表面等离子共振测量装置和方法
专利汇可以提供表面等离子共振测量装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的测量方法或装置是利用 表面等离子共振 原理实现，可测量两个物体间的微小间隙、位移或相对 位置 。本发明的测量方法首先提供一含横磁(TM)波光束，并利用所述光束产生所述二个物体中一者的表面等离子共振现象。之后测量所述光束的反射光或穿透光 信号 大小，并通过所述微小间隙宽度小于等于2倍表面等离子波穿透深度时，表面等离子共振现象对所述微小间隙、位移或相对位置的变化有灵敏反应的特性，由信号大小的变化获得所述微小间隙、位移大小或相对位置。藉此，可测量比2倍穿透深更小或可达10nm以下的间隙宽度、位移、相对位置或表面平坦度。，下面是表面等离子共振测量装置和方法专利的具体信息内容。
1.一种表面等离子共振测量装置，包含：
一光照组合件，用以提供一含横磁(TM)模式成分的光束；
一光耦合单元，包含一金属薄膜表面，供所述光束入射激发产生表面等离子共振 波；
一相对物体，与所述光耦合单元的金属薄膜表面相距一间隙，其宽度小于等于所 述表面等离子共振波的穿透深度的2倍距离；
一光检测单元，检测所述光束于所述金属薄膜表面的反射光信号或穿透光信号， 并将其转换为电气信号；和
一输出单元，将所述电气信号转换成输出信号，据以获得所述光耦合单元与所述 相对物体间的几何数值。
2.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述几何数值是所述间 隙的宽度。
3.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述几何数值是所述光 耦合单元与所述相对物体的相对位移。
4.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述几何数值是所述光 耦合单元与所述相对物体的相对位置。
5.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述几何数值是所述相 对物体的表面平坦度。
6.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述间隙小于等于所述 光束波长的二分之一。
7.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述光照组合件所产生 所述光束的光源为激光、钨丝灯、汞灯、发光二极管或同步辐射光。
8.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述光束的波长为可见 光、红外光或紫外光频段范围。
9.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述光照组合件提供含 有TM模式成分的所述光束是利用光学镜组或极化偏极片调制而成。
10.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述光耦合单元是采用 棱镜耦合方式、光栅耦合方式，或光波导耦合方式产生表面等离子共振效应。
11.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述金属薄膜的材料是 单一层金、银或复合金属。
12.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述金属薄膜的材料是 复数层金、银、或复合金属或复合材料的组成。
13.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述光检测单元是光感 测二极管、光电倍增管、光放大二极管、CMOS传感器或CCD传感器。
14.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述输出单元是显示装 置、存储装置或控制装置；且所述输出信号可经由对比数据模拟结果、查找实验数 值对照表或图像数值分析方法，以获得所述几何数值。
15.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述相对物体的表面是 单一介质材料或覆有材料层。
16.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述相对物体是一较大 物体表面的一局部区域。
17.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述相对物体由透光、 半透光或不透光材料所组成。
18.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述间隙的充填状态是 真空、气态、液态或具弹性的固态介质。
19.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述间隙的充填状态是 空气，水溶液、酒精溶液、树脂、粘合剂、胶状物，橡胶或微簧片。
20.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于利用表面等离子共振效 应获得所述几何数值的方式是采用角度探测法、波长探测法、强度探测法、相位探 测法，或以上方法的组合。
21.如权利要求10所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于使用棱镜耦合方式的棱 镜是直角棱镜、三角棱镜、半圆球棱镜或半圆柱棱镜。
22.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述光耦合单元由所述 金属薄膜直接镀于棱镜、光栅、或光波导之上组成。
23.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述光耦合单元是利用 折射率匹配液将镀有所述金属薄膜的载片贴附于棱镜、光栅、或光波导之上组成。
24.如权利要求1所述的表面等离子共振测量装置，其特征在于所述相对物体为透光或 半透光材料，且利用所述光束于所述金属薄膜表面的所述穿透光信号的变化量而获 得所述几何数值。
25.一种表面等离子共振测量方法，用以测量二个物体间的几何数值，包含下列步骤：
提供一含TM模式成分的光束；
利用所述光束于所述二个物体中一者的一表面产生表面等离子共振波；和 测量所述光束的反射光或穿透光信号；并通过所述二个物体间的间隙小于等于所 述表面等离子共振波的穿透深度2倍距离时，表面等离子共振效应对于所述间隙距 离变化反应灵敏的特性，由所述反射光或穿透光信号的变化量获得所述几何数值。
26.如权利要求25所述的表面等离子共振测量方法，其特征在于所述几何数值是所述间 隙的宽度。
27.如权利要求25所述的表面等离子共振测量方法，其特征在于所述几何数值是所述二 个物体中一者的该表面的表面平坦度。
28.如权利要求25所述的表面等离子共振测量方法，其特征在于所述几何数值是所述二 个物体的相对位移或相对位置。
29.如权利要求25所述的表面等离子共振测量方法，其特征在于所述间隙小于等于所述 光束波长的二分之一。
30.如权利要求25所述的表面等离子共振测量方法，其特征在于所述表面等离子共振利 用棱镜耦合方式、光栅耦合方式，或光波导耦合方式产生。
31.如权利要求25所述的表面等离子共振测量方法，其特征在于所述光束的反射光或穿 透光信号转换成电气信号，且将所述电气信号对比数据模拟结果或查找实验数值对 照表，或图像数值分析方法，以获得所述几何数值。
32.如权利要求25所述的表面等离子共振测量方法，其特征在于利用表面等离子共振效 应获得所述几何数值的方式是采用角度探测法、波长探测法、强度探测法、相位探 测法，或以上方法的组合。
33.如权利要求25所述的表面等离子共振测量方法，其特征在于所述二个物体之一是 包含一金属薄膜表面的棱镜，且表面等离子产生于所述金属薄膜表面。
技术领域
本发明涉及一种应用表面等离子共振原理来测量微小间隙宽度、位移或相对位置的 装置和方法，尤其涉及一种应用于纳米级间隙、位移或相对位置的表面等离子共振测量 装置和方法。
背景技术
美国麻省理工学院的研究群曾利用所谓「chirped-Talbot effect」来进行纳米间隙的 测量，指出其方法的灵敏度可达到1nm以下；然而，其可测量范围却在30μm到1μm 左右。基于此，为了克服光学方法测量物体间隙宽度无法突破二分之一波长的干涉限制， 本发明提出以「表面等离子共振」方法，来测量两个物体间纳米级间隙宽度、位移变化 和相对位置。
所谓「表面等离子共振」现象，是一种金属表面电子的集体性震荡行为，是利用与 入射面平行的横磁(Transverse Magnetic；TM)模式光经由棱镜等物件耦合之后，因棱镜 另一面镀有金属薄膜(一般为金或银)，即会在金属表面处产生表面等离子波，当其中入 射光波向量与在此一含金属薄膜界面的介质材料的表面等离子波波向量相等时，即产生 共振现象，此时入射光将能量转移至发生表面等离子共振现象的界面上，使得反射光强 度(或称反射率)急剧下降，如图1所示。表面等离子共振现象发生的特征为：当入射光 满足表面等离子共振条件时，其共振角B发生在大于全反射临界角A的特定角度下(本 例约44度)，此时大部分入射光能量被吸收，甚至是几乎被完全吸收，所以在共振角B 时其反射光强度(或反射率)为最低，且理论上可降至零。
当入射光波向量如下列式(1)与表面等离子波波向量如下列式(2)，二者相等时为波向 量匹配，可发生表面等离子共振现象，而将入射光能量转移给表面等离子波。事实上， 只有符合特定条件(如特定入射角或特定波长)，才能产生表面等离子共振现象。其中入 射光波向量，可表示为
kx＝konp sinθ (1)
其中kx表示入射光平行于金属与棱镜界面波向量分量，k0为真空中的波向量 k0＝ω/c＝2π/λ，ω是角频率，c是光速，λ是入射光波长，θ为光线入射角，np是棱 镜的折射率。而表面等离子波向量ksp表示为
其中εm与εd分别是金属介电系数和待测物体的介电系数，且
当入射光与表面等离子波满足其波向量kx＝ksp时，即形成表面等离子共振现象，此 时如果式(2)中任一参数发生些微的改变(如折射率改变)，即会使原共振条件不再被满足， 而使得入射光与表面等离子波的能量耦合再度发生变化。源于此，可利用此表面等离子 共振现象，测量待测物体上微小的物理或化学特性变化。
基本上，产生表面等离子共振的入射光耦合有三种方式，分别为光栅耦合、光波导 耦合和棱镜耦合。其中棱镜耦合方式经常搭配以衰减全内反射法(Attenuated Total Internal Reflection；ATR)进行反射率测量，且因其使用上最简单方便，已成为最普遍的 表面等离子共振测量装置。棱镜耦合又因基本组件的结构构型不同而有KR构型和Otto 构型二种。其中主要区分为KR构型为在棱镜底面镀上一层金属薄膜，而Otto构型则是将 一棱镜放置在一表面镀有一层金属薄膜的平板上方。但无论其构型或其光耦合方式如何 转化，只要其可满足入射光波向量kx与界面介质材料的波向量ksp相等的条件，即能形成 表面等离子共振效应，而可做为各种测量上的应用。
目前表面等离子共振现象的测量基本上分为四种方式，分别为角度探测(angular interrogation)、波长探测(wavelength interrogation)、强度探测(intensity interrogation)和相 位探测(phase interrogation)。
「角度探测」是改变入射光的入射角度，所以其水平波向量会随着角度增加而增加。 当达到一特定的入射角度，光的水平波向量与表面等离子共振波向量相等时，反射光强 度会有一最小值，此角度即表面等离子波的共振角。其后，如果界面上相邻介质的折射 系数有所变化，或贴附于界面上待测物的折射率或重量、密度有所变化时，即会造成表 面等离子波向量改变，进而使得共振角度变化漂移。通过测量角度漂移即可得知界面处 或其上待测物的物理或化学性质改变的情况。
「波长探测」是采用一固定入射角度，而改变不同的入射光波长以进行测量，当入 射光波长调整至一特定波长下，可满足表面等离子共振条件，反射光强度也降至一最小 值，此特定波长即为表面等离子共振波长。其后，如果界面上相邻介质的折射系数有所 变化，或贴附于界面上待测物的折射率或重量、密度有所变化时，即会造成表面等离子 波向量改变，进而使得共振波长变化漂移。通过测量波长漂移即可得知界面处或其上待 测物的物理或化学性质改变情况。
「强度探测」是利用在界面上物理或化学性质产生些微变化时，造成表面等离子共 振条件改变，而使得反射光强度发生改变；此时，只要测量反射光强度变化量，即可得 知其界面物理或化学性质改变情况。通常，为了能够有较高的灵敏度，会选择固定入射 角在反射光强度曲线斜率最大值的位置上来进行测量。
「相位探测」是因当表面等离子共振现象发生时，除反射光的强度会有变化外，反 射光的光波相位也会产生对应的剧烈变化，而可利用测量的方式获知界面处的物理或化 学性质变化。当在共振角度下时，此相位角有最剧烈的改变，此时称为相位跳跃(phase jump)。在进行相位探测时，通常会固定光入射角在共振角附近，以获得最高的灵敏度。
由于表面等离子共振的原理简单，装置也不复杂，学术界或工业界早已应用此技术 于气体或生化的检测方面。例如，公元1982年Nylander和Liedberg首度利用KR结构应用 于气体和生化检测技术上，而奠定各式微传感器的研究基础。公元1992年，Iorgenson和 Yee使用光纤作为表面等离子共振传感器，于传统光纤沉积银金属薄膜来形成表面等离 子共振感测结构，并以波长探测法来检测金属表面物质特性的改变。公元1992年，一利 用光学干涉系统的集成化光波导感测结构被应用于将化学变化的信号转换为光信号，并 藉此读出光干涉现象所产生的相位变化，以检测化学溶液的性质。
美国专利号US6,208,422揭示一种Otto构型的表面等离子感测装置20，如图2(a)所 示。其基本结构是将可产生表面等离子波的金属薄膜平板201、202置于一可移动载台203 上，其下附有一压电元件204，且与一棱镜205的一表面206相隔一间隙。测量时使用二 个入射光束209和209′搭配一测量光源200，而由二个光检测器207、208来接收于所述表 面206的反射光信号，进而产生两个光量信号220、222，其中光量信号222通过一放大器 221。然后，所述两个光量信号220、222送入一数据处理单元225，并产生一驱动控制信 号224。所述驱动控制信号224控制一驱动器223驱动所述压电元件204的上下运动。藉此， 可控制所述棱镜205与金属膜平板201间的距离。然而，所述Otto构型的表面等离子感测 装置20的结构复杂，且需要两个入射光束209和209′和搭配二个光检测器207、208才可进 行测量。不仅操作不便，且因结构复杂也影响其稳定性。
另外，日本专利JP6265336号揭示一种Otto构型的表面等离子共振效应的精密距离 控制装置21，如图2(b)所示。所述精密距离控制装置21是由一棱镜210、一中性密度 滤光片211、一圆柱状透镜212、一光电二极管阵列213、一聚光透镜214、一光圈215、 一扩束器216、一偏光板217、一单色激光光源218、一介电薄膜219、一镜台230、一 压电晶体231和一平台232所构成。其主要运作原理为应用所述单色激光光源218产生 的光束依序通过所述偏光板217、所述扩束器216、所述光圈215和所述聚光透镜214 而来到所述棱镜210以产生表面等离子共振。之后会产生一反射光束依序通过所述中性 密度滤光片211和所述圆柱状透镜212，然后被所述光电二极管阵列213所接收检测， 其主要目的为测量共振角度；且，所产生的表面等离子共振状况将会透过所述介电薄膜 219和所述镜台230(为一导电材质)而传送给所述压电晶体231。之后，所述压电晶体231 和所述光电二极管阵列213透过一数据处理单元(图未示)而控制所述平台232的水平方 向，并得以精密控制两个物体间的距离。但所述日本专利仍局限于Otto构型的表面等离 子共振的应用，且未说明共振角与间隙大小对应变化的关联性，而仅为控制两个物体距 离于共振角位置附近，不能用于测量两个物体的间隙宽度或位移距离。
发明内容
本发明是利用光学Fresnel反射定理计算在不同多层界面间的反射系数对应关系， 并写成反射率的变化公式(详细描述于实施方法)。之后，以KR结构构型为基础，并由 上述反射率的变化公式发展出完整的三维立体模拟程序，而得模拟入射角与反射率的变 化关系。本发明即利用当两个物体的间隙小于等于2倍表面等离子波穿透距离时，入射 角与反射率的共振曲线的变化非常敏感的现象，做为纳米级微小间隙、位移或相对位置 的测量方法，并发展其测量装置。
表面等离子波穿透深度(penetration depth)，η，是指介值内表面等离子波电场强度 衰减至界面处强度的e-1，(e为自然指数)，其数值受入射光波长、金属折射率、介质折 射率与其界面状态(如界面洁净度)变化而有所不同，而与理论值有些许误差。理论值公 式如下式(3)：
其中λ是入射光波长，εm与εd分别是金属介电系数和待测物体的介电系数，且
发展此种测量装置，可先通过上述计算机模拟计算出反射率变化量与间隙大小的相 对关系，或直接先以实作测量的方式建立反射率变化量与微小间隙的对应关系数据，而 建立例如一数据查找表(Look-Up Table；LUT)。后来要测量某待测物体微小间隙宽度时， 即可由光检测单元与输出单元中所显示的数值，再对比数据查找表中的数据，而获知所 测量的微小间隙宽度为何，且也可通过计算两个不同间隙宽度的数据差值，得知两个物 体的相对位移量或相对位置。
为达到上述目的，本发明揭示一种利用表面等离子共振效应的光学测量装置，其中 包含一光照组合件、一光耦合单元、一光检测单元、一输出单元和一相对物体。
「光照组合件」用以提供一含TM波的入射光束，此入射光束光源种类可为激光、 钨丝灯、汞灯、发光二极管，或同步辐射光等；而其波长则可使用如红外光、可见光或 紫外光频段范围；而产生含TM波的方式则可利用光学镜组或极化偏极片调制而成。如 果为降低入射光束的噪声或调整TM波的百分比，可增加放置如透镜、滤光片、偏极板 等光学组件于入射光路中，此仍然视为光照组合件的一部分。
「光耦合单元」是提供入射光束能量耦合至表面等离子波，并于符合入射光波向量 与表面等离子波波向量二者相等的特定条件时，产生表面等离子共振现象。因此，光耦 合单元基本上为一底表面镀有金属薄膜的棱镜，其中的金属可为单一层金、银、或其他 复合金属，也可为复数层金、银或其他复合金属或复合材料的组成；而此金属薄膜的总 厚度并未有所限制，只要可供激发表面等离子波，并可穿透至相邻待测间隙中即可。所 述棱镜不限其折射率大小，且其外型可为直角棱镜、三角棱镜、半圆球透镜、半圆柱透 镜等。镀金属薄膜方式，除直接镀覆于棱镜底表面外，还可利用与棱镜折射率相近的匹 配液，将含有镀覆金属薄膜的载片贴附于棱镜上。光耦合方式除棱镜耦合方式外，光栅 耦合、光波导耦合等已知的耦合方式都可合用。
「光检测单元」是提供将反射光信号转变为电气信号，其基本元件为光感测二极管、 光电倍增管、光放大二极管、电荷耦合元件(CCD)传感器、互补式金氧半导体(CMOS) 传感器或其他光电转换装置。如果为降低反射光进入光检测单元的伴随噪声，可在其入 口处放置如透镜、滤光片、偏极板等光学组件，仍视为光检测单元的一部分。
「输出单元」是将光检测单元送出的电气信号，透过存储或转换的方式，将输出信 号送至显示元件(如示波器、屏幕、打印机)、存储元件(存储器、磁盘、硬盘、存储卡等) 或控制元件(进行距离精密控制)；而输出信号可经由对比数据模拟结果或对照数据查找 表，以获得所述微小间隙或位移的距离大小。
「相对物体」是与光耦合单元镀有金属薄膜的表面相距一微小间隙(即前段光耦合 单元所述的待测间隙)的物体，其中所述相对物体表面可为单一介质材料或覆有其他材 料薄膜(如氧化物、氮化物、卤化物或其他金属和其化合物)，且所述相对物体可仅为一 较大物体表面的一局部区域。所述相对物体可为可透光、半透光或不透光材料，且如果 其为可透光材料，还可将光感测元件装设在其透射处，利用穿透光信号变化，推算表面 等离子共振现象的变化情形，而获知所述微小间隙的大小。所述待测的微小间隙的充填 物质状态可为真空、气态(空气、任何种类浓度的气体)、液态(水溶液、酒精溶液或其他 液体)、胶状物(树脂、粘合剂等)，或具弹性的固态介质(橡胶、微簧片等)，其都不会影 响光耦合元件上表面等离子波的产生。
就本发明的表面等离子共振测量方法的步骤而言，当选定一入射光源后，需经过调 制使成一含TM波的入射光束，经引导入射光耦合单元时，会在所述金属薄膜表面激发 表面等离子波；再调整使符合特定的共振条件后，即开始发生表面等离子共振现象。之 后，可选用测量所述反射光信号或穿透光信号的不同方式，并通过所述微小间隙小于等 于所述光束表面等离子波穿透深度2倍距离时(因在2倍穿透深度内，表面等离子波电场强 度随间隙宽度距离变化显着)，表面等离子共振条件对于所述微小间隙大小不同而变化灵 敏的特性，且经测量其信号的变化量，比对数据模拟结果或对照先前实作数据查找表的 方式，即可获得所述微小间隙的距离大小，并可推算出其相对位置所在。
利用同样原理，上述测量装置还可测量微小位移，其具体测量步骤与测量间隙的方 法完全相同，但最后是以比较相对位移前后的间隙大小的差值来取得此位移的距离。通 过表面等离子共振对于所述微小位移变化灵敏的特性，可获得一高分辨率的微小位移测 量方法。
光栅耦合、光波导耦合和棱镜耦合等三种入射光光耦合方式，均可为本发明的表面 等离子共振装置和方法所应用。
另外，如以CCD或CMOS传感器攫取反射光或穿透光的图像信号后，再利用图像数 值分析方法转换相对数值，也可如前所述测得两个物体间的微小间隙宽度、位移距离或 相对位置的大小。且，CCD或CMOS传感器攫取的图像，还可因两个物体间微小局部区 域相对间隙的差异，而产生表面等离子共振图像明暗度的对比变化，而得知相对物体表 面的平坦度或形貌变化。
因本发明可针对100nm甚至10nm以下的间隙进行测量，可应用的领域极广，如应用 于近场光盘片读写头的服务控制系统，可感测控制读写头与光盘片的距离在近场距离， 提供读写的正确性与可靠度；或应用于次纳米光刻系统中，掩模与硅芯片的近接距离检 测，以提高系统的可靠度；或新一代LCD中液晶层间隙的感测控制，或表面曲线绘图仪 等，都可应用本发明。此外，随着各种纳米技术的发展，各种微型产品不断的被开发出， 本发明均可被利用于各项产品技术的间隙大小与位移变化的感测或精密距离控制的感 测单元，其未来应用面十分庞大。
又因科技发展日新月异，搭配诸如「共光程超外插」或「相位补偿回溯」等法而增 加表面等离子共振测量法的分辨率或灵敏度也已被许多文献所揭示。另外如测量穿透金 属薄膜的穿透光信号变化来检测表面等离子共振效应的方法，也曾被研究者所提出。不 过，无论其装置的复杂度或另外加入其他辅助方法为何，只要是利用入射光波向量与表 面等离子波波向量的耦合匹配后的共振条件，并通过界面状态些微改变而剧烈变化的特 性，来获得两个物体间纳米级间隙宽度、位移大小和相对位置的装置方法，仍为本发明 的技术所涵盖。
附图说明
图1是常规的表面等离子共振曲线图；
图2(a)是常规利用Otto构型测量间隙的示意图；
图2(b)是常规利用Otto构型控制间隙距离的示意图；
图3(a)是本发明中利用程序模拟传统KR构型3层结构的反射率曲线图；
图3(b)是本发明中模拟KR构型3层结构和一相对物体靠近时的反射率曲线图；
图4例示本发明一实施例的表面等离子共振测量装置；
图5是本发明一实施例的表面等离子共振测量装置的主要构件示意图；和
图6是本发明一实施例的表面等离子共振的不同间隙宽度对应的反射率曲线变化 图。
具体实施方式
rnm＝(εmkzn-εnkzm)/(εmkzn+εnkzm) (6)
上列各式中，下标0代表棱镜层、1为金属层、2为间隙层、3为相对待测物体，R 为反射率，r0123代表汇合四层效应的反射系数，r123为汇合三层效应的反射系数，rnm 为任意相邻nm二层的反射系数，εm为第m层的介电系数，dm第m层厚度，kzm为第 m层波向量的z分量，kinc为入射光波向量，kx为入射光波向量的x分量。
本发明是以KR结构构型为基础，并由式(4)～(7)发展出完整的三维立体模拟程序， 模拟结果如图3(a)所示。图3(a)显示传统KR构型三层结构(棱镜/金属/空气)的反射率 与入射角的对应关系。其中曲线变化即如同图1现有技术所显示，反射率随着入射角变 大进入全反射区域，此时反射率为最高，随后因满足表面等离子共振条件，入射光能量 耦合至表面等离子波，反射率急剧下降至最低点，此时的入射角称为共振角，通过此点 后，因共振条件逐渐消失，反射率再度升高。
参看图3(b)，利用相同的三维立体模拟程序，模拟当KR构型三层结构受到一相对物 体逐渐靠近时(即所述相对物体逐渐靠近棱镜)，其反射率的变化情形。我们发现当二者 间隙逐渐缩小到表面等离子波穿透深度2倍距离时(约为入射光波长的二分之一)，其反射 率曲线共振角的位置会随着间隙变小而向大角度方向漂移。本发明即利用此种棱镜与待 测物体的间隙小于等于表面等离子波穿透深度2倍距离以下时共振曲线的变化非常敏感 的现象，做为纳米级微小间隙、位移或相对位置的测量方法，并发展其测量装置。
图4例示应用本发明的表面等离子共振测量装置40。所述测量装置40主要构件包含 一光照组合件51、一光耦合单元400、一光检测单元408和一输出单元418。本实施例中， 所述光耦合元件400是一棱镜，而所述棱镜400与一相对物体(图4未示，将于图5中详细说 明)距离一间隙，所述表面等离子测量装置40即用以测量所述间隙大小，并可藉此测量相 关的位移和相对位置。所述输出单元418是显示装置、存储装置或控制装置。
本实施例中，所述光照组合件51包含一光源41、一斩光器42(chopper)、一半波延迟 元件43、一偏极化分光元件44(polarization beam splitters/PBS)、一偏极板47和一分光镜 48(beam splitters/BS)。所述光源41是使用一线性极化且波长为632.8nm的氦氖激光光源， 其产生的光束经所述斩光器42将连续波激光转变成脉冲式激光，再经过所述半波延迟元 件43和偏极化分光元件44将所述光束的偏振角度转换为一TM模式光束。
所述TM模式光束经由分光镜48分成两道光束，其中一道作为参考光束，另外一道 则入射到所述棱镜400，用以计算反射率的变化。接着，通过平移装置404来调整所述棱 镜400与所述相对物体的间隙宽度。当发生表面等离子共振时，所述旋转装置402上的刻 画角度可提供记录不同的共振角位置。所述旋转装置402和平移装置404是由一控制器 416驱动马达进行操控。两道光束分别由所述光检测单元408和另一光检测单元406测量 并显示于所述输出单元418中(本实施例中所述输出单元418是一示波器)，之后将相关 反射率数据输入计算机420中加以分析。
本实施例，另外增加诸如斩光器42、偏极板47、分光镜48、透镜410、412和414、 反射镜45、46、旋转装置402、计算机420和所述参考光束的相关元件，其目的仅为了增 加测量的便利性与准确性，而可视情况作适当改变或替换，而相关改变并不影响本发明 的完整性与利用性。
参看图5，详细说明棱镜400与相关搭配组件的结构。棱镜400面向一载片54的表面 涂覆一金属薄膜52(本实施例是一厚度为40nm的黄金薄层)、而金属薄膜52与载片54间 形成一间隙53。TM模式光束55由光照组合件51产生，并入射棱镜400后于所述金属薄膜 52形成表面等离子共振，而反射光56的信号则由光检测单元408进行检测。载板54可选 用玻璃材质，主要是通过其平坦表面使反射光56更加均匀。载板54可架设于所述平移装 置404上，藉以与所述棱镜400产生相对运动，而调整所述间隙的大小。所述微小间隙53 除了为空气隙外，还可于真空环境下操作，或包含其他气体、液体或具弹性的介质固体， 而仍得以应用本发明。
所述载板54即相当于前述的相对物体，当间隙53小于等于TM模式光束55的穿透深 度2倍距离(约光束55二分之一波长距离)时，如果所述载板54逐渐接近所述棱镜400时， 所述光检测单元408所检测到的反射光的强度将产生变化，其结果如图6所示。其中，曲 线61至曲线66是表示微小间隙由大逐渐缩小所测量到的数据所构成的曲线。曲线61为所 述棱镜400表面的金属薄膜52与载板54(相对物体)相隔距离大于所述TM模式光束55二 分之一波长时的现象，此时发生共振角的位置与传统KR三层结构者相当，约在45度角位 置，而反射率约仅0.12。之后曲线62至66对应的所述间隙53逐渐减小，此时共振角朝大 角度漂移，且反射率逐渐增加。例如于曲线66时共振角漂移至约49度，而于45度的反射 率则增加至约0.65。当所述微小间隙53继续减小时，共振角将继续增加而最后完全消失 (曲线无下凹现象)。
当所述载板54(相对物体)与所述棱镜400间产生微小相对位移时，其将导致所述 微小间隙53将产生变化进而改变光检测单元408所检测的反射光56的光强度，利用同样 原理，取二次不同间隙位置所测得宽度，计算其差值即可求得所述载板54(相对物体) 的相对微小位移。
如前所述，应用表面等离子共振原理的测量方法，有数种基本的使用方式，例如角 度探测法、波长探测法、强度探测法、相位探测法，或以上方法的任意组合。所以本发 明所揭示的测量装置与方法，虽仅透过上述的角度探测法提出一具体实施例，然而所属 领域的技术人员仍可利用以上的不同使用方式，获得相同的结果。因此，利用上述不同 的测量信号方式，仍应为本发明的一部分。
与如图2(a)所示的常规表面等离子共振装置相比较，本发明仅需使用单光源、单光 检测器，即可测量微小间隙、位移或相对位置，而不需复杂的结构。另外图2(b)的常规 技术是利用Otto构型产生表面等离子共振，且并非用于测量两个物体的间隙，而与本发 明利用KR构型的表面等离子共振来求得两个物体的间隙与相对位移有所不同。
本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本 发明的教示和揭示而作种种不背离本发明精神的替换和修改。因此，本发明的保护范围 应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换和修改，并为所附的 权利要求书所涵盖。
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