CN104797903A - 通过校准测量头的方向来获得表面形貌的光学测量方法以及具有测量头的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于获得被测物体(2)的表面形貌(1)的光学测量方法。为此，提供一种测量装置(3)，测量装置(3)包括位于测量头导向装置(5)上的测量头(4)，用于表面形貌(1)的光谱共焦获得，或用于获得表面形貌(1)的光谱干涉OCT距离测量。光源(6)的光谱光从包括i个光纤(8)的光纤阵列(7)通过共用测量头镜片(10)以i个测量光斑(12至15)的形式施加到被测物体(2)上，其中，i个测量光斑(12至15)形成光斑阵列(11)。接着，获得i个测量通道的i个反射光谱，并将其数字化。通过计算系统测量误差的时间变化以及测量头导向装置(5)的时间诱导的偏差运动来估计所数字化的反射光谱，包括下列步骤：在时间t(j)，获得i个测量通道的几何距离值(a、b、c)，获得被测物体表面(16)上的i个测量光斑的三维位置值；获得被测物体表面(16)相对于包括投射到被测物体表面(16)上的三角形(17)的至少三个测量光斑(12、13、14)的测量头(4)的局部倾斜度，以校正测量值；通过测量头(4)上的三维加速度传感器将测量头导向装置(5)的时间诱导的偏差运动分离出去来关联局部形貌；生成校正的局部形貌。

Description

通过校准测量头的方向来获得表面形貌的光学测量方法以及具有测量头的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于获得被测物体的表面形貌的光学测量方法。为此，提供一种测量装置，所述测量装置具有位于测量头导向装置上的测量头，以获得表面形貌。

背景技术

从公开DE 10 2008 041 062 A1中得知一种用于测量表面的测量装置。已知的测量装置产生测量光束，测量光束在穿过三个分开的聚焦光学元件之后入射到物体的表面，被物体反射，然后与干涉迭加的参考光一起被空间分辨光探测器检测。

为了实现这个目的，已知的测量装置具有包括至少三个分开的聚焦光学元件的光学组件。这些分开的聚焦光学元件的主轴相对于彼此偏移，并且并排排列。此外，已知的测量装置具有设置在测量光束的光路上的分束器。此外，已知的装置设置有参考面和空间分辨光探测器。

光源、分束器和光学元件相对于彼此被设置为使得：测量光由光源发出，穿过聚焦光学元件、入射到表面并由表面反射，然后经由聚焦光学元件进入到探测器。此外，已知的测量装置具有估计系统，用于从空间分辨光探测器接收图像数据，并输出表示表面的表面形状的测量数据。为此，获得表示表面的位置与聚焦光学元件的位置之间的距离的距离值。估计系统从这些距离值中生成表示表面的表面形状的参数。

此外，上面的公开披露了一种用于测量物体的表面的方法，具体地，所述方法包括下列步骤。首先，产生测量光。由该测量光形成第一部分的测量光的三束子会聚光，以照亮物体的表面的三个彼此相距一定距离的区域。反射光或由表面反射的光的三束子光束与第二部分的测量光一起被引导朝向空间分辨探测器，以产生干涉。最后，由用于检测光强度的探测器分析这些干涉光，从而通过相应的测量数据来表示表面的表面形状。

已知装置的缺点是：由于已知装置的光学元件分开排列并且并排设置，所以已知装置需要相当大的空间。另一缺点在于：在已知的实施例中，没有采取措施来考虑以任何方式对被测物体进行估计期间或相应地校正测量结果时所带来的系统测量误差、绝对距离值的长期变化或参考路径的偏差。结果，已知的测量装置无法提供可靠的数据，尤其是纳米量级的数据，以获得这种尺寸的表面形貌。

发明内容

在本文中，光谱共焦测距技术被理解为指利用透镜使不同波长的光具有不同的焦点的效应的方法。光谱共焦测距利用光学成像系统中的宽光谱光的色散来确定从反射表面到测量头的距离。通常采用第一针孔光圈或光纤端面形式的宽光谱点光源通过光学成像系统聚焦到物体上。这里，从焦点到成像系统的距离是明确的、永久定义的波长的函数。反射光通过相同的成像系统再次成像，并且通过照明光路被解耦并投射到位于分束器的镜像点处的针孔光圈上。可选地，反射光可被直接返回到第一针孔光圈中，然后被解耦。针孔光圈后面的探测器确定反射光的主波长。根据已知的各个波长的焦距，可直接利用主波长直接确定物距。这一方法的优点是不存在运动的元件。

在优选的实施例中，来自光源的光耦合到光纤中，穿过光纤耦合器，并在光纤端面从测量头出射。从被测物体返回的光再次进入光纤端面中，并朝向光纤耦合器处的检测器行进。这里，光纤端面形成用于照射物体的光点以及用于过滤测量光的针孔光圈两者。

光学相干断层扫面(OCT)是一种检查方法，在所述方法中，在干涉仪的帮助下利用宽光谱光来测量物体之间的距离。在该方法中，通过点扫描来检查物体。具有已知光程长度的臂用作测量臂的参考臂。两个臂的部分波的干涉形成图案，从所述图案中可读出两个臂的光程长度之间的差异。两种干涉测量和估计方法分为：“时域”OCT和“频域”OCT。它们一方面涉及到时域(TD)信号，另一方面涉及到频域(FD)信号。简单地说，这意味着在不考虑光谱的情况下改变频率臂的长度然后连续测量干涉强度(时域)，或者获得各个光谱分量的干涉(频域)。

本发明的一个目的是提供一种用于获得被测物体的表面形貌的光学测量方法，通过使用所述光学测量方法可以将测量精度提高到纳米量级，并且，为此可以创造一种合适的测量装置。

利用独立权利要求的主题实现这一目的。在从属权利要求中具体说明了优选的实施例。

根据本发明的第一方面，提供一种用于获得被测物体的表面形貌的光学测量方法(尤其是纳米量级的光学测量方法)。为此，提供一种测量装置，具有位于测量头导向装置上的测量头，用于表面形貌的光谱共焦获得，或用于获得表面形貌的距离的光谱干涉OCT获得。

首先，来自光源的宽光谱光从具有用于i个测量通道的i个光纤的光纤阵列通过共用测量光学镜片被导向至被测物体，i个测量光斑形成光斑阵列。随后，获得i个测量通道的i个反射光谱并进行数字化。接着，分别估计每个测量通道的反射光谱，并确定距离值。接着，将全部的不同测量通道的距离值以及时间结合估计，从而消除系统测量误差中的时间偏差以及与时间相关的偏差运动。

这种测量方法的优点在于：针对系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置的与时间相关的偏差运动，检查指示局部表面形貌的测量值，从而能够从包含测量误差和测量头导向装置的偏差运动的实际数据中分离出真实的表面形貌。

这需要多个估计步骤，分别需要：在时间t(j)获得i个测量通道的几何距离值。还要在时间t(j)获得被测物体表面上的i个测量光斑的三维位置值。还要获得被测物体表面相对于测量头的局部倾斜度。接下来，基于所获得的倾斜度校正系统测量误差中的时间偏差。这一步骤是在生成i个测量通道的局部形貌之后进行的。

最后，局部形貌被进行关联，同时通过从具有纳米量级的测量值分辨率的真实/实际的表面形貌中将测量头的不一致位置和方向和/或由于测量头导向装置所导致的各个测量通道中的测量光的扫描线分离出来，来分离测量头导向装置的与时间相关的偏差运动。最后，输出调整后的表面形貌以及测量头的测量头导向装置的真实轨迹和方向。通过对比不同的扫描值，来确定这些估计步骤。

通常可以按照不同的时钟速度来扫描，或者沿着以不同的间距布置在扫描方向上的测量光斑所在的线来扫描，从而避免由于欠扫描导致的伪影。

用于确定被测物体表面相对于测量头的局部倾斜度的另一技术是：借助三个测量光斑，优选地，这三个测量光斑按照等腰三角形布置在被测物体表面。这里，可以从三角形中的距离值来确定表示局部倾斜度的三角形的法向矢量，例如，可以确定测量头导向装置的倾斜度误差并利用估计表格来消除所述倾斜度误差。

用于校正测量值的另一变型是：在测量头导向装置或测量头上安装三维加速度传感器，并获得三维、现场的与时间相关的偏差运动，然后，通过利用所述偏差运动来相应地校正表面形貌测量的测量值。

此外，可利用矢量模型，通过测量头的横摆、俯仰或侧倾的矢量确定来获得在测量头导向装置处的测量头运动。在本文中，横摆指的是测量头关于其竖直轴枢转，俯仰指的是测量头关于其横轴枢转，侧倾指的是测量头关于其纵轴枢转。

可通过计算测量光斑之间的高度差来确定被测物体表面的局部斜率，然后将全部的局部斜率积分为表面形貌。

这一微分扫描方法测量具有一个纤维端和两个聚焦透镜的测量光斑的测量头的两个测量光斑之间的程差。测量两个测量光斑的光程之间的差异，以通过光谱干涉(OCT)来导出表面形貌。

本发明的另一方面，涉及一种用于获得被测物体的表面形貌(尤其是在纳米量级)的光学精密测量装置。为此，精密测量装置具有位于测量头导向装置中的测量头，用于表面形貌的光谱共焦获得或者用于利用光谱干涉OCT的表面形貌的距离获得。在测量装置中可以设置用于通过Y形耦合器向i个光纤提供宽谱带光的i个宽光谱光源。还可以经由1Xi耦合器然后经由i个Y形耦合器向i个光纤供应宽谱带光的单个宽谱带光源。

在测量头中设置具有用于i个测量通道的i个光纤的光纤阵列。此外，在测量头中还存在有用于在被测物体上形成具有i个测量光斑的光斑阵列的共用测量头镜片。还设置有用于获得i个光谱仪中的i个测量通道的i个反射光谱并进行数字化的装置。此外，光学精密测量装置还具有用于被数字化的i个反射光谱的估计单元，用于消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置的与时间相关的偏差运动。在所述光学精密测量装置中，测量头沿着测量头导向装置运动的线性参考路径而运动。

除了用于具有i个光谱仪的多通道检测的选择之外，还可以设置具有光纤阵列输入的光谱仪，并通过利用矩阵CCD选择多个光谱来执行检测。如下参考实施例所描述的，还可使用具有时间通道多路复用功能的单个光谱仪。作为时间多路复用器的替换物，也可以将多个测量通道结合到一个光谱中。这里，按照这样的方式来设计测量头：通道的距离值采取固定顺序的优先级，即，最小值始终由通道1来获得，下一最大值由通道2来获得，等等。这一方法可用于具有光谱峰值位置的光谱共焦测量以及具有均衡光谱的傅里叶变换中的峰值位置的OCT测量。

然而，还可为被测物体设置导向装置，以引导被测物体在固定的测量头下运动。在两种情况下，测量头导向装置的可移动的组件相对于设定点的位置存在与时间相关的偏差运动。还可能出现与时间相关的系统误差，诸如测量头相对于被测物体表面的正交线的随时间变化的倾斜度。可以借助于上面描述的测量(例如，通过对三个测量光斑的定位)确定这些系统误差，并根据测量值进行校正。取代i个反射光谱，i个测量通道也可被送入多路复用器，在单个光谱仪中获得然后被数字化。

光学精密测量装置还具有下面的用于从i个反射光谱中消除系统测量误差的时间变化以及测量头导向装置的与时间相关的偏差运动的装置。设置有被设计为在时间t(j)获得i个测量通道的几何距离值的装置以及被设计为在时间t(j)获得被测物体表面上的i个测量光斑的三维位置值的装置。还有用于确定被测物体表面相对于测量头的倾斜度的获得装置。为了获得局部倾斜度，测量装置具有被设计为基于所获得的倾斜度校正系统测量误差中的时间偏差的装置。此外，还设置有用于生成i个测量通道的局部形貌的装置。

最后，还设置这样的装置，所述装置被设计为：将局部形貌进行关联，同时通过将位于测量头导向装置中的测量头的与时间相关的不一致位置以及与时间相关的不一致方向分离出去而使真实的表面形貌与测量头导向装置的与时间相关的偏差运动相分离。最后，还设置有被设计为输出调整后的表面形貌的装置以及被设计为输出测量头导向装置的实际轨迹和实际方向的装置。

前述的装置与估计单元组合起来，以从被测物体上的i个点的i个参考光谱中确定i个真实的测量值，并将测量系统误差中的时间偏差以及与时间相关的偏差运动从实际的精密测量值中分离出去，以得到纳米量级的精确的测量值。因此，在所述精密测量装置的帮助下按照有利的方式，从i个光谱仪测量的原始数据中提取出非常精确的测量值，同时为与时间相关的测量系统误差的大小以及测量头导向装置的与时间相关的偏差运动的大小供应真实值。

附图说明

下面将参照附图更详细地解释本发明：

图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的用于获得表面形貌的光学测量方法的流程图；

图2示意性地示出了根据第一实施例的用于精密测量的测量装置的估计单元(evaluation unit)的框图；

图3以示例的方式示出了光谱共焦测量头校准运行的测量结果；

图4示出了根据本发明的实施例的用于测量表面形貌的测量装置的示意图；

图5示出了根据本发明的另一实施例的用于测量表面形貌的测量装置的示意图；

图6示出了解释测量方法的另一实施例的测量部分的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的用于获得表面形貌的纳米范围内的光学测量方法的流程图50。在起始框100开始光学测量方法。

在步骤101中，设置具有位于测量头导向装置上的测量头的测量装置，以通过光谱共焦的方式获得表面形貌，或通过光谱干涉OCT的方式获得表面形貌的距离，并且测量头导向装置上的测量头扫过被测物体。接下来，在步骤102中，来自包括i个测量通道的i个光纤的光纤阵列的光的宽光谱光通过共焦测量头镜片施加到被测物体上，随着测量头扫过被测物体，形成i个测量点的点阵列。在这一方法中，致动器的位置值和i个测量通道的测量值被加上时间戳并被记录。

在这一方法中，可如下来确定致动器的位置值：

a)目标值用于控制的测量头位置，其中，适用地考虑在校准运行中先前确定的可再现的与时间相关的轨迹偏差。

b)使用利用编码器测量的致动器元件的真实位置值。编码器的值基于玻璃标度尺或应变仪或光学干涉仪。

c)对来自加速度传感器的测量值进行积分并与在上面的a)与b)确定的位置值相关联。

d)两个测量点之间的距离差异被直接测量并被积分，以获得未由于测量头的跳动而失真的形貌。

在步骤103中，i个测量通道的i个反射光谱被获得并被数字化。最后，在边缘为虚线的框中，开始执行多元步骤104，以估计被数字化的反射光谱，同时，消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置的与时间相关的偏差运动。

步骤104中的这一估计包括步骤105，用于在时间t(j)获得i个测量通道的几何距离值。随后的步骤106包括在时间t(j)获得被测物体表面上的i个测量光斑的三维位置值。这使得在估计方法进行到步骤108之前发生步骤107，在步骤107中，获得被测物体表面相对于测量头的局部倾斜度，在步骤108中，基于测量的倾斜度的系统测量误差中的时间偏差被相关联。

步骤109用于针对i个测量通道获得局部形貌。接下来是步骤110，步骤110包括：局部形貌的关联，其中，通过将测量头导向装置上的测量头的传感器选择的不一致以及传感器方向的不一致从真实的表面形貌分离出来，来消除测量头导向装置的与时间相关的偏差运动。最后，在步骤111中，输出调整的表面形貌以及测量头的测量头导向装置的真实的轨迹和方向，从而在步骤112终止所述方法。

图2示意性地示出了根据第一实施例的用于在纳米范围内精密测量的测量装置中所需要的估计单元20的框图60。在第一框中，估计单元20获得被设计为在时间t(j)获得i个测量通道的几何距离值的装置21。在该框中的装置21与装置22以及装置23一起工作，装置22被设计为在时间t(j)获得被测物体表面上的i个测量光斑的三维位置值，在相邻框中的装置23用于获得被测物体表面相对于测量头的局部倾斜度。

跟随装置23的是包括装置24的框，装置24被设计为利用时间模式的关联将所获得的倾斜度分配到系统测量误差中的时间偏差。装置25被设计为在针对i个测量通道生成局部形貌时考虑测量误差。

紧随装置25的是包括装置26的框，装置26被设计为：将局部形貌进行关联，同时通过将测量头导向装置上的测量头的传感器轨迹的不一致以及传感器方向的不一致从真实的表面形貌中分离来消除测量头导向装置的与时间相关的偏差运动。最后，装置26具有两个输出框，一个输出框包括装置27，另一个输出框包括装置38，装置27被设计为输出调整的表面形貌，装置38被设计为输出测量头导向装置的真实轨迹和真实方向。

图3示出了光谱共焦测量头校准运行的测量结果。如后面的图4和图5中所示，在该校准运行中，引导测量装置的测量头朝向安装线性台上的光学平面。利用控制干涉仪可测量光学平面到测量头的相对距离，达到纳米范围内的精度。校准运行确定光谱最大值的峰值位置形式的光谱仪信号与距离之间的关系。可在光谱仪的整个光谱范围内执行这一方法。这确定了针对光谱仪和测量头的组合有效的“距离关于像素位置”曲线。

图3中示出的示意图给出了在两次重复的测量中得到的实际值与预期值之间的与时间相关的偏差。为此，图3示出了针对100μm(微米)测量范围的作为路径与时间的函数的±0.1μm范围的偏差。图3中的示意图示出了下述效果。断开的曲线a大致比连续的曲线b低几纳米，对应于例如由于温度影响而导致的工作距离的与时间相关的长期漂移。与测量范围的与时间相关的长期漂移的校准运行(如虚线的曲线c所示)相比，曲线a与b示出了大约±10nm的粗的波浪状。两条曲线a与b具有2μm的主周期，并且相当紧密地彼此关联。可使用消除小波周期的平滑滤波器来确定曲线，诸如虚线的曲线c。这种小波周期可能由于行程轴的摆动运动或控制干涉仪或测量头的距离的各种变化而出现，或者可能呈现测量头或估计单元的随时间变化的系统行为，然后在画出曲线时使小波周期平滑。

剩余的两条曲线a与b之间的小波与时间相关的偏差部分是由于测量值噪声所导致的，部分是由于其他测量机构的与时间相关的振动和波动以及控制干涉仪距离测量所导致的。利用前面关于图1和图2讨论的方法以及下面的测量装置3和40，在达到纳米精度的轮廓测量中，可区分这些不同的干扰因素(即，长期漂移、距离传感器的系统测量误差的时间变化、定位轴的位置误差、被测物体的振动和测量值噪声)，并且可从被测物体的轮廓中消除这些干扰因素。

为此，根据本发明，提供具有多个测量通道的光学测量头(如图4和图5中所示)，测量通道的光斑的焦点至少沿着被称为主线的扫描方向排列。在扫描期间，在每个测量通道中测量被测物体的轮廓，然后利用关联方法将在时间与位置均补偿了的全部的轮廓组合起来，以形成平均的总轮廓。

由于在各个通道中的因时间和空间运动模式而导致的轮廓偏差应该在所有的轮廓中相似，所以可以从轮廓中消除测量头导向装置的偏差运动和系统测量误差中的时间变化，并且可通过多次测量调整的表面形貌来减小统计噪声。这里，如下面在图4A至图4C以及图5A至图5C中以示例形式示出的，在主线的直角处提供至少一个另外的测量通道，可用于测量并消除测量头在测量导向装置处的与时间相关的偏差运动。

还可基于物体表面的倾斜度计算表面中的局部斜率，从而消除测量头的系统测量误差。为此，例如，可计算两个通道的测量信号的与时间相关的相位，从而确定与时间相关的相位差。相位差可被转换为局部高度差以作为两个测量点之间的斜率。此外，可干涉地叠加其他的测量通道，以测量对应于相位差的优化的光程差。可从所有的局部斜率的积分得到形貌。这种微分扫描与从理想的致动器轨迹和测量的距离值获取的绝对的形貌获得相媲美。

这一校正误差的方法还可用于非常倾斜的表面，其中，光谱干涉测距质量因与时间相关的距离变化而受损。因此，它提供用于表面形貌的光谱共焦获得的稳健测量。

如上所述，布置在主线的直角处的测量光斑足以消除与测量头相对于被测物体表面的正交直线的倾斜度相关联的测量系统误差。然而，如果在主线的直角处布置三个(而不是一个)测量光斑，则可以更准确地确定倾斜度或倾斜角，从而形成如下面的图4A和图5A中所示的等边三角形，可以通过建立三角形的法向矢量来消除任何倾斜。

除了由于可以和与时间相关的枢转方向等同的倾斜角或关于行进方向上的纵轴的旋转角(还被称为侧倾角Φ)导致的偏差之外，还存在与时间相关的被称为俯仰的方向偏差以及关于测量头导向装置或测量头的横轴的旋转角度Θ的特性。第三个可能的旋转方向是横摆，也被称为关于竖直轴的旋转角度Ψ。在扫描期间，与时间相关的方向偏差的三个立体角(即，Ψ、Θ和Φ)被称为欧拉角或位置角。

因此，针对与时间相关的方向偏差的变换矩阵包括针对问题中的角度的三个独立的旋转矩阵。在下面的变换矩阵中，旋转的顺序按照Ψ、Θ和Φ的顺序给出。

$\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{fg}}=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\Φ}& \sin \mathrm{\Φ}\\ 0& -\sin & \cos \mathrm{\Φ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\Θ}& 0& -\sin \mathrm{\Θ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\Θ}& 0& \cos \mathrm{\Θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\Ψ}& \sin \mathrm{\Ψ}& 0\\ -\sin \mathrm{\Ψ}& \cos \mathrm{\Ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\Θ}\cos \mathrm{\Ψ}& \cos \mathrm{\Θ}\sin \mathrm{\Ψ}& -\sin \mathrm{\Θ}\\ \sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\Θ}\sin \mathrm{\Ψ}-\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\Ψ}& \sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\Θ}\sin \mathrm{\Ψ}\_\cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\Ψ}& \sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\Θ}\\ \cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\Θ}\cos \mathrm{\Ψ}+\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\Ψ}& \cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\Θ}\sin \mathrm{\Ψ}-\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\Ψ}& \cos \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\Θ}\end{array}\right)\end{array}$

在具有以弧度测量给定的角度的线性化形式中，变换矩阵采取下面的形式：

$D=\begin{array}{cccc}[& 1& \mathrm{\Ψ}& -\mathrm{\Θ}\\ [& & & \\ [& -\mathrm{\Ψ}+\mathrm{\Φ}*\mathrm{\Θ}& 1+\mathrm{\Φ}*\mathrm{\Θ}*\mathrm{\Ψ}& \mathrm{\Φ}\\ [& & & \\ [& \mathrm{\Θ}& -\mathrm{\Φ}+\mathrm{\Θ}*\mathrm{\Ψ}& 1\end{array}$

如果忽略乘积项，则当测量头导向装置具有优良的致动器时，可给出简化的旋转矩阵：

$D=\begin{array}{cccc}[& 1& \mathrm{\Ψ}& -\mathrm{\Θ}\\ [& & & \\ [& -\mathrm{\Ψ}& 1& \mathrm{\Φ}\\ [& & & \\ [& \mathrm{\Θ}& -\mathrm{\Φ}& 1\end{array}$

因此，单位矩阵加上反对称矩阵可以用于三个欧拉角，作为与时间相关的方向偏差的矢量模型。

这里，重要的是，要注意这些致动器或测量头导向装置经常表示轨迹偏差和方向偏差之间的连接。对于波浪形的轨迹，刚性导向产生z(x)或具有俯仰角Θ的与时间相关的波浪形的轨迹的方向。使用刚性导向，测量头通常平行跟随导向装置，使得Θ(theta)对应于测量头导向装置的斜率，其中：

Theta(x)＝(d/dx)z(x)

测量头刚性地固定到这一测量头导向装置，因此，按照1:1的比率遵循方向的变化，使得它的轨迹r1(x)根据下面的式子遵循接触点的轨迹r0(x)：

r1(x)＝r0(x)+D(x)*R1

因此，相对的轨迹偏差运动是：

r1(x)-r0(x)＝D(x)*R1

因此，接触点的运动被全面描述如下：

·z(x)或theta(x)

·y(x)或psi(x)

·phi(x).

这一旋转矩阵的缺失的角度是：

theta(x)＝(d/dx)z(x)

psi(x)＝(d/dx)y(x)

使用精密测量装置，轨迹参数不是x，而是与俯仰行程s相对应的变量时间t＝x/v。

因此，如果知道接触点与测量点之间的杆矢量R1，则可以从测量点处的方向中减小测量点处的位置误差。

如果对测量头导向装置的引导不是刚性引导，而是具有给定的延迟和给定的衰减的弹性引导，则采用具有偏差x(t)的针对压迫衰减震荡的与时间相关的运动方程。

M x“(t)+i M omega0x‘(t)+M omega0^2*x(t)＝F(t)

其中，约束力为

F(t)＝M x0(t)“

这里，F‘表示时间t之后的F的导数。

这意味着：利用测量头导向装置上的测量头的弹性引导，对引导波的响应是具有修改的振幅的移相。弹簧参数是共振频率omega和衰减。

对于测量头导向装置或测量头的长波偏差运动，与时间相关的偏差运动按照1:1的比率传递。如果与时间相关的偏差运动接近共振频率，则这将导致大约90°相移的更高或更低程度提高的与时间相关的偏差运动。然而，使用短波的与时间相关的偏差运动，这些就整合消失了。

因此，具有所测量的距离值的频率分析的测量运行提供关于致动器以及测量头导向装置的测量头固定器的固有振荡的信息。扫描运行的非优化调整甚至会引起共振的与时间相关的偏差运动。这里，共振偏差运动的振幅可取决于测量头相对于部分致动器的位置。

然而，仅当测量结构化的物体时，横向偏差运动才变为可见，在这种情况下，直线晶格将看起来像波浪形的。如上所讨论，可在竖直平面镜上检测关于竖直轴的枢转或横摆。然而，轴向的偏差运动清晰可见，关于横轴的俯仰以及关于纵轴的横摆会产生明显的形貌的波形。利用根据本发明的多通道测量，从而可区分由测量头导向装置引起的俯仰与横摆。

如下面的图4A、4B和4C以及图5A、5B和5C中所示的情况得出其他可能的校正方法，多个测量点可被设置彼此相距不同的距离处。这防止形貌具有小于从欠扫描的空间频率预知的T1(T1＝距离1/行进速度)的周期长度的周期性的波动。与距离2>距离1的测量点的对比立即示出所述差异。

此外，还可使用具有不同频率的测量点来检测时间范围内的欠扫描。为了实现这一目的，足够简化以按照两个不同的时钟速度执行时间扫描。

另外，可通过使物体倾斜来补偿测量误差。为此，通过在高精度球体上执行距离测量来校准测量头。随后确定测量形貌与参考形式的偏差，绘制偏差关于物体倾斜度的表格。为此，优选地，测量头将在至少三个测量点(如下面的图4A、4B和4C以及图5A、5B和5C中所示)来进行测量，如下面的图4A和5A中所示，在被测物体上将理想的形成等边三角形17，因此，可从三角形的法向矢量来确定物体表面的局部倾斜度。测量估计仅包括物体局部倾斜度的计算，可利用“偏差关于物体倾斜度”表格的帮助来校正所测量的距离。

此外，可通过使用加速度传感器获得测量头的与时间相关的横向运动而调整在图3中所示的与时间相关的偏差，以消除系统测量误差中的时间偏差。加速度传感器测量测量头相对于光轴(沿x和y方向)的直角处的空间的运动，并将该加速度积分为与时间相关的轨迹偏差dx(t)和dy(t)。在z轴上也可以这么做。在该方法中，多通道测量头测量物体局部倾斜度(如图4和图5中所示)。可通过以下方式校正测量点：通过依靠参考轨迹对物体表面上的点插值，从而使得距离值得到校正；或者可利用所测量的轨迹X＝X_ref+dX替换参考轨迹X_ref(t)＝[x_ref(t),y_ref(t)]，来指示表面坐标(x、y和z)。

具有振幅x0和频率f的振动给出加速度振幅：

a0＝x0*omega²

＝4pi²*x*f²

其中，omega＝2pi*f。对作为重力加速度g＝9.81m/s²的倍数的加速度a进行变换的变换因子是：

F＝4pi²/(9.81ms^-2)/(1μm)/(1Hz)²＝4.02*10^-6

因此：

A0(以g为单位)＝x0(单位μm)*f(单位Hz)^2*4百万分之一。

在特定的振动下的加速度值(重力加速度g的倍数)的表格：

	10Hz	100Hz	1000Hz
				1nm		4e-5	0.004
10nm		4e-4	0.04
				100nm		0.004	0.4
1μm	4e-4	0.04	4
				10μm	0.004	0.4	40

可利用方向振动反回来作用于位置振动。为此，根据致动器的特定的固有振荡的分量来储存利用根据图4和图5的多点测量头所测量的方向振动。几何模型表明针对固有振荡相对于致动器的测量头方向与测量头位置之间的关系。这是通过校准过程来确定的。在随后的测量估计中，分别针对固有振荡并基于几何模型，将所测量的方向偏差转换为测量头位置偏差。接下来，使用按照这种方式确定的测量头位置偏差来校正物体表面上的被测点的坐标。

为了能够获得欠扫描波，不会保持距被测点沿某个空间方向上的距离恒定，从而可在欠扫描期间检测到周期波。此外，如上所述，做出规定，以使不同的被测点的测量节奏不同，从而按照这种方式也可在欠扫描期间检测到周期波。

图4示出了在纳米范围内根据实施例的精密测量装置而用于表面形貌1的精密测量的测量装置3的示意图。为此，测量装置3具有位于测量头导向装置5上的测量头4，用于表面形貌1的光谱共焦获得，或用于测量头4的测量头镜片10与被测物体表面16之间的距离的光谱干涉OCT获得。

测量头4可由宽光谱光源、所谓的SOA(固态光学放大器，Solid-stateOptical Amplifier)来供应。然而，最好使用由SOA光源衍生的超级发光二极管(SLD)。SLD的超级连续光源的每个带宽具有更大的输出。因此，它可以是适合的单个光源，它可以利用1Xi耦合器将其光分成多个通道。

具有时间连续光谱记录的可变波长光源与线性光谱仪结合还可用作宽频带光源的替换物。然而，在这种情况下，可能会产生另外的时间延迟效应。

在根据图4的实施例中，例如，SLD的宽频带光源6经由Y形耦合器28、29、30和31耦合到光纤束的光纤8中(在本实施例中，光纤束可具有四根光纤)。因此，SLD光源6的宽频带光被分到四根光纤中，并且送入位于测量头导向装置5上的测量头4。

光纤端面19经过测量头镜片10形成光纤阵列7，测量头镜片10将光斑阵列11投射到被测物体表面16上，随后光斑阵列11被反射回去，并经由Y形耦合器28、29、30和31送入四个光谱仪32、33、34和35中。接下来，在光谱仪32、33、34和35中形成的反射光谱可由估计单元20进行估计，并从将被测量的表面形貌中将系统误差中的时间偏差以及测量头和测量头导向装置的与时间相关的偏差运动分离出来。

当分离出测量误差时，为了实现这些测量值的校正，还将形成光斑阵列11的测量光斑12、13和14与位于扫描方向x和/或F和G的主线上的中央测量光斑15成直角地布置。如果例如关于测量头导向装置5的纵轴x的倾角或旋转角Φ是零，则形成等边三角形的三个测量光斑12、13和14与主线成直角(如图4A中所示)。

如果这一倾角或侧倾角不是零，而是偏离零位置，则由测量光斑12、13和14形成的三角形会变形(如图4B中所示)。由这一变形，例如，可计算三角形的法向矢量，从而利用测量光斑12、13和14之间的距离计算倾角，从而针对表面形貌校正测量值。为此，可使用物体的倾斜度来校正所有被测点的距离值，或者可以对局部形貌的每个测量点确定一个倾斜度。尽管在图4B中，测量光斑12非常偏离主线，但是图4C示出了最初在图4A中示出的等边三角形的另一变形，在图4C中，测量光斑12和测量光斑13两者的侧倾角的位置抵消为零。

这一倾角或侧倾角Φ只是系统误差的一个示例。如上已经参照与时间相关的偏差运动的矢量模型进行的讨论，同样适用于另外的两个欧拉角(即，关于竖直轴z旋转的横摆角Ψ和关于横轴y旋转的俯仰角Θ)。

图5示出了根据本发明的另一实施例的用于精密测量表面形貌1的测量装置40的示意图。与图4中的那些组件具有相同功能的组件均由相同的标号来指示，并且这里将不再对其讨论。

根据图5的实施例在以下方面不同于根据图4的实施例：使用了多路复用器18，利用多路复用器18将测量通道9具有时间延迟地送入单个光谱仪32，多路复用器18使得图4中所示的光谱仪的数量减少。由于多路复用器18，可以不使用图4中所示的Y形耦合器，这是因为通过多路复用器18可将宽频带光源6具有时间延迟地耦合到各个光纤中。优点在于：替代光强被多个光纤分割，每个单独的光纤从多路复用器18接收全部的光强。

图6示出了解释测量方法的另一实施例的测量部分的示意图，其中，将描述作为特定的示例的在行程的笛卡尔轴上的光学线性传感器的特定使用。在此的原理是：在具有交叉的线性轴的多个测量运行中，利用线性传感器多次测量相同的表面点，并且因此消除在轮廓测量中的两个干扰因素，干扰因素是这样的形式：通过一个或更多个校准运行可以确定的振动和x轴的确定性震动。

为此，如图6中所示，光学测量头4穿过在一条线上以L为间距等距地设置的多个被测点，并测量沿方向z的距离。包括位于x轴上沿方向x的线性定位器41和位于y轴上沿方向y的定位器42的致动器可以使被测物体2移动或使测量头4移动。这里，x轴和y轴的行程优选地布置为彼此垂直。设置有测量头固定器，使得测量头4可以关于z轴旋转，从而使被测点所在的线相对于x轴倾斜角度α。

图6还示出了被测物体2设置在坐标系内，基本上位于由x轴和y轴限定的平面内。

为了执行示例性的测量方法，测量头4在x方向上以均匀速度vx＝dx/dt行进。当y轴保持固定时，dx部分涵盖了每个传感器测量循环dt。传感器以时间t＝M*dt+t0*N进行测量。x轴和y轴的位置是：

X(M)＝dx*M

Y(N)＝dy*M

每个被测点i遵循轴的位置，并且提供等距离网格的测量的距离轮廓z_mess(i,M,N)，其中：

X(i,M,N)＝DX*i+M*dx

Y(I,M,N)＝DY*i+N*dy

并且其中：

DX＝L*cos(alpha)

DY＝L*sin(alpha)

接着，x轴的位置是：

X(M)＝dx*M

对于x轴的轨迹偏差，假设从一个运行到另一个运行，曲线z(X)几乎不变化。

在线的端部，x轴返回到起始位置，并且y轴利用具有整数di的下面的量来抵消：

YSTEP＝di*DY

现在测量的相同点(x,y)不是位于数据组(i,M,N)中，而是位于数据组(i-di,M-dM,N+1)中，其中：

di＝YSTEP/DY

dM＝DX/dx

这里，测量值包括形貌(z0)、轴震动(zx,zy)和振动zt，使得：

z(i,M,N)＝z0(x,y)+zx(M)+zy(N)+zt(t1)，

z(i-di,M-dM,N+1)＝z0(x,y)+zx(M-dM)+zy(N+1)+zt(t2)。

进行下面的假设：

1)被测点i和被测点i-di测量相同的距离，

2)在相邻的运行中，x轴误差可足够准确地重现，并且不依赖于N，

3)在扫描期间，y轴误差恒定，并且不依赖于M。

在这些假设下，可进行下面的估计，其中，首先，在两个相邻的线扫描N和N+1之间的所测量的距离z(x,y)的差异被计算为：

Z(i,M,N)–z(i-di,M-dM,N+1)＝

dz＝zx(M)-zx(M-dM)

+zy(N)-zy(N+1)

+zt(tl)-zt(t2)

利用上述假设1至3，接着，可对从M＝1到M0的dz求和：

dz(M)0＝∑_(m1＝1,dM)zx(m)-∑_(m1-1,dM)zx(M0+m)

+M0*dm*[zy(N)-zy(N+1)]

+∑_{t＝t()*N.Kt0*N+M*dt)}zt(t)-∑_{(t＝t0*(N+1)Kt0*(N+1)Kt)*+M*dt)}zt(t)

这里，第一行的表达式包括第一像素的求和，所述求和是恒定的、小于dM个点至轴下降zx(m)的滑动平均值。

在第二行中，给出了加权了数量dM并且随M线性地增加的y轴的轴误差的差异。最后，第三行给出了振动偏摆的时间求和。由于振动围绕0运动，则很难大于半振动周期的求和。

虽然这种时间片对于每个N的形式不同，但是zx_mean(m)随着许多Ns仅发生略微变化。

因此，可以预期的是，当考虑多个Ns时，可以提取或滤出zx项。可通过形成具有噪声型振动模式的多个线扫描的平均值来提取或滤出时间片，并且可以使用具有周期性振动模式的带阻滤波器，有必要确保具有等周期的形貌未被变平。

此外，在随后的步骤中，可组合多个重叠部分的轮廓以形成y方向上的整体轮廓，也被称为“缝合”。为此，两个相邻的运行中的重叠轮廓z(i,N)和z(i-di,N+1)对齐，并为y轴误差(zy(N)-zy(N+1)考虑其拟合参数及其在方向i上的倾斜。

在不脱离权利要求的保护范围的情况下，本领域技术人员可执行本实施例的多种变型。因此，例如，轴线会偏离笛卡尔垂直性。此外，在印刷滚筒作为被测物体的情况下，取代测量头4围绕z轴的旋转，可产生关于y轴的旋转运动。在不完全重叠的情况下，还可执行插值。此外，空间振动消除情况可能是α＝0。在这种情况(α＝0)下，通过使imax＝测量头中的测量点的数量来获得多个轮廓的最大数量。这里，将所有的测量点i加起来给出三个时间片(即，当前的振动偏摆、平均形貌值和平均轴误差值)的imax倍数，因此，如上所述，平均形貌值和平均轴误差值两者几乎没有变化。

根据本发明的方法和根据本发明的装置因此很好地适用于在微米和纳米范围内测量表面形貌。具体地，根据本发明的方法和根据本发明的装置可用于定性和/或定量地获得金属性表面和非金属性表面的粗糙度、波纹度、均匀性和多孔性。

具体地，例如，它们可以适用于机械工程领域中的金属精密工件(诸如涡轮叶片、离合器和齿轮箱组件)的表面。

此外，它们可用于获得诸如非球面精密玻璃体的光学组件的定性和定量的表面形貌。这样的精密玻璃体可利用金属材料和/或电介质材料而设置有施加真空的多层系统。

此外，根据本发明的方法以及根据本发明的装置也可用于医学技术领域，具体地，可用于眼科领域(例如，用于角膜表面形貌的定性和定量获得)。

尽管在上面的实施方式中给出了所述方法的至少一个示例性实施例，但是可进行各种改变和修改。仅以示例的形式提供所指定的精密方法的版本，而非意在以任何方式限制有效性、适用性或构造的范围。事实上，上面给出的实施方式意在以示例的形式向本领域技术人员提供实施至少一个版本的方法，在不脱离所附的权利要求及其法律等同物的保护范围的情况下，可以对另一实施例的测量装置中描述的元件的功能和构造进行各种改变。

标号列表：

1、表面形貌

2、被测物体

3、测量装置

4、测量头

5、测量头导向装置

6、光源

7、光纤阵列

8、光纤

9、测量通道

10、测量头镜片

11、光斑阵列

12、测量光斑

13、测量光斑

14、测量光斑

15、测量光斑

16、被测物体表面

17、等边三角形

18、多路复用器

19、光纤端面

20、估计单元

21、装置

22、装置

23、装置

24、装置

25、装置

26、装置

27、装置

28、Y形耦合器

29、Y形耦合器

30、Y形耦合器

31、Y形耦合器

32、光谱仪

33、光谱仪

34、光谱仪

35、光谱仪

38、装置

40、测量装置(本发明的第二实施例)

41、x方向定位器

42、y方向定位器

50、流程图

60、框图

100、起始框

101、步骤

102、步骤

103、步骤

104、步骤

105、步骤

106、步骤

107、步骤

108、步骤

109、步骤

110、步骤

111、步骤

112、步骤

Claims (17)

1.一种用于获得被测对象(2)的表面形貌(1)的光学测量方法，包括下列步骤：

设置测量装置(3)，测量装置(3)具有位于测量头导向装置(5)上的测量头(4)，用于表面形貌(1)的光谱共焦获得；

使得光源(6)的宽光谱光从具有i个测量通道(9)的i个光纤(8)的光纤阵列(7)经过共用测量头镜片(10)，在被测物体(2)上形成i个测量光斑(12至15)的光斑阵列(11)；

获得i个测量通道(9)的i个反射光谱并对i个反射光谱进行数字化；以及

估计被数字化的反射光谱，同时消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动。

2.一种用于获得被测对象(2)的表面形貌(1)的光学测量方法，包括下列步骤：

设置测量装置(3)，测量装置(3)具有位于测量头导向装置(5)上的测量头(4)，用于获得表面形貌(1)的距离的光谱干涉OCT获得；

使得光源(6)的宽光谱光从具有i个测量通道(9)的i个光纤(8)的光纤阵列(7)经过共用测量头镜片(10)，在被测物体(2)上形成i个测量光斑(12至15)的光斑阵列(11)；

获得i个测量通道(9)的i个反射光谱并对i个反射光谱进行数字化；以及

估计被数字化的反射光谱，同时消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动。

3.根据权利要求1或2所述的光学测量方法，其中，还执行下面的估计步骤来消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动：

在时间t(j)，获得i个测量通道的几何距离值(a、b、c)；

在时间t(j)，获得被测物体表面(16)上的i个测量光斑的三维位置值；

获得被测物体表面(16)相对于测量头(4)的局部倾斜度；

基于所获得的倾斜度校正系统测量误差中的时间偏差；

针对i个测量通道生成局部形貌；

将局部形貌进行关联，同时通过将测量头导向装置(5)上的测量头(4)的传感器轨迹的不一致和传感器方向的不一致从真实的表面形貌(1)中分离出去而消除测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动；以及

输出调整后的表面形貌(1)以及测量头(4)的测量头导向装置(5)的真实轨迹和真实方向。

4.根据权利要求3所述的光学测量方法，其中，为了获得被测物体表面(16)相对于测量头(4)的局部倾斜度，将三角形(17)的至少三个测量光斑(12、13、14)投射到被测物体表面(16)。

5.根据权利要求4所述的光学测量方法，其中，为了获得被测物体表面(16)相对于测量头(4)的局部倾斜度，将等边三角形(17)的至少三个测量光斑(12、13、14)投射到被测物体表面(16)，并且从测量光斑(12、13、14)之间的距离值确定倾斜度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光学测量方法，其中，通过测量头(4)上的三维加速度传感器获得测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动，并相应地校正表面形貌(1)的测量值。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光学测量方法，其中，利用矢量模型，通过确定测量头导向装置(5)上的测量头(4)的横摆、俯仰和侧倾来获得测量头运动。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的光学测量方法，其中，使用包括下列步骤的微分扫描方法：

通过计算i个测量光斑(12至15)之间的高度差来确定被测物体表面(16)的局部斜率；

将全部的局部斜率积分为表面形貌(1)。

9.根据权利要求8所述的光学测量方法，其中，微分扫描方法获得具有光纤端面和两个聚焦透镜的测量光斑(12、13)的测量头(4)的两个测量光斑之间的路径差，从而通过光谱干涉法(OCT)测得两个测量光斑(12、13)的光程差。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的光学测量方法，其中，设置在扫描方向上的线上的测量光斑(13、14)位于不同的距离处。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的光学测量方法，其中，连续的扫描脉冲按照不同的时间间隔彼此跟随。

12.根据权利要求1-10中任一项所述的光学测量方法，其中，按照不同的时钟速度扫描测量光斑(13、14)。

13.一种用于获得被测物体(2)的表面形貌(1)的光学测量装置，包括：

测量装置(3)，具有位于测量头导向装置(5)上的测量头(4)，用于表面形貌(1)的光谱共焦获得；

宽光谱光源(6)，通过i个Y形耦合器(28、29、30、31)向i个光纤(8)供应宽谱带光；

光纤阵列(7)，设置在测量头(4)中，具有针对i个测量通道(9)的i个光纤(8)；

共用测量头镜片(10)，在被测物体(2)上形成具有i个测量光斑(12、13、14、15)的光斑阵列(11)；

在i个光谱仪(32、33、34、35)中用于获得i个测量通道(9)的i个反射光谱并对i个反射光谱进行数字化的装置；

估计单元(20)，针对被数字化的i个反射光谱，消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动。

14.一种用于获得被测物体(2)的表面形貌(1)的光学测量装置，包括：

测量装置(3)，具有位于测量头导向装置(5)上的测量头(4)，用于表面形貌(1)的距离的光谱干涉OCT获得；

宽光谱光源(6)，通过i个Y形耦合器(28、29、30、31)向i个光纤(8)供应宽谱带光；

光纤阵列(7)，设置在测量头(4)中，具有针对i个测量通道(9)的i个光纤(8)；

共用测量头镜片(10)，在被测物体(2)上形成具有i个测量光斑(12、13、14、15)的光斑阵列(11)；

在i个光谱仪(32、33、34、35)中用于获得i个测量通道(9)的i个反射光谱并对i个反射光谱进行数字化的装置；

估计单元(20)，针对被数字化的i个反射光谱，消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动。

15.根据权利要求13或14所述的光学测量装置，其中，i个测量通道(9)通过多路复用器(18)连接到光谱仪(32)。

16.根据权利要求15所述的光学精密测量装置，其中，测量头被设计为使得通道的距离值享有固定的优先级。

17.根据权利要求13-16中的任一项所述的光学精密测量装置，还包括用于从所述i个反射光谱中消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动的下列装置：

被设计为在时间t(j)获得i个测量通道(9)的几何距离值的装置(21)；

被设计为在时间t(j)获得被测物体表面(16)上的i个测量光斑(12至15)的三维位置值的装置(22)；

被设计为获得被测物体表面(16)相对于测量头(4)的局部倾斜度的装置(23)；

被设计为基于所获得的倾斜度校正系统测量误差中的时间偏差的装置(24)；

被设计为针对i个测量通道(9)生成局部形貌的装置(25)；

被设计为将局部形貌进行关联且同时通过将测量头导向装置(5)上的测量头(4)的传感器轨迹的不一致和传感器方向的不一致从真实的表面形貌中分离出去而消除测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动的装置(26)；

被设计为输出调整后的表面形貌(1)的装置(27)；以及

被设计为输出测量头导向装置(5)的真实轨迹和真实方向的装置(38)。