厚度在线实时检测的光学干涉装置
技术领域
本发明有关于一种厚度在线实时检测的光学干涉装置，尤指一种光径(Optical Path)不需光学透镜组的技术，特别是指利用高同调性(Coherence)点扩束的球面光波以斜向角度照射待测试件进行瞬时且大范围面积的全场厚度量测，无需经过相移(Phase Shift)，光路简单且成本较低，适用于实时在线检测。
背景技术
薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD)在过去十年间为平面显示器的主流产品，中国台湾及韩国更将其相关研究列为重点发展技术，直至今日，TFT-LCD仍然占有一定的市场。但随着发光二极管(Light Emitting Diode,LED)与其相关显示技术问世，TFT-LCD走入了转型年代，发展趋势也从过去的大量生产到精密化、高质量化以及高良率，但在追求大尺寸化以及轻薄化的发展过程中，出现了先前未曾遭遇到的问题，其中影响最大的便是光源不均(Mura)现象，意指显示器亮度不均匀的状况。
造成Mura现象的成因相当复杂，但在制造厂商无法找到关键因素的情况下，只能经由大量生产的方式得到部分不具瑕疵的产品，以达成预定的供货量，但此作法不仅造成不必要的资源消耗，且产品的良率不能达到有效控管，在显示器如此竞争激烈的产业下，此问题确实有迫切解决的需要。然而，大部分检测Mura的研究仅针对显示器的影像不均匀进行分析，仍属质量管理的范畴，并无法有效根治Mura现象，比较可行方法为制程上的改良与使用组件材料的强化，因此必须先对TFT-LCD中重要组件进行机械或光学等特性的检测，藉由分析其物理性质从中找出 问题的症结，也可由检测上所得到的经验判断对问题组件进行生产在线的筛选，进而提高产品良率。
TFT-LCD的组成组件中，玻璃基板(Glass Substrate)为相当重要的组件，用于彩色滤波片(Color Filter)以及做为薄膜晶体管的基板，以上两组件与显示器的光学质量相当有关联，因此玻璃基板需要符合不含缺陷、均质以及表面平坦等要求，在显示器组装的过程中，也可能因为玻璃基板厚度不均而造成部分区域承受较大的接触应力。另一方面，随着显示器轻薄化的发展趋势，玻璃基板的厚度已可达数百个微米以下，制造上的精度控制相当具有挑战性，而在如此细微的尺度下，玻璃的厚度可能会随着其自重条件地影响而有相当地改变，若玻璃本身的厚度具有显着地起伏时，此影响将会更加剧烈，造成显示器于不同角度下放置时因玻璃基板自重影响而有不同的成像质量。
有关透明材料的厚度量测方面，Costantino等人于文献(S.Costantino and O.E.Martinez,“Wide Band Interferometry for Thickness Measurement,”Optic Express,vol.11,no.8,pp.952-957,2003)中提及将白光干涉仪的取像设备改为光谱仪进而量测薄膜的厚度以及群折射率(Group Refractive Index)。Li等人于文献(M.Li,C.Quan,C.J.Tay,R.Ivan,and S.Wang,“Measurement of Transparent Coating Thickness by the Use of White Light Interferometry,”Proceedings of SPIE,vol.5852,pp.401-406,2005)中提及利用白光Mirau干涉仪以及快速傅利叶转换(Fast Fourier Transform,FFT)量测镜表面的镀膜厚度，并克服相移法中相位模糊(Phase Ambiguity)问题。
Protopopov等人于文献(V.V.Protopopov,S.Cho,K.Kim,and S.Lee,“Heterodyne Double-Channel Polarimeter for Mapping Birefringence and Thickness of Flat Glass Panels,”Review of Scientific Instruments,vol.77,no.5,pp.053107/1-6,2006)中提及透过厚度与量测穿透率间的理论关系来推算玻璃平板的厚度差异量，以0.7mm厚度的平板玻璃为例，整体厚度差异可达5μm。Gao等人于文献(L.Gao,C.H.Wang,Y.C.Li,H.F.Cong,and Y.Qu,“Investigation of Cross-Polarized Heterodyne Technique for Measuring Refractive Index and Thickness of Glass Panel,”Optics Communications,vol.283,pp.3310-3314,2010)中提及使用Zeeman激光但增加外差式干涉仪架设来同时量测平板玻璃的双折射特性以及厚度变化量；而Cheng与Liu于文献(H.C.Cheng and Y.C.Liu,“Simultaneous Measurement of Group Refractive Index and Thickness of Optical Samples Using Optical Coherence Tomography,”Applied Optics,vol.49,no.5,pp.790-797,2010)中则提及使用光学同调断层摄影法(Optical Coherence Tomography,OCT)配合3X3的光纤连结器来量测玻璃的群折射率以及厚度，厚度量测的误差大约为1.4％，群折射率则约为1.9％。上述文献的量测法中必须先已知折射率值，而Fathi与Donati于文献(M.T.Fathi and S.Donati,“Thickness Measurement of Transparent Plates by a Self-Mixing Interferometer,”Optics Letters,vol.35,no.11,pp.1844-1846,2010)中则提及使用自我结合干涉仪(Self-Mixing Interferometer,SMI)，不需预先得知折射率即可量测到玻璃的厚度值，量测的误差可准确至1.6％。然而，上述的量测法皆为单点量测，必须配合移动平台或使用步进马达进行待测透明材料扫描达到二维信息的获得。对此，Ri与Muramatsu于文献(S.Ri and T. Muramatsu,“A Simple Technique for Measuring Thickness Distribution of Transparent Plates from a Single Image by Using the Sampling MoiréMethod,”Measurement Science And Technology,vol.21,pp.025305_1-8,2010)中提及发展取样迭纹法(Sampling MoiréMethod)来进行同时瞬时二维厚度信息的量测，量测上的误差大约为1.9％，但归因于干涉的方式与光栅间距(Pitch)于光学上的限制，取样迭纹法无法量测到较微小的厚度变化。
由上述文献可知，量测较薄物体的厚度或物体厚度的较微小变化量时，激光干涉理论相当适用于此量测范围，惟无法同时符合快速在线检测的量测时间短及范围大等要求。
在细微的长度量测上，激光干涉为常规使用技术，因其量测精度可达光波波长级次以下，约为数十至数百奈米之间，且具有相当高的灵敏度。常见的激光干涉仪(Laser Interferometer)有麦克森(Michelson)干涉仪、太曼格林(Twyman Green)干涉仪、菲索(Fizeau)干涉仪及麦克詹达(Mach-Zender)干涉仪等，干涉行为主要由振幅分割的物光与参考光间的相位差分布决定，以直向角度进行量测，其点光源经过物镜与空间滤波器后，需藉由光学透镜组产生平行光照射待测物，其所得的干涉条纹并无固定规律性，故在量测时需要以精密平移台改变参考光的光程(Optical Path Length)以完成相移技术(Phase Shift Technique)，但相移过程所耗费的时间可能无法达成快速在线检测的目标，且其光路架设需要光学组件进行光波的振幅分割与反射以达到干涉，故量测区域也会受限于光学组件的尺寸。
鉴于光学可透光材料为现今科技中不可或缺的组件，随着轻薄化与大尺寸化的发展趋势，厚度的掌控将成为产品优劣关键因素之一。然而，一般量测厚度的激光干涉技术仅能单点量测，且 量测上需搭配相移技术进行厚度分析，因此必须撷取多张影像，且相移过程所耗费的时间并无法达成快速在线检测的目标，同时量测区域也会受限于光学组件的尺寸。故，一般无法符合使用者于实际使用时所需。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服已知技术所遭遇的上述问题，并提供一种厚度在线实时检测的光学干涉装置，一种光径(Optical Path)不需光学透镜组的技术，利用高同调性(Coherence)点扩束的球面光波以斜向角度照射待测试件进行瞬时且大范围面积的全场厚度量测，无需经过相移(Phase Shift)，光路简单且成本较低，适用于生产在线实时快速检测，并对不同制程生产的产品厚度进行量测。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种厚度在线实时检测的光学干涉装置，该装置包括：光源，用以产生高同调性点扩束的球面光波；屏幕，设置于该光源前方，用以将高同调性点扩束的球面光波自斜向角度照射一待测试件时产生的干涉条纹成像于其上；影像撷取单元，设置于该屏幕前方，用以撷取该屏幕上的干涉条纹并转换为数字影像；以及影像处理模块，与该影像撷取单元连结，用以分析干涉条纹的数字影像并进行数值计算，以取得该待测试件的全场厚度分布。
所述待测试件设置于该光源与该屏幕之间，以斜向角度接受高同调性点扩束的球面光波的照射。
所述待测试件光源波长可穿透材料，可为玻璃基板或透明塑料基板，该透明塑料基板为聚乙烯对苯二甲酸酯、聚苯二甲酸乙二酯或聚碳酸酯。
所述待测试件为非可见光透明材料，可为硅晶圆或金属薄膜，且当该待测试件为硅晶圆时，该光源为红外线激光。
所述影像处理模块包括：软件分析单元，用于厚度量测、读取数字影像以及绘图分析，将该干涉条纹中包含厚度的信息，经由影像处理进行数值计算；以及软件绘图单元，用于将该软件分析单元处理后的数值进行分析以及资料可视化，绘示出该待测试件的全场厚度分布。
所述影像处理模块以一软件分析单元自该干涉条纹的数字影像中萃取出相位差的分布，并藉由空间中的几何关系计算出该待测试件各个位置入射光的角度，以推算出对应的厚度，对光波长λ透明的材料厚度与入射光角度、折射率与相位差间的关系为：
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其中，t(x,y)为该待测试件上各个位置的厚度；n为该待测试件在光波长λ的折射率；θi(x,y)为当高同调性点扩束的球面光波以斜向角度照射时该待测试件各个位置的光入射角；λ为光源的波长；以及![]()
为干涉相位差。
所述为了将入射角表示为该待测试件前表面的位置函数，假设光源与该待测试件上某一等高度参考点(xc,yc)间的水平距离为D，垂直距离为L，则高同调性点扩束的球面光波与该待测试件间的斜向角度表示为如下关系：
θiO=tan-1DL,]]>
因此，高同调性点扩束的球面光波入射至该待测试件前表面任意一点(x,y)的入射角关系为：
θi(x,y)=tan-1[(x-xc-D)2+(y-yc)2L].]]>
所述待测试件接受高同调性点扩束的球面光波的照射的斜向 角度介于16-18°之间，且变动在±20％以内。
所述光源由激光光源、光束提升与转折器及空间滤波扩束器所组成，该激光光源用以产生激光束，该光束提升与转折器设置于该激光光源与该空间滤波扩束器之间，用以引导该激光束至所需高度及方向，而该空间滤波扩束器设置于该光束提升与转折器前方，用以过滤光场中的空间噪声，并均匀地扩展该激光束，使其形成大范围球面光波前。所述空间滤波扩束器由物镜配合针孔所组成，该光束提升与转折器可由三反射镜所组成，每一反射镜皆具有二个旋转方向的自由度。
该装置更进一步包括夹持组件，用以达到对该待测试件固定其位置的目的，使该待测试件可以斜向角度接受高同调性点扩束的球面光波的照射。
如此，本装置可对待测试件以非接触及非破坏性方式进行量测，量测方式是使光波以斜向角度照射，光径(Optical Path)系为点到面，其干涉条纹直接与待测试件的厚度相关，无需使用透镜，无需经过相移(Phase Shift)，不仅成本较低，更可使本发明达成快速在线检测的目标，且由于入射角在同一横断面上会由左而右呈现连续递增函数的分布，使得相位差会由左而右呈现连续单调(monotonic)递减函数的分布，根据此固定规律性可有效地进行相位展开，进而可有较大地量测区域；因此，本发明提供了一种光径不需光学透镜组的技术，利用高同调性点扩束的球面光波以斜向角度照射进行瞬时且大范围面积的全场厚度量测，故适用于实时在线检测。
附图说明
图1是本发明的硬件架构示意图。
图2是本发明的光路安排示意图。
图3是本发明光波与待测试件间的三维关系示意图。
图4是本发明仿真非均匀厚度透明物体的厚度分布示意图。
图5是本发明施加的光波照射的斜向角度为15°的模拟干涉条纹示意图。
图6是本发明施加的光波照射的斜向角度为40°的模拟干涉条纹示意图。
图7是本发明玻璃基板的干涉条纹影像示意图。
图8是本发明玻璃基板的全场厚度量测结果示意图。
图9是本发明镀膜玻璃基板的干涉条纹影像示意图。
图10是本发明镀膜玻璃的全场厚度量测结果示意图。
标号说明：
光源1 激光光源11
光束提升与转折器12 空间滤波扩束器13
屏幕2 影像撷取单元3
影像处理模块4 软件分析单元41
软件绘图单元42 待测试件5
前表面51 后表面52
具体实施方式
请参阅图1至图3所示，分别为本发明的硬件架构示意图、本发明的光路安排示意图、及本发明光波与待测试件间的三维关系示意图。如图所示：本发明为一种厚度在线实时检测的光学干涉装置，其包括光源1、屏幕2、影像撷取单元3及影像处理模块4所组成。
上述所提的光源1可由激光光源11、光束提升与转折器12及空间滤波扩束器13所组成，该激光光源11用以产生激光束，该光束提升与转折器12设置于该激光光源11与该空间滤波扩束器13之间，可由三反射镜所组成，每一反射镜皆具有二个旋转方向的自由度，用以引导该激光束至所需高度及方向，而该空间 滤波扩束器13设置于该光束提升与转折器12前方，由物镜配合针孔所组成，用以过滤光场中的空间噪声，并均匀地扩展该激光束，使其形成大范围球面光波前，产生高同调性(Coherence)点扩束的球面光波。
该屏幕2设置于该光源1前方，用以将高同调性点扩束的球面光波自斜向角度照射一待测试件5时产生的干涉条纹成像于其上。其中，该待测试件5设置于该光源1与该屏幕2之间，位于该空间滤波扩束器13前方并与该空间滤波扩束器13光轴方向有一斜向角度，使该待测试件5以斜向角度接受高同调性点扩束的球面光波的照射。
该影像撷取单元3设置于该屏幕2前方，用以撷取该屏幕2上的干涉条纹并转换为数字影像。
该影像处理模块4与该影像撷取单元3连结，且包括软件分析单元41，用于厚度量测、读取数字影像以及绘图分析；及软件绘图单元42，用于将该软件分析单元41处理后的数值进行分析以及资料可视化。该影像处理模块4以该软件分析单元41分析干涉条纹的数字影像，将该干涉条纹中包含厚度的信息，经由影像处理进行数值计算，最后由该软件绘图单元42绘示出该待测试件5的全场厚度分布。如是，藉由上述揭露的结构构成全新的厚度在线实时检测的光学干涉装置。
上述装置更进一步包括夹持组件，用以达到对该待测试件5固定其位置的目的，使该待测试件5可以斜向角度接受高同调性点扩束的球面光波的照射。但当实际应用于生产在线将不需额外的夹持组件即可量测，因此未于图中显示。
本发明以扩束激光以一角度入射物体时所产生的干涉条纹中发现干涉条纹间距与厚度间变化的规则性，因此提出一种新的厚度量测理论，即角度入射干涉术(Angular Incidence Interferometry,AII)，量测上使用斜向角度，仅须撷取一张干涉条纹影像即可进行分析，其光路架设简易，无光学组件限制量测区域，又取像设备限制性低，且量测精度随取像设备质量而提升，藉此可达到瞬时且大范围面积的全场厚度量测的目的。当本发明使用高同调性点扩束的球面光波以斜向角度照射可透光(包含非可见光波段)对象时，在对象前后表面的反射光会互相干涉，最后在屏幕上产生特殊干涉条纹，本发明经由特定分析方法，即可由干涉条纹影像推算出此对象的全场厚度分布，此实时且全域性的材料厚度量测方法，使得干涉条纹直接与待测试件的厚度相关，量测上不需进行相移且架设简易，可直接透过干涉条纹分析得到全场厚度分布，适用于生产线的快速检测，并对不同制程生产的产品厚度进行量测。
于一具体实施中，以He-Ne激光作为激光光源11，其模态为TEM00，功率为35毫瓦(mW)，及波长为632.8奈米(nm)，并以图1中虚线代表激光光源的行进路径，惟此虚线仅为光源中心的行进路径，实际上当光源通过该空间滤波扩束器13后乃形成为一扩散的扩束光。当运用时，首先He-Ne激光发出的激光束会经由该光束提升与转折器12的引导而水平射入该空间滤波扩束器13中，通过该空间滤波扩束器13的光束会形成大范围球面光波前，产生高同调性点扩束的球面光波，当此高同调性点扩束的球面光波通过该待测试件5时，如图2所示，一部分会在该待测试件5的前表面51反射，另一部分遵循司乃耳定律(Snell’s Law)穿透该待测试件5，并在其内部传播至后表面52反射，此两道光最后会在该屏幕2上同一位置交会，由于每对干涉光之间存在相位差异，因此会在该屏幕2上产生明暗相间的干涉条纹，接着使用该影像撷取单元3(如：数字相机)撷取此干涉条纹影像并传输至该影像处理模块4(如：计算机)中， 以该软件分析单元41分析影像并进行数值计算，最后由该软件绘图单元42绘出该待测试件5的全场厚度。
承上述，在本发明中所观察到的干涉条纹中即包含了厚度的信息，须以该软件分析单元41自该干涉条纹的数字影像中萃取出相位差的分布，并藉由空间中的几何关系计算出该待测试件5各个位置入射光的角度，俾以推算出对应的厚度，对光波长λ透明的材料厚度与入射光角度、折射率与相位差间的关系为：
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其中，t(x,y)为该待测试件5上各个位置的厚度；n为该待测试件5的折射率；θi(x,y)为当高同调性点扩束的球面光波以斜向角度照射时该待测试件5各个位置的光入射角；λ为光源1的波长；以及![]()
为干涉相位差。
进一步参阅3图，其为光波与待测试件的空间关系图，为了将入射角表示为该待测试件5前表面51的位置函数，假设该空间滤波扩束器13与该待测试件5上某一等高度参考点(xc,yc)间的水平距离为D，垂直距离为L，则此经该空间滤波扩束器13产生的高同调性点扩束的球面光波与该待测试件5间的斜向角度可表示为如下关系：
θiO=tan-1DL,]]>
因此，经该空间滤波扩束器13产生的高同调性点扩束的球面光波入射至该待测试件5前表面51任意一点(x,y)的入射角可表示为如下关系：
θi(x,y)=tan-1[(x-xc-D)2+(y-yc)2L]]]> 因此，只要能够正确地将其中所撷取到的干涉条纹影像相位以及得知影像中各个像素点所对应至该待测试件5的实际位置，便可以由前述两个关系计算出全场的玻璃厚度。
请参阅图4至图6所示，分别为本发明仿真非均匀厚度透明物体的厚度分布示意图、本发明施加的光波照射的斜向角度为15°的模拟干涉条纹示意图、及本发明施加的光波照射的斜向角度为40°的模拟干涉条纹示意图。如图所示：本发明在此将模拟非均匀厚度的透明物体于光波以不同斜向角度照射下产生的干涉条纹做说明，图4为此物体的厚度分布，施加的光波照射的斜向角度为15°与40°的干涉条纹分别如图5及图6所示。从图6中可看出条纹的走向较具规律性，在横断面上的干涉条纹光强亦呈现近似余弦函数的周期分布，因此可以推断在每一横断面上的相位差具有稳定的变化趋势，而图5的条纹分布则较复杂，故在本发明中厚度分析皆以适当施加的光波照射的斜向角度下的干涉条纹为主，尤以角度介于16-18°之间为佳，且变动在±20％以内。
请参阅图7及图8所示，分别为本发明玻璃基板的干涉条纹影像示意图、及本发明玻璃的全场厚度量测结果示意图。如图所示：图7中(a)、(b)及(c)依序为编号G1、G2及G3的玻璃试片的干涉条纹影像，可看出三者皆非均匀厚度下规律变化的干涉条纹，且试片间的厚度分布皆不相同，透过软件分析单元进行分析，即可由图7的干涉条纹推算出各试片的厚度分布，结果分别如图8中(a)、(b)及(c)所示。
在图8(a)中，G1试片纵向的厚度变化大于横向，整体厚度不均现象呈现横向平行的带状分布，而全场厚度最大值与厚度最小值的差值(以下简称全场最大厚度差)为1.2微米(μm)。图8(b)显示G2试片与G1试片有相似的结果，即厚度不均现象同样 呈现横向平行的带状分布，惟试片底部附近有一厚度相对较大的块状区域，全场最大厚度差亦为1.2μm。从图8(c)中可看出，G3试片的厚度分布明显不同于G1与G2，厚度变化主要发生于横向方向，整体厚度不均呈现纵向平行的带状分布，全场最大厚度差为0.8μm。
请参阅图9及图10所示，分别为本发明镀膜玻璃基板的干涉条纹影像示意图、及本发明镀膜玻璃的全场厚度量测结果示意图。如图所示：图9中(a)、(b)及(c)依序为编号CG1、CG2及CG3的镀膜玻璃试片的干涉条纹影像，同样可看出试片皆具有厚度不均的情况。分析条纹得到的厚度分布分别如图10中(a)、(b)及(c)所示，可看出此三片试片整体的厚度不均现象皆呈现横向平行的带状分布，惟CG1试片底部附近有一厚度相对较大的块状区域，而CG3试片的较大厚度区域所占比例为最高，涵盖了试片上半部的范围。另外，三者全场最大厚度差分别为1.9μm、1.4μm以及4.6μm，其平均值大于前述玻璃基板的结果，由此可分析镀膜的制程可能会使玻璃基板厚度不均的现象更加剧烈。
由上述量测结果可知，市面上所使用的玻璃基板确实具有厚度不均的现象，而在同一生产流程下制造的玻璃基板厚度不均程度亦不尽相同，因此薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD)的光源不均(Mura)现象的确有可能与玻璃基板组件厚度不均之间存在某特定关系。
另外，本发明待测试件为光源波长可穿透材料，除了上述所提的玻璃基板之外，本发明的技术亦可应用于软性显示器中透明塑料基板的厚度量测，常见的塑料材料为聚乙烯对苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate,PET)、聚苯二甲酸乙二酯(Polyethylene naphthalate,PEN)与聚碳酸酯 (Polycarbonate,PC)等，厚度介于0.5-1毫米(mm)之间，且变动在±20％以内；并且，本发明量测材料并不局限于可见光透明，亦可为硅晶圆或金属薄膜，且当该待测试件为硅晶圆时，该激光光源为红外线激光。
藉此，本发明为一种同时符合快速在线检测的量测时间短及范围大等要求的厚度在线实时检测的光学干涉装置，可对待测试件以非接触及非破坏性方式进行量测，量测方式是使光波以斜向角度照射，光径(Optical Path)系为点到面，其干涉条纹直接与待测试件的厚度相关，无需使用透镜，无需经过相移(Phase Shift)，不仅成本较低，更可使本发明达成快速在线检测的目标，且由于入射角在同一横断面上会由左而右呈现连续递增函数的分布，使得相位差会由左而右呈现连续单调(monotonic)递减函数的分布，根据此固定规律性可有效地进行相位展开，进而可有较大地量测区域；因此，本发明是提供一种光径不需光学透镜组的技术，利用高同调性点扩束的球面光波以斜向角度照射进行瞬时且大范围面积的全场厚度量测，故适用于实时在线检测。
综上所述，本发明为一种厚度在线实时检测的光学干涉装置，可有效改善现有技术的种种缺点，提供一种光径(Optical Path)不需光学透镜组的技术，利用光波以斜向角度照射进行瞬时且大范围面积的全场厚度量测，无需经过相移(Phase Shift)，光路简单且成本较低，适用于实时在线检测，进而使本发明能产生更进步、更实用及更符合使用者时所须，确已符合发明专利申请的要件，依法提出专利申请。
惟以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围。故，凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。