CN104197848B - 一种双频差动厚度测量方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双频差动厚度测量方法和设备，属于厚度测量技术领域。它解决了现有技术在测量时容易损伤被测件等技术问题。本厚度测量方法包括如下工序：a、放置参照物；b、测量参照物上表面与检测头一之间的距离s1；c、测量参照物下表面与检测头二之间的距离s2；d、计算参照物的厚度h0；e、放置被测件；f、测量被测件上表面与检测头一之间的距离s3；g、测量被测件下表面与检测头二之间的距离s4；h、计算被测件的厚度hi。本发明在测量时可避免损伤被测件。

Description

一种双频差动厚度测量方法和设备

技术领域

本发明属于厚度测量技术领域，涉及一种双频差动厚度测量方法和设备。

背景技术

在光学、半导体、光电信息等精密工程领域中，高精度的厚度测量十分重要。例如，透镜的中心厚度是决定其光学性能的重要指标之一。半导体行业中以抛光为精密加工手段，进入抛光加工前，需要对硅单晶片根据厚度误差进行分选，选择厚度相近的晶片作为一个加工批次。

现有的高精度厚度测量技术，均建立在高精度位移传感器的基础上，应用较多的有电感传感器、磁致伸缩传感器、电涡流传感器、电容传感器、激光传感器、光纤传感器。其中，电感传感器、磁致伸缩传感器属于接触式测量，测头可能在被测件表面形成损伤，从而影响产品性能。

发明内容

本发明的第一个发明目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种双频差动厚度测量方法，其所要解决的技术问题是：如何避免测量过程中损伤被测件。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种双频差动厚度测量方法，其包括如下工序：

a、放置参照物：将参照物放置于检测头一和检测头二之间，调整检测头一和检测头二，使检测头一和检测头二分别对准该参照物的上表面和下表面；

b、测量参照物上表面与检测头一之间的距离s1：触发检测头一内的激光器一使其发射出激光一，所述激光一通过检测头一内的分光镜一分散成两束光束一，所述光束一透过物镜一照射到参照物上表面并被参照物上表面反射，被反射后的光束一依次穿过物镜一、分光镜一和目镜一照射到二象限光电池一上形成光斑一，通过二象限光电池一的输出信号测出参照物上表面与检测头一之间的距离s1；

c、测量参照物下表面与检测头二之间的距离s2：触发检测头二内的激光器二使其发射出激光二，所述激光二通过检测头二内的分光镜二分散成两束光束二，所述光束二透过物镜二照射到参照物下表面并被参照物下表面反射，被反射后的光束二依次穿过物镜二、分光镜二和目镜二照射到二象限光电池二上形成光斑二，通过二象限光电池二的输出信号测出参照物下表面与检测头二之间的距离s2；

d、计算参照物的厚度h0：假定测量检测头一和检测头二之间的距离s，则参照物的厚度h0＝s-(s1+s2)；

e、放置被测件：取下参照物，将被测件放置于检测头二与检测头一之间；

f、测量被测件上表面与检测头一之间的距离s3：触发检测头一内的激光器一使其发射出激光一，所述激光一通过检测头一内的分光镜一分散成两束光束一，所述光束一透过物镜一照射到被测件上表面并被被测件上表面反射，被反射后的光束一依次穿过物镜一、分光镜一和目镜一照射到二象限光电池一上形成光斑三，通过二象限光电池一的输出信号测出被测件上表面与检测头一之间的距离s3；

g、测量被测件下表面与检测头二之间的距离s4:触发检测头二内的激光器二使其发射出激光二，所述激光二通过检测头二内的分光镜二分散成两束光束二，所述光束二透过物镜二照射到参照物下表面并被参照物下表面反射，被反射后的光束二依次穿过物镜二、分光镜二和目镜二照射到二象限光电池二上形成光斑四，通过二象限光电池二的输出信号测出被测件下表面与检测头二之间的距离s4；

h、计算被测件的厚度hi：hi＝s-s3-s4＝h0+(s1+s2)-(s3+s4)。

其工作原理如下：先通过检测头一和检测头二测出参照物上、下表面与检测头一、检测头二之间的距离，记录此时二象限光电池一和二象限光电池二上的光斑位置，光斑位置决定了光电池两路输出信号的强弱，如二象限光电池中的I象限中光斑面积较大，故而I象限输出电流大于II象限。再将被测件放于检测头一与检测头二之间、与参照物相同的位置上，检测头一发出的激光一所照射到的面则为被测件的上表面，因被测物与参照物存在厚度差，被测物上表面相对之前参照物的上表面产生位移，反射光束发生偏移，导致聚焦在二象限光电池一上的光斑产生位移，光电池一输出的两路电流信号强弱发生变化。因此，仪器经过标定后，可根据光电池输出信号的变化推断被测件位移，同理，计算出此时被测物下表面与检测头二之间的距离，最后再计算被测件的厚度hi：hi＝h0+(s1+s2)-(s3+s4)即可。本检测过程中，检测头一和检测头二都未接触到被测件，因此不会对被测件造成损伤，且精度较高。

在上述的一种双频差动厚度测量方法中，所述激光一和激光器二的频率分别为f1和f2且两者大小不同。对于透明被测件，一个检测头发出的激光一会进入检测头二的探测器，造成测量失效。为此，本发明的检测头一和检测头二采用频率不同的激光器一和激光器二，如测头1激光器频率为f1、测头2激光器频率为f2，检测头1探测器前设置带通滤光片一仅使频率为f1的光进入探测器，同样检测头2内设置仅使频率为f2的光进入其探测器的带通滤光片二，从而，避免对检测头受激光的干扰。

一种双频差动厚度测量设备，所述厚度测量设备包括基座、检测头一和检测头二，所述检测头一和检测头二间隔设置于所述基座上且两者相对分布，所述检测头一和检测头二之间放置有一参照物；所述检测头一内设置有激光器一、分光镜一、物镜一、目镜一和二象限光电池一，所述激光器一的激光发射方向垂直于分光镜一，所述物镜一设置于所述分光镜一的下方且位于该分光镜一和参照物的上表面之间，所述二象限光电池一位于所述分光镜一的上方，所述目镜一设置于所述二象限光电池一和分光镜一之间；所述检测头二内设置有激光器二、分光镜二、物镜二、目镜二和二象限光电池二，所述激光器二的激光发射方向垂直于分光镜二，所述物镜二设置于所述分光镜二的上方且位于该分光镜二和参照物的下表面之间，所述二象限光电池二位于所述分光镜二的下方，所述目镜二设置于所述二象限光电池二和分光镜二之间。先通过检测头一和检测头二测出参照物上、下表面与检测头一、检测头二之间的距离，记录此时二象限光电池一和二象限光电池二上的光斑位置，光斑位置决定了光电池两路输出信号的强弱，如二象限光电池中的I象限中光斑面积较大，故而I象限输出电流大于II象限。再将被测件放于检测头一与检测头二之间、与参照物相同的位置上，检测头一发出的激光一所照射到的面则为被测件的上表面，因被测物与参照物存在厚度差，被测物上表面相对之前参照物的上表面产生位移，反射光束发生偏移，导致聚焦在二象限光电池一上的光斑产生位移，光电池一输出的两路电流信号强弱发生变化。因此，仪器经过标定后，可根据光电池输出信号的变化推断被测件位移，同理，计算出此时被测物下表面与检测头二之间的距离，最后再计算被测件的厚度hi：hi＝h0+(s1+s2)-(s3+s4)即可。

在上述的一种双频差动厚度测量设备中，所述激光一和激光器二的频率分别为f1和f2且两者大小不同。

在上述的一种双频差动厚度测量设备中，所述检测头一内设置有仅供频率为f1的激光一通过的带通滤光片一；所述检测头二内设置有仅供频率为f2的激光二通过的带通滤光片二。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、先通过检测头一和检测头二测出参照物上、下表面与检测头一、检测头二之间的距离，记录此时二象限光电池一和二象限光电池二上的光斑位置，光斑位置决定了光电池两路输出信号的强弱，如二象限光电池中的I象限中光斑面积较大，故而I象限输出电流大于II象限。再将被测件放于检测头一与检测头二之间、与参照物相同的位置上，检测头一发出的激光一所照射到的面则为被测件的上表面，因被测物与参照物存在厚度差，被测物上表面相对之前参照物的上表面产生位移，反射光束发生偏移，导致聚焦在二象限光电池一上的光斑产生位移，光电池一输出的两路电流信号强弱发生变化。因此，仪器经过标定后，可根据光电池输出信号的变化推断被测件位移，同理，计算出此时被测物下表面与检测头二之间的距离，最后再计算被测件的厚度hi：hi＝h0+(s1+s2)-(s3+s4)即可。

附图说明

图1是实施例中本双频差动厚度测量设备的结构示意图。

图2是实施例中本检测头一的工作原理图。

图3是实施例中本检测头二的工作原理图。

图中，1、参照物；2、检测头一；21、激光器一；22、分光镜一；23、物镜一；24、目镜一；25、二象限光电池一；3、检测头二；31、激光器二；32、分光镜二；33、物镜二；34、目镜二；35、二象限光电池二。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1、图2、图3所示，本双频差动厚度测量方法，其包括如下工序：

a、放置参照物1：将参照物1放置于检测头一2和检测头二3之间，调整检测头一2和检测头二3，使检测头一2和检测头二3分别对准该参照物1的上表面和下表面；

b、测量参照物1上表面与检测头一2之间的距离s1：触发检测头一2内的激光器一21使其发射出激光一，激光一的频率为f1,激光一通过检测头一2内的分光镜一22分散成两束光束一，光束一透过物镜一23照射到参照物1上表面并被参照物1上表面反射，被反射后的光束一依次穿过物镜一23、分光镜一22和目镜一24照射到二象限光电池一25上形成光斑一，通过二象限光电池一25的输出信号测出参照物1上表面与检测头一2之间的距离s1；

c、测量参照物1下表面与检测头二3之间的距离s2：触发检测头二3内的激光器二31使其发射出激光二，激光二的频率为f2,f2的大小与f1不同，激光二通过检测头二3内的分光镜二32分散成两束光束二，光束二透过物镜二33照射到参照物1下表面并被参照物1下表面反射，被反射后的光束二依次穿过物镜二33、分光镜二32和目镜二34照射到二象限光电池二35上形成光斑二，通过二象限光电池二35的输出信号测出参照物1下表面与检测头二3之间的距离s2；

d、计算参照物1的厚度h0：测量检测头一2和检测头二3之间的距离s，参照物1的厚度h0＝s-(s1+s2)；

e、放置被测件：将被测件放于检测头二3与检测头一2之间、与之前参照物相同的位置上；

f、测量被测件上表面与检测头一2之间的距离s3：触发检测头一2内的激光器一21使其发射出激光一，激光一通过检测头一2内的分光镜一22分散成两束光束一，光束一透过物镜一23照射到被测件上表面并被被测件上表面反射，被反射后的光束一依次穿过物镜一23、分光镜一22和目镜一24照射到二象限光电池一25上形成光斑三，通过二象限光电池一25的输出信号测出被测件上表面与检测头一2之间的距离s3；

g、测量被测件下表面与检测头二3之间的距离s4:触发检测头二3内的激光器二31使其发射出激光二，激光二通过检测头二3内的分光镜二32分散成两束光束二，光束二透过物镜二33照射到被测物1下表面并被被测物1下表面反射，被反射后的光束二依次穿过物镜二33、分光镜二32和目镜二34照射到二象限光电池二35上形成光斑四，通过二象限光电池二35的输出信号测出参照物1下表面与检测头二3之间的距离s4；

h、计算被测件的厚度hi：hi＝h0+(s1+s2)-(s3+s4)。

如图1、图2、图3所示，本厚度测量设备包括基座、检测头一2和检测头二3，检测头一2和检测头二3间隔设置于基座上且两者相对分布，检测头一2和检测头二3之间放置有一参照物1；检测头一2内设置有激光器一21、分光镜一22、物镜一23、目镜一24和二象限光电池一25，激光器一21所发射出的激光一的频率为f1，检测头一2内设置有仅供频率为f1的激光一通过的带通滤光片一；激光器一21的激光发射方向垂直于分光镜一22，物镜一23设置于分光镜一22的下方且位于该分光镜一22和参照物1的上表面之间，二象限光电池一25位于分光镜一22的上方，目镜一24设置于二象限光电池一25和分光镜一22之间；检测头二3内设置有激光器二31、分光镜二32、物镜二33、目镜二34和二象限光电池二35，激光器二31所发射出的激光二的频率为f2，f2的大小与f1不同，检测头二3内设置有仅供频率为f2的激光二通过的带通滤光片二。激光器二31的激光发射方向垂直于分光镜二32，物镜二33设置于分光镜二32的上方且位于该分光镜二32和参照物1的下表面之间，二象限光电池二35位于分光镜二32的下方，目镜二34设置于二象限光电池二35和分光镜二32之间。

本发明的工作原理如下：先通过检测头一和检测头二测出参照物上、下表面与检测头一、检测头二之间的距离，记录此时二象限光电池一和二象限光电池二上的光斑位置，光斑位置决定了光电池两路输出信号的强弱，如二象限光电池中的I象限中光斑面积较大，故而I象限输出电流大于II象限。再将被测件放于检测头一与检测头二之间、与参照物相同的位置上，检测头一发出的激光一所照射到的面则为被测件的上表面，因被测物与参照物存在厚度差，被测物上表面相对之前参照物的上表面产生位移，反射光束发生偏移，导致聚焦在二象限光电池一上的光斑产生位移，光电池一输出的两路电流信号强弱发生变化。因此，仪器经过标定后，可根据光电池输出信号的变化推断被测件位移，同理，计算出此时参照物下表面与检测头二之间的距离，最后再计算被测件的厚度hi：hi＝h0+(s1+s2)-(s3+s4)即可。

本发明提供的测量方法与设备，适用于各类透明或不透明材质，可广泛用于光学透镜中心厚度的测量、石英或蓝宝石等光学窗口、单晶硅或多晶硅片、高品质电机硅钢片、锂电池电极板等对象的高精度、厚度在线测量。

以下为本发明的具体几种应用实施：

Ⅰ、检测头一激光器频率532nm，检测头二激光器频率785nm，用于光学透镜中心厚度测量。成功取代传统接触式测量方式，避免了测量过程中触头对透镜的损伤，将检测精度由±3μm提高到±0.1μm，提高了测量自动化程度及测量结果的稳定性、可靠性，取代了3～5名工人。

Ⅱ、检测头一激光器频率532nm，检测头二激光器频率785nm，用于高品质电机转子硅钢片厚度监测。成功取代传统接触式测量方式，将检测精度由±3μm提高到±0.1μm，降低了工人劳动量，提高了转子硅钢片整体厚度控制精度，使电机品质及产品一致性获得了大幅提高。

Ⅲ、检测头一激光器频率532nm，检测头二激光器频率785nm，用于石英晶片切片后的厚度分选。成功取代传统斜辊子分选方式，将分选精度由±5μm提高到±0.5μm，满足了现代工艺的生产要求，提高了石英晶片的研磨加工效率和产品品质。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种双频差动厚度测量方法，其包括如下工序：

a、放置参照物：将参照物放置于检测头一和检测头二之间，调整检测头一和检测头二，使检测头一和检测头二分别对准该参照物的上表面和下表面；

b、测量参照物上表面与检测头一之间的距离s1：触发检测头一内的激光器一使其发射出激光一，所述激光一通过检测头一内的分光镜一分散成两束光束一，所述光束一透过物镜一照射到参照物上表面并被参照物上表面反射，被反射后的光束一依次穿过物镜一、分光镜一和目镜一照射到二象限光电池一上形成光斑一，通过二象限光电池一的输出信号测出参照物上表面与检测头一之间的距离s1；

c、测量参照物下表面与检测头二之间的距离s2：触发检测头二内的激光器二使其发射出激光二，所述激光二通过检测头二内的分光镜二分散成两束光束二，所述光束二透过物镜二照射到参照物下表面并被参照物下表面反射，被反射后的光束二依次穿过物镜二、分光镜二和目镜二照射到二象限光电池二上形成光斑二，通过二象限光电池二的输出信号测出参照物下表面与检测头二之间的距离s2；

d、计算参照物的厚度h0：假定测量检测头一和检测头二之间的距离s，则参照物的厚度h0＝s-(s1+s2)；

e、放置被测件：取下参照物，将被测件放置于检测头二与检测头一之间；

f、测量被测件上表面与检测头一之间的距离s3：触发检测头一内的激光器一使其发射出激光一，所述激光一通过检测头一内的分光镜一分散成两束光束一，所述光束一透过物镜一照射到被测件上表面并被被测件上表面反射，被反射后的光束一依次穿过物镜一、分光镜一和目镜一照射到二象限光电池一上形成光斑三，通过二象限光电池一的输出信号测出被测件上表面与检测头 一之间的距离s3；

g、测量被测件下表面与检测头二之间的距离s4:触发检测头二内的激光器二使其发射出激光二，所述激光二通过检测头二内的分光镜二分散成两束光束二，所述光束二透过物镜二照射到参照物下表面并被参照物下表面反射，被反射后的光束二依次穿过物镜二、分光镜二和目镜二照射到二象限光电池二上形成光斑四，通过二象限光电池二的输出信号测出被测件下表面与检测头二之间的距离s4；

h、计算被测件的厚度hi：hi＝s-s3-s4＝h0+(s1+s2)-(s3+s4)；所述激光器一和激光器二的频率分别为f1和f2且两者大小不同；所述检测头一内设置有仅供频率为f1的激光一通过的带通滤光片一；所述检测头二内设置有仅供频率为f2的激光二通过的带通滤光片二。

2.一种双频差动厚度测量设备，所述厚度测量设备包括基座、检测头一和检测头二，所述检测头一和检测头二间隔设置于所述基座上且两者相对分布，所述检测头一和检测头二之间放置有一参照物；所述检测头一内设置有激光器一、分光镜一、物镜一、目镜一和二象限光电池一，所述激光器一的激光发射方向垂直于分光镜一，所述物镜一设置于所述分光镜一的下方且位于该分光镜一和参照物的上表面之间，所述二象限光电池一位于所述分光镜一的上方，所述目镜一设置于所述二象限光电池一和分光镜一之间；所述检测头二内设置有激光器二、分光镜二、物镜二、目镜二和二象限光电池二，所述激光器二的激光发射方向垂直于分光镜二，所述物镜二设置于所述分光镜二的上方且位于该分光镜二和参照物的下表面之间，所述二象限光电池二位于所述分光镜二的下方，所述目镜二设置于所述二象限光电池二和分光镜二之间；所述激光器一和激光器二的频率分别为f1和f2且两者大小不同；

所述检测头一内设置有仅供频率为f1的激光一通过的带通滤光片一；所述检测头二内设置有仅供频率为f2的激光二通过的带通滤光片二。