TWM519232U - 干涉訊號量測系統 - Google Patents

Description

干涉訊號量測系統

本新型創作是有關於一種量測系統，且特別是有關於一種干涉訊號量測系統。

隨著科技的發展，待測物的表面形貌以及內部界面之量測技術日漸受到重視。現有技術主要採用掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)與原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)等儀器，來量測待測物的表面形貌。然而，此些儀器雖具有高準確度，但其造價高昂，且難以快速量測。此外，若欲藉由此些儀器來量測待測物的內部界面，則往往須破壞待測物的完整性。惟針對生物組織、細胞或是考古文物等待測物，皆須在不破壞其完整性下量測其內部界面，而在不破壞完整性下量測內部界面的現有技術，諸如超音波造影與光同調斷層攝影術等，皆難以達到高準確度。據此，如何能在不破壞待測物的完整性的前提下，精準地量測待測物的表面形貌以及內部界面，實為此領域研發人員亟欲解決的問題之一。

本新型創作提供一種干涉訊號量測系統，其可在維持待測物的完整性的前提下，精準地量測待測物的表面形貌以及內部界面。

本新型創作的一種干涉訊號量測系統，其包括波源、縱向掃描裝置、第一偵測裝置、第二偵測裝置以及適於界定多個路徑的路徑界定模組。路徑包括第一路徑、第二路徑、第三路徑、第四路徑、第五路徑以及第六路徑，其中來自波源的波經由第一路徑、第二路徑以及第三路徑傳遞至待測物、縱向掃描裝置以及第二偵測裝置。被待測物反射的波經由第四路徑傳遞至第一偵測裝置。被縱向掃描裝置反射的波經由第五路徑以及第六路徑傳遞至第一偵測裝置以及第二偵測裝置。路徑界定模組包括至少一訊號延遲裝置，且所述至少一訊號延遲裝置位於第三路徑、第四路徑、第五路徑以及第六路徑的其中至少一者上，以影響第三路徑、第四路徑、第五路徑以及第六路徑的其中至少一者的路徑長度，使第一偵測裝置接收來自第四路徑的波與來自第五路徑的波所產生的第一干涉訊號，且第二偵測裝置接收來自第三路徑的波與來自第六路徑的波所產生的第二干涉訊號。

基於上述，在本新型創作的干涉訊號量測系統中，訊號延遲裝置的設置可獨立控制光程差，而有助於干涉訊號的形成，從而可緩解波源在頻寬上的限制。藉由選擇寬頻波源，可量測待測物的表面形貌以及內部界面。此外，利用第二干涉訊號補償第 一干涉訊號的誤差，可在不破壞待測物的完整性下，提升干涉訊號量測系統的準確度。因此，本新型創作的干涉訊號量測系統可在維持待測物的完整性的前提下，精準地量測待測物的表面形貌以及內部界面。

為讓本新型創作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。

100、100A、200、200A‧‧‧干涉訊號量測系統

110‧‧‧波源

120‧‧‧縱向掃描裝置

130‧‧‧第一偵測裝置

140‧‧‧第二偵測裝置

150‧‧‧路徑界定模組

151‧‧‧第一分光鏡

152‧‧‧第二分光鏡

153‧‧‧第三分光鏡

154‧‧‧第四分光鏡

155‧‧‧透鏡

160‧‧‧橫向掃描裝置

DL‧‧‧訊號延遲裝置

M‧‧‧反射鏡

R1‧‧‧第一路徑

R2‧‧‧第二路徑

R3‧‧‧第三路徑

R4‧‧‧第四路徑

R5‧‧‧第五路徑

R6‧‧‧第六路徑

SM‧‧‧待測物

W‧‧‧波

圖1是依照本新型創作的第一實施例的一種干涉訊號量測系統的示意圖。

圖2A至圖2F分別是圖1中干涉訊號量測系統的一種實施型態的正視示意圖、背視示意圖、左側示意圖、右側示意圖、俯視示意圖、仰視示意圖。

圖3是依照本新型創作的第二實施例的一種干涉訊號量測系統的示意圖。

圖4A至圖4F分別是圖3中干涉訊號量測系統的一種實施型態的正視示意圖、背視示意圖、左側示意圖、右側示意圖、俯視示意圖、仰視示意圖。

圖1是依照本新型創作的第一實施例的一種干涉訊號量 測系統的示意圖。請參照圖1，干涉訊號量測系統100包括波源110、縱向掃描裝置120、第一偵測裝置130、第二偵測裝置140以及路徑界定模組150。

波源110適於輸出量測用的波W，其中波W的種類可依據應用範疇的不同而有所不同。舉例而言，波W可以是聲波、超音波或電磁波等，其中電磁波可包括光波或兆赫(Terahertz)波。以下以光波接續說明，但本新型創作不限於此。

縱向掃描裝置120適於使波W產生一光相位調制，以達成光波延遲的效果，其中產生光相位調制的方法可以是藉由振動、移動、轉動、膨脹、縮小或折射率變化等物理狀態的改變。舉例而言，縱向掃描裝置120可包括聲光調變器、電光調變器、壓電致動裝置、線性平移台、音圈馬達或上述至少兩者的組合。在本實施例中，縱向掃描裝置120例如包括壓電致動裝置(未繪示)以及設置於其上的反射鏡(未繪示)，以將傳遞至縱向掃描裝置120的波W反射回路徑界定模組150。

第一偵測裝置130以及第二偵測裝置140適於偵測波W的干涉。依據波源110種類的不同，第一偵測裝置130以及第二偵測裝置140的種類亦有所不同。舉例而言，當干涉訊號量測系統100應用於偵測多層膜在不同波長下的反射率時，波源110可為掃頻光源，而第一偵測裝置130以及第二偵測裝置140可為光譜儀，但本新型創作不以此為限。

路徑界定模組150適於界定多個路徑，所述路徑可包括 第一路徑R1、第二路徑R2、第三路徑R3、第四路徑R4、第五路徑R5以及第六路徑R6，其中來自波源110的波W經由第一路徑R1、第二路徑R2以及第三路徑R3傳遞至待測物SM、縱向掃描裝置120以及第二偵測裝置140。被待測物SM反射的波W經由第四路徑R4傳遞至第一偵測裝置130。被縱向掃描裝置120反射的波W經由第五路徑R5以及第六路徑R6傳遞至第一偵測裝置130以及第二偵測裝置140。

路徑界定模組150可包括至少一訊號延遲裝置DL，且所述至少一訊號延遲裝置DL可位於第三路徑R3、第四路徑R4、第五路徑R5以及第六路徑R6的其中至少一者上，以影響第三路徑R3、第四路徑R4、第五路徑R5以及第六路徑R6的其中至少一者的路徑長度，而有助於使第一偵測裝置130接收來自第四路徑R4的波W與來自第五路徑R5的波W所產生的第一干涉訊號，且使第二偵測裝置140接收來自第三路徑R3的波W與來自第六路徑R6的波W所產生的第二干涉訊號。

進一步而言，欲產生第一干涉訊號，第四路徑R4與第五路徑的光程差(以下簡稱第一光程差)需落在波源110的同調長度(coherence length)內。同樣地，欲產生第二干涉訊號，第三路徑R3與第六路徑R6的光程差(以下簡稱第二光程差)需落在波源110的同調長度內。同調長度與波源110的頻寬呈負相關。換句話說，單頻光源的同調長度相對長，而寬頻光源的同調長度相對短。

就寬頻光源而言，若欲產生第一、第二干涉訊號，則第 四路徑R4與第五路徑的光程需相近，且第三路徑R3與第六路徑R6的光程需相近。在未設置訊號延遲裝置DL的情況下，欲架設出同時滿足第四路徑R4與第五路徑的光程相近以及第三路徑R3與第六路徑R6的光程相近的光路設計是相當困難且複雜的。因此，在未設置訊號延遲裝置DL的情況下，通常會選擇同調長度相對長且誤差容許範圍較大的波源110，以使第一、第二光程差皆落在波源110的同調長度內。換句話說，在未設置訊號延遲裝置DL的情況下，波源110的選擇容易受到頻寬的限縮。

藉由至少一訊號延遲裝置DL的設置，本實施例可調變至少一路徑長度，從而能夠獨立地調整至少一光程差(如第一光程差以及第二光程差的其中至少一者)，而有助於使第一、第二光程差皆落在波源110的同調長度內。如圖1所示，訊號延遲裝置DL例如位於第三路徑R3上，且訊號延遲裝置DL適於修正第三路徑R3與第六路徑R6的光程差，但本新型創作不以此為限。

藉由上述至少一光程差的修正，有助於緩解波源110在頻寬上的限制，從而波源110的選擇範圍可以相對廣。舉例而言，波源110除了可為同調長度相對長的單頻光源之外，還可以是窄頻光源、寬頻光源或掃頻光源等。若波源110採用單頻光源，則波W可用以量測待測物SM的表面形貌。另一方面，若波源110採用寬頻光源，則波W除了可用以量測待測物SM的表面形貌之外，還可用以量測待測物SM的內部界面(如折射率、厚度等)。換句話說，藉由選擇適當的波源110以及藉由訊號延遲裝置DL調整 光程差，干涉訊號量測系統100可用以量測待測物SM的表面形貌以及內部界面。

在量測待測物SM的過程中，縱向掃描裝置120的位置會隨待測物SM的表面形貌(如表面起伏)而改變，以產生對應之光相位調制，其中縱向掃描裝置120的移動方向平行於傳遞至縱向掃描裝置120的波W的傳遞方向。然而，縱向掃描裝置120的起始位置的不同會對第一干涉訊號產生額外的相移，使得第一干涉訊號之相位差除了受到待測物SM的表面形貌的影響之外，還受到縱向掃描裝置120的影響。鑑於上述，本實施例藉由第二干涉訊號得出因縱向掃描裝置120的起始位置的不同所造成之額外相移。如此一來，藉由第一干涉訊號之相位差扣除第二干涉訊號之額外相移，可獲得純粹來自待測物SM的表面起伏所造成之相位差，而待測物SM的表面起伏即正比於相位差與波源110之波長的乘積。換句話說，利用第二干涉訊號補償第一干涉訊號的誤差，可在不破壞待測物SM的完整性下，提升干涉訊號量測系統100的準確度。因此，干涉訊號量測系統100可在維持待測物SM的完整性的前提下，精準地量測待測物SM的表面形貌以及內部界面。此外，由第一干涉訊號之強度比還可獲得待測物SM的反射率分布。

以下以圖2A至圖2F說明圖1之干涉訊號量測系統100的其中一種實施型態。然而，應說明的是，圖1之干涉訊號量測系統100的實施型態不限於圖2A至圖2F所繪示者。圖2A至圖 2F分別是圖1中干涉訊號量測系統的一種實施型態的正視示意圖、背視示意圖、左側示意圖、右側示意圖、俯視示意圖、仰視示意圖。在圖1及圖2A至圖2F中，相同或相似的元件以相同的標號表示，於此不再贅述。

請參照圖2A至圖2F，干涉訊號量測系統100A包括波源110、縱向掃描裝置120、第一偵測裝置130、第二偵測裝置140以及路徑界定模組150，其中路徑界定模組150可包括一鏡片陣列、至少一光纖獲上述兩者的組合。以鏡片陣列為例，路徑界定模組150可包括至少一分光裝置、至少一反射鏡、至少一透鏡、至少一偏振裝置或上述至少兩者的組合。如圖2A所示，本實施例的路徑界定模組150可包括至少一分光裝置(如第一分光鏡151、一第二分光鏡152、一第三分光鏡153以及一第四分光鏡154)以及至少一透鏡155，其中第一分光鏡151、第二分光鏡152、第三分光鏡153、第四分光鏡154以及透鏡155之間可接觸或不接觸。

訊號延遲裝置DL可包括至少一反射面。舉例而言，訊號延遲裝置DL可由至少一直角反射鏡所構成。在本實施例中，如圖2F所示，訊號延遲裝置DL例如由兩片夾90度角的反射鏡M所構成。

在本實施例中，來自波源110的波會依序被第一分光鏡151反射、穿透第三分光鏡153、經由透鏡155匯聚至待測物SM，且此波被待測物SM反射後會依序穿透透鏡155、第三分光鏡153以及第一分光鏡151，並入射至第一偵測裝置130。此外，來自波 源110的波也會依序穿透第一分光鏡151以及第二分光鏡152，並入射至縱向掃描裝置120，而此波被縱向掃描裝置120反射後會依序穿透第二分光鏡152、被第一分光鏡151反射，並入射至第一偵測裝置130。再者，來自波源110的波還會依序被第一分光鏡151、第三分光鏡153反射、被訊號延遲裝置DL的兩片反射鏡M二次反射、穿透第四分光鏡154，並入射至第二偵測裝置140。並且，被縱向掃描裝置120反射的波還會依序被第二分光鏡152以及第四分光鏡154反射，而入射至第二偵測裝置140。

干涉訊號量測系統100A可進一步包括橫向掃描裝置160，且待測物SM設置在橫向掃描裝置160上。藉由橫向掃描裝置160執行二維掃描，例如使橫向掃描裝置160在與傳遞至待測物SM的波W的傳遞方向垂直的參考平面上移動，則可獲得待測物SM的表面或內部介面的高度分布以及反射率的分布。

圖3是依照本新型創作的第二實施例的一種干涉訊號量測系統的示意圖。請參照圖3，干涉訊號量測系統200與圖1的干涉訊號量測系統100類似，且相同或相似的元件以相同的標號表示，於此不再贅述。干涉訊號量測系統200與干涉訊號量測系統100的主要差異在於，訊號延遲裝置DL位於第一路徑R1以及第四路徑R4上。換句話說，訊號延遲裝置DL適於修正第四路徑R4與第五路徑的光程差。

藉由上述至少一光程差的修正，本實施例的波源110的選擇範圍可以相對廣。因此，藉由選擇適當的波源110(如寬頻波 源)以及藉由訊號延遲裝置DL調整光程差，干涉訊號量測系統200可用以量測待測物SM的表面形貌以及內部界面。此外，利用第二干涉訊號補償第一干涉訊號的誤差，可在不破壞待測物SM的完整性下，提升干涉訊號量測系統200的準確度。因此，干涉訊號量測系統200可在維持待測物SM的完整性的前提下，精準地量測待測物SM的表面形貌以及內部界面。

以下以圖4A至圖4F說明圖3之干涉訊號量測系統200的其中一種實施型態。然而，應說明的是，圖3之干涉訊號量測系統200的實施型態不限於圖4A至圖4F所繪示者。圖4A至圖4F分別是圖3中干涉訊號量測系統的一種實施型態的正視示意圖、背視示意圖、左側示意圖、右側示意圖、俯視示意圖、仰視示意圖。在圖3及圖4A至圖4F中，相同或相似的元件以相同的標號表示，於此不再贅述。

請參照圖4A至圖4F，干涉訊號量測系統200A包括波源110、縱向掃描裝置120、第一偵測裝置130、第二偵測裝置140以及路徑界定模組150，其中路徑界定模組150的組成與圖2A至圖2F中路徑界定模組150類似，差異在於設置方式的不同。此外，本實施例的訊號延遲裝置DL例如由一片反射鏡M所構成。

在本實施例中，來自波源110的波會依序穿透第一分光鏡151以及第三分光鏡153、被訊號延遲裝置DL的反射鏡M反射、再經由透鏡155匯聚至待測物SM，且此波被待測物SM反射後會依序穿透透鏡155、被訊號延遲裝置DL的反射鏡M反射、 穿透第三分光鏡153、被第一分光鏡151反射，並入射至第一偵測裝置130。此外，來自波源110的波也會依序被第一分光鏡151反射、穿透第二分光鏡152，並入射至縱向掃描裝置120，而此波被縱向掃描裝置120反射後會依序穿透第二分光鏡152以及第一分光鏡151，並入射至第一偵測裝置130。再者，來自波源110的波還會依序穿透第一分光鏡151、被第三分光鏡153以及第四分光鏡154反射、穿透第二分光鏡152，並入射至第二偵測裝置140。並且，被縱向掃描裝置120反射的波還會被第二分光鏡152反射，並入射至第二偵測裝置140。

另外，干涉訊號量測系統200A也可進一步包括橫向掃描裝置160，且待測物SM設置在橫向掃描裝置160上。藉由橫向掃描裝置160執行二維掃描，例如使橫向掃描裝置160在與傳遞至待測物SM的波W的傳遞方向垂直的參考平面上移動，則可獲得待測物SM的表面或內部介面的高度分布以及反射率的分布。

應說明的是，在圖2A至圖2F以及圖4A至圖4F實施例中的分光鏡皆可以光纖元件取代。如此，可避免外在環境的干擾、降低雜訊並提升量測的準確度。在其他實施例中，也可藉由增加光導管、內視鏡等其他導波元件，以增加干涉訊號量測系統的應用範疇。

綜上所述，在本新型創作的干涉訊號量測系統中，訊號延遲裝置的設置可獨立控制光程差，而有助於干涉訊號的形成，從而可緩解波源在頻寬上的限制。藉由選擇寬頻波源，可量測待 測物的表面形貌以及內部界面。此外，利用第二干涉訊號補償第一干涉訊號的誤差，可在不破壞待測物的完整性下，提升干涉訊號量測系統的準確度。因此，本新型創作的干涉訊號量測系統可在維持待測物的完整性的前提下，精準地量測待測物的表面形貌以及內部界面。

雖然本新型創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型創作的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本新型創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧干涉訊號量測系統

110‧‧‧波源

120‧‧‧縱向掃描裝置

130‧‧‧第一偵測裝置

140‧‧‧第二偵測裝置

150‧‧‧路徑界定模組

DL‧‧‧訊號延遲裝置

R1‧‧‧第一路徑

R2‧‧‧第二路徑

R3‧‧‧第三路徑

R4‧‧‧第四路徑

R5‧‧‧第五路徑

R6‧‧‧第六路徑

SM‧‧‧待測物

W‧‧‧波

Claims (10)

1. 一種干涉訊號量測系統，包括：一波源；一縱向掃描裝置；一第一偵測裝置；一第二偵測裝置；以及一路徑界定模組，適於界定多個路徑，該些路徑包括一第一路徑、一第二路徑、一第三路徑、一第四路徑、一第五路徑以及一第六路徑，其中來自該波源的一波經由該第一路徑、該第二路徑以及該第三路徑傳遞至一待測物、該縱向掃描裝置以及該第二偵測裝置，被該待測物反射的該波經由該第四路徑傳遞至該第一偵測裝置，被該縱向掃描裝置反射的該波經由該第五路徑以及該第六路徑傳遞至該第一偵測裝置以及該第二偵測裝置，該路徑界定模組包括至少一訊號延遲裝置，且該至少一訊號延遲裝置位於該第三路徑、該第四路徑、該第五路徑以及該第六路徑的其中至少一者上，以影響該第三路徑、該第四路徑、該第五路徑以及該第六路徑的其中至少一者的路徑長度，使該第一偵測裝置接收來自該第四路徑的該波與來自該第五路徑的該波所產生的一第一干涉訊號，且該第二偵測裝置接收來自該第三路徑的該波與來自該第六路徑的該波所產生的一第二干涉訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的干涉訊號量測系統，其中該波為聲波、超音波或電磁波。
3. 如申請專利範圍第1項所述的干涉訊號量測系統，其中該波源為單頻光源、窄頻光源、寬頻光源或掃頻光源。
4. 如申請專利範圍第1項所述的干涉訊號量測系統，其中該縱向掃描裝置包括一聲光調變器、一電光調變器、一壓電致動裝置、一線性平移台、一音圈馬達或上述至少兩者的組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述的干涉訊號量測系統，其中該路徑界定模組包括一鏡片陣列、至少一光纖或上述兩者的組合。
6. 如申請專利範圍第5項所述的干涉訊號量測系統，其中該路徑界定模組包括至少一分光裝置、至少一反射鏡、至少一透鏡、至少一偏振裝置或上述至少兩者的組合。
7. 如申請專利範圍第6項所述的干涉訊號量測系統，其中該至少一分光裝置包括一第一分光鏡、一第二分光鏡、一第三分光鏡以及一第四分光鏡。
8. 如申請專利範圍第1項所述的干涉訊號量測系統，其中該訊號延遲裝置包括至少一反射面。
9. 如申請專利範圍第8項所述的干涉訊號量測系統，其中該訊號延遲裝置由至少一直角反射鏡所構成。
10. 如申請專利範圍第1項所述的干涉訊號量測系統，更包括：一橫向掃描裝置，且該待測物設置在該橫向掃描裝置上。