一種利用小孔衍射波進(jìn)行待測件定位的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用小孔衍射波進(jìn)行待測件定位的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高精度干涉儀表面測量變得越來越重要，不但在傳統(tǒng)的光學(xué)制造領(lǐng)域，而且在像光盤面或者半導(dǎo)體晶體面這樣的新領(lǐng)域。PV值在亞納米范圍的檢測精度要求越來越多。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是近代大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷提高，對系統(tǒng)的精度要求日益提高。在光刻系統(tǒng)中，越來越短的波長要求我們使用更高精度的光刻物鏡。在這之前我們需要更高精度的檢測技術(shù)來滿足加工及系統(tǒng)集成的需要。光學(xué)面形高精度檢測技術(shù)是極大規(guī)模集成電路及成套設(shè)備制造工藝中關(guān)鍵技術(shù)之一。同時隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大口徑光學(xué)系統(tǒng)在天文光學(xué)、空間光學(xué)、空間目標(biāo)探測與識別、慣性約束聚變(ICF)等高技術(shù)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，因此大口徑光學(xué)元件的制造需要與之精度相適應(yīng)的檢測方法和儀器。
[0003]目前大口徑光學(xué)元件的表面加工質(zhì)量一般是使用大口徑的移相干涉儀，這就要求要有一塊與被測元件尺寸相同或者更大的標(biāo)準(zhǔn)面形，而這樣一個高精度的標(biāo)準(zhǔn)表面，不僅加工難度極大，而且制造周期長，制造成本高，這些都無形地增加了檢測的成本和難度。為了尋求一種低成本的檢測手段，國外在20世紀(jì)80年代開展了子孔徑拼接這一方案的研宄，即使用小口徑、高精度、高分辨率的干涉儀通過相關(guān)拼接技術(shù)來復(fù)原大口徑光學(xué)元件的波前相位數(shù)據(jù)，這是一項新的高精度、大孔徑面形檢測手段，它既保留了干涉測量的高精度，又免去了使用與全孔徑尺寸相同的標(biāo)準(zhǔn)波面，從而大大降低了成本，同時還可以獲得大孔徑干涉儀所截去的波面高頻信息。
[0004]目前位移和定位測量主要有光柵尺，位移傳感器等測試裝置。
[0005]位移傳感器又稱為線性傳感器，是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉(zhuǎn)換為電量。在生產(chǎn)過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式又可分為物性型和結(jié)構(gòu)型兩種。常用位移傳感器以模擬式結(jié)構(gòu)型居多，包括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器、自整角機、電容式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。數(shù)字式位移傳感器的一個重要優(yōu)點是便于將信號直接送入計算機系統(tǒng)。這種傳感器發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛。
[0006]光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器，是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點。
[0007]在高精度測試中，子孔徑拼接過程和高精度面形檢測技術(shù)中，待測件在干涉儀上的定位精度，待測件在子孔徑拼接過程中運動精度對檢測精度有較大的影響。
[0008]待測件在檢測過程中，面形檢測結(jié)果與待測件在檢測裝置上的位置需精確對應(yīng)，面形檢測結(jié)果與光學(xué)加工裝置上的位置需精確對應(yīng)，面形檢測結(jié)果與裝配上的位置需精確對應(yīng)。以上三點是保證光學(xué)系統(tǒng)波像差達(dá)到納米量級的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0009]高精度測長干涉儀主要以雷尼紹，安捷倫等國外公司的產(chǎn)品居多。
[0010]在子孔徑拼接干涉檢測技術(shù)中，待測件的安裝定位過程，絕對標(biāo)定過程，拼接過程都需要高精度的定位和位移測量裝置，在本發(fā)明中，提出了一種利用小孔衍射波進(jìn)行待測件定位的方法，其中關(guān)鍵部件掩模版包含小孔或小孔陣列，根據(jù)小孔周圍反射光的變化判斷待測件的對準(zhǔn)情況。本發(fā)明同樣可以用于機床，加工設(shè)備，裝配等其他領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高測量精度，本發(fā)明的目的是提供一種利用小孔衍射波進(jìn)行待測件定位的裝置及方法，以實現(xiàn)高精度定位和位移測量。
[0012]為達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供一種利用小孔衍射波進(jìn)行待測件定位的裝置，包括:激光器、濾波孔、第一聚光鏡、空間濾波器、擴(kuò)束鏡、λ/2波片、λ/4波片、衰減片、第二聚光鏡、掩模版、待測件、平移臺、轉(zhuǎn)臺、第三聚光鏡、探測器、計算機。其中:濾波孔放置在激光器的出光口，第一聚光鏡放置在濾波孔和空間濾波器中間，濾波孔放置的位置為物面位置，空間濾波器放置在像面位置；空間濾波器同時放置在擴(kuò)束鏡的前焦點，λ/2波片、λ/4波片依次放置在擴(kuò)束鏡后面，其中濾波孔、第一聚光鏡、空間濾波器、擴(kuò)束鏡、λ/2波片、λ/4波片的中心都在同一光軸上，λ/2波片、λ/4波片平行于擴(kuò)束鏡，衰減片、第二聚光鏡與λ/4波片同一光軸，第二聚光鏡放置在衰減片后面，掩模版固定在待測件側(cè)面，待測件放置在平移臺上面，平移臺放置在轉(zhuǎn)臺上面。探測器放在第三聚光鏡后面；計算機與探測器連接；
[0013]激光器，用于發(fā)出激光作為照明光源；濾波孔，利用衍射效應(yīng)用于將激光發(fā)出的光散射；第一聚光鏡，用于收集濾波孔發(fā)出的散射光；空間濾波器，用于將聚光鏡收集的光過濾掉雜散光；擴(kuò)束鏡，用于將空間濾波器過濾的點光源的光變?yōu)槠叫泄?；?2波片，用于旋轉(zhuǎn)激光光源的偏振方向；λ/4波片，用于和λ/2波片結(jié)合來調(diào)節(jié)產(chǎn)生圓偏振光；衰減片，用于改變光束的光強；第二聚光鏡，用于將光束縮束到掩模版上的小孔上；掩模版，包含小孔和小孔陣列，上面小孔鍍反射膜用于反射光；同時根據(jù)小孔的位置，定位待測件位置；待測件，可以是光學(xué)件也可以是機械件，或金屬件、塑料件；平移臺，用于放置待測件，同時控制待測件的平動；轉(zhuǎn)臺，用于控制待測件的轉(zhuǎn)動；第三聚光鏡，用于將反射后的光投射到探測器上，計算機與探測器連接，計算機存儲并處理探測器記錄的光強信息。
[0014]所述激光器、濾波孔、第一聚光鏡、空間濾波器、擴(kuò)束鏡、λ/2波片、λ/4波片、衰減片、第二聚光鏡可以集成在一個測試裝置內(nèi)，外加控制單元可以控制裝置在空間內(nèi)移動和旋轉(zhuǎn)。
[0015]所述掩模版包含小孔或小孔陣列，可以用于定位或測量。
[0016]所述第三聚光鏡、探測器可以集成在一個裝置中，外加控制單元可以控制裝置在空間進(jìn)行移動和旋轉(zhuǎn)。
[0017]所述平移臺，用于控制待測鏡平動或傾斜，可以同時在三維(x，y，z)方向移動，在二維(Xz，yz)方向傾斜，也可以單獨在一維方向移動，可以是直線導(dǎo)軌的組合，或者其他有五維運動能力的機構(gòu)。
[0018]所述轉(zhuǎn)臺可以使待測件旋轉(zhuǎn)任意角度，同時也可以帶有編碼功能。
[0019]所述待測件含有工裝，工裝能夠固定掩模版。
[0020]為達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供一種利用小孔衍射波進(jìn)行待測件定位的方法，其特征在于:待測件側(cè)面固定掩模版，通過小孔周圍反射光的變化判斷待測件的對準(zhǔn)情況，通過標(biāo)定掩模版上小孔的位置，得到待測件在平移臺上的相對位置信息，具體檢測步驟如下:
[0021]第一步:標(biāo)定掩模版和待測件對應(yīng)的位置關(guān)系，即掩模版上小孔對應(yīng)待測件面上的位置。
[0022]第二步:將待測件放置在平移臺上，掩模版固定在待測件工裝側(cè)面。激光器發(fā)射的光經(jīng)過濾波孔，光束發(fā)散后經(jīng)過第一聚光鏡，第一聚光鏡會聚光到一個空間濾波器，濾掉雜光，再經(jīng)過一個擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束過的激光經(jīng)過一個λ/2波片，旋轉(zhuǎn)激光的偏振方向，再通過一個λ/4波片將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。圓偏振光經(jīng)過衰減片調(diào)節(jié)光強后經(jīng)第二聚光鏡照射到掩模版上。
[0023]第三步:調(diào)整平移臺的傾斜與位移，使待測件放置在正確的位置。
[0024]第四步:利用平移臺控制待測件的運動，根據(jù)探測器記錄的光強變化，計算待測件位移距離。
[0025]本發(fā)明的有益效果:小孔可以做到Ium量級，小孔對入射光位置很敏感，一旦入射光偏離小孔，光強會發(fā)生較大變化，測量精度在納米量級。同時提出了一種利用小孔衍射波進(jìn)行待測件定位的方法，其中關(guān)鍵部件掩模版包含小孔或小孔陣列，根據(jù)小孔周圍反射光的變化判斷待測件的對準(zhǔn)情況。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為包含激光器、濾波孔、第一聚光鏡、空間濾波器、擴(kuò)束鏡、λ/2波片、λ/4波片、衰減片、第二聚光鏡的測試裝置；
[0028]圖3為包含小孔陣列的掩模版；
[0029]圖4為采用聚焦離子束制造的工程用小孔示意圖；其中，(a)為直徑為3um的小孔，(b)為直徑為Ium的小孔;
[0030]圖5為集成在一個裝置中的第三聚光鏡和探測器；
[0031]圖6為當(dāng)入射光束對準(zhǔn)小孔時，反射光束方向及光強變化情況示意圖；
[0032]圖7為本發(fā)明一種利用小孔衍射波進(jìn)行待測件定位方法過程流程圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0034]如圖1表示本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由激光器1、濾波孔2、第一聚光鏡3、空間濾波器4、擴(kuò)束鏡5、λ/2波片6、λ/4波片7、衰減片8、第二聚光鏡9、掩模版10、待測件11、平移臺12、轉(zhuǎn)臺13、第三聚光鏡14、探測器15、計算機16。其中:濾波孔2放置在激光器I的出光口，第一聚光鏡3放置在濾波孔2和空間濾波器4中間，濾波孔2放置的位置為物面位置，空間濾波器4放置在像面位置；空間濾波器4同時放置在擴(kuò)束鏡5的前焦點，λ /2波片6、λ /4波片7依次放置在擴(kuò)束鏡5后面，其中濾波孔2、第一聚光鏡3、空間濾波器4、擴(kuò)束鏡5、λ/2波片6、λ/4波片7的中心都在同一光軸上，λ/2波片6、λ/4波片7平行于擴(kuò)束鏡5，衰減片8、第二聚光鏡9與λ/4波片7同一光軸，第二聚光鏡9放置在衰減片8后面，掩模版10固定在待測件11側(cè)面，待測件11放置在平移臺12上面，平移臺12放置在轉(zhuǎn)臺13上面。探測器15放在第三聚光鏡14后面；計算機16與探測器15連接；
[0035]激光器1，用于發(fā)出激光作為照明光源；