CN112731346B - 具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置，涉及激光扫频测距领域，包括第一、二二向色镜、分束器、显微镜、相机、光谱仪、采集控制单元和可运动反射器件，第一二向色镜的透射光方向上设分束器，分束器反射光方向上设载物台，载物台和分束器之间设显微镜，分束器有四个端口，第一端口正对第一二向色镜，第二端口正对显微镜，第三端口正对可运动反射器件，第四端口正对第二二向色镜，第二二向色镜透射光方向上设置相机，相机与采集控制单元相连，第二二向色镜反射光方向上设光谱仪，光谱仪连通采集控制单元，采集控制单元具有采集相机和光谱仪的信号以及显示数据的功能。本发明装置结构简单、测量快速、测量精度高。

Description

具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置和 方法

技术领域

本发明属于激光测距领域，更具体地，涉及一种具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置和方法。

背景技术

现代工业生产中，零件加工的精密程度越来越成为高性能设备的关键，准确且稳定的生产出所需要的特定尺寸和形貌的零件非常重要。因此，对所生产的零件进行精确的检测是保证高质量生产的重要环节。

现有的技术中，申请号为201910648603.5公开了一种发明名称为“一种物体表面三维坐标测量系统以及测量方法”的专利申请，其处理器用于对测量臂、第一参考臂和第二参考臂返回的激光之间的干涉信号进行分析处理，以获得待测物体在Z轴方向的深度，同时还用于结合二维位移平台反应的待测物体在XY平面坐标生成待测物体三维坐标，这实质上是一种通过逐点扫描获得零件的形貌，其将样品设置在X、Y二维平台上，可以扩展了测量的范围，但其测量过程依赖于机械运动，必然会引入机械扫描误差，也会使得设备面临运动部件老化、不稳定等问题。而且测量速度还会受限于扫描的速度，难以在高灵敏度的同时获得高测量速度，这是点扫描的特性决定的。在测量过程中，因外界环境和操作过程的影响，相关光学元件会发生抖动，使得测量结果有一定的误差。

标题为“Performance analysis of a full-fieldand full-range swept-source OCT system”的英文论文公开了一种核心器件为扫频光源和相机、显微镜、套筒透镜的面阵层析成像系统。但是其存在如下缺点：系统中使用的LSR为运动式的散斑衰减器，LSR的工作原理是通过元件最高上百赫兹的振动，使相机在一次曝光时间内接收到多种光相位，从而抑制散斑。因此这种工作模式下相机的帧率必须数十倍慢于LSR才能实现散斑抑制效果，且相机越快抑制效果越差。这种动态的抑制散斑的方法严重限制了相机的拍照速度，因而成为测距系统难以高速测量的瓶颈。

因此，有需要开发一种无需对样品进行点扫描的大幅面、高精度、快速，的测量物体厚度和距离的方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置和方法，旨在解决现有技术中测量十几毫米到几十微米厚度或者距离的装置和方法存在测量速度不快、测量精度不高的问题，本发明装置结构简单、测量快速、测量精度高。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置，其包括第一二向色镜、分束器、第二二向色镜、显微镜、相机、光谱仪、采集控制单元和可运动反射器件，其中，第一二向色镜的透射光方向上设置分束器，分束器反射光方向上设置有载物台，用于放置待测距或者测厚的样品，在载物台和分束器之间设置显微镜，显微镜用于观察待测样品，分束器透射光方向上设置可运动反射器件，分束器具有四个端口，四个端口分别位于矩形的四个边上，第一端口和第三端口位于相对的两个边上，第一端口正对第一二向色镜，第二端口正对显微镜，第三端口正对可运动反射器件，第四端口的方向上设置有第二二向色镜，第二二向色镜透射光方向上设置相机，相机与采集控制单元相连，第二二向色镜反射光方向上设置光谱仪，光谱仪连通采集控制单元，采集控制单元具有采集相机和光谱仪的信号以及显示数据的功能。

进一步的，工作时，在第一二向色镜的透射光方向上还设置用于实现面阵扫频以测距或测厚的平行光，该平行光与分束器分别设置在第一二向色镜的两侧，在第一二向色镜的反射光方向上设置有用于实现光学防抖的平行光，用于实现光学防抖的平行光与分束器分别位于第一二向色镜的两个相互垂直的反射光方向上。

进一步的，还包括可调谐激光器、第一准直器、扩束器、宽光谱光源和第二准直器，其中，可调谐激光器出射光方向上依次设置第一准直器和扩束器，扩束器正对第一二向色镜的一侧，扩束器和分束器分别位于第一二向色镜的两侧，宽光谱光源的出射光方向上设置有第二准直器，第二准直器与分束器分别位于第一二向色镜的两个相互垂直的反射光方向上。

进一步的，还包括第三准直器，第三准直器位于第二二向色镜与光谱仪之间，在可运动反射器件和分束器之间设置有滤光片，滤光片为中性滤光片，用于衰减光强。

进一步的，宽光谱光源的波长值为1525nm～1575nm或1290nm～1330nm，宽光谱光源的波长与可调谐激光器的波长不同，宽光谱光源发射的光和可调谐激光器发射的光在光路中通过第一、第二二向色镜以汇合束或分束。

进一步的，其还包括透镜，透镜设置在第二二向色镜和相机之间，透镜为套筒透镜，在被测物体的反射光经过显微镜出射的是平行光时，显微镜搭配套筒透镜共同作用使光汇聚在像面上。

进一步的，采集控制单元与可调谐激光器相电连接，以能通过电信号控制可调谐激光器，扩束器用于将光束扩束至20mm～40mm的光斑，透镜为带有可调光圈的远心镜头，工作时，通过调整光圈至合适的大小，能改善相机上发生的散斑现象，相比采用动态的方法去除散斑，采用静态的方法去除散斑能使得系统的运行速度不受去除散斑的方法影响。

进一步的，可运动反射器件设置在压电陶瓷位移台，压电陶瓷位移台连接采集控制单元，以能在采集控制单元的控制下运动，进而带动可运动反射器件发生运动。

按照本发明的第二个方面，还提供一种采用如上所述的测距/厚装置进行测距或者测厚的方法，其包括如下步骤：

S1：开启可调谐激光器、宽光谱光源、光谱仪和采集控制单元，使其充分预热，

S2：将被测物体置于载物台上，调节载物台位置使可调谐激光器发出的光束尽量覆盖待测物体，调节第一准直器使宽光谱光源发出的光照射到待测物体上，

S3：对光谱仪采集到的光谱进行傅里叶变换的数据处理，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到待测样品的距离，多次测量以获得多个距离，光学抖动导致测量距离具有变化，根据测量距离的变化量，由采集控制单元驱动可运动反射器件进行运动，以补偿振动，实现光学防抖功能，

在测距或者测厚的整个过程中，持续执行步骤S3，以实时补偿光学振动，实现光学防抖，

S4：启动扫可调谐激光器，开始扫频输出激光，同时相机开始拍摄采集干涉信号，扫频的一个周期结束后，对相机采集到的信号进行变换，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到物体上被相机拍摄到的各点的精确距离。

进一步的，以上方法用于测量芯片、晶圆、精密元件的样品等，尤其是追求高横向分辨率的测量，即在亚微米的尺度上观察样品的某些关键特征。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的面阵扫频测距/厚系统加入主动光学防抖系统，能大幅面、高精度、快速的测量物体厚度和距离，同时能实现光学防抖。对于零件的形貌测量，利用面阵相机能大幅面采集干涉信号，测量过程中不需要机械运动进行点扫描，测量速度不被机械扫描速度限制，而由扫频光源的扫频速度及相机采集速度决定，测量速度更快。装置中显微镜能提高测量分辨率，适用于小尺寸物体的高分辨测量，小尺寸是指单次待测区域边长小于1mm，高分辨率是指成像像素尺寸为亚微米尺寸。主动光学防抖系统能实时获取环境的振动，并进行相应的补偿，减小测量误差，能大幅提高测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例的具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例的具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚系统的结构示意图，由图可知，本发明的一种具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置包括一个显微型面阵扫频测距子系统和一个主动光学防抖子系统。

其中，显微型面阵扫频测距子系统包括可调谐激光器1、第一准直器2、扩束器3、分束器5、显微镜9和相机17。可调谐激光器1通过光纤连接至光纤准直器2，用于将光纤输出的发散光准直成平行光，3是扩束器，用于将光束扩束至典型值为30mm的光斑，4是第一二向色镜，特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。5是分束器，光从分束器的第一端口输入，从第二和第三端口输出。分束器5具有四个端口，分别位于正方形的四个边上，四个端口分别为第一、第二、第三和第四端口，第一端口和第三端口相平行，第二端口和第四端口相平行，从扩束器3出射的光能直接透过第一二向色镜4进入分束器5。从分束器5第二端口输出的平行光经显微镜9入射至被测物品10上，经过物体的反射，光线回经分束器5进入第二二向色镜6，依次经过透镜14再照射至相机17上。其中，透镜14带有可调光圈，调整光圈至合适的大小，能改善相机17上发生的散斑现象。从分束器5的第三端口输出的平行光入射至滤光片11。滤光片11是中性滤光片，用于衰减光强。15为可运动的反射元件，运动由采集控制单元18控制。光经反射元件15反射，原路经过分束器5的第三端口，再从分束器的第四端口输出，经过第二二向色镜6和透镜14照射至相机17上。

主动光学防抖子系统包括宽光谱光源8、第二准直器7、第三准直器12、第二二向色镜6、分束器5、光谱仪13、压电陶瓷位移台16(PZT)。宽光谱光源8通过光纤连接至第二准直器7，第二准直器为光纤准直器，经第二二向色镜4反射进入分束器5。光从分束器5的第一端口输入，从第二和第三端口输出。从分束器5的第二端口输出的平行光经显微镜9入射至被测物品10上，经过物体的反射，光线原路经过分束器的第二端口，从分束器5的第四端口输出，经第二二向色镜6、第三准直器12入射至光谱仪13。从分束器5的第三端口输出的平行光入射至滤光片11。15为可运动的反射元件，运动由采集控制单元18控制。光经可运动反射元件15反射，原路经过分束器5的第三端口，再从分束器5的第四端口输出经第二二向色镜6，依次经过第三准直器12入射至光谱仪13。

可调谐激光器1输出的波长随时间变化的过程称为光频率扫描，简称扫频。可调谐激光器1还可以实现发出等波数间隔的触发信号，即每当输出的光的波数变化了相同的波数时，就发出一个触发信号，控制相机17开始采集。采集控制单元18具有采集相机和光谱仪的信号以及显示数据的功能，同时能通过电信号控制激光器、相机等设备。

本发明的主动光学防抖系统中，宽光谱光源的波长典型值为1525-1575nm或1290-1330nm。SLD光源、普通LED光源、飞秒激光器等宽光谱光源都能实现光学防抖功能。宽光谱光源的波长与可调谐激光器的波长不一样，在光路中通过二向色镜以极低的损耗汇合束或分束。

如果被测物体的反射光经过显微镜在分束器5处出射的是平行光，所述显微镜需要搭配透镜14才能汇聚在像面上。如果被测物体的反射光经过显微镜在分束器5处出射的是汇聚光，且能准确汇聚在像面上，则透镜14不是必须的。

面阵扫频测距系统采用相机作为探测器，收集不同频率下的干涉光强信息，通过信号变换手段，所述的信号变换手段具体是指傅里叶变换等信号处理方法，可以在一个变换谱内同时对两路光之间的干涉信号进行频率分析，进而换算成距离。主动光学防抖系统在面阵扫频测距系统的光路基础上实现，能提高光学器件的利用率，降低系统的复杂性。主动光学防抖系统根据光谱仪的数据，经过傅里叶变换等数据处理，可以获得环境的振动，进而驱动PZT位移，带动可运动的反射原件运动，可以补偿环境振动，实现光学防抖功能。

本发明提供了一种具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置和方法。在用到的显微型面阵扫频测距/厚系统中，采用面阵测量的方法，利用相机采集干涉数据，突破了点探测的局限性。同时光路中显微镜能提高系统的测量分辨率。整个装置能实现对物体大幅面、高精度、快速的测量。加入的主动光学防抖系统能够补偿环境的振动，减小测量误差，实现光学防抖功能。

本发明中，在分束器和被测物体之间设置有显微镜，装置中显微镜能提高测量分辨率，适用于小尺寸物体的高分辨测量，如芯片、晶圆、精密元件的样品等，尤其是追求高横向分辨率的测量，即在亚微米的尺度上观察样品的某些关键特征。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，其包括第一二向色镜（4）、分束器（5）、第二二向色镜（6）、显微镜（9）、相机（17）、光谱仪（13）、采集控制单元（18）和可运动反射器件（15），其中，

第一二向色镜（4）的透射光方向上设置分束器（5），分束器（5）反射光方向上设置有载物台，用于放置待测距或者测厚的样品，在载物台和分束器（5）之间设置显微镜（9），显微镜（9）用于观察待测样品，分束器（5）透射光方向上设置可运动反射器件（15），

分束器（5）具有四个端口，四个端口分别位于矩形的四个边上，第一端口和第三端口位于相对的两个边上，第一端口正对第一二向色镜（4），第二端口正对显微镜，第三端口正对可运动反射器件（15），第四端口的方向上设置有第二二向色镜（6），

第二二向色镜（6）透射光方向上设置相机（17），相机（17）与采集控制单元(18)相连，第二二向色镜（6）反射光方向上设置光谱仪（13），光谱仪（13）连通采集控制单元（18），采集控制单元（18）具有采集相机和光谱仪的信号以及显示数据的功能，

工作时，在第一二向色镜（4）的透射光方向上还设置用于实现面阵扫频以测距或测厚的平行光，该平行光与分束器（5）分别设置在第一二向色镜（4）的两侧，在第一二向色镜（4）的反射光方向上设置有用于实现光学防抖的平行光，用于实现光学防抖的平行光与分束器（5）分别位于第一二向色镜（4）的两个相互垂直的反射光方向上，

还包括可调谐激光器（1）、第一准直器（2）、扩束器（3）、宽光谱光源（8）和第二准直器（7），其中，

可调谐激光器（1）出射光方向上依次设置第一准直器（2）和扩束器（3），扩束器（3）正对第一二向色镜（4）的一侧，扩束器（3）和分束器（5）分别位于第一二向色镜（4）的两侧，

宽光谱光源（8）的出射光方向上设置有第二准直器（7），第二准直器（7）与分束器（5）分别位于第一二向色镜（4）的两个相互垂直的反射光方向上。

2.如权利要求1所述的一种具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，还包括第三准直器（12），第三准直器（12）位于第二二向色镜（6）与光谱仪（13）之间，在可运动反射器件（15）和分束器（5）之间设置有滤光片（11），滤光片（11）为中性滤光片，用于衰减光强。

3.如权利要求2所述的一种具有主动光学防抖功能的显微型面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，宽光谱光源的波长值为1525nm～1575nm或1290nm～1330nm，宽光谱光源的波长与可调谐激光器的波长不同，宽光谱光源发射的光和可调谐激光器发射的光在光路中通过第一、第二二向色镜以汇合束或分束。

4.如权利要求3所述的一种具有主动光学防抖功能的面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，其还包括透镜（14），透镜（14）设置在第二二向色镜（6）和相机（17）之间，透镜（14）为套筒透镜，在被测物体的反射光经过显微镜（9）出射的是平行光时，显微镜搭配透镜（14）共同作用使光汇聚在像面上。

5.如权利要求4所述的一种具有主动光学防抖功能的面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，采集控制单元（18）与可调谐激光器（1）相电连接，以能通过电信号控制可调谐激光器，扩束器（3）用于将光束扩束至20mm～40mm的光斑，透镜（14）为带有可调光圈的远心镜头，工作时，通过调整光圈至合适的大小，能改善相机（17）上发生的散斑现象。

6.如权利要求5所述的一种具有主动光学防抖功能的面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，可运动反射器件（15）设置在压电陶瓷位移台（16），压电陶瓷位移台（16）连接采集控制单元（18），以能在采集控制单元（18）的控制下运动，进而带动可运动反射器件（15）发生运动。

7.采用如权利要求1-6任一所述的测距/厚装置进行测距或者测厚的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：开启可调谐激光器、宽光谱光源、光谱仪和采集控制单元，使其充分预热，

S2：将被测物体置于载物台上，调节载物台位置使可调谐激光器发出的光束尽量覆盖待测物体，调节第一准直器使宽光谱光源发出的光照射到待测物体上，

S3：对光谱仪采集到的光谱进行傅里叶变换的数据处理，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到待测样品的距离，多次测量以获得多个距离，光学抖动导致测量距离具有变化，根据测量距离的变化量，由采集控制单元驱动可运动反射器件进行运动，以补偿振动，实现光学防抖功能，

在测距或者测厚的整个过程中，持续执行步骤S3，以实时补偿光学振动，实现光学防抖，

S4：启动扫可调谐激光器，开始扫频输出激光，同时相机开始拍摄采集干涉信号，扫频的一个周期结束后，对相机采集到的信号进行变换，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到物体上被相机拍摄到的各点的精确距离。

8.采用如权利要求7所述的测距/厚装置进行测距或者测厚的方法，其特征在于，其用于测量芯片、晶圆、精密元件，应用在要求高横向分辨率的测量，能在亚微米的尺度上观察样品的关键特征。