TWI770951B - 平行光學掃描檢測裝置 - Google Patents

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張峰瑜
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Abstract

本發明係一種平行光學掃描檢測裝置，包括光源單元、干涉單元、分光單元、光程調整單元、複數個掃瞄單元及接收單元，光源單元提供初始光源到干涉單元，干涉單元將初始光源分成參考光源及樣品光源，分光單元係將樣品光源分成多個樣品光源，光程調整單元將多個樣品光源調整成不同光程的掃瞄光源，各掃瞄單元分別接收其中一個掃瞄光源，並以各掃瞄光源對樣品進行掃瞄，而使得各掃瞄單元分別接收從樣品不同位置反射或散射的檢測光源，接收單元接收參考光源及各檢測光源，並將參考光源及各檢測光源分別進行光同調效應，使得接收單元產生不同的光程差的同調效應的光學資訊，各光學資訊透過電腦處理與分析同步得到樣品不同位置的光學同調斷層掃瞄影像。

Description

平行光學掃描檢測裝置
本發明係有關於檢測裝置，尤指一種同時以多個不同光程的通道對樣品進行光學檢測，並產生不同的光程差的同調效應的光學資訊，進而可以提供給電腦處理與分析而得到樣品的光學同調斷層掃瞄影像之平行光學掃描檢測裝置。
由維基百科可知，「干涉儀(英語：Interferometry)是通過由波的疊加(通常為電磁波)引起的干涉現象來獲取資訊的技術。這項技術對於天文學、光纖、工程計量、光學計量、海洋學、地震學、光譜學及其在化學中的應用、量子力學、核物理學、粒子物理學、電漿物理學、遙感、生物分子間的交互作用、表面輪廓分析、微流控、應力與應變的測量、測速以及驗光等領域的研究都非常重要。」
再以邁克生干涉儀(英語：Michelson interferometer)而言，光源以45°角入射至一面分光鏡後，分為兩道互相垂直的光束，分別射至兩面全反射鏡，並將透射光與反射光反射回分光鏡，再一次經過分光鏡將透射光與反射光疊合於屏幕，以產生干涉的光束條紋。又以馬赫-詹德干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)而言，可以用來觀測從單獨光源發射的光束***成兩道準直光束之後，經過不同路徑與介質所產生的相對相移變化，通過調整的動作，可使不同路徑但相同光程的深度訊號產生干涉，可用於檢測物體不同深度的資訊。
惟，傳統的干涉儀都是只有一個掃瞄鏡頭面對檢測樣品，使得檢驗的速度受到限制，導致檢測效率不高，因此亟需改善此一問題。
有鑑於先前技術的問題，本發明之目的係提供可以在沒有改變干涉儀的太多結構組成的前提下，可以同時對同一樣品的不同位置進行掃瞄，並產生不同的光程差的同調效應的光學資訊，使得透過電腦處理與分析各光學資訊，而同步取得樣品不同位置的光學同調斷層掃瞄影像。
根據本發明之目的，提供一種平行光學掃描檢測裝置，包括光源單元、干涉單元、分光單元、光程調整單元、複數個掃瞄單元及接收單元，光源單元提供初始光源到干涉單元，干涉單元將初始光源分成參考光源及樣品光源，分光單元係將樣品光源分成多個樣品光源，光程調整單元將多個樣品光源調整成不同光程的掃瞄光源，各掃瞄單元分別接收其中一個掃瞄光源，並以各掃瞄光源對樣品不同區域進行掃瞄，而使得各掃瞄單元分別接收從樣品不同位置反射的檢測光源，接收單元接收參考光源及各檢測光源，並將參考光源及各檢測光源分別進行光同調效應，使得接收單元產生不同的光程差的同調效應的光學資訊，各光學資訊透過電腦處理與分析同步得到樣品不同位置的光學同調斷層掃瞄影像。
其中，光源單元包括掃頻式雷射光源產生器(swept source laser)、光放大器及光隔離器((Isolator))，掃頻式雷射光源產生器與光放大器係以光纖連 接，而光隔離器係設在掃頻式雷射光源產生器與光放大器之間的光纖，光放大器將雷射光源放大至適合光學同調斷層掃瞄的光強度的初始光源，而光隔離器(Isolator)防止初始光源回打而對掃頻式雷射光源產生器造成損害。
其中，干涉單元包括第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、第一光纖循環器、第二光纖循環器、第一光纖極化控制器、第二光纖極化控制器、參考光源產生部，第一光纖耦合器的一端連接光放大器，而第一光纖耦合器的另端連接第一光纖循環器及第二光纖循環器的第一端，第一光纖循環器的第二端連接第一光纖極化控制器的一端，第一光纖極化控制器的另端連接參考光源產生部，第二光纖循環器的第二端連接第二光纖極化控制器的一端，第二光纖極化控制器的另端連接到分光單元，第一光纖循環器的第三端及第二光纖循環器的第三端連接第二光纖耦合器的一端，第二光纖耦合器的另端連接到接收單元。如此，初始光源經由第一光纖耦合器、第一光纖循環器的第一端、第一光纖循環器的第二端、第一光纖極化控制器進入到參考光源產生部，而產生參考光源，參考光源再依序經過第一光纖極化控制器、第一光纖循環器的第二端、第三端、第二光纖耦合器的進入到接收單元。初始光源經由第一光纖耦合器、第二光纖循環器的第一端、第二端及第二光纖極化控制器而作為樣品光源，進入到分光單元。
其中，分光單元係包括複數第三光纖耦合器，各第三光纖耦合器之間係以樹狀分歧方式連接在一起，其中的第一層的第三光纖耦合器的一端連接到干涉單元，而最末一層的第三光纖耦合器的另端端連接到光程調整單元。
其中，各掃瞄單元係包括掃瞄光束準直器、掃瞄反射鏡、光學掃描鏡元件及掃瞄鏡頭，各掃瞄光束準直器分別接收其中一個掃瞄光源，再將掃瞄光源經過掃瞄反射鏡進入到光學掃描鏡元件，使得光學掃描鏡元件控制掃瞄光 源對樣品進行一維或多維度的掃瞄，再將樣品反射的一維或多維的檢測光源依序由掃瞄鏡頭、光學掃描鏡元件、掃瞄反射鏡、掃瞄光束準直器、光程調整單元、分光單元、干涉單元及接收單元，使得接收單元可以接收到各檢測光源。
其中，光程調整單元係由複數不同光程的光纖跳線，而掃瞄光束準直器的位置可調整並配合不同光程的光纖跳線以改變光程，而令樣品光源經過不同的光程，而形成各掃瞄光源。或者，光程調整單元包括複數各調整部，各調整部係由第一漸變折射率光束準直器與第二漸變折射率光束準直器組成，第一漸變折射率光束準直器的一端連接分光單元，第二漸變折射率光束準直器的另端連接到掃瞄單元，第一漸變折射率光束準直器的另端與第二漸變折射率光束準直器的一端活動的連接，藉由調整第一漸變折射率光束準直器的另端與第二漸變折射率光束準直器的一端之間的位置，令樣品光源經過不同的光程，而形成各掃瞄光源。
其中，參考光源產生部包括參考光束準直器、參考鏡頭、參考反射鏡，參考光束準直器的一端連接第一光纖極化控制器的另端，參考光束準直器的另端面對參考鏡頭，參考鏡頭再面對參考反光鏡，使得光源進入第二光速準直器，而可進入到參考鏡頭，再被參考反射鏡反射形成參考光源。
其中，參考反射鏡則設於第一移動單元，透過調整第一移動單元帶動參考反射鏡，用以改變光源於自由空間中的行程，意即調整參考光源與各掃瞄光源之光程差，進而調整各掃瞄光束對樣品的最佳成像深度範圍。
其中，各掃瞄單元設置於第二移動單元，調整第二移動單元帶動各掃瞄單元移動到不同的水平或垂直位置，藉以調整各掃瞄單元的焦距。
綜上所述，本發明藉由分光單元、光程調整單元及各掃瞄單元，而可產生不同光程的掃瞄光源，並可以回收各檢測光源，且由參考光源分別與各檢測光源分別進行光同調效應，使得接收單元產生不同的光程差的同調效應的光學資訊，各光學資訊透過電腦處理與分析同步得到樣品不同位置的光學同調斷層掃瞄影像。如此以多通道平行同步檢測樣品的方式，將可大幅提高檢測效率。
1:光源單元
10:掃頻式雷射光源產生器
12:光放大器
14:光隔離器
2:干涉單元
20:第一光纖耦合器
21:第二光纖耦合器
22:第一光纖循環器
23:第二光纖循環器
24:第一光纖極化控制器
25:第二光纖極化控制器
26:參考光源產生部
260:參考光束準直器
262:參考鏡頭
264:參考反射鏡
3:分光單元
30:第三光纖耦合器
4:光程調整單元
40:光纖跳線
42:調整部
420:第一漸變折射率光束準直器
422:第二漸變折射率光束準直器
5:掃瞄單元
50:掃瞄光束準直器
52:掃瞄反射鏡
54:光學掃描鏡元件
56:掃瞄鏡頭
6:接收單元
7:第一移動單元
8:第二移動單元
9:樣品
圖1係本發明之一實施例的示意圖。
圖2係本發明之另一實施例的示意圖。
圖3係傳統干涉儀的單一位置的光學同調斷層掃瞄影像。
圖4係本發明之平行掃描不同位置的同步光學同調斷層掃瞄影像。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本創作進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本創作，但並不用於限定本創作。
請參閱圖1及2所示，本發明係一種平行光學掃描檢測裝置，包括光源單元1、干涉單元2、分光單元3、光程調整單元4、複數個掃瞄單元5及接收單元6，干涉單元2接收光源單元1提供初始光源，並將初始光源分成參考光源及樣品光源，分光單元3係將樣品光源分成多個樣品光源，光程調整單元4將多個樣 品光源調整程不同光程的掃瞄光源，各掃瞄單元5分別接收其中一個掃瞄光源，並以各掃瞄光源對樣品9進行掃瞄，而使得各掃瞄單元5分別接收從樣品9不同位置反射的檢測光源，接收單元6接收參考光源及各檢測光源，並將參考光源分別與各檢測光源分別進行光同調效應，使得接收單元6產生不同的光程差的同調效應的光學資訊，各光學資訊透過電腦處理與分析同步得到樣品9不同位置的光學同調斷層掃瞄影像，其中樣品9係可為晶圓、薄膜、導電玻璃、太陽能板、雷射二極體、發光二極體、材料、半導體元件等，但本發明在實際實施時，並不限於此，舉凡需要檢測表面狀態的物品，皆屬於本發明所稱之樣品9。
在本發明中，請參閱圖1所示，光源單元1包括掃頻式雷射光源產生器10(swept source laser)、光放大器12及光隔離器14(Isolator)，掃頻式雷射光源產生器10與光放大器12係以光纖連接，而光隔離器14係設在掃頻式雷射光源產生器10與光放大器12之間的光纖，光放大器12將雷射光源放大至適合光學同調斷層掃瞄的光強度的初始光源，光隔離器14(Isolator)防止初始光源回打對掃頻式雷射光源產生器10造成損害，但本發明並不限於此，舉凡可以低相干光干涉的光源皆屬於本發明所稱之初始光源。
在本發明中，干涉單元2包括第一光纖耦合器20、第二光纖耦合器21、第一光纖循環器22、第二光纖循環器23、第一光纖極化控制器24、第二光纖極化控制器25、參考光源產生部26。第一光纖耦合器20的一端連接光源單元1(光放大器12的另端)，第一光纖耦合器20的另端連接第一光纖循環器22，第一光纖循環器22的第二端連接第一光纖極化控制器24的一端，第一光纖極化控制器24的另端連接參考光源產生部26，第一光纖循環器22的第三端連接第二光纖耦合器21的一端，第二光纖耦合器21的另端連接到接收單元6。如此，初始光源經由 第一光纖耦合器20、第一光纖循環器22的第一端、第一光纖循環器22的第二端、第一光纖極化控制器24進入到參考光源產生部26，即產生參考光源。參考光源再依序經過第一光纖極化控制器24、第一光纖循環器2223的第二端、第三端、第二光纖耦合器21進入到接收單元6。
再者，第二光纖循環器23的第一端亦連接第一光纖耦合器20的一端，第二光纖循環器23的第二端連接第二光纖極化控制器25的一端，第二光纖極化控制器25的另端連接到分光單元3，第二光纖循環器23的第三端連接第二光纖耦合器21的一端，如此，初始光源經由第一光纖耦合器20、第二光纖循環器23的第一端、第二端及第二光纖極化控制器25而作為樣品光源，而經由分光單元3回收的檢測光源則依序由第二光纖極化控制器25、第二光纖循環器23第二端、第三端及第二光纖耦合器21進入到接收單元6。
在本發明中，參考光源產生部26包括參考光束準直器260、參考鏡頭262、參考反射鏡264，參考光束準直器260的一端連接第一光纖極化控制器24的另端，參考光束準直器260的另端面對參考鏡頭262，參考鏡頭262再面對參考反光鏡，使得光源進入參考光束準直器260，而可進入到參考鏡頭262，再被參考反射鏡264反射形成參考光源。
在本發明中，參考反射鏡264則設於第一移動單元7，透過調整第一移動單元7帶動參考反射鏡264，用以改變初始光源於自由空間中的行程，進一步可為調整參考光源與各掃瞄光源之光程差，進而調整各掃瞄光束對樣品9的最佳成像深度範圍。又，各掃瞄單元5設置於第二移動單元8，調整第二移動單元8帶動各掃瞄單元5移動到不同的水平或垂直位置，藉以調整各掃瞄單元5的焦距， 本發明之圖1及圖2在編號8旁繪製上下箭頭符號，表示第二移動單元8可以被自由調整位置，並非限定只能移動上下位置而已。
在本發明中，分光單元3係包括複數第三光纖耦合器30，各第三光纖耦合器30之間係以一對二的樹狀分歧方式連接在一起，其中的第一層的第三光纖耦合器30的一端連接到干涉單元2(干涉單元2的第二光纖極化控制器25的另端)，而最末一層的第三光纖耦合器30的另端連接到光程調整單元4，光程調整單元4連接掃描單元5。
在本發明中，各掃瞄單元5係包括掃瞄光束準直器50、掃瞄反射鏡52、光學掃描鏡元件54及掃瞄鏡頭56，各掃瞄光束準直器50分別接收其中一個掃瞄光源，再將掃瞄光源經過掃瞄反射鏡52進入到光學掃描鏡元件54，使得光學掃描鏡元件54控制掃瞄光源對樣品9進行一維或多維度的掃瞄，再將樣品9反射的一維或多維的檢測光源依序由掃瞄鏡頭56、光源光學掃描鏡元件54、掃瞄反射鏡52、掃瞄光束準直器50、光程調整單元4、分光單元3、干涉單元2及接收單元6，使得接收單元6可以接收到各檢測光源。其中光學掃描鏡元件54透過外加電壓控制XY兩軸的轉動角度與速度，藉此可以改變掃瞄光源經光學掃描鏡元件54反射後的角度，以進行一維或多維度的掃瞄。
在本發明之一實施例中，復請參閱圖1所示，光程調整單元4係由複數不同光程的光纖跳線40，而掃瞄光束準直器50的位置配合不同光程的光纖跳線40，而令樣品光源經過不同的光程，而形成各掃瞄光源，進一步而言，光纖跳線40係將光纖長度以粗略地改變光程，再進一步調整掃瞄光束準直器50的位置以精準地調校成所需的光程，圖1在編號50旁繪製上下箭頭符號，表示掃瞄光束準直器50可以被自由調整位置，並非限定只能移動上下位置而已。
在本發明之另一實施例中，請參閱圖2所示，光程調整單元4包括複數各調整部42，各調整部42係由第一漸變折射率光束準直器420與第二漸變折射率光束準直器422組成，第一漸變折射率光束準直器420的一端連接分光單元3，第二漸變折射率光束準直器422的另端連接到掃瞄單元5，第一漸變折射率光束準直器420的另端與第二漸變折射率光束準直器422的一端活動的連接，藉由調整第一漸變折射率光束準直器420的另端與第二漸變折射率光束準直器422的一端之間的位置，令樣品光源經過不同的光程，而形成各掃瞄光源。
綜上所述，傳統的干涉儀只能以一個同調效應的光學資訊，並將光學資訊透過電腦處理與分析同步得到樣品9的單一位置之光學同調斷層掃瞄影像(如圖3所示)，反觀本發明之分光單元3將樣品光源分成多個樣品光源，再透過光程調整單元4與掃瞄單元5以不同的光程分別調整各樣品光源，而產生不同光程的各掃瞄光源，各掃瞄單元5分別以其中一個掃瞄光源對樣品9的不同部位進行檢測，並可以回收樣品9所反射的各檢測光源到接收單元6，讓接收單元6接收到參考光源與各檢測光源，並且分別進行光同調效應，使得接收單元6產生不同的光程差的同調效應的光學資訊，各光學資訊透過電腦處理與分析同步得到樣品9不同位置的光學同調斷層掃瞄影像(如圖4所示)。如此以多通道平行同步檢測樣品9的方式，將可大幅提高檢測效率。
上列詳細說明係針對本發明的可行實施例之具體說明，惟前述的實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1:光源單元
10:掃頻式雷射光源產生器
12:光放大器
14:光隔離器
2:干涉單元
20:第一光纖耦合器
21:第二光纖耦合器
22:第一光纖循環器
23:第二光纖循環器
24:第一光纖極化控制器
25:第二光纖極化控制器
26:參考光源產生部
260:參考光束準直器
262:參考鏡頭
264:參考反射鏡
3:分光單元
30:第三光纖耦合器
4:光程調整單元
40:光纖跳線
5:掃瞄單元
50:掃瞄光束準直器
52:掃瞄反射鏡
54:光學掃描鏡元件
56:掃瞄鏡頭
6:接收單元
7:第一移動單元
8:第二移動單元
9:樣品

Claims (11)

  1. 一種平行光學掃描檢測裝置，包括： 一光源單元，係提供一初始光源； 一干涉單元，係連接光源單元，並接收該初始光源，且該干涉單元將該初始光源分成一參考光源及一樣品光源； 一分光單元，係連接該干涉單元，並將該樣品光源分成多個該樣品光源； 一光程調整單元，係連接該分光單元，將各樣品光源調整程不同光程的一掃瞄光源； 複數個掃瞄單元，各該掃瞄單元連接該光程調整單元，並分別接收其中一個該掃瞄光源，且以各該掃瞄光源對一樣品的不同位置進行掃瞄，再分別接收從該樣品的不同位置反射的一檢測光源，該檢測光源再依序由該光程調整單元、該分光單元進入到該干涉單元，以及 一接收單元，係連接該干涉單元，接收該參考光源及各該檢測光源，並將該參考光源及各該檢測光源分別進行光同調效應，使得該接收單元產生不同的光程差的同調效應的光學資訊。
  2. 如請求項1所述的平行光學掃描檢測裝置，其中該光源單元包括： 一掃頻式雷射光源，係提供一雷射光源；以及 一光放大器，係連接該掃頻式雷射光源，該光放大器將該雷射光源放大至適合光學同調斷層掃瞄的光強度的該初始光源。
  3. 如請求項2所述的平行光學掃描檢測裝置，其中該光源單元尚包括一光隔離器，該光隔離器係設在該掃頻式雷射光源產生器與該光放大器之間。
  4. 如請求項1所述的平行光學掃描檢測裝置，其中該干涉單元包括： 一第一光纖耦合器，第一光纖耦合器的一端連接該光源單元； 一第一光纖循環器，該第一光纖循環器的第一端連接該第一光纖耦合器的另端； 一第一光纖極化控制器，第一光纖極化控制器的一端連接該第一光纖循環器的第二端； 一參考光源產生部，係連接第一光纖極化控制器的另端； 一第二光纖循環器，該第二光纖循環器的第一端亦連接該第一光纖耦合器的另端； 一第二光纖極化控制器，第二光纖極化控制器的一端連接該第二光纖循環器的第二端，第二光纖極化控制器的另端連接到分光單元；以及 一第二光纖耦合器，第二光纖耦合器的一端連接第一光纖循環器的第三端及第二光纖循環器的第三端，第二光纖耦合器的另端連接到接收單元； 其中，該初始光源經由該第一光纖耦合器、該第一光纖循環器的第一端、該第一光纖循環器的第二端、該第一光纖極化控制器進入到該參考光源產生部，而產生該參考光源，該參考光源再依序經過該第一光纖極化控制器、該第一光纖循環器的第二端、第三端、該第二光纖耦合器進入到該接收單元； 又，該初始光源經由該第一光纖耦合器、該第二光纖循環器的第一端、第二端及該第二光纖極化控制器而作為該樣品光源。
  5. 如請求項4所述的平行光學掃描檢測裝置，其中該參考光源產生部包括： 一參考光束準直器，該參考光束準直器的一端連接該第一光纖極化控制器的另端； 一參考鏡頭，參考鏡頭的一端面對該參考光束準直器的另端；及 一參考反射鏡，該參考反射鏡係面對該參考鏡頭的另端； 其中，該初始光源進入該第二光速準直器及參考鏡頭到達該參考反射鏡，再被該參考反射鏡反射形成該參考光源。
  6. 如請求項4所述的平行光學掃描檢測裝置，其中該參考反射鏡則設於一第一移動單元，透過調整該第一移動單元帶動該參考反射鏡，改變該初始光源於自由空間中的行程。
  7. 如請求項1所述的平行光學掃描檢測裝置，其中該分光單元係包括複數第三光纖耦合器，各該第三光纖耦合器之間係以一對二的樹狀分歧連接在一起，其中的第一層的該第三光纖耦合器的一端連接到該干涉單元，而最末一層的該第三光纖耦合器的另端連接到該光程調整單元。
  8. 如請求項1所述的平行光學掃描檢測裝置，其中各該掃瞄單元係分別包括： 一掃瞄光束準直器，該掃瞄光束準直器接收其中一個該掃瞄光源； 一掃瞄反射鏡，係接收該掃瞄光束準直器所傳來的該掃瞄光源； 一光學掃描鏡元件，係接收該掃瞄反射鏡所傳來的該掃瞄光源；以及 一掃瞄鏡頭，係接收該光學掃描鏡元件所傳來的該掃瞄光源； 其中，各該光學掃描鏡元件控制各該掃瞄光源對該樣品進行一維或多維度的掃瞄，再將該樣品反射的一維或多維的該檢測光源依序由該掃瞄鏡頭、該光源光學掃描鏡元件、該掃瞄反射鏡、該掃瞄光束準直器、該光程調整單元、該分光單元、該干涉單元及該接收單元傳送及接收。
  9. 如請求項6所述的平行光學掃描檢測裝置，其中該光程調整單元係由複數不同光程的一光纖跳線與自由調整位置之光束準直器，而該掃瞄光束準直器的位置配合不同光程的該光纖跳線，而令各該樣品光源經過不同的光程，而形成各該掃瞄光源。
  10. 如請求項1所述的平行光學掃描檢測裝置，其中該光程調整單元包括複數各調整部，各該調整部包括： 一第一漸變折射率光束準直器，該第一漸變折射率光束準直器的一端連接該分光單元；以及 一第二漸變折射率光束準直器，該第二漸變折射率光束準直器的一端與該第一漸變折射率光束準直器的另端之間係以可相互位移，提供調整該第一漸變折射率光束準直器的另端與該第二漸變折射率光束準直器的一端之間的位置，該第二漸變折射率光束準直器的另端連接到該掃瞄單元，令各該樣品光源經過不同的光程，而形成各該掃瞄光源。
  11. 如請求項1所述的平行光學掃描檢測裝置，其中各該掃瞄單元設置於一第二移動單元，調整該第二移動單元帶動各該掃瞄單元移動到不同的水平或垂直位置，藉以調整各該掃瞄單元的焦距。
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