一種雙頻差動厚度測量方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙頻差動厚度測量方法和設(shè)備，屬于厚度測量【技術(shù)領(lǐng)域】。它解決了現(xiàn)有技術(shù)在測量時容易損傷被測件等技術(shù)問題。本厚度測量方法包括如下工序：a、放置參照物；b、測量參照物上表面與檢測頭一之間的距離s1；c、測量參照物下表面與檢測頭二之間的距離s2；d、計算參照物的厚度h0；e、放置被測件；f、測量被測件上表面與檢測頭一之間的距離s3；g、測量放置有被測件后參照物下表面與檢測頭二之間的距離s4；h、計算被測件的厚度hi。本發(fā)明在測量時可避免損傷被測件。
【專利說明】一種雙頻差動厚度測量方法和設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于厚度測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種雙頻差動厚度測量方法和設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]在光學、半導體、光電信息等精密工程領(lǐng)域中，高精度的厚度測量十分重要。例如，透鏡的中心厚度是決定其光學性能的重要指標之一。半導體行業(yè)中以拋光為精密加工手段，進入拋光加工前，需要對硅單晶片根據(jù)厚度誤差進行分選，選擇厚度相近的晶片作為一個加工批次。
[0003]現(xiàn)有的高精度厚度測量技術(shù)，均建立在高精度位移傳感器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用較多的有電感傳感器、磁致伸縮傳感器、電渦流傳感器、電容傳感器、激光傳感器、光纖傳感器。其中，電感傳感器、磁致伸縮傳感器屬于接觸式測量，測頭可能在被測件表面形成損傷，從而影響產(chǎn)品性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的第一個發(fā)明目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)存在的上述問題，提供一種雙頻差動厚度測量方法，其所要解決的技術(shù)問題是:如何避免測量過程中損傷被測件。
[0005]本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]一種雙頻差動厚度測量方法，其包括如下工序:
[0007]a、放置參照物:將參照物放置于檢測頭一和檢測頭二之間，調(diào)整檢測頭一和檢測頭二，使檢測頭一和檢測頭二分別對準該參照物的上表面和下表面；
[0008]b、測量參照物上表面與檢測頭一之間的距離S1:觸發(fā)檢測頭一內(nèi)的激光器一使其發(fā)射出激光一，所述激光一通過檢測頭一內(nèi)的分光鏡一分散成兩束光束一，所述光束一透過物鏡一照射到參照物上表面并被參照物上表面反射，被反射后的光束一依次穿過物鏡一、分光鏡一和目鏡一照射到二象限光電池一上形成光斑一，通過二象限光電池一的輸出信號測出參照物上表面與檢測頭一之間的距離Si ；
[0009]C、測量參照物下表面與檢測頭二之間的距離s2:觸發(fā)檢測頭二內(nèi)的激光器二使其發(fā)射出激光二，所述激光二通過檢測頭二內(nèi)的分光鏡二分散成兩束光束二，所述光束二透過物鏡二照射到參照物下表面并被參照物下表面反射，被反射后的光束二依次穿過物鏡二、分光鏡二和目鏡二照射到二象限光電池二上形成光斑二，通過二象限光電池二的輸出信號測出參照物下表面與檢測頭二之間的距離s2 ；
[0010]d、計算參照物的厚度hO:假定測量檢測頭一和檢測頭二之間的距離S，則參照物的厚度 hO = s-(sl+s2)；
[0011]e、放置被測件:取下參照物，將被測件放置于參照物與檢測頭一之間；
[0012]f、測量被測件上表面與檢測頭一之間的距離S3:觸發(fā)檢測頭一內(nèi)的激光器一使其發(fā)射出激光一，所述激光一通過檢測頭一內(nèi)的分光鏡一分散成兩束光束一，所述光束一透過物鏡一照射到被測件上表面并被被測件上表面反射，被反射后的光束一依次穿過物鏡一、分光鏡一和目鏡一照射到二象限光電池一上形成光斑三，通過二象限光電池一的輸出信號測出被測件上表面與檢測頭一之間的距離s3 ；
[0013]g、測量被測件下表面與檢測頭二之間的距離s4:觸發(fā)檢測頭二內(nèi)的激光器二使其發(fā)射出激光二，所述激光二通過檢測頭二內(nèi)的分光鏡二分散成兩束光束二，所述光束二透過物鏡二照射到參照物下表面并被參照物下表面反射，被反射后的光束二依次穿過物鏡二、分光鏡二和目鏡二照射到二象限光電池二上形成光斑四，通過二象限光電池二的輸出信號測出被測件下表面與檢測頭二之間的距離s4 ；
[0014]h、計算被測件的厚度 hi:hi = s_s3_s4 = hO+ (sl+s2) - (s3+s4)。
[0015]其工作原理如下:先通過檢測頭一和檢測頭二測出參照物上、下表面與檢測頭一、檢測頭二之間的距離，記錄此時二象限光電池一和二象限光電池二上的光斑位置，光斑位置決定了光電池兩路輸出信號的強弱，如二象限光電池中的I象限中光斑面積較大，故而I象限輸出電流大于II象限。再將被測件放于檢測頭一與檢測頭二之間、與參照物相同的位置上，檢測頭一發(fā)出的激光一所照射到的面則為被測件的上表面，因被測物與參照物存在厚度差，被測物上表面相對之前參照物的上表面產(chǎn)生位移，反射光束發(fā)生偏移，導致聚焦在二象限光電池一上的光斑產(chǎn)生位移，光電池一輸出的兩路電流信號強弱發(fā)生變化。因此，儀器經(jīng)過標定后，可根據(jù)光電池輸出信號的變化推斷被測件位移，同理，計算出此時被測物下表面與檢測頭二之間的距離，最后再計算被測件的厚度hi:hi = h0+(sl+s2)-(s3+s4)即可。本檢測過程中，檢測頭一和檢測頭二都未接觸到被測件，因此不會對被測件造成損傷，且精度較高。
[0016]在上述的一種雙頻差動厚度測量方法中，所述激光一和激光器二的頻率分別為fI和f2且兩者大小不同。對于透明被測件，一個檢測頭發(fā)出的激光一會進入檢測頭二的探測器，造成測量失效。為此，本發(fā)明的檢測頭一和檢測頭二采用頻率不同的激光器一和激光器二，如測頭I激光器頻率為H、測頭2激光器頻率為f2，檢測頭I探測器前設(shè)置帶通濾光片一僅使頻率為Π的光進入探測器，同樣檢測頭2內(nèi)設(shè)置僅使頻率為f2的光進入其探測器的帶通濾光片二，從而，避免對檢測頭受激光的干擾。
[0017]一種雙頻差動厚度測量設(shè)備，所述厚度測量設(shè)備包括基座、檢測頭一和檢測頭二，所述檢測頭一和檢測頭二間隔設(shè)置于所述基座上且兩者相對分布，所述檢測頭一和檢測頭二之間放置有一參照物；所述檢測頭一內(nèi)設(shè)置有激光器一、分光鏡一、物鏡一、目鏡一和二象限光電池一，所述激光器一的激光發(fā)射方向垂直于分光鏡一，所述物鏡一設(shè)置于所述分光鏡一的下方且位于該分光鏡一和參照物的上表面之間，所述二象限光電池一位于所述分光鏡一的上方，所述目鏡一設(shè)置于所述二象限光電池一和分光鏡一之間；所述檢測頭二內(nèi)設(shè)置有激光器二、分光鏡二、物鏡二、目鏡二和二象限光電池二，所述激光器二的激光發(fā)射方向垂直于分光鏡二，所述物鏡二設(shè)置于所述分光鏡二的上方且位于該分光鏡二和參照物的下表面之間，所述二象限光電池二位于所述分光鏡二的下方，所述目鏡二設(shè)置于所述二象限光電池二和分光鏡二之間。先通過檢測頭一和檢測頭二測出參照物上、下表面與檢測頭一、檢測頭二之間的距離，記錄此時二象限光電池一和二象限光電池二上的光斑位置，光斑位置決定了光電池兩路輸出信號的強弱，如二象限光電池中的I象限中光斑面積較大，故而I象限輸出電流大于II象限。再將被測件放于檢測頭一與檢測頭二之間、與參照物相同的位置上，檢測頭一發(fā)出的激光一所照射到的面則為被測件的上表面，因被測物與參照物存在厚度差，被測物上表面相對之前參照物的上表面產(chǎn)生位移，反射光束發(fā)生偏移，導致聚焦在二象限光電池一上的光斑產(chǎn)生位移，光電池一輸出的兩路電流信號強弱發(fā)生變化。因此，儀器經(jīng)過標定后，可根據(jù)光電池輸出信號的變化推斷被測件位移，同理，計算出此時被測物下表面與檢測頭二之間的距離，最后再計算被測件的厚度h1:hi =hO+ (sl+s2)_(s3+s4)即可。
[0018]在上述的一種雙頻差動厚度測量設(shè)備中，所述激光一和激光器二的頻率分別為fI和f2且兩者大小不同。
[0019]在上述的一種雙頻差動厚度測量設(shè)備中，所述檢測頭一內(nèi)設(shè)置有僅供頻率為fl的激光一通過的帶通濾光片一；所述檢測頭二內(nèi)設(shè)置有僅供頻率為f2的激光二通過的帶通濾光片二。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0021]1、先通過檢測頭一和檢測頭二測出參照物上、下表面與檢測頭一、檢測頭二之間的距離，記錄此時二象限光電池一和二象限光電池二上的光斑位置，光斑位置決定了光電池兩路輸出信號的強弱，如二象限光電池中的I象限中光斑面積較大，故而I象限輸出電流大于II象限。再將被測件放于檢測頭一與檢測頭二之間、與參照物相同的位置上，檢測頭一發(fā)出的激光一所照射到的面則為被測件的上表面，因被測物與參照物存在厚度差，被測物上表面相對之前參照物的上表面產(chǎn)生位移，反射光束發(fā)生偏移，導致聚焦在二象限光電池一上的光斑產(chǎn)生位移，光電池一輸出的兩路電流信號強弱發(fā)生變化。因此，儀器經(jīng)過標定后，可根據(jù)光電池輸出信號的變化推斷被測件位移，同理，計算出此時被測物下表面與檢測頭二之間的距離，最后再計算被測件的厚度hi:hi = h0+(sl+s2)-(s3+s4)即可。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是實施例中本雙頻差動厚度測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2是實施例中本檢測頭一的工作原理圖。
[0024]圖3是實施例中本檢測頭二的工作原理圖。
[0025]圖中，1、參照物；2、檢測頭一 ；21、激光器一 ；22、分光鏡一 ；23、物鏡一 ；24、目鏡一；25、二象限光電池一 ；3、檢測頭二 ；31、激光器二 ；32、分光鏡二 ；33、物鏡二 ；34、目鏡二； 35、二象限光電池二。

【具體實施方式】
[0026]以下是本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。
[0027]如圖1、圖2、圖3所示,本雙頻差動厚度測量方法,其包括如下工序:
[0028]a、放置參照物1:將參照物I放置于檢測頭一 2和檢測頭二 3之間，調(diào)整檢測頭一2和檢測頭二 3，使檢測頭一 2和檢測頭二 3分別對準該參照物I的上表面和下表面；
[0029]b、測量參照物I上表面與檢測頭一 2之間的距離S1:觸發(fā)檢測頭一 2內(nèi)的激光器一 21使其發(fā)射出激光一，激光一的頻率為Π，激光一通過檢測頭一 2內(nèi)的分光鏡一 22分散成兩束光束一，光束一透過物鏡一 23照射到參照物I上表面并被參照物I上表面反射，被反射后的光束一依次穿過物鏡一 23、分光鏡一 22和目鏡一 24照射到二象限光電池一 25上形成光斑一，通過二象限光電池一 25的輸出信號測出參照物I上表面與檢測頭一 2之間的距離Si ；
[0030]C、測量參照物I下表面與檢測頭二 3之間的距離s2:觸發(fā)檢測頭二 3內(nèi)的激光器二 31使其發(fā)射出激光二，激光二的頻率為f2，f2的大小與fl不同，激光二通過檢測頭二 3內(nèi)的分光鏡二 32分散成兩束光束二，光束二透過物鏡二 33照射到參照物I下表面并被參照物I下表面反射，被反射后的光束二依次穿過物鏡二 33、分光鏡二 32和目鏡二 34照射到二象限光電池二 35上形成光斑二，通過二象限光電池二 35的輸出信號測出參照物I下表面與檢測頭二 3之間的距離s2 ；
[0031]d、計算參照物I的厚度h0:測量檢測頭一 2和檢測頭二 3之間的距離S，參照物I的厚度 h0 = s-(sl+s2)；
[0032]e、放置被測件:將被測件放于參照物I與檢測頭一 2之間、與之前參照物相同的位置上；
[0033]f、測量被測件上表面與檢測頭一 2之間的距離S3:觸發(fā)檢測頭一 2內(nèi)的激光器一21使其發(fā)射出激光一，激光一通過檢測頭一 2內(nèi)的分光鏡一 22分散成兩束光束一，光束一透過物鏡一 23照射到被測件上表面并被被測件上表面反射，被反射后的光束一依次穿過物鏡一 23、分光鏡一 22和目鏡一 24照射到二象限光電池一 25上形成光斑三,通過二象限光電池一 25的輸出信號測出被測件上表面與檢測頭一 2之間的距離s3 ；
[0034]g、測量被測件下表面與檢測頭二 3之間的距離s4:觸發(fā)檢測頭二 3內(nèi)的激光器二31使其發(fā)射出激光二，激光二通過檢測頭二 3內(nèi)的分光鏡二 32分散成兩束光束二，光束二透過物鏡二 33照射到被測物I下表面并被被測物I下表面反射，被反射后的光束二依次穿過物鏡二 33、分光鏡二 32和目鏡二 34照射到二象限光電池二 35上形成光斑四，通過二象限光電池二 35的輸出信號測出參照物I下表面與檢測頭二 3之間的距離s4 ；
[0035]h、計算被測件的厚度 hi:hi = h0+(sl+s2) - (s3+s4)。
[0036]如圖1、圖2、圖3所示，本厚度測量設(shè)備包括基座、檢測頭一 2和檢測頭二 3，檢測頭一 2和檢測頭二 3間隔設(shè)置于基座上且兩者相對分布，檢測頭一 2和檢測頭二 3之間放置有一參照物I ;檢測頭一 2內(nèi)設(shè)置有激光器一 21、分光鏡一 22、物鏡一 23、目鏡一 24和二象限光電池一 25，激光器一 21所發(fā)射出的激光一的頻率為Π，檢測頭一 2內(nèi)設(shè)置有僅供頻率為Π的激光一通過的帶通濾光片一；激光器一 21的激光發(fā)射方向垂直于分光鏡一 22，物鏡一 23設(shè)置于分光鏡一 22的下方且位于該分光鏡一 22和參照物I的上表面之間，二象限光電池一 25位于分光鏡一 22的上方，目鏡一 24設(shè)置于二象限光電池一 25和分光鏡一22之間；檢測頭二 3內(nèi)設(shè)置有激光器二 31、分光鏡二 32、物鏡二 33、目鏡二 34和二象限光電池二 35，激光器二 31所發(fā)射出的激光二的頻率為f2，f2的大小與f I不同，檢測頭二 3內(nèi)設(shè)置有僅供頻率為f2的激光二通過的帶通濾光片二。激光器二 31的激光發(fā)射方向垂直于分光鏡二 32,物鏡二 33設(shè)置于分光鏡二 32的上方且位于該分光鏡二 32和參照物I的下表面之間，二象限光電池二 35位于分光鏡二 32的下方，目鏡二 34設(shè)置于二象限光電池二 35和分光鏡二 32之間。
[0037]本發(fā)明的工作原理如下:先通過檢測頭一和檢測頭二測出參照物上、下表面與檢測頭一、檢測頭二之間的距離，記錄此時二象限光電池一和二象限光電池二上的光斑位置，光斑位置決定了光電池兩路輸出信號的強弱，如二象限光電池中的I象限中光斑面積較大，故而I象限輸出電流大于II象限。再將被測件放于檢測頭一與檢測頭二之間、與參照物相同的位置上，檢測頭一發(fā)出的激光一所照射到的面則為被測件的上表面，因被測物與參照物存在厚度差，被測物上表面相對之前參照物的上表面產(chǎn)生位移，反射光束發(fā)生偏移，導致聚焦在二象限光電池一上的光斑產(chǎn)生位移，光電池一輸出的兩路電流信號強弱發(fā)生變化。因此，儀器經(jīng)過標定后，可根據(jù)光電池輸出信號的變化推斷被測件位移，同理，計算出此時參照物下表面與檢測頭二之間的距離，最后再計算被測件的厚度hi:hi = s-s3-s4-ho即可。
[0038]本發(fā)明提供的測量方法與設(shè)備，適用于各類透明或不透明材質(zhì)，可廣泛用于光學透鏡中心厚度的測量、石英或藍寶石等光學窗口、單晶硅或多晶硅片、高品質(zhì)電機硅鋼片、鋰電池電極板等對象的高精度、厚度在線測量。
[0039]以下為本發(fā)明的具體幾種應(yīng)用實施:
[0040]1、檢測頭一激光器頻率532nm，檢測頭二激光器頻率785nm，用于光學透鏡中心厚度測量。成功取代傳統(tǒng)接觸式測量方式，避免了測量過程中觸頭對透鏡的損傷，將檢測精度由±3μπι提高到±0.1μπι，提高了測量自動化程度及測量結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性，取代了 3?5名工人。
[0041 ] I1、檢測頭一激光器頻率532nm，檢測頭二激光器頻率785nm，用于高品質(zhì)電機轉(zhuǎn)子硅鋼片厚度監(jiān)測。成功取代傳統(tǒng)接觸式測量方式，將檢測精度由±3μπι提高到±0.1 μ m，降低了工人勞動量，提高了轉(zhuǎn)子硅鋼片整體厚度控制精度，使電機品質(zhì)及產(chǎn)品一致性獲得了大幅提聞。
[0042]II1、檢測頭一激光器頻率532nm，檢測頭二激光器頻率785nm，用于石英晶片切片后的厚度分選。成功取代傳統(tǒng)斜棍子分選方式，將分選精度由±5 μ m提高到±0.5μηι,滿足了現(xiàn)代工藝的生產(chǎn)要求，提高了石英晶片的研磨加工效率和產(chǎn)品品質(zhì)。
[0043]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種雙頻差動厚度測量方法，其包括如下工序: a、放置參照物:將參照物放置于檢測頭一和檢測頭二之間，調(diào)整檢測頭一和檢測頭二，使檢測頭一和檢測頭二分別對準該參照物的上表面和下表面； b、測量參照物上表面與檢測頭一之間的距離S1:觸發(fā)檢測頭一內(nèi)的激光器一使其發(fā)射出激光一，所述激光一通過檢測頭一內(nèi)的分光鏡一分散成兩束光束一，所述光束一透過物鏡一照射到參照物上表面并被參照物上表面反射，被反射后的光束一依次穿過物鏡一、分光鏡一和目鏡一照射到二象限光電池一上形成光斑一，通過二象限光電池一的輸出信號測出參照物上表面與檢測頭一之間的距離Si ； C、測量參照物下表面與檢測頭二之間的距離s2:觸發(fā)檢測頭二內(nèi)的激光器二使其發(fā)射出激光二，所述激光二通過檢測頭二內(nèi)的分光鏡二分散成兩束光束二，所述光束二透過物鏡二照射到參照物下表面并被參照物下表面反射，被反射后的光束二依次穿過物鏡二、分光鏡二和目鏡二照射到二象限光電池二上形成光斑二，通過二象限光電池二的輸出信號測出參照物下表面與檢測頭二之間的距離s2 ； d、計算參照物的厚度hO:假定測量檢測頭一和檢測頭二之間的距離S，則參照物的厚度 hO = S- (sl+s2)； e、放置被測件:取下參照物，將被測件放置于參照物與檢測頭一之間； f、測量被測件上表面與檢測頭一之間的距離S3:觸發(fā)檢測頭一內(nèi)的激光器一使其發(fā)射出激光一，所述激光一通過檢測頭一內(nèi)的分光鏡一分散成兩束光束一，所述光束一透過物鏡一照射到被測件上表面并被被測件上表面反射，被反射后的光束一依次穿過物鏡一、分光鏡一和目鏡一照射到二象限光電池一上形成光斑三，通過二象限光電池一的輸出信號測出被測件上表面與檢測頭一之間的距離s3 ； g、測量被測件下表面與檢測頭二之間的距離s4:觸發(fā)檢測頭二內(nèi)的激光器二使其發(fā)射出激光二，所述激光二通過檢測頭二內(nèi)的分光鏡二分散成兩束光束二，所述光束二透過物鏡二照射到參照物下表面并被參照物下表面反射，被反射后的光束二依次穿過物鏡二、分光鏡二和目鏡二照射到二象限光電池二上形成光斑四，通過二象限光電池二的輸出信號測出被測件下表面與檢測頭二之間的距離s4 ； h、計算被測件的厚度hi:hi = s-s3-s4 = hO+(sl+s2) -(s3+s4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻差動厚度測量方法，其特征在于，所述激光一和激光器二的頻率分別為Π和f2且兩者大小不同。
3.一種雙頻差動厚度測量設(shè)備，所述厚度測量設(shè)備包括基座、檢測頭一和檢測頭二，所述檢測頭一和檢測頭二間隔設(shè)置于所述基座上且兩者相對分布，所述檢測頭一和檢測頭二之間放置有一參照物；所述檢測頭一內(nèi)設(shè)置有激光器一、分光鏡一、物鏡一、目鏡一和二象限光電池一，所述激光器一的激光發(fā)射方向垂直于分光鏡一，所述物鏡一設(shè)置于所述分光鏡一的下方且位于該分光鏡一和參照物的上表面之間，所述二象限光電池一位于所述分光鏡一的上方，所述目鏡一設(shè)置于所述二象限光電池一和分光鏡一之間；所述檢測頭二內(nèi)設(shè)置有激光器二、分光鏡二、物鏡二、目鏡二和二象限光電池二，所述激光器二的激光發(fā)射方向垂直于分光鏡二，所述物鏡二設(shè)置于所述分光鏡二的上方且位于該分光鏡二和參照物的下表面之間，所述二象限光電池二位于所述分光鏡二的下方，所述目鏡二設(shè)置于所述二象限光電池二和分光鏡二之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙頻差動厚度測量設(shè)備，其特征在于，所述激光一和激光器二的頻率分別為Π和f2且兩者大小不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙頻差動厚度測量設(shè)備，其特征在于，所述檢測頭一內(nèi)設(shè)置有僅供頻率為Π的激光一通過的帶通濾光片一；所述檢測頭二內(nèi)設(shè)置有僅供頻率為f2的激光二通過的帶通濾光片二。
【文檔編號】G01B11/06GK104197848SQ201410478641
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】陸惠宗, 王志偉, 查云佳 申請人:海寧科海光電科技有限公司