用于非接觸測量表面的方法和設備的制作方法
【專利摘要】本公開涉及用于非接觸測量表面的方法和設備。縫隙（m）被投射到物體表面上，其中基準點（X1）在水平軸線（x）中最接近焦點位置中的最佳位置（P）。在反射了包含所述基準點（X1）的光之后，視場區域（F）的一個圖像被獲取。物體（300）在豎直軸線（z）中的位置（Z1）被確定。在反射了具有基準點(X2,X3…Xn)的光之后，通過同時沿軸線（z）移動物體（300）以維持基準點(X2,X3…Xn)最接近焦點位置中的最佳位置（P），相應視場區域（F）的圖像被獲取。確定獲取圖像的位置(Z2,Z3…Zn)。對于每個圖像確定沿水平軸線（x）的焦點位置中的最佳位置（P）。在焦點位置中的最佳位置（P）和基準點(X1,X2..Xn)之間的校正差分(Δ1,Δ2...Δn)被計算。
【專利說明】用于非接觸測量表面的方法和設備
【技術領域】
[0001]本文公開了非接觸表面度量的方法。更具體地，提供了如在權利要求1的前序部分中限定的用于非接觸測量表面的方法。
[0002]還公開了如權利要求12的前序部分中限定的用于非接觸測量表面的設備。
【背景技術】
[0003]具有平坦和球形表面的光學組件相對易于制造和測量。然而，由于其因像差而受限的性能，所述具有平坦和球形表面的光學組件被替換為具有復雜表面的光學組件，例如非球面和任意形式的表面。具有復雜表面的光學組件可以消除像差并且提供許多其他優點。具有復雜表面的光學組件通過使用機械加工、剖光和度量技術而獲得。
[0004]近年來，由于對之前復雜的光學表面的機械加工的需要而開發出針對這種光學組件的高級的制造技術。對這種光學組件的度量要求由此變得越來越高。
[0005]用于表面特征的表面度量目前通過不同的技術實施，例如通過接觸測量、掃描探針測量和非接觸測量。
[0006]接觸測量基于被牽引穿過樣本的小型觸針尖端(tip)的使用。樣本表面上的峰頂和谷底均被尖端跟蹤。所述尖端的上下移動被轉換為信號，該信號被處理為數字數據，該數字數據可用于構造關于樣本中的位置與在樣本的該點處的高度的曲線。
[0007]所述尖端在樣本表面上施加恒定的力，以便精確地跟隨所述樣本表面的形狀。因此，基于接觸的測量的一個主要的缺點是其是破壞性的，因為測量尖端始終接觸被測量的樣本。接觸測量技術的另一個缺點是，雖然目前可以制造在微米數值范圍以下的尖端，但比尖端自身尺寸更小的細節不能被測量。
[0008]掃描探針測量基于探針的使用，該探針接近待測量的表面操作并且與其相距某距離，其中在探針和所述表面之間施加力。在這種技術中，原子力顯微鏡被用于測量非球形表面。
[0009]非接觸測量可以通過干涉測量、共焦輪廓測定或激光自動聚焦技術實施。
[0010]在干涉測量技術中，當基準波束在觀測平面中覆蓋在攜帶關于被測量表面的信息的波束之上時，干涉邊緣被估計。反射波束中的相位差被測量，并且被轉換為高度信息，使得可以獲得表面輪廓。
[0011]通過使用干涉測量，獲得關于被測量的樣本表面的地形的信息。來自所述樣本的波陣面與基準波陣面比較，使得在通常為照相機的探測器中的覆蓋引起干涉圖案，通過該干涉圖案，可以估計測量表面和基準表面(通常為平坦的鏡)之間的高度差。為了測量非球形表面，基準波陣面需要被修改為盡可能類似測量波陣面。由于干涉測量信號的性質，這是為了執行測量所必須的。當兩個波陣面之間的相位差較大時，干涉圖案中的邊緣被壓縮為使得照相機不能對其分解并且丟失一些信息。修改波陣面基準以使其類似于波陣面測量的技術被稱為歸零(nulling)。對于球形或平坦的樣本，獲得球形或平坦的基準波陣面是容易的。然而，對于非球形表面，由于需要非球形基準波陣面，獲得基準波陣面變得復雜得多。[0012]共焦輪廓測定由共焦顯微鏡執行，在所述共焦顯微鏡中，樣本通過非常小的針孔被照明并且通過置于第二小針孔后面的光電探測器觀察。以此方式，僅精確地來自焦平面的光才將到達光電探測器。通過拒絕聚焦的光，圖像將來自物體的薄區段(小景深)，使得通過掃描穿過對象的多個薄區段，可以構建該對象的非常清晰的三維圖像。
[0013]通過使用投射到樣本上的光的結構化圖案和景深算法，還可以獲得共焦深度分區。
[0014]W09000754示出了共焦顯微鏡法的方式。共焦顯微鏡包括用于將光波束提供到透鏡的光源，所述透鏡將所述光聚焦到待檢查的物體上，以便照明所述對象上或所述對象內的點觀測場。自照明的點觀測場反射的光被冷凝器收集并且傳輸到探測器。掃描裝置使照明的點觀測場相對于物體在掃描圖案中移動。從光源到冷凝器的傳輸中流出的光以及返回的光經由光纖和光分離器傳輸，以便將返回的光轉向到探測器。
[0015]激光自動聚焦技術可以被視為在光學上與接觸測量技術等價。然而，在此情況下，觸針尖端被替換為光學尖端，也就是，顯微鏡物鏡的焦點。在激光自動聚焦技術的一個示例中，在通過顯微鏡物鏡的分析下，離軸激光波束被輸出到樣本上。如果樣本處于焦點處，則所述激光波束被反射達到探測器中心。如果樣本不在焦點處，則激光波束將到達探測器的其他區域。當被探測時，物鏡被移動，使得激光波束再次撞擊在探測器中心上。為了執行測量，這種技術是基于移動光學尖端的，這種移動表示激光波束橫穿樣本并且再次聚集所述樣本的每個位置，使得測量系統和樣本之間的距離始終保持恒定(自動聚焦)。關于表面地形的信息由此通過由所述系統進行的沿樣本的移動以保持其始終處于焦點中而獲得。
[0016]上述度量技術允許復雜表面的形狀和紋理的精確的估計。獲得的數據與設計數據比較，以便獲得之后被傳送到剖光系統的校正數據。所述獲得的數據相應于在從數十納米到數百納米的范圍內的形狀規范。
[0017]非球形表面的形狀由下面的表達式給出:
[0018]
【權利要求】
1.一種用于非接觸測量物體(300)表面的方法，所述方法包括以下步驟: 將光投射到物體表面的目標區域上，其中在所述物體表面的至少第一軸線(X)中存在基準點(X1),使得所述基準點(X1)最接近焦點位置中的最佳位置(P)； 在由包含所述基準點(X1)的物體表面反射投射的光之后，獲取視場區域(F)的一個圖像； 確定所述物體在第二軸線(Z)中的位置(Z1)； 將光投射到物體表面上的相繼目標區域上，其中所述第一軸線(X)中存在所述物體表面的相應的基準點(X2，Xn)； 在由包含所述基準點(χ2，Χ^..Χη)的物體表面反射投射的光之后，通過同時改變所述物體(300)沿第二軸線(Z)的所述位置以便維持基準點(X2，Xf Xn)盡可能接近焦點位置中的最佳位置(P)，獲取相應的視場區域(F)中的多個圖像；以及 確定所述物體(300)的每個對應位置的位置(Z2，Ζη)，其中獲取了包含所述基準點(X2, XfXn)的所述視場區域的所述圖像； 其特征在于 所述將光投射到物體表面的目標區域上的步驟通過投射具有沿至少所述第一軸線(X)光分布的光(m)的圖案而實施； 并且其中所述方法進一步包 括以下步驟: 對于每個獲取的圖像確定沿第一軸線(X)的焦點中的最佳位置(P)的位置； 計算對應校正差分(A1, Λ2...Λη)，作為沿第一軸線(X)在所述焦點中的最佳位置(P)和基準點(X1, XfXn)之間的距離；以及 獲得物體表面的表示，所述表示至少涉及關于所述第一軸線(X)中的所述基準點(XpX^Xn)以及所述校正差分(A1, Λ2...Λη)和所述物體在所述第二軸線(ζ)中的位置(Z11Z^Zn)的參數。
2.如權利要求1所述的方法，其中被投射到所述物體表面上的光的圖案是沿所述第一軸線(X)投射到顯微鏡物鏡(150)的焦平面上的測量縫隙U)。
3.如權利要求1或權利要求2所述的方法，其中所述獲得所述物體表面的表示的步驟包括構造曲線[(X1+ Δ 1； Z1)，(X2+ Δ 2，Z2)…(Xn+ Δ n, Zn)]，其涉及關于所述第一軸線(X)中的所述基準點(XpX^-Xn)以及所述校正差分(A1, Δ2...Λ η)和所述物體在所述第二軸線(ζ)中的位置(Z1, Z^Zn)的參數，使得給出被測量的所述物體表面的輪廓的曲線被確定。
4.如權利要求2或權利要求3所述的方法，其中所述獲得所述物體表面的表示的步驟包括實施光柵掃描，所述光柵掃描包括將所述測量縫隙(m)投射在第三軸線(y)的不同位置(H..YJ，以便獲得被測量的物體表面的三維圖示[(UAil^Zil), (Xi^Ai2lYilZi2)…(Xin+ Δ in, Yi, Zin)]，其中1: 1，2…m，所述圖示涉及關于所述第一軸線(X)中的所述基準點(Xn，Xi2，..Xin)以及在所述第三軸線(y)的不同位置(Y1, Y2，..Ym)處的所述校正差分(Δη, Ai2,...Ain)和所述物體在所述第二軸線(ζ)中的位置(Z1, Zi2，…Zin)的參數。
5.如權利要求2或權利要求3所述的方法，其中所述獲得所述物體表面的表示的步驟包括實施角度掃描，所述角度掃描包括圍繞經過所述物體的一個點的軸線分解所述物體，使得測量縫隙(m)被投射在第四軸線(Θ )的不同角位置(Q1, θ2，…θπ)，以便獲得被測量的物體表面的三維圖示[(Χη+Δη, θ”Ζη)，(Xi2+Ai2, Θ ^Zi2),-(Xin+Ain, e^zj],其中i:l，2，…m，所述圖示涉及關于所述第一軸線(X)中的所述基準點(Xn，Xi2，..Xin)以及在所述第四軸線(Θ )的不同角位置(Q1, θ2，…θπ)處的所述校正差分(Λη，Ai2，…Ain)和所述物體在所述第二軸線(ζ)中的位置H -ZJ的參數。
6.如權利要求2或權利要求5所述的方法，其中所述方法進一步包括定心步驟，用于以所述測量縫隙(m)被投射到所述物體(300)的頂點位置上的方式定位待測量的所述物體(300)，所述定心步驟包括: 將至少兩個側縫隙投射到所述顯微鏡物鏡(150)的焦平面上，所述側縫隙基本平行于所述測量縫隙(m)并且沿第三軸線(y)與所述測量縫隙(m)間隔給定距離，使得所述測量縫隙(m)處于所述側縫隙之間；以及 改變所述物體(300)沿所述第三軸線(y)的位置，直至沿在測量縫隙(m)的兩側并且在所述兩側距所述測量縫隙(m)等間隔的兩個側縫隙的焦點位置點中的最佳位置點(P)被發現在所述第一軸線(X)中具有相同的坐標。
7.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中同時移動所述第二軸線(ζ)以便維持基準點(χ2，χ^..χη)盡可能接近焦點位置中的最佳位置(P)是通過使用基于結構化照明的焦深算法而實施的。
8.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述方法進一步包括以下步驟:為每個視場區域(F)確定所述基準點(X1, X2, X^Xn)，所述基準點位于所述視場區域(F)中的相同的預定位置處。
9.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中焦點中的最佳位置(P)被確定為在具有基于結構化照明的焦深算法的最大軸向響應的視場中的點。
10.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述方法進一步包括以下步驟:將校正差分(A1, Λ2...Δη)從像素單位轉換為長度單位。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述校正差分(A1,Δ2...Δη)等于或小于Ιμπι。
12.一種用于根據前述權利要求中任一權利要求所述的方法非接觸測量物體(300)表面的設備(100)，其中所述設備(100)包括: 光投射裝置(110)，用于將光投射到物體表面的目標區域上，其中在最接近焦點位置中的最佳位置(P)的所述物體表面中的第一軸線(X)中存在基準點(X1, x2，Xf Xn)； 圖像獲取裝置(120)，用于在由所述物體表面反射投射的光之后，獲取包含所述基準點(XpXhXfXn)的視場區域(F)的一個圖像； 用于確定第二軸線(ζ)中的相應的基準點(X2，Xn)的位置(Zp^ZfZn)的裝置； 用于改變所述物體(300)沿所述第一軸線(X)的位置的裝置； 用于同時改變所述物體(300)沿第二軸線(ζ)的位置使得所述基準點(X2，XfXn)被維持為盡可能接近焦點位置中的最佳位置(P)的裝置； 其特征在于，所述光投射裝置(110)適合于投射具有沿所述第一軸線(X)光分布的光Cm)的圖案。
13.如權利要求12所述的設備(100)，其中被投射到所述物體表面上的光的圖案是沿所述第一軸線(X)投射到顯微鏡物鏡(150)的焦平面上的測量縫隙U)。
14.如權利要求12或權利要求13所述的設備(100)，其中所述設備進一步包括測量頭(160)，所述測量頭(160)包括所述光投射裝置(110)和所述圖像獲取裝置(120)。
15.如權利要求12-14中任一項所述的設備(100)，其中所述光投射裝置(110)包括LED( 111)、光圈(112)、準直光學器件(113)、反射鏡(114)、光學透鏡(115)、分束器(116)以及顯微鏡物鏡(150)中的至少一個。
16.如權利要求12-15中任一項所述的設備(100)，其中所述設備進一步包括定心裝置，用于以所述測量縫隙(m)被投射到所述物體(300)的頂點位置上的方式定位待測量的所述物體(300)，所述定心裝置包括: 用于將至少兩個側縫隙沿對應側軸線(X’)投射到所述顯微鏡物鏡(150)的焦平面上的裝置，所述側軸線(X’)基本平行于所述第一軸線(X)并且沿第三軸線(y)與所述第一軸線(X)間隔給定距離，使得所述測量縫隙(m)處于所述側縫隙之間；以及 用于改變所述物體沿所述第三軸線(y)的位置直至沿在測量縫隙(m)的兩側并且在所述兩側距所述測量縫隙(m)等間隔的兩個側縫隙的焦點位置點中的最佳位置點(P)被發現在所述第一軸線中具有相同的坐標的裝置。
17.如權利要求12-16中任一項所述的設備(100),其中所述設備進一步包括用于改變所述物體沿所述第三軸線(y)的位置以便實施光柵掃描從而獲得所述物體表面的表示的裝置。
18.如權利要求12-16中任一項所述的設備(100)，其中所述設備進一步包括用于圍繞經過所述物體(300)的一個點的第四軸線(Θ)改變所述物體的角位置以便實施角度掃描從而獲得所述物體表面的表示的裝置。
19.如權利要求12所述的設備(100)，其中用于確定所述物體在所述第二軸線(ζ)中的位置的裝置包括高精度位置傳感器裝置(170)。
20.如權利要求12所述的 設備(100)，其中所述圖像獲取裝置(120)包括顯微鏡物鏡和照相機(121)。
【文檔編號】G01B11/25GK103547883SQ201180071004
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2011年5月20日 優先權日:2011年5月20日
【發明者】F·拉古爾塔·伯特蘭, A·皮恩托·維拉, R·阿蒂加斯·珀薩爾斯, C·卡德瓦爾·阿蒂古埃斯 申請人:加泰羅尼亞理工大學