CN114746713A - 用于成像和干涉测量的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量物体(100)的表面的设备(1000、2000、3000、4000、5000、6000)，该设备包括：‑至少一个光源(112、212、320、520)；‑至少一个光学传感器(102、202、624)；以及‑干涉测量装置，其具有测量臂和参考臂，该测量臂被配置成通过光学聚焦系统(107、207)将来自至少一个光源(112、212、320、520)的光朝向物体的待测量表面引导，并将来自待测量表面的光朝向至少一个光学传感器(102、202、624)引导；根据被称为干涉测量配置的第一配置，测量设备被配置为用至少一个光源(112、212、320、520)照射参考臂和测量臂，并将来自测量臂和参考臂的光朝向至少一个光学传感器(102、202、624)引导，以便形成干涉信号；根据被称为成像配置的第二配置，测量设备被配置为至少照射测量臂，并仅将来自测量臂的光朝向至少一个光学传感器(102、202、624)引导，以便形成待测量表面的图像；测量设备还包括数字处理单元，所述数字处理单元被配置为根据干涉信号和图像产生关于待测量表面的信息。本发明还涉及一种测量物体(100)的表面的方法(10)。

Description

用于成像和干涉测量的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于对物体进行组合式全场成像和干涉测量的设备。本发明还涉及一种用于组合成像和干涉测量的方法。
本发明的领域是但不限于用于测量物体的形状和表面的全场干涉测量光学系统。
背景技术
已知不同类型的全场干涉测量传感器用于测量物体表面或层的形状。
这种类型的传感器实现了与物体相互作用的光学测量光束以及参考光束，该光学测量光束和参考光束被重新组合到诸如相机之类的传感器上以产生干涉信号。当物体根据视场在相机上成像时，它们被称为“全场”。处理干涉信号使得可以根据视场重建物体的相位轮廓或形状。在这些条件下，在相机上获得的图像是物体图像和干涉条纹的混合。
有时，需要与干涉信号同时获得物体的高质量图像：即没有干涉条纹。
文件US 2014/0226150中描述了用于测量表面形状的全场干涉测量装置的示例。该装置还包括用于照射样品的外部光源，以便获取干涉条纹中的图像。然而，这些图像必须在暗场中获得，并使用非光谱照明。
文件US 9,719,777B1中描述了用于测量表面形状的全场干涉测量装置的另一个示例。该装置对光场进行调制，以干扰干涉条纹或将干涉仪定位在源的相干区之外(该源在这种情况下是广谱的)，以便在没有干涉条纹的情况下获取图像。然而，在这种情况下，光仍然从干涉仪的参考臂返回到相机上，这会降低获取图像的质量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的设备和方法的缺点。
本发明的一个特定目的是提出一种允许获取物体的图像和干涉测量信号的设备和方法。
本发明的另一个目的是提出一种允许在成像和干涉测量信号的最佳条件下获取物体的图像和干涉测量信号的设备和方法。
本发明的又一个目的是提出一种允许在两种模式中类似的照明和成像条件下获取物体的图像和干涉测量信号的设备和方法。
这些目的中的至少一个通过用于测量物体表面的设备来实现，该设备包括：
-至少一个光源；
-至少一个光学传感器；以及
-干涉测量装置，其具有测量臂和参考臂，该测量臂被配置成通过聚焦光学系统将来自至少一个光源的光朝向物体的待测量表面引导，并将来自待测量表面的光朝向至少一个光学传感器引导。
在被称为干涉测量配置的第一配置中，测量设备被配置为用至少一个光源照射参考臂和测量臂，并将来自测量臂和参考臂的光朝向至少一个光学传感器引导，以便形成干涉信号。
在被称为成像配置的第二配置中，测量设备被配置为至少照射测量臂，并仅将来自测量臂的光朝向至少一个光学传感器引导，以便形成物体表面的图像。
该设备还包括数字处理单元，其被配置为基于干涉信号和图像产生关于物体表面的信息。
在本发明的框架内，“物体”能够表示任何类型的物体，尤其是机械、电子或光学物体。因此，它可以例如非限制性地表示透镜、滑块或透镜和/或其他光学部件的组件，诸如物镜、微电子元件或电路、MEMS(英文为“micro-electromechanical system”)或MOEMS(英文为“micro-opto-electromechanical system”)。例如，测量使得可以确定物体表面的形状、拓扑结构或运动，如振动。待测量表面能够是物体的外表面，或者位于物体其他表面之间的“嵌入”表面。该表面也能够是物体的两个层或两个结构之间的界面。
测量由能够在干涉测量配置和成像配置下运行的设备执行。
在干涉测量配置中，在来自待测量表面的测量光束与参考光束之间检测到干涉信号。当干涉测量装置的测量臂与参考臂被同一光源照射并配置为使入射到光学传感器上的各光束的光程差小于源的相干长度时，在全场中获得该干涉信号。
在成像配置中，通过捕获来自表面的测量光束来获取物体表面的图像。根据由设备的测量单元确定的视场进行干涉和成像测量。测量是在全场模式下进行的。
物体的照明条件与图像和干涉信号的获取条件是相似的。在测量设备的两种配置中，在光场模式下，通过测量臂的光并且通过相同的聚焦光学系统以相同的方式照射物体。类似地，在这两种配置中，来自物体表面的测量光束通过该相同聚焦光学系统获得。
设备的这种布置允许干涉信号与图像之间的最佳对应。这种对应关系允许它们结合使用，以对物体进行更完整的表征。
通常，通过成像提供的图像和通过干涉测量提供的干涉信号是互补的。
一方面，干涉信号提供了对所考虑表面的形状或高度的测量。
另一方面，图像提供了物体表面的平面内信息，相对于干涉测量而言，该信息在单色或彩色上更准确、更完整。即使干涉信号也使得可以获得强度信息，但由于存在与干涉条纹和相位展开条件相关联的伪影，这些信息也会严重退化，尤其是在物体的被测表面的高度转换周围。能够通过实施图像分析技术来利用图像，以便例如分割区域、识别图像的材料或元素、或者精确地测量横向尺寸。
此外，可实现的横向分辨率能够因所使用的干涉测量类型而大不相同，尤其是当使用离轴干涉测量配置时，测量光束和参考光束以非零角度入射到传感器上。即使这种配置允许在傅里叶域中进行有效检测，其缺点在于，由于信息被编码作为干涉图像中干涉条纹图案的调制，横向分辨率取决于这些条纹的周期性，因此明显低于所用传感器的分辨率。
根据非限制性的实施例，根据本发明的测量设备还包括用于在成像配置与干涉测量配置之间切换的单元。
切换单元能够包括阻挡元件，用于阻挡或防止光在干涉测量装置的参考臂中的传输。因此，在成像配置中，参考臂不会被至少一个光源照射。该阻挡元件能够例如是机械或光电快门、或者用于修改诸如参考臂的反射镜之类的元件的例如对准的单元。
根据本发明的测量设备能够包括被布置用于照射干涉测量装置的测量臂和参考臂的第一光源。
根据有利实施例，根据本发明的测量设备能够包括两个光源。
特别地，它能够包括第二光源，该第二光源被布置成仅照射干涉测量装置的测量臂。
在这种情况下，当设备处于干涉测量配置时，能够使用第一光源，并且当设备处于成像配置时，能够使用第二光源。
有利地，分别由第一光源和第二光源发射的光的光谱和/或偏振特性能够是不同的，或者从一个光源到另一个光源变化。
这使得可以区分在干涉测量配置中检测到的光与在成像配置中检测到的光。
而且，在这种情况下，能够同时使用第一光源和第二光源。
替代地，也能够顺序地使用这两个光源。
根据非限制性实施例，根据本发明的测量设备能够包括两个光学传感器。
在这种情况下，第一光学传感器可以配置为(在干涉测量配置中)检测来自第一光源的光，第二光学传感器可以配置为(在成像配置中)检测来自第二光源的光。
为此，第一光学传感器和第二光学传感器能够包括光谱滤波器或偏振元件，或位于其下游，以分离分别来自第一光源和第二光源的光。
所述至少一个光学传感器能够包括单色或彩色阵列传感器(例如CMOS或CCD类型)。
根据一个实施例，彩色传感器能够用于同时从干涉测量配置中的第一光源和成像配置中的第二光源获取光。为此，实现了具有不同光谱内容的两个光源，以及具有例如位于像素上的光谱滤波器的彩色传感器，以便在某些像素上选择性地检测来自第一源的光，并在其他像素上选择性地检测来自第二源的光。因此，可以在传感器的输出处分离干涉信号和图像。
根据一个有利实施例，测量设备还能够包括定位单元，该定位单元被配置为用于将至少一个光学传感器的图像平面的共轭物体平面相对定位在物体的待测量表面的水平处。
事实上，可以改变测量臂中光的聚焦距离和/或待测量表面的位置，以便将物体表面定位在一个或更多个光学传感器的共轭物体平面中。这尤其使得可以优化耦合回传感器的光学功率和/或物体表面的成像的条件。此外，待测量物体在传感器的共轭物体平面中的定位使得可以基于干涉信号更容易地重构待测量表面，尤其避免由散焦效应引起的光学像差。
有利地，干涉测量装置能够包括全场干涉仪，所述全场干涉仪被配置为在视场中检测全场干涉信号。
在这种情况下，能够根据单测量中的视场对待测量表面进行成像。
根据一个示例，该干涉测量装置能够包括具有反射操作的测量臂和参考臂的Michelson干涉仪。
根据另一示例，该干涉测量装置能够包括具有在传输中全局操作的测量臂和参考臂的Mach-Zehnder干涉仪。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于测量物体表面的方法，该方法由测量设备实现，该测量设备包括：
-至少一个光源；
-至少一个光学传感器；
-干涉测量装置，其具有测量臂和参考臂，该测量臂被配置成通过聚焦光学系统将来自至少一个光源的光朝向物体的待测量表面引导，并将来自待测量表面的光朝向至少一个光学传感器引导；
所述测量方法包括以下步骤：
-在设备的被称为干涉测量配置的第一配置中，通过使用至少一个光源照射参考臂和测量臂并且通过至少一个光学传感器检测来自测量臂和参考臂的光来测量表面，以产生干涉信号；
-在设备的被称为成像配置的第二配置中，通过至少照射测量臂并通过至少一个光学传感器检测仅来自测量臂的光来测量表面，以形成待测量表面的图像；以及
-通过数字处理单元处理干涉信号和图像，以获得关于待测量表面的信息。
根据本发明的方法允许获取和处理图像和干涉信号。它特别允许结合使用所获得的图像和干涉信号，以便从中推断出关于物体的信息。因此，可以将来自成像测量和干涉测量的信息结合起来，以产生物体的更完整的信息。
根据非限制性的实施例，能够同时执行干涉测量配置和成像配置中的表面测量。这尤其能够通过实现两个光源和两个光学传感器或一个彩色光学传感器来实现，如上所述。
干涉信号和图像的并行获取特别适合于对运动中的物体进行动态测量。
替代地，能够按顺序地执行根据干涉测量配置和成像配置的表面测量。
有利地，根据本发明的方法能够包括：
-基于在成像配置中对待测量表面的测量，确定所述待测量表面相对于至少一个光学传感器的共轭物体平面的位置；
-在干涉测量配置中测量所述表面期间，使用之前确定的待测量表面的所述位置。
因此，在成像配置中，可以在不受干涉条纹影响的情况下，将待测量表面精确定位在共轭物体平面中、或靠近该平面并与该平面保持已知距离。然后可以使用此信息来改善干涉测量配置中的测量条件和性能。
事实上，为了使用干涉测量装置对物体的表面进行轮廓测量，必须满足以下两个条件：
-表面必须位于传感器或检测器的共轭物体平面内、成像方向上、或靠近该平面，以便表面反射足够的光，以允许测量；
-在表面反射的测量光束与来自参考臂的参考光束之间的光程差小于源的相干长度，以允许在检测器上出现干涉条纹。
这两个条件不一定同时满足，并且能够取决于干涉仪的不同平衡条件，尤其是当测量光束在到达待测量表面之前通过材料层或折射表面时。然后可能需要单独调整共轭物体平面的位置以及在测量光束与参考光束之间的光程差。这也导致通常不可能使用干涉条纹来确定共轭物体平面，尽管它们对干涉测量图像的质量有重大影响。
此外，当待测量表面未定位在检测器的共轭物体平面中时，形状的测量会产生错误的结果，因为它们包含了检测器的共轭物体平面与待测量表面之间的光波传播影响。例如，对于表面形状的测量，这些传播影响能够以估计全局形状或这些形状的真实曲率的误差的形式出现。
因此，考虑到该表面相对于检测器共轭平面的位置，使得可以区分待测量表面真实形状的信息和传播影响的额外信息能够对表面进行无误差测量和/或验证该测量不包括由于传播影响而产生的任何误差。
因此，有必要精确定位该共轭平面，或者将物体表面精确定位在该平面内，或者通过计算在待测量表面的共轭图像平面上传播通过干涉测量法在传感器上检测到的电磁场。在所有情况下，重要的是能够了解和/或验证物体表面相对于检测器的共轭平面的位置，以便能够在考虑该位置的情况下利用根据干涉测量配置获得的测量结果。因此，可以使用物体表面相对于检测器共轭平面的该位置信息，以更高精度确定表面形状。
借助于根据本发明的方法，可以在不受干涉条纹干扰的情况下使用成像来确定传感器的共轭物体平面位于待测量表面水平时的位置，并将传感器的共轭物体平面置于该表面水平处。
然后，可以通过改变测量光束与参考光束之间的光程差来优化干涉条纹的可见性，并获取和处理干涉信号，以便从中推断出物体表面(尤其是形状)的信息。
替代地，可以在物体位于传感器的共轭物体平面之外的情况下，在干涉测量配置中进行测量。这使得在实施离轴干涉测量技术的情况下，视场中的相位变化可以较慢。
借助于对传感器的共轭物体平面位置的了解，电磁场在已知距离上以数字方式传播到被测表面的共轭图像平面的位置，以获得表面轮廓信息。借助于在成像配置中获取的图像，即使在存在衍射结构的情况下，也可以准确地知道表面的该共轭图像平面(或检测器的共轭物体平面)的位置。
根据非限制性的实施例，能够通过对为同一待测量表面获取的多个干涉图进行轮廓测量分析来执行干涉信号的处理。
轮廓测量基于为干涉测量装置中的多个光程差而获取的干涉图的处理序列，这些处理序列构成干涉信号。根据所实施的分析技术，能够以不同的方式获取这些序列。
所述多个干涉图能够特别地根据相移干涉测量法或根据垂直扫描干涉测量法来获取。
根据非限制性另一实施例，干涉信号的处理能够执行使用数字全息的计算方法。
记录干涉信号或干涉图。然后，通过模拟用数字参考波在检测器上照射干涉图的过程，使用数字全息方法对所讨论的表面进行数字重建。这种方法的优点在于，为了计算光学表面的形状，只需要获取单个图像或干涉信号。
根据一些实施例，根据本发明的方法能够包括以下步骤：结合在成像配置中获得的灰度和/或颜色强度信息与在干涉测量配置中获得的形状和/或轮廓信息，获得关于待测量表面的信息。
因此，能够得到物体的更完整的表示。
根据本发明的方法能够实现为测量如上所述的物体的表面或界面的形状和/或位置。它还特别适用于振动测量，以便获得视场中诸如MEMS之类的物体的振动的知识。从图像中能够推断出物体平面内的振动，并且从干涉信号中能够推断出平面外的振动。
根据一些实施例，根据本发明的方法因此能够包括以下步骤：获得待测量表面的位移或振动的信息，包括基于成像配置中的图像获得该表面的平面内位移或振动信息，以及基于干涉测量配置中的干涉信号获得该表面的平面外位移或振动信息。
附图说明及具体实施方式
通过细阅非限制性的示例的详细描述以及根据附图，其他优点和特征将变得显而易见，其中：
-[图1]图1是根据本发明的第一实施例的测量设备的示意图；
-[图2]图2是根据本发明的第二实施例的测量设备的示意图；
-[图3]图3是根据本发明的第三实施例的测量设备的示意图；
-[图4]图4是根据本发明的第四实施例的测量设备的示意图；
-[图5]图5是根据本发明的第五实施例的测量设备的示意图；
-[图6]图6是根据本发明的第六实施例的测量设备的示意图；
-[图7]图7是根据本发明的测量方法的非限制性实施例示例的示意图。
应该理解，在下文中描述的实施例绝不是限制性的。如果该特征的选集足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区别开，则能够特别设想仅包括在下文中描述的一个特征的选集的(独立于所描述的其他特征的)本发明的变型。该选集包括不具有结构细节或仅具有一部分结构细节的至少一个优选功能性的特征，只要仅该部分结构细节就足以赋予技术优点或将本发明相对于现有技术区分。
特别地，所有变型和所描述的所有实施例能够结合在一起，只要从技术角度对这种结合没有异议。
在图中，几幅图共有的元素可以保持相同的附图标记。
根据本发明的测量设备被布置成对诸如光学元件之类的物体的待测量表面进行测量。
该设备包括至少一个光源、至少一个光学传感器或检测器以及具有测量臂和参考臂的干涉测量装置。至少一个源优选为低相干源，其光通过诸如物镜之类的聚焦光学系统被引导向待测量表面。来自待测量表面的光被引导向至少一个光学传感器。
测量设备能够被配置为干涉测量配置和成像配置。
在干涉测量配置中，照射参考臂和测量臂以及干涉仪的参考臂，并且将来自测量臂和参考臂的光朝向至少一个检测器引导，以在其中产生在由待测量表面反射的测量光束与来自参考臂的参考光束之间的干涉信号。
在成像配置中，至少照射干涉仪的测量臂，并且仅将来自测量臂的光朝向至少一个光学传感器引导，以在其中产生待测量表面的图像。
测量设备还包括数字处理单元。这些处理单元被配置为基于测量的干涉信号和图像，根据视场产生关于待测量表面的信息。这些处理单元至少包括计算机、中央处理或计算单元、微处理器和/或合适的软件单元。
在图1至图6中，以示意图表示了根据本发明的测量设备的实施例。其中未示出处理单元。
图1是根据本发明的第一实施例的测量设备的示意图。
测量设备1000包括Michelson或Linnik类型的全场低相干干涉测量装置。该干涉仪由分离器元件104(例如以立方体或分束器的形式)形成，该分离器元件具有将测量光束106朝向物体100的待测量表面的测量臂引导，以及利用反射镜105形成参考光束116的参考臂。
干涉仪由光源112经由例如以立方体或分束器的形式的分光器元件103照明。取决于所实施的检测模式，源112能够是相干长度例如约为几微米或几十微米的低相干源，或者是相干长度为几百微米或更大的更相干的源。它尤其能够包括例如超发光二极管(SLD，英文为“Super Luminescent Diode”)、激光二极管、热光源(卤素灯等)或超连续光源。它还能够包括例如具有光栅和狭缝的滤波装置，或者干涉滤波器，用于根据需要调整相干长度。它能够被布置成在一个或更多个波长周围以可见光或近红外波长发射。
当然，分离器元件103、104能够是非偏振的，或者是偏振的，并且与四分之一分波器相关联以制作无损耦合器。
分别在干涉仪的两臂中反射的测量光束106和参考光束116经由分光板103被引导到具有传感器或检测器102的相机101，该传感器或检测器包括例如CMOS或CCD类型的检测阵列。
当测量光束与参考光束之间的光程差小于源112的相干长度时，在检测器102上获得干涉。
根据图1所示实施例的设备1000还包括聚焦透镜或物镜107，以及管透镜109，其被布置成限定在传感器102上形成的图像平面的共轭物体平面。参考臂还包括物镜110，该物镜也与管透镜109一起限定检测器102的图像平面的参考共轭物体平面。
设备1000是全场成像设备，其使得可以在检测器102上成像待测量物体100的表面或界面。
通常，设备1000包括用于在聚焦物镜107和参考臂的物镜110的后焦平面中聚焦照明光束的光学元件。为清晰起见，图中未示出照明光束。
设备1000还包括位移单元108，其功能是使由检测器102形成的图像平面的共轭物体平面移位，以便例如在检测器102上对物体的表面或界面进行成像。该位移单元108能够包括用于例如用线性或螺旋使设备平移从而使聚焦物镜107或该物镜的透镜移位的系统。替代地或附加地，该位移单元108能够包括用于使设备1000相对于待测量物体100移位(反之亦然)的设备或平移台。
设备1000还能够可选地包括例如以使参考镜105移位的平移台111的形式的用于改变参考臂长度的位移单元111。参考臂的物镜110也能够是可调节的，以便将参考镜105保持在由检测器102形成的图像平面的共轭物体平面中。该位移单元111使得可以调整在干涉仪的测量臂与参考臂之间的相对光路差，从而调整干涉条纹的出现区域。
根据图1所示的实施例，设备1000还包括快门113，使得能够中断参考臂的光束，从而使该光束不会到达检测器102。该快门能够是任何类型，诸如机械快门(光圈)或(例如基于液晶的)电子快门。例如，也能够通过使参考镜105移位的元件来产生快门，例如使其失去对准。
图2是根据本发明的第二实施例的测量设备的示意图。
测量设备2000包括Mach-Zehnder类型的全场低相干干涉测量装置。该干涉仪包括将测量光束206朝向物体100的待测量表面引导的测量臂以及参考臂，参考光束216在该参考臂中传播。
干涉仪由光源212经由例如以立方体或分束器的形式的分光器元件203照明。取决于所实施的检测模式，源212能够是相干长度例如约为几微米或几十微米的低相干源，或者是相干长度为几百微米或更大的更相干的源。它尤其能够包括例如超发光二极管(SLD)、激光二极管、热光源(卤素灯等)或超连续光源。它还能够包括例如具有光栅和狭缝的滤波装置，或者干涉滤波器，用于根据需要调整相干长度。它能够被布置成在一个或更多个波长周围以可见光或近红外波长发射。
来自源212的光被例如以立方体或分束器的形式的第一分离器元件203分离为测量光束206和参考光束216。
干涉仪在测量臂中包括例如以立方体或分束器的形式的第二分离器元件214，用于将测量光束206朝向待测量物体100引导，并传输在该物体中反射的光。
在所示的实施例中，该设备在参考臂中还包括调节元件，用于引导和改变参考臂的光路的长度。例如，该元件能够使用立方体或分束器形式的分离器元件210和参考镜205来产生，该参考镜能够通过诸如平移台之类的平移单元211平移。
然后，测量光束206和参考光束216通过例如以立方体或分束器的形式的分离器元件204结合，并引导向具有传感器或检测器202的相机201，该传感器或检测器包括例如CMOS或CCD类型的检测阵列。
当然，Mach-Zehnder干涉仪能够由非偏振或偏振的元件制成，并与四分之一波片或半波片相关联，以形成无损耦合器。它也能够至少部分地用光纤生产。
当测量光束与参考光束之间的光程差小于源212的相干长度时，在检测器202上获得干涉。
该设备还包括聚焦透镜或物镜207，以及管透镜209，其被布置成限定在检测器202上形成的图像平面的共轭物体平面。
设备2000也是全场成像设备，其使得可以在检测器202上成像待测量物体100的表面或界面。
通常，设备2000包括用于在聚焦物镜207的后焦平面中聚焦照明光束的光学元件。为清晰起见，图中未示出照明光束。
设备2000还包括位移单元208，其功能是使由检测器202形成的图像平面的共轭物体平面移位，以便例如在检测器202上对物体100的表面或界面进行成像。该位移单元208能够包括用于例如用线性或螺旋使设备平移从而使聚焦物镜207或该物镜的透镜移位的系统。替代地或附加地，该位移单元208能够包括用于使设备2000相对于光学元件100移位(反之亦然)的设备或平移台。
根据图2所示的实施例，设备2000还包括快门213，使得能够中断参考臂的光束，从而使该光束不会到达检测器202。该快门能够是任何类型，诸如例如机械快门(光圈)或(基于液晶等的)电子快门。
图3是根据本发明的第三实施例的测量设备的示意图。
测量设备3000包括Mach-Zehnder类型的全场低相干干涉测量装置。
设备3000与图2中所示的设备2000的不同之处在于，它包括第二光源320，该第二光源通过以立方体或分束器形式的分离器元件321插入测量臂中。该第二光源320能够与第一光源212相同或者不同。它在类似于或包括第一源212的光谱或者不同于第一源212的光谱的光谱带中尤其能够是广谱的。
该第二光源320的光束也聚焦在聚焦物镜207的后焦平面中(如对于第一光源212而言)，以便通过该聚焦物镜207以均匀的照明光束照射物体100。
应注意，在该配置中，第二源320不会生成参考光束216。因此，优选地，设备3000与设备2000的不同之处在于它不包括使得可以中断参考臂的光束的快门213。
根据实施例，第一源212和第二源320能够交替使用。当第一源212启用且第二源320禁用时，设备允许在干涉测量配置中获取干涉测量结果。当第一源212禁用且第二源320启用时，设备允许在成像配置中获取成像测量结果。
根据实施例，第一源212和第二源320能够与颜色检测器202同时使用。为此，实现了具有不同光谱内容的两个光源，以及具有例如位于像素上的光谱滤波器的颜色检测器202，以便在某些像素上选择性地检测来自第一源212的光，并在其他像素上选择性地检测来自第二源320的光。因此，可以在检测器的输出处分离干涉信号和图像信号。
应注意，为了最佳对应，在物体100的相同照明条件下并经由相同成像系统获取干涉测量结果和成像测量结果。
图4是根据本发明的第四实施例的测量设备的示意图。
测量设备4000包括Mach-Zehnder类型的全场低相干干涉测量装置。
设备4000与图3所示的设备3000的不同之处在于，第一源212和第二源320使用光纤。
第一源连接到第一光纤耦合器403，该第一光纤耦合器充当设备3000的分离器元件203，以分别通过两条光纤和两个准直器422和423生成测量光束206和参考光束216。
第二源通过第二光纤耦合器421插入测量臂中，该第二光纤耦合器充当设备3000的分离器元件321。
以与设备3000相同的方式，第一源212和第二源320能够交替使用，或者与颜色检测器202同时使用。
根据设备4000的变型，第二源能够通过位于准直器422与分离器元件214之间的自由传播的例如以立方体或分束器的形式的分离器元件321插入测量臂中。
图5是根据本发明的第五实施例的测量设备的示意图。
测量设备5000包括Michelson类型的全场低相干干涉测量装置。
设备5000与图1中所示的设备1000的不同之处在于，它包括第二光源520，该第二光源通过例如以立方体或分束器形式的分离器元件521插入测量臂中。该分离器元件521插入在Michelson干涉仪的分离器元件104与聚焦光学系统107之间。在这种情况下，设备5000可能不包括快门113。
以与图3中的设备3000相同的方式，第一源212和第二源520能够交替使用，或者与颜色检测器102同时使用。
图6是根据本发明的第六实施例的测量设备的示意图。
测量设备6000包括Mach-Zehnder类型的全场低相干干涉测量装置。
设备6000与图3所示的设备3000的不同之处在于，它包括具有检测器624的第二相机625，该检测器包括例如CMOS或CCD类型的检测阵列。设备6000还包括管透镜623，其被布置成与聚焦透镜207一起限定形成在第二相机625的检测器624上的图像平面的共轭物体平面。
第一相机和第二相机及其各自的管透镜能够被布置成在物体100的水平上限定同一物体平面的共轭图像平面。此外，第一相机和第二相机及其管透镜能够是相同的，以便获得图像的最佳对应。
替代地，第一相机和第二相机及其各自的管透镜能够被布置成在物体100的水平上限定不同物体平面的共轭图像平面。这些物体平面能够例如偏移已知量，以允许例如从在待测量表面的共轭图像平面之外获取该表面的干涉信号。
第一相机和第二相机由分离器元件622分离。分离器元件和光源优选被布置成使得来自每个源的光仅到达一个相机。因此，例如，来自用于干涉模式的第一源212的光仅到达第一相机201，来自用于成像模式的第二源320的光仅到达第二相机625。为此，可以使用具有不同光谱的光源和二向色性分离器元件622。还可以使用具有不同偏振的光源，以及偏振的或能够分离偏振的分离器元件622。
在本实施例中，第一源212和第二源320能够同时用于同时获取图像和干涉信号。
替代地，分离器元件被布置成使得来自每个源的光到达两个相机。在这种情况下，两个相机能够是不同的，例如彩色相机和单色相机，以便获取不同的信息。
根据未示出的变型，设备4000或5000还能够包括第二相机625和分离器元件622，其与第一相机以与设备6000相同的方式布置。
两个相机和两个光源能够以与设备6000相同的方式布置和使用。
根据未示出的其他变型，设备1000或2000还能够包括第二相机625和分离器元件622，其与第一相机以与设备6000相同的方式布置。
这尤其能够使得可以实现不同的相机(彩色和/或单色)，以测量信号的不同特性。这也能够使得可以同时实现不同检测器的共轭物体平面。
根据图1至图6所示实施例的测量设备能够用于实施根据本发明的测量方法的步骤，该方法将在下文中描述。
图7是根据本发明的测量方法的非限制性实施例示例的示意图。
图7所示的方法10包括步骤12，即在干涉测量配置中，通过测量光束106、206测量待测量表面。
上述测量设备1000、2000、3000、4000、5000、6000中的每一个都能够用于在干涉测量配置中执行表面的测量。当全场干涉测量装置的测量臂和参考臂由相同的(第一)光源112、212照明并平衡，使得入射到(第一)相机101、201上的参考光束和测量光束的光路差小于光源的相干长度时，在检测器102、202上获得全场干涉信号。
方法10还包括步骤14，即在成像配置中，通过测量光束106、206测量待测量表面。
成像测量的步骤14与干涉测量的步骤12能够按顺序执行或者并行执行。
特别地，对于图1和图2中分别示出的设备1000、2000，成像测量和干涉测量是按顺序执行的，其中快门113、213针对干涉测量打开，针对成像测量关闭。
使用图3、图4和图5中分别示出的设备3000、4000、5000，能够在交替启用光源的情况下按顺序进行成像测量和干涉测量。针对干涉测量只有第一源112、212是启用的，而针对成像测量只有第二源320、520是启用的。
替代地，使用允许光源的光谱分离的检测器，光源能够同时启用，成像测量和干涉测量能够同时进行。
使用图6所示的设备6000，成像测量和干涉测量按顺序或同时进行。两个光源212、320能够交替或同时启用。
通过聚焦物镜207，以与干涉测量配置中相同的方式执行待测量表面100的照射。此外，除了图6中所示的设备6000的实施例之外，通过相同的成像系统和相同的相机执行物体的图像和干涉信号的获取。这使得可以在图像与干涉信号之间具有最佳的对应关系。对于设备6000，能够通过调整和校准相机来获得相同的结果。
为了获得光学元件的表面或界面的真实几何形状，必须事先确定其光学形状，并根据下文所述的传播效应进行校正。
在方法10的处理阶段16期间，对为待测量表面获得的干涉信号和图像进行数字处理，以便从中推断出关于该界面的信息。在干涉测量处理的步骤17中处理干涉信号，并且在图像处理的步骤18中处理图像。能够按顺序或并行地执行处理步骤17、18。
在干涉测量处理的第一步骤17a期间，确定被测表面的光学形状的信息。这种光学形状被称为“可视的”，因为它受到所通过的任何界面和环境的影响。它是从干涉测量中推导出来的。
能够使用不同的已知方法来确定光学和/或几何形状。
根据第一实施例，轮廓测量方法能够被用于执行步骤17a。轮廓测量法是基于干涉图序列的处理。
在这种类型的方法中，优选调整测量光束和参考光束，使其以基本平行或合并或略微倾斜的传播方向入射到检测器上，以产生平色调(tint)或略微调制的干涉图。
这种轮廓测量方法的第一示例实现了基于相位步进干涉测量(PSI，英文为“phasestepping interferometry”)的算法。
为此，在光源的相干长度的限制范围内，针对测量光束与参考光束之间的多个光路或相位差值获取多个干涉图(构成干涉信号)。
然后，通过将已知算法(例如Carré算法)应用于针对不同相移在所讨论的点处获得的干涉图序列，并通过展开由此获得的模2π相位，来确定由此构成的干涉信号在视场108的任何点处的相位和可选的振幅。
因此，一组测量的相位差值
Figure BDA0003672206860000171
是在检测器平面上获得的(或者更准确地说，是检测器上测量光束与参考光束之间的相位差)，rd是朝向参考系(X,Y,Z)中检测器平面的点的坐标向量。
因此，可以使用以下常规关系确定表面的光学形状Lm(rd)：
Figure BDA0003672206860000181
其中，λ是真空中源的中心波长。
几何形状Sm(rd)能够通过以下关系式从光学形状中推导出来：
Sm(rd)＝Lm(rd)/n， (2)
其中，n是测量光束在其中反射的介质的群折射率。
这种轮廓测量方法的第二示例实现了基于垂直扫描干涉测量(VSI，英文为“vertical scan interferometry”)的算法。
为此，使用低相干或宽光谱光源。
为干涉仪的测量臂与参考臂之间的多个光学延迟获取多个干涉信号，光学延迟范围优选地扩展到光源的相干长度之外。
在检测器的每个点rd处，检测在表面或界面上反射的测量光束与参考光束之间的光程差为零的光学延迟。为此，例如可以检测干涉图包络的最大振幅或干涉图相位被抵消的位置。因此，直接获得表面的光学形状Lm(rd)。
根据步骤17a的另一实施例，能够使用数字全息方法。
在数字全息方法(也称为“离轴干涉测量”)中，优选调整测量光束和参考光束，以便以倾斜的传播方向或在它们之间形成角度的方式入射到检测器上。
为此，使用相干的、或者至少在所讨论的光程差面前具有足够大的相干长度的光源。
当被物体的表面或界面反射的测量光束和参考光束的光程差或延迟小于光源的相干长度时，在检测器上获得干涉信号或干涉图Im(rd)，其中，相位信息编码为光束倾斜方向的条纹图案。
检测器上的干涉图能够用以下等式表示：
Figure BDA0003672206860000182
其中，Em是表面或界面反射并入射到检测器(测量光束)上的复数表示法中的电磁波，ER是复数表示法中的参考电磁波，为了简单起见，假定为常数，*是复数共轭。
前两项对应于零阶，第三项和第四项分别对应于真实图像和虚拟图像。
通过选择测量光束与参考光束之间的足够宽的角度，这些不同的衍射项或衍射阶在傅里叶域中被分离，并且能够因此被过滤。
因此，与真实图像相对应的项能够通过以下公式在傅里叶域中滤波来获得：
Figure BDA0003672206860000191
其中，FFT是快速傅里叶变换，FFT-1是其逆。M是在频域中应用的滤波器，用于对与真实图像相对应的项进行滤波，以保持聚焦物镜的数值孔径中存在的空间频率。
一旦获得与真实图像ER*Em(rd)相对应的项，就可以用与所使用的参考波相对应的数字参考波ERD对其进行数字照明，以获得所寻求的电磁场Em(rd)的表达式：
Figure BDA0003672206860000192
应该注意的是，通过假设参考波是恒定的或均匀的，也能够通过将滤波图像转换为基带(接近零频率)在傅里叶域中执行该步骤。
通过使用电磁场Em(rd)的相位
Figure BDA0003672206860000193
可以随后通过关系式(1)确定相关表面的光学形状Lm(rd)，以及通过关系式(2)确定几何形状Sm(rd)。
如上所述获得的光学形状或几何形状是投射在检测器上的形状。为了获得表面的真实光学形状或几何形状，在方法10的步骤17b期间，还需要考虑表面与检测器之间的光学系统的影响。
当表面位于检测器的图像平面的共轭物体平面内，并且假设具有完美的光学系统时，可以使用成像系统的放大率，使共轭物体平面中的点ri对应于检测器的点rd，ri是朝向参考系(X,Y,Z)中共轭物体平面点的坐标向量。因此，在正确的放大率下，获得光学系统的校正表面的光学形状Lm(ri)或几何形状Sm(ri)。
根据实施例，可以考虑光学系统的像差。这能够例如通过校准来实现，通过在放置在待测物体100的位置的反射镜上进行测量。因此，可以确定由这些像差产生的光学形状，这些像差能够从测得的光学形状中减去。因此，还可以考虑检测器上参考光束的相位分布。这使得可以提高根据本发明的方法进行的形状测量的精度。
根据获取和处理方法，尤其是通过实施如上所述的数字全息技术，可以获得检测器处电磁场Em(rd)的完整表达式(具有振幅和相位)。然后，可以使用已知的方法以数字方式例如向另一个重建平面传播电磁场。一些方法特别使用菲涅耳近似，例如傅里叶变换法(Appl.Opt.38,6994–7001(1999))、角光谱法(Opt.Express 13,9935–9940(2005))或卷积法(Meas.Sci.Technol.13,R85–R101(2002))。
例如，在检测器不完全位于待测量表面的物体平面的共轭图像平面的情况下，可以通过将在检测器处测量的电磁场数字地传播到该平面来确定图像平面中的电磁场Em(rd)。
类似地，通过将电磁场从检测器平面传播到相关表面，可以更准确地确定表面的形状。
PSI型轮廓测量或数字全息算法的明确测量范围仅限于波长。当然，能够根据众所周知的技术，通过在多个波长上进行测量来扩展该测量范围。
在根据本发明的方法10的图像处理步骤18期间，能够根据已知技术处理图像。它们的优点在于不受干涉信号的影响，并能够使相机分辨率得到最佳利用。然后可以实现图像分析技术，以便例如根据预定义的标准分割区域、识别图像的材料或元素、或者精确地测量横向尺寸。
在处理阶段16期间获得的干涉测量和成像技术的结果代表了相关表面上的补充信息。它们的结合使用允许更完整地表征物体的表面。
一方面，如上所详细描述的，干涉测量信号提供了表面的形状或高度的测量。
另一方面，图像提供了比干涉信号更准确、更完整的平面内信息。
应该注意的是，干涉测量信号还使得可以获得强度信息。然而，由于存在与干涉条纹和相位展开条件相关的伪影，尤其是在表面高度转换周围，该信息会严重退化。
此外，可实现的横向分辨率能够根据所使用的干涉仪类型而大不相同，尤其是当使用离轴干涉测量配置时，测量光束和参考光束以非零角度入射到检测器上。这种配置尤其用于数字全息，因为它允许在傅里叶域中进行有效检测。然而，其缺点在于，由于信息被编码作为干涉图像中干涉条纹图案的调制，横向分辨率取决于这些条纹的周期性，因此明显低于所用相机的分辨率。
有利地，根据本发明的设备和方法允许干涉测量和成像测量的结合使用。
根据图7所示的实施例，根据本发明的方法10包括获得关于待测量表面的信息的步骤19。为了执行该步骤19，结合在成像配置中获得的灰度和/或颜色强度信息和在干涉测量配置中获得的形状和/或轮廓信息。
所获得的干涉测量信号和图像的结合使用能够用于各个领域。
根据第一示例，根据本发明的设备和方法能够在振动测量领域中实现。
根据实施方式的该具体示例，根据本发明的测量方法使得可以对诸如MEMS或MEMS元件之类的物体(例如以静电梳的形式的膜或致动器)的振动进行测量。
其目的是测量视场、平面内(X,Y)和平面外(Z)的振动。为此，根据优选实施例，实现具有允许同时获取的两个相机的设备6000。
在离轴干涉测量配置中获取干涉测量信号，并根据如上所述的数字全息技术进行处理。这使得可以在每次获取时以高速率获得物体的表面的形状的完整测量。这些形状或轮廓的时间序列允许至少在平面外(Z)的待描述表面的位移或振动。为了测量高频振动，可以使用脉冲或频闪照明。
如上所述，在干涉测量配置中可实现的横向分辨率是有限的，因此该技术用于平面内测量(X,Y)的效率也是有限的。
为了克服这个问题，根据本发明，利用第二相机和第二源的并行图像获取与干涉测量信号的获取同步进行(用于照明和获取)。因此，通过关联连续图像，可以高精度地确定平面内位移(X,Y)。由于两种配置中的获取是同步的，因此能够在视场、平面内(X,Y)和平面外(Z)有效地描述或监测MEMS的振动或完全位移。
根据另一示例，根据本发明的设备和方法能够用于确定共轭物体平面。
事实上，为了使用干涉测量装置对表面或界面进行轮廓测量，必须满足以下两个条件。
首先，表面必须位于检测器的共轭平面内、成像方向上、或靠近该平面，以便表面反射足够的光，从而将能量耦合回成像系统，以便进行测量。
其次，由表面反射的测量光束与参考光束之间的光程差必须小于光源的相干长度，以允许在检测器上出现干涉条纹。
应注意的是，一般而言，这两个条件可能在同一位置或同一平面上不满足，这取决于干涉仪的平衡。当测量光束在到达待测量表面之前通过材料层或折射表面(透镜)时尤其如此。然后可能需要单独调整共轭物体平面的位置以及在测量光束与参考光束之间的光程差。这也导致通常不可能使用干涉条纹来确定共轭物体平面，尽管它们对干涉测量图像的质量有重大影响。
此外，当待测量表面未定位在检测器的共轭物体平面中时，形状测量会产生错误的结果，因为它们包含了检测器的共轭物体平面与表面之间的波传播的影响。因此，有必要精确定位该共轭平面，或者将物体表面精确定位在该平面内，或者通过计算将干涉测量配置中的检测器上检测到的电磁场传播到物体的待测量表面的共轭图像平面内。
根据该方法的一个实施例，在成像配置中使用根据本发明的测量设备，以便获得不受干涉条纹干扰的表面图像，以确定待测量表面相对于检测器的共轭物体平面的位置。
这尤其使得可以知道检测器的共轭物体平面位于待测量表面的水平的位置。可以通过分析扫描期间获取的图像来确定该位置，例如通过确定高空间频率被最大化的图像。
一旦知道该位置，例如可以：
-将检测器的共轭物体平面放置在该表面的水平上，
-可选地，通过改变在测量光束与参考光束之间的光程差来优化干涉条纹的可见度，以及
-获取并处理干涉信号，以便从中推断出表面的形状信息。
根据替代实施方式，尤其是当离轴干涉测量技术与数字全息处理一起使用时，可能优选在物体表面位于检测器平面的共轭物体平面之外的情况下进行干涉测量，尤其是为了具有较慢的相位变化。
在这种情况下，检测器的共轭物体平面的放置位置与检测器的共轭物体平面位于待测量表面水平上的位置相距已知距离。干涉条纹的可见度能够通过改变在测量光束与参考光束之间的光程差来优化。然后，对干涉信号进行获取和处理，以便从中推断出检测器水平上的电磁场或波前表达式。最后，通过使用如上所述的已知模型，将该电磁场数字传播到被测表面的共轭图像平面的位置，以获得表面轮廓信息。
当然，本发明不限于刚刚所描述的示例，并且在不超出本发明的范围的情况下能够对这些示例进行许多修改。

Claims (18)

1.一种用于测量物体(100)的表面的设备(1000、2000、3000、4000、5000、6000)，所述设备包括：
-至少一个光源(112、212、320、520)；
-至少一个光学传感器(102、202、624)；以及
-干涉测量装置，其具有测量臂和参考臂，所述测量臂被配置成通过聚焦光学系统(107、207)将来自所述至少一个光源(112、212、320、520)的光朝向物体的待测量表面引导，并且将来自待测量表面的光朝向所述至少一个光学传感器(102、202、624)引导；
在被称为干涉测量配置的第一配置中，测量设备被配置为用所述至少一个光源(112、212、320、520)照射参考臂和测量臂，并且将来自测量臂和参考臂的光朝向所述至少一个光学传感器(102、202、624)引导，以便形成干涉信号；
在被称为成像配置的第二配置中，所述测量设备被配置为至少照射测量臂，并且仅将来自测量臂的光朝向所述至少一个光学传感器(102、202、624)引导，以便形成待测量表面的图像；
所述测量设备还包括数字处理单元，所述数字处理单元被配置为基于干涉信号和图像产生关于待测量表面的信息。
2.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括用于在成像配置与干涉测量配置之间切换的单元。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，切换单元包括阻挡元件(113、213)，用于阻挡来自干涉测量装置的参考臂的光。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括被布置用于照射干涉测量装置的测量臂和参考臂的第一光源(112、212)。
5.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备包括被布置用于仅照射干涉测量装置的测量臂的第二光源(320、520)。
6.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，分别由第一和第二光源(112、212、320、520)发射的光的光谱特性和/或偏振特性不同。
7.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备包括两个光学传感器(102、202、624)，第一光学传感器被配置为检测来自第一光源(112、212)的光，并且第二光学传感器被配置为检测来自第二光源(320、520)的光。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个光学传感器(102、202、624)包括单色或彩色的矩阵传感器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括定位单元，所述定位单元被配置用于将所述至少一个光学传感器(102、202、624)的共轭物体平面相对定位在待测量表面的水平处。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述干涉测量装置包括Michelson干涉仪。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述干涉测量装置包括Mach-Zehnder干涉仪。
12.一种用于测量物体(100)的表面的方法(10)，所述方法(10)通过测量设备(1000、2000、3000、4000、5000、6000)实现，所述测量设备包括：
-至少一个光源(112、212、320、520)；
-至少一个光学传感器(102、202、624)；
-干涉测量装置，其具有测量臂和参考臂，所述测量臂被配置成通过聚焦光学系统(107、207)将来自所述至少一个光源(112、212、320、520)的光朝向物体的待测量表面引导，并且将来自待测量表面的光朝向所述至少一个光学传感器(102、202、624)引导；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-在设备的被称为干涉测量配置的第一配置中，通过使用所述至少一个光源(112、212、320、520)照射参考臂和测量臂并且通过所述至少一个光学传感器(102、202、624)检测来自测量臂和参考臂的光来测量(12)所述表面，以产生干涉信号；
-在设备的被称为成像配置的第二配置中，通过至少照射测量臂并且通过所述至少一个光学传感器(102、202、624)检测仅来自测量臂的光来测量(14)所述表面，以形成待测量表面的图像；以及
-通过数字处理单元处理(16、17、18)干涉信号和图像，以获得关于待测量表面的信息。
13.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
-基于在成像配置中对待测量表面的测量，确定所述待测量表面相对于所述至少一个光学传感器(102、202、624)的共轭物体平面的位置；
-在干涉测量配置中测量所述表面期间，使用之前确定的待测量表面的所述位置。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，其特征在于，通过对为同一待测量表面获取的多个干涉图进行轮廓测量分析来执行干涉信号的处理(17)。
15.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述多个干涉图根据相移干涉测量法或根据垂直扫描干涉测量法来获取。
16.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，其特征在于，所述干涉信号的处理(17)执行使用数字全息的计算方法。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括结合在成像配置中获得的灰度和/或颜色强度信息与在干涉测量配置中获得的形状和/或轮廓信息，获得关于待测量表面的信息的步骤(19)。
18.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括获得待测量表面的位移或振动的信息的步骤(19)，所述步骤包括基于成像配置中的图像获得该表面的平面内位移或振动的信息，以及基于干涉测量配置中的干涉信号获得该表面的平面外位移或振动的信息。
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