CN104748686B - 一种利用小孔衍射波进行待测件定位的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用小孔衍射波进行待测件定位的装置及方法，该装置中从激光器发射的光经过滤波孔、第一聚光镜、空间滤波器、扩束镜、λ/2波片、λ/4波片、经过衰减片后经照射到待测件侧面掩模版，掩模版包含小孔或小孔阵列，小孔周围反射光的光强变化判断待测件的对准情况。待测件侧面固定掩模版，通过标定掩模版上小孔的位置，得到待测件在平移台上的相对位置信息。本发明小孔可以做到1μm量级，小孔对入射光位置很敏感，一旦入射光偏离小孔，光强会发生较大变化，测量精度在纳米量级。同时提出了一种利用小孔衍射波进行待测件定位的方法，其中关键部件掩模版包含小孔或小孔阵列，根据小孔周围反射光的变化判断待测件的对准情况。

Description

一种利用小孔衍射波进行待测件定位的装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及一种利用小孔衍射波进行待测件定位的装置及方法。

背景技术

高精度干涉仪表面测量变得越来越重要，不但在传统的光学制造领域，而且在像光盘面或者半导体晶体面这样的新领域。pv值在亚纳米范围的检测精度要求越来越多。随着现代工业和科学技术的飞速发展，特别是近代大规模集成电路技术的不断提高，对系统的精度要求日益提高。在光刻系统中，越来越短的波长要求我们使用更高精度的光刻物镜。在这之前我们需要更高精度的检测技术来满足加工及系统集成的需要。光学面形高精度检测技术是极大规模集成电路及成套设备制造工艺中关键技术之一。同时随着科学技术的不断发展，大口径光学系统在天文光学、空间光学、空间目标探测与识别、惯性约束聚变(ICF)等高技术领域得到了越来越广泛的应用，因此大口径光学元件的制造需要与之精度相适应的检测方法和仪器。

目前大口径光学元件的表面加工质量一般是使用大口径的移相干涉仪，这就要求要有一块与被测元件尺寸相同或者更大的标准面形，而这样一个高精度的标准表面，不仅加工难度极大，而且制造周期长，制造成本高，这些都无形地增加了检测的成本和难度。为了寻求一种低成本的检测手段，国外在20世纪80年代开展了子孔径拼接这一方案的研究，即使用小口径、高精度、高分辨率的干涉仪通过相关拼接技术来复原大口径光学元件的波前相位数据，这是一项新的高精度、大孔径面形检测手段，它既保留了干涉测量的高精度，又免去了使用与全孔径尺寸相同的标准波面，从而大大降低了成本，同时还可以获得大孔径干涉仪所截去的波面高频信息。

目前位移和定位测量主要有光栅尺，位移传感器等测试装置。

位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。

光栅尺，也称为光栅尺位移传感器，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。

在高精度测试中，子孔径拼接过程和高精度面形检测技术中，待测件在干涉仪上的定位精度，待测件在子孔径拼接过程中运动精度对检测精度有较大的影响。

待测件在检测过程中，面形检测结果与待测件在检测装置上的位置需精确对应，面形检测结果与光学加工装置上的位置需精确对应，面形检测结果与装配上的位置需精确对应。以上三点是保证光学系统波像差达到纳米量级的关键技术之一。

高精度测长干涉仪主要以雷尼绍，安捷伦等国外公司的产品居多。

在子孔径拼接干涉检测技术中，待测件的安装定位过程，绝对标定过程，拼接过程都需要高精度的定位和位移测量装置，在本发明中，提出了一种利用小孔衍射波进行待测件定位的方法，其中关键部件掩模版包含小孔或小孔阵列，根据小孔周围反射光的变化判断待测件的对准情况。本发明同样可以用于机床，加工设备，装配等其他领域。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提高测量精度，本发明的目的是提供一种利用小孔衍射波进行待测件定位的装置及方法，以实现高精度定位和位移测量。

为达成所述目的，本发明提供一种利用小孔衍射波进行待测件定位的装置，包括：激光器、滤波孔、第一聚光镜、空间滤波器、扩束镜、λ/2波片、λ/4波片、衰减片、第二聚光镜、掩模版、待测件、平移台、转台、第三聚光镜、探测器、计算机。其中：滤波孔放置在激光器的出光口，第一聚光镜放置在滤波孔和空间滤波器中间，滤波孔放置的位置为物面位置，空间滤波器放置在像面位置；空间滤波器同时放置在扩束镜的前焦点，λ/2波片、λ/4波片依次放置在扩束镜后面，其中滤波孔、第一聚光镜、空间滤波器、扩束镜、λ/2波片、λ/4波片的中心都在同一光轴上，λ/2波片、λ/4波片平行于扩束镜,衰减片、第二聚光镜与λ/4波片同一光轴，第二聚光镜放置在衰减片后面，掩模版固定在待测件侧面，待测件放置在平移台上面，平移台放置在转台上面。探测器放在第三聚光镜后面；计算机与探测器连接；

激光器，用于发出激光作为照明光源；滤波孔，利用衍射效应用于将激光发出的光散射；第一聚光镜，用于收集滤波孔发出的散射光；空间滤波器，用于将聚光镜收集的光过滤掉杂散光；扩束镜，用于将空间滤波器过滤的点光源的光变为平行光；λ/2波片，用于旋转激光光源的偏振方向；λ/4波片，用于和λ/2波片结合来调节产生圆偏振光；衰减片，用于改变光束的光强；第二聚光镜，用于将光束缩束到掩模版上的小孔上；掩模版，包含小孔和小孔阵列，上面小孔镀反射膜用于反射光；同时根据小孔的位置，定位待测件位置；待测件，可以是光学件也可以是机械件，或金属件、塑料件；平移台，用于放置待测件，同时控制待测件的平动；转台，用于控制待测件的转动；第三聚光镜，用于将反射后的光投射到探测器上，计算机与探测器连接，计算机存储并处理探测器记录的光强信息。

所述激光器、滤波孔、第一聚光镜、空间滤波器、扩束镜、λ/2波片、λ/4波片、衰减片、第二聚光镜可以集成在一个测试装置内，外加控制单元可以控制装置在空间内移动和旋转。

所述掩模版包含小孔或小孔阵列，可以用于定位或测量。

所述第三聚光镜、探测器可以集成在一个装置中，外加控制单元可以控制装置在空间进行移动和旋转。

所述平移台，用于控制待测镜平动或倾斜，可以同时在三维(x,y,z)方向移动，在二维(xz,yz)方向倾斜，也可以单独在一维方向移动，可以是直线导轨的组合，或者其他有五维运动能力的机构。

所述转台可以使待测件旋转任意角度，同时也可以带有编码功能。

所述待测件含有工装，工装能够固定掩模版。

为达成所述目的，本发明提供一种利用小孔衍射波进行待测件定位的方法，其特征在于：待测件侧面固定掩模版，通过小孔周围反射光的变化判断待测件的对准情况，通过标定掩模版上小孔的位置，得到待测件在平移台上的相对位置信息，具体检测步骤如下：

第一步：标定掩模版和待测件对应的位置关系，即掩模版上小孔对应待测件面上的位置。

第二步：将待测件放置在平移台上，掩模版固定在待测件工装侧面。激光器发射的光经过滤波孔，光束发散后经过第一聚光镜，第一聚光镜会聚光到一个空间滤波器，滤掉杂光，再经过一个扩束镜进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片将线偏振光转换为圆偏振光。圆偏振光经过衰减片调节光强后经第二聚光镜照射到掩模版上。

第三步：调整平移台的倾斜与位移，使待测件放置在正确的位置。

第四步：利用平移台控制待测件的运动，根据探测器记录的光强变化，计算待测件位移距离。

本发明的有益效果：小孔可以做到1um量级，小孔对入射光位置很敏感，一旦入射光偏离小孔，光强会发生较大变化，测量精度在纳米量级。同时提出了一种利用小孔衍射波进行待测件定位的方法，其中关键部件掩模版包含小孔或小孔阵列，根据小孔周围反射光的变化判断待测件的对准情况。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为包含激光器、滤波孔、第一聚光镜、空间滤波器、扩束镜、λ/2波片、λ/4波片、衰减片、第二聚光镜的测试装置；

图3为包含小孔阵列的掩模版；

图4为采用聚焦离子束制造的工程用小孔示意图；其中，(a)为直径为3um的小孔，(b)为直径为1um的小孔；

图5为集成在一个装置中的第三聚光镜和探测器；

图6为当入射光束对准小孔时，反射光束方向及光强变化情况示意图；

图7为本发明一种利用小孔衍射波进行待测件定位方法过程流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1表示本发明装置的结构示意图，由激光器1、滤波孔2、第一聚光镜3、空间滤波器4、扩束镜5、λ/2波片6、λ/4波片7、衰减片8、第二聚光镜9、掩模版10、待测件11、平移台12、转台13、第三聚光镜14、探测器15、计算机16。其中：滤波孔2放置在激光器1的出光口，第一聚光镜3放置在滤波孔2和空间滤波器4中间，滤波孔2放置的位置为物面位置，空间滤波器4放置在像面位置；空间滤波器4同时放置在扩束镜5的前焦点，λ/2波片6、λ/4波片7依次放置在扩束镜5后面，其中滤波孔2、第一聚光镜3、空间滤波器4、扩束镜5、λ/2波片6、λ/4波片7的中心都在同一光轴上，λ/2波片6、λ/4波片7平行于扩束镜5，衰减片8、第二聚光镜9与λ/4波片7同一光轴，第二聚光镜9放置在衰减片8后面，掩模版10固定在待测件11侧面，待测件11放置在平移台12上面，平移台12放置在转台13上面。探测器15放在第三聚光镜14后面；计算机16与探测器15连接；

激光器1，用于发出激光作为照明光源；滤波孔2，利用衍射效应用于将激光发出的光散射；第一聚光镜3，用于收集滤波孔发出的散射光；空间滤波器4，用于将聚光镜收集的光过滤掉杂散光；扩束镜5，用于将空间滤波器过滤的点光源的光变为平行光；λ/2波片6，用于旋转激光光源的偏振方向；λ/4波片7，用于和λ/2波片结合来调节产生圆偏振光；衰减片8，用于改变光束的光强；第二聚光镜9，用于将光束缩束到掩模版10上的小孔上；掩模版10，包含小孔和小孔阵列，上面小孔镀反射膜用于反射光；同时根据小孔的位置，定位待测件位置；待测件11，可以是光学件也可以是机械件，或金属件、塑料件；平移台12，用于放置待测件，同时控制待测件的平动；转台13，用于控制待测件的转动；第三聚光镜14，用于将反射后的光投射到CCD探测器15上，计算机16与探测器14连接，计算机16存储并处理探测器15记录的光强信息。

所述激光器1、滤波孔2、第一聚光镜3、空间滤波器4、扩束镜5、λ/2波片6、λ/4波片7、衰减片8、第二聚光镜9可以集成在一个测试装置内，外加控制单元可以控制装置在空间内移动和旋转，如图2所示，最终可以做成类似激光器测量头形状的装置，内部所有元件封装，只留一个缩束后的出光口。

所述掩模版10包含小孔或小孔阵列，可以用于定位或测量，如图3所示，掩模版10除小孔外的位置镀吸收膜，小孔上镀反射膜，采用聚焦离子束制造的工程用小孔如图4所示，a为在扫描电镜下观察到的直径为3μm小孔，b为在扫描电镜下观察到的直径为1μm小孔。

所述第三聚光镜14、探测器15可以集成在一个装置中，外加控制单元可以控制装置在空间进行移动和旋转，如图5所示。

所述平移台12用于控制待测镜平动或倾斜，可以同时在三维(x,y,z)方向移动，在二维(xz,yz)方向倾斜，也可以单独在一维方向移动，可以是直线导轨的组合，或者其他有五维运动能力的机构。

所述转台13可以使待测件11旋转任意角度，同时也可以带有编码功能。

所述待测件11含有工装，工装能够固定掩模版10。

在测量时采用图1所示的测量装置，待测件侧面固定掩模版10，通过小孔周围反射光的光强变化判断待测件11的对准情况，如图6所示，当入射光束对准小孔时，带有衍射效应的反射光，光强最大，当入射光束偏离小孔时，反射光光强变弱。根据通过标定掩模版10上小孔的位置，得到待测件11在平移台12上的相对位置信息，图7示出本发明一种利用小孔衍射波进行待测件定位方法过程流程图，具体检测步骤如下：

第一步：标定掩模版和待测件对应的位置关系，即掩模版上小孔对应待测件面上的位置。

第二步：将待测件11放置在平移台12上，掩模版10固定在待测件工装侧面。激光器1发射的光经过滤波孔2，光束发散后经过第一聚光镜3，第一聚光镜3会聚光到一个空间滤波器4，滤掉杂光，再经过一个扩束镜5进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片6，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片7将线偏振光转换为圆偏振光。圆偏振光经过衰减片8调节光强后经第二聚光镜9照射到掩模版10上。

第三步：调整平移台12的倾斜与位移，使待测件11放置在正确的位置。

第四步：利用平移台12控制待测件11的运动，当掩模版10移动时，入射光束将不断对准或偏离小孔，根据探测器15记录的光强变化，计算待测件11位移距离。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种利用小孔衍射波进行待测件定位的装置，其特征在于，包括：

激光器(1)、滤波孔(2)、第一聚光镜(3)、空间滤波器(4)、扩束镜(5)、λ/2波片(6)、λ/4波片(7)、衰减片(8)、第二聚光镜(9)、掩模版(10)、待测件(11)、平移台(12)、转台(13)、第三聚光镜(14)、探测器(15)和计算机(16)；其中：滤波孔(2)放置在激光器(1)的出光口，第一聚光镜(3)放置在滤波孔(2)和空间滤波器(4)中间，滤波孔(2)放置的位置为物面位置，空间滤波器(4)放置在像面位置；空间滤波器(4)同时放置在扩束镜(5)的前焦点，λ/2波片(6)、λ/4波片(7)依次放置在扩束镜(5)后面，其中滤波孔(2)、第一聚光镜(3)、空间滤波器(4)、扩束镜(5)、λ/2波片(6)、λ/4波片(7)的中心都在同一光轴上，λ/2波片(6)、λ/4波片(7)平行于扩束镜(5)，衰减片(8)、第二聚光镜(9)与λ/4波片(7)同一光轴，第二聚光镜(9)放置在衰减片(8)后面，掩模版(10)固定在待测件(11)侧面，待测件(11)放置在平移台(12)上面，平移台(12)放置在转台(13)上面，探测器(15)放在第三聚光镜(14)后面；计算机(16)与探测器(15)连接；

激光器(1)，用于发出激光作为照明光源；

滤波孔(2)，利用衍射效应用于将激光发出的光散射；

第一聚光镜(3)，用于收集滤波孔发出的散射光；

空间滤波器(4)，用于将聚光镜收集的光过滤掉杂散光；

扩束镜(5)，用于将空间滤波器过滤的点光源的光变为平行光；

λ/2波片(6)，用于旋转激光光源的偏振方向；

λ/4波片(7)，用于和λ/2波片结合来调节产生圆偏振光；

衰减片(8)，用于改变光束的光强；

第二聚光镜(9)，用于将光束缩束到掩模版(10)上的小孔上；

掩模版(10)，包含小孔或小孔阵列，上面小孔镀反射膜用于反射光；同时根据小孔的位置，定位待测件位置；

待测件(11)：是光学件或者是机械件，或金属件、塑料件；

平移台(12)，用于放置待测件，同时控制待测件的平动；

转台(13)，用于控制待测件的转动；

第三聚光镜(14)，用于将反射后的光投射到CCD探测器(15)上，计算机(16)与探测器(14)连接，计算机(16)存储并处理探测器(15)记录的光强信息。

2.根据权利要求1所述利用小孔衍射波进行待测件定位的装置，其特征在于：所述激光器(1)、滤波孔(2)、第一聚光镜(3)、空间滤波器(4)、扩束镜(5)、λ/2波片(6)、λ/4波片(7)、衰减片(8)、第二聚光镜(9)能够集成在一个测试装置内，外加控制单元可以控制装置在空间内移动和旋转。

3.根据权利要求1所述利用小孔衍射波进行待测件定位的装置，其特征在于：所述掩模版(10)包含小孔或小孔阵列，可以用于定位或测量。

4.根据权利要求1所述利用小孔衍射波进行待测件定位的装置，其特征在于：所述第三聚光镜(14)、探测器(15)能够集成在一个装置中，外加控制单元能够控制装置在空间进行移动和旋转。

5.根据权利要求1所述利用小孔衍射波进行待测件定位的装置，其特征在于：所述平移台(12)用于控制待测镜平动或倾斜，能够同时在三维(x,y,z)方向移动，在二维(xz,yz)方向倾斜，或者能够单独在一维方向移动，是直线导轨的组合，或者其他有五维运动能力的机构。

6.根据权利要求1所述利用小孔衍射波进行待测件定位的装置，其特征在于：所述转台(13)能够使待测件(11)旋转任意角度，同时可以带有编码功能。

7.根据权利要求1所述利用小孔衍射波进行待测件定位的装置，其特征在于：所述待测件(11)含有工装，工装能够固定掩模版(10)。

8.一种利用小孔衍射波进行待测件定位的方法，该方法利用权利要求1所述利用小孔衍射波进行待测件定位的装置，其特征在于：待测件侧面固定掩模版(10)，通过小孔周围反射光的光强变化判断待测件(11)的对准情况，通过标定掩模版(10)上小孔的位置，得到待测件(11)在平移台(12)上的相对位置信息，具体检测步骤如下：

第一步：标定掩模版和待测件对应的位置关系，即掩模版上小孔对应待测件面上的位置；

第二步：将待测件(11)放置在平移台(12)上，掩模版(10)固定在待测件工装侧面，激光器(1)发射的光经过滤波孔(2)，光束发散后经过第一聚光镜(3)，第一聚光镜(3)会聚光到一个空间滤波器(4)，滤掉杂光，再经过一个扩束镜(5)进行扩束，扩束过的激光经过一个λ/2波片(6)，旋转激光的偏振方向，再通过一个λ/4波片(7)将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光经过衰减片(8)调节光强后经第二聚光镜(9)照射到掩模版(10)上；

第三步：调整平移台(12)的倾斜与位移，使待测件(11)放置在正确的位置；

第四步：利用平移台(12)控制待测件(11)的运动，根据探测器(15)记录的光强变化，计算待测件(11)位移或距离。