TW202124919A

TW202124919A - 量測裝置

Info

Publication number: TW202124919A
Application number: TW108146783A
Authority: TW
Inventors: 陳建文
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-07-01
Also published as: US10962418B1; TWI721719B

Abstract

一種量測裝置，包括一光源、一第一分光器、一光柵、一反射器以及一感測器。光源用以發出一光束。第一分光器設置在光束的光路上，其中光束經第一分光器分為一第一光束以及一第二光束。光柵設置在第一光束與第二光束的光路上，其中第一分光器使第一光束傳遞至光柵。反射器設置在第二光束的光路上，其中第一分光器使第二光束傳遞至反射器，第二光束再經反射器反射至光柵。第一光束與第二光束經光柵繞射後分別產生多個不同角度的第一繞射光束與多個不同角度的第二繞射光束。這些第一繞射光束與這些第二繞射光束干涉後被感測器接收。

Description

量測裝置

本發明是有關於一種裝置，且特別是有關於一種量測裝置。

在過去提出一種光柵感測技術，主要針對光柵透過疊紋或Talbot效應所產生的空間光場，進行直接的空間相位感測。在光束經由20 μm的光柵尺透過talbot自成像到感測器上，可以直接應用成無副光柵感測的架構，且目前已製作出雛形晶片化的測試。此晶片採用CMOS製程，依光學取樣設計將光感測器與相關前級電路整合再一起，可以大幅提高頻寬響應及對干擾的抑制能力。

然而，針對另外一種不同原理，主要是利用光柵的±1階產生時域上的相位干涉，其原理為都卜勒效應。此技術過去主要的感測原理為利用偏振控制光的路徑，並產生正交的干涉訊號，但其光學結構複雜。此外，藉由光學鏡組可以將高斯光束分裂為兩半，以產生不同路徑的分光，並達到光柵後產生的±1階反射。此光學控制±1階光以設計角度產生空間干涉，並產生在空間上的干涉圖樣，再透過感測器感測對應的0與90度相位位置。但其採用對高斯光束分光，造成干涉光光強度不對稱，此造成嚴重的直流（DC）飄移變化。此外，由於其結構造成0階容易和±1階混合，造成訊號的畸變（Distortion）。

本發明提供一種量測裝置，其結構簡單，且可應用至不同的光柵週期與感測器週期的組合。

本發明的一實施例的量測裝置包括一光源、一第一分光器、一光柵、一反射器以及一感測器。光源用以發出一光束。第一分光器設置在光束的光路上，其中光束經第一分光器分為一第一光束以及一第二光束。光柵設置在第一光束與第二光束的光路上，其中第一分光器使第一光束傳遞至光柵。反射器設置在第二光束的光路上，其中第一分光器使第二光束傳遞至反射器，第二光束再經反射器反射至光柵。第一光束與第二光束經光柵繞射後分別產生多個不同角度的第一繞射光束與多個不同角度的第二繞射光束。這些第一繞射光束與這些第二繞射光束干涉後被感測器接收。干涉後被感測器接收的這些第一繞射光束與這些第二繞射光束之間的夾角大於0度且小於180度。

基於上述，由於本發明實施例的量測裝置採用第一分光器使光源發出的光束分為第一光束以及第二光束，並使感測器接收第一光束以及第二光束經光柵繞射後產生的繞射光束之間的干涉空間條紋，因此，本發明實施例的量測裝置的結構較為簡單。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A是本發明的一實施例的一種量測裝置的示意圖。請參照圖1A，本發明的一實施例的量測裝置100包括一光源110、一第一分光器122、一光柵130、一反射器124以及一感測器140。光源110用以發出一光束200。光源110例如是雷射光源。光束200例如是包括p偏振光與s偏振光的線性偏振光束。此外，在本實施例中，光柵130可為反射式光柵，反射器124可為反射鏡（mirror），且感測器140可為矽基二極體光感測器（Si-Based Photodiode），但本發明不以此為限。本發明實施例的感測器140的其他特徵與特性可參照中華民國專利第I659194號的光感測器或美國專利第10243668B2號的光感測器（light sensors），在此不再贅述。

在本實施例中，第一分光器122設置在光束200的光路上，其中光束200經第一分光器122分為一第一光束210以及一第二光束220。為了使感測器140所接收到的干涉訊號符合理論計算的結果，以及為了理論計算的方便性，在本實施例中，第一分光器122較佳為50%穿透且50%反射的分光器（beam splitter），但本發明不以此為限。

再者，在本實施例中，光柵130設置在第一光束210與第二光束220的光路上，其中第一分光器122使第一光束210傳遞至光柵130。反射器124設置在第二光束220的光路上，其中第一分光器122使第二光束220傳遞至反射器124，第二光束220再經反射器124反射至光柵130。第一光束210與第二光束220經光柵130繞射後分別產生多個不同角度的第一繞射光束212、214與多個不同角度的第二繞射光束222、224。其中，繞射光束繞射後的角度相同於入射光束的角度定義為0階繞射光束。由於光束210與光束220都是垂直入射至光柵130，因此，繞射光束212、222分別為經光柵130繞射後的0階繞射光束212、222。再者，其餘階的繞射光束定義為：繞射光束與入射光束都在光柵130法線的同一側則為正整數階繞射光束（如下面圖6），且繞射光束與入射光束在光柵130法線的相對兩側則為負整數階繞射光束（如下面圖3、4A、4B、5、7）。但當入射光束垂直入射至光柵130時，則定義在入射光束的方向上，相對於光柵130法線的右手邊為正整數階繞射光束，且相對於光柵130法線的左手邊為負整數階繞射光束，例如圖1A、1B、2。因此，在圖1A中，光束214為正整數階繞射光束214，且光束224為負整數階繞射光束224。

附帶一提，為便於說明，圖1A中的光束212繪示為不與光束210重合，且光束222繪示為不與光束220重合，但在光學光路上，光束212應與光束210重合，且光束222應與光束220重合。再者，在圖1A中，z軸的方向定義為反射器124至第一分光器122的排列方向，y軸的方向定義為第一分光器122與反射器124至光柵130的排列方向，且x軸與y軸及z軸互相垂直。

接著，在本實施例中，第一繞射光束212、214與第二繞射光束222、224干涉後被感測器140接收。圖1A以繞射光束214與繞射光束224干涉後被感測器140接收為例，其中繞射光束214、224分別為+1階、-1階繞射光束，繞射光束214、224之間的夾角為θ，且夾角θ大於0度且小於180度。也就是說，繞射光束214、224不互相平行。但本發明不以此為限，也可以適當地調整感測器140的位置或夾角θ的角度，使得干涉後被感測器140接收到的繞射光束214、224分別為其他階的繞射光束，例如繞射光束214、224為+1階、-1階、+2階或-2階繞射光束。

在本實施例中，第一光束210與第二光束220分別入射至光柵130的不同位置P1、P2上。此外，第一分光器122與第一反射器124可為一橫向位移分光器（lateral displacement beam splitter）。

圖1B是本發明的另一實施例的一種量測裝置的示意圖。請同時參照圖1A與圖1B，圖1B的量測裝置100’與圖1A的量測裝置100相似，因此相同的部分不再贅述，且兩者之間的主要差異如下。在圖1A中，第一光束210經第一分光器122反射而傳遞至光柵130，且第二光束220穿透該第一分光器122而傳遞至反射器124。反之，在圖1B中，第一光束210穿透第一分光器122而傳遞至光柵130，且第二光束220經第一分光器122反射而傳遞至反射器124。

除此之外，在圖1A的量測裝置100中，當光束200在空間中的行進方向不與光柵130平行時，仍可以簡單地調整第一分光器122的分光面的角度與反射器124的反射面的角度，使得量測裝置100的第一光束210與第二光束220垂直入射至光柵130，因此繞射光束214、224可重合至所需的位置。反之，在圖1B的量測裝置100’中，當光束200在空間中的行進方向不與光柵130垂直時，即使調整第一分光器122的分光面的角度，第一光束210入射至光柵130的角度仍不會被改變，使得第一光束210不會垂直入射至光柵130。因此，為了使量測裝置100’的繞射光束214、224可重合至所需的位置，仍需進一步考量光束200在空間中的行進方向而調整反射器124的反射面的角度，才能使得繞射光束214、224重合至所需的位置。也就是說，相較於圖1A的量測裝置100，圖1B的量測裝置100’在調整上較為複雜。因此，圖1A的量測裝置100在應用上仍是較佳的方式。

圖2是本發明另一實施例的一種量測裝置的示意圖。請參照圖2，圖2的量測裝置100A與圖1A的量測裝置100相似，因此相同的部分不再贅述，且兩者之間的主要差異如下。圖2的量測裝置100A更包括一第一四分之一波片150A以及一第二四分之一波片152A。第一四分之一波片150A設置在第一光束210A的光路上，且第一四分之一波片150A位於第一分光器122A與光柵130之間。第二四分之一波片152A設置在第二光束220A的光路上，且第二四分之一波片152A位於第一反射器124與光柵130之間。

在本實施例中，第一分光器122A可為偏振分光器（polarized beam splitter）。例如，第一分光器122A可將s偏振光反射，且p偏振光可穿透第一分光器122A。但本發明不以此為限，第一分光器122A也可將p偏振光反射，且s偏振光可穿透第一分光器122A。以第一分光器122A可將s偏振光反射為例，具s偏振的第一光束210A經第一分光器122A反射後，再穿透第一四分之一波片150A，並同時被轉換為具有圓偏振的光束210A。接著，具有圓偏振的光束210A經光柵130繞射後產生不同角度的圓偏振繞射光束212A、214A。其中，具有圓偏振的0階繞射光束212A穿透第一四分之一波片150A後被轉換為具p偏振的繞射光束212A。因此，具p偏振的繞射光束212A將會穿透第一分光器122A，而不會反射至光源110。

同理，在本實施例中，具p偏振的第二光束220A穿透第一分光器122A後，再被反射器124反射至第二四分之一波片152A。具p偏振的第二光束220A再穿透第二四分之一波片152A，並同時被轉換為具有圓偏振的光束220A。接著，具有圓偏振的光束220A經光柵130繞射後產生不同角度的圓偏振繞射光束222A、224A。其中，具有圓偏振的0階繞射光束222A穿透第二四分之一波片152A後被轉換為具s偏振的繞射光束222A。因此，具s偏振的繞射光束222A經反射器124反射至第一分光器122A，具s偏振的繞射光束222A再被第一分光器122A反射，而不會穿透至光源110。

基於上述，由於量測裝置100A的分光器122A可為偏振分光器，且量測裝置100A更包括四分之一波片150A以及四分之一波片152A，因此，經光柵130繞射後產生的0階繞射光束212A、222A不會被反射至光源110，量測裝置100A的光源110不受光路系統上的反射光束干擾而造成強度變化，使得量測裝置100A的感測器140量測到的干涉訊號的訊號雜訊比（signal-noise ratio）更佳。除此之外，由於光源110發出的光束200可為線性偏振光束，因此，量測裝置100A的第一光束210與第二光束220的光強度比例可經由將光源110沿著z軸旋轉一角度而調整。

圖3是本發明另一實施例的一種量測裝置的示意圖。請參照圖3，圖3的量測裝置100B與圖1A的量測裝置100相似，因此相同的部分不再贅述，且兩者之間的主要差異如下。圖3省略繪示光源與感測器，且圖3的量測裝置100B更包括一第二分光器160。第二分光器160設置在干涉後被感測器接收的第一繞射光束214與第二繞射光束224的光路上，其中干涉後被感測器接收的第一繞射光束214與第二繞射光束224分別經第二分光器160反射後再入射至感測器。

在本實施例中，第一分光器122的分光面122S與第二分光器160的分光面160S不互相平行，且第一分光器122的分光面122S與反射器124的反射面124S不互相平行。但本發明不以此為限，分光面122S、分光面122S以及反射面124S也可互相平行或其中兩者之間互相平行。詳細而言，第一分光器122與反射器124之間（或橫向位移分光器120）具有光軸I。分光面122S與光軸I之間的夾角不等於45度，且反射面124S與光軸I之間的夾角不等於45度。因此，第一光束210與第二光束220不會垂直入射至光柵130，其中第一光束210與光柵130所夾的銳角大於0度且小於90度，且第二光束220與光柵130所夾的銳角大於0度且小於90度。

再者，在本實施例中，光柵130也可相對於光軸I旋轉一角度θ_G 。由於本實施例的量測裝置100B更包括第二分光器160，且量測裝置100B可調整第一分光器122的分光面122S、第二分光器160的分光面160S以及反射器124的反射面124S之間的角度，因此，量測裝置100B可經由調整光源的光束200的入射角度、分光面122S的角度、反射面124S的角度以及分光面160S的角度，而使得繞射光束214、224重合在所需的位置，量測裝置100B的使用上更加靈活。

圖4A是本發明另一實施例的一種量測裝置的示意圖。請參照圖4A，圖4A與圖3兩者之間的主要差異如下。圖4A省略繪示第一分光器、反射器，且圖4A的第一光束210與第二光束220分別先穿透第二分光器160後，第一光束210與第二光束220再分別入射至光柵130。再者，第二分光器160的折射率可與其周圍介質的折射率不同。第二分光器160的材質例如是玻璃，且其周圍介質例如是空氣。因此，第一光束210與第二光束220穿過第二分光器160後都各自會產生平移量D1、D2。也就是說，未入射至第二分光器160的第一光束210與穿透第二分光器160的第一光束210互相平行，但其各自延伸後的線段不重合。未入射至第二分光器160的第二光束220與穿透第二分光器160的第二光束220互相平行，但其各自延伸後的線段不重合。

上述圖4A的實施例例如是發生在大尺寸的第二分光器160的情況，或圖3中的第一分光器122的分光面122S與反射器124的反射面124S在光軸上的距離N縮短的情況，或小尺寸的橫向位移分光器120的情況。由於本發明實施例的量測裝置也可選擇將第一光束210與第二光束220分別先穿透第二分光器160後，第一光束210與第二光束220再分別入射至光柵130的情況，因此量測裝置可適用於大尺寸的第二分光器160、距離N縮短或小尺寸的橫向位移分光器120，本發明實施例的量測裝置可適用不同的光學元件或不同的光學系統設置。

圖4B是圖4A的第二分光器沿y軸順時針旋轉90度的示意圖。請參照圖4B，圖4B與圖4A兩者之間的主要差異如下。圖4B中的第二分光器160為將圖4A中的第二分光器160沿y軸順時針旋轉一角度，例如90度，使圖4B中的第二分光器160的分光面改成平行於z軸且相對於x軸傾斜。也就是說，繞射光束214、224入射至第二分光器160的分光面後，會再大致朝向x軸的方向傳遞。但本發明不以此為限，可依設計需求任意調整第二分光器160的分光面所朝的方向。因此，本發明實施例的量測裝置可配合光路上的需求將感測器設置在合適的位置，本發明實施例的量測裝置更可靈活設置

圖5是圖4B在第二分光器的局部放大圖。請參照圖5，圖5與圖4B兩者之間的主要差異如下。圖5省略繪示第二光束220的光路。

圖6是圖5的量測裝置採用+1階繞射的示意圖。請同時參照圖5與圖6，圖6與圖5兩者之間的主要差異如下。圖5為量測裝置採用-1階繞射的情況，但圖6為量測裝置採用+1階繞射的情況。在圖5中，0階繞射光束212穿透第二分光器160產生平移量D3，且-1階繞射光束214穿透第二分光器160產生平移量D4。在圖6中，0階繞射光束212穿透第二分光器160產生平移量D5，且+1階繞射光束214穿透第二分光器160產生平移量D6。但由於圖6中的+1階繞射光束214與0階繞射光束212之間的夾角大於圖5的-1階繞射光束214與0階繞射光束212之間的夾角，相較於圖5的量測裝置，在圖6的量測裝置中，0階繞射光束212與+1階繞射光束214的分離在光路設計上較為容易。反之，在圖5的量測裝置中，0階繞射光束212與-1階繞射光束214的分離在光路設計上較為困難。

除此之外，由於圖6的量測裝置的繞射光束214採用+1階繞射光束，且+1階繞射光束214與入射光束210為相對於光柵130法線的左手邊，因此，圖6中省略的另一道繞射光束應可採用+1階繞射光束，且此+1階繞射光束與其入射光束應為相對於光柵130法線的右手邊。因此，在圖6的量測裝置中，為了使得第一光束210與第二光束入射至光柵130後所分別產生的兩道+1階繞射光束可在空間中重合，第一光束210與第二光束可在入射至光柵130前就先在空間中交錯。

圖7是本發明另一實施例的一種量測裝置的示意圖。請參照圖7，圖7的量測裝置100C與圖3的量測裝置100B相似，因此相同的部分不再贅述，且兩者之間的主要差異如下。在圖7的量測裝置100C中，光柵130C為穿透式光柵。相較於圖3的量測裝置100B，圖7的量測裝置100C的光路設計空間更大。

附帶一提的是，本發明實施例的量測裝置不以圖1A至圖7的量測裝置的元件擺放方式、元件尺寸、光路設計方式等為限，且本發明實施例的量測裝置可依據以下方式設計。

圖8是本發明實施例的干涉週期相對於干涉角度在不同波長下的關係圖。圖9是圖8的干涉週期對干涉角度的一階導函數在不同波長下的曲線圖。請同時參照圖3、圖8與圖9，首先，依量測需求給定光源110的光束200波長λ、光點直徑L_D 、干涉週期P_s 以及光柵週期P_g 。其中，干涉週期P_s 為繞射光束214與224干涉後產生的干涉條紋的週期，且光點直徑L_D 為每一干涉條紋的半高寬。再者，依據前述參數可決定繞射光束214與224的干涉角度θ_I ，且其關係式為P_s =λ/2sin(θ_I )，其中θ_I =θ/2。如圖8所示，舉例來說，給定λ=635 nm（奈米）且P_s =200 μm（微米），則θ_I =0.09∘。

接著，依據上述干涉週期P_s 與干涉角度θ_c 的關係，可決定第一光束210與第二光束220入射至光柵130的角度。再者，依據第一光束210與第二光束220的入射角度、0階與±1階（或其他階）繞射光束的角度差值以及光點直徑L_D ，可決定光柵130至感測器140的距離S，以使0階與±1階（或其他階）繞射光束可在光路上被分離。以圖3為例，距離S為距離S1與距離S2的和，其中距離S1為光柵130至第二分光器160的距離，且距離S2為第二分光器160至感測器140的距離。

再者，由距離S以及干涉角度θ_c ，可決定第一光束210與第二光束220入射至光柵130的位置P1與P2之間距離M。此外，依據第一光束210與第二光束220入射至光柵130的角度可決定第一分光器122的分光面122S、反射器124的反射面124S以及第二分光器160的分光面160S的角度（或是與光軸I的夾角）。再者，依據上述距離S與M，可決定距離L與N，其中距離L為第一分光器122至光柵130的距離，且距離N為第一分光器122與反射器124之間的距離。

除此之外，由於上述各參數之間的關係彼此相關，本發明實施例的量測裝置也可依據其他使用上的狀況來給定各參數的數值，但各參數之間的數值仍可經由調整上述的步驟取得。例如，量測裝置使用橫向位移分光器120，因此距離N已被橫向位移分光器120的尺寸所決定。或者，量測裝置的空間有限，因此距離L可調整的範圍已被決定。

綜上所述，由於本發明實施例的量測裝置採用第一分光器使光源發出的光束分為第一光束以及第二光束，並使感測器接收第一光束以及第二光束經光柵繞射後產生的繞射光束之間的干涉空間條紋，因此，本發明實施例的量測裝置的結構簡單，且可依需求調整干涉角度、干涉週期，並可應用至不同的感測器周期與不同的光柵週期的搭配。

100、100’、100A、100B、100C:量測裝置 110:光源 120:橫向位移分光器 122、160:分光器 122A:偏振分光器 122S、160S:分光面 124:反射器 124S:反射面 130、130’、130C:光柵 140:感測器 150A、152A:四分之一波片 200、210、210A、212、212A、214、214A、220、220A、222、222A、224、224A:光束 D1、D2、D3、D4、D5、D6:光程差 I:光軸 L、M、N、S1、S2:距離 P1、P2:位置 θ:夾角 θ_G :角度

圖1A是本發明的一實施例的一種量測裝置的示意圖。圖1B是本發明的另一實施例的一種量測裝置的示意圖。圖2是本發明另一實施例的一種量測裝置的示意圖。圖3是本發明另一實施例的一種量測裝置的示意圖。圖4A是本發明另一實施例的一種量測裝置的示意圖。圖4B是圖4A的第二分光器沿y軸順時針旋轉90度的示意圖。圖5是圖4B在第二分光器的局部放大圖。圖6是圖5的量測裝置採用+1階繞射的示意圖。圖7是本發明另一實施例的一種量測裝置的示意圖。圖8是本發明實施例的干涉週期相對於干涉角度在不同波長下的關係圖。圖9是圖8的干涉週期對干涉角度的一階導函數在不同波長下的曲線圖。

100:量測裝置

110:光源

120:橫向位移分光器

122:分光器

124:反射器

130:光柵

140:感測器

200、210、212、214、220、222、224:光束

θ:夾角

P1、P2:位置

Claims

一種量測裝置，包括：一光源，用以發出一光束；一第一分光器，設置在該光束的光路上，其中該光束經該第一分光器分為一第一光束以及一第二光束；一光柵，設置在該第一光束與該第二光束的光路上，其中該第一分光器使該第一光束傳遞至該光柵；一反射器，設置在該第二光束的光路上，其中該第一分光器使該第二光束傳遞至該反射器，該第二光束再經該反射器反射至該光柵；以及一感測器，其中該第一光束與該第二光束經該光柵繞射後分別產生多個不同角度的第一繞射光束與多個不同角度的第二繞射光束，該些第一繞射光束與該些第二繞射光束干涉後被該感測器接收，其中干涉後被該感測器接收的該些第一繞射光束與該些第二繞射光束之間的夾角大於0度且小於180度。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該第一光束經該第一分光器反射而傳遞至該光柵，且該第二光束穿透該第一分光器而傳遞至該反射器。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該第一光束穿透該第一分光器而傳遞至該光柵，且該第二光束經該第一分光器反射而傳遞至該反射器。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中干涉後被該感測器接收的該些第一繞射光束與該些第二繞射光束為+1階繞射光束或-1階繞射光束。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該光柵為反射式光柵。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該第一光束與該第二光束分別入射至該光柵的不同位置上。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該第一光束與該第二光束垂直入射至該光柵。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該第一分光器與該第一反射器為一橫向位移分光器。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，更包括：一第一四分之一波片，設置在該第一光束的光路上，且該第一四分之一波片位於該第一分光器與該光柵之間；以及一第二四分之一波片，設置在該第二光束的光路上，且該第二四分之一波片位於該第一反射器與該光柵之間。
如申請專利範圍第9項所述的量測裝置，其中該第一分光器為偏振分光器。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，更包括：一第二分光器，設置在干涉後被該感測器接收的該些第一繞射光束與該些第二繞射光束的光路上，其中干涉後被該感測器接收的該些第一繞射光束與該些第二繞射光束分別經該第二分光器反射後再入射至該感測器。
如申請專利範圍第11項所述的量測裝置，其中該第一分光器的分光面與該第二分光器的分光面不互相平行。
如申請專利範圍第11項所述的量測裝置，其中該第一光束與該第二光束分別先穿透該第二分光器後，該第一光束與該第二光束再分別入射至該光柵。
如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該光柵為穿透式光柵。