同步测量绝对寻址距离与偏摆角度的光学系统与方法与流程

本发明涉及一种光学系统与方法，特别是指一种可以同时测量绝对寻址距离与偏摆角度的光学系统与测量方法。

背景技术：

随着市场上的需求、光学元件和电子元件的蓬勃发展，建立具有纳米层级分辨率的系统已非难事。目前市场上常看见的测量仪包括白光干涉仪、菲佐干涉仪和麦克森干涉仪，并搭配相移术及相位分析等技术，便可让分辨率达到次微米或者纳米绝对距离测量的层级。

在这些精密测量的系统中，如果环境或机台自身的机构工作而产生的振动、机台基准位置的校正或待测物放置位置的校正等条件没有良好的调整与控制状态，可能使测量的结果产生很大的误差。而这些会影响测量结果的原因之中，机台位置与待测物放置的校正是一个重要要素。

因此，在现有技术中，例如中国台湾专利公告第i452262号专利，其公开了一种同时测量位移及倾角的干涉仪系统，其包含一光源组、一干涉仪组、一视准仪及一信号处理模块，该光源组设有一发射出非偏振光束的发射器，该干涉仪组设有一偏振分光镜、一角隅棱镜、两个一维位置灵敏传感器、一反射镜板、两个波长延迟片及一偏振片，该视准仪接收该干涉仪组所产生的测量光束为光源且设有一镀膜片、一二维位置灵敏传感器及一聚焦透镜，该信号处理模块接收两个一维位置灵敏传感器的信号以及二维位置灵敏传感器的信号，并分别以一信号处理器进行信号处理，可得到角隅棱镜的位移以及倾角。

此外，如shyh-tsonglin等人公开的相移与角度扫描式savart剪切干涉仪论文(angularscanningwhitelightshearinginterferometer,15thinternationalconferenceonexperimentalmechanics,22-27/july,2012)公开了一种测量对象斜率轮廓的技术。在该技术中，如图1所示，利用设置转台10上的savart棱镜11当做一个剪切机制，利用两剪切波前所形成的光程差，同时运用由待测物12与savart棱镜11的夹角所产生相移。在本技术中，通过旋转savart棱镜11角度δα，检偏板13穿透轴在x轴方向。光线沿着z轴穿过起偏板14与分光镜15后，光线会变成线性偏极光，通过savart棱镜11将光剪移为两道光eo与oe，且剪切距离为s。当光由待测物12反射回来之后，再次经过savart棱镜11将两道光合并，通过分光镜15导引至检偏板13，进而产生干涉而被光传感器16感测。

现有技术中也有利用马达上的光学尺或陶瓷压电元件的内部传感器来进行测量，但其精度及功能皆无法由用户进行弹性修改。此外，现有技术的方式也无法实时得知待测物的倾斜角，需经过扫描及大量运算后才能得知，进而影响测量的效率。

技术实现要素：

本发明提供一种光学系统，其利用双折射元件的特性形成两道相互正交的光路，并在两道光路离开系统时，部分反射形成参考光以及部分穿透形成测物光。当测物光由待测物反射回到系统时，由于测物光与参考光之间的光程差而产生干涉，通过该干涉信息可以同时快速测量出对象上的两位置的绝对距离、表面形貌与偏斜姿态，例如：翻滚(roll)、俯仰(pitch)与偏摆(yaw)。此外，根据距离与倾斜的信息，可以用来调整对象于空间中的姿态并减少因倾斜而造成的误差。由于绝对距离及倾斜度测量具有定位及阿贝误差校正的优点，因此本发明提供的光学系统可应用于各式工具机的校正，并使工具机的精度提升。

本发明提供一种光学干涉系统，通过内有聚焦透镜以及savart棱镜的光学系统，使得光束形成两道偏极性相互正交的平行光，最后经过特殊镀膜的分光镜同时产生反射及穿透现象。经穿透现象的光打到待测物后再反射回测量系统，如此便会使在测量系统出口反射回去的光与待测物反射回去的光进行干涉。之后，以此信号侦测每个单一波长的光强度，并反推出每一波长的相位值，便可利用这两个信息重建出等效波长的相位值，以得到等效波长的光程差，并以此作为光学系统与待测物之间的绝对距离。通过本发明的系统可以形成多点测量，进而测得对象的倾斜状态。

在一实施例中，本发明提供一种光学系统，包括一聚焦透镜、一双折射分光元件以及一分光元件。该聚焦透镜用以聚焦一光束。该双折射分光元件用以将聚焦的光束分光，以形成偏极态相互正交的第一偏极光以及第二偏极光。该分光元件用以将该第一偏极光与第二偏极光分光，使部分第一偏极光与第二偏极光由该分光元件反射形成一第一参考光以及一第二参考光，以及部分第一偏极光与第二偏极光穿透该分光元件投射至一对象上，从而反射形成一第一物光以及一第二物光，该第一物光与该第二物光进入该分光元件，从而分别与该第一参考光以及该第二参考光干涉形成一第一干涉光以及一第二干涉光，该第一干涉光与第二干涉光通过该双折射分光元件合光，形成不相互干涉的一合光光束。

在另一实施例中，本发明提供一种光学干涉系统，包括有：一光源模块、一导光元件以及一光学系统。该光源模块用以产生一侦测光束。该导光元件与该光源耦接，用以导引该侦测光束。该光学系统与该导光元件耦接，该光学系统还具有聚焦透镜、双折射分光元件以及分光元件。该聚焦透镜用以聚焦该光束。该双折射分光元件用以将聚焦的光束分光，以形成偏极态相互正交的第一偏极光以及第二偏极光。该分光元件，用以将该第一偏极光与第二偏极光分光，使部分第一偏极光与第二偏极光由该分光元件反射形成一第一参考光以及一第二参考光，以及部分第一偏极光与第二偏极光穿透该分光元件投射至一对象上，从而反射形成一第一物光以及一第二物光，该第一物光与该第二物光进入该分光元件，从而分别与该第一参考光以及该第二参考光干涉形成一第一干涉光以及一第二干涉光，该第一干涉光与第二干涉光通过该双折射分光元件合光，形成不相互干涉的一合光光束。

在又一实施例中，本发明提供一种光学干涉系统，包括：一光源、一极化单元、一耦合器、一导光模块以及一光学系统。该光源用以提供多个光束，每一个光束具有一波长。该极化单元用以将该多个光束偏极化。该耦合器用以将该多个偏极化光束合成一侦测光束。该导光模块与该耦合器相耦接，以导引该侦测光束。该光学系统与该导光模块耦接，用以接收该侦测光束，该光学系统还具有一聚焦透镜、一双折射分光元件以及分光元件。该聚焦透镜用以聚焦该侦测光束。该双折射分光元件用以将聚焦的侦测光束分光，以形成偏极态相互正交的第一偏极光以及第二偏极光。该分光元件用以将该第一偏极光与第二偏极光分光，使部分第一偏极光与第二偏极光由该分光元件反射形成一第一参考光以及一第二参考光，以及部分第一偏极光与第二偏极光穿透该分光元件投射至一对象上而反射形成一第一物光以及一第二物光，该第一物光与该第二物光进入该分光元件，从而分别与该第一参考光以及该第二参考光干涉形成一第一干涉光以及一第二干涉光，该第一干涉光与第二干涉光通过该双折射分光元件合光，形成不相互干涉的一合光光束。该光学系统还包括一第一分光模块、一第二分光模块、一光感测模块以及一运算处理装置。该第一分光模块用以将该合光光束分成对应不同波长的分光光束。该第二分光模块用以将不同波长的分光光束分成对应不同偏极态的第一干涉光以及第二干涉光。该光感测模块用以感测不同波长的的第一干涉光与第二干涉光，以产生相应的干涉光强信息。该运算处理装置根据该干涉光强信息决定该对象上相应该第一干涉光与该第二干涉光的位置深度以及横向相隔(lateralseparation)距离，进而决定该对象的一倾斜摆角。

在一实施例中，本发明提供一种同步测量绝对寻址距离与偏摆角度的光学方法，其包括下列步骤：首先提供一聚焦光束，接着，利用一双折射分光元件将该聚焦光束分光，形成偏极态相互正交的第一偏极光以及第二偏极光。然后再利用一分光元件以将该第一偏极光与第二偏极光分光，使部分第一偏极光与第二偏极光由该分光元件反射形成一第一参考光以及一第二参考光，以及部分第一偏极光与第二偏极光穿透该分光元件投射至一对象上，从而反射形成一第一物光以及一第二物光，该对象反射的第一物光与该第二物光通过该分光元件，从而分别与该第一参考光以及该第二参考光干涉形成一第一干涉光以及一第二干涉光。接着，使该第一干涉光与第二干涉光通过该双折射分光元件合光，形成不相互干涉的一合光光束。然后，感测该合光光束中的第一干涉光与第二干涉光的干涉光强信息。最后，根据该干涉光强信息决定该对象上相应该第一干涉光与该第二干涉光的位置深度以及横向相隔距离，进而决定该对象的一倾角。

在另一实施例中，光源可以为多波长的光源，产生该多波长光源的步骤如下：以一光源产生多个光束，每一个光束具有一波长。接着将该多个光束偏极化。然后将该多个偏极化光束合成一侦测光束。最后，以一聚焦透镜将该侦测光束聚焦以形成该聚焦光束。分析多波长的干涉光束包括下列步骤：使用一第一分光模块将该合光光束分成对应不同波长的分光光束。接着使用一第二分光模块将不同波长的分光光束分成对应不同偏极态的第一干涉光以及第二干涉光。在下一步骤中，利用光感测模块感测不同波长的第一干涉光与第二干涉光，以产生相对应的干涉光强信息。最后使用一运算处理装置，根据该干涉光强信息决定该对象上相应该第一干涉光与该第二干涉光的位置深度以及横向距离，进而决定该对象的一倾角。

附图说明

图1为现有技术中的表面曲度光学检测架构示意图；

图2a为本发明提供的光学系统实施例的示意图；

图2b为偏极态相互正交的第一偏极光束与第二偏极光束示意图；

图3为本发明提供的利用光学系统所形成的光学干涉系统架构实施例示意图；

图4为本发明提供的光学干涉系统架构另一实施例示意图；以及

图5为双波长所构成的等效波长示意图。

附图标记说明：10-转台；11-savart棱镜；12-待测物；13-检偏板；14-起偏板；15-分光镜；16-光传感器；2-光学系统；20-聚焦透镜；21-双折射分光元件；22-分光元件；300-光纤；3、3a-光学干涉系统；30、30a-光学模块；301、302-光源；31、31a-极化单元；310-第一极化元件；311-第二极化元件；32-耦合器；33、33a-导光模块；330-循环器；90-光束；91a-第一偏极光；34-第一分光模块；35-第二分光模块；351-分光元件；352-分光元件；36-光感测模块；36a、36b-光传感器；360～363-光感测单元；37、37a-运算处理装置；91b-第二偏极光；92a-第一参考光；92b-第二参考光；93a-第一物光；93b-第二物光；8、8a-物件。

具体实施方式

如图2a所示为本发明提供的光学系统实施例示意图。光学系统2包括一聚焦透镜20、一双折射分光元件21以及一分光元件22。该聚焦透镜20设置于该光学系统2内部，用以聚焦一光束90。在一实施例中，该光束90经由一光源发出，并经由偏极化元件之后，通过光纤300传输至该聚焦透镜20。在一实施例中，该光源为一红外线光源，但不以此为限制。该双折射分光元件21设置于该光学系统2内部且位于该聚焦透镜20的一侧，用以将聚焦的光束分光，以形成偏极态相互正交以及光路相互平行的第一偏极光91a以及第二偏极光91b。该双折射分光元件21的材质为双折射性材料，在本实施例中，该双折射分光元件21可以为savart棱镜，但不以此为限制，如wollaston棱镜、nomarski棱镜及光栅等元件。如图2b所示，当入射光90被偏极化之后，以45度极化态ein，如图2b(a)所示，进入到savart棱镜21会分成两道偏极态相互垂直的光，分别是eo-偏极化光91a和oe-偏极化光91b，如图2b(b)所示。这两道光在空间中会以相互平行的状态前进，并保持其偏极态，且光强度分别为原本入射光的50％。

如图2a所示，该分光元件22设置在光学系统2的端部，使得该eo-偏极化光91a和oe-偏极化光91b离开该端部时，将该第一偏极光91a与第二偏极光91b分光，使部分第一偏极光91a与第二偏极光91b由该分光元件22反射形成一第一参考光92a以及一第二参考光92b，以及使部分第一与第二偏极光91a与91b穿透该分光元件22投射至对象8，进而反射形成一第一物光93a以及一第二物光93b。要说明的是，该分光元件22可以为与光学系统2整合在一起或者是两个分离的元件。在一实施例中，该对象8可以为光栅、待测样品或外部的参考平面等。由该对象8表面反射的第一物光93a与该第二物光93b，再次进入该分光元件22，从而分别与该第一参考光92a以及该第二参考光92b干涉形成一第一干涉光以及一第二干涉光，该第一干涉光与第二干涉光沿原光路回到双折射分光元件21之后，再次合光而形成一合光光束。由于该第一干涉光与该第二干涉光的偏极态相互正交，因此在合光之后两光束并不相互干涉。要说明的是，以双折射分光元件21为savart棱镜为例，当两道第一物光93a以及第二物光93b再度经过savart棱镜时，其结果会再度恢复成原本入射的偏极态，例如：45度偏极态。但其中需注意的是，在行进过程中，两道偏极态相互垂直的光不能有偏极态改变的现象，否则将会在入射savart棱镜时再度分开成两道偏极态相互垂直的光。利用此原理，便可将两道光以平行的方式分开并分别测量到横向空间上的信息，甚至也可利用反射后的可逆性，让两道光重新结合成一道偏极态为45度的光，且oe-偏极态和eo-偏极态不会相互干涉，保有原本的信息。此外，由于两道光一次性地同步取得对象表面的横向空间距离，因此即使对象处于与光路同向的震动或运动，也可以不受其影响而取得到对象表面的横向空间距离，进而得到对定位距离与偏摆角度的信息。

如图3所示，该图为本发明利用前述图2a中的光学系统所形成的光学干涉系统架构示意图。在本实施中，该系统3中的光源模块30a产生的光束经过极化单元31a偏极化之后所形成的光束通过导光模块33a，本实施例为循环器(circulator)，再进入到光学系统2产生两道相距δs的第一偏极光束与第二偏极光束投射至物件8a。从对象8a反射之后，在光学系统2内和参考光束干涉后，再次合光形成合光光束。该合光光束离开光学系统2之后经由光纤传导至导光模块33a，从而被导引至极性分光元件(polarizationbeamsplitter,pbs)35a，用以将合光光束再次分离成第一干涉光以及第二干涉光。分光之后，第一干涉光与第二干涉光分别被光传感器36a与36b，例如光侦测器、ccd或cmos感光元件，侦测出相应的光强度，通过运算处理装置37a可以计算出每个波长的相位值，再用相移术解出单一波长干涉后在特定光程差之下的相位，并进一步用来反推光程差以得到对象侦测位置的距离d1与d2。在一实施例中，产生光程差的方式可以通过移动光学系统2带动分光镜(图2a的元件22)移动，或者是单独移动分光镜的方式来达成。相移术可以利用三步相移、四步相移、五步相移或(n+1)步相移来进行计算。最后再根据两道光的距离δs以及距离d1与d2即可以得知对象8a的倾斜角度。

为增加测量阶高或测量对象深度范围的限制，可利用多波长干涉方式，并使用波长相当接近的两个波长达成接近厘米等级的等效波长，如1569.18纳米和1564.68纳米的双波长干涉，可产生545.61微米的等效波长，但不以此为限制，可以根据需求而定。在一实施例中，如图4所示，其为本发明提供的光学干涉系统架构实施例示意图。在本实施例中，该光学干涉系统3包括一光源模块30、一极化单元31、一耦合器32、一导光模块33以及光学系统2。本实施例中的光源模块30为双光源301与302所构成的模块，每一个光源301与302为红外线光源，分别提供波长不同但相当接近的红外线。本发明中所使用的多波长干涉术，可以应用于测量阶高落差较大的标准阶高块上以扩大其测量的范围。以双波长为例，其应用方式首先针对两种波长λa与λb分别进行相移术，并求得其未知相位φa与φb，得到未知相位φa与φb后，将这两个相位信息进行相减，便可得到等效波长的相位信息φeq，其公式如式(1)。

φeq＝(φa-φb)·λeeq(1)

其中λeeq则为等效波长，φa与φb分别为两种不同波长λa与λb的相位，φeq是等效波长的相位。λeq的公式如下式(2)所示。

如图5所示，多波长应用原理，以两波长为例，是于两种不同波长λa与λb之间取公倍数，当波长λa与λb间的周期不同时，两者之间的相位关系需经过共同公倍数个周期后才能重复出现一样的相位关系，因此可利用这一原理产生出等效波长λeq，进而扩大测量的距离范围。

由光源301以及302所产生的不同波长λa与λb的红外线光束经由极化单元31而形成偏极化的光束。在本实施例中，极化单元31还具有第一极化元件310与第二极化元件311，第一极化元件310与第二极化元件311分别与该光源301与302耦接。本实施例中，所形成的两道具有偏极态的光束的偏极角度为45度，但不以此为限制。两道极化的光束经由光纤300传输至该耦合器32。经由耦合器32将该两道极化的光束合成为一道可在光纤300内传输的侦测光束。在一实施例中，该耦合器32可以使用高密度波长分波多任务器(densewavelengthdivisionmultiplexing,dwdm)。该耦合器32与该导光模块33耦接，该导光模块33接收来自于耦合器32的合光光束。本实施例中，该导光模块33包括光纤300与循环器33，其中一条光纤300连接该耦合器32与该循环器33，另一条光纤300则连接该循环器33以及该光学系统2。循环器33用以使侦测光束通过而进入到光学系统2。

光学系统2的结构如图2a所述，进入到光学系统2的侦测光束会形成两道偏极态相互正交的第一偏极化光(eo波)以及一第二偏极化光(oe波)，且相距δs，进而投射至物件8a上。本实施例中的物件8a为一光栅，但不以此为限。由对象8a反射形成的第一物光以及第二物光分别保有原本第一偏极光与第二偏极光的偏极态，在进入到光学系统2之后，分别与被光学系统2所具有的分光元件反射的第一参考光以及第二参考光相互干涉，以形成第一干涉光与第二干涉光。第一干涉光与第二干涉光经由光学系统2内的savart棱镜再次合光，形成不相互干涉的一合光光束。

合光光束经过该循环器330被导引至第一分光模块34，用以将该合光光束分成对应不同波长的第一分光光束与第二分光光束。在本实施例中，第一分光模块34为dwdm，使得其中的第一分光光束为对应光源301波长λa的分光光束，其内含对应该波长λa的第一干涉光以及第二干涉光；同样地，第二分光光束为对应光源302波长λb的分光光束，其内含有对应该波长λb的第一干涉光以及第二干涉光。

随后，第一分光光束经由光纤传输至第二分光模块35，第二分光模块35具有分光元件351以及分光元件352。其中，分光元件351经由光纤300与该第一分光模块34耦接，分光元件351用以将该第一合光光束分成对偏极态相互正交且对应波长λa的第一干涉光束λap以及第二干涉光束λas，分光元件352经由光纤300与该第一分光模块34耦接，分光元件352用以将该第二干涉光束分成偏极态相互正交且对应波长λb的第一干涉光束λbp以及第二干涉光束λbs。第二分光模块35进一步与光感测模块36耦接，其中，光感测模块36具有多个光感测单元360～363，分别感测对应波长λa与λb的第一干涉光束与第二干涉光束，进而产生相应的干涉光强信息。在一实施例中，光感测单元为光侦测器、ccd或cmos感测元件。

光感测模块36与一运算处理装置37电性连接，该运算处理装置37具有运算处理能力，可以为工作站或计算机，但不以此为限制。运算处理装置37具有相位求解的基本算法，例如：三步相移、四步相移、五步相移以及(n+1)步相移，用以根据干涉光强信息解析出第一干涉光束λap与λbp以及第一干涉光束λas与λbs所对的物件高度d1与d2。由于经过savart透镜所形成的第一偏极光束与第二偏极光束之间的距离δs为已知，因此根据对象高度d1与d2以及距离δs即可以得知对象的倾斜状态。

综合上述，本发明中的运动对象的绝对寻址距离与偏摆角度同步测量的光学系统与方法可以用单点测量的方式，达到同时以及快速的测出对象上的两位置的绝对距离、表面形貌与偏斜姿态，因此具有用来定位及阿贝误差校正的优点，可应用于各式工具机的校正上，并使工具机的精度提升。具有高精度及阿贝误差校正的测量系统可增加工具机的测量物种类，甚至可用来当作晶圆曝光机等，提升产业的附加价值。

以上所述仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的较佳实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明权利要求范围文义相符，或依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明保护范围所涵盖。