CN219657497U - 全光纤三维断层扫描*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种全光纤三维断层扫描***，其包括扫频激光器、第一光耦合器、第一光循环器、第一光准直器、第一凸透镜、电控衰减器、第二光循环器、第二光准直器、第二凸透镜、第二光耦合器与平衡侦测器。全光纤三维断层扫描***包括的扫频激光器能够利用撷取光学信号以获取影像的技术且采用全光纤的线路架构，可对光学散射介质如生物组织等快速进行线或面扫描，以获得高分辨率的三维图像。

Description

全光纤三维断层扫描***

技术领域

本实用新型涉及一种光学检视***，尤其是指一种全光纤三维断层扫描***，能够利用撷取光学信号以获取影像的技术且采用全光纤的线路架构，可对光学散射介质如生物组织等快速进行线或面扫描，以获得高分辨率的三维图像。

背景技术

在许多当前行业中，检查微小结构的表面或获得三维信息是非常重要的。在光干涉领域中，当参考光束和扫描光束的路径长度彼此一致时发生干涉。更具体地，干涉产生条件是光源同调长度(coherence length)。当路径长度差小于光源同调长度时，将发生光学干涉。非透明标本可以用迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)或米劳干涉仪(Mirau interferometer)检查。透明样品也可以通过干涉法测量。

迈克尔逊干涉仪是光学干涉仪中最常用的配置之一。通过使用分束器(beamsplitter)，光源被分为两个路径。两个光束都被反射回分束器，然后分束器合并并产生干涉。所产生的未导向回光源的干涉图样通常会导向到某类型的光电侦测器(detector)或照相机。对于干涉仪的不同应用，两个光路可以具有不同的长度，或者可以包含光学元件甚至被测材料。光源向分束器提供初始光束，该分束器将初始光分成两束。将两个光束之一照射到样品上，将另一个光束照射到反射镜中以形成参考路径。在两个光束反射回到分束器之后，它们将被合并并导向到侦测器，从而在侦测器上生成干涉图案。

米劳(Mira)干涉仪是另一种常用的光学干涉仪配置。米劳干涉仪的工作原理与迈克尔逊干涉仪相同。两者之间的区别在于参考臂(reference arm)的实际位置。米劳干涉仪的参考臂位于显微镜物镜组件内光源向透镜L产生初始光束，透镜将光束折射到分束器以产生两个光束。一个光束被照射到样品中，另一光束被反射回透镜L上的半反射镜。可以应用另一种光学***来组合两个光束以生成干涉图样。例如，如果样本可以是透明的，则在样本下方配置另一个光学***。如果样本是不透明的，则应在样本上方配置具有反射镜以收集两个光束的光学***。

尽管迈克尔逊干涉仪和米劳干涉仪都被广泛使用，但是仅使用一个光束探测样本，并且使用参考光束会产生干扰。因此，在两种情况下，来自光源的光最多只有一半可以到达样品表面。这极大地限制了在样品表面上检测精细特征的能力。此外，参考路径对***至关重要，这将导致迈克尔逊干涉仪的复杂性。尽管可以使用米劳干涉仪获得干涉结果，但在非透明样品中，由于必须使用背散射光进行干涉，因此进一步降低照射在样品上的光强度，并且容易丢失样品深度和厚度的信息。

因此，如何解决上述现有技术的问题与缺失，即为相关业者所亟欲研发的课题所在。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种全光纤三维断层扫描***。

本实用新型提供一种全光纤三维断层扫描***，尤用以对待观测物高速进行三维断层扫描，全光纤三维断层扫描***包括扫频激光器、第一光耦合器、第一光学扫描模块、第二光学扫描模块、第二光耦合器与平衡侦测器。扫频激光器用以发射出不同波长的激光光线。第一光耦合器以光纤连接至扫频激光器，第一光耦合器用以接收扫频激光器所发射出的初始入射光线，并且将其分路为第一入射光线与第二入射光线，其中第一入射光线的光线数量为第二入射光线的40～60倍。第一光学扫描模块以光纤连接至第一光耦合器以接收第一入射光线，其中第一入射光线射向待观测物以产生第一反射光线。第二光学扫描模块以光纤连接至第一光耦合器以接收第二入射光线，其中第二入射光线射向一平面镜以产生第二反射光线。第二光耦合器以光纤连接至第一光学扫描模块与第二光学扫描模块以分别将第一反射光线与第二反射光线予以合并，其中该第二光耦合器的两个输出口输出同样光线数量的第一目标光线与第二目标光线且彼此进行光学干涉效应。平衡侦测器以光纤连接至第二光耦合器的两个输出口，以接收第一目标光线与第二目标光线，且在进行信号处理后输出光学测量信号。

在本实用新型的一实施例中，第一光学扫描模块包括第一光循环器、第一光准直器、第一凸透镜与电控衰减器。第一光循环器以光纤连接至第一光耦合器以接收第一入射光线，其中第一入射光线从第一光循环器的第一端口进入且从第二端口出去。第一光准直器以光纤连接至第一光循环器的第二端口，第一光准直器用以将第一入射光线的发散光转变为平行光。第一凸透镜设置于第一光准直器的前方，其中第一入射光线会通过第一光准直器且通过第一凸透镜而射向待观测物，以产生第一反射光线。电控衰减器，其输入口以光纤连接至第一光循环器的第三端口以接收第一反射光线且根据一衰减参数值予以衰减。

在本实用新型的一实施例中，第二光学扫描模块包括第二光循环器、第二光准直器与第二凸透镜。第二光循环器以光纤连接至第一光耦合器以接收第二入射光线，其中第二入射光线从第二光循环器的第一端口进入且从第二端口出去。第二光准直器以光纤连接至第二光循环器的第二端口，第二光准直器用以将第二入射光线的发散光转变为平行光。第二凸透镜设置于第二光准直器的前方，其中第二入射光线会通过第二光准直器且通过第二凸透镜而射向一平面镜，以产生第二反射光线。

在本实用新型的一实施例中，第二光耦合器的两个输入口以光纤分别连接至电控衰减器的输出口与第二光循环器的第三端口以分别将第一反射光线与第二反射光线予以合并。

在本实用新型的一实施例中，第一入射光线与第二入射光线分别同时到达待观测物与平面镜。

在本实用新型的一实施例中，第一反射光线与第二反射光线同时到达第二光耦合器。

在本实用新型的一实施例中，电控衰减器的该衰减参数值为根据待观测物的种类而来手动或自动设定。

综上所述，本实用新型所提供的全光纤三维断层扫描***能够带来以下功效：

1.可对光学散射介质如生物组织等快速进行线或面扫描，以获得高分辨率的三维图像；

2.通过光纤线更容易且更准确地架设整个光学断层扫***；以及

3.具有高弹性的扩充能力、扫描的高分辨率与高效率。

以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本实用新型的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为本实用新型的全光纤三维断层扫描***的区块示意图。

图2为本实用新型的全光纤三维断层扫描***的细部区块示意图。

附图标记说明：100-全光纤三维断层扫描***；110-扫频激光器；120-第一光耦合器；130-第一光学扫描模块；132-第一光循环器；134-第一光准直器；136-第一凸透镜；138-电控衰减器；140-第二光学扫描模块；142-第二光循环器；144-第二光准直器；146-第二凸透镜；150-第二光耦合器；160-平衡侦测器；IL-初始入射光线；TL1-第一入射光线；TL2-第二入射光线；BL1-第一反射光线；BL2-第二反射光线；PL1-第一目标光线；PL2-第二目标光线；TML-光学测量信号；TA-待观测物；MA-平面镜。

具体实施方式

为能解决现有技术的问题，创作人经过多年的研究及开发，据以改善现有产品的诟病，后续将详细介绍本实用新型如何以一种全光纤三维断层扫描***来达到最有效率的功能要求。

光学同调断层摄影术(Optical Coherence Tomography，OCT)可以对晶圆或皮肤组织产生非侵入性的三维深层影像，其基础是利用迈克尔逊干涉仪的原理，将参考端的反射光束及待检物的反射光束在重合时所产生的相位变化，形成一干涉现象，用以对待检组织形成一三维深层影像，但传统的光学同调断层摄影术(Optical Coherence Tomography，OCT)的干涉影像质量或待检物的三维信息仍有待提升。

请参阅图1，图1为本实用新型的全光纤三维断层扫描***的区块示意图。如图所示，本实用新型内容的全光纤三维断层扫描***100，采用全光纤线路来架构整个光学***以充分发挥光纤的优势，尤适用以对待观测物高速进行三维断层扫描的领域，可以大幅地保留待观测物的深度和厚度的信息。全光纤三维断层扫描***100包括扫频激光器110、第一光耦合器120、第一光学扫描模块130、第二光学扫描模块140、第二光耦合器150与平衡侦测器160。

进一步来说，扫频激光器110用以在不同时间发射出不同波长的激光光线(频谱相当宽)，且扫频激光器110的光源为低同调准直光源(Low Coherence Light Source)，其主要用以产生一初始光束，它可以达到很高的分辨率。第一光耦合器120以光纤连接至扫频激光器110，第一光耦合器120用以接收扫频激光器110所发射出的初始入射光线IL，并且将初始入射光线IL分路为第一入射光线TL1与第二入射光线TL2，其中第一入射光线TL1的光线数量为第二入射光线TL2的40～60倍，而在本实施例中是以49倍来运作，但不以49倍为限。第一光学扫描模块130以光纤连接至第一光耦合器120以接收第一入射光线TL1，其中第一入射光线TL1射向待观测物TA以产生第一反射光线BL1，其中待观测物TA依照实际使用情况可以是晶圆、皮肤或其它物品。

此外，第二光学扫描模块140以光纤连接至第一光耦合器120以接收第二入射光线TL2，其中第二入射光线TL2射向一平面镜MA以产生第二反射光线BL2。上述的第一入射光线TL1与第二入射光线TL2分别同时到达待观测物TA与平面镜MA，或是实质上同时到达。第二光耦合器150以光纤连接至第一光学扫描模块130与第二光学扫描模块140以分别将第一反射光线BL1与第二反射光线BL2予以合并，其中第二光耦合器150的两个输出口会输出同样光线数量的第一目标光线PL1与第二目标光线PL2且第一目标光线PL1与第二目标光线PL2彼此进行光学干涉效应。上述的第一反射光线BL1与第二反射光线BL2同时到达第二光耦合器150。平衡侦测器160以光纤连接至第二光耦合器150的两个输出口，以接收第一目标光线PL1与第二目标光线PL2，且在进行信号处理后输出光学测量信号TML，其为具有三维信息的干涉影像。根据上述说明可知，本实用新型的全光纤三维断层扫描***100是利用撷取光学信号以获取影像的技术且采用全光纤的线路架构，可对光学散射介质如生物组织等快速进行线或面扫描，以获得高分辨率的三维图像。

接下来，将进一步详细说明全光纤三维断层扫描***100。

请参考图2，图2为本实用新型的全光纤三维断层扫描***的细部区块示意图。第一光学扫描模块130包括第一光循环器132、第一光准直器134、第一凸透镜136与电控衰减器138。第一光循环器132以光纤连接至第一光耦合器120以接收第一入射光线TL1，其中第一入射光线TL1从第一光循环器132的第一端口进入且从第二端口出去。第一光准直器134以光纤连接至第一光循环器132的第二端口以接收第一入射光线TL1，并且第一光准直器用以将第一入射光线TL1的发散光转变为平行光。用以聚焦的第一凸透镜136设置于第一光准直器134的前方，其中第一入射光线TL1会通过第一光准直器134且通过第一凸透镜136而射向待观测物TA，以产生第一反射光线BL1。电控衰减器138的输入口以光纤连接至第一光循环器132的第三端口以接收第一反射光线BL1且根据一衰减参数值予以衰减，亦即减少其光线量。电控衰减器138的衰减参数值为根据待观测物TA的种类而来手动或自动设定，以能弹性调整第一反射光线BL1的数量，以此以优化整个全光纤三维断层扫描***100。

此外，第二光学扫描模块140包括第二光循环器142、第二光准直器144与第二凸透镜146。第二光循环器142以光纤连接至第一光耦合器120以接收第二入射光线TL2，其中第二入射光线TL2从第二光循环器142的第一端口进入且从第二端口出去。第二光准直器144以光纤连接至第二光循环器142的第二端口以接收第二入射光线TL2，第二光准直器144用以将第二入射光线TL2的发散光转变为平行光。用以聚焦的第二凸透镜146设置于第二光准直器144的前方，其中第二入射光线TL2会通过第二光准直器144且通过第二凸透镜146而射向一平面镜MA，以产生第二反射光线BL2。接下来，第二光耦合器150的两个输入口以光纤分别连接至电控衰减器138的输出口与第二光循环器142的第三端口以分别将第一反射光线BL1与第二反射光线BL2予以合并。

由上述可知，在使用光纤线路作为全光纤三维断层扫描***100的主要连接线路的***环境下，第一入射光线TL1与第二入射光线TL2的光线路径为等价相同，并且第一反射光线BL1与第二反射光线BL2的光线路径也是等价相同。其中激光能量90％以上集中于样品上，且瞬间只有输出单一波长，激光能量由单一波长持有，不像传统OCT激光能量由多波长共享，因此，本实用新型最后所侦测到的干涉影像也会比传统OCT的干涉影像更好。

本实用新型采用全光纤线路的断层扫瞄***可以应用于非金属物品的光学同调断层扫描。例如，本实用新型可以应用于半导体制造工业中的非金属物品的缺陷检查和尺寸计量，其中非金属物品例如为晶圆、透明胶、玻璃或塑料薄膜。在本实用新型中，由于光学的高容许能力的特性，因此可以获得整个待观测物的微米或甚至是亚微米尺寸的信息。此外，通过使用本实用新型，也可以检查薄膜表面的平坦度、表面粗糙度或薄膜厚度，其它关于非金属物品的信息都可以通过建构三维影像来获取。

综上所述，本实用新型所提供的全光纤三维断层扫描***能够带来以下功效：

1.可对光学散射介质如生物组织等快速进行线或面扫描，以获得高分辨率的三维图像；

2.通过光纤线更容易且更准确地架设整个光学断层扫***；以及

3.具有高弹性的扩充能力、扫描的高分辨率与高效率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围。故即凡依本实用新型权利要求书所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种全光纤三维断层扫描***，尤用以对一待观测物高速进行三维断层扫描，其特征在于，该全光纤三维断层扫描***包括：

一扫频激光器，其用以发射出不同波长的激光光线；

一第一光耦合器，其以光纤连接至该扫频激光器，该第一光耦合器用以接收该扫频激光器所发射出的一初始入射光线，并且将其分路为一第一入射光线与一第二入射光线，其中该第一入射光线的光线数量为该第二入射光线的40～60倍；

一第一光学扫描模块，其以光纤连接至该第一光耦合器以接收该第一入射光线，其中该第一入射光线射向该待观测物，以产生一第一反射光线；

一第二光学扫描模块，其以光纤连接至该第一光耦合器以接收该第二入射光线，其中该第二入射光线射向一平面镜，以产生一第二反射光线；

一第二光耦合器，其以光纤连接至该第一光学扫描模块与该第二光学扫描模块以分别将该第一反射光线与该第二反射光线予以合并，其中该第二光耦合器的两个输出口输出同样光线数量的一第一目标光线与一第二目标光线且彼此进行光学干涉效应；以及

一平衡侦测器，其以光纤连接至该第二光耦合器的两个输出口，以接收该第一目标光线与该第二目标光线，且在进行信号处理后输出一光学测量信号。

2.如权利要求1所述的全光纤三维断层扫描***，其特征在于，该第一光学扫描模块包括：

一第一光循环器，其以光纤连接至该第一光耦合器以接收该第一入射光线，其中该第一入射光线从该第一光循环器的第一端口进入且从第二端口出去；

一第一光准直器，其以光纤连接至该第一光循环器的第二端口，该第一光准直器用以将该第一入射光线的发散光转变为平行光；

一第一凸透镜，其设置于该第一光准直器的前方，其中该第一入射光线通过该第一光准直器且通过该第一凸透镜而射向该待观测物，以产生一第一反射光线；以及

一电控衰减器，其输入口以光纤连接至该第一光循环器的第三端口以接收该第一反射光线且根据一衰减参数值予以衰减。

3.如权利要求2所述的全光纤三维断层扫描***，其特征在于，该第二光学扫描模块包括：

一第二光循环器，其以光纤连接至该第一光耦合器以接收该第二入射光线，其中该第二入射光线从该第二光循环器的第一端口进入且从第二端口出去；

一第二光准直器，其以光纤连接至该第二光循环器的第二端口，该第二光准直器用以将该第二入射光线的发散光转变为平行光；以及

一第二凸透镜，其设置于该第二光准直器的前方，其中该第二入射光线通过该第二光准直器且通过该第二凸透镜而射向一平面镜，以产生一第二反射光线。

4.如权利要求3所述的全光纤三维断层扫描***，其特征在于，该第二光耦合器的两个输入口以光纤分别连接至该电控衰减器的输出口与该第二光循环器的第三端口以分别将该第一反射光线与该第二反射光线予以合并。

5.如权利要求1所述的全光纤三维断层扫描***，其特征在于，该第一入射光线与该第二入射光线分别同时到达该待观测物与该平面镜。

6.如权利要求1所述的全光纤三维断层扫描***，其特征在于，该第一反射光线与该第二反射光线同时到达该第二光耦合器。

7.如权利要求2所述的全光纤三维断层扫描***，其特征在于，该电控衰减器的该衰减参数值为根据该待观测物的种类而来手动或自动设定。