TWI417534B - Surface and internal interface of the contrast and measurement device - Google Patents

Description

物體表面與內部界面之造影與量測裝置

本發明係有關於一種物體之造影與量測裝置，特別是指一種物體表面與內部界面之造影與量測裝置。

隨著科技的發展，物體之造影與量測技術愈來愈發達，尤其是物體表面的起伏或是紋路，皆可以諸如原子力顯微鏡、電子顯微鏡以及光學技術來量測物體表面形貌。物體表面的造影與量測技術已為習知常見的技術手段，然而，要達到高準確度的表面形貌量測，往往需要造價高昂的設備，且難以作快速的量測。此外，目前尤其缺乏可針對物體內部界面的高準確度量測裝置。若要量測物體內部界面，則往往必須破壞物體的完整性，才可量測物體內部界面的形貌。

然而，有些物體並無法或不適於藉由破壞的方式來量測其內部界面，例如，生物組織或細胞，通常需要在不破壞其完整性的條件之下作量測。或者，許多工業材料、考古文物與藝術作品等等，皆需要在不破壞物體的條件之下量測其內部界面的形貌。而現存可在不破壞物體的完整性的條件之下，可以量測物體內部界面形貌的技術，諸如超音波造影與光同調斷層攝影術，皆難以達到奈米等級的準確度。

因此本發明提供一種物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其係可不需破壞物體，即可對於固態與液態物體的表面與內部界面形貌作高準確度的造影與量測，如此可解決上述之問題。

本發明之目的之一，在於提供一種物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其係藉由一寬頻波源作為一寬頻入射波，藉由寬頻入射波以不破壞物體的方式，造影與量測物體表面與內部界面的形貌，如此可增加物體表面與內部界面造影之便利性。本發明之目的之一，在於提供一種物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其係利用一反射裝置以接收一入射波束並反射一校正波束，藉由校正波束以增加物體表面與內部界面造影與量測之準確性，並且增加物體表面與內部界面之造影與量測速度。

本發明之物體表面與內部界面之造影與量測裝置，包含一寬頻波源、一波延遲裝置、一反射裝置與一感測器，寬頻波源發射一寬頻入射波；分波結構分離寬頻入射波為一第一入射波束、一第二入射波束與一第三入射波束，第一入射波束照射於一待測物，待測物反射一量測波束；波延遲裝置接收第二入射波束並反射一參考波束；反射裝置接收第三入射波束並反射一校正波束；感測器接收量測波束與參考波束之一第一干涉訊號，此干涉訊號為物體內部界面造影之訊號。感測器並接收參考波束與校正波束之一第二干涉訊號，第二干涉訊號用以補償相位偏差。本發明藉由寬頻入射波以不破壞物體的方式，造影與量測物體表面與內部界面的形貌，並藉由校正波束以增加物體表面與內部界面造影與量測之準確性。

2‧‧‧待測物

10‧‧‧寬頻波源

12‧‧‧第一入射波束

13‧‧‧量測波束

14‧‧‧第二入射波束

15‧‧‧參考波束

16‧‧‧第三入射波束

17‧‧‧校正波束

18‧‧‧第四入射波束

20‧‧‧分波結構

22‧‧‧第一分波裝置

24‧‧‧第二分波裝置

26‧‧‧第三分波裝置

28‧‧‧第四分波裝置

30‧‧‧波延遲裝置

40‧‧‧反射裝置

41‧‧‧反射裝置

42‧‧‧第一反射元件

44‧‧‧第二反射元件

50‧‧‧感測器

52‧‧‧第一感測器

54‧‧‧第二感測器

60‧‧‧聚焦裝置

70‧‧‧移動裝置

71‧‧‧轉動掃瞄裝置

第一圖為本發明較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；第二圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；第三圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；第四A圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；第四B圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；第四C圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；第五圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；第六A圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；第六B圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；第七A圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖；以及第七B圖為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第一圖，其係為本發明較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖：如圖所示，本發明之物體表面與內部界面之造影與量測裝置包含一寬頻波源10、一分波結構20、一波延遲裝置30、一反射裝置40與一感測器50，寬頻波源10發射一寬頻入射波；分波結構20分離該寬頻入射波為一第一入射波束12、一第二入射波束14與一第三入射波束16，第一入射波束12照射於一待測物2，待測物2反射一量測波束13；波延遲裝置30接收第二入射波束14並反射一參考波束15；反射裝置40接收第三入射波束16並反射一校正波束17；感測器50接收量測波束13與參考波束15之一第一干涉訊號以及參考波束15與校正波束17之一第二干涉訊號，第一干涉訊號為物體內部界面造影之訊號。

此實施例所使用的寬頻波源10，是以寬頻光源為範例而作說明，但在實際的應用上並不限制以光作為系統的寬頻波源10。分光結構20包含一第一分光鏡22與一第二分光鏡24，第一分光鏡22分離出寬頻入射波為第二入射波束14，第二入射波束14傳輸至波延遲裝置30；第二分光鏡24接收第一分光鏡22分離之光線並分離出第一入射波束12與第三入射波束16，第一入射波束12傳輸至待測物2，第三入射波束16傳輸至反射裝置40。第一分光鏡22與第二分光鏡24之作用為使部分光透射，部分光呈90°反射。

波延遲裝置30作用為使入射的光在反射回第一分光鏡22之前所經的路徑長會隨時間改變，或作等效的相位延遲或相位偏移。 感測器50為光偵測器，其作用為偵測光訊號。反射裝置40為一反射鏡。反射鏡之作用為使入射光在垂直入射之後反射。反射裝置40所反射的校正波束17與參考波束15之干涉訊號再經由感測器50接收後作為干涉誤差修正的判斷依據。

本發明更包含一透鏡60與一移動裝置70，透鏡60設於待測物2與分光結構20之間。更移動裝置70設於待測物2下方。透鏡60之作用為將進入待測物2的光束會聚，使光束直徑減小，以提高橫向解析度。移動裝置70為一載物台，其作用為將待測物2作橫向掃瞄而移動。

當寬頻波源10假設由光源出發，經待測物2表面或內部某一界面反射後到達感測器50(即循寬頻波源10-第一分光鏡22-第二分光鏡24-透鏡60-待測物2-透鏡60-第二分光鏡24-第一分光鏡22-感測器50路徑)的樣品端光訊號以電場：E _S ( t )=ʃ S _S (ω)exp( iωt ) dω

表示，其中w為光的角頻率，S_S(w)為反射光束的頻譜函數。而由光源出發，經波延遲裝置30反射後到達感測器50(即循寬頻波源10-第一分光鏡22-波延遲裝置30-第一分光鏡22-感測器50路徑)的參考端光訊號以電場：E _R ( t )=ʃ S _R (ω)exp[ iω ( t- τ)] dω 表示，其中S_R(w)為反射光束的頻譜函數。而時間延遲t則與樣品端及參考端的光程l _S 及l _R 相關： 其中c為光速。則感測器50將測得此二光訊號的干涉訊號： 其中< >代表於時間上的平均。交叉相關函數(cross-correlation function)正比於干涉訊號當中的第三項：Γ(τ)=Γ ₀ (τ)cos(ω ₀ τ)其中Γ₀(τ)對應於干涉波包(envelope)，其與光源之頻譜函數相關。

如今考慮由光源出發，經反射裝置40反射後到達感測器50(即循寬頻波源10-第一分光鏡22-第二分光鏡24-反射裝置40-第二分光鏡24-第一分光鏡22-感測器50路徑)的光訊號： 其中為反射光束的頻譜函數。此光束與由光源出發，經波延遲裝置30反射後到達偵測器(即循寬頻波源10-第一分光鏡22-波延遲裝置30-第一分光鏡22-感測器50路徑路徑)的參考端光訊號：E _R ( t )=ʃ S _R (ω)exp[ iω ( t- τ')] dω 干涉。此時的時間延遲 τ'與光程l _S 及l _R 相關： 而此時的交叉相關函數(cross-correlation function)為 交叉相關函數Γ(τ)的相位 而交叉相關函數Γ'(τ')的相位 二者的相位差 由於為固定量，因此由的二維分布便可求得l _S 的二維分布，亦即樣品表面或內部界面的形貌。

本發明藉由寬頻入射波以不破壞物體的方式，造影與量測物體表面與內部界面的形貌，並藉由校正波束以增加物體表面與內部界面造影與量測之準確性。

本發明可應用於各種材料之物體，只要所使用之波源於材料內部可傳播至待量測之界面即可。本發明可應用於固體或液體材料，對待測物2不具破壞性，並且可針對不同待測物2選擇不同的波源，例如不同波長、不同強度的電磁波(光)源，聲波源，超 音波源、兆赫(Teraherz)波源等等。

本發明之系統的架構具有相當大的彈性，在相似的概念之下，可針對不同的應用或不同的待測物2將系統作適當的修改，甚至以光纖或其他導波裝置實現此系統架構。本發明除了物體表面與內部界面形貌的造影與量測之外，可結合其他光學技術與演算法，獲知物體內部特定層的光譜性質、旋光(雙折射)性質等等。

本發明對環境的擾動不敏感，系統簡單、易操作、造價低廉，不但可配合快速掃瞄機構，作快速造影與量測，更可明確定義系統的準確度。本發明應用的範圍除了物理、化學、生物等基礎科學之外，還包括工業、醫學、農業、藝術、考古學等等。

請一併參閱第二圖，其係為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖，如圖所示，此實施例不同於上一實施例在於，此實施例之感測器50包含一第一感測器感測器52與一第二感測器感測器54，第一感測器感測器52接收量測波束13與參考波束15之一第一干涉訊號；第二感測器54接收參考波束15與校正波束17之一第二干涉訊號，第一干涉訊號為物體表面或內部界面之圖形訊號，第二干涉訊號為校正相位偏差之干涉訊號。藉由調整第二波延遲裝置44之位置，可使第二干涉訊號出現之位置與第一干涉訊號當中代表待測界面的干涉訊號位置相同，如此可以硬體或軟體方式直接作二組干涉訊號的直接相減，以增加造影與量測的方便性與速度。

為了將校正波束17與參考波束15分別導引後由第二感測器54接收，故此實施例之分光結構20包含一第一分光鏡22、一第二分 光鏡24、一第三分光鏡26與一第四分光鏡28；第一分光鏡22分離寬頻入射波之光線；第二分光鏡24接收第一分光鏡22分離之光線並分離出第一入射波束12與第三入射波束16，第一入射波束12傳輸至待測物2，第三入射波束16傳輸至反射裝置40；第三分光鏡26設於第一分光鏡22與波延遲裝置30之間，第二入射波束14通過第三分光鏡26並傳輸至波延遲裝置30；第四分光鏡28設於第三分光鏡26與第二感測器54之間，第四分光鏡28接收由波延遲裝置30反射、再由第三分光鏡26反射之參考波束18，並傳輸至第二感測器54，反射裝置40接收第三入射波束16並反射出一校正波束17，第四分光鏡28接收校正波束17並反射至第二感測器54。

此實施例之反射裝置40包含一第一反射鏡42與一第二反射鏡44，第一反射鏡42反射第三入射波束16，第二反射鏡44接收反射之第三入射波束16，第二反射鏡44將第三入射波束16反射，第一反射鏡42接收反射之第三入射波束16，並反射出校正波束17至第四分光鏡28。

請一併參閱第三圖，其係為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖：如圖所示，此實施例不同於圖一之實施例在於此實施例之波延遲裝置30與反射裝置40之設置位置不同，此實施例亦可依實際需求掉換延遲裝置30與反射裝置40之位置，其不影響量測結果。

請一併參閱第四A圖至第四C圖，其係為本發明不同實施態樣之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖：如圖所示，此實施例不同於圖一之實施例在於此實施例之反射裝置40之設置位置不同，且此實施例之分光結構20僅包含第一分光鏡22， 而反射裝置40可設置於透鏡60前方，如圖四A所示。或者將反射裝置40設置於透鏡60與待測物2之間，如圖四B所示。或者將反射裝置40設置於待測物2與移動裝置70之間，如圖四C所示。

請一併參閱第五圖，其係為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖：如圖所示，此實施例不同於圖一之實施例在於此實施例之更包含一轉動掃瞄裝置71，轉動掃瞄裝置71設置於第二分光鏡24與透鏡60之間，藉由轉動掃瞄裝置71以提升造影與量測時之便利性。

請一併參閱第六A圖與第六B圖，其係為本發明另一較佳實施例之物體表面與內部界面之造影與量測裝置之結構示意圖：如第六A圖所示，此實施例不同於圖一之實施例在於此實施例之分光結構20的不同。此實施例之分光結構20除了包含第一分光鏡22、第二分光鏡24、與第三分光鏡26之外，此實施例更包含一反射裝置41。第二分光鏡24接收第一分光鏡22分離之光線並分離出第一入射波束12與校正波束17，第一入射波束12傳輸至待測物2，校正波束17傳輸至反射裝置41；第三分光鏡26設於第一分光鏡22與感測器50之間，第三分光鏡26接收由波延遲裝置30反射、再通過第一分光鏡22之參考波束15，並傳輸至感測器50，校正波束17經由反射裝置41反射之後再經由第三分光鏡26反射至感測器50。此實施例亦可如第六B圖之設置，將分光結構20中之第一分光鏡22、第二分光鏡24、第三分光鏡26與反射裝置41之位置改變，其不影響量測結果。

請一併參閱第七A圖與第七B圖，其係分別與第六A圖與第六B圖之實施例相似之結構：如圖所示，此實施例不同於第六A圖與 第六B圖之實施例在於此二實施例之光傳輸結構與分光結構20均以相對應之光纖元件取代，如此可以避免外在環境的干擾以降低雜訊與增加量測的準確度，也可以搭配光導管、內視鏡等其他導波元件，增加應用的廣泛性。

綜上所述，本發明之物體表面與內部界面之造影與量測裝置，包含一寬頻波源、一波延遲裝置、一反射裝置與一感測器，寬頻波源發射一寬頻入射波；分波結構將寬頻入射波分離且待測物反射一量測波束；波延遲裝置反射一參考波束；反射裝置反射一校正波束；感測器接收量測波束與參考波束之一第一干涉訊號，此干涉訊號為物體表面與內部界面造影之訊號。感測器並接收參考波束與校正波束之一第二干涉訊號，此第二干涉訊號用以補償相位偏差。藉由寬頻入射波以不破壞物體的方式，造影與量測物體表面與內部界面的形貌，並藉由校正波束以增加物體表面與內部界面造影與量測之準確性。

故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉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。

2‧‧‧待測物

10‧‧‧寬頻波源

12‧‧‧第一入射波束

13‧‧‧量測波束

14‧‧‧第二入射波束

15‧‧‧參考波束

16‧‧‧第三入射波束

17‧‧‧校正波束

20‧‧‧分波結構

22‧‧‧第一分波裝置

24‧‧‧第二分波裝置

30‧‧‧波延遲裝置

40‧‧‧反射裝置

50‧‧‧感測器

60‧‧‧聚焦裝置

70‧‧‧移動裝置

Claims (10)

1. 一種物體表面與內部界面之造影與量測裝置，包含：一寬頻波源，發射一寬頻入射波；一分波結構，分離該寬頻入射波為一第一入射波束、一第二入射波束與一第三入射波束，該第一入射波束照射於一待測物，該待測物反射一量測波束；一波延遲裝置，接收該第二入射波束並反射一參考波束；一反射裝置，接收該第三入射波束並反射一校正波束；以及一感測器，接收該量測波束與該參考波束之一第一干涉訊號，該第一干涉訊號為物體表面與內部界面造影之訊號，而該感測器也一併接收參考波束與校正波束之一第二干涉訊號，該第二干涉訊號用以補償相位偏差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其中該分波結構包含：一第一分波裝置，分離出該寬頻入射波為該第二入射波束，該第二入射波束傳輸至該波延遲裝置；以及一第二分波裝置，接收該第一分波裝置分離之波束並分離出該第一入射波束與該第三入射波束，該第一入射波束傳輸至該待測物，該三入射波束傳輸至該反射裝置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其中該反射裝置為一反射鏡。
4. 如申請專利範圍第1項所述之物體表面與內部界面之造影與量測 裝置，其中更包含一聚焦裝置，該聚焦裝置設於該待測物與該分波結構之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其中更包含一移動裝置，該移動裝置設於該待測物下方。
6. 一種物體表面與內部界面之造影與量測裝置，包含：一寬頻波源，發射一寬頻入射波；一分波結構，分離該寬頻入射波為一第一入射波束、一第二入射波束與一第三入射波束，該第一入射波束照射於一待測物，該待測物反射一量測波束；一波延遲裝置，接收該第二入射波束並反射一參考波束；一反射裝置，接收該第三入射波束並反射一校正波束；一第一感測器，接收該量測波束與該參考波束之一第一干涉訊號，該第一干涉訊號為該為物體表面與內部界面之圖形訊號；以及一第二感測器，接收該參考波束與該校正波束之一第二干涉訊號，該第二干涉訊號為該為補償相位誤差之訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其中該分波結構包含：一第一分波裝置，分離該寬頻入射波之波束；以及一第二分波裝置，接收該第一分波裝置分離之波束並分離出該第一入射波束與該第三入射波束，該第一入射波束傳輸至該待測物，該三入射波束傳輸至該反射裝置；一第三分波裝置，設於該第一分波裝置與該波延遲裝置之間，該第三分波裝置接收該第一分波裝置所分離之波束並分離出該第二入射波束，該傳第二入射波束輸至該波延遲裝置；以及 一第四分波裝置，設於該第三分波裝置與該第二感測器之間，該第四分波裝置接收該波延遲裝置所反射再經由該第三分波裝置所反射之該參考波束，該第四分波裝置接收該參考波束並傳輸該參考波束至該第二感測器，並且該第四分波裝置並接收由該第二分波裝置所分離，並經由該反射裝置所反射之該校正波束，並將該校正波束反射至該第二感測器。
8. 如申請專利範圍第7項所述之物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其中該反射裝置包含：一第一反射元件，反射該第三入射波束；以及一第二反射元件，接收該反射之該第三入射波束，該第二反射元件將該第三入射波束反射回該第一反射元件，該第一反射元件接收該第三入射波並反射出該校正波束。
9. 如申請專利範圍第6項所述之物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其中更包含一聚焦裝置，該聚焦裝置設於該待測物與該分波結構之間。
10. 如申請專利範圍第6項所述之物體表面與內部界面之造影與量測裝置，其中更包含一移動裝置，該移動裝置設於該待測物下方。