專利名稱：：零阿貝誤差測量系統及其方法
技術領域：
：本發明涉及一種測量系統及其方法，且特別涉及一種可以消除阿貝誤差的測量系統及其方法。
背景技術：
：傳統三維微(納)米測量系統的架構，如掃描探針顯微鏡(scanningprobemicroscopy，SPM)、原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，AFM)與三坐標測量機(coordinatemeasuringmachine，CMM)等，主要以形貌檢測系統及/或定位平臺等次系統所組成。形貌檢測系統主要工作為利用探針等方式取得待測物的表面信息。定位平臺系統則負責推動探針載具或移動平臺，使整個系統完成三個維度的掃描與測量動作。但是，此種定位系統中的光學尺(linearscale)或干涉儀的擺放位置以及探針或測量端點兩者間會因為坐落在不同的位置，而存在某種程度上的角度偏差。此偏差會因為兩點的距離增加而增加，使得測量過程產生所謂的阿貝誤差(Abbeerror)。此阿貝誤差會影響最后實際測量結果并降低測量的精確度。在三維測量系統中，一般是采用多組光學干涉儀做為平臺定位的工具，另外也加入零阿貝誤差的測量設計。但是，以干涉儀來定位時，往往會有需要較多的元件、對位復雜、光路徑長以及空氣干擾等問題與缺點，故精確度與系統效能不容易提高。另外也有使用光學尺來做為定位裝置，其具備光路徑相對較短與對位方便等優勢。圖1表示公知使用干涉儀的測量系統。圖1的測量系統包括三個坐標方向的光學干涉儀106x、106y、106z。在移動平臺100上放置待測量樣本102。另外，使用檢測器104的探針等取得待測量樣本102的表面形貌等信息。檢測器104的探針與定位臺位移測量位置間存在一小段距離，這使得在測量過程中產生所謂的阿貝誤差。圖2為表示公知具有零阿貝誤差設計的干涉儀測量系統。圖2是使圖1的三組光學干涉儀106x、106y、106z的測量光束沿著XYZ三軸相交于一點，并利用阿貝誤差修正部108a、108b使定位點落在測量點上，進行定位工作，使阿貝誤差消除到最小。但是采用干涉儀的定位，會使系統復雜度增加，而且會使系統成本增加很多。因此，有人提出使用光學尺的方式。圖3為三維光學定位尺測量系統的示意圖。如圖3所示，光學尺包括光柵120與光源122，利用光源對光柵射出光束來進行定位。光柵120是設置在移動平臺100的下方，此種架構會因為定位點與實際測量位置落在不同位置，而同樣會產生阿貝誤差。因此，如何改善上述問題，得到一個簡單、低成本且可以消除阿貝誤差的測量系統，是測量技術所要突破的一環。
發明內容鑒于上述問題，本發明的目的就是提供一種零阿貝誤差測量系統，以三維或二維光學尺為定位平臺，加入新的設計方式，使測量結果達到零阿貝誤差，取代一般干涉儀測量系統，并降低系統成本。為達上述目的，本發明提出一種零阿貝誤差測量系統，其包括移動平臺、檢測裝置以及第一與第二三維光學尺。移動平臺是用以載置待測量樣本。檢測裝置用以檢測待測量樣本，并測量待測量樣本的待測點相對于移動平臺的垂直高度。第一與第二三維光學尺分別設置在移動平臺上且隔著待測量樣本彼此相對，其中第一與第二三維光學尺可垂直該移動平臺進行高度微調，使第一與第二三維光學尺相對于移動平臺的垂直高度與待測點的垂直高度相等，以進行待測量樣本的測量。根據本發明一實施方式，前述零阿貝誤差測量系統的第一與第二三維光學尺還分別包括二維光柵、高度微調器與高度檢測器。二維光柵設置在移動平臺上，以定位移動平臺。高度微調器與二維光柵連接，用以微調二維光柵的垂直高度。高度檢測器設置成大致垂直于二維光柵上方，用以射出光束，檢測二維光柵的垂直高度。根據本發明一實施方式，前述二維光柵具有起伏狀表面。此外，當前述起伏狀表面為光可穿透時，二維光柵的基底還具有反射面。另外，二維光柵可以例如是全像式二維光柵。根據本發明一實施方式，前述零阿貝誤差測量系統可還包括控制電路，其至少包括比較器與高度微調控制器。比較器用以接收第一與第二三維光學尺的高度檢測器輸出的垂直高度以及檢測裝置輸出的待測點的垂直高度，并輸出兩者垂直高度的差値。高度微調控制器連接至比較器的輸出端，接收該差值并依據此差值控制高度微調器，進行二維光柵的垂直高度的微調。此外，本發明還提出一種零阿貝誤差測量系統，其包括移動平臺、檢測裝置以及第一與第二二維光學尺。移動平臺是用以載置待測量樣本。檢測裝置用以檢測待測量樣本，并測量待測量樣本的待測點相對于移動平臺的垂直高度。第一與第二二維光學尺分別設置在移動平臺上且隔著待測量樣本彼此相對，其中第一與第二二維光學尺可垂直該移動平臺進行高度微調，使第一與第二二維光學尺相對于移動平臺的垂直高度與待測點的垂直高度相等，以進行待測量樣本的測量。根據本發明一實施方式，前述各二維光學尺分別包括光柵、高度微調器、光源與高度檢測器。光柵設置在移動平臺上，以定位移動平臺。高度微調器與光柵連接，用以微調光柵的垂直高度。光源設置成大致垂直于移動平臺下方，用以對光柵射出光束，以進行移動平臺的定位。高度檢測器設置成大致垂直于二維光柵上方，用以射出光束，檢測光柵的垂直高度。前述的高度檢測器例如可以是干涉儀或者高精確度位移測量器。此外，本發明還提出一種零阿貝誤差測量方法，用以測量載置于移動平臺上的待測量樣本。移動平臺上還設置第一與第二光學尺。零阿貝誤差測量方法至少包括以下步驟檢測待測量樣本的表面，并測量待測量樣本的待測點相對于該移動平臺的第一垂直高度；檢測第一與第二光學尺相對于移動平臺的第二垂直高度；以及依據第一與第二垂直高度的差値，進行第一與第二二維光學尺的垂直高度微調，使第一與第二垂直高度相等，以測量待測量樣本。綜上所述，本發明將光學尺的光柵的XY平面放置在與待測量點相同的垂直高度上，使得定位點與測量點均保持在同樣的平面上，藉以消除公知將光柵放置在樣本下方時，測量點與實際定位位置不同所造成的阿貝誤差。另外，由于本發明不使用干涉儀做為平臺定位之用，或僅使用在垂直高度測量上，所以更不需要額外的阿貝誤差補償裝置，故可以降低系統的成本以及復雜度。為讓本發明之上述和其它目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。圖1表示公知使用干涉儀的測量系統。圖2表示公知具有零阿貝誤差設計的干涉儀測量系統。圖3為三維光學定位尺測量系統的示意圖。圖4為依據本發明實施例的零阿貝誤差測量系統的示意圖。圖5為圖4的控制電路的示意圖。圖6為依據本發明另一實施例的零阿貝誤差測量系統的示意圖。主要元件標記說明100移動平臺102待測量樣本104檢測裝置106x、106y、106z干涉儀108a、108b阿貝誤差修正部120光柵(光學尺)122光源(光學尺)200移動平臺210載臺212待測量樣本230、240測量系統(三維光學尺)232、242高度檢測器234、244二維光柵250檢測裝置264比較器266控制器300、310測量系統(二維光學尺)302、312高度檢測器304、314光源306、316光柵306a、316a反射面308、318高度微調器具體實施方式圖4為依據本發明實施例的零阿貝誤差測量系統的示意圖。為使圖簡化易讀，系統本身的詳細機械結構省略，所屬
技術領域：
的技術人員可以依據下面的說明做適當的設計。本發明的零阿貝誤差測量系統主要包括兩部分，一部分為形貌檢測次系統，另一部分則為平臺定位測量次系統。如圖4所示，形貌檢測次系統主要是由檢測裝置250所構成，其具有探針，可以檢測待測量樣本(以下簡稱樣本)212的表面形貌。待測量樣本212是經由一個載臺210放置在三維移動平臺(3Dmovingtable)200上。此移動平臺200可以沿著圖示的XYZ軸三方向進行移動，以使檢測裝置250檢測樣本212的表面形貌或其它物理化學特性等等。平臺定位測量次系統主要是由兩組測量系統230、240所構成。測量系統230、240主要是使用三維光學尺做為平臺的定位，以下稱為第一三維光學尺230與第二三維光學尺240。如圖4所示，第一三維光學尺230與第二三維光學尺240分別設置在移動平臺200上，且隔著樣本212彼此相對。第一三維光學尺230與第二三維光學尺240可垂直該移動平臺進行高度(H)的微調，使得第一三維光學尺230與第二三維光學尺240相對于該移動平臺的垂直高度與待測點的垂直高度相等，以進行樣本212的測量。第一三維光學尺230包括二維光柵234、高度微調器(圖中未表示)、高度檢測器(Z軸高度)232。二維光柵234設置在移動平臺200上，以定位移動平臺200。高度微調器可以用來對二維光柵234的垂直高度H進行微調。高度檢測器232主要可以射出例如激光等光束，用以檢測二維光柵234相對于移動平臺200的垂直高度。同樣地，第二三維光學尺240包括二維光柵244、高度微調器(圖中未表示)、高度檢測器(Z軸高度)242。二維光柵244設置在移動平臺200上，以定位移動平臺200。高度微調器可以用來對二維光柵244的垂直高度H進行微調。高度檢測器242主要可以射出例如激光等光束，用以檢測二維光柵244相對于移動平臺200的垂直高度。關于二維光柵234、244，其可以使用具有表面起伏的二維光學尺，做為位移的測量。另外，若前述表面起伏為光可穿透，則可以在二維光柵的基材底面做反射層，使高度檢測器232射出的光束可以被反射回去，進行Z軸高度H的檢測。另外，二維光柵234、244也可以使用全像式二維光學尺，做為位移的測量。只要是可以達到二維光柵234、244的功能與目的者，其具體實施方式不多做限制。接著說明上述測量系統的操作。在進行測量時，移動平臺200會移動，使檢測裝置250去檢測樣本212的每一個待測點。另外，檢測裝置250也會同時檢測出待測點相對于移動平臺200的垂直高度。此時，二維光學尺230、240的高度檢測器232、242會檢測二維光柵234、244的XY平面的相對于移動平臺200的垂直高度。接著，會比較高度檢測器232、242的垂直高度與待測點的垂直高度，在兩個垂直高度不同時，二維光學尺230、240的高度微調器會動作，調整二維光學尺230、240的垂直高度，以使二維光柵234、244的XY平面的垂直高度與待測點的垂直高度相同。在整個測量過程中，待測點的垂直高度會一直變化。根據此高度變化，二維光學尺230、240的高度微調器也會不斷地隨著動作來調整高度，使二維光柵234、244的XY平面的垂直高度能夠與每一個待測點的垂直高度相同。如上所述，因為在測量過程中，二維光柵234、244的XY平面的垂直高度能夠與待測點的垂直高度都一直保持相同，所以可以消除阿貝誤差，達到零阿貝誤差的目的。圖5為圖4的控制電路的示意圖。圖5所示的控制電路是用來控制前述測量過程。控制電路包括比較器264與控制器266。比較器264會接收前述高度檢測器232、242所輸出的二維光柵234、244的XY平面的垂直高度以及前述檢測裝置250所輸出的待測點的垂直高度。比較器264接著比較兩者垂直高度的差値，并輸出給控制器266。控制器266接著依據此差値控制二維光柵234、244的高度微調器，對二維光柵234、244的XY平面的垂直高度進行Z軸方向的高度微調，使垂直高度與待測點的垂直高度在相同的高度上。在整個測量過程中，上述的負反饋控制一直不斷地動作，使得二維光柵234、244的XY平面的垂直高度與待測點的垂直高度保持在相同的高度上，藉以消除阿貝誤差。如上所述，本發明利用簡單的光學尺便可以達到零阿貝誤差的測量目的，大大降低系統的成本。圖6為依據本發明另一實施例的零阿貝誤差測量系統的示意圖。此實施例主要是圖4的變化例，兩者差別在于圖4是使用三維光學尺，圖6的系統是使用二維光學尺。如圖6所示，零阿貝誤差測量系統除了平臺定位測量次系統有差異外，其它與圖4的零阿貝誤差測量系統相似。在此處僅針對平臺定位測量次系統做說明。第一二維光學尺300包括光柵306、高度微調器308、光源304與高度檢測器302。光柵306設置在移動平臺200上，用以定位移動平臺200。高度微調器308連接至光柵306，用以微調光柵306的垂直高度H。光源設置成大致垂直于移動平臺200下方，用以對光柵306射出光束，以進行移動平臺200的定位。高度檢測器302設置成大致垂直于二維光柵306上方，用以射出光束，檢測光柵306的垂直高度。第二二維光學尺310包括光柵316、高度微調器318、光源314與高度檢測器312。光柵316設置在移動平臺200上，用以定位移動平臺200。高度微調器318連接至光柵316，用以微調光柵316的垂直高度H。光源設置成大致垂直于移動平臺200下方，用以對光柵316射出光束，以進行移動平臺200的定位。高度檢測器312設置成大致垂直于二維光柵316上方，用以射出光束，檢測光柵316的垂直高度。在進行測量時，消除阿貝誤差的原理與圖4的系統相同，故在此便不多描述。以第一二維光學尺300來說明，本實施例在平臺定位上是使用一般光柵，并配合光源304來進行。光柵306的XY表面的垂直高度微調則利用高度檢測器302來進行。為了配合這種結構，在光柵306的表面306a上設置反射面，藉以將高度檢測器302射出的光束反射回去，以測量光柵306的XY表面的垂直高度。上述的高度檢測器302、312可以例如使用干涉儀或者是高精確度的位移測量器。此外，與圖4的實施例相同，圖6實施例也可以利用圖5所示的控制電路，來進行光柵的垂直高度微調器，在此便不多做描述。綜上所述，本發明將光學尺的光柵的XY平面放置在與待測量點相同的垂直高度上，使得定位點與測量點均保持在同樣的平面上，藉以消除公知將光柵放置在樣本下方時，測量點與實際定位位置不同所造成的阿貝誤差。另外，由于本發明不使用干涉儀做為平臺定位之用，而干涉儀若使用也僅在高度測量上，所以更不需要額外的阿貝誤差補償裝置，故可以降低系統的成本以及復雜度。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發明，任何所屬
技術領域：
的技術人員，在不脫離本發明之精神和范圍內，當可作些許之更動與改進，因此本發明之保護范圍當視權利要求所界定者為準。權利要求1.一種零阿貝誤差測量系統，其特征是包括移動平臺，用以載置待測量樣本；檢測裝置，用以檢測該待測量樣本，并測量該待測量樣本的待測點相對于該移動平臺的垂直高度；第一與第二三維光學尺，分別設置在該移動平臺上且隔著該待測量樣本彼此相對，其中該第一與該第二三維光學尺可垂直該移動平臺進行高度微調，使該第一與該第二三維光學尺相對于該移動平臺的垂直高度與該待測點的垂直高度相等，以進行該待測量樣本的測量。2.根據權利要求1所述之零阿貝誤差測量系統，其特征是該第一與該第二三維光學尺分別包括二維光柵，設置在該移動平臺上，以定位該移動平臺；高度微調器，與該二維光柵連接，用以微調該二維光柵的垂直高度；以及高度檢測器，設置成大致垂直于該二維光柵上方，用以射出光束，檢測該二維光柵的垂直高度。3.根據權利要求2所述之零阿貝誤差測量系統，其特征是該二維光柵具有起伏狀表面。4.根據權利要求3所述之零阿貝誤差測量系統，其特征是該二維光柵的該起伏狀表面為光可穿透，且該二維光柵的基底具有反射面。5.根據權利要求2所述之零阿貝誤差測量系統，其特征是該二維光柵是全像式二維光柵。6.根據權利要求2所述之零阿貝誤差測量系統，其特征是還包括控制電路，該控制電路還包括比較器，用以接收各該第一與該第二三維光學尺的該高度檢測器輸出的垂直高度以及該檢測裝置輸出的該待測點的垂直高度，并輸出兩者垂直高度的差值；以及高度微調控制器，連接至該比較器的輸出端，接收該差值，并依據該差值控制該高度微調器。7.一種零阿貝誤差測量系統，其特征是包括移動平臺，用以載置待測量樣本；檢測裝置，用以檢測該待測量樣本，并測量該待測量樣本的待測點相對于該移動平臺的垂直高度；第一與第二二維光學尺，分別設置在該移動平臺上且隔著該待測量樣本彼此相對，其中該第一與該第二二維光學尺可垂直該移動平臺進行高度微調，使該第一與該第二二維光學尺相對于該移動平臺的垂直高度與該待測點的垂直高度相等，以進行該待測量樣本的測量。8.根據權利要求7所述之零阿貝誤差測量系統，其特征是該第一與該第二二維光學尺分別包括光柵，設置在該移動平臺上，以定位該移動平臺；高度微調器，與該光柵連接，用以微調該光柵的垂直高度；光源，設置成大致垂直于該移動平臺下方，用以對該光柵射出光束，以進行該移動平臺的定位；以及高度檢測器，設置成大致垂直于該二維光柵上方，用以射出光束，檢測該光柵的垂直高度。9.根據權利要求8所述之零阿貝誤差測量系統，其特征是該高度檢測器為干涉儀。10.根據權利要求8所述之零阿貝誤差測量系統，其特征是該高度檢測器為位移測量器。11.根據權利要求8所述之零阿貝誤差測量系統，其特征是還包括控制電路，該控制電路還包括比較器，用以接收各該第一與該第二二維光學尺的該高度檢測器輸出的垂直高度以及該檢測裝置輸出的該待測點的垂直高度，并輸出兩者垂直高度的差值；以及高度微調控制器，連接至該比較器的輸出端，接收該差值，并依據該差值控制該高度微調器。12.一種零阿貝誤差測量方法，用以測量載置于移動平臺上的待測量樣本，其特征是該移動平臺上還設置第一與第二光學尺，該零阿貝誤差測量方法包括檢測該待測量樣本的表面，并測量該待測量樣本的待測點相對于該移動平臺的第一垂直高度；檢測該第一與該第二光學尺相對于該移動平臺的第二垂直高度；依據該第一與該第二垂直高度的差值，進行該第一與該第二二維光學尺的垂直高度微調，使該第一與該第二垂直高度相等，以測量該待測量樣本。全文摘要一種零阿貝誤差測量系統，其包括移動平臺、檢測裝置以及第一與第二三維光學尺。移動平臺是用以載置待測量樣本。檢測裝置用以檢測待測量樣本，并測量待測量樣本的待測點相對于移動平臺的垂直高度。第一與第二三維光學尺分別設置在移動平臺上且隔著待測量樣本彼此相對，其中第一與第二三維光學尺可垂直該移動平臺進行高度微調，使第一與第二三維光學尺相對于移動平臺的垂直高度與待測點的垂直高度相等，以進行待測量樣本的測量。文檔編號G01B21/20GK1991333SQ200510137450公開日2007年7月4日申請日期2005年12月30日優先權日2005年12月30日發明者吳乾埼,翁漢甫,許正治,王振宇,溫博浚申請人:財團法人工業技術研究院