TWI647430B

TWI647430B - 光學量測裝置

Info

Publication number: TWI647430B
Application number: TW106134963A
Authority: TW
Inventors: 張巍耀
Original assignee: 致茂電子股份有限公司
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-01-11
Also published as: US10436636B2; TW201915452A; US20190113384A1

Abstract

一種光學量測裝置用以量測一光源發射的光束。光學量測裝置包含收光元件、至少四感光元件、分光裝置與至少一透鏡。收光元件用以接收光束。感光元件分別用以感測光束的光場。各感光元件至光源之間的光路距離皆不同。分光裝置用以將通過收光元件的光束分束並分別導引至感光元件。透鏡置於至少一之感光元件與收光元件之間。透鏡用以將通過收光元件的光束成像於至少一之感光元件上。光學量測裝置依據感光元件的量測值計算光束的光學特性參數。

Description

光學量測裝置

本揭露是有關於一種光學量測裝置。

隨著半導體技術的進展，高功率及高光效率的光源已可被實現，例如雷射。雷射甚至可逐步地取代白熾燈泡或螢光燈管。雷射光束具有良好的準直性及較高的功率與光強度，因此雷射在現代工業上有著很廣範的應用。然而，在使用雷射前，通常需得知該雷射的光學特性，例如光腰大小、發散角、數值孔徑、光束品質因子與/或其他特徵，因此需由量測工具針對其特性做測量與分析。

本揭露提供一種光學量測裝置，用以量測一光源發射的光束。光學量測裝置包含收光元件、至少四感光元件、分光裝置與至少一透鏡。收光元件用以接收光束。感光元件分別用以感測光束的光場。各感光元件至光源之間的光路距離皆不同。分光裝置用以將通過收光元件的光束分束並分別導引至感光元件。透鏡置於至少一之感光元件與收光元件之間。透鏡用以將通過收光元件的光束成像於至少一之感光元件上。光學量測裝置依據感光元件的量測值計算光束的光學特性參數。

在上述實施方式中，因以至少四個感光元件於同一時間量測不同距離的光場，可排除時間與震動所引起的量測誤差，因此可兼具省時與提高準確度的目的。

100‧‧‧光學量測裝置

110‧‧‧收光元件

122、124、126、128‧‧‧感光元件

130‧‧‧分光裝置

132‧‧‧第一分光元件

134‧‧‧第二分光元件

136‧‧‧第三分光元件

140、142、144、146、148‧‧‧透鏡

600‧‧‧光源

610、611、612、613、614、615、615’、616、618‧‧‧光束

L1、L2、L3、L4‧‧‧光路距離

LR‧‧‧成像端的瑞利長度

W‧‧‧成像端的光腰

第1圖為本揭露一實施方式之光學量測裝置與光源的示意圖。

第2圖為第1圖的光學量測裝置與光源的等效光路圖。

第3圖為本揭露另一實施方式之光學量測裝置與光源的示意圖。

第4圖為第3圖的光學量測裝置與光源的等效光路圖。

第5圖為本揭露又一實施方式之光學量測裝置與光源的示意圖。

以下將以圖式揭露本發明的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖為本揭露一實施方式之光學量測裝置100與光源600的示意圖，第2圖為第1圖的光學量測裝置100與光源600的等效光路圖。光學量測裝置100用以量測光源600發射的光束610。光學量測裝置100包含收光元件110、至少四感光元件122、124、126、128、分光裝置130與至少一透鏡140。收光元件110用以接收光束610。感光元件122、124、126、128分別用以感測光束610的光場。各感光元件122、124、126、128至光源600之間的光路距離L1、L2、L3、L4皆不同。分光裝置130用以將通過收光元件110的光束610分束並分別導引至感光元件122、124、126、128。透鏡140置於至少一之感光元件122、124、126、128與收光元件110之間。舉例而言，在第1圖中，透鏡140置於收光元件110與分光裝置130之間。透鏡140用以將通過收光元件110的光束610成像於至少一之感光元件122、124、126、128上。舉例而言，在第1圖中，透鏡140將通過收光元件110的光束610分別成像於感光元件122、124、126與128上。光學量測裝置100依據感光元件122、124、126、128的量測值計算光束610的光腰W與/或其他光學參數。另外，雖然在第1圖中的光學量測裝置100包含四個感光元件122、124、126、128，但在其他的實施方式中，可依照實際需求，增設其他的感光元件，本揭露不以此為限。

簡言之，本實施方式的光學量測裝置100利用至少四個感光元件122、124、126、128同時得到光束610於不同距離的光場。藉由感光元件122、124、126、128 所測得的光場，可計算出光束610的光腰的直徑和位置與光束610的其他光學參數(例如光束610的發散角、數值孔徑(Numerical Aperture)、光束品質因子(beam quality factor,M² factor)與/或其他參數)，藉此以增加光學參數測量的準確度，另外亦可降低測量時間。具體而言，藉由量測光束610的光場於空間上變化(由感光元件122、124、126、128所測得)可推算出光束610的光學參數。然而，若是僅以單一感光元件分時於不同距離量測光束610的光場，不但耗時，光場亦可能會隨時間變化，且移動感光元件可能會引起光束610的震動，這些因素將造成量測結果的不準確性。然而在本實施方式中，因以至少四個感光元件122、124、126、128於同一時間量測不同距離的光場，可排除時間與震動所引起的量測誤差，因此可兼具省時與提高準確度的目的。

在本實施方式中，分光裝置130包含第一分光元件132、第二分光元件134與第三分光元件136。另外，為了方便起見，在下文將四個感光元件命名為第一感光元件122、第二感光元件124、第三感光元件126與第四感光元件128。第一分光元件132用以將通過收光元件110的光束610分束為第一子光束611與第二子光束615。第二分光元件134用以將第一子光束611分束為第三子光束612與第四子光束614，並分別將第三子光束612與第四子光束614導引至第一感光元件122與第二感光元件124。第三分光元件136用以將第二子光束615分束為第五子光束616與第六子光束618，並分別將第五子光束616與第六子光束618導引至第三感光元件126與第四感光元件128。其中，第一子光束611、第二子光束615、第三子光束612、第四子光束614、第五子光束616與第六子光束618具有實質相同的光學性質。舉例而言，第一子光束611、第二子光束615、第三子光束612、第四子光束614、第五子光束616與第六子光束618具有相同的波長範圍、相同的光場分佈等等，不過第一子光束611、第二子光束615、第三子光束612、第四子光束614、第五子光束616與第六子光束618可具有相同或不同的光強度，而光強度的多寡則由分光裝置130所決定。應瞭解到，「實質」係用以修飾任何可些微變化的關係，但這種些微變化並不會改變其本質。

在本實施方式中，第二分光元件134與第三分光元件136分別位於第一分光元件132的不同側，具體而言為第一分光元件132的相鄰兩側。例如，在第1圖中，第二分光元件134與第一分光元件132的連線以及第三分光元件136與第一分光元件132的連線呈直角。另外，在本實施方式中，透鏡140設置於第一分光元件132與收光元件110之間，亦即光束610先通過透鏡140再通過分光裝置130。

接著請參照第2圖。光束610在通過收光元件110與透鏡140後即確定了光束610沿著行進方向的光場。詳細而言，光束610通過收光元件110後，先收斂再發散，而光束截面積最小處稱為光束610在成像端的光腰W。為了方便解釋，在不考慮收光元件110的放大倍率隨成像距離變化下，從在成像端的光腰W到光束面積為成像端的光腰W的面積的兩倍處稱為成像端的瑞利長度(Rayleigh length)LR，其中成像端的瑞利長度LR亦可稱為成像端的瑞利距離(Rayleigh distance)或者成像端的瑞利範圍(Rayleigh range)。在本實施方式中，第一感光元件122、第二感光元件124、第三感光元件126皆置於在成像端的瑞利長度LR的長度範圍內，因此由第一感光元件122、第二感光元件124、第三感光元件126所測得的光場可推算出光束610在成像端的光腰W。另外，第四感光元件128置於在成像端的瑞利長度LR的長度範圍外，因此第四感光元件128所測得的光場加上由第一感光元件122、第二感光元件124、第三感光元件126所測得的光場可更進一步取得光束610的發散角、數值孔徑、光束品質因子與/或光束610的其他光學參數。

請參照第1圖。在本實施方式中，光源600可為雷射，因此光學量測裝置100可用以量測雷射的光腰與其他光學參數。在一些實施方式中，收光元件110可為鏡頭與/或準直元件。準直元件為將光束610準直為平行光。基本上，只要收光元件110可收集或收斂光束610，即在本揭露的範圍中。在一些實施方式中，分光裝置130的分光元件(在本實施方式中為第一分光元件132、第二分光元件134與第三分光元件136)可為立方分束元件(cube beam splitter)、分光鏡、半穿半反鏡或其他合適的分光元件，而第一分光元件132、第二分光元件134與第三分光元件136 可為相同或不同種類的分光元件。再者，第一分光元件132、第二分光元件134與第三分光元件136可互相分開(如第1圖所示)，亦可互相接觸，或者二分光元件分開，二分光元件互相接觸，本揭露不以此為限。另外，感光元件122、124、126、128可為感光耦合元件(charge-coupled device,CCD)。

第3圖為本揭露另一實施方式之光學量測裝置100與光源600的示意圖，第4圖為第3圖的光學量測裝置100與光源600的等效光路圖。第3圖與第1圖的不同處在於透鏡的數量與位置。在第3圖中，透鏡的數量為複數個，分別為透鏡142、144、146與148。透鏡142、144、146與148分別置於分光裝置130與感光元件122、124、126與128之間，亦即光束610先通過分光裝置130再通過透鏡142、144、146與148。具體而言，透鏡142置於第二分光元件134與第一感光元件122之間，透鏡144置於第二分光元件134與第二感光元件124之間，透鏡146置於第三分光元件136與第三感光元件126之間，且透鏡148置於第三分光元件136與第四感光元件128之間。透鏡142將光束612成像於第一感光元件122上，透鏡144將光束614成像於第二感光元件124上，透鏡146將光束616成像於第三感光元件126上，且透鏡148將光束618成像於第四感光元件128上。

在本實施方式中，各個透鏡142、144、146與148與收光元件110之間的光路距離皆相同。亦即在第4圖的等效光路圖中，透鏡142、144、146與148皆置於同一位置，因此通過透鏡142、144、146與148的光束612、614、616與618具有實質相同的光場空間分佈。另外，透鏡142與第一感光元件122之間、透鏡144與第二感光元件124之間、透鏡146與第三感光元件126之間以及透鏡148與第四感光元件128之間的距離皆不同。至於本實施方式的其他細節因與第1圖及第2圖的實施方式相同，因此便不再贅述。

第5圖為本揭露又一實施方式之光學量測裝置100與光源600的示意圖。第5圖與第1圖的不同處在於分光裝置130的第一分光元件132、第二分光元件134與第三分光元件136的位置。在第5圖中，第一分光元件132、第二分光元件134與第三分光元件136沿一直線排列。第一分光元件132用以將通過收光元件110的光束610分束為第一子光束611與第二子光束613，並將第一子光束611導引至第一感光元件122。第二分光元件134用以將第二子光束613分束為第三子光束612與第四子光束615’，並將第三子光束612導引至第二感光元件124。第三分光元件136用以將第四子光束615’分束為第五子光束616與第六子光束618，並分別將第五子光束616與第六子光束618導引至第三感光元件126與第四感光元件128。其中，第5圖的光學量測裝置100與光源600的等效光路圖以第2圖所示。另外，在一些實施方式中，第5圖的透鏡140亦可以具有複數個，分別置於分光裝置130與各感光元件122、124、126與128之間。至於本實施方式的其他細節因與第1圖及第2圖的實施方式相同，因此便不再贅述。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種光學量測裝置，用以量測一光源發射的一光束，包含：一收光元件，用以接收該光束；至少四感光元件，分別用以感測該光束的不同的光路距離的光場，其中該四感光元件至該光源之間的所述光路距離皆不同；一分光裝置，用以將通過該收光元件的該光束分束並分別導引至該些感光元件；以及至少一透鏡，置於該收光元件與至少一之所述感光元件之間，所述至少一透鏡用以將通過該收光元件的該光束成像於所述至少四感光元件上；其中，該光學量測裝置依據該四感光元件的量測值計算該光束的光學特性參數。
如請求項1所述之量測裝置，其中該些感光元件包含一第一感光元件、一第二感光元件、一第三感光元件與一第四感光元件，且該分光裝置包含：一第一分光元件，用以將通過該收光元件的該光束分束為一第一子光束與一第二子光束；一第二分光元件，用以將該第一子光束分束為一第三子光束與一第四子光束，並分別將該第三子光束與該第四子光束導引至該第一感光元件與該第二感光元件；以及一第三分光元件，用以將該第二子光束分束為一第五子光束與一第六子光束，並分別將該第五子光束與該第六子光束導引至該第三感光元件與該第四感光元件。
如請求項2所述之量測裝置，其中該第二分光元件與該第三分光元件分別位於該第一分光元件的不同側。
如請求項1所述之量測裝置，其中該些感光元件包含一第一感光元件、一第二感光元件、一第三感光元件與一第四感光元件，且該分光裝置包含：一第一分光元件，用以將通過該收光元件的該光束分束為一第一子光束與一第二子光束，並將該第一子光束導引至該第一感光元件；一第二分光元件，用以將該第二子光束分束為一第三子光束與一第四子光束，並將該第三子光束導引至該第二感光元件；以及一第三分光元件，用以將該第四子光束分束為一第五子光束與一第六子光束，並分別將該第五子光束與該第六子光束導引至該第三感光元件與該第四感光元件。
如請求項4所述之量測裝置，其中該第一分光元件、該第二分光元件與該第三分光元件沿一直線排列。
如請求項1所述之量測裝置，其中所述透鏡置於該分光裝置與該收光元件之間。
如請求項1所述之量測裝置，其中所述透鏡的數量為複數個，且該些透鏡分別置於該分光裝置與該些感光元件之間。
如請求項7所述之量測裝置，其中該些透鏡與該收光元件之間的光路距離皆相同。
如請求項1所述之量測裝置，其中三之該些感光元件置於該光源的該光束通過該收光元件與所述透鏡後的成像端的瑞利長度的長度範圍內。
如請求項9所述之量測裝置，其中一之該些感光元件置於該光源的該光束通過該收光元件與所述透鏡後的成像端的瑞利長度的長度範圍外。