CN103547883A - 用于非接触测量表面的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于非接触测量表面的方法和设备。缝隙（m）被投射到物体表面上，其中基准点（X₁）在水平轴线（x）中最接近焦点位置中的最佳位置（P）。在反射了包含所述基准点（X₁）的光之后，视场区域（F）的一个图像被获取。物体（300）在竖直轴线（z）中的位置（Z₁）被确定。在反射了具有基准点(X₂,X₃…X_n)的光之后，通过同时沿轴线（z）移动物体（300）以维持基准点(X₂,X₃…X_n)最接近焦点位置中的最佳位置（P），相应视场区域（F）的图像被获取。确定获取图像的位置(Z₂,Z₃…Z_n)。对于每个图像确定沿水平轴线（x）的焦点位置中的最佳位置（P）。在焦点位置中的最佳位置（P）和基准点(X₁,X₂..X_n)之间的校正差分(Δ₁,Δ₂...Δ_n)被计算。

Description

用于非接触测量表面的方法和设备

技术领域

本文公开了非接触表面度量的方法。更具体地，提供了如在权利要求1的前序部分中限定的用于非接触测量表面的方法。

还公开了如权利要求12的前序部分中限定的用于非接触测量表面的设备。

背景技术

具有平坦和球形表面的光学组件相对易于制造和测量。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学组件被替换为具有复杂表面的光学组件，例如非球面和任意形式的表面。具有复杂表面的光学组件可以消除像差并且提供许多其他优点。具有复杂表面的光学组件通过使用机械加工、剖光和度量技术而获得。

近年来，由于对之前复杂的光学表面的机械加工的需要而开发出针对这种光学组件的高级的制造技术。对这种光学组件的度量要求由此变得越来越高。

用于表面特征的表面度量目前通过不同的技术实施，例如通过接触测量、扫描探针测量和非接触测量。

接触测量基于被牵引穿过样本的小型触针尖端（tip）的使用。样本表面上的峰顶和谷底均被尖端跟踪。所述尖端的上下移动被转换为信号，该信号被处理为数字数据，该数字数据可用于构造关于样本中的位置与在样本的该点处的高度的曲线。

所述尖端在样本表面上施加恒定的力，以便精确地跟随所述样本表面的形状。因此，基于接触的测量的一个主要的缺点是其是破坏性的，因为测量尖端始终接触被测量的样本。接触测量技术的另一个缺点是，虽然目前可以制造在微米数值范围以下的尖端，但比尖端自身尺寸更小的细节不能被测量。

扫描探针测量基于探针的使用，该探针接近待测量的表面操作并且与其相距某距离，其中在探针和所述表面之间施加力。在这种技术中，原子力显微镜被用于测量非球形表面。

非接触测量可以通过干涉测量、共焦轮廓测定或激光自动聚焦技术实施。

在干涉测量技术中，当基准波束在观测平面中覆盖在携带关于被测量表面的信息的波束之上时，干涉边缘被估计。反射波束中的相位差被测量，并且被转换为高度信息，使得可以获得表面轮廓。

通过使用干涉测量，获得关于被测量的样本表面的地形的信息。来自所述样本的波阵面与基准波阵面比较，使得在通常为照相机的探测器中的覆盖引起干涉图案，通过该干涉图案，可以估计测量表面和基准表面（通常为平坦的镜）之间的高度差。为了测量非球形表面，基准波阵面需要被修改为尽可能类似测量波阵面。由于干涉测量信号的性质，这是为了执行测量所必须的。当两个波阵面之间的相位差较大时，干涉图案中的边缘被压缩为使得照相机不能对其分解并且丢失一些信息。修改波阵面基准以使其类似于波阵面测量的技术被称为归零（nulling）。对于球形或平坦的样本，获得球形或平坦的基准波阵面是容易的。然而，对于非球形表面，由于需要非球形基准波阵面，获得基准波阵面变得复杂得多。

共焦轮廓测定由共焦显微镜执行，在所述共焦显微镜中，样本通过非常小的针孔被照明并且通过置于第二小针孔后面的光电探测器观察。以此方式，仅精确地来自焦平面的光才将到达光电探测器。通过拒绝聚焦的光，图像将来自物体的薄区段（小景深），使得通过扫描穿过对象的多个薄区段，可以构建该对象的非常清晰的三维图像。

通过使用投射到样本上的光的结构化图案和景深算法，还可以获得共焦深度分区。

WO9000754示出了共焦显微镜法的方式。共焦显微镜包括用于将光波束提供到透镜的光源，所述透镜将所述光聚焦到待检查的物体上，以便照明所述对象上或所述对象内的点观测场。自照明的点观测场反射的光被冷凝器收集并且传输到探测器。扫描装置使照明的点观测场相对于物体在扫描图案中移动。从光源到冷凝器的传输中流出的光以及返回的光经由光纤和光分离器传输，以便将返回的光转向到探测器。

激光自动聚焦技术可以被视为在光学上与接触测量技术等价。然而，在此情况下，触针尖端被替换为光学尖端，也就是，显微镜物镜的焦点。在激光自动聚焦技术的一个示例中，在通过显微镜物镜的分析下，离轴激光波束被输出到样本上。如果样本处于焦点处，则所述激光波束被反射达到探测器中心。如果样本不在焦点处，则激光波束将到达探测器的其他区域。当被探测时，物镜被移动，使得激光波束再次撞击在探测器中心上。为了执行测量，这种技术是基于移动光学尖端的，这种移动表示激光波束横穿样本并且再次聚集所述样本的每个位置，使得测量系统和样本之间的距离始终保持恒定（自动聚焦）。关于表面地形的信息由此通过由所述系统进行的沿样本的移动以保持其始终处于焦点中而获得。

上述度量技术允许复杂表面的形状和纹理的精确的估计。获得的数据与设计数据比较，以便获得之后被传送到剖光系统的校正数据。所述获得的数据相应于在从数十纳米到数百纳米的范围内的形状规范。

非球形表面的形状由下面的表达式给出：

$Z\left(X\right)=\frac{X^2/R}{1+\sqrt{1-(K+1)\frac{X^2}{R^2}}}+A_4{X}^4+A_6{X}^6+A_8{X}^8+A_{10}{X}^{10}$

其中Z是地形坐标（高度），而X是横坐标。R和K分别是曲率半径和圆锥常数，并且参数A₄,A₆,A₈,A₁₀等是非球面系数。对Z（x）的测量可重复性的度量要求是λ/25(≈10nm)的量级，而对最大形状误差（精确度）的度量要求是λ/10(≈50nm)。

然而，现有技术至今未提供关于通过非接触技术测量这些表面的问题的有效的解决方案。这主要是由于非球面项X²ⁿ的很强的非线性，其导致测量在远离所述表面的顶点（X=0）的点X处变得越发关键。要求测量的可靠性必须很高的点是光学表面的陡峭斜率区域中的点。

使剖光表面与陡峭斜率和要求的以微米尺度的比例尺的精确度的组合使得通过非接触光学技术的这些表面的度量成为最高难度的科学和技术挑战。

EP1555561公开了非接触表面配置的测量方法，其用于与激光探针成陡峭角度的表面的精确测量。在工件被旋转使得特定区域内的表面小于±30°后，测量包括相对于激光探针自最优测量状态倾斜±30°或更多的部件的所述特定区域。因此，即便在与常规区域不同的坐标系中也可以获得关于特定区域的精确测量的数据。

以上任一技术所具有的一个相关的问题是在期望高精确度的情况下的低速操作。进一步的缺点是这些方法是不连续的。

发明内容

本文提供了用于非接触测量非球形和任意形式的光学器件的表面的方法，其中容差在绝大多数情况下超过由机械装置提供的机械位移的限制。同样公开了能够执行这种方法的至少一些步骤的设备。

本方法和设备在例如透镜等复杂的小型物体的设计、制造、表示和度量中尤其有用，所述透镜例如非球形的任意形式的对称或不对称的透镜等。本方法和设备还可应用于制造注塑模具，例如用于上述透镜的模具。然而，将会理解，本设备和方法不限于上述应用，并且其大体涉及具有被期望测量的给定形状的小型组件的表面。

贯穿本公开，待测量的物体还可以被称为样本、工件、光学组件等。将通过本设备根据公开的方法测量的物体的一个具体的示例是光学透镜。

还将会理解，在本公开内的表面测量的含义涉及在依据选自尺寸、形状、纹理（粗糙度）等任意参数的测量下物体的地形特征。

本文公开了用于非接触测量物体的表面的共焦跟踪方法。该方法可以借助将在下面进一步公开的测量设备而实施。

本方法包括将光投射在物体表面的目标区域上。该目标区域包含至少位于物体表面的第一轴线中的基准点。所述基准点为距离焦点位置中的最佳位置最近的点。

如本文所述，距离焦点位置中的最佳位置最近的情况意味着该基准点位于用于成像物体表面的光学器件的景深内。

焦点中的最佳位置可以例如被确定为在具有基于结构化照明的焦深算法的最大轴向响应的视场中的点。

第一轴线可以对应于水平轴线。沿第一轴线测量的物体的位置是变化的。这意味着物体相对于测量设备的固定头部移动，这将在下面充分公开，或者反之亦然，也就是，测量设备的头部沿这个第一轴线相对于待测量的物体移动，所述待测量的物体保持固定。

如上所述，进一步实施的步骤包括在由包含所述基准点的物体表面反射被投射的光之后，获取视场区域的一个图像。这可以例如通过标准CCD照相机实施。此时，确定第二轴线中的物体的位置。

第二轴线可以对应于垂直于第一轴线的轴线。因此，待测量的物体，或者测量设备的头部，可以沿这个第二轴线竖直地移动。

如本文中所使用的，术语“图像”意图涉及处于特定位置和空间中的取向的物体表面的视场区域的任何复制的结果，特别是光学复制。所述图像在本文中还可以称为照片、帧、图片等。

以上步骤被重复，例如光被投射到物体表面的相继目标区域上，在所述目标区域中具有在第一轴线中的物体表面的相应的基准点。在通过包含所述基准点的物体表面反射被投射的光之后，获得相应的视场区域的多个图像。

当改变沿这个第一轴线测量的物体的位置时，物体的位置同时沿第二轴线变化。这通过以下方式实施，即通过使用将在以下进一步说明的共焦跟踪算法使基准点始终保持为尽可能接近焦点位置中的最佳位置。

例如借助高精度位置传感器确定物体在第一轴线和第二轴线中的位置。所述位置传感器能够测量物体在第二轴线中的位置，其中包含基准点的视场的所述图像被获得。

本方法包含的原理是，投射到物体表面的光是具有沿第一轴线光分布的光的图案。虽然在光的图案的定义中包括了连续形式或不连续形式等多种形式，但本方法优选的是，结构化光的图案被投射，包含被投射在物体表面上的测量缝隙。在本公开的意义中，将会理解，测量缝隙是与基本构成匹配物体移动方向（也就是第一轴线）的线的一组光点一起形成的光的一个缝隙图案。

在本方法中使用结构化照明是有利的。投射结构化光的图案允许物体中的焦点的最佳位置在视场内被更精确地确定。

本方法进一步包括如所公开的为已获得的每个图像沿第一轴线确定焦点中的最佳位置的位置。这允许获得相应的校正差分。这种校正差分可以被定义为沿第一轴线在焦点的最佳位置和基准点之间的距离。

通过关于第一轴线中的基准点的以上参数，以及所述校正差分和第二轴线中的物体的位置，可以获得物体表面的精确表示。通过获得的物体表面的表示，可以获得物体表面的非常精确的测量。在一些应用中，通过本方法获得的物体表面的测量可以与预定的设计数据相比较，使得校正数据可以被获得，并且之后被应用到例如自动机械加工设备等。

在本方法的第一实施例中，被测量的物体表面的表示可以通过构造具有以下形式的曲线而获得：

[(X₁+Δ₁,Z₁),(X₂+Δ₂,Z₂)…(X_n+Δ_n,Z_n)]

其中

(X₁,X₂,…X_n)表示第一轴线中的物体表面的基准点；

(Z₁,Z₂,…Z_n)表示第二轴线中的物体的相应的位置；以及

(Δ₁,Δ₂,…Δ_n)表示定义为沿焦点中的最佳位置和所述基准点之间的第一轴线的距离的校正差分或残留跟踪误差。该校正差分可以从像素单位转换为长度单位。校正差分值可以具有例如上至1μm的量级。

在本方法的第二实施例中，物体表面的表示可以包括实施光栅扫描。光栅扫描包括在沿第三轴线的物体表面的不同位置处投射测量缝隙。第一轴线和第三轴线可以彼此垂直并且与第二轴线垂直。第一轴线和第三轴线可以包含例如水平面，测量设备在使用时位于该水平面上。

这允许获得具有以下形式的三维视图：

[(X_i1+Δ_i1,Y_i,Z_i1),(X_i2+Δ_i2,Y_i,Z_i2)…(X_in+Δ_in,Y_i,Z_in)]

其中对于被测量的物体表面的i:1,2…m，

(X_i1,X_i2,..X_in)表示第一轴线中的物体表面的基准点；

(Z_i1,Z_i2,…Z_in)表示第二轴线中的物体的相应的位置；

(Y₁,Y₂,..Y_m)表示第三轴线中的物体的相应的位置；以及

(Δ_i1,Δ_i2,...Δ_in)表示定义为沿焦点中的最佳位置和所述基准点之间的第一轴线的距离的校正差分或残留跟踪误差。再一次地，该校正差分可以从像素单位转换为长度单位，以便构造物体表面的三维视图。校正差分值可以具有例如上至1μm的量级。

在本方法的第三实施例中，可以通过分解物体而获得三维视图，以便通过角度扫描获得物体表面的表示。角度扫描包括围绕经过物体的一个点的第四轴线分解所述物体，所述点例如物体的旋转中心。物体表面的完整表示包含围绕第四轴线360°分解的物体。在执行角度扫描的所述方法的本实施例中，测量缝隙被投射在第四轴线的不同的角位置。可以获得具有以下形式的三维视图：

[(X_i1+Δ_i1,θ_i,Z_i1),(X_i2+Δ_i2,θ_i,Z_i2),…(X_in+Δ_in,θ_i,Z_in)]

其中对于被测量的物体表面的i:1,2…m，

(X_i1,X_i2,..X_in)表示第一轴线中的物体表面的基准点；

(Z_i1,Z_i2,…Z_in)表示第二轴线中的物体的相应的位置；

(θ₁,θ₂,…θ_m)表示第四轴线中的物体的相应的角位置(θ)；以及

(Δ_i1,Δ_i2,...Δ_in)表示定义为沿焦点中的最佳位置和所述基准点之间的第一轴线的距离的校正差分或残留跟踪误差。再一次地，该校正差分可以从像素单位转换为长度单位，以便构造物体表面的三维视图。校正差分值可以例如上至1μm。

在上述任意实施例中，公开的跟踪方法是基于共焦跟踪技术的，其中物体的相对位置沿第一轴线和第二轴线同时（优选以稳定速率）变化。在任何情况下，被测量的物体的位置的变化应该被理解为相对于测量设备的物体的移动或测量设备的移动，或者理解为测量设备的一部分，例如测量头相对于被测量的物体的移动。本方法有利地检索关于沿被投射的测量缝隙的焦点位置中的最佳位置的信息。

如上所述，在物体的位置沿第二轴线变化时，所述物体的位置沿第一轴线变化。所述物体的位置沿第二轴线的这种变化被执行，使得物体表面始终处于焦点。这通过基于结构化照明的焦深算法实施。这种算法可以是例如基于自动聚焦算法的闭环控制，并且更特别地是基于闭环比例积分微分控制器（PID）的控制算法。

通过这种算法，一旦物体表面处于焦点中，则其沿第一轴线（例如横向）的位置在改变其沿第二轴线的位置时发生变化，使得物体表面始终处于焦点中。当物体沿第一轴线移动时，所述焦点将被基本维持在视场的中心。优选的是，所述物体的位置沿第一轴线的变化被连续地并以稳定的速率实施。

基于PID的控制算法使得被测量的物体始终处于焦点中，这是通过当被测量的物体沿第一轴线的位置变化时，改变该物体沿第二轴线的位置而实现的。在一些实施例中，PID算法是广泛用于工业控制系统的控制回路反馈机制。PID控制器试图通过计算和输出可以因此调节所述过程的校正动作而校正测量的过程变量和其他的设定点之间的误差。以比例、积分和微分参数给出PID算法。比例参数确定对当前误差的反应。积分参数基于当前误差的和确定所述反应。微分参数确定对误差变化的速率的反应。通过调节PID算法中的这些参数，可以获得设计用于具体过程要求的控制动作。并非始终需要使用全部三个参数。

本方法可以进一步包括以下步骤：确定位于视场区域中的相同的预定位置处的每个视场区域的基准点。

通过以上公开的共焦跟踪方法，对象表面的2D轮廓图和3D轮廓图可以通过改变物体相对于第一轴线、第二轴线和第四轴线的位置而获得。这可以通过测量设备中的驱动单元实施，其将在下面被更详细地说明。

在与本方法的上述公开的实施例中任意实施例的组合中，可以额外地执行定心(centering)步骤。该定心步骤对于以将测量缝隙投射到物体的顶点位置上的方式精确地定位待测量的物体是有效的。该步骤可以特别地与具有对称的分辨率的物体表面有关。

这种定心步骤可以包括将至少两个侧缝隙投射到显微镜物镜的焦平面上。在一些实施例中，例如可以投射例如20-40个侧缝隙的一组侧缝隙。这些侧缝隙被投射，使得其平行于测量缝隙。

所述侧缝隙被投射，使得其彼此间隔开并且与测量缝隙间隔开。这种缝隙间隔由沿第三轴线的距离给定。不同的投射的侧缝隙通过测量缝隙位于投射的侧缝隙之间的方式在不同点处与第三轴线相交。物体的位置沿第三轴线变化，直至沿在测量缝隙的两侧并且在所述两侧距测量缝隙等间隔的两个侧缝隙的焦点位置点中的最佳位置点被发现在第一轴线中具有相同的坐标。由此投射的测量缝隙将匹配物体的顶点位置。

在本方法的进一步的定心步骤中，机械装置可以可替换地或额外地用于定位待测量的物体，使得测量缝隙被投射到物体的顶点位置上。

如上所述，可以通过非接触的高精度的快速测量设备实施本方法的至少一些步骤，现在将对此加以说明。这种设备是光学轮廓仪，其能够测量从非球形表面到平坦表面或任意形式的表面的任意光学表面。这种非接触测量装置由此用于广泛的应用，例如光学数据存储器、蜂窝电话中的透镜、数码相机、投影仪以及高精度的应用等。

所公开的设备包括光投射装置。这些光投射装置可以包括例如：LED、光圈、准直光学器件、反射镜、光学透镜、分束器以及显微镜物镜中的至少一个。

本设备的光投射装置被适当地设计用于将光投射到例如光学透镜等待测量的物体表面的目标区域上。由光投射装置照明的这种目标区域包含上述在物体表面的第一轴线中的基准点，该基准点最接近焦点位置中的最佳位置。

本设备的光投射装置用于以下目的，即将具有沿第一轴线光分布的光的图案投射到被测量的物体表面上。这种光投射装置可以包括显微镜物镜。这种物镜的一个示例可以是超长工作距离（SLWD）无限校正的尼康100x物镜。这种物镜的特征在于0.7的高数值孔径（NA）以及6.5mm的工作距离。通过使用这种高数值孔径透镜，确保了对具有高达35°的局部斜率的表面的测量。另一方面，由于这种长工作距离，允许舒适的操作，而不具有碰到物体表面的风险，这在由操作者在生产环境中使用本方法时尤为重要。所述100x SLWD物镜具有约1μm的景深，使得仅在物镜的焦平面周围1μm区域内的被测量的物体的部分被充分聚焦。这种光的图案可以包括广泛的形式。然而，所述设备能够投射的光的图案优选为测量缝隙。如上所述，这种测量缝隙可以成像在沿第一轴线的显微镜物镜的焦平面上。测量缝隙自光投射装置中的光圈形成，使得这种特定的图案被精确地投射到显微镜物镜的焦平面上。可以根据物镜放大应用减小因数。

所公开的设备进一步提供图像获取装置，其用于在通过物体表面反射投射的光之后获取包含所述基准点的视场区域的图像。所述图像获取装置可以包括显微镜物镜和照相机。在图像获取装置的一个具体示例中，其可以包括构成共焦配置的CCD照相机。在这个共焦配置中，测量缝隙由光投射装置成像在平面上，该平面反过来由图像获取装置成像在CCD照相机上。CCD照相机意图在通过物体表面反射投射的光之后获取包含所述基准点的上述视场的图像。本设备的照相机能够在给定时间（帧速率）中获得多个连续图像（帧）。在一个示例中，使用的照相机可以获得至少每秒50帧（fps）。对于每个获取的图像，沿投射的测量缝隙的焦点中的最佳位置可以通过以下方式获得，即通过确定具有基于结构化照明的焦深算法的最大轴向响应的点。

公开的设备进一步提供用于改变物体沿第一轴线的位置的装置。应该注意的是，上述包括物体是固定的并且测量设备的一个或多个部件相对于所述物体移动的实施例、测量设备的所述部件是固定的并且物体相对于所述部件移动的实施例以及涉及上述关于被测量的物体的位置变化的实施例的组合的实施例。

在测量设备的一个或多个部件是固定的并且物体相对于所述部件移动的一个实施例中，用于改变物体沿第一轴线的位置的装置可以包括与磁线性马达结合的至少一个高精度空气轴承台。多亏了空气轴承台，提供了在物体和所述设备之间的小气隙，例如3μm量级的小气隙。因此，在用于改变物体的相对位置的装置和物体本身之间不存在接触，使得确保了所述物体和设备的连续和恒定的相对移动。在一个具体实施例中，用于改变物体沿第一轴线的相对位置的装置可以例如是可自Aerotech获得的100mm的行程驱动单元模型ABL-15010。这种驱动单元具有低于100nm的平面度误差。由于其完全可重复的行为，所述驱动单元可以被校准，使得平面度误差可以变为约10nm，这是低于所述设备的期望精度的数值。

所公开的设备进一步提供用于在基准点被维持为尽可能接近焦点位置中的最佳位置的情况下改变所述物体沿第二轴线的位置同时改变所述物体沿第一轴线的位置的装置。用于同时改变所述物体沿第二轴线的位置的所述装置可以包括至少一个交叉辊轴承台。为了减少平直度、平面度和线性测量误差，提供这种类型的轴承是重要的。

用于同时改变所述物体沿第二轴线的位置的装置根据上述在协同移动中的闭环算法而运行，使得焦点始终被维持在视场的中心，直至达到期望的测量长度。

本设备进一步包括测量头，其中提供了所述光投射装置和图像获取装置。所述测量头可以由例如花岗岩制成的柱状物支撑。这种材料具有高弯曲强度和非常低的热膨胀，并且其适合于10nm量级的高精度测量。

所公开的设备进一步提供用于确定沿第二轴线的相应的基准点的位置的装置。这些装置可以是高精度位置传感器装置，并且其还可以包括在测量头中。所述装置适合于精确地确定所述物体沿第二轴线的相对位置。在一些实施例中，高精度位置编码器可以用于确定在第一轴线和第二轴线中的位置，例如高精度线性编码器。

在本设备的优选实施例中，可以设想所述设备进一步包括用于以使测量缝隙被投射到物体的顶点位置上的方式定位待测量的物体的定心装置。这可以通过使用定心装置完成。在一个实施例中，定心装置可以包括用于将至少两个侧缝隙沿相应的侧轴线投射到显微镜物镜的焦平面上的装置。这些侧轴线可以与第一轴线平行。所述侧缝隙以其沿第三轴线彼此间隔给定距离的方式被投射到显微镜物镜的焦平面上。所述侧缝隙被投射，使得测量缝隙处于侧缝隙之间。定心装置可以进一步包括用于改变所述物体沿第三轴线的位置直至沿在测量缝隙的两侧并且在所述两侧距测量缝隙等间隔的两个侧缝隙的焦点位置点中最佳位置点被发现在第一轴线中具有相同的坐标的装置。

通过本设备，可以根据上述方法执行物体表面的光栅扫描。光栅扫描涉及侧对侧扫视所述物体，也就是，改变所述物体沿第三轴线的位置，同时改变所述物体沿第二轴线的位置。光栅扫描允许获得物体表面的表示。为此目的，进一步提供了用于改变所述物体沿第三轴线的位置的装置。

本设备还能够根据以上方法执行物体的角度扫描，特别是具有对称分辨率的物体表面的角度扫描，以便获得其表面的表示。这涉及改变物体在经过物体的一点的第四轴线周围的角位置，所述点例如所述物体的旋转中心。在一个具体的实施例中，物体被分解，使得测量缝隙被投射在第四轴线的不同的角位置。因此，所述设备提供了用于围绕第四轴线分解所述物体的适当的装置。类似于光栅扫描，角度扫描允许获得物体表面的三维视图。

所公开的设备提供了多个优点。结合了高数值孔径物镜的共焦配置的使用提供了极高的物体表面的深度分区能力，取决于物镜，该能力可以比2nm更精确。

本设备的定心装置允许物体的顶点被自动确定，而不需要进行除确定焦点中的两个最佳位置位于沿其各自侧缝隙的相同位置中以外的任何测量。

通常，本非接触表面度量设备利用的事实是，其适合于实施所公开的方法，所述方法不是基于单个点的方法，而是基于图像的方法，基于结构化照明的整个图案。结构化照明的使用允许在视场内聚焦的点被更精确地确定。

此外，能够以连续的方式由本设备实施上述方法的步骤中的至少一些，因此所述方法在使用时不停止。可以实现1mm/s甚至更快的测量速度。

所公开的方法和设备已被证实对即便在具有高局部斜率的区域中的复杂表面也极为有效，在所述区域中，撞击照相机反射的光的强度非常弱。基于样本的几何构形，可以使用能够测量高达65°的斜率的显微镜物镜。

本方法和设备的其他优点是10nm的量级的测量的高度可重复性、50nm的量级的形状精度中的减小的误差、高于1mm/s的高速以及分析获得的数据的可行性。

在检阅了本说明书后，本方法和设备的实施例的其他目的、优点和特征对于本领域技术人员将变得清楚，或者可以通过本发明的实践获得。

附图说明

本方法和设备的特定实施例将在以下通过参考附图的非限制性示例的方式加以说明，在附图中：

图1是用于非接触测量物体的表面的设备的一个示例性实施例的示意性的正面图；

图2a和图2b是以执行以用于物体表面的非接触测量的方法的不同步骤显示的图1中的设备的示意图；以及

图3是图2a的放大部分的示意性俯视平面图。

具体实施方式

所述附图说明了非接触的高精度的快速测量设备的一个示例性实施例。图1中所示的所述设备的非限制性的示例一般由100表示。光学轮廓仪能够测量任何光学表面。虽然在许多应用中均是有用的，但本示例涉及用于透镜的表面的非接触测量的测量设备100。所述透镜在本文的附图中一般表示为300。

测量设备100包括光投射装置110，该光投射装置110包括一个或一系列LED111。在所示的设备100中的这种光投射装置110适合于将结构化光的图案通过光圈112投射到透镜300的目标区域上。如图1中所示，光投射装置110进一步包括准直光学器件113、45°的反射镜（mirror）114、光学透镜115、分束器116以及显微镜物镜150。

透镜300的目标区域包含基准点X₁,X₂,X₃…X_n，其中的一个基准点X₁在附图中的图2a和图2b中示出。基准点X₁,X₂,X₃…X_n在透镜300的水平轴线x中。基准点X₁,X₂,X₃…X_n是最接近焦点位置中的最佳位置的那些基准点，在附图中以P示出，也就是，那些在光学器件150的景深内用于成像透镜300的表面的基准点。由示出的设备100中的投射装置110投射的上述结构化光的图案具有沿水平轴线x的具有测量缝隙m的形式的光分布，如在附图中的图2a、图2b和图3中所示。

测量缝隙m因此被沿水平轴线x投射在显微镜物镜150的焦平面上。使用的物镜150是超长工作距离（SLWD）无限校正的尼康100x物镜，其具有0.7的高数值孔径（NA）以及6.5mm的工作距离。所述100x SLWD物镜具有约1μm的景深，使得仅在物镜150的焦平面周围1μm区域内的被测量的物体的部分被充分聚焦。

测量设备100进一步包括图像获取装置120，其所示的特定示例中包括具有50fps的量级的帧速率的CCD照相机121。对于每个获取的图像，沿投射的测量缝隙的焦点中的最佳位置P可以通过以下方式获得，即通过确定具有基于结构化照明的焦深算法的最大轴向响应的点。在由透镜300的表面反射被投射的光之后，照相机121能够获取包含基准点X₁,X₂,X₃…X_n的视场区域F的图像。

图像获取装置120进一步包括上述显微镜物镜（其由光投射透镜110和图像获取装置120共享）、反射镜117和场透镜（field len）118。分束器116将光投射装置110与图像获取装置120耦合。

测量设备100进一步包括用于改变透镜300沿水平轴线x的位置的装置130，也就是，用于使透镜300横向移动的装置。

测量设备100进一步包括用于使测量头160沿竖直轴线z移动的装置140，也就是，用于使测量头160沿竖直轴线z竖直移动使得基准点X₂,X₃…X_n被维持为尽可能接近如图2a、图2b和图3中所示的焦点位置中的最佳位置P的装置。

改变透镜300沿水平轴线x的位置的装置130包括至少一个高精度空气轴承台。所使用的所述台是可从Aerotech获得的100mm行程驱动单元模型ABL-15010。

对于用于同时改变透镜300沿竖直轴线z的位置的装置140，在所示实施例中，所述装置140包括一个或多个交叉辊轴承台。

两个装置130、140的提供允许测量头160沿轴线z竖直移动，同时沿轴线x水平移动透镜300，使得基准点X₁,X₂,X₃…X_n被维持为根据闭环跟踪算法尽可能接近焦点位置中的最佳位置P。

设备100还提供了用于确定基准点X₁,X₂,X₃…X_n在竖直轴线z中的位置Z₁,Z₂,Z₃…Z_n的装置170。此外，还提供了用于确定透镜300在水平轴线x中的位置的装置。用于确定透镜300的位置的这些装置中的全部或一些可以包括高精度线性编码器。

应该注意到，竖直轴线z中的点Z₁,Z₂,Z₃…Z_n涉及由设备100测量的透镜300的点的竖直位置。在这方面，用于改变透镜300沿竖直轴线z的位置的装置140使测量头沿轴线z竖直移动，由此引起透镜300的点Z₁,Z₂,Z₃…Z_n（相应于借助上述跟踪算法聚焦的点）沿所述轴线z变化。

光投射装置110和图像获取装置120被装入提供在测量设备100中的测量头160中。这种测量头160由花岗岩柱状物（未示出）支撑以用于更高精度的测量。

所公开的设备100可以运行以实施以下步骤，以便执行透镜300的非接触的高精度快速测量：

将测量缝隙m投射到待测量的透镜300的表面的目标区域上，在所述表面中的水平轴线x中存在基准点X₁，该基准点X₁最接近焦点位置中的最佳位置P，如附图中的图2a所示；

在由包含这个基准点X₁的透镜300的表面反射投射的光之后，获取相应于视场区域F的一个图像；

确定透镜300在竖直轴线z中的竖直位置Z₁；

将测量缝隙m投射到透镜300的表面上的相继目标区域上，在所述表面中的所述水平轴线x中存在透镜300的相应的基准点X₂,X₃…X_n；

在由包含基准点X₂,X₃…X_n的透镜300的表面反射投射的光之后，通过在维持基准点X₂,X₃…X_n尽可能接近如图2a或图2b所示的焦点位置中的最佳位置P的同时改变测量头160沿竖直轴线z的竖直位置Z₂,Z₃…Z_n，获取相应的视场区域F中的多个图像；

确定透镜300的每个对应位置的竖直位置Z₂,Z₃…Z_n，在所述位置中，获取了包含基准点X₂,X₃…X_n的视场区域F中的图像；

对于每个获取的图像确定沿水平轴线x的焦点中的最佳位置P的位置；

计算如附图中的图3所示的对应的校正差分Δ₁,Δ₂...Δ_n，作为沿水平轴线x在焦点中的最佳位置P和基准点X₁,X₂…X_n之间的距离（校正差分Δ₁,Δ₂...Δ_n之后被从像素单位转换为长度单位，并且具有上至1μm的量级）；以及

通过水平轴线x中的基准点X₁,X₂…X_n以及校正差分Δ₁,Δ₂...Δ_n和透镜300在竖直轴线z中的竖直位置Z₁,Z₂…Z_n，获得透镜300的表面的表示。

当根据上述方法步骤运行时，测量设备100能够提供透镜300的表面的2D轮廓图。更具体地，测量设备100能够根据以下曲线[(X₁+Δ₁,Z₁),(X₂+Δ₂,Z₂)…(X_n+Δ_n,Z_n)]提供透镜300的表面的精确的轮廓图。

此外，当根据上述方法步骤运行时，测量设备100能够提供透镜300的3D图示。更特别地，测量设备100能够提供：

通过实施光栅扫描提供根据透镜300的表面的三维图示[(X_i1+Δ_i1,Y_i,Z_i1),(X_i2+Δ_i2,Y_i,Z_i2)…(X_in+Δ_in,Y_i,Z_in)],其中i:1,2…m的透镜300的所述表面的精确的表示，在所述光栅扫描中，测量缝隙被投射在垂直于第一轴线x的第三轴线y的不同位置Y₁,Y₂,..Y_m；以及

通过实施角度扫描提供根据透镜300的所述表面的三维图示[(X_i1+Δ_i1,θ_i,Z_i1),(X_i2+Δ_i2,θ_i,Z_i2),…(X_in+Δ_in,θ_i,Z_in)],其中i:1,2,…m的透镜300的所述表面的表示，所述角度扫描包括围绕经过透镜300的旋转中心的轴线分解透镜300，使得测量缝隙被投射在经过透镜300的第四轴线的不同角位置θ₁,θ₂,…θ_m。

适当的曲线分析软件，例如最佳拟合和/或标称形状比较分析软件，可以用于处理透镜300的2D轮廓图和3D图示。这种软件可以是设备100的部件，或者其可以自远程定位的计算机系统运行。

虽然本文仅公开了本设备和方法的多个特定的实施例和示例，但本领域技术人员将理解其他可替换的实施例和/或用途以及显然的修改及其等价物均是可行的。

本公开覆盖本文说明的特定实施例的全部可能的组合，并且不应被限于特定的实施例，而是应该仅由对以下的权利要求的合理解读而确定。

Claims (20)

1.一种用于非接触测量物体（300）表面的方法，所述方法包括以下步骤：

将光投射到物体表面的目标区域上，其中在所述物体表面的至少第一轴线（x）中存在基准点（X₁），使得所述基准点（X₁）最接近焦点位置中的最佳位置（P）；

在由包含所述基准点（X₁）的物体表面反射投射的光之后，获取视场区域（F）的一个图像；

确定所述物体在第二轴线（z）中的位置（Z₁）；

将光投射到物体表面上的相继目标区域上，其中所述第一轴线（x）中存在所述物体表面的相应的基准点（X₂,X₃…X_n）；

在由包含所述基准点（X₂,X₃…X_n）的物体表面反射投射的光之后，通过同时改变所述物体（300）沿第二轴线（z）的所述位置以便维持基准点（X₂,X₃…X_n）尽可能接近焦点位置中的最佳位置（P），获取相应的视场区域（F）中的多个图像；以及

确定所述物体（300）的每个对应位置的位置（Z₂,Z₃…Z_n），其中获取了包含所述基准点（X₂,X₃…X_n）的所述视场区域的所述图像；

其特征在于

所述将光投射到物体表面的目标区域上的步骤通过投射具有沿至少所述第一轴线（x）光分布的光（m）的图案而实施；

并且其中所述方法进一步包括以下步骤：

对于每个获取的图像确定沿第一轴线（x）的焦点中的最佳位置（P）的位置；

计算对应校正差分（Δ₁,Δ₂...Δ_n），作为沿第一轴线（x）在所述焦点中的最佳位置（P）和基准点（X₁,X₂…X_n）之间的距离；以及

获得物体表面的表示，所述表示至少涉及关于所述第一轴线（x）中的所述基准点（X₁,X₂…X_n）以及所述校正差分（Δ₁,Δ₂...Δ_n）和所述物体在所述第二轴线（z）中的位置（Z₁,Z₂…Z_n）的参数。

2.如权利要求1所述的方法，其中被投射到所述物体表面上的光的图案是沿所述第一轴线（x）投射到显微镜物镜（150）的焦平面上的测量缝隙（m）。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述获得所述物体表面的表示的步骤包括构造曲线[(X₁+Δ₁,Z₁),(X₂+Δ₂,Z₂)…(X_n+Δ_n,Z_n)]，其涉及关于所述第一轴线（x）中的所述基准点（X₁,X₂…X_n）以及所述校正差分（Δ₁,Δ₂...Δ_n）和所述物体在所述第二轴线（z）中的位置（Z₁,Z₂…Z_n）的参数，使得给出被测量的所述物体表面的轮廓的曲线被确定。

4.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中所述获得所述物体表面的表示的步骤包括实施光栅扫描，所述光栅扫描包括将所述测量缝隙（m）投射在第三轴线（y）的不同位置(Y₁,Y₂,..Y_m)，以便获得被测量的物体表面的三维图示[(X_i1+Δ_i1,Y_i,Z_i1),(X_i2+Δ_i2,Y_i,Z_i2)…(X_in+Δ_in,Y_i,Z_in)],其中i:1,2…m，所述图示涉及关于所述第一轴线（x）中的所述基准点(X_i1,X_i2,..X_in)以及在所述第三轴线（y）的不同位置(Y₁,Y₂,..Y_m)处的所述校正差分(Δ_i1,Δ_i2,...Δ_in)和所述物体在所述第二轴线（z）中的位置(Z₁,Z_i2,…Z_in)的参数。

5.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中所述获得所述物体表面的表示的步骤包括实施角度扫描，所述角度扫描包括围绕经过所述物体的一个点的轴线分解所述物体，使得测量缝隙（m）被投射在第四轴线（θ）的不同角位置（θ₁,θ₂,…θ_m），以便获得被测量的物体表面的三维图示[(X_i1+Δ_i1,θ_i,Z_i1),(X_i2+Δ_i2,θ_i,Z_i2),…(X_in+Δ_in,θ_i,Z_in)],其中i:1,2,…m，所述图示涉及关于所述第一轴线（x）中的所述基准点(X_i1,X_i2,..X_in)以及在所述第四轴线（θ）的不同角位置(θ₁,θ₂,…θ_m)处的所述校正差分(Δ_i1,Δ_i2,...Δ_in)和所述物体在所述第二轴线（z）中的位置(Z₁,Z_i2,…Z_in)的参数。

6.如权利要求2或权利要求5所述的方法，其中所述方法进一步包括定心步骤，用于以所述测量缝隙（m）被投射到所述物体（300）的顶点位置上的方式定位待测量的所述物体（300），所述定心步骤包括：

将至少两个侧缝隙投射到所述显微镜物镜（150）的焦平面上，所述侧缝隙基本平行于所述测量缝隙（m）并且沿第三轴线（y）与所述测量缝隙（m）间隔给定距离，使得所述测量缝隙（m）处于所述侧缝隙之间；以及

改变所述物体（300）沿所述第三轴线（y）的位置，直至沿在测量缝隙（m）的两侧并且在所述两侧距所述测量缝隙（m）等间隔的两个侧缝隙的焦点位置点中的最佳位置点（P）被发现在所述第一轴线（x）中具有相同的坐标。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中同时移动所述第二轴线（z）以便维持基准点（X₂,X₃…X_n）尽可能接近焦点位置中的最佳位置（P）是通过使用基于结构化照明的焦深算法而实施的。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤：为每个视场区域（F）确定所述基准点(X₁,X₂,X₃…X_n)，所述基准点位于所述视场区域（F）中的相同的预定位置处。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中焦点中的最佳位置（P）被确定为在具有基于结构化照明的焦深算法的最大轴向响应的视场中的点。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤：将校正差分(Δ₁,Δ₂…Δ_n)从像素单位转换为长度单位。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述校正差分(Δ₁,Δ₂…Δ_n)等于或小于1μm。

12.一种用于根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法非接触测量物体（300）表面的设备（100），其中所述设备（100）包括：

光投射装置（110），用于将光投射到物体表面的目标区域上，其中在最接近焦点位置中的最佳位置（P）的所述物体表面中的第一轴线（x）中存在基准点（X₁,X₂,X₃…X_n）；

图像获取装置（120），用于在由所述物体表面反射投射的光之后，获取包含所述基准点（X₁,X₂,X₃…X_n）的视场区域（F）的一个图像；

用于确定第二轴线（z）中的相应的基准点（X₂,X₃…X_n）的位置(Z₁,Z₂,Z₃…Z_n)的装置；

用于改变所述物体（300）沿所述第一轴线（x）的位置的装置；

用于同时改变所述物体（300）沿第二轴线（z）的位置使得所述基准点(X₂,X₃…X_n)被维持为尽可能接近焦点位置中的最佳位置（P）的装置；

其特征在于，所述光投射装置（110）适合于投射具有沿所述第一轴线（x）光分布的光（m）的图案。

13.如权利要求12所述的设备（100），其中被投射到所述物体表面上的光的图案是沿所述第一轴线（x）投射到显微镜物镜（150）的焦平面上的测量缝隙（m）。

14.如权利要求12或权利要求13所述的设备（100），其中所述设备进一步包括测量头（160），所述测量头（160）包括所述光投射装置（110）和所述图像获取装置（120）。

15.如权利要求12-14中任一项所述的设备（100），其中所述光投射装置（110）包括LED（111）、光圈（112）、准直光学器件（113）、反射镜（114）、光学透镜（115）、分束器（116）以及显微镜物镜（150）中的至少一个。

16.如权利要求12-15中任一项所述的设备（100），其中所述设备进一步包括定心装置，用于以所述测量缝隙（m）被投射到所述物体（300）的顶点位置上的方式定位待测量的所述物体（300），所述定心装置包括：

用于将至少两个侧缝隙沿对应侧轴线（x’）投射到所述显微镜物镜（150）的焦平面上的装置，所述侧轴线（x’）基本平行于所述第一轴线（x）并且沿第三轴线（y）与所述第一轴线（x）间隔给定距离，使得所述测量缝隙（m）处于所述侧缝隙之间；以及

用于改变所述物体沿所述第三轴线（y）的位置直至沿在测量缝隙（m）的两侧并且在所述两侧距所述测量缝隙（m）等间隔的两个侧缝隙的焦点位置点中的最佳位置点（P）被发现在所述第一轴线中具有相同的坐标的装置。

17.如权利要求12-16中任一项所述的设备（100），其中所述设备进一步包括用于改变所述物体沿所述第三轴线（y）的位置以便实施光栅扫描从而获得所述物体表面的表示的装置。

18.如权利要求12-16中任一项所述的设备（100），其中所述设备进一步包括用于围绕经过所述物体（300）的一个点的第四轴线(θ)改变所述物体的角位置以便实施角度扫描从而获得所述物体表面的表示的装置。

19.如权利要求12所述的设备（100），其中用于确定所述物体在所述第二轴线（z）中的位置的装置包括高精度位置传感器装置（170）。

20.如权利要求12所述的设备（100），其中所述图像获取装置（120）包括显微镜物镜和照相机（121）。

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