CN104904194A - 用于使用脉冲照明的移动图像的高速获取的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种随着连续移动的对象操作图像传感器的方法。在此方法中，可在延长时间照明脉冲期间执行定时延迟积分模式TDI模式操作。在此TDI模式操作期间，仅在第一方向中移位通过所述图像传感器的像素存储的电荷且其跟踪图像运动。值得注意的是，仅在非照明期间执行分裂读出操作。在此分裂读出操作期间，在所述第一方向中移位通过所述图像传感器的第一像素存储的第一电荷，且同时在第二方向中移位通过所述图像传感器的第二像素存储的第二电荷，所述第二方向与所述第一方向相反。

Description

用于使用脉冲照明的移动图像的高速获取的方法及设备
相关申请案
本申请案主张2012年12月10日申请的标题为“用于使用脉冲照明的移动图像的高速获取的方法及设备(Method And Apparatus For High Speed Acquisition Of MovingImages Using Pulsed Illumination)”的美国临时专利申请案61/735,427的优先权。
技术领域
本发明涉及经配置以使用定时延迟积分及脉冲照明两者同时允许高速图像扫描的系统。
背景技术
时间延迟积分(TDI)为产生可比成像硬件的视野大得多的移动对象的连续图像的成像过程。在TDI系统中，图像光子经转换到在包括像素阵列的传感器中的光电荷。随着对象移动，光电荷沿着传感器在像素间平行于移动轴而移位。通过使光电荷移位速率与对象的速度同步，TDI可在移动对象上的固定位置处对信号强度进行积分以产生图像。可通过改变图像运动的速度且在移动的方向中提供更多/更少像素而调节总积分时间。在常规TDI检验系统中，读出电路经定位于传感器的一侧上以读出积分信号。TDI检验系统可用于检验晶片、掩模及/或光罩。
在具有连续照明及移动对象的系统中，必须将TDI与图像运动精确同步使得经记录的图像不会模糊。此系统的一个缺点为，传感器的读出仅可在一个方向中(即在对应于图像运动的方向中)且必须在照明脉冲期间以与对象相同的扫描速率操作。在具有脉冲照明及移动对象的系统中，可几乎立即在整个传感器区域上收集图像。接着可沿传感器的两侧读出图像，借此有效加倍读出速度。读出线速率还可比图像扫描速率快而不损害最终图像质量，此可进一步增加读出速度。此系统的重要缺点为，照明脉冲必须非常短使得移动图像在曝光时间期间不产生模糊。随着脉冲照明时间接近传感器线周期，图像运动将开始引起显著模糊，且图像将严重降级超过所述阈值。使用非常短的脉冲的此系统的另一缺点为，无法恢复在传感器上的有缺陷像素位置处的图像信息。
因此，需要提供连续移动对象、脉冲照明、快速读出能力及其中传感器像素有缺陷的图像信息的恢复的方法及设备。
发明内容
本发明描述一种随着连续移动的对象操作图像传感器的方法。在此方法中，可在延长时间照明脉冲期间执行定时延迟积分模式(TDI模式)操作。在此TDI模式操作期间，仅在第一方向中移位通过所述图像传感器的像素存储的所有电荷且其跟踪图像运动。值得注意的是，仅在非照明期间执行分裂读出操作。在此分裂读出操作期间，在所述第一方向中移位通过所述图像传感器的第一像素存储的第一电荷，且同时在第二方向中移位通过所述图像传感器的第二像素存储的第二电荷，所述第二方向与所述第一方向相反。
TDI模式操作与照明脉冲同步。在一个实施例中，使用电子或光学同步触发TDI模式操作以在照明脉冲的一个时钟周期内开始。TDI模式操作的时间包含脉冲照明的周期。在分裂读出操作期间，图像传感器电荷移动未与图像运动同步。在一个实施例中，执行分裂读出操作可包含多个传感器输出信道的并行读出。
可在TDI模式操作及分裂读出操作之前(且在一个实施例中，还在TDI模式操作与分裂读出操作之间)提供闲置操作以促进对象及传感器读出的同步或减小检测系统的功率消耗。在一个实施例中，照明间隔可包含多个照明脉冲。分析对应于延长超过一或多个TDI线周期的多个照明脉冲的像素输出可改善接近图像传感器上的像素缺陷的图像质量。
本发明还描述一种用于检验或计量的系统。此系统包含脉冲照明源、图像传感器、光学组件及处理器。照明脉冲可类似于传感器的线周期或比传感器的线周期长。光学组件经配置以从脉冲照明源引导脉冲照明到对象且从所述对象引导反射光到图像传感器。处理器经配置以操作图像传感器。配置包含执行包含如上文所述的TDI模式操作及分裂读出操作的过程。
附图说明
图1说明使用具有连续移动对象的脉冲照明的示范性扫描检验系统。
图2A说明具有可独立操作的两侧的示范性图像传感器。
图2B说明可用于图像传感器的示范性CCD栅极的操作。
图3A说明针对具有脉冲照明的系统中的三相位CCD的具有三个不同操作模式的示范性时序图。
图3B说明如何基于CCD驱动信号的序列在传感器图像收集及存储区域中的不同方向中移位电荷。
图4说明针对三相位CCD的示范性驱动信号及相关时序。
具体实施方式
图1说明经配置以将脉冲照明源106与例如晶片、掩模或光罩等连续移动对象101一起使用的示范性系统100。有利地，脉冲照明106可为长脉冲。用于脉冲照明106的示范性源可包含Q切换激光或脉冲灯。Q切换激光使用所述激光的光学共振器内的可变化衰减器以产生具有极高峰值功率的光脉冲。这些光脉冲比通过在连续模式中操作的相同激光产生的脉冲高得多。脉冲灯可通过深紫外线(DUV)准分子或极紫外线(EUV)源而实施。在一个优选实施例中，脉冲持续时间接近TDI的线周期或比TDI的线周期长。对于1微秒的线周期，适当照明可接近500ns或超过数十乃至数百微秒，显著受益于本发明的所描述的方法。
在系统100中，光束分离器107将从脉冲照明源106引导照明脉冲到物镜104，物镜104将使所述光聚集到对象101上。接着将引导来自对象101的反射光到图像传感器110。注意为了简洁，在图1中未展示用于光的引导及聚焦的其它众所周知的光学组件。例如，1998年2月10日颁布的美国专利5,717,518及2012年7月9日申请的美国专利申请案13/554,954(其两者以引用的方式并入本文中)描述可用于系统100中的示范性光学组件。耦合到图像传感器110的处理器120经配置以提供来自脉冲照明源106的照明脉冲与去往及来自图像传感器110的控制及数据信号的同步，以及图像数据的分析(在下文中详细描述)。在上文所描述的配置中，对象101具有对象运动103且图像传感器110具有图像运动109。
根据系统100的一个方面，由于对象运动103，照明区域将跨对象101连续移动，如由照明区域102a(例如，时间周期N)、先前照明区域102b(例如，时间周期N-1)及先前照明区域102c(例如，时间周期N-2)所指示。照明区域102a、102b及102c中的每一者可为细矩形形状的区域(为了便于观看未按比例展示)。注意为了简洁，分开展示所述区域，但或为了缺陷检测期间的额外冗余及性能，所述区域可重叠以提供100％的成像覆盖。
图2A说明包含位于图像区域203的每一侧上的两组读出电路201A及201B的示范性分裂读出图像传感器110。读出电路201A及201B可包含串行寄存器202A及202B以及读出放大器204A及204B以及例如传送门等其它组件。在2009年10月27日颁布的名为“TDI传感器的连续计时(Continuous Clocking of TDI Sensors)”的美国专利7,609,309中描述读出电路201A及201B以及传感器110的其它组件的示范性实施例，所述美国专利以引用的方式并入本文中。图像区域203为二维(2D)像素阵列且图像的每一线在每一方向A及B中同时读出。接着，在最简单的情况中，一次一个像素地读出每一线。因此，在优选实施例中，串行寄存器202A及202B可分成多个寄存器区段(例如，图2A展示每一串行寄存器被分成六个区段，借此允许使用多个放大器204A及204B进行并行读出)。
值得注意的是，可独立操作读出电路201A及201B，借此允许图像传感器110提供两个读出方向A及B。在分裂读出模式中，可同时计时图像区域203的每一侧(即，侧203A及203B)以将一个图像线读出到其相应输出信道中。在一个实施例中，图像区域203可具有1000个线，每一线由像素列形成。因此，在分裂读出模式期间，可在方向A中读出500个线且同时可在方向B中读出500个线。
基于图像传感器110中的电荷耦合装置(CCD)驱动器的计时激活可实现此分裂读出模式。举例而言，多个CCD驱动器P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b可用于提供相位。如图2B中所示，CCD驱动器P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b可表征为驱动栅极电极组(下文称为栅极)且每一组具有六个栅极。在图像传感器110的一个优选实施例中，针对每一像素提供三个栅极以提供三个相位。在图2B中展示两个像素210及211，其中栅极231、232及233位于像素210上方且栅极234、235及236位于像素211上方。在图像传感器110中，像素210及211沿着读出轴对准以形成形成图像区域203的2D像素阵列的一列的部分。
图像区域203可实施为光学传感器或光电阴极。在一个光学传感器实施例中，图像区域203可包含光敏p型硅衬底214及n型埋设沟道213。通过由时钟输入信号(例如，来自CCD驱动器P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b的时钟信号中的一者)施加到特定栅极的电压电平而确定硅衬底214中的静电力。高电平电压引发栅极下方的电势“阱”的形成，而低电平电压形成对电子移动的势垒。为了确保来自一个像素的电荷不与其它像素混合，当低驱动栅极电压时高驱动相邻栅极电压(参考图3A及3B进一步详细描述)。在时间220的初始状态处，像素210及211的栅极231及234分别具有形成具有积分电荷(即，电子)的电势阱的高电平电压，且(像素210的)栅极232、233及(像素211的)栅极235、236具有形成势垒的低电平电压。在后续时间221处，像素210及211的栅极232及235分别具有形成具有积分电荷(即，电子)的电势阱的高电平电压，且(像素210的)栅极231、233及(像素211的)栅极234、236具有形成势垒的低电平电压。在又一后续时间222处，像素210及211的栅极233及236分别具有形成具有积分电荷(即，电子)的电势阱的高电平电压，且(像素210的)栅极231、232及(像素211的)栅极234、235具有形成势垒的低电平电压。注意，相邻栅极当移位电荷时优选都具有短时间的高电平电压以促进电荷转移。(在下文中所描述的图3A展示此时序重叠。)因此从时间220到时间222，电荷从左到右移位(即，从像素210到像素211)。可在检验系统的模式期间有利地修改电荷的此方向性移位，如参考图3所描述。
图3A说明指示通过CCD驱动器P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b输出的信号、时钟信号(ck)、外部同步脉冲(sync)及脉冲照明时间(脉冲)的示范性时序图300。注意通过CCD驱动器输出的每一信号的电压转变的开始及停止可与时钟信号ck同步。外部同步脉冲sync触发三模式循环(在图3A中展示一个完全循环)。在图3A的实例中，在每一循环期间提供一个激光脉冲。
在图3A中将三个传感器模式指示为“0”、“1”及“2”。传感器模式1为其中激光脉冲出现且因此可产生对象的照明区域的图像的TDI模式操作。在一个实施例中，脉冲持续时间可接近于高速TDI的线周期或可比所述线周期长，所述线周期可为(例如)1微秒。注意，因为照明脉冲可较长(例如，多于1微秒)，所以图像上的固定点将跨一或多个传感器像素移位。因此，可执行CCD驱动器P1a/P1b、P2a/P2b及P3a/及P3b(在图3中展示)的连续计时以确保在图像区域中的所产生的电荷与图像一起移位以提供TDI模式操作且确保无模糊。在一些实施例中，可在仅1到2个像素之间执行电荷的移位以确保不出现图像的模糊。可选择此电荷移位的速率(也称为传感器线速率)以精确匹配图像的运动。取决于总照明脉冲时间，在TDI操作模式中的总时间可仅为一个或若干线时钟周期。然而，在不提供TDI操作模式的情况下，归因于模糊的图像质量损失及所产生的缺陷检测降级将非常显著。
传感器模式2为其中照明关闭(即，不存在激光脉冲)的高速分裂读出操作。值得注意的是，因为照明关闭，所以与用于串行寄存器的时钟信号将允许的一样快地从两侧(例如图像区域203的侧203A及203B，图2A)读出数据。在此时间期间，图像传感器110未与图像运动109同步。
返回参考图2A，在一个实施例中，实际照明区域205可略小于传感器图像区域203。因此，当在TDI模式操作期间出现电荷移位时，图像将移动到光学视野之外。然而，由于存储于像素中的电荷，图像仍通过图像区域203存储。因此，在高速分裂读出模式期间，将存在在均匀照明图像数据之前被首先读出的一些空白或低信号线。可在处理期间补偿此假影，或如果选择允许接近帧边缘的冗余的适合的图像帧重叠，那么忽略此假影。具体而言，当从放大器输出信号时，可在对接近图像帧的边缘的照明效果进行补偿的情况下重建构图像。
传感器模式0为其中传感器图像电荷(非对象)为静态(即，停止)的闲置操作。在一个实施例中，可在闲置操作期间保持例如CCD驱动器P3a及P3b的信号等一组信号为高以提供预定像素的预充电且确保状态之间的转变而不损失在场的边缘处的信号电荷或图像数据。注意，图像传感器需要以小于一个毫伏的准确度快速测量每一像素上的电荷。图像传感器在衬底中存在电压噪声时可能无法做出此测量。为了解决此问题，当读出放大器从串行寄存器读取信号时可停止在像素间移动电荷。在一个实施例中，在足够用于出现至少一个电荷转移的周期之后，归因于照明源的时序不确定性可出现照明脉冲。用于传感器开始TDI模式操作的触发可从相机时钟或基于照明脉冲的光学检测导出。因为对象运动及图像传感器线速率很好地同步，因此源的时序稳定性可相对较差且仍允许引起清晰且精确定位的图像。在传感器模式2结束之后，图像传感器110返回到传感器模式0(闲置模式)且等待下一个同步信号及照明脉冲。注意，可在所有传感器模式期间进行经收集的数据从放大器204A及204B到外部图像处理计算机(未展示)的处理、缓冲及传送。
图3B说明如何基于CCD驱动信号的序列在不同方向中移位电荷。具体而言，在TDI模式操作(传感器模式1)320期间，对CCD驱动信号进行定序使得可都在一个方向中通过像素移位电荷。相比之下，在分裂读出操作(传感器模式2)321期间，对CCD驱动信号进行定序使得在一个方向中移位电荷的一半且在相反方向中移位像素的电荷的另一半。注意，提供每一CCD驱动信号到传感器阵列的图像区域的一或多个像素列中的所有栅极。因此，序列是基于传感器的物理布线。虽然在图3B中展示18列，但传感器阵列的其它实施例可包含更多或更少个像素列。
在一些实施例中，CCD驱动信号可为正方形，如图3A中所示。在其它实施例中，CCD驱动信号可具有其它形状。举例而言，图4说明针对三相位CCD的正弦驱动信号。举例而言，电压波形401、402及403可分别驱动图像区域203中的栅极231及234、栅极232及235与栅极233及236(也见图2A)。值得注意的是，这些波形形状在相邻栅极中在不同电压相位下以提供在接地及DC电压参考平面上的实质上最小净电压波动借此减小噪声的方式操作。此外，使用非正方形波形(例如，正弦)而非正方形波形转移电荷通常需要较低峰值电流以控制栅极。结果，在衬底中流动的峰值位移电流低得多，借此确保衬底中的较低电压波动及经减少的热产生。
衬底中的低电平的电压波动还使系统能够即时当传感器在图像区域中转移电荷时也以足够灵敏度精确读出串行寄存器中的像素的内容。因此，通过使用正弦波形，当在图像区域中从一个像素到另一像素移动电荷时读出放大器可同时操作。在其它实施例中，CCD驱动信号可具有还可提供与针对正弦波形所讨论的益处类似的益处的其它非正方形波形形状。
在一个实施例中，代替每一传感器循环具有一个脉冲(即，传感器模式0、1、2)，可使用多群组脉冲(例如至少两个脉冲的类选通组)。在读出之后，可处理图像以考虑多群组脉冲。具体而言，因为已知对象的位置及照明时序，所以可将经测量的图像去卷积到经校正的“真实”图像。此类型的脉冲及后续处理可改善原始图像的灵敏度，这是因为针对每一像素提供至少两个样本。具体而言，多个脉冲提供较高信噪比，这是因为在很少额外噪声(如上文所描述)的情况下提供至少两倍多的数据(与单一脉冲相比)。
此外，当捕获具有若干亮点(例如，指示缺陷)的主要暗图像时每一像素具有两个样本可为有益的。在此类型的图像中，存在对图像的其它部分的最小干扰。可将在读出期间产生的两个亮点去卷积以确定(例如)两个亮点事实上是否为一个缺陷。此去卷积将使用包含时间及图像移动速度(因为图像将在脉冲之间移动)的信息以提供所需的重建构。
注意，还可使用此多群组脉冲实施例以解决传感器缺陷检测。具体而言，如果在传感器自身上存在缺陷(其将导致遗漏图像上的信息)，那么两个样本允许包含原本将不可用的图像信息。换句话说，可在照明脉冲期间收集一个以上像素上的图像以恢复在有缺陷传感器像素位置处的图像数据。此多脉冲操作将减小传感器的成本，这是因为在传感器中可允许增加电平的不完整性而仍确保所有图像信息(或在多群组脉冲期间两个传感器缺陷与捕获图像数据的像素重合的不太可能的事件中的实质上所有图像信息)的收集。
如上文所描述，系统100可有利地组合TDI读出模式的某些有益属性与脉冲图像架构的快速读出能力。由于快速读出速度，系统100可有效减小所有权的成本。另外，系统100针对当使用常规图像传感器收集时将模糊的照明时间提供图像的经改善的分辨率。换句话说，归因于图像模糊，常规图像传感器无法使用长脉冲光源。值得注意的是，长脉冲光源可通过减小峰值功率照明而减小晶片损害。此外，系统100可使用包含正弦波形的多种CCD驱动波形形状。可在其中低噪声至关重要的高速检验及计量应用中有效使用这些正弦波形。另外，连续计时技术(即上文所描述的三个传感器模式，其中闲置模式在方波及正弦波形操作两者中使用固定电压)可减小热产生且减轻在控制及读出电子器件中的时序颤动的负面影响。
虽然已参考附图在本文中详细描述本发明的说明性实施例，但应了解，本发明不限于所述精确实施例。所述实施例不希望为排他性或将本发明限于所揭示的精确形式。因而，所属领域的实践者将了解许多修改及变化。举例而言，在一个实施例中，图像传感器可包括背照明背薄型CCD。背照明薄型传感器确保对UV光的良好灵敏度。在一些实施例中，背照明背薄型CCD在其光敏背面上可具有薄硼涂层以当与DUV或真空UV辐射一起使用时增加器件的寿命。在2012年4月10日申请的陈(Chern)等人的美国临时专利申请案61/622,295中描述背薄型传感器上的硼涂层的使用。此临时申请案以引用的方式并入本文中。在一些实施例中，图像传感器可包括电子轰击CCD(EBCCD)传感器。EBCCD具有如在暗场检验系统中经常遇到的对于非常低光电平的高灵敏度及低噪声。在EBCCD的一些实施例中，CCD可为在其背面具有硼涂层的背薄型装置以改善CCD对低能量电子的灵敏度且因此改善图像传感器噪声及空间分辨率。在2012年6月12日申请的庄(Chuang)等人的美国临时专利申请案61/658,758中描述在EBCCD中硼涂层的使用，所述专利申请案也以引用的方式并入本文中。因此，希望通过所附权利要求书及其等效物界定本发明的范围。

Claims (20)

1.一种随着连续移动的对象操作图像传感器的方法，所述方法包括：
在照明脉冲期间执行定时延迟积分模式TDI模式操作，其中在TDI模式操作期间仅在第一方向中移位通过所述图像传感器的像素存储的电荷；及
在非照明期间执行分裂读出操作，其中在所述分裂读出操作期间在所述第一方向中移位通过所述图像传感器的第一像素存储的第一电荷，且同时在第二方向中移位通过所述图像传感器的第二像素存储的第二电荷，所述第二方向与所述第一方向相反。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述TDI模式操作与所述照明脉冲同步。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使用电子或光学同步触发所述TDI模式操作以在所述照明脉冲的一个时钟周期内开始。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述TDI模式操作的时间包含所述脉冲照明的周期。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述分裂读出操作期间，所述图像传感器未与图像运动同步。
6.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述分裂读出操作包含：多个串行寄存器的并行读出。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
在所述TDI模式操作与所述分裂读出操作之间提供闲置操作。
8.根据权利要求1所述的方法，在所述图像传感器的所述TDI模式操作之前执行提供所述闲置操作。
9.根据权利要求1所述的方法，其中照明间隔包含延长超过一或多个TDI线周期的多个照明脉冲。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含基于分析对应于所述多个照明脉冲的像素输出而从所述图像传感器的像素缺陷恢复。
11.一种系统，其包括：
脉冲照明源；
图像传感器；
光学组件，其经配置以从所述脉冲照明源引导脉冲照明到连续移动的对象，且从所述对象引导反射光到所述图像传感器；及
处理器，其经配置以操作所述图像传感器，配置执行包括以下每一项的过程：
在照明脉冲期间执行定时延迟积分模式TDI模式操作，其中在TDI模式操作期间仅在第一方向中移位通过所述图像传感器的像素存储的电荷；及
在非照明期间执行分裂读出操作，其中在所述分裂读出操作期间在所述第一方向中移位通过所述图像传感器的第一像素存储的第一电荷，且同时在第二方向中移位通过所述图像传感器的第二像素存储的第二电荷，所述第二方向与所述第一方向相反。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述TDI模式操作与所述照明脉冲同步。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述TDI模式操作是使用电子或光学同步触发以在所述照明脉冲的一个时钟周期内开始。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述TDI模式操作的时间包含所述脉冲照明的周期。
15.根据权利要求11所述的系统，其中在所述分裂读出操作期间，所述图像传感器未与图像运动同步。
16.根据权利要求11所述的系统，其中执行所述分裂读出操作包含：多个串行寄存器的并行读出。
17.根据权利要求11所述的系统，其进一步包含：
在所述TDI模式操作与所述分裂读出操作之间提供闲置操作。
18.根据权利要求11所述的系统，提供所述闲置操作是在所述图像传感器的所述TDI模式操作之前执行。
19.根据权利要求11所述的系统，其中照明间隔包含延长超过一或多个TDI线周期的多个照明脉冲。
20.根据权利要求19所述的系统，其进一步包含基于分析对应于所述多个照明脉冲的像素输出而从所述图像传感器的像素缺陷恢复。
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