CN108955546A - 激光移相干涉三角微位移测量装置及方法 - Google Patents

激光移相干涉三角微位移测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

激光移相干涉三角微位移测量装置及方法，属于超精密测量技术领域。本发明将移相干涉技术和激光三角技术结合起来，以实现大范围高精度微位移测量。本发明装置主要包括基于Ronchi光栅分光的同步移相干涉分系统和激光三角位移测量分系统。本发明方案根据移相干涉原理和激光三角测距原理，通过光栅分光和四象限检偏器组同步获取四路依次相移90°的干涉信号，同时激光三角分系统利用部分漫反射光获得位移的粗测量数据，当激光三角测量误差小于1/4干涉位移信号周期时，通过一定的解算可以获得精确位移值。本发明测量精度高、测量范围大、抗干扰能力强，适用于微结构器件中的台阶高度，膜厚，以及运动部件的位移等的测量。

Description

激光移相干涉三角微位移测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种激光移相干涉三角微位移测量装置及方法，属于超精密测量领域，主要涉及微结构器件的几何特征尺寸的超精密非接触测量应用。
背景技术
随着加工制造技术的不断发展，对高精度兼具有大量程的微位移非接触传感器的需求不断提高。如光刻技术中，硅片刻蚀中的各种几何参数指标是影响器件质量和成品率的重要因素，芯片、掩模板中的线条宽度、间距、台阶高度、膜厚等的测量和检定，以及这些几何尺寸的量值统一和溯源在集成电路加工制造中变得尤为重要。
又如，惯性器件中动压马达的气膜厚度测量，马达零件形位公差为0.1～0.9μm，甚至接近于纳米级，同时马达工作间隙小到1～2μm，大到几十微米，装配后需保证动压气浮轴承不划伤、不卡滞。马达平稳高速旋转时，动静子间的气膜必须具有一定承载力，为了获取气膜刚度数据，需对气膜受外力作用后的厚度变化进行测量，要求其精度达到10nm以下。
目前，能够满足大范围、高精度、高频响的非接触测量的方法主要有光学法和电子扫描探针法。传统的光学法通常有干涉显微法、椭圆偏振法和分光光度法，其分辨力可达到亚纳米级，但其测量范围小，限制了其应用范围。为了解决这一问题，文献《大台阶高度测量的外差共焦方法》(中国激光，2005)中提出了基于双频激光干涉共焦显微系统的掩模板台阶高度测量的扫描方法，该方法融合了外差干涉测量和共焦显微测量的优点，同时实现了高分辨率与较大量程的测量。然而该系统中需要精密的压电陶瓷位移装置辅助才能完成高分辨力大量程测量，这极大地限制了其应用范围。
文献《利用光频梳提高台阶高度测量准确度的方法》(物理学报，2012)提出一种基于合成波长测距原理，利用光频梳和可调谐半导体激光器提高台阶高度测量准确度的方法，该方法具有较大的测量范围和较高的测量精度，但该系统结构复杂，易受环境温度、振动等的影响。
专利《分瞳式移相干涉差分共焦微位移测量装置》(CN201610317208.5)中提出将移相干涉技术与共焦差分探测集成在同一光路中，可在较大测量范围内实现微位移测量，但该方法由于受显微物镜的数值孔径限制，其工作距离相对较短，且测量范围的扩大也具有一定的局限。
发明内容
为了实现大量程超精密微位移测量，本发明提供了一种激光移相干涉三角测量装置及方法，将激光移相干涉技术与激光三角技术融合，具有结构简单、易于实现，对环境要求低的优点。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
本发明的激光移相干涉三角微位移测量装置，包括激光器(1)、准直扩束镜(2)、起偏器(3)、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)、第一1/4波片(6)、第一透镜(7)、被测物面(8)、第二1/4波片(9)、第二透镜(10)、参考面(11)、第三透镜(12)、一维PSD(13)、第三1/4波片(14)、二维Ronchi光栅(15)、四象限检偏器组(16)、第四透镜(17)、四象限PSD(18)。
其中激光器(1)、准直扩束镜(2)、起偏器(3)、1/2波片(4)组成偏振光源部分。
其中激光移相干涉分系统构成为：偏振分光镜(5)将光束分为测量光和参考光；第一1/4波片(6)、第一透镜(7)、被测物面(8)构成移相干涉的测量光部分；第二1/4波片(9)、第二透镜(10)、参考面(11)构成移相干涉参考光部分；二维Ronchi光栅(15)作为移相干涉的分光器件，第三1/4波片(14)、四象限检偏器组(16)作为移相干涉的移相器件；第四透镜(17)、四象限PSD(18)作为移相干涉系统的光强探测部分。
其中四象限检偏器组(16)由四个偏振片构成，透光轴依次为0°，45°，90°，135°，可将四路干涉光分别移相0°，90°，180°，270°。
其中激光三角分系统构成为：第三透镜(12)、一维PSD(13)构成激光三角测距部分。
光学路径：激光器(1)发出的偏振激光经过1/2波片(4)后，供给测量系统。光经过偏振分光镜(5)后分为移相干涉分系统的参考光和测量光。参考光和测量光的反射光在第三1/4波片(14)处汇合，经光束分光移相后干涉，由四象限PSD(18)检测四路干涉光的光强。照射到被测物面(8)的光部分发生漫反射，被第三透镜(12)收集成像于一维PSD(13)上，由一维PSD检测位置信号。
本发明进一步的改进在于，在干涉光路中加入了第一透镜(7)和第二透镜(10)，与四象限检偏器组(16)上镀有的圆形光阑相配合，将干涉图样变为同心圆条纹，便于通过光阑滤除高级次干涉条纹，提高干涉光强信号的信噪比，同时使照射到物面的光聚焦，提高了系统横向分辨力。
本发明进一步的改进在于，在移相干涉分系统中，分光元件采用二维Ronchi光栅，理论上无0级次衍射光，(±1，±1)级次衍射光最强，可有效提高光能利用率，同时通过四象限检偏器组(16)上镀有的圆形光阑可有效滤除高衍射级次光，提高了测量信号的信噪比。
本发明进一步的改进在于，给出了激光移相干涉技术与激光三角技术相结合的条件和微位移测量方法：
首先激光器发出的光经过激光干涉分系统光路，由二维Ronchi光栅分为四路光，然后分别进入四象限起偏器组，再经透镜(17)成像到四象限PSD(18)上完成光电转换，获得四路信号I1，I2，I3，I4，然后利用下面式(1)获得激光干涉光路的位移测量结果h
其中λ为激光波长，φ为相位值，该测量信号为周期性信号，测量周期T＝λ/2，其干涉测量分辨力为几个纳米。±为
对于激光三角光路，激光器发出的光经过第一透镜(7)汇聚于被测物表面，其散射光经第三透镜(12)将其成像于一维PSD上，根据激光三角测量原理，其应该满足Scheimpflug条件，即入射光束光轴和一维PSD延伸线应相交于第三透镜主面上。因此，在激光三角光路里，利用第三透镜(12)可将被测物表面的光斑清晰成像在一维PSD上，当物面移动时，像点沿一维PSD移动，利用光电转换电路可获得位移信号。依据激光三角测量公式可获得物面实际位移Z：
其中d0为物距，即测量光斑到第三透镜(12)主面距离；di为像距，即像点到第三透镜(12)主面距离；I为一维PSD(13)上的光斑移动距离，θ为工作角，为成像光轴与PSD的夹角。
为将激光三角光路与激光干涉光路的位移测量结果进行合成，需使两分系统传感信号满足一定的条件。假设当被测物面位于A位置时，激光干涉分系统测量的相位为hA，激光三角传感器的测量结果为ZA；当被测面位于B位置时，激光干涉传感器测量的相位为hB，激光三角分系统测量结果为ZB。由A到B的位移，激光干涉分系统测量结果SAB为
SAB＝kT+hB-hA+2ζ， (3)
其中，k为未知整数，T＝λ/2为干涉仪测量周期，ζ为激光干涉分系统测量误差区间的半宽，相对于激光三角分系统，干涉仪测量精度远高于三角测量精度，该项误差可以忽略不计。
假设激光三角分系统的误差区间[-εmax，εmax]，其测量结果S’AB为
SAB＝ZB-ZA±2εmax (4)
其中，εmax为一次测量最大误差，式中误差项为两次测量累积误差最大值。
可以证明，当εmax＜T/4时，存在唯一的k值，
|SAB-S′AB|＝|kT+hB-hA-(ZB-ZA)|＜2εmax， (5)
使不等式(5)成立。
因此，可以得出这两分系统的结合条件，仅当激光三角分系统的测量误差区间半宽εmax＜T/4时，激光三角与激光干涉相结合可以实现粗精结合测量。
本发明具有以下显著特点和有益效果：
1)本发明专利可同时实现大量程、超精密测量，给出了激光干涉分系统与激光三角分系统相结合进行粗精测量的方法，该方法也适用于其他传感器进行粗精结合测量，具有普适性；
2)由于引入激光三角技术，使该传感器具有绝对零点，不仅可用于位移测量，也可应用于位置测量。
3)通过照明光路中加入透镜，利用点照明可提高系统的横向分辨力，同时将干涉变为同心圆条纹，并与圆形光阑配合，可有效提高干涉光强信号信噪比；此外，由于采用点照明，可增强激光三角分系统的信号光强；
4)系统中加入二维Ronchi光栅、移相偏振片组和四象限PSD，可实现四路干涉光强信号的同步采集，有效抑制光源光强变化等的共模干扰，并提高了系统的集成度。
附图说明
图1为激光移相干涉三角微位移测量装置图。
图中件号说明：包括激光器(1)、准直扩束镜(2)、起偏器(3)、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)、第一1/4波片(6)、第一透镜(7)、被测物面(8)、第二1/4波片(9)、第二透镜(10)、参考面(11)、第三透镜(12)、一维PSD(13)、第三1/4波片(14)、二维Ronchi光栅(15)、四象限检偏器组(16)、第四透镜(17)、四象限PSD(18)。
图2为二维Ronchi光栅(15)结构俯视图。
图3为四象限检偏器组(16)结构示意图。
具体实施方式
如附图1所示，本发明的实例提供了一种激光干涉三角微位移测量装置及方法。
本发明的移相干涉三角测位移装置和方法，包括激光器(1)、准直扩束镜(2)、起偏器(3)、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)、第一1/4波片(6)、第一透镜(7)、被测物面(8)、第二1/4波片(9)、第二透镜(10)、参考面(11)、第三透镜(12)、一维PSD(13)、第三1/4波片(14)、二维Ronchi光栅(15)、四象限检偏器组(16)、第四透镜(17)、四象限PSD(18)。
其中激光移相干涉分系统构成为：偏振分光镜(5)将光束分为测量光和参考光；第一1/4波片(6)、第一透镜(7)、被测物面(8)构成移相干涉的测量光部分；第二1/4波片(9)、第二透镜(10)、参考面(11)构成移相干涉参考光部分；二维Ronchi光栅(15)作为移相干涉的分光器件，第三1/4波片(14)、四象限检偏器组(16)作为移相干涉的移相器件；第四透镜(17)、四象限PSD(18)作为移相干涉系统的光强探测部分。
其中四象限检偏器组(16)由四个偏振片构成，透光轴依次为0°，45°，90°，135°，可将四路干涉光移相0°，90°，180°，270°。
其中激光三角分系统构成为：第三透镜(12)、一维PSD(13)构成激光三角测距部分。
光学路径：激光器(1)发出的偏振激光经过1/2波片(4)后，供给测量系统。光经过偏振分光镜(5)后分为移相干涉系统的参考光和测量光。参考光和测量光的反射光在第三1/4波片(14)处汇合，经光束分光移相后干涉，由四象限PSD(18)检测四路干涉光的光强。照射到被测物面(8)的光部分发生漫反射，被第三透镜(12)收集成像于一维PSD(13)上，由一维PSD检测位置信号。
激光器发出波长为632.8nm的激光，其移相干涉测量周期T为316.4nm。激光三角测量系统结构参数θ＝41°，φ＝30°，d0＝50mm，d1＝75mm。激光三角一次测量误差最大小于0.06μm。
测量时，对被测物表面位移或位置测量的过程主要包括如下步骤：
步骤1、当被测物面在位置A时，利用四象限PSD(18)获取四路光强信号；
步骤2、利用公式(1)获取位置A的相位值hA，同时利用一维PSD(13)获取激光三角光强信号，利用公式(2)计算得到粗测量位移值ZA；
步骤3、当物面移动到位置B时，同理可获得hB和ZB，并利用公式(6)，获取初值k0，
其中Round()为取整函数。
步骤4、最后通过分别计算当k＝k0-1，k0，k0+1时，是否满足不等式(5)，从而获得位移SAB的精确测量值
SAB＝kT+hB-hA (7)
此实施实例满足大范围、高分辨力测量要求；同时简化系统结构，系统集成度高，有效提高了系统信号采集的同步性，能够一定程度抑制外界环境因素和光源功率波动的影响，适用于微结构器件中的台阶高度，膜厚，以及运动部件的位移等的测量。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制本发明的范围。
本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.激光移相干涉三角微位移测量装置，其特征在于：包括激光器(1)、准直扩束镜(2)、起偏器(3)、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)、第一1/4波片(6)、第一透镜(7)、被测物面(8)、第二1/4波片(9)、第二透镜(10)、参考面(11)、第三透镜(12)、一维PSD(13)、第三1/4波片(14)、二维Ronchi光栅(15)、四象限检偏器组(16)、第四透镜(17)、四象限PSD(18)，
其中激光移相干涉分系统构成为：偏振分光镜(5)将光束分为测量光和参考光；第一1/4波片(6)、第一透镜(7)、被测物面(8)构成移相干涉的测量光部分；第二1/4波片(9)、第二透镜(10)、参考面(11)构成移相干涉参考光部分；Ronchi光栅(15)作为移相干涉的分光器件，第三1/4波片(14)、四象限检偏器组(16)作为移相干涉的移相器件；第四透镜(17)、四象限PSD(18)作为移相干涉系统的光强探测部分，
其中四象限检偏器组(16)由四个偏振片构成，透光轴依次为0°，45°，90°，135°，可将四路干涉光移相0°，90°，180°，270°，
其中激光三角分系统构成为：第三透镜(12)、一维PSD(13)构成激光三角测距部分，
光学路径：激光器(1)发出的偏振激光经过1/2波片(4)后，提供给测量系统，光经过偏振分光镜(5)后分为移相干涉系统的参考光和测量光，参考光和测量光的反射光在第三1/4波片(14)处汇聚，经光束分光移相后干涉，由四象限PSD(18)检测四路干涉光的光强，照射到被测物面(8)的光部分发生漫反射，被第三透镜(12)收集成像于一维PSD(13)上，由一维PSD检测位置信号。
2.根据权利要求1所述的激光移相干涉三角微位移测量装置，其特征在于：被测物面为具有一定光洁度的表面，当激光照射到表面时一部分光发生镜反射，一部分光发生漫反射。
3.根据权利要求1所述的激光移相干涉三角微位移测量装置，其特征在于：在干涉光路中加入了第一透镜(7)和第二透镜(10)，将干涉图样变为同心圆条纹，与四象限检偏器组(16)上镀有的圆形光阑相配合，便于通过光阑提取中心圆条纹，提高干涉光强信号的信噪比，同时使照射到物面的光聚焦，提高了系统横向分辨力。
4.根据权利要求1所述的激光移相干涉三角微位移测量装置，其特征在于：移相干涉分系统中用于分光的光栅为二维Ronchi衍射光栅(15)；并且四象限检偏器组(16)上镀有金属膜构成的四个圆形光阑，使经过光栅衍射的四路(±1，±1)级衍射光通过，阻挡其它级次衍射光。
5.根据权利要求1所述的激光移相干涉三角微位移测量装置，其特征在于：第三1/4波片(14)、二维Ronchi光栅(15)的位置可以相互调换。
6.一种激光移相干涉三角微位移测量方法，其特征在于：激光三角技术与移相干涉测量技术相结合实现粗精测量的条件为：εmax＜T/4，其中εmax为激光三角分系统的测量误差，T为激光移相干涉测量分系统的测量周期，
当k满足不等式(1)时
|SAB-S′AB|＝|kT+hB-hA-(ZB-ZA)|＜2εmax (1)
可获得激光干涉三角传感器位移测量的精确值SAB：
SAB＝kT+hB-hA (2)
其中，当被测物面位于A位置和B位置时，激光干涉分系统测量结果分别为hA，hB；激光三角分系统测量结果分别为ZA和ZB，SAB为激光三角分系统测量结果。
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