专利名称：表面轮廓侦测装置、其对位方法及量测数据撷取方法
技术领域：
本发明关于一种表面轮廓侦测装置及其对位方法以及全口径量测数据的撷取方法。
背景技术：
随着工业的进步，光学组件已日趋精密，举凡信息工业、通讯工业、自动控制工业、医疗工业、或航天工业等，甚至是日常生活皆与光学组件产生密不可分的关系。在这些众多光学组件中，光学透镜更是其中的主要产品之一,而如何在如此精密的组件中进行准确的量测，以了解是否符合产品的规格需求，一直是业界的深切期望。非接触式的干涉量测光学技术(interferometric optical technique)已广 泛应用在精密光学透镜的表面轮廓(surface profile)的量测。举例而言，当进行表面轮廓的量测时，测试表面所反射的一测试波前(tested wavefront)与一参考表面所反射的一参考波前(reference wavefront)会进行结合而形成一光学干涉图案(opticalinterferograms),而干涉仪即是侦测此光学干涉图案。于光学干涉图案的密度轮廓(intensity profile)中的空间变化(spatial variations),是相对于经结合测试前导波与参考前导波之间的相位差，此相位差是通过与参考表面有关的测试表面的形状中的轮廓变化所造成。其中，相位移干涉仪(phase shifting interferometry, PSI)正是目前较倚重的一种干涉相位量测方法，其是通过不同时间内引入一个已知相位的变化量于干涉图案中，使干涉图案产生动态的变化，再通过相位移公式的计算，由干涉图案中的光强度计算出各量测点的相位，可用以精确决定量测点的相位差与测试表面的对应轮廓。然而，相移式量测过程需要稳定无震动的环境，才能获得理想的量测结果。干涉仪搭配使用子孔径(sub-aperture)量测法可以用来量测非球面或者高数值孔径(numerical aperture)的镜片，此量测方法在施行时必须移动镜片或者干涉仪,使干涉仪能够量测镜面上不同位置的子孔径轮廓数据并拼接为一完整的镜片轮廓。已知技术的子孔径量测技术，需在目标物上的不同位置的子孔径上作前述的相移式量测后，以获得完整的目标物子孔径干涉相位，才能够进行全域干涉相位数据的拼接(stitching)。而且，为了增加拼接的精准度和横向的分辨率，撷取的相邻子孔径数据需要有足够的重迭区域面积，因此，也增加了所需量测的不同位置的子孔径的数目和所需的量测时间。另外，干涉仪在作子孔径拼接量测时必须量测镜片不同位置的相位数据，因此需要移动干涉仪或者是镜片使侦测光束量测于不同的镜片位置。然而，因为移动平台在移动与减速时无可避免会产生机械震动的问题，必须等到机台因为移动或者减速所产生的震动完全停止才可实行相移量测，因此整体量测速度实际受限于相移量测的时间和移动平台在各个子孔径位置的移动的速度与量测平台的刚性。当然，使用高刚性的移动平台，可以缩短震动完全停止的时间，但是也提高了平台的成本。因此，由于移动平台震动的问题，已知的子孔径量测方法，无法在短时间内获得相当数量的子孔径干涉相位，必须在量测的精准度与量测时间之间作最佳的选择，而无法兼顾。
发明内容
本发明的目的为提供一种表面轮廓侦测装置及其对位方法以及全口径量测数据的撷取方法，可以连续性的侦测目标物并曝光同时撷取多个干涉图案，在短时间内撷取目标物完整的表面轮廓，大幅缩短了侦测所需的时间。本发明可采用以下技术方案来实现的。本发明的一种表面轮廓侦测装置侦测目标物的表面轮廓，表面轮廓侦测装置包括波前侦测单元、驱动单元以及旋转单元。波前侦测单元具有影像传感器且发射侦测光束。驱动单元具有多个平台移动目标物或者波前侦测单元。旋转单元具有旋转轴，且设置于驱动单元的其中一个平台上，目标物固持于旋转单元。在量测目标物时，旋转单元旋转目标物且影像传感器同时曝光并撷取从目标物反射的侦测光束所形成的量测数据。
在一实施例中，驱动单元所具有的所述平台具有让侦测光束的波前与目标物的表面进行曲率匹配的一离焦作动、一偏心作动以及一倾斜作动。在一实施例中，提供倾斜作动的平台有一旋转轴心，旋转轴心实质平行于地心引力方向。在一实施例中，目标物具有一目标物对称轴，波前侦测单元具有一光轴，在量测时，旋转单元的旋转轴与目标物对称轴实质共线，光轴与旋转轴实质共面。在一实施例中，表面轮廓侦测装置还包括一旋转位置检知器，其电性连接于波前侦测单元，以获得旋转轴的旋转角度，波前侦测单元撷取曝光量测数据时，波前侦测单元记录旋转轴的相对应旋转角度并与量测数据关联。在一实施例中，波前侦测单元为一干涉仪，当旋转单元带动目标物旋转两次以上，波前侦测单元即撷取得到目标物的同一量测位置的同一量测方向上具有不同干涉相位变化的所述量测数据。在一实施例中，具有不同干涉相位变化的所述量测数据，由波前侦测单元、驱动单元或旋转单元所产生的震动而造成。在一实施例中，表面轮廓侦测装置还包括一干涉相位位移器，其与旋转单元或驱动单元或波前侦测单元连结，当目标物旋转时，干涉相位位移器同时作动以产生随机或者可预测的干涉相位变化不同的所述量测数据。本发明的一种表面轮廓侦测装置的对位方法，与一表面轮廓侦测装置配合，以侦测目标物的表面轮廓，表面轮廓侦测装置包括波前侦测单元、驱动单元、旋转单元以及目标物对位单元，旋转单元具有一旋转轴，目标物具有一目标物对称轴，波前侦测单元具有一光轴，对位方法包括将目标物放置于旋转单元；波前侦测单元发射一侦测光束，侦测光束与目标物表面曲率匹配于目标物的一量测位置；旋转单元旋转目标物于两个以上的不同旋转角度，并分别量取其相对应的量测数据；根据不同旋转角度下的所述量测数据，以计算出至少一个对位误差；以及根据对位误差微调目标物对位单元，俾使旋转轴与目标物对称轴实质共线。在一实施例中，目标物对位单元具有一多轴微调平台组合，多轴微调平台组合具有两个平面方向的位移微调功能或者两个旋转方向的微调功能。
在一实施例中，对位误差至少根据目标物的镜片参数或者驱动单元的移动量计算而得。在一实施例中，对位误差包括旋转单元的旋转轴和目标物对称轴在空间中的角度或位移的对位误差。 在一实施例中，对位误差包括旋转单元的旋转轴和波前侦测单元的光轴在空间中的角度或位移的对位误差。依据本发明的一种全口径量测数据的撷取方法，与表面轮廓侦测装置配合，表面轮廓侦测装置包括驱动单元、旋转单元以及波前侦测单元，撷取方法包括移动驱动单元，波前侦测单元所发出的侦测光束于目标物的量测位置上进行多个的表面曲率匹配，其中一个表面曲率匹配于目标物的第一方向；旋转旋转单元，波前侦测单元撷取多个第一量测数据以及多个第二量测数据，各第一量测数据具有一长轴方向，长轴方向对应为目标物上的第一方向，第一长轴方向与第二长轴方向不相同；以及将所述第一量测数据及第二量测数 据与目标物的坐标进行关联，部分第二量测数据与部分第一量测数据于目标物上的相同坐标重迭。在一实施例中，撷取方法还包括加入波前侦测单元的校正数据，以校正波前侦测单元所产生的波前误差或者坐标误差；以及将已校正的第一量测数据以及第二量测数据关联到目标物的坐标上。在一实施例中，所述第一量测数据的长轴方向为目标物的切线方向，并通过旋转目标物以量测不同位置的切线方向的所述目标物表面。在一实施例中，当获得波前侦测单元一切线方向的所述第一量测数据时，侦测光束入射的波前曲率半径实质上等于目标物的量测位置的切线方向的最佳匹配曲率半径。在一实施例中，各第二量测数据具有一长轴，第二量测数据的长轴的方向为目标物上的一第二方向，第一方向与第二方向不相同。在一实施例中，当波前侦测单元获得一弧矢方向的所述第二量测数据时，侦测光束入射的波前曲率半径实质上等于侦测光束由量测位置反射的弧矢方向的最佳匹配曲率半径。承上所述，因本发明的表面轮廓侦测装置及其对位方法以及全口径量测数据的撷取方法，可以连续性的侦测目标物并曝光同时撷取多个量测图案，大幅缩短侦测所需的时间。
图IA及IB为本发明第一实施例的表面轮廓侦测装置的示意图，其中图IB为图IA的简要示意图；图2A为侦测光束射至目标物表面的侧视示意图；图2B为图2A中侦测光束射至目标物表面的上视示意图；图3为本发明的一种表面轮廓侦测装置的对位方法的流程图；图4为本发明第二优选实施例的表面轮廓侦测装置的示意图；图5为本发明第三优选实施例的表面轮廓侦测装置的示意图；图6为本发明第四优选实施例的表面轮廓侦测装置的示意图7为本发明的全口径量测数据的撷取方法流程图；图8为目标物的上视示意图；以及图9A及图9B分别为于切线方向及弧矢方向上不同子孔径量测非球面透镜时的干涉图案。
具体实施例方式以下将参照相关附图，说明依本发明优选实施例的一种表面轮廓侦测装置及其对位方法以及全口径量测数据的撷取方法，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。请参照图IA以及图IB所示，其中图IA为本发明第一实施例一种表面轮廓侦测装置的示意图，图IB为图IA的简要示意图，表面轮廓侦测装置I侦测目标物的表面轮廓，目标物9只要是一个轴对称的光学组件即可，例如是球面透镜或非球面透镜，于此目标物9以 一非球面透镜为例，其具有一目标物对称轴O。表面轮廓侦测装置I包括一波前侦测单元11、一驱动单元12以及一旋转单元13。波前侦测单元11具有一光源111、一光轴F以及一影像传感器113。光源111于此以一雷射光源为例，光源111发出一对称于光轴F的侦测光束至目标物9并反射部分侦测光束回到波前侦测单元11，并由影像传感器113曝光同时撷取至少一个量测数据。其中，光源111为波前侦测单元11的组成部分，但不一定设置于波前侦测单元11的壳体内。值得一提的是，波前侦测单元11可以为其它如夏克哈特曼传感器(Shack-Hartman Wavefront Sensor)或者是朗奇量测器(Ronchi Tester)等非使用干涉原理侦测的波前侦测单元11 ;或是使用干涉原理来进行侦测的波前侦测单元11，例如菲佐(Fizeau)干涉仪。以下，波前侦测单元11以一菲佐干涉仪为例，但本发明不限于使用干涉原理侦测的波前侦测单元11。在量测时，侦测光束在目标物9表面反射并回至波前侦测单元11进行侦测，已知的波前侦测单元11有一可侦测波前相差的动态量测范围(Dynamic Measurement Range),为了确保侦测波光束的波前相差是在波前侦测单元11的动态量测范围内，量测时必须减低侦测波前相差的最大斜率或者最大值，亦即，在使用干涉原理的波前检测单元中得到相对应的疏密度干涉条纹(coarse density interference fringes)。因此，在子孔径的量测方法中，侦测光束的波前曲率半径必须与目标物9的子孔径范围内的量测区域内的所有量测点的表面曲率半径接近或者相等，且两者的曲率中心共点。如果目标物9为一球面透镜，因其所有表面具有一固定曲率且所有的表面的曲率中心为一点，因此，可以让子孔径内的所有量测位置上的入射的侦测光束垂直反射回波前侦测单元11，得到疏密的干涉条纹进行量测。但因为非球面透镜的所有表面的曲率半径非一定值而且所有表面的曲率中心也不在一个点上，这些表面曲率中心位置可以为一条线或是一体积的集合。因此，在量测非球面透镜时，需要一子孔径内对应的最佳的侦测光束的曲率中心和曲率半径，亦即使得子孔径内的所有量测点的曲率半径与曲率中心不会和侦测光束的相对应的曲率半径与曲率中心相差太大导致过大的反射侦测波前的干涉相位差，并造成过密的干涉条纹而超过波前侦测单元11的动态量测范围导致无法量测；或者另一方法，我们可以选择性的在子孔径内选择想要量测的区域如一环状区域或者是一长条状区域，使侦测光束波前的曲率半径和曲率中心能够与此选择的量测区域所对应的曲率半径和曲率中心接近或者相等，通过使用适当的侦测光束波前曲率半径和曲率中心，使得于目标物9表面预定的量测区域反射的侦测光束波前相差或相差斜率最小化的过程即称为表面曲率匹配(surface curvature fitting)。故为了达成此表面曲率匹配的目的，需要移动目标物9或者波前侦测单元11，使得侦测光束在目标物9量测位置的波前曲率半径和曲率中心接近目标物9的对应曲率半径和曲率中心，只要子孔径内的预定量测区域的波前相差是在波前侦测单元11的动态量测范围内即可。因此，在此动态量测范围内会有一最佳匹配曲率半径(best fitted radiusof curvature)和一最佳匹配曲率中心(best fitted center of curvature)使得量测区域内的干涉条纹的密度最小。然 而，给定波前侦测单元11的一最大动态量测范围上限与下限，表面曲率匹配的结果并非固定在一最佳匹配曲率中心的一位置点或者一最佳匹配曲率半径的一个数值。而是在波前侦测单元11的一最大量测范围内，会有一定对应范围内的表面曲率中心位置和曲率半径可以表面曲率匹配，使侦测光束的波前相差在波前侦测单元11的动态量测范围内并可量测。驱动单元12具有多个平台(stages)来移动目标物9或波前侦测单元11，以对目标物9进行一离心(decenter)作动、一倾斜(tilt)作动以及一离焦(defocus)作动，以进行表面曲率匹配。其中，图IB中以驱动单元12连结于固持着目标物9的旋转单元13为例，以间接对目标物9进行作动。前述的离心作动是指通过改变侦测光束射至目标物9的位置，使得侦测光束的曲率中心与目标物9的表面对应的内接圆的曲率中心实质上同一位置；倾斜作动是指通过改变侦测光束与目标物对称轴0的夹角，使得侦测光束可以侦测目标物9镜面上的不同径向位置的表面；离焦作动是指通过改变侦测光束于目标物9表面上的曲率半径，使得侦测光束与目标物9的表面对应内接圆的曲率半径相等。其中，离焦作动、离心作动以及倾斜作动的进行方式，将于后面详细叙述。本实施例中，旋转(rotation)单元13设置于倾斜平台123,旋转单元13具有一旋转轴R，目标物9固持于旋转单元13。在本实施例中，旋转单元13具有一真空吸盘，用以固持目标物9，在实际应用时，真空吸盘也可以被其它具有固持功能的机构取代，例如是镜片夹持治具。当然，无论是真空吸盘、镜片夹持治具或其它具有固持功能的机构，只要是可以达到固持目标物9的目的的机构即可，本发明于此并不予以限定。通过旋转单元13，目标物9沿其目标物对称轴0旋转，以利影像传感器113同时曝光并撷取从目标物9不同的旋转角度下的量测位置所反射的侦测光束所形成的至少一个量测图案。以下，请同时参照图2A及图2B所示，以说明离焦作动、离心作动以及倾斜作动的进行方式。其中，图2A为侦测光束射至一倾斜作动的目标物表面的示意图，图中只画出部分的目标物，图2A是图IB的部分侧视图；图28则为图IB的部分上视示意图，其固定于目标物9的某坐标上，为了进行表面曲率匹配，侦测光束相对于目标物9移动的示意图。如图2A所示，波前侦测单元11所发出的侦测光束射至目标物9的表面，部分侦测光束经目标物9的表面反射后，会与波前侦测单元11的参考面112 (作为参考表面)的参考波前结合而形成一干涉图案(量测数据)，进而由波前侦测单元11内的影像传感器进行曝光撷取干涉图案的其中一部分而作为量测数据。如图2B所示，当波前侦测单元11发射的侦测光束(如图中点状区域所示)从目标物9表面量测位置反射时，为了获得子孔径内的的量测数据，入射至目标物9量测位置的侦测光束的波前需与目标物9量测位置反射的表面作表面曲率匹配。例如，以一内接圆代表表面曲率匹配的最佳匹配表面曲率,所述内接圆圆心即为最佳匹配曲率中心，所述内接圆半径即为最佳匹配曲率半径，图2B中是以侦测光束(对应光轴F2)的波前的焦点为C2，即为表面的内接圆的圆心，而C2落在目标物对称轴O上，而内接圆的曲率半径为r2来作例子。也就是说，当获得波前侦测单元11于切线方向T的第一量测数据时，侦测光束入射的波前曲率半径实质上等于目标物9的量测位置的切线方向T的最佳匹配曲率半径。离焦作动、离心作动以及倾斜作动大部分是相互伴随的,请同时参照图2A及图2B，以下，以侦测光束(对 应光轴F2)的波前的焦点为Cl移动至侦测光束(对应光轴Fl)的波前的焦点为C2为例来进行说明。波前焦点由Cl移动至C2可分解成波前焦点从C2移动至A点(垂直于光轴F2的一垂直位移)，再从A点移动至C2 (平行于光轴F2的一平行位移)。当进行离心作动时，驱动单元12驱动目标物9垂直于波前侦测单元11的光轴F2的方向移动，通过垂直于波前侦测单兀11的光轴F2的一横向位移量达到横向移动侦测波前焦点至A点的目的，使得侦测光束射至目标物9的表面对应的内接圆的圆心位置随之改变，其中侦测光束波前的曲率中心与目标物9的表面对应的内接圆的圆心实质上在同一位置。当进行离焦作动时，侦测光束的聚焦点会平行于波前侦测单元11的一光轴F移动，而从焦点A点移动至于曲率中心点焦点C2，以焦点C2为圆心可形成另一内接圆，其曲率半径为r2。故离焦作动可改变侦测光束射至目标物9的曲率半径，进而达到改变侦测光束的曲率半径与目标物9的表面量测位置所对应的内接圆的曲率半径相等的目的。当进行倾斜作动时，驱动目标物9倾斜，也就是改变目标物对称轴0与波前侦测单元11的光轴F的夹角0，以改变侦测光束入射至目标物9上的径向位置并使得波前侦测单兀11的光轴F可垂直于目标物9的表面量测位置。于此例中，从点Cl (对应光轴Fl)移动至点C2(对应光轴F2)，进而改变了目标物对称轴0与光轴的夹角(由0度变成夹角e )。故通过离焦作动、离心作动及倾斜作动的配合，可使得侦测光束能够量测在目标物9表面上不同径向上切线方向的量测区域。需要特别注意的是，于实际应用上，可以是一个平台进行离焦作动、离心作动以及倾斜作动其中一种作动，也可以是由多个平台协同进行离焦作动、离心作动以及倾斜作动其中一种作动或其组合，本发明并不予以限定。请再参照图IA所示，在本实施例中，则以驱动单元12具有一离焦平台121、一离心平台122以及一倾斜平台123为例，以分别进行离焦作动、离心作动以及倾斜作动。其中，离焦平台121以水平方向驱动为例；离心平台122以垂直画面的方向驱动为例；倾斜平台123以水平方向旋转为例；与上述平台配合的旋转单元13，则以垂直方向旋转为例。值得一提的是，如旋转单元13置于倾斜平台123上，在不同的倾斜角度下作旋转量测时，为了最佳的平台量测稳定性，目标物9所受的重力方向需保持同一方向并且不改变旋转单元13的受力力矩方向与大�。员苊舛孕ピ�13与其夹持机构造成微小的形变，降低量测的精准度与不确定性。此时，如将倾斜平台123的一旋转轴心D平行于地心引力方向，则旋转单元13将可获得一致的受力力矩，不受倾斜角度的影响。在本实施例中，为了使目标物对称轴0与旋转平台的旋转轴R共线，表面轮廓侦测装置I还包括一设置于旋转单元13上的对位单元14。当目标物9固持于对位单元14上的夹持机构时，对位单元14需要将目标物对称轴O及旋转轴R进行对位，以让目标物对称轴O及旋转轴R实质共线。若目标物为球面光学透镜时，因为球面光学透镜的所有表面具有一共享的曲率中心特性，故只要调整此旋转轴R通过目标物9的曲率中心的圆心即可。因此较佳的是，目标物对位单元14具有一多轴微调平台组合(alignment platform),其中有两个垂直于旋转轴R的平面方向的移动方向(例如是X、Y方向)或者是两个垂直于旋转轴R的旋转角度方向(例如是a、^方向)的微调功能，以进行对称球面量测时的对位程序。但是当目标物9为非球面透镜时，因为其表面不具有一所有表面共享的曲率中心点，因此，目标物对称轴0与旋转轴R需要共线，因此同时需要两个垂直于旋转轴的平面方向的移动功能及两个垂直于旋转轴的旋转方向的微调功能，以分别调整两个平面方向以及两个旋转方向。在本实施例中，为了使波前侦测单元11的光轴F与旋转单元13的旋转轴R共面，表面轮廓侦测装置I还包括一设置于波前侦测单元11上的侦测光束对位单元17。侦测光束通过此侦测光束对位单元17射出至目标物9上，通过将波前侦测单元11的光轴F与旋转平台的旋转轴R进行对位，以让波前侦测单元11的光轴F及旋转轴R实质共面。因此较 佳的是，侦测光束对位单元17具有一多轴微调平台组合，其中有两个位于光轴F的平面方向的移动方向(例如是X、Y方向)与两个垂直于光轴F的旋转角度方向(例如是a、0方向)的微调功能，以进行量测时的必要对位程序。本实施例中，请参考图1A，此侦测光束对位单元17即为参考面112放置的机构，具有四个调整方向的微调功能。具有一对称轴0的目标物9在对于其对称轴0旋转时，将展现高度的对称相似性，因此，如果对称轴0与旋转轴R共线，波前侦测单元11即可以在每个旋转角度量测到固定的相似子孔径量测数据，此不因旋转角度改变的固定量测数据由侦测光束的光轴F与旋转轴R的对位误差和镜片参数(lens prescription)决定；相反的，如果此目标物9并没有对于其对称轴0旋转，亦即对称轴0与旋转轴R不共线，则波前侦测单元11会在不同的旋转角度量测到变化的量测数据，此量测数据的变化量则随着角度产生旋波变化(harmonicchange),此旋波变化由目标物9的对称轴0与旋转轴R的对位误差和镜片参数所决定，因此，通过量测不同角度下的子孔径量测数据与镜片参数，可以推导出一对位误差，此对位误差则包括对称轴O、光轴F与旋转轴R于空间中的所有可能对位误差组合。换句话说，此对位误差包括旋转单元13的旋转轴R和目标物对称轴0在空间中的角度与位移的对位误差以及旋转单元13的旋转轴R和波前侦测单元11的光轴F在空间中的角度与位移的对位误差，当然，还可以选择性的只推导其中一种对位误差。若因为目标物对称轴0与旋转轴R之间的对位误差或者光轴F与旋转轴R之间对位误差所造成的过大光学相差变化，可能导致在某些旋转角度下无法进行量测。因此，在本发明中，目标物9最好在对称轴0与旋转轴R实质共线且光轴F与旋转轴R实质共面的条件下进行量测，尤其是每次将目标物9放置于旋转单元13上量测时，必须确定目标物对称轴0与旋转轴R实质共线，侦测光束的光轴F与旋转轴R的对位则必须在更换参考面112或者架设驱动单元12后实施。在本发明中，亦揭露一种表面轮廓侦测装置的对位方法，其与前述的表面轮廓侦测装置配合。请参照图3，对位方法包括将目标物放置于旋转平台(S10);波前侦测单元发射一侦测光束，侦测光束与目标物表面曲率匹配于一量测位置(S12);旋转单元旋转目标物于两个以上的不同旋转角度，并分别量取其相对应的一量测数据(S14);根据不同旋转角度下的所述量测数据，以计算出至少一个对位误差(S16);以及根据对位误差微调目标物对位单元，俾使旋转轴与目标物对称轴实质共线(S18)。以下，请同时参照IA以及图3，以说明对位方法的步骤。于步骤SlO中，将目标物9放置于旋转单元13,于此,旋转单元13以具有一夹持机构为例,夹持机构稳固夹持目标物9。于步骤S12中，驱动单元12驱动目标物9或者波前侦测单元11，使得目标物9的一量测位置的表面与侦测波前进行表面曲率匹配，此量测位置的波前相差低于波前侦测单元11的量测范围。于此，以驱动单元12驱动目标物9来进行最佳表面曲率匹配为例。于步骤S14中，旋转单元13驱动目标物9沿旋转轴R旋转，并通过波前侦测单元11量测目标物9在至少两个以上不同的已知旋转角度下的量测数据并将旋转轴R已知的旋转角度与侦测光束波前相位作关连。 于步骤S16中，比较于不同旋转角度下的所述量测数据，以计算出至少一个对位误差。例如可利用镜片参数、旋转角度与其对应的侦测光束波前相位，再加上例如光迹追踪软件的优化过程、多项式拟合方法如Zernike多项式等工具来进行对位误差的计算，可推算出进行对位校正时，目标物对位单元14内的多轴微调平台组合所需的四轴或二轴位移量，此对位误差可能包括了目标物对称轴O、旋转单元13、转轴R、与波前侦测单元11光轴F的三个轴的相互移动或者角度对位误差，因此对位误差通常为多个数值。另外，在曲率匹配过程中，可以由驱动单元12的平台移动量和量测数据推导获得镜片的参数得到镜片的表面参数(Lens Prescription)。于步骤S18中，根据上述计算出来的对位误差，来微调目标物对位单元14，例如可进行自动或者手动调整微调目标物对位单元14。接着，可重复步骤S12 S18，如果量测数据可以在每个旋转角度被解析或者各个旋转角度下的量测数据变化差异量甚小时即可停止对位校正。其中，在步骤S18的目标物对位单元14可以是自动式或半自动式，自动式是通过一数据处理单元8 (如图IA所示，例如为一计算机)与波前侦测单元11耦接，以进行对位运算，再由数据处理单元8控制目标物对位单元14，以将旋转轴R与目标物对称轴0实质共线且侦测光束的光轴F与旋转轴R实质共面。而半自动式则是通过数据处理单元8进行对位运算，使用者根据数据处理单元8对位运算的结果，手动调整目标物对位单元14，以将目标物对称轴0及旋转轴R实质共线。另外，为了确保不同旋转角度下可以被量测的量测图形，本发明的对位方法还可包括移动侦测光束对位单元，俾使旋转轴与波前侦测单元的光轴实质共面(S19)。步骤S19与步骤S18类似，步骤S19也是根据上述计算出来的对位误差来微调侦测光束光轴对位单元17，并可重复步骤S12 S19，如果量测数据可以在每个旋转角度被解析或者各个旋转角度下的量测数据差异量甚小时即可停止对位校正。其中，步骤S19中与步骤S18可同时进行，或者是步骤S18与步骤S19先后进行，但顺序可以交换。需要特别注意的是，所谓目标物对称轴0及旋转轴R实质共线是指，目标物对称轴0及旋转轴R虽然差一点点才共线，但若其误差在软件上是在可容许的误差范围内，或者是因为对位单元机构的灵敏度最低移动量的限制，则目标物对称轴0及旋转轴R仍可算是共线的，同理，在可容许的误差范围和对位机构的灵敏度限制内，波前侦测单元11的光轴F与旋转轴R实质共面。再请参照图1A,进行对位校正后,旋转单元13带动目标物9沿旋转轴R (已与目标物对称轴0共线)旋转，影像传感器113并同时撷取并曝光得到目标物9的一径向环中的所有量测点的量测数据并与其撷取瞬间的旋转位置相关连。当波前侦测单元11为一干涉仪时，旋转单元13带动目标物9旋转二次以上后，影像传感器113即感测得到目标物9的同一量测位置的经干涉相位变化的多个量测数据。目标物9在旋转时，因为波前侦测单元U、驱动单元12或旋转单元13中的平台在旋转中所产生的震动会造成波前侦测单元11的参考面112或者目标物9产生微小的位移，若此位移的方向平行于波前侦测单元11的光轴F,则波前相位会产生随机活塞相移(random piston phase shifting)；相反的，若此位移垂直于平行波前侦测单元11的对称轴，则产生随机倾斜(random tiltphase shifting)的相位变化。在经过多次旋转后,可将同一旋转角度下经震动随机相位位移的所述量测数据(干涉图案)，在经过数据重新排列组合后，利用Lin等(P. C. Lin, Y.C. Chen, C. M. Lee, and C. ff. Liang, “An iterative tilt-immune phase-shiftingalgorithm,，，Optical Fabrication and Testing, OSA Technical Digest, paper0MA6, Jackson Hole, Wyoming, Junel3_17, 2010.)揭露的方法,进行随机相移的计算得到目 标物9的子孔径干涉相位，而不受到震动的影响，通过此旋转的量测架构，结合随机相移的计算与子孔径相位数据拼接，可以快速的将径向环中量测区域的表面轮廓量测出来。当然，实际应用上，若是波前侦测单元11、驱动单元12或旋转单元13十分稳固而震动幅度过�。虮砻媛掷爸肐可进一步包括一干涉相位位移器(interference phaseshifting device),与旋转单元13、或驱动单元12、或波前侦测单元11连结，当目标物9旋转时，干涉相位位移器同时作动以在相同量测位置产生随机或者可预测的干涉相位变化不同的多个量测图案(干涉图案)。无论经干涉相位位移的所述量测图案是如何产生，所述干涉相位变化不同的干涉图案，均可由此多个干涉图案产生量测位置的一表面轮廓量测结果。另外，为了确认波前侦测单元11于撷取瞬间时，目标物9在旋转单元13带动下的旋转位置，故在本实施例中，表面轮廓侦测装置I还可包括一旋转位置检知器15，其电性连接于波前侦测单元U，以获得旋转轴R的旋转角度位置，波前侦测单元11撷取曝光干涉图案时，波前侦测单元11记录旋转轴R的旋转角度，进而可得知目标物9被量测的相对位置。旋转位置检知器15例如是一步进马达脉冲计数器(counter)，来计算步进马达驱动旋转轴R旋转的角度。当然，实际应用上，旋转位置检知器15也可以是一编码器或是其它应用软件，只要能确认出撷取各个干涉图案时，同时知道旋转轴R旋转的角度即可，本发明于此并不予以限定。此外，在本实施例中，表面轮廓侦测装置I还包括一影像撷取触发器(trigger)16，其可以设置于影像传感器113，并耦接影像传感器113，当旋转单元13等速旋转时，影像撷取触发器16通过数据处理单元8触发或者旋转单元13的旋转位置检知器15触发令影像传感器113撷取所述量测数据。接着，补充多个表面轮廓侦测装置的变化态样。请参照图4所示，其为本发明第二优选实施例的一种表面轮廓侦测装置的示意图。表面轮廓侦测装置Ia与表面轮廓装置I不同的地方在于，倾斜平台123与离焦平台121的位置交换，表面轮廓侦测装置Ia的倾斜平台123a是设置于离焦平台121a上，离心平台122a则是设置于倾斜平台123a上，而旋转平台13a是设置于离心平台122a。请参照图5所示，其为本发明第三优选实施例的一种表面轮廓侦测装置的示意图。表面轮廓侦测装置Ib与表面轮廓装置I不同的地方在于，表面轮廓侦测装置Ib的离心平台122b是设置于离焦平台121b，离心平台122b以水平方向驱动为例，离焦平台121b以水平方向驱动为例；旋转单元13b固持目标物9且设置于离心平台122b上,旋转单元13b以水平方向旋转为例；而倾斜平台123b则是与波前侦测单元Ilb连结，倾斜平台123b以水平旋转方向为例，通过倾斜波前侦测单元Ilb —角度，使得侦测光束与一参考平面产生对应角度变化。请参照图6所示，其为本发明第四优选实施例的一种表面轮廓侦测装置的示意图。表面轮廓侦测装置Ic与表面轮廓装置I不同的地方在于，倾斜平台123c是与波前侦测单元Ilc连结，倾斜平台123c以水平旋转方向为例；离焦平台121c是设置于倾斜平台123c，离焦平台121c以垂直方向驱动为例；离心平台122c是设置于离焦平台121c，离心平台122c以水平方向驱动为例。 在完成对位校正流程后并确保在所有旋转角度下均可量测到不过密的干涉图案，即可进行干涉图形相位差量测，例如可以利用子孔径干涉相位撷取法，撷取涵盖目标物所有表面的互相重迭子孔径干涉条纹数据并拼接为一完整的目标物轮廓数据。但是此种量测方法的量测动态范围(dynamic range)较低,虽然可以配合使用额外的消相差光学组件(null optics)提高动态范围，但此方法所需的额外消相差光学组件需精密制造并定位，所以提高了量测成本。为了获得全口径(full aperture)的表面轮廓，于此提出一种新颖的全口径量测数据的撷取方法，在不需要额外的光学组件下，对于目标物相同的量测位置做两次以上的曲率匹配并量测，第一次曲率匹配撷取多个第一量测数据，此数据为具有子孔径内的第一长轴方向的干涉图案，并配合第二次曲率匹配所产生的第二量测数据的干涉图案进行拼接，由一个全子孔径内圆形量测区域降低为具有一长轴的长条量测区域，有效的降低在子孔径内的有效量测区域内所对应的侦测光束相差，并提高量测的非球面度范围，通过前述的旋转量测架构，可再缩短量测干涉数据撷取时间。因此，请参照图7，本发明亦揭露一种全口径量测数据的撷取方法，其与前述的表面轮廓侦测装置配合，全口径量测数据的撷取方法包括移动驱动单元，波前侦测单元所发出的一侦测光束于一目标物的一量测位置上进行多个的表面曲率匹配，其中一表面曲率匹配于目标物的一第一方向(S20);旋转旋转单元，波前侦测单元撷取多个第一量测数据与多个第二量测数据，各第一量测数据具有一长轴方向，长轴方向对应为目标物上的第一方向(S22);将所述第一量测数据及所述第二量测数据与目标物的坐标进行关联，部分所述第二量测数据与部分所述第一量测数据于目标物上的相同坐标重迭(S24)。于步骤S20中，不同于已知技术的子孔径的量测法需要子孔径内的所有的二维数据点都必须是可被解析出的疏密度干涉条纹，本发明则只是撷取子孔径内含有可被解析的疏密度干涉条纹的某一长轴方向的条状图案带，来作为待计算的数据。本发明撷取方法与前述表面轮廓侦测装置的驱动单元12配合，通过驱动单元12的移动，以进行离焦作动、偏心作动、倾斜作动，以将自波前侦测单元11发射的一侦测光束，由目标物9的表面部分反射至波前侦测单元11，而使波前侦测单元11的侦测光束与目标物9的量测位置的部分方向的表面做表面曲率匹配(Directional Surface Curvature Fitting),譬如说是切线方向或者是弧矢方向等，当然也可以不限于此两个方向。其中，如图2A及图2B所示，当波前侦测单元11获得一目标物9切线方向T的量测数据时，侦测光束入射的波前曲率半径实质上等于侦测光束由目标物9反射的切线方向T表面的最佳匹配的曲率半径；当波前侦测单元11获得一目标物弧矢方向S的量测数据时，侦测光束入射的波前曲率半径实质上等于侦测光束由目标物9反射的弧矢方向S表面的最佳匹配的曲率半径。于步骤S22中，波前侦测单元撷取量测数据(于此以干涉图案为例)时，在量测非球面透镜的目标物时，因为非球面透镜的所有表面的曲率半径非唯一，所以只有在子孔径内的曲率最佳匹配的方向的干涉图案的条纹密度为最疏时才可被量测并进行后续计算，因此，子孔径的干涉影像会有一固定的疏干涉条纹方向对应至镜片的特定方向。当然，若目标物为球面透镜时或者是低度非球面镜时，子孔径内所有二维的数据点将可全部被量测，而为一个圆形的全子孔径，但于撷取并曝光量测数据时，即会撷取此子孔径的一部分，因此， 量测位置于切线方向上的量测区域仍具有一长轴方向。请同时参照图2A、图2B以及图8至图9B，图2B的切线方向T位于图2A的倾斜平台倾斜旋转e角所在的平面上，弧矢方向s则为垂直切线方向T也就是入平面的方向；图8为目标物的上视示意图；图9A及图9B则分别为于子孔径切线方向及子孔径弧矢方向上量测非球面目标物时的干涉图案。在一优选的实施例中，对于一个对称的非球面透镜量测时，只撷取并同时曝光显影以记录于一维方向上最疏的量测数据(第一量测数据)区域t，其一第一长轴方向可以是波前侦测单元11的子孔径影像中的Y方向，即为目标物的切线方向T。实质操作上，通过旋转目标物9以量测不同位置的切线方向的目标物表面，以撷取切线方向T上多个一维干涉图案影像tl、t2，其中Y方向与目标物9的旋转方向(以虚线箭头所示)垂直。在经过旋转数圈后，目标物9上的各量测位置，均可以获得相等于旋转圈数的多个一维切线方向T的量测数据t (图8中只绘制tl、t2为例)并获得其干涉相位。因此，目标物在某一径向位置的一整圈的数据点即可被量测完毕，图8中以目标物区分成三个径向环(以虚线表示)为例。同一个量测位置的干涉图案会因为相位变化的关系而有所不同，一般预计算出所述量测位置的表面参数，需要针对同一量测位置至少量测两次以上，例如是四次，当取得多个有效的Y方向干涉图案，图中只画出量测区域tl、t2为例，须至少取得一个如图9B所示的量侧区域Si的X方向干涉图案，以进行弧矢方向S的量测区域(第二量测数据)拼接，俾使所述切线方向T的一维量测区域tl、t2，能够垂直于第二量测数据的长轴方向拼接为二维度的环状数据。但因为一维的切线方向T量测数据缺乏数据拼接所需的横向(即弧矢方向)的数据，因此可再一次利用驱动单元12，使波前侦测单元11的波前曲率半径与目标物的弧矢方向S曲率半径相匹配，以进行弧矢方向S的干涉图案(第二量测数据)的量测。如图8及图9B所示，图9B中的量测区域s对应至图8的量测区域Si。图9B中的量测区域s为具有最疏干涉条纹的可量测区域，以获得弧矢方向S的干涉条纹与干涉相位。在此实施例中，可通过与离焦作动配合的平台，以进行量测弧矢方向S的一维干涉图案，当然，目标物的方向表面曲率匹配的匹配方向可以不是切线方向或者弧矢方向的两者之一，因此本发明并不受限只使用离焦平台达到此不同量测方向的功能。对于一低度的非球面或者选择使用低数值孔径的侦测光束，子孔径内所有二维的数据点将可全部被量测，而为一个圆形的全子孔径干涉图案，但于撷取并曝光量测数据时，即会撷取此子孔径的一部分，因此，量测位置对应的量测数据于切线方向上的量测区域，仍具有一长轴方向。请再参考图9A及图9B，量测数据t为目标物于切线方T向上所量测到的有效区域，量测数据t具有一第一长轴Y方向，量测数据t外的部份由于干涉条纹太过于密集，而无法进行分析。于此，定义波前侦测单元所撷取并同时曝光的量测数据即为量测数据t。也就是说，波前侦测单元只撷取了有效区域以进行计算，而删除掉了干涉条纹太过于密集的无效区域，可节省计算的时间。量测区域s则为目标物于弧矢方向上所量测到的有效区域，量测区域s具有一第二长轴方向X，其中X方向与目标物的旋转方向(以虚线箭头所示)平行，且量测区域s具有的第二长轴方向X，且第二长轴方向X与第一长轴Y方向不相同，于此以垂直为例。 最后，于步骤S24中，将所述第一量测数据及至少一个第二量测数据与目标物9的坐标进行关联，并确定部分所述第二量测数据与所述部分第一量测数据于目标物9上的坐标重迭，即可完成目标物9表面轮廓的影像撷取。再请参照图7中，本实施例中，撷取方法还可包括加入波前检测单元的一校正数据，例如是干涉仪或波前侦测单元本身的误差，以校正波前检测单元所产生的一波前误差或者一坐标误差；以及将已校正的所述第一量测数据以及所述第二量测数据关联到目标物的坐标上。综上所述，因本发明的表面轮廓侦测装置及其对位方法以及全口径量测数据的撷取方法，具有不受震动影响的特点，同时可以连续性的侦测目标物并曝光同时撷取多个量测图案，不仅可以提高测量结果的准确度，还能够缩短测量所需时间。以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种表面轮廓侦测装置，侦测一目标物的表面轮廓，其特征在于，所述表面轮廓侦测装置包括 波前侦测单元，具有影像传感器且发射侦测光束； 驱动单元，具有多个平台移动所述目标物或所述波前侦测单元；以及 旋转单元，具有旋转轴，且设置于所述驱动单元的其中一个平台上，所述目标物固持于所述旋转单元， 其中在量测所述目标物时，所述旋转单元旋转所述目标物且所述影像传感器同时曝光并撷取从所述目标物反射的所述侦测光束所形成的量测数据。
2.根据权利要求I所述的侦测装置，其特征在于，所述平台具有让所述侦测光束的波前与所述目标物的表面进行曲率匹配的一离焦作动、一离心作动以及一倾斜作动。
3.根据权利要求2所述的侦测装置，其特征在于，提供所述倾斜作动的平台有一旋转轴心，所述旋转轴心平行于地心引力方向。
4.根据权利要求I所述的侦测装置，其特征在于，所述目标物具有目标物对称轴，所述波前侦测单元具有光轴，在量测所述目标物时，所述旋转单元的所述旋转轴与所述目标物对称轴共线，所述光轴与所述旋转轴共面。
5.根据权利要求I所述的侦测装置，其特征在于，还包括 旋转位置检知器，电性连接于所述波前侦测单元，以获得所述旋转轴的旋转角度，所述波前侦测单元撷取所述量测数据时，所述波前侦测单元记录所述旋转轴的相对应旋转角度并与所述量测数据关联。
6.根据权利要求I所述的侦测装置，其特征在于，所述波前侦测单元为一干涉仪，当所述旋转单元带动所述目标物旋转两次以上，所述波前侦测单元即撷取得到所述目标物的同一量测位置上具有不同干涉相位变化的所述量测数据。
7.根据权利要求6所述的侦测装置，其特征在于，具有不同干涉相位变化的所述量测数据，由所述波前侦测单元、所述驱动单元或所述旋转单元所产生的震动而造成。
8.根据权利要求6所述的侦测装置，其特征在于，还包括 干涉相位位移器，与所述旋转单元或所述驱动单元或所述波前侦测单元连结，当所述目标物旋转时，所述干涉相位位移器同时作动以产生随机或者可预测的干涉相位变化不同的所述量测数据。
9.一种表面轮廓侦测装置的对位方法，与一表面轮廓侦测装置配合，以侦测目标物的表面轮廓，所述表面轮廓侦测装置包括波前侦测单元、驱动单元、旋转单元以及目标物对位单元，所述旋转单元具有旋转轴，所述目标物具有目标物对称轴，所述波前侦测单元具有光轴，其特征在于，所述对位方法包括 将所述目标物放置于所述旋转单元； 所述波前侦测单元发射侦测光束，所述侦测光束与所述目标物表面曲率匹配于所述目标物的量测位置； 所述旋转单元旋转所述目标物于两个以上的不同旋转角度，并分别量取其相对应的量测数据； 根据不同旋转角度下的所述量测数据，以计算出至少一个对位误差；以及 根据所述对位误差微调所述目标物对位单元，使得所述旋转轴与所述目标物对称轴共线。
10.根据权利要求9所述的对位方法，其特征在于，所述目标物对位单元具有多轴微调平台组合，所述多轴微调平台组合具有两个平面方向的位移微调功能或者两个旋转方向的微调功能。
11.根据权利要求9所述的对位方法，其特征在于，所述表面轮廓侦测装置还包括侦测光束对位单元，所述侦测光束对位单元具有微调平台组合，微调平台组合具有两个平面方向的位移微调功能或者两个旋转方向的微调功能，所述对位方法还包括 移动所述侦测光束对位单元，使得所述旋转轴与所述波前侦测单元的所述光轴共面。
12.根据权利要求9所述的对位方法，其特征在于，所述对位误差至少根据所述目标物的镜片参数或者所述驱动单元的移动量计算而得。
13.根据权利要求9所述的对位方法，其特征在于，所述对位误差包括所述旋转单元的所述旋转轴和所述目标物对称轴在空间中的角度或位移的对位误差。
14.根据权利要求9所述的对位方法，其特征在于，所述对位误差包括所述旋转单元的所述旋转轴和所述波前侦测单元的所述光轴在空间中的角度或位移的对位误差。
15.一种全口径量测数据的撷取方法，与表面轮廓侦测装置配合，所述表面轮廓侦测装置包括驱动单元、旋转单元以及波前侦测单元，其特征在于，所述撷取方法包括 移动所述驱动单元，所述波前侦测单元所发出的侦测光束于目标物的量测位置上进行多个表面曲率匹配，其中一个表面曲率匹配于所述目标物的第一方向； 旋转所述旋转单元，所述波前侦测单元撷取多个第一量测数据与多个第二量测数据，各所述第一量测数据具有一长轴方向，所述长轴方向对应为所述目标物上的所述第一方向；以及 将所述第一量测数据及所述第二量测数据与所述目标物的坐标进行关联，部分所述第二量测数据与部分所述第一量测数据于所述目标物上的相同坐标重迭。
16.根据权利要求15所述的撷取方法，其特征在于，还包括 加入所述波前侦测单元的校正数据，以校正所述波前侦测单元所产生的波前误差或者坐标误差；以及 将已校正的所述第一量测数据以及所述第二量测数据关联到所述目标物的坐标上。
17.根据权利要求15所述的撷取方法，其特征在于，所述第一量测数据的所述长轴的方向为所述目标物的切线方向，并通过旋转所述目标物以量测所述目标物不同位置的切线方向表面。
18.根据权利要求15所述的撷取方法，其特征在于，当所述波前侦测单元获得一切线方向的所述第一量测数据时，所述侦测光束入射的波前曲率半径等于所述目标物的所述量测位置的切线方向的最佳匹配曲率半径。
19.根据权利要求15所述的撷取方法，其特征在于，各所述第二量测数据具有一长轴，所述长轴的方向为所述目标物上的第二方向，所述第一方向与所述第二方向不相同。
20.根据权利要求15所述的撷取方法，其特征在于，当所述波前侦测单元获得一弧矢方向的所述第二量测数据时，所述侦测光束入射的波前曲率半径等于所述侦测光束由所述量测位置反射的弧矢方向的最佳匹配曲率半径。
全文摘要
一种表面轮廓侦测装置，侦测一目标物的表面轮廓，目标物具有一目标物对称轴，表面轮廓侦测装置包括波前侦测单元、驱动单元以及旋转单元。波前侦测单元具有影像传感器且发射侦测光束。驱动单元具有多个平台移动目标物或波前侦测单元。旋转单元具有旋转轴，且设置于驱动单元的其中一个平台上，目标物固持于旋转单元。在量测目标物时，旋转单元旋转目标物且影像传感器同时曝光并撷取从目标物反射的侦测光束所形成的量测数据。本发明还揭露一种表面轮廓侦测装置的对位方法以及全口径量测数据的撷取方法。本发明可以连续性的侦测目标物并曝光同时撷取多个干涉图案，在短时间内撷取目标物完整的表面轮廓，大幅缩短侦测所需的时间。
文档编号G01B11/24GK102954768SQ20121029746
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月20日 优先权日2011年8月20日
发明者梁肇文 申请人:东大光电股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
