CN104422401A - 集成式形状测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式形状测量装置。其包括：反射干涉仪单元、透射干涉仪单元和光探测器。反射干涉仪单元包括第一光源以及反射干涉仪。反射干涉仪将从第一光源发射的光传输到待测物体和参考镜，基于从待测物体反射的光和参考镜的参考光形成干涉条纹。透射干涉仪单元包括配置为发射单色光的第二光源以及透射干涉仪。透射干涉仪将从第二光源发射的光进行分光，使得一部分光能透射通过待测物体而另一部分光不能透射通过待测物体，基于透射通过待测物体的光和未透射通过待测物体的光形成干涉条纹光。探测器被置于待测物体的上方并且探测所述干涉条纹。在该装置中，根据待测物体的透光率而选择性地使用反射干涉仪单元和透射干涉仪单元中的一者。

Description

集成式形状测量装置

技术领域

本发明涉及一种集成式形状测量装置，更具体地说，涉及这样一种集成式形状测量装置，其中反射干涉仪和透射干涉仪被集成到单个装置中。

背景技术

干涉仪是这样一种装置，即：在发射光之后，基于从待测物体的表面和基准面反射和透射的两种光而形成干涉条纹，测量和分析该干涉条纹从而获得关于该物体表面的形状的信息。

因其能够简单地测量物体的形状，所以这样一种干涉仪已经被广泛地应用于工业领域。具体来说，在整个工业界的全部领域中迅速发展的技术已经导致在半导体、微机电系统(MEMS)、平板显示器、光学部件等等的领域中都需要精密加工，并且目前进入到需要纳米级加工技术的阶段。因此，所需加工形状已经由简单的图案变成复杂的形状，并且因此突显出测量微形状的重要性。

由于采用例如干涉仪、相移干涉仪(PSI)以及白光扫描干涉仪的干涉过程已被普遍使用。在它们之中，PSI是通过在干涉图中使相位移动差不多一个适当驱动间隔而获得参考相位并将其还原成高度的一种方法。

在使用PSI的传统形状测量装置中，光学部件根据待测物体的透光率而被区别化配置和布置。就是说，如果待测物体具有低透光率并且反射大部分入射光，则使用能够基于从该物体反射回的光形成干涉条纹的反射干涉仪来测量该物体的形状。另一方面，如果待测物体具有高透光率并且透射大部分入射光，则使用能够基于透射通过该物体的光形成干涉条纹的透射干涉仪来测量该物体的形状。

在此情况下，不得不根据待测物体的类型而使用不同的干涉仪，存在的问题在于，采购成本增加并且在每个干涉仪的维护过程中耗费时间和劳力。同样地，在考虑到降低成本而只使用一种干涉仪的情况下，难以针对各种待测物体对形状进行最佳地测量。

发明内容

因此，为解决前述问题而构想了本发明，并且本发明的一个方面提供了一种集成式形状测量装置，其中反射干涉仪和透射干涉仪被集成在单个装置中，并且根据待测物体的透光率选择性地使用其中的一个，从而可兼容地测量各种物体，并且借助为最佳结果而选出的干涉仪改善了测量精度。

根据本发明的一个实施方式，一种集成式形状测量装置包括：反射干涉仪单元，该反射干涉仪单元包括第一光源以及反射干涉仪，该反射干涉仪被配置为将从所述第一光源发射的光传输到待测物体和参考镜并且基于从所述待测物体反射的光和所述参考镜的参考光形成干涉条纹；透射干涉仪单元，该透射干涉仪单元包括第二光源以及透射干涉仪，该第二光源被配置为发射单色光，该透射干涉仪被配置为将从所述第二光源发射的光进行分光，使得一部分光能透射通过所述待测物体而另一部分光不能透射通过所述待测物体并且基于透射通过所述待测物体的光和未透射通过所述待测物体的光形成干涉条纹；以及光探测器，该光探测器被置于所述待测物体的上方并且探测由所述反射干涉仪单元或所述透射干涉仪单元形成的干涉条纹，其中，根据所述待测物体的透光率而选择性地使用所述反射干涉仪单元和所述透射干涉仪单元中的一者。

所述透射干涉仪可以包括：分束器，该分束器被配置为对从所述第二光源发射出的光进行分光；反射镜，该反射镜被配置为被置于所述待测物体的下方并且接收由所述分束器分出的一部分光的入射，使得入射光能够透射通过所述待测物体并且向所述光探测器传播；以及相移镜，该相移镜被配置为置于所述待测物体的上方并且能上下移动，并且接收由所述分束器分出的另一部分光的入射，使得入射光能不透射通过所述待测物体而向所述光探测器传播，其中由来自所述反射镜的光和来自所述相移镜的光形成干涉条纹。

所述集成式形状测量装置还可以包括：换位器，该换位器被配置为将所述参考镜安置在所述待测物体与所述光探测器之间的测量光路中，或者将所述参考镜设置成离开所述测量光路；以及控制器，该控制器被配置为接收所述第一光源的开/关信号以及所述第二光源的开/关信号，并且控制所述换位器，使得能响应于所述第一光源的开信号而将所述参考镜安置在所述测量光路中，并且能响应于所述第二光源的开信号而将所述参考镜设置成离开所述测量光路。

所述第一光源可以包括被配置成发射白光的白光光源以及被配置成发射单色光的单色光光源，并且选择性地使用从所述白光光源和所述单色光光源其中一者发射的光。

所述集成式形状测量装置还可以包括光源移置器，该光源移置器被配置为来回移动所述第一光源，使得从所述白光光源与所述单色光光源其中一者发射的光能够被传输到所述反射干涉仪。

所述反射干涉仪单元和所述透射干涉仪单元可以布置在所述光探测器的两侧，该光探测器位于二者之间。

附图说明

结合附图，从示例性实施方式的以下描述中，本发明的以上和/或其它方面将变得明显且更容易理解，其中：

图1是示出根据本发明的一个实施方式的集成式形状测量装置的图；

图2是示出图1的集成式形状测量装置中的反射干涉仪单元的光路的图；

图3是示出图1的集成式形状测量装置中的透射干涉仪单元的光路的图；以及

图4是用于说明图1的集成式形状测量装置中的光源移置器的图。

具体实施方式

下面，将参照附图对本发明的集成式形状测量装置的实施方式加以描述。

图1是示出根据本发明的一个实施方式的集成式形状测量装置的图，图2是示出图1的集成式形状测量装置中的反射干涉仪单元的光路的图，图3是示出图1的集成式形状测量装置中的透射干涉仪单元的光路的图，以及图4是用于说明图1的集成式形状测量装置中的光源移置器的示图。

参照图1至图4，根据本发明的一个实施方式的集成式形状测量装置100包括反射干涉仪单元110、透射干涉仪单元120、主分束器130、光探测器140、换位器以及控制器150，在该集成式形状测量装置100中反射干涉仪和透射干涉仪集成到单个装置中。

反射干涉仪单元110包括第一光源111以及反射干涉仪。

第一光源111包括用于生成白光的白光光源111a和用于生成单色光的单色光光源111b，并且选择性地使用由白光光源111a和单色光光源111b其中之一所生成的光。例如，白光光源111a可以包括卤素灯、发光二极管(LED)等等，并且单色光光源111b可以包括二极管激光器等等。

参照图2和图4，第一光源111连接用于来回移动该第一光源111的光源移置器(未示出)，并且该光源移置器直线地或者旋转地来回移动该第一光源111，使得由白光光源111a和单色光光源111b其中之一所发射的光能够传播到反射干涉仪(之后将予以描述)。该光源移置器可以是马达等。

反射干涉仪将光从第一光源111向待测物体10和参考镜112传输，使得从该待测物体10反射回的光以及来自参考镜112的参考光能够形成干涉条纹。在此实施方式中，反射干涉仪包括第一聚光镜113、第一分束器114以及参考镜112。

参照图2，第一聚光镜113将光会聚到待测物体10，使得从第一光源111发射的光能够通过第一聚光镜113向第一分束器114传播。

第一分束器114反射或透射已穿过第一聚光镜113的光。从第一分束器114反射的光向参考镜112传播，并且透射通过第一分束器114的光传播至待测物体10并且此后从该待测物体再次反射。

参考镜112被布置在第一聚光镜113与第一分束器114之间以便生成在光路上区别于从待测物体10反射回的光的参考光。参考镜112将来自第一分束器114的入射光再次朝第一分束器114反射。

在从待测物体10反射的光与由参考镜112生成的参考光之间形成干涉条纹，其可以被光探测器140探测到。

可以安装驱动器，以在上下方向上稍微移动第一聚光镜113、第一分束器114以及参考镜112而获得干涉条纹。当第一聚光镜113、第一分束器114以及参考镜112被沿着上下方向移动数十纳米(nm)时，光探测器140探测干涉信号强的位置。

透射干涉仪单元120包括第二光源121以及透射干涉仪。

第二光源121生成单色光，并且二极管激光器等可以被用作第二光源121。

透射干涉仪对从第二光源121发射的光进行分光，使得一部分光能透射通过待测物体10而另一部分光不能透射通过待测物体10，从而基于透射通过待测物体10的光和未透射通过待测物体10的光形成干涉条纹。在此实施方式中，透射干涉仪包括分束器122、反射镜123以及相移镜124。

参照图3，分束器122将从第二光源121发射的光分成两条光束。其中一条分光光束透射通过分束器122并向反射镜123传播，并且另一条分光光束被从分束器122反射并向相移镜124传播。

反射镜123接收由分束器122分出的一部分光束的入射，使得入射光能够透射通过待测物体10并且向光探测器140传播。光探测器140被置于待测物体10的上方，并且反射镜123被置于待测物体10的下方，因为由反射镜123传输的光不得不透射通过可透射的待测物体10。

相移镜124接收由分束器122分出的另一部分光束的入射，使得入射光能够不透射通过待测物体10而向光探测器140传播。相移镜124与例如压电元件的驱动装置相连并且因此能够上下移动。当相移镜124上下移动时，该相移镜124可以以适当间隔移位被传输光的相位。

光探测器140被置于待测物体10的上方，并且相移镜124被置于待测物体10的上方，因为由该相移镜124传输的光并不透射通过可透射的待测物体10。

由反射镜123传输的光与由相移镜124传输的光之间形成干涉条纹，并且由光探测器140探测到。

主分束器130可与反射干涉仪单元110或透射干涉仪单元120一同使用。

参照图2，与反射干涉仪单元110一起使用的主分束器130将从第一光源111发射的光传输到待测物体10和参考镜112，并且向光探测器140发送从待测物体10反射的光以及从参考镜112反射的光。

参照图3，与透射干涉仪单元120一起使用的主分束器130向光探测器140发送从第二光源121发射、进入反射镜123并透射通过待测物体10的光以及进入相移镜124而没有透射通过待测物体10的光。

光探测器140探测由反射干涉仪单元110或者透射干涉仪单元120生成的干涉条纹，并且被置于待测物体10的上方。

通常来说，光探测器140包括电耦合装置(CCD)照相机，其具有与待测区域对应的合适数量的像素。此外，聚光镜141可被置于光探测器140的前方以便会聚从主分束器130传输的干涉光。

反射干涉仪单元110和透射干涉仪单元120被布置在光探测器140的两侧，光探测器140位于二者之间。因此，集成式形状测量装置100内的空间能被有效地利用，并且整个装置的尺寸得以减小。

换位器(未示出)可以将参考镜112安置在待测物体10与光探测器140之间的测量光路PA中(见图2)，或者可以将该参考镜112设置成离开测量光路PA(见图3)。该换位器可以采用马达等能够直线地或旋转地来回移动设有参考镜112的镜筒。

控制器150响应于第一光源111的开/关信号以及第二光源121的开/关信号来控制换位器。当接收到第一光源111的开信号时，控制器150移动设有参考镜112的镜筒，使得该参考镜112能够被安置在测量光路PA中。同样，当接收第二光源121的开信号时，控制器150移动设有参考镜112的镜筒，使得该参考镜112能够被设置成离开测量光路PA。

就是说，只有当反射干涉仪单元110被用于测量可反射的待测物体10的形状时，控制器150才控制换位器使得参考镜112能够被安置在待测物体10与光探测器140之间的测量光路PA中。当透射干涉仪单元120被用于测量可透射的待测物体10的形状时，参考镜112被设置成偏离测量光路PA并且准直镜125被安置在测量光路PA中，以便校准透射通过待测物体10的光。

在这个例示性的实施方式中，集成式形状测量装置100根据待测物体10的透光率选择性地使用反射干涉仪单元110和透射干涉仪单元120中的一个。

就是说，如果待测物体10是具有低透光率的可反射类型，使用能够基于从第一光源111发射的光形成干涉条纹的反射干涉仪单元110来测量待测物体10的形状。另一方面，如果待测物体10是具有高透光率的可透射类型，使用能够基于从第二光源121发射的光形成干涉条纹的透射干涉仪单元120来测量待测物体10的形状。

如上所述，在按照本发明的一个实施方式配置的集成式形状测量装置中，反射干涉仪和透射干涉仪被集成在单个装置中，并且根据待测物体的透光率选择性地使用其中的一个，从而可兼容地测量各种物体，并且借助为最佳结果选出的干涉仪改善测量精度。

同样地，如上所述，按照本发明的一个实施方式配置的集成式形状测量装置响应于光源的开/关信号来控制参考镜的位置，并且因此具有防止由于手动操作而引起的故障的效果。

同样地，如上所述，在按照本发明的一个实施方式配置的集成式形状测量装置中，反射干涉仪单元和透射干涉仪单元被布置在光探测器的两侧，从而有效地利用该集成式形状测量装置内的空间并且减小整个装置的尺寸。

根据本发明的一个实施方式，该集成式形状测量装置能可兼容地测量各种物体并且借助为最佳结果选出的干涉仪改善测量精度。

根据本发明的一个实施方式，该集成式形状测量装置可以防止由于手动操作而引起的故障。

根据本发明的一个实施方式，该集成式形状测量装置可以增加可用选项。

根据本发明的一个实施方式，该集成式形状测量装置可以有效地利用该集成式形状测量装置内的空间并且减小整个装置的尺寸。

尽管示出和描述了本发明的一些例示性实施方式，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的原则和精神的情况下可以进行修改，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种集成式形状测量装置，该集成式形状测量装置包括：

反射干涉仪单元，该反射干涉仪单元包括第一光源以及反射干涉仪，该反射干涉仪被配置为将从所述第一光源发射的光传输到待测物体和参考镜并且基于从所述待测物体反射的光和所述参考镜的参考光形成干涉条纹；

透射干涉仪单元，该透射干涉仪单元包括第二光源以及透射干涉仪，该第二光源被配置为发射单色光，该透射干涉仪被配置为将从所述第二光源发射的光进行分光，使得一部分光能透射通过所述待测物体而另一部分光不能透射通过所述待测物体并且基于透射通过所述待测物体的光和未透射通过所述待测物体的光形成干涉条纹；以及

光探测器，该光探测器被置于所述待测物体的上方并且探测由所述反射干涉仪单元或所述透射干涉仪单元形成的干涉条纹，

其中，根据所述待测物体的透光率而选择性地使用所述反射干涉仪单元和所述透射干涉仪单元中的一者。

2.根据权利要求1所述的集成式形状测量装置，其中所述透射干涉仪包括：

分束器，该分束器被配置为对从所述第二光源发射出的光进行分光；

反射镜，该反射镜被配置为置于所述待测物体的下方并且接收由所述分束器分出的一部分光的入射，使得入射光能够透射通过所述待测物体并且向所述光探测器传播；以及

相移镜，该相移镜被配置为置于所述待测物体的上方并且能上下移动，并且接收由所述分束器分出的另一部分光的入射，使得入射光能不透射通过所述待测物体而向所述光探测器传播，

其中由来自所述反射镜的光和来自所述相移镜的光形成干涉条纹。

3.根据权利要求1所述的集成式形状测量装置，该集成式形状测量装置还包括：

换位器，该换位器被配置为将所述参考镜安置在所述待测物体与所述光探测器之间的测量光路中，或者将所述参考镜设置成离开所述测量光路；以及

控制器，该控制器被配置为接收所述第一光源的开/关信号以及所述第二光源的开/关信号，并且控制所述换位器，使得能响应于所述第一光源的开信号而将所述参考镜安置在所述测量光路中，并且能响应于所述第二光源的开信号而将所述参考镜设置成离开所述测量光路。

4.根据权利要求1所述的集成式形状测量装置，其中所述第一光源包括被配置成发射白光的白光光源以及被配置成发射单色光的单色光光源，并且

选择性地使用从所述白光光源和所述单色光光源其中一者发射的光。

5.根据权利要求4所述的集成式形状测量装置，该集成式形状测量装置还包括光源移置器，该光源移置器被配置为来回移动所述第一光源，使得从所述白光光源与所述单色光光源其中一者发射的光能够被传输到所述反射干涉仪。

6.根据权利要求1所述的集成式形状测量装置，其中所述反射干涉仪单元和所述透射干涉仪单元被布置在所述光探测器的两侧，该光探测器位于二者之间。