CN105466359B - 一种精密面型测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密面型测量装置，该装置包括光源、投影光栅、第一双远心系统、第二双远心系统、检测光栅组件、空间分光系统、第一探测器、第二探测器、处理单元。其中，该装置利用检测光栅组件将一个光栅莫尔条纹分裂为两个位相差恒定的莫尔条纹，并利用空间分光系统将该两个莫尔条纹从空间上完全分开，成像到一对探测器上，并根据第一莫尔条纹光强I1和第二莫尔条纹光强I2获得所述被测量物体表面高度。该装置对测量光强变化不敏感，提高了测量系统对被测量表面材料和工艺的适应性。

Description

一种精密面型测量装置
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种精密面型测量装置。
背景技术
在精密面型测量领域，光学测量方法具有精度高、非接触、测量面积大等优势，发挥着越来越重要的作用。其中主要的两种光学测量方法是光学干涉技术和光栅计量技术。光学干涉技术包括F-P干涉仪、外差干涉仪、偏振干涉仪、半导体激光调频干涉仪等多种技术，其测量精度可达纳米级。但干涉测量一般对温度、气流、振动等敏感，对测量环境提出很高要求。随着光栅刻制技术的发展和莫尔条纹细分技术的完善，光栅计量技术也可以获得纳米级的测量精度。光栅计量技术对测量环境较不敏感，因此具有更广阔的应用范围。
但本申请人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现以上光栅计量技术测量面型高度存在如下问题：
由于被测量表面材料和工艺具有随机性和不可预见性，材料和/或工艺的不同会导致测量光强发生变化，而测量光强的变化容易造成测量高度误差，导致对被测量表面的材料和工艺的适应性较差。
发明内容
本发明实施例提供一种精密面型测量装置，用于解决现有技术中由于测量表面材料和工艺不同导致的光强变化而引起测量误差的技术问题，提高光栅计量技术的实用性和适应性。
一种精密面型测量装置，用于对待测物体表面进行形貌测量，所述待测物体放置在位移台上，其中，所述装置包括：光源，所述光源用于提供所述测量装置所需的照明光；投影光栅，所述投影光栅接收所述照明光后形成投影光栅像；第一双远心系统，所述第一双远心系统用于将所述投影光栅成像于所述待测物体表面上；第二双远心系统，所述第二双远心系统用于接收来自所述待测物体表面镜面反射后的所述投影光栅像；检测光栅组件，所述检测光栅组件用于接收来自所述第二双远心系统的所述投影光栅像，并将所述投影光栅像分裂为第一投影光栅像和第二投影光栅像；其中所述第一投影光栅像与检测光栅形成第一莫尔条纹，所述第二投影光栅像与检测光栅形成第二莫尔条纹，其中所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹为两个位相差恒定的莫尔条纹；空间分光系统，所述空间分光系统用于接收所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹，并将所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹在空间上分开；第一探测器，所述第一探测器用于接收第一莫尔条纹，并获得所述第一莫尔条纹的莫尔条纹光强I1；第二探测器，所述第二探测器用于接收第二莫尔条纹，并获得所述第二莫尔条纹的莫尔条纹光强I2；处理单元，所述处理单元用于根据所述莫尔条纹光强I1和所述莫尔条纹光强I2获得所述被测量物体表面高度。
进一步的，所述根据所述莫尔条纹光强I1和莫尔条纹光强I2获得所述被测量物体表面高度，还包括：根据归一化差分处理获得所述被测量物体表面高度。
进一步的，所述根据归一化差分处理获得所述被测量物体表面高度，包括：根据公式获得所述被测量物体表面高度，其中G为比例系数。
进一步的，所述装置还包括：数据采集单元，所述数据采集单元的一端分别与所述第一探测器、所述第二探测器连接，用于获得所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹的信号信息；所述数据采集单元的另一端与所述处理单元连接，用于将所述放大和转换后的信号信息发送给处理单元。
进一步的，所述装置还包括：光源监控单元，所述光源监控单元与所述光源连接，用于检测所述光源的状态和控制所述光源的发光强度。
进一步的，所述检测光栅组件还包括：偏振片，所述偏振片用于将从所述第二双远心系统发出的所述投影光栅像转化为线偏振光；分光晶体，所述分光晶体位于所述偏振片之后，用于将所述线偏振光分裂为两个偏振态相互垂直的所述第一投影光栅像和所述第二投影光栅像，并产生一定量的空间错位；检测光栅，所述检测光栅与所述两个偏振态相互垂直的所述第一投影光栅像和所述第二投影光栅像干涉分别形成第一莫尔条纹和第二莫尔条纹。
进一步的，所述空间分光系统包括：第一成像系统，所述第一成像系统位于所述检测光栅组件之后，用于将从所述莫尔条纹每个点发出的光转化为平行光，并使所述平行光的主光线会聚到所述第一成像系统的后焦面上；偏振分光镜，所述偏振分光镜位于所述第一成像系统的后焦面上，用于将所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹从空间上分开；第二成像系统，所述第二成像系统位于所述偏振分光镜之后，用于将空间上分开的所述第一莫尔条纹成像到所述第一探测器上，所述第二莫尔条纹成像到所述第二探测器上。
进一步的，所述第一探测器和第二探测器对称放置。
进一步的，所述第一探测器和所述第二探测器具有相同的几何尺寸和光学特性参数。
进一步的，所述位移台具有调节单元，所述调节单元用于根据所述待测物体表面的形貌实时调节高度和/或倾斜角度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供一种精密面型测量装置，该装置利用检测光栅组件将一个光栅莫尔条纹分裂为两个位相差恒定的莫尔条纹，并利用空间分光系统将该两个莫尔条纹从空间上完全分开，成像到一对探测器上，并根据莫尔条纹光强I1和所述莫尔条纹光强I2获得所述被测量物体表面高度。该装置计算被测量物体表面高度时将莫尔条纹光强I1和I2进行差分归一化处理，从而使该装置对测量光强变化不敏感，提高了测量系统对被测量表面材料和工艺的适应性。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种精密面型测量装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例中一种空间分光系统的结构示意图；
图3为本发明一实施例中一种检测光栅组件的结构示意图；
图4为本发明一实施例中第一探测器和第二探测器的位置结构示意图。
具体实施方式
本发明一实施例中提供一种精密面型测量装置，该装置包括光源、投影光栅、第一双远心系统、第二双远心系统、检测光栅组件、空间分光系统、第一探测器、第二探测器、处理单元。其中，该装置利用检测光栅组件将一个光栅莫尔条纹分裂为两个位相差恒定的莫尔条纹，并利用空间分光系统将该两个莫尔条纹从空间上完全分开，成像到一对探测器上，并根据第一莫尔条纹光强I1和第二莫尔条纹光强I2获得所述被测量物体表面高度。该装置计算被测量物体表面高度时将莫尔条纹光强I1和I2进行差分归一化处理，从而使对测量光强变化不敏感，提高了测量系统对被测量表面材料和工艺的适应性。
为使本领域技术人员能够更详细了解本发明，以下结合附图对本发明进行详细描述。
如图1所述，图1为本发明一实施例中一种精密面型测量装置的结构示意图。其中，所述装置用于对待测物体5表面形貌进行测量，所述待测物体5设置在一位移台16上，所述待测物体5的上表面6为被测量区域，可以提供镜面反射；所述装置包括：光源1、投影光栅2、第一双远心系统3、第二双远心系统8、检测光栅组件9、空间分光系统10、第一探测器11和第二探测器12、处理单元15，其中，
光源1，所述光源1用于提供所述测量装置所需的照明光；其中所述照明光为均匀的照明光；
投影光栅2，所述投影光栅2接收所述照明光后形成投影光栅像；
第一双远心系统3，所述第一双远心系统3用于将所述投影光栅成像于所述待测物体表面6上；
第二双远心系统8，所述第二双远心系统8用于接收来自所述待测物体表面6镜面反射后的所述投影光栅像；
检测光栅组件9，所述检测光栅组件9用于接收来自所述第二双远心系统8的所述投影光栅像，并将所述投影光栅像分裂为第一投影光栅像和第二投影光栅像；其中所述第一投影光栅像与检测光栅形成第一莫尔条纹，所述第二投影光栅像与检测光栅形成第二莫尔条纹，其中所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹为两个位相差恒定的莫尔条纹；
空间分光系统10，所述空间分光系统10用于接收所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹，并将所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹在空间上分开；
第一探测器11，所述第一探测器11用于接收第一莫尔条纹，并获得所述第一莫尔条纹的莫尔条纹光强I1；
第二探测器12，所述第二探测器12用于接收第二莫尔条纹，并获得所述第二莫尔条纹的莫尔条纹光强I2；
处理单元15，所述处理单元15用于根据所述莫尔条纹光强I1和所述莫尔条纹光强I2获得所述被测量物体表面高度。其中，所述处理单元15可以是计算机，或者其他具有计算处理能力的设备。
进一步的，所述根据所述莫尔条纹光强I1和莫尔条纹光强I2获得所述被测量物体表面高度，具体为根据归一化差分处理获得所述被测量物体表面高度。再进一步的，根据公式获得所述被测量物体表面高度，其中G为比例系数。其中，G一般通过多项式拟合获得，上述多项式和拟合过程是本领域技术人员的公知技术，本说明书不做具体阐述。
进一步的，所述装置还包括：数据采集单元13，所述数据采集单元13的一端分别与所述第一探测器11、所述第二探测器12连接，用于获得所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹的信号信息；所述数据采集单元13的另一端与所述处理单元15连接，用于将所述放大和转换后的信号信息发送给处理单元15。
进一步的，所述装置还包括：光源监控单元14，所述光源监控单元14与所述光源1连接，用于检测所述光源1的状态和控制所述光源1的发光强度。
进一步的，所述装置还包括第一反射镜4和第二反射镜7，其中第一反射镜4位于第一双远心系统3和所述被测量物体表面6之间，所述第一反射镜4用于将来自第一双远心系统3的投影光栅像反射至被测量物体表面6上。所述第二反射镜7位于所述被测量物体表面6和第二双远心系统8之间，第二反射镜7用于将来自所述被测量表面6的投影光栅像反射至所述第二双远心系统8上。
进一步的，所述检测光栅组件9如图2所示，检测光栅组件9包括偏振片20、分光晶体21、检测光栅22，其中：
偏振片20，所述偏振片20用于将从所述第二双远心系统8发出的所述投影光栅像转化为线偏振光。
分光晶体21，所述分光晶体21位于所述偏振片20之后，用于将所述线偏振光分裂为两个偏振态相互垂直的所述第一投影光栅像和所述第二投影光栅像，并产生一定量的空间错位。
检测光栅22，所述检测光栅22与所述两个偏振态相互垂直的所述第一投影光栅像和所述第二投影光栅像干涉形成第一莫尔条纹和第二莫尔条纹。其中，所述第一投影光栅像与检测光栅形成第一莫尔条纹，所述第二投影光栅像与检测光栅形成第二莫尔条纹。
进一步的，所述空间分光系统10如图3所示，包括：第一成像系统17、偏振分光镜18、第二成像系统19，其中：
第一成像系统17，所述第一成像系统17位于所述检测光栅组件9之后，用于将从所述莫尔条纹每个点发出的光转化为平行光，并使所述平行光的主光线会聚到所述第一成像系统17的后焦面上。
偏振分光镜18，所述偏振分光镜18位于所述第一成像系统17的后焦面上，用于将所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹从空间上分开；其中，偏振分光镜18不限于渥拉斯顿棱镜，偏振分光镜18也可以为其他双折射晶体或镜片组件。
第二成像系统19，所述第二成像系统19位于所述偏振分光镜18之后，用于将空间上分开的所述第一莫尔条纹成像到所述第一探测器11上，所述第二莫尔条纹成像到所述第二探测器12上。
进一步的，所述探测器对如图4所示，所述第一探测器11和第二探测器12对称放置。
进一步的，所述第一探测器11和所述第二探测器12具有相同的几何尺寸和光学特性参数。
进一步的，所述位移台16具有调节单元，所述调节单元用于根据所述待测物体表面的形貌实时调节高度和/或倾斜角度。进一步的，所述位移台16实现对所述待测物体表面6的X和/或Y方向扫描。
为了更清楚的介绍本发明实施例所提供的一种基于空间分光的精密面型测量装置，下面从使用方法上予以说明。
待测物体放置在位移台16上，调整位移台16，使其位于测量范围。调整光源1的输出光强。从光源1输出的光均匀照明至投影光栅2，所述投影光栅经过第一双远心系统3成像到待测物体表面6上，所述投影光栅的成像经待测物体表面6反射后，经过第二双远心系统8，成像在检测光栅组件9位置处。偏振片20与分光晶体21将测量光分为两束偏振态相互垂直且光强相等的光束，且空间上错开一定距离。检测光栅22与投影光栅像形成两个位相差恒定(一般为π)的莫尔条纹。根据偏振态的不同，该两个莫尔条纹经过空间分光系统10从空间上完全分开，并被第一探测器11和第二探测器12同时接收，分别为I1和I2。处理单元通过归一化光学差分的方法计算物体表面的面型高度G为比例系数，一般通过多项式拟合获得。为了得到整个硅片的高度图，位移台16需扫描整个待测物体表面。
本发明的有益效果如下：
本发明一实施例中提供一种精密面型测量装置，该装置包括光源、投影光栅、第一双远心系统、第二双远心系统、检测光栅组件、空间分光系统、第一探测器、第二探测器、处理单元。其中，该装置利用检测光栅组件将一个光栅莫尔条纹分裂为两个位相差恒定的莫尔条纹，并利用空间分光系统将该两个莫尔条纹从空间上完全分开，成像到一对探测器上，并根据第一莫尔条纹光强I1和第二莫尔条纹光强I2获得所述被测量物体表面高度。该装置对测量光强变化不敏感，提高了测量系统对被测量表面材料和工艺的适应性。
本发明涉及的一种精密面型测量装置，但不限于此，凡是在本发明的精神和原则内，应用于任何场合都在本发明的保护范围内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用与限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种精密面型测量装置，用于对待测物体表面进行形貌测量，其特征在于，所述待测物体放置在位移台上，其中，所述装置包括：
光源，所述光源用于提供所述测量装置所需的照明光；
投影光栅，所述投影光栅接收所述照明光后形成投影光栅像；
第一双远心系统，所述第一双远心系统用于将所述投影光栅成像于所述待测物体表面上；
第二双远心系统，所述第二双远心系统用于接收来自所述待测物体表面镜面反射后的所述投影光栅像；
检测光栅组件，所述检测光栅组件用于接收来自所述第二双远心系统的所述投影光栅像，并将所述投影光栅像分裂为第一投影光栅像和第二投影光栅像；其中所述第一投影光栅像与检测光栅形成第一莫尔条纹，所述第二投影光栅像与检测光栅形成第二莫尔条纹，其中所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹为两个位相差恒定的莫尔条纹；
空间分光系统，所述空间分光系统用于接收所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹，并将所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹在空间上分开；
第一探测器，所述第一探测器用于接收第一莫尔条纹，并获得所述第一莫尔条纹的莫尔条纹光强I1；
第二探测器，所述第二探测器用于接收第二莫尔条纹，并获得所述第二莫尔条纹的莫尔条纹光强I2；
处理单元，所述处理单元用于根据所述莫尔条纹光强I1和所述莫尔条纹光强I2获得所述待测物体表面高度；
数据采集单元，所述数据采集单元的一端分别与所述第一探测器、所述第二探测器连接，用于获得所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹的信号信息；所述数据采集单元的另一端与所述处理单元连接，用于将放大和转换后的信号信息发送给处理单元；
光源监控单元，所述光源监控单元与所述光源连接，用于检测所述光源的状态和控制所述光源的发光强度；
其中，所述空间分光系统包括：
第一成像系统，所述第一成像系统位于所述检测光栅组件之后，用于将从所述莫尔条纹每个点发出的光转化为平行光，并使所述平行光的主光线会聚到所述第一成像系统的后焦面上；
偏振分光镜，所述偏振分光镜位于所述第一成像系统的后焦面上，用于将所述第一莫尔条纹和所述第二莫尔条纹从空间上分开；
第二成像系统，所述第二成像系统位于所述偏振分光镜之后，用于将空间上分开的所述第一莫尔条纹成像到所述第一探测器上，所述第二莫尔条纹成像到所述第二探测器上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述根据所述莫尔条纹光强I1和莫尔条纹光强I2获得所述待测物体表面高度，还包括：
根据归一化差分处理获得所述待测物体表面高度。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述根据归一化差分处理获得所述待测物体表面高度，包括：
根据公式获得所述待测物体表面高度，其中G为比例系数。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测光栅组件还包括：
偏振片，所述偏振片用于将从所述第二双远心系统发出的所述投影光栅像转化为线偏振光；
分光晶体，所述分光晶体位于所述偏振片之后，用于将所述线偏振光分裂为两个偏振态相互垂直的所述第一投影光栅像和所述第二投影光栅像，并产生一定量的空间错位；
检测光栅，所述检测光栅与所述两个偏振态相互垂直的所述第一投影光栅像和所述第二投影光栅像干涉分别形成第一莫尔条纹和第二莫尔条纹。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述第一探测器和第二探测器对称放置。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述第一探测器和所述第二探测器具有相同的几何尺寸和光学特性参数。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位移台具有调节单元，所述调节单元用于根据所述待测物体表面的形貌实时调节高度和/或倾斜角度。
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