CN105008903A - 用于分析衬底的表面的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于分析镜面衬底（2）的表面的方法，包括：获取由来自所述表面的反射所产生的测试图案（10）的至少一个图像，所述测试图案包括暗区带和亮区带的周期阵列；根据所获取的图像来计算在图像的各点处在一个方向上的局部相位的导数；根据相位的导数来计算表示在图像的各点处在一个方向上的局部放大的量；根据所述表示局部放大的量来计算局部光学功率；以及根据局部光学功率来计算高度轮廓。

Description

用于分析衬底的表面的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于分析镜面衬底的表面的方法和设备，所述分析尤其允许通过测量衬底的高度轮廓来检测在平面度上的局部缺陷。
背景技术
对于测量透明衬底的平面度而言，存在三种主要的无接触技术。
第一种技术在于通过干涉测量法来测量物体的平面度。通过利用从来自要被测量的表面和来自已知（基准）表面的入射波的反射发源的两波的干涉来执行测量。虽然极为可靠且精确，但该技术难以应用于在大衬底的工业场所处的线上（in-line）测量。具体地，采用很多光学元件的干涉仪方法对于外部扰动（振动、温度等）非常灵敏。
第二种技术在于通过反射测量法来测量物体的平面度。然而，在大衬底的情况下，该技术要求使用大组件（投影仪、屏幕）和/或使用复杂光学组件来投影并且收集光。归因于缺少空间，将这样的设备集成到工业线中是鲜有可能的或者鲜受期望的。
第三种技术在于通过偏转法来测量物体的平面度。分析通过反射创建的虚像的畸变允许推导物体的形状。在要被测量的衬底的表面上的反射中观测由通常为白线和黑线的交替的周期阵列构成的测试图案。表面上的局部变化使所观测的图像局部地畸变。测量所观测的图像的局部相位允许确定局部坡度。然后通过积分而根据局部坡度来重构衬底的形状。EP-A-1 336 076描述了用于检测光学和表面缺陷的测量方法，所述方法基于分析在反射中观测到的二维测试图案的畸变。该方法在于：使用矩阵相机来取得从表面反射的至少一个测试图案的至少一个图像，并且在于以数字方式提取局部相位，并且在于确定在局部坡度上的变化（然后推导在曲率上的变化或在高度上的变化）。
该方法的一个缺点是，衬底的位置必须在其运动期间被控制，以便确保测量的再现性。具体地，为了提取相位，该方法必需地包括如下步骤：将测试图案的被反射的图像叠加在基准测试图案上，以及然后将这些相位与基准相位进行比较以便推导相位变化并且使用强烈依赖于观测条件和所使用的测量工具的灵敏度因子来校正这些变化。
文献US 6 392 754描述了用于基于分析被反射的测试图案来确定镜面表面的轮廓的方法。使用矩阵相机或线性相机在反射中所观测到的测试图案的畸变允许估计高度轮廓。该方法在于通过将所观测到的测试图案与完美的理论图像进行比较来确定图像的局部相位。然后通过对局部坡度进行积分来确定高度轮廓，基准点是已知的。
US 6 392 754的方法使得可能避免不得不限定条纹在基准帧中的位置。然而，该设备具有需要被校准以便将测试图案与矩阵相机对准的缺点：测试图案的每条线必须准确地对应于相机的像素的整数行。
所有前面提及的基于偏转法的技术根据局部相位的测量来确定局部坡度或曲率半径。这些方法是复杂的，并且要求校准步骤（即条纹的位置要被限定在光学系统的基准帧中），或者并不合适用于大体积的线上测量。
WO 2010/037956还涉及连续分析在衬底的表面上或其体块中出现的畸变光学缺陷。
该方法在于使用矩阵相机来获取在通过衬底的透射中或在来自衬底的反射中所观察到的双向测试图案的一系列多个图像。通过添加而重构的图像然后由数字处理进行分析，以便从中推导光学缺陷的位置并且根据图像的局部相位的变化来量化它们的重要性。该方法量化光学缺陷而不是平面度缺陷。
US 7 345 698涉及根据投影到衬底上并且被反射的多个圆形图像来尤其是针对镜面表面测量光学功率。该方法还是不应用于平面度缺陷。
发明内容
本发明的一个目标是提供用于测量镜面衬底的平面度的鲁棒方法。
为此目的，本发明的一个方面的主题尤其是一种用于分析镜面衬底的表面的方法，包括：
-获取由来自所述表面的反射所产生的测试图案的至少一个图像，所述测试图案包括暗区带和亮区带的周期阵列；
–根据所获取的图像来计算在所述图像的各点处在一个方向上的局部相位的导数；
–根据所述相位的导数来计算表示在所述图像的各点处在一个方向上的局部放大的量；
–根据所述表示局部放大的量来计算局部光学功率；以及
–根据所述局部光学功率来计算高度轮廓。
根据特定实施例，无论是独立地实现还是以任何在技术上可能的组合来实现，所述方法具有以下特征中的一个或多个：
-通过根据局部光学功率的积分来获得高度轮廓；
-所述方法使用根据局部光学功率的局部坡度的计算而计算高度轮廓；
-在所述衬底运动的同时执行所述分析；以及
-所述衬底是镜面的并且是透明的。
利用本发明，计算作为从局部相位导数获得的局部光学功率的函数的高度轮廓不要求计算局部相位。该方法允许使用相对测量，并且因此对于外部振动更不灵敏。
更进一步地，该方法不要求在测量期间的校准。
该方法因此是鲁棒的。
所提出的发明还具有如下优点：在允许在衬底运动的同时进行获取的同时避免使用大的测试图案，并且限制相机的数量，由此避免出于索引的目的而对于附加的相机的需要（使用附加的相机的校准是不必要的）。
本发明的另一主题是一种用于测量衬底的平面度的设备，包括至少一个相机、至少一个测试图案、以及数字图像处理装置，其特征在于，所述处理装置包括处理器和存储器，在所述存储器中，存储能够实现诸如上面描述的方法的程序。
附图说明
现在使用本发明的范围的完全非限制性的示例并且参照所附各图以图解的方式来描述本发明，在各图中，
-图1示出用于在反射中的测量的根据本发明的分析设备的示意性横截面视图；以及
-图2图解可以被使用的测试图案的示例。
各图并非是按比例的，以便使得它们更易于阅读。
具体实施方式
在图1和图2中图解的设备1使得可以通过计算上釉板格的镜面表面的高度轮廓而通过在镜面衬底2（诸如该上釉板格）中的反射缺陷来进行分析。该设备包括：测试图案10；图像捕获装置3，其为例如矩阵相机；系统4，用于照射测试图案；以及合适的处理和计算装置5。
测试图案10被形成在支承板11的一个面上，面对要被测量的衬底。以下将以图解的方式更详细地对其进行描述。
具有镜面表面的衬底2（即上釉板格）被布置在测试图案10和相机3的前面，相机的物镜处于与测试图案的平面相同的平面中，并且被定向在衬底的表面的方向上。
当支承板11为半透明时（诸如白色塑料片材），照射系统4可以是背照射的系统。优选地，照射系统4于是由被放置在半透明板后面的大量发光二级管构成。
相机3是矩阵相机；其生成各拍摄帧，各拍摄帧通过数字处理而被相接以形成衬底的整体图像。衬底2或测试图案能够相对于彼此而平移地行进，以便确保所要求的数量的对整个的衬底的拍摄。用于每一拍摄的相机的触发频率从动于行进速度。
相机3被定位在合适的距离“d”处，从而捕获来自衬底的测试图案的整个的反射。单向测试图案被定位为垂直于镜面衬底的行进轴。相机被聚焦在测试图案的被反射的虚像上。相机3被定位从而衰减来自衬底的底面的测试图案的潜在反射的影响。
诸如在图3中图解的测试图案10被布置在长方形的支承体11上。测试图案10是单向的。测试图案的阵列由一连串交替的亮线和暗线组成。
测试图案相对于要被测量的衬底在大小上是小的。例如，为了测量1.5m乘1.5m的上釉板格，针对为零的上釉板格的倾斜，测试图案例如在15cm乘1.8m上延伸。
通常，测试图案是任何合适的类型的，测试图案例如包括在暗区带和亮区带的至少一个方向上的周期阵列。频率取决于希望得到的精度是可变的。多个频率将可能出现在测试图案中。
图像捕获设备（相机、物镜）被连接到处理和计算装置5，以便执行跟随连续拍摄的处理操作和数学分析。
图4图解相机所记录的图像，测试图案的图像由于在一个方向上出现缺陷而畸变。
本发明更特别地涉及允许从图像获得平面度的计算。
具体地，平面度缺陷将畸变引入到所获取的图像中。
本发明中所描述的基于偏转法的方法在于：根据局部光学功率的测量来确定镜面衬底的平面度。将缺陷建模为球面镜已经使得发明人可以使用所提出的方法来将局部光学功率与衬底的局部曲率关联。基于该信息，通过积分来计算高度轮廓。
更精确地，根据测试图案的分析来计算高度轮廓例如被划分为以下步骤：
-1.获取由于衬底而畸变的测试图案的图像；
-2.解调一维相位，例如一维傅立叶变换；
-3.计算在图像的每个点处的局部相位的导数；
-4.计算在图像的每个点处的局部放大；
-5.计算在图像的每个点处的局部光学功率；
-6.计算在上釉板格的每个点处的局部坡度；
-7.计算在一个方向上的高度轮廓；以及
-8.估计任何平面度缺陷。
根据单向测试图案的二维图像来执行上面提到光学功率的计算。
数学分析在于根据在图像的每一“点”（或“像素”）处的局部相位导数来获得局部放大的值，然后在于计算局部光学功率。因此，针对在反射中获取的图像的每一个来限定局部光学功率的一维映射，所述映射被称为局部光学功率的映射。
可以以各种方式来获得这种局部光学功率的映射的提取。
一种可能的方法是基于傅里叶变换处理，如本身所已知的那样。
通过光学功率的数字处理，假设表面实质上是平面的，并且通过将上釉板格局部地建模为多个球面镜，通过对局部曲率半径进行积分来获得高度轮廓。
利用这种高度轮廓允许通过传递与在当前有效的标准中所描述的准则有关的值而在生产线上直接量化上釉板格的质量。
通常，本发明因此包括：
-获取由来自所述表面的反射所产生的测试图案的至少一个图像，所述测试图案包括暗区带和亮区带的周期阵列；
–根据所获取的图像来计算在图像的各点（即像素）（例如每一点）处在一个方向上的局部相位的导数；
–根据相位的导数来计算表示在图像的各点（即像素）（例如每一点）处在一个方向上的局部放大的量；
–根据所述表示局部放大的量来计算局部光学功率；以及
–根据局部光学功率来计算高度轮廓。

Claims (6)

1. 一种用于分析镜面衬底（2）的表面的方法，包括：
-获取由来自所述表面的反射所产生的测试图案（10）的至少一个图像，所述测试图案包括暗区带和亮区带的周期阵列；
-根据所获取的图像来计算在图像的各点处在一个方向上的局部相位的导数；
-根据相位的导数来计算表示在图像的各点处在一个方向上的局部放大的量；
-根据所述表示局部放大的量来计算局部光学功率；以及
-根据局部光学功率来计算高度轮廓。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，通过根据局部光学功率进行积分来获得高度轮廓。
3. 如权利要求2所述的方法，使用根据局部光学功率的局部坡度计算而计算高度轮廓。
4. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在衬底运动的同时执行分析。
5. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，衬底是镜面的并且是透明的。
6. 一种用于测量衬底（2）的平面度的设备（1），包括：至少一个相机（3）、至少一个测试图案（10）；以及数字图像处理装置，其特征在于，所述处理装置包括处理器和存储器，在所述存储器中，存储能够实现如前述权利要求中的任一项所述的方法的程序。
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