CN116086331A - 基于重叠峰信号分解的厚度测量方法 - Google Patents

基于重叠峰信号分解的厚度测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116086331A
CN116086331A CN202310206304.2A CN202310206304A CN116086331A CN 116086331 A CN116086331 A CN 116086331A CN 202310206304 A CN202310206304 A CN 202310206304A CN 116086331 A CN116086331 A CN 116086331A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light intensity
intensity data
focal
detected
photoelectric detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310206304.2A
Other languages
English (en)
Inventor
王之一
王廷煜
王建立
糜小涛
杨永强
遆云赞
刘昌华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN202310206304.2A priority Critical patent/CN116086331A/zh
Publication of CN116086331A publication Critical patent/CN116086331A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0675—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating using interferometry
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提出一种基于重叠峰信号分解的厚度测量方法，采集焦前、焦后光电探测器的光强度以及光强度相对应的聚焦透镜位移，通过算法迭代更新获取分解光强度信号待测物的上表面反射和下表面反射光强度信号，根据分解后的光强度信号获取差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息，进而获取待测物的厚度。本发明提供的厚度测量方法，在无需任何额外的光学元件的情况下，仅通过算法就实现了微米级厚度薄膜的准确测量，扩展了差动共聚焦测量系统的测量范围和应用场合。解决了当待测物厚度过小时，上下表面的光强度的差分信号相互叠加，而无法测量微米级待测物厚度的技术问题。

Description

基于重叠峰信号分解的厚度测量方法
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种基于重叠峰信号分解的厚度测量方法。
背景技术
厚度是与长度相关的最广泛使用的参数之一，它被定义为具有平行边的物体的顶部和底部或正面和背面之间的距离。各种研究和工业领域都需要厚度测量，如汽车、造船、航空、纳米技术和生物技术领域。随着第四次工业革命的到来，半导体和显示行业对厚度测量的需求稳步增长。例如，在制造智能半导体器件时，应监测和控制基板和薄膜等各个层的物理厚度，以确保性能。根据样品的材料性质和形状、厚度范围、测量精度程度等检测条件，提出并实现了不同类型的厚度测量方法，用于不同应用场合的厚度测量。厚度测量方法可以简单地分为接触式和非接触式两种。近年来，非接触测量方法由于具有无损检测和无损测量的实际优势而引起了广泛的关注。非接触方法分为光学方法和非光学方法。
激光差动共聚焦显微镜技术是现有的非接触的光学方法中的新兴技术。激光差动共聚焦显微镜技术具有绝对测量和焦点跟踪等优点，可以提高聚焦灵敏度、传感器线性度和信噪比。
然而现有技术中的激光差动共聚焦显微镜技术针对的是光学透镜的中心厚度的测量，这种被测对象往往厚度是厘米和毫米级。当用差动共聚焦传感器对薄膜或者载玻片等微米级被测物的厚度测量时，由于两个子反射强度分布的交集或叠加，会导致差动共聚焦响应信号失准，也就是使被测物上下表面的差分信号相互叠加，无法直接通过差分信号过零点获取被测物上下表面位置，影响被测被测物厚度的测量精度，甚至导致无法得到测量结果这一技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提出了一种基于重叠峰信号分解的厚度测量方法。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种基于重叠峰信号分解的厚度测量方法，所述厚度测量方法包括如下步骤：
S1、分别采集差动共聚焦测量系统中焦前光电探测器的光强数据和焦后光电探测器的光强度数据，以及光强数据相对应的聚焦透镜移动的位移数值；
S2、根据焦前光强度数据和焦后光强度数据，分别计算所述焦前光电探测器和所述焦后光电探测器所接收光束的质心；
S3、以质心为依据，将所述焦前光强度数据和所述焦后光强度数据分别分解为待测物上表面反射的初值光强度数据和下表面反射的初值光强度数据；
S4、以第一预设条件为依据，分别对所述待测物上表面反射的初值光强度数据和下表面反射的初值光强度数据进行迭代更新，并计算迭代更新的光强度数据的质心，根据第二预设条件判断是否停止迭代更新，获取分解后的待测物上表面和下表面的光强度数据以及相应的质心数据；
S5、根据所述分解后的待测物上表面和下表面反射的光强度数据，分别获取待测物上表面和下表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息；
S6、根据所述过零点位置信息，计算待测物的厚度。
进一步地，所述步骤S2中，所述焦前光电探测器和所述焦后光电探测器所接收光束的质心的计算公式(1)具体为：
Figure BDA0004111064580000031
其中，uc表示质心；I(u)表示焦前光电探测器或焦后光电探测器的光强度数据；u表示光强度数据相对应的聚焦透镜移动的位移数值。
进一步地，所述步骤S3中，根据公式(2)将光强度数据进行分解，
Figure BDA0004111064580000032
其中，Iup 1(u)表示焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物上表面反射的初值光强度数据；Idown 1(u)表示焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物下表面反射的初值光强度数据。
进一步地，所述步骤S4具体为：
S401、根据第一预设条件对初值光强度数据进行迭代更新，并计算迭代更新的光强度数据的质心，所述第一预设条件的迭代更新的公式(3)具体为：
Figure BDA0004111064580000033
其中，α表示待测物上或下表面反射的光强度信号的单峰信号的半峰宽度；
Figure BDA0004111064580000034
表示第m次迭代更新时，所述焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物上表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000035
表示第m次迭代更新时，所述焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物下表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000036
表示第m+1次迭代更新时，所述焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物上表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000037
表示第m+1次迭代更新时，所述焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物下表面反射的光强度数据；m为迭代次数，初值设置为1；
Figure BDA0004111064580000041
表示第m次迭代更新时，上表面光强度数据的质心；
Figure BDA0004111064580000042
第m次迭代更新时，下表面光强度数据的质心；
S402、判断是否满足第二预设条件，若未满足第二预设条件，则继续迭代更新；若满足第二预设条件，则停止迭代更新，获取分解后的待测物上表面的光强度数据和下表面的光强度数据；第二预设条件具体为公式(4)：
Figure BDA0004111064580000043
其中，ε表示迭代停止参数。
S403、获取分解后的待测物上表面的光强度数据为：
Figure BDA0004111064580000044
待测物下表面的光强度数据为：
Figure BDA0004111064580000045
以及待测物上表面和下表面的光强度数据相应的质心数据。
进一步地，所述步骤S5具体为：
S501、将分解后所述焦前光电探测器和焦后光电探测器的待测物上表面反射的光强度数据做差，获取待测物上表面差动共焦特性曲线；将分解后所述焦前光电探测器和焦后光电探测器的待测物下表面反射的光强度数据做差，获取待测物下表面差动共聚焦特性曲线；
S502、分别获取待测物上表面和下表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息。
进一步地，所述步骤S6中计算待测物的厚度的公式(5)具体为：
Figure BDA0004111064580000046
其中，thickness表示待测物的厚度；uup表示待测物上表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息；udown表示待测物下表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息；θ表示聚焦透镜孔径角；n表示待测物的折射率。
本发明提供的基于重叠峰信号分解的厚度测量方法可以应用于现有的差动共聚焦测量系统，将获取待测物上表面和下表面的差分信号进行分解，分解为焦前光电探测器待测物上表面光强度信号、焦前光电探测器待测物下表面光强度信号、焦后光电探测器待测物上表面光强度信号、焦后光电探测器待测物下表面光强度信号，并且通过算法使获取分解后光强度数据的类间方差函数取得最小值，进而实现分解后的信号和真实信号比差异小的目，提高厚度测量方法的准确度。根据分解后的光强度信号获取差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息，进而获取待测物的厚度。本发明实施例在无需任何额外的光学元件，仅通过算法就实现了微米级厚度薄膜的准确测量，扩展了差动共聚焦测量系统的测量范围和应用场合。解决了当待测物厚度过小时，上下表面的光强度的差分信号相互叠加，而无法测量微米级厚度待侧物厚度的技术问题。
附图说明
图1是根据本发明实施例的差动共聚焦测量系统的示意图；
图2是根据本发明实施例的基于重叠峰信号分解的厚度测量方法的流程图。
其中的附图标记包括：
激光光源1、准直镜2、第一分束镜3、聚焦透镜4、待测物5、第二分束镜6、焦前聚焦透镜7、焦前针孔8、焦前光电探测器9、焦后聚焦透镜10、焦后针孔11、焦后光电探测器12。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面结合附图对本发明的具体工作方式进行详细说明：
为方便详细示明本发明实施例，结合现有技术中的差动共聚焦测量系统进行详述。发明实施例中所使用的差动共聚焦测量系统，如图1所示，包括沿光路依次设置的激光光源1、准直镜2、第一分束镜3、聚焦透镜4、第二分束镜6、焦前聚焦透镜7、焦前针孔8、焦前光电探测器9、焦后聚焦透镜10、焦后针孔11、焦后光电探测器12、干涉测距仪、传动组件。本发明实施例中所使用的传动组件为物镜定位器。传动组件与聚焦透镜4固定连接，传动组件控制聚焦透镜4沿激光光束方向往复匀速移动来控制待测物表面的成像位置，即焦点位置。干涉测距仪用于测量聚焦透镜4移动的位移数值。本发明实施例中传动组件位移量程为400μm，干涉测距仪的测量精度为0.5nm。激光光源1发出激光光束，激光光束经准直镜2准直后，入射至第一分束镜3进行分束。经第一分束镜3透射的透射光束，经聚焦透镜4聚焦后入射至待测物5，经待测物5反射后沿原光路返回，经第一分束镜3反射至第二分束镜6进行分束。经第二分束镜6透射的光束作为焦前光束，焦前光束依次经焦前聚焦透镜7、焦前针孔8入射至焦前光电探测器9。经第二分束镜6反射的光束作为焦后光束，焦后光束依次经焦后聚焦透镜10、焦后针孔11入射至焦后光电探测器12。
采集焦前光电探测器9和焦后光电探测器12的光强数据，分别记为I(u，-um)和I(u，+um)。将焦前光电探测器9的光强数据与焦后光电探测器12的光强数据作差，得到差动共聚焦信号曲线FES＝I(u，-um)-I(u，+um)，并获取差动共聚焦信号曲线的差分信号数据。当激光光束聚焦在待测物5表面时，焦前光电探测器9和焦后光电探测器12的所接收到的光强度相等。通过干涉测距仪记录聚焦透镜4位置为u，即干涉测距仪测量过零点位置所对应的聚焦透镜4位移数值为u，获取待测物5表面待测点的位置信息u。其中，FES表示差动共聚焦特性曲线，um表示离焦量，u表示待测物5表面待测点的位置信息。
与本发明提供的厚度测量方法能够应用于现有技术中不同差动共聚焦测量系统，因此差动共聚焦测量系统可以存在其他形式的变化，以实际使用情况为准，本发明对此不进行限定，仅举例对本发明实施例进行详细说明。
差动共聚焦测量系统在测量待测物5的厚度过程中，通常是通过获取待测物5的差分信号获取待测物5上表面和下表面的位置，进而对其厚度进行测量。但待测物5厚度过小时，待测物5的上下表面的光强度的差分信号相互叠加，会导致无法直接通过差分信号过零点获取待测物5上下表面的位置。因此本发明实施例的测量方法是将焦前光电探测器9和焦后光电探测器12所采集的光强度数据进行分解，分解为上表面反射的光强信号和下表面反射光强信号，且分解后的光强度信号满足：类间方差函数取得最小值。进而使应用本发明技术方案所分解出的信号与真实信号之间的差异最小化，提高厚度测量的精度。
本发明实施例提供一种基于重叠峰信号分解的厚度测量方法，方法流程图，如图2所示。
S1、分别采集差动共聚焦测量系统中焦前光电探测器9的光强数据I(u，-um)和焦后光电探测器12的光强数据I(u，+um)，以及光强数据相对应的聚焦透镜4移动的位移数值u。
在测量待测物5的厚度过程中，由于待测物5的上表面和下表面都会对入射光束产生反射。因此焦前光电探测器9和焦后光电探测器12的接收到的光强数据，均可以看做待测物5的上表面反射的光强信号和下表面反射光强信号的叠加，如公式(1)所示：
Figure BDA0004111064580000081
其中，I(u，-um)表示焦前光电探测器9的光强度数据；I(u，+um)表示焦后光电探测器12的光强度数据；Icf-up(u，-um)表示焦前光电探测器9上表面光强度数据；Icf-down(u，-um)表示焦前光电探测器9下表面光强度数据；Icb-up(u，+um)表示焦后光电探测器12上表面光强度数据；Icb-down(u，+um)表示焦后光电探测器12下表面光强度数据。
S2、将焦前光强度数据I(u，-um)和焦后光强度数据I(u，+um)，分别代入公式(2)和公式(3)计算焦前光电探测器9和焦后光电探测器12所接收光束的质心；焦前光电探测器9和焦后光电探测器12所接收光束的质心的计算公式(2)和公式(3)具体为：
Figure BDA0004111064580000082
Figure BDA0004111064580000083
其中，ucf表示焦前光电探测器9的质心；ucb表示焦前光电探测器9的质心；u表示光强度数据相对应的聚焦透镜4移动的位移数值。
在本发明实施例中，质心的计算方法可以使用现有技术中的普通质心算法、加强权质心算法、阈值质心算法等方法计算，本发明对此不进行限定，可以根据实际情况进行选择。
S3、以计算获取的质心为依据，根据公式(4)和(5)将焦前光强度数据和焦后光强度数据分别进行分解，分解为待测物5上表面反射的初值光强度数据和下表面反射的初值光强度数据。
焦前光强度数据进行分解的公式(4)具体为：
Figure BDA0004111064580000091
焦后光强度数据进行分解的公式(5)具体为：
Figure BDA0004111064580000092
其中，Icf-up 1(u，-um)表示焦前光电探测器9待测物5上表面反射的初值光强度数据；Icf-down 1(u，-um)表示焦前光电探测器9待测物5下表面反射的初值光强度数据；Icb-up 1(u，+um)表示焦后光电探测器12待测物5上表面反射的初值光强度数据；Icb-down 1(u，+um)表示焦后光电探测器12待测物5下表面反射的初值光强度数据。
S4、以第一预设条件为依据，分别对步骤S3中获取的焦前光电探测器9和焦后光电探测器12的待测物5上表面反射的初值光强度数据和下表面反射的初值光强度数据进行迭代更新，并计算迭代更新的光强度数据的质心，根据第二预设条件判断是否停止迭代更新，获取分解后的待测物5上表面和下表面的光强度数据。
S401、根据第一预设条件，即通过公式(6)和(7)对初值光强度数据进行迭代更新，并计算迭代更新的光强度数据的质心。
焦前光电探测器9的第一预设条件的迭代更新的公式(6)具体为：
Figure BDA0004111064580000093
焦后光电探测器12的第一预设条件的迭代更新的公式(7)具体为：
Figure BDA0004111064580000101
其中，α表示待测物5上或下表面反射的光强度信号的单峰信号的半峰宽度；
Figure BDA0004111064580000102
表示第m次迭代更新时，焦前光电探测器9的待测物5上表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000103
表示第m次迭代更新时，焦前光电探测器9的待测物5下表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000104
表示第m次迭代更新时，焦后光电探测器12的待测物5上表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000105
表示第m次迭代更新时，焦后光电探测器12的待测物5下表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000106
表示第m+1次迭代更新时，焦前光电探测器9的待测物5上表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000107
表示第m+1次迭代更新时，焦前光电探测器9的待测物5上表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000108
表示第m+1次迭代更新时，焦后光电探测器12的待测物5上表面反射的光强度数据；
Figure BDA0004111064580000109
表示第m+1次迭代更新时，焦后光电探测器12的待测物5下表面反射的光强度数据；m为迭代次数，初值设置为1；
Figure BDA00041110645800001010
表示第m次迭代更新时，上表面光强度数据的质心；
Figure BDA00041110645800001011
第m次迭代更新时，下表面光强度数据的质心。
在本发明实施例中α的获取方法，即单峰信号的获取方法可以通过光电探测器对平面反射镜进行测量获得。本发明对此不进行限定，也可以使用现有技术中的其他方式获取，可以根据实际情况进行选择。
S402、判断是否满足第二预设条件，即通过公式(8)和公式(9)分别进行计算焦前光电探测器9和焦后光电探测器12迭代更新的光强度数据是否小于迭代停止参数。若未满足第二预设条件，则继续使用公式(6)和/或公式(7)进行迭代更新；若满足第二预设条件，则停止迭代更新，获取分解后的待测物5上表面的光强度数据和下表面的光强度数据。
焦前光电探测器9迭代更新的第二预设条件为公式(8)：
Figure BDA0004111064580000111
焦后光电探测器12迭代更新的第二预设条件为公式(9)：
Figure BDA0004111064580000112
其中，ε表示迭代停止参数。在本发明实施例中，ε设置为1e-18，ε设置过大过小均会导致分解后，获取的差动共焦特性曲线的过零点位置精度降低，可以根据实际情况进行设置。
在本发明实施例中，焦前光电探测器9和焦后光电探测器12的光强度数据，考虑到设备装调和环境因素得影响，所计算的焦前光电探测器9迭代更新的次数和焦后光电探测器12迭代更新的次数可能不一样。
本发明实施例中，根据第二预设条件，获取的分解后的待测物5上表面的光强度数据和下表面的光强度数据，满足公式(10)和公式(11)，即分解得到的分解后的待测物5上表面的光强度数据和下表面的光强度数据，能够使得类间方差函数取得最小值。类间方差函数取得最小值，可以使得分解出来的光强度信号的两个单峰信号的形状，相较于真实信号差异最小。
焦前光电探测器9的公式(10)和焦后光电探测器12的公式(11)具体为：
Figure BDA0004111064580000113
Figure BDA0004111064580000121
S403、获取分解后焦前光电探测器9的待测物5上表面的光强度数据为：Icf-up(u，-um)；焦前光电探测器9的待测物5下表面的光强度数据为：Icf-down(u，-um)；焦后光电探测器12的待测物5上表面的光强度数据为：Icb-up(u，+um)；焦后光电探测器12的待测物5下表面的光强度数据为：Icb-down(u，+um)。
本发明实施例中，以焦前光电探测器9迭代更新的次数和焦后光电探测器12迭代更新的次数相同，均为m+1次。即获取分解后焦前光电探测器9的待测物5上表面的光强度数据为：
Figure BDA0004111064580000122
Figure BDA0004111064580000123
焦前光电探测器9的待测物5下表面的光强度数据为：
Figure BDA0004111064580000124
焦后光电探测器12的待测物5上表面的光强度数据为：
Figure BDA0004111064580000125
焦后光电探测器12的待测物5下表面的光强度数据为：
Figure BDA0004111064580000126
Figure BDA0004111064580000127
S5、根据分解后的待测物5上表面和下表面反射的光强度数据，分别获取待测物5上表面和下表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息。
S501、将分解后焦前光电探测器9和焦后光电探测器12的待测物5上表面反射的光强度数据做差，获取待测物5上表面差动共焦特性曲线；将分解后焦前光电探测器9和焦后光电探测器12的待测物5下表面反射的光强度数据做差，获取待测物5下表面差动共聚焦特性曲线，差动共聚焦特性曲线的公式(12)具体为：
Figure BDA0004111064580000128
其中，FESup表示待测物5上表面差动共焦特性曲线；FESdown表示待测物5下表面差动共焦特性曲线。
S502、分别获取待测物5上表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息uup，和待测物5下表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息udown。
其中，uup表示待测物5上表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息；udown表示待测物5下表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息。
在本发明实施例中，过零点位置的计算方法为线性区间拟合法，也可以使用现有技术中的其他方法计算，本发明对此不进行限定，可以根据实际情况进行选择。
S6、根据过零点位置信息，计算待测物5的厚度。计算待测物5的厚度的公式(13)具体为：
Figure BDA0004111064580000131
其中，thickness表示待测物5的厚度；θ表示聚焦透镜4孔径角；n表示待测物5的折射率。
本发明提供的基于重叠峰信号分解的厚度测量方法可以应用于现有的差动共聚焦测量系统，将待测物的上表面反射和下表面反射叠加的光强度信号进行分解，通过采集焦前、焦后光电探测器光强度以及光强度相对应的聚焦透镜位移，通过算法迭代更新获取分解后光强度信号，根据分解后的光强度信号获取差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息，进而获取待测物的厚度。本发明实施例在无需任何额外的光学元件，仅通过算法就实现了微米级厚度薄膜的准确测量，扩展了差动共聚焦测量系统的测量范围和应用场合。解决了当待测物厚度过小时，上下表面的光强度的差分信号相互叠加，而无法测量微米级厚度待侧物厚度的技术问题。
本发明实施例通过实验对本发明技术方案的厚度测量方法的有效性进行验证，选用的差动共聚焦测量系统的系统参数，如下：激光光源1波长为642nm，通过准直镜2进行准直后，准直为半径为3.2mm的高斯准直光束。聚焦透镜4选用焦距9mm的显微镜，待测物5的折射率为1.51。焦前聚焦透镜7和焦后聚焦透镜10选用焦距10mm的平凹透镜，焦前针孔8和焦后针孔11偏移量为650μm，针孔大小为20μm。
表1示出了，本发明技术方案的厚度测量方法所测量的待测物厚度和待测物的真实厚度。待测物真实厚度使用分辨率为0.1nm的台阶仪测得。使用5个不同厚度的待测物，进行5组测量实验。结果如下：
表1
序号 真实厚度 本发明技术方案
1 3.527μm 3.541μm
2 4.971μm 4.962μm
3 8.532μm 8.525μm
4 12.012μm 12.014μm
5 16.294μm 16.298μm
使用本发明技术方案所提供的厚度测量方法，对厚度5μm以上的待测物的测量精度误差在10nm以内。
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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于重叠峰信号分解的厚度测量方法，其特征在于，所述厚度测量方法包括如下步骤：
S1、分别采集差动共聚焦测量系统中焦前光电探测器的光强数据和焦后光电探测器的光强度数据，以及光强数据相对应的聚焦透镜移动的位移数值；
S2、根据焦前光强度数据和焦后光强度数据，分别计算所述焦前光电探测器和所述焦后光电探测器所接收光束的质心；
S3、以质心为依据，将所述焦前光强度数据和所述焦后光强度数据分别分解为待测物上表面反射的初值光强度数据和下表面反射的初值光强度数据；
S4、以第一预设条件为依据，分别对所述待测物上表面反射的初值光强度数据和下表面反射的初值光强度数据进行迭代更新，并计算迭代更新的光强度数据的质心，根据第二预设条件判断是否停止迭代更新，获取分解后的待测物上表面和下表面的光强度数据以及相应的质心数据；
S5、根据所述分解后的待测物上表面和下表面反射的光强度数据，分别获取待测物上表面和下表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息；
S6、根据所述过零点位置信息，计算待测物的厚度。
2.根据权利要求1所述的厚度测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述焦前光电探测器和所述焦后光电探测器所接收光束的质心的计算公式(1)具体为：
Figure FDA0004111064570000011
其中，uc表示质心；I(u)表示焦前光电探测器或焦后光电探测器的光强度数据；u表示光强度数据相对应的聚焦透镜移动的位移数值。
3.根据权利要求2所述的厚度测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据公式(2)将光强度数据进行分解，
Figure FDA0004111064570000021
其中，Iup 1(u)表示焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物上表面反射的初值光强度数据；Idown 1(u)表示焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物下表面反射的初值光强度数据。
4.根据权利要求3所述的厚度测量方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S401、根据第一预设条件对初值光强度数据进行迭代更新，并计算迭代更新的光强度数据的质心，所述第一预设条件的迭代更新的公式(3)具体为：
Figure FDA0004111064570000022
其中，α表示待测物上或下表面反射的光强度信号的单峰信号的半峰宽度；
Figure FDA0004111064570000023
表示第m次迭代更新时，所述焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物上表面反射的光强度数据；
Figure FDA0004111064570000024
表示第m次迭代更新时，所述焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物下表面反射的光强度数据；
Figure FDA0004111064570000025
表示第m+1次迭代更新时，所述焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物上表面反射的光强度数据；
Figure FDA0004111064570000026
表示第m+1次迭代更新时，所述焦前光电探测器或焦后光电探测器的待测物下表面反射的光强度数据；m为迭代次数，初值设置为1；
Figure FDA0004111064570000027
表示第m次迭代更新时，上表面光强度数据的质心；
Figure FDA0004111064570000028
第m次迭代更新时，下表面光强度数据的质心；
S402、判断是否满足第二预设条件，若未满足第二预设条件，则继续迭代更新；若满足第二预设条件，则停止迭代更新，获取分解后的待测物上表面的光强度数据和下表面的光强度数据；第二预设条件具体为公式(4)：
Figure FDA0004111064570000031
其中，ε表示迭代停止参数。
S403、获取分解后的待测物上表面的光强度数据为：
Figure FDA0004111064570000032
待测物下表面的光强度数据为：
Figure FDA0004111064570000033
以及获取待测物上表面和下表面的光强度数据相应的质心数据。
5.根据权利要求4所述的厚度测量方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：
S501、将分解后所述焦前光电探测器和焦后光电探测器的待测物上表面反射的光强度数据做差，获取待测物上表面差动共焦特性曲线；将分解后所述焦前光电探测器和焦后光电探测器的待测物下表面反射的光强度数据做差，获取待测物下表面差动共聚焦特性曲线；
S502、分别获取待测物上表面和下表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息。
6.根据权利要求5所述的厚度测量方法，其特征在于，所述步骤S6中计算待测物的厚度的公式(5)具体为：
Figure FDA0004111064570000034
其中，thickness表示待测物的厚度；uup表示待测物上表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息；udown表示待测物下表面的差动共聚焦信号曲线的过零点位置信息；θ表示聚焦透镜孔径角；n表示待测物的折射率。
CN202310206304.2A 2023-03-06 2023-03-06 基于重叠峰信号分解的厚度测量方法 Pending CN116086331A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310206304.2A CN116086331A (zh) 2023-03-06 2023-03-06 基于重叠峰信号分解的厚度测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310206304.2A CN116086331A (zh) 2023-03-06 2023-03-06 基于重叠峰信号分解的厚度测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116086331A true CN116086331A (zh) 2023-05-09

Family

ID=86204635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310206304.2A Pending CN116086331A (zh) 2023-03-06 2023-03-06 基于重叠峰信号分解的厚度测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116086331A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5943134A (en) Method of measuring thickness and refractive indices of component layers of laminated structure and measuring apparatus for carrying out the same
US9784568B2 (en) Method and device for non-contact three dimensional object surface imaging
CN101769821A (zh) 基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置
CN106225715A (zh) 一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法
CN104848802A (zh) 法线跟踪式差动共焦非球面测量方法与系统
JP2013186024A (ja) 非球面形状計測方法、非球面形状計測装置、光学素子加工装置および光学素子
CN112556990A (zh) 镜片折射率测量装置及其测量方法
CN114442257A (zh) 一种大范围高精度光束焦面跟踪装置
US7435941B2 (en) Methods for measuring optical characteristics by differential diffractive scanning
CN113639661B (zh) 形貌检测系统及形貌检测方法
KR101085014B1 (ko) 광학식 표면 측정 장치 및 방법
US10260988B2 (en) Non-contact measurement device for radius of curvature and thickness of lens and measurement method thereof
CN112902875B (zh) 一种非球面反射镜曲率半径检测装置及方法
CN116538934A (zh) 基于光谱共焦测量系统重叠信号分解的厚度测量方法
CN101986097A (zh) 在球面面形干涉检测中高精度消除离焦误差及倾斜误差的方法
CN210863101U (zh) 一种镜片折射率测量装置
CN109974603B (zh) 双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法
CN109945804B (zh) 横向相减差动共焦超大曲率半径测量方法
CN111964580A (zh) 一种基于光杠杆的薄膜位置与角度的检测装置及方法
CN116086331A (zh) 基于重叠峰信号分解的厚度测量方法
CN108195566B (zh) 检测任意波长任意形状口径光学系统透射波前的方法
CN113295386B (zh) 一种光学镜片检测系统及检测方法
CN109443240A (zh) 一种基于中介层散射的激光三角光测量装置和方法
CN110631509B (zh) 基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统及方法
Li et al. Laser transverse dual differential confocal radius measurement with high efficiency and high precision

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination