TW201437605A - 光學偵測系統及其干涉控制方法 - Google Patents

Abstract

一種光學偵測系統之干涉控制方法，可控制光線穿透待測物後，反射回光路產生之干涉現象。光學偵測系統包括一物鏡、一分光元件、一光源模組、一光電感測模組以及一遮光元件。遮光元件係設置於物鏡與待測物之間。

Description

光學偵測系統及其干涉控制方法

本發明係關於一種光學偵測系統及其干涉控制方法。

隨著科技的進步，光學偵測系統被廣泛地應用於各種測量儀器及電子裝置上，例如原子力顯微鏡(AFM)、光學顯微鏡(OM)、微機電系統(MEMS)、微結構測量儀或共振頻量測系統等用以偵測物體表面的粗糙狀態或極小位移的測量儀器，又例如CD光碟機、DVD光碟機或藍光光碟機等用以讀取儲存媒體的電子裝置。

以像散式的光學偵測系統的結構為例，其包括一物鏡、一分光元件、一光源系統以及一光電感測系統。當一光源系統發出的偵測光線抵達待測物時可能穿透待測物，而穿透光在藉由待測物下方之實際待測物或環境表面反射回光路系統。這些雜散光(反射光)並非光電感測系統獲取實際待測物表面資訊所需要的光線，反而有可能和由待測物反射的偵測光線產生光干涉作用，而使測量結果產生誤差。

因此，如何提供一種光學偵測系統及其干涉控制方法，可以避免光干涉導致的測量誤差，進而提升光學偵測系統的可靠度及精確度，已成為重要的課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種光學偵測系統及其干涉控制方法，可以減少光干涉導致的測量誤差，進而提升光學偵測系統的可靠度及精確度。

為達上述目的，依據本發明之一種光學偵測系統，其係用以偵測一待測物，光學偵測系統包括一光源模組、一分光元件、一物鏡、一光電感測模組以及一遮光元件。光源模組發出一偵測光線。分光元件反 射偵測光線。物鏡折射經分光元件反射之偵測光線至待測物。光電感測模組接收待測物反射偵測光線所產生之一反射光線。遮光元件係設置於物鏡與待測物之間，且遮光元件遮蔽偵測光線經一環境表面所反射之至少部分光線。

在一實施例中，遮光元件包括一遮光層。

在一實施例中，遮光元件為一遮光片。

在一實施例中，遮光元件之形狀係為圓形、半圓形、多邊形、橢圓形或不規則形。

在一實施例中，遮光層或遮光元件具有一開口。

在一實施例中，開口之直徑小於等於物鏡之穿透口徑。

在一實施例中，遮光元件可包括一基板，其中遮光層係設置於基板。

在一實施例中，待測物包括一探針單元，其具有一懸臂及一探針，探針係連接於懸臂，遮光元件係設置於物鏡及探針之間。

有鑑於上述課題，依據本發明之一種光學偵測系統的干涉控制方法，包括：提供一光學偵測系統，光學偵測系統包括一物鏡、一分光元件、一光源模組以及一光電感測模組；以及設置一遮光元件於物鏡及一待測物之間，以遮蔽一環境表面所反射之部分光線。

承上所述，依據本發明之一種光學偵測系統及其干涉控制方法，藉由在物鏡與待測物之間設置遮光元件，可以使得光源模組所發出的光線經由物鏡折射至待測物，至少部分光線穿透待測物經下方環境表面反射後被遮光元件遮蔽，進而降低環境表面所反射的光線被光電感測模組所接收的強度，因而可減少光干涉作用，及光干涉作用致使測量的結果發生的誤差，故可進而提高光學偵測系統的可靠度與精確度。

1、1a‧‧‧光學偵測系統

11‧‧‧光源模組

12‧‧‧物鏡

14、14a‧‧‧遮光元件

141‧‧‧開口

142‧‧‧遮光層

143‧‧‧基板

15‧‧‧分光元件

16‧‧‧光電感測模組

2‧‧‧環境表面

3、3a‧‧‧待測物

31‧‧‧探針

32‧‧‧懸臂

B‧‧‧實際待測物

F‧‧‧雜散光

N‧‧‧針座

S01、S02‧‧‧步驟

圖1為本發明較佳實施例之一種光學偵測系統的示意圖。

圖2為本發明另一較佳實施例之一種光學偵測系統的示意圖。

圖3為光學偵測系統的仰視示意圖。

圖4為本發明較佳實施例之一種光學偵測系統的干涉控制方法的流程圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種光學偵測系統及其干涉控制方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。須要注意的是，圖中所示僅為示意而已，不代表實際之尺寸、比例，應用上皆可有不同之設計、變化，特先陳明。

請參照圖1所示，其為本發明較佳實施例之一種光學偵測系統的示意圖。光學偵測系統1係可用以偵測由一待測物3所反射的光線強度，利用所偵測到的光線強度，光學偵測系統1係可判斷待測物3的垂直位移(相對於主要光路徑)情況，或是待測物3之表面高度變化或粗糙程度，且精密度可達奈米等級。舉例而言，光學偵測系統1可以應用於光學顯微鏡、X光顯微鏡、原子力顯微鏡或讀取儲存媒體之裝置等，其中讀取存儲存媒體之裝置可以例如是光碟機，其包括CD光碟機、DVD光碟機或藍光光碟機等。當光學偵測系統1是用以作為光學顯微鏡、X光顯微鏡或原子力顯微鏡的讀取頭時，待測物3可包括探針單元；當光學偵測系統1是用以作為讀取儲存媒體之裝置之讀取頭時，待測物3則可例如是光碟片。

如圖1所示，本實施例之光學偵測系統1係應用於讀取儲存媒體之裝置為例，光學偵測系統1包括一光源模組11、一物鏡12、一分光元件15、一光電感測模組16以及一遮光元件14。其中，待測物3為一光學儲存元件，例如為光碟片。於此，並不加以限制光學偵測系統之態樣。

在實施上，光源模組11可例如是一個或多個雷射二極體(laser diode)或是包括其他系統所需要的發光元件，例如是發光二極體、鹵素燈、鎢絲燈泡等等。於此，光源模組11是用以發出偵測光線(例如紅光雷射)至一分光元件15，偵測光線係被分光元件15反射至物鏡12。

於此，分光元件15係可依據光線之入射角的不同，而將入射的光線反射或折射，換言之，在本實施例中，分光元件15係可將光源模組11所發射的偵測光線一部分反射至物鏡12，且分光元件15亦可以將待測物3反射偵測光線所產生的一反射光線折射至光電感測模組16。

物鏡12例如是一凸透鏡，其係用以將偵測光線聚集，藉以讓偵測光線穿過物鏡12而折射至待測物3。於此，物鏡12的焦距以及與分光元件15的距離係可依據實際需求而有所不同，本發明於此並不予以限定。

遮光元件14係設置於物鏡12及待測物3之間。在實施上，遮光元件14可包括一遮光層142以及一基板143，例如是遮光元件14同時結合遮光層142及基板143，其中基板143係為一透光基板，遮光層142是設置於基板143之一側，例如是以印刷或噴塗而設置於基板143上。在實施上，基板143之厚度，例如可為0.1毫米至0.6毫米。更具體來說，當光學偵測系統1係應用於CD光碟機，則基板143的厚度係可為0.6毫米；當光學偵測系統1係應用於藍光光碟機，則基板143的厚度係可為0.1毫米。須要注意的是，以上基板143的厚度僅為舉例，在不同的實施例中，基板143的厚度係可依據實際需要而改變。另外，在不同實施例中，基板143根據不同的量測應用可以移除，本發明並不加以限定。

遮光元件14係可與物鏡12連結設置，或以其他方式設置於物鏡12及待測物3之間，本發明並不予以限定。在本實施例中，遮光元件14之形狀係為圓形，但不以此為限(在不同實施例中，遮光元件的形狀也可以為半圓形、多邊形、橢圓形或不規則形等)，且遮光元件14具有一開口141而可以讓偵測光線通過。較佳的是，開口141的直徑係可小於物鏡12的穿透口徑(直徑)，於此，開口141之直徑係可以為2毫米至3毫米，或者在其他實施例中，開口141之直徑可以依據物鏡12之穿透口徑的不同而改變，本發明並不加以限定。

光電感測模組16係用以接收被待測物3反射偵測光線的一反射光線，將之轉換為電壓訊號，藉以從中獲取待測物3的表面的資訊或位移的資訊。於此，光電感測模組16係以一四象限光電感測晶片(photodiode IC,PDIC)為例。當偵測光線射至待測物3表面，被待測物3反射的反射光線經光電感測模組16接收、轉換為電壓值，並據以計算後，即可獲得待測物3所儲存資料的資訊。

由於待測物3的厚度很薄，或是偵測光線射至待測物3的照射面積大於待測物3的面積時，部分偵測光線係穿透待測物3或由待測物3的周圍漏光至他處，進而射至一環境表面2，於此，環境表面2例如是 光碟機的托盤或是放置樣品之樣品台。遮光元件14設置之目的便是用以遮蔽偵測光線被環境表面2所反射的至少部分光線(又可稱為雜散光F)，進而可降低雜散光F被射至光電感測模組16之強度，藉以使得光電感測模組16在獲取待測物3的資訊時，可減少光干涉作用產生之影響，故可提高準確度及可靠度。

請參照圖2所示，其為本發明較佳實施之另一種光學偵測系統的示意圖。光學偵測系統1a與光學偵測系統1相同，不同之處在於，本實施例之光學偵測系統1a係以應用於像散式(Astigmatic)原子力顯微鏡為例，於此，待測物3a包括一探針單元。

探針單元係包括一探針31以及一懸臂32，其中探針31係連結於懸臂32下方，且探針31是位於物鏡12之焦點。一般來說，探針31之針尖尺寸僅數奈米，而懸臂32之寬度可為45至55微米，其厚度可為200奈米至500奈米。於此，偵測光線係以紅光雷射為例，其焦點直徑約為560奈米，偵測光線是藉由物鏡12之折射而聚焦於懸臂32，更精確來說，是聚焦於探針31之針尖垂直懸臂32方向的延長線與懸臂32其中一表面之交點。

需注意的是，雖然本實施例係將探針單元定義為待測物3a，其是用以說明偵測光線聚焦偵測的地方，於實際應用時，探針單元的探針31係抵頂於一實際待測物B上。當改變實際待測物B與探針單元的探針31之相對位置時，探針單元便會因實際待測物B的高低起伏而產生垂直方向的位移，造成反射偵測光的強度不同，而讓光電感測模組16接收到不同程度的反射之偵測光線，藉以判斷出實際待測物B的表面輪廓。

由於探針單元(待測物3a)與實際待測物B的厚度可能很薄，或是偵測光線射至探針單元與實際待測物B的照射面積係大於探針單元與實際待測物B的面積時，部分偵測光線即會穿透待測物3a或由待測物3a的周圍漏光至他處，進而射至一環境表面2(圖2中係以偵測光線穿透探針單元與實際待測物B為例)，舉例而言，環境表面2例如是原子力顯微鏡的載物台。於此，遮光元件14a係位於物鏡12與懸臂32之間。遮光元件14a可為一遮光片，其材質可例如是包括鐵片、不透光或吸光的材質，亦或是於一塑膠片上塗佈不透光或吸光的材料等，只要能遮擋住由環境表面2反射回來之光線即可，本發明不加以限定。

如此一來，被環境表面2所反射的部分光線(雜散光F)便可被遮光元件14a所遮蔽，而可降低雜散光F被射至光電感測模組16之強度，藉以使得光電感測模組16在獲取探針單元的位移資訊時，減少光干涉作用產生之影響，故可提高準確度及可靠度。

請參照圖3所示，其為光學偵測系統的仰視示意圖。於此係以應用於原子力顯微鏡之光學偵測系統1a為例，故請同時參照圖2所示，以利理解。遮光元件14a係設置於物鏡12及探針31之間，且遮光元件14a的主要表面係大致上與光學偵測系統1a的光路實質上垂直，進而可以遮擋部分的反射光線通過。於圖3中可以看出，由針座N夾持的懸臂32係將探針31設置於開口141中，偵測光線被環境表面2表面反射後的反射光，除了由原來的光路徑而從遮光元件14a的開口141反射回光電感測模組16之外，其他的光線大致上均可以被遮光元件14a所阻擋，而不會被光電感測模組16所感測到。其中該些被阻擋的光線並非光電感測模組16感測探針單元位移資訊時所需之必要光線，反而該些被阻擋的反射光若沒有被遮光元件14a所阻擋，而被反射至光電感測模組16，將會造成光干涉作用，導致測量誤差，進而影響偵測的結果。換言之，藉由於物鏡12及探針單元之間設置遮光元件14a，可以減少光干涉作用的產生，提高光學偵測系統1a的可靠度及精確度。須注意的是，遮光元件14a所遮擋的光線，只要能減少環境表面2所反射回的干涉光即可，也就是說，遮光元件14a也可以是一濾光層，可減少不必要的波段影響光電感測模組16的感測。

請參照圖4所示，其為本發明較佳實施例之一種光學偵測系統的干涉控制方法的流程圖。光學偵測系統的干涉控制方法包括步驟S01及步驟S02。

在步驟S01中，提供一光學偵測系統，光學偵測系統包括一物鏡、一分光元件、一光源模組以及一光電感測模組。在步驟S02中，設置一遮光元件於物鏡及一待測物之間，以遮蔽一環境表面所反射之至少部分光線。本實施例之技術特徵係與前述實施例相同，故請參考前文所述，於此不再贅述。

綜合上述，依據本發明之一種光學偵測系統及其干涉控制方法，藉由在物鏡與待測物之間設置遮光元件，可以使得光源模組所發出 的光線經由物鏡射至待測物之表面，部分光線穿透待測物經下方環境表面反射後，被遮光元件遮蔽，而減少該些光線被光電感測模組所接收的強度，因而可避免造成光干涉作用，及光干涉作用致使測量的結果發生的誤差，故可進而提高光學偵測系統的可靠度與精確度。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包括於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧光學偵測系統

11‧‧‧光源模組

12‧‧‧物鏡

14‧‧‧遮光元件

141‧‧‧開口

142‧‧‧遮光層

143‧‧‧基板

15‧‧‧分光元件

16‧‧‧光電感測模組

2‧‧‧環境表面

3‧‧‧待測物

F‧‧‧雜散光

Claims (18)

1. 一種光學偵測系統，其係用以偵測一待測物，該光學偵測系統包括：一光源模組，發出一偵測光線；一分光元件，其係反射該偵測光線；一物鏡，折射經該分光元件反射之該偵測光線至該待測物；一光電感測模組，接收該待測物反射該偵測光線所產生之一反射光線；以及一遮光元件，其係設置於該物鏡與該待測物之間，且該遮光元件遮蔽該偵測光線經一環境表面所反射之至少部分光線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該遮光元件包括一遮光層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該遮光元件為一遮光片。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該遮光元件之形狀係為圓形、半圓形、多邊形、橢圓形或不規則形。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該遮光層或該遮光元件具有一開口。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光學偵測系統，其中該開口之直徑小於等於該物鏡之穿透口徑。
7. 如申請專利範圍第2項所述之光學偵測系統，其中該遮光元件更包括一基板，其中該遮光層係設置於該基板。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該待測物包括一探針單元，其具有一探針及一懸臂，該探針係連接於該懸臂，且該探針係位於該物鏡之焦點。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該待側物係為一光學儲存元件。
10. 一種光學偵測系統的干涉控制方法，包括：提供一光學偵測系統，該光學偵測系統包括一光源模組、一分光元件、一物鏡及一光電感測模組；以及設置一遮光元件於該物鏡及一待測物之間，以遮蔽一環境表面所反射之至少部分光線。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光學偵測系統的干涉控制方法，其中該遮光元件包括一遮光層。
12. 如申請專利範圍第10項所述之光學偵測系統的干涉控制方法，其中該遮光元件為一遮光片。
13. 如申請專利範圍第10項所述之光學偵測系統的干涉控制方法，其中該遮光元件之形狀係為圓形、半圓形、多邊形、橢圓形或不規則形。
14. 如申請專利範圍第10項所述之光學偵測系統的干涉控制方法，其中該遮光元件具有一開口。
15. 如申請專利範圍第14項所述之光學偵測系統的干涉控制方法，其中該開口之直徑小於等於該物鏡之穿透口徑。
16. 如申請專利範圍第11項所述之光學偵測系統的干涉控制方法，其中該遮光元件更包括一基板，其中該遮光層係設置於該基板。
17. 如申請專利範圍第10項所述之光學偵測系統的干涉控制方法，其中該待測物包括一探針單元，具有一探針及一懸臂，該探針係連接於該懸臂，且該探針係位於該物鏡之焦點。
18. 如申請專利範圍第10項所述之光學偵測系統的干涉控制方法，其中該待測物係為一光學儲存元件。