用于距離測(cè)量的耦合多波長(zhǎng)共聚焦系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于測(cè)量到基板的距離的系統(tǒng)，其包括第一光源，所述第一光源通過(guò)透鏡發(fā)射第一波長(zhǎng)在所述基板的區(qū)域上。第二光源通過(guò)透鏡發(fā)射第二波長(zhǎng)在所述基板的區(qū)域上。第一和第二檢測(cè)器配置為檢測(cè)從所述基板反射回的第一和第二波長(zhǎng)光。處理器被配置為計(jì)算第一響應(yīng)函數(shù)，其中所述第一響應(yīng)函數(shù)將從所述第一光源發(fā)射的反射光強(qiáng)度表示為成像設(shè)備和所述基板之間的距離的函數(shù)。第二響應(yīng)函數(shù)將從所述第二光源發(fā)射的反射光強(qiáng)度表示為所述成像設(shè)備和所述基板之間的距離的函數(shù)。比率響應(yīng)函數(shù)將所述第一響應(yīng)函數(shù)和所述第二響應(yīng)函數(shù)的比率表示為所述成像設(shè)備和所述基板之間的距離的函數(shù)。
【專利說(shuō)明】用于距離測(cè)量的耦合多波長(zhǎng)共聚焦系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于測(cè)量介質(zhì)和成像頭之間的距離的裝置，其中該成像頭用于計(jì)算機(jī)直接制版(CPT)成像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]基本的共聚焦技術(shù)由Marvin Minsky發(fā)明并從此在各種形式的文獻(xiàn)中眾所周知。共聚焦顯微鏡的基本原理和優(yōu)點(diǎn)在專利號(hào)為3013467的美國(guó)專利中描述(Minsky等人)。
[0003]Shafir 等人在文章 “Expanding the realm of fiber optic confocal sensingfor probing position, displacement, and veloci”《擴(kuò)大用于探測(cè)位置、位移和速度的光纖共焦傳感的范圍》(Applied Optics，卷45，第30期，2006年10月20日)中使用不同的波長(zhǎng)并調(diào)整成像透鏡的不同焦平面上的光纖尖端。但是Shafir等人沒(méi)有使用用于距離測(cè)量的信號(hào)比。
[0004]美國(guó)專利號(hào)6353216 (Oren等人)也使用了一種共聚焦系統(tǒng)和不同的波長(zhǎng)。該專利中的不同信號(hào)被使用以確定運(yùn)動(dòng)的方向。但沒(méi)有提到使用兩個(gè)信號(hào)的比用于距離測(cè)量的
相法
[0005]上述引用的現(xiàn)有技術(shù)中獲取的共聚焦信號(hào)依賴于樣本的反射率。此外，該共聚焦信號(hào)也依賴于樣本前面的介質(zhì)的光透射率。因此，需要一種不依賴或至少不太依賴于反射率和介質(zhì)的光透射率的共聚焦信號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]簡(jiǎn)單地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種用于測(cè)量到基板的距離的系統(tǒng)包括第一光源，其通過(guò)透鏡發(fā)射第一波長(zhǎng)到基板的區(qū)域上。第二光源通過(guò)透鏡發(fā)射第二波長(zhǎng)到基板的區(qū)域上。第一和第二檢測(cè)器配置為檢測(cè)從基板反射的第一和第二波長(zhǎng)光。處理器被配置為計(jì)算第一響應(yīng)函數(shù)，其中所述第一響應(yīng)函數(shù)將從第一光源發(fā)出的反射光強(qiáng)度表示為成像設(shè)備和基板之間的距離的函數(shù)。第二響應(yīng)函數(shù)將從第二光源發(fā)出的反射光強(qiáng)度表示為成像設(shè)備和基板之間的距離的函數(shù)。比率響應(yīng)函數(shù)將第一和第二響應(yīng)函數(shù)之間的比表示為成像設(shè)備和基板之間的距離的函數(shù)。
[0007]本發(fā)明提出了一種共聚焦系統(tǒng)，其中樣本被兩個(gè)不同的波長(zhǎng)同時(shí)照射。從樣本反射回的信號(hào)的比率對(duì)參數(shù)如反射率和樣本前面的介質(zhì)的光透射率不敏感或不太敏感。
[0008]本發(fā)明的這些和其他目標(biāo)、特征或優(yōu)點(diǎn)在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀下面的詳細(xì)描述連同附圖之后會(huì)變得明顯，其中本發(fā)明的示例性實(shí)施例在下列詳細(xì)說(shuō)明和附圖中被示出和描述。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是用于測(cè)量來(lái)自成像的基板的反射的共聚焦傳感器的一種現(xiàn)有技術(shù)的示意圖；[0010]圖2是示出來(lái)自成像的基板的反射光強(qiáng)度的響應(yīng)函數(shù)的現(xiàn)有技術(shù)示意圖，其中最大值表示焦點(diǎn)；
[0011]圖3是使用各自具有不同的波長(zhǎng)的兩個(gè)光源的共聚焦系統(tǒng)的示意圖；
[0012]圖4A圖示了兩個(gè)響應(yīng)函數(shù)之間的轉(zhuǎn)換；而且
[0013]圖4B圖示了兩個(gè)響應(yīng)函數(shù)的比。
【具體實(shí)施方式】
[0014]在下列詳細(xì)的描述中，闡述了大量具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明透徹的理解。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，本發(fā)明的教導(dǎo)可以被實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需這些具體的細(xì)節(jié)。在其他示例中，眾所周知的方法、過(guò)程、組件和電路沒(méi)有詳細(xì)描述以免模糊本發(fā)明的教導(dǎo)。
[0015]盡管本發(fā)明結(jié)合其中一個(gè)實(shí)施例描述，將理解的是并不意味著將本發(fā)明限制于該實(shí)施例。相反，旨在涵蓋所附權(quán)利要求所涵蓋的替代、修改和等效物。
[0016]圖1示出了常規(guī)和眾所周知的光纖共聚焦傳感器100的結(jié)構(gòu)。該共聚焦傳感器100包括耦合到光纖124和光纖耦合器116的光源104。光纖128發(fā)射的光線136通過(guò)成像透鏡144在基板148的表面上成像。反射回的光140耦合到發(fā)射光纖128并通過(guò)耦合器116和光纖132到達(dá)光檢測(cè)器112。光檢測(cè)器112測(cè)量的強(qiáng)度是到基板148的距離Z160的函數(shù)。
[0017]本發(fā)明的原理在此描述。檢測(cè)器測(cè)量的信號(hào)Vd是成比例的，并且是幾個(gè)參數(shù)的函數(shù):
[0018]Vd(A,z) a 1xG(A,z)xP (λ)χΤ ( λ，ζ).其中，α 代表比例符號(hào)。
[0019]1是照射在樣本上的光的強(qiáng)度。
[0020]P (λ)是樣本的反射率。
[0021]T (λ,ζ)是樣本和成像透鏡之間的介質(zhì)的光透射率。
[0022]Z是到樣本的距離。
[0023]G(A,Z)是描述共聚焦系統(tǒng)總的光響應(yīng)的函數(shù)。它是距離ζ和波長(zhǎng)λ的函數(shù)而且還由共聚焦系統(tǒng)的光參數(shù)如透鏡的數(shù)值孔徑和纖芯直徑定義。
[0024]圖2是描述典型和眾所周知的共聚焦信號(hào)的圖形，其中對(duì)稱曲線描述了作為距離Z函數(shù)的VdU，ζ)。該曲線通過(guò)同時(shí)讀取Vd(A，z)以及沿著Z軸和在已知位置處使用共聚焦系統(tǒng)掃描來(lái)測(cè)量。最佳焦距在對(duì)稱函數(shù)的最大值204處定義。該圖形描述了典型共聚焦系統(tǒng)的模糊性。Vd(X，z)的單個(gè)值對(duì)應(yīng)位置ζ的兩個(gè)不同值。
[0025]沿ζ軸的掃描能夠以若干種技術(shù)來(lái)完成，例如使用嵌入在復(fù)合透鏡336中的自動(dòng)化聚焦系統(tǒng)，該復(fù)合透鏡336由若干種光學(xué)元件構(gòu)建，其中的某些元件能夠被移動(dòng)和控制以改變和調(diào)整透鏡焦距。
[0026]從方程中能夠看出信號(hào)Vd (Z)也取決于樣本的反射率P (λ)和介質(zhì)的光透射率T (λ，ζ)。這意味著在最佳焦點(diǎn)，為具有不同反射率的樣本測(cè)量出不同強(qiáng)度。
[0027]此外，對(duì)于具體的樣本，雖然位于最佳焦點(diǎn)處，如果樣本反射率或介質(zhì)的光透射率在測(cè)量過(guò)程中變化，則由檢測(cè)器測(cè)得的強(qiáng)度將改變。因此在這種情況下，需要反復(fù)掃描峰值以驗(yàn)證最佳焦點(diǎn)的位置。
[0028]圖3描述了使用光纖共聚焦系統(tǒng)的本發(fā)明的基本原理，其中使用了至少兩個(gè)耦合光源和檢測(cè)器單元344和348。光源304 (來(lái)自單元344)和光源308 (來(lái)自單元348)各自發(fā)出不同的波長(zhǎng)。光源304通過(guò)光纖耦合器320耦合到檢測(cè)器312。第一檢測(cè)器312被構(gòu)造成只對(duì)第一光源304發(fā)出的波長(zhǎng)λ I敏感。第二光源308通過(guò)光纖耦合器324耦合到第二檢測(cè)器316。第二檢測(cè)器316被構(gòu)造成只對(duì)第二光源308發(fā)出的波長(zhǎng)λ 2的敏感。單元344和348由光纖耦合器328進(jìn)一步耦合以通過(guò)單一的輸出端口 332發(fā)出合成光。輸出光學(xué)端口 332通過(guò)色散光學(xué)元件在基板148上成像。由于336的色散作用，波長(zhǎng)被聚焦在兩個(gè)不同的平面上，這兩個(gè)平面相對(duì)于彼此偏移ΔΖ。
[0029]處理器340形成響應(yīng)函數(shù)Vd ( λ 1，ζ)，其為所用的波長(zhǎng)λ I與透鏡336和基板148之間的距離ζ的函數(shù)。類似地，處理器340使用不同的波長(zhǎng)λ 2形成響應(yīng)函數(shù)VdU 2，ζ)。處理器340沿限定的范圍計(jì)算比率響應(yīng)函數(shù)，它是函數(shù)VdU 1，ζ)和函數(shù)VdU 2，ζ)的商。計(jì)算的比率響應(yīng)函數(shù)是距離ζ的絕對(duì)單調(diào)函數(shù)。因此函數(shù)VdU，ζ)的模糊性(與常規(guī)共聚焦系統(tǒng)相關(guān))即一個(gè)值對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的Z位置被消除。
[0030]此外，考慮反射率P λ 1、P λ I和光透射率T (λ 1，ζ)和T (λ 2，ζ )是相同的或以相同的方式變化的情況。在這種情況下，比率信號(hào)Vd(λ 1，z)/Vd(A2, z)將對(duì)反射率P和透射率T不敏感或不太敏感。描述共聚焦系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)的G( λ，Ζ)是光學(xué)參數(shù)如透鏡的數(shù)值孔徑和纖芯直徑的函數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)這些光學(xué)參數(shù)，可控制比率VdU 1，z)/Vd(A2, ζ)，獲得例如合適的動(dòng)態(tài)范圍和精度。
[0031]為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)對(duì)于λ I和λ 2共聚焦系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)是相同的情況，其中該光學(xué)響應(yīng)由高斯(Gussian)函數(shù)G( λ, ζ)描述。圖4Α描述歸一化函數(shù)G ( λ 1，ζ)和歸一化函數(shù)G(X2，z)之間沿ζ軸的橫向偏移。該橫向偏移是由于成像透鏡的色散引起的。圖4B描述了 G(A Ι,ζ)和GU 2，ζ)之間的比率。
[0032]實(shí)際上，通過(guò)使用不同類型的檢測(cè)器，光檢測(cè)器如312和316能夠被制成僅對(duì)單一波長(zhǎng)敏感。也能夠使用相同的檢測(cè)器，其中在檢測(cè)器的前面插入適當(dāng)?shù)膸V波器。能夠使用不同的帶通濾波器，例如，基于薄膜技術(shù)的濾波器或由光纖光柵制成的濾波器。
[0033]能夠使用不同的光纖和光纖耦合器以實(shí)施本發(fā)明。例如，能夠使用多模和單模光纖和稱合器、基于波長(zhǎng)和偏振的光纖稱合器和光學(xué)兀件。
[0034]通過(guò)激活光源并同時(shí)測(cè)量檢測(cè)到的信號(hào)能夠同時(shí)完成測(cè)量。通過(guò)順序地激活不同的光源并且使用其相關(guān)的檢測(cè)器執(zhí)行測(cè)量也能給完成測(cè)量。當(dāng)在同時(shí)順序模式下操作時(shí)，沒(méi)有必要頻譜分離光檢測(cè)器，因?yàn)闇y(cè)量是在不同時(shí)間上完成的。
[0035]本發(fā)明的基本原理通過(guò)圖3所述的光纖共聚焦系統(tǒng)描述。然而，通過(guò)使用自由空間光系統(tǒng)或通過(guò)使用混合系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)該原理，其中的混合系統(tǒng)使用光纖元件和自由空間光系統(tǒng)。在使用自由空間光系統(tǒng)的情況下，輸出端口 332可以是例如銷孔孔徑。
[0036]部件列表
[0037]100共聚焦傳感器
[0038]104 光源
[0039]112光檢測(cè)器
[0040]116光纖耦合器
[0041]124將光源連接到耦合器的光纖
[0042]128在基板上發(fā)射光的光纖[0043]132將耦合器連接到檢測(cè)器的光纖
[0044]136發(fā)射到基板的光線
[0045]140從基板反射回的光線
[0046]144成像透鏡
[0047]148基板
[0048]160從透鏡到印刷版的距離ζ
[0049]204最大焦距
[0050]304第一光源
[0051]308第二光源
[0052]312第一檢測(cè)器
[0053]316第二檢測(cè)器
[0054]320耦合器
[0055]324耦合器
[0056]328第一和第二光源之間的稱合器
[0057]332輸出光學(xué)端口
[0058]336色散透鏡
[0059]340處理器
[0060]344耦合的光源和檢測(cè)器單元
[0061]348耦合的光源和檢測(cè)器單元
【權(quán)利要求】
1.一種用于測(cè)量到基板的距離的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 第一光源，其通過(guò)透鏡發(fā)射第一波長(zhǎng)到所述基板的區(qū)域上； 第二光源，其通過(guò)所述透鏡發(fā)射第二波長(zhǎng)到所述基板的所述區(qū)域上； 其中所述透鏡是共聚焦和色散的； 第一檢測(cè)器，其配置為檢測(cè)從所述基板反射回的第一波長(zhǎng)光； 第二檢測(cè)器，其配置為檢測(cè)從所述基板反射回的第二波長(zhǎng)光；和 處理器，其配置為計(jì)算: a)第一響應(yīng)函數(shù)，其中所述第一響應(yīng)函數(shù)將從所述第一光源發(fā)射的反射光強(qiáng)度表不為成像設(shè)備和所述基板之間的距離的函數(shù)； b)第二響應(yīng)函數(shù)，其中所述第二響應(yīng)函數(shù)將從所述第二光源發(fā)射的反射光強(qiáng)度表示為所述成像設(shè)備和所述基板之間的距離的函數(shù)；和 c)比率響應(yīng)函數(shù),其中所述比率響應(yīng)函數(shù)將所述第一響應(yīng)函數(shù)和所述第二響應(yīng)函數(shù)的比率表示為所述成像設(shè)備和所述基板之間的距離的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中使用多于兩個(gè)光源和檢測(cè)器，并且其中每個(gè)光源發(fā)射不同波長(zhǎng)的光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述激光源和所述檢測(cè)器由光纖耦合器耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中光學(xué)端口是光纖的遠(yuǎn)側(cè)尖端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述激光源和檢測(cè)器通過(guò)使用反射鏡、反射器、光纖和光纖兀件而f禹合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)端口是針孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件是由反射鏡和透鏡構(gòu)成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件是遙測(cè)透鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述檢測(cè)器是光子檢測(cè)器或輻射熱測(cè)器。
10.一種距離測(cè)量方法，其包括: 使用色散共聚焦透鏡在基板區(qū)域上成像第一光源發(fā)出的第一波長(zhǎng)； 使用所述色散共聚焦透鏡在所述基板區(qū)域上成像第二光源發(fā)出的第二波長(zhǎng)； 測(cè)量從所述第一光源發(fā)出的反射光的強(qiáng)度； 測(cè)量從所述第二光源發(fā)出的反射光的強(qiáng)度；以及 產(chǎn)生第一響應(yīng)函數(shù)，其中所述第一響應(yīng)函數(shù)將從所述第一光源發(fā)出的反射光強(qiáng)度表示為所述距離的函數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01B11/14GK103620340SQ201280028199
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月9日
【發(fā)明者】O·埃亞爾 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司