CN108680108A - 线激光移相干涉三角微位移测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
线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。本发明方案根据移相干涉原理和激光三角测距原理，采用整形扩束将光源输出变为线平行光束，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°的线形干涉光，同时线激光三角***利用部分漫反射光获得位移的粗测量数据，当线激光三角测量最大误差小于1/4干涉信号周期时，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，可实现线扫描测量，适用于微结构器件中的台阶高度，膜厚，以及运动部件等的位移/位置的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种线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快速测量应用。
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。
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。因此都无法满足实际测量应用的需要。
另一方面，在面形测量应用领域中，如大台阶、三维浮雕表面形貌等的测量中需要大范围快速扫描测量，而传统的测量方法大多基于点扫描测量，测量效率低，测量速度慢，且扫描机构复杂。
为了解决上述问题，文献(郑东晖，陈磊等，同步移相干涉仪中的延迟阵列移相特性研究，光学学报，35(4)，2015)利用同步移相干涉技术对物面进行测量，该方法采用平行光束对被测物面照明，可对光束照明区间进行一次成像，测量效率得到很大提高，然而该方法测量范围一般在λ/2以内，使用时还需要复杂的解包算法，极大地限制了该技术的推广应用。
文献(Lazo M.Manojlovic andB.Zivanov，Spectrally Resolved White-Light Interferometric Sensor for Absolute Position Measurement Based onHilbert Transform.IEEE SENSORS JOURNAL，VOL.12(6)：2199-2204，2012)提出白光干涉仪对面形进行测量，该方法是利用白光干涉测头实现定位，通过内置的激光干涉仪测量Z轴的位移，通过对台阶进行扫描实现台阶高度测量。该方法可扩大测量量程，测量精度高，但其结构复杂，工作效率低，***中还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。
发明内容
为了实现大量程超精密微位移快速测量，本发明提供了一种线激光移相干涉三角测量装置及方法，可将激光移相干涉技术与激光三角技术完美融合，并利用线激光照明方式有效提高***的测量效率。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
本发明的线激光移相干涉三角微位移测量装置，包括激光器(1)、整形扩束镜(2)、1/2波片(3)、偏振分光镜(4)、第一1/4波片(5)、第一柱面镜(6)、被测物面(7)、第二1/4波片(8)、第二柱面镜(9)、参考面(10)、成像透镜(11)、第一CCD(12)、第三1/4波片(13)、二维Ronchi光栅(14)、四象限检偏器组(15)、第三柱面镜(16)、第二CCD(17)。
其中激光器(1)、整形扩束镜(2)、1/2波片(3)组成偏振线光源部分。
其中线激光移相干涉***构成为：偏振分光镜(4)将光束分为测量光和参考光；第一1/4波片(5)、第一柱面镜(6)、被测物面(7)构成移相干涉的测量光部分；第二1/4波片(8)、第二柱面镜(9)、参考面(10)构成移相干涉参考光部分；二维Ronchi光栅(14)作为移相干涉的分光器件，第三1/4波片(13)、四象限检偏器组(15)作为移相干涉的移相器件；第三柱面镜(16)、第二CCD(17)作为移相干涉***的光强探测部分。
其中四象限检偏器组(15)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°。
其中线激光三角***构成为：成像透镜(11)、第一CCD(12)构成线激光三角测距部分。
光学路径：激光器(1)发出的线偏振激光，经过整形扩束镜(2)和1/2波片(3)后，变为线平行光束提供给测量***。光经过偏振分光镜(4)后分为移相干涉***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(13)处汇合，光束经分光、移相后干涉，由第二CCD(17)检测四路干涉光的光强。照射到被测物面(7)的光部分发生漫反射，被成像透镜(11)收集成像于第一CCD(12)上，由第一CCD检测线光束位置信号。
本发明进一步的改进在于，在干涉光路中加入了第一柱面镜(6)和第二柱面镜(9)，与四象限检偏器组(15)上镀有的狭缝光阑相配合，将干涉图样变为线形条纹，并使干涉条纹方向与线光束线延伸方向平行，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成线光束，提高了***横向分辨力。
本发明进一步的改进在于，在移相干涉分***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(15)上镀有的线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，给出了线激光移相干涉技术与线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***光路，由二维Ronchi光栅分为四路光，然后分别进入四象限检偏器组，再经第三柱面镜(16)成像到第二CCD(17)完成图像采集，获得四路光强信号I1，I2，I3，I4，然后利用式(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为物面相位值，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。
对于激光三角光路，激光器发出的光经过第一柱面镜(6)汇聚于被测物表面，其散射光经成像透镜(11)将其成像于第一CCD(12)，根据激光三角测量原理，其应该满足Scheimpflug条件，即入射光束光轴和第一CCD(12)延伸线应相交于成像透镜(11)主面上。因此，在激光三角光路里，利用成像透镜(11)可将被测物表面的光斑清晰成像在第一CCD(12)上，当物面移动时，像点在第一CCD(12)上移动，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(物点)到成像透镜(11)主面距离；di为像距，即像点到成像透镜(11)主面距离；I为第一CCD(12)上的对应物点的光点移动距离，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，需使两传感信号满足一定的条件。以测量线上单个点为例说明数据合成过程。假设当被测物面位于A位置时，激光干涉传感器测量的相位为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，激光三角传感器测量结果为ZB。由A到B的位移，激光干涉传感器测量结果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***测量误差区间的半宽，该误差相对于激光三角传感器，干涉测量精度远高于激光三角测量精度，该项误差2ζ可以忽略不计。
假设激光三角分***的误差区间[-εmax，εmax]，其测量结果S’AB为
S′AB＝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，可以得出这两种传感技术的结合条件，仅当激光三角分***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。实际测量时，通过不等式(5)求取k值，然后利用式(3)可以获得台阶高度。
本发明进一步的改进在于，建立了线激光干涉成像***与激光三角成像***的坐标对应关系。
为了完成线激光移相干涉分***与线激光三角分***的融合测量，需要对干涉***中四路干涉图之间，以及激光三角***中第一CCD(13)之间建立坐标对应关系。首先将被测物面(7)替换为一标准台阶，如附图4(a)所示，使线激光的延伸方向与标准台阶的延伸方向垂直，这样通过第二CCD(17)成像的四路干涉线图，如附图4(b)所示，以及第一CCD(12)成像的线形图，如附图4(c)所示，可获得对应于台阶变化的位置，利用该位置变化即可完成四路干涉线形图之间，以及与激光三角中第一CCD(12)的线形图的坐标对应关系。
本发明具有以下显著特点和有益效果：
1)本发明利用线扫描测量可有效提高***的测量效率，同时使照射到物面的光聚焦成线光束，提高了***横向分辨力；
2)本发明可同时实现大量程、超精密测量，给出了干涉传感技术与激光三角传感技术相结合进行粗精测量的条件，该条件也适用于其他传感器间实现粗精结合测量，具有普适性；
3)本发明在干涉光路中加入了第一柱面镜(6)和第二柱面镜(9)，将干涉图样变为线形条纹，与四象限检偏器组(15)上镀有的四个狭缝光阑相配合，通过光阑保留中央0级干涉条纹，提高干涉光强信号的信噪比。
4)本发明移相干涉分***中用于分光的光栅为二维Ronchi衍射光栅(14)，并且在四象限检偏器组(15)上镀有金属膜构成的四个狭缝光阑，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)本发明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。
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)、整形扩束镜(2)、1/2波片(3)、偏振分光镜(4)、第一1/4波片(5)、第一柱面镜(6)、被测物面(7)、第二1/4波片(8)、第二柱面镜(9)、参考面(10)、成像透镜(11)、第一CCD(12)、第三1/4波片(13)、Ronchi二维光栅(14)、四象限检偏器组(15)、第三柱面镜(16)、第二CCD(17)。
图2为二维Ronchi二维光栅(14)结构俯视图。
图3为四象限检偏器组(15)结构示意图。
图4标准台阶测量示意图
图件号说明：(a)线光束与标准台阶位置关系示意图；(b)标准台阶测量信号在第二CCD(17)上图像；(c)标准台阶测量信号在第一CCD(12)上图像。
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)、整形扩束镜(2)、1/2波片(3)、偏振分光镜(4)、第一1/4波片(5)、第一柱面镜(6)、被测物面(7)、第二1/4波片(8)、第二柱面镜(9)、参考面(10)、成像透镜(11)、第一CCD(12)、第三1/4波片(13)、二维Ronchi光栅(14)、四象限检偏器组(15)、第三柱面镜(16)、第二CCD(17)。
其中激光器(1)、整形扩束镜(2)、1/2波片(3)组成偏振线光源部分。
其中线激光移相干涉***构成为：偏振分光镜(4)将光束分为测量光和参考光；第一1/4波片(5)、第一柱面镜(6)、被测物面(7)构成移相干涉的测量光部分；第二1/4波片(8)、第二柱面镜(9)、参考面(10)构成移相干涉参考光部分；Ronchi二维光栅(14)作为移相干涉的分光器件，第三1/4波片(13)、四象限检偏器组(15)作为移相干涉的移相器件；第三柱面镜(16)、第二CCD(17)作为移相干涉***的光强探测部分。
其中四象限检偏器组(15)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°。
其中线激光三角***构成为：成像透镜(11)、第一CCD(12)构成线激光三角测距部分。
光学路径：激光器(1)发出的线偏振激光经过整形扩束镜(2)和1/2波片(3)后，变为线平行光束提供给测量***。光经过偏振分光镜(4)后分为移相干涉***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(13)处汇合，经光束分光移相后干涉，由第二CCD(17)检测四路干涉光的光强。照射到被测物面(7)的光部分发生漫反射，被成像透镜(11)收集成像于第一CCD(12)上，由第一CCD检测线光束位置信号。
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***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。
测量前，需要建立线激光干涉成像分***与线激光三角成像分***的坐标对应关系，即移相干涉***中第二CCD(17)的四个成像区之间，以及与激光三角***中第一CCD(12)的坐标系之间，采用标准台阶作为被测件，对坐标映射关系进行标定，在此只需确定一维位置对应关系。
以单点为例说明测量线上每点测量结果的合成过程。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，利用第二CCD(17)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，同时利用第一CCD(12)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)
此实施实例满足高效率、大量程、高分辨力测量要求；同时简化***结构，***集成度高，有效提高了***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 (7)
1.线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)、整形扩束镜(2)、1/2波片(3)、偏振分光镜(4)、第一1/4波片(5)、第一柱面镜(6)、被测物面(7)、第二1/4波片(8)、第二柱面镜(9)、参考面(10)、成像透镜(11)、第一CCD(12)、第三1/4波片(13)、Ronchi二维光栅(14)、四象限检偏器组(15)、第三柱面镜(16)、第二CCD(17)，
其中激光器(1)、整形扩束镜(2)、1/2波片(3)组成偏振线光源部分，激光器(1)输出线偏振激光，
其中线激光移相干涉分***构成为：偏振分光镜(4)将光束分为测量光和参考光；第一1/4波片(5)、第一柱面镜(6)、被测物面(7)构成移相干涉的测量光部分；第二1/4波片(8)、第二柱面镜(9)、参考面(10)构成移相干涉参考光部分；Ronchi二维光栅(14)作为移相干涉的分光器件，第三1/4波片(13)、四象限检偏器组(15)作为移相干涉的移相器件；第三柱面镜(16)、第二CCD(17)作为移相干涉***的光强探测部分，
其中四象限检偏器组(15)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°，
其中线激光三角分***构成为：成像透镜(11)、第一CCD(12)构成线激光三角测距部分，
光学路径：激光器(1)发出的线偏振激光经过整形扩束镜(2)和1/2波片(3)后，变为线平行光束提供给测量***，光经过偏振分光镜(4)后分为移相干涉***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(13)处汇合，光束经分光、移相后干涉，由第二CCD(17)检测四路干涉光的光强，照射到被测物面(7)的光部分发生漫反射，被成像透镜(11)收集成像于第一CCD(12)上，由第一CCD检测线光束位置信号。
2.根据权利要求1所述的线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所述的线激光移相干涉三角微位移测量装置，其特征在于：通过在干涉光路中加入了第一柱面镜(6)和第二柱面镜(9)，将干涉图样变为线形条纹，并使干涉条纹方向与线光束线延伸方向平行，与四象限检偏器组(15)上镀有的四个狭缝光阑相配合，保留中央干涉条纹，提高干涉光强信号的信噪比，同时使照射到物面的光聚焦成线光束，提高了***横向分辨力。
4.根据权利要求1所述的线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***中用于分光的光栅为二维Ronchi衍射光栅(14)，并且在四象限检偏器组(15)上镀有金属膜构成的四个狭缝光阑，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所述的线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)、Ronchi二维光栅(15)的位置可以相互调换。
6.线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为线激光三角***的测量最大误差，T为激光移相干涉测量分***的测量周期。当εmax＜T/4时，k存在唯一值满足不等式(1)
|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***测量结果分别为hA，hB：激光三角分***测量结果分别为ZA，ZB，S′AB为激光三角分***位移测量结果。
7.根据权利要求6所述的线激光移相干涉三角微位移测量方法，其特征在于：在移相干涉分***中第二CCD(17)的四个成像区之间，以及与激光三角分***中第一CCD(12)的坐标系之间，采用标准台阶作为被测件，对坐标映射关系进行标定。
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