專利名稱:調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于ー種具有調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
多種量測方法，例如光杠桿(beam deflection)、像散偵測(astigmaticdetection)及電容測量(capacitance measurement)等方法，已經(jīng)普遍的使用在待測對(duì)象于微米級(jí)及奈米級(jí)的位置或角度的測量。這些精密的位移測量系統(tǒng)很容易受到環(huán)境變化的影響，例如溫度或濕度的變化，或者是系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件的變化等環(huán)境變化。舉例來說，光杠桿與像散偵測是使用光學(xué)測量的系統(tǒng)，其包括一光源(例如是ー激光)、透鏡及光傳感器。其中，當(dāng)系統(tǒng)周圍的溫度或濕度改變時(shí)，則光源所發(fā)出光的波長可能隨著變化。在位移系統(tǒng)中，由熱源(例如是光源)所形成的熱梯度(thermal gradient)及/或在系統(tǒng)構(gòu)件中的應(yīng)カ釋放(stress relaxation)將造成在位移系統(tǒng)中不同構(gòu)件的相對(duì)位置改變,而使得偵測信號(hào)產(chǎn)生飄移。此外，當(dāng)周圍溫度或濕度改變時(shí)，將造成在電路中的信號(hào)改變，例如是在系統(tǒng)中的位移傳感器的電路。另外，儀器的熱容(heat capacity)可以造成與溫度有關(guān)飄移的時(shí)間延遲。一般而言，當(dāng)在位移測量系統(tǒng)中的構(gòu)件越多時(shí)，系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)部或外部環(huán)境的改變就會(huì)越敏感。
另外，熱膨脹是造成信號(hào)飄移的主因。即使透過ー穩(wěn)固的機(jī)械裝置固定一位移傳感器仍無法改善其問題。這是因?yàn)閭鞲衅髋c待測對(duì)象之間的相對(duì)距離會(huì)緩慢的改變，因此，被偵測到的位移信號(hào)(其代表傳感器與待測對(duì)象之間的相對(duì)距離)仍可能持續(xù)隨時(shí)間飄移。舉例來說，鋁相較于其它材料來說，是較為便宜且易于加工，因此，被廣泛的使用在制造儀器的框體上，而鋁的熱膨脹系數(shù)是22. 2x10-^,換言之，如果兩個(gè)構(gòu)件固定在鋁框體上，其分隔距離為10mm，當(dāng)溫度每增加一度則因框體的熱膨脹效應(yīng)，就會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)構(gòu)件的相對(duì)距離會(huì)増加222nm。在相同的條件下，若使用鋼取代鋁來作為框體的材料，則兩個(gè)構(gòu)件的相對(duì)距離會(huì)増加130nm。再者，每個(gè)構(gòu)件在一精密位移測量系統(tǒng)中，可能都具有不同的熱膨脹率。因此，在位移測量中，要預(yù)測飄移的方向與大小通常并不容易，對(duì)于一具有奈米級(jí)分辨率的位移測量系統(tǒng)來說，數(shù)百奈米的熱飄移將嚴(yán)重降低測量的精準(zhǔn)性。
在許多位移測量系統(tǒng)中，樣品的表面會(huì)被擺設(shè)在位移傳感器的特定距離與角度范圍以內(nèi)。舉例來說，一像散式偵測系統(tǒng)可以測量一個(gè)樣品沿著一坐標(biāo)軸的平移量，且可以測量樣品分別繞兩個(gè)坐標(biāo)軸的角位移量。像散式偵測系統(tǒng)具有一光路徑機(jī)構(gòu)，其利用一激光束通過一透鏡模塊，并聚焦于待測對(duì)象的表面，然后待測對(duì)象將光反射以通過透鏡模塊，并且在一光傳感器上形成一光點(diǎn)。經(jīng)由光傳感器所偵測到光點(diǎn)的形狀及位置，可以分析出待測對(duì)象的平移量或角位移量。當(dāng)待測對(duì)象表面接近于偵測光束的焦點(diǎn)及/或在像散式偵測系統(tǒng)中的聚焦誤差信號(hào)的線性區(qū)域內(nèi)，像散式偵測系統(tǒng)可以偵測待測對(duì)象的位移；聚焦誤差信號(hào)的線性區(qū)域(以DVD光學(xué)讀取頭為例)一般約為6-8 μ m,因此，為了調(diào)整待測對(duì)象表面高度到像散式偵測系統(tǒng)的線性區(qū)域以內(nèi)，可使用一精密的線性平移臺(tái)。然而，即使用較精密的調(diào)整臺(tái)，仍然會(huì)產(chǎn)生信號(hào)飄移的問題，而且待測對(duì)象表面的飄移，會(huì)使得待測對(duì)象脫離像散式偵測系統(tǒng)中位移傳感器的偵測區(qū)域。
目前有許多應(yīng)用于最小化或者避免微米級(jí)或奈米級(jí)位移測量系統(tǒng)中的信號(hào)飄移的方案。舉例而言，可使用具有一低熱膨脹系數(shù)的材料，如花崗巖(熱膨脹系數(shù)為3.鎳鐵合金(熱膨脹系數(shù)為I. SxKr6IT1)或微晶玻璃(熱膨脹系數(shù)為
O.02χ10-6Γ1)，以便減少儀器的熱膨脹，但是這些材料較為昂貴而且不易加工。另外，透過空調(diào)技術(shù)或其它周遭環(huán)境的控制系統(tǒng)，可以更小心的控制位移測量的環(huán)境狀態(tài)。然而，這樣的系統(tǒng)僅能維持溫度與濕度于一特定的范圍內(nèi)。更進(jìn)一步來說，在位移測量系統(tǒng)中的致動(dòng)器與傳感器，本身即是一種寄生熱源，其創(chuàng)造一個(gè)局部時(shí)變的溫度梯度。而這并非由一般的環(huán)境控制系統(tǒng)所能解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種系統(tǒng)，其包括一位移傳感器、一致動(dòng)器及一回饋單元。其中，位移傳感器用以測量介于位移傳感器及一待測對(duì)象之間的一相對(duì)位置及一相對(duì)方位的至少其中之一；致動(dòng)器連接于待測物及/或位移感應(yīng)器之間；回饋單元接收來從位移傳感器的一信號(hào)，其與測量所得的相對(duì)位置或相對(duì)方位有關(guān)，其中回饋單元依據(jù)所接收的信號(hào)的一飄移，控制致動(dòng)器去移動(dòng)位移傳感器，此飄移是基于一環(huán)境狀態(tài)的改變而產(chǎn)生。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，還可以包括一個(gè)或者多個(gè)以下的特征環(huán)境狀態(tài)的改變包括一溫度的改變及一濕度的改變的至少其中之一；環(huán)境狀態(tài)的改變包括一局部溫度的改變；所接收的信號(hào)的飄移還從系統(tǒng)中的一機(jī)械應(yīng)力釋放所產(chǎn)生。
另外，回饋單元依據(jù)所接收的信號(hào)的低頻飄移，控制致動(dòng)器，其中，低頻飄移的頻率是低于IHz，或低頻飄移的頻率是介于低于IHz及IOOmHz之間。
位移傳感器包括一光傳感器及一物鏡，其位于待測物件及光傳感器之間。回饋單元包括一積分器、一放大器及一噪聲最小化單元。而相對(duì)位置包括一垂直或側(cè)向相對(duì)距離，其位于位移傳感器及待測物件之間。
致動(dòng)器與物鏡連接，且回饋單元控制致動(dòng)器去移動(dòng)物鏡。其中，致動(dòng)器包括多個(gè)堆棧的壓電陶瓷或一音圈馬達(dá)，且致動(dòng)器包括一阻尼材料，其用以減少致動(dòng)器的共振振幅及質(zhì)量因子，或用以改變致動(dòng)器的共振頻率。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明亦揭露一種方法，其包括下列步驟測量介于一位移傳感器及一待測物件之間的一相對(duì)位置及一相對(duì)方位的至少其中之一；在一回饋單元中，接收一信號(hào)，其與測量所得的相對(duì)位置或相對(duì)方位有關(guān)；以及依據(jù)所接收的信號(hào)的一飄移，控制一致動(dòng)器去移動(dòng)位移傳感器或待測物，其中飄移是基于一環(huán)境狀態(tài)的改變而產(chǎn)生。[0015]在本發(fā)明的實(shí)施例中，還可以包括ー個(gè)或者多個(gè)以下的特征本發(fā)明的方法還包括設(shè)定回饋單元的ー設(shè)定值；控制致動(dòng)器去移動(dòng)位移傳感器的步驟包括在設(shè)定值的ー預(yù)先選擇區(qū)域內(nèi)，維持所接收的信號(hào)。另外，本發(fā)明的方法還包括設(shè)定回饋單元的ー驅(qū)動(dòng)速度與一驅(qū)動(dòng)頻寬的至少其中之一，其中驅(qū)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)頻寬是依據(jù)回饋単元的設(shè)定值及所接收的信號(hào)之間的ー誤差而改變。
承上所述，控制致動(dòng)器去移動(dòng)位移傳感器的步驟包括維持位移傳感器與待測對(duì)象之間的相對(duì)位置或相對(duì)方向?qū)嵸|(zhì)上不變。另外，控制致動(dòng)器去移動(dòng)位移傳感器的步驟包括減少位移傳感器與待測對(duì)象之間的相對(duì)位置或相對(duì)方向的飄移。另外，控制致動(dòng)器去移動(dòng)位移傳感器的步驟包括控制致動(dòng)器相對(duì)于待測對(duì)象垂直的移動(dòng)位移傳感器。此外，控制致動(dòng)器去移動(dòng)位移傳感器的步驟包括控制致動(dòng)器去側(cè)向的相對(duì)于待測對(duì)象移動(dòng)位移傳感器。
在本文中所描述的ー種具有調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制的系統(tǒng)及方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，例
如在精密的位移測量系統(tǒng)中，緩慢變化的信號(hào)飄移可以明顯的減少，而且在這樣的測量系統(tǒng)中，待測對(duì)象與位移傳感器之間相對(duì)位置與相對(duì)方位可維持至少24小時(shí)的時(shí)間，使得無論在微米等級(jí)或者奈米等級(jí)下，仍可以做高解析測量，例如微機(jī)電或者奈機(jī)電組件及微型組件的機(jī)械動(dòng)カ特性等。再者，由于本文提出降低系統(tǒng)中的振動(dòng)噪聲的方法，因此即使用低機(jī)械剛性的致動(dòng)器(例如用于CD或DVD光學(xué)讀寫頭上的音圈馬達(dá))也可以應(yīng)用在高分辨率的位移測量中。


圖I顯示由位移傳感器輸出的信號(hào)隨時(shí)間變化的關(guān)系圖；
圖2顯示在一空調(diào)系統(tǒng)中，溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖；
圖3是ー示意圖，顯示ー調(diào)準(zhǔn)與抗飄移系統(tǒng)；
圖4A顯示周遭的溫度變化示意圖；
圖4B顯示在圖4A的環(huán)境底下，調(diào)準(zhǔn)及抗飄移系統(tǒng)中補(bǔ)償效應(yīng)的示意圖；
圖5是ー示意圖，顯示一調(diào)準(zhǔn)及抗飄移系統(tǒng)的回饋控制驅(qū)動(dòng)器；
圖6是ー示意圖，顯示一像散式偵測系統(tǒng)，其與ー調(diào)準(zhǔn)及抗飄移系統(tǒng)配合使用；
圖7A是ー示意圖，顯示一像散式偵測系統(tǒng)，其與一調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制配合使用；
圖7B是ー示意圖，顯示一具有阻尼致動(dòng)器的調(diào)準(zhǔn)及抗飄移系統(tǒng)；
圖8顯示一致動(dòng)器的噪聲頻譜的頻域；
圖9顯示各種不同像散式偵測系統(tǒng)下，信號(hào)飄移的示意圖；以及
圖10是ー示意圖，顯示一激光全像単元，其與ー調(diào)準(zhǔn)及抗飄移系統(tǒng)配合使用。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參照?qǐng)DI所示，在一位移測量系統(tǒng)中，ー輸出信號(hào)100可快速的飄移，其中當(dāng)系統(tǒng)開啟(對(duì)應(yīng)區(qū)域102)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)在數(shù)秒到數(shù)分鐘內(nèi)趨于穩(wěn)定(對(duì)應(yīng)區(qū)域104)。然而，輸出信號(hào)100仍會(huì)于位移測量系統(tǒng)的操作期間，繼續(xù)緩慢飄移。其中，大部份的信號(hào)飄移是由周遭溫度的飄移所造成。如果位移測量系統(tǒng)在沒有環(huán)境控制裝置而且沒有其它飄移補(bǔ)償?shù)臓顩r下進(jìn)行操作，輸出信號(hào)的飄移大約與系統(tǒng)溫度的飄移成正比，而且，信號(hào)可以依據(jù)在位移測量系統(tǒng)中材料的熱膨脹特性及在系統(tǒng)中機(jī)械應(yīng)カ釋放(relaxation of mechanicalstresses)的存在與否，而往正方向或者負(fù)方向飄移。
然而，請(qǐng)參照?qǐng)D2所示，即使位移測量系統(tǒng)設(shè)置于溫控室中，由于溫控系統(tǒng)精準(zhǔn)度的差異，溫控室仍會(huì)有微小的溫度飄移。舉例來說，假如一具有精準(zhǔn)度為±0.2°C的溫度控制系統(tǒng)維持控溫室的溫度在25°C，此時(shí)，控溫室的溫度將會(huì)呈正弦曲線的變動(dòng)(如同曲線200)而維持一平均溫度在25°C，而且周期為30分鐘。在這個(gè)例子中，周遭溫度改變的頻率是0.55mHz。這個(gè)低頻溫度變動(dòng)造成在位移測量系統(tǒng)(系統(tǒng)是設(shè)置于溫控室中)中的位移傳感器的輸出信號(hào)具有一緩慢的飄移。其中，輸出信號(hào)的飄移速度，無論是位移測量系統(tǒng)中構(gòu)件的機(jī)械應(yīng)力釋放或者是位移傳感器中電子特性的改變，使得輸出信號(hào)的飄移速度具有相近似的數(shù)量級(jí)。欲量測的位移信號(hào)與待測對(duì)象的機(jī)械運(yùn)動(dòng)有關(guān)，且位移信號(hào)的頻率是IOOmHz的數(shù)量級(jí)或者更高，相較之下，比飄移速度更快。因此，當(dāng)測量快速變化的位移信號(hào)及由其衍伸的其它信號(hào)時(shí)，位移信號(hào)所具有緩慢變化的飄移是可能被補(bǔ)償?shù)摹?
請(qǐng)參照?qǐng)D3所示，一個(gè)調(diào)準(zhǔn)及抗飄移系統(tǒng)300(以下簡稱為抗飄移系統(tǒng)300)，其用于一位移測量系統(tǒng)，用來調(diào)準(zhǔn)一位移傳感器302及待測對(duì)象306的上表面304之間的相對(duì)位置及/或方位；同時(shí)，抗飄移系統(tǒng)300也對(duì)位移傳感器302的輸出信號(hào)的飄移作出補(bǔ)償。在本實(shí)施例中，抗飄移系統(tǒng)300包括一低速回饋控制驅(qū)動(dòng)器308、一致動(dòng)器310及一位移傳感器302。位移傳感器302可以是任何與精密位移測量系統(tǒng)兼容的位移傳感器，例如是一對(duì)焦傳感器(focus sensor)或是一像散傳感器(astigmatic detection sensor)。其中，位移傳感器302可以測量位移傳感器302與待測對(duì)象306的上表面的相對(duì)位置或方位，并產(chǎn)生一輸出信號(hào)，以輸出至回饋控制驅(qū)動(dòng)器308?；仞伩刂乞?qū)動(dòng)器308依據(jù)所接收到的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器310以調(diào)整或維持位移傳感器302與待測對(duì)象306的上表面的相對(duì)位置或方位。舉例來說，為了最小化或者消除信號(hào)飄移，可以透過致動(dòng)器310的作動(dòng)，以維持位移傳感器302的一恒定時(shí)間平均位移信號(hào)。在部分實(shí)施例中，為了最小化測量的不確定性以及最大化位移傳感器的靈敏度，抗飄移系統(tǒng)300會(huì)維持位移傳感器302中具有線性或準(zhǔn)線性的響應(yīng)特性的區(qū)域所產(chǎn)生的輸出信號(hào)。在像散式偵測系統(tǒng)中，聚焦誤差信號(hào)與待測對(duì)象表面的平移量之間具有一線性偵測區(qū)域，在這線性區(qū)域中，測量到的位移信號(hào)對(duì)于待測對(duì)象的位移具有較高的靈敏度。
請(qǐng)參照?qǐng)D3、圖4A及圖4B所示，一種位移測量系統(tǒng)設(shè)置于一具有溫度飄移曲線400溫控室，若未對(duì)飄移(溫度飄移)作補(bǔ)償，則位移傳感器302的輸出信號(hào)具有顯著的變化(如同曲線402)。當(dāng)位移測量系統(tǒng)具有抗飄移系統(tǒng)300時(shí)，位移傳感器302與待測對(duì)象306之間的距離是可以被維持的(在此假設(shè)沒有待測對(duì)象本身的機(jī)械震動(dòng)的條件下)。因此，位移傳感器302的輸出信號(hào)將更穩(wěn)定(如同曲線404)。
位移傳感器302的輸出信號(hào)可以分成兩個(gè)部分，其一是高頻部分，其二是低頻部分。其中，高頻部分(快速變化)包括了待測對(duì)象306的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的訊息，并作為后續(xù)測量使用；低頻部分(緩慢變化)是有關(guān)信號(hào)飄移，并作為回饋控制驅(qū)動(dòng)器308的輸入信號(hào)。
請(qǐng)參照?qǐng)D5所示，低速回饋控制驅(qū)動(dòng)器308包括一積分器502、一放大器504及一噪聲抑制單兀506。其中，噪聲抑制單兀506包括一低通濾波器、一被動(dòng)分壓器或其它噪聲抑制的構(gòu)成組件以最佳化回饋控制驅(qū)動(dòng)器的訊雜比。在部分實(shí)施例中，一低通濾波器及一被動(dòng)分壓器兩者可同時(shí)的使用，以最小化回饋控制驅(qū)動(dòng)器308中的噪聲。低通濾波器是由低噪聲組件所構(gòu)成，低噪聲組件例如金屬膜電阻器(metal film resistor)及薄膜電容(foil capacitors)，且低通濾波器是位于回饋控制驅(qū)動(dòng)器308與被動(dòng)分壓器之間。被動(dòng)分壓器是由低噪聲金屬膜電阻器所構(gòu)成?；仞伩刂乞?qū)動(dòng)器308可以是ー模擬控制電路(analog-controller based circuit)、一數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)(digital signalprocessing (DSP) -based system)或任何其它具有軟件為基礎(chǔ)的控制器或者結(jié)合適合致動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(actuator driver)的控制器的數(shù)位板或平臺(tái)。
位移傳感器302與待測對(duì)象306上表面的相對(duì)位置與方位可以透過選擇回饋控制驅(qū)動(dòng)器308的一設(shè)定值(set point)而調(diào)整。一旦設(shè)定值被選定后，將可設(shè)定回饋控制驅(qū)動(dòng)器308的驅(qū)動(dòng)速度(driving speed)及/或驅(qū)動(dòng)頻寬(driving bandwidth),以達(dá)到預(yù)設(shè)的測量條件，且于整個(gè)位移測量的過程，都會(huì)被固定。低驅(qū)動(dòng)速度或驅(qū)動(dòng)頻寬將減少被已測量位移信號(hào)的噪聲。然而，在降低追蹤及/或初始調(diào)準(zhǔn)位移傳感器302相對(duì)于待測對(duì)象306至ー預(yù)設(shè)位置或方位的條件下，回饋控制驅(qū)動(dòng)器308的響應(yīng)是較為緩慢的。因此，在部
分實(shí)施例中，回饋控制驅(qū)動(dòng)器308的驅(qū)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)頻寬是可以依據(jù)算法而調(diào)整，例如，驅(qū)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)頻寬可以依據(jù)被偵測到的位移信號(hào)與設(shè)定值之間的偏差而改變。當(dāng)偏差大的時(shí)候(例如在測量的開始階段)，因考慮到快速的初始調(diào)準(zhǔn)，則使用一高驅(qū)動(dòng)速度或驅(qū)動(dòng)頻寬；當(dāng)偏差小的時(shí)候，則使用一低驅(qū)動(dòng)速度或驅(qū)動(dòng)頻寬。
由于待測對(duì)象306的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使得回饋控制驅(qū)動(dòng)器308驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器310以ー速度作動(dòng)，其中前述速度慢于位移速度，但是快于位移傳感器302的信號(hào)的飄移速度。在本實(shí)施例中，致動(dòng)器310的作動(dòng)速度小于lOOmHz，或介于IHz-IOOmHz之間。在部分狀況下，待測對(duì)象的振動(dòng)或者位移在大于IOOmHz或100nm/S的速度下(快于補(bǔ)償速度)，抗飄移機(jī)制不會(huì)對(duì)位移傳感器的測量結(jié)果造成的影響。
在部分實(shí)施例中，致動(dòng)器310是ー機(jī)械剛性高的結(jié)構(gòu)，例如壓電陶瓷致動(dòng)器。因?yàn)閯傂愿叩闹聞?dòng)器可以快速響應(yīng)，以便后續(xù)作回饋控制，所以回饋控制単元308的驅(qū)動(dòng)頻寬可以相對(duì)的快速以補(bǔ)償信號(hào)的飄移。在其它實(shí)施例中，致動(dòng)器310是ー個(gè)低剛性的結(jié)構(gòu)，例如是一使用在DVD讀寫頭中的音圈馬達(dá)。此時(shí)，音圈馬達(dá)就如同是ー機(jī)械共振器，且容易與環(huán)境的振動(dòng)耦合，進(jìn)而影響到位移量測信號(hào)。在這個(gè)例子中，為了最小化測量噪聲，回饋控制驅(qū)動(dòng)器308的驅(qū)動(dòng)頻寬寧可相對(duì)較低，但仍然比熱飄移速度來的快。在部分實(shí)施例中，致動(dòng)器310的振動(dòng)可透過施加一阻尼材料或者藉由其它的阻尼方法(像是渦電流阻尼或磁流)而進(jìn)行阻尼。
請(qǐng)參照?qǐng)D6所示，ー種具有調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制的系統(tǒng)被結(jié)合到像散式偵測系統(tǒng)3中，用以測量待測對(duì)象4表面的高度、角度及其變化。一光源31，例如是ー激光二極管，發(fā)出一光束604，其被分光器32所反射，以通過一準(zhǔn)直器33到達(dá)物鏡34。物鏡34將光束聚焦成為ー聚焦偵測光點(diǎn)，而形成在待測對(duì)象的表面。待測對(duì)象4將光反射通過物鏡34、準(zhǔn)直器33及分光器32，而聚焦在位置靈敏感測模塊35上。位置靈敏感測模塊35是由四個(gè)四分之ー圓35a、35b、35c及35d(四象限位置靈敏傳感器)架設(shè)于光傳感器上所構(gòu)成，以分別輸出測量信號(hào)SA、Sb、S。、SD。待測對(duì)象4的平移量及角位移量可以依據(jù)聚焦于位置靈敏感測模塊35上的光點(diǎn)的位置與形狀而決定。其中，透過處理測量信號(hào)SA、SB、Sc, Sd,以得到待測對(duì)象4位移的算法已經(jīng)被揭露于美國專利第7，247，827號(hào)中，在此容不贅述。
請(qǐng)參照?qǐng)D6及圖7A所示，在一抗飄移機(jī)制600被結(jié)合到像散式偵測系統(tǒng)3中，物鏡34被固定在一致動(dòng)器602上，致動(dòng)器例如是一音圈馬達(dá)，其可沿著照射偵測光束604的方向(例如是Z方向)移動(dòng)，以改變物鏡34的焦點(diǎn)的垂直位置。像散式偵測系統(tǒng)3及待測對(duì)象4被一穩(wěn)固的機(jī)械裝置固定，例如是一金屬框體5。一回饋控制驅(qū)動(dòng)器608接收從像散式偵測系統(tǒng)3的位置靈敏感測模塊35中已處理的位移信號(hào)，其中回饋控制驅(qū)動(dòng)器608控制致動(dòng)器602的Z軸運(yùn)動(dòng)，以控制物鏡34的焦點(diǎn)位置，為了使位置靈敏感測模塊35中已處理的位移信號(hào)維持在一個(gè)固定的操作點(diǎn)(避免飄移)。調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制維持聚焦誤差信號(hào)在靈敏感測模塊35具有最靈敏線性位移的一區(qū)域范圍內(nèi)及/或一具有局部不變的梯度區(qū)域范圍內(nèi)。那就是說，待測對(duì)象4的表面高度被保持在接近于偵測光束的焦點(diǎn)位置。在部分實(shí)施例中，致動(dòng)器602也提供沿著X軸及Y軸的運(yùn)動(dòng)，以在待測對(duì)象4表面的不同位置上，進(jìn)行偵測光束的多軸線性調(diào)準(zhǔn)。
請(qǐng)參照?qǐng)D7B所示，假設(shè)像散式偵測系統(tǒng)3的致動(dòng)器602是低剛性的，則外部的振動(dòng)將會(huì)引發(fā)像散式偵測系統(tǒng)34與待測對(duì)象4表面間不必要的運(yùn)動(dòng)，因此，透過使用具有特定黏度阻尼材料36的致動(dòng)器602，可以有效的減少這些不必要的運(yùn)動(dòng)。另外，致動(dòng)器602的工作速度可以透過選擇一適當(dāng)?shù)淖枘岵牧霞斑m當(dāng)?shù)臄?shù)量而進(jìn)行調(diào)整，而應(yīng)用一高黏度的阻尼材料，將減少系統(tǒng)對(duì)于外部振動(dòng)的靈敏性，但是也會(huì)降低致動(dòng)器的工作速度或工作頻寬。相反的，應(yīng)用低阻尼材料，或者使用具有低黏性的阻尼材料將會(huì)增加致動(dòng)器的工作頻寬或者工作速度，但是也會(huì)使得系統(tǒng)更容易受到外在振動(dòng)的影響。一般來說，可適當(dāng)?shù)倪x擇阻尼材料，使得致動(dòng)器工作頻寬或者工作速度大于周遭飄移速度，以維持補(bǔ)償信號(hào)飄移的能力。
請(qǐng)參照?qǐng)D8所示，像散式偵測系統(tǒng)3中偵測到的聚焦誤差信號(hào)的噪聲頻譜，其中曲線802表示沒有阻尼材料的致動(dòng)器，而曲線804表示有阻尼材料的致動(dòng)器。其中，致動(dòng)器可以是音圈馬達(dá)，待測對(duì)象4表面的振動(dòng)(單位是m/Hz1/2)被顯示在頻域中。在本實(shí) 施例中，阻尼材料可以是如奶油般的油(cream-like oil)具有一溫度20°C (68 0F )下介于O. l_100mm2/s的動(dòng)黏性(kinematic viscosity),阻尼材料可以使用一些商業(yè)上容易購得的產(chǎn)品(例如，DC-976 Dow Corning high vacuum grease or Krytox GPL 223Anti-Corrosion Perfluorinated Polyether Grease manufactured by DuPont)。此夕卜，阻尼材料將會(huì)降低致動(dòng)器602的共振振幅及質(zhì)量因子，及改變致動(dòng)器的共振頻率。在曲線802的區(qū)域(沒有阻尼材料)，噪聲約在IOOHz以下，而機(jī)械振動(dòng)是在10_6m/Hz1/2的數(shù)量級(jí)；在曲線804的區(qū)域(有阻尼材料)，這個(gè)低頻噪聲將被減少三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，對(duì)致動(dòng)器602作適當(dāng)?shù)淖枘崽幚恚瑢⒖稍黾酉到y(tǒng)的穩(wěn)定性，且減少在致動(dòng)器中對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的外部振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。
請(qǐng)參照?qǐng)D9所示，針對(duì)具有不同控制機(jī)構(gòu)的像散式偵測系統(tǒng)的DVD光學(xué)讀寫頭，而做出測量得到的聚焦誤差信號(hào)的比較。在第一個(gè)機(jī)構(gòu)中(曲線902)，具有一不受控制的音圈馬達(dá)致動(dòng)器，而且并沒有啟動(dòng)抗飄移控制以及阻尼材料，其中，聚焦誤差信號(hào)的飄移約是4nm/s，由外部振動(dòng)所產(chǎn)生的高頻變動(dòng)在信號(hào)中是明顯可見的。在第二個(gè)機(jī)構(gòu)中(曲線904)，音圈馬達(dá)透過黏著劑被固定在像散式偵測系統(tǒng)，并沒有安裝抗飄移回饋控制，在這個(gè)例子中，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛性較佳，使得高頻變動(dòng)有效的被減少，不過，聚焦誤差信號(hào)仍然會(huì)飄移，其速度約為O. 25nm/s。在第三個(gè)機(jī)構(gòu)中(曲線906)，像散式偵測系統(tǒng)具有調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制(如同圖7B所示)，那就是說，阻尼材料可以被施加到致動(dòng)器且用一低速回饋控制驅(qū)動(dòng)器來控制致動(dòng)器，其中，像散式偵測系統(tǒng)的聚焦誤差信號(hào)是趨近于0，而且在測量期間，幾乎沒有飄移產(chǎn)升，更進(jìn)一步來說，在具有一些飄移的待測對(duì)象表面上，透過調(diào)準(zhǔn)以及抗飄移機(jī)制有效的對(duì)偵測光束進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)及抗飄移，可以維持超過24小吋。
請(qǐng)參照?qǐng)D10所示，具有調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制的像散式偵測系統(tǒng)3與激光全像単元6的對(duì)焦傳感器配合使用，例如是應(yīng)用在CD或者DVD光學(xué)驅(qū)動(dòng)器中。其中，ー激光二極管62發(fā)出一光束，其通過ー準(zhǔn)直器65及物鏡64，而且投射到待測對(duì)象4的表面，或者是接近物鏡64的焦點(diǎn)，以在待測對(duì)象4的表面上形成ー偵測光束，被待測對(duì)象4反射的光束通過物鏡64、準(zhǔn)直器63及一全像光組件61，而且被聚焦在光檢測器63，透過計(jì)算從光檢測器63所偵測的信號(hào)，待測對(duì)象4的表面的Z方向位移可以由聚焦誤差信號(hào)而決定。
承上所述，物鏡64被設(shè)置在致動(dòng)器70，例如為音圈馬達(dá)，致動(dòng)器70至少可以沿著照射偵測光束的方向移動(dòng)(例如Z方向)。其中，致動(dòng)器70可以被低速回饋驅(qū)動(dòng)器(圖中未示)所控制，以在Z方向上，移動(dòng)物鏡64去改變聚焦的狀態(tài)，以使得光偵測器63的輸出可以被維持在一個(gè)預(yù)設(shè)的數(shù)值。在部分實(shí)施例中，致動(dòng)器70也提供額外沿著X軸及/或Y軸的ー維或ニ維運(yùn)動(dòng)，以在待測對(duì)象4表面的不同位置上，進(jìn)行已聚焦偵測光束的多軸線性調(diào)準(zhǔn)。
在這里所描述的調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制可用以偵測微型懸臂或其它微機(jī)電系統(tǒng)中的組件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)(例如平移或者角位移)，而這個(gè)機(jī)構(gòu)亦可應(yīng)用在原子力顯微鏡上以及基于微/奈機(jī)電系統(tǒng)中懸臂梁結(jié)構(gòu)靜態(tài)形變及動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)偵測機(jī)制的化學(xué)或生物傳感器。當(dāng)應(yīng)用到這些技術(shù)的時(shí)候，待測對(duì)象4可以是指原子力顯微鏡的懸臂或者是在微機(jī)電系統(tǒng)中或者奈機(jī)電系統(tǒng)中的懸空組件。此外，待測對(duì)象4也可以是一般的樣品，舉例來說，如同圖6所示，具有一表面輪廓儀的調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制可用于偵測樣品4的表面高度及/或傾斜角。其中，當(dāng)樣品被快速掃瞄時(shí)，調(diào)準(zhǔn)及抗飄移機(jī)制可以調(diào)準(zhǔn)樣品表面已聚焦的偵測光束，而且補(bǔ)償緩慢變化的信號(hào)飄移。
在上述實(shí)施例中，位移傳感器可偵測介于傳感器與待測對(duì)象表面之間的垂直高度，例如是介于傳感器與待測對(duì)象之間的相對(duì)距離，調(diào)準(zhǔn)與抗飄移機(jī)制能夠調(diào)整高度到一預(yù)設(shè)的位置而且維持高度沒有產(chǎn)生飄移，這個(gè)機(jī)構(gòu)也能夠用以調(diào)整及維持待測對(duì)象的側(cè)向位置(lateral position)。在部分實(shí)施例中，待測對(duì)象的側(cè)向位置可以被維持,透過使用影像處理去計(jì)算出待測對(duì)象緩慢的飄移，而這個(gè)技術(shù)已經(jīng)被揭露在2009年10月19日申請(qǐng)的美國專利的共同申請(qǐng)案中(代理人案件編號(hào)70002-215001、發(fā)明名稱為「光學(xué)影像系統(tǒng)」)，在此容不贅述。在部分實(shí)施例中，可以使用特定的方法，使得待測對(duì)象的側(cè)向位置可以被維持及調(diào)整，而這個(gè)技術(shù)已經(jīng)被揭露在另ー篇美國專利申請(qǐng)(申請(qǐng)案公開號(hào)第2009/0225305號(hào)、發(fā)明名稱為「光學(xué)多軸線性位移測量系統(tǒng)其及方法」)中。在部分實(shí)施例中，調(diào)準(zhǔn)與抗飄移機(jī)制用以調(diào)準(zhǔn)及維持物體表面相較于位移傳感器的光束行進(jìn)方向的傾斜角(例如垂直于傳感器光束的方向)，而位移傳感器能夠用來偵測傾斜角，且致動(dòng)器能夠用來調(diào)整傾斜角。在部分實(shí)施例中，同時(shí)調(diào)準(zhǔn)及維持高度及傾斜角是有可能的。而在部分實(shí)施例中，可以同時(shí)采用多個(gè)回饋控制(multiple feedback control)驅(qū)動(dòng)器的方式,其中，姆個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制一個(gè)致動(dòng)器，舉例來說，ー些DVD光學(xué)讀寫頭配置有音圈馬達(dá)，其可用來做ニ維線性位移的調(diào)整(例如沿著光束行進(jìn)的方向及垂直于光束行進(jìn)的方向)，而且做ー維或ニ維物鏡傾斜度的調(diào)整。調(diào)準(zhǔn)及反漂流機(jī)構(gòu)被應(yīng)用在這些DVD光學(xué)讀寫頭中，能夠調(diào)準(zhǔn)及維持在ー維中的平移位置及ニ維中待測對(duì)象相對(duì)光學(xué)讀寫頭光軸的傾斜角。
以上所述僅是舉例性，而非限制性。任何未脫離本發(fā)明的精神與范疇，而對(duì)其進(jìn)行的等效修改或變更，均應(yīng)包括在權(quán)利要求
所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括 一位移傳感器，用以測量介于所述位移傳感器及一待測物件之間的一相對(duì)位置及一相對(duì)方位的至少其中之一； 一致動(dòng)器，連接所述位移感應(yīng)器及/或待測物件；以及 一回饋單元，接收來從所述位移傳感器的一信號(hào)，其與測量所得的所述相對(duì)位置或所述相對(duì)方位有關(guān)，其中所述回饋單元依據(jù)所接收的所述信號(hào)的一飄移，控制所述致動(dòng)器去移動(dòng)所述位移傳感器，而所述飄移是基于一環(huán)境狀態(tài)的改變而產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所述環(huán)境狀態(tài)的改變包括一溫度的改變及一濕度的改變的至少其中之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中，所述環(huán)境狀態(tài)的改變包括一局部溫度的改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所接收的所述信號(hào)的所述飄移還從所述系統(tǒng)中的一機(jī)械應(yīng)力釋放所產(chǎn)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所述回饋單元依據(jù)所接收的所述信號(hào)的低頻飄移，控制所述致動(dòng)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的系統(tǒng)，其中，所述低頻飄移的頻率是低于1Hz。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的系統(tǒng)，其中，所述低頻飄移的頻率是介于低于IHz及IOOmHz之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所述位移傳感器包括一對(duì)焦傳感器。
9. 一光傳感器；及 一物鏡，其中所述物鏡位于所述待測物件及所述光傳感器之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的系統(tǒng)，其中，所述致動(dòng)器與所述物鏡連接，且所述回饋單元控制所述致動(dòng)器去移動(dòng)所述物鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所述致動(dòng)器包括壓電陶瓷致動(dòng)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所述致動(dòng)器包括一音圈馬達(dá)。
13.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所述致動(dòng)器包括一阻尼材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的系統(tǒng)，其中，所述阻尼材料系用以減少所述致動(dòng)器的共振振幅及品質(zhì)因子。
15.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的系統(tǒng)，其中，所述阻尼材料系用以改變所述致動(dòng)器的共振頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所述回饋單元包括 一積分器； 一放大器；及 一噪聲最小化單元。
17.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所述相對(duì)位置包括一垂直分隔物，其位于所述位移傳感器及所述待測物件之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其中，所述相對(duì)位置包括所述位移傳感器相對(duì)于所述待測對(duì)象的一側(cè)向位置。
19.一種方法,包括測量介于一位移傳感器及一待測物件之間的一相對(duì)位置及一相對(duì)方位的至少其中之 在一回饋單元中，接收一信號(hào)，其與測量所得的所述相對(duì)位置或所述相對(duì)方位有關(guān)；以及 依據(jù)所接收的所述信號(hào)的一飄移，控制一致動(dòng)器去移動(dòng)所述位移傳感器，所述飄移是基于一環(huán)境狀態(tài)的改變而產(chǎn)生。
20.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的方法，其中，還包括 設(shè)定所述回饋單元的一設(shè)定值。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的方法，其中，控制所述致動(dòng)器去移動(dòng)所述位移傳感器的步驟包括在所述設(shè)定值的一預(yù)先選擇區(qū)域內(nèi)，維持所接收的所述信號(hào)。
22.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的方法，其中，還包括 設(shè)定所述回饋單元的一驅(qū)動(dòng)速度與一驅(qū)動(dòng)頻寬的至少其中之一。
23.根據(jù)權(quán)利要求
22所述的方法，其中，所述驅(qū)動(dòng)速度與所述驅(qū)動(dòng)頻寬是依據(jù)所述回饋單元的所述設(shè)定值及所接收的所述信號(hào)之間的一誤差而改變。
24.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的方法，其中，控制所述致動(dòng)器去移動(dòng)所述位移傳感器的步驟包括維持所述位移傳感器與所述待測物件之間的所述相對(duì)位置或所述相對(duì)方向?qū)嵸|(zhì)上不變。
25.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的方法，其中，控制所述致動(dòng)器去移動(dòng)所述位移傳感器的步驟包括減少所述位移傳感器與所述待測物件之間的所述相對(duì)位置或所述相對(duì)方向中的所述飄移。
26.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的方法，其中，控制所述致動(dòng)器去移動(dòng)所述位移傳感器的步驟包括控制所述致動(dòng)器去垂直的相對(duì)于所述待測對(duì)象移動(dòng)所述位移傳感器。
27.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的方法，其中，控制所述致動(dòng)器去移動(dòng)所述位移傳感器的步驟包括控制所述致動(dòng)器去側(cè)向的相對(duì)于所述待測對(duì)象移動(dòng)所述位移傳感器。
專利摘要
一種系統(tǒng)包括一位移傳感器、一致動(dòng)器及一回饋單元。其中，位移傳感器用以測量介于位移傳感器及一待測對(duì)象之間的一相對(duì)位置及一相對(duì)方位的至少其中之一；致動(dòng)器連接位移感應(yīng)器與/或待測對(duì)象；回饋單元接收來從位移傳感器的一信號(hào)，其與測量所得的相對(duì)位置或相對(duì)方位有關(guān)，其中回饋單元依據(jù)所接收的信號(hào)的一飄移，控制致動(dòng)器去移動(dòng)位移傳感器，而飄移是基于一環(huán)境狀態(tài)的改變而產(chǎn)生。
文檔編號(hào)G01Q40/00GKCN102844665SQ200980162097
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2009年10月23日
發(fā)明者黃英碩, 胡恩德, 漢斯·烏爾利·丹佐布林克, 哈德莫·I 申請(qǐng)人:梁啟銘導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan