CN103217988A - 一种广义椭偏仪的同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于广义椭偏仪的控制技术，具体为一种广义椭偏仪的同步控制系统。该同步控制系统至少包括：第一、第二中空伺服电机及其内置的增量式编码器、伺服电机控制器、两个补偿器、光谱仪、计算机和单片机。其中伺服电机控制器、光谱仪分别与计算机通过USB端口连接，单片机通过串口与计算机相连，同时单片机对应引脚又分别与两中空伺服电机编码器Z向信号线和光谱仪I/O口连接。光谱仪识别到高电平并在高电平持续时间内完成光谱数据采集；根据计时器返回时间就可以计算出光谱仪开始采集时刻两补偿器光轴的位置。该方法可以精确控制并计算出光谱仪开始采集时刻两中空伺服电机中补偿器光轴的位置，装置简易，操作简单。

Description

一种广义椭偏仪的同步控制系统

技术领域

本发明涉及广义椭偏仪的控制技术，尤其涉及双旋转补偿器广义椭偏仪的同步控制系统。

背景技术

在基于光学原理的半导体纳米结构特征尺寸测量领域中，椭偏仪是一种最为常见的特征尺寸测量设备。它是一种利用光的偏振特性获取待测样品信息的通用光学测量仪器。其基本原理是通过起偏器将特殊的椭圆偏振光投射到待测样品表面，通过测量待测样品的反射光(或透射光)，以获得偏振光在反射(或透射)前后的偏振状态变化(包括振幅比和相位差)，进而从中提取出待测样品的信息。美国宾夕法尼亚州立大学的柯林斯等人(R.W.Collins et al.，J.Opt.Soc.Am.A，Vol.16，pp.1997-2006，1999)提出了双旋转补偿器型广义椭偏仪测量方法，此种椭偏仪结构中采用两个旋转的补偿器来实现偏振光的相位的调制和解调。在实际测量过程中，它可测量光谱范围广，对环境温度稳定性要求低，且测量速度快。同时它可以在一次测量中获得待测样件的归一化的4×4阶穆勒矩阵共15个参数，而不需要改变测量系统配置。因而在半导体纳米结构特征尺寸测量中有着广泛的应用。

在双旋转补偿器型广义椭偏仪系统中，两个补偿器是核心部件，它是让互相垂直的两光振动间产生附加光程差(或相位差)的光学器件。在柯林斯等人(R.W.Collins et al.，J.Opt.Soc.Am.A，Vol.16，pp.1997-2006，1999)指出在双旋转补偿器型广义椭偏仪的测量和校准过程中，必须确定光谱仪采集初始时刻两补偿器的光轴位置，才能正确保证测量结果的正确。这是由于系统在测量过程两个补偿器一直是处于运动状态，光谱仪采集的光谱数据只有与两个补偿器的光轴位置相对应，才能够计算分析出正确的结果。两个补偿器由两台中空伺服电机分别负载，电机在测量过程中转速稳定且不发生改变，所以只要确定光谱仪在采集数据的初始时刻两补偿器光轴的瞬时位置，即可以确定以后任意时刻补偿器光轴的位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种广义椭偏仪的同步控制系统，该同步控制系统用于确定广义椭偏仪设备中光谱仪采集数据初始时刻补偿器光轴的瞬时位置。

本发明提供的一种广义椭偏仪的同步控制系统，其特征在于，它包括计算机、光谱仪、伺服电机控制器、第一增量式编码器、第二增量式编码器、第一补偿器、第一中空伺服电机、第二中空伺服电机、第二补偿器和单片机；

第一中空伺服电机、第二中空伺服电机转速不同，第一增量式编码器设置在第一中空伺服电机内，第二增量式编码器设置在第二中空伺服电机内；

第一补偿器安装在第一中空伺服电机端面上，第二补偿器安装在第二中空伺服电机端面上；第一中空伺服电机和第二中空伺服电机均通过伺服电机控制器与计算机相连；第一中空伺服电机内部的第一增量式编码器的Z向信号线引出后连接单片机的第一中断口上，第二中空伺服电机内部的第二增量式编码器的Z向信号线引出后连接到单片机；单片机与计算机电连接；光谱仪分别与计算机及单片机电连接；

计算机用于控制光谱仪和单片机的工作，并通过伺服电机驱动器控制第一、第二中空伺服电机的同步运动；同时根据单片机的返回时间和第一、第二中空伺服电机的运动参数，计算出光谱仪采集初始时刻两补偿器光轴的位置；

单片机用于捕捉并比较第一、第二增量式编码器的Z向信号，使得单片机先接收第一中空伺服电机的信号，并在设定时间内接收第二中空伺服电机的信号，再触发光谱仪采集光谱数据，还向计算机返回其内部计时器时间。

作为上述技术方案的改进，计算机内设置有中空伺服电机控制模块、光谱仪控制模块以及单片机控制模块；其中，伺服电机控制模块主要完成第一、第二中空伺服电机运动参数的设置以及第一、第二中空伺服电机相应运行动作的控制，同时可以接收来自伺服电机控制器的返回信息；光谱仪控制模块主要用于在第一、第二中空伺服电机开始运行后对光谱仪参数的设置以及光谱仪基本行为的控制，同时接收并储存光谱仪所采集的光谱数据；单片机控制模块主要用于在完成谱仪参数的设置后起动单片机，完成对单片机基本行为的控制，同时接收并储存单片机计时器的返回时间t。

作为上述技术方案的进一步改进，单片机内设置有中断口信号捕捉模块、计时器计时判断模块和引脚电平控制模块；中断口信号捕捉模块用于先打开与第一中空伺服电机的第一中断口，并根据计时器计时判断模块提供的信号关机第一中断口打开与第二中空伺服电机相连的第二中断口；计时器计时判断模块用于打开单片机的计时器，并判断计时器是否溢出，并将信号提供给中断口信号捕捉模块，计时器计时判断模块还用于将计时器计时t返回给计算机；引脚电平控制模块用于在接收到第二中空伺服电机时，使单片机对应的引脚保持高电平，触发光谱仪工作。

同现有的椭偏仪控制系统相比，本发明提供的同步控制系统以捕捉补偿器的负载伺服电机位置信号为核心，通过设置特定的伺服电机位置以及对应补偿器的安装式来确定任意时刻补偿器的光轴位置，并利用单片机捕捉伺服电机内部增量式编码器自有的Z向零位信号来作为同步光谱仪采仪数据的关键，可以实现在双旋转补偿器型广义椭偏仪测量中确定光谱采集初始时刻两个补偿器光轴的瞬时位置。本同步控制系统单次同步过程速度快、精度高，同时表现出优异的测量重复性和稳定性，且整体结构紧凑，操作方法简单，实现方便，在广义椭偏仪同步控制领域有广泛应用前景。

附图说明

图1是双旋转补偿器型广义椭偏仪同步控制系统结构示意图；

图2是单片机与外部硬件连接示意图；

图3是第一补偿器与第一中空伺服电机的安装示意图；

图4是计算机的控制操作流程示意图；

图5是单片机程序基本流程图；

图6是双旋转补偿器型广义椭偏仪的同步控制过程时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实例提供的同步控制系统中至少包括计算机1、光谱仪2、伺服电机控制器3、第一增量式编码器4、第二增量式编码器5、第一补偿器6、第一中空伺服电机7、第二中空伺服电机8、第二补偿器9和单片机10。

第一中空伺服电机7、第二中空伺服电机8转速不同，现设第一中空伺服电机7的转速快于第二中空伺服电机8的转速，第一增量式编码器4设置在第一中空伺服电机7内，第二增量式编码器5设置在第二中空伺服电机8内。

第一补偿器6安装在第一中空伺服电机7端面上，第二补偿器9安装在第二中空伺服电机8端面上；第一中空伺服电机7和第二中空伺服电机8均通过伺服电机控制器3与计算机1相连；第一中空伺服电机7内部的第一增量式编码器4的Z向信号线引出后连接单片机10的第一中断口上，第二中空伺服电机8内部的第二增量式编码器5的Z向信号线引出后连接到单片机10第二中断口上；单片机10通过串口与计算机1相连；光谱仪2通过USB端口与计算机1相连接，其I/O口中脉冲接收端与单片机10脉冲输出端引脚连接。

计算机1用于控制光谱仪2和单片机10的工作并通过伺服电机驱动器3控制第一、第二中空伺服电机7、8的同步运动。同时根据单片机10的返回时间和两中空伺服电机的运动参数计算出光谱仪2采集初始时刻两补偿器光轴的位置。

单片机10用于捕捉并比较第一、第二增量式编码器4，5的Z向信号，在信号满足内部程序要求时触发光谱仪2采集光谱数据，并向计算机1返回其内部计时器计时t。

下面举例具体说明计算机1和单片机10的功能模块构成。

计算机1内设置有中空伺服电机控制模块、光谱仪控制模块以及单片机控制模块。其中，伺服电机控制模块主要完成第一、第二中空伺服电机7、8运动参数的设置以及第一、第二中空伺服电机7、8相应运行动作的控制，同时可以接收来自伺服电机控制器3的返回信息；光谱仪控制模块主要完成对光谱仪2参数的设置以及光谱仪2基本行为的控制，同时可以接收并储存光谱仪2所采集的光谱数据；单片机控制模块主要完成对单片机10基本行为的控制，同时可以接收并储存单片机10计时器的返回时间t。

计算机中各模块的工作过程如下：

(1)中空伺服电机控制模块完成第一、第二中空伺服电机7、8运动参数的设置，并通过伺服电机控制3操作两中空伺服电机回到零位，零位以各自增量式编码器Z向信号为基准。然后以设定的运动参数同步起动第一、第二中空伺服电机7、8.。

(2)通过光谱仪控制模块完成对光谱仪2的系统参数的配置，并将光谱仪2置于外触发模式下。

(3)通过单片机控制模块打开单片机10，在单片机10工作完成后，向计算机1返回其计时器计时t。

(4)分别通过中空伺服电机控制模块、光谱仪控制模块和单片机控制模块停止第一、第二中空伺服电机7、8，光谱仪2和单片机1。

单片机10内设置有中断口信号捕捉模块、计时器计时判断模块和引脚电平控制模块。其工作过程为：(一)、单片机10打开后通过中断口信号捕捉模块打开第一中断口a，当第一中断口a捕捉到信号时关闭第一中断口a打开第二中断口b。并通过计时器计时判断模块打开单片机10的计时器，并判断计时器是否溢出；(二)、若计时器溢出则，重新开始步骤(一)；(三)、若在计时器未溢出时第二中断口b捕捉到信号，则通过引脚电平控制模块使单片机10对应的引脚保持高电平，高电平持续时间由引脚电平控制模块设定；(四)单片机10通过计时器计时判断模块将计时器计时t返回给计算机1。

本发明系统的详细操作过程如下：

第一步，完成双旋转补偿器型广义椭偏仪同步控制系统的硬件设备的连接。

(1.1)完成计算机1与光谱仪2、伺服电机控制器3和单片机10的正常连接，其中光谱仪2与计算机1通过标准USB数据线连接；第一中空伺服电机7和第二中空伺服电机8与伺服电机控制器3连接后，伺服电机控制器3也通过标准USB数据线与计算机1连接；单片机10通过串口与计算机1连接。

(1.2)完成单片机10与外接硬件连接。图2为单片机10与外接硬件连接示意图。第一，引出第一增量式编码器4和第二增量式编码器5的Z向信号线与参考地线；第二，将第一增量式编码器4的Z向信号线和参考地线分别连接到单片机10第一中断口a引脚与GND引脚；第三，将第二增量式编码器5的Z向信号线和参考地线分别连接到单片机10第二中断口b引脚与GND引脚；第四，将单片机10的P1.1引脚和GND引脚分别与光谱仪2的Trigger引脚和GND引脚连接；第五，将单片机10的RXD、TXD和GND引脚通过串口转换芯片与计算机1标准串口连接。

(1.3)在完成(1)、(2)两步后双旋转补偿器型广义椭偏仪的同步控制系统硬件设备连接已经完成。然后需要将第一补偿器6安装到第一中空伺服电机7上，将第二补偿器9安装到第二中空伺服电机8上。首先，计算机1通过伺服电机控制器3控制第一中空伺服电机7回到其第一增量式编码器4的参考零位，第二中空伺服电机8回到其第二增量式编码器5的参考零位，参考零位是以两增量式编码器的Z向信号为基准；第二，将第一补偿器6安装到第一中空伺服电机7上，将第二补偿器9安装到第二中空伺服电机8上。图3为第一补偿器6与第一中空伺服电机7安装示意图。由于第一中空伺服电机7输出轴无法直接与第一补偿器6连接，本发明中采用外接套筒13进行转接。套筒13左端与第一中空伺服电机7通过紧固螺钉11实现连接，套筒13右端与第一补偿器6通过紧固螺钉12连接。图3中的第一中空伺服电机6已经回到了零位，在完成套筒13与第一中空伺服电机6紧固连接后，在套筒13右端安装上第一补偿器6。以坐标系15为参考坐标系，坐标系15的X轴方向即为水平方向，第一补偿器6光轴14沿水平方向放置完成后，通过螺钉12紧固在套筒13上。

(1.4)按照上述步骤完成后，双旋转补偿器型广义椭偏仪同步控制系统的连接就已经完成。计算机的控制操作流程如图4所示。计算机1通过USB端口发送控制命令给伺服电机控制器3，从而控制第一中空伺服电机7和第二中空伺服电机8。第一中空伺服电机7的第一增量式编码器4和第二中空伺服电机的第二增量式编码器5返回脉冲经过伺服电机控制器3后，作为位置信号返回给计算机1。而计算机1通过USB端口发送设置参数给光谱仪2，光谱仪2在采集完成后将光谱数据存在计算机1中。单片机10与计算机1通过串口连接，单片机10将其计时器记录的时间t返回给计算机1。

第二步，使用已连接好的双旋转补偿器型广义椭偏仪同步控制系统开始一次光谱数据采集工作。

(2.1)计算机1通过伺服电机控制器3操纵第一中空伺服电机7和第二中空伺服电机8回到各自的零位；其零位是以各自增量式编码器Z向信号为基准。

(2.2)在计算机1在伺服电机控制器3中配置第一中空伺服电机7的转速为L*w，第二中空伺服电机8的转速为M*w。并将第一中空伺服电机7设置为主，第二中空伺服电机8设为从，控制两电机开始同步旋转。

(2.3)在计算机1光谱仪2软件中配置光谱仪2的积分时间Δt，光谱采集点数为N，采集模式为高电平触发采集模式(Level Trigger)，光谱存储路径可设在计算机1任意空间。配置完上述参数后，让光谱仪2处于等待触发脉冲模式。

(2.4)打开已载入程序的单片机10，图5为单片机程序基本流程图，其过程为：

第b1步，单片机10打开其与第一增量式编码器4相连的第一中断口a且P1.1引角保持低电平；

第b2步，单片机10的第一中断口a收到第一增量式编码器4的Z向信号，即表示单片机接收到一个中断信号；

第b3步，当单片机10接收第一中断口a收到中断信号后，就立刻关闭第一中断口a，以避免二次中断。同时打开第二中断口b和单片机内部计时器。

第b4步，判断单片机10计时器是否溢出，若溢出则关闭计时器及第二中断口b并返回第b1步，重新开始运行单片机10的程序。若未溢出则执行第b5步；

第b5步，判断单片机10第二中断口b是否接收到第二增量式编码器5的Z向信号，若未接收Z向信号到则返回第b4步，若接收到Z向信号则向下执行第b6步；

第b6步，关闭单片机10的计时器及第二中断口b，保持与光谱仪2相连的P1.1引脚高电平，持续时间为T。T的值与光谱仪2的积分时间Δt和光谱采集点数N有关。保证P1.1角高电平持续时间T大于光谱仪2的总采集时间即可，如公式(1)所示

T≥Δt×N  (1)

第b7步，P1.1引脚保持低电平，单片机10通过串口向计算机1返回计时器记录时间t。

(2.5)光谱仪2识别到单片机10的P1.1引脚的高电平，立刻开始采光谱数据，采集完成后存储在计算机1中。

(2.6)通过计算机1操作伺服电机控制器3停止两中空伺服电机的转动，关闭光谱仪2和伺服电机控制器3、单片机10。

第三步，根据单片机10返回的计时器的时间t，计算出第一中空伺服电机7和第二中空伺服电机8在光谱仪2开始采集时刻的位置。图6为双旋转补偿器型广义椭偏仪同步控制过程时序图。可见在光谱仪2开始采集的时刻，第二中空伺服电机8正好回到零位，而在第二中空伺服电机8的零位时第二补偿器9是水平安装的，即角度为0°。第一中空伺服电机7在光谱仪采集时刻，相对于其零位转动的时间为计时器时间t，而转速已知，由公式(2)算出第一中空伺服电机7相对于零位转过的角度。

而第一补偿器6在第一中空伺服电机7位于零位时是水平安装，所以

即是第一补偿器6在光谱仪2采集时刻的角度。

上述步骤仅以一种单片机的连接方式(P1.1引角作为脉冲输出端)和一种补偿器安装方式(电机回零水平安装)为例。对于其他单片机的连接方式及补偿器安装方式的广义椭偏仪(如将伺服电机在其它特定偏置角度作为单片机位置的判断标准，补偿器以其它特定偏置安装，单片机使用其它引脚与光谱仪连接等)，本同步控制系统同样适用。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种广义椭偏仪的同步控制系统，其特征在于，它包括计算机、光谱仪、伺服电机控制器、第一增量式编码器、第二增量式编码器、第一补偿器、第一中空伺服电机、第二中空伺服电机、第二补偿器和单片机；

第一中空伺服电机、第二中空伺服电机转速不同，第一增量式编码器设置在第一中空伺服电机内，第二增量式编码器设置在第二中空伺服电机内；

第一补偿器安装在第一中空伺服电机端面上，第二补偿器安装在第二中空伺服电机端面上；第一中空伺服电机和第二中空伺服电机均通过伺服电机控制器与计算机相连；第一中空伺服电机内部的第一增量式编码器的Z向信号线引出后连接单片机的第一中断口上，第二中空伺服电机内部的第二增量式编码器的Z向信号线引出后连接到单片机；单片机与计算机电连接；光谱仪分别与计算机及单片机电连接；

计算机用于控制光谱仪和单片机的工作，并通过伺服电机驱动器控制第一、第二中空伺服电机的同步运动；同时根据单片机的返回时间和第一、第二中空伺服电机的运动参数，计算出光谱仪采集初始时刻两补偿器光轴的位置；

单片机用于捕捉并比较第一、第二增量式编码器的Z向信号，使得单片机先接收第一中空伺服电机的信号，并在设定时间内接收第二中空伺服电机的信号，再触发光谱仪采集光谱数据，还向计算机返回其内部计时器时间。

2.根据权利要求1所述的一种广义椭偏仪的同步控制系统，其特征在于，计算机内设置有中空伺服电机控制模块、光谱仪控制模块以及单片机控制模块；其中，伺服电机控制模块主要完成第一、第二中空伺服电机运动参数的设置以及第一、第二中空伺服电机相应运行动作的控制，同时可以接收来自伺服电机控制器的返回信息；光谱仪控制模块主要用于在第一、第二中空伺服电机开始运行后对光谱仪参数的设置以及光谱仪基本行为的控制，同时接收并储存光谱仪所采集的光谱数据；单片机控制模块主要用于在完成谱仪参数的设置后起动单片机，完成对单片机基本行为的控制，同时接收并储存单片机计时器的返回时间t。

3.根据权利要求1或2所述的一种广义椭偏仪的同步控制系统，其特征在于，单片机内设置有中断口信号捕捉模块、计时器计时判断模块和引脚电平控制模块；中断口信号捕捉模块用于先打开与第一中空伺服电机的第一中断口，并根据计时器计时判断模块提供的信号关机第一中断口打开与第二中空伺服电机相连的第二中断口；计时器计时判断模块用于打开单片机的计时器，并判断计时器是否溢出，并将信号提供给中断口信号捕捉模块，计时器计时判断模块还用于将计时器计时t返回给计算机；引脚电平控制模块用于在接收到第二中空伺服电机时，使单片机对应的引脚保持高电平，触发光谱仪工作。

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