專利名稱：差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用差分相位解碼的干涉系統(tǒng)，特別是涉及一種適用 于需要快速及高偵測靈敏度的應用的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)。
背景技術：
美國7，006,562B2號專利揭露一種用以量測一相位調(diào)制測試信號與一 相位調(diào)制參考信號之間的差分相位的相位解調(diào)器，該相位調(diào)制參考信號具 有固定的載波頻率。該相位解調(diào)器包括一用以調(diào)整測試以及參考信號的振 幅的振幅控制裝置。 一差分放大器自該振幅控制裝置接收振幅調(diào)整過的測 試及參考信號、獲得一該振幅調(diào)整過的測試及參考信號之間的強度差，并 放大強度差以產(chǎn)生一振幅調(diào)制輸出信號。 一振幅解調(diào)器解調(diào)該振幅調(diào)制輸 出信號，以獲得一與相位差相關的輸出信號。上述專利還進一步揭露一用以與一極化光學干涉儀共同使用的相位差 偵測器，極化光學干涉儀產(chǎn)生二相互垂直的極化光學外差干涉信號。該等光 學外差干涉信號具有相等的強度及載波頻率，該等信號是一頻率、時間，及 一該二相互垂直的極化光學外差干涉信號之間相位差的函數(shù)。該相位差偵 測器包含一接收電子信號的差分放大器，其獲得二相互垂直極化光學外差 干涉信號間的強度差，并放大強度差以產(chǎn)生一振幅調(diào)制輸出信號，該輸出 信號的振幅是兩外差干涉信號間相位差的函數(shù)。該相位差偵測器還包含一 信號處理裝置，該裝置包括一用以解調(diào)該振幅調(diào)制輸出信號的振幅以獲得 一與相位差相關輸出的振幅解調(diào)器。上述專利中，該與相位差相關的輸出信號，可由于經(jīng)該振幅控制裝置 對該測試及參考信號做振幅調(diào)整。然而，由該振幅控制裝置對振幅調(diào)整的 需求，限制了前述美國專利中相位解調(diào)器及相位差偵測器的應用潛力。由此可見，上述現(xiàn)有的用以量測一相位調(diào)制測試信號與一相位調(diào)制參 考信號之間的差分相位的相位解調(diào)器在產(chǎn)品與使用上，顯然仍存在有不便 與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決上述存在的問題，相關廠商莫不 費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發(fā)展完成，而 一般產(chǎn)品又沒有適切的產(chǎn)品能夠解決上述問題，此顯然是相關業(yè)者急欲解 決的問題。因此如何能創(chuàng)設一種新的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，實屬當前重要研發(fā)課題之一，亦成為當前業(yè)界極需改進的目標。
有鑒于上述現(xiàn)有的用以量測一相位調(diào)制測試信號與一相位調(diào)制參考信 號之間的差分相位的相位解調(diào)器存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品 設計制造多年豐富的實務經(jīng)驗及專業(yè)知識，并配合學理的運用，積極加以 研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設一種新的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，能夠改進一般現(xiàn)有 的用以量測一相位調(diào)制測試信號與一相位調(diào)制參考信號之間的差分相位的 相位解調(diào)器，使其更具有實用性。經(jīng)過不斷的研究、設計，并經(jīng)反復試作及 改進后，終于創(chuàng)設出確具實用價值的本發(fā)明。 ，

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有的用以量測一相位調(diào)制測試信號與一相 位調(diào)制參考信號之間的差分相位的相位解調(diào)器存在的缺陷，而提供一種新 的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，所要解決的技術問題是提供一種使用差分相位 解碼且適于高反應速度及高偵測靈敏度的差分相位干涉系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現(xiàn)的。為達 到上述目的，依據(jù)本發(fā)明的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，用以量測一樣品，其 中包含 一極化外差干涉儀，用以產(chǎn)生一沿一參考路線前進的參考光束，及 一沿一信號路線前進的信號光束，該參考光束包括二相互垂直的第一及第 二線性極化波，該信號光束包括二相互垂直的第一及第二線性極化波，在 該參考及信號光束之間具有一載波，該信號光束被指向該樣品，且內(nèi)含有該 樣品的量測資訊，該極化外差干涉儀還進一歩產(chǎn)生一相應于該參考及信號 光束的第一線性極化波的第一光學外差干涉電子信號輸出，及一相應于該
參考及信號光束的第二線性極化波的第二光學外差干涉電子信號輸出；一
差分放大器，接收來自該極化外差干涉儀的該第一及第二光學外差干涉電
子信號輸出，該差分放大器并產(chǎn)生一差分信號輸出； 一資料取得單元，接 收來自該極化外差干涉儀的該第一及第二光學外差干涉電子信號輸出與來 自該差分放大器的該差分信號輸出，該資料取得單元并同時量測該第一與 第二光學外差干涉電子信號輸出及差分信號輸出的振幅；及一計算單元，用 以計算被該資料取得單元量測到的振幅，依照該樣品的量測資訊測定至少 一參數(shù)c
本發(fā)明的目的及解決其技術問題是采用以下技術措施來實現(xiàn)的 前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述資料取得單元使用輪廓偵查 技術以量測該等第一及第二光學外差干涉電子信號輸出以及該差分信號輸出的振幅。前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述計算單元決定該樣品的一橢 圓參數(shù)。前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述極化外差干涉儀包括 一同 調(diào)光源，用以提供極化光； 一第一光束分光器，用以將來自該同調(diào)光源的該 極化光分離為該參考光束及該信號光束； 一第一頻率調(diào)變器與一第二頻率 調(diào)變器，分別用以處理該參考光束與該信號光束，如此的參考光束與信號光 束之間有相同的載波頻率； 一第一極化器與一第二極化器，分別用以處理 該參考光束與該信號光束，如此的參考光束具有相互垂直的第一及第二線 性極化波，如此的信號光束也具有相互垂直的第一及第二線性極化波；一 第二光束分光器，用以在該信號光束通過該樣品后，結合該參考光束與信 號光束； 一極化光束分光器，用以分離一來自所述第二光束分光器的輸出 光束，成為相互垂直的經(jīng)線性極化的第一光學信號與第二光學信號，該第 一光學信號相當于該信號光束與參考光束的第一線性極化波，該第二光學 信號相當于該信號光束與參考光束的第二線性極化波；及一第一光偵測器 與一第二光偵測器，用以分別偵測該第一光學信號與第二光學信號，以便 分別產(chǎn)生該第一光學外差干涉電子信號輸出與該第二光學外差干涉電子信 號輸出。 '前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述極化外差干涉儀更包括一第 一帶通濾波器與一第二帶通濾波器，分別處理該第一光學外差干涉電子信 號輸出與第二光學外差干涉電子信號輸出，且具有一該第一與第二光學外 差干涉電子信號輸出的載波頻率的中心頻率。前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中該極化外差干涉儀更包括一被設 在所述第二極化器以及該樣品之間的補償器，該補償器用以對固定相位偏 移提供補償。前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述計算單元決定該樣品的一表 面輪廓。前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述極化外差干涉儀包括 一光 源模組，用以產(chǎn)生一圓形極化輸出光束； 一光束分光器，用以分離該圓形 極化輸出光束成為該參考光束及該信號光束； 一相位調(diào)制面鏡單元，將參 考光束調(diào)制為一預先設定的頻率偏移且反射該參考光束； 一鏡面； 一第一 極化光束分光器，用以 分離該信號光束成為該第一及第二線性極化波,該信號光束的第一及第二線性極化波的其中之一被所述鏡面反射，該信號光束 的第一及第二線性極化波的其中另一被該樣品反射，或將信號光束的第一 及第二線性極化波同時經(jīng)由物鏡聚焦到樣品平面并反射；所述光束分光器 結合「該被所述相位調(diào)制面鏡單元反射的參考光束」與「該被所述鏡面及 該樣品反射的信號光束的第一與第二線性極化波」； 一第二極化光束分光 器，用以分離來自所述光束分光器的一輸出光束成為相互垂直的線性極化 第一及第二光學信號，該第一光學信號相當于該信號及參考光束的第一線 性極化波，該第二光學信號相當于該信號及參考光束的第二線性極化波；一 第一光偵測器，用以偵測該第一光學信號，以便產(chǎn)生該第一光學外差干涉 電子信號輸出；及一第二光偵測器，用以偵測該第二光學信號，以便產(chǎn)生 該第二光學外差干涉電子信號輸出。
前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述極化外差干涉儀還進一步包 括一用以聚焦該信號光束的第一及第二線性極化波的其中另一到該樣品上 的物鏡。
前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述光源模組包括一寬頻輻射發(fā) 光激光二極體。
前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述極化外差干涉儀包括 一用 以產(chǎn)生一圓形極化輸出光束的光源模組； 一用以分離該圓形極化輸出光束 成為該參考光束及該信號光束的光束分光器； 一相位調(diào)制面鏡單元，被調(diào) 制為一預先設定的頻率偏移并反射該參考光束； 一掃描鏡; 一第一極化光 束分光器，用以分離該信號光束成為該第一與第二線性極化波，在該信號 光束的第一與第二線性極化波的其中之一是被所述掃描鏡反射，且該信號 光束的第一與第二線性極化波的其中另一是被該樣品反射，或將該信號光 束的第一及第二線性極化波同時經(jīng)由物鏡聚焦到樣品平面并反射；所述光 束分光器結合「該被相位調(diào)制面鏡單元反射的參考光束」與「該被所述掃 描鏡及該樣品反射的信號光束的第一與第二線性極化波」； 一第二極化光 束分光器，用以分離來自所述光束分光器的一輸出光束成為相互垂直的線 性極化第一及第二光學信號，該第一光學信號相當于該信號及參考光束的 第一線性極化波，該第二光學信號相當于該信號及參考光束的第二線性極 化波；及一第一光偵測器，用以偵測該第一光學信號，以便產(chǎn)生該第一光學 外差干涉電子信號輸出；及一第二光偵測器，用以偵測該第二光學信號，以 便產(chǎn)生該第二光學外差干涉電子信號輸出。前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述極化外差干涉儀還進一步包 括一該信號光束的第一及第二線性極化波其中另一通過的物鏡，以聚焦到 達該樣品平面上并反射。前述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其中所述光源模組包括一寬頻譜輻射發(fā)光激光二極體與一寬頻譜掃頻激光光源其中之一。本發(fā)明的目的及解決其技術問題還采用以下的技術方案來實現(xiàn)。為達到上述目的，依據(jù)本發(fā)明的差分相位解碼器，用以量測一第一信號 /' W = ^ cos(M + ^)與 一 第二信號/2 0)=義2 cos(W + A )之間的 一 相位差，并包含一差分放大器，接收該第一及第二信號并從中產(chǎn)生一差分信號輸出A/ = /々)-/2 ; —資料取得單元，從所述差分放大器接收該第一及第二信 號及該差分信號輸出，并同時量測該第一及第二信號及該差分信號輸出的 振幅；及一計算單元，用以計算被所述資料取得單元量測到的振幅，并決 定該第 一 及第二信號之間的相位差^ ，該相位差^可經(jīng)由本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。借由上述技術方 案，提供一用以量測一樣品(specimen)的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)。該差分 相位解調(diào)干涉系統(tǒng)包含一用以產(chǎn)生一沿一參考路線(channel)前進的參考光束，及一沿一信 號路線前進的信號光束的極化外差干涉儀，該參考光束包括二相互垂直的 第一及第二線性極化波，該信號光束包括二相互垂直的第一及第二線性極 化波，在該參考及信號光束之間具有相同的載波，該信號光束被指向該樣 品，且內(nèi)含有該樣品的量測資訊，該極化外差干涉儀還進一步產(chǎn)生一相應 于該參考及信號光束中的第一線性極化波的第一光學外差干涉電子信號輸 出，及一相應于該參考及信號光束的第二線性極化波的第二光學外差干涉 電子信號輸出。一接收來自該極化外差干涉儀的該第一及第二光學外差干涉電子信號 輸出的差分放大器，該差分放大器并產(chǎn)生一差分信號輸出。一接收來自該極化外差干涉儀的該第一及第二光學外差干涉電子信號
輸出與來自該差分放大器的該差分信號輸出的資料取得單元(data acquisition unit)，該資料取得單元并同時量測該第一與第二光學外差 干涉電子信號輸出及差分信號輸出的振幅。
一用以計算被該資料取得單元量測到的振幅的計算單元，依照該樣品 的量測資訊測定至少一參數(shù)。
本發(fā)明差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)至少具有下列優(yōu)點及有益效果
本發(fā)明的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)確實滿足了測試及參考信號的振幅調(diào) 整的需求。因此，高反應速度及高偵測靈敏度的差分相位量測是可行的，且 本發(fā)明的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)可被安裝在廣而多樣的應用上。
上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的 技術手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和 其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附 圖，詳細說明如下。


圖1是本發(fā)明差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)的第一較佳實施例的方框圖； 圖2是一本發(fā)明差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)的第二較佳實施例的方框圖； 圖3是一本發(fā)明差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)的第三較佳實施例的方框圖。
具體實施例方式
為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功 效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的差分相位解調(diào)干涉系 統(tǒng)其具體實施方式
，詳細說明如后。
參閱圖1，本發(fā)明差分干涉系統(tǒng)的第一較佳實施例，適用于量測一樣品 10的光學特征，例如一平行排列液晶器件(parallel-aligned liquid crystal device, PALCD)。在本實施例，該干涉系統(tǒng)包括一極化外差干涉 儀l、 一差分放大器19、 一資料取得單元30，及一計算單元40，例如一個 人電腦。該極化外差干涉儀1包括一同調(diào)光源(coherent light source) 20、 一第一光束分光器(first beam splitter) 111、 一第二光束分光器 (second beam splitter) 112、 一第一頻率調(diào)變器(first frequency modulators) 121、 一第二頻率調(diào)變器(second frequency modulators) 122、 一第一鏡(first mirror) 131、 一第二鏡(second mirror) 132、一第一偏光器(first polarizer) 141、 一第二偏光器(second polarizer) 142、 一韋卜償器(compensator) 15、一極化光束分光器(polarization beam splitter) 16、 一第一光偵測器(first photo detector) 171、 一第二光 偵測器(second photo detector)172，及一第一帶通濾波器(f irst bandpass filter) 181與一第二帶通濾波器(second bandpass filter) 182。操作過程中，從該同調(diào)光源20發(fā)出的極化光是被該第一光束分光器111 分離為一參考光束Ll及一信號光束L2，參考光束Ll沿一參考路線前進，信 號光束L2沿一信號路線前進。該同調(diào)光源20是例如一信號頻率經(jīng)線性極 化輸出頻率穩(wěn)定處理的氦-氖激光。該參考光束Ll及信號光束L2是分別被 該第一頻率調(diào)變器121、第二頻率調(diào)變器122處理。在本實施例，第一及第 二頻率調(diào)變器121、 122分別是一聲光調(diào)制裝置(acousto-optic modulator, A0M)。該第一及第二頻率調(diào)變器121、 122被驅動而使參考光束Ll的頻率 被調(diào)整為col，信號光束L2的頻率被調(diào)整為co2。換句話說，該參考光束L1 與信號光束L2之間的一載波頻率A "是在利用第一及第二頻率調(diào)變器121、 122對參考光束Ll與信號光束L2處理后所形成。值得注意的是，在本發(fā)明 其他實施例當中， 一電光調(diào)制裝置(electro-optic modulator, E0M)可 以取代該聲光調(diào)制裝置而被當作頻率調(diào)變器使用。該參考光束Ll還進一步藉由第一鏡131被導向該第一偏光器141。另 一方面，該信號光束L2還進一步藉由第二鏡132被導向該第二偏光器142。 藉由該第一、第二偏光器141、 142其在干涉儀中被調(diào)整與X軸夾45度角 的極化方向，在Apl二Asl且Ap2二As2的條件下，相互垂直的線性極化第一 及第二波一P1、 Sl在該參考路線中被產(chǎn)生，且相互垂直的線性極化第一及 第二波一P2、 S2在該信號路線中被產(chǎn)生。前述Apl、 Asl、 Ap2及As2分別 是P1、 Sl、 P2及S2的振幅。該參考光束的Pl波與Sl波被導向第二光束 分光器112。該信號光束的P2波與S2波則是在通過補償器15及樣品10之 后抵達該第二光束分光器112,并與參考光束的Pl波及Sl波結合。該第二 輸出分光器112的輸出被極化光束分光器16接收，且被分為相互垂直的經(jīng) 線性極化的第一光學信號(也就是P波，Pl+P2)與第二光學信號(也就是 S波，Sl+S2)。該補償器15被用于對該極化外差干涉儀的光學構件所造成 的固定相位偏移提供補償。該P波與S波光學信號個別地被該第一光偵測 器171與第二光偵測器172偵測到，轉換成對應的第一光學外差電子信號 輸出與第二光學外差電子信號輸出信號，其轉換方程式如下<formula>formula see original document page 13</formula>
(2)
其中，A&是P1波與P2波之間的相位延遲，A^則是S1波與S2波之 間的相位延遲。
來自該第一與第二光偵測器171、 172光學外差干涉電子信號輸出是分 別傳至該第一帶通濾波器181與第二帶通濾波器182。該第一帶通濾波器 181與第二帶通濾波器182的中心頻率是A co = col-co2，這也就是該第一與 第二光學外差干涉電子信號輸出的載波頻率。則前述方程式(1)及(2) 改變?yōu)?br> /尸(Afttf)-2/4^爿p2Cos(AG^+ (3) /s (A一 = 2」".、.2 cos(AM + A & )， (4)
藉由在方程式(3)、 (4)設定"-A^ + (A^+AA)/2、 P-(A^-A^)/2、 ^V-2^p,^2，及^,-2」、^、.2，貝iJH至U: /尸(△ W) = /c尸cos(a — 〃),
(5)
<formula>formula see original document page 13</formula>(6)
該差分放大器19接收該等經(jīng)過濾波的第一及第二光學外差干涉電子信
號輸、出，且其產(chǎn)生的差分輸出信號々"A^)可被表示為 <formula>formula see original document page 13</formula>
(7)當中的K鄉(xiāng)=A/ + C - 2;c,f cos( A & - A0尸)，且"是一與/^及/^相關的相 位角。^v是/^(A欣)的振幅，該/,(AW)是屬于一種振幅經(jīng)調(diào)制的信號，且 其載波頻率等于Aw。該資料取得單元30使用輪廓偵査技術(envelope detection techniques)以量測該等經(jīng)過濾波的第一及第二光學外差干涉電子信號輸 出的振幅，以及來自該差分放大器的差分信號輸出的振幅。在本實施例，該 資料取得單元30包括三個獨立的振幅解調(diào)器，例如數(shù)位電壓計(Digital Voltmeter, DVM)(圖未示)，用以紀錄該等在同一時間的經(jīng)過濾波的第一 與第二光學外差干涉電子信號輸出以及差分信號輸出的振幅。該計算單元 40依據(jù)下列方程式(8)及(9)計算該等被資料取得單元30量取到的信號 的振幅，以決定該S2波與P2波之間的相位差，5 = AA-A^=^2-&2，以 及依據(jù)k尸、&，及k踏即時(real-time)決定的T-tan-'W2/iS2)。因此 可表示成(8)(9)因此，該樣品10的橢圓參數(shù)，^及^，可使用該差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)的較佳實施利精確地依據(jù)^、 KS，及K艱即時地被量測。該差分放大器19、資料取得單元30及計算單元40相配合以形成一適 用于量測一第一信號/1(0 = %, cos(^ + A)與一第二信號72(0-;ir2 cos(^ + ^)之 間相位差的差分相位解碼器(decoder),其中(xl、 x2)為II (t) 、 12(t) 的振幅，(小l、 4)2)為Il(t)、 12(t)的相位，"為載波頻率。特別地，該 差分放大器19接收該第一與第二信號，并產(chǎn)生一差分信號輸出A/") = (0 — /2 (0 = V^+^-SMCOsd^) cos(" + r)其中，r是一相位角。該資料取得單元30接收該第一及第二信號，及來自差分放大器19的差分信號輸出，并同時量測該第一及第二信號與差分 信號輸出的振幅。該計算單元40計算被資料取得單元30量測到的振幅，并 決定該第 一 與第二信號之間的相位差，該相位差A-A = eos-—l"l^^j且與前述方程式(8)相符合，其中，W = A, |A I = A, M = V力2 + 722 - 2猛cos" - &)。參閱圖2，本發(fā)明差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)的第二較佳實施例適用于與一 低同調(diào)激光光源(low coherence laser source)共同使用，且用以量測 局部(localized)的表面輪廓。在本實施例，該干涉系統(tǒng)包括一極化外差 干涉儀、 一差分放大器、 一資料取得單元31，及一例如為一個人電腦的計 算單元41。該極化外差干涉儀包括一光源模組21、 一光束分光器23、 一例 如為一壓電支持面鏡(piezoelectric-supported mirror, PZT)的相位調(diào) 制面鏡單元24、 一鏡面25、 一物鏡22、 一第一極化光束分光器261、 一第 二極化光束分光器262、 一第一光偵測器271，及一第二光偵測器272。在本實施例，該光源模組21包括一寬頻譜(broadband)的超輻射發(fā) 光二極管(super luminescent diode， SLD) 210，該超輻射發(fā)光二極管210 被當作一發(fā)射橢圓極化光束(elliptically polarized beam)的低同調(diào)光 源。該橢圓極化光束接續(xù)地通過一半波板(half-wave plate， HWP) 211、 一極化光束分光器(polarization beam splitter, PBS) 212，及一用以 導致產(chǎn)生一圓形極化輸出光束的四分之一波板(quarter-wave plate， QWP) 213。該圓形極化輸出光束可藉由鍾斯向量(Jones vector)描述為f i 、V- W(101)其中，￡。 = ^oWeXp[—)]，且頭W代表該電場的振幅，該電場"^M，入 是該激光光源的波長。在方程式(101)，該電場可被分解為一水平極化分量(Sp-^[^]『)及 一垂直極化分量(^^。[G'i『)，其中上標的T表示轉置(transpose)。若 該激光光束是經(jīng)右旋圓形極化者，在被光束分光器23分光成二相同振幅的 激光光束后，沿一參考路線前進的參考光束以及沿一信號路線前進的信號 光束會分別是(102)<formula>formula see original document page 16</formula>在該參考路線，該壓電支持面鏡24被調(diào)制為一預先設定的頻率，藉此 使該激光光束產(chǎn)生多普勒頻率位移(Doppler frequency shift)，且被該 壓電支持面鏡24反射的參考光束被該第二極化光束分光器262分解為相互 垂直的第一線性極化波(也就是P,波)及第二線性極化波(也就是S,波)。 另一方面，該信號光束被該第一極化光束分光器261分光為二相互垂直的 第一線性極化波(也就是P2波)及第二線性極化波(也就是S2波)。該P2 波經(jīng)物鏡22聚焦到該樣品10上，且被樣品10上的一焦點平面反射。該S2 波被該鏡面25反射。該P2波及S2波可被表示如下<formula>formula see original document page 16</formula>其中，^及^分別是該樣品10及鏡面25的反射率(reflectivity)。/p2及/s2則分別是該P2波與S2波在該干涉儀中的光學路徑長度。該Pi波與P2波，以及該S,波與S2波被該光束分光器23重新結合，且接著被該第二極化 光束分光器262分離，最后得到相互垂直的線性極化第一光學信號與第二 光學信號，也就是P極化光學外差干涉信號與S極化光學外差干涉信號。 該第一光學信號及第二光學信號分別被該第一光偵測器271及第二光偵測 器272偵測到。該P,、 P2、 S,，及S2波的電場分別為<formula>formula see original document page 16</formula><formula>formula see original document page 17</formula>其中，"i是該壓電支持面鏡24的反射率，且^與^分別是P,被與S, 波在該干涉儀中的光學路徑長度，因此，<formula>formula see original document page 17</formula>當中的y是該第一、第二光偵測器271、 272的量子效率(quantum efficiency)，且A =/P1 -/P2 、 a/s=/s1-/S2。假設該超輻射發(fā)光二極管210的能量頻譜々W，滿足以下公式 吞)=尸0雄)，(114)當中的^是該激光光源的能邐 spectral density),且雄)是該高斯光譜密度(Gaussian<formula>formula see original document page 17</formula>的波數(shù)，且^是該激光光源的光譜頻寬(FWHM)。藉由 對整個光譜積分，該干涉信號成為<formula>formula see original document page 17</formula><formula>formula see original document page 18</formula>其中，該激光光源的同調(diào)長度為: ,—41n2 _ 2(ln2)^(118)A是該低同調(diào)激光光源的中心波長。由方程式(116)、 (117)，可獲得 該干涉信號的高斯分布(Gaussian profile)。簡單來說，假設條件 *"/s=A/。因此，將滿足A/p-A/s《/ 該差分信號輸出由該差分放大器28產(chǎn)出，該差分放大器28將由該第一及第二光偵測器271、 272所產(chǎn)生的第 一及第二光學外差干涉電子信號輸出相減，則該差分信號輸出變成<formula>formula see original document page 18</formula>
(119)在方程式(116) 、 (117)及(119)當中，僅考慮/p、厶及厶"的交 流電部分，則如下式<formula>formula see original document page 18</formula>其中，定義2V^""W + ^且2&A/^o^ + ^s，且"z)是該壓電支持面鏡24所造成的多普勒頻率位移。^及^分別是從第一極化光束分光器261到樣品 10及鏡面25的路徑長度所對應的相位。因此得到<formula>formula see original document page 19</formula>
且a— -^是該差分相位。在演算過程中，因圖2中的差分放大器28 輸出的差分輸出信號是與該輸入的光學外差信號的起始點無關，在方程式(121)中可平移&相位，而得到<formula>formula see original document page 19</formula>方程式(116) 、 (117)及(121)中的/p、厶及7"礎的振幅同時地藉 由使用該資料取得單元31被量測，該資料取得單元31在本實施例是一類 比轉換數(shù)位的轉換器(analog-to-digital converter, ADC)。所量測到的力、厶及Zy,f/振幅如下<formula>formula see original document page 19</formula>在方程式(126)中，該差分放大器28的差分信號輸出的振幅與該差 分相位^相關，該差分相位^視該P2波與S2波的光學路徑差距而異。若該 樣品10為鏡表面，相對于該鏡面25的表面高度^可利用以下方程式(127) 被該計算單元41計算出來<formula>formula see original document page 20</formula>然而，可能因為多數(shù)個光學元件或兩光束間固定的光學路徑差距(圖2 中，從該第一極化光束分光器261到鏡面25及到樣品10)，會有殘留的固 定相位偏移(residual phase bias)產(chǎn)生。此導致在量測學上有一固定的 表面高度a&。對應地，由方程式(127)所得到的結果應被調(diào)整為<formula>formula see original document page 20</formula>
以上說明了第二較佳實施例的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)適用于高靈敏度 的表面輪廓偵測，且因為它的快速反應，允許表面輪廓動態(tài)量測。當一相位調(diào)制面鏡單元被揭露做為本實施例的壓電支持面鏡24，在本 發(fā)明其他實施例中，該相位調(diào)制面鏡單元也可包括一與一電光相位調(diào)變器(E0M)或一聲光相位調(diào)變器(A0M)連結的鏡面，對本技術領域中具有通 常技術者來說是顯見的。本發(fā)明差分相位解調(diào)，涉系統(tǒng)的應用，可擴張到用來做雙折射相位量 測的差分相位光學同調(diào)斷層攝影儀(differential-phase optical coherence tomography, DP-OCT)、差分相位光學多普勒斷層攝影儀(differential-phase optical Doppler tomography, DP-0DT)、差分相 位極化感應光學低同調(diào)斷層攝影儀(differential-phase polarization sensitive optical coherence tomography, DP-PS-OCT)， 以差分木目位對 比光學同調(diào)顯微鏡(differential-phase contrast optical coherence microsc叩y ， DP-0CM)。圖3揭露本發(fā)明差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)的第三較 佳實施例，其為第二較佳實施例的修改且適合作為光學同調(diào)斷層攝影儀(optical coherence tomography, OCT)的應用。不同于第二較佳實施例 的是，該S2波被一掃描面鏡29反射，該P2波則是通過一物鏡(objective) 220且被聚焦到該樣品10的一成像面并被反射，也可將S2波和P2波同時通 過物鏡220聚焦到該樣品10的成像面并被反射，可對線性雙折射(linear birefringence)物體求得相位延遲。既然該第三較佳實施例的運作狀況是類似于第二較佳實施例，相同處的細節(jié)在此不在贅述。若一寬頻譜掃頻激光光源取代該寬頻輻射發(fā)光激光二極體210被用在 極化外差干涉儀的光源模組21，該差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)的第三較佳實施 例可在傅立葉域(Fourie廣domain)的DP"0CT、傅立葉域的DP-PS-0CT、傅立 葉域的DP-0DT，及傅立葉域的DP-OCM有所應用。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而己，并非對本發(fā)明作任何形式 上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā) 明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內(nèi)，當可利 用上述揭示的技術內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但 凡是未脫離本發(fā)明技術方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所 作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)。
權利要求
1、一種差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，用以量測一樣品，其特征在于包含一極化外差干涉儀，用以產(chǎn)生一沿一參考路線前進的參考光束，及一沿一信號路線前進的信號光束，該參考光束包括二相互垂直的第一及第二線性極化波，該信號光束包括二相互垂直的第一及第二線性極化波，在該參考及信號光束之間具有一載波，該信號光束被指向該樣品，且內(nèi)含有該樣品的量測資訊，該極化外差干涉儀還進一步產(chǎn)生一相應于該參考及信號光束的第一線性極化波的第一光學外差干涉電子信號輸出，及一相應于該參考及信號光束的第二線性極化波的第二光學外差干涉電子信號輸出；一差分放大器，接收來自該極化外差干涉儀的該第一及第二光學外差干涉電子信號輸出，該差分放大器并產(chǎn)生一差分信號輸出；一資料取得單元，接收來自該極化外差干涉儀的該第一及第二光學外差干涉電子信號輸出與來自該差分放大器的該差分信號輸出，該資料取得單元并同時量測該第一與第二光學外差干涉電子信號輸出及差分信號輸出的振幅；及一計算單元，用以計算被該資料取得單元量測到的振幅，依照該樣品的量測資訊測定至少一參數(shù)。
2、 如權利要求1所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述資 料取得單元使用輪廓偵查技術以量測該等第一及第二光學外差干涉電子信 號輸出以及該差分信號輸出的振幅。
3、 如權利要求1所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述計 算單元決定該樣品的一橢圓參數(shù)。
4、 如權利要求3所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述極 化外差干涉儀包括一同調(diào)光源，用以提供極化光；一第一光束分光器，用以將來自該同調(diào)光源的該極化光分離為該參考光束及該信號光束；一第一頻率調(diào)變器與一第二頻率調(diào)變器，分別用以處理該參考光束與 該信號光束，如此的參考光束與信號光束之間有相同的載波頻率；一第一極化器與一第二極化器，分別用以處理該參考光束與該信號光 束，如此的參考光束具有相互垂直的第一及第二線性極化波，如此的信號 光束也具有相互垂直的第一及第二線性極化波；一第二光束分光器，用以在該信號光束通過該樣品后，結合該參考光 束與信號光束；一極化光束分光器，用以分離1自所述第二光束分光器的輸出光束，成 為相互垂直的經(jīng)線性極化的第一光學信號與第二光學信號，該第一光學信 號相當于該信號光束與參考光束的第一線性極化波，該第二光學信號相當 于該信號光束與參考光束的第二線性極化波；及一第一光偵測器與一第二光偵測器，用以分別偵測該第一光學信號與 第二光學信號，以便分別產(chǎn)生該第一光學外差干涉電子信號輸出與該第二 光學外差干涉電子信號輸出。
5、 如權利要求4所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述極 化外差干涉儀更包括一第一帶通濾波器與一第二帶通濾波器，分別處理該 第一光學外差干涉電子信號輸出與第二光學外差干涉電子信號輸出，且具 有一該第一與第二光學外差干涉電子信號輸出的載波頻率的中心頻率。
6、 如權利要求4所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于該極化外差干涉儀更包括一被設在所述第二極化器以及該樣品之間的補償器，該 補償器用以對固定相位偏移提供補償。
7、 如權利要求1所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述計 算單元決定該樣品的一表面輪廓。
8、 如權利要求7所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述極 化外差干涉儀包括一光源模組，用以產(chǎn)生一圓形極化輸出光束；一光束分光器，用以分離該圓形極化輸出光束成為該參考光束及該信 號光束；一相位調(diào)制面鏡單元，將參考光束調(diào)制為一預先設定的頻率偏移且反 射該參考光束； 一鏡面；一第一極化光束分光器，用以分離該信號光束成為該第一及第二線性 極化波，該信號光束的第一及第1性極化波的其中之一被所述鏡面反射，該 信號光束的第一及第二線性極化波的其中另一被該樣品反射，或將信號光 束的第一及第二線性極化波同時經(jīng)由物鏡聚焦到樣品平面并反射；所述光束分光器結合「該被所述相位調(diào)制面鏡單元反射的參考光束」 與「該被所述鏡面及該樣品反射的信號光束的第一與第二線性極化波」；一第二極化光束分光器，用以分離來自所述光束分光器的一輸出光束成為相互垂直的線性極化第一及第二光學信號，該第一光學信號相當于該 信號及參考光束的第一線性極化波，該第二光學信號相當于該信號及參考 光束的第二線性極化波；一第一光偵測器，用以偵測該第一光學信號，以便產(chǎn)生該第一光學外 差干涉電子信號輸出；及一第二光偵測器，用以偵測該第二光學信號，以便產(chǎn)生該第二光學外 差干涉電子信號輸出。
9、 如權利要求8所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述極化外差干涉儀還進一步包括一用以聚焦該信號光束的第一及第二線性極化 波的其中另一到該樣品上的物鏡。
10、 如權利要求8所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述 光源模組包括一寬頻輻射發(fā)光激光二極體。
11、 如權利要求1所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述 極化外差干涉儀包括一用以產(chǎn)生一圓形極化輸出光束的光源模組；一用以分離該圓形極化輸出光束成為該參考光束及該信號光束的光束 分光器；一相位調(diào)制面鏡單元，被調(diào)制為一預先設定的頻率偏移并反射該參考光束；一掃描鏡；一第一極化光束分光器，用以分離該信號光束成為該第一與第二線性 極化波，在該信號光束的第一與第二線性極化波的其中之一是被所述掃描 鏡反射，且該信號光束的第一與第二線性極化波的其中另一是被該樣品反 射，或將該信號光束的第一及第二線性極化波同時經(jīng)由物鏡聚焦到樣品平 面并反射；所述光束分光器結合「該被相位調(diào)制面鏡單元反射的參考光束」與「該 被所述掃描鏡及該樣品反射的信號光束的第一與第二線性極化波」；一第二極化光束分光器，用以分離來自所述光束分光器的一輸出光束 成為相互垂直的線性極化第一及第二光學信號，該第一光學信號相當于該 信號及參考光束的第一線性極化波，該第二光學信號相當于該信號及參考 光束的第二線性極化波；及一第一光偵測器，用以偵測該第一光學信號，以便產(chǎn)生該第一光學外 差干涉電子信號輸出；及一第二光偵測器，用以偵測該第二光學信號，以便產(chǎn)生該第二光學外 差干涉電子信號輸出。
12、 如權利要求ll所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述 極化外差干涉儀還進一步包括一該信號光束的第一及第二線性極化波其中 另一通過的物鏡，以聚焦到達該樣品平面上并反射。
13、 如權利要求ll所述的差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，其特征在于所述 光源模組包括一寬頻譜輻射發(fā)光激光二極體與一寬頻譜掃頻激光光源其中 之一。
14、 一種差分相位解碼器，用以量測一第一信號AO^eos(w + ^與一第二信號^d^s一 + ^)之間的一相位差，并包含一差分放大器，接收該第一及第二信號并從中產(chǎn)生一差分信號輸出 A/(,) = /,(,)-/2(,);一資料取得單元，從所述差分放大器接收該第一及第二信號及該差分信號輸出，并同時量測該第一及第二信號及該差分信號輸出的振幅；及一計算單元，用以計算被所述資料取得單元量測到的振幅，并決定該第 一 及第二信號之間的相位差 ，該相位差 可經(jīng)由W = A, K卜"2' M = VA2 + A2 - 2;ir"2 C0SW - A)
全文摘要
本發(fā)明是有關于一種差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，一種差分相位解調(diào)干涉系統(tǒng)，包含一用以產(chǎn)生參考及信號光束的極化外差干涉儀、一差分放大器、一資料取得單元，及一計算單元。參考及信號光束各包括相互垂直的第一及第二線性極化波，在參考及信號光束之間具有相同的載波，信號光束被指向樣品，且內(nèi)含有樣品的量測資訊。極化外差干涉儀產(chǎn)生相應于第一、第二線性極化波的第一、第二光學外差干涉電子信號輸出，差分放大器接收它們并產(chǎn)生一差分信號輸出。資料取得單元接收前述信號輸出并同時量測其振幅。計算單元則用以計算被資料取得單元量測到的振幅，并依照樣品的量測資訊測定至少一參數(shù)。本發(fā)明能滿足振幅調(diào)整的需求，且具有快速反應及相位差偵測靈敏度的可行性并可被安裝在廣而多樣的應用上。
文檔編號G01B9/02GK101329162SQ200810110700
公開日2008年12月24日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權日2007年6月14日
發(fā)明者晟 周 申請人:晟 周