TW499576B - Illumination device, and coordinate measuring instrument having an illumination device - Google Patents

Description

499576 五、發明説明（1 ) 發明背景 發明領域 本發明關於一種具有申請專利範圍第1項獨立項前之特 性的照明裝置。本發明也關於一種具有照明裝置及申請專 利範圍第5項獨立項前之特性的座標測量儀器。各附屬項 之申請專利範圍中列舉了有利的實施例。 相關技術說明 於半導體晶片的製程中，因爲封裝密度持續增高使個 別器件的寬度變得更小。對應到愈來愈小的結構，對用 來當作測量及檢驗系統以便測量器件邊緣和器件位置以 及用於測量器件寬度之座標測量儀器規格的要求會變得 更嚴格。對這類座標測量儀器而言更偏好光學感知方法 ，雖則其器件寬度已小於用於測量及檢驗的光波長。理 由是使用光學感知方法的測量系統賓質上會比使用例如 電子束之類其他感知方法的系統更容易。 不過，因爲受測器件變得愈來愈小，故而對光學系統 性能特別是解析率的要求會變得更嚴格。例如，爲了允 許對器件寬度及邊緣輪廓之類施行光學的可重現測量， 必需使測量場域受到儘可能均勻的照射作用。 由波導操作以產生均勻照明場域爲已知的照明裝置。 例如，於Leica Microsystems AG公司製造其型號爲 Leica® LMS IPR0的座標測量儀器中使用了這種照明裝 置。 於這種照明裝置中，光源的光係經由具有很小數値孔 499576 五、發明説明（2 ) 徑（例如NA = 0 . 1 8 )之耦入式光學系統挑選出的並耦合於多 模光學波導之內。所使用的光源是100瓦的汞-氙放電燈 。該多模光學波導具有0.4毫米的小核心直徑且公稱數値 孔徑爲ΝΑ=0·21。然後利用導管透鏡及50倍的平-複消色 差（PLAN - ΑΡΟ 5 0Χ )物鏡依已知方式經由耦出式光學系統對 樣本施行柯勒（K6hler)-照明。使直徑爲0.056毫米的影像 場域接受這種照明裝置的照射。本文中爲了以大槪數個百 分點的不均勻度達成均勻的照明，故只藉由多模光纖挑選 出很小的數値孔徑爲NA=0 . 1 2。這會對應到大槪7 °的半 角。結果，只使用了由光纖之放射特徵曲線構成的區域， 其中光的強度只會隨著放射角度的函數產生數個百分點的 變化。 已知照明裝置的優點是，能夠將同時屬強熱源的光源完 全配置在實際的測量地點外面距離受測樣本很遠處。因此 使溫度對該座標測量儀器之測量準確度的影響最小化。在 此同時’經由有彈性的光學波導將該照明光輸送到任何必 要的測量地點上。 已知照明裝置的缺點是，因爲該多模光纖之放射特徵曲 線的緣故’使得所發射的光強度只改變數個百分點等級的 角度區域是非常窄小的。然而若必需使較大的場域受到照 射’其必須對應地使用具有較大直徑的光纖。光纖的剛性 會隨著直徑的增大而急劇地增高。對未來的座標測量儀器 而言’例如必要的是受到均勻照射的影像場域爲〇 . 35毫 米。這會需要使用其核心直徑大於1毫米的光纖以便在該 -4- 五、發明説明（3 ) 影像場域內達成足夠的均勻度。不過，其核心直徑大於1 毫米的光纖會因爲其剛性而不再實用。 發明之扼要說昍 因此’本發明的目的是說明一種座標測量儀器用照明裝 置’而能夠以比至目前爲止大很多的影像場域施行均勻照 明’同時其中只發生了較小的光耗損。同時企圖使受照射 之影像場域內的亮度差異是非常小的。 本發明的目的係藉由一種照明裝置達成的，該照明裝置 係含有：光源；光學波導；耦入式光學系統，係用於使光 源的光耦合於該光學波導的第一端點內；耦出式光學系統 ’係用於使從該光學波導的第二端點出現的光耦合出來； 以及照明用光學系統，係用於接收從該耦出式光學系統出 現的光並用來照射該影像場域；其中根據本發明： a)將光纖束係配置成光學波導的形式；且其中 b )在耦出式光學系統與照明用光學系統之間配置有均勻 化光學系統以便使從光纖束出現之光的影像場域內不均勻 的強度分布均勻化。 本發明的有利實施例是申請專利範圍中各附屬項目的主 題。 根據本發明的照明裝置使用的是一種光學波導。光源的 光係經由具有最大可能數値入口孔徑（例如ΝΑ = 0.60 )的放大 用耦入式光學系統而挑選出並使之耦合於該光學波導之內 。這已構成與已知照明裝置的差異，其中光源的光係經由 具有很小孔徑的耦入式光學系統挑選出並使之耦合於該光 499576 五、發明説明（4 ) 學波導之內。由於該燈上最亮部分的最大可能角度係於根 據本發明的照明裝置內挑選出的，故在強度上達成了明確 的增益。 但是爲了排除使用具有極大核心直徑之光纖亦即光學波 導的需求，而替代地使用光纖束。根據本發明，由均勻化 光學系統將從該光纖束發射出通常不具有令人滿意之強度 分布的光轉換成一種所謂的「平頂」（或「超高斯」）分 布。 吾人能夠使用折射式透鏡陣列、全像式光學元件（HOEs) 、繞射式光學元件（DOEs)、蜂巢式聚光器、或由透鏡陣列 及擴散碟構成的組合之類當作均勻化光學系統。 不過已證明用於均勻化光學系統的最佳化解決方法是 一種由微型蜂巢式聚光器及透鏡構件構成的接續配置。 該微型蜂巢式聚光器係包括兩個相互黏接的石英板，每 一個石英板都在外部表面上含有由平凸微型透鏡構成的 密集陣列，這兩個外部表面係依倒置方式落在個別相對 外部表面上各微型透鏡的聚焦平面內。均勻度會隨著經 貫通照射之微型透鏡數目的增大而趨近最佳化狀態。這 種影像場域內亮度的最佳化均勻度不會因爲任何進一步 增加微型透鏡數目的作用而產生可估計的改良。 本發明的另一目的是說明一種含有照明裝置的座標測 量儀器’以便能夠對比先前大很多的影像場域施行均勻 的照明；同時其中只發生了很小的光耗損。同時企圖使 受照射之影像場域內的亮度差異是非常小的。 499576 五、發明説明（5 ) 這個目的係藉由一種含有用於收納具有待測器件之基 板之水平χ-γ可位移測量平臺的座標測量儀器達成的，該 座標測量儀器係含有：具有光源的照明系統；光學波導； 位於該光學波導之前的耦入式光學系統；位於該光學波導 之後的耦出式光學系統；以及用來照射該影像場域的照 明用光學系統；且含有用來定出該器件位置的偵測器裝置 :其中根據本發明：

a)將光纖束係配置成光學波導的形式；且其中 b )在耦出式光學系統與照明用光學系統之間配置有均 勻化光學系統以便使從光纖束出現之光的影像場域內不 均勻的強度分布均勻化。 本發明的有利實施例是申請專利範圍中各附屬項目的主 題。

由於從光導發射出之光的強度分布不致因爲使用本發明 的均勻化光學系統而對該影像場域內的強度輪廓造成進一 步的影響，故能夠使用包括很多單獨光纖的光纖束以取代 一個具有極大核心直徑的單獨光纖。這種型式的光導即使 在其直徑極大時也具有很低的剛性。於各單獨光纖的例子 裡’其放射特徵曲線會強烈地取決於光纖的曲率狀態而需 要更多校準的努力。另一方面，光纖束具有較低的曲率靈 敏度°比較上最佳的光平衡（亦即該影像場域內光之總強度 與由光纖發射出之光強度的商數）係落在藉由透鏡陣列施行 的均勻化作用上。 以根據本發明的照明裝置，在〇 . 60的數値孔徑下達成最 五、發明説明（6 ) 小直徑爲0 . 35毫米而受到均勻照射的影像場域。其照明不 均勻度是少於其最大強度與最小強度之間平均値的± 2%。 如是能夠於根據本發明的座標測量儀器內，測量出與半 導體工業中石版印刷遮罩之器件同樣大之受到均勻照射的 影像場域。結果，例如不再需要重新聚焦以回應器件平面 上因爲製程相關的遮罩厚度容忍度而發生的位置改變。這 裡，再次使其照明不均勻度是少於其最大強度與最小強度 之間平均値的± 2%。特別是在極大遮罩下，這會在測量準 確度上產生明確的改良。 圖式之簡單說明 以下將參照各附圖對解釋用實施例作詳細說明以解釋 本發明。各附圖中，類似的元件係標示以相同的符號。 第1圖顯示的是一種用於透射光照明系統之照明裝置的 光學圖。 第2圖顯示的是第1圖中「X」部位的細部放大圖，亦即 穿過蜂巢式聚光器的截面圖示。 第3圖顯示的是一種用於入射光照明系統之照明裝置的 光學圖。 第4圖顯示的是一種含有由包括根據本發明之透射光照 明裝置之入射光及透射光照明系統構成之組合的座標測量 儀器。 第5圖顯示的是對不同的遮罩厚度而言在第4圖之透射 光照明裝置之前及之後的射束路徑示意圖。 較佳實施例的詳細說明 發明説明（7 ) 第1圖顯示的是一種根據本發明之照明裝置的光學圖， 此例中特別指的是能夠用於例如座標測量儀器或步進器 的透射光照明系統。 含有光軸2的透射光照明光束路徑從光源1延伸出來。 光源1的光係經由具有最大可能數値入口孔徑（例如NA = 0 · 60 )的放大用耦入式光學系統3而挑選出並使之耦合於光 學波導之內。其中係使用光纖束4當作該光學波導。 耦出式光學系統5 (較佳的是建造成消色差的）會使從光纖 束4發射出來的光準直化，而保持從光纖束4發射出來之 光的不均勻強度分布。因此根據本發明，當已準直化的光 從該耦出式光學系統5出射時將之引導到均勻化光學系統6 之上，而將不均勻的強度分布轉換成一種所謂的「平頂」 (或「超高斯」）分布。 於本解釋用實施例中，均勻化光學系統6係包括：微型 蜂巢式聚光器7 ;以及透鏡構件8，係用來使光纖束4的出 射開口 9重疊於中間影像平面1 0內以形成均勻的中間影 像。 第2圖顯示的是第1圖中「X」部位的細部放大圖，亦即 穿過蜂巢式聚光器7的截面圖示。微型蜂巢式聚光器7的 前方外部表面13(參見第1圖之左邊）係落在該耦出式光學 系統5的聚焦平面上。 微型蜂巢式聚光器7係包括相互黏接在一起的第一平面 石英板11及第二平面石英板12。該第一石英板11及第二 石英板1 2之間的黏接表面1 4係繪製得不成比例的厚。 499576 五、發明説明（8 ) 第一石英板11的外部表面13構成了微型蜂巢式聚光器7 的前方側邊，而來自耦出式光學系統5的光會入射其上。 第二石英板1 2的外部表面1 5構成了微型蜂巢式聚光器7 的後方側邊，而光會再次出現於此。 平凸式微型透鏡（正透鏡）1 6係依蜂巢式配置蝕刻到第一 石英板1 1的外部表面1 3以及第二石英板1 2的外部表面 1 5。其蝕刻作用係藉由石版印刷法而完成的。兩個外部表 面1 3和1 5係依倒置方式落在個別相對外部表面13和1 5 上各微型透鏡16的聚焦平面內。 結果會在微型蜂巢式聚光器7的後方表面上得到光纖束 4之出射開口 9的多重影像。該多重影像的數目會對應到 受貫穿照明之微型透鏡1 6的數目。該多重影像的尺寸係 藉由消色差光學系統5之焦距比及微型透鏡1 6之焦距定出 的。 第1圖顯示的是光束路徑的連續性。然後透鏡構件8(較 佳的是建造成消色差的）會依重疊方式使微型蜂巢式聚光 器7之前方外部表面1 3上微型透鏡1 6的橫截面成像於中 間影像平面10內。若選出足夠大數目的微型透鏡16，這種 重疊作用會確保非常均勻的中間影像。 然後利用配置成照明光學系統之聚光器1 7使已均勻化 的中間影像以縮小的尺寸成像於透射光樣本1 8之內。在 此同時，藉由聚光器1 7使微型蜂巢式聚光器7的出射表面 成像於無限遠處。因此，於透射光樣本1 8上得到了樣本 場域的必要均勻照明。該透射光樣本1 8可能是例如一種 -10- 發明説明（9 ) 座標測量儀器的測量場域或是顯微平臺上的標本。 第3圖顯示的是一種根據本發明之照明裝置的光學圖， 此例中特別指的是能夠用於例如座標測量儀器或步進器 的入射光照明系統。 具有光軸2的入射光照明光束路徑從光源1延伸出來。 光源1的光係經由具有最大可能數値入口孔徑（例如NA = 0 . 60 )的放大用耦入式光學系統3而挑選出並使之耦合於 光學波導之內。其中係使用光纖束4當作該光學波導。 首先利用耦出式光學系統5 (較佳的是建造成消色差的） 便從光纖束4發射出來的光準直化。保持從光纖束4發射 出來之光的不均勻強度分布。因此根據本發明，當已準直 化的光從該耦出式光學系統5出射時將之引導到屬均勻化 光學系統6 —部分的微型蜂巢式聚光器7之上，而將不均 勻的強度分布轉換成一種所謂的「平頂」（或「超高斯」） 分布。 如同已說明的，會在微型蜂巢式聚光器7的後方表面上 得到光源（亦即光纖束4之出射開口 9 )的多重影像。該多 重影像的數目會對應到受貫穿照明之微型透鏡1 6的數目。 然後透鏡構件8(較佳的是建造成消色差的）會依重疊方式 使微型蜂巢式聚光器7之前方外部表面13上微型透鏡16 的橫截面成像於中間影像平面1 0內。若選出足夠大數目的 微型透鏡1 6，這種重疊作用會確保非常均勻的中間影像。 然後，利用其間配置有分光器21之透鏡組1 9與配置成 照明光學系統之物鏡20，使已均勻化的中間影像以縮小 五、發明説明（]0) 的尺寸成像於入射光樣本22之上；並使扮演著瞳孔角色 之微型蜂巢式聚光器7的後方外部表面成像於樣本空間的 無限遠處。因此，於入射光樣本22上得到了樣本場域的 必要均勻照明。該透射光樣本22可能是例如一種座標測 量儀器的測量場域或是顯微平臺上的標本。 第4圖顯示的是一種含有由包括根據本發明之透射光照 明裝置之入射光及透射光照明系統構成之組合的座標測 量儀器。 所描繪之座標測量儀器係含有安裝於振動阻尼器24,25 上的花崗岩塊23。建造成框架形式之測量平臺26係於花 崗岩塊2 3上依滑動方式沿著X和Y方向（圖中由兩個箭號 標示出）可在空氣軸承27，28上位移的。有利的是該測量平 臺26的框架係由具有低熱膨脹係數之玻璃陶瓷製成的。 圖中未標示出用於該測量平臺26的驅動元件。該測量平 臺2 6的位置係以雷射干涉儀2 9沿著X和Y方向測量得 的。 將遮罩30設置於測量平臺26的框架之內。遮罩30係由 例如石英玻璃製成的。將各器件3 1加到該遮罩表面上。由 於該測量平臺26係建造成框架形式，故能夠從底下對遮罩 30施行照明。 落在該遮罩30上方用來當作成像系統的是具有極高光學 品質且係在Z方向上沿著光軸呈可調整的以便進行聚焦的 物鏡20。一方面藉由分光鏡32將入射光光源33的光引進 光學射束路徑之內，另一方面使成像射線指向偵測器裝置 -12- 499576 五、發明説明（π) 34之上。該偵測器裝置34是例如一種具有高解析度畫素陣 列的CCD照相機。入射光光源33會發射出例如落在近紅外 光波譜區域之內的光。藉由該偵測器裝置34，將器件3 1的 位置定爲該遮罩30上的座標。 將含有具可調高度之聚光器Π及光源1的透射光照明裝 置設置於花崗岩塊23之內當作另一個照明裝置。透射光照 明光束路徑含有從光源1延伸出來的光軸2。光源1的光係 經由具有最大可能數値入口孔徑（例如ΝΑ = 0.60 )的放大用耦 入式光學系統3而挑選出並使之耦合於光學波導之內。依 這種方式挑選出光源內特別大量額的光，但是此光會橫越 這種極大的孔徑呈現出特別大的強度不均勻性。利用耦入 式光學系統3使已挑選出的光耦合於光學波導之內。其中 係使用光纖束4當作該光學波導。 耦出式光學系統5(較佳的是建造成消色差的）會使從光 纖束4發射出來的光準直化，而保持從光纖束4發射出來 之光的不均勻強度分布。因此根據本發明，當已準直化的 光從該耦出式光學系統5出射時將之引導到均勻化光學系 統6之上，而將不均勻的強度分布轉換成一種所謂的「平 頂」（或「超局斯」）分布。 於本解釋用實施例中，均勻化光學系統6係包括：微型 蜂巢式聚光器7 ;以及透鏡構件8，係用來使光纖束4的出 射開口 9重疊於中間影像平面1 〇內以形成均勻的中間影像 。以這種具有該均勻化光學系統的實施例，即使因爲該耦 入式光學系統之極大數値孔徑的結果而發生嚴重的強度差 -13- 499576 五、發明説明（]2) 異，吾人也能夠非常有效地使之均勻化μ:剩餘的照明不 均勻度只會少於其最大強度與最小強度之間平均値的± 2% 。這會在各器件3 1座標的測量準確度上造成明確的改良， 特別是具有極大遮罩3 0的情況下。 聚光器1 7的光軸會與物鏡20的光軸2對齊。調整聚光 器1 7的高度扮演的角色是使將要指向器件3 1之上的照明 射線適應遮罩30的不同光學厚度。特別是，該聚光器的拾 訊器會延伸到該測量平臺框架的開放部分之內。不過，爲 了保護測量平臺在進行橫越整個遮罩表面的位移時不致受 到破壞，也能夠將聚光器1 7拉到花崗岩塊23表面以下。 能夠使光源1和33依互爲無關的方式進行切換。 第5圖顯示的是在座標測量儀器之透射光照明裝置聚光 器之前及之後的射束路徑示意圖，特別是具有不同厚度的 遮罩而言。圖中顯示的是具有光軸2的聚光器7。並標示出 用於定向的中間影像平面1 0。 使聚光器17移進靠近安裝於該測量平臺框架26之開放 框架上的遮罩30處。遮罩30含有落在上而面朝遠離聚光 器17之上邊35上的各器件31。該遮罩30上邊35係受到 其光強度非常均勻之特定影像場域的照射。受到均勻照射 之影像場域例如在0.60之數値孔徑下具有〇 . 35毫米的最 小直徑。 同時以虛線標示出的是含有上邊35'的較厚遮罩301。 其上邊35'係明顯地離聚光器更遠。由於該照明裝置達成 了極大的均勻影像場域，故即使在較厚遮罩3(Γ下該影像場 -14- 499576 五、發明説明（ 13) 域也足夠用於測量上邊35'的位置以便定出器件平面之座落 地點。結果 ，不需要對肇因於製程相關的遮罩厚度容忍度 必然使器件平面發生位置變化而進行重新聚焦。 雖然本發明完全係參照各解釋用實施例加以說明的。然 而很明顯的熟悉習用技術的人應該能在不偏離本發明所附 申請專利範圍下作各種改變及修正。特別是，能夠將根據 本發明的照明裝置用於任意型式的測量及檢查系統、顯微 鏡、及步進器等之內。 符號之說明 1...... 光源 2...... 光軸 3...... 耦入式光學系統 4...... 光纖束 5...... 耦出式光學系統 6...... 均勻化光學系統 7...... 微型蜂巢式聚光器 8...... 透鏡構件 9...... 光纖束的出射開口 10..... 中間影像平面 11..... 第一石英板 13..... 微型蜂巢式聚光器的前方外部表面 14..... 黏接表面 15..... 微型蜂巢式聚光器的後方外部表面 16..... 平凸式微型透鏡 -15-

499576 五、發明説明（14) 17.. ...聚光器 1 8 .....透射光樣本 19 .....透鏡組 20 .....物鏡 21 .....分光器 2 2.....入射光樣本 23 .....花崗岩塊 24 .....振動阻尼器 25 .....振動阻尼器 2 6 .....測量平臺 2 7 .....空氣軸承 28 .....空氣軸承 29 .....雷射干涉儀 30,3(Τ .遮罩 31 .....器件 32 .....分光鏡 3 3 .....入射光光源 34 .....偵測器裝置 35 ·....遮罩上邊 35 \ 遮罩上邊 36.. ...測量平臺 -16-

Claims (1)

1. 499576 - 六、申請專利範圍 1 . 一種照明裝置，係含有： -光源（1 ); -光學波導； -耦入式光學系統（3 )，係用於使光源的光耦合於該光 學波導的第一端點內； -耦出式光學系統（5)，係用於使從該光學波導的第二 端點出現的光耦合出來；以及 -照明用光學系統（17; 20)，係用於接收從該耦出式光 學系統（5 )出現的光並用來照射該影像場域； 其特徵爲： a )將光纖束（4 )配置成光學波導；且其中 b )在耦出式光學系統（5 )與照明用光學系統（1 7 ; 20 ) 之間配置有均勻化光學系統（6 )以便使從光纖束（4 )出 現之光的影像場域內不均勻的強度分布均勻化。 2 .如申請專利範圍第1項之照明裝置，其中該均勻化光 學系統（6 )係包括：微型蜂巢式聚光器（7 );以及透鏡 構件（8 )，係用來使光纖束（4 )的出射開口（ 9 )重疊於中 間影像平面（1 0 )內以形成均勻的中間影像。 3 .如申請專利範圍第1項之照明裝置，其中該光源（1 )的 光係經由具有最大可能數値入口孔徑的放大用耦入式 光學系統（3 )而挑選出並使之耦合於該光纖束（4 )之內。 4.—種座標測量儀器，係含有： -X - Y測量平臺（26 )，係用於收納具有待測器件（3 1 )之 基板； -17- 499576 々、申請專利範圍 -照明系統，具有光源（1 )光纖束（4 )、耦入式光學系 統、親出式光學系統、用來照射影像場域的照明用 光學系統（17;20);以及 -偵測器裝置（1 4 )，係含有用來定出該器件位置； 其特徵爲： a )將光纖束（4 )係配置成光學波導；且其中 b )在耦出式光學系統（5 )與照明用光學系統（1 7 ; 20 ) 之間配置有均勻化光學系統（6 )以便使從光纖束（4 )出 現之光的影像場域內不均勻的強度分布均勻化。 5 ·如申請專利範圍第4項之座標測量儀器，其中該均勻 化光學系統（6 )係包括：微型蜂巢式聚光器（7 );以及 透鏡構件（8 )，係用來使光纖束（4 )的出射開口（ 9 )重疊 於中間影像平面（1 0 )內以形成均勻的中間影像。 6 .如申請專利範圍第4項之座標測量儀器，其中該光源 (1 )的光係經由具有最大可能數値入口孔徑的放大用耦 入式光學系統（3 )而挑選出並使之耦合於該光纖束（4 )之 內0 -18-