TWI388879B - Reflective optical scanning device with minimal aberration - Google Patents

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Description

具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置
本發明係有關於一種具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，尤指一種可同時補償慧星像差及散光像差之反射式光學掃瞄裝置。
光學掃瞄系統目前已經被廣泛地用在包括雷射掃瞄顯微鏡、雷射掃瞄眼底攝影、雷射精密加工製造、及半導體製程之曝光顯影等技術上。除了該雷射掃瞄眼底攝影外，目前大部分之光學掃瞄系統均係以透鏡配合掃瞄鏡來進行二維掃瞄，如美國專利公告第2007/0253057 A1號及第6108127號等所揭露。然而，此種系統會遇到之主要問題為透鏡材料之光學吸收及色像差。由於雷射光源進展一日千里，目前藉由超連續(Supercontinuum)及光學參變振盪(Optical Parametric Oscillation)已經做出波長可由紫外光一路調整到兆赫波範圍之光源，涵蓋了三個數量級以上之頻率差異。若將這些光源與適當之光學掃瞄系統結合，將可實現具有分子鑑別度之影像系統。然而，目前並沒有一種透鏡材料可以容許這麼大範圍不同波長之光源穿透，即使有部分之波長可以穿透，這些不同波長之光造成之色像差也會使得系統非常不易使用。因此，要配合這些新之光源，勢必需用反射鏡配合掃瞄鏡來建造掃瞄系統。
以反射鏡為主之掃瞄系統，目前在市場上已經存在，如美國專利公告第6337920 B1號、第5071246號及 第5815242號等專利案所揭，唯其主要係用在眼底攝影方面。眼底攝影會使用反射鏡之考量係由於若使用透鏡必需採正向入射，則此將容易在表面產生反射光，造成背景雜訊干擾；而使用反射鏡則可斜向入射，因此只有由眼睛反射回來之光可以回到光偵測器中，不會有其他之背景。然而，也正係因為斜向入射之原因，這些以反射鏡為主之眼底掃瞄系統都會面臨慧星像差(Coma)及散光像差(Astigmatism)等問題，而使得解析度降低。雖然在美國專利公告第6099127號專利案中，有提過此種以反射鏡為主之眼底鏡具有可消去色像差之優勢。然而，為眼底攝影設計之雷射掃瞄系統，其所使用之波長多在可見光到近紅外光波段，並沒有發揮金屬鍍膜鏡具有極寬反射頻譜之優點。
按，美國專利公告第2007/0046948號，如第7圖所示，其係目前一般以反射鏡為主之掃瞄光路設計，常用在雷射掃瞄眼底鏡中。當一道平行之雷射光束4打在一水平掃瞄鏡(Horizontal Scanning,HS)41上時，係藉由其鏡面之左右轉動達到水平掃瞄，而位於其光路下游之第一球面鏡(Spherical Mirror,SM)51及第二球面鏡52，則用來將經過該水平掃瞄鏡41展開之光束4重新會聚在一垂直掃瞄鏡(Vertical Scanning,VS)42上，藉由其鏡面之上下轉動達到垂直掃瞄之功能。而位於其光路下游之第三球面鏡53及第四球面鏡54則再將此二維掃瞄之光束4會聚投影在眼睛6上，經過該眼睛之透鏡聚焦，可在視網膜平面形成二維之掃瞄 焦平面。此外，若將眼睛換成一顯微物鏡，即相當於在顯微鏡之焦點進行二維掃瞄，如此即為雷射掃瞄顯微鏡之基本原理。
然而，目前普遍之設計係將各球面鏡擺在同一個高度，亦如第7圖所示，因此將無法避免發生因斜向入射所造成之像差現象。首先，係單獨分析兩片球面鏡為一組之投影系統，如第8圖所示，可比對上述將該水平掃瞄鏡41散開之光束會聚到該垂直掃瞄鏡42上。當一道經掃瞄鏡平行進來之雷射光束4a由左下角向右入射，可相當於由第7圖之水平掃瞄鏡41進來之光束，而其中並包括焦距相同之第一、二球面鏡51a、52a及一面可分析光束聚焦特性之理想透鏡5。經由分析此光束焦點之特性後，即可得到該系統像差之資訊，亦如第9圖及第10圖所示。其係為利用一套光學模擬軟體ZEMAX所得到之結果，分別為焦點之光場分佈及光束在距離焦點前後數百微米處之光斑變化。由於對光路前進而言，兩片球面鏡都把光向同一方向反射，如第8圖所示都係向上方，因此其焦點強度分佈將會偏向此側，由第9圖所示可看出第8圖光路焦點處之慧星像差現象，其光強度係明顯偏向一邊；而由第10圖所示則可看出第8圖光路焦點前後之散光像差現象。依據橫軸單位為微米，在焦點前100與200微米處，可明顯發現焦點前後光斑均為橢圓，且過焦點後則會由水平橢圓轉變為垂直橢圓，此即為標準之散光像差現象。
綜上所述，由於一般雷射掃瞄系統係以透鏡為主，然而其可用波長範圍係受限於透鏡材料之穿透度；若改以反射式球面鏡取代透鏡建造掃瞄系統，並配合適當之金屬鍍膜，則將可使波長範圍由紫外光拓展到兆赫波段。然而，用反射式球面鏡將會遭遇斜向入射造成像差之問題，使得系統解析度不佳。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可同時補償慧星像差及散光像差之反射式光學掃瞄裝置。
本發明之次要目的係在於，完全由反射鏡組成之裝置可適用於波長範圍由紫外光至兆赫波段之光源，並可使斜向入射之像差降到最低，配合適當之鏡頭，將可達到繞射極限之要求。
本發明之另一目的係在於，在妥善放置掃瞄鏡與球面鏡間之相對位置，且配合不同焦距之球面鏡，可調整入射光與出射光之直徑比，進而可使掃瞄範圍內之波前不平整度小於1/14波長，以達到繞射極限之表現。
本發明之再一目的係在於，應用領域涵蓋雷射掃瞄眼底鏡、雷射掃瞄顯微術、雷射相關顯示科技、高功率雷射加工及半導體製程等方面。
為達以上之目的，本發明係一種具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，係用以將一入射光束進行二維平面 掃瞄，並可對代表一被掃瞄物件後所產生之光束進行處理，該反射式光學掃瞄裝置係至少包括有一第一掃瞄鏡、一第一球面反射鏡、一第二球面反射鏡、一第二掃瞄鏡、一第三球面反射鏡及一第四球面反射鏡所構成。其中，該第一掃瞄鏡係用以導入該光束，並由其鏡面之左右轉動進行水平掃瞄；該第一球面反射鏡係設置於該第一掃瞄鏡之光路下游，且距離該第一掃瞄鏡恰為此第一球面反射鏡之焦距，用以將經過該第一掃瞄鏡散開之光束重新會聚進行反射；該第二球面反射鏡係設置於該第一球面反射鏡之光路下游，且與該第一球面反射鏡間之距離為該第一球面反射鏡焦距及此第二球面反射鏡焦距之和，用以將該第一球面反射鏡所反射之光束再進行反射；該第二掃瞄鏡係設置於該第二球面反射鏡之光路下游，其距離即為該第二球面反射鏡之焦距，用以將該第二球面反射鏡所反射會聚於此之光束，由其鏡面之上下轉動進行垂直掃瞄；該第三球面反射鏡係設置於該第二掃瞄鏡之光路下游，且距離該第二掃瞄鏡恰為此第三球面反射鏡之焦距，用以將經過該第二掃瞄鏡散開之光束重新會聚進行反射；以及該第四球面反射鏡係設置於該第三球面反射鏡之光路下游，且與該第三球面反射鏡間之距離為該第三球面反射鏡焦距及此第四球面反射鏡焦距之和，用以將該第三球面反射鏡所反射之光束再進行反射。為分析光束特性，另外設置一理想透鏡於該第四球面反射鏡之光路下游，且與該第四球面反射鏡間 之距離即為該第四球面反射鏡之焦距，用以將該第四球面反射鏡所反射出之光束進行聚焦。
於一較佳實施例中，係以兩片掃瞄鏡進行X軸與Y軸之掃瞄，且每片掃瞄鏡之後方均有兩片球面反射鏡，可將經由該掃瞄鏡散開之光源收攝至接續之光學元件；此外，本發明亦可藉由適當置入一平面鏡彎折光路以縮小整體裝置之體積。當本發明於運用時，於四面球面反射鏡中，係將該第一、二球面反射鏡之弧矢(Sagittal)軸與該第三、四球面反射鏡之正切(Tangential)軸重合，藉由該第一、二球面反射鏡及該第三、四球面反射鏡配對補償散光像差；而若該第一、三球面反射鏡係向X軸正方向(＋X)偏轉，該第二、四球面反射鏡則向X軸負方向(－X)偏轉，藉由該第一、三球面反射鏡及該第二、四球面反射鏡配對補償慧星像差。其掃瞄光路係由該水平掃瞄鏡反射後開始，分別經過該第一、二球面反射鏡後至該垂直掃瞄鏡，再分別經過該第三、四球面反射鏡後抵測試用之理想透鏡。
請參閱『第1圖』所示，係本發明反射式光學掃瞄裝置之架構示意圖。如圖所示：本發明係一種具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，係用以將一入射光束進行二維平面掃瞄，並可對代表一被掃瞄物件後所產生之光束2進行處理。該反射式光學掃瞄裝置1係至少包括有一第一掃瞄鏡11、一第一球面反射鏡21、一第二球 面反射鏡22、一第二掃瞄鏡12、一第三球面反射鏡23及一第四球面反射鏡24所構成。可適用於波長範圍由紫外光至兆赫波段之光源，並可使斜向入射之像差降到最低，配合適當之鏡頭，將可達到繞射極限之要求。
該第一掃瞄鏡11係為水平掃瞄鏡(Horizontal Scanning,HS)，用以導入該光束2，並由其鏡面之左右轉動進行水平掃瞄。
該第一球面反射鏡21係設置於該第一掃瞄鏡11之光路下游，且距離該第一掃瞄鏡11恰為此第一球面反射鏡21之焦距，用以將經過該第一掃瞄鏡11散開之光束2重新會聚進行反射。
該第二球面反射鏡22係設置於該第一球面反射鏡21之光路下游，且與該第一球面反射鏡21間之距離為該第一球面反射鏡焦距21及此第二球面反射鏡22焦距之和，用以將該第一球面反射鏡21所反射之光束2再進行反射。
該第二掃瞄鏡12係為垂直掃瞄鏡(Vertical Scanning,VS)，設置於該第二球面反射鏡22之光路下游，其距離即為該第二球面反射鏡22之焦距，用以將該第二球面反射鏡22所反射會聚於此之光束2，由其鏡面之上下轉動進行垂直掃瞄。
該第三球面反射鏡23係設置於該第二掃瞄鏡12之光路下游，且距離該第二掃瞄鏡12恰為此第三球 面反射鏡23之焦距，用以將經過該第二掃瞄鏡12散開之光束2重新會聚進行反射。
該第四球面反射鏡24係設置於該第三球面反射鏡23之光路下游，且與該第三球面反射鏡23間之距離為該第三球面反射鏡焦距23及此第四球面反射鏡24焦距之和，用以將該第三球面反射鏡23所反射之光束2再進行反射。
另設置一理想透鏡31於該第四球面反射鏡24之光路下游，且與該第四球面反射鏡24間之距離即為該第四球面反射鏡24之焦距，用以將該第四球面反射鏡24所反射出之光束2進行聚焦，以利後續光學特性分析。
其中，本發明使用之掃瞄鏡11、12可為振鏡式(Galvanometric)或共振式(Resonant)轉動之鏡片，並可為平面鏡或多角鏡，且各球面反射鏡21~24其鏡面係具有一金屬鍍膜，並可為金、銀或鋁。此外，本發明亦可另外置入數面之平面鏡彎折光路以縮小整體裝置之體積。以上所述，係構成一全新具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置1。
於一較佳實施例中，係以兩片掃瞄鏡11、12進行X軸與Y軸之掃瞄，且每片掃瞄鏡11、12之後方均有兩片球面反射鏡21、22及23、24，可將經由該掃瞄鏡11、12散開之光源收攝至接續之光學元件；此外，本發明亦可藉由適當置入一平面鏡(圖中未示)而使整體裝置1之體積小於15x15x15立方公分 (cm3)。當本發明於運用時，於四面球面反射鏡21~24中，係將該第一、二球面反射鏡21、22之弧矢(Sagittal)軸與該第三、四球面反射鏡23、24之正切(Tangential)軸重合，藉由該第一、二球面反射鏡21、22及該第三、四球面反射鏡23、24配對補償散光像差；而若該第一、三球面反射鏡21、23係向X軸正方向(＋X)偏轉，該第二、四球面反射鏡22、24則向X軸負方向(－X)偏轉，藉由該第一、三球面反射鏡21、23及該第二、四球面反射鏡22、24配對補償慧星像差。其掃瞄光路係由該水平掃瞄鏡11反射後開始，分別經過該第一、二球面反射鏡21、22後至該垂直掃瞄鏡12，再分別經過該第三、四球面反射鏡23、24後抵測試用之理想透鏡31。藉此分析掃瞄光點經該理想透鏡31聚焦後之特性，即可評估本發明反射式光學掃瞄裝置1是否可補償因斜向入射造成之像差。
請參閱『第2圖~第4圖』所示，係分別為本發明掃瞄光路之正中央焦點光斑直徑分析示意圖、本發明掃瞄光路之左下角焦點光斑直徑分析示意圖及本發明掃瞄光路之右下角焦點光斑直徑分析示意圖。如圖所示：假設掃瞄範圍為1°×1°，分別掃瞄範圍正中央之焦點大小、掃瞄範圍左下角之焦點大小及掃瞄範圍右下角之焦點大小，其中，由於左上及右上大小係與右下及左下相近，因此圖形暫略。如第2圖中所示之點為掃瞄區域之中心點，而外方之圓環代表繞射極限之理論預測值，因 此若模擬出來之光斑小於圖示中之圓環，僅代表可以達到繞射極限。從第2圖~第4圖中可看出，在1°×1°掃瞄範圍內，本發明中設計之反射式光學掃瞄裝置均可以讓掃瞄光點達到繞射極限，故證實本發明中之光路設計係可達到繞射極限之表現。
請參閱『第5圖及第6圖』所示，係分別為本發明掃瞄光路之正中央焦點波前平整度特性分析示意圖及本發明掃瞄光路之右下角焦點波前平整度特性分析示意圖。如圖所示：除了上述分析光斑直徑外，焦點波前平整度亦係另一個判斷是否可以達到繞射極限之重要指標。依據馬略蕭準則(Marechal criterion)，需使波前不平整度之方均根值小於波長之1/14，才表示本裝置具有可達繞射極限之能力。由第5圖及第6圖中可看出，在同樣之1°×1°掃瞄範圍中，掃瞄區域分別為中心點及右下角之波前不平整度，其方均根值分別僅為0.0005及0.0119個波長。因此兩者均符合Marechal criterion之要求，故確認本發明之反射式光學掃瞄裝置係可達到繞射極限之表現。
因此，在本發明針對具極寬反射頻譜之含金屬鍍膜之球面反射鏡，搭配同樣係以金屬鍍膜之快速掃瞄鏡片，藉由本發明於上述所提之鏡片適當放置方式，將可以補償慧星像差及散光像差，使平面波入射穿過本反射式光學掃瞄裝置後，波前不平整度之方均根值小於波長之1/14，以符合Marechal criterion而具有可達繞射極限之能力。在本裝置搭配適當之成像系統，例如同樣以反射 鏡組成之物鏡，可達到繞射極限之影像水準且可適用於紫外光到兆赫波段之光源；同時再搭配快速轉動之掃瞄鏡，將可達到每秒數十張，甚至數百張影像之掃瞄速率。
藉此，本發明除了可成功補償因斜向入射造成之像差而達到繞射極限之要求外，同時亦由於完全係由反射鏡組成之裝置，經過適當之金屬鍍膜，例如金、銀或鋁之鏡面，將可使本反射式光學掃瞄裝置可用波長由紫外光一路橫跨至兆赫波之範圍。本發明可能之應用領域，除了雷射掃瞄眼底鏡之外，亦涵蓋雷射掃瞄顯微術、雷射相關顯示科技、高功率雷射加工及半導體製程等方面。
綜上所述，本發明係一種具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，可有效改善習用之種種缺點，在妥善放置掃瞄鏡與球面鏡間之相對位置，且配合不同焦距之球面鏡，可調整入射光與出射光之直徑比，進而可使掃瞄範圍內之波前不平整度小於1/14波長，以達到繞射極限之表現，因而可在二面對二面球面鏡不同之配對放置下，以達將斜向入射之像差降到最低，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
 (本發明部分)
反射式光學掃瞄裝置‧‧‧1
第一掃瞄鏡‧‧‧11
第二掃瞄鏡‧‧‧12
光束‧‧‧2
第一球面反射鏡‧‧‧21
第二球面反射鏡‧‧‧22
第三球面反射鏡‧‧‧23
第四球面反射鏡‧‧‧24
理想透鏡‧‧‧31
(習用部分)
光束‧‧‧4、4a
水平掃瞄鏡‧‧‧41
垂直掃瞄鏡‧‧‧42
理想透鏡‧‧‧5
第一球面鏡‧‧‧51、51a
第二球面鏡‧‧‧52、52a
第三球面鏡‧‧‧53
第四球面鏡‧‧‧54
眼睛‧‧‧6
第1圖，係本發明反射式光學掃瞄裝置之架構示意圖。
第2圖，係本發明掃瞄光路之正中央焦點光斑直徑分析示意圖。
第3圖，係本發明掃瞄光路之左下角焦點光斑直徑分析示意圖。
第4圖，係本發明掃瞄光路之右下角焦點光斑直徑分析示意圖。
第5圖，係本發明掃瞄光路之正中央焦點波前平整度特性分析示意圖。
第6圖，係本發明掃瞄光路之右下角焦點波前平整度特性分析示意圖。
第7圖，係習知技術以反射鏡為主之掃瞄光路設計示意圖。
第8圖，係習知技術以兩片球面鏡構成之投影系統示意圖。
第9圖，係第8圖光路焦點處之慧星像差示意圖。
第10圖，係第8圖光路焦點處之散光像差示意圖。
反射式光學掃瞄裝置‧‧‧1
第一掃瞄鏡‧‧‧11
第二掃瞄鏡‧‧‧12
光束‧‧‧2
第一球面反射鏡‧‧‧21
第二球面反射鏡‧‧‧22
第三球面反射鏡‧‧‧23
第四球面反射鏡‧‧‧24
理想透鏡‧‧‧31

Claims (10)

  1. 一種具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，係用以將代表一入射光束或一被掃瞄物件後所產生之光束進行處理，該反射式光學掃瞄裝置包括有：一第一掃瞄鏡，係用以導入該光束，並由其鏡面之左右轉動進行水平掃瞄；一第一球面反射鏡，係設置於該第一掃瞄鏡之光路下游，且距離該第一掃瞄鏡恰為此第一球面反射鏡之焦距，用以將經過該第一掃瞄鏡散開之光束重新會聚進行反射；一第二球面反射鏡，係設置於該第一球面反射鏡之光路下游，且與該第一球面反射鏡間之距離為該第一球面反射鏡焦距及此第二球面反射鏡焦距之和，用以將該第一球面反射鏡所反射之光束再進行反射；一第二掃瞄鏡，係設置於該第二球面反射鏡之光路下游，其距離即為該第二球面反射鏡之焦距，用以將該第二球面反射鏡所反射會聚於此之光束，由其鏡面之上下轉動進行垂直掃瞄；一第三球面反射鏡，係設置於該第二掃瞄鏡之光路下游，且距離該第二掃瞄鏡恰為此第三球面反射鏡之焦距，用以將經過該第二掃瞄鏡散開之光束重新會聚進行反射； 一第四球面反射鏡，係設置於該第三球面反射鏡之光路下游，且與該第三球面反射鏡間之距離為該第三球面反射鏡焦距及此第四球面反射鏡焦距之和，用以將該第三球面反射鏡所反射之光束再進行反射；以及其中，上述四面球面反射鏡中，係以該第一、二球面反射鏡及該第三、四球面反射鏡配對補償散光像差，該第一、三球面反射鏡及該第二、四球面反射鏡配對補償慧星像差。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，其中，該第一掃瞄鏡係為水平掃瞄鏡(Horizontal Scanning,HS)。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，其中，該第二掃瞄鏡係為垂直掃瞄鏡(Vertical Scanning,VS)。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，其中，該第一、二掃瞄鏡係可為振鏡式(Galvanometric)或共振式(Resonant)轉動之鏡片，並可為平面鏡或多角鏡。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，其中，各球面反 射鏡其鏡面係具有一金屬鍍膜，並可為金、銀或鋁。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，其中，更包括數面平面鏡，用以彎折光路使整體裝置之體積縮小至15x15x15立方公分(cm3 )。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，其中，該第一、二球面反射鏡之弧矢(Sagittal)軸係與該第三、四球面反射鏡之正切(Tangential)軸重合。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，其中，當該第一、三球面反射鏡係向X軸正方向(＋X)偏轉，該第二、四球面反射鏡則向X軸負方向(－X)偏轉。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，其中，該反射式光學掃瞄裝置之波前不平整度係小於1/14波長。
  10. 依據申請專利範圍第1項所述之具像差最小化之反射式光學掃瞄裝置，其中，該反射式光學掃瞄裝置係適用於波長由紫外光至兆赫波段之光源。
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