TWI716071B - 光學照明裝置及其共焦顯微系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供光學照明裝置，包括有一光學模組以及一光調制單元。該光學模組，用以產生複數道具有一連續光譜或準單頻光譜之入射光。該光調制單元，具有複數個光調制元件，每一光調制元件用以接收具有不同入射角度之入射光，並將其調制形成具有一發散角度範圍的調制光，使該複數個反射元件所產生的總體繞射效應不會破壞連續光譜的連續性，使得調制光之光譜圖形接近於該連續光源的光譜圖形，或確保後端光學系統對準單頻光譜的接收性。藉由此特性，該光學照明裝置與共焦顯微系統結合，可以保持光譜完整性或光能之有效傳遞，進而可以提升表面形貌深度量測的準確度。

Description

光學照明裝置及其共焦顯微系統

本發明為一種光表面形貌量測技術，特別是指一種可以降低光譜損失，解決連續光譜經過光調制單元所產生之不連續問題，以及準單頻光譜之丟失問題，以提升形貌解析精度的一種光學照明裝置及其共焦顯微系統。

在精密之微結構製程領域，如：IC產業、半導體產業、LCD產業、機電自動化產業、光電量測產業等領域中，三維形貌量測的程序是確保製程品質均一的重要程序。在檢測之技術中，由於光學或光電結合之方法具有高準確度與非接觸等特點，目前常用光學方法檢測物體微小之輪廓、厚度或尺寸。目前已有許多光學非接觸量測技術已廣泛的被運用，包括共焦量測技術(confocal microscopy)、相位移干涉量測技術(phase shifting interferometry)、白光干涉垂直掃描技術(white-light vertical scanning interferometry)等，不同的量測技術適用於不同的量測條件和不同領域上。

傳統之共焦量測技術其原理是以光學式垂直掃描之量測方式，來獲得不同深度之光學切片影像，藉由針孔(pinhole)進行一般消色散物鏡之失焦訊號過濾，將聚焦區外之反射光與散射光濾除，保留聚焦面資訊，並由電腦將不同深度所得之光學切片影像重建起來，即可求得待測物三度空間影像資訊。另一種方式則是透過色散物鏡，將偵測光分成不同聚焦深度的偵測光，例如，美國公開申請案第US.Pub.No.2004/0109170所揭露的共焦檢測感測器，即是將光場分成不同波長而分別聚焦於不同之聚焦位置上。反射光再經過光譜成像裝置進行解析，根據光強度最強的波長所對應的深度來解析出待測位置的深度。

不論是利用一般消色散物鏡之傳統共焦量測技術，或是利用色散物鏡解析出物體表面深度，進而還原物體表面形貌的彩色共焦技術。多點偵測的時候，會有光源橫向互擾(cross talk)的問題，進而造成深度解析上的問題。為了解決這樣的問題，必須利用陣列式的光調制單元，例如：數位反射元件元件(Digital Micromirror Device, DMD) 。透過DMD可以控制偵測光的位置，進而完成大面積的表面形貌偵測。

然而，利用DMD反射入射光作為偵測光源的方式也存在著問題。DMD上的反射元件為一種二維的週期性陣列，每一片反射元件都可以在一角度區間，例如：+12⁰以及 -12⁰。請參閱圖1A所示，當DMD中的每一個反射元件10被控制轉向一特定角度時，連續光譜光源經過準直調制的入射光I的波前Iw投射到DMD並由每一個反射元件10反射。圖1A中，每一道入射光相互平行。如圖1B所示，由於相鄰反射元件10之間具有間距，使得相鄰反射元件10的反射光R的波前Rw具有光程差(optical path difference, OPD)，因此當該光程差除以波長等於整數的時候，相鄰反射元件10反射光波前Rw會結合在一起，而維持垂直於基準面800的法向量的反射光波前；反之，當該光程差除以波長不等於整數的時候，相鄰反射元件10之反射光波前Rw之間會具有相位差，使得反射光波前不會垂直於基準面的法向量。而這樣的現象，透過光譜成像裝置的偵測，會發現如圖1C所示不連續光譜之問題，例如：在圖1C中，OPD=4.116μm，因此OPD/7=0.587μm、OPD/8=0.513μm、OPD/9=0.456μm、OPD/10=0.411μm，根據演算可以得知在587nm, 513nm, 456nm以及411nm中會有四個相當突出的峰值，致使光譜不連續，導致後續在演算表面深度的時候，因為光譜不連續之故，使得表面形貌深度的可解析性與準確性降低。倘若照明光源為準單頻光譜，且其中心波長並非上述計算例之587nm, 513nm, 456nm以及411nm時，會導致後端光學系統可能根本接收不到光。

爲了解決上述問題，若是使用準直光模組，則須考慮後方彩色共焦模組或一般消色散物鏡在入瞳處的數值孔徑(Numerical Aperture, N.A)，若是入瞳處的N.A值不夠，則會有部分的光無法通過如彩色共焦模組或全部的光都無法通過一般消色散物鏡，導致在待測樣本上的照明光譜嚴重不連續，或甚至沒有光。這樣的限制使得後端光學系統在設計上有相當大的局限，故然增加數值孔徑是最為便利的方法，但這必須改變後端光學系統與DMD之間的距離，或是加大後端光學系統的鏡片尺寸，但此兩種方法皆會使得設計以及製造上產生許多的不便利性以及難度。

另外一種方式則是使用臨界照明的方式直接將光源成像在 DMD 後端，但這樣的方式光效率也相當差。

綜合上述，因此需要一種光學照明裝置及其共焦顯微系統來解決習用技術所產生的問題。

本發明提供一種光學照明裝置，透過空間調制元件(spatial light modulator, SLM)接收具有不同入射角度之入射光，並將其調制形成具有一發散角度範圍的調制光，使該複數個空間光調制元件所產生的總體繞射效應不會破壞連續光譜源的光譜連續性，或是確保準單頻光譜源後端光學系統的接收性，使得調制光之光譜實質上與入射光所具有的連續光譜或準單頻光譜相同，也就是調制光之光譜圖形等同或接近於該光源的光譜圖形，避免光譜失真以保持光譜完整性的效果。也就說，透過本發明，光源模組以連續光譜投射在光調制元件上任意點的光譜都是具有連續光譜的光，例如：白光，與最源頭光源產生之光所具有的光譜一致。之後經過調制的光導引到樣品表面的光譜會是連續的而且與最源頭光源的光譜一致或相近。而若光源模組以準單頻光譜投射在光調制元件上任意點，之後經過的調制光均能進入後端光學系統。因此，透過本發明的光源模組，可以達到讓光調制元件能把完整的光譜送達樣品表面或確保後端光學系統對光的接收性之效果。

本發明提供一種光學照明裝置，在一實施例中，使用柯勒照明 (Köhler illumination) 模組對 DMD進行照明，才能夠將光效率大幅拉高，以解決 DMD  為基礎的繞射圖譜共焦系統中，因為採用準直光照明，則 DMD 會產生嚴重的繞射與色散現象，導致下游(後端)光學系統，例如：物鏡或色散物鏡，只能接收到相對低比例的光能，光效率極差的問題。

本發明提供一種共焦顯微系統，其係利用一種透過反射元件接收具有不同入射角度之入射光，並將其反射形成具有一發散角度範圍的反射光的光學照明裝置，使該複數個反射元件之間所產生的總體繞射效應不會造成在0階光的方向會有某幾個波長的光強度特別強，進而維持光譜的連續性。由於反射光可以維持光譜連續性，不會使光譜失真，因此當經過色散物鏡的色散之後，可以在待測物上形成相近於原入射光光譜的測物光，由於測物光的光譜維持原先的連續性，因此在後續深度還原的演算過程中，可以提升表面形貌深度量測的準確度。在準單頻光譜源的的情況下，本發明提供之共焦顯微系統同樣接收具有不同入射角度之入射光，並將其反射形成具有一發散角度範圍的反射光，使該複數個反射元件之間所產生的總體繞射效應可以確保後端光學系統，例如：物鏡或色散物鏡，能接收到前端來的光能並聚焦到被測物上進行量測作業。

在一實施例中，本發明提供一種光學照明裝置，包括有一光學模組以及一光調制單元。該光學模組，用以產生複數道入射光，具有一連續光譜。該光調制單元，具有複數個光調制元件，每一光調制元件用以接收具有不同入射角度之入射光，並將其調制形成具有一發散角度範圍的調制光，使該複數個光調制元件之間所產生的總體繞射效應不會破壞連續光譜源的光譜連續性，使得調制光之光譜圖形接近於該連續光源的光譜圖形。而在另一實施例中，如果入射光的光譜為準單頻光譜源，本發明之後端光學系統也能有效接收前端系統來的光能與光譜。

在一實施例中，本發明提供一種彩色共焦顯微系統，包括有一光學照明裝置、一物鏡以及一深度偵測模組。一光學照明裝置，其係具有一光學模組以及一光調制單元，該光學模組用以產生複數道入射光，該光調制單元，具有複數個光調制元件，每一光調制元件用以接收具有不同入射角度之入射光，並將其調制形成具有一發散角度範圍的調制光。該物鏡，接收至少一光調制元件所調制的調制光，並將該至少一調制光投射至一物體上，每一調制光係經由該物體上相應的偵測位置反射而形成至少一測物光。該深度偵測模組，用以接收該至少測物光，並對該測物光進行解析，進而還原對應每一偵測位置之深度。

在一實施例中，其中該光學模組更包括有一偏光元件，用以將該複數道入射光偏極化，使該複數道入射光具有一第一偏極態，並投射到該第一光調制單元。其中，該第一光調制單元用以對該入射光進行調制，使得該調制光具有一第二偏極態，該第一偏極態與該第二偏極態相互正交。該物鏡更包括有一四分之一波片以及一色散物鏡，該四分之一波片用以將該調制光調制成具有一第三偏極態的調制光，該色散物鏡接收具有該第三偏極態的調制光，以將該調制光色散成一色散光，每一色散光具有不同深度之子光場，每一個子光場具有不同波長，該色散物鏡將該至少一道色散光投射至一物體上，每一色散光對應該物體上之一偵測位置，每一色散光係經由該物體上相應的偵測位置反射而形成該至少一測物光，該至少一測物光，經過該色散物鏡後，再通過該四分之一波片以形成具有該第一偏極態的測物光。其中，該深度偵測模組更具有一第二光調制單元以及一光譜成像裝置，該第二光調制單元用以將具有該第一偏極態的測物光調制成具有該第二偏極態的測物光，該光譜成像裝置用以解析該測物光的光譜。該第一光調制單元與該第二光調制單元分別為一矽基液晶。

在一實施例中，該光學模組更包括有一光源、一第一透鏡以及一第二透鏡。該光源，產生複數道光。該第一透鏡，設置於該光源的一側，該第一透鏡用以接收該複數道光，並將該複數道光聚焦於第一區域，形成複數道聚焦光。該第二透鏡，具有一焦距，設置於該第一透鏡的一側使該第一透鏡位於該光源與該第二透鏡之間，該第二透鏡相距該聚焦位置該焦距的距離，該第二透鏡用以將每一道聚焦光發散以形成多道入射光而投射至反射元件之全部或一部，使每一個反射元件接收來自於複數個不同位置之入射光，進而反射形成具有該發散角度範圍的反射光。

在一實施例中，該物鏡為一色散物鏡，接收至少一反射元件所反射的反射光，以將該反射光調制成一色散光，每一色散光具有不同深度之子調制光，每一個子調制光具有不同波長，該色散物鏡將該至少一道色散光投射至一物體上，每一色散光對應該物體上之一偵測位置，每一色散光係經由該物體上相應的偵測位置反射而形成至少一測物光。

在下文將參考隨附圖式，可更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式來說明所述光學照明裝置及其傳統共焦或彩色共焦顯微系統，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖2A所示，該圖為本發明之一光學照明裝置實施例示意圖。本實施例中，該光學照明裝置2包括有一光學模組20以及一光調制單元21。該光學模組20用以產生複數道具有一連續光譜且具有收斂角度θ的入射光90，也就是入射光90具有收斂角度，亦即入射光I的邊界並非平行或幾近平行的光場。本實施例中，該光學模組20為一科勒照明(Kohler illumination)模組。如圖2B所示，該圖為本發明之光學模組之一實施例示意圖。該光學模組20具有一光源200、一第一透鏡201以及一第二透鏡202。該光源200在本實施例中係為面光源，用以產生複數道光40。該第一透鏡201設置於該光源200的一側，用以接收該複數道光40，並將該複數道光40聚焦於聚焦位置203，以形成複數道聚焦光41。

在一實施例中，由於該光學模組20為一科勒照明模組，因此該第一透鏡201相當於光圈欄(aperture stop)，而聚焦位置203則相當於視野欄(field stop)。光圈欄用以調整通過第一透鏡201的照明尺寸，而視野欄則用來調整照明的強度。在一實施例中，可以用該第一透鏡201入朣處的開口做為光圈欄，而在視野欄中則沒有光學元件。此外，在另一實施例中，該光圈欄與該視野欄的區域更可以放置可以調整光圈大小的光圈元件，以進行照明尺寸與照明強度的調整。

該第二透鏡202具有一焦距f，設置於該第一透鏡201的一側，使該第一透鏡201位於該光源200與該第二透鏡202之間，該第二透鏡202相距該聚焦位置203該焦距f的距離，該第二透鏡202用以將該複數道聚焦光41發散形成入射光，而投射至該複數個反射元件210之全部或一部，使每一個反射元件210接收來自於聚焦位置203上不同位置的聚焦光41，進而反射形成具有發散角度範圍的反射光。

該光調制單元21，具有複數個光調制元件，本實施例中，每一個光調制元件為反射元件210，每一個反射元件210可以控制光束投射的方向。在一實施例中，該光調制單元21為DMD元件，其上的各個反射元件210可以透過電訊的控制改變其轉動的角度，進而呈現開(on)或關(off)的狀態。當有光投射至複數個反射元件210時，光根據其偏轉的方向會決定反射光的路徑。透過控制單元24，例如：電腦、微處理器、筆記型電腦或工作站等具有運算處理能力的元件或裝置的調控，可以控制哪些反射元件210將入射光反射至待測物以形成單點或多點、單線或多線、單區域或多區域的反射光。

請參閱圖2B與圖3所示，其中圖3為本發明之光調制單元的反射鏡反射具有發散角度範圍的反射光示意圖。在本實施例中，實線代表不同入射角度的入射光41a~41c，每一道入射光41a~41c分別對應由光源200上不同的發光位置40a~40c所產生，或者是由聚焦位置203上不同位置的聚焦光所產生。例如在一實施例中，入射光41a係由發光位置40a所發射出來的光，入射光41b係由發光位置40b所發射出來的光，入射光41c係由發光位置40c所發射出來的光，因此對每一個反射元件210而言，其接收了來自光源200上不同位置所發出之光，每一道入射光41a~41c相對於反射元件210而言具有不同的入射角度。反射元件210反射該複數道入射光41a~41c，形成複數道反射光42a~42c。該複數道反射光42a~42c具有發散角度範圍θe。

再回到圖2A所示，由於每一個由反射元件210~210a所反射的反射光具有發散的角度，因此反射元件210~210a所產生的總體繞射效應會在該角度範圍形成均勻光譜的照明，不至於破壞系統光譜的完整性，使得每一個反射元件210~210a所產生的反射光，經過物鏡22收光之後，再經過光譜成像裝置23的分析可以得知，反射光的光譜，如圖4所示，與該光學模組20所產生複數道入射光90所分別具有的連續光譜實質上相同，也就是調制光的光譜實質上相同(意指相同或近似)於由光學模組20所產生的光譜圖形。在圖4所示的光譜偵測結果可以看出，經過每一反射元件反射具有發散角度範圍的反射光之後，解除了光譜不連續性的問題。要說明的是，雖然前述以連續光譜來說明，但在另一實施例中，連續光譜的入射光也可以為具有準單頻光譜的入射光，同樣可以藉由本發明之光調制架構來調制，可以確保後端光學系統，例如：物鏡22，對準單頻光譜的接收性，不會產生光譜丟失問題。前述準單頻光譜的入射光，可以為雷射光，例如：半導體雷射光或者是固態雷射光。

請參閱圖5所示，該圖為本發明之彩色共焦顯微系統之一實施例示意圖。在本實施例中，該彩色共焦顯微系統3包括有一光學照明裝置2、一色散物鏡30以及一深度偵測模組31。該光學照明裝置2，其係具有一光學模組20以及一光調制單元21，該光學模組20用以產生複數道入射光，該光調制單元21，具有複數個反射元件210，每一反射元件210用以接收具有不同入射角度之入射光，並將其反射形成具有一發散角度範圍θe的反射光。本實施例中的光學照明裝置2可以利用圖2A與2B所示的光學架構來實施。要說明的是，該發散角度範圍θe的大小並無一定的限制，在一實施例中，可以配合色散物鏡30的數值孔徑N.A值而定，其為本領域技術之人可以根據需求而定。

該色散物鏡30，接收至少一反射元件210所反射的反射光42，以將該反射光42調制成一色散光43，每一色散光43具有不同深度之子調制光43a~43c，每一個子調制光43a~43c具有不同波長，該色散物鏡30將該至少一道色散光43a~43c投射至一物體6上，每一色散光43對應該物體6上之一偵測位置，每一色散光43係經由該物體6上相應的偵測位置反射而形成至少一測物光44。

該測物光44經過該光調制單元21的控制，循著原來的光路移動，經過反射元件210與分光元件32而被該深度偵測模組31所接收。該深度偵測模組31用以接收該至少一測物光44，並對該測物光44進行波長與對應光強度的解析，進而還原對應每一偵測位置之深度。本實施例中，該深度偵測模組31具有一準直透鏡310以及一影像擷取單元311。該準直透鏡310將該測物光準直化之後，進入至該影像擷取單元311，經過影像擷取單元311的鏡頭311a以及光感測器感測312a感測得到相應的光感測訊號。在一實施例中，該光感測器312a具有複數個濾波陣列用以接收反射的至少一測物光，每一個濾波陣列具有複數個濾波元件，分別允許一特定波長之測物光通過。在一實施例中，影像擷取單元311可以為比利時校際微電子中心（Interuniversity Microelectronics Centre, IMEC）所開發整合濾波元件和CCD或CMOS光學感測器的影像擷取裝置。該影像擷取單元311擷取出來的光波長與光強度訊號(如圖7所示)，在運算處理單元33，例如：電腦或工作站等具有運算處理的裝置，進行演算之後，用來決定出偵測位置的深度。例如：在圖7中，係相應於圖6色散光43所對應的偵測位置，經過量測解析之後，可以得知波長540nm的位置具有最大的光強度，因此可以波長540nm所對應的聚焦深度就是該偵測位置的深度，光波長強度與深度的對應關係為習用之技術，在此不做贅述。要說明的是，由於本發明的光學照明裝置2所提供的光源經過反射元件之後並不會有光譜不連續的問題，因此可以在後續光訊號與深度解析的運算中得到好的深度解析結果。

請參閱圖6所示，該圖為本發明之彩色共焦顯微系統之另一實施例示意圖。本實施例中，基本上與圖5的光學架構類似，差異的是，本實施例的深度偵測模組31a為一濾波器310b與光譜成像裝置311b的組合，該濾波器310b為狹縫或者是複數個針孔所構成。測物光44經過濾波器310b之後，再被該光譜成像裝置311b感測。該光譜成像裝置311b感測更包括有一光譜分光單元3110以及一影像感測元件3111。該光譜分光單元3110，其係將該測物光44分成不同波長的光束。該影像感測元件3111，其係與該光譜分光單元3110耦接，以感測被分光之不同波長之光束的光強度，而形成該光譜影像。該運算處理單元33，其係與該光譜影像感測單元311b連接，以接收該反射光光譜影像，進行演算之後，用來決定出偵測位置的深度。

前述的實施例為應用於色散物鏡的實施態樣。但實際上，本發明的光學照明裝置並不限於彩色共焦顯微系統。如在圖8A所示的共焦系統中，該光學照明裝置2應用於差動共焦顯微系統，提供光源照明。本實施例中的物鏡30a為一般的物鏡，並不具有色散的功能。本實施例中，藉由一分光鏡313，將由該物體6反射的物光分光形成兩道測物光45a與45b。每一道物光45a與45b被深度偵測模組31a所感測。本實施例的深度偵測模組31a為一差動共焦偵測模組，包括有光強度感測模組314與315，分別用以接收物光45a與45b以產生對應的光強度訊號。本實施例中，每一光強度感測模組314與315具有一空間濾波元件以及光強度感測器(例如：照相機)，每一空間濾波元件尺寸(直徑或寬度)不相同，也就是光強度感測模組314的空間濾波元件所具有的針孔或狹縫尺寸與光強度感測模組315的空間濾波元件所具有的針孔或狹縫尺寸是不相同的。每一物光45a或45b先通過對應的空間濾波元件，再被光強度感測器感測其光強度。每一光強度感測模組314與315與運算處理單元33電性連接。運算處理單元33接收每一光強度訊號，並分別對每一光強度訊號進行一訊號處理，以得到差動強度訊號比，並決定差動強度訊號比對應之量測位置深度。

此外，如圖8B所示，該圖為本發明之共焦顯微系統另一實施例示意圖。在本實施例中，基本上與圖8A相似，差異的是本實施例的接收由物體6表面所反射的物光經過分光元件32分光之後，被導引至一深度偵測模組31b。本實施例中的深度偵測模組31b為空間濾波光學偵測模組，其係具有一空間濾波元件316、透鏡317以及光強度感測器318。該空間濾波元件316在本實施例中，為矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)元件，透過數位式控制的方式，可以模擬濾波元件，例如：針孔或狹縫，對物光進行濾波。物光通過了空間濾波元件316之後，經過透鏡317再被光強度感測器318所感測，而得到相應的光強度感測訊號。最後經過運算處理單元33的演算，得到偵測位置的深度。

如圖9所示，該圖為本發明之利用本發明之光學照明裝置所形成之面形彩色共焦系統示意圖。在本實施例中，該系統3d包括有一光學照明裝置2a、一物鏡22a以及一深度偵測模組31c。該光學照明裝置2a，其係具有一光學模組20以及一第一光調制單元21a，該光學模組20用以產生複數道具有一連續光譜且具有收斂角度的入射光90。本實施例中，該光學模組20為一科勒照明模組，其特性係如前所述，在此不作贅述。該光學模組20更具有一偏光元件204用以將該複數道入射光偏極化，形成具有一第一偏極態的入射光90a，並經由一第一分光元件205分光導引至該第一光調制單元21a。該第一光調制單元21a，具有複數個光調制元件210b，每一光調制元件210b用以接收具有不同入射角度之入射光，並將其調制形成具有一發散角度範圍的調制光。調制原理係如前所述，在此不作贅述。

本實施例中的該第一光調制單元21a為一矽基液晶 ((liquid crystal on silicon, LCOS)，其中每一個光調制元件對應有主動控制元件，例如CMOS、反射電極以及液晶層的結構。LCOS為本領域技術之人所熟知的元件，於此不作詳述。本實施例中的第一光調制單元21a可以用來改變光的極性，因此當具有該第一偏極態的入射光90a投射至該第一光調制單元21a後，該第一光調制單元21a對該入射光90a進行調制以形成一調制光90b，該調制光90b具有一第二偏極態，其中該第一偏極態與該第二偏極態相互正交。本實施例中，該第一偏極態為P偏極光(P-polarized light)，該第二偏極態為S偏極光(S-polarized light)。

調制光90b經由該分光元件導205引至筒狀鏡組206，筒狀鏡組206再將調制光90b導引至物鏡30a。本實施例中，該物鏡更包括有一四分之一波片300以及一色散物鏡301，該四分之一波片300用以將該調制光90b調制成具有一第三偏極態的調制光90c。本實施例中，該第三偏極態為一圓偏極態。該色散物鏡301接收具有該第三偏極態的調制光90c，以將該調制光90c色散成一色散光43，每一色散光43具有不同深度之子光場43a~43c，每一個子光場43a~43c具有不同波長，本實施例中，僅以三個子光場43a~43c來代表RGB三色，但並不以此數量為限制。該色散物鏡301將該至少一道色散光43投射至一物體6上，每一色散光43對應該物體上之一偵測位置，每一色散光43係經由該物體6上相應的偵測位置反射而形成該至少一測物光42a，該至少一測物光42a，具有該第三偏極態，並經過該色散物鏡301後，再通過該四分之一波片300以形成具有該第一偏極態的測物光42b。

該深度偵測模組34更具有一第二光調制單元340、一光譜成像裝置341以及分光元件342，該第二光調制單元340用以將具有該第一偏極態的測物光42b調制成具有該第二偏極態的測物光42c。在本實施例中，該第二光調制單元340為一矽基液晶(LCOS)，其結構係如前所述之第一光調制單元21a，在此不作贅述。具有該第二偏極態的測物光42c進一步通過分光元件342，再進入該光譜成像裝置341。該光譜成像裝置341用以解析該測物光的光譜，進而產生相應的光譜影像。經過運算處理單元33的演算之後，決定出每一個偵測位置的深度。由光譜解析出深度的方式係屬於習用技術，在此不作贅述。

請參閱圖10A與圖10B所示，該圖為本發明之光學照明裝置應用之一實施例與習用光學裝置之光學效果比較說明示意圖。圖10A的光學裝置為具有準直入射光源與DMD之陣列式的光調制單元21(以下簡稱DMD)組合的架構。爲了方便說明，從DMD反射之後的反射光所經過的相關的光學元件予以省略，僅以一物鏡22代表說明，本實施例中，物鏡22為色散物鏡。根據圖10A所示的習用架構，入射到DMD的入射光I為一寬頻光場，也就是包含有不同顏色光譜的光，為了方便說明僅以RGB三色光來說明。圖10A的光場是準直的入射光I，也就是入射光並不具有收斂角度，亦即光場的邊界是平行或幾近平行。當入射光投射到DMD上時，經過適當的反射角度控制，DMD會反射入射光至物鏡22，而投射到待測物上。透過在物鏡22另一側偵測通過物境22的光譜，會發現不連續光譜之問題，這是因為某些光譜，以圖10A為例，紅色光以及藍色光因為反射與發散的角度之故，無法順利被反射到物鏡22上面。

當然，使用者可以加大物鏡的數值光圈(NA)，或者是將物鏡移動到相當靠近DMD的位置解決這樣的問題，然而增加物鏡數值光圈，會有增加光學系統的體積以及成本上的問題，而將物鏡移動到靠近DMD的位置則會影響到光學系統其他光學元件設置的問題，亦即壓縮了反射光到物鏡之間的空間，使得有些光學元件無法被設置在DMD與物鏡之間。此外，在圖10A的架構下，如果是單色光，雖然不會有光譜部連續的望提，但是經過DMD反射之後，反射光的光徑相對於物鏡的數值光圈來說很小，亦即大部分的光都反射到其他角度，只有部分比例的光進入到物鏡22，影響的光使用的效率。

請參閱圖10B所示，基本上光學架構和圖10A相同，差異的是圖10B中的入射光90為具有收斂角度的寬頻入射光，本實施例中的收斂角度為10度，但不以此為限制。入射光90投射至DMD之後反射到物鏡22上，可以看出除了綠光G之外，部分的藍光B以及紅光R都會進入到物鏡22內，增加的光譜連續的範圍。光譜的範圍損失越少，經過物鏡分光之後，各色光所產生色散位置就越廣，因此偵測到物體表面形貌的深度範圍就越準確。

請參閱圖11A與圖11B所示，該圖為本發明之光學照明裝置應用之另一實施例與習用光學裝置之光學效果比較說明示意圖。圖11A中為習用的光學架構，其光調制單元21a為LCOS的調制裝置(以下簡稱LCOS)。因為使用LCOS之故，所以在光路上設置了分光元件342。在圖11A所示的入射光I和圖10A相同，都是屬於準直的寬頻入射光I，因此經過了分光元件342分光導引至LCOS，再經過反射穿透分光元件342進入到物鏡的光譜特性，同樣也會產生如圖10A的光譜損失而造成的光譜不連續的問題。同樣的如果是單色光也會有如圖10A所述的反射光的光徑相對於物鏡的數值光圈來說很小，亦即大部分的光都反射到其他角度，只有部分比例的光進入到物鏡22，影響的光使用的效率的問題。

因此，如圖11B所示，在LCOS的光學調制下，使用了本發明之具有收斂角度的寬頻入射光90，本實施例中的收斂角度為10度，但不以此為限制。入射光90投射至LCOS之後，經過了分光元件342反射到物鏡22上，可以看出幾乎所有的原入射光譜都會進入到物鏡22內，維持原有光譜的範圍。光譜的範圍損失越少，經過物鏡分光之後，各色光所產生色散位置就越廣，因此偵測到物體表面形貌的深度範圍就越準確。

透過本發明提供的光學照明裝置，經由數位光調制元件接收具有不同入射角度之入射光，並將其反射形成具有一發散角度範圍的調制光，使該複數個光調制元件之間所產生的總體繞射效應不會破壞光譜的連續性，使得調制光之光譜圖形接近於該連續光源的光譜圖形，避免光譜失真以保持光譜完整性的效果，進而提升物體表面形貌檢測的準確度。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

10:反射元件 2:光學照明裝置 20:光學模組 21:光調制單元 21a:第一光調制單元 200:光源 201:第一透鏡 202:第二透鏡 203:聚焦位置 210、210a:反射元件 210b:光調制元件 22:物鏡 23:光譜成像裝置 3:彩色共焦顯微系統 30:色散物鏡 31、31a:深度偵測模組 310:準直透鏡 311:影像擷取單元 311a:鏡頭 312a:光感測器 310b:濾波器 311b:光譜成像裝置 3110:光譜分光單元 3111:影像感測元件 313:分光鏡 314、315:光強度感測模組 316:空間濾波元件 317:透鏡 318:光強度感測器 32:分光元件 33:運算處理單元 34:深度偵測模組 340:第二光調制單元 341:光譜成像裝置 342:分光元件 40:光；40a~40c:發光位置 41:聚焦光 41a~41c:入射光 42:反射光 42a~42c:反射光 43:色散光 43a~43c:子調制光 44:測物光 45a、45b:物光 6:物體 90、90a:入射光 90b、90c:調制光 900:波前 800:基準面 I:入射光 θ:收斂角度

圖1A與圖1B為習用技術中DMD上的反射元件接收入射光與反射光示意圖； 圖1C為習用技術中DMD上的反射元件接收入射光與反射光之不連續光譜示意圖； 圖2A為本發明之一光學照明裝置實施例示意圖； 圖2B為該光學模組之一實施例示意圖； 圖3為本發明之光調制單元的反射鏡反射具有發散角度範圍的反射光示意圖； 圖4為本發明之光學照明裝置所產生的光源經過DMD各反射元件反射之後所形成之反射光的光譜示意圖； 圖5為本發明之彩色共焦顯微系統之另一實施例示意圖； 圖6為本發明之彩色共焦顯微系統之另一實施例示意圖； 圖7為本發明之一偵測位置所具有的波長與光強度曲線示意圖； 圖8A與圖8B為利用本發明之光學照明裝置所形成之共焦顯微系統不同實施例示意圖； 圖9為利用本發明之光學照明裝置所形成之面形彩色共焦系統示意圖； 圖10A與圖10B為本發明之光學照明裝置應用之一實施例與習用光學裝置之光學效果比較說明示意圖；以及 圖11A與圖11B為本發明之光學照明裝置應用之另一實施例與習用光學裝置之光學效果比較說明示意圖。

2:光學照明裝置

20:光學模組

21:光調制單元

200:光源

201:第一透鏡

202:第二透鏡

203:聚焦位置

210:反射元件

40:光

40a~40c:發光位置

41:聚焦光

Claims (18)

1. 一種共焦顯微系統，包括： 一光學照明裝置，其係具有一光學模組以及一第一光調制單元，該光學模組用以產生複數道分別具有一光譜且具有一收斂角度的入射光，該第一光調制單元，具有複數個光調制元件，每一光調制元件用以接收具有不同入射角度之入射光，並將其調制形成具有一發散角度範圍且具有與該光譜實質上相同或近似的調制光，其中該光譜可為連續光譜或準單頻光譜； 一物鏡，接收該至少一調制光，並將該至少一調制光投射至一物體上，每一調制光對應該物體上之一偵測位置，每一調制光係經由該物體上相應的偵測位置反射而形成至少一測物光；以及 一深度偵測模組，用以接收該至少測物光，並對該測物光進行解析，進而還原對應每一偵測位置之深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之共焦顯微系統，其中該光學照明裝置更包括有： 一光源，產生複數道光，每一道光分別具有該光譜； 一第一透鏡，設置於該光源的一側，該第一透鏡用以接收該複數道光，並將該複數道光聚焦於第一區域，形成複數道聚焦光；以及 一第二透鏡，具有一焦距，設置於該第一透鏡的一側使該第一透鏡位於該光源與該第二透鏡之間，該第二透鏡相距該聚焦位置該焦距的距離，該第二透鏡用以將每一道聚焦光發散以形成多道入射光而投射至該調制元件之全部或一部，使每一個調制元件接收來自於複數個不同位置之入射光，進而將入設光調制形成具有該發散角度範圍的調制光。
3. 如申請專利範圍第2項所述之共焦顯微系統，其中該第一與第二透鏡係分別為平凸或雙凸透鏡。
4. 如申請專利範圍第1項所述之共焦顯微系統，其中該深度偵測模組更包括有： 一分光元件，設置於該至少一測物光的一光路上，用以導引該至少一測物光； 一準直鏡組，設置在該分光元件之一側，用以準直調制通過該分光元件之該至少一測物光；以及 一影像擷取單元，與設至於該準直鏡組之一側，用以接收該至少一測物光，以產生相應的光強度感測訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之共焦顯微系統，其中該深度偵測模組更包括有一濾光元件以及一光譜成像裝置。
6. 如申請專利範圍第1項所述之共焦顯微系統，其中該深度偵測模組為一差動共焦偵測模組或者是空間濾波偵測模組。
7. 如申請專利範圍第1項所述之共焦顯微系統，其中該物鏡為一色散物鏡，接收至少一調制元件所調制的調制光，以將該調制光色散成一色散光，每一色散光具有不同深度之子光場，每一個子光場具有不同波長，該色散物鏡將該至少一道色散光投射至一物體上，每一色散光對應該物體上之一偵測位置，每一色散光係經由該物體上相應的偵測位置反射而形成該至少一測物光。
8. 如申請專利範圍第1項所述之共焦顯微系統，其中該光學模組更包括有一偏光元件，用以將該複數道入射光偏極化，使該複數道入射光具有一第一偏極態，並投射到該第一光調制單元。
9. 如申請專利範圍第8項所述之共焦顯微系統，其中該第一光調制單元用以對該入射光進行調制，使得該調制光具有一第二偏極態，該第一偏極態與該第二偏極態相互正交。
10. 如申請專利範圍第9項所述之共焦顯微系統，其中該物鏡更包括有一四分之一波片以及一色散物鏡，該四分之一波片用以將該調制光調制成具有一第三偏極態的調制光，該色散物鏡接收具有該第三偏極態的調制光，以將該調制光色散成一色散光，每一色散光具有不同深度之子光場，每一個子光場具有不同波長，該色散物鏡將該至少一道色散光投射至一物體上，每一色散光對應該物體上之一偵測位置，每一色散光係經由該物體上相應的偵測位置反射而形成該至少一測物光，該至少一測物光，經過該色散物鏡後，再通過該四分之一波片以形成具有該第一偏極態的測物光。
11. 如申請專利範圍第10項所述之共焦顯微系統，其中該深度偵測模組更具有一第二光調制單元以及一光譜成像裝置，該第二光調制單元用以將具有該第一偏極態的測物光調制成具有該第二偏極態的測物光，該光譜成像裝置用以解析該測物光的光譜。
12. 如申請專利範圍第11項所述之共焦顯微系統，其中該第一光調制單元與該第二光調制單元分別為一矽基液晶。
13. 一種光學照明裝置，包括： 一光學模組，用以產生具有一收斂角度複數道入射光，具有一光譜；以及 一光調制單元，具有複數個光調制元件，每一光調制元件用以接收具有不同入射角度之入射光，並將其調制形成具有一發散角度範圍的調制光，使該複數個調制元件之間所產生的總體繞射效應不會破壞該光譜的連續性，使得調制光之光譜與該光譜實質上相同，其中該光譜可為連續光譜或準單頻光譜。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光學照明裝置，其中該光學模組更包括有： 一光源，產生複數道不同發射位置之光； 一第一透鏡，設置於該光源的一側，該第一透鏡用以接收該複數道光，並將該複數道光聚焦於一聚焦位置，形成複數道聚焦光；以及 一第二透鏡，具有一焦距，設置於該第一透鏡的一側使該第一透鏡位於該光源與該第二透鏡之間，該第二透鏡相距該聚焦位置該焦距的距離，該第二透鏡用以將每一道聚焦光發散以形成多道入射光而投射至反射元件之全部或一部，使每一個反射元件接收來自於複數個不同位置之入射光，進而反射形成具有該發散角度範圍的反射光。
15. 如申請專利範圍第14項所述之光學照明裝置，其中該第一與第二透鏡係分別為平凸或雙凸透鏡。
16. 如申請專利範圍第13項所述之光學照明裝置，其中該光學模組更包括有一偏光元件，用以將該複數道入射光偏極化，使該複數道入射光具有一第一偏極態，並投射到該光調制單元。
17. 如申請專利範圍第16項所述之光學照明裝置，其中該光調制單元用以對該入射光進行調制，使得該調制光具有一第二偏極態，該第一偏極態與該第二偏極態相互正交。
18. 如申請專利範圍第17項所述之共焦顯微系統，其中該光調制單元為一矽基液晶。

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