TWI755007B - 光學量測系統 - Google Patents

Abstract

一光學系統包含一準直光源，一分束器，兩個反射鏡和兩個透鏡，聚焦透鏡和一偵測器。初始光束由光源產生，然後由分束器分成第一光束和第二光束。兩個反射鏡分別以對稱路徑將第一光束和第二光束引導到樣品上，並且兩個透鏡分別將第一光束和第二光束聚焦在樣品上。第一光束和第二光束從樣品反射，並沿著對應路徑到達分束器。然後，通過組合反射的第一光束和第二光束來產生干涉光束，並通過聚焦透鏡將其聚焦在偵測器上。可以在兩組當中的一個反射鏡和一個反射鏡之間配置達夫稜鏡，以增強對比度。在此設置中，可以產生同方向的光子結合以增強對比度。

Description

光學量測系統

本發明係有關於一種光學量測系統，特別是有關於一種方法與系統用於照明雙光束於一樣品上以產生較強的干涉。

由於以下描述和範例係包含在本節中，因此不被認為是先前技術。

在許多當前行業中，檢查微小結構的表面是非常重要的。例如，出於健康考量，必須檢查病毒或其他污染物。在半導體產業中，奈米特徵和外來物是必須檢查的，特別是當半導體工藝節點接近10奈米或以下時。對於要檢查的微米或奈米級物體，電子顯微鏡是最常用的商用解決方案。在生物學或醫學工業中，通過某種侵入手段可從人體中獲取了培養出的病毒或紅血球細胞，然後將其製作為樣本，以便可以在電子顯微鏡的真空環境中“看到”病毒或紅血球細胞。這意味著在任何電子顯微鏡下都看不到活體的病毒或紅血球細胞。此外，出於醫學產業的發展的目的，用非入侵手段觀察活體的病毒或紅血球細胞是很有價值的。

光學干涉(optical interference)可能是醫學和生物產業中主流的非侵入式光學檢查系統之一。在光干涉領域中，當參考光束和掃描光束的路徑長度彼此一致時發生干涉。更具體地，干涉產生條件是光源同調長度(coherence length)。當路徑長度差小於光源同調長度時，將發生光學干 涉。非透明標本可以用邁克爾遜干涉儀(Michelson interferometer)或米勞干涉儀(Mirau interferometer)檢查。透明樣品也可以通過干涉法測量。

邁克爾遜干涉儀是光學干涉儀中最常用的配置之一。通過使用分束器(beam splitter)，光源被分為兩個路徑。兩個光束都被反射回分束器，然後分束器合併並產生干涉。所產生的未導向回光源的干涉圖樣通常會導向到某類型的光電偵測器(detector)或照相機。對於干涉儀的不同應用，兩個光路可以具有不同的長度，或者可以包含光學元件甚至被測材料。請參考第1圖，光源LS向分束器BS提供初始光束，該分束器BS將初始光分成兩束。將兩個光束之一照射到樣品S上，將另一個光束照射到反射鏡中以形成參考路徑RP。在兩個光束反射回到分束器BS之後，它們將被合併並導向到偵測器D，從而在偵測器D上生成干涉圖案。

米勞(Mira)干涉儀是另一種常用的光學干涉儀配置。米勞干涉儀的工作原理與邁克爾遜干涉儀相同。兩者之間的區別在於參考臂(reference arm)的實際位置。米勞干涉儀的參考臂位於顯微鏡物鏡組件內。請參考第2圖，光源向透鏡L產生初始光束，透鏡L將光束折射到分束器BS以產生兩個光束。一個光束被照射到樣品S中，另一光束被反射回透鏡L上的半反射鏡HM。可以應用另一種光學系統來組合兩個光束以生成干涉圖樣。例如，如果樣本S可以是透明的，則在樣本S下方配置另一個光學系統。如果樣本S是不透明的，則應在樣本S上方配置具有反射鏡以收集兩個光束的光學系統。

儘管邁克爾遜森干涉儀和米勞干涉儀都被廣泛使用，但是僅使用一個光束探測樣本，並且使用參考光束會產生干擾。因此，在兩種情 況下，來自光源LS的光最多只有一半可以到達樣品表面。這極大地限制了在樣品表面上檢測精細特徵的能力。此外，參考路徑對系統至關重要，這將導致邁克爾遜干涉儀的複雜性。儘管可以使用米勞干涉儀獲得干涉結果，但在非透明樣品中，由於必須使用背散射光進行干涉，因此進一步降低照射在樣品上的光強度，並且容易丟失樣品深度和厚度的資訊。

因此，必須要構建一種新的光學系統，使得與現有技術相比，得以改進更加有利的干涉儀。

本發明的目的係提供一種自干涉技術，與常規的邁克爾遜或米勞干涉儀相比，干涉儀中沒有參考路徑。因此，可以增加樣品上的入射光強度，並且入射到樣品上的光量明顯高於其他技術。

本發明的目的係為自干涉技術的雙光束提供等價的路徑長度。本發明中的等價路徑長度是指雙光束將從光源到檢測器的傳播路徑長度相同。

本發明的目的係以傾斜入射的方式將光束照射或照明在樣品上用於暗場影像。

本發明的目的係提供一種達夫稜鏡用於圖像對比度增強。

本發明的目的係提供一種用於光學同調(coherence)斷層掃描(OCT)的低同調光源。

本發明的目的係利用無參考臂構造來實現干涉測量的防振結構。

本發明的目的係提供通過使用自干涉技術獲得的全彩色圖 像。

據此，本發明提供一種光學系統，包含一用以產生一初始光束之準直光源；一分束器，接收該初始光束，用以將該初始光束分成兩道入射光且對稱於該分束器的一分離平面；兩面反射鏡與兩透鏡，導入該兩道入射光，各自被聚焦於一樣品之一平面上，以產生一干涉圖案於該平面上，並且從該樣品接收兩道反射回來光束到該分束器，藉以在結合該兩道反射光束於該分束器上產生一干涉光束；一聚焦透鏡用以將該干涉光束聚焦；以及一偵測器用以接收該已聚焦之干涉光束，以產生一影像。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，其中上述之分束器垂直於該表面。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，更包含一達夫稜鏡(Dove prism)用以將該兩道入束光束的其中一道，在被聚焦於該表面前反轉，且將該兩道入射光束的另一道在被聚焦於該表面後反轉。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，其中上述之光源係低同調光源。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，其中上述之光源係同調光源。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，其中上述之準直光源提供一白色光初始光束，且包含：一色散光學元件，接收自該分束器之該干涉後的白色光束，用以色散該干涉後的白色光為光譜上的成分；一針孔陣列，用以挑選出該光譜上的成分為複數個干涉束；以及一投射鏡，用以投射該複數個干涉束到該偵測器。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，其中上述之準直光源提供一白色光初始光束，且包含：一色散光學元件，自該光源接收該白光光束，用以色散該干涉後的白光為光譜上的成分；一針孔陣列，用以挑選出該光譜上的成分為複數個干涉束；以及一束阻攔，用以從該複數個干涉束中挑選具有一特定波長之特定束。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，其中上述之準直光源提供具有不同波長之複數個光束。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，其中上述之兩個入射光束的兩個路徑對該分束器對稱。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，更包含一電腦用以處理該偵測器之資訊。

本發明同時提供一種光學系統，包含：一低同調準直光源，用以產生一初始光束；一分束器，接收該初始光束，用以將該初始光束產生一第一光束與一第二光束；一第一反射鏡用以將該第一光束傾斜導入至一樣品之一表面區域，以及一第二反射鏡用以將該第二光束傾斜導入至該表面區域；一第一透鏡用以將該第一光束聚焦於該表面區域，以及一第二透鏡用以將該第二光束聚焦於該表面區域，其中該聚焦後的第一光束由該表面區域沿著該第二光束之一路徑反射回該分束器，且該聚焦後的第二光束由該表面區域沿著該第一光束之一路徑反射回該分束器，藉以在該分束器上產生一干涉光束；一達夫稜鏡(Dove prism)位於該第二反射鏡與該第二透鏡之間；一聚焦透鏡用以將該干涉光束聚焦；以及一偵測器用以接收該已聚焦之干涉光束，以產生一影像。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，其中上述之第一光束之第一路徑與該第二光束之一第二路徑對該分束器對稱。

在本發明所述之光學系統之一實施例中，其中上述之第一光束之第一路徑與該第二光束之一第二路徑相等價。

本發明同時提供一種照射一樣品的方法，包含：產生一初始光束；將該初始光束分開為一第一光束與一第二光束；投射且聚焦該第一光束與該第二光束於該樣品之一表面區域；反轉該第二光束之影像以及從該表面區域之反射第一光束；接受來自於該樣品的該反射後之第一光束與該反射後之第二光束，分別沿者該第二光束之一路徑與該第一光束之一路徑；結合該反射後之第一光束與該反射後之第二光束為一干涉光束；以及聚焦該干涉光束於一偵測器。

在本發明所述之方法之一實施例中，其中上述之準直光束為一低同調光。

在本發明所述之方法之一實施例中，其中上述之產生步驟包含提供一白色光束，並且更包含：將該白色光色散為光譜成分；挑選該光譜成分為具有對應波長之複數個光束；以及選取該複數個光束之一至該分束器。

本發明同時提供一種照射一樣品的方法，包含：產生一白色光初始光束；將該白色光初始束分開為一第一光束與一第二光束；投射且聚焦該第一光束與該第二光束於該樣品之一表面區域；反轉該第二光束之影像以及從該表面區域之反射第一光束；接受來自於該樣品的該反射後之第一光束與該反射後之第二光束，分別沿者該第二光束之一路徑與該第一 光束之一路徑；結合該反射後之第一光束與該反射後之第二光束為一干涉光束；將該干涉光束色散為光譜成分；挑選該光譜成分為具有對應波長之複數個光束；以及投射該複數個光束於一偵測器。

在本發明所述之方法之一實施例中，其中上述之白光初始光束為一低同調光。

在本發明所述之方法之一實施例中，更包含將被投射在在該偵測器之該複數個干涉光束之每一張影像結合成一張全彩影像。

在本發明所述之方法之一實施例中，其中上述之第一光束之第一路徑與該第二光束之一第二路徑相對稱。

BS:分束器

BB:阻束器

CoL:錐形鏡

CL:準直鏡

D:偵測器

DP:達夫稜鏡

DOE:散光元件

HM:半透射鏡

L:透鏡

L10:聚焦鏡

LS:光源

M1,M2:透鏡

P10:投射鏡

【00100】PA:針孔陣列

【00101】PH:針孔

【00102】RP:參考臂

【00103】S:樣品

【00104】WF:波前

【00105】WLS:白光源

【00106】Computer

【00107】10:板

【00108】12:發光二極體

【00109】20:一組反射鏡

【00110】30:全反射膜

【00111】32:無塗布

【00112】40:影像

【00113】42:影像

【00114】S10-1~S10-7:步驟

【00115】S11-1~S11-10:步驟

第1圖是傳統的邁克爾遜干涉儀的結構示意圖。

第2圖是傳統的米勞干涉儀的結構示意圖。

第3圖是用於本發明的光學系統的準直透鏡的結構示意圖。

第4圖是本發明光學分束器的結構示意圖。

第5圖是本發明的光學系統的達夫稜鏡的結構示意圖。

第6圖是根據本發明的一個實施例的光學系統的結構示意圖。

第7A圖至第7D圖是根據本發明一個實施例的光學系統中單個光束的每個路徑的結構示意圖。

第8圖是根據本發明的一個實施例的光學系統的結構示意圖。

第9圖是根據本發明的一個實施例的具有白光源的光學系統 的結構示意圖。

第10A圖和10B是根據本發明另一實施例的具有白光源的光學系統的結構示意圖。

第11A圖和11B是根據本發明另一實施例的具有不同波長的多個發光二極體作為光源的結構示意圖。

第12圖係顯示根據本發明的一個實施例的用於照亮樣品的方法的步驟的流程圖。

第13圖係顯示根據本發明一個實施例的通過白光源照射樣品的方法的步驟的流程圖。

第14圖係顯示根據本發明另一實施例的通過白光源照射樣品的方法的步驟的流程圖。

第15圖是流程圖，示出了根據本發明一個實施例的用具有不同波長的多個光源照亮樣品的方法的步驟。

因此，儘管本發明的示例實施例能夠進行各種修改和替代形式，但是在附圖中通過示例示出了本發明的實施例，並且在此將對其進行詳細描述。然而，應當理解，本發明無意將本發明的示例實施例限制為所公開的特定形式，而是相反，本發明的圖示實施例將覆蓋落入本發明的範圍內的所有修改，等同形式和替代形式。

如本文所使用的，術語“透鏡”通常是指對於光束的透明光學裝置，該光束借助於折射來聚焦或分散光束。這種透鏡的範例包括但不限於聚焦透鏡，物鏡和投射鏡。這樣的鏡片一般可以在光學產業中找到和 /或加工。

如本文所用，術語“干涉儀”或“干涉術”通常是指光學系統，其中光波或電磁波疊加以引起干涉現象，而光學系統係用於提取信息。

如本文中所使用的，術語“相干性”通常是指如果兩個波源具有完美的同調，如果其具有固定的相位差，相同的頻率和相同的波形。光學同調性是光產生時間或空間干涉的能力，是指光在不同時間或不同位置保持相同行為的屬性。

如本文中所使用的，術語“對稱性”通常是指鏡像對稱性，例如關於平面的兩個事物是相同的。例如，如果存在對稱平面，則兩個光束是對稱的，使得兩個光束是鏡面對稱的。如果存在對稱平面，則第一光學透鏡和反射鏡與第二光學透鏡和反射鏡對稱。

如本文所用，術語“等價路徑長度”通常是指具有相同行進路徑的兩個光束。在本發明中，兩個光束在到達樣品之前可以經歷不同的路徑。然而，這兩個光束從光源到偵測器的路徑長度相同。如本文所用，術語“樣品表面”通常是指樣品上由兩個光束照射的區域。樣品表面的微觀結構可能不是平坦的，但是本發明的光學系統在宏觀上的樣品表面可以認為是平坦性。

在附圖中，為了清楚起見，可能誇大了每個部件以及每個部件之間的相對尺寸。在附圖的以下描述中，相同或相似的附圖標記指代相同或相似的組件或實體，並且僅描述相對於各個實施例的不同之處。

本發明適用但不限於生物和醫學產業，例如皮膚檢測。現有的皮膚偵測器僅具有檢測表皮的功能，並且其光學特性尚未被應用以產生 用於三維圖像的新型醫學偵測器。光學同調斷層掃描(OCT)是一種基於從樣本內部反射回來的光的立體成像方式，在生物醫學應用中已變得不可或缺，且具有許多優勢，例如非侵入性，高解析度，高成像速度和相對較低的成本。在本發明中，低同調光源將是光學同調斷層掃描的首選，因為在將雷射應用於生物和醫學應用時可能會產生過多的不必要干擾，並且這種新設置改善了低同調層析成像技術，而傳統的干涉儀是不穩定的。在這種技術中，發明了一種具有自干涉儀的新技術。它不僅產生光學干涉，而且加倍共焦特性。這種新的干涉儀可以結合其他技術來獲得非侵入性醫學圖像，例如高解析度內窺鏡檢查，立體斷層掃描和血糖測量等。當需要檢查奈米或微米的臨界特性時，也適用於其他領域，例如半導體技術中的缺陷/污染檢測和量測。低同調干涉的靈敏特性也得以改善，並且結合的光束的干涉對於高解析度圖像是穩定的。本發明改善了低同調性和穩定性的靈敏度干擾。

為了更好地理解本發明的概念，首先介紹一些光學元件。

請參考第3圖，當準直透鏡CL配置為光源LS時，會產生準直光源。準直光束或其他電磁輻射具有平行光線，因此在傳播時散佈最少。完全不發散的完美的準直光束不會隨著距離而散開。由於衍射(diffraction)，這樣的光束是不可能產生的。可以通過許多過程產生近似的準直光，例如借助於準直儀或準直透鏡CL。完美的準直光是被認為會聚焦在無限遠處。因此，隨著相距點源(point source)的距離增加，球面波前變得更接近準直的平面波。

與現有技術不同，本發明中的光源可以是低同調光源，例如 發光二極體(LED)，諧振腔發光二極體(RCLED)，超級發光二極體(SLED)或超發光二極體(SLD；Superluminescent diode)，其基於超發光技術的半導體光源從側邊發光。本發明中的光源可以是同調光源或高同調光源，例如雷射，垂直腔面發射雷射器(VECSEL)。對於低同調光源，發射的光通常是各向同性地產生的，因此提供了遠心的準直透鏡以將光源投射到無限遠處。因此，以產生平行光束。

請參考第4圖，提供了一種分束器(BS)，該光學元件將一束光分成兩束。這是大多數干涉儀的關鍵部份。最常見的形式是一個立方體，由兩個三角形的玻璃棱鏡和較佳的等腰直角三角形製成，它們在其底部使用聚酯(polyester)，環氧樹脂(epoxy)或氨基甲酸酯基膠(urethane-based adhesives)粘劑粘合在一起。調節樹脂層的厚度，使得(對於特定波長)通過一個“端口”(即，立方體的面)入射的光的一半被反射，而另一半由於全內反射而透射。

請參考第5圖，提供了達夫稜鏡來反轉圖像。達夫稜鏡由截斷的直角棱鏡製成。平行於縱軸傳播的光束進入棱鏡的一個傾斜面30，從最長的(底部)面32的內部進行一次全內反射，並從相對的傾斜面31出射。圖像40穿過棱鏡後被翻轉(反射)42，並且因為僅發生一次反射，所以圖像40也被翻轉但沒有橫向移位。因此，達夫稜鏡幾乎專門用於顯示無限遠的圖像。

在本發明中，可以通過使用貝塞爾(Bessel)光束的概念來產生自干涉測量，其中，從準直同調光束產生或分離的兩個相同光束在樣品表面彼此干涉。被干涉的光束在偵測器上被反射和照射，從而可以獲得干 涉圖案並且成像。

準直光源也可以是雷射或發光二極體。在本發明中，低同調光源對於生物和醫學產業是較佳的。但是，在某些應用中，雷射是較佳的。

在本發明中，通過使用分束器將準直光源分成兩個光束路徑，並且兩個光束的強度可以相同或幾乎相同。兩個分開的光束將以傾斜的入射角入射到樣品上，分別通過使用反射鏡和透鏡來產生干涉圖案。干涉圖案可以類似於貝塞爾光束的形成。然後，這兩個光束將朝分束器以相對應路徑反射回去，並會聚並再次在分束器處相互干涉。然後，合併的光束通過聚焦透鏡聚焦到偵測器上以形成圖像。

現在將參考示出了本發明的一些範例實施例的相應附圖來更全面地描述本發明的各種實施例。在不限制本發明保護範圍的情況下，將對實施例的所有描述和附圖示例性地參考具有低同調光源的光學裝置和流程圖。然而，這些實施例並非用於將本發明限制於特定的低同調光源。

請參考第6圖，光源LS將準直光束提供給分束器BS。本發明中的光源LS將產生初始同調光或低同調光，諸如雷射，超發光二極體或發光二極體。然後，分束器BS將初始光束分成第一光束和第二光束。

第一光束被具有第一角度θ 1的第一反射鏡M1反射，並被第一透鏡L1聚焦到樣本S。然後，第一光束被反射回到第二反射鏡M2並到達分束器BS。第二光束被第二反射鏡M2以第二角度θ 2反射，並被第二透鏡L2聚焦到樣品S上。兩個透鏡L1和L2將分別將第一光束和第二光束分別聚焦到樣品S上，然後第二光束朝著第一反射鏡M1反射到分束器BS，而第一光束朝著第二反射鏡M2反射到分束器BS。在本發明的一個實施例中，為了保 持第一光束的第一路徑與第二光束的第二路徑對稱，該第二光束是第一路徑的反路徑，第一角度θ 1應等於第二角度θ 2。應該相應地改變第一角度θ 1和第二角度θ 2，使得可以調節入射到樣品表面的第一和第二光束的角度。第一角度θ 1和第二角度θ 2是入射角和反射角的組合，並且可以在45°至135°的範圍內。此外，分束器BS的分離平面應垂直於樣品表面。因此，第一光束路徑與第二光束路徑對稱，或者第一光束與第二光束對稱。

第一和第二光束在樣品上的入射角是斜傾的或傾斜的，並且可以在0°至90°的範圍內。目前的自干涉儀的圖像是暗場。

在第二反射鏡M2和第二透鏡L2之間配置有達夫稜鏡DP，以增強圖像對比度。達夫稜鏡是一種反射棱鏡，用於反轉圖像。達夫稜鏡DP也可以配置在第一反射鏡M1和第一透鏡L1之間。

在分束器BS處反射回的第一光束和第二光束將被合併並在分束器處產生干涉圖案。合併的光束將由透鏡L10聚焦到偵測器D。偵測器D接收到的信息將由計算機處理，以便獲得圖像。

可以在第7圖中解釋該光學系統中各個光束的詳細路徑。在第7A圖中，來自光源LS的一部份初始光束可以通過分束器BS到達反射鏡M2並反射到樣本S。因此，一部份光束可以被樣品S反射到反射鏡M1，最後反射回到分束器BS到達偵測器D。在第7B圖中，來自光源LS的一部份初始光束可以被分束器BS先反射到反射鏡M1，並且再次被反射鏡M1反射到樣品S。然後，一部份光束可以被樣品S反射到反射鏡M2，然後再次被反射鏡M2反射到分束器BS。然後，光束將被分束器反射到偵測器D。

在第7C圖中，來自光源LS的一部份初始光束可以穿過分束 器BS到達反射鏡M2，並且被反射鏡M2反射到樣品S。但是，與第7A圖中的光束路徑不同，光束可以被樣本S沿著原始路徑反射到反射鏡M2並反射到分束器BS到達偵測器D。在圖中，光束沒有傳播到反射鏡M1。在第7D圖中，來自光源LS的一部份初始光束可以由分束器BS反射到反射鏡M1並反射到樣品S。類似於第7C圖中的光束路徑，光束可以反射。樣品S沿著原始路徑返回到反射鏡M1，並再次被反射鏡M1反射到分束器BS，到達偵測器D。

本發明的另一個實施例可以參考第8圖。由於商業考慮，兩個反射鏡M3和M4配置後使得光源LS和偵測器D可以被配置在更好的位置。此外，如果以不同的路徑長度產生干涉，則可以可選地配置一組反射鏡20以增加第二光束的路徑長度，用在某一些特定的應用。在該實施例中，兩個光束將具有相等的路徑長度。

本發明的另一實施例，用於全彩圖像，可以參考第9圖。在本發明中提供了白色光源WLS。可以通過使用結合了黃色螢光粉的藍色發光二極體，鹵素燈，氘燈或氣體放電燈來準備白光源。這對於生物學和醫學應用很重要。例如，某些組織在被病毒感染或缺少某些重要化學物質時可能呈現特定的顏色。然後，在兩個反射光束在分束器處合併之後，色散光學元件DOE被配置為將白光束色散為幾個光譜成分或單個單色光束。然後提供針孔陣列PA以分別取樣出每個單色光束。然後，提供投射鏡P10以將每個單色光束投影到偵測器D中。由偵測器D接收的信息由計算機處理。在本發明的該實施例中，當每個單獨的單色光束的所有圖像疊加時，可以獲得全彩圖像。例如，藉由本發明的方式可以得到活體細胞的活體影像，而不是使用電子顯微鏡得到的傳統灰階的影像。

本發明的另一個實施例，用於全彩圖像，可以參考第10A圖。在本實施例中，色散光學元件DOE被配置為使得從白光源WLS發射的白光束將立即被色散。然後提供針孔陣列PA以分別採樣每個單色光束。提供光束阻攔BB以選取具有要通過的特定波長的特定光束。本發明的另一個實施例是使用單個針孔PH代替針孔陣列PA，如第10B圖所示。在處理了特定光束的圖像之後，通過針孔PH選擇另一個光束，直到處理完所有光束的所有圖像為止。因此，可以獲得全彩色圖像。

本發明的又一個實施例，用於全彩圖像，可以參考第11A圖和第11B圖。在板上的光源包括幾個不同波長的發光二極體12，並且提供了準直透鏡CL。多個發光二極體12至少包括紅色，綠色和藍色發光二極體，並且還可以包括可以適當地指定以覆蓋整個可見光譜或必要時超出其範圍的其他發光二極體，例如黃光發光二極體，青色發光二極體，橙色發光二極體，甚至是紫外線發光二極體。板10可以旋轉或編號(index)，使得可以將每個發光二極體12用作第6圖中的實施例的光源。在處理和組合每個發光二極體的所有圖像之後，可以獲得全彩色圖像。

對於某些特徵尺寸小於可見光解析度的圖案，顏色是沒有定義的，因為紅色，綠色和藍色的光係對應於人體視錐細胞，而使用可見光則看不到這種小圖案。例如，通過使用電子顯微鏡可以看到大多數病毒，並且病毒圖像始終顯示灰度模式。然而，在本發明中，如果將干涉圖案處理成具有白色光源或具有不同波長的多個光源的圖像，則即使圖像中的特徵或圖案低於可見光的解析度下，也可以獲得全彩色圖像。這是因為可以通過計算圖案或特徵的干涉圖案來呈現圖案或特徵。同樣，當在不同的材 料或表面特性上照射不同的波長時，圖像中將顯示不同的反應。不同的吸收和反射可以通過照射不同材料，表面粗糙度或結構的不同波長來揭示。因此，全彩色圖像可以提供更多資訊。

可以參考第12圖，諸如第6圖中的實施例的本發明中提供的光學系統或自干涉儀的操作。首先，如步驟S12-1所示，產生初始準直光束。然後，如步驟S12-2所示，通過使用分束器將初始光束分為第一光束和第二光束。接下來，如步驟S12-3所示，分別通過第一和第二反射鏡/透鏡將第一和第二光束投射並聚焦到樣本上。如步驟S12-4所示，通過達夫稜鏡將來自樣品的第二光束和反射的第一光束的圖像反轉。如步驟S12-5所示，第一光束和第二光束分別被反射向第二光束的路徑和第一光束的路徑。然後，反射的第一光束和反射的第二光束在分束器處合併或合併，如步驟12-6所示。然後，如步驟S12-7所示，將合併的干涉光束以焦距聚焦在偵測器上。

在本發明中，例如第9圖中的實施例，通過使用白色光源的光學系統或自干涉儀的操作可以參考第13圖。首先產生白色初始準直光束，如步驟S13-1所示。如步驟S13-2所示，通過分束器將白色初始光束分為第一光束和第二光束。如步驟S13-3所示，第一和第二光束分別通過第一和第二反射鏡/透鏡投射和聚焦到樣品上。如步驟S13-4所示，來自樣品的第二光束和反射的第一光束的圖像被達夫棱鏡反轉。如步驟S13-5所示，第一光束和第二光束分別被反射向第二光束的路徑和第一光束的路徑。如步驟S13-6所示，反射的第一光束和反射的第二光束在分束器處合併或結合。如步驟S13-7所示，通過色散光學元件將組合的光束分散在光譜成分或單獨的彩色光束中。如步驟S13-8所示，通過針孔陣列將光譜成分或各個彩色光束 選取為具有各自波長的多個干涉光束。如步驟S13-9所示，將多個干涉光束投射到偵測器上。如步驟S13-10所示，將投射在偵測器上的多個光束的每個圖像與來自圖像平面的每個波長之調節的焦距組合或疊加。

在本發明中，通過使用諸如第10A圖中的實施例的白光源的光學系統或自干涉儀的操作可以參考第14圖。首先產生白色初始準直光束，如步驟S14-1。如步驟S14-2所示，白色的初始準直光束通過色散光學元件被散射成光譜成分。如步驟S14-3所示，通過針孔陣列將光譜成分或各個彩色光束選取為具有各自波長的多個干涉光束。如步驟S14-4所示，通過使用光束阻攔將多個初始光束之一選擇給分束器作為發射光束。然後，如步驟S14-5所示，通過分束器將發射光束分為第一光束和第二光束。如步驟S14-6所示，第一和第二光束分別通過第一和第二反射鏡/透鏡投射和聚焦到樣品上。如步驟S14-7所示，來自樣品的第二光束和反射的第一光束的圖像被達夫棱鏡反轉。如步驟S14-8所示，第一光束和第二光束分別被反射向第二光束的路徑和第一光束的路徑。如步驟S14-9所示，反射的第一光束和反射的第二光束在分束器處合併或結合。然後，如步驟S14-10所示，將合併的干涉光束以焦距聚焦在偵測器上。重複步驟S14-4至步驟S14-10，直到所有多個初始光束都形成圖像為止，如步驟S14-11所示。並且，如步驟S14-12所示，多個初始光束的每個圖像被組合以形成全彩圖像。

在本發明中，通過使用諸如第10圖中的實施例的白光源的光學系統或自干涉儀的操作可以參考第15圖。提供了具有不同波長的多個初始光束，如步驟1中所示。S15-1。然後，如步驟S15-2所示，選擇多個初始光束之一。如步驟S15-3所示，將多個初始光束中的一個準直為初始準直 光束。

然後，如步驟S15-4所示，通過分束器將初始準直光束分成第一光束和第二光束。如步驟S15-5所示，第一和第二光束分別通過第一和第二反射鏡/透鏡投射和聚焦到樣品上。如步驟S15-6所示，來自樣品的第二光束和反射的第一光束的圖像被達夫稜鏡反轉。如步驟S15-7所示，第一光束和第二光束分別被反射向第二光束的路徑和第一光束的路徑。如步驟S15-8所示，反射的第一光束和反射的第二光束在分束器處合併或結合。然後，如步驟S15-9所示，將組合的干涉光束以焦距聚焦在偵測器上。重複步驟S15-2至步驟S15-9，直到所有多個初始光束都形成圖像為止，如步驟S15-10所示。並且，如步驟S15-11所示，多個初始光束的每個圖像被組合以形成全彩圖像。

綜上所述，本發明提供一種光學系統，更具體地，涉及一種光學測量或檢查中的自干涉儀及其操作方法。本發明可以應用於生物醫學應用中的光學同調斷層掃描。而且，本發明還可以應用於半導體製造工業中的缺陷檢查和計量。傳統的光學檢查工具無法識別22nm工藝節點及以後的缺陷。本發明可以找出大約1nm的缺陷。此外，目前半導體行業的量測工具是關鍵尺寸掃描式電子顯微鏡(CD-SEM)，其中僅探測五個點來表示晶片的工藝均勻性，但是由於掃描式電子顯微鏡的容許能力(throughput)嚴重不足，無法測量完整的晶片關鍵尺寸。在本發明中，由於光學的高容許能力的特性，因此可以獲得整個晶片的臨界尺寸的資訊。此外，通過使用本發明，也可以檢查薄膜表面的平坦度。

本發明在沒有非常高強度的光源的情況下提供了穩定的圖 像，這是因為用於干涉測量的兩個光束都用於照射樣品。這表示沒有參考光束，並且光學系統的結構更簡單。此外，儘管在本發明中可以將發光二極體和雷射兩者都設置為光源，但是當可以容易地實現低同調干涉測量法時，發光二極體更具有成本優勢。在本發明中，提供了暗場圖像，使得與現有技術相比，圖像對比度更高。另外，通過使用色散光學元件，針孔陣列和投影元件，可以將白色光源應用於本發明，並且可以獲得全彩色圖像。對於傳統的干涉儀，振動會對系統性能和穩定性造成不利影響。相反的，由於沒有基準臂，所以本發明的自干涉儀可以是防振的。

BS:分束器

D:偵測器

DP:達夫稜鏡

L1,L2:透鏡

L10:聚焦鏡

LS:光源

M1,M2:透鏡

S:樣品

Computer:電腦

Claims (20)

1. 一種光學系統，包含：

   一準直光源，用以產生一初始光束；

   一分束器，接收該初始光束，用以將該初始光束分成兩道入射光且對稱於該分束器的一分離平面；

   兩面反射鏡與兩透鏡，導入該兩道入射光，各自被聚焦於一樣品之一平面上，以產生一干涉圖案於該平面上，並且從該樣品接收兩道反射回來光束到該分束器，藉以在結合該兩道反射光束於該分束器上產生一干涉光束；

   一聚焦透鏡用以將該干涉光束聚焦；以及

   一偵測器用以接收該已聚焦之干涉光束，以產生一影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中上述之分束器垂直於該表面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學系統，更包含一達夫稜鏡(Dove prism)用以將該兩道入束光束的其中一道，在被聚焦於該表面前反轉，且將該兩道入射光束的另一道在被聚焦於該表面後反轉。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中上述之光源係低同調光源。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中上述之光源係同調光源。
6. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，其中上述之準直光源提供一白色光初始光束，且包含：

   一色散光學元件，接收自該分束器之該干涉後的白色光束，用以色散該干涉後的白色光為光譜上的成分；

   一針孔陣列，用以挑選出該光譜上的成分為複數個干涉束；以及

   一投射鏡，用以投射該複數個干涉束到該偵測器。
7. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，其中上述之準直光源提供一白色光初始光束，且包含：

   一色散光學元件，自該光源接收該白光光束，用以色散該干涉後的白光為光譜上的成分；

   一針孔陣列，用以挑選出該光譜上的成分為複數個干涉束；以及

   一束阻攔，用以從該複數個干涉束中挑選具有一特定波長之特定束。
8. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，其中上述之準直光源提供具有不同波長之複數個光束。
9. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，其中上述之兩個入射光束的兩個路徑對該分束器對稱。
10. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，更包含一電腦用以處理該偵測器之資訊。
11. 一種光學系統，包含：

    一低同調準直光源，用以產生一初始光束；

    一分束器，接收該初始光束，用以將該初始光束產生一第一光束與一第二光束；

    一第一反射鏡用以將該第一光束傾斜導入至一樣品之一表面區域，以及一第二反射鏡用以將該第二光束傾斜導入至該表面區域；

    一第一透鏡用以將該第一光束聚焦於該表面區域，以及一第二透鏡用以將該第二光束聚焦於該表面區域，

    其中該聚焦後的第一光束由該表面區域沿著該第二光束之一路徑反射回該分束器，且該聚焦後的第二光束由該表面區域沿著該第一光束之一路徑反射回該分束器，藉以在該分束器上產生一干涉光束；

    一達夫稜鏡(Dove prism)位於該第二反射鏡與該第二透鏡之間；

    一聚焦透鏡用以將該干涉光束聚焦；以及

    一偵測器用以接收該已聚焦之干涉光束，以產生一影像。
12. 如申請專利範圍第11項所述之光學系統，其中上述之第一光束之第一路徑與該第二光束之一第二路徑對該分束器對稱。
13. 如申請專利範圍第11項所述之光學系統，其中上述之第一光束之第一路徑與該第二光束之一第二路徑相等價。
14. 一種照射一樣品的方法，包含：

    產生一初始光束；

    將該初始光束分開為一第一光束與一第二光束；

    投射且聚焦該第一光束與該第二光束於該樣品之一表面區域；

    反轉該第二光束之影像以及從該表面區域之反射第一光束；

    接受來自於該樣品的該反射後之第一光束與該反射後之第二光束，分別沿者該第二光束之一路徑與該第一光束之一路徑；

    結合該反射後之第一光束與該反射後之第二光束為一干涉光束；以及

    聚焦該干涉光束於一偵測器。
15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中上述之準直光束為一低同調光。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之產生步驟包含提供一白色光束，並且更包含：

    將該白色光色散為光譜成分；

    挑選該光譜成分為具有對應波長之複數個光束；

    選取該複數個光束之一至該分束器。
17. 一種照射一樣品的方法，包含：

    產生一白色光初始光束；

    將該白色光初始束分開為一第一光束與一第二光束；

    投射且聚焦該第一光束與該第二光束於該樣品之一表面區域；

    反轉該第二光束之影像以及從該表面區域之反射第一光束；

    接受來自於該樣品的該反射後之第一光束與該反射後之第二光束，分別沿者該第二光束之一路徑與該第一光束之一路徑；

    結合該反射後之第一光束與該反射後之第二光束為一干涉光束；

    將該干涉光束色散為光譜成分；

    挑選該光譜成分為具有對應波長之複數個光束；以及

    投射該複數個光束於一偵測器。
18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中上述之白光初始光束為一低同調光。
19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，更包含將被投射在在該偵測器之該複數個干涉光束之每一張影像結合成一張全彩影像。
20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中上述之第一光束之第一路徑與該第二光束之一第二路徑相對稱。

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