[發(fā)明專利]一種高精度激光微位移傳感和定位方法及裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310693960.6
• 申請(qǐng)日: 2013-12-18
• 公開（公告）號(hào): CN103712562A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董敬濤;吳周令;肖剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥知常光電科技有限公司
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02;G01B11/245
• 代理公司: 合肥天明專利事務(wù)所 34115
• 代理人: 金凱

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技術(shù)領(lǐng)域

???本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，具體是一種高精度激光微位移傳感和定位方法及裝置。

背景技術(shù)

隨著半導(dǎo)體、微機(jī)電系統(tǒng)、微光學(xué)系統(tǒng)等先進(jìn)制造領(lǐng)域不斷的微型化和精密化，具有高速度、高分辨率和高精度的精密測(cè)量技術(shù)給先進(jìn)制造領(lǐng)域的工藝和水平提供了有力的分析工具，因而得到了快速的發(fā)展。其中，非接觸式的光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)由于無接觸、無破壞的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)研究出基于離焦法、臨界角法、共焦法和像散法等原理的光學(xué)傳感測(cè)量系統(tǒng)。以上技術(shù)均是通過將位移量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，但是位移量和電壓信號(hào)并非單調(diào)關(guān)系，因此造成在電壓信號(hào)范圍內(nèi)的位移量判斷不準(zhǔn)，給精密位移測(cè)量和高精度定位帶來了很大的麻煩。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度激光微位移傳感和定位方法及裝置，通過創(chuàng)新性的電壓信號(hào)改進(jìn)方法，實(shí)現(xiàn)了位移量和電壓信號(hào)的單調(diào)關(guān)系，避免了由于位移量誤判導(dǎo)致的位移測(cè)量誤差和定位不準(zhǔn)的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種高精度激光微位移傳感和定位方法，包括以下步驟：

（1）、激光束依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束、起偏器后成為p偏振光，p偏振光通過偏振分光棱鏡成為測(cè)量光束，測(cè)量光束經(jīng)過1/4波片后被物鏡聚焦在被測(cè)樣品的表面上；被測(cè)樣品表面反射的光束再次通過物鏡和1/4波片后，測(cè)量光束由p偏振光變?yōu)閟偏振光，然后被偏振分光棱鏡反射進(jìn)入像散透鏡，透過像散透鏡的光束再被光程差棱鏡分成兩束，兩束光分別用兩個(gè)四象限探測(cè)器來探測(cè)，由于光程差棱鏡使兩束光束的光程不等，因此兩束光經(jīng)過像散透鏡的成像點(diǎn)分別落在兩個(gè)四象限探測(cè)器的前方和后方，形成差動(dòng)探測(cè)，兩個(gè)四象限探測(cè)器的輸出信號(hào)通過信號(hào)處理單元進(jìn)行處理；

（2）、像散透鏡在子午方向和弧矢方向（相互垂直的兩個(gè)方向）由于焦距不同，導(dǎo)致被測(cè)面的反射光束在四象限探測(cè)器上的聚焦光斑形狀由于被測(cè)面位移的變化而相應(yīng)地變化，如圖2所示；當(dāng)被測(cè)面準(zhǔn)確對(duì)焦時(shí)，四象限探測(cè)器上的聚焦光斑形狀為圓形；當(dāng)被測(cè)面離焦時(shí)，四象限探測(cè)器上的聚焦光斑形狀為橢圓形，其中遠(yuǎn)焦和近焦處的橢圓相互垂直；見圖4，兩個(gè)四象限探測(cè)器形成的差動(dòng)聚焦誤差信號(hào)DFES?=?FES1-FES2?=?[(A1+C1)-(B1+D1)]/(A1+C1+B1+D1)-?[(A2+C2)-(B2+D2)]/(A2+C2+B2+D2)；其中，F(xiàn)ES1、FES2分別是兩個(gè)四象限探測(cè)器運(yùn)算得到的聚焦誤差信號(hào)（見圖3），A1、B1、C1、D1是一個(gè)四象限探測(cè)器的四個(gè)象限的輸出信號(hào)，A2、B2、C2、D2是另一個(gè)四象限探測(cè)器的四個(gè)象限的輸出信號(hào)；通過差動(dòng)技術(shù)，大大提高了位移測(cè)量的靈敏度和精度；

（3）、見圖5和圖6，信號(hào)處理單元在四象限探測(cè)器四個(gè)象限的和信號(hào)中，設(shè)定一個(gè)閾值：當(dāng)和信號(hào)大于該閾值時(shí)，將門信號(hào)設(shè)為1；反之，將門信號(hào)設(shè)為0；見圖7，然后信號(hào)處理單元將門信號(hào)和差動(dòng)聚焦誤差信號(hào)做邏輯“與”運(yùn)算，得到截?cái)嗖顒?dòng)聚焦誤差信號(hào)，截?cái)嗖顒?dòng)聚焦誤差信號(hào)在其動(dòng)態(tài)范圍a內(nèi)具有唯一零點(diǎn)，即截?cái)嗖顒?dòng)聚焦誤差信號(hào)與位移量具有單調(diào)性，一個(gè)截?cái)嗖顒?dòng)聚焦誤差信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)位移量，完成將兩個(gè)四象限探測(cè)器探測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)截?cái)嗖顒?dòng)聚焦誤差信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使一個(gè)位移量對(duì)應(yīng)一個(gè)截?cái)嗖顒?dòng)聚焦誤差信號(hào)；

（4）、變換Z軸位移量，使經(jīng)過物鏡聚焦后的激光束由遠(yuǎn)及近地靠近被測(cè)樣品的表面，并同時(shí)采集截?cái)嗖顒?dòng)聚焦誤差信號(hào)和Z軸位移量，直至整個(gè)截?cái)嗖顒?dòng)聚焦誤差信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍全部采集完畢；然后對(duì)截?cái)嗖顒?dòng)聚焦誤差信號(hào)和Z軸位移量做最小二乘擬合，得到對(duì)應(yīng)關(guān)系函數(shù)；

（5）、對(duì)被測(cè)樣品表面進(jìn)行X和Y方向的掃描，并同時(shí)采集電壓信號(hào)和X、Y位置的坐標(biāo)；然后根據(jù)關(guān)系函數(shù)將每一個(gè)掃描點(diǎn)X、Y坐標(biāo)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為Z軸位移量，就得到了被測(cè)樣品表面的三維面型。

一種高精度激光微位移傳感和定位裝置，包括有激光二極管，相對(duì)激光二極管輸出端設(shè)置的聚焦透鏡，順次設(shè)置于聚焦透鏡后端的準(zhǔn)直透鏡、起偏器和偏振分光棱鏡，順次設(shè)置于偏振分光棱鏡透射輸出端后的1/4波片和物鏡，順次設(shè)置于偏振分光棱鏡反射輸出端后的像散透鏡和光程差棱鏡，設(shè)置于光程差棱鏡光束輸出端后的第一四象限探測(cè)器和第二四象限探測(cè)器，以及用于檢測(cè)處理第一四象限探測(cè)器和第二四象限探測(cè)器輸出信號(hào)的信號(hào)處理單元；其中，所述的物鏡相對(duì)被測(cè)樣品待測(cè)面設(shè)置。