CN106289054B - 一种光栅式垂向位置测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅式垂向位置测量系统，依次包括照明单元、投影光栅组、投影单元、探测单元、探测光栅组、图像采集单元和信号处理单元，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且探测光栅组与投影光栅组为中心对称图形，所述照明单元发出的光均匀照射至所述投影光栅组，然后被所述投影单元成像到待测工件表面，经所述待测工件表面反射后，被探测单元成像在所述探测光栅组上，所述图像采集单元采集透过所述探测光栅组的光信号，所述信号处理单元根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件的垂向位置信息。本发明采用光栅测量，提高了垂向位置测量系统的稳定性与使用寿命。

Description

一种光栅式垂向位置测量系统

技术领域

本发明涉及一种光栅式垂向位置测量系统。

背景技术

随着投影物镜工作波长不断减小、数值孔径不断增大，其焦深也愈来愈小，这就需要不断提高对工件表面垂向位置的测量精度，以使其精确地处于投影物镜的最佳焦平面上。目前用于工件表面垂向位置测量的传感器大多采用光电式测量，投影分支将按一定规律排列的测量狭缝成像在被测工件表面，形成测量光斑；测量光斑经被测工件表面反射后被探测光学系统二次成像到探测狭缝面；工件的垂向位置变化将导致探测狭缝面上测量光斑相对于探测狭缝移动，透过探测狭缝的光强也随之变化；根据光强的变化可以反算出工件的垂向位置。

但是上述光电式垂向测量系统往往需要包含信号调制的运动部件，该运动部件的性能制约着垂向位置测量系统的稳定性与使用寿命。

发明内容

本发明提供一种光栅式垂向位置测量系统，以提高垂向位置测量的稳定性，并延长使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光栅式垂向位置测量系统，沿光传播方向依次包括照明单元、投影光栅组、投影单元、探测单元、探测光栅组、图像采集单元和信号处理单元，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且所述探测光栅组与投影光栅组为中心对称图形，即所述探测光栅组旋转180度后与投影光栅组完全重合，所述照明单元发出的光均匀照射至所述投影光栅组，然后被所述投影单元成像到待测工件表面，经所述待测工件表面反射后，被探测单元成像在所述探测光栅组上，所述图像采集单元采集透过所述探测光栅组的光信号，所述信号处理单元根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件的垂向位置信息。

较佳地，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括两个不同周期的光栅。

较佳地，所述投影单元和探测单元均为双远心光路，所述投影光栅组与所述待测工件表面满足Scheimpflug条件(即：在光学系统中，物面、像面与各自主平面相交于相同的高度)，所述待测工件表面与所述探测光栅组也满足Scheimpflug条件。

较佳地，所述图像采集单元包括成像镜头和探测器，透过所述探测光栅组的光经所述成像镜头在所述探测器上成像。

较佳地，所述探测器为CCD或CMOS。

较佳地，所述待测工件上方设有一参考镜，所述参考镜与待测工件之间设有并行设置的第一光学件和第二光学件，所述第一光学件和第二光学件均为部分透射、部分反射。

与现有技术相比，本发明提供的一种光栅式垂向位置测量系统，沿光传播方向依次包括照明单元、投影光栅组、投影单元、探测单元、探测光栅组、图像采集单元和信号处理单元，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且所述探测光栅组与投影光栅组为中心对称图形，所述照明单元发出的光均匀照射至所述投影光栅组，然后被所述投影单元成像到待测工件表面，经所述待测工件表面反射后，被探测单元成像在所述探测光栅组上，所述图像采集单元采集透过所述探测光栅组的光信号，所述信号处理单元根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件的垂向位置信息。本发明取消了用于信号调制的运动部件，采用光栅测量，提高了垂向位置测量系统的稳定性与使用寿命，且所用的光栅周期较大，衍射及色散效应均可忽略，适用宽光谱以提高工艺适应性。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的光栅式垂向位置测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一中投影光栅组的示意图；

图3为本发明实施例一中探测光栅组的示意图；

图4为本发明一具体实施方式的光栅式垂向位置测量系统中参考镜及第一、第二光学件的结构示意图。

图中：10-照明单元、20-投影光栅组、30-投影单元、40-探测单元、50-探测光栅组、60-图像采集单元、61-成像镜头、62-探测器、70-信号处理单元、80-待测工件、90-参考镜、91-第一光学件、92-第二光学件。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

实施例一

本发明提供的一种光栅式垂向位置测量系统，如图1所示，沿光传播方向依次包括照明单元10、投影光栅组20、投影单元30、探测单元40、探测光栅组50、图像采集单元60和信号处理单元70，所述投影光栅组20和探测光栅组50内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，本实施例中，n＝1，即：所述投影光栅组20和探测光栅组50内均包括两个不同周期的光栅，请重点参考图2和图3，所述探测光栅组50与投影光栅组20为中心对称图形，即探测光栅组50旋转180度后与投影光栅组20完全重合，具体地，所述照明单元10发出的光均匀照射至所述投影光栅组20，然后被所述投影单元30成像到待测工件80表面，经所述待测工件80表面反射后，被探测单元40成像在所述探测光栅组50上，所述图像采集单元60采集透过所述探测光栅组50的光信号，所述信号处理单元70根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件80的垂向位置信息。本发明取消了用于信号调制的运动部件，采用光栅测量，提高了垂向位置测量系统的稳定性与使用寿命，且所用的光栅周期较大，衍射及色散效应均可忽略，适用宽光谱以提高工艺适应性。

较佳地，所述图像采集单元60包括成像镜头61和探测器62，透过所述探测光栅组50的光经所述成像镜头61在所述探测器62上成像，具体地，所述探测器62为CCD或CMOS。

具体地，设投影光栅组20包括两个周期分别为a、b的光栅，其透过率函数分别为：

投影单元30和探测单元40的倍率均为-1，则投影单元30和探测单元40组成的成像单元的放大率为1，因此投影光栅组20在探测光栅组50上的像与投影光栅组20上的像完全相同。

当待测工件80的待测面未发生移动时，透过其中一个探测光栅的光强为：

I₁(y)∝τ₁(y)τ₂(y)………..................…………………….…………(3)

其傅里叶变换为：

当待测面发生Δz的移动量时，投影光栅组20在探测光栅组50面上的像的移动量为：

Δy＝2Δzsinθ………..................…………………….…………(4)

其中，θ为待测工件80上的入射光与法线之间的夹角，此时光强函数的傅里叶变换为：

同理可得透过另一个探测光栅光强的傅里叶变换为：

透过其中一个探测光栅光强的傅里叶变换包含四种成分，第一种对应的空域周期为a，第二种对应的空域周期为b，均为原频信号，第三种对应的空域周期为ab/(a+b)，为和频信号，第四种对应的空域周期为ab/(a-b)，为差频信号，相位为2πΔy/a，可以通过滤波获取。

同理，透过另一个探测光栅光强的傅里叶包含四种成分，第一种对应的空域周期为b，第二种对应的空域周期为a，均为原频信号，第三种对应的空域周期为ab/(a+b)，为和频信号，第四种对应的空域周期为ab/(b-a)，为差频信号，相位为-2πΔy/b，可以通过滤波获取。二者的相位差为：

从而得到：

本实施例所用的光栅周期较大，衍射及色散效应均可忽略。

如果取光栅的周期在30～50um左右(a、b值不应相等，一般应有微小差异，否则无法获得差频信号，例如，a取30um，b取31um，a取50um，b取49um)，θ取82°～86°，取π/360～π/180，则Δz的取值范围为10～35nm。

差频相位差是从(5)、(6)式比较中获得的，因此需要2*n组光栅，n≥1。

另外，请重点参考图4，所述待测工件80上方设有一参考镜90，所述参考镜90与待测工件80之间设有并行设置的第一光学件91和第二光学件92，所述第一光学件91和第二光学件92均为部分透射、部分反射，其中，透射光用于测量，反射光则射向与待测工件80表面的成镜像位置的参考镜90，以补偿环境变化带来的误差。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：所述投影单元30和探测单元40均为双远心光路，所述投影光栅组20与所述待测工件80表面满足Scheimpflug条件，所述待测工件80表面与所述探测光栅50组也满足Scheimpflug条件，所述Scheimpflug条件即为：物面、像面与各自主平面相交于相同的高度(详细介绍参见Warren J.Smith《Modern OpticalEngineering》Fourth Edition,chapter 4.5)。

设投影光栅组20包括两个周期分别为a、b的光栅，其透过率函数分别为：

投影单元30和探测单元40的倍率均为-1，则投影单元30和探测单元40组成的成像单元的放大率为1，因此投影光栅组20在探测光栅组50上的像与投影光栅组20上的像完全相同。

当待测面未发生移动时，透过其中一个探测光栅的光强为：

I₁(y)∝τ₁(y)τ₂(y)………..................…………………….…………(3)

其傅里叶变换为：

当待测面发生Δz的移动量时，投影光栅组20在探测光栅组50面上的像的移动量为：

Δy＝2Δztanθ………..................…………………….…………(4)

其中，θ为待测工件80上的入射光与法线之间的夹角，此时光强函数的傅里叶变换为：

同理可得透过另一个探测光栅光强的傅里叶变换为：

透过其中一个探测光栅光强的傅里叶包含四种成分，第一种对应的空域周期为a，第二种对应的空域周期为b，均为原频信号，第三种对应的空域周期为ab/(a+b)，为和频信号，第四种对应的空域周期为ab/(a-b)，为差频信号，相位为2πΔy/a，可以通过滤波获取。

同理，透过另一个探测光栅光强的傅里叶包含四种成分，第一种对应的空域周期为b，第二种对应的空域周期为a，均为原频信号，第三种对应的空域周期为ab/(a+b)，为和频信号，第四种对应的空域周期为ab/(b-a)，为差频信号，相位为-2πΔy/b，可以通过滤波获取。二者的相位差为：

从而：

本实施例所用的光栅周期较大，衍射及色散效应均可忽略。

当光入射到待测工件80表面时，由于tanθ远大于sinθ，因此满足Scheimpflug条件时的测量精度远高于不满足Scheimpflug条件时的测量精度。

如果取光栅的周期在30～50um左右(a、b值不应相等，一般应有微小差异，否则无法获得差频信号，例如，a取30um，b取31um，a取50um，b取49um)，θ取70°～86°，取π/360～π/180，则Δz的取值范围为0.74～12.5nm。

差频相位差是从(5)、(6)式比较中获得的，因此需要2*n组光栅，n≥1。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于：所述投影光栅组20和探测光栅组50内均包括多个不同周期的光栅。

设投影光栅组20的周期分别为a_i，i＝1,2,3….2q的光栅，其透过率函数分别为：

投影单元30和探测单元40的倍率均为-1，则投影单元30和探测单元40组成的成像单元的放大率为1，因此投影光栅组20在探测光栅组50上的像与投影光栅组20上的像完全相同。

当待测面未发生移动时，透过其中一个探测光栅的光强为：

I_i(y)∝τ_i(y)τ_2q(y)………..................…………………….…………(3)

其傅里叶变换为：

当待测面发生Δz的移动量时，投影光栅组20在探测光栅组50面上的像的移动量为：

Δy＝2Δzsinθ………..................…………………….…………(4)

其中，θ为待测工件80上的入射光与法线之间的夹角，此时光强函数的傅里叶变换为：

同理可得透过另一个探测光栅光强的傅里叶变换为：

透过其中一个探测光栅光强的傅里叶包含四种成分，第一种对应的空域周期为a_i，第二种对应的空域周期为a_2q-i，均为原频信号，第三种对应的空域周期为a_ia_2q-i/(a_i+a_2q-i)，为和频信号，第四种对应的空域周期为a_ia_2q-i/(a_i-a_2q-i)，为差频信号，相位为2πΔy/a_i，可以通过滤波获取。

同理，透过另一个探测光栅光强的傅里叶包含四种成分，第一种对应的空域周期为a_2q-i，第二种对应的空域周期为a_i，均为原频信号，第三种对应的空域周期为a_ia_2q-i/(a_ia_2q-i+a_i)，为和频信号，第四种对应的空域周期为a_ia_2q-i/(a_ia_2q-i-a_i)，为差频信号，相位为-2πΔy/b_2q-i，可以通过滤波获取。二者的相位差为：

从而：

最后：

本实施例所用的光栅周期较大，衍射及色散效应均可忽略。

综上所述，本发明提供的一种光栅式垂向位置测量系统，沿光传播方向依次包括照明单元10、投影光栅组20、投影单元30、探测单元40、探测光栅组50、图像采集单元60和信号处理单元70，所述投影光栅组20和探测光栅组50内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且所述探测光栅组50与投影光栅组20为中心对称图形，所述照明单元10发出的光均匀照射至所述投影光栅组20，然后被所述投影单元30成像到待测工件80表面，经所述待测工件80表面反射后，被探测单元40成像在所述探测光栅组50上，所述图像采集单元60采集透过所述探测光栅组50的光信号，所述信号处理单元70根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件80的垂向位置信息。本发明取消了用于信号调制的运动部件，采用光栅测量，提高了垂向位置测量系统的稳定性与使用寿命，且所用的光栅周期较大，衍射及色散效应均可忽略，适用宽光谱以提高工艺适应性。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，沿光传播方向依次包括照明单元、投影光栅组、投影单元、探测单元、探测光栅组、图像采集单元和信号处理单元，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且所述探测光栅组与投影光栅组为中心对称图形，所述探测光栅组旋转180度后与所述投影光栅组完全重合，所述投影单元和探测单元均为双远心光路，所述投影光栅组与待测工件表面满足Scheimpflug条件；所述照明单元发出的光均匀照射至所述投影光栅组，然后被所述投影单元成像到所述待测工件表面，经所述待测工件表面反射后，被探测单元成像在所述探测光栅组上，所述待测工件表面与所述探测光栅组也满足Scheimpflug条件；所述图像采集单元采集透过所述探测光栅组的光信号，所述待测工件表面发生垂向移动时，所述信号处理单元对所述探测光栅组的光信号的光强分布进行傅里叶变换，并结合所述探测光栅组上像的移动量反解光栅组的差频相位，所述差频相位再两两作差，并根据差频相位差以及所述探测光栅组上像的移动量与所述待测工件表面垂向移动量之间的几何关系计算所述待测工件的垂向位置信息。

2.如权利要求1所述的一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括两个不同周期的光栅。

3.如权利要求1所述的一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述图像采集单元包括成像镜头和探测器，透过所述探测光栅组的光经所述成像镜头在所述探测器上成像。

4.如权利要求3所述的一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述探测器为CCD或CMOS。

5.如权利要求1所述的一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述待测工件上方设有一参考镜，所述参考镜与待测工件之间设有并行设置的第一光学件和第二光学件，所述第一光学件和第二光学件均为部分透射且部分反射。