一种三维形貌测量的光路结构的制作方法

1.本实用新型涉及三维形貌检测领域，特别涉及一种三维形貌测量的光路结构。


背景技术：

2.随着半导体技术及高精密仪器设备的发展，半导体器件生产过程中对其表面的3d形貌检测需求大幅提高。
3.psd是一种位置感知光电器件，具有高灵敏度与高响应的特点，常用于对目标空间位置的检测。现有技术中的光学测量装置通常采用一个psd探测器得到测量表面待测点的光斑情况，根据光斑情况得到表面的高度信息。但是半导体器件的平面对于表面形貌的要求极高，仅通过高度检测无法满足半导体器件的检测要求。
4.因此，有必要提高测量装置的精度，用以解决上述问题。


技术实现要素：

5.为了克服上述灰尘过滤方法所存在的问题，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种物体三维形貌测量装置，其解决了传统方法中物体三维测量不精确的技术问题。
6.本实用新型为解决上述技术问题而提供了一种三维形貌测量的光路结构，包括一个半导体激光器、分束镜、第一成像物镜、第二成像物镜、第一位置探测器和第二位置探测器；
7.所述半导体激光器发射的激光光束经所述分束镜分束后形成第一激光光束和第二激光光束；所述第一激光光束和第二激光光束满足空间正交，且两束激光入射至待测表面上的同一点；
8.待测表面反射所述第一激光光束和第二激光光束分别至第一成像物镜、第二成像物镜上，经聚焦后分别入射第一位置探测器和第二位置探测器。
9.进一步地，还包括准直透镜；
10.所述半导体激光器发出的激光先经过所述准直透镜准直后进入所述分束镜。
11.进一步地，还包括第一聚焦透镜；
12.经所述分束镜分束后形成第一激光光束先经过所述第一聚焦透镜准直后，入射至待测表面。
13.进一步地，还包括第二聚焦透镜；
14.经所述分束镜分束后形成第二激光光束先经过所述第二聚焦透镜准直后，入射至待测表面。
15.进一步地，还包括至少一个反射镜；
16.经所述分束镜分束后形成的第二激光光束反射镜反射后入射至第二聚焦透镜。
17.进一步地，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，第二激光光束先后经第一反射镜和第二反射镜反射后入射至第二聚焦透镜。
18.进一步地，所述第一激光光束和第二激光光束在待测表面的入射角度相同，且入
射角度为60度。
19.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本实用新型通过一个半导体激光器形成两束激光光束，两束激光光束入射待测表面的同一点，通过两个位置敏感探测器得到同一点的两个方向上的位置信息，再将数据分解为测量区域的相对高度与测量面的空间倾斜方向。相较于传统的测量装置仅能够测量三维形貌的高度信息而言，测量的精度更高。且仅用一个半导体激光器成本低，易于推广。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制，其中：
21.图1为本实用新型中一种三维形貌测量的光路结构的结构示意图；
22.图2为本实用新型中一种三维形貌测量的光路结构的测量数据拟合的三维示意图。
23.图中标注：111、半导体激光器；10、第一位置探测器；121、准直透镜；13、分束镜；14、第一聚焦透镜；15、第一反射镜；16、第二反射镜；17、第二聚焦透镜；18、第二成像物镜；19、第一成像物镜；20、第二位置探测器；30、待测表面。
具体实施方式
24.下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。
26.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
27.在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词是相对于各附图中所示的构造进行定义的，特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化，所以，也不应当将这些或者其他的方位用于解释为限制性用语。
28.涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼
此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
29.如图1-2所示，一种三维形貌测量的光路结构，包括一个半导体激光器111、分束镜13、第一成像物镜19、第二成像物镜18、第一位置探测器10和第二位置探测器20；半导体激光器111发射的激光光束经分束镜13分束后形成第一激光光束和第二激光光束；第一激光光束和第二激光光束满足空间正交，且两束激光入射至待测表面30上的同一点；待测表面30反射两束光分别至第一成像物镜19、第二成像物镜18上，经聚焦后分别入射第一位置探测器10和第二位置探测器20。
30.还包括准直透镜121、第一聚焦透镜14、第二聚焦透镜17及至少一个反射镜。
31.半导体激光器111发出的激光先经过准直透镜121准直后进入分束镜13。经分束镜13分束后形成第一激光光束先经过第一聚焦透镜14准直后，入射至待测表面30。经分束镜13分束后形成第二激光光束先经过第二聚焦透镜17准直后，入射至待测表面30。
32.具体地，经分束镜13分束后形成的第二激光光束反射镜反射后入射至第二聚焦透镜17。反射镜包括第一反射镜15和第二反射镜16，第二激光光束先后经第一反射镜15和第二反射镜16反射后入射至第二聚焦透镜17。
33.为提高检测精度，半导体激光器111的中心波长为488-535nm。优选地，半导体激光器111的中心波长为488nm。在其他实施例中，第一激光光束和第二激光光束在待测表面的入射角度相同为25-75度。优选地，入射角度为60度时光斑质量较好。半导体激光器111发出的激光光束的直径为0.45mm。半导体激光器111发出的激光光束在待测表面上测量激光的光斑直径为2μm。
34.待测表面30上的形貌特征可以分解为待测区域的相对高度与测量面的空间倾斜方向，这两个特征的变化会导致位置敏感探测器psd上光斑重心位置的变化，但是psd上光斑位置变化是两个特征共同作用的结果，使用两束正交的激光同时测量同一位置的形貌信息，可通过计算分离出形貌的高度和测量面倾斜方向上的两个特征参数。根据得到的高度信息矩阵和倾斜信息矩阵可以更精确地进行三维形貌的还原、表征及拟合。
35.具体地，第一激光光束和第二激光光束分别经过第一聚焦透镜14、第二聚焦透镜17后满足空间正交且入射到待测表面上的同一点；
36.待测表面上的被测点反射第一激光光束和第二激光光束分别至第一成像物镜19、第二成像物镜18上，分别入射至第一位置探测器10和第二位置探测器20上；
37.基于第一位置探测器10得到的点坐标p1、第二位置探测器20得到的点坐标p2、成像透镜的物象变换矩阵为m以及位移矩阵h1、h2，得到位移矩阵h1、h2和斜度信息矩阵s1、s2与第一位置探测器得到的点坐标p1、第二位置探测器得到的点坐标p2、成像透镜的物象变换矩阵为m以及被测面上的被测点的坐标w之间的关系模型(12)和关系模型(13)：
38.p1＝m
·
(s1·
w+h1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
39.p2＝m
·
(s2·
w+h2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
40.h1与h2相同；成像透镜的物象变换矩阵为：
[0041][0042]
f为焦距，d为透镜厚度，h1为探测点到成像透镜前表面的距离，h2为成像透镜到位置探测器的距离；
[0043]
其中，中xw,yw,zw为被测面上的被测点坐标，xw与yw为已知；
[0044]
基于关系模型(12)和关系模型(13)，求解出s1、s2、w；其中，斜度信息矩阵s1、s2中包含有被测点绕x轴旋转的角度φ、绕着y轴旋转的角度β、绕着z轴有角度为θ；w中的zw表征被测点的高度信息；
[0045]
根据若干个被测点的高度信息和斜度信息s1、s2还原待测表面的三维形貌。
[0046]
本实用新型通过两束激光同时入射待测表面的同一点，通过两个位置敏感探测器得到同一点的两个方向上的位置信息，再通过两个位置敏感探测器上的数据分解为测量区域的相对高度与测量面的空间倾斜方向，通过计算后可以分离出形貌的高度与测量面倾斜方向上的两个数据。相较于传统的测量装置仅能够测量三维形貌的高度信息而言，测量的精度更高。
[0047]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0048]
本文中所描述的不同实施方案的零部件可经组合以形成上文未具体陈述的其它实施例。零部件可不考虑在本文中所描述的结构内而不会不利地影响其操作。此外，各种单独零部件可被组合成一或多个个别零部件以执行本文中所描述的功能。
[0049]
此外，尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。