一种光栅式垂向位置测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种光栅式垂向位置测量系统，依次包括照明单元、投影光栅组、投影单元、探测单元、探测光栅组、图像采集单元和信号处理单元，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且探测光栅组与投影光栅组为中心对称图形，所述照明单元发出的光均匀照射至所述投影光栅组，然后被所述投影单元成像到待测工件表面，经所述待测工件表面反射后，被探测单元成像在所述探测光栅组上，所述图像采集单元采集透过所述探测光栅组的光信号，所述信号处理单元根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件的垂向位置信息。本发明专利技术采用光栅测量，提高了垂向位置测量系统的稳定性与使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光栅式垂向位置测量系统。
技术介绍
随着投影物镜工作波长不断减小、数值孔径不断增大，其焦深也愈来愈小，这就需要不断提高对工件表面垂向位置的测量精度，以使其精确地处于投影物镜的最佳焦平面上。目前用于工件表面垂向位置测量的传感器大多采用光电式测量，投影分支将按一定规律排列的测量狭缝成像在被测工件表面，形成测量光斑；测量光斑经被测工件表面反射后被探测光学系统二次成像到探测狭缝面；工件的垂向位置变化将导致探测狭缝面上测量光斑相对于探测狭缝移动，透过探测狭缝的光强也随之变化；根据光强的变化可以反算出工件的垂向位置。但是上述光电式垂向测量系统往往需要包含信号调制的运动部件，该运动部件的性能制约着垂向位置测量系统的稳定性与使用寿命。
技术实现思路
本专利技术提供一种光栅式垂向位置测量系统，以提高垂向位置测量的稳定性，并延长使用寿命。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种光栅式垂向位置测量系统，沿光传播方向依次包括照明单元、投影光栅组、投影单元、探测单元、探测光栅组、图像采集单元和信号处理单元，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且所述探测光栅组与投影光栅组为中心对称图形，即所述投影光栅组旋转180度后与投影光栅组完全重合，所述照明单元发出的光均匀照射至所述投影光栅组，然后被所述投影单元成像到待测工件表面，经所述待测工件表面反射后，被探测单元成像在所述探测光栅组上，所述图像采集单元采集透过所述探测光栅组的光信号，所述信号处理单元根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件的垂向位置信息。较佳地，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括两个不同周期的光栅。较佳地，所述投影单元和探测单元均为双远心光路，所述投影光栅组与所述待测工件表面满足Scheimpflug条件(即：在光学系统中，物面、像面与各自主平面相交于相同的高度)，所述待测工件表面与所述探测光栅组也满足Scheimpflug条件。较佳地，所述图像采集单元包括成像镜头和探测器，透过所述探测光栅组的光经所述成像镜头在所述探测器上成像。较佳地，所述探测器为CCD或CMOS。较佳地，所述待测工件上方设有一参考镜，所述参考镜与待测工件之间设有并行设置的第一光学件和第二光学件，所述第一光学件和第二光学件均为部分透射、部分反射。与现有技术相比，本专利技术提供的一种光栅式垂向位置测量系统，沿光传播方向依次包括照明单元、投影光栅组、投影单元、探测单元、探测光栅组、图像采集单元和信号处理单元，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且所述探测光栅组与投影光栅组为中心对称图形，所述照明单元发出的光均匀照射至所述投影光栅组，然后被所述投影单元成像到待测工件表面，经所述待测工件表面反射后，被探测单元成像在所述探测光栅组上，所述图像采集单元采集透过所述探测光栅组的光信号，所述信号处理单元根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件的垂向位置信息。本专利技术取消了用于信号调制的运动部件，采用光栅测量，提高了垂向位置测量系统的稳定性与使用寿命，且所用的光栅周期较大，衍射及色散效应均可忽略，适用宽光谱以提高工艺适应性。附图说明图1为本专利技术一具体实施方式的光栅式垂向位置测量系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例一中投影光栅组的示意图；图3为本专利技术实施例一中探测光栅组的示意图；图4为本专利技术一具体实施方式的光栅式垂向位置测量系统中参考镜及第一、第二光学件的结构示意图。图中：10-照明单元、20-投影光栅组、30-投影单元、40-探测单元、50-探测光栅组、60-图像采集单元、61-成像镜头、62-探测器、70-信号处理单元、80-待测工件、90-参考镜、91-第一光学件、92-第二光学件。具体实施方式为了更详尽的表述上述专利技术的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本专利技术而不限于限制本专利技术的范围。实施例一本专利技术提供的一种光栅式垂向位置测量系统，如图1所示，沿光传播方向依次包括照明单元10、投影光栅组20、投影单元30、探测单元40、探测光栅组50、图像采集单元60和信号处理单元70，所述投影光栅组20和探测光栅组50内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，本实施例中，n＝1，即：所述投影光栅组20和探测光栅组50内均包括两个不同周期的光栅，请重点参考图2和图3，所述探测光栅组50与投影光栅组20为中心对称图形，即探测光栅组50旋转180度后与投影光栅组20完全重合，具体地，所述照明单元10发出的光均匀照射至所述投影光栅组20，然后被所述投影单元30成像到待测工件80表面，经所述待测工件80表面反射后，被探测单元40成像在所述探测光栅组50上，所述图像采集单元60采集透过所述探测光栅组50的光信号，所述信号处理单元70根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件80的垂向位置信息。本专利技术取消了用于信号调制的运动部件，采用光栅测量，提高了垂向位置测量系统的稳定性与使用寿命，且所用的光栅周期较大，衍射及色散效应均可忽略，适用宽光谱以提高工艺适应性。较佳地，所述图像采集单元60包括成像镜头61和探测器62，透过所述探测光栅组50的光经所述成像镜头61在所述探测器62上成像，具体地，所述探测器62为CCD或CMOS。具体地，设投影光栅组20包括两个周期分别为a、b的光栅，其透过率函数分别为：τ1(y)=Σn=-mn=mrect(ya)*δ(y-2na)...(1)]]>τ2(y)=Σn=-mn=mrect(yb)*δ(y-2nb)...(2)]]>投影单元30和探测单元40的倍率均为-1，则投影单元30和探测单元40组成的成像单元的放大率为1，因此投影光栅组20在探测光栅组50上的像与投影光栅组20上的像完全相同。当待测工件80的待测面未发生移动时，透过其中一个探测光栅的光强为：I1(y)∝τ1(y)τ2(y)...........................................................................(3)其傅里叶变换为：F{I1(y)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，沿光传播方向依次包括照明单元、投影光栅组、投影单元、探测单元、探测光栅组、图像采集单元和信号处理单元，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且所述探测光栅组与投影光栅组为中心对称图形，所述照明单元发出的光均匀照射至所述投影光栅组，然后被所述投影单元成像到待测工件表面，经所述待测工件表面反射后，被探测单元成像在所述探测光栅组上，所述图像采集单元采集透过所述探测光栅组的光信号，所述信号处理单元根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件的垂向位置信息。

【技术特征摘要】
1.一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，沿光传播方向依次包括照明单元、投影光栅组、投影单元、探测单元、探测光栅组、图像采集单元和信号处理单元，所述投影光栅组和探测光栅组内均包括2n(n≥1)个不同周期的光栅，且所述探测光栅组与投影光栅组为中心对称图形，所述照明单元发出的光均匀照射至所述投影光栅组，然后被所述投影单元成像到待测工件表面，经所述待测工件表面反射后，被探测单元成像在所述探测光栅组上，所述图像采集单元采集透过所述探测光栅组的光信号，所述信号处理单元根据所述光信号的光强分布反解光栅组的差频相位，并根据所述差频相位计算所述待测工件的垂向位置信息。2.如权利要求1所述的一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述投影光栅组旋转180度后与投影光栅组完全重合。3.如权利要求1或2所述的一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福亮，徐荣伟，
申请(专利权)人：上海微电子装备有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31