DE112013001142T5

DE112013001142T5 - Verfahren zum Identifizieren abnormaler Spektralprofile, die von einem chromatischen konfokalen Entfernungssensor gemessen werden

Info

Publication number: DE112013001142T5
Application number: DE112013001142.5T
Authority: DE
Inventors: Andrew Michael Patzwald
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-11-06
Also published as: US20130222797A1; US8928874B2; WO2013126909A1; JP6174336B2; JP2013174594A

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben eines chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems vorgesehen, um abnormale Spektralprofile zu identifizieren, die von Licht herrühren, das von mehr als einem Teil einer Werkstückoberfläche reflektiert wird. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines CRS-Systems, das Folgendes umfasst: ein optisches Element, eine Lichtquelle und CRS-Elektronik, die einen CRS-Wellenlängendetektor umfasst; Betreiben des CRS-Systems, um ein Ausgabe-Spektralprofil von einem Messpunkt auf einer Werkstückoberfläche und die entsprechenden Ausgabe-Spektralprofildaten zu empfangen; Analysieren der Ausgabe-Spektralprofildaten, um eine Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs bereitzustellen; und Bereitstellen eines entsprechenden Anomalie-Indikators, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs anzeigt, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Präzisions-Messinstrumente und insbesondere chromatische Entfernungssensoren und ähnliche optische abstandsermittelnde Vorrichtungen und deren Verwendung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Verwendung von chromatischen konfokalen Methoden in optischen Höhen- oder Abstands- oder Entfernungssensoren ist bekannt. Wie in US-Patent Nr. 7.876.456 (dem '456-Patent) beschrieben, das hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin einbezogen wird, kann ein optisches Element mit axialer chromatischer Aberration, die auch als axiale oder longitudinale chromatische Streuung bezeichnet wird, verwendet werden, um einer Breitband-Lichtquelle so zu fokussieren, dass sich der axiale Abstand zum Brennpunkt mit der Wellenlänge ändert. Somit wird nur eine einzige Wellenlänge genau auf eine Oberfläche fokussiert und die Höhe oder der Abstand der Oberfläche bezüglich des fokussierenden Elements bestimmt, welche Wellenlänge am besten fokussiert wird. Bei Reflexion von der Oberfläche wird das Licht erneut auf eine kleine Detektoröffnung wie eine Lochblende oder das Ende eines Lichtwellenleiters fokussiert. Bei Reflexion von der Oberfläche und Rücklauf durch das optische System zum Ein-/Ausgabe-Lichtwellenleiter ist nur die auf der Oberfläche gut fokussierte Wellenlänge auf der Öffnung gut fokussiert. Alle anderen Wellenlängen werden schlecht auf die Öffnung fokussiert und koppeln daher nicht viel Leistung in den Lichtwellenleiter ein. Daher ist für das durch den Lichtwellenleiter zurückgeleitete Licht der Signalpegel für die Wellenlänge am größten, die der Oberflächenhöhe oder dem Abstand zur Oberfläche entspricht. Ein Spektrometer-Detektor misst den Signalpegel für jede Wellenlänge, um die Oberflächenhöhe zu ermitteln.
Das '456 -Patent beschreibt ferner, dass bestimmte Hersteller sich auf praktische und kompakte Systeme beziehen, die wie oben beschrieben arbeiten, und die sich für chromatische konfokale Entfernungsmessung im industriellen Rahmen eignen, wie chromatische Punktsensoren (CPS) oder chromatische Liniensensoren oder dergleichen. Eine kompakte chromatisch streuende optische Anordnung, die mit solchen den Abstand zu einem Oberflächenpunkt messenden Systemen verwendet wird, wird als „optischer Stift” oder „Stift” bezeichnet. Der optische Stift ist durch einen Lichtwellenleiter mit einem Elektronikteil des chromatischen Punktsensors verbunden, der Licht durch den Leiter sendet, um es aus dem optischen Stift auszugeben, und der ein Spektrometer bereitstellt, das das zurückgekommene Licht erfasst und analysiert. Das zurückgekommene Licht bildet ein wellenlängengestreutes Intensitätsprofil, das vom Detektor-Array des Spektrometers empfangen wird. Dem wellenlängengestreuten Intensitätsprofil entsprechende Pixeldaten werden analysiert, um die „Koordinate der dominierenden Wellenlängenposition” zu ermitteln, die von einem Spitzenwert oder Schwerpunkt des Intensitätsprofils angegeben wird, und die resultierende Pixelkoordinate des Spitzenwerts oder Schwerpunkts wird mit einer Umsetzungstabelle verwendet, um den Abstand zur Oberfläche zu ermitteln. Diese Pixelkoordinate kann mit Subpixel-Auflösung ermittelt und als „abstandsangebende Koordinate” bezeichnet werden.
Das '456 -Patent beschreibt ferner, dass das CPS-Spektrometer im Normalbetrieb für einen bestimmten Messabstand gewöhnlich einen bestimmten Bereich oder Spitzenbereich von Wellenlängen empfängt. Es wird offenbart, dass das CPS-Spektrometer die Form des Spitzenbereichs von Wellenlängen verzerren und somit den entsprechenden Spitzenwert oder Schwerpunkt und die daraus resultierende abstandsangebende Koordinate beeinflussen kann. Die Systeme und Verfahren des '456-Patents stellen Komponenten-Kalibrierdaten bereit, auch als Kompensationsdaten bezeichnet, die die Wirkungen wellenlängenabhängiger Veränderungen (z. B. nichteinheitliche Reaktionen) im CPS-Spektrometer und/oder der Breitbandlichtquelle umfassen. Die Kompensationsdaten des '456-Patents werden verwendet um Fehler zu verringern oder zu beseitigen, die diesen Wirkungen im Spektrometer und in der Lichtquelle zusammenhängen. Die Kompensationsdaten des '456-Patents können zu verschiedenen Zeitpunkten neu ermittelt und/oder ersetzt werden, so dass die Kompensationsdaten wirksam bleiben, um trotz Veränderungen der Spektrometer- und/oder Lichtquelleneigenschaften (z. B. aufgrund von Alterung der Komponenten, Veränderungen der Umgebung oder dergleichen) Fehler zu verringern oder zu beseitigen.
Die noch nicht erteilte US-Patentveröffentlichung Nr. 2010/0188742 , die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen wird, offenbart einen chromatischen Entfernungssensor, der ein „Liniensensor” ist, der eine Schlitzöffnung verwendet und Licht entlang einer Linie statt auf einen Punkt fokussiert, wodurch er die Fähigkeit bereitstellt, einen Abstand zu einer Oberfläche an einer Anzahl von Punkten entlang dieser Linie zu messen.
In verschiedenen chromatischen Entfernungssensor-Systemen gibt es nichts, was die Erfassung von mehr als einem spektralen Spitzenwert aufgrund des Lichts verhindern kann, das von einem beabsichtigten Messort reflektiert wird. In manchen Fällen ist dies zum Messen der Stärke einer transparenten Dünnschicht vorteilhaft. Das heißt, dass ein erster spektraler Spitzenwert einem ersten Abstand zur oberen Oberfläche einer transparenten Dünnschicht entsprechen kann, und ein zweiter spektraler Spitzenwert einem zweiten Abstand zur unteren Oberfläche der Dünnschicht und/oder zur Oberfläche des sie tragenden Substrats entsprechen kann. In anderen Fällen können jedoch unvorhersehbar zwei spektrale Spitzenwerte auftreten (z. B. aufgrund einer unerwarteten sekundären Reflexion, die durch einen primären oder beabsichtigten Messort zurückläuft). Dies kann zu einem unerwarteten und/oder falschen Messergebnis führen (z. B. Messfehler, die beispielsweise einen bedeutenden Teil des Messbereichs ausmachen). Es wäre wünschenswert, ein verbessertes chromatisches Entfernungssensor-System bereitzustellen, das ein Mittel zum Feststellen vorliegender Messfehler wegen unerwarteten sekundären Reflexionen enthält.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Kurzdarstellung dient dazu, eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung unten näher beschrieben werden. Die Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, und soll auch nicht als Unterstützung beim Ermitteln des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen zielen auf das Feststellen abnormaler Spektralprofile und/oder Messpunkte ab, die abnormalen Spektralprofilen entsprechen, wie abnormalen Spektralprofilen, die beispielsweise aus unerwarteten sekundären Reflexionen hervorgehen. Auf diese Weise kann ein Benutzer oder ein Host-System auf mögliche Fehler in den Messungen im Zusammenhang mit solchen Spektralprofilen aufmerksam gemacht werden. Dies ist insbesondere für relativ unerfahrene Benutzer wertvoll, die das Potential für solche Fehler möglicherweise nicht verstehen. Es kann auch für relativ erfahrene Benutzer wertvoll sein, die ermitteln möchten, welche Messorte zu unerwünschten sekundären Reflexionen führen. Es kann auch für relativ erfahrene Benutzer wertvoll sein, die ermitteln möchten, ob eine Dünnschicht zu dünn ist, um wie oben grob beschrieben zwei unterschiedliche spektrale Spitzenwerte bereitzustellen. In einem solchen Fall können die beiden Spitzenwerte verschmelzen und einen verzerrten Spitzenwert bilden, der nicht analysiert werden kann, um eine gültige Messung für entweder die erste oder die zweite Dünnschichtoberfläche bereitzustellen. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein abnormales Spektralprofil analysiert werden, um eine Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs zu liefern, die unerwartete „zweifache Spitzenwerte” oder ein Ausmaß von Spitzenverzerrung oder beides erfasst. Ein solches Erfassen abnormaler Spektralprofile wird vom Patent '456 oder anderen Systemen des Stands der Technik nicht erwogen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben eines chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems bereitgestellt, um abnormale Spektralprofile zu identifizieren, die von Licht herrühren, das von mehr als einem Teil einer Werkstückoberfläche reflektiert wird (z. B. Licht, das von der vorderen und der hinteren Oberfläche einer Dünnschicht reflektiert wird, oder unerwartetem sekundärem Reflexionslicht, das durch einen Messort zurückläuft, der das primäre Reflexionslicht als Grundlage für eine Messung liefern soll). Das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines CRS-Systems, das Folgendes umfasst: ein optisches Element, das so konfiguriert ist, dass es verschiedene Wellenlängen in verschiedenen Abständen nahe einer zu messenden Werkstückoberfläche fokussiert, eine Lichtquelle, die angeschlossen ist, um das optische Element mit einem Eingabe-Spektralprofil von Wellenlängen zu versehen; und CRS-Elektronik, die einen CRS-Wellenlängendetektor umfasst, der eine Vielzahl von entlang einer Messachse des CRS-Wellenlängendetektors angeordneten Pixeln umfasst, wobei die Vielzahl der Pixel jeweilige Wellenlängen empfängt und Ausgabe-Spektralprofildaten liefert, wobei das CRS so konfiguriert ist, dass der optische Stift, wenn er an die CRS-Elektronik angeschlossen und bezüglich der Werkstückoberfläche betriebsfähig zum Durchführen von Messvorgängen positioniert ist, das Eingabe-Spektralprofil eingibt und entsprechende Strahlung auf die Werkstückoberfläche ausgibt und reflektierte Strahlung von der Werkstückoberfläche empfängt und reflektierte Strahlung ausgibt, um ein Ausgabe-Spektralprofil an den CRS-Wellenlängendetektor zu liefern, wobei das Ausgabe-Spektralprofil einen Wellenlängen-Spitzenwert aufweist, der einen Messabstand vom optischen Stift zur Werkstückoberfläche angibt und die CRS-Elektronik entsprechende Ausgabe-Spektralprofildaten liefert; Betreiben des CRS-Systems, um ein Ausgabe-Spektralprofil von einem Messpunkt auf einer Werkstückoberfläche und die entsprechenden Ausgabe-Spektralprofildaten zu liefern; Betreiben des CRS-Wellenlängendetektors, um Ausgabe-Spektralprofildaten aus dem Ausgabe-Spektralprofil zu ermitteln; Analysieren der Ausgabe-Spektralprofildaten, um eine Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs bereitzustellen; und Bereitstellen eines entsprechenden Anomalie-Indikators, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs anzeigt, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist.
In manchen Ausführungsformen kann der Schritt des Analysierens der Ausgabe-Spektralprofildaten zum Bereitstellen einer Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs vom CRS-System durchgeführt werden. In manchen Ausführungsformen kann der Schritt des Analysierens der Ausgabe-Spektralprofildaten zum Bereitstellen einer Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs vom CRS-System automatisch durchgeführt werden. In manchen Ausführungsformen kann das Betreiben, Analysieren und Bereitstellen von Schritten wiederholt durchgeführt werden. In manchen Ausführungsformen kann das Betreiben, Analysieren und Bereitstellen von Schritten wiederholt bei einer Messgeschwindigkeit des CRS-Systems durchgeführt werden.
In manchen Ausführungsformen kann der Schritt des Analysierens der Ausgabe-Spektralprofildaten zum Bereitstellen einer Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs das Ermitteln des Werts einer Spitzenbereich-Asymmetriemetrik auf Grundlage der Ausgabe-Spektralprofildaten umfassen. In manchen Ausführungsformen kann, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereich anzeigt, dass der Spitzenbereich anormal asymmetrisch ist, der Schritt des Bereitstellens eines entsprechenden Anomalie-Indikators das Vergleichen des Werts der Spitzenbereich-Asymmetriemetrik mit einem Asymmetriemetrik-Schwellenwert und das Bereitstellen des entsprechenden Anomalie-Indikators umfassen, wenn der Wert der Spitzenbereich-Asymmetriemetrik den Asymmetriemetrik-Schwellenwert überschreitet. In manchen Ausführungsformen kann das Ermitteln des Werts einer Spitzenbereich-Asymmetriemetrik das Bestimmen einer Spitzenwert-Pixelindexkoordinate auf Grundlage der Ausgabe-Spektralprofildaten, das Ermitteln einer messabstandsangebenden Koordinate auf Grundlage der Ausgabe-Spektralprofildaten und das Ermitteln des Werts der Spitzenbereich-Asymmetriemetrik auf Grundlage einer Differenz zwischen der Spitzenwert-Pixelindexkoordinate und der messabstandsangebenden Koordinate umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Differenz zwischen der Spitzenwert-Pixelindexkoordinate und der messabstandsangebenden Koordinate eine Anzahl von Pixeln umfassen, und der Asymmetriemetrik-Schwellenwert kann eine Schwellenanzahl von Pixeln umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Schwellenanzahl von Pixeln mindestens 5 sein. In manchen Ausführungsformen kann die Schwellenanzahl von Pixeln von einem Benutzer auf einer Benutzerschnittstelle gewählt werden, die mit dem CRS-System verbunden ist. In manchen Ausführungsformen kann das Ermitteln des Werts einer Spitzenbereich-Asymmetriemetrik das Ermitteln eines Pearson-Koeffizienten umfassen.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Ausgeben des entsprechenden Anomalie-Indikators aus dem CRS-System umfassen, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs anzeigt, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist. In manchen Ausführungsformen kann der Anomalie-Indikator in Verbindung mit einer entsprechenden Messabstandausgabe vom CRS-System ausgegeben werden.
In manchen Ausführungsformen kann das CRS-System ein chromatisches Punktsensor-System umfassen und das optische Element kann einen optischen Stift umfassen. In manchen Ausführungsformen kann das CRS-System ein chromatisches Liniensensorsystem umfassen, das eine Schlitzöffnung verwendet, und der Messpunkt kann ein Messpunkt entlang der Lichtlinie des Liniensensorsystems sein. In manchen Ausführungsformen kann das CRS-System ein chromatisches Kamera- oder Array-Sensorsystem umfassen, das ein 2D-Sichtfeld aufweist, und der Messpunkt kann ein Messpunkt innerhalb des 2D-Sichtfelds sein.
In manchen Anwendungen eines chromatischen Entfernungssensors ist es bekannt, Ausreißermessungen eines Oberflächenprofils (z. B. eines Schraubengewindeprofils) aufgrund geometrischer Ausreißer-Kriterien zu beseitigen. Man wird erkennen, dass die hierin offenbarten Systeme und Verfahren ein robusteres und zuverlässigeres Verfahren zur Unterscheidung fehlerhafter CRS-Messungen liefern können, als solche geometrischen Ad-hoc-Verfahren, indem sie sowohl unerfahrenen als auch erfahrenen Benutzern direktes Identifizieren unzuverlässiger Messungen und/oder Messorte auf einem Werkstück bereitstellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden Aspekte und viele der begleitenden Vorteile dieser vorliegenden Erfindung sind leichter zu erkennen, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende genaue Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden, wobei die Zeichnungen Folgendes zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer Ausfürungsform eines beispielhaften chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems;
2 ein Diagramm von Profildaten von einem chromatischen Entfernungssensor, das Spannungsoffset-Signalpegel für die Pixel in einem Detektor-Array darstellt;
3 ein Diagramm von Profildaten von einem chromatischen Punktsensor, das ein normales Spitzenbereichssignal darstellt, welches einer zuverlässigen messabstandsangebenden Koordinate entspricht;
4 ein Diagramm von chromatischen Entfernungssensor-Abstandskalibrierdaten, das bekannte Messabstände mit abstandsangebenden Koordinaten für einen chromatischen Punktsensor korreliert;
5 ein Diagramm einer Ausführungsform eines zum Messen einer Oberfläche verwendeten beispielhaften CRS-Systems, das an manchen Messorten abnormale Spektralprofile erzeugen kann;
6 ein Diagramm von abnormalen Spektralprofildaten von einem chromatischen Entfernungssensor, das ein asymmetrisches Spitzenbereichssignal und eine falsche messabstandsangebende Koordinate darstellt, die aus kombinierten primären und sekundären Reflexionen hervorgehen;
7 ein Diagramm eines Oberflächenprofils, das einem Werkstück ähnlich dem in 5 gezeigten entspricht und mehrere Messpunkte umfasst; und
8 ein Flussdiagramm, das eine Routine zum Betreiben eines chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems bereitstellt, um abnormale Spektralprofile zu identifizieren, die von Licht herrühren, das von mehr als einem Teil einer Werkstückoberfläche reflektiert wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems 100. Wie in 1 gezeigt, umfasst das CRS-System 100 ein optisches Element 120 und Elektronikteil 160. In der in 1 gezeigten Ausführungsform enthält der Elektronikteil 160 einen Signalprozessor 166, einen Speicherteil 168 und ein Quelle-und-Detektor-Subsystem 161, das einen Wellenlängendetektor 162, eine Breitband-Lichtquelle 164 (in einigen Ausführungsformen auch als weiße Lichtquelle bezeichnet) umfasst. Man wird erkennen, dass das in 1 gezeigte CRS-System 100 ein chromatisches Punktsensorsystem ist, das jeweils an einem einzigen Messpunkt misst. Das in 1 gezeigte optische Element 120 ist ein optischer Stift. In verschiedenen Ausführungsformen können jedoch alternative Arten von chromatischen Entfernungssystemen wie ein chromatischer Liniensensor so konfiguriert sein, dass sie gemäß den hierin offenbarten Systemen und Verfahren arbeiten. In verschiedenen Ausführungsformen enthält der Wellenlängendetektor 162 ein Detektor-Array 163 eines Spektrometers. Der Detektor-Array 163 kann eine Vielzahl von Pixeln umfassen, die entlang einer Messachse des Wellenlängendetektors 162 verteilt sind, wobei die Vielzahl der Pixel jeweilige Wellenlängen empfängt und Ausgabe-Spektralprofildaten liefert. Der Elektronikteil 160 ist mit dem optischen Element 120 durch einen Lichtweg verbunden, der das Lichtwellenleiterkabel 112 enthält. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind optionale oder alternative Aspekte des Lichtwegs gezeigt, der das Lichtwellenleiterkabel 112 mit dem ersten und zweiten Segment 112A und 112B, die an einem Steckverbinder STECKVERBINDER-D im Lichtwellenleitersegment 112B verbunden sind, und einen Koppler KOPPLER-O enthält, der das Segment 112B mit dem Elektronikteil 160 verbindet. Die Lichtquelle 164 ist angeschlossen, um ein Spektralprofil von Wellenlängen in das Lichtwellenleiterkabel 112 einzugeben. Das optische Element 120 enthält eine Ein-/Ausgabe-Lichtwellenleiter-Unteranordnung 105, ein Gehäuse 130 und einen Optikteil 150. Die Ein-/Ausgabe-Unteranordnung 105 umfasst einen Ein-/Ausgabe-Lichtwellenleiter 113, der durch ein ihn umschließendes Lichtwellenleiterkabel 112 geführt wird, und einen Lichtwellenleiter-Steckverbinder 108. Der Ein-/Ausgabe-Lichtwellenleiter 113 gibt einen Ausgabestrahl durch eine Öffnung 195 aus und empfängt reflektiertes Messsignal-Licht durch die Öffnung 195.
Im Betrieb wird aus dem Lichtwellenleiterende durch die Öffnung 195 ausgestrahltes Licht vom Optikteil 150, der eine Linse enthält, die eine axiale chromatische Streuung liefert, so fokussiert, dass der Brennpunkt entlang einer optischen Achse OA in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts bei verschiedenen Abständen liegt, wie es für chromatische konfokale Sensorsysteme bekannt ist. Wie unten ausführlicher beschrieben, wird das Licht während der Messvorgänge auf einem Oberflächenort 190 eines Werkstücks 170 fokussiert. Bei Reflexion vom Oberflächenort 190 wird das Licht vom Optikteil 150 wieder auf die Öffnung 195 fokussiert. Aufgrund der durch den Optikteil 150 bereitgestellten axialen chromatischen Streuung hat nur eine einzige Wellenlänge den Brennpunktabstand, der mit dem Messabstand „Z” übereinstimmt, welcher der Abstand von einer bezüglich des optischen Elements 120 feststehenden Bezugsposition RP zur Messoberfläche 190 ist. Der chromatische Entfernungssensor 100 ist so konfiguriert, dass die Wellenlänge, die am besten auf den Oberflächenort 190 fokussiert ist, auch die Wellenlänge ist, die am besten auf die Öffnung 195 fokussiert ist. Die Öffnung 195 filtert das reflektierte Licht räumlich, so dass vorwiegend die am besten fokussierte Wellenlänge durch die Öffnung 195 und in den Kern des Lichtwellenleiters 113 des Lichtwellenleiterkabels 112 tritt. Wie unten ausführlicher beschrieben, leitet das Lichtwellenleiterkabel 112 das Signallicht zu einem Wellenlängendetektor 162, der dazu verwendet wird, die Wellenlänge mit der dominierenden Intensität, die dem Messabstand Z zum Oberflächenort 190 entspricht, zu ermitteln.
Während normaler Messvorgänge ist die Breitband-Lichtquelle 164, die vom Signalprozessor 166 gesteuert wird, mit dem optischen CRS-Element 120 durch einen Lichtwellenleiterweg verbunden, der das Beleuchtungs-Lichtwellenleitersegment 1651, den 2×1-Koppler KOPPLER-E, STECKVERBINDER-E und das Lichtwellenleiterkabel 112 enthält. Wie oben beschrieben geht das Licht durch das optische Element 120, das longitudinale chromatische Aberration erzeugt. Die Lichtwellenlänge, die am wirksamsten durch die Öffnung 195 und in das Lichtwellenleiterkabel 112 zurückgeführt wird, ist die Wellenlänge, die auf dem Oberflächenort 190 fokussiert ist. Die reflektierte wellenlängenabhängige Lichtintensität läuft dann durch den Lichtwellenleiterweg zum Elektronikteil 160 und Koppler KOPPLER-E zurück, so dass ungefähr 50% des Lichts durch das Signal-Lichtwellenleitersegment 165S auf den Wellenlängendetektor 162 gerichtet wird. Der Wellenlängendetektor 162 empfängt die wellenlängenabhängige Lichtintensität, wandelt sie in ein über ein Array von Pixeln entlang einer Messachse des Detektor-Arrays 163 verteiltes Ausgabe-Spektralintensitätsprofil (auch einfach als Ausgabe-Spektralprofil bezeichnet) um und arbeitet, um entsprechende Ausgabe-Spektralprofildaten auf Grundlage der Pixeldatenausgabe aus dem Detektor-Array 163 zu liefern.
Die abstandsangebende Koordinate (DIC) der Profildaten in Subpixel-Auflösung wird durch den Signalprozessor 166 berechnet, und die DIC ermittelt den Messabstand Z zum Oberflächenort 190 mittels einer Abstandskalibrierungs-Umsetzungstabelle oder dergleichen, die im Speicherteil 168 gespeichert ist, wie unten mit Bezug auf 4 ausführlicher beschrieben. Die abstandsangebende Koordinate kann anhand verschiedener, weiter unten beschriebener Verfahren ermittelt werden (z. B. durch Ermitteln des Schwerpunkts von Profildaten, die in einem Spitzenbereich der Profildaten enthalten sind). Wenn die abstandsangebende Koordinate DIC während Kalibriervorgängen ermittelt wird, kann sie als eine kalibrierabstandsangebende Koordinate bezeichnet werden, und wenn sie während Messvorgängen an der Werkstückoberfläche ermittelt wird, kann sie als messabstandsangebende Koordinate bezeichnet werden. Die zum Ermitteln der abstandsangebenden Subpixel-Koordinate verwendeten Profildaten werden unten ausführlicher beschrieben.
1 enthält orthogonale XYZ-Koordinatenachsen als einen Bezugsrahmen. Die Z-Richtung ist so definiert, dass sie parallel zur optischen Achse oder Abstandsmessachse des optischen Stifts 120 liegt. Wie in 1 gezeigt, wird das Werkstück 170 während des Betriebs entlang der optischen Achse OA des optischen Elements 120 angebracht. In einer Ausführungsform ist das Werkstück 170 auf einem Verschiebetisch 175 ausgerichtet und befestigt, der vorteilhafterweise so ausgerichtet sein kann, dass er eingeschränkt durch Führungslager 17B entlang der Z-Achsen-Richtung verschiebbar ist, wobei seine Oberfläche 175A nominell parallel zur XY-Ebene liegt. Andere beispielhafte Merkmale und Betriebsvorgänge des chromatischen Entfernungssensorsystems 100 werden unten ausführlicher beschrieben.
Die folgende Beschreibung von 2 beschreibt grob bekannte Hintergrund-Signalverarbeitungs- und/oder Kalibriervorgänge, die in verschiedenen Ausführungsformen in Kombination mit dieser Erfindung verwendet werden können. Diese Beschreibung soll hervorheben, dass sich die weiter unten offenbarten erfindungsgemäßen Verfahren von diesen Vorgängen unterscheiden, mit ihnen jedoch kompatibel sind. 2 ist ein Diagramm 200 von Profildaten von einem chromatischen Entfernungssensor, das Spannungsoffset-Signalpegel Voffset(p) für die Pixel in einem Detektor-Array 163 darstellt, wenn keine Messoberfläche vorhanden ist, (z. B. der Oberflächenort 190 des Werkstücks 170 in 1 nicht vorhanden ist), so dass im resultierenden Intensitätsprofil kein absichtlich reflektiertes Licht und kein bedeutender dominanter Wellenlängen-Spitzenwert vorliegt. Wie in 2 gezeigt, ist das Spannungsoffset-Signal Voffset(p) für jedes der 1024 Pixel in normierten Volt aufgetragen. „Normierte Volt” bedeuten, dass der Sättigungsspannung des Detektor-Arrays 163 ein Wert von 1,0 zugewiesen ist. Das Spannungsoffset-Signal Voffset(p) enthält einen Vorspannungs-Signalpegel Vbias, der als über das Array unveränderlich dargestellt ist, und eine Hintergrund-Signalkomponente Vback(p), die als über das Array abhängig von der Pixelkoordinate p dargestellt ist. Das veränderliche Hintergrundsignal Vback(p) stellt Signale wie Hintergrundlicht von wellenlängenabhängigen falschen Reflexionen und dergleichen im chromatischen Entfernungssensorsystem sowie aufgrund des Dunkelstroms der verschiedenen Pixel p dar. In verschiedenen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, wenn die Signalkomponenten Vback(p) (oder Signale, die die gleiche Veränderung aufweisen, wie die Spannungsoffset-Signale Voffset(p)) laufend zur Kalibrierung oder Kompensation des Pixel-Arrays des Detektor-Arrays 163 in den Kompensationsdaten 169 gespeichert und zum Kompensieren aller nachfolgenden Profildatensignale von jedem Pixel p (z. B. durch Subtraktion) verwendet werden. Es versteht sich daher, dass vorausgesetzt wird, dass die Hintergrundsignalkomponente Vback(p) in verschiedenen Ausführungsformen nach dieser Erfindung auf eine bekannte Weise kompensiert wird und es nicht notwendig ist, diese bezüglich der verschiedenen Intensitätsprofile oder erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorgänge oder dergleichen, wie unten beschrieben, weiter ausdrücklich zu betrachten oder zu beschreiben.
Im Gegensatz zur Hintergrundsignalkomponente Vback(p), die über die Zeit relativ stabil sein kann, kann sich der koordinatenunabhängige Vorspannungs-Signalpegel Vbias infolge von mit Umgebungstemperaturänderungen und durch den Elektronikteil 160 während des Betriebs erzeugter Wärme zusammenhängenden Spannungsdrift-Erscheinungen ändern.
Die folgende Beschreibung der 3 und 4 beschreibt grob bestimmte Signalverarbeitungsvorgänge, die abstandsangebende Koordinaten aufgrund eines abstandsangebenden Teilsatzes der Profildaten ermitteln, der dynamisch zum Kompensieren von Änderungen des gleichzeitigen Vorspannungs-Signalpegels Vbias angepasst wird, was besser wiederholbare Abstandsmessungen zur Folge hat. Die hier grob beschriebenen Vorgänge werden ausführlicher im '456 -Patent und im US-Patent Nr. 7.990.522 (dem '522-Patent) beschrieben, das hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin einbezogen wird. Diese Beschreibung soll Hintergrundinformationen bereitstellen, die für ein allgemeines Verstehen der Abstandsmessvorgänge von chromatischen Entfernungssensoren nützlich sind, und hervorheben, dass sich die weiter unten offenbarten erfindungsgemäßen Verfahren von diesen Vorgängen zwar unterscheiden, mit ihnen jedoch kompatibel sind.
3 ist ein Diagramm 300 von Profildaten 310 (Messprofilsignaldaten) von einem CRS-Detektor (z. B. Detektor 162), die während CRS-Messvorgängen entweder während Kalibriervorgängen an einem bestimmten optischen Element oder am Gesamtsystem oder während normaler Messvorgänge erfasst werden. Die Profildaten 310 stellen ein normales Spitzenbereichssignal dar, das relativ symmetrisch ist und einer zuverlässigen messabstandsangebenden Koordinate entspricht. Die Profildaten 310 können auch als die Profilsignale MS(p) bezeichnet werden, wobei MS(p) der zu jedem Pixel p eines Detektor-Arrays (z. B. des Detektor-Arrays 163) gehörige (in normierten Volt angegebene) Signalpegel ist. Das Schaubild 300 in 3 ist mit der in einem gewissen Abstand entlang der optischen Achse OA des optischen Elements 120 positionierten Zieloberfläche 190 erstellt, die die entsprechende Messprofildaten 310 mit dem in 3 gezeigten dominierenden Wellenlängen-Spitzenbereich erzeugt.
3 zeigt einen Vorspannungs-Signalpegel MVbias (in normierten Volt), eine Spitzenwert-Pixelkoordinate ppc, eine Spitzenwert-Positionsindexkoordinate ppic und eine Datenschwelle MVthreshold, die die Untergrenze eines abstandsangebenden Teilsatzes der Daten im Spitzenbereich definiert. Alle „MV”-Werte sind in normierten Volt angegeben. 3 zeigt außerdem eine abstandsangebende Koordinate (DIC), die auf Grundlage des abstandsangebenden Teilsatzes der Daten im Kalibrier-Spektralspitzenbereich ermittelt wird. Wie im '522 -Patent beschrieben, kann MVthreshold in einigen Ausführungsformen eine indexspezifische Schwelle MVthreshold (ppic) sein.
Kurz, in einer Ausführungsform können Messvorgänge zum Ermitteln einer abstandsangebenden Koordinate (z. B. einer abstandsangebenden Koordinate DIC, wie bezüglich der Profildaten 310 beschrieben) Folgendes enthalten:

• Positionieren der Zieloberfläche entlang der optischen Achse OA und Erfassen der resultierenden Profildaten 310.
• Ermitteln der Spitzenwert-Pixelkoordinate (das heißt, des Pixels mit dem höchsten Signal).
• Ermitteln der Spitzenwert-Positionsindexkoordinate ppic, die der Index zum Speichern und Abrufen bestimmter Kalibrierdaten (z. B. indexspezifischer Schwellenkalibrierdaten) ist. Dies kann in einigen Ausführungsformen die gleiche wie die Spitzenwert-Pixelkoordinate sein.
• Ermitteln des Mess-Vorspannungs-Signalpegels MVbias.
• Ermitteln der Datenschwelle MVthreshold (z. B. als ein Prozentsatz der Spitzenwert-Höhe oder auf Grundlage indexspezifischer Schwellenkalibrierdaten, die der aktuellen Spitzenwert-Positionsindexkoordinate ppic entsprechen).
• Ermitteln der abstandsangebenden Koordinate DIC mit Sub-Pixel-Auflösung auf Grundlage des abstandsangebenden Teilsatzes der Daten, der im Mess-Spitzenbereich einen größeren Wert als MVthreshold aufweist.
• Für eine Abstandskalibriermessung, das unabhängige Ermitteln des entsprechenden Abstands zur Zieloberfläche mit einer gewünschten Genauigkeit (z. B. durch ein Interferometer) und das Ermitteln eines Abstandskalibrierdatenpunkts in einer Abstandskalibriertabelle oder -kurve (z. B. einer Abstandskalibriertabelle oder -kurve wie der durch die in 4 gezeigten Abstandskalibierdaten 410 dargestellten).
• Für eine normale Werkstückabstandsmessung, das Ermitteln des Messabstands durch Korrelieren der Mess-DIC mit einem entsprechenden Abstand in den gespeicherten Abstandskalibrierdaten (z. B. einer Abstandskalibriertabelle oder -kurve wie der durch die in 4 gezeigten Abstandskalibrierdaten 410 dargestellten).

In den vorerwähnten Vorgängen kann die abstandsangebende Koordinate DIC auf Grundlage des abstandsangebenden Teilsatzes von Daten oberhalb MVthreshold in Sub-Pixel-Auflösung ermittelt werden. Eine Mess-DIC kann gemäß einem aus einer Anzahl verschiedener Verfahren ermittelt werden. In einer Ausführungsform kann eine Mess-DIC als die Koordinate eines Schwerpunkts X_C des abstandsangebenden Teilsatzes von Daten in Sub-Pixel-Auflösung ermittelt werden. Beispielsweise kann für einen Detektor mit 1024 Pixeln der Schwerpunkt X_C ermittelt werden gemäß:
wobei
In einem speziellen Beispiel ist in GLEICHUNG 1 n = 2. Es ist zu erkennen, dass GLEICHUNG 2 die bei der Schwerpunktberechnung verwendeten Daten auf einen abstandsangebenden Teilsatz von Daten beschränkt. Wenn die abstandsangebende Koordinate DIC während Kalibriervorgängen ermittelt wird, kann sie als eine kalibrierabstandsangebende Koordinate und ebenso als eine messabstandsangebende Koordinate bezeichnet werden.
4 ist ein Diagramm 400 von CRS-Messabstandskalibrierdaten 410 für den chromatischen Entfernungssensor 100 oder dergleichen, das bekannte oder kalibrierte Messabstände ZOUT (in Mikrometern) entlang der senkrechten Achse mit abstandsangebenden Koordinaten (in Einheiten von Pixeln) entlang der waagrechten Achse korreliert. Das in 4 gezeigte Beispiel gilt für ein optisches Element mit einem angegebenen Messbereich MR von 300 Mikrometern, was den kalibrierabstandsangebenden Koordinaten im Bereich von ungefähr 150–490 Pixeln entspricht. Der chromatische Entfernungssensor 100 kann jedoch ggf. über einen größeren Pixelbereich des Detektor-Arrays 163 kalibriert werden. Der Bezugs- oder „Null”-Abstand ZOUT ist etwas willkürlich und kann auf einen gewünschten Bezugsabstand bezüglich des optischen Elements 120 eingestellt werden. Obwohl die Abstandskalibrierdaten 410 eine gleichmäßige Kurve zu bilden scheinen, sollte man erkennen, dass die Abstandskalibrierung 410 für ein typisches System nach dem Stand der Technik, insbesondere für wirtschaftliche CRS-Systeme, bei kurzen Entfernungen Fehler oder Unregelmäßigkeiten aufweisen kann.
In manchen Ausführungsformen können die CRS-Messabstandskalibrierdaten 410, wie oben mit Bezug auf 3 grob beschrieben, ermittelt und/oder verwendet werden. Ein beispielhaftes Labor-Kalibrierverfahren wird hier kurz grob beschrieben, um die Beschaffenheit der CRS-Abstandskalibrierdaten 410 weiter zu erklären. Kurz gesagt kann ein Spiegel eine Kalibrieroberfläche (die z. B. die Oberfläche 190 in 1 ersetzt) entlang der optischen Achse OA des optischen CRS-Elements bereitstellen. Die Verschiebung des Spiegels kann in Schritten von ungefähr 1,0 oder 2,0 Mikrometern gesteuert werden. Für jeden Schritt wird die tatsächliche Spiegelposition oder -verschiebung mithilfe eines Bezugsnormals wie eines Interferometers erfasst. Für jede tatsächliche Spiegelposition wird die entsprechende kalibrierabstandsangebende Koordinate (DIC) des chromatischen Entfernungssensors aufgrund der vom CRS-Detektor gelieferten entsprechenden Intensitätsprofildaten ermittelt (z. B. wie vorstehend grob beschrieben). Die kalibrierabstandsangebende Koordinate und die entsprechende tatsächliche Position werden dann aufgezeichnet, um die Kalibrierdaten 410 bereitzustellen.
Später wird während der Messvorgänge die Werkstückoberfläche entlang der optischen Achse OA des optischen CRS-Elements positioniert, um eine Abstandsmessung für eine Werkstückoberfläche (z. B. Oberfläche 190 in 1) zu liefern. Die messabstandsangebende Koordinate des chromatischen Entfernungssensors wird aufgrund der messabstandsangebenden Koordinate ermittelt, die aus den vom CRS-Detektor gelieferten Intensitätsprofildaten ermittelt wurden. Dann werden die Abstandskalibrierdaten 410 dazu verwendet, den CRS-Messabstand ZOUT zu ermitteln, der dieser besonderen messabstandsangebenden Koordinate entspricht.
Man wird erkennen, dass die Kalibrierdaten 410 unter Verwendung einer gut geformten Oberfläche (z. B. eines Spiegels) gesammelt werden, die keine unerwarteten sekundären Reflexionen zur Folge hat. Daher weisen die in 3 gezeigten Profildaten 310 einen relativ symmetrischen Spitzenbereich auf, wenn sie während Kalibriervorgängen gemessen werden. Wie weiter unten erörtert, führt dies zu einer abstandsangebenden Koordinate DIC (wie z. B. durch den Schwerpunkt des Spitzenbereichs ermittelt), die sehr nahe an der Spitzenwert-Pixelindexkoordinate ppic liegt. Wenn Profildaten einem Ausgabe-Spektralprofil mit einer zweiten Reflexion entsprechen, die auf Bedingungen zurückzuführen ist, wie Licht, das von der vorderen und der hinteren Oberfläche einer Dünnschicht reflektiert wird, oder unerwartetes sekundäres Reflexionslicht, das durch einen Messort zurückläuft, der das primäre Reflexionslicht als Grundlage für eine Messung liefern soll, wird der Spitzenbereich asymmetrisch und entspricht nicht den Bedingungen der Kalibrierung, die eine gut geformte Oberfläche gemessen hat. Beispielsweise kann die abstandsangebende Koordinate DIC (wie z. B. durch den Schwerpunkt des Spitzenbereichs ermittelt) weit von der Spitzenwert-Pixelindexkoordinate ppic (wie sie zum Beispiel als höchster Spitzenwert eines Spektrums mit mehreren Spitzenwerten ermittelt wird) liegen. Man wird daher erkennen, dass Verfahren zum Identifizieren einer abstandsangebenden Koordinate und eines entsprechenden CRS-Messabstands, die für „normale” relativ symmetrische Spitzenbereiche ordnungsgemäß arbeiten, zu unerwarteten und/oder unvorhersehbaren Messergebnissen führen können, wenn ein Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist. Verschiedene Erwägungen bezüglich abnormaler Spektralprofile und asymmetrischer Spitzenbereiche werden unten grob beschrieben.
5 ist ein Diagramm einer Ausführungsform eines zum Messen einer schematisch dargestellten Oberfläche verwendeten beispielhaften chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems 500, das an manchen Messorten abnormale Spektralprofile (z. B. asymmetrische Spitzenbereiche) erzeugen kann. Das CRS-System 500 umfasst ähnliche Elemente wie das CRS-System 100 in 1. Man wird erkennen, dass ähnlich nummerierte Elemente 5XX Elementen 1XX in 1 ähnlich oder gleich sind, und nur die Elemente mit Bezug auf 5 grob beschrieben werden, die sich maßgeblich unterscheiden. Wie in 5 gezeigt, kann die CRS-Elektronik 560 in manchen Ausführungsformen mit einem Hostsystem 580 verbunden sein, das Steuersignale und Daten von der CRS-Elektronik 500 empfangen und/oder mit dieser austauschen kann. Man wird erkennen, dass in verschiedenen Ausführungsformen die Vorgänge der hierin offenbarten Systeme und Verfahren, wie das Analysieren von Ausgabe-Spektralprofildaten, um eine Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs zu liefern, die anzeigt, ob der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist, entweder in der CRS-Elektronik 560 oder im Hostsystem 580 durchgeführt werden können. In einer Ausführungsform kann das Hostsystem automatische Bewegungssteuerung (z. B. wie in einem Bildverarbeitungs-Inspektionssystem) enthalten und Teileprogramme definieren und ausführen, die das CRS-System als einen berührungslosen Messtaster betreiben, um Inspektionsvorgänge durchzuführen.
Wie in 5 gezeigt, wird das CRS-System 500 dazu verwendet, die Oberfläche eines Werkstücks 570 an einem beabsichtigten Messpunkt MP mit einem Oberflächenort 590 zu messen. In einer Ausführungsform ist das Werkstück 570 auf einem Verschiebetisch 575 ausgerichtet und befestigt, der vorteilhafterweise so ausgerichtet sein kann, dass er eingeschränkt durch Führungslager 575B entlang der X-Achsen-Richtung verschiebbar ist, um Oberflächenprofilmessungen wie die in 7 dargestellten zu erfassen, die weiter unten beschrieben werden. Das Werkstück 570 umfasst eine Oberfläche 571 und eine Oberfläche 572 (die beispielsweise relativ reflektierende Metallgewindeoberflächen sein können). Das CRS-System 500 ist so positioniert, dass es am beabsichtigten Messpunkt MP auf der Fläche 571 eine Z-Höhe misst. Wie durch die gestrichelten Linien angegeben, die fokussierte Wellenlängen darstellen, die zum Ausgabe-Spektralprofil beitragen, liefert der beabsichtigte Messpunkt MP eine primäre Reflexion eines Teils des Messstrahls, der eine erste Wellenlänge umfasst, die einen ersten Wellenlängen-Spitzenwert zum Ausgabe-Spektralprofil beiträgt. Ein bedeutender Teil des Messstrahls wir jedoch von der Fläche 571 reflektiert und verläuft weiter zur Fläche 572. Dieser Teil des Messstrahls enthält eine zweite Wellenlänge, die auf einen sekundären Reflexionspunkt SRP auf der Fläche 572 fokussiert und von diesem zurück auf die Fläche 571 reflektiert wird, die diese zweite Wellenlänge entlang der optischen Achse zurückreflektiert, um einen zweiten Wellenlängen-Spitzenwert zum Ausgabe-Spektralprofil im CRS-System 500 beizutragen.
Wie in 5 gezeigt, weist der sekundäre Reflexionspunkt SRP eine Messweglängendifferenz ΔZ bezüglich des beabsichtigten Messpunkts MP auf. Wenn die Messweglängendifferenz ΔZ groß genug ist, erfolgt daraus ein deutlich definierter sekundärer Spitzenwert in den Profildaten, der wie in 6 gezeigt zu diesem Messpunkt gehört. Ist die Messweglängendifferenz ΔZ kleiner, kann der sekundäre Spitzenwert so dicht am primären Spitzenwert liegen, dass sie sich einfach vereinigen und einen abnormal verzerrten und/oder asymmetrischen Spitzenbereich bilden. Im in 5 gezeigten Beispiel weist die schematisch dargestellte Oberfläche 570 ein Oberflächenprofil auf, das der eines Schraubengewindes ähnlich ist, man sollte jedoch erkennen, dass ähnliche sekundäre Reflexionseffekte während der Messvorgänge für andere Arten von Werkstückmerkmalen wie engen Löchern oder Gräben oder dergleichen auftreten können.
6 ist ein Diagramm 600 von abnormalen Profildaten 610 vom CRS-System 500, das ein asymmetrisches Spitzenbereichssignal und eine falsche messabstandsangebende Koordinate darstellt, die aus kombinierten primären und sekundären Reflexionen hervorgehen. Die Profildaten in 6 können beispielsweise der in 5 dargestellten Messsituation entsprechen. Wie in 6 gezeigt, enthält der abnormale Spitzenbereich der Profildaten 610 einen MP-Wellenlängen-Spitzenwert und einen SRP-Wellenlängen-Spitzenwert. Der MP-Wellenlängen-Spitzenwert in den Ausgabe-Spektralprofildaten entspricht der Strahlung, die auf den beabsichtigten Messpunkt MP auf der Fläche 571 fokussiert und von diesem reflektiert wird, während der SRP-Wellenlängen-Spitzenwert der Strahlung entspricht, die auf den sekundären Reflexionspunkt SRP auf der Fläche 572 fokussiert und von diesem reflektiert wird.
Es kann bemerkt werden, dass der SRP-Wellenlängen-Spitzenwert einen stärkeren Signalpegel als der MP-Wellenlängen-Spitzenwert aufweist. Das liegt daran, dass aufgrund ihres Einfallswinkels auf die Fläche 571 und einer hochglänzenden Oberflächenbeschaffenheit, die zu einer spiegelnderen Reflexion führt, wenig Strahlung vom beabsichtigten Messpunkt MP auf das CRS-System reflektiert wird, während am sekundären Reflexionspunkt SRP viel Strahlung bei einem ungefähr normalen Einfall reflektiert und dann durch anschließende Reflexion an der Fläche 571 hauptsächlich zum CRS-System zurückgeführt wird. Ein abnormaler Spitzenbereich kann diesen speziellen abnormalen Effekt enthalten oder nicht. Auf jeden Fall ist ein normaler Spitzenbereich relativ symmetrisch, und das Identifizieren des kennzeichnenden Wellenlängen-Spitzenwerts für einen solchen Spitzenbereich unter Verwendung eines schnellen Verarbeitungsverfahrens wie eines Schwerpunktverfahrens oder eines relativ einfachen Kurvenanpassungsverfahrens oder dergleichen kann wiederholbare und zuverlässige Messergebnisse für ein CRS-System liefern. Solche schnellen Verarbeitungsverfahren liefern jedoch keine wiederholbaren und zuverlässigen Messergebnisse für unvorhersehbar asymmetrische Spitzenbereiche, die gegen die Annahmen der Verfahren und die zur Kalibrierung verwendeten Annahmen verstoßen. Beispielsweise sollte, wie in 6 gezeigt, die tatsächliche Entfernungskoordinate für den Messpunkt MP in der Nähe des MP-Wellenlängen-Spitzenwert nahe Pixel 456 liegen. Wird jedoch zum Ermitteln der messabstandsangebenden Koordinate des abnormalen Spitzenbereichs ein Schwerpunktverfahren (z. B. GLEICHUNG 1) verwendet, liegt die messabstandsangebende Koordinate nahe Pixel 516, was einen sehr großen Fehler darstellt, und liegt näher an der Spitzenwert-Pixelkoordinate von ungefähr 532, die zum SRP-Wellenlängen-Spitzenbereich gehört.
Ein abnormaler Spitzenbereich kann diesen speziellen abnormalen Effekt, bei dem der sekundäre Reflexionsspitzenwert größer als der primäre Reflexionsspitzenwert ist, enthalten oder nicht. Ferner brauchen die Spitzenwerte nicht so weit getrennt sein, dass sie im Ausgabe-Spektralprofil getrennt unterscheidbar sind (sie können z. B. einen einzigen verzerrten Spitzenwert zu bilden scheinen). Auf jeden Fall versteht es sich aus der vorstehenden Beschreibung, dass ein maßgeblich asymmetrischer Spitzenbereich verursacht wird, wenn eine unerwartete sekundäre Reflexion bedeutend zum Ausgabe-Spektralprofil beiträgt. Daher genügt das Identifizieren eines abnormal asymmetrischen Spitzenbereichs, um in einer Anzahl von Fällen eine potentiell unzuverlässige Messung zu identifizieren, zumindest in Fällen, in denen keine spezielle Signalverarbeitung verwendet wird, um erwartete zweifache Spitzenwerte für die Messung transparenter Dünnschichten oder dergleichen zu identifizieren. Wie hierin offenbart, ist es in verschiedenen Ausführungsformen für ein CRS-System (oder ein mit dem CRS-System verbundenen Hostsystem) vorteilhaft, wenn es Spitzenbereichsdaten analysieren kann, um die Spitzenbereich-Asymmetrie zu charakterisieren. Wenn die Spitzenbereich-Asymmetrie abnormal ist, kann es vorteilhaft sein, darauf hinzuweisen oder zumindest einen Hinweis bereitzustellen, dass ein zugehöriges Messergebnis unzuverlässig sein kann. In manchen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, diese Merkmale für jeden Messzyklus des CRS automatisch bereitzustellen. In manchen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, diese Merkmale entsprechend einer Benutzerwahl eines zugehörigen Betriebsmodus oder -parameters bereitzustellen, so dass der Benutzer solche Merkmale zum Messen von Werkstücken oder für Messpunkte aufrufen kann, die wahrscheinlich sekundäre Reflexionen erzeugen, und solche Merkmale zum Messen von Werkstücken oder für Messpunkte unterdrücken kann, die wahrscheinlich keine sekundären Reflexionen erzeugen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird das CRS-System 500 betrieben, um ein Ausgabe-Spektralprofil von einem Messpunkt auf einer Werkstückoberfläche und die entsprechenden Ausgabe-Spektralprofildaten (z. B. die Profildaten 610) zu liefern. Die Ausgabe-Spektralprofildaten werden analysiert, um eine Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs zu liefern, und ein entsprechender Anomalie-Indikator wird bereitgestellt, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs anzeigt, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist. Hierin werden verschiedene Arten von Asymmetrie-Charakterisierungen beschrieben, und dem Fachmann sind aufgrund dieser Offenbarung andere Verfahren zu Charakterisierung der Asymmetrie eines Spitzenbereichs ersichtlich. In manchen Ausführungsformen kann der als „abnormal” angesehene Asymmetriegrad heuristisch ermittelt werden, indem gut geformte repräsentative „normale” Werkstücke gemessen werden und ein erwarteter normaler Asymmetriebereich (gemäß einem gewählten Charakterisierungsverfahren) ermittelt wird. In manchen Ausführungsformen kann das als „abnormal” angesehene Maß an Asymmetrie durch Analyse ermittelt werden, beispielsweise indem ein Asymmetriebetrag ermittelt wird (gemäß einem gewählten Charakterisierungsverfahren), der eine Verschiebung des Schwerpunkts um einen Betrag zur Folge hat, der einen Abstands-Messfehler erzeugt, der eine gewünschte Fehlergrenze überschreitet.
In manchen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Analysierens der Ausgabe-Spektralprofildaten zum Bereitstellen einer Asymmetrie-Charakterisierung eines Spitzenbereichs das Ermitteln des Werts einer Spitzenbereich-Asymmetriemetrik auf Grundlage der Ausgabe-Spektralprofildaten. In manchen Ausführungsformen kann, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereich anzeigt, dass der Spitzenbereich anormal asymmetrisch ist, der Schritt des Bereitstellens eines entsprechenden Anomalie-Indikators das Vergleichen des Werts der Spitzenbereich-Asymmetriemetrik mit einem Asymmetriemetrik-Schwellenwert (z. B. heuristisch oder durch Analyse ermittelt) und das Bereitstellen des entsprechenden Anomalie-Indikators umfassen, wenn der Wert der Spitzenbereich-Asymmetriemetrik den Asymmetriemetrik-Schwellenwert überschreitet. In manchen Ausführungsformen kann das Ermitteln des Werts einer Spitzenbereich-Asymmetriemetrik das Bestimmen einer Spitzenwert-Pixelkoordinate (z. B. der Spitzenwert-Pixelkoordinate oder der Spitzenbereich-Positionsindexkoordinate) auf Grundlage der Ausgabe-Spektralprofildaten, das Ermitteln einer messabstandsangebenden Koordinate auf Grundlage der Ausgabe-Spektralprofildaten (z. B. eines Schwerpunkts des Spitzenbereichs) und das Ermitteln des Werts der Spitzenbereich-Asymmetriemetrik auf Grundlage einer Differenz zwischen der Spitzenwert-Pixelkoordinate und der messabstandsangebenden Koordinate umfassen. Beispielsweise wird man erkennen, dass für einen perfekt symmetrischen Spitzenbereich diese Koordinaten nominell dieselben sein werden, und dass für einen maßgeblich asymmetrischen Spitzenbereich (wie den in 6 gezeigten) eine bedeutende Differenz zwischen der Spitzenwert-Pixelkoordinate und der messabstandsangebenden Koordinate besteht. In manchen Ausführungsformen ist die Differenz zwischen der Spitzenwert-Pixelkoordinate und der messabstandsangebenden Koordinate eine Anzahl von Pixeln, und der Asymmetriemetrik-Schwellenwert umfasst eine Schwellenanzahl von Pixeln, die in manchen Ausführungsformen mindestens 5 Pixel sein kann. Für das in 6 gezeigte Beispiel beträgt die Differenz ungefähr 16 Pixel. Diese Art von Asymmetrie-Charakterisierung hat Vorteile wie schnelle Ausführung und Wiederverwendung von Daten, die bereits für normale Messvorgänge erforderlich sein können. Sie ist jedoch nur beispielhaft und nicht einschränkend. Man wird erkennen, dass allgemein verschiedene Spitzenbereich-Asymmetriemetriken ermittelt werden können, um abnormal asymmetrische Spitzenbereiche zu identifizieren. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen ein Schiefemaß verwendet werden, um eine Spitzenbereich-Asymmetriemetrik nach Verfahren wie einem dritten standardisierten Moment, einem Pearson-Koeffizienten oder anderen bekannten Schiefemetriken zu ermitteln. In manchen Ausführungsformen kann die Schwellenanzahl von Pixeln oder Schiefen von einem Benutzer auf einer Benutzerschnittstelle gewählt werden, die mit dem CRS-System verbunden ist, beispielsweise einer Benutzerschnittstelle im Hostsystem 580. In manchen Ausführungsformen kann der entsprechende Anomalie-Indikator aus dem CRS-System 500 (z. B. zum Hostsystem 580) ausgegeben werden, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs anzeigt, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist. In manchen Ausführungsformen kann der Anomalie-Indikator in Verbindung mit einer entsprechenden Messabstandausgabe vom CRS-System ausgegeben werden (z. B. in einem Messdatensatz, der vom CRS-System für jeden Messzyklus ausgegeben wird).
7 ist ein Diagramm 700 eines Oberflächenprofils gewalzter Gewinde (z. B. Schraubengewinde) analog zum in 5 gezeigten schematischen Oberflächenprofil, das mehrere Messpunkte aufweist. Das Oberflächenprofil wird als Höhe Z über der Position X aufgetragen. Ein Messpunkt 710 ist insofern analog zum in 5 gezeigten Messpunkt MP, dass er einen falschen Messwert erzeugt, der durch eine sekundäre Reflexion und einen zugehörigen asymmetrischen Spitzenbereich wie den in 6 gezeigten beeinflusst wurde. Während bekannte Verfahren zum Analysieren von Gewindeprofildaten auf Grundlage von CRS-Messdaten den Messpunkt 710 auf Grundlage geometrischer Ausreißer-Analyse beseitigen können, kann er auf Grundlage der hierin offenbarten Systeme und Verfahren anhand eines Spitzenbereich-Anomalie-Indikators, der vom CRS-System zusammen mit dem zugehörigen Abstands-Messwerten bereitgestellt wird, schneller, robuster und zuverlässiger beseitigt werden. Der Wert dieses Ansatzes kann ferner durch das Betrachten des Messpunkts 720 gezeigt werden. Messpunkt 720 scheint ein Fehler zu sein und würde auf Grundlage der geometrischen Ausreißeranalyse entfernt werden. Tatsächlich ist der Messpunkt 720 jedoch ein tatsächliches Merkmal mancher gewalzter Gewinde und er würde auf Grundlage des Fehlens eines im Zusammenhang mit seinen Abstandsmesswerten bereitgestellten Spitzenbereich-Anomalie-Indikators robust und zuverlässig beibehalten.
8 ein Flussdiagramm, das eine Routine 800 zum Betreiben eines chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems bereitstellt, um abnormale Spektralprofile zu identifizieren, die von Licht herrühren, das von mehr als einem Teil einer Werkstückoberfläche reflektiert wird, wie das den abnormalen Profildaten 610 entsprechende Spektralprofil.
In Block 810 ist ein CRS-System bereitgestellt, das Folgendes umfasst: ein optisches Element, das so konfiguriert ist, dass es verschiedene Wellenlängen in verschiedenen Abständen nahe einer zu messenden Werkstückoberfläche fokussiert, eine Lichtquelle, die angeschlossen ist, um das optische Element mit einem Eingabe-Spektralprofil von Wellenlängen zu versehen; und CRS-Elektronik, die einen CRS-Wellenlängendetektor umfasst, der eine Vielzahl von entlang einer Messachse des CRS-Wellenlängendetektors angeordneten Pixeln umfasst, wobei die Vielzahl der Pixel jeweilige Wellenlängen empfängt und Ausgabe-Spektralprofildaten liefert, wobei der CRS so konfiguriert ist, dass das optische Element, wenn es an die CRS-Elektronik angeschlossen und bezüglich der Werkstückoberfläche betriebsfähig zum Durchführen von Messvorgängen positioniert ist, das Eingabe-Spektralprofil eingibt und entsprechende Strahlung auf die Werkstückoberfläche ausgibt und reflektierte Strahlung von der Werkstückoberfläche empfängt und reflektierte Strahlung ausgibt, um ein Ausgabe-Spektralprofil an den CRS-Wellenlängendetektor zu liefern, wobei das Ausgabe-Spektralprofil einen Wellenlängen-Spitzenwert aufweist, der einen Messabstand vom optischen Element zur Werkstückoberfläche angibt und die CRS-Elektronik entsprechende Ausgabe-Spektralprofildaten liefert.
In Block 820 wird das CRS-System betrieben, um ein Ausgabe-Spektralprofil von einem Messpunkt auf einer Werkstückoberfläche und die entsprechenden Ausgabe-Spektralprofildaten zu liefern.
In Block 830 werden die Ausgabe-Spektralprofildaten analysiert, um eine Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs bereitzustellen. Dies kann beispielsweise wie mit Bezug auf 3 beschrieben bereitgestellt werden. In manchen Ausführungsformen kann Block 830 vom CRS-System durchgeführt werden. In manchen Ausführungsformen kann Block 830 vom CRS-System automatisch durchgeführt werden.
In Entscheidungsblock 840 wird entschieden, ob die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs anzeigt, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist. Wenn die Asymmetriemetrik der Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs nicht anzeigt, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist, geht die Routine zu Entscheidungsblock 860 über. Zeigt die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs an, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist, geht die Routine zu Block 850 über, wo ein entsprechender Anomalie-Indikator bereitgestellt wird.
In Entscheidungsblock 860 wird entschieden, ob ein nächster Punkt gemessen werden soll. In manchen Ausführungsformen werden Block 820 bis 850 wiederholt für eine Reihe von Messpunkten durchgeführt (z. B., um ein Oberflächenprofil wie das Oberflächenprofil in 7 zu messen). In manchen Ausführungsformen können die Blocks 820 bis 850 wiederholt bei einer Messgeschwindigkeit des CRS-Systems durchgeführt werden.
Wird ein nächster Punkt gemessen, geht die Routine zu Block 820 zurück. Wird kein nächster Punkt gemessen, endet die Routine.
In manchen Ausführungsformen kann die Routine ferner das Ausgeben eines Signals umfassen, das anzeigt, dass eine Messung einem abnormalen Spektralprofil entspricht.
In manchen Ausführungsformen kann die Routine ferner das das Anzeigen eines Indikators auf einer Benutzerschnittstelle umfassen, der anzeigt, dass eine Messung einem abnormalen Spektralprofil entspricht. Beispielsweise kann ein Schaubild, das eine Reihe von Messpunkten zeigt, einen Marker mit einer eindeutigen Farbe oder Form enthalten, die anzeigt, dass ein Messpunkt einem abnormalen Spektralprofil entspricht.
Die vorstehenden Vorgänge können unter der Steuerung der CRS-Elektronik in manchen Ausführungsformen oder eines Hostsystems in anderen Ausführungsformen durchgeführt werden (z. B. kann ein Signalverarbeitungssystem Ausgabe-Spektralprofildaten charakterisieren, indem es eine gewünschte im Speicher gespeicherte Analyseroutine ausführt, um eine Asymmetrie-Charakterisierung bereitzustellen, und das Ergebnis kann mit einem normalerweise erwarteten Ergebnis oder einem oder mehreren im Speicher gespeicherten Ergebnis(sen) verglichen werden).
Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, werden dem Fachmann aufgrund dieser Offenbarung zahlreiche Veränderungen an den dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Betriebsabläufen einfallen. Daher versteht es sich, dass verschiedene Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems, um abnormale Spektralprofile zu identifizieren, die von Licht herrühren, das von mehr als einem Teil einer Werkstückoberfläche reflektiert wird, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines CRS-Systems, das Folgendes umfasst: ein optisches Element, das so konfiguriert ist, dass es verschiedene Wellenlängen in verschiedenen Abständen nahe einer zu messenden Werkstückoberfläche fokussiert, eine Lichtquelle, die angeschlossen ist, um das optische Element mit einem Eingabe-Spektralprofil von Wellenlängen zu versehen; und CRS-Elektronik, die einen CRS-Wellenlängendetektor umfasst, der eine Vielzahl von entlang einer Messachse des CRS-Wellenlängendetektors angeordneten Pixeln umfasst, wobei die Vielzahl der Pixel jeweilige Wellenlängen empfängt und Ausgabe-Spektralprofildaten liefert, wobei der CRS so konfiguriert ist, dass das optische Element, wenn es an die CRS-Elektronik angeschlossen und bezüglich der Werkstückoberfläche betriebsfähig zum Durchführen von Messvorgängen positioniert ist, das Eingabe-Spektralprofil eingibt und entsprechende Strahlung auf die Werkstückoberfläche ausgibt und reflektierte Strahlung von der Werkstückoberfläche empfängt und reflektierte Strahlung ausgibt, um ein Ausgabe-Spektralprofil an den CRS-Wellenlängendetektor zu liefern, wobei das Ausgabe-Spektralprofil einen Wellenlängen-Spitzenwert aufweist, der einen Messabstand vom optischen Element zur Werkstückoberfläche angibt und die CRS-Elektronik entsprechende Ausgabe-Spektralprofildaten liefert; Betreiben des CRS-Systems, um ein Ausgabe-Spektralprofil von einem Messpunkt auf einer Werkstückoberfläche und die entsprechenden Ausgabe-Spektralprofildaten zu liefern; Analysieren der Ausgabe-Spektralprofildaten, um eine Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs bereitzustellen; und Bereitstellen eines entsprechenden Anomalie-Indikators, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs anzeigt, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Analysieren der Ausgabe-Spektralprofildaten zum Bereitstellen einer Asymmetrie-Charakterisierung eines Spitzenbereichs vom CRS-System durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Analysierens der Ausgabe-Spektralprofildaten zum Bereitstellen einer Asymmetrie-Charakterisierung eines Spitzenbereichs vom CRS-System automatisch durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Betriebs-, Analyse- und Bereitstellungsschritte wiederholt durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Betriebs-, Analyse- und Bereitstellungsschritte wiederholt bei einer Messrate des CRS-Systems durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Analysierens der Ausgabe-Spektralprofildaten, um eine Asymmetrie-Charakterisierung eines Spitzenbereichs bereitzustellen, das Ermitteln des Werts einer Spitzenbereich-Asymmetriemetrik auf Grundlage der Ausgabe-Spektralprofildaten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs anzeigt, dass der Spitzenbereich anormal asymmetrisch ist, der Schritt des Bereitstellens eines entsprechenden Anomalie-Indikators das Vergleichen des Werts der Spitzenbereich-Asymmetriemetrik mit einem Asymmetriemetrik-Schwellenwert und das Bereitstellen des entsprechenden Anomalie-Indikators umfasst, wenn der Wert der Spitzenbereich-Asymmetriemetrik den Asymmetriemetrik-Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ermitteln des Werts einer Spitzenbereich-Asymmetriemetrik das Bestimmen einer Spitzenwert-Pixelkoordinate auf Grundlage der Ausgabe-Spektralprofildaten, das Ermitteln einer messabstandsangebenden Koordinate auf Grundlage der Ausgabe-Spektralprofildaten und das Ermitteln des Werts der Spitzenbereich-Asymmetriemetrik auf Grundlage einer Differenz zwischen der Spitzenwert-Pixelkoordinate und der messabstandsangebenden Koordinate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Differenz zwischen der Spitzenwert-Pixelkoordinate und der messabstandsangebenden Koordinate eine Anzahl von Pixeln ist, und der Asymmetriemetrik-Schwellenwert eine Schwellenanzahl von Pixeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schwellenanzahl von Pixeln mindestens 5 ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schwellenanzahl von Pixeln von einem Benutzer auf einer Benutzerschnittstelle gewählt wird, die mit dem CRS-System verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ermitteln des Werts einer Spitzenbereich-Asymmetriemetrik das Ermitteln eines Pearson-Koeffizienten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Ausgeben des entsprechenden Anomalie-Indikators aus dem CRS-System umfasst, wenn die Asymmetrie-Charakterisierung des Spitzenbereichs anzeigt, dass der Spitzenbereich abnormal asymmetrisch ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Anomalie-Indikator in Verbindung mit einer entsprechenden Messabstandausgabe vom CRS-System ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das CRS-System ein chromatisches Punktsensor-System umfasst und wobei das optische Element einen optischen Stift umfasst.