CN105008853A - 定量测量区域的表面精度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定量测量区域的表面精度的方法。该方法包括将单色平光波朝向预设表面区域引导，用聚焦在所述表面区域上的相机和透镜系统记录反射光，从记录的图像中推导出表面精度参数。所述方法的特征在于通过获得所记录的图像的傅里叶变换来确定所述表面精度参数。然后，将预先确定的傅里叶分量拟合到所述傅里叶变换的傅里叶谱，其中沿着所述傅里叶变换的长轴和跨过所述傅里叶变换的短伸长轴来将所述傅里叶分量确定为至少一个大高斯分量和所述谱的一个峰。然后，从所述傅里叶分量确定所述表面区域的表面精度参数。

Description

定量测量区域的表面精度的方法和装置

技术领域

此处的实施例涉及一种在抛光处理期间原位光学定量测量区域的表面精度的方法。

背景技术

表面改性，尤其是抛光，是许多工业生产领域中的必需处理。这些包括：

●汽车，例如，对诸如行李箱盖及灯罩和透镜的塑料部件的模具进行抛光。

●发动机部件，例如凸轮轴。

●医学植入体，例如人工髋关节的表面。

●光学元件，例如用于安全玻璃和接触透镜的注塑模具。

这些抛光的表面在尺寸上可以是几平方米，并且需要1微米或更小的表面精度。目前，样品要从抛光处理中转移到实验室，在实验室中每次在小面积上以耗时的处理测量表面。另外，大多数抛光由手动完成，手动抛光者通过观察工具/模具来确定质量，而使用机器人或激光器的自动程序通常需要把工具/模具移到处理室外来被检查。

为了检查表面精度，现有技术中已知有几种方法。

US 6084671公开了一种用于使用高斯光束剖面的表面分析的方法和装置。高斯光束由透镜系统成形并照射表面。反射光被表面的不规则扭曲。然后反射光束被通过一系列空间滤波器来观察，上述空间滤波器基本上去除原始的高斯光束形状。用相机来记录残留光束形状不同的测量光束。这种方案要求由以高斯形状的形式的非常特定的光束图案照射表面。另外，因为研究区域的边缘比中心被更不强烈地照射，所以表面的照射在表面上是不均匀的，因而表面结构的任何统计测量结果朝着中心偏移。

US 2005/0046870公开了一种通过以一个角度照射表面以显示表面上的较大结构的阴影图来表征表面的方法。这种方案仅描述和讨论了几何反射。其并不涉及用单色光照射抛光的表面。另外，所述照射不被垂直地引导至表面。

US 2012/107971公开了一种用于化学机械抛光装置的抛光垫组件。所述抛光垫具有抛光表面和与所述抛光表面相反并用于附着到压板的表面，以及形成在所述抛光垫中的固体透光窗。所述透光窗对光的透射比所述抛光片强。所述透光窗具有光漫射底表面。这种方案需要在表面上方的化学透明顶层，用来与表面反射的波产生干涉。这是一种测量两个重叠表面之间的干涉的单点测量装置和技术。

US 4,873,434公开了一种扫描光学显微镜，其包括光辐射源和将来自该源的辐射聚焦成为被检查的表面上询问光斑(interrogating spot)的工具。所述光斑在表面上的一个点附近偏转，表面形貌被通过测量在所述光斑位置从所述表面反射的辐射的幅度和/或相位来测量。这种技术每次测量一个光斑。每个光斑被分别处置，而不给出较大区域的任何直接的定量分析。

US5,917,191公开了一种用于测量表面形貌的方法，其特征在于用激光扫描单元进行表面的多个扫描以及利用所述多个扫描生成表面形貌的描绘。表面形貌数据也可用于计算由施加到半导体晶片的表面上的薄膜引起的压缩应力或拉伸应力。这种方案的装置在x方向上横跨表面扫描激光束，并且在z方向检测激光束的反射部分的位移。一对光检测器被用于将反射束在z方向的位移转化为模拟信号，其被数字化并被输入微型电脑进行分析。表面的多个扫描优选地通过将工件放置在一个基座上来完成，所述基座可以旋转到多个角度位置。这种技术是进行逐点扫描来给出点形貌数据。其既没有描述也没有教导在大区域上同时进行定量分析。

发明内容

因此，此处的实施例的一个目的是提供一种用于在抛光处理期间进行表面质量的定量测量的方法，其中，所述方法可以消除现有技术的缺陷。

此处的实施例涉及一种用于确定表面的定量精度的方法和装置，其中平行单色光束被朝向样品的表面垂直发送。然后通过同时记录相机图像中每个像素处的反射光的强度来推导出定义表面形貌的定量参数，其中所述相机图像在研究时用相机镜头来聚焦在表面区域上。然后区域强度图像从表面孔径维度被傅里叶变换成散射角度维度。图像表面参数然后被通过强度傅里叶变换计算出，并被耦合到定量表面参数。

此处的实施例描述了一种用于在抛光处理期间原位光学定量测量区域的表面精度的方法和装置，其中将单色平光波(monochromatic flat light wave)向预设的表面区域引导，并且用聚焦在所述表面区域上的相机和透镜系统来记录反射光的图像。所述平光波被垂直或小于6度的角度引导向所述平面。另外，所述相机和透镜系统可以垂直地朝向所述表面区域或以小于6度的角度朝向所述表面来定位。进入所述相机的反射光与所述相机和透镜系统的光轴之间的角度差可以小于6度。

然后从所记录的图像来推导表面精度参数。所述表面精度参数可以用记录的图像的傅里叶变换来确定，预先确定的傅里叶分量被拟合到表面区域的傅里叶谱，并且通过傅里叶分量来确定表面精度参数。可以沿着所述傅里叶变换的长伸长轴和跨过所述傅里叶变换的短伸长轴来将这些傅里叶分量确定为：大高斯分量；所述谱的峰；作为所述峰的基础的宽高斯分量；以及中心最大值以外的分量峰。

更多的分量可以被拟合到长轴和短轴，作为：大高斯分量的长轴和短轴的指标；长轴的方向；和最大值中心以外的分量峰的方向。然后可以推导表面精度参数：诸如中心峰最大值减去长轴的大高斯分量，因而定义抛光的质量；峰附近的宽高斯分量减去大高斯分量，其定义所述表面的光泽度；沿着长伸长轴的大高斯分量除以沿着所述短轴的大高斯分量，定义所述表面的对称性；所述长轴的方向，其显示所述表面的结构线的方向；以及中心最大峰以外的分量峰的大小，其指示结构线。

所述方法和装置以波长数而不是几何尺寸来定义，并且不限于特定光波长，尽管使用其作为示例。

已经在聚焦像素区域的直径小于100个波长且表面观察成像区域的直径大于4000个波长的情况下对所述方法和装置进行了验证和测试。并不存在理论限制而是由于目前相机像素数的限制而存在实际限制。

此处的实施例对于在大的区域上确定表面参数尤其有用。其比较可靠，并安装以在处理室内进行测量。其工作距离较长，为70-800mm，这远远长于目前使用的显微镜物镜系统。

其工业用途的范围可以从对自动、医疗和光学工业工具、模具和产品的自动抛光的工艺路线和方法的决定，到手工抛光处理中做的客观决定。所述装置可以安装到机械手臂上、激光处理室外或者手工抛光车间的地上。所述方法包括获得表面区域的大的部分的单个图像(在下面讨论的情况中是4×4mm)，并且因此与单点测量和干涉测量仪器相比，所述方法更快并且对震动更不敏感。总的表面区域还可以按照在下面讨论的情况中为2-4mm的步幅在整个区域上通过分步来进行测量。

表面精度可以定义为所述表面在与光波相同的平面内在形貌上偏离了平坦多少。

此处的一些实施例的一些特定的优点是：

·工作距离长：可以距离目标区域70-800mm放置；

·大表面同时性：快速测量；

·在大区域上的定量数据作为抛光处理的反馈。

附图说明

现在，将参考附图描述作为示例的实施例，其中：

图1例示根据此处的实施例的装置；

图2例示根据此处的实施例的系统的几何形状；

图3例示所述图像的傅里叶变换的强度。

具体实施方式

图1描述了波长λ的单色光源(激光器或激光二极管)1发射光进入到扩束器2中。这里可以注意，扩束器将激光束扩展，是的可以认为进行测量的中心区域在平坦的平面上具有相同的相位和振幅，即单色平光波击中所述表面。来自扩束器的平波正面光由分束器3反射到物体表面4。光被从所述表面通过分束器反射进入聚焦透镜5中并用相机6来记录。在该示例中使用的相机是CCD相机；其具有75mm的相机镜头。在该示例中，在表面处聚焦光斑的直径是2微米。

图2中示出了所述系统的几何形状。物体表面4被限制到聚焦区域光斑的内部。所述表面具有基准平面7，入射平波平面用线8来代表。表面基准平面7的法线9与入射平波8的法线10成倾斜角在x＝x₁处来自方向11的入射光在点12(x₁，z₁+Δz₁)击中到物体表面4。计算从点12发射且沿与入射光波平面8的法线10成角度θ方向的光13的相位。相位中心是坐标系中的位置(x＝0，z＝0)，所述坐标系在入射平波8穿过表面基准平面7的位置处由入射平波8和法线10定义。

图3显示在穿过傅里叶变换的椭圆高斯噪声分布的长轴的切割中图像的傅里叶变换的强度。附图标记a1-a4是下面讨论的分量。

在z＝0处的入射光的相位在沿着物体表面的所有点x上都是0。下面的讨论集中在一个聚焦光斑(即，与CCD上的一个记录像素相同)内的光散射上。我们还假设在位置(x₁，z₁+Δz₁)处的发射源远小于一个波长，并且因此作为入射波的球形散射点来发挥作用。

通过x＝x₁进入并以角度θ发射的光被延迟了：

ΔL＝z₁+Δz₁+Δl

其中Δz₁是所述表面从平面的偏移，且

$\mathrm{\Δl}=\frac{z_1+\mathrm{\Δz}}{\cos \left(\mathrm{\Θ}\right)}$

另外，从位置(x＝0，z＝0)处发射的波与从所述表面发射并在x＝x₁+Δx₁通过z＝0的波之间存在几何路径差Δg。所述路径可计算为：

Δg＝(x₁+Δx₁)×sin(Θ)

其中

Δx₁＝(z₁+Δz₁)×tan(Θ)。

因此，在相位基准位置(x＝0，z＝0)进入并发射的波与在(x＝x₁，z＝z₁+Δz₁)处的相应波之间在垂直于发射角θ穿过位置(x＝0，z＝0)的线上的相位差为：

$\mathrm{\δ}\left(x\right)=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔL}\left(x\right)-\mathrm{\Δg}\left(x\right)}{\mathrm{\λ}}$

该函数可以进一步通过引入焦面f(x)的曲率来展开而变为

$\mathrm{\δ}\left(x\right)=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔL}\left(x\right)-\mathrm{\Δg}\left(x\right)+f\left(x\right)}{\mathrm{\λ}}$

在位置(x＝x₁，z＝z₁+Δz₁)处反射的信号的复数电压为

$V_1\left(x_1\right)=A_1{e}^{-{\mathrm{i\δ}}_1\left(x_1\right)}$

其中A₁为信号的幅度。

这很容易地扩展到二维(x，y)。焦点区域以角度倾斜，并且从平面的偏移是二维函数Δz(x，y)。那么，在方向(θ_x，θ_y)上来自焦点区域的反射光的复数电压是所有复数电压的相干和(coherent sum)：

V(焦点区域)＝∑_x∑_yV(x，y)

从焦点区域S(X，Y)在(θ_x，θ_y)方向上发射的强度为：

I_X，Y(α，β)＝<V(X，Y)*V(X，Y)^*>_T

T是强度的平均时间，X，Y是在样品上的焦点平面上的焦点区域的位置，α是发射光的天顶角，β是发射光的方位角。

现在我们以相同的方式将倾角和定义为相对于焦点平面的法线的天顶角χ和方位角ξ。我们还将所述焦点平面设定为平行于入射波前。

根据这里的一些实施例，所述相机被确定角度以与来自所述扩束器的光相同的方向看着所述样品，如图1所示。因此天顶角为α＝0，或者(θ_x＝0，θ_y＝0)。在这种情况下，在x轴和方位角的方向的平面内的位置(x，y)的相位偏移可以写成：

然后从所述焦点区域发射的复数电压为

假设每个像素x，y处的材料都相同并且在所述焦点区域上表面变化Δz和f比较小，那么A在所述焦点区域上是恒定的，这就变为：

在位置X，Y处，从所述焦点区域的发射强度可以写成：

这里的A²是被完美镜面反射的强度，而第二项是其在相位干涉外的衰减，其取决于倾角表面变化Δz(x，y)和形状因子f(x，y)。需要注意的是所述干涉也可以是相长的，导致来自所述焦点表面区域的散斑辐射。

假设整个样品上的材料相同并且因此振幅A可被视为处处相同，对于每个焦点区域的直接返回的强度仅依赖于焦点表面的几何形状：

1.倾角

2.表面变化Δz(x，y)；和

3.形状因子f(x，y)

所述焦点区域与相机物镜的爱里斑(Airy disc)相同。相机镜头系统被构造为使得爱里斑被成像到一个CCD像素上。因此在这种情况下，观察到的所述样品的强度图像是所述样品的焦点区域的相对局部表面几何形状的直接测量结果。具有相同强度的邻近像素形成图像结构，其由例如相似的倾角引起。

此处的实施例并不局限于0度的天顶角。如果此角度小于考虑之中的尺度的衍射角，入射光束和反射光束之间的小角度是可能的。实际上，这意味着照明单色光和相机镜头系统光轴之间的角度差应该小于6度。

示例

一个工具表面由正在机器或人工抛光。抛光处理需要测量代表表面粗糙度的表面区域以使得能够确定为了达到预设的光滑度而继续抛光处理的方式。在这种情况下，用2000×2000像素以2000nm的聚焦分辨率研究了4×4mm的块中的目标。光从激光二极管以635nm的波长发射出来。

目标表面上4×4mm表面区域的图像用具有2000×2000灰度像素的CCD相机来记录。在所述表面上位置(i，j)的图像为I_ij(X，Y)，其被傅里叶变换，傅里叶变换的绝对值以dB存储在矩阵中：

S_i，j(u，v)＝20*log₁₀(||F(I(X，Y)||)

此处，u和v分别是在X和Y方向上的空间频率。

S_ij(u，v)是表面区域几何形状的二维空间谱。现在对其进行研究，下面的表面结构参数被提取为：

1.在(u＝0，v＝0)处的中心峰(S1)是所述区域的总反射强度。

2.存在大的凸起(S3)，其对应于随机分布的强度变化。

3.峰S1具有一个基底(S2)，其对应于具有相似强度的邻近像素。

4.孤峰(S4)对应于大尺寸线性结构。

5.S3是椭圆形的(不对称的)，这表示所述强度在沿着结构角φ的一个方向上更加有序。

现在我们可以将这些强度结构参数关联到上述表面几何参数上。

·处处具有倾角Δz＝0和f＝0的完美镜面只具有单个峰S1。

·线性的线，即由以前的珩磨步骤所产生的线，显示为孤峰S4

·与具有长轴位置角φ_gauss的椭圆分布的噪声S3相比，单方向的抛光会在一个方向上显示更随机的特征。

·粗糙表面在倾角上的变化较大，并显示大的高斯分布S3。

·倾角对于大多数焦点区域相似的表面显示较小的S3和较大的S2。这看起来像光泽表面，但并不十分像镜面。

·同样，可以在在角φ_gloss的一个方向更光泽而在角φ_gloss的另一个方向更像镜面。

·最后，当聚焦区域几何形状变平时，即Δz和f较小时(＜λ/10)，表面会变成镜面。

然后，通过傅里叶变换S(u，v)沿着长轴方位角φ_gauss及其垂直方向进行切割，所述表面参数进一步减少。高斯剖面被拟合到上述特征中，并表示为：

长轴切割(major axis cut)：a1p，a2p，a3p，a4p(图3)；

短轴切割(minor axis cut)：a1m，a2m，a3m。

在变换S的中心的最大强度表示为amax。需要注意这些值以dB表示。然后计算结构参数为：

1.amax-a3p＝高斯噪声部分，即与总返回强度相比的宽带噪声的量。

2.(amax-a3p)/(amax-a3m)＝高斯噪声的不对称性。

3.Φ_gauss＝非对称结构的角度。

4.a4p-a3p＝与高斯噪声相比的结构线的数量。

5.a2p-a3p＝光泽度。

然后，这些参数或者映射在样品表面上，或者单独用于样品的4×4mm光斑测试。

然后，可以将这些参数反馈回抛光处理从而确定后续的抛光步骤。

为了在用于确定表面的定量精度的装置中执行该方法动作，在一些实施例中所述装置可以包括或者可连接到处理电路，该处理电路还可以称为处理模块或处理器。所述处理电路可以被构造为执行此处的实施例中所描述的该方法动作的图像处理和分析步骤。

用于确定表面的定量精度的实施例可以通过一个或多个处理器来执行，例如包含在或可连接到图1中所描述的装置的处理电路，连同用于执行此处的实施例的功能和动作的计算机程序代码。上述程序代码也可以作为计算机程序产品来提供，例如以承载有计算机程序代码或代码工具的数据载体的形式，所述计算机程序代码或代码工具在装载到处理电路中时用于执行此处的实施例。所述计算机程序代码可以例如作为纯程序代码提供在所述处理电路中，或者提供在服务器上并下载到所述处理电路中。所述载体可以是电子信号、光学信号、无线电信号或者计算机可读存储介质之一，例如像RAM，ROM、闪存、磁带、CD-ROM、DVD、蓝光光盘等这些电子存储器。

因此，所述装置可以进一步包括或者可连接到存储器，其可以被称为或者包括一个或多个存储模块或单元。所述存储器可以设置为用于存储可执行指令和数据，从而在可执行指令和数据在所述处理电路中被执行时可以实施此处描述的方法。本领域的技术人员还将理解，上述处理电路和存储器可以指模拟电路和数字电路的组合，和/或一个或多个配置有软件和/或固件的处理器(例如可以存储在存储器中)，该软件和/或固件在被一个或多个处理器(诸如所述处理电路)执行时可以实施上述方法。一个或多个这些处理器和其它数字硬件可以包含在单一的专用集成电路(ASIC)或者几个处理器中，各种数字硬件可以分布在几个独立的元件中，要么单独封装要么组合到一个片上系统(SoC)中。

因此，还提出了一种包含指令的计算机程序，所述指令在至少一个处理器(例如上述处理电路)上执行时，可以使所述至少一个处理器执行上述用于确定表面的定量精度的方法。另外，还提出了一种包含所述计算机程序的载体，其中所述载体是电子信号、光学信号、无线电信号或者计算机可读存储介质之一。

此处的实施例并不限于上述优选实施例。可以使用多种替换、改进和等同物。因此，上述实施例不应解释为限制。

Claims (14)

1.一种用于定量测量区域的表面精度的方法，包括：

-将单色平光波引导向预定义的表面区域；

-用聚焦在所述表面区域上的相机和透镜系统来记录反射光的图像；

-从记录的图像中推导处表面精度参数；

其特征在于所述表面精度参数按照下面的方法来确定：

-获得所记录的图像的傅里叶变换；

-将预先确定的傅里叶分量拟合到所述傅里叶变换的傅里叶谱；其中沿着所述傅里叶变换的长轴和跨过所述傅里叶变换的短伸长轴来将所述傅里叶分量确定为至少一个大高斯分量和所述谱的一个峰；

-根据所述傅里叶分量来确定所述表面区域的表面精度参数。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述单色平光波被垂直或以小于6度的角度引导向所述表面区域。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述相机和透镜系统被设置为垂直地朝向所述表面区域或以小于6度的角度朝向所述表面区域。

4.如权利要求1-3的任何一项所述的方法，其中所述反射光和所述相机和透镜系统的光轴之间的角度差小于6度。

5.如权利要求1所述的方法，其中更多的分量被沿着长轴拟合，作为：

-作为所述峰的基础的宽高斯分量；

-中心最大值外的分量峰。

6.如权利要求1所述的方法，其中更多的分量被拟合到长轴和短轴，作为：

-大高斯分量的长轴和短轴的指标；

-长轴的方向；

-最大值中心外的分量峰的方向。

7.如权利要求1-6的任何一项所述的方法，其中中心峰最大值减去所述长轴的大高斯分量来定义抛光的质量。

8.如权利要求1-7的任何一项所述的方法，其中峰附近的宽高斯分量减去所述大高斯分量来定义表面的光泽度。

9.如权利要求1-8的任何一项所述的方法，其中沿着长伸长轴的大高斯分量除以由沿着所述短轴的大高斯分量来定义表面的对称性。

10.如前述权利要求的任何一项所述的方法，其中所述长轴的方向表示所述表面的结构线的方向，中心最大峰之外的分量峰的大小指示结构线。

11.如前述权利要求的任何一项所述的方法，其中聚焦像素区域的直径小于100个波长。

12.如前述权利要求的任何一项所述的方法，其中表面观察成像区域的直径大于4000个波长。

13.如前述权利要求的任何一项所述的方法，其中光具有300-1500纳米的光学波长或红外波长。

14.一种用于定量测量区域的表面精度的装置，所述装置包括：

-用于产生被沿着光路引导的光束的光源；

-被设置为沿着所述光路在所述光源的下游的扩束器；

-用于在扩束器下游的光路中定位材料的定位装置；

-用于检测反射光束的成像检测器，其被设置为沿着所述光路在所述材料的下游。