CN103620340A - 用于距离测量的耦合多波长共聚焦系统 - Google Patents

用于距离测量的耦合多波长共聚焦系统 Download PDF

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Abstract

一种用于测量到基板的距离的系统，其包括第一光源，所述第一光源通过透镜发射第一波长在所述基板的区域上。第二光源通过透镜发射第二波长在所述基板的区域上。第一和第二检测器配置为检测从所述基板反射回的第一和第二波长光。处理器被配置为计算第一响应函数，其中所述第一响应函数将从所述第一光源发射的反射光强度表示为成像设备和所述基板之间的距离的函数。第二响应函数将从所述第二光源发射的反射光强度表示为所述成像设备和所述基板之间的距离的函数。比率响应函数将所述第一响应函数和所述第二响应函数的比率表示为所述成像设备和所述基板之间的距离的函数。

Description

用于距离测量的耦合多波长共聚焦系统
技术领域
本发明涉及用于测量介质和成像头之间的距离的装置，其中该成像头用于计算机直接制版（CPT）成像装置。
背景技术
基本的共聚焦技术由Marvin Minsky发明并从此在各种形式的文献中众所周知。共聚焦显微镜的基本原理和优点在专利号为3013467的美国专利中描述(Minsky等人)。
Shafir等人在文章“Expanding the realm of fiber optic confocalsensing for probing position,displacement,and veloci”《扩大用于探测位置、位移和速度的光纤共焦传感的范围》（Applied Optics，卷45，第30期，2006年10月20日)中使用不同的波长并调整成像透镜的不同焦平面上的光纤尖端。但是Shafir等人没有使用用于距离测量的信号比。
美国专利号6353216（Oren等人）也使用了一种共聚焦系统和不同的波长。该专利中的不同信号被使用以确定运动的方向。但没有提到使用两个信号的比用于距离测量的想法。
上述引用的现有技术中获取的共聚焦信号依赖于样本的反射率。此外，该共聚焦信号也依赖于样本前面的介质的光透射率。因此，需要一种不依赖或至少不太依赖于反射率和介质的光透射率的共聚焦信号。
发明内容
简单地说，根据本发明的一个方面，一种用于测量到基板的距离的系统包括第一光源，其通过透镜发射第一波长到基板的区域上。第二光源通过透镜发射第二波长到基板的区域上。第一和第二检测器配置为检测从基板反射的第一和第二波长光。处理器被配置为计算第一响应函数，其中所述第一响应函数将从第一光源发出的反射光强度表示为成像设备和基板之间的距离的函数。第二响应函数将从第二光源发出的反射光强度表示为成像设备和基板之间的距离的函数。比率响应函数将第一和第二响应函数之间的比表示为成像设备和基板之间的距离的函数。
本发明提出了一种共聚焦系统，其中样本被两个不同的波长同时照射。从样本反射回的信号的比率对参数如反射率和样本前面的介质的光透射率不敏感或不太敏感。
本发明的这些和其他目标、特征或优点在本领域技术人员阅读下面的详细描述连同附图之后会变得明显，其中本发明的示例性实施例在下列详细说明和附图中被示出和描述。
附图说明
图1是用于测量来自成像的基板的反射的共聚焦传感器的一种现有技术的示意图；
图2是示出来自成像的基板的反射光强度的响应函数的现有技术示意图，其中最大值表示焦点；
图3是使用各自具有不同的波长的两个光源的共聚焦系统的示意图；
图4A图示了两个响应函数之间的转换；而且
图4B图示了两个响应函数的比。
具体实施方式
在下列详细的描述中，阐述了大量具体细节以提供对本发明透彻的理解。但是，本领域技术人员将明白，本发明的教导可以被实现，而无需这些具体的细节。在其他示例中，众所周知的方法、过程、组件和电路没有详细描述以免模糊本发明的教导。
尽管本发明结合其中一个实施例描述，将理解的是并不意味着将本发明限制于该实施例。相反，旨在涵盖所附权利要求所涵盖的替代、修改和等效物。
图1示出了常规和众所周知的光纤共聚焦传感器100的结构。该共聚焦传感器100包括耦合到光纤124和光纤耦合器116的光源104。光纤128发射的光线136通过成像透镜144在基板148的表面上成像。反射回的光140耦合到发射光纤128并通过耦合器116和光纤132到达光检测器112。光检测器112测量的强度是到基板148的距离Z160的函数。
本发明的原理在此描述。检测器测量的信号Vd是成比例的，并且是几个参数的函数：
Vd(λ,z)αIoxG(λ,z)xρ(λ)xΤ(λ,z).其中，α代表比例符号。
Io是照射在样本上的光的强度。
ρ(λ)是样本的反射率。
Τ(λ,z)是样本和成像透镜之间的介质的光透射率。
Z是到样本的距离。
G(λ,z)是描述共聚焦系统总的光响应的函数。它是距离z和波长λ的函数而且还由共聚焦系统的光参数如透镜的数值孔径和纤芯直径定义。
图2是描述典型和众所周知的共聚焦信号的图形，其中对称曲线描述了作为距离Z函数的Vd(λ,z)。该曲线通过同时读取Vd(λ,z)以及沿着Z轴和在已知位置处使用共聚焦系统扫描来测量。最佳焦距在对称函数的最大值204处定义。该图形描述了典型共聚焦系统的模糊性。Vd(λ,z)的单个值对应位置z的两个不同值。
沿z轴的扫描能够以若干种技术来完成，例如使用嵌入在复合透镜336中的自动化聚焦系统，该复合透镜336由若干种光学元件构建，其中的某些元件能够被移动和控制以改变和调整透镜焦距。
从方程中能够看出信号Vd（z）也取决于样本的反射率ρ(λ)和介质的光透射率Τ(λ,z)。这意味着在最佳焦点，为具有不同反射率的样本测量出不同强度。
此外，对于具体的样本，虽然位于最佳焦点处，如果样本反射率或介质的光透射率在测量过程中变化，则由检测器测得的强度将改变。因此在这种情况下，需要反复扫描峰值以验证最佳焦点的位置。
图3描述了使用光纤共聚焦系统的本发明的基本原理，其中使用了至少两个耦合光源和检测器单元344和348。光源304（来自单元344）和光源308（来自单元348）各自发出不同的波长。光源304通过光纤耦合器320耦合到检测器312。第一检测器312被构造成只对第一光源304发出的波长λ1敏感。第二光源308通过光纤耦合器324耦合到第二检测器316。第二检测器316被构造成只对第二光源308发出的波长λ2的敏感。单元344和348由光纤耦合器328进一步耦合以通过单一的输出端口332发出合成光。输出光学端口332通过色散光学元件在基板148上成像。由于336的色散作用，波长被聚焦在两个不同的平面上，这两个平面相对于彼此偏移Δz。
处理器340形成响应函数Vd(λ1,z)，其为所用的波长λ1与透镜336和基板148之间的距离z的函数。类似地，处理器340使用不同的波长λ2形成响应函数Vd(λ2,z)。处理器340沿限定的范围计算比率响应函数，它是函数Vd(λ1,z)和函数Vd(λ2,z)的商。计算的比率响应函数是距离z的绝对单调函数。因此函数Vd(λ,z)的模糊性（与常规共聚焦系统相关）即一个值对应两个不同的Z位置被消除。
此外，考虑反射率ρλ1、ρλ1和光透射率Τ(λ1,z)和Τ(λ2,ζ)是相同的或以相同的方式变化的情况。在这种情况下，比率信号Vd(λ1,z)/Vd(λ2,z)将对反射率p和透射率T不敏感或不太敏感。描述共聚焦系统的光学响应的G(λ,z)是光学参数如透镜的数值孔径和纤芯直径的函数。通过调节这些光学参数，可控制比率Vd(λ1,z)/Vd(λ2,z)，获得例如合适的动态范围和精度。
为简单起见，假设对于λ1和λ2共聚焦系统的光学响应是相同的情况，其中该光学响应由高斯（Gussian）函数G(λ,z)描述。图4A描述归一化函数G(λ1,z)和归一化函数G(λ2,z)之间沿z轴的横向偏移。该横向偏移是由于成像透镜的色散引起的。图4B描述了G(λ1,z)和G(λ2,z)之间的比率。
实际上，通过使用不同类型的检测器，光检测器如312和316能够被制成仅对单一波长敏感。也能够使用相同的检测器，其中在检测器的前面插入适当的带通滤波器。能够使用不同的带通滤波器，例如，基于薄膜技术的滤波器或由光纤光栅制成的滤波器。
能够使用不同的光纤和光纤耦合器以实施本发明。例如，能够使用多模和单模光纤和耦合器、基于波长和偏振的光纤耦合器和光学元件。
通过激活光源并同时测量检测到的信号能够同时完成测量。通过顺序地激活不同的光源并且使用其相关的检测器执行测量也能给完成测量。当在同时顺序模式下操作时，没有必要频谱分离光检测器，因为测量是在不同时间上完成的。
本发明的基本原理通过图3所述的光纤共聚焦系统描述。然而，通过使用自由空间光系统或通过使用混合系统能够实现该原理，其中的混合系统使用光纤元件和自由空间光系统。在使用自由空间光系统的情况下，输出端口332可以是例如销孔孔径。
部件列表
100 共聚焦传感器
104 光源
112 光检测器
116 光纤耦合器
124 将光源连接到耦合器的光纤
128 在基板上发射光的光纤
132 将耦合器连接到检测器的光纤
136 发射到基板的光线
140 从基板反射回的光线
144 成像透镜
148 基板
160 从透镜到印刷版的距离z
204 最大焦距
304 第一光源
308 第二光源
312 第一检测器
316 第二检测器
320 耦合器
324 耦合器
328 第一和第二光源之间的耦合器
332 输出光学端口
336 色散透镜
340 处理器
344 耦合的光源和检测器单元
348 耦合的光源和检测器单元

Claims (10)

1.一种用于测量到基板的距离的系统，所述系统包括：
第一光源，其通过透镜发射第一波长到所述基板的区域上；
第二光源，其通过所述透镜发射第二波长到所述基板的所述区域上；
其中所述透镜是共聚焦和色散的；
第一检测器，其配置为检测从所述基板反射回的第一波长光；
第二检测器，其配置为检测从所述基板反射回的第二波长光；和
处理器，其配置为计算：
a)第一响应函数，其中所述第一响应函数将从所述第一光源发射的反射光强度表示为成像设备和所述基板之间的距离的函数；
b)第二响应函数，其中所述第二响应函数将从所述第二光源发射的反射光强度表示为所述成像设备和所述基板之间的距离的函数；和
c)比率响应函数，其中所述比率响应函数将所述第一响应函数和所述第二响应函数的比率表示为所述成像设备和所述基板之间的距离的函数。
2.根据权利要求1所述的系统，其中使用多于两个光源和检测器，并且其中每个光源发射不同波长的光。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光源和所述检测器由光纤耦合器耦合。
4.根据权利要求1所述的系统，其中光学端口是光纤的远侧尖端。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光源和检测器通过使用反射镜、反射器、光纤和光纤元件而耦合。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学端口是针孔。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学元件是由反射镜和透镜构成的。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学元件是遥测透镜。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述检测器是光子检测器或辐射热测器。
10.一种距离测量方法，其包括：
使用色散共聚焦透镜在基板区域上成像第一光源发出的第一波长；
使用所述色散共聚焦透镜在所述基板区域上成像第二光源发出的第二波长；
测量从所述第一光源发出的反射光的强度；
测量从所述第二光源发出的反射光的强度；以及
产生第一响应函数，其中所述第一响应函数将从所述第一光源发出的反射光强度表示为所述距离的函数。
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