CN101393328A - 光学探测装置及包含所述光学探测装置的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量系统，其包括透镜装置、图像检索装置、定位平台、光学探测装置及信号处理装置。所述图像检索装置通过所述透镜装置检索物体的图像。所述定位平台用以调整所述透镜装置的焦距。所述光学探测装置用以探测所述物体的位置且发出第一信号。所述信号处理装置在接收且处理所述第一信号后发出第二信号至所述定位平台。借此，可实现自动对焦功能。

Description

光学探测装置及包含所述光学探测装置的测量系统

技术领域

本发明涉及一种光学探测装置及包含所述光学探测装置的测量系统，具体来说，本发明涉及一种可探测待测物体表面变化的光学探测装置及包含所述光学探测装置的测量系统。

背景技术

TFT-LCD工艺技术主要是通过类似半导体制造技术(镀膜、曝光、显影、蚀刻等技术)在玻璃衬底上形成多个晶体管。在进行工艺瑕疵检测时，一般都需要利用人工或机器手臂将所述玻璃衬底放置在TFT-LCD测量系统上进行检测。

参考图1，其显示常规TFT-LCD测量系统的示意图。测量系统1包括透镜装置11、CCD镜头12、定位平台13及信号处理装置14。透镜装置11包括物镜，其是一维阵列透镜。CCD镜头12通过透镜装置11检索物体15(例如所述玻璃衬底)的图像。物体15被放置在机台17上。定位平台13包括驱动马达、马达轴控制卡及平台本体。定位平台13用以调整透镜装置11的焦距。透镜装置11、CCD镜头12及定位平台13位于固定衬底16上，使得透镜装置11与物体15间隔—适当距离。信号处理装置14接收来自CCD镜头12的图像数据，且将所述图像数据的图像质量与其聚焦标准相比较，并产生控制信号，进而将所述控制信号传送至定位平台13以调整透镜装置11的焦距。

在实际操作时，必须重复上述检索图像-对比-调整焦距-检索图像的程序多次，直到所述图像数据的质量符合所述聚焦标准为止。如此，将会浪费许多时间，而且以此方式检索的图像清晰标准并无一定的规范。

测量系统1的另一个缺点为，当物体15被放置在机台17上时，如果受到外部激振，将造成物体15产生振动，导致CCD镜头12产生图像画面模糊从而造成测量上的误差，尤其当透镜装置11的物镜采用50倍显微物镜进行检测时，其测量景深仅约0.9μm，当有微小的振动时，常造成图像无法检测。

参考图2，其显示常规DVD读写头的示意图。DVD读写头2为SONY公司所生产的型号为KHM 210 AAA的DVD读取头。所述DVD读写头2包括激光二极管(LaserDiode)21、光栅(Grating)22、分光器23、准直透镜(Collimator Lens)24、物镜(Objectivelens)25、柱面透镜(Cylinderical Lens)26、光电探测器(Photo Detector)27及音圈(VoiceCoil)28。

激光二极管21用以发出光束。光栅22用以使所述光束产生衍射。分光器23包括偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)231及1/4波片(Quarter Waveplate)232，用以使所述光束偏振，且改变所述光束的行进方向。准直透镜24用以使所述光束形成一准直光束。物镜25的中央具有多个同心圆形沟槽，音圈28连接至物镜25。所述准直光束经过物镜25时将可使所述准直光束分离成两个部分，在一盘片29上聚焦成适合DVD或CD光盘的数据存储位置的双焦点，且同时产生反射光束。

所述反射光束穿过物镜25、准直透镜24、分光器23及柱面透镜26而投射至光电探测器27上。光电探测器27为光电二极管(Photodiode IC)，其包括四象限光电探测器(Four-Quadrant Photo Detector)271，如图3所示，四象限光电探测器271依据所述反射光束在四个象限(A、B、C及D四个象限)上的光分布而输出聚焦错误信号(FocusError Signal)。

参考图4，其显示常规DVD读写头的聚焦原理的示意图。DVD读写头2(图2)的聚焦原理为像散法。所谓像散法是指成像时横向与纵向的成像位置不同，因此造成像点的失真，利用此像散特性作为测量的依据。当物镜25的垂直焦距与水平焦距不同，则如果盘片29偏离物镜25前焦面位置时，在四象限光电探测器271上的成像光点呈现椭圆变化(例如第一平面31及第三平面33)，当盘片29位于物镜25的正焦位置时，成像光点呈现圆形(例如第二平面32)。第一平面31对应于图5a，所述第二平面32对应于图5b，第三平面33对应于图5c。

参考图6，其显示常规四象限光电探测器的聚焦错误信号的S曲线的示意图。所述S曲线是将对图5a至5c进行信号处理而得出。以图5a为例，将第一平面31在A象限及C象限的面积总和减去在B象限及D象限的面积总和，所得到的值为正值，其即对应于所述S曲线左侧的正值线段。以图5b为例，将第二平面32在A象限及C象限的面积总和减去在B象限及D象限的面积总和，所得到的值为0，其即对应于所述S曲线的原点(零点)。以图5c为例，将第三平面33在A象限及C象限的面积总和减去在B象限及D象限的面积总和，所得到的值为负值，其即对应于所述S曲线右侧的负值线段。所述S曲线所对应的水平长度L，在CD时为20μm，在DVD时为7μm。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种测量系统，其包括：透镜装置、图像检索装置、定位平台、光学探测装置及信号处理装置。所述图像检索装置通过所述透镜装置检索物体的图像。所述定位平台用以调整所述透镜装置的焦距。所述光学探测装置用以探测所述物体的位置，且发出第一信号。所述信号处理装置在接收且处理所述第一信号后发出第二信号至所述定位平台。借此，可实现自动对焦的功能。

本发明的另一目的在于提供一种光学探测装置，其包括：发光源、光栅(Grating)、分光器、准直透镜(Collimator Lens)、反射镜(Mirror)、物镜(Objective lens)、柱面透镜(Cylinderical Lens)及光电探测器(Photo Detector)。所述发光源用以发出光束。所述光栅用以使所述光束产生衍射。所述分光器用以使所述光束偏振且改变所述光束的行进方向。所述准直透镜用以使所述光束形成准直光束。所述反射镜用以改变所述准直光束的行进方向。所述物镜的中央具有多个同心圆形沟槽，用以将所述准直光束聚焦至所述物体上。所述柱面透镜用以接收来自所述物体的反射光束，所述反射光束穿过所述物镜、所述反射镜、所述准直透镜及所述分光器。所述光电探测器用以探测所述反射光束。借此，可使得所述光学探测装置的测量点十分接近所述透镜装置及所述图像检索装置的测量区，因而可以减少所述光学探测装置与所述透镜装置及所述图像检索装置之间的非同轴测量误差。

附图说明

图1显示常规TFT-LCD测量系统的示意图；

图2显示常规DVD读写头的示意图；

图3显示常规光电探测器的四象限光电探测器的示意图；

图4显示常规DVD读写头的聚焦原理的示意图；

图5a显示常规四象限光电探测器上第一种成像状态；

图5b显示常规四象限光电探测器上第二种成像状态；

图5c显示常规四象限光电探测器上第三种成像状态；

图6显示常规四象限光电探测器的聚焦错误信号的S曲线的示意图；

图7显示本发明的测量系统的优选实施例的示意图；

图8显示本发明的测量系统的光学探测装置的优选实施例的内部示意图；

图9显示本发明的测量系统的光学探测装置的优选实施例的立体组合示意图；

图10显示本发明的光学探测装置的S曲线的实际测量结果；

图11显示本发明的光学探测装置实际测量TFT-LCD的结果；

图12显示本发明的光学探测装置实际测量的十字形样版；及

图13显示本发明的光学探测装置的动态测试结果。

具体实施方式

参考图7，其显示本发明的测量系统的优选实施例的示意图。测量系统4包括透镜装置41、图像检索装置42、定位平台43、光学探测装置44及信号处理装置45。透镜装置41包括物镜，其为一维阵列透镜。在本实施例中物镜为十倍物镜。图像检索装置42通过透镜装置41检索物体46(例如玻璃衬底)的图像。在本实施例中，图像检索装置42为CCD镜头。物体46被放置在机台47上。定位平台43包括驱动马达、马达轴控制卡及平台本体。定位平台43用以调整透镜装置41的焦距。在本实施例中，定位平台43的精度可达0.1μm，所述驱动马达的型号为5-PHASE DRIVER DFU1507，所述马达轴控制卡由ADVANTECH公司生产，其型号为PCI-1240U，所述平台本体由KOHZU公司生产，其型号为XA07-13。

光学探测装置44用以探测物体46的位置且发出第一信号。透镜装置41、图像检索装置42、定位平台43及光学探测装置44均位于固定衬底48上，使得透镜装置41与物体46间隔一适当距离。信号处理装置45在接收且处理来自所述光学探测装置44的所述第一信号后发出第二信号至定位平台43，以调整透镜装置41的焦距。

参考图8，其显示本发明的测量系统的光学探测装置的优选实施例的内部示意图。光学探测装置44包括发光源441、光栅(Grating)442、分光器443、准直透镜(CollimatorLens)444、反射镜(Mirror)445、物镜(Objective lens)446、柱面透镜(Cylinderical Lens)447、光电探测器(Photo Detector)448及音圈(Voice Coil)449。

在本实施例中，发光源441为一激光二极管(Laser Diode)，其用以发出光束。光栅442用以使所述光束产生衍射。分光器443包括偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)4431及1/4波片(Quarter Waveplate)4432，用以使所述光束偏振，且改变所述光束的行进方向。准直透镜444用以使所述光束形成一准直光束。反射镜445用以改变所述准直光束的行进方向。物镜446的中央具有多个同心圆形沟槽，音圈449连接至物镜446。所述准直光束经过物镜446时将可使所述准直光束聚焦至物体46上，且同时产生反射光束。

所述反射光束穿过物镜446、反射镜445、准直透镜444、分光器443及柱面透镜447而投射至光电探测器448上。在本实施例中，光电探测器448为光电二极管(Photodiode IC)，其包括四象限光电探测器(Four-Quadrant Photo Detector)(与图3的四象限光电探测器271相同)，所述四象限光电探测器依据所述反射光束在四个象限(A、B、C及D四个象限)上的光分布而输出聚焦错误信号(Focus Error Signal)(即所述第一信号)。

参考图9，其显示本发明的测量系统的光学探测装置的优选实施例的立体组合示意图。请同时参考图8及图9，光学探测装置44包括本体外壳50及L形管51。本体外壳50用以容纳发光源441、光栅442、分光器443、准直透镜444、柱面透镜447及光电探测器448。L形管51为中空管体，其具有第一端511、转折部512及第二端513。第一端511连接至本体外壳50，反射镜445位于转折部512，物镜446及音圈449位于第二端513。

请再参考图9，测量系统4还包括固定架52、微调平台53及转接板54。光学探测装置44的本体外壳50通过转接板54而固定在微调平台53上。在本实施例中，微调平台53为手动微调平台。微调平台53固定在固定架52上，固定架52固定在固定衬底48上。

再参考图7，在测量系统4中，由于光学探测装置44的特殊设计，可使得光学探测装置44的测量点十分接近于透镜装置41及图像检索装置42的测量区，因而可以减少光学探测装置44与透镜装置41及图像检索装置42之间的非同轴测量误差。

测量系统4的操作方式如下。首先，将物体46放置在机台47上。接着，驱动定位平台43，使得图像检索装置42所接收的图像达到最清晰的状态。接着，以手动方式调整光学探测装置44的上下位置，使光学探测装置44与物体46之间的距离恰好位于S曲线的线性区域的原点(零点)上。调整完成后，将光学探测装置44固定住。接着，即可进行对物体46的扫瞄测量，在扫瞄测量过程中，经由光学探测装置44可测量出物体46表面高度的变化，而且将所述高度变化值实时地反馈至信号处理装置45，信号处理装置45根据所述高度变化值驱动定位平台43，以调整透镜装置41的焦距，从而使测量系统4完成自动对焦。

以下是测量系统4的相关实验及结果。

参考图10，其显示本发明的光学探测装置的S曲线的实际测量结果。所述S曲线的测量方式如下，首先将光学探测装置44从微调平台53拆下后固定至一精密线性马达平台上。接着，将测试用反射镜固定在光学探测装置44下方。接着，再利用所述精密线性马达推动光学探测装置44至距离测试用反射镜适当的位置。随后，每次移动1μm，到达定位时，触发A/D数据检索卡，以读取光学探测装置44的输出信号(即聚焦错误信号)与平台位移值。如此，可以得到平台位置与光学探测装置44的聚焦错误电压信号的对应关系，此关系便是S曲线，如图10所示。要注意的是，在本发明中，所应用的S曲线的区段仅为曲线60的线性区段。

参考图11，其显示本发明的光学探测装置实际测量TFT-LCD的结果。从图中可看出，本发明可应用于TFT-LCD的高度测量。

参考图12，其显示本发明的光学探测装置实际测量的十字形样版。所述十字形样版经α-step仪器测量后，得到其膜厚高度为0.2649μm。本发明的光学探测装置44采用与α-step仪器相同的测量扫描方向(图中箭头方向)，将测量到的电压值通过S曲线斜率值转换成位移单位后，得到高度值为0.274μm，误差量约3％。因此可知光学探测装置44的测量精度相仿于常规精密测量仪器。

参考图13，其显示本发明的光学探测装置的动态测试结果。以PhysikInstrumente(PI)公司生产的三轴纳米定位平台(型号为PI-762.3L)的X轴方向作为激振源，在X轴方向上粘贴反射片，并将光学探测装置44放置在所述反射片上方。利用函数产生器输入频率为1.5KHz、位移为5μm的正弦信号至所述三轴纳米定位平台的X轴向，如图13所示检索光学探测装置44的输出信号。因此，可证明光学探测装置44的测量速度至少每秒达30mm。

上述实施例仅用以说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，所属领域的技术人员可在不违背本发明精神的前提下对上述实施例进行修改及改变。本发明的权利要求范围应如随附的权利要求书中所陈述。

Claims (18)

1、一种光学探测装置，其包括：

发光源，其用以发出光束；

光栅，其用以使所述光束产生衍射；

分光器，其用以使所述光束偏振且改变所述光束的行进方向；

准直透镜，其用以使所述光束形成准直光束；

反射镜，其用以改变所述准直光束的行进方向；

物镜，其中央具有多个同心圆形沟槽，用以将所述准直光束聚焦至物体上；

柱面透镜，其用以接收来自所述物体的反射光束，所述反射光束穿过所述物镜、所述反射镜、所述准直透镜及所述分光器；及

光电探测器，其用以探测所述反射光束。

2、如权利要求1所述的光学探测装置，其中所述发光源为激光二极管。

3、如权利要求1所述的光学探测装置，其中所述分光器包括偏振分束器及1/4波片。

4、如权利要求1所述的光学探测装置，其进一步包括连接到所述物镜的音圈。

5、如权利要求1所述的光学探测装置，其中所述光电探测器为光电二极管，其包括四象限光电探测器，所述四象限光电探测器依据所述反射光束在四个象限上的光分布而输出聚焦错误信号。

6、如权利要求1所述的光学探测装置，其进一步包括本体外壳及L形管，所述本体外壳用以容纳所述发光源、所述光栅、所述分光器、所述准直透镜、所述柱面透镜及所述光电探测器，所述L形管具有第一端、转折部及第二端，所述第一端连接至所述本体外壳，所述反射镜位于所述转折部内，所述物镜位于所述第二端。

7、一种测量系统，其包括：

透镜装置；

图像检索装置，其通过所述透镜装置检索物体的图像；

定位平台，其用以调整所述透镜装置的焦距；

光学探测装置，其用以探测所述物体的位置且发出第一信号；及

信号处理装置，其在接收且处理所述第一信号后发出第二信号至所述定位平台。

8、如权利要求7所述的测量系统，其中所述透镜装置包括十倍物镜。

9、如权利要求7所述的测量系统，其中所述图像检索装置为CCD镜头。

10、如权利要求7所述的测量系统，其中所述定位平台包括驱动马达、马达轴控制卡及平台本体。

11、如权利要求7所述的测量系统，其进一步包括固定衬底，所述透镜装置、所述图像检索装置、所述定位平台及所述光学探测装置均位于所述固定衬底上。

12、如权利要求11所述的测量系统，其进一步包括固定架及微调平台，所述光学探测装置固定在所述微调平台上，所述微调平台固定在所述固定架上，而所述固定架固定在所述固定衬底上。

13、如权利要求7所述的测量系统，其中所述光学探测装置包括：

发光源，其用以发出光束；

光栅，其用以使所述光束产生衍射；

分光器，其用以使所述光束偏振且改变所述光束的行进方向；

准直透镜，其用以使所述光束形成准直光束；

反射镜，其用以改变所述准直光束的行进方向；

物镜，其中央具有多个同心圆形沟槽，用以将所述准直光束聚焦至所述物体上；

柱面透镜，其用以接收来自所述物体的反射光束，所述反射光束穿过所述物镜、所述反射镜、所述准直透镜及所述分光器；及

光电探测器，其用以探测所述反射光束且发出所述第一信号。

14、如权利要求13所述的测量系统，其中所述发光源为激光二极管。

15、如权利要求13所述的测量系统，其中所述分光器包括偏振分束器及1/4波片。

16、如权利要求13所述的测量系统，其进一步包括连接到所述物镜的音圈。

17、如权利要求13所述的测量系统，其中所述光电探测器为光电二极管，其包括四象限光电探测器，所述四象限光电探测器依据所述反射光在四个象限上的光分布而输出聚焦错误信号。

18、如权利要求13所述的测量系统，其进一步包括本体外壳及L形管，所述本体外壳用以容纳所述发光源、所述光栅、所述分光器、所述准直透镜、所述柱面透镜及所述光电探测器，所述L形管具有第一端、转折部及第二端，所述第一端连接至所述本体外壳，所述反射镜位于所述转折部处，所述物镜位于所述第二端。

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