TWI408338B - 干涉量測裝置及其量測方法 - Google Patents
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Description
本發明有關於一種干涉量測裝置,尤指一種低同調光之干涉量測裝置。
干涉量測裝置主要是利用參考光束及物體光束的干涉情形而建立待測物的輪廓與深度反射或散射強度資訊,常應用在電子電路、光罩及人體組織的掃描,如光學同調斷層掃描術(Optical Coherence Tomography)。請參閱第1圖,為習用干涉量測裝置的構造示意圖,如圖所示,干涉量測裝置10主要包括有一同調光源11、一準直器12、一分光器13(例如:分光鏡)、一透鏡14、一反射鏡15及一光譜儀16,其中同調光源11用以產生一同調光束I,準直器12則用以將同調光束I校正成為一平行光。
分光器13用以將校正後的同調光束I進行分光,並產生一參考光束Ir及一物體光束Io,其中參考光束Ir投射在反射鏡15上,而物體光束Io則經由透鏡14聚焦後照射在待測物17上。參考光束Ir會被反射鏡15所反射,並穿透分光器13投射在光譜儀16上,而物體光束Io將被待測物17散射或反射,並被分光器13反射而投射在光譜儀16上。投射在光譜儀16的物體光束Io及參考光束Ir會因為光程差而形成干涉圖案,而光譜儀16將可以對干涉圖案進行分析,並進一步推算出待測物17的輪廓與結構。
此外,移動平台18可以進行水平方向的移動,例如移動平台18可帶動待測物在第一方向X及第二方向Y進行位移,藉此物體光束Io將可以對待測物17進行二維空間的掃描,並完整的架構出待測物17的外觀。
然而習用的干涉量測裝置10在使用上仍有其限制及不便利性,例如必須將待測物17放置在移動平台18。此外,習用的干涉量測裝置10僅能使用同調光源11,若使用低同調光源則會產生色散的問題,同時亦會導致參考光束Ir及物體光束Io之間出現光程的差異,並造成量測上的誤差。
本發明之一目的,在於提供一種干涉量測裝置,主要於第一光束及第二光束的路徑上分別設置有相同的第一透鏡組及第二透鏡組,並使得第一光束及第二光束具有相近的光程。
本發明之另一目的,在於提供一種干涉量測裝置,其中第一光束及第二光束穿透相同的透鏡組並具有相近的光程,不僅可以避免色散的情形發生,亦可以使用低同調光源進行量測。
本發明之又一目的,在於提供一種干涉量測裝置,主要是以低同調光進行掃描的動作,藉此將有利於提高掃描的解析度。
本發明之又一目的,在於提供一種干涉量測裝置,其中光學延遲器包括有一轉盤及複數個反射單元,並可以各別對轉盤上各個反射單元進行角度的調整,藉此將可依序校正各個反射單元,以提高量測的準確度。
本發明之又一目的,在於提供一種干涉量測裝置,其中掃描鏡組包括有一電動轉角器及一角度掃描鏡,藉此將可使得光束投射在掃描鏡組的固定位置上,並可減少量測時的誤差。
本發明之又一目的,在於提供一種干涉量測裝置,其中掃描鏡組可用以對待測物進行二維的掃描,並完整的架構出待測物的外觀與結構,同時有利於掃描動作的進行。
本發明之又一目的,在於提供一種干涉裝置的量測方法,主要是藉由相同之第一透鏡組及第二透鏡組的設置,使得第一光束及第二光束在穿透透鏡組時具有相似的光程,而有利於使用低同調光進行掃描。
為達成上述目的,本發明提供一種干涉量測裝置,包括有:一光源模組,用以產生一光束;一分光器,用以對光束進行分光,並產生一第一光束及一第二光束;一第一透鏡組;一反射模組,設置於第一透鏡組的後方,其中第一光束穿透第一透鏡組,並投射在反射模組上;一第二透鏡組,其中第二光束穿透第二透鏡組,並投射在一待測物上;及一偵測裝置,用以接收反射模組所反射的第一光束及待測物所散射或反射的第二光束。
本發明尚提供一種干涉量測裝置的量測方法,干涉量測裝置包括有一光源模組、一分光器、一第一透鏡組、一第二透鏡組、一反射模組及一偵測裝置,上述之干涉量測裝置的量測方法包括有以下步驟:由光源模組產生一光束;將光束投射在分光器;分光器對光束進行分光,並產生一第一光束及一第二光束;引導第一光束穿透第一透鏡組,並投射在反射模組上;反射模組對第一光束進行反射,使得第一光束穿透第一透鏡組及分光器,並投射在偵測裝置上,其中,第一光束由分光器穿透第一透鏡組,投射在反射模組上的距離,加上第一光束由反射模組反射,穿透第一透鏡組及分光器,並投射在偵測裝置上的距離,定義為第一光程;引導第二光束穿透第二透鏡組,並投射在一待測物上;及待測物對第二光束進行散射或反射,使得第二光束穿透第二透鏡組,並被分光器反射而投射在偵測裝置,其中,第二光束由分光器穿透第二透鏡組,投射在待測物上的距離,加上第二光束由待測物散射或反射,穿透第二透鏡組,並被分光器反射而投射在偵測裝置上的距離,定義為第二光程,第一光程相近於第二光程。
請參閱第2圖,為本發明干涉量測裝置一較佳實施例之構造示意圖。如圖所示,干涉量測裝置20包括有一光源模組21、一掃描鏡組22、一分光器(Beam splitter)23、一第一透鏡組241、一第二透鏡組243、一光學延遲器(Optical delay line)25及一偵測器(Photodiode)26。
光源模組21用以產生一光束I,其中光束I可為一平行光束。在本發明一實施例中光源模組21可包括有一光源產生器211及一準直器213,其中光源產生器211用以產生非平行光源,並透過準直器213校正該非平行光源使之成為光束I,例如光源產生器211可為一發光二極體或其他寬頻光源,並產生一發散光源,而準直器213則可為一透鏡或一透鏡組,藉此可將發散光源校正為平行的光束I。又,光源模組21所產生的光束I可為一同調光(coherent light)亦可為一低同調光(low coherent light)。
光源模組21所產生的光束I可投射在掃描鏡組22上,並可以掃描鏡組22反射光束I,例如可以掃描鏡組22改變光束I的角度,並將光束I引導至一分光器23。此外,掃描鏡組22為一可改變角度的裝置,例如掃描鏡組可在水平或垂直方向進行轉動。藉由掃描鏡組22的轉動,將可使得掃描鏡組22所反射的光束在一定的範圍內進行掃描的動作,例如進行一維或二維的掃描,並可形成一掃描光束Is。
分光器23會對投射的掃描光束Is進行分光,其中有部分的掃描光束Is會被分光器23反射,而有部分的掃描光束Is則會穿透分光器23。被反光器23所反射的光束可定義為一第一光束Is1
,而穿透反光器23的光束則可定義為一第二光束Is2
。
第一透鏡組241及第二透鏡組243可設置在分光器23的兩端,例如第一透鏡組241設置在分光器23的一端,並使得第一光束Is1
穿透第一透鏡組241,而第二透鏡組243則設置在分光器23的另一端,並使得第二光束Is2
穿透第二透鏡組243。此外第一透鏡組241及第二透鏡組243可為一相同的透鏡組,例如掃描透鏡。
光學延遲器25設置在第一透鏡組241的後方,並使得穿透第一透鏡組241的第一光束Is1
投射在光學延遲器25上。待測物26則設置在第二透鏡組243的後方,並使得穿透第二透鏡組243的第二光束Is2
投射在待測物26上。第二透鏡組243主要用以對第二光束Is2
進行聚焦,並使得第二光束Is2
聚焦在待測物26的表面;相對的第一透鏡組241則可對第一光束Is1
進行聚焦,以使得第一光束Is2
聚焦在光學延遲器25上。
投射在待測物26的第二光束Is2
將會被散射或反射,被散射的第二光束Is2
將會再次穿透第二透鏡組243,並被分光器23反射而投射在偵測器27上。第一光束Is1
則會被光學延遲器25反射,並依序穿透第一透鏡組241及分光器23而投射在偵測器27。
在本發明實施例中第一光束Is1
可為一參考光束,而第二光束Is2
則為一物體光束。投射在偵測器27上的第一光束Is1
及第二光束Is2
將會形成干涉圖形,並可以干涉圖形推算出待測物26的表面輪廓與深度結構。
又,第一透鏡組241及第二透鏡組243可為一相同的透鏡組,換言之,第一透鏡組241將可以是第二透鏡組243的光學補償構件。藉此將可使得第一光束Is1
及第二光束Is2
在穿過第一透鏡組241及第二透鏡組243時具有相同的光程及色散,而干涉量測裝置20之光源模組21所產生的光束I不僅可為一同調光亦可為一非同調光。
請參閱第3A圖及第3B圖,分別為本發明干涉量測裝置之部分構件的側視圖及俯視圖。如圖所示,光學延遲器25包括有一轉盤251及複數個反射單元253,其中反射單元253設置在轉盤251上,而轉盤251則連接一轉動馬達252,當轉動馬達252帶動轉盤251旋轉時,設置在轉盤251上的反射單元253亦會隨之轉動。
在本發明一實施例中,轉盤251包括有至少一固定部257,而反射單元253則設置在一承載單元255上,藉此反射單元253將可以透過承載單元255與轉盤251上的固定部257相連接。此外,亦可透過複數個連接單元254進行承載單元255與固定部257之間的連接,同時亦可以連接單元254改變承載單元255與固定部257的位置,而達到單獨調整各個反射單元253角度之目的,例如連接單元254可為一可調螺絲。
由於各個反射單元253及承載單元255是獨立與轉盤251相連接,如第3B圖所示,光學延遲器25包括有八個反射單元253及承載單元255,且各個反射單元253透過承載單元255與轉盤251之固定部257相連接,因此在使用時可分別對八個反射單元253及承載單元255進行位置及角度的調整。
反射單元253及承載單元255可以傾斜於轉盤251表面的方式設置,且第一光束Is1
的投射位置如第3B圖的虛線所示,當第一光束Is1
照射在光學延遲器25時,只有投射在反射單元253上的第一光束Is1
會被反射,而投射在承載單元255上的第一光束Is1
則不會被反射。
請參閱第4圖,為本發明干涉量測裝置之部分構件的立體示意圖。如圖所示,掃描鏡組22包括有電動轉角器(motorized goniometer)221及一角度掃描鏡(galvo mirror)223,藉此將可改變掃描鏡組22的角度,並使得反射的光束成為一二維空間的掃描光束Is,以對待測物26進行二維的掃描。
在本發明一實施例中,掃描鏡223可與一轉動馬達225連接,藉此掃描鏡223將可以第一軸線A1為轉動的中心並進行角度的改變,例如第一軸線A1可為一垂直線。此外轉動馬達225可設置在電動轉角器221上,並調整掃描鏡223的設置高度及位置,使得掃描鏡223亦可以第二軸線A2為轉動中心並進行角度的改變,例如第二軸線A2可為一水平線。第二軸線A2之軸向可為與光束I方向平行或共軸(第二軸線A2不會落在反射鏡平面上)。
在使用時可以調整光束I及掃描鏡223的相對位置,使得光束I投射在掃描鏡223的固定位置A。藉此當掃描鏡223以第一軸線A1及/或第二軸線A2為軸心進行轉動時,光束I仍舊會投射在掃描鏡223的同一位置,並使得掃描鏡223所反射之掃描光束Is的位置相同,以提高量測的準確度。
請參閱第5圖,為本發明干涉量測裝置又一實施例之構造示意圖。如圖所示,干涉量測裝置30包括有一光源模組21、一掃描鏡組22、一分光器23、一第一透鏡組241、一第二透鏡組243、一反射鏡35及一光譜儀(Spectrometer)37。
在本發明實施例中,光源模組21用以產生一平行的光束I,掃描鏡組22用以將光束I進行反射,並可隨時間改變反射光的角度而形成一掃描光束Is。分光器23用以對掃描光束Is進行分光並產生一第一光束Is1
及一第二光束Is2
,其中第一光束Is1
穿透第一透鏡組241並投射在反射鏡35上,第二光束Is2
則穿透第二透鏡組243並投射在待測物26。
反射鏡35所反射的第一光束Is1
將會穿透第一透鏡組241及分光器23並投射在光譜儀37上。待測物26所散射或反射的第二光束Is2
則會穿透第二透鏡組243,並經由分光器23反射而投射在光譜儀37上。投射在光譜儀37上的第一光束Isl
及第二光束Is2
將會形成干涉圖案,而光譜儀37則可以對干涉圖案進行分析及運算,並推算出待測物26的輪廓與深度結構。
請參閱第6圖,為本發明干涉量測裝置又一實施例之構造示意圖。在實際使用時可將第2圖及第5圖所示的干涉量測裝置20/30應用在不同的裝置上,並對干涉量測裝置20/30之細部構件的設置位置進行調整。如圖所示,光源模組21用以輸出一光束I,一極化分光器43會對光束I進行分光,並產生一第一極化光束I1
及一第二極化光束I2
,其中第一極化光束I1
會被第一分光器43所反射,並依序被第一反射鏡411及第二反射鏡413反射而投射在平衡偵測器(Balance detector)47上。
第二極化光束I2
則穿透第一分光器43及波片(wave plate)45而投射在掃描鏡組22上,例如波片45可為一四分之一波片(quarter wave plate)。掃描鏡組22用以將第二極化光束I2
進行反射,並可隨時間改變反射光的角度而形成一掃描光束Is。掃描光束Is投射在分光器23上,分光器23用以對掃描光束Is進行分光,並產生一第一光束Is1
及一第二光束Is2
,其中第一光束Is1
穿透第一透鏡組241並投射在光學延遲器25上,第二光束Is2
則穿透第二透鏡組243並投射在待測物26。
光學延遲器25所反射的第一光束Is1
將會穿透第一透鏡組241,並依序被分光器23、掃描鏡組22及第一分光器43反射而投射在平衡偵測器47。待測物26所散射或反射的第二光束Is2
則會穿透第二透鏡組243及分光器23,並依序被反射鏡22及第一分光器43反射而投射在平衡偵測器47上,藉此平衡偵測器47將可以推算出待測物26的輪廓與深度結構。在不同的實施例中光學延遲器25亦可為一反射鏡35,而平衡偵測器47亦可為一光譜儀。
請參閱第7圖,為本發明干涉量測裝置又一實施例之構造示意圖。如圖所示,干涉量測裝置50包括有一光源模組21、一分光器23、一第一透鏡組241、一反射模組55及一偵測裝置57。其中光源模組21用以產生一光束I,並將光束I投射至分光器23,分光器23將會對光束I進行分光,並產生一第一光束I1
及一第二光束I2
。
第一光束I1
會穿透第一透鏡組241,並投射在反射模組55上,反射模組55則會對第一光束I1
進行反射,使得反射後的第一光束I1
穿透第一透鏡組241及分光器23,並投射在偵測裝置57上,其中,第一光束I1
由分光器23穿透第一透鏡組241,投射在反射模組55上的距離,加上第一光束I1
由反射模組55反射,穿透第一透鏡組241及分光器23,並投射在偵測裝置57上的距離,定義為第一光程。
第二光束I2
會穿透第二透鏡組243,並投射在一待測物26上。當第二光束I2
投射在待測物26時,待測物26將會對第二光束I2
進行散射或反射,而被散射或反射的第二光束I2
將會穿透第二透鏡組243,並被分光器23反射而投射在偵測裝置57上,其中,第二光束I2
由分光器23穿透第二透鏡組243,投射在待測物26上的距離,加上第二光束I2
由待測物26散射或反射,穿透第二透鏡組243,並被分光器23反射而投射在偵測裝置57上的距離,定義為第二光程,第一光程相近於第二光程。
在本發明當中第一透鏡組241及第二透鏡組243可為相同的透鏡組,且投射在偵測裝置57上的第一光束I1
及第二光束I2
分別穿透第一透鏡組241及第二透鏡組243兩次,使得第一光束I1
在穿透第一透鏡組241及第二光束I2
在穿透第二透鏡組243時具有相近的光程。
又,本發明實施例所述的反射模組55可為一光學延遲器(25)或一反射鏡(35),而偵測裝置57則可以是一光譜儀(37)、一偵測器(27)或一平衡偵測器(47)。例如當反射模組55為一光學延遲器(25)時,偵測裝置57將可以是一偵測器(27),如第2圖所示,而當反射模組55為一反射鏡(35)時,偵測裝置57可以是一光譜儀(37),如第5圖所示。
在本發明又一實施例中,干涉量測裝置50亦可包括有一掃描鏡組(22),並將光源模組21所產生的光束I投射在掃描鏡組(22)上。掃描鏡組21會將接收的光束I進行反射,以產生一掃描光束Is,並進一步將掃描光束Is投射在分光器23上,藉此將可以分光器23對掃描光束Is進行分光。於本發明再一實施例中,當干涉量測裝置50包括有一掃描鏡組(22)時,待測物26可以固定位置;當干涉量測裝置50不包括掃描鏡組(22)時,提供一移動模組以調整待測物26之二維位置。
以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,並非用來限定本發明實施之範圍,即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾,均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10...干涉量測裝置
11...光源
12...準直器
13...分光器
14...透鏡
15...反射鏡
16...光譜儀
17...待測物
18...移動平台
20...干涉量測裝置
21...光源模組
211...光源產生器
213...準直器
22...掃描鏡組
221...電動轉角器
223...角度掃描鏡
225...轉動馬達
23...分光器
241...第一透鏡組
243...第二透鏡組
25...光學延遲器
251...轉盤
252...轉動馬達
253...反射鏡
254...連接單元
255...承載單元
257...固定部
26...待測物
27...偵測器
30...干涉量測裝置
35...反射鏡
37...光譜儀
40...干涉量測裝置
411...第一反射鏡
413...第二反射鏡
43...極化分光器
45...波片
47...平衡偵測器
50...干涉量測裝置
55...反射模組
57...偵測裝置
第1圖:為習用干涉量測裝置的構造示意圖。
第2圖:為本發明干涉量測裝置一較佳實施例之構造示意圖。
第3A圖:為本發明干涉量測裝置之部分構件的側視圖。
第3B圖:為本發明干涉量測裝置之部分構件的俯視圖。
第4圖:為本發明干涉量測裝置之部分構件的立體示意圖。
第5圖:為本發明干涉量測裝置又一實施例之構造示意圖。
第6圖:為本發明干涉量測裝置又一實施例之構造示意圖。
第7圖:為本發明干涉量測裝置又一實施例之構造示意圖。
20...干涉量測裝置
21...光源模組
211...光源產生器
213...準直器
22...掃描鏡組
23...分光器
241...第一透鏡組
243...第二透鏡組
25...光學延遲器
26...待測物
27...偵測器
Claims (24)
- 一種干涉量測裝置,包括有:一光源模組,用以產生一光束;一分光器,用以對該光束進行分光,並產生一第一光束及一第二光束;一第一透鏡組;一反射模組,設置於該第一透鏡組的後方,其中該第一光束穿透該第一透鏡組,並投射在該反射模組上;一第二透鏡組,其中該第二光束穿透該第二透鏡組,並投射在一待測物上,其中該第一透鏡組及該第二透鏡組為一掃描透鏡;及一偵測裝置,用以接收該反射模組所反射的第一光束及該待測物所散射或反射的第二光束。
- 如申請專利範圍第1項所述之干涉量測裝置,更包含一掃描鏡組,該掃描鏡組接收來自該光源模組之該光束,並形成一掃描光束,以便於該分光器接收該掃描光束並進行分光。
- 如申請專利範圍第2項所述之干涉量測裝置,其中該掃描鏡組包括有一電動轉角器及一角度掃描鏡。
- 如申請專利範圍第2項所述之干涉量測裝置,其中該光源模組所產生的光束投射在該掃描鏡組的固定位置。
- 如申請專利範圍第2項所述之干涉量測裝置,其中該掃描鏡組用以進行二維的掃描。
- 如申請專利範圍第1項所述之干涉量測裝置,其中該偵測裝置為一光譜儀、一偵測器或一平衡偵測器。
- 如申請專利範圍第1項所述之干涉量測裝置,其中該光源模組所產生的光束為一同調光或一低同調光。
- 如申請專利範圍第1項所述之干涉量測裝置,其中該光源模組包括有一光源產生器及一準直器。
- 如申請專利範圍第1項所述之干涉量測裝置,其中該第一透鏡組及該第二透鏡組為相同的透鏡組。
- 如申請專利範圍第1項所述之干涉量測裝置,其中該反射模組為一光學延遲器或一反射鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之干涉量測裝置,其中該第一透鏡組及該第二透鏡組設置在該分光器的兩端。
- 一種干涉量測裝置,包括有:一光源模組,用以產生一光束;一分光器,用以對該光束進行分光,並產生一第一光束及一第二光束;一第一透鏡組;一反射模組,設置於該第一透鏡組的後方,其中該第一光束穿透該第一透鏡組,並投射在該反射模組上,其中該反射模組為一光學延遲器或一反射鏡,其中該光學延遲器包括有一轉盤,並於該轉盤上設置有複數個反射單元;一第二透鏡組,其中該第二光束穿透該第二透鏡組,並投射在一待測物上,其中該第一透鏡組及該第二透鏡組為一掃描透鏡;及 一偵測裝置,用以接收該反射模組所反射的第一光束及該待測物所散射或反射的第二光束。
- 如申請專利範圍第12項所述之干涉量測裝置,包括有至少一承載單元,並將該反射單元設置於該承載單元上。
- 如申請專利範圍第13項所述之干涉量測裝置,其中該轉盤包括有至少一固定部用以連接該承載單元。
- 一種干涉量測裝置的量測方法,該干涉量測裝置包括有一光源模組、一分光器、一第一透鏡組、一第二透鏡組、一反射模組及一偵測裝置,上述之干涉量測裝置的量測方法包括有以下步驟:由該光源模組產生一光束;將該光束投射在該分光器;該分光器對該光束進行分光,並產生一第一光束及一第二光束;引導該第一光束穿透該第一透鏡組,並投射在該反射模組上;該反射模組對該第一光束進行反射,使得該第一光束穿透該第一透鏡組及該分光器,並投射在該偵測裝置上,其中,該第一光束由該分光器穿透該第一透鏡組,投射在該反射模組上的距離,加上該第一光束由該反射模組反射,穿透該第一透鏡組及該分光器,並投射在該偵測裝置上的距離,定義為第一光程; 引導該第二光束穿透該第二透鏡組,並投射在一待測物上;及該待測物對該第二光束進行散射或反射,使得該第二光束穿透該第二透鏡組,並被該分光器反射而投射在該偵測裝置,其中,該第二光束由該分光器穿透該第二透鏡組,投射在該待測物上的距離,加上該第二光束由該待測物散射或反射,穿透該第二透鏡組,並被該分光器反射而投射在該偵測裝置上的距離,定義為第二光程,該第一光程相近於該第二光程。
- 如申請專利範圍第15項所述之量測方法,包括有以下步驟:該光源模組所產生的光束投射在一掃描鏡組;該掃描鏡組接收該光束,並形成一掃描光束;及將該掃描光束投射在該分光器,並以該分光器對該掃描光束進行分光。
- 如申請專利範圍第16項所述之量測方法,其中該掃描鏡組包括有一電動轉角器及一角度掃描鏡。
- 如申請專利範圍第16項所述之量測方法,其中該光源模組所產生的光束投射在該掃描鏡組的固定位置。
- 如申請專利範圍第15項所述之量測方法,其中該偵測裝置為一光譜儀、一偵測器或一平衡偵測器。
- 如申請專利範圍第15項所述之量測方法,其中該光源模組所產生的光束為一同調光或一低同調光。
- 如申請專利範圍第15項所述之量測方法,其中該光源模組包括有一光源產生器及一準直器。
- 如申請專利範圍第15項所述之量測方法,其中該第一透鏡組及該第二透鏡組為一掃描透鏡。
- 如申請專利範圍第15項所述之量測方法,其中該第一透鏡組及該第二透鏡組為相同的透鏡組。
- 如申請專利範圍第15項所述之量測方法,其中該反射模組為一光學延遲器或一反射鏡。
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