專利名稱：光學(xué)探測裝置及包含所述光學(xué)探測裝置的測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)探測裝置及包含所述光學(xué)探測裝置的測量系統(tǒng)，具體來說， 本發(fā)明涉及一種可探測待測物體表面變化的光學(xué)探測裝置及包含所述光學(xué)探測裝置的測 量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
TFT-LCD工藝技術(shù)主要是通過類似半導(dǎo)體制造技術(shù)(鍍膜、曝光、顯影、蝕刻等技 術(shù))在玻璃襯底上形成多個晶體管。在進(jìn)行工藝瑕疵檢測時，一般都需要利用人工或機(jī)器 手臂將所述玻璃襯底放置在TFT-LCD測量系統(tǒng)上進(jìn)行檢測。 參考圖l，其顯示常規(guī)TFT-LCD測量系統(tǒng)的示意圖。測量系統(tǒng)1包括透鏡裝置11、 CCD鏡頭12、定位平臺13及信號處理裝置14。透鏡裝置11包括物鏡，其是一維陣列透鏡。 CCD鏡頭12通過透鏡裝置11檢索物體15(例如所述玻璃襯底)的圖像。物體15被放置 在機(jī)臺17上。定位平臺13包括驅(qū)動馬達(dá)、馬達(dá)軸控制卡及平臺本體。定位平臺13用以調(diào) 整透鏡裝置11的焦距。透鏡裝置11、CCD鏡頭12及定位平臺13位于固定襯底16上，使得 透鏡裝置11與物體15間隔一適當(dāng)距離。信號處理裝置14接收來自CCD鏡頭12的圖像數(shù) 據(jù)，且將所述圖像數(shù)據(jù)的圖像質(zhì)量與其聚焦標(biāo)準(zhǔn)相比較，并產(chǎn)生控制信號，進(jìn)而將所述控制 信號傳送至定位平臺13以調(diào)整透鏡裝置11的焦距。 在實際操作時，必須重復(fù)上述檢索圖像_對比_調(diào)整焦距_檢索圖像的程序多次， 直到所述圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量符合所述聚焦標(biāo)準(zhǔn)為止。如此，將會浪費(fèi)許多時間，而且以此方式 檢索的圖像清晰標(biāo)準(zhǔn)并無一定的規(guī)范。 測量系統(tǒng)1的另一個缺點(diǎn)為，當(dāng)物體15被放置在機(jī)臺17上時，如果受到外部激 振，將造成物體15產(chǎn)生振動，導(dǎo)致CCD鏡頭12產(chǎn)生圖像畫面模糊從而造成測量上的誤差， 尤其當(dāng)透鏡裝置11的物鏡采用50倍顯微物鏡進(jìn)行檢測時，其測量景深僅約0. 9 ii m，當(dāng)有微 小的振動時，常造成圖像無法檢測。 參考圖2，其顯示常規(guī)DVD讀寫頭的示意圖。DVD讀寫頭2為SONY公司所生產(chǎn)的 型號為KHM 210AAA的DVD讀取頭。所述DVD讀寫頭2包括激光二極管(LaserDiode) 21、光 柵(Grating) 22、分光器23、準(zhǔn)直透鏡(Collimator Lens)24、物鏡(Objectivelens) 25、柱 面透鏡(Cylinderical Lens) 26、光電探測器(Photo Detector) 27及音圈(VoiceCoil) 28。
激光二極管21用以發(fā)出光束。光柵22用以使所述光束產(chǎn)生衍射。分光器 23包括偏振分束器(Polarization Beam Splitter, PBS) 231及1/4波片(Quarter Wav印late) 232，用以使所述光束偏振，且改變所述光束的行進(jìn)方向。準(zhǔn)直透鏡24用以使所述光束形成一準(zhǔn)直光束。物鏡25的中央具有多個同心圓形溝槽，音圈28連接至物鏡25。 所述準(zhǔn)直光束經(jīng)過物鏡25時將可使所述準(zhǔn)直光束分離成兩個部分，在一盤片29上聚焦成 適合DVD或CD光盤的數(shù)據(jù)存儲位置的雙焦點(diǎn)，且同時產(chǎn)生反射光束。
所述反射光束穿過物鏡25、準(zhǔn)直透鏡24、分光器23及柱面透鏡26而投射至光 電探測器27上。光電探測器27為光電二極管(Photodiode IC)，其包括四象限光電探測 器(Four-Quadrant Photo Detector) 271，如圖3所示，四象限光電探測器271依據(jù)所述反 射光束在四個象限(A、 B、 C及D四個象限)上的光分布而輸出聚焦錯誤信號(FocusError Signal)。 參考圖4，其顯示常規(guī)DVD讀寫頭的聚焦原理的示意圖。DVD讀寫頭2(圖2)的聚 焦原理為像散法。所謂像散法是指成像時橫向與縱向的成像位置不同，因此造成像點(diǎn)的失 真，利用此像散特性作為測量的依據(jù)。當(dāng)物鏡25的垂直焦距與水平焦距不同，則如果盤片 29偏離物鏡25前焦面位置時，在四象限光電探測器271上的成像光點(diǎn)呈現(xiàn)橢圓變化(例如 第一平面31及第三平面33)，當(dāng)盤片29位于物鏡25的正焦位置時，成像光點(diǎn)呈現(xiàn)圓形(例 如第二平面32)。第一平面31對應(yīng)于圖5a，所述第二平面32對應(yīng)于圖5b，第三平面33對 應(yīng)于圖5c。 參考圖6，其顯示常規(guī)四象限光電探測器的聚焦錯誤信號的S曲線的示意圖。所述 S曲線是將對圖5a至5c進(jìn)行信號處理而得出。以圖5a為例，將第一平面31在A象限及C 象限的面積總和減去在B象限及D象限的面積總和，所得到的值為正值，其即對應(yīng)于所述S 曲線左側(cè)的正值線段。以圖5b為例，將第二平面32在A象限及C象限的面積總和減去在B 象限及D象限的面積總和，所得到的值為O，其即對應(yīng)于所述S曲線的原點(diǎn)(零點(diǎn))。以圖 5c為例，將第三平面33在A象限及C象限的面積總和減去在B象限及D象限的面積總和， 所得到的值為負(fù)值，其即對應(yīng)于所述S曲線右側(cè)的負(fù)值線段。所述S曲線所對應(yīng)的水平長 度L，在CD時為20 ii m，在DVD時為7 y m。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種測量系統(tǒng)，其包括透鏡裝置、圖像檢索裝置、定 位平臺、光學(xué)探測裝置及信號處理裝置。所述圖像檢索裝置通過所述透鏡裝置檢索物體的 圖像。所述定位平臺用以調(diào)整所述透鏡裝置的焦距。所述光學(xué)探測裝置用以探測所述物體 的位置，且發(fā)出第一信號。所述信號處理裝置在接收且處理所述第一信號后發(fā)出第二信號 至所述定位平臺。借此，可實現(xiàn)自動對焦的功能。 本發(fā)明的另一 目的在于提供一種光學(xué)探測裝置，其包括發(fā)光源、光柵 (Grating)、分光器、準(zhǔn)直透鏡(Collimator Lens)、反射鏡(Mirror)、物鏡(Objective lens)、柱面透鏡(Cylinderical Lens)及光電探測器(Photo Detector)。所述發(fā)光源用 以發(fā)出光束。所述光柵用以使所述光束產(chǎn)生衍射。所述分光器用以使所述光束偏振且改變 所述光束的行進(jìn)方向。所述準(zhǔn)直透鏡用以使所述光束形成準(zhǔn)直光束。所述反射鏡用以改變 所述準(zhǔn)直光束的行進(jìn)方向。所述物鏡的中央具有多個同心圓形溝槽，用以將所述準(zhǔn)直光束 聚焦至所述物體上。所述柱面透鏡用以接收來自所述物體的反射光束，所述反射光束穿過 所述物鏡、所述反射鏡、所述準(zhǔn)直透鏡及所述分光器。所述光電探測器用以探測所述反射光 束。借此，可使得所述光學(xué)探測裝置的測量點(diǎn)十分接近所述透鏡裝置及所述圖像檢索裝置的測量區(qū)，因而可以減少所述光學(xué)探測裝置與所述透鏡裝置及所述圖像檢索裝置之間的非同軸測量誤差。


圖
1顯示常規(guī)TFT-LCD測量系統(tǒng)的示意圖；2顯示常規(guī)DVD讀寫頭的示意圖；3顯示常規(guī)光電探測器的四象限光電探測器的示意圖；4顯示常規(guī)DVD讀寫頭的聚焦原理的示意圖；5a顯示常規(guī)四象限光電探測器上第一種成像狀態(tài)5b顯示常規(guī)四象限光電探測器上第二種成像狀態(tài)5c顯示常規(guī)四象限光電探測器上第三種成像狀態(tài)6顯示常規(guī)四象限光電探測器的聚焦錯誤信號的S曲線的示意圖；7顯示本發(fā)明的測量系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的示意8顯示本發(fā)明的測量系統(tǒng)的光學(xué)探測裝置的優(yōu)選實施例的內(nèi)部示意圖；9顯示本發(fā)明的測量系統(tǒng)的光學(xué)探測裝置的優(yōu)選實施例的立體組合示意圖
10顯示本發(fā)明的光學(xué)探測裝置的S曲線的實際測量結(jié)果；
11顯示本發(fā)明的光學(xué)探測裝置實際測量TFT-LCD的結(jié)果；
12顯示本發(fā)明的光學(xué)探測裝置實際測量的十字形樣版；及
13顯示本發(fā)明的光學(xué)探測裝置的動態(tài)測試結(jié)果。
具體實施例方式
參考圖7，其顯示本發(fā)明的測量系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的示意圖。測量系統(tǒng)4包括透鏡裝置41、圖像檢索裝置42、定位平臺43、光學(xué)探測裝置44及信號處理裝置45。透鏡裝置41包括物鏡，其為一維陣列透鏡。在本實施例中物鏡為十倍物鏡。圖像檢索裝置42通過透鏡裝置41檢索物體46(例如玻璃襯底)的圖像。在本實施例中，圖像檢索裝置42為CCD鏡頭。物體46被放置在機(jī)臺47上。定位平臺43包括驅(qū)動馬達(dá)、馬達(dá)軸控制卡及平臺本體。定位平臺43用以調(diào)整透鏡裝置41的焦距。在本實施例中，定位平臺43的精度可達(dá)0. liim，所述驅(qū)動馬達(dá)的型號為5-PHASE DRIVER DFU1507，所述馬達(dá)軸控制卡由ADVANTECH公司生產(chǎn)，其型號為PCI-1240U，所述平臺本體由K0HZU公司生產(chǎn)，其型號為XA07-13。
光學(xué)探測裝置44用以探測物體46的位置且發(fā)出第一信號。透鏡裝置41、圖像檢索裝置42、定位平臺43及光學(xué)探測裝置44均位于固定襯底48上，使得透鏡裝置41與物體46間隔一適當(dāng)距離。信號處理裝置45在接收且處理來自所述光學(xué)探測裝置44的所述第一信號后發(fā)出第二信號至定位平臺43，以調(diào)整透鏡裝置41的焦距。 參考圖8，其顯示本發(fā)明的測量系統(tǒng)的光學(xué)探測裝置的優(yōu)選實施例的內(nèi)部示意圖。光學(xué)探測裝置44包括發(fā)光源441、光柵(Grating)442、分光器443、準(zhǔn)直透鏡(CollimatorLens)444、反射鏡(Mirror) 445、物鏡(Objective lens) 446、柱面透鏡(Cylinderical Lens)447、光電探測器(Photo Detector)448及音圈(Voice Coil)449。
在本實施例中，發(fā)光源441為一激光二極管(Laser Diode)，其用以發(fā)出光束。光柵442用以使所述光束產(chǎn)生衍射。分光器443包括偏振分束器(Polarization BeamSplitter, PBS) 4431及1/4波片(Quarter Wav印late) 4432，用以使所述光束偏振，且改變所述光束的行進(jìn)方向。準(zhǔn)直透鏡444用以使所述光束形成一準(zhǔn)直光束。反射鏡445用以改變所述準(zhǔn)直光束的行進(jìn)方向。物鏡446的中央具有多個同心圓形溝槽，音圈449連接至物鏡446。所述準(zhǔn)直光束經(jīng)過物鏡446時將可使所述準(zhǔn)直光束聚焦至物體46上，且同時產(chǎn)生反射光束。 所述反射光束穿過物鏡446、反射鏡445、準(zhǔn)直透鏡444、分光器443及柱面透鏡447而投射至光電探測器448上。在本實施例中，光電探測器448為光電二極管(PhotodiodeIC)，其包括四象限光電探測器(Four-Quadrant Photo Detector)(與圖3的四象限光電探測器271相同)，所述四象限光電探測器依據(jù)所述反射光束在四個象限(A、B、C及D四個象限)上的光分布而輸出聚焦錯誤信號(Focus Error Signal)(即所述第一信號)。
參考圖9，其顯示本發(fā)明的測量系統(tǒng)的光學(xué)探測裝置的優(yōu)選實施例的立體組合示意圖。請同時參考圖8及圖9，光學(xué)探測裝置44包括本體外殼50及L形管51。本體外殼50用以容納發(fā)光源441、光柵442、分光器443、準(zhǔn)直透鏡444、柱面透鏡447及光電探測器448。 L形管51為中空管體，其具有第一端511、轉(zhuǎn)折部512及第二端513。第一端511連接至本體外殼50，反射鏡445位于轉(zhuǎn)折部512，物鏡446及音圈449位于第二端513。
請再參考圖9，測量系統(tǒng)4還包括固定架52、微調(diào)平臺53及轉(zhuǎn)接板54。光學(xué)探測裝置44的本體外殼50通過轉(zhuǎn)接板54而固定在微調(diào)平臺53上。在本實施例中，微調(diào)平臺53為手動微調(diào)平臺。微調(diào)平臺53固定在固定架52上，固定架52固定在固定襯底48上。
再參考圖7，在測量系統(tǒng)4中，由于光學(xué)探測裝置44的特殊設(shè)計，可使得光學(xué)探測裝置44的測量點(diǎn)十分接近于透鏡裝置41及圖像檢索裝置42的測量區(qū)，因而可以減少光學(xué)探測裝置44與透鏡裝置41及圖像檢索裝置42之間的非同軸測量誤差。
測量系統(tǒng)4的操作方式如下。首先，將物體46放置在機(jī)臺47上。接著，驅(qū)動定位平臺43，使得圖像檢索裝置42所接收的圖像達(dá)到最清晰的狀態(tài)。接著，以手動方式調(diào)整光學(xué)探測裝置44的上下位置，使光學(xué)探測裝置44與物體46之間的距離恰好位于S曲線的線性區(qū)域的原點(diǎn)(零點(diǎn))上。調(diào)整完成后，將光學(xué)探測裝置44固定住。接著，即可進(jìn)行對物體46的掃瞄測量，在掃瞄測量過程中，經(jīng)由光學(xué)探測裝置44可測量出物體46表面高度的變化，而且將所述高度變化值實時地反饋至信號處理裝置45，信號處理裝置45根據(jù)所述高度變化值驅(qū)動定位平臺43，以調(diào)整透鏡裝置41的焦距，從而使測量系統(tǒng)4完成自動對焦。
以下是測量系統(tǒng)4的相關(guān)實驗及結(jié)果。 參考圖10，其顯示本發(fā)明的光學(xué)探測裝置的S曲線的實際測量結(jié)果。所述S曲線的測量方式如下，首先將光學(xué)探測裝置44從微調(diào)平臺53拆下后固定至一精密線性馬達(dá)平臺上。接著，將測試用反射鏡固定在光學(xué)探測裝置44下方。接著，再利用所述精密線性馬達(dá)推動光學(xué)探測裝置44至距離測試用反射鏡適當(dāng)?shù)奈恢?。隨后，每次移動lym，到達(dá)定位時，觸發(fā)A/D數(shù)據(jù)檢索卡，以讀取光學(xué)探測裝置44的輸出信號(即聚焦錯誤信號)與平臺位移值。如此，可以得到平臺位置與光學(xué)探測裝置44的聚焦錯誤電壓信號的對應(yīng)關(guān)系，此關(guān)系便是S曲線，如圖10所示。要注意的是，在本發(fā)明中，所應(yīng)用的S曲線的區(qū)段僅為曲線60的線性區(qū)段。 參考圖ll，其顯示本發(fā)明的光學(xué)探測裝置實際測量TFT-LCD的結(jié)果。從圖中可看出，本發(fā)明可應(yīng)用于TFT-LCD的高度測量。
參考圖12，其顯示本發(fā)明的光學(xué)探測裝置實際測量的十字形樣版。所述十字形樣版經(jīng)a-st印儀器測量后，得到其膜厚高度為0.2649ym。本發(fā)明的光學(xué)探測裝置44采用與a-st印儀器相同的測量掃描方向(圖中箭頭方向)，將測量到的電壓值通過S曲線斜率值轉(zhuǎn)換成位移單位后，得到高度值為0. 274ym，誤差量約3%。因此可知光學(xué)探測裝置44的測量精度相仿于常規(guī)精密測量儀器。 參考圖13，其顯示本發(fā)明的光學(xué)探測裝置的動態(tài)測試結(jié)果。以Physiklnstrumente(PI)公司生產(chǎn)的三軸納米定位平臺(型號為PI-762. 3L)的X軸方向作為激振源，在X軸方向上粘貼反射片，并將光學(xué)探測裝置44放置在所述反射片上方。利用函數(shù)產(chǎn)生器輸入頻率為1. 5KHz、位移為5 ii m的正弦信號至所述三軸納米定位平臺的X軸向，如圖13所示檢索光學(xué)探測裝置44的輸出信號。因此，可證明光學(xué)探測裝置44的測量速度至少每秒達(dá)30mm。 上述實施例僅用以說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用以限制本發(fā)明。因此，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不違背本發(fā)明精神的前提下對上述實施例進(jìn)行修改及改變。本發(fā)明的權(quán)利要求范圍應(yīng)如隨附的權(quán)利要求書中所陳述。
權(quán)利要求
一種測量系統(tǒng)，其包括透鏡裝置；圖像檢索裝置，其通過所述透鏡裝置檢索物體的圖像；定位平臺，其用以調(diào)整所述透鏡裝置的焦距；光學(xué)探測裝置，其用以探測所述物體的位置且發(fā)出第一信號；及信號處理裝置，其在接收且處理所述第一信號后發(fā)出第二信號至所述定位平臺。
2. 如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其中所述透鏡裝置包括十倍物鏡。
3. 如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其中所述圖像檢索裝置為CCD鏡頭。
4. 如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其中所述定位平臺包括驅(qū)動馬達(dá)、馬達(dá)軸控制卡及平臺本體。
5. 如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括固定襯底，所述透鏡裝置、所述圖像檢索裝置、所述定位平臺及所述光學(xué)探測裝置均位于所述固定襯底上。
6. 如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括固定架及微調(diào)平臺，所述光學(xué)探測裝置固定在所述微調(diào)平臺上，所述微調(diào)平臺固定在所述固定架上，而所述固定架固定在所述固定襯底上。
7. 如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其中所述光學(xué)探測裝置包括發(fā)光源，其用以發(fā)出光束；光柵，其用以使所述光束產(chǎn)生衍射；分光器，其用以使所述光束偏振且改變所述光束的行進(jìn)方向；準(zhǔn)直透鏡，其用以使所述光束形成準(zhǔn)直光束；反射鏡，其用以改變所述準(zhǔn)直光束的行進(jìn)方向；物鏡，其中央具有多個同心圓形溝槽，用以將所述準(zhǔn)直光束聚焦至所述物體上；柱面透鏡，其用以接收來自所述物體的反射光束，所述反射光束穿過所述物鏡、所述反射鏡、所述準(zhǔn)直透鏡及所述分光器；及光電探測器，其用以探測所述反射光束且發(fā)出所述第一信號。
8. 如權(quán)利要求7所述的測量系統(tǒng)，其中所述發(fā)光源為激光二極管。
9. 如權(quán)利要求7所述的測量系統(tǒng)，其中所述分光器包括偏振分束器及1/4波片。
10. 如權(quán)利要求7所述的測量系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括連接到所述物鏡的音圈。
11. 如權(quán)利要求7所述的測量系統(tǒng)，其中所述光電探測器為光電二極管，其包括四象限光電探測器，所述四象限光電探測器依據(jù)所述反射光在四個象限上的光分布而輸出聚焦錯誤信號。
12. 如權(quán)利要求7所述的測量系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括本體外殼及L形管，所述本體外殼用以容納所述發(fā)光源、所述光柵、所述分光器、所述準(zhǔn)直透鏡、所述柱面透鏡及所述光電探測器，所述L形管具有第一端、轉(zhuǎn)折部及第二端，所述第一端連接至所述本體外殼，所述反射鏡位于所述轉(zhuǎn)折部處，所述物鏡位于所述第二端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量系統(tǒng)，其包括透鏡裝置、圖像檢索裝置、定位平臺、光學(xué)探測裝置及信號處理裝置。所述圖像檢索裝置通過所述透鏡裝置檢索物體的圖像。所述定位平臺用以調(diào)整所述透鏡裝置的焦距。所述光學(xué)探測裝置用以探測所述物體的位置且發(fā)出第一信號。所述信號處理裝置在接收且處理所述第一信號后發(fā)出第二信號至所述定位平臺。借此，可實現(xiàn)自動對焦功能。
文檔編號G01B11/02GK101726250SQ200910211939
公開日2010年6月9日 申請日期2007年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月18日
發(fā)明者葉光明, 曾健明, 朱志良, 李佶峰, 林佑整, 鐘政英 申請人:財團(tuán)法人金屬工業(yè)研究發(fā)展中心