CN113050379A - 一种焦点探测信号调制装置及方法 - Google Patents

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CN113050379A CN201911380243.1A CN201911380243A CN113050379A CN 113050379 A CN113050379 A CN 113050379A CN 201911380243 A CN201911380243 A CN 201911380243A CN 113050379 A CN113050379 A CN 113050379A
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Abstract

本发明提供了一种焦点探测信号调制装置及方法，焦点探测信号调制方法为一种差分测量方案，根据调制组件对调焦光束进行调制，提取出每一个离焦位置对应的光功率的差分信号，标定出每一个物方离焦位置与差分信号的关系。根据标定的差分信号与离焦量的关系，通过获取预设时间间隔内的光功率计算得到差分信号，反推得到物方离焦量。本发明提供的一种焦点探测信号调制方法，可运用在多种应用场合，如焦点探测，三维重构等，能够显著提升测量信噪比，提高调焦精度。本发明提供的焦点探测信号装置易于实现，操作简单。

Description

一种焦点探测信号调制装置及方法
技术领域
本发明涉及光刻技术领域，具体涉及一种焦点探测信号调制装置及方法。
背景技术
在一些应用领域，往往需要将待测物面精确的移动到光学镜头的景深范围内才能够对待测物清晰的成像或测量。比如在光刻技术领域，用于将掩模上的图案通过投影物镜投影到工件(基底)表面的投影光刻机，为了确保基底上表面位于投影物镜的焦深范围内，往往需要对表面形貌进行调焦测量。由于表面形貌测量的快速、非接触的需要以及现代光电和数字计算机技术的出现，出现了基于各种光学原理的微观表面形貌测量仪。其中基于焦点探测的测量仪器是其中比较重要的一种，焦点探测就是通过保持光学系统的焦点始终位于被测表面上，往往需要将待测物面精确地移动到光学镜头的景深范围内才能够对待测物清晰的成像或测量。
传统的共聚焦焦点探测技术方案，比如授权公告号为CN107168018B，授权公告日为2018年12月14日，发明名称为“一种调焦对准装置及对准方法”的中国发明专利，公开了一种调焦对准装置及对准方法。借助对准标记实现调焦和对准，操作复杂且精度低。进一步地，照明针孔和像方针孔为固定尺寸，当更改照明针孔大小时，探测针孔相对应的需要改变，操作复杂且精度低，影响测量结果，且抗干扰能力小。因此需要提出一种兼容性和抗干扰能力强的焦点探测方案。
需要说明的是，公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中调焦精度低及测量信噪比不足的问题，提供一种焦点探测信号调制装置及方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种焦点探测信号调制装置，沿光路传播方向，所述焦点探测信号调制装置包括光源、投影组件、成像组件、调制组件和探测组件；
所述光源发出的光束经过所述投影组件在待测物表面形成投影光斑；
所述成像组件用于对所述待测物反射的投影光斑成像，得到调焦光束；
所述调制组件用于对所述调焦光束调制；
所述探测组件用于接收经所述调制组件调制后的调焦光束，并根据接收到的光强大小得到光功率，并用于根据所述光功率获取所述待测物的物方离焦量。
优选地，所述投影组件包括照明模块、第一半透半反镜、第二半透半反镜以及显微物镜，沿光束传播方向，所述照明模块、第一半透半反镜、第二半透半反镜以及显微物镜依次设置在所述光源和所述待测物之间；
所述光源发出的光束经由所述照明模块照射所述第一半透半反镜，经所述第一半透半反镜反射至所述第二半透半反镜，透过所述第二半透半反镜的光束通过所述显微物镜照射所述待测物表面。
优选地，所述照明模块包括准直透镜，所述准直透镜含有偏振片、滤波片和/或衰减片。
优选地，所述准直透镜包括至少一个镜片。
优选地，所述显微物镜和所述第二半透半反镜还依次位于所述待测物和所述成像组件之间，所述投影光斑经所述待测物表面反射后，依次透过所述显微物镜，并经所述第二半透半反镜反射至所述成像组件。
优选地，所述显微物镜和所述待测物表面之间为空气或浸没液。
优选地，所述成像组件包括中继透镜和聚焦透镜，沿所述调焦光束传播方向，所述中继透镜和所述聚焦透镜依次设置在所述待测物和所述调制组件之间。
优选地，所述中继透镜具有偏振片、滤波片和/或衰减片。
优选地，所述调制组件包括孔径光阑，所述孔径光阑靠近像方焦平面设置，且其轴向平行于所述调焦光束的光轴方向。
优选地，所述调制组件还包括与所述孔径光阑连接的移动机构；
所述移动机构用于带动所述孔径光阑沿所述孔径光阑的轴向作高频往复运动。
优选地，所述调制组件还包括变焦透镜，所述变焦透镜位于所述成像组件和所述孔径光阑之间，所述孔径光阑位于所述变焦透镜和所述成像组件的组合焦点处。
优选地，所述变焦透镜包括声控变焦透镜或电控变焦透镜。
优选地，所述成像组件包括分光棱镜、第一聚焦投镜和第二聚焦透镜；
所述调制组件包括第一多孔径光阑、第一探测组件、第二多孔径光阑和第二探测组件；
所述第一聚焦透镜、所述第一多孔径光阑以及第一探测组件形成第一支路，所述第二聚焦透镜，所述第二多孔径光阑以及第二探测组件形成第二支路；沿各自调焦光束的传播方向，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑分别位于所述像方焦平面两侧距离相等的位置；
其中，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑的结构相同，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑均具有多个半径不同的子孔径光阑。
优选地，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑均为能够转动的转盘结构，所述第一多孔径光阑的多个子孔径光阑的圆心位于同一圆周上；所述第二多孔径光阑的多个子孔径光阑的圆心位于同一圆周上。
优选地，所述第一支路还包括安装在所述第一多孔径光阑上的第一光栅尺，所述第二支路还包括安装在所述第二多孔径光阑上的第二光栅尺。
优选地，所述光源包括激光或白光光源。
本发明还提供了一种焦点探测信号调制方法，基于上述任一项所述的焦点探测信号调制装置，包括以下步骤，
S100：标定出差分信号与物方离焦量的关系；
S200：打开光源，光束经过投影组件在待测物表面形成投影光斑，同时所述待测物将所述投影光斑反射，并经成像组件成像在孔径光阑上，透过所述孔径光阑的调焦光束由探测组件接收，所述探测组件根据接收到的光强大小输出相应的光功率，并持续至少一个周期；
S300：根据第一时间点和第二时间点的所述光功率，计算得到待测物方离焦量的差分信号，所述第一时间点和所述第二时间点的时长为
Figure BDA0002341989470000041
个所述周期，N≥0；
S400：根据步骤S100中标定的差分信号与物方离焦量的关系，计算得到物方离焦量。
优选地，S100包括以下步骤，
S110：在物方正离焦极限位置和物方负离焦极限位置之间的位置范围内，获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的像方光功率；
S120：根据所述物方离焦位置第一标定时间点和第二标定时间点的光功率，计算得到差分信号，所述第一标定时间点与所述第二标定时间点的时长为
Figure BDA0002341989470000042
个所述调制周期；
S130：使用多项式拟合得到差分信号和离焦量的关系，保存拟合系数，并确定实际测量范围。
优选地，在步骤S100之前，还包括标定出像方焦平面的位置，并将所述孔径光阑靠近所述像方焦平面放置，所述孔径光阑的轴向平行于调焦光束的传播方向。
优选地，步骤S110包括以下方法，
以所述像方焦平面的位置为中心，高频简谐移动所述孔径光阑，且所述孔径光阑的位置随时间做正弦变化，获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的光功率。
优选地，所述获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的光功率还包括，对通过所述孔径光阑前的所述光功率作归一化处理。
优选地，步骤S120中，所述第一标定时间点与所述第二标定时间点的时长为
Figure BDA0002341989470000051
个所述调制周期包括，所述第一标定时间点为
Figure BDA0002341989470000052
所述第二标定时间点为
Figure BDA0002341989470000053
优选地，所述差分信号的计算方法如下：
Figure BDA0002341989470000054
其中，S为差分信号，A为其中一个物方离焦位置在第一标定时间点的光功率；B为同一物方离焦位置在第二标定时间点的光功率。
优选地，步骤S110包括以下方法，
将所述孔径光阑放置在所述成像组件的焦点处，所述孔径光阑的轴向平行于调焦光束的光轴，对所述成像组件的焦距进行高频调制，使得所述成像组件的焦平面随时间作正弦变化，获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的光功率。
优选地，所述对所述成像组件的焦距进行高频调制包括，对电控变焦透镜加载交流电，使得所述成像组件的焦平面随时间作正弦变化。
优选地，步骤S100包括以下方法，
将所述调焦光束分成第一支路和第二支路两路调焦光束；
沿各自调焦光束的传播方向，分别将第一多孔径光阑放置于所述第一支路，第二多孔径光阑放置于所述第二支路，且使得所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑分别位于像方焦平面两侧距离相等的位置；其中，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑的结构相同，每个多孔径光阑具有若干个孔径不同的子孔径光阑，根据所述投影光斑大小选用第一子孔径光阑和第二子孔径光阑，所述第一子孔径光阑为所述第一多孔径光阑的其中一个子孔径光阑，所述第二子孔径光阑为所述第二多孔径光阑的其中一个子孔径光阑，所述第一子孔径光阑和所述第二子孔径光阑的半径相同；
获取待测物不同物方离焦位置各自在所述第一支路和所述第二支路同一时间的光功率；
根据所述物方离焦位置在所述第一支路和所述第二支路同一时间的所述光功率，计算得到差分信号；
使用多项式拟合得到差分信号和离焦量的关系，保存拟合系数，并确定实际测量范围。
优选地，沿各自所述调焦光束传播方向，所述第一支路垂直于所述第二支路。
优选地，根据所述投影光斑大小选用第一子孔径光阑和第二子孔径光阑还包括，
调整所述第一子孔径光阑的圆心在所述第一支路的光轴上，调整所述第二子孔径光阑的圆心在所述第二支路的光轴上。
与现有技术相比，本发明提供的一种探测信号调制装置及方法具有如下有益效果如下：
本发明提供的一种焦点探测信号调制装置，其调制组件用于对所述调焦光束调制，结构简单，易于操作实施。
本发明提供的一种焦点探测信号调制方法，首先标定出差分信号与离焦量的关系，然后根据标定的差分信号与离焦量的关系，通过获取预设时间间隔内的光功率计算得到差分信号，反推得到物方离焦量。
本发明提供的一种焦点探测信号调制方法，可以通过多种方式标定差分信号与离焦量的关系，不仅能够通过移动调制组件进行标定，还能通过对成像组件的焦距调制进行标定，进一步地，也能通过设置两个调焦光束支路进行标定。本发明在传统的共聚焦探测的基础上，对调焦光束进行调制，提高了信噪比。
进一步地，本发明通过第一支路和第二支路的多孔径光阑对调焦光束进行调制，满足了不同大小测量光斑的需求且减少了外部噪声的影响，提高了测量精度。多孔径光阑的子孔径光阑具有可选的多种尺寸，能够根据测量光斑的大小进行切换，而且操作简单，抗干扰能力强。
本发明提供的一种焦点探测信号调制装置和方法可运用在多种应用场合，如焦点探测，三维重构等，能够显著提升测量信噪比，提高调焦精度。
附图说明
图1为本发明实施例一的一种焦点探测信号调制装置结构示意图；
图2为本发明实施例二的一种焦点探测信号调制方法流程示意图；
图3为图2中步骤S100的方法流程示意图；
图4为本发明实施例二的待测物在焦平面情况下的探测光强示意图；
图5为本发明实施例二的待测物在离焦情况下的探测光强示意图；
图6为本发明实施例二的差分信号与离焦量的关系示意图；
图7为本发明实施例三的一种焦点探测信号调制装置的局部(调制组件和探测器)结构示意图；
图8为本发明实施例四的一种焦点探测信号调制装置的局部(成像组件、调制组件和探测器)结构示意图；
其中，附图标记说明如下：
100-光源，210-照明模块，220-第一半透半反镜，230-第二半透半反镜，240-显微物镜，310-中继透镜，320-聚焦透镜，330-分光棱镜；
341-第一支路，341a-第一聚焦透镜，341b-第一多孔径光阑，341b1-第一子孔径光阑一，341b2-第一子孔径光阑二，341b3-第一子孔径光阑三，341b4-第一子孔径光阑四，341b5-第一多孔径光阑本体，341c-第一探测器，341d-第一光栅尺，341e-第一光栅尺读数头；
342-第二支路，342a-第二聚焦透镜，342b-第二多孔径光阑，342b1-第二子孔径光阑一，342b2-第二子孔径光阑二，342b3-第二子孔径光阑三，342b4-第二子孔径光阑四，342b5-第二多孔径光阑本体，342c-第二探测器，342d-第二光栅尺，341e-第二光栅尺读数头；
410-孔径光阑，420-移动机构，430-变焦透镜，510-探测器，520-信号处理单元，600-待测物；
700-光束，调焦光束-800，900-测量光束。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的一种焦点探测信号调制方法及装置作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应当了解，说明书附图并不一定按比例地显示本发明的具体结构，并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。以及，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
<实施例一>
本实施例提供了一种焦点探测信号调制装置，沿光路传播方向，本实施例提供的焦点探测信号调制装置包括光源、投影组件、成像组件、调制组件和探测组件；
光源发出的光束经过投影组件在待测物表面形成投影光斑；
成像组件用于对所述待测物反射的投影光斑成像，得到调焦光束；
所述调制组件用于对所述调焦光束调制；
所述探测组件用于接收经所述调制组件调制后的调焦光束，并根据接收到的光强大小得到光功率，并用于获取所述光功率与物方离焦量的关系。
具体地，如附图1所示，为本实施例提供的一种焦点探测信号调制装置结构示意图。沿光路传播方向，本实施例提供的焦点探测信号调制装置包括光源100、投影组件、成像组件、调制组件和探测组件。其中，所述光源100可以包括激光或白光光源，用于产生均匀的光束。
优选地，在本实施例中，所述投影组件包括照明模块210、第一半透半反镜220、第二半透半反镜230以及显微物镜240。沿光束传播方向，所述照明模块210、第一半透半反镜220、第二半透半反镜230以及显微物镜240依次设置在所述光源100和所述待测物600之间。其中，所述照明模块210包括准直透镜，所述准直透镜可以含有偏振片、滤波片和/或衰减片。所述准直透镜包括一个镜片或一组镜片。所述第一半透半反镜220和所述第二半透半反镜230可以是不同分光比的分光棱镜。
特别地，所述显微物镜240和所述待测物600表面之间的介质可以为空气或浸没液，所述浸没液包括水，油等。待测物600的表面可以为平面，也可以为含有工艺结构或者凸凹不平的表面。
在其中一种实施方式中，所述成像组件包括中继透镜310和聚焦透镜320。沿所述光束传播方向，所述中继透镜310和所述聚焦透镜320依次设置在所述待测物600和所述调制组件之间。具体地，所述中继透镜310为放大倍率大于1或小于1的中继透镜，可含有偏振片、滤波片和/或衰减片。
优选地，所述待测物将所述投影光斑反射后形成的光束，经所述显微物镜240和所述第二半透半反镜230后传输到所述成像组件上，在本实施例中，所述显微物镜240和所述第二半透半反镜230位于所述待测物600和所述中继透镜310之间。显然地，这只是较佳实施例的描述，而并非本发明的限制，在其他的实施方式中，也可以通过其它方式改变光路的传播方向，以获取需要的调焦光束。
优选地，所述调制组件包括孔径光阑410，所述孔径光阑410靠近像方焦平面设置，且其轴向平行于所述调焦光束的光轴方向。在本实施例中，所述调制组件还包括与所述孔径光阑410连接的移动机构420；所述移动机构420用于带动所述孔径光阑410沿其轴向作高频往复运动。进一步地，所述焦点探测信号调制装置还包括电机(图中未示出)，所述电机与所述移动机构420连接，用于驱动所述移动机构420沿所述孔径光阑410的轴向作高频往复运动。较佳地，所述孔径光阑410为针孔光阑。
在本实施例中，所述探测组件包括探测器510和信号处理单元520，所述信号处理单元520与所述探测器510连接，所述探测器510用于接收经所述调制组件调制后的调焦光束，并根据接收到的光强大小得到光功率输出至所述信号处理单元520，所述信号处理单元520用于获取所述光功率与物方离焦量的关系。
继续参见附图6，以下对本实施例提供的一种焦点探测信号调制装置的光路传播路径详细说明。
所述光源100发出光束700，所述光束700经由所述照明模块210照射所述第一半透半反镜220，经所述第一半透半反镜220反射至所述第二半透半反镜230，透过所述第二半透半反镜230的光束通过所述显微物镜240照射所述待测物600的表面形成投影光斑，所述投影光斑经所述待测物600表面反射或散射后，再次被显微物镜240收集，由第二半透半反镜230分离出调焦光束800和测量光束900，所述测量光束透过所述第一半透半反镜220进入测量系统；所述调焦光束800经由第二半透半反镜230反射至所述中继透镜310之后被聚焦透镜320聚焦，由所述孔径光阑410截光后进入探测器510。同时，位于所述成像组件和所述探测器510之间的调制组件对调焦光束进行调制，所述探测器510接收所述调制组件截取的光强，并持续输出至少一个周期的相应的光功率至所述信号处理单元520，所述信号处理单元520用于根据第一时间点和第二时间点的所述光功率，计算得到差分信号，所述第一时间点和所述第二时间点的时长为
Figure BDA0002341989470000101
个所述周期，N≥0。其中，所述周期为所述孔径光阑410的沿其轴向作高频往复的周期。
<实施例二>
如附图2所示，本实施例提供了一种焦点探测信号调制方法，基于上述实施例提供的一种焦点探测信号调制装置，用于提高现有技术中的测量信噪比，提高调焦精度。包括以下步骤，
S100：标定出差分信号与物方离焦量的关系。
S200：获取第一时间点和第二时间点的光功率。具体地，打开光源，光束经过投影组件在待测物表面形成投影光斑，同时所述待测物将所述投影光斑反射，并经成像组件成像在孔径光阑上，透过所述孔径光阑的调焦光束由探测组件接收，所述探测组件根据接收到的光强大小输出相应的光功率，并持续至少一个周期。较佳地，所述孔径光阑靠近所述像方焦平面放置。
S300：根据第一时间点和第二时间点的所述光功率，计算得到待测物方离焦量的差分信号。较佳地，所述第一时间点和所述第二时间点的时长为
Figure BDA0002341989470000111
个所述周期，N≥0；
S400：根据步骤S100中标定的差分信号与物方离焦量的关系，计算得到物方离焦量。
特别地，在步骤S100之前，还包括标定出像方焦平面的位置，并将所述孔径光阑靠近所述像方焦平面放置，所述孔径光阑的轴向平行于调焦光束的传播方向。在标定差分信号与物方离焦量的关系时，以此作为孔径光阑往复高频移动的中心位置。
以下详细说明标定差分信号与离焦量的关系的方法。如附图3所示，为步骤S100的方法流程图，包括以下子步骤，
S110：在物方正离焦极限位置和物方负离焦极限位置之间的位置范围内，获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的像方光功率。
具体地，在本实施例中，先将待测物放置在物方正离焦极限位置和物方负离焦极限位置之间的任一位置，以所述像方焦平面的位置为中心，沿光轴方向，高频简谐往复移动所述孔径光阑，且所述孔径光阑的位置随时间做正弦变化，获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的像方光功率。较佳地，对通过所述孔径光阑前的所述光功率作归一化处理。若待测物平面不离焦，通过孔径光阑的光功率随时间变化的曲线如附图4所示；若待测物平面在某一离焦位置，通过孔径光阑的光功率随时间变化的曲线如附图5所示。由此，在物方正离焦极限位置和物方负离焦极限位置的位置范围内，通过高频简谐往复移动所述孔径光阑，可以获取待测物在不同离焦位置时，通过孔径光阑的光功率随时间变化的曲线。显然地，应在满足精度要求的前提下，在物方正离焦极限位置和物方负离焦极限位置，对所述待测物的离焦位置取样，理想状态下，能够获取所述待测物的每一个离焦位置在若干个个调制周期内随时间变化的光功率。
S120：根据所述物方离焦位置第一标定时间点和第二标定时间点的像方光功率，计算得到差分信号，所述第一标定时间点与所述第二标定时间点的时长为
Figure BDA0002341989470000121
个所述调制周期。
进一步地，所述第一标定时间点与所述第二标定时间点的时长为
Figure BDA0002341989470000122
Figure BDA0002341989470000123
个所述调制周期。其中，所述调制周期为孔径光阑的移动周期。较佳地，在本实施例中，所述第一标定时间点为
Figure BDA0002341989470000124
所述第二标定时间点为
Figure BDA0002341989470000125
如附图4和附图5所示，在第一标定时间点
Figure BDA0002341989470000126
相位处的幅值为A，在第二标定时间点
Figure BDA0002341989470000127
相位处的幅值为B，从图5可以看出，当待测物在物方焦平面位置处时，在第一标定时间点
Figure BDA0002341989470000128
和第二标定时间点
Figure BDA0002341989470000129
相应处的幅值A1，B1相等。当待测物在某一离焦位置，在第一标定时间点
Figure BDA00023419894700001210
和第二标定时间点
Figure BDA00023419894700001211
相应处的幅值A2，B2不相等，不同的物方离焦位置，均对应一组A，B值。由此，可以建立离焦量与差分信号S的关系。
其中，所述差分信号的计算方法如下：
Figure BDA00023419894700001212
其中，S为差分信号，A为其中一个物方离焦位置在第一标定时间点的像方光功率；B为同一物方离焦位置在第二标定时间点的像方光功率。如图5所示，为根据第一标定时间点
Figure BDA00023419894700001213
相位处的幅值A和第二标定时间点
Figure BDA00023419894700001214
相位处的幅值为B建立的差分信号与离焦量之间的关系曲线图。
特别地，本领域的技术人员应该能够理解，上述实施方式仅是第一标定时间点和第二标定时间点的一种选取方式，并非本发明的限制，比如，在其他的实施方式中，第一标定时间点可以选取0.6π，第二标定时间点可以选取1.6π。
S130：使用多项式拟合得到差分信号和离焦量的关系，保存拟合系数，并确定实际测量范围。
继续参见附图6，为了描述的方便可以看出，根据待测物在不同离焦位置对应的第一标定时间的幅值A和第二标定时间点的幅值B，可以得到差分信号
Figure BDA0002341989470000131
与待测物离焦位置的曲线关系图。不同的离焦位置，对应不同的差分信号。因此，若已知差分信号，则可反推出物方离焦量。对所述差分信号与待测物离焦位置的曲线使用多项式拟合得到差分信号和离焦量的函数关系。保存拟合系数，即可根据差分信号获取对应的待测物的物方离焦量。比如，在实际应用中，可以将以S为起点和以E为终点的线性范围内确定实际测量范围，通过线性拟合获取差分信号和离焦量的关系，具体多项式拟合的过程在此不做过多介绍。
综上，本实施例提供的一种焦点探测信号调制方法，为一种差分测量方案，通过孔径光阑在轴向的高频简谐运动，提取出每个离焦位置对应的差分信号，进而建立差分信号和离焦量的函数关系。能够运用在多种场合，比如焦点探测，三维重构等，可实现精准探测，提高信号传输的信噪比。本实施例提供的一种焦点探测信号调制装置和方法其中一种应用场景包括，所述待测物为光刻机的工件台上的衬底，关于光刻机的具体结构在此不再赘述。
<实施例三>
本实施例还提供了另一种焦点探测信号调制装置，为了避免赘述，与实施例一相同的投影组件和成像组件部分不再说明，仅就与实施例一的不同之处予以说明，请参见附图7，为本实施例的一种焦点探测信号调制装置的局部结构(调制组件和探测器)示意图，所述调制组件包括变焦透镜430，所述变焦透镜430位于所述成像组件和所述孔径光阑410之间，所述孔径光阑410位于所述变焦透镜430和所述成像组件的组合焦点处，具体地，所述变焦透镜430位于所述聚焦透镜320和所述孔径光阑410之间。所述变焦透镜430包括声控变焦透镜或电控变焦透镜。可以通过电控变焦透镜430加载交流电，则由聚焦透镜320和变焦透镜430组成的组合透镜的焦平面也会随之变化，通过孔径光阑410进入探测器510的光功率也会随之变化，从而实现对所述成像组件的焦距进行高频调制。其基本原理与实施一类似，与实施例一通过移动孔径光阑的操作不同，本实施例通过变焦透镜430实现焦平面轴向变化而孔径光阑不动。
与之相对应，本实施例提供了另一种焦点探测信号调制方法，与实施例二的不同在于步骤S110获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的像方光功率的方法。以下仅就不同之处予以说明，其他步骤不再赘述。本实施例中，步骤S110采用以下方法，将所述孔径光阑放置在所述成像组件的焦点处，所述孔径光阑的轴向平行于调焦光束的光轴，对所述成像组件的焦距进行高频调制，使得所述成像组件的焦平面随时间作正弦变化，获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的光功率。具体地，所述对所述成像组件的焦距进行高频调制包括，对电控变焦透镜加载交流电，使得所述成像组件的焦平面随时间作正弦变化，从而使得通过孔径光阑的光功率也会随之变化，待测物在不同离焦位置，对应的光功率曲线也会不同，对探测到的信号作与实施例二相同的处理，同样可以获取差分信号与离焦量之间的关系。
<实施例四>
本实施例还提供了又一种焦点探测信号调制装置，为了避免赘述，与实施例一相同的投影组件不再说明，仅就与实施例一的不同之处予以说明，请参见附图8，为本实施例的一种焦点探测信号调制装置的局部结构(成像组件、调制组件和探测器)示意图。
如附图8所示，本实施例的成像组件包括分光棱镜330、第一聚焦投镜341a和第二聚焦透镜342a，所述调制组件包括第一多孔径光阑341b、第一探测组件、第二多孔径光阑342b和第二探测组件。特别地，如图中文字说明，第一多孔径光阑341b和第二多孔径光阑342b为局部放大图。
其中，所述第一聚焦透镜341a、所述第一多孔径光阑341b以及第一探测组件形成第一支路341；所述第二聚焦透镜342a，所述第二多孔径光阑342b以及第二探测组件形成第二支路342。沿各自调焦光束的传播方向，所述第一多孔径光阑341b和所述第二多孔径光阑342b分别位于所述像方焦平面两侧距离相等的位置。较佳地，沿各自所述调焦光束传播方向，所述第一支路341垂直于所述第二支路342。
具体地，所述第一多孔径光阑341b和所述第二多孔径光阑342b的结构相同，所述第一多孔径光阑341b和所述第二多孔径光阑342b均具有多个半径不同的子孔径光阑。在本实施例中，所述第一多孔径光阑341b和所述第二多孔径光阑342b均为能够转动的转盘结构，所述第一多孔径光阑341b的多个子孔径光阑的圆心位于同一圆周上；所述第二多孔径光阑342b的多个子孔径光阑的圆心位于同一圆周上。所述第一支路341还包括安装在所述第一多孔径光阑341b上的第一光栅尺341d和第一光栅尺读数头341e，所述第二支路342还包括安装在所述第二多孔径光阑342b上的第二光栅尺342d和第二光栅尺读数头342e。
继续参见附图8，在本实施例中，第一多孔径光阑341b具有一圆形第一多孔径光阑本体341b5，在所述第一多孔径光阑本体341b5的周边，均布有4个孔径不同的子孔径光阑，分别为第一子孔径光阑一341b1、第一子孔径光阑二342b2、第一子孔径光阑三341b3和第一子孔径光阑四342b4，这4个子孔径光阑的圆心位于同一个圆上。所述第一多孔径光阑341b能够绕其圆心转动。以图示方位为例，在该实施例中，在所述第一多孔径光阑本体341b5的右侧安装第一光栅尺341d，在所述第一多孔径光阑341b的下方安装了第一光栅尺读数头341e。在使用时，可以提前标定好每个子孔径光阑圆心在光轴时，对应的所述第一光栅尺读数头341e在所述第一光栅尺341d上的读数。每次切换子孔径光阑时，若子孔径光阑的孔径圆心与光轴有微弱偏差时，则第一光栅尺的读数也会有偏差，此时，可以根据读数差异转动所述第一子孔径光阑本体341b5，使得所述子孔径光阑的圆心在光轴上。显然地，可以通过手动或电动的方式切换子孔径光阑，本发明对此不作限制。
同样的，所述第二多孔径光阑342b与所述第一多孔径光阑341b的结构完全相同，在此不再赘述。特别地，在使用时，应该特别注意，所述第一多孔径光阑341b和所述第二多孔径光阑342b相对应的子孔径光阑配对使用，即：当第一子孔径光阑一341b1的孔径中心位于第一支路341的光轴时，位于所述第二支路342光轴上的所述第二多孔径光阑342b的子孔径光阑应为第二子孔径光阑一342b1，其中，所述第一子孔径光阑一341b1与所述第二子孔径光阑一342b1的孔径相同。同理，所述第一子孔径光阑二341b2与其孔径相同的所述第二子孔径光阑二342b2配对使用，所述第一子孔径光阑三341b3与其孔径相同的所述第二子孔径光阑三342b3配对使用，所述第一子孔径光阑四341b4与其孔径相同的所述第二子孔径光阑四342b4配对使用。由此可以满足，对入射在待测物表面上的光斑大小进行切换时，能够使得调制组件的孔径光阑的大小相应地进行切换，能够适用于测量光斑大小需要切换的场景；并借助光栅尺的高精度读数，精确读取光阑切换时的信息以便实时调整。
显然地，本实施例所述的第一多孔径光阑341b和第二多孔径光阑342b的转盘结构及子孔径光斑的个数和分布仅是较佳实施方式的描述，而非本发明的限制。
与之相对应，本实施例提供了又一种焦点探测信号调制方法，与实施例二的不同在于步骤S100标定差分信号与离焦量的关系的方法。以下仅就不同之处予以说明，其他步骤不再赘述。本实施例中，步骤S100采用以下方法，
步骤1：将所述调焦光束分成第一支路和第二支路两路调焦光束。较佳地，沿各自所述调焦光束传播方向，所述第一支路垂直于所述第二支路。显然地，这仅是较佳实施方式的描述，并非本发明的限制。
步骤2：沿各自调焦光束的传播方向，分别将第一多孔径光阑放置于所述第一支路，第二多孔径光阑放置于所述第二支路，且使得所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑分别位于像方焦平面两侧距离相等的位置。其中，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑的结构相同，每个多孔径光阑具有若干个孔径不同的子孔径光阑，根据所述投影光斑大小选用第一子孔径光阑和第二子孔径光阑，所述第一子孔径光阑为所述第一多孔径光阑的其中一个子孔径光阑，所述第二子孔径光阑为所述第二多孔径光阑的其中一个子孔径光阑，所述第一子孔径光阑和所述第二子孔径光阑的半径相同。具体地，调整所述第一子孔径光阑的圆心在所述第一支路的光轴上，调整所述第二子孔径光阑的圆心在所述第二支路的光轴上。
步骤3：获取待测物不同物方离焦位置各自在所述第一支路和所述第二支路同一时间的光功率。
步骤4：根据所述物方离焦位置在所述第一支路和所述第二支路同一时间的所述光功率，计算得到差分信号。为了避免赘述，将所述第一支路获得光功率记为A，将所述第二支路获得光功率记为B，所述差分信号的计算方法与实施例一实施例二类似。随着物方离焦的变化，即可得到一条类似附图6的物方离焦与S＝(A-B)/(A+B)之间的关系。
步骤5：使用多项式拟合得到差分信号和离焦量的关系，保存拟合系数，并确定实际测量范围。
在测量光束和调焦光束共用光源的情况下，测量光斑会根据标记及测量方法的不同，对入射在被测量表面上的光斑大小进行切换，这时就需要调焦光路中探测端针孔光阑的大小相应的进行切换，本实施例提供的一种焦点探测信号调制方法和调制装置能够实现。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
综上，上述实施例对一种焦点探测信号调制装置和方法的不同构型进行了详细说明，当然，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (27)

1.一种焦点探测信号调制装置，其特征在于，沿光路传播方向，所述焦点探测信号调制装置包括光源、投影组件、成像组件、调制组件和探测组件；
所述光源发出的光束经过所述投影组件在待测物表面形成投影光斑；
所述成像组件用于对所述待测物反射的投影光斑成像，得到调焦光束；
所述调制组件用于对所述调焦光束调制；
所述探测组件用于接收经所述调制组件调制后的调焦光束，并根据接收到的光强大小得到光功率，并用于根据所述光功率获取所述待测物的物方离焦量。
2.根据权利要求1所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述投影组件包括照明模块、第一半透半反镜、第二半透半反镜以及显微物镜，沿光束传播方向，所述照明模块、第一半透半反镜、第二半透半反镜以及显微物镜依次设置在所述光源和所述待测物之间；
所述光源发出的光束经由所述照明模块照射至所述第一半透半反镜，经所述第一半透半反镜反射至所述第二半透半反镜，透过所述第二半透半反镜的光束通过所述显微物镜照射所述待测物表面。
3.根据权利要求2所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述照明模块包括准直透镜，所述准直透镜含有偏振片、滤波片和/或衰减片。
4.根据权利要求3所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述准直透镜包括至少一个镜片。
5.根据权利要求2所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述显微物镜和所述第二半透半反镜还依次位于所述待测物和所述成像组件之间，所述投影光斑经所述待测物表面反射后，依次透过所述显微物镜，并经所述第二半透半反镜反射至所述成像组件。
6.根据权利要求2所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述显微物镜和所述待测物表面之间为空气或浸没液。
7.根据权利要求1所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述成像组件包括中继透镜和聚焦透镜，沿所述调焦光束传播方向，所述中继透镜和所述聚焦透镜依次设置在所述待测物和所述调制组件之间。
8.根据权利要求7所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述中继透镜具有偏振片、滤波片和/或衰减片。
9.根据权利要求1所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述调制组件包括孔径光阑，所述孔径光阑靠近像方焦平面设置，且其轴向平行于所述调焦光束的光轴方向。
10.根据权利要求9所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述调制组件还包括与所述孔径光阑连接的移动机构；
所述移动机构用于带动所述孔径光阑沿所述孔径光阑的轴向作高频往复运动。
11.根据权利要求9所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述调制组件还包括变焦透镜，所述变焦透镜位于所述成像组件和所述孔径光阑之间，所述孔径光阑位于所述变焦透镜和所述成像组件的组合焦点处。
12.根据权利要求11所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述变焦透镜包括声控变焦透镜或电控变焦透镜。
13.根据权利要求9所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述成像组件包括分光棱镜、第一聚焦投镜和第二聚焦透镜；
所述调制组件包括第一多孔径光阑、第一探测组件、第二多孔径光阑和第二探测组件；
所述第一聚焦透镜、所述第一多孔径光阑以及第一探测组件形成第一支路，所述第二聚焦透镜，所述第二多孔径光阑以及第二探测组件形成第二支路；沿各自调焦光束的传播方向，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑分别位于所述像方焦平面两侧距离相等的位置；
其中，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑的结构相同，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑均具有多个半径不同的子孔径光阑。
14.根据权利要求13所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑均为能够转动的转盘结构，所述第一多孔径光阑的多个子孔径光阑的圆心位于同一圆周上；所述第二多孔径光阑的多个子孔径光阑的圆心位于同一圆周上。
15.根据权利要求14所述的焦点探测信号调制装置，其特征在于，所述第一支路还包括安装在所述第一多孔径光阑上的第一光栅尺，所述第二支路还包括安装在所述第二多孔径光阑上的第二光栅尺。
16.一种焦点探测信号调制方法，利用权利要求1所述的焦点信号调制装置进行调制，其特征在于，包括以下步骤，
S100：标定出差分信号与物方离焦量的关系；
S200：打开光源，光束经过投影组件在待测物表面形成投影光斑，同时所述待测物将所述投影光斑反射，并经成像组件成像在孔径光阑上，透过所述孔径光阑的调焦光束由探测组件接收，所述探测组件根据接收到的光强大小输出相应的光功率，并持续至少一个周期；
S300：根据第一时间点和第二时间点的所述光功率，计算得到待测物方离焦量的差分信号，所述第一时间点和所述第二时间点之间的时长为
Figure FDA0002341989460000032
Figure FDA0002341989460000033
个所述周期，N≥0；
S400：根据步骤S100中标定的差分信号与物方离焦量的关系，计算得到物方离焦量。
17.根据权利要求16所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，S100包括以下步骤，
S110：在物方正离焦极限位置和物方负离焦极限位置之间的位置范围内，获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的像方光功率；
S120：根据所述物方离焦位置第一标定时间点和第二标定时间点的光功率，计算得到差分信号，所述第一标定时间点与所述第二标定时间点的时长为
Figure FDA0002341989460000031
个所述调制周期；
S130：使用多项式拟合得到差分信号和离焦量的关系，保存拟合系数，并确定实际测量范围。
18.根据权利要求17所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，在步骤S100之前，还包括标定出像方焦平面的位置，并将所述孔径光阑靠近所述像方焦平面放置，所述孔径光阑的轴向平行于调焦光束的传播方向。
19.根据权利要求18所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，步骤S110包括以下方法，
以所述像方焦平面的位置为中心，高频简谐移动所述孔径光阑，且所述孔径光阑的位置随时间做正弦变化，获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的光功率。
20.根据权利要求19所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，所述获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的光功率还包括，对通过所述孔径光阑前的所述光功率作归一化处理。
21.根据权利要求19所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，步骤S120中，所述第一标定时间点与所述第二标定时间点的时长为
Figure FDA0002341989460000041
个所述调制周期包括，所述第一标定时间点为
Figure FDA0002341989460000042
所述第二标定时间点为
Figure FDA0002341989460000043
22.根据权利要求17所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，所述差分信号的计算方法如下：
Figure FDA0002341989460000044
其中，S为差分信号，A为其中一个物方离焦位置在第一标定时间点的光功率；B为同一物方离焦位置在第二标定时间点的光功率。
23.根据权利要求17所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，步骤S110包括以下方法，
将所述孔径光阑放置在所述成像组件的焦点处，所述孔径光阑的轴向平行于调焦光束的光轴，对所述成像组件的焦距进行高频调制，使得所述成像组件的焦平面随时间作正弦变化，获取待测物不同物方离焦位置各自在若干个调制周期内随时间变化的光功率。
24.根据权利要求23所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，所述对所述成像组件的焦距进行高频调制包括，对电控变焦透镜加载交流电，使得所述成像组件的焦平面随时间作正弦变化。
25.根据权利要求17所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，步骤S100包括以下方法，
将所述调焦光束分成第一支路和第二支路两路调焦光束；
沿各自调焦光束的传播方向，分别将第一多孔径光阑放置于所述第一支路，第二多孔径光阑放置于所述第二支路，且使得所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑分别位于像方焦平面两侧距离相等的位置；其中，所述第一多孔径光阑和所述第二多孔径光阑的结构相同，每个多孔径光阑具有若干个孔径不同的子孔径光阑，根据所述投影光斑大小选用第一子孔径光阑和第二子孔径光阑，所述第一子孔径光阑为所述第一多孔径光阑的其中一个子孔径光阑，所述第二子孔径光阑为所述第二多孔径光阑的其中一个子孔径光阑，所述第一子孔径光阑和所述第二子孔径光阑的半径相同；
获取待测物不同物方离焦位置各自在所述第一支路和所述第二支路同一时间的光功率；
根据所述物方离焦位置在所述第一支路和所述第二支路同一时间的所述光功率，计算得到差分信号；
使用多项式拟合得到差分信号和离焦量的关系，保存拟合系数，并确定实际测量范围。
26.根据权利要求25所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，沿各自所述调焦光束传播方向，所述第一支路垂直于所述第二支路。
27.根据权利要求25所述的焦点探测信号调制方法，其特征在于，根据所述投影光斑大小选用第一子孔径光阑和第二子孔径光阑还包括，
调整所述第一子孔径光阑的圆心在所述第一支路的光轴上，调整所述第二子孔径光阑的圆心在所述第二支路的光轴上。
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