一种基于FMCW的纳米级厚度测试系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FMCW的纳米级厚度测试系统及方法；该系统包括可调谐激光器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器，环形器、光学组件、第一光电探测器、数据采集器和上位机；其中：上位机分别与可调谐激光器和数据采集器连接，第一光电探测器与数据采集器相连；激光器产生的光分成测量光路和辅助参考光路，测量光路经过环形器和光学组件之后准直输出；再聚焦成贝塞尔光束照射待测光学模组，形成的反射信号与本振信号拍频；辅助参考光路用特定长度光纤做延迟光路获得干涉信号，通过数据采集器采集干涉和拍频数据，再馈入上位机进行去噪、非线性计算、色散修正、重采样校正、距离计算和相位提取处理；实现同时对位置和厚度进行高精度解析。度解析。度解析。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FMCW的纳米级厚度测试系统及方法


[0001]本专利技术属于高精度光学检测
，特别是一种基于FMCW的纳米级厚度测试系统及方法。

技术介绍

[0002]高精度的物体表面形貌测试、表面轮廓测试、玻璃厚度、薄膜厚度测试、晶圆平整度测试、光刻系统掩膜版平整度测试等对于高精度高可靠的距离与厚度测试系统提出了极高的要求，测试精度须达到微米、纳米、甚至亚纳米量级。
[0003]目前常见的轮廓或者玻璃厚度测量技术有光谱共焦技术与白光干涉技术。其中光谱共焦技术采用宽谱平坦的LED做光源，利用有一定色差的聚焦透镜辐照探测面。再利用光谱仪对回波波长进行解析，得到待测物距离以及厚度的信息。聚焦透镜将光束聚焦到微米量级，可以获得极高的横向分辨率。且该技术可以用于多层膜或者多层玻璃检测。其测试为非接触，其工作距离为数mm到数十mm，测量范围为mm量级，测试精度可达微米甚至亚微米量级。该器件的优点为非接触测量，可以同时测多个反射面，但是精度不能达到nm量级。
[0004]白光干涉仪采用多个窄线宽激光器，单独测量每个波长的信号的干涉强度，获得其相位信息。通过多个相位信息计算处待测物品的厚度与距离等。其测量范围mm量级，测量精度达nm甚至亚nm量级，测试距离约数十mm，厚度范围数十微米到mm量级。其优点是精度极高，可以到nm量级。不足是不能同时测多个玻璃。
[0005]上述两种设备都有较为成熟的产品和应用场景，目前市面上也出现了将FMCW技术广泛应用于面型检测等。而FMCW光源，可将激光分为两束，一束作为本振光，另一束通过发射光路辐照到探测物体上。探测物体产生逆向散射或者反射。回波光信号与本振光产生拍频。拍频频率以及调谐斜率共同确定了被测物体的距离。其中，调谐带宽的增加会提高测距的分辨率，信噪比提高可以提高测距精度。
[0006]目前Peter A.Roos等采用5THz调谐带宽的光源，在1.5m范围内已经获得31μm量级的分辨率与86nm精度。对于FMCW内调光源，需要大调谐范围的窄线宽激光器。所述激光器常常会有两个缺点：1.调谐过程具有较强的非线性。2.系统可能会出现跳模。
[0007]然而，对于一些高端应用场景，希望测试分辨率更高，精度更高。
[0008]因此，如何同时对多个透镜表面进行检测，校正系统光源调谐过程的非线性，避免系统光源跳模现象，提升测试分辨率和精度，已经成为当前研究的关键问题。

技术实现思路

[0009]鉴于上述问题，本专利技术提供一种至少解决上述部分技术问题的基于FMCW的纳米级厚度测试系统及方法，利用FMCW技术多回波位置同时测量的优点，并采用宽调谐激光器，得到了极高的测试分辨率与精度；同时通过使用贝塞尔光路，可以同时提高纵向的测量范围与横向的分辨率。
[0010]第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于FMCW的纳米级厚度测试系统，包括：可调
谐激光器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器，环形器、光学组件、第一光电探测器、数据采集器和上位机；其中：
[0011]所述上位机分别与所述可调谐激光器和所述数据采集器连接，所述第一光电探测器与所述数据采集器相连；
[0012]所述可调谐激光器用于产生稳定的扫频激光；
[0013]所述第一耦合器将所述激光分成两路；其中一路为测量光路，测量光经过所述第二耦合器分成两部分，一部分作为探测光进入所述环形器和光学组件后准直输出；另一部分作为本振光进入第三耦合器；
[0014]所述激光的另一路为辅助参考光路，用于产生干涉信号并转换为干涉数据，经所述数据采集器采集传送于所述上位机；
[0015]所述光学组件将准直输出的探测光束聚焦形成贝塞尔光路；所述贝塞尔光路入射至待测光学模组的表面形成反射光，所述反射光返回经过所述环形器进入所述第三耦合器，与所述本振光形成拍频信号；
[0016]所述第一光电探测器探测所述拍频信号，并将其转换为拍频数据；
[0017]所述数据采集器采集所述拍频数据，并馈入至上位机；
[0018]所述上位机根据所述干涉数据和所述拍频数据进行处理，获得所述待测光学模组的面型解析结果。
[0019]进一步地，所述光学组件包括：沿入射光路依次设置的准直镜、参考平板和透镜。
[0020]进一步地，所述透镜为普通透镜、透镜组、锥透镜、菲涅尔透镜或球差透镜中任一种，当采用锥透镜时，将光束聚焦形成贝塞尔光路。
[0021]进一步地，所述辅助参考光路包括：第四耦合器、延迟光纤、第五耦合器和第二光电探测器；其中：
[0022]所述延迟光纤为预设长度的光纤，与所述参考平片定标；
[0023]所述第二光电探测器与所述数据采集器相连；
[0024]参考光经所述第四耦合器，一路光经所述延迟光纤进入所述第五耦合器，另一路光直接进入所述第五耦合器，形成干涉信号；
[0025]所述干涉信号被所述第二光电探测器探测转换为干涉数据，所述干涉数据通过所述数据采集器采集馈入至上位机。
[0026]进一步地，还包括位移台；所述位移台与所述上位机相连，所述位移台用于放置待测光学模组。
[0027]进一步地，所述可调谐激光器的调谐范围为数十nm至上百nm量级。
[0028]进一步地，所述可调谐激光器内置有波长测量设备。
[0029]第二方面，本专利技术实施例提供了一种基于FMCW的纳米级厚度测试方法，应用于上述系统，实现对所述待测光学模组的厚度测试及面型解析，该方法包括：
[0030]上位机对干涉数据进行去噪、非线性计算和色散补偿处理，校正光源，获取校正后光源的调谐速率数据；
[0031]根据辅助参考光路获取的所述调谐速率数据，通过积分过程计算获取光源的实时波长；
[0032]辅助参考光路和测量光路进行重采样，对拍频数据进行去噪、计算探测距离和对
多次回波的拍频信号分解处理；通过对单频信号相位的提取，并根据所述实时波长，通过求余方程计算得到待测面的位置；
[0033]上位机控制移动位移台，在不同位置获取拍频数据，得到待测光学模组表面不同位置的距离；
[0034]根据所述距离信息进行三维重构，获取所述待测光学模组的内部形貌和装配误差；对所述待测光学模组的面型进行解析。
[0035]进一步地，所述求余方程为：
[0036][0037]其中，x表示待测距离，d
i
表示第i个待测面的位置，λ
t
表示t时刻的波长，为相位差取值范围为
‑
π到π。
[0038]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0039]1、本专利技术利用FMCW技术多回波位置同时测量的优点，增加了对绝对波长的测试，可以同时对多个光学模组表面进行无接触测试，对位置和厚度进行高精度解析；采用宽调谐激光器，可以增加系统的距离分辨率，得到了极高的测试分辨率与精度；同时通过使用贝塞尔光路，将焦点汇聚到待测物表面，可以增加探测深度与回波强度的均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FMCW的纳米级厚度测试系统，其特征在于，包括：可调谐激光器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器，环形器、光学组件、第一光电探测器、数据采集器和上位机；其中：所述上位机分别与所述可调谐激光器和所述数据采集器连接，所述第一光电探测器与所述数据采集器相连；所述可调谐激光器用于产生稳定的扫频激光；所述第一耦合器将所述激光分成两路；其中一路为测量光路，测量光经过所述第二耦合器分成两部分，一部分作为探测光进入所述环形器和光学组件后准直输出；另一部分作为本振光进入第三耦合器；所述激光的另一路为辅助参考光路，用于产生干涉信号并转换为干涉数据，经所述数据采集器采集传送于所述上位机；所述光学组件将准直输出的探测光束聚焦形成贝塞尔光路；所述贝塞尔光路入射至待测光学模组的表面形成反射光，所述反射光返回经过所述环形器进入所述第三耦合器，与所述本振光形成拍频信号；所述第一光电探测器探测所述拍频信号，并将其转换为拍频数据；所述数据采集器采集所述拍频数据，并馈入至上位机；所述上位机根据所述干涉数据和所述拍频数据进行处理，获得所述待测光学模组的面型解析结果。2.如权利要求1所述的一种基于FMCW的纳米级厚度测试系统，其特征在于，所述光学组件包括：沿入射光路依次设置的准直镜、参考平板和透镜。3.如权利要求2所述的一种基于FMCW的纳米级厚度测试系统，其特征在于，所述透镜为普通透镜、透镜组、锥透镜、菲涅尔透镜或球差透镜中任一种，当采用锥透镜时，将光束聚焦形成贝塞尔光路。4.如权利要求1或3所述的一种基于FMCW的纳米级厚度测试系统，其特征在于，所述辅助参考光路包括：第四耦合器、延迟光纤、第五耦合器和第二光电探测器；其中：所述延迟光纤为预设长度的光纤，与所述参考平片定标；所述第二光电探测器与所述数据采集器相连；参考光经所述第四耦合器，一路光经所述延迟光纤进入所述第五耦合器，另一路光直接进入所述第五耦合器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：代冰，
申请(专利权)人：深圳市圳阳精密技术有限公司，
类型：发明
国别省市：