資料。

當樣品102位於物鏡118的最佳聚焦面時，會在樣品102的表面形成照明圖案的聚焦影像(in-focus image)。聚焦影像所呈現的最高對比度能夠達到照明系統100的照明數值孔徑(NA)。反射回到影像記錄裝置114之每一個畫素之樣品表面影像強度正比於局部樣品表面反射率與所投影照明圖案之局部強度，兩者的乘積。相反地，當樣品102不在物鏡118的最佳聚焦面時，物體102表面上的照明圖案影像會模糊且對比度降低。因此，穿過物鏡118，朝向影像記錄裝置114傳播的物體102的表面影像也會變得模糊。上述結果肇因於投影照明圖案的對比度，即影像記錄裝置取得之影像的對比度，為樣品表面相對於樣品最佳聚焦面的垂直位移的函數。因此，當樣品102掃描經過最佳聚焦面時，照明系統100的深度分析能力來自於在影像記錄裝置114的每一個畫素中，偵測具有最大對比度之樣品102的位置。

在一些實施例中，光學空間調製器106能夠操作於穿透模式，而非反射模式。舉例來說，第2圖顯示本發明具體實施例之照明系統200，包括與照明系統100相同的元件，不同之處在於此配置中，只有單一個分光器216，光學空間調製器用於讓入射光穿透而非反射(為了簡化說明，省略電腦122)。在第2圖所示之實施例中，穿透式光學空間調製器206調變光源204產生的光201來產生不連續或準連續的照明圖案。光學空間調製器206調變產生之照明圖案穿過透鏡208c，然後射入分光器216，照明圖案接著藉由物鏡218被導向及成像在物鏡的最佳聚焦面上。照明圖案自樣品202反射離開之後，反向穿過物鏡218、分光器216、柱狀透鏡220，最後被影像記錄裝置214所偵測。類似於照明系統100，光學空間調製器206調變產生的照明圖案能夠視取得的影像資料來作空間上的調變，使得在不同的樣品掃描位置，能夠產生具有相應光強度的圖案。

在每一個上述實施例中，光源104與204包括寬帶(broadband)或窄帶(narrowband)光源，但並非以此為限。寬帶光源的例子包括：白熱光源，例如具有或不具有帶通濾光器的鹵素燈或金屬鹵化物燈；寬帶雷射二極體；發光二極體；數種相同或不同種類的光源組合；弧光燈；可見光範圍(約400-700nm)的任何光源；紅外光範圍(約0.7-300μm)的任何光源；紫外光範圍(約10-400nm)的任何光源。對於寬帶光源的實施例，光源較佳地具有比平均波長的5%，或更較佳地具有比平均波長的10%、20%、30%或甚至50%更寬的淨頻譜帶寬。光源亦可包括一個或多個擴散元件以增加由光源射過來之入射光的空間分量。窄帶光源的例子包括雷射或與窄帶濾光器合併使用之寬帶光源。

光源可為空間擴展(spatially-extended)光源或點光源。在一些實施例中，無論樣品相對於最佳聚焦面的位置為何，其較佳係使用空間擴展光源(例如成像的樣品表面十分平滑時)以避免觀察到高對比度的圖案。影像記錄裝置114與214包括複數偵測單元，例如畫素，設置於至少一個維度，或更一般地為二個維度之中。影像記錄裝置的例子包括數位相機、多重元件的電荷耦合裝置(CCDs)以及互補式金屬氧化物半導體(CMOS)偵測器。亦可使用其他的影像記錄裝置。在一些實施例中，可以在照明系統中使用一個或多個彩色濾光器，用以將在影像記錄裝置中形成影像的光過濾出來。上述一個或多個彩色濾光器能夠與影像記錄裝置設置為一個整體或與影像記錄裝置分開設置。

在一些實施例中，物鏡118與218能作為任意標準顯微鏡的元件而合併使用。舉例來說，照明系統能夠包括顯微鏡，其與一個或多個不同的物鏡合併使用，每一個物鏡提供不同的放大率。物鏡118與218的數值孔徑約為0.1或更大(例如約0.2或更大，約0.3或更大，約0.4或更大，約0.5或更大，約0.6或更大，約0.7或更大，約0.8或更大，約0.9或更大，約0.95或更大)。數值孔徑的其他數值亦可使用。

光學空間調製器的例子用於反射光線，例如第1圖所示之配置方式，包括液晶覆矽(liquid crystal on silicon，LCOS)裝置、微透鏡陣列裝置，例如數位微鏡元件(digital micromirror device，DMD)。為了對LCOS裝置產生的照明圖案作空間調變，使用者可使用適合的軟硬體來電性控制LCOS裝置每一個畫素反射光的方向與反射光量。類似地，為了對DMD產生的照明圖案作空間調變，使用者可電性控制每一個鏡面的方向及/或傾斜來改變各個鏡面的反射光量。光學空間調製器的例子用於讓光線穿透，例如第2圖所示之配置方式，包括液晶裝置(liquid crystal device，LCD)調製器，其可被電性控制以改變穿透光的量。此外，在一些實施例中，穿透式光學空間調製器包括強度遮罩，例如光柵、隆奇刻線光柵(Ronchi rulings)或其他圖案化的表面，其對於不同波長的入射光，具有不同吸收率的區域。為了對穿透式光學空間調變器與強度遮罩產生的照明圖案作空間調變，光學空間調變器可設置於機械式框架上，然後光學空間調變器作受控的平面移動。一種或多種機械或電子式的致動器能讓框架移動，例如壓電致動器、步進馬達或音圈。其他種類的光學空間調製器亦可用於穿透式或反射式的配置方式。在一些實施例中，電子控制器可將產生一種或多種照明圖案的指令儲存於記憶體中。在一些實施例中，用來產生投影圖案的光學空間調變器係可程式化的光學空間調變器，例如對於已知樣品的量測，特定圖案的頻率分量、偏轉與空間強度分佈可被最佳化。要注意的是，本揭露所述多種照明系統，樣品並非僅限於特定材料或種類，只要至少部分照明光由樣品表面被重新引導回到影像記錄裝置即可。

分析光強度訊號

如上所述，在兩種具體實施例中，當樣品位於最佳聚焦面時，照明圖案的對比度可以改善，而當樣品不在最佳聚焦面時，照明圖案則變得模糊。舉例來說，第3圖為樣品302多種掃描位置的示意圖。如圖所示，樣品302在相對於物鏡318之不同的垂直位置上被掃描，例如位置(a)-(e)。第3圖顯示在對應於位置(a)-(e)的位置上，使用影像記錄裝置取得之樣品上表面的影像(f)-(j)。如影像(f)-(j)所示，樣品302係被包括一系列等間距平行線之不連續影像圖案所照射。當物體302位於物鏡318的最佳聚焦面時，例如位置(c)，樣品302表面照射的影像(h)呈現在物鏡318該數值孔徑下的最高對比度。相較之下，當樣品位於其他位置(a)、(b)、(d)或(e)時，成像至樣品302表面的照射圖案呈現較低的對比度並且比較模糊。藉由偵測樣品302在那一個位置會在影像記錄裝置的每一個畫素中呈現具有最大對比度的照明圖案，我們能夠得到關於樣品302表面的資訊，例如表面相對高度、粗糙度、膜厚、反射率以及吸收率。

為了決定最大對比度的位置，我們使用光學空間調變器來改變焦平面中光線的強度調變，例如當樣品移動經過最佳聚焦面時，使用不同的照明圖案投影到樣品。投影圖案隨影像擷取而變，使得第一資訊框的資料對應於第一投影圖案，第二資訊框的資料對應於第二投影圖案，以此類推。在資訊擷取過程中，照明系統連續地掃描樣品。此時，當使用可程式化的光學空間調製器(例如LCD或DMD)時，投影圖案在資訊框積分過程中(在取得每一個資訊框的時距內)維持不變，所以不會因為積分而損失對比度。影像記錄裝置之每一個畫素所儲存的光強度時間分佈，呈現鐘形的振幅調變包絡，其中由振幅調變的最大值能夠得知樣品的表面樣貌資訊，例如樣品表面的高度。

如上述，投影圖案可為不連續的(例如影像圖案之中，有些區域為明，有些區域為暗)或準連續的(例如影像圖案之光強度準位大致上為連續變化)。在焦平面上成像的光強度調變包括沿一個或多個方向的調變。舉例來說，光強度調變能產生一維圖案(例如沿一個方向改變而另一個垂直方向均勻的圖案)，例如方波圖案、鋸齒圖案或正弦圖案。在一些實施例中，光強度調變產生的照明圖案包括在第一方向與另一個垂直方向均改變的圖案(例如棋盤圖案)。成像在焦平面上的光強度調變能為週期性的或非週期性的。在一些實施例中，週期性的調變包括正弦調變。在一些實施例中，照明圖案的相位移為掃描位置之位置的函數。在連續的影像之間，週期性調變的相位能以少於2π相位、少於π相位或少於π/2相位的方式改變。可將多個照明圖案組合為單一個圖案，投影到樣品上，其中組合中的每一個圖案都是不同的或具有不同的相位移。其他相位變化與照明圖案也是可能的。投影到樣品的照明圖案能以資料形式電子化地儲存於電子控制器的記憶裝置之中，其中電子控制器能將資料轉換為電子訊號來改變光學空間調製器的操作。

在一實施例中，投影圖案在樣品表面沿x方向為正弦的且沿y方向為均勻的。在影像擷取過程中，所投影的照明圖案可以下列方程式表示：

其中n表示在影像擷取序列中，第n個被投影的圖案；Δφ為序列中連續圖案之間的相位增量；Λ為圖案的週期(例如圖案間距)。視調變照明圖案的方式而定，其優點在於能夠選擇相位增量為2π的整數分數。舉例來說，在週期性調變的情況下，只有對光學空間調變器係90度相移的四個影像需要被儲存，所以能減少照明系統所需的記憶體數量。

當樣品移離焦平面時，影像記錄裝置所偵測的圖案對比度會降低。觀察到的對比度實際上是物空間中圖案間距Λ、物鏡的數值孔徑NA、照射光的平均波長λ與樣品的表面失焦(surface defocus)z(例如由樣品表面至光學組件的最佳聚焦位置之間的距離)的函數。一個用來計算對比度(或歸一化調變)的近似公式如下，其為歸一化失焦度u之函數：

其中J1為第一類的第一階貝索函數(Bessel function)。

第4圖為受激光強度訊號的圖示，當具有平滑表面的樣品掃描經過物鏡的焦平面，且具有如公式(1)所描述的圖案被投影至樣品表面時，其可藉由影像記錄裝置的單一畫素而被觀察到。縱軸代表光強度，而橫軸對應於訊號被記錄的時間。受激光強度訊號是使用數學模型軟體產生的。用來產生第4圖所示之受激光強度訊號的圖案具有等於π/2的相位增量Δφ。第5圖係當樣品掃描經過顯微鏡物鏡的最佳聚焦面，且具有如公式(1)所描述的圖案被投影至樣品表面時，電荷耦合裝置的畫素所記錄之實驗強度訊號的圖式。所掃描的樣品為碳化矽板。類似於第4圖，縱軸代表光強度，而橫軸對應於訊號被記錄的時間。第5圖中，投影至樣品表面的圖案，其相位增量Δφ等於π/2。本實驗中，所使用的物鏡倍數為10X，數值孔徑NA=0.21。

如第4-5圖所示，取得影像的光訊號強度為掃描位置的函數且包括振幅調變。產生光強度訊號之最大振幅調變的掃描位置對應於樣品表面與焦平面(例如最佳聚焦位置)的相交處。藉由在樣品表面所橫越過的眾多位置之中，確認出最佳聚焦的最佳位置，可以量得該位置的相對高度，並且在一些實施例中，可以重建樣品表面的影像。

每一個光強度訊號模擬典型掃描式白光干涉術(scanning white light interference，SWLI)的訊號或具有類似於典型SWLI訊號的特徵，其中局部訊號包絡400被準定頻載波402所調變。準定頻載波402的頻率與用來將樣品成像之光學系統的屬性(例如數值孔徑、波長等)無關，而是由投影至樣品表面之圖案的相位增量Δφ所決定。然而，相對於SWLI訊號，沒有與物體表面高度有關之光程差。相對而言，如上所述，物體表面高度係根據對比度包絡之最大振福的相對位置而定。

在確認所記錄之光強度與SWLI訊號類似之後，用來處理SWLI資料的處理演算法可用來分析光強度訊號與取得關於樣品表面的資訊。在一些實施例中，用來分析SWLI資料的演算法是專為特定載波頻率或頻帶所設計的。因此，使用本方法得到的光強度訊號很容易與SWLI分析所用的演算法相符。SWLI演算法的例子包括頻域分析(frequency domain analysis，FDA)與滑窗最小平方(sliding windows least square，LSQ)擬合。在FDA中，確認掃描位置包括將光強度訊號轉換至頻域。換言之，每一個畫素中的光強度訊號能以與另一個單波長條紋圖案作非同調疊加之的集合來加以模型化，其中每一個圖案具有唯一的空間頻率或波數k，空間頻率或波數的定義為掃描位置的相位改變率。在一個掃描位置的條紋對比度峰值會與其構成圖案的相位匹配。因此，任何位置的相對相位便可直接相關於物體表面高度值。

第6圖是使用FDA來處理光強度訊號所產生之13-μm步階高度標準的表面樣貌圖。步階高度標準是由VLSI公司取得的。資料係使用數值孔徑NA=0.95之100X顯微鏡物鏡所取得的。投影至樣品的圖案可用公式(1)加以描述，其中週期Λ等於影像記錄裝置中六個線性設置之畫素的長度，且相位移Δφ等於π/2。本實施例中使用的電荷耦合裝置，每一個畫素長度約為7.4μm。

在LSA中，一種基於預測訊號模型的擬合函數被用於在每一個畫素中成像的光強度訊號。擬合函數包括一個或多個可變參數，在一個已知位置上，可變參數可被改變來最佳化對實際訊號所作的擬合，例如藉由最小平方最佳化方法(也可以使用其他最佳化方法)。接著，圖案匹配技術在不同掃描位置使用最小平方最佳化方法循序地進行擬合。LSQ擬合最成功的掃描位置能判明光強度訊號，且擬合的最大數值對應於最佳聚焦位置。使用FDA或LSQ來得知表面樣貌的進一步討論可參考：美國專利號5,398,113與美國專利號7,321,431，上述所列專利參考文獻全體俱引用作為本說明書的揭示內容。

其他的資料分析方法亦可用於取得表面樣貌的資訊。舉例來說，在一些實施例中，可使用滑動相位移演算法(sliding phase-shifting algorithm)來計算光強度訊號的振幅。發生最大振幅的位置對應於最佳聚焦的位置。在一些實施例中，為了判斷最佳聚焦位置，在最大的實驗振幅位置附近，可對所選擇的振幅資料點使用模型擬合函數。舉例來說，模型函數包括拋物線函數、高斯函數或勞倫斯函數擬合。其他的模型函數也可以使用。

滑動相位移演算法的例子如下所示，其中四個連續的強度值I是當樣品掃描時所取得的。接著，將強度值結合起來以提供局部訊號調變V的估計。

其中dz為在量測範圍內，相鄰兩次訊號取得之間掃描增量，x為視場內的畫素位置且Λ為投影圖案的間距。在本實施例中，相位移為π/2。

在一些實施例中，可以使用具有較多資訊框與具有較佳抗雜訊能力的其他演算法。然而，這些演算法需要在很大的z範圍中將包絡近似為常數。舉例來說，由五個連續的強度值可得到下列調變的估計：

此外，個別畫素中的訊號可以是具有包絡形式的模型函數，其中該包絡乘上正弦載波。舉例來說，模型強度函數可表示為：

其中i為掃描中所測量到強度的指標，A、B、i ₀與Ψ為擬合參數最小平方的疊代程序(參考Levenberg-Marquardt演算法，“Numerical recipes in C”，Cambridge University Press，上述所列專利參考文獻全體俱引用作為本說明書的揭示內容。

在一些實施例中，控制調變訊號包絡的寬度能夠改變量測速度及/或解析度。在一些實施例中，具有愈益緊密的對比度包絡的光強度訊號會使形狀量測(form measurements)能有較高的垂直對比度(例如沿著掃描方向的對比度)。形狀量測是一種量測應用，其目的在量測樣品表面與其預定形狀之間的偏差(由製程所造成)或取得未知樣品的表面樣貌。舉例來說，藉由調整投影至樣品表面圖案的週期Λ，可以改變調變訊號包絡的寬度。第7圖為受激光強度訊號的圖式，當具有第4圖所用圖案之一半週期(例如空間頻率變兩倍)的圖案投影至樣品表面，且樣品移動經過顯微鏡物鏡的焦平面時，其可藉由影像記錄裝置的個別畫素而被觀察到。如第7圖所示，調變訊號包絡的寬度比第4圖所示之訊號包絡來的小。當投影至物空間的頻率等於光學系統截止頻率(2NA)/λ的一半時，可以得到最大的垂直解析度。

反過來說，較寬廣的包絡可能減少系統解析度(例如增加樣品在影像記錄裝置取得之兩個資料框之間的移動距離)，但也可能增加掃描速度。對於需要在生產/製造階段快速檢查樣品表面的應用來說，增加掃描素是非常有用的。此外，增加掃描速度對於需要自動對焦或自動對焦且自動方向(例如傾斜/偏轉)(tip/tilt)校正的應用也是非常有用的。

需要自動對焦的例子為白光干涉顯微鏡。在此程序中，掃描步階的大小為系統有效平均波長的整數倍，使得當快速聚焦掃描且位於圖案化照明之處，干涉儀產生的干涉條紋被洗除。對於SWLI量測，圖案化照明係被靜態均勻或制式的(tailored)圖案所取代。

在一些實施例中，改變投影至樣品表面之圖案的相位移可以改變掃描速度。舉例來說，若相位移Δφ等於π，影像記錄裝置所取得影像資料的第一資料框與其接續的資料框，兩者強度值的差值對應於訊號包絡振幅的直接估計。因此，可以降低分析影像資料的計算複雜度，增加計算速度。然而，在一些實施例中，因為在每一個掃描位置，一個或多個畫素可能呈現低的或無訊號調變，相位移Δφ等於π的圖案較不適合用於表面樣貌的量測。在一些實施例中，由影像記錄裝置所取得且呈現較低訊號調變的訊號可被丟棄而無需做進一步分析。

在一些實施例中，在使用FDA處理訊號之前，影像記錄裝置所擷取的每一個量測訊號值之間會夾雜著額外的零值。依此方式使用FDA的例子係如第8A-8C圖所示。第8A-8C圖之每一者為類比的受激光強度訊號(實線)以及與其相應之數位強度訊號(具有菱形標記的虛線)重疊的圖式。具體來說，本圖式中菱形標記對應受激光強度訊號的數位化數值。換言之，標記是會被記錄在影像記錄裝置之單一畫素位置的強度數值代表。對於第8A圖繪示的訊號，連續的照明圖案之間的相位移為π/2。第8B圖顯示類似的受激強度訊號，其中掃描速度為兩倍且連續的照明圖案之間的相位移增加為π。相較於第8A圖的訊號，第8B圖的訊號係以尼奎斯特頻率(Nyquist frequency)取樣的。在一些實施例中，由於訊號調變的損失，在此頻率做訊號分析是令人不悅的。

為了對第8B圖所示之訊號，以與第8A圖中訊號被取樣的頻率相同的取樣率作有效地取樣，零值被***於所量測到的強度值之間。第8C圖繪示與類比訊號重疊之最終取樣訊號的圖式。要注意的是，實際上***的數值對應於與零值相對的局部平均值。

第9A圖與第9B圖分別對第8C圖之數位取樣的訊號(虛線)與第8A圖之數位取樣的訊號(實線)作比較。相位與振幅是由相應之數位取樣訊號的傅立葉轉換(Fourier transformation)得到。如第9A圖所示，對於第8A圖中記錄的取樣訊號與第8C圖中***零值的訊號，兩者在頻譜上的相位資訊是相同的。因此，用上述兩種方法，由相位斜率來計算樣品位置都會得到相同結果，使得取樣頻率可以增加且不損失位置資訊。

然而，要注意的是，在一些實施例中，照明圖案相位會造成畫素所記錄之訊號振幅減小。換言之，取樣值並未表示反射至影像記錄裝置之照明圖案的真正振幅。舉例來說，第10A圖為類比的受激強度訊號(實線)以及其相應之數位取樣訊號(具有菱形標記的虛線)兩者重疊的圖式，其中照明圖案的相位移為π。如第10A圖所示，數位取樣訊號的振幅大致上小於類比的受激訊號。第10B圖為繪示與第10A圖具有相同的類比受激強度訊號與數位取樣訊號的圖式，其中在數位取樣訊號之間***零值。數位取樣訊號的振幅減小記錄訊號之特定畫素的訊雜比(signal-to-noise ratio)。因此，雖然掃描速度加倍能快速找到樣品的聚焦位置(也能快速量測表面的傾斜和偏轉)，但是表面樣貌的資訊也會被劣化。

程式化圖案

在一些實施例中，可程式化光學空間調製器能夠根據特定應用與或被量測的樣品來最佳化照明系統。舉例來說，如上所述，改變投影至樣品表面的圖案週期能夠調整解析度及/或取得資料的速度。在一些情況下，當在分析粗略的樣品時，粗略的圖案特徵(例如較大的圖案週期/較小的圖案空間頻率)會改善抵抗雜訊的能力。換句話說，系統比較不會受到表面粗糙造成之高度變化的影響。在一些實施例中，粗略的圖案特徵能增加量測的範圍，即，能夠量測大斜率的特徵，例如鏡面物體。在一些實施例中，使用具有粗略特徵的圖案能夠增加掃描速度，其中，在z軸方向上具有較大的取樣步距的平坦化對比度包絡使得掃描速度的得以增加。相較之下，在一些實施例中，精細的圖案特徵(例如較小的圖案週期/較大的圖案空間頻率)具有例如較高度剖析解析度較大的優點，特別是對於光學上平滑的物體。

在一些實施例中，可程式化光學空間調製器能夠根據光學系統的特徵來調整照明圖案。舉例來說，當使用具有大範圍物鏡倍率(例如放大倍率4X至100X)的顯微鏡平台時，照明圖案能夠根據所用物鏡的數值孔徑與焦距來加以調整，使得圖案能夠被正確地解析。在一具體實施例中，為了維持所需的訊雜比，系統的組態是讓投影至樣品之圖案最大對比度均相同，而不論其放大率為何。特別的是，照明圖案係以相對於光學系統的截止頻率λ/(2NA)為常數的歸一化頻率而被投影。為了要維持常數的歸一化頻率，故將光學空間調製器上圖案週期與物鏡光瞳尺寸的乘積設為定值。舉例來說，當物鏡由第一物鏡切換至具有較小光瞳的第二物鏡時，必須增加光學空間調製器上的圖案週期以維持所需的圖案對比度。

在一些實施例中，可程式化光學空間調製器能夠用來調整用於照明圖案之強度調變的頻率與偏向。當分析具有平滑變動及/或大斜率變化特徵的樣品表面樣貌來說，能沿著不只一個方向改變照明圖案偏向的能力是很重要的。舉例來說，當測量具有平滑彎曲表面的特徵時(例如用於LCD背光照明的微透鏡、後向微反射鏡(microretroreflectors)、圖案化擴散光學組件)，當照明圖案的調變方向與彎曲特徵的表面梯度方向大體上垂直時，表面樣貌資訊能夠被改善。因此，光學空間調製器能夠根據需要分析之特徵的斜率而被程式化，用以旋轉、平移或改變強度調變之照明圖案的方向。

在一些實施例中，若樣品表面上，其特徵的表面梯度方向在多個方向上變動(例如微透鏡、後向微反射鏡)，能以多種圖案照射樣品表面，每一個圖案的調變方向與特徵的表面梯度方向大體上垂直，是很優勢的。此外，能以在多種不同方向上調變的單一複雜圖案來照射樣品。

第11圖和第12圖顯示一維照明圖案投影至微透鏡的具體影像。每一個影像的微透鏡係由聚合物材料所形成，並設置於玻璃基板之上。投影至第11圖之微透鏡的照明圖案係正弦的，並具有水平條紋，如第11圖左下角插圖所示。相似地，投影至第12圖之微透鏡的照明圖案係正弦的，並具有垂直條紋，如第12圖左下角插圖所示。然而，沿著微透鏡較大斜率的部分，一維圖案並不會在每一處都會提供訊息。取而代之的是，如第11圖所示，可以觀察到第11圖微透鏡左側底部的調變圖案(參考放大區域)，但是在微透鏡底側卻無法觀察到。類似地，可以觀察到第12圖微透鏡底側底部的調變圖案(參考放大區域)，但是在微透鏡左側卻無法觀察到。

為了補償一維圖案所缺乏的調變資訊，可以再使用一個或多個複雜的圖案。舉例來說，在一些情況下，投影至物體表面的照明圖案是由兩個或多個不同照明圖案所構成。第13圖顯示複雜的照明圖案投影至微透鏡的具體影像，複雜的照明圖案是由三個旋轉的一維正弦圖案所構成。複雜的照明圖案的一部份係顯示第13圖左下角的插圖。在此實施例中，沿著微透鏡的底部，到處都可以觀察到調變圖案。因此，可以取得環繞整個樣品週遭的表面樣貌資訊。

此外，兩種或更多種個別照明圖案能夠依序投影至樣品表面。舉例來說，在一些實施例中，對樣品表面進行三次(或更多次)個別的掃描，可以獲得與樣品表面有關的表面樣貌資訊。每一次照明圖案能夠相對另外兩次掃描照明圖案的偏向(orientation)而改變。舉例來說，偏向圖案(orientation pattern)能夠在其他改變間被平移、旋轉、歪斜或伸展。在一些實施例中，每一次個別的掃描可以使用截然不同照明圖案，而不是僅改變單一掃描的偏向。雖然三次個別的掃描可能會增加總量測時間，但是量測雜訊卻會因為收集大量的資訊而改善。此外，在一些情況下，不同於二維圖案，使用一維圖案會在最佳聚焦面產生具有高對比度的調變圖案。三組個別的資料接著被合併來取得樣品表面的表面樣貌資訊。在一些實施例中，至少兩次有效掃描所產生對應於樣品相同區域的資料能夠用來調整個別資料集合的傾斜、偏轉或取樣(piston)。

在一些實施例中，改變投影至樣品表面的照明圖案也能用來補償樣品表面的反射率變動。舉例來說，在一些情況下，同時具有高和低表面梯度的樣品(例如第11-13圖的微透鏡)在斜率大的區域較暗，因此，被將照明圖案成像的光學元件(成像光學組件)取得反射光較少，並且在斜率小的區域較亮，其中被成像光學組件取得反射光較多。根據在影像記錄裝置相應畫素取得之光強度訊號的大小，可以量測樣品表面上特徵的相對反射率。為了補償反射率的變動，可以使用疊代掃描(iterative scan)，其中疊代過程中，第一次掃描取得的反射率資料在後續的掃瞄之中接著被用來調整投影至樣品表面之照明圖案的強度分布。舉例來說，若第一次掃描樣品造成樣品反射率明顯的變化，反射率變化可以函數r(x,y)描述，則對於後續的掃描，修正後的投影照明圖案可以根據下式計算：

其中數量ε用來避免除以零，並且根據光學空間調製器來控制圖案的動態範圍。

此外，也可以使用本揭露提供的非接觸式表面特性檢測方法與系統來量測樣品表面的吸收率。舉例來說，當欲在產生均勻的散射損失之處分析樣品時，可以根據用來照射樣品的光量與影像記錄裝置在最佳聚焦面取得之反射光的光量，兩者的差值來計算光吸收率。

光學組態

有多種光學成像組態能夠用於圖案化照明量測的應用。在一些實施例中，光學組態可用來將巨觀下具有非平面表面的樣品成像。舉例來說，為了測量彎曲樣品表面與理想球面的差異，可以使用一個或多個光學組件來將樣品成像，其中光學組件將影像記錄裝置的偵測面映射至物空間的球狀最佳聚焦面。在一些實施例中，標準的光學系統設計與製造工具也能用來測量表面更複雜的幾何圖案。一般來說，具有愈多反射、折射及/或繞射元件，則愈能將大致上與球面或平面不同的測量表面成像。

第14圖是具體照明成像系統1400的示意圖，用以將巨觀下具有彎曲表面的樣品1402成像。如本實施例所示，影像記錄裝置1414和光學空間調製器1406與成像元件1405相距一段距離。照明元件1403使用光源1404產生的光來照射樣品1402，且成像元件1405用來擷取樣品1402所反射的光。在一些實施例中，照明元件1403包括偏振器(未圖示)且成像元件1405包括四分之一波長板(未圖示)以將自樣品反射的光傳送至偵測器1414。偏振分光器1416避免偏振的照射光進入影像記錄裝置1414的偵測面。光學空間調製器1406產生投影在物空間曲面附近的照明圖案，其中曲面與偵測器平面共軛。接著，觀察特徵係位於此區面之部分樣品1402的物點(object points)的最大圖案對比度。如前述例子，座標系統的定義係使z軸平行於物鏡(未圖示)光軸，且x軸和y軸平行於透鏡的最佳聚焦面，使得xyz形成正交座標系統。

當樣品1402掃描過最佳聚焦位置時，可用數種不同方法的其中一種來取得資料。在第一種設置方式中，樣品1402係沿著z軸相對於整個光學系統1400縱向地掃描。在另一個實施例中，成像元件與樣品係相對於系統的其他元件(例如光源1404、分光器1416、光學空間調製器1406、影像記錄裝置1414與照明元件1403)以一個整體的方式縱向地掃描，因此偵測器畫素能維持應設置樣品表面固定位置。在一些實施例中，一個或多個成像元件及/或樣品表面的移動能被個別地控制。

在一些實施例中，圖案化照明成像系統可使用現成的或客戶設計的光學元件，用以對能實現之成像表面類型提供設計上的彈性。舉例來說，在一些實施例中，魚眼透鏡(fisheye lens)可用來研究圓柱物體的內部。第15圖為成像系統1500的具體示意圖，其用以將孔徑外形(in the shape of a bore)且具有圓柱狀開口的樣品1502成像，其中成像元件1505包括魚眼透鏡1530。在本實施例中，當成像元件1505相對於圓柱孔徑的內徑以及成像系統其他部件(例如光源1504、影像記錄裝置1514、照明元件1503、光學空間調製器1506及/或分光器1516)係固定的時候，沿著圓柱中心軸(例如z軸)掃描可以獲得孔徑1502的內徑。

圖案化照明成像系統可使用其他的光學元件。舉例來說，在一些實施例中，內視鏡(endoscopes)能在微小體積之內達成大範圍的成像，例如加工元件或生物樣品。第16圖為照明成像系統1600的具體示意圖，其包括內視鏡1630，用以將錐形閥門座1602的內側成像。成像元件1605相對於閥門座1602是固定的，當成像系統的其他部件(例如光源1604、影像記錄裝置1614、照明元件1603、光學空間調製器1606及/或分光器1616)沿著閥門座中軸(例如z軸)掃描時，可以將閥門座的錐形內部成像。

在一些實施例中，變焦透鏡(zoomlens)能夠用來改變物空間中映射至影像記錄裝置之偵測器平面的光線方向。第17A圖和第17B圖為照明成像系統1700的具體示意圖，其中成像元件1705包括變焦透鏡1730。照明成像系統1700的其他元件包括光源1704、影像記錄裝置1714、分光器1716、照明元件1703與光學空間調製器1706。如第17A圖所示，當變焦透鏡1730的焦距很長時，透鏡1730能夠成像的角度範圍比較小，如同樣品1702的曲率所示。相對地，當變焦透鏡1730的焦距很短時，透鏡1730能夠成像的角度範圍比較大，如同第17B圖中樣品1722的曲率所示。因此，藉由調整變焦透鏡1730的焦距能夠改變照明成像系統1700的量測範圍。此外，具有不同曲率之標稱半徑(nominal radius)的曲面能夠被成像。

在一些實施例中，將變曲率表面成像的能力對於非球面的片段剖析是很有用的。舉例來說，第18A圖和第18B圖為照明系統1800的具體示意圖，用以將具有非球面的樣品成像。照明系統1800的元件包括光源1804、影像記錄裝置1814、分光器1816、照明元件1803與光學空間調製器1806。類似於第17A圖與第17B圖的實施例，成像元件1805包括變焦透鏡1830。當變焦透鏡1830的焦距設定為相對長時，照明系統1800能夠將樣品1802的非球面中曲率較小的部分成像。相對地，當變焦透鏡1830的焦距設定為相對短時，樣品1802的非球面中曲率較大的部分能夠被成像。

具體應用

上述非接觸式表面檢測方法能夠提供與物體表面樣貌和表面紋理相關的資訊，例如高度、反射率或吸收率。在一些實施例中，可以使用至少兩種顏色量測樣品反射率，使得顏色能與表面樣貌資訊一起表現樣品的三維影像。舉例來說，顏色反射率(color reflectivity)能夠根據影像記錄裝置每一個畫素取得的光強度訊號而被推導出來，其中對一個物鏡來說，訊號是由位於最佳聚焦位置的樣品處反射出來。換言之，對一個物鏡來說，顏色反射率能夠由在最佳聚焦位置量到的平均光強度訊號而推導得到。能夠用來決定顏色反射率的裝置包括具有多種顏色偵測器的影像記錄裝置(例如3-CCD相機)或設有空間彩色濾光器的影像記錄裝置(例如單一個具有Bayer濾光器的CCD)。

為了監測顏色，在可見光範圍發光的寬帶光源能夠用於照明圖案的投影。舉例來說，照明光源包括白光LED、單色LED陣列，其中每一種LED在可見光範圍發出不同波長的光、鹵素燈、弧光燈、超連續光譜雷射(supercontinuum laser)或是放電燈，但並非以此為限。

第19A圖是使用上述非接觸式表面特徵檢測方法，在一個樣品上收集到之表面樣貌資料的3D圖。樣品是名片，其中1)表面上具有由紅黑兩色墨水印刷成的凸起，以及2)名片上具有由藍筆所畫的標記。第19B圖是第19A圖樣品表面的彩色影像，以得知第19A圖的表面樣貌資訊，其係使用相同的彩色相機而得到。第19C圖是將第19A圖的表面樣貌資料與第19B圖的彩色影像結合而得到的彩色影像。在第19C圖中，其提供樣品受測表面之3D外形、紋理與色彩的自然顯像。

膜厚度

當受測樣品包括在透明材料之間的多層介面時，本揭露非接觸式表面特徵檢測方法與系統能夠用來決定膜厚度。為了決定每一層的膜厚度，影像記錄裝置取得的光強度訊號被分解為對應於樣品中每一個介面的個別光強度訊號。美國專利號7,321,431揭露用來決定個別光強度訊號之LSQ方法的例子。能夠解析的最小膜厚是掃描過程中調變後對比度包絡寬度的函數。此外，相較於數值孔徑值(NA)較小的物鏡，NA較大的物鏡能夠量測較薄的膜。

雷射眼科手術光學元件的設置

在一些實施例中，本揭露非接觸式方法與系統能夠用於辨別與調整雷射眼科手術光學元件的位置。舉例來說，在一些雷射眼科手術的應用中，雷射(例如飛秒雷射)能夠切下固定厚度的角膜皮瓣。在切下皮瓣之前，玻璃平板會先靠近並接觸角膜，使得眼科醫生能決定要切下多厚的角膜。切下去的深度乃部份根據玻璃平板相對於雷射光學元件最佳聚焦面的位置而決定。在一些實施例中，使用本揭露非接觸式表面檢測技術，能夠快速辨別玻璃平板是否位於所需切口深度的適當位置。

第20圖系統2000的具體示意圖，用以在進行雷射眼科手術之前決定玻璃平板是否已經正確定位。系統2000包括與第1圖與第2圖類似的元件。然而，在系統2000中，雷射元件2018作為物鏡。柱狀透鏡2020將雷射元件2018的視野重新成像至影像記錄裝置2014。照明部件2003包括光調製器2006，其調製投影至雷射元件2018最佳聚焦面的光強度圖案。用來決定角膜2040切口深度的玻璃平板2002掃描通過最佳聚焦面。當玻璃平板2002在掃瞄過程中偏離最佳聚焦面時，影像記錄裝置2014取得的調變圖案影像會變得模糊且對比度降低。

當玻璃平板2002掃描時，所投影的光強度圖案被縱向平移以在影像記錄裝置2014中產生暫時性的週期光強度訊號。當被畫素成像的玻璃平板2002表面移動至對應最佳聚焦面的位置時，每一個光強度訊號的特徵包絡會出現強度大小的峰值。接著使用一種或多種(例如FDA、LSQ)演算法決定包絡峰值的位置，再來是決定玻璃平板2002的位置。然後，玻璃平板2002被移動至所需的位置以進行角膜2040的切口。

舉例來說，使用上述系統進行雷射眼科手術的優點包括，能夠將相對於雷射元件的光學介面(例如玻璃平板)直接定位，而無須使用居間的基準物。在一些情況中，本技術所用的元件(例如光學空間調製器)能夠直接設置於現有的雷射眼科手術系統，而無須大幅改裝。在一些實施例中，玻璃平板下方之玻璃-空氣介面(例如最接近角膜的玻璃平板介面)的量測不會被玻璃平板上方之玻璃-空氣介面(例如與角膜相距最遠的玻璃平板介面)所影響。此外，在一些情況中，本系統能夠讓決定切口深度之用的光學元件快速自動聚焦。在一些實施例中，上述技術能夠量測雷射元件的翻轉、平坦度與場曲(field curvature)。

本發明已以數種實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本領域具有通常知識者當能知悉，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，本發明保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200．．．照明系統

101、201．．．光

102、202、302．．．樣品

103．．．光源部

104、204．．．光源

105．．．成像部

106、206．．．光學空間調變器

108a、108b、180c、208c．．．透鏡

110．．．孔徑

112．．．光束組合器

114、214．．．影像記錄裝置

116、216．．．分光器

118、218．．．物鏡

120、220．．．柱狀透鏡

122．．．電腦

400．．．局部訊號包絡

402．．．準定頻載波

1400．．．照明成像系統

1402．．．樣品

1403．．．照明元件

1404．．．光源

1405．．．成像元件

1406．．．光學空間調製

1414．．．影像記錄裝置

1416．．．分光器

1500．．．成像系統

1502．．．樣品

1503．．．照明元件

1504．．．光源

1505．．．成像元件

1506．．．光學空間調製器

1514．．．影像記錄裝置

1516．．．分光器

1600．．．照明成像系統

1602．．．閥門座

1604．．．光源

1605．．．成像元件

1630．．．內視鏡

1800．．．照明系統

1802．．．樣品

1803．．．照明元件

1804．．．光源

1806．．．光學空間調製器

1814．．．影像記錄裝置

1816．．．分光器

1830．．．變焦透鏡

2000．．．系統

2002．．．玻璃平板

2003．．．照明部件

2014．．．影像記錄裝置

2018．．．雷射元件

2040．．．角膜

第1圖為本發明具體實施例之照明系統，用於提供樣品的三維影像。

第2圖為本發明具體實施例之照明系統，用於提供樣品的三維影像。

第3圖為樣品多種掃描位置的示意圖。

第4圖為受激光強度訊號的圖示。

第5圖為影像記錄裝置的畫素所記錄之實驗強度訊號的圖式。

第6圖是使用FDA來處理光強度訊號所產生之13μm步階高度標準的表面樣貌圖。

第7圖為受激光強度訊號的圖式。

第8A-8B圖為類比的受激光強度訊號以及與其相應之數位強度訊號重疊的圖式。

第8C圖為第8B圖模擬類比強度訊號的圖式，第8C圖與第8B圖相應之數位強度訊號重疊，其中零點被***數位強度訊號中。

第9A圖是第8C圖之數位取樣訊號的數值與第8A圖之數位強度訊號的相位的圖式。

第9B圖是第8C圖之數位取樣訊號的相位與第8A圖之數位強度訊號的數值的圖式。

第10A圖為類比的受激強度訊號以及其相應之數位取樣訊號兩者重疊的圖式。

第10B圖為繪示與第10A圖具有相同的類比受激強度訊號與數位取樣訊號的圖式，其中在數位取樣訊號之間***零值。

第11-13圖為投影至微透鏡之照明影像的具體圖案。

第14圖是具體照明成像系統的示意圖。

第15圖為成像系統的具體示意圖。

第16圖為成像系統的具體示意圖。

第17A圖和第17B圖為照明成像系統的具體示意圖。

第18A圖和第18B圖為照明系統的具體示意圖。

第19A圖是使用非接觸式表面特徵檢測方法，在一個樣品上收集到之表面樣貌資料的3D圖。

第19B圖是第19A圖樣品表面的彩色影像。

第19C圖是將第19A圖的表面樣貌資料與第19B圖的彩色影像結合而得到的彩色影像。

第20圖系統的具體示意圖，用於進行雷射眼科手術。

100．．．照明系統

101．．．光

102．．．樣品

103．．．光源部

104．．．光源

105．．．成像部

106．．．光學空間調變器

108a、108b、180c．．．透鏡

110．．．孔徑

112．．．光束組合器

114．．．影像記錄裝置

116．．．分光器

118．．．物鏡

120．．．柱狀透鏡

122．．．電腦

Claims

一種形成一待測物之一三維影像的方法，包括：引導光線至一成像元件之一最佳聚焦面，其中光線在上述最佳聚焦面之至少一方向具有一強度調變；掃描相對於上述成像元件的一待測物，使得當上述待測物被掃描時，上述量測物之一表面穿過上述成像元件之上述最佳聚焦面；使用上述成像元件，對於上述待測物一系列位置的每一者，取得在上述掃描步驟中，上述量測物的一單一影像，其中對於連續的影像，上述最佳聚焦面的的上述調變是不同的；以及根據取得的上述影像，形成上述待測物的一三維影像。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中引導光線至上述最佳聚焦面包括將一光學空間調製器(SLM)成像至上述最佳聚焦面。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中在上述最佳聚焦面中光線的上述強度調變係使用上述光學空間調製器而被改變。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中引導光線至上述最佳聚焦面包括將一圖案產生平面成像至物空間中的一表面。
如申請專利範圍第4項所述之方法，其中上述表面與上述待測物的外形共形。
如申請專利範圍第4項所述之方法，其中上述待測物的外形係平面、球面、拋物面、圓柱、錐形或非球面。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述強度調變為一週期性調變。
如申請專利範圍第7項所述之方法，其中上述週期性調變為正弦調變。
如申請專利範圍第7項所述之方法，其中在連續的影像之間，上述週期性調變的相位能以少於2π相位的方式改變。
如申請專利範圍第9項所述之方法，其中在連續的影像之間，上述週期性調變的相位能以等於或少於π相位的方式改變。
如申請專利範圍第9項所述之方法，其中在連續的影像之間，上述週期性調變的相位能等於π/2相位的方式改變。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述強度調變係二維強度調變。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中掃描的上述位置係均勻相間的。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述強度調變係根據上述待測物之表面的斜率而決定。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中形成上述三維影像包括：對於上述待測物之表面的多種不同位置，辨認對應於與上述最佳聚焦面相交之每一個位置的掃描位置。
如申請專利範圍第15項所述之方法，其中在每一個上述不同位置且為掃描位置之函數之取得的上述影像的強度包括振幅調變，且辨認對應於與上述最佳聚焦面相交之每一個位置的掃描位置包括辨認調變振幅最大的掃描位置。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中形成上述三維影像包括取得上述待測物表面上多種不同位置之每一者的強度訊號，每一個強度訊號對應於在相應的上述位置且為掃描位置之函數之取得的上述影像的強度。
如申請專利範圍第17項所述之方法，其中形成上述三維影像包括辨認在每一個位置上，對應於上述強度訊號之調變之最大振幅的一掃描位置。
如申請專利範圍第18項所述之方法，其中辨認上述掃描位置包括將每一個強度訊號轉換至頻率域。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述待測物係一透鏡元件。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述三維影像係一單色影像。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述三維影像係一彩色影像。
一種形成一待測物之一三維影像的方法，包括：在一成像元件的一最佳聚焦面上，形成一光學空間調製器之一影像；掃描相對於上述成像元件的一待測物，使得當上述待測物被掃描時，上述量測物之一表面穿過上述成像元件之上述最佳聚焦面；使用上述成像元件，對於上述待測物一系列位置的每一者，取得在上述掃描步驟中，上述量測物的一單一影像，其中上述光學空間調製器改變形成上述影像之光的一強度調變，使得對於連續的影像，上述最佳聚焦面的的上述調變是不同的；以及根據取得的上述影像，形成上述待測物的一三維影像。
一種形成一待測物之一三維影像的方法，包括：引導光線至一成像元件之一最佳聚焦面，其中光線在上述最佳聚焦面之至少一方向具有一強度調變；掃描相對於上述成像元件的一待測物，使得當上述待測物被掃描時，上述量測物之一表面穿過上述成像元件之上述最佳聚焦面；將上述最佳聚焦面成像至一多元件偵測器；對於上述待測物一系列位置的每一者，取得在上述掃描步驟中，上述多元件偵測器之一個或多個元件中之一單一強度量測，其中對於上述待測物之連續的位置，上述最佳聚焦面上光的上述強度調變是不同的；以及根據取得的上述強度量測，形成上述待測物的一三維影像。
一種形成一待測物之一三維影像的系統，包括：一顯微鏡，包括一成像元件，上述成像元件具有一最佳聚焦面；一光學空間調製器；一個或多個光學元件，在上述系統操作時，自上述光學空間調製器引導光線以在上述最佳聚焦面形成上述光學空間調製器的一影像；一掃描平台，在上述系統操作時，掃描相對於上述顯微鏡之物鏡的上述待測物，使得上述待測物的表面與上述最佳聚焦面相交；一多元件偵測器，相對設置於上述顯微鏡，在上述系統操作時，使得上述顯微鏡在上述最佳聚焦面形成一視野的一影像；以及一電子控制模組，與上述掃描平台、上述光學空間調製器與上述多元件偵測器通訊，其中在操作期間，上述系統使得上述多元件偵測器，對於相對於上述成像元件之上述待測物之多種掃描位置之每一者，取得上述待測物之一單一影像，使得上述光學空間調製器改變上述最佳聚焦面上光的強度，使得對於連續的影像，光的強度調變是不同的，並且根據取得的上述影像，形成上述待測物的一三維影像。
如申請專利範圍第25項所述之系統，更包括一光源，在上述系統操作期間，引導光線至上述光學空間調製器。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述光學空間調製器係一反射式光學空間調製器。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述光學空間調製器係一穿透式光學空間調製器。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述光學空間調製器係一液晶平板。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述光學空間調製器包括一微鏡陣列。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述成像元件具有大於0.6的數值孔徑。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述成像元件具有大於0.8的數值孔徑。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述成像元件具有大於0.9的數值孔徑。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述成像元件具有0.95的數值孔徑。
如申請專利範圍第25項所述之系統，更包括彩色濾光器，用以將在上述多元件偵測器形成影像的光過濾出來。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述一個或多個光學元件包括一魚眼透鏡。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述一個或多個光學元件包括一內視鏡。
如申請專利範圍第25項所述之系統，其中上述一個或多個光學元件包括一變焦透鏡。