CN117169126A - 用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，包括以下步骤：S10，搭建光谱椭偏仪电机测试工装；S20，进行电机筛选及特征数据记录，记录时间差与电机速度的对应关系，建立电机数据库；S30，完成一台光谱椭偏仪的所需的电机的测试与数据记录，并将电机安装至光谱椭偏仪上，电机数据拷贝至软件指定位置，待调用；S40，将测试应用算法集成至安装的光谱椭偏仪的应用程序中，完成测试与应用。

Description

用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法

技术领域

本发明属于光谱椭偏仪，具体涉及一种用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法。

背景技术

光谱型椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构特性的光学测量设备。可测的样品包括大块材料、薄膜以及在平面基底上生长或沉积的多层结构。多层固体、液体、与固体相邻的液体以及与固体接触的气相等离子体的特性等都可以用这一技术来探测。由于与样品非接触，对样品没有破坏并且不需要真空，使得椭偏仪成为一种极具吸引力的探测设备。

光谱型椭偏仪一般有一个宽波段的光源作为出射光，经过起偏器、波片、各种镜头后照射至待测面上，再经过镜头、检偏器、滤波器，最后通过一个宽波段的光谱仪接收光信号。光路中间存在较多的旋转机构，用步进电机带动旋转，形成所需的对光信号进行精密调整的功能。由于光谱仪的测试精度高，测试膜厚时可达0.1nm，测试折射率时可达0.01，其对步进电机运动定位、信号接收的同步性要求极高，需要有一套完善的运动跟踪算法，来保证步进电机运动与检测信号的同步性。因光谱椭偏仪光路以及镜片安装空间的限制，不适用伺服电机作为运动电机，因此一般采用步进电机作为运动部件。

现有的光谱椭偏仪，有的没有考虑同步性的问题，驱动步进电机转动与信号的接收完全独立，导致测量误差较大；有的只是采用增加固定延迟时间的方式，即驱动步进电机信号发出后，延迟一定时间，再进行信号采集，此种方式也存在误差，且数据不稳定，会随着运动参数、测试膜层种类的变化而变化。

发明内容

鉴于以上存在的问题，本发明提供一种用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，包括以下步骤：

S10，搭建光谱椭偏仪电机测试工装；

S20，进行电机筛选及特征数据记录，记录时间差与电机速度的对应关系，建立电机数据库；

S30，完成一台光谱椭偏仪的所需的电机的测试与数据记录，并将电机安装至光谱椭偏仪上，电机数据拷贝至软件指定位置，待调用；

S40，将测试应用算法集成至安装的光谱椭偏仪的应用程序中，完成测试与应用。

一种可能的实施方式中，所述S20具体包括：

开始测试；

测试工装上安装电机n，电机n转轴上安装测试波片，保持光源稳定，驱动电机n转动1圈，记录时间Td；

读取光谱仪某一波长的光强曲线；获取光强变化起始点及结束点时刻，计算两者时间差Tq；

计算Tq与Td差值绝对值，判断是否小于5ms，如果没有小于5ms，判断当前电机不合格，更换电机；如果<5ms，则判断当前电机合格，进行电机加减速曲线归一化，光谱强度曲线归一化；

利用电机加减速曲线推算理论光谱强度曲线，对比理论强度曲线与实际光谱强度曲线，计算相同幅值处的各时间差；

记录电机加减速位置与时间差的对应关系，存入数据库；

测试结束。

一种可能的实施方式中，驱动电机n转动时以梯型的加减速曲线驱动电机转动。

一种可能的实施方式中，其中梯型的加减速曲线为加速阶段为匀加速过程，起始速度V₀＝0r/m，加速度为a，加速过程用时t₀，最快速度Vm＝a*t0，匀速过程用时t₁，减速过程加速度-a，减速过程用时t₂＝t₀，则电机运动曲线为：

其中t为具体时间。

一种可能的实施方式中，光强变化起始点时刻的判断标准为后一时刻的光强值减前一时刻，连续5个差值为正(或为负)，确定第一点为起始点。

一种可能的实施方式中，结束点时刻的判断标准为后一时刻的光强值减前一时刻，连续5个差值出现正负变化或为0，且差值的绝对值小于4，光强最强为65535，确定第一点为结束点。

一种可能的实施方式中，光谱强度曲线为：

y＝f(t-b) (2)

其中t为具体时间；b为相位延迟参数；y为光强实际值。

一种可能的实施方式中，光谱强度曲线归一化为：

其中y₁为归一化后的光强值，最大为1；t为具体时间；c为归一化后相位延迟参数；

进而得到标准正弦曲线为：

y＝sin(t-c) (4)

相位延迟c取与归一化处理后光谱强度曲线一样的相位延迟。

一种可能的实施方式中，将公式(1)与公式(4)相乘，计算出理论的光强-时间曲线，对比实际的归一化的光谱强度曲线公式(3)，针对每个相同幅值，计算时间差；记录时间差与电机速度的对应关系，建立该电机数据库。

一种可能的实施方式中，所述S40具体包括：

测试开始；

辅助电机转动就位；

从数据库中查找对应电机的延迟时间；

等待最大延迟时间；

驱动核心电机转动，开始测量同步采集光谱数据；

核心电机转动完成后，光谱数据延迟核心最大延迟时间后，停止采集；

依据核心电机数据库，提取不同转速下的延迟时间，与测试过程中核心电机的转速、时间对应，截取“光谱记录时刻+延迟时间”的数据作为实际的测试数据；

数据整理、分析，得出测试结果，测试结束。

采用本发明具有如下的有益效果：

(1)实现了良好的电机的运动跟踪，消除了电机的信号、机械等延迟对测量精度的影响。

(2)提高了光谱椭偏仪的测试精度，使膜厚测试精度达到了0.1nm，折射率测试精度达到0.01。

(3)形成了一种适合光谱椭偏仪使用的步进电机的筛选机制。

(4)使用该运动跟踪测量方法，额外增加的测试时间小于0.5秒，不影响设备的正常使用。

附图说明

图1为本发明实施例的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法的步骤流程图；

图2为本发明实施中电机筛选及特征数据记录流程图；

图3为本发明实施例中测试应用算法流程图；

图4为本发明一实施例中光谱椭偏仪电机测试工装的结构示意图；

图5为本发明一实施例中光谱椭偏仪的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，所示为本发明实施例的一种用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法的步骤流程图，包括以下步骤：

S10，搭建光谱椭偏仪电机测试工装；不同电机测试时，与实际应用场景要吻合，且其余电机位置需空缺。作为负载的偏振片及固定机构，转动惯量、质量需与对应电机的实际负载特性一致。特性一致，要求电机测试的负载在总质量、转动惯量、外型尺寸、安装方式这几方面与实际的负载相同。可以用实际负载作为测试负载，为准确起见，一般使用一套实际负载作为测试负载，确保特性一致。

S20，进行电机筛选及特征数据记录，记录时间差与电机速度的对应关系，建立电机数据库；

S30，完成一台光谱椭偏仪的所需的电机的测试与数据记录，并将电机安装至光谱椭偏仪上，电机数据拷贝至软件指定位置，待调用；

S40，将测试应用算法集成至安装的光谱椭偏仪的应用程序中，完成测试与应用。

本发明一实施例中，参见图4为S10中光谱椭偏仪电机测试工装的结构示意图。所有零件均安装于固定支架11上，从左至右依次是光纤接口12、调整架13、电机测试位14、负载安装位15、工装镜头16和投光板17。光纤接口12通过光纤连接光源，调整架13用于调整光线的方向，确保光线垂直且于中心穿过各镜片。电机测试位14安装需要测试的电机，负载安装位15用于安装相应电机的对应负载，工装镜头16用于调焦及准直，在透光板17上形成便于识别的图形。不同电机在工装上进行测试，获取数据后，保存待用。

本发明一实施例中，参见图5如上图所示为S40中光谱椭偏仪的结构示意图。主要由支撑墙板210、接收镜头209、出射镜头214、载物台支架216、载物台215以及4个电机组成，其中4个电机包括第一辅助电机211、第二辅助电机212、核心电机213和第三辅助电机208。支撑墙板210用于支撑、固定整个光谱椭偏仪各零部件。出射镜头214有光线射出，至载物台面上被测片后，反射至接收镜头209。载物台支架216上固定载物台215，待测片置于载物台215上，进行测量。第一辅助电机211、第二辅助电机212、第三辅助电机208在测量前需要旋转到固定位置，测量过程中不旋转，核心电机213测量过程中旋转，调节光束状态。各个电机的定位精度、定位速度及与采集系统的时间延迟，均会直接影响测试结果的精度。通过使用本发明的光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，能够有效匹配各个电机旋转与采集系统获取测量数据的时间延迟，提高测量精度。

本发明一实施例中，参见图2，为了筛选出满足设备精度要求的步进电机，S20具体包括：

开始测试；

测试工装上安装电机n，电机n转轴上安装测试波片，保持光源稳定，驱动电机n转动1圈，记录时间Td；

读取光谱仪某一波长(波长范围可以是350-1000nm的光源，也可以其他波长，依据光源特性，选取稳定性高的波长，例如600nm)的光强曲线；获取光强变化起始点及结束点时刻，计算两者时间差Tq；

计算Tq与Td差值绝对值，判断是否小于5ms，如果没有小于5ms，判断当前电机不合格，更换电机；如果<5ms，则判断当前电机合格，进行电机加减速曲线归一化，光谱强度曲线归一化；

利用电机加减速曲线推算理论光谱强度曲线，对比理论强度曲线与实际光谱强度曲线，计算相同幅值处的各时间差；

记录电机加减速位置与时间差的对应关系，存入数据库；

测试结束。

本发明一实施例，驱动电机n转动时以梯型的加减速曲线驱动电机转动。其中梯型的加减速曲线为加速阶段为匀加速过程，起始速度V₀＝0r/m，加速度为a，加速过程用时t₀，最快速度Vm＝a*t0，匀速过程用时t₁，减速过程加速度-a，减速过程用时t₂＝t₀，则电机运动曲线为：

其中t为具体时间。

本发明一实施例中，光强变化起始点时刻的判断标准为后一时刻的光强值减前一时刻，连续5个差值为正(或为负)，确定第一点为起始点。

本发明一实施例中，结束点时刻的判断标准为后一时刻的光强值减前一时刻，连续5个差值出现正负变化或为0，且差值的绝对值小于4，光强最强为65535，确定第一点为结束点。

本发明一实施例中，光谱强度曲线为：

y＝f(t-b) (2)

其中t为具体时间；b为相位延迟参数；y为光强实际值。

本发明一实施中，光谱强度曲线归一化为：

其中y₁为归一化后的光强值，最大为1；t为具体时间；c为归一化后相位延迟参数；

进而得到标准正弦曲线为：

y＝sin(t-c) (4)

相位延迟c取与归一化处理后光谱强度曲线一样的相位延迟。

将公式(1)与公式(4)相乘，计算出理论的光强-时间曲线，对比实际的归一化的光谱强度曲线公式(3)，针对每个相同幅值，计算时间差；记录时间差与电机速度的对应关系，建立该电机数据库。

本发明一实施例中，参见图3，S40具体包括：测试开始后，先将辅助电机转动就位，从电机数据库中，查询各辅助电机的最大延迟时间，等待最大延迟时间后，驱动核心电机转动，同时同步采集光谱数据。核心电机转动完成后，延迟核心电机的最大延迟时间后，停止采集光谱数据。依据核心电机的数据库，提取不同转速下的延迟时间，与测试过程中核心电机的转速、时间对应，截取“光谱记录时刻+延迟时间”的数据作为实际的测试数据。对数据进行分析计算，得出最终的测试结果，测试结束。

测试开始；

辅助电机转动就位；

从电机数据库中查找对应电机的最大延迟时间；

等待最大延迟时间；

驱动核心电机转动，开始测量同步采集光谱数据；

核心电机转动完成后，光谱数据延迟核心最大延迟时间后，停止采集；

依据核心电机数据库，提取不同转速下的延迟时间，与测试过程中核心电机的转速、时间对应，截取“光谱记录时刻+延迟时间”的数据作为实际的测试数据；

数据整理、分析，得出测试结果，测试结束。

其中数据整理、分析具体包括将测试数据的表格，转换成数据库存储的数据格式，以便主程序调用，将特性数据，比如该电机的最大延迟时间、电机安装位置、电机起始速度、加减速度、最大速度等信息存入数据库的特定位置，以便于主程序调用时能够区分电机、获取其基本参数。测试结果主要是该电机是否合格，该电机是否可用作核心电机，该电机实际被用于哪个位置，得出测试结果后，存入数据库，待主程序调用。

通过以上设置的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，步进电机筛选及特征数据记录方法和测试应用算法是匹配使用，通过步进电机筛选及特征数据记录算法得出每个合格电机的速度-延迟数据，形成标准数据库，供测试应用算法调用。每台光谱椭偏仪用到5个电机，每个设备的数据库中只需包括当前设备中电机的数据信息即可，按电机编号区分。实际测试时，核心电机只有1个，只需考虑核心电机的延迟情况，实现了良好的步进电机的运动跟踪，消除了电机的信号、机械等延迟对测量精度的影响，达到了提高测试精度、准度的目的。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (10)

1.一种用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10，搭建光谱椭偏仪电机测试工装；

S20，进行电机筛选及特征数据记录，记录时间差与电机速度的对应关系，建立电机数据库；

S30，完成一台光谱椭偏仪的所需的电机的测试与数据记录，并将电机安装至光谱椭偏仪上，电机数据拷贝至软件指定位置，待调用；

S40，将测试应用算法集成至安装的光谱椭偏仪的应用程序中，完成测试与应用。

2.如权利要求1所述的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，所述S20具体包括：

开始测试；

测试工装上安装电机n，电机n转轴上安装测试波片，保持光源稳定，驱动电机n转动1圈，记录时间Td；

读取光谱仪某一波长的光强曲线；获取光强变化起始点及结束点时刻，计算两者时间差Tq；

计算Tq与Td差值绝对值，判断是否小于5ms，如果没有小于5ms，判断当前电机不合格，更换电机；如果<5ms，则判断当前电机合格，进行电机加减速曲线归一化，光谱强度曲线归一化；

利用电机加减速曲线推算理论光谱强度曲线，对比理论强度曲线与实际光谱强度曲线，计算相同幅值处的各时间差；

记录电机加减速位置与时间差的对应关系，存入数据库；

测试结束。

3.如权利要求2所述的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，驱动电机n转动时以梯型的加减速曲线驱动电机转动。

4.如权利要求2所述的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，其中梯型的加减速曲线为加速阶段为匀加速过程，起始速度V₀＝0r/m，加速度为a，加速过程用时t₀，最快速度Vm＝a*t0，匀速过程用时t₁，减速过程加速度-a，减速过程用时t₂＝t₀，则电机运动曲线为：

其中t为具体时间。

5.如权利要求2所述的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，光强变化起始点时刻的判断标准为后一时刻的光强值减前一时刻，连续5个差值为正(或为负)，确定第一点为起始点。

6.如权利要求2所述的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，结束点时刻的判断标准为后一时刻的光强值减前一时刻，连续5个差值出现正负变化或为0，且差值的绝对值小于4，光强最强为65535，确定第一点为结束点。

7.如权利要求2所述的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，光谱强度曲线为：

y＝f(t-b) (2)

其中t为具体时间；b为相位延迟参数；y为光强实际值。

8.如权利要求7所述的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，光谱强度曲线归一化为：

其中y₁为归一化后的光强值，最大为1；t为具体时间；c为归一化后相位延迟参数；

进而得到标准正弦曲线为：

y＝sin(t-c)(4)

相位延迟c取与归一化处理后光谱强度曲线一样的相位延迟。

9.如权利要求8所述的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，将公式(1)与公式(4)相乘，计算出理论的光强-时间曲线，对比实际的归一化的光谱强度曲线公式(3)，针对每个相同幅值，计算时间差；记录时间差与电机速度的对应关系，建立该电机数据库。

10.如权利要求1所述的用于光谱椭偏仪的运动跟踪测量方法，其特征在于，所述S40具体包括：

测试开始；

辅助电机转动就位；

从数据库中查找对应电机的延迟时间；

等待最大延迟时间；

驱动核心电机转动，开始测量同步采集光谱数据；

核心电机转动完成后，光谱数据延迟核心最大延迟时间后，停止采集；

依据核心电机数据库，提取不同转速下的延迟时间，与测试过程中核心电机的转速、时间对应，截取“光谱记录时刻+延迟时间”的数据作为实际的测试数据；

数据整理、分析，得出测试结果，测试结束。