CN102749027A - 线型彩色共焦显微系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线型彩色共焦显微系统，其利用两共轭光纤模块，做为传导光源产生的检测光和待测物反射的测物光。藉由两光纤模块在空间中为互相光学共轭对应的关系，因此光从其中一光纤模块投射至待测物后，反射回来的光即入射至相对应的另一光纤模块上。由于光纤模块内每一条光纤丝将滤除失焦光和杂散光只允许聚焦光通过，达成共轭焦的显微技术，可大幅降低因光点重迭而产生横向干扰(cross talk)的噪声，使得本发明的系统不仅可取得较高深度量测准确度的待测物表面轮廓信息，同时具有高解析的量测效果。

Description

线型彩色共焦显微系统

技术领域

本发明有关一种共焦显微技术，尤其是指一种线型彩色共焦显微系统。

背景技术

传统的彩色共焦显微系统，一般是架设于桌面上以进行垂直或横向扫描来检测待测物的表面形貌。由于系统体积大与占用空间的问题容易造成量测不便，对于待测物若是轮廓表面的倾斜角度过大或是量测空间受限的情况，以桌上型的架构要进行量测将有其限制性。例如欲量测大型晶圆上所形成的大规模集成电路(large scale integration，LSI)芯片的凸块高度，碍于机型架构的限制，将无法使用于一般在线(in-situ)量测的应用上。

现有技术中，如美国公开US.Pub.No.2004/0051879则公开一种共焦位移传感器，以量测待测物的表面形貌。在该技术中，分别利用两组光源产生检测光，然后利用两组导光组件分别导引检测光而投射至待测物上，由待测物上反射的测物光则分别再经该两组导光组件，而分别由每一组导光组件所对应的传感器接收。

另外，如美国专利US.Pat.No.5,785,651所公开的一种共焦显微装置，其利用两组光纤分别导引由光源产生的检测光，以及物体反射的测物光。在该技术中，产生一点色散光在物体上，经由物体表面反射后的测物光进行分析以得到物体的表面形貌。而欧洲专利EP2124085则教导一种狭缝扫描共焦显微装置，其利用类狭缝光源(slit-like light source)将光分成多个点光源(unitlight source)，并且设置与该类狭缝光源共轭对应的线传感器感测由待侧物反射的测物光。该线传感器具有多个感测像素，其分别与该点光源共轭对应。另外，又如美国专利US.Pat.No.7,672,527也公开一种利用菲涅尔透镜(Fresnel lens)来产生色散的装置。

此外，如图1所示，在现有的彩色共焦显微系统中，由于光源10产生的检测光，经色散物镜11投射至待测物12的光路，再经由待测物12反射投射至光谱影像感测单元13，此传统共焦显微系统的光路径显然相当长(约320mm)，因而减弱了单位面积光的强度，因此影像感测单元必须具有一定时间以上的曝光时间，以获得足够的反射光强，以利进行有效的共焦形貌量测。不过延长曝光时间会减低检测速度，因此为了实现高速在线检测，需搭配多波长且高功率输出的高成本的灯源，大幅提升投射至待测物上的单位面积光强值，以利缩短影像感测单元曝光所需要的时间，达到快速取像的效果。如此一来，目的虽然达到，但整个系统制作成本将相对昂贵，于实用性上的经济效益不高，其竞争能力亦显不足。

发明内容

本发明提供一种线型彩色共焦显微系统，其藉由两相互对应的光纤模块，其中一光纤模块将导引光线而投射至待测物后，反射回来的物光即入射至相对应的另一光纤模块上。由于接收物光的光纤模块内每一条光纤丝将发挥空间滤波的功效，可有效滤除失焦光和杂散光，而仅允许聚焦光通过，因此可以大幅降低因光点重迭而产生横向干扰(cross talk)的噪声，使得本发明的线型彩色共焦系统不仅具有可一次取得待测物的线剖面轮廓信息的实时检测优势，同时拥有类似于单点共焦显微系统的高量测分辨率。

本发明提供一种线型彩色共焦显微系统，其藉由多个色差透镜的组合，一方面可以将线光场进行轴向色散，另一方面又可以使得反射回来的线光场聚焦在同一平面上以解决场曲像差的问题，以简化现有的线色散系统复杂度的问题。

本发明提供一种线型彩色共焦显微系统，其藉由将聚光镜组装置于光学探头架构内的多波长共焦显微镜模块前，以缩短色散物镜与成像的光路径，同时具有增加单位面积光强值的集光功能，使得高光量的系统不仅可大幅减少影像传感器的曝光时间，且可缩小系统架构体积、减少光量浪费、降低可能杂散光的干扰问题。

在一实施例中，本发明提供一种线型彩色共焦显微系统，其包括：一光源，其提供一检测光；一第一光纤模块，其一端与该光源相耦接，而另一端将该检测光调制成一调制检测光；一色散物镜，其与该第一光纤模块相耦接，该色散物镜具有两个以上的色差透镜，该色散物镜使该调制检测光产生轴向色散，使得该调制检测光聚焦形成多个具有不同深度的子调制光场，每一个子调制光场具有不同波长，该多个子调制光场经由一物体反射而形成一测物光；一第二光纤模块，其以呈线性排列的光纤丝与该色散物镜相耦接，以对该测物光进行空间滤波而得到一滤波光；一光谱影像感测单元，其与该第二光纤模块相耦接以感测该滤波光以形成一光谱影像；以及一运算处理单元，其与该光谱影像感测单元电讯连接，以接收该光谱影像并经由运算产生一线剖面轮廓形貌信息。

在另一实施例中，该色散物镜更耦接有一聚光镜组，以缩短该检测光进入该色散物镜的路径，以及缩短该测物光进入该光谱影像感测单元的路径。其中该聚光镜组，更包括有两个以上的光学透镜。

在另一实施例中，该第一光纤模块与该色散物镜间更设置有一光调制模块，其具有多个与该调制检测光相对应的光调制组件，该多个光调制组件分成多个群组，该光调制模块藉由周期性循环调制的方式，依序控制该多个群组中相对应的光调制组件，将该调制检测光投射至该色散物镜，藉由本实施例的控制方式以达到最小的光强横向干扰(cross talk)影响。

在另一实施例中，该第一光纤模块与该光源间更设置有一光调制模块，其具有多个光调制组件，该多个光调制组件分成多个群组，该光调制模块藉由周期性循环调制的方式，依序控制该多个群组中相对应的光调制组件将该检测光调制成一不连续检测光而投射至该第一光纤模块。

附图说明

图1为现有的彩色共焦显微系统中，由光源发出的检测光以及由待测物反射的测物光路示意图；

图2为本发明的线型彩色共焦显微系统实施例示意图；

图3A与图3B为本发明的第一光纤模块两端的端部模块剖面示意图；

图4为本发明的第一光纤模块另一实施例示意图；

图5A与图5B为分别本发明的色散物镜剖面示意图；

图6A为本发明的第二光纤模块示意图；

图6B为本发明的第二光纤模块另一实施例示意图；

图7A与图7B为本发明的第一光纤模块与第二光纤模块共轭关系示意图；图8为使用线型光纤排列与线型狭缝作为空间滤波组件的聚焦反应曲线示意图；

图9为本发明的线型彩色共焦显微系统另一实施例示意图；

图10A与图10B为本发明的线型彩色共焦显微系统又一实施例示意图；

图11A为DMD装置的反射组件排列示意图；

图11B为反射镜改变倾角示意图；

图12与图13为控制光调制模块的光调制组件反射示意图。

其中，附图标记：

10-光源                       11-色散物镜

11-待测物                     13-光谱影像感测单元

2-线型彩色共焦显微系统        20-光源

21-第一光纤模块               210、211-端部模块

212-光纤丝                    213-线型狭缝

214-光纤束                    215-位置调整单元

216-端部模块                  22-色散物镜

220a、220b、220c-色散透镜     23-第二光纤模块

230、231-端部模块             232-光纤丝

24-光谱影像感测单元           240-光谱分光单元

241-影像感测组件              25-运算处理单元

26-分光镜

27-移动平台

28-聚光镜组

29-光调制模块

290、290a～290c-光调制组件

291～294-群组

280、281、282-透镜

90-待测物

92-检测光

920～922-检测光

930、931、932-测物光

具体实施方式

为使本发明的特征、目的及功能更加清楚明了，下文特将本发明的系统的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明，详细说明陈述如下：

请参阅图2所示，该图为本发明的线型彩色共焦显微系统实施例示意图。该系统2包括有一光源20、一第一光纤模块21、一色散物镜22、一第二光纤模块23、一光谱影像感测单元24以及一运算处理单元25。该光源20，其提供一检测光，在本实施例中，该光源20为具有不同波长的宽带光场。该第一光纤模块21，其一端与该光源20相耦接，而另一端将该检测光调制成一调制检测光。在本实施例中，该调制检测光为一线检测光，以下以线检测光称之。另外，在本实施例中，该第一光纤模块21为一光纤束，其具有多条光纤丝，该第一光纤模块21两端分别具有一端部模块210与211，以分别与该光源20以及该色散物镜22相耦接。如图3A所示，该第一光纤模块21与该光源20耦接的端部模块210截面上，该多条光纤丝212呈现圆形的排列。如图3B所示，该第一光纤模块与该色散物镜相耦接21的端部模块截面上，具有多个以一维线性排列的方式的光纤丝212。藉由图3B的线性截面结构，使得该第一光纤模块210可以将该检测光调制成线检测光。

如图4所示，该图为本发明的第一光纤模块另一实施例示意图。在本实施例中，该第一光纤模块21具有一线型狭缝213、一光纤束214以及一位置调整单元215。该线型狭缝213系与色散透镜相耦接。该光纤束214与该光源相耦接的端部模块截面如图3A所示的结构；此外，而该光纤束214以一端部模块216与该线型狭缝211相耦接。该端部模块216内具有以二维阵列排列的光纤丝210。该位置调整单元215，其与该线型狭缝213相耦接，藉由至少两维度的线性位移运动以调整该光纤束214与该线型狭缝间213的相对位置，使得该二维阵列光纤丝中的一线性排列光纤丝与该线型狭缝213相对应。该位置调整单元215可利用位移精密度高的线性导轨，但不以此为限制，来调整该光纤束214与该线型狭缝213间的相对位置，使得一排的光纤丝可以与线型狭缝213相对应，而将检测光调制成线检测光。要说明的是，虽然在图4中，该位置调整单元与该线型狭缝213相耦接，但在另一实施例中，该位置调整单元215亦可以与该光纤数束214所具有的二维阵列排列的光纤丝相耦接，藉由调整该二维阵列排列的光纤丝的位置，使得一排的光纤丝可以与线型狭缝213相对应。

再回到图2所示，该色散物镜22，其与该第一光纤模块21相耦接，在本实施例中，该色散物镜22与该第一光纤模块21间更具有一分光镜26，其可将该线检测光导引至该色散物镜22，而投射至设置于移动平台27上的待测物90上；另一方面，该分光镜26更将由该待测物90表面反射的测物光反射而由该第二光纤模块23接收，进而传至该光谱影像感测单元24。该色散物镜22具有两个以上的色差透镜，该色散物镜22使该线检测光产生轴向色散，使得该线检测光聚焦形成多个具有不同深度的子线光场，每一个子线光场具有不同波长。本发明的色散物镜22一方面可以将线光场产生轴向色散，另一方面又可以使得反射回来的线光场聚焦在同一平面上，以解决场曲像差的问题。

图5A与图5B分别为本发明的色散物镜剖面示意图。在图5A的实施例中，为两个色差透镜220a与220b的实施例。而在图5B中，则为三个色差透镜220a～220c。该色散物镜22使线检测光92产生轴向色散，使得该线检测光92聚焦形成多个具有不同深度的子线光场92a、92b与92c，每一个子线光场92a、92b与92c具有不同波长。至于该多个子线光场构成一连续光谱，其可为可见光谱或者是不可见光谱。在本实施中，为了方便说明，该多个子线光场以红色光场92a(R)、绿色光场92b(G)以及蓝色光场92c(B)来做说明。

如图6A所示，该图为本发明的第二光纤模块示意图，该第二光纤模块23具有一光纤束，其两端分别以端部模块230与231与色散物镜以及光谱影像感测单元耦接，以对该测物光进行空间滤波而得到一滤波光。在图6A中，端部模块230与231的光纤丝232按照规则呈线性排列组合，其中光纤丝232的中心间距为一个定值d。为了达到最小的光强横向干扰影响，如图6B所示，将两光纤相对应的边缘之间具有一适当间距di，将彼此间光强横向干扰降低为最小。如图7A与图7B所示，该图为本发明的第一光纤模块与第二光纤模块共轭关系示意图。由于第一光纤模块21与该色散透镜22耦接的线性排列的光纤丝212与第二光纤模块23与该色散透镜22相耦接的线性排列光纤丝232，于空间中存在着一对一的互相对应的关系，使得由待测物反射回来的光即入射至第二光纤模块23内相互对应的光纤丝上，光纤内每一条裸光纤丝将滤除失焦光和周围的杂散光的影响，仅允许聚焦光通过，以达成共轭焦的显微效果。

在图7B中，经由相对位置调校过后，经由线性排列的光纤丝212，而形成线检测光920、921与922由分光镜而进入该色散物镜22而投射至待测物90。由于第二光纤模块23与该色散物镜22耦接的端部模块230内的光纤丝232亦呈现一维排列，使得由待测物90反射的测物光可以聚焦于该光纤丝232端面上，其测物光930、931与932才可以进入至光纤丝232内。因此，该第二光纤模块23具有类似于点型(point type)共轭焦的显微量测能力，以大幅降低现有的狭缝产生光点重迭而导致横向干扰(cross talk)的噪声，进而增加光讯号横向量测分辨率。在图7B中，经由待测物90表面反射的测物光，再藉由分光镜22的导引，而向第二光纤模块23的端部模块230上的光纤丝232投射。因此只有可以聚焦在该光纤丝232端面的光才可以进入光纤丝232内。如图8所示，该图为使用线型光纤排列与线型狭缝作为空间滤波组件的聚焦反应曲线示意图。该图可以看出利用线型排列的光纤作为空间滤波的全宽半高值(FWHM)，明显地比利用线型狭缝作为空间滤波的全宽半高值小了许多，使得峰值的判断更加容易且精确，使得量测系统的深度量测解析与准确度获得有效提升。

再回到图2所示，该光谱影像感测单元24，其感测该滤波光以形成一光谱影像。在本实施例中，该光谱影像感测单元24更包括有：一光谱分光单元240以及一影像感测组件241。该光谱分光单元240，其耦接于该第二光纤模块23的另一端部模块231上，该光谱分光单元240将该测物光分光。该影像感测组件241，其与该光谱分光单元240耦接，以感测被分光的光场而形成该光谱影像。该运算处理单元25，其与该光谱影像感测单元24以及该位移平台27连接，以接收该反射光光谱影像，经由同步实时运算产生一线剖面轮廓形貌信息，并同时搭配该移动平台27的线性移动，可以使得该待测物90通过该色散物镜22，使得线检测光92可以扫描该待测物90的表面，仅需藉由一维度的位移扫描即可完成待测物90的全域表面形貌检测。至于光谱分光单元240以及一影像感测组件241的分光与解析剖面的原理属于现有的技术，在此不作赘述。

请参阅图9所示，该图为本发明的线型彩色共焦显微系统另一实施例示意图。本实施例中，基本上与图2类似，差异的是在该分光镜26与该色散物镜22间更设置有一聚光镜组28，以缩短该检测光进入该色散物镜的路径以及缩短该测物光进入该光谱影像感测单元的路径。藉由此聚光镜组28以大幅地缩短由该第一光纤模块23发射的线检测光投射至待测物90以及由该待测物90反射至光谱影像感测单元24的光路径，同时具有增加单位面积光强值的集光功能，使得高光量的系统不仅可大幅减少影像传感器的曝光时间，且可缩小系统架构、减少光量浪费、降低可能产生杂散光的干扰。聚光镜组28由两个以上的光学透镜组成，其目的为缩束且增加光量，但关键在于此镜组不影响系统的成像质量、色像差和色散范围，所以材质选用阿贝数(Abbe number)较高的SF11和N-BK7，同时利用不同透镜的曲率搭配，使得色像差降至最低程度，而不改变色散的聚焦范围。在本实施例中，该聚光镜组28由两平凹透镜280与281以及一双凸透镜282所构成。

请参阅图10A所示，该图为本发明的线型彩色共焦显微系统又一实施例示意图。在本实施例中，基本上与图2类似，差异的是，本实施例的第一光纤模块21与该色散物镜22之间更可以设置一光调制模块29，用以减低光强横向干扰的影响。该光调制模块可为数字微反射镜装置(digital micromirrordevice，DMD)或者是硅基液晶装置(liquid crystal on silicon，LCOS)等光调制组件。

以DMD为例，如图11A所示，该图为DMD装置的反射组件排列示意图。由于DMD所构成的光调制模块29由多个排列成二维阵列的光调制组件(反射镜)290所构成，而且每一个反射镜209可以藉由控制改变其倾角。如图11B所示，该图为反射镜改变倾角示意图。在图11B的实施例中，反射镜209a将光反射至它处，只有反射镜209b将光反射至色散物镜。

为了同时兼顾提升量测的空间解析与降低光强横向干扰的影响，如图12所示，该光调制模块29与该线检测光对应的多个光调制组件290a～290c，分成多个群组291～294，该光调制模块29藉由周期性循环调制的方式，依序控制该多个群组291～294中相对应的光调制组件，将该线检测光导引至分光镜26而进入该色散物镜22中。所谓周期性循环调制的方式为，在第一时间点t₀时，同步控制每一群组中的光调制组件290a的倾角，以将光反射至色散物镜22，此时光调制组件290b与290c会被改变倾角，而不会将光反射至色散物镜22内。然后经过时间T之后，同步控制每一群组中的光调制组件290b的倾角，以将光反射至色散物镜22，此时光调制组件290a与290c会被改变倾角，而不会将光反射至色散物镜22内。

然后再经过时间T之后，同步控制每一群组中的光调制组件290c的倾角，以将光反射至色散物镜22，此时光调制组件290a与290b会被改变倾角，而不会将光反射至色散物镜22内。最后再经过时间T之后，同步控制每一群组中的光调制组件290a的倾角，以将光反射至色散物镜22，以完成一次的循环。接着一直重复上述的顺序直到完成取像为止。藉由如图12的投光方式，可将反射的光调制组件间隔开来，以避免相邻的光调制组件同时投光，而使得相邻的光调制组件周围附近产生光强横向干扰的现象。因此，图10A或图10B中的第二光纤模块23将不受限于光纤的排列关系(此时它可为图6A或图6B的排列方式)，而可以避免光纤丝之间光强互相干扰的情形发生，而影响到光谱影像的成像效果。此外，如图10B所示，该光调制模块29亦可以放置于光源20与第一光纤模块21的端部模块210之间，亦可以产生相同作用。在图10B的实施例中，该光调制模块29具有多个光调制组件，可参阅如图13所示，将其中一排的光调制组件290a～290c分成多个群组291～294，该光调制模块29藉由周期性循环调制的方式，依序控制该多个群组中相对应的光调制组件290a～290c将该检测光调制成一不连续检测光而投射至该第一光纤模块21的端部模块210上。不连续的检测光藉由该第一光纤模块21传导而投射至分光镜26上。前述的周期性循环调制方式系如图12所述的方式，在此不作赘述。藉由如图13的投光方式，可将反射的光调制组件290a～290c间隔开来，以避免相邻的光调制组件同时投光，而使得相邻的光调制组件周围附近产生光强横向干扰的现象。另外，在图10A与与图10B的实施例中，亦可以设置如图9所示的聚光镜组28，以缩短该检测光进入该色散物镜22的路径以及缩短该测物光进入该光谱影像感测单元24的路径。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，当不能以之限制本发明范围。即大凡依本发明申请专利保护范围所做的均等变化及修改，仍将不失本发明的要义所在，故都应视为本发明的进一步实施状况。

Claims (15)

1.一种线型彩色共焦显微系统，其特征在于，包括：

一光源，其提供一检测光；

一第一光纤模块，其一端与该光源相耦接，而另一端将该检测光调制成一调制检测光；

一色散物镜，其与该第一光纤模块相耦接，该色散物镜具有两个以上的色差透镜，该色散物镜使该调制检测光产生轴向色散，使得该调制检测光聚焦形成多个具有不同深度的子调制光场，每一个子调制光场具有不同波长，该多个子调制光场经由一物体反射而形成一测物光；

一第二光纤模块，其以呈线性排列的光纤丝与该色散物镜相耦接，以对该测物光进行空间滤波而得到一滤波光；

一光谱影像感测单元，其与该第二光纤模块相耦接以感测该滤波光以形成一光谱影像；以及

一运算处理单元，其与该光谱影像感测单元电讯连接，以接收该光谱影像并经由运算产生一线剖面轮廓形貌信息。

2.如权利要求1所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该第一光纤模块具有一光纤束，其具有多个光纤丝，其以一维线性排列的方式与该色散物镜相耦接。

3.如权利要求2所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该光纤束与该光源耦接的截面上，该多个光纤丝为圆形排列。

4.如权利要求1所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该第一光纤模块具有：

一线型狭缝，其与该色散透镜相耦接；

一光纤束，其分别与该线型狭缝以及该光源相耦接，其中，该光纤束以二维阵列排列与该线型狭缝相耦接；以及

一位置调整单元，其与该光纤束或该线型狭缝相耦接，以调整该光纤束与该线型狭缝间的相对位置，使得该二维阵列中的一线性排列光纤与该线型狭缝相对应。

5.如权利要求4所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该光纤束与该光源耦接的截面为圆形。

6.如权利要求1所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该色散物镜还耦接有一聚光镜组，以缩短该检测光进入该色散物镜的路径以及缩短该测物光进入该光谱影像感测单元的路径。

7.如权利要求6所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该聚光镜组，还包括有两个以上的光学透镜。

8.如权利要求1所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该光谱影像感测单元还包括有：

一光谱分光单元，其与该第二光纤模块相耦接，该光谱分光单元将该测物光分光；以及

一影像感测组件，其与该光谱分光单元偶接，以感测被分光的光场而形成该光谱影像。

9.如权利要求1所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，还具有一线性移动平台以提供承载该物体进行线性位移运动。

10.如权利要求1所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该第二光纤模块分别以线性排列的光纤丝与该色散物镜以及该光谱影像感测单元相耦接。

11.如权利要求10所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，第二光纤模块中相邻的光纤丝相对应的边缘具有一间距。

12.如权利要求1所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该第一光纤模块与该色散物镜间还设置有一光调制模块，其具有多个与该调制检测光对应的光调制组件，该多个光调制组件分成多个群组，该光调制模块藉由周期性循环调制的方式，依序控制该多个群组中相对应的光调制组件将该调制检测光投射至该色散物镜。

13.如权利要求12所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该光调制模块为数字微反射镜装置或者是硅基液晶装置。

14.如权利要求1所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该第一光纤模块与该光源间还设置有一光调制模块，其具有多个光调制组件，该多个光调制组件分成多个群组，该光调制模块藉由周期性循环调制的方式，依序控制该多个群组中相对应的光调制组件将该检测光调制成一不连续检测光而投射至该第一光纤模块。

15.如权利要求14所述的线型彩色共焦显微系统，其特征在于，该光调制模块为数字微反射镜装置或者是硅基液晶装置。

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