CN113490832A - 用于对样品表面的局部高度和/或定向进行彩色共焦测量的设备以及用于测量样品的高度或粗糙度的相应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对样品表面(S)的局部高度和/或定向进行彩色共焦测量的设备(1)，该设备(1)包括：‑被配置为产生多色光束(9)的光源(2)；‑投影透镜(4)，包括具有轴向色差的透镜(4)，其被配置为将光束(9)施加到样品表面(S)；‑光学传感器，其被配置为接收由样品表面(S)反射的光束(9)，并测量在积分间隔内接收到的反射光束(9)的总能量；‑扫描系统(10)，其耦合到投影透镜(4)并被配置为移动光束(9)相对于投影透镜(4)的传播轴，从而使光学传感器测得的总能量对应于由样品表面(S)反射的光束(9)的总能量的动态空间平均值。

Description

用于对样品表面的局部高度和/或定向进行彩色共焦测量的 设备以及用于测量样品的高度或粗糙度的相应方法

技术领域

本发明总体上涉及对部件的检验和光学检查的领域，并且更具体地涉及使用光学设备来测量样品表面的精确定向和/或高度的领域。

背景技术

到目前为止，存在包括光学传感器的光学比较器类型的测量设备，其允许精确并且无接触地测量样品表面的局部定向和/或高度。在样品表面处的光束直径(通常称为“斑点(spot)”)通常包括在1.5μm至50μm之间，这取决于所选的物镜。

然而，这些光学比较器对要检查的表面的粗糙度敏感，这很可能导致明显缺乏测量的可重复性。但是这些光学比较器主要被用于检查粗糙度超过几微米或几十微米的零件。然而，由于对粗糙度非常敏感，因此经常优选机械探针类型的接触比较器，因为它们更可靠并且其测量更稳健，具有亚微米可重复性。

为了提高由光学比较器进行的测量的稳健性，并且特别是提高其对要检验或检查的表面的粗糙度的敏感度，已经设想扩大测量点(measurement spot)的尺寸。然而，当光学比较器使用彩色共焦显微镜进行测量时，测量点的尺寸的增加必然会引入通过放大比较器对粗糙度的敏感度而使测量结果失真的光学像差。

文献EP 1 505 425描述了一种包括产生单色相干光束的激光二极管的非彩色测量设备。为了抑制散斑现象，该文献提出增加一种允许移动光束的机械装置。然而，由于彩色共焦测量设备的光源具有低相干性，因此在测量期间不存在这些散斑现象。另外，该文献未提供提高对彩色共焦测量设备的表面粗糙度的敏感度的任何教导。

文献US 2017/0227352本身描述了一种包括用于移动设备以跟随被测量物体的装置的彩色共焦测量设备。另一方面，该文献没有提出允许提高设备对被测量表面的粗糙度的敏感度的任何解决方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种使用彩色共焦显微镜来测量样品表面的局部定向和/或高度的设备，该设备通过与当前的光学测量设备相比提高了对表面状况的敏感度，并且即使当要检查的样品表面具有微米级的粗糙度时，该设备也能够获得与机械探针相当的可重复性，从而允许进行稳健和可重复的测量。

为此，本发明提出了一种用于测量样品表面的局部定向和/或高度的彩色共焦测量设备，该设备包括：

-被配置为产生多色光束的光源，

-投影物镜，其包括被配置为将光束施加在样品表面上的轴向色差物镜，光束具有限定的传播轴，

-光学传感器，其被配置为接收被样品表面反射的光束，并且在积分间隔内测量接收到的所述反射光束的总能量，以及

-扫描系统，其被耦合到投影物镜，并且被配置为在光学传感器的积分间隔内使光束的传播轴相对于投影物镜沿预定的路径移动，以便由光学传感器测得的总能量对应于沿着预定路径被样品表面反射的光束的总能量的动态空间平均值。

以上描述的彩色共焦测量设备的一些优选但非限制性的特征如下，单独或组合地：

-光束具有低相干性

-投影物镜还包括准直仪并且扫描系统被布置在准直仪和轴向色差物镜之间。

-扫描系统集成在轴向色差物镜中。

-测量设备还包括被配置为将投影物镜连接至光源的光纤。另外，投影物镜还包括准直仪并且扫描系统被布置在光纤和准直仪之间。

-扫描系统被配置为以限定速度移动样品表面上的传播轴，以便在积分间隔内在样品表面上的传播轴所行进的距离为30微米至600微米之间，优选地在50微米至400微米之间。

-所述路径是闭环。

-扫描系统被配置为使传播轴沿路径以大于或等于1Hz(优选地大于50Hz)的频率移动。

-所述路径具有以下形状之一：直线，闭合曲线，圆，扫描。

-扫描系统包括以下至少一个元件：受控偏心透镜；棱镜，其一个输入面被定位为在光束到达所述输入面时，相对于垂直于光束传播轴的平面呈现非零角度，所述棱镜围绕垂直于所述平面的轴可旋转移动地安装；被配置为移动将光源连接到投影物镜的至少一根光纤以便通过移动其光源点(平面镜)来产生与光束的传播轴的偏差的装置；平面镜，其围绕旋转轴可移动地安装；相对于垂直于旋转轴的平面形成非零角度的镜面；适于将光学偏差引入光束的可定向镜。

-测量设备还包括光谱分析系统，其被配置为确定从表面反射的光束的光谱分布。

根据第二方面，本发明提出了一种使用上述设备进行测量样品表面的高度或位置的彩色共焦测量方法，该方法包括以下步骤：

-产生多色光束，

-将光束施加在样品的表面上，该光束具有使用设备的投影物镜限定的传播轴，以及

-通过设备的光学传感器接收从表面反射的光束，以及在积分间隔内测量接收到的所述反射光束的总能量，

-在光学传感器接收从表面反射的光束期间，使光束的传播轴相对于投影物镜沿着预定的路径移动，以便使光学传感器对沿着预定的路径被样品表面反射的光束总能量进行动态空间平均。

上述测量方法的一些优选但非限制性的特征如下，单独或组合地：

-该方法还包括根据动态空间平均值定义表面的高度或位置的步骤。

-反射光束被传输到光谱仪，该光谱仪被配置为确定与在表面上的光束遇到的界面对应的一个或多个峰值，该方法还包括以下步骤：在该步骤中，在积分间隔内求出所确定的峰值的总和以获得平均峰值，并且包括以下步骤：在该步骤中确定平均峰值的重心。

-光束的传播轴沿封闭路径移动。

-光束的传播轴以大于或等于1Hz(优先地大于50Hz)的频率沿路径移动。

-在积分间隔内，在样品表面上的传播轴行进的距离在30微米至600微米之间，优选地在50微米至400微米之间。

-路径具有以下形状之一：直线，闭合曲线，圆，扫描。

-该方法还包括调整传播轴的位移速度的步骤。

根据第三方面，本发明提出一种使用如上所述的彩色共焦测量设备确定样品表面的粗糙度的方法，该方法包括以下步骤：

-产生多色光束

-在样品的表面上施加光束，该光束具有使用设备的投影物镜限定的传播轴，以及

-通过设备的光学传感器接收从表面反射的光束，以及测量在积分间隔内接收到的所述反射光束的总能量，

-在通过光学传感器接收从表面反射的光束的过程中，使光束的传播轴相对于投影物镜沿着预定路径移动，以便使光学传感器可以测量沿预定路径的样品表面的粗糙度。

上述粗糙度确定方法的一些优选但非限制性的特征如下，单独或组合地：

-光束的传播轴以大于或等于1Hz的频率沿路径移动。

-在积分间隔内传播轴在样品表面上行进的距离在1微米至20微米之间。

-该方法还包括识别沿预定路径的光束的总能量的局部极值的步骤。

-反射光束被传输到光谱仪，该光谱仪被配置为确定与光束在表面上遇到的界面对应的一个或多个峰值，该方法还包括以下步骤，在该步骤中，通过求得积分间隔内峰值的总和以获得平均峰值和通过确定平均峰值的极限来确定极值。

-反射光束被传输到光谱仪，该光谱仪被配置为确定与光束在表面上遇到的界面对应的一个或多个峰值，该方法还包括以下步骤，在该步骤中，在积分间隔内求出所确定的峰值的总和以获得平均峰值，并且包括以下步骤：在该步骤中确定平均峰值的形状或对称性。

附图说明

通过阅读以下详细说明，以及参照以非限制性示例的方式给出的附图，本发明的其他特征、目的和优点将更加清楚地显示出来，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的设备的示例性实施例的示意图，该设备包括“点传感器”和反射扫描系统。在样品的表面上已经示出了连续路径的多个示例。

图2是根据本发明的一个实施例的设备的示例性实施例的示意图，该设备包括“线传感器”和透射扫描系统，以及其上已经示出了多个同时路径的样品表面的俯视图。

图3是根据本发明的一个实施例的设备的示例性实施例的示意图，该设备包括“多点传感器”和反射扫描系统，以及其上已经示出了连续路径的多个示例的样品表面的俯视图。

图4是根据本发明的一个实施例的示出了一种用于测量局部定向和/或高度或粗糙度的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

一种用于测量样品的表面S的局部定向和/或高度的设备1或比较器以本身已知的方式包括：

-光源2，例如白色发光二极管或任何其他白色光源，其被配置为产生多色光束9，

-投影物镜，依次包括准直仪3和轴向色差物镜4(或光笔)，轴向色差物镜4被配置为聚焦在样品的表面S上产生的光束9并且接收从表面S反射的光束9，

-诸如光谱仪的光谱分析系统5被配置为确定在光束9穿过投影物镜后反射的光束9的光谱分布，

-信号处理装置，可以分析该光谱分布，以便计算表面S的轴向位置。

光源2、投影物镜和光谱仪5可以通过至少一根光纤6连接。以本身已知的方式，光源2和光谱仪5可以被容纳在光电盒中，可以通过至少一根光纤6将光电盒连接到投影物镜，和通过电缆将光电盒连接到处理装置。适当时，投影物镜3、4也可以被容纳在光电盒中。应当注意，在这种情况下，光纤6是可选的。

与诸如激光器的单色光源相反，光源2产生多色光束9。多色光束的实现确实允许进行彩色共焦测量，并且特别是沿着测量轴呈现轴向色差，这允许距离测量而无需测量设备的任何位移。

此外，与在空间和时间上相干的激光束相反，光束具有低(空间和时间)相干性。

光笔4具有已知的轴向色差并且以本身已知的方式包括一系列布置在物镜中的透镜，使得它们的光轴是同轴的。

在图1所示的第一实施例中，设备1是“点传感器”。光源2是多色的，光笔4形成源(或更具体地，像针孔一样作用的光纤6的端部)的一组单色图像。这些图像定义了在空间中的观察直线段，源的每个图像都由其波长和相对于光笔4的聚焦距离限定。同一光笔4进一步收集反向散射光束9，以在像空间滤孔一样作用的光纤6的端部形成的一组单色图像的常见的多色图像。多色图像由在样品中的光束9遇到的不同界面的波长组成。

然后将多色图像经由光纤6传输到光谱仪5。在其中测量的光谱然后显示一个或多个峰，该峰对应于将样品放置在由色差(观察直线段)覆盖的空间内时，光束9遇到的界面。例如，如果样品包括不透明表面S，则有光源2的单一波长，以在表面S上获得清晰的图像。然后，信号处理装置允许从由光谱仪5识别的波长推导光笔4与表面S之间的距离。

在图2所示的第二实施例中，设备1是“线传感器”，并且允许同时测量沿线对准的一组点。与点传感器不同，线传感器包括一系列的光纤6，其被配置为将由光源2产生的光引导至光笔4的输入端，并从光笔4返回至光谱仪5。更具体地，这些光纤6的端部在空间上被组织为定义横向测量场(特别是线)。然后，由这些光纤6中的每一个发射的光束9在光笔4中经由分离器8传播至表面S，其中它们沿光轴被散布。类似于点传感器，针对横向场的每个点的每个完全聚焦的波长从样品的表面S反射，在相反的方向上在光笔4中传播，并且经由分离器8和光纤6被引导至光谱仪5的输入端。光谱仪5然后包括光检测器，以便使对应于线的每个测量点的光谱可视化。

在图3所示的第三实施例中，设备1是“多点传感器”。它是这样一种传感器，其中有序设置了多个光源，但不一定像线传感器一样对齐。例如，它可以是三角形中的三个点、正方形或矩形中的四个点、在圆上分布的N个点以及通常根据几何图案分布的N个点。这些源点可以是光纤的端部，每个源点都来源于单个点控制器，如图3所示，其中光纤束的端部与图2相似，在图2中的点不一定对齐。

信号处理装置包括：光学传感器7，其被配置为在积分间隔(以s为单位)内测量通过投影物镜被样品表面S反射的光束9的总能量(以J为单位)；和处理单元，例如计算机或服务器，其适于执行下面将更详细描述的方法。处理单元可以例如包括处理器、微处理器、微控制器等类型的计算机。该装置还包括控制装置(触摸屏、键盘、鼠标、按钮等)。

为了降低设备1对要检验或检查的表面S的粗糙度的敏感度，设备1还包括扫描系统10，其被耦合至投影物镜并且被配置为在光学传感器7的积分间隔内，使光束9的传播轴相对于投影物镜的光轴沿预定路径11移动。由于扫描系统10，光学传感器7测量的总能量对应于沿预定路径11被样品表面S反射的光束9的总能量的动态空间平均值。因此，设备1不再进行准时测量(在积分间隔内，测量点被固定在表面S上)，而是进行光学平均空间测量(其由于在光学传感器7的积分间隔内表面S上的测量点(相当于机械探针的尖端)的移动而导致的)。通过扩大测量表面S而不产生像差，因此使得设备1的测量可靠。

应当注意，光学传感器7仅对在积分间隔内沿路径11的位移期间从测量点反射的光束9的总能量进行一次测量(光学平均值)，而不进行多次测量然后被平均(单次测量的平均值)。因此，平均是实时进行的，这允许在获得平均测量值的同时以其标称速率使用传感器。另外，由于该平均值是光学地完成的，因此无需额外的软件处理来得出该平均值，从而限制了必要的计算能力。

因此，由设备1进行的动态空间平均允许对样品的实际表面粗糙度S进行平均，而与数值孔径或测量点的尺寸无关。实际上，当光笔4具有较低数值孔径或大测量点时，必须由光学传感器7来放大表面粗糙度S：因此，添加扫描系统10不仅可以允许光学地平均样品表面S的粗糙度，而且由于粗糙度和光笔4的特性的组合，还可以光学地平均由光笔4引入的伪影。因此，现在有可能使用最初不适合测量局部定向和/或高度，但是具有其他优点(诸如工作距离大，测量范围大或测光效率高)的光笔，以便通过克服其理论限制进行精确测量。

为此，由信号处理装置在光学传感器7的输出端处获得的信号对应于在光学传感器7的积分间隔内积分的所有峰值的总和。因此，所获得的峰值或平均峰值将在此积分间隔内根据遇到的不同高度的分布来加宽，并以表面的反射率加权。平均峰值的重心对应于高度的平均值，并且因此对应于所期望的高度和/或定向测量。

在适当的情况下，处理装置还可以被配置为确定平均峰值的极限，并且尤其是确定其局部极值(粗糙度峰值和谷值)、其对称性或甚至其形状(而不是峰型或谷型)，并且由此推断出表面S的结构和/或其纹理的信息。在一种变型中，局部极值例如可以被用于确定表面S的粗糙度。因此可以确定由现有标准定义的标准参数(诸如“Ra”(平均偏差)或“Rt”(总偏差))或对称参数，诸如Rsk(高度分布不对称)或Rku(高度分布宽度)。在另一种变型中，峰值的上限可以被用于确定顶点的位置，而不是顶尖缺口(relief)的平均值，并且因此提供与机械探针提供的距离测量接近的距离测量，其本质上是基于表面粗糙度的顶点。

优选地，为了防止操作员感知测量点的移动以及避免由于视网膜的阻力而引起的闪烁，光学传感器7的测量速率大于或等于50Hz。但是要注意的是，如果需要的话，可以以较低的速率进行测量而不会降低其性能，例如，在反射很差的表面上，需要更长的积分时间。通常，可以使用大于1Hz的频率。

通常，要检验或检查的样品是机械零件。因此，其粗糙度由其制造方法造成，并且因此可以在特定方向(例如其加工方向)上定向。为了确保扫描系统10对表面S的顶尖缺口进行动态空间平均(光学平均)，因此优选的是，路径11不是平行于该加工方向的直线。由于加工方向通常对于执行检查或检验的操作员而言既不可见也不熟悉，因此路径11优选是全方向的。全方向路径11的示例包括但不限于圆形、椭圆形、卵形等类型的闭合曲线或扫描(也就是说，测量点以扫描仪的方式沿两个垂直方向同时或连续的位移)。应当注意的是，无论粗糙度的类型如何，选择闭合和更具体地为圆形曲线类型的路径11允许获得更均匀的空间平均。

在光学传感器7的积分间隔期间，测量点沿路径11行进的距离必须足以获得有效的空间平均并且足以平滑表面S的粗糙度，并且尤其取决于表面S的粗糙度。特别地，表面S的粗糙度越大，在表面S上的传播轴的位移的速度就必须越大，以便增加在积分间隔内由表面S上的测量点行进的距离。这就是为什么，通常在积分间隔内由测量点行进的距离包括在30μm至600μm之间，最好在50μm至400μm之间。因此，该距离允许获得与机械探针的接触表面相当的结果。

优选地，在光学传感器7的积分间隔内，在沿路径11布置的表面S的每个区域上仅施加一次测量点。换句话说，在光学传感器7的同一积分间隔内，测量点不会在同一位置多次通过。例如，在圆形路径11的情况下，测量点因此在测量间隔内最多在圆形的周长行进。在同一积分间隔内，测量点在同一位置多次通过的情况下，在非重叠积分间隔内由测量点沿路径11行进的距离决定确保空间平均是足够的。因此，非重叠的距离最好包括在30μm至600μm之间，通常在50μm至400μm。

在适当的情况下，当扫描系统10允许时，可以对表面S上的传播轴的位移速度进行编程。可选地，当可以对传播轴的位移的速度进行编程时，也可以使用设备1以确定表面S的粗糙度。为此，选择传播轴的位移的速度，以便在积分时间内由测量点沿路径11行进的距离较小。这样行进的距离取决于要测量的表面S的粗糙度：表面S越粗糙，行进的距离就可以越大。通常，行进的距离优选地小于30μm，例如近似为1μm至20μm。实际上，由于行进了这样的距离，光学传感器7不会进行光学平均，因为在积分时间内，所测得的总能量对应于一条非常短的路径11。因此，测量的是表面S的粗糙度，而不是其光学平均值。

可替代地或另外，如上所述，可以通过使用处理装置确定局部极值来确定表面S的粗糙度。

扫描系统10可以包括允许移动传播轴以便测量点沿非准时路径11行进的任何装置。例如，扫描系统10可以在传输中操作并且可以在不弯曲(或偏斜)传播轴的情况下被插入到设备1中。作为变型，扫描系统10可以通过在光束9的光学路径中产生至少一个折叠来进行反射操作。

在第一实施例中，扫描系统10被集成在设备1中(在光笔4的上游)。优选地，扫描系统10被集成在准直仪3和光笔4之间。

可替代地，扫描系统10可以被固定在光纤6和准直仪3之间，以便移动光笔4的源点或下游。

例如，在第一实施例中，扫描系统10包括受控偏心透镜，也就是说，透镜与被配置为使其振动的机械装置相关联，以便用照相机的散斑减速器或光学稳定器的方式使其光轴离心。然后，由机械装置产生的振动使光束9的光轴离心而不使其弯曲。

该实施例允许获得节省空间的扫描系统10，允许维持光轴的初始路径11而不使其弯曲。

可替代地，可以使用用于控制透镜的偏心的其他装置，通常是液晶或液晶透镜，其光学功能(焦距，轴心)可以通过电子命令来修改。

在第二实施例中，扫描系统10包括棱镜，棱镜的一个输入面被放置为相对于与光束9的传播轴垂直的平面在光束到达所述输入面的水平处呈现非零角度。棱镜绕垂直于该平面的轴可旋转移动地安装，并由专用电动机12旋转。

例如，棱镜可以包括楔形棱镜，其被放置在光束9的光学路径上，在准直仪3和光笔4之间。那么，样品表面S上的测量点所遵循的路径11是一个圆形，其半径是固定的，并且取决于其输入面和平面之间的角度。

棱镜的输入面与平面之间的角度可以等于0.5°，以使传播轴的偏心度被包括在25μm和30μm之间。路径11则是直径包括在50μm和60μm之间的圆形。

可以由电动机12旋转棱镜。优选地，电动机12能够跟随均匀的旋转运动以大于50Hz的频率旋转棱镜，而不会产生振动。例如，可以使用空心轴DC电动机12。那么，这样的电动机12可以与准直器3和光笔4之间的棱镜一起被固定在投影设备1中，并且因此避免抵消棱镜运动产生的源。因此，没有必要调整光笔4，并且该扫描系统10可以与任何类型的光笔4结合使用。优选地，该设备是平衡的，以便减少可能干扰测量的振动。在设备没有被充分平衡的情况下，优选高的测量速率，以便不激发设备的共振频率，以限制振动并且减少可能给操作员带来不便的噪声。

在第三实施例中，扫描系统10包括被配置为移动一个或多个光纤6的装置，该光纤将光源2连接到投影物镜，以便通过移动源点而与光束的传播轴产生偏差。

在图1所示的第四实施例中，扫描系统10包括平面镜，其绕旋转轴可移动地安装，使得该镜的表面S相对于与旋转轴垂直的平面形成非零角度。因此，它是反射扫描系统10，通过施加不对称移动来允许在光笔4的输出端处改变由扫描系统10反射的光束9的位置。路径11和测量点的速度是由镜子施加的运动定义。

因此，在该实施例中，投影物镜是弯曲的。优选地，扫描系统10被放置在准直仪3和光笔4之间，其中光束9被准直。

例如，可以将镜子放置成使其旋转轴与传播轴之间的角度等于45°，以使准直仪3和光笔相对于彼此成90°放置。

镜的表面S与旋转轴之间的角度例如等于0.1°。路径11则是直径约为50μm的圆。

例如，通过在轴的端部和镜子之间插入垫片，镜子可以相对于与其旋转轴垂直的平面倾斜。然后使用以下公式确定垫片的厚度差(最薄边缘和最厚边缘之间)：

其中：e是垫片的厚度差

是镜子和垫片的直径

是测量点在样品表面S上移动所处的圆的直径

例如，对于直径为56μm并且焦距为10mm的路径11，垫片的厚度差等于70μm。

镜子可以通过电动机12绕其旋转轴旋转。例如，可以使用包括频率大于或等于1Hz(例如约为100Hz)的电动机轴12的直流电动机12。镜子被固定在电动机轴12的端部，其旋转轴则与电动机轴12的轴同轴。

例如，当光学传感器7具有10ms的积分间隔(即100Hz的获取速度)时，电动机12的旋转速度可以是6000rpm，这允许为传感器的每次积分获得超过一圈的平均值。

有利地，直流电动机12的使用允许修改镜子的旋转速度，并且因此修改在光学传感器7的积分间隔内由测量点行进的距离。其结构进一步允许容易地将其集成到设备1中。最后，它的成本适中。

可替代地，镜子可以由步进电动机12旋转。

在第五实施例中，扫描系统10包括适应于将光学偏差引入到光束9的可定向镜。这种扫描系统10可以包括多个致动器，从而使得能够组合它们的运动以获得形成任何曲线的可以闭合或打开的二维路径11。此外，这种可定向镜的反应性大约为毫秒，并且具有非常低的噪声。

致动器可以包括以下组中的至少一个元件：

-电磁线圈，其被固定在参考基板上，与粘合在可倾斜表面(镜子)上的一个或多个磁体相关联。在线圈中施加的电流允许产生吸引或排斥一个或多个磁体的磁场，并且由此使镜子的光学表面S有角度地移动。

-双压电晶片压电机构，包括装有电极的两个压电板，向电极施加电压使其中一个板膨胀并且另一个板压缩。

-单型压电机构，包括连接到电极和参考基板的压电板，

-压电或电致伸缩叠层，包括由板或磁盘的叠层组成的致动器，根据使用的材料，这些板或磁盘的叠层可以通过压电或电致伸缩效应进行膨胀或压缩，

-微机电系统(MEMS)，包括连续或分段的反射膜，其在某些点(致动器)中被附接到充当上电极的中间膜，而下电极被蚀刻在硅层中。在这两个电极上施加的电压产生移动薄膜并且因此移动镜子的静电场。

例如，在包括至少一个压电型致动器的可定向镜的情况下，可以根据所选的技术获得包括在1kHz和10kHz之间的最大频率以及包括在5μm和40μm之间的机械行程。

在第二实施例中，扫描系统10被集成到光笔4中。

例如，在一个实施例中，光笔4的透镜之一具有受控的偏心。然后，扫描系统10包括被配置为使光笔4的透镜之一振动以使传播轴偏心的机械装置。然后，由机械装置产生的振动使光束9的传播轴偏心而不将其弯曲。

Claims (25)

1.一种用于测量样品表面(S)的局部定向和/或高度的彩色共焦测量设备(1)，设备(1)包括：

-光源(2)，其被配置为产生多色光束(9)，

-投影物镜(4)，其包括被配置为将光束(9)施加在所述样品表面(S)上的轴向色差物镜(4)，所述光束(9)具有限定的传播轴，

-光学传感器，其被配置为接收被所述样品表面(S)反射的光束(9)，并且测量在积分间隔内接收到的所述反射光束(9)的总能量，

测量设备(1)的特征在于，其还包括扫描系统(10)，该扫描系统(10)被耦合到所述投影物镜(4)，并且被配置为在所述光学传感器的积分间隔内，使所述光束(9)的传播轴相对于所述投影物镜(4)沿着预定路径(11)移动，以便由所述光学传感器测得的总能量对应于沿着所述预定路径(11)被所述样品表面(S)反射的光束(9)的总能量的动态空间平均值。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述光束具有低相干性。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的设备(1)，其中，所述投影物镜(4)还包括准直仪(3)，并且所述扫描系统(10)被设置在所述准直仪(3)和所述轴向色差物镜(4)之间。

4.根据权利要求1和2中任一项所述的设备(1)，其中，所述扫描系统(10)被集成到所述轴向色差物镜(4)中。

5.根据权利要求1和2中任一项所述的设备(1)，还包括被配置为将所述投影物镜(4)连接到所述光源(2)的光纤(6)，所述投影物镜(4)还包括准直仪(3)和被设置在所述光纤(6)和所述准直仪(3)之间的扫描系统(10)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(1)，其中，所述扫描系统(10)被配置为以限定的速度在所述样品表面(S)上移动所述传播轴，从而在所述积分间隔内，所述传播轴在所述样品表面(S)上行进的距离在30微米至600微米之间，优选地在50微米至400微米之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备(1)，其中，路径(11)是一个闭环。

8.根据权利要求7所述的设备(1)，其中，所述扫描系统(10)被配置为以大于或等于1Hz，优选地大于50Hz的频率沿所述路径(11)移动所述传播轴。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备(1)，其中，所述路径(11)具有以下形状之一：线，闭合曲线，圆，扫描。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(1)，其中，所述扫描系统(10)包括以下至少一个元件：

-受控偏心透镜，

-棱镜，其输入面被放置为在所述光束(9)到达所述输入面的水平处，相对于与所述光束(9)的传播轴垂直的平面呈非零角度，所述棱镜绕垂直于所述平面的轴可旋转移动地安装，

-被配置为移动至少一个光纤(6)的装置，所述光纤(6)将所述光源(2)连接到所述投影物镜(4)，以便通过移动其源点来产生所述光束的传播轴的偏差，

-平面镜，其绕旋转轴可移动地安装，镜的表面(S)相对于与所述旋转轴垂直的平面呈非零角度，

-可定向镜，其被调整为将光学偏差引入所述光束(9)中。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备(1)，还包括光谱分析系统(5)，其被配置为确定被表面(S)反射的光束(9)的光谱分布。

12.一种使用根据权利要求1至11中任一项所述的设备(1)来测量样品表面(S)的高度或位置的彩色共焦测量方法，方法包括以下步骤：

-产生多色光束(9)，

-将光束(9)施加在所述样品表面(S)上(S1)，所述光束(9)具有使用所述设备(1)的投影物镜(4)限定的传播轴，以及

-通过所述设备(1)的光学传感器接收被表面(S)反射的光束(9)(S3)，和测量在积分间隔内接收到的所述反射光束(9)的总能量(S4)，

所述方法的特征在于，它还包括步骤(S2)：在所述光学传感器接收被所述表面(S)反射的光束(9)的期间，使所述光束(9)的传播轴相对于所述投影物镜(4)沿着预定路径(11)移动，从而使所述光学传感器获得沿着所述预定路径(11)被所述样品表面(S)反射的光束(9)的总能量的动态空间平均值。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括根据所述动态空间平均值定义表面(S)的高度或位置的步骤。

14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，其中，所述反射光束(9)被传输到光谱仪(5)，所述光谱仪(5)被配置为确定与所述光束(9)在表面(S)上遇到的界面对应的一个或多个峰值，所述方法还包括以下步骤：在该步骤中，在所述积分间隔内求出所确定的峰值的总和以获得平均峰值，并且包括以下步骤：在该步骤中确定所述平均峰值的重心。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述光束(9)的传播轴沿着闭合路径(11)移动。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光束(9)的传播轴以大于或等于1Hz，优选地大于50Hz的频率沿着路径(11)移动。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，在所述积分间隔内所述传播轴在所述样品表面(S)上行进的距离在30微米至六百600微米之间，优选地在50微米至400微米之间。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，所述路径(11)具有以下形状之一：线，闭合曲线，圆，扫描。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，还包括调节所述传播轴的位移速度的步骤。

20.一种用于使用根据权利要求1至11中任一项所述的彩色共焦测量设备(1)来确定样品表面(S)的粗糙度的方法，所述方法包括以下步骤：

-产生多色光束(9)，

-将光束(9)施加在所述样品表面(S)上(S1)，所述光束(9)具有使用设备(1)的投影物镜(4)限定的传播轴，以及

-通过所述设备(1)的光学传感器接收被表面(S)反射的光束(9)(S3)，以及测量在积分间隔内接收到的所述反射光束(9)的总能量(S4)，

所述方法的特征在于，还包括步骤(S2)：在通过所述光学传感器接收被表面(S)反射的光束(9)期间，使所述光束(9)的传播轴相对于所述投影物镜(4)沿着预定路径(11)移动，以便使所述光学传感器测量沿着所述预定路径(11)的所述样品表面(S)的粗糙度。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述光束(9)的传播轴以大于或等于1Hz的频率沿着路径(11)移动。

22.根据权利要求20和21中任一项所述的方法，其中，在所述积分间隔内，所述传播轴在所述样品表面(S)上行进的距离在1微米至20微米之间。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，还包括识别沿着所述预定路径(11)的所述光束的总能量的局部极值的步骤。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述反射光束(9)被传输到光谱仪(5)，所述光谱仪(5)被配置为确定与所述光束(9)在表面(S)上遇到的界面对应的一个或多个峰值，所述方法还包括以下步骤：在所述步骤中，通过求得所述积分间隔内峰值的总和以获得平均峰值并且通过确定所述平均峰值的极限来确定极值。

25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，其中，所述反射光束(9)被传输到光谱仪(5)，所述光谱仪(5)被配置为确定与所述光束(9)在表面(S)上遇到的界面对应的一个或多个峰值，所述方法还包括以下步骤：在所述步骤中，在所述积分间隔内对由此确定的峰值进行求和以获得平均峰值，并且包括以下步骤：在所述步骤中确定所述平均峰值的形状和/或对称性。

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