ES2243129B1 - Perfilometro optico de tecnologia dual (confocal e interferometrica) para la inspeccion y medicion tridimensional de superficies. - Google Patents
Perfilometro optico de tecnologia dual (confocal e interferometrica) para la inspeccion y medicion tridimensional de superficies.Info
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Abstract
Perfilómetro óptico de tecnología dual (confocal
e interferométrica) para la inspección y medición tridimensional de
superficies.
Comprende una fuente de luz (LED), unos divisores
de haz (por lo menos uno es polarizante), y medios de generación de
patrones de iluminación (microvisualizador LCOS) y objetivos
microscópicos intercambiables que son objetivos convencionales con
los que se pueden obtener imágenes confocales y objetivos
interferométricos con los que se pueden obtener imágenes
interferométricas. El microvisualizador puede generar una secuencia
de patrones de iluminación para obtener imágenes confocales o una
apertura total de todos los pixeles de iluminación para obtener
imágenes interferométricas.
Presenta un diseño compacto que permite la medida
rápida y sin contacto de la forma y la textura de todo tipo de
superficies a escala micro y nanométrica, incluso en muestras
estructuradas o estratificadas que contienen materiales
diferentes.
Description
Perfilómetro óptico de tecnología dual (confocal
e interferométrica) para la inspección y medición tridimensional de
superficies.
La presente invención se refiere a un
perfilómetro óptico de tecnología dual (confocal e
interferométrica) para la inspección y medición tridimensional de
superficies.
La invención pertenece al sector técnico de la
metrología óptica, es decir, aquélla en la que no se produce
contacto físico entre el dispositivo de medida y la muestra que se
analiza.
Existen innumerables aplicaciones para las cuales
es necesario conocer la topografía de la superficie de un objeto y
determinar así la forma microscópica que éste presenta. Este
análisis puede formar parte, por ejemplo, de un procedimiento de
control de calidad.
Las nuevas aplicaciones de materiales así como
los nuevos procesos de fabricación están produciendo un aumento
sistemático de las demandas del mercado referentes a procedimientos
para la inspección de superficies así como el desarrollo de
perfilómetros ópticos.
En este sentido, existen actualmente dos
tecnologías basadas en la formación de imágenes que, en los últimos
años, han competido duramente para hacerse con el mercado de la
metrología superficial óptica.
Se trata de la técnica confocal y la técnica
interferométrica, ambas capaces de medir de manera precisa y fiable
topografías superficiales a escala micrométrica o nanométrica.
Sin embargo, tal como se verá en lo sucesivo, los
principios de medición implicados en la técnica confocal y la
técnica interferométrica son muy diferentes, de modo que las
capacidades de las mismas resultan más complementarias que
coincidentes.
Los perfilómetros confocales permiten medir la
altura de superficies con textura muy variable (desde superficies
muy rugosas hasta superficies pulidas) barriendo la muestra
verticalmente por etapas de manera que cada punto de la superficie
pasa a través del foco. La altura de la superficie en cada punto se
obtiene detectando la posición del valor máximo de la respuesta
axial. Debido a que solamente se iluminan a la vez uno o unos pocos
puntos de la superficie, es necesario efectuar un barrido en el
plano con el fin de construir la respuesta axial, es decir, la
imagen confocal, en cada etapa vertical para todos los puntos
contenidos dentro del campo de visión del objetivo utilizado.
Ejemplos de este tipo de perfilómetro se
describen, por ejemplo, en la patente europea EP 0485803, que se
refiere a un dispositivo óptico que utiliza una trayectoria de haz
confocal con una matriz de fuentes de luz y una matriz de
detectores. La matriz de iluminación se proyecta en un plano focal
que se encuentra en la superficie del objeto o cerca de la misma.
La radiación que se refleja en el plano focal se dirige
directamente, a través de un divisor de haz, sobre la superficie
receptora de un dispositivo CCD. La representación de la matriz de
iluminación en la superficie receptora se realza de tal manera que
las zonas sensibles a la luz del receptor actúan como diafragmas
confocales. Las señales de los elementos del detector que reciben
solamente la luz que se dispersa fuera del plano focal no se tienen
en cuenta, o se hace de
manera independiente, en la evaluación.
manera independiente, en la evaluación.
La patente americana US 5.239.178 describe un
dispositivo óptico similar en el cual se prevé una malla de
iluminación y una malla de detección dispuestas confocalmente
respecto a un objeto. La malla de iluminación puede presentar un
tamaño de malla variable formada, por ejemplo, por una matriz de
LEDs.
En este caso, un haz de luz atraviesa un divisor
de haz. Una parte del haz se dirige hacia la superficie de la
muestra y la otra parte del haz se dirige hacia un espejo de
referencia. La luz reflejada por estas superficies se recombina y
se forma un patrón de franjas de interferencia.
En la perfilometría interferométrica son
conocidas las técnicas de desplazamiento de fase (PSI) con las que
se puede medir la topografía de superficies muy lisas y continuas
con una resolución subnanométrica. La muestra, que debe encontrarse
en el foco, es barrida verticalmente en etapas, que son una
fracción muy precisa de la longitud de onda. Los algoritmos del
perfilado producen un mapa de fase de la superficie, el cual se
convierte en el mapa de alturas correspondiente mediante un
procedimiento de cálculo apropiado, denominado
"unwrapping".
En los perfilómetros interferométricos son
conocidas también las técnicas de barrido vertical con luz blanca
(VSI) destinadas a medir la topografía de superficies lisas o bien
moderadamente rugosas. El contraste máximo de las franjas de
interferencia se produce en la mejor posición del foco para cada
punto de la superficie de la muestra. La muestra es barrida
verticalmente en etapas de manera que cada punto de la superficie
atraviesa el foco. La altura de la superficie en cada punto se
obtiene detectando la posición del máximo de la envolvente del
interferograma.
Ejemplos de este tipo de perfilómetro se
describen, por ejemplo, en la patente americana US 5.563.706, que
se refiere a un perfilómetro superficial interferométrico. La luz
reflejada a una superficie de referencia y a una superficie de
muestra se envía a un sistema óptico de formación de imágenes a
través de un divisor de haz, y las franjas de interferencia
formadas a partir de la luz reflejada de ambas superficies se
observa a través de un sistema óptico de detección. Se dispone un
elemento óptico de alineamiento en una trayectoria óptica entre el
sistema óptico de formación de imágenes y un plano de imagen de las
franjas de interferencia, de manera que el punto focal posterior
del elemento óptico de alineamiento se sitúa en el plano de la
imagen.
En la patente americana US 6.665.075, por
ejemplo, se describe un sistema de formación de imágenes que
utiliza un interferómetro de desplazamiento de fase (PSI) y que
incluye, además, un transmisor, un divisor de haz, un inversor de
fase y un receptor. El transmisor transmite un impulso de señal que
se separa en un impulso de medida y un impulso de referencia. El
impulso de medida se aplica a una muestra y el inversor de fase
introduce un desfase entre ambos impulsos los cuales son
recombinados para formar un impulso combinado que es detectado por
el receptor.
En la patente Americana US 6.636.317 se propone
que el divisor de haz se monte ligeramente inclinado de la vertical
respecto al haz de luz incidente. En el interferómetro óptico
descrito, el haz de luz incidente se divide en dos trayectorias
ópticas que se cruzan en ángulo recto a través de dicho divisor de
haz. En cada trayectoria óptica, la luz de reflexión se refleja
totalmente mediante una unidad de reflexión, mientras que la luz de
transmisión es reflejada por una segunda unidad de reflexión. La
luz de reflexión de ambas unidades de reflexión se combinan de
nuevo a través del divisor de haz y las recibe un receptor de
luz.
Los interferómetros de tipo PSI o VSI descritos
pueden conseguir mediciones muy rápidas a una escala micrométrica y
nanométrica. Además, la técnica VSI no tiene limitación intrínseca
del rango vertical de medida. Sin embargo, ambas técnicas presentan
el inconveniente de que no pueden tratar con facilidad superficies
lisas muy inclinadas así como muestras estructuradas que contengan
materiales distintos.
Los interferómetros de tipo PSI permiten al
usuario llevar a cabo mediciones de forma y textura incluso por
debajo de una escala de 0,1 nm. Sin embargo, presentan el
inconveniente de un rango vertical de medida extremadamente
limitado.
Los perfilómetros confocales basados en la
formación de imágenes descritos anteriormente solucionan muchas de
las dificultades de la técnica de la interferometría e incluso
proporcionan la mejor resolución lateral que se puede obtener con
un sistema óptico. Sin embargo, éstos presentan una resolución
vertical limitada que depende del valor de abertura numérica y no
permiten obtener repetibilidades del orden de 0,1 nm.
En los perfilómetros confocales pueden utilizarse
objetivos de gran aumento y abertura numérica, 150X y 0,95,
respectivamente. En cambio, los aumentos que pueden utilizarse en
interferómetros de tipo PSI y VSI están limitados en la práctica a
50X. Pueden obtenerse mayores aumentos utilizando otro tipo de
objetivos, pero resultan extremadamente costosos y no son
prácticos.
Es deseable, por lo tanto, disponer un
perfilómetro con el cual se puedan realizar representaciones de
superficies lisas o relativamente rugosas y con cierta inclinación
para determinar su forma, textura, etc. en muestras de materiales
distintos con una resolución a escala subnanométrica.
La presente invención introduce un nuevo
dispositivo de metrología óptica de superficies, es decir, para la
medición de superficies sin contacto físico. Se trata de un
perfilómetro de tecnología dual (confocal e interferométrica) con
el cual se obtienen, en un mismo dispositivo, las ventajas de ambas
técnicas, siendo dicho dispositivo de naturaleza compacta y sin
ningún elemento móvil.
El perfilómetro de la invención puede comportarse
como perfilómetro confocal o como perfilómetro interferométrico,
lo cual proporciona un amplio espectro de aplicaciones y ventajas
adicionales. Por lo tanto, el perfilómetro óptico de tecnología
dual de la invención proporciona todas las prestaciones requeridas
para el análisis de la superficie de una muestra, siendo adecuado
para realizar mediciones de manera repetitiva y exacta de
superficies muy planas y lisas, con características de forma a
escala nanométrica.
Con el perfilómetro de la invención también es
posible realizar mediciones de superficies muy rugosas, con
características de un elevado factor de forma y de gran
inclinación. Pueden realizarse también mediciones de altura de
muestras estructuradas o estratificadas que contengan materiales
diferentes y superficies inclinadas, todo ello, como se ha
indicado, con un mismo dispositivo.
De acuerdo con la invención, se dispone un
perfilómetro óptico de tecnología dual (confocal e
interferométrica) que comprende una fuente de luz que incluye un
diodo emisor de luz, unos divisores de haz, un dispositivo CCD y
una pluralidad de objetivos microscópicos intercambiables. Estos
objetivos microscópicos intercambiables comprenden objetivos
convencionales con los que se pueden obtener imágenes confocales y
objetivos interferométricos con los que se pueden obtener imágenes
interferométricas. Todos los citados objetivos microscópicos
intercambiables se montan en un elemento giratorio que permite
intercambiarlos con facilidad de acuerdo con el modo de
funcionamiento del perfilómetro que se desee.
El perfilómetro de la invención va equipado con
medios de generación de patrones de iluminación formados por un
microvisualizador de cristal líquido sobre silicio (LCOS). Este
microvisualizador LCOS permite generar una secuencia de patrones de
iluminación con la cual, mediante la aplicación de los algoritmos
adecuados, se obtienen imágenes confocales o bien permite una
abertura total de todos los píxeles de iluminación con la cual se
obtienen imágenes interferométricas. El perfilómetro se completa
con un divisor de haz polarizante asociado a dicho
microvisualizador.
Preferiblemente, el diodo emisor de luz emite un
espectro de luz con una longitud de coherencia comprendida en el
margen de entre 2 y 10 \mum. Este intervalo permite aplicar tanto
la técnica de perfilometría interferométrica de desplazamiento de
fase (PSI) como la técnica de perfilometría de barrido vertical con
luz blanca (VSI). El rango de valores óptimo para la longitud de
coherencia del espectro de luz emitido es entre 4 y 6 \mum.
Finalmente, el perfilómetro va equipado con un
sistema de desplazamiento para efectuar el barrido vertical de la
muestra necesario para que todos los puntos de la superficie pasen
a través del foco. Este barrido es necesario tanto para la
perfilometría confocal como para la perfilometría interferométrica
(PSI) y (VSI).
El barrido vertical para la medición de la
topografía de la superficie de la muestra se realiza mediante un
sistema de desplazamiento vertical que puede ser un medio de
accionamiento por motor o bien un accionamiento piezoeléctrico
(PZT). Ambos sistemas (desplazamiento motorizado o piezoeléctrico)
pueden ser controlados mediante sistemas de lazo abierto o
preferiblemente de lazo cerrado.
Con esta simple configuración estructural se
obtiene un perfilómetro de medición sin contacto el cual presenta
un diseño robusto y compacto, el cual puede acoplarse, por ejemplo,
al brazo de un sistema de accionamiento por robot para realizar
mediciones en posiciones complicadas, por ejemplo en una posición
inclinada, en procedimientos de control de procesos.
El carácter dual (confocal e interferométrico)
del perfilómetro de la invención permite que éste pueda funcionar
como dispositivo de representación confocal o como dispositivo de
representación interferométrica para el análisis de superficies,
simplemente seleccionando, en el mismo dispositivo, el objetivo
microscópico activo adecuado por medio del elemento giratorio donde
éstos van montados.
El perfilómetro de la invención resulta
extremadamente versátil y adecuado para realizar mediciones
precisas de la forma y la textura de todo tipo de superficies a
escala micro y nanométrica, incluyendo muestras estructuradas o
estratificadas que contienen materiales diferentes.
Son muchas las aplicaciones a las cuales puede
destinarse el perfilómetro de la invención. A modo de ejemplo, el
perfilómetro de la invención puede utilizarse para la medición de
superficies con elevados factores de forma como, por ejemplo, las
que contienen ranuras, agujeros o indentaciones, superficies
pulidas con elevadas inclinaciones como, por ejemplo, las de
estructuras micro- ópticas como microlentes y microprismas o
superficies micromecanizadas en Silicio, superficies muy rugosas y
poco reflectantes como, por ejemplo, el papel, superficies de muy
baja rugosidad que incluyen materiales diferentes como, por
ejemplo, los microdispositivos ópticos o electrónicos, superficies
de distintas texturas y de dimensiones relativamente grandes como,
por ejemplo, un molde, una moneda o una oblea, las cuales pueden
medirse con la opción del cosido de campos ("field
stitching"), etc.
Se explica a continuación el funcionamiento dual
del perfilómetro de la presente invención.
En el modo confocal, el usuario selecciona un
objetivo microscópico convencional, activándose también un software
de adquisición asociado a dicho modo de funcionamiento. La fuente
de luz (LED) emite un haz de luz modulado que pasa a través de un
colimador y atraviesa el divisor de haz polarizante (PBS). La luz
reflejada en el PBS incide en el microvisualizador LCOS y se
refleja en el mismo con una polarización que depende del estado
asignado a cada píxel para cada patrón de iluminación representado.
El haz reflejado en el LCOS atraviesa nuevamente el PBS, donde se
produce la discriminación entre las distintas polarizaciones, un
sistema óptico auxiliar y se refleja en otro divisor de haz hacia
el objetivo microscópico. El haz de luz incide sobre la superficie
de la muestra a medir sobre la que se proyecta el patrón de luz
generado en el LCOS. La luz reflejada o difundida en la superficie
de la muestra atraviesa nuevamente el objetivo microscópico, el
divisor de haz y un sistema óptico auxiliar (lente de campo) para
incidir sobre el dispositivo CCD en el cual se proyecta la imagen
de la superficie de la muestra que se encuentra en foco.
En el modo confocal sólo se iluminan
simultáneamente uno o algunos puntos de la superficie de la muestra
mediante el patrón de iluminación representado en el
microvisualizador LCOS y para cada uno de ellos se calcula la
respuesta axial con el algoritmo adecuado. Para cubrir todos los
puntos de la superficie a medir es necesario proyectar sobre la
misma una serie de patrones de iluminación para obtener el valor de
la respuesta axial en todos los puntos comprendidos dentro del
campo de visión. De esta manera se obtiene la imagen confocal para
una posición vertical determinada en la que para cada punto el
valor correspondiente de la respuesta axial será tanto mayor cuanto
más cerca se encuentre de la posición de foco. Así, las imágenes
confocales ofrecen un contraste muy elevado ya que sólo se aprecia
luz en las zonas que se encuentran cerca de foco, mientras que las
zonas que se encuentran lejos de foco aparecen oscuras.
Para medir la topografía de una superficie es
necesario obtener una secuencia de imágenes confocales en distintos
planos de la muestra situados a distintas alturas. A partir de
estas imágenes, mediante el software adecuado, se obtiene una
reconstrucción tridimensional de la superficie. Para obtener esta
secuencia de imágenes es necesario disponer de un sistema de
barrido vertical de la muestra.
En el modo confocal descrito, el perfilómetro es
capaz de realizar mediciones con una extraordinaria resolución
lateral. Esto permite reducir el muestreo espacial hasta valores de
0,10 \mum para un objetivo convencional de 150X, lo cual es ideal
para mediciones de dimensiones críticas a escala nanométrica. En
este modo se pueden utilizar objetivos de gran abertura numérica
(NA), los cuales permiten medir superficies pulidas con pendientes
muy elevadas (de hasta 70º). También pueden utilizarse objetivos de
súper larga distancia de trabajo (SLWD) con los que pueden medirse
superficies con elevados factores de forma. En todos los casos,
también pueden medirse muestras estructuradas que contengan
materiales distintos.
En el modo interferométrico, el usuario
selecciona un objetivo microscópico interferométrico, activándose
también el software de adquisición asociado al mismo. Al contrario
que en el modo confocal, el microvisualizador tiene todos sus
píxeles abiertos para iluminar al mismo tiempo toda la superficie
analizada. Es decir, en el modo interferométrico no se proyectan
patrones de iluminación, sino que se ilumina toda la superficie
obteniéndose imágenes interferométricas para cada plano de
análisis. El haz emitido atraviesa el divisor el cual dirige toda
la luz hacia la superficie de la muestra cuya imagen se proyecta
sobre el dispositivo CCD. La serie de imágenes interferométricas
obtenidas al efectuar el barrido vertical de la muestra permite
obtener, mediante el algoritmo adecuado, la topografía de la
superficie de la muestra analizada.
Con este modo es posible realizar con la técnica
PSI mediciones de superficies continuas y muy pulidas con
repetibilidad vertical subnanométrica, con independencia del
objetivo interferométrico utilizado, es decir, para todos los
valores de abertura numérica. De la misma manera, con la técnica
VSI es posible realizar mediciones de superficies pulidas y también
rugosas con repetibilidad vertical nanométrica para todos los
valores de abertura numérica. Además con la técnica VSI el rango
vertical de medida es intrínsecamente ilimitado y las velocidades
de barrido vertical pueden ser muy elevadas (hasta 100
\mum/s).
El perfilómetro de la invención va equipado con
un sistema informático que gestiona el software para los modos de
funcionamiento descritos, cuyos resultados se visualizan en forma
de texto, imagen o gráfico a través de un monitor. Los datos
visualizados son, por ejemplo, representaciones isométricas, de
contorno, de perfil, histogramas, transformadas de Fourier (FFT),
etc., de la topografía medida, así como imágenes convencionales
confocales e interferométricas de la superficie de la muestra.
El software está diseñado para determinar los
parámetros geométricos de la superficie analizada (altura, anchura,
inclinación, volumen), así como de los parámetros de análisis
(rugosidad, ondulación, etc), y es capaz de realizar el filtrado de
datos así como funciones de interpolación para la restauración de
puntos no medidos. El software está diseñado también para exportar
datos en forma de texto o bien como archivos binarios y permite
asimismo la impresión de informes.
El equipo de medida basado en el perfilómetro
óptico de tecnología dual de la invención puede completarse con un
sistema de posicionamiento de las muestras compuesto por dos etapas
de desplazamiento X-Y en el plano perpendicular al
eje óptico del perfilómetro. Estas etapas pueden ser controladas
manualmente o pueden estar accionadas mediante motores. En este
caso, el mismo software del perfilómetro permite posicionar la zona
de la muestra a medir dentro del campo de visión del objetivo
utilizado mediante el uso de joysticks y también permite
efectuar de manera automática medidas topográficas de perfiles o
topografías extendidos más allá del campo de visión del objetivo
mediante la técnica de cosido de campos ("field
stitching"). El equipo de medida también puede completarse
mediante una etapa de nivelación de las muestras
("tip-tilt") necesaria en el caso de
utilización de las técnicas interferométricas PSI y VSI para
minimizar el número de franjas de interferencia que aparecen en el
campo de visión.
Se describe a continuación una realización
preferida de un perfilómetro óptico de tecnología dual para la
inspección y medición tridimensional de superficies. A partir de
dicha descripción serán más claras las características y las
ventajas del perfilómetro objeto de la presente invención. La
descripción se dará, de aquí en adelante, a modo de ejemplo no
limitativo, con referencia al dibujo que se adjunta en la presente
memoria, el cual corresponde a una vista esquemática general de un
perfilómetro óptico de acuerdo con la invención.
El perfilómetro óptico de tecnología dual que se
ilustra a modo de ejemplo en dicho dibujo que se adjunta en la
presente memoria ha sido designado en conjunto por (1).
El perfilómetro óptico de tecnología dual (1)
ilustrado comprende básicamente una fuente de luz (2) formada por
un diodo emisor de luz de alta potencia con una longitud de onda de
480 nm y un patrón de emisión lambertiano. El espectro de luz
emitido por dicho diodo emisor de luz (2) tiene una longitud de
coherencia comprendida en el margen de 2-10 \mum,
preferiblemente entre 4 y 6 \mum, de manera que permite aplicar
tanto la técnica de perfilometría interferométrica de
desplazamiento de fase (PSI) como la técnica de perfilometría de
barrido vertical con luz blanca (VSI).
El perfilómetro óptico (1) incluye también unos
divisores de haz (3, 4) de los cuales uno de ellos es un divisor de
haz polarizante (3) asociado a un microvisualizador (5).
Se disponen tres objetivos microscópicos (6, 7,
8) montados en un soporte giratorio (9) que permite intercambiarlos
con facilidad de acuerdo con el modo de funcionamiento del
perfilómetro (1) que desee el usuario. Los objetivos microscópicos
(6, 7, 8) son objetivos convencionales con los que se pueden
obtener imágenes confocales y objetivos interferométricos con los
que se pueden obtener imágenes interferométricas.
El citado microvisualizador (5) forma parte de
unos medios de generación de patrones de iluminación. En la
realización mostrada, el citado microvisualizador (5) es un
microvisualizador de cristal líquido sobre silicio ferroeléctrico
(F-LCOS) adaptado para generar una secuencia de
patrones de iluminación. Dicha secuencia de patrones de iluminación
es tal que permite la obtención de imágenes confocales o bien una
abertura total de todos los píxeles de iluminación para la
obtención de imágenes interferométricas, de manera que el
perfilómetro (1) puede funcionar en modo confocal o en modo
interferométrico según las necesidades.
También se incluyen sistemas ópticos auxiliares
(14, 15) que actúan en combinación con los objetivos microscópicos
(6, 7, 8) de manera que la imagen en el plano del citado
microvisualizador LCOS (5) se proyecta sobre la superficie de la
muestra (11) y ésta, a su vez, se proyecta sobre el dispositivo CCD
(12).
En el modo confocal, el objetivo microscópico
activo (8) es un objetivo microscópico convencional, activándose
también un software de adquisición asociado a dicho modo de
funcionamiento. La citada fuente de luz (LED) (2) emite un haz de
luz modulado que es colimado por medio de un colimador (10) antes
de llegar al divisor de haz polarizante (PBS) (3). La parte del haz
de luz reflejada en el PBS (3) incide sobre el microvisualizador
LCOS (5) y se refleja en el mismo con una polarización que depende
del estado asignado a cada píxel para cada patrón de iluminación
representado. El haz reflejado en el LCOS (5) atraviesa nuevamente
el PBS (3), un sistema óptico auxiliar (15) y se refleja en el
divisor de haz (4) hacia el objetivo microscópico (8), tal como se
aprecia en la figura nº 1. El haz de luz incide sobre la superficie
de la muestra a medir (11) sobre la que se proyecta el patrón de
luz generado en el LCOS (5). La luz reflejada o difundida en la
superficie de la muestra atraviesa nuevamente el objetivo
microscópico (8), el divisor de haz (4) y un sistema óptico
auxiliar (lente de campo) (14) para incidir sobre el dispositivo
CCD (12) del perfilómetro.
La superficie de la muestra (11) se ilumina
mediante el microvisualizador LCOS (5) con una serie de patrones de
iluminación y mediante el algoritmo adecuado se obtiene el valor de
la respuesta axial en todos los puntos comprendidos dentro del
campo de visión, es decir, la imagen confocal en el plano de
enfoque. Dichas imágenes confocales ofrecen un contraste muy
elevado ya que sólo se aprecia luz en las zonas que se encuentran
cerca de foco, mientras que las zonas que se encuentran lejos de
foco aparecen oscuras.
Para medir la topografía de la superficie se
realiza un barrido vertical de la muestra (11) mediante un sistema
de desplazamiento vertical (13) y se obtiene una secuencia de
imágenes confocales en distintos planos de la muestra (11) situados
a distintas alturas. A partir de estas imágenes, mediante el
software adecuado, se obtiene una reconstrucción tridimensional de
la superficie de la muestra (11). Para cada punto de la superficie
analizada (11) el citado software determina el valor de la
coordenada topográfica en la posición para la que se obtiene la
máxima respuesta axial.
El sistema de desplazamiento vertical (13) puede
estar constituido por un medio de accionamiento por motor o bien un
accionamiento piezoeléctrico (PZT). Ambos sistemas (desplazamiento
motorizado o piezoeléctrico) pueden ser controlados mediante
sistemas de lazo abierto o preferiblemente de lazo cerrado.
En el modo descrito pueden utilizarse objetivos
de gran abertura numérica (NA), que permiten medir superficies
pulidas con pendientes muy elevadas (de hasta 70º) así como
objetivos de súper larga distancia de trabajo (SLWD) con los que se
pueden medir superficies con elevados factores de forma. En todos
los casos, también pueden medirse muestras estructuradas que
contengan materiales distintos.
En el modo interferométrico, el objetivo
microscópico activo (8) es un objetivo microscópico
interferométrico, activándose también el software de adquisición
asociado al mismo. En este caso, el microvisualizador (5) tiene
todos sus píxeles abiertos para iluminar al mismo tiempo toda la
superficie analizada (11). Ahora no se proyectan patrones de
iluminación, sino que se ilumina toda la superficie (11)
obteniéndose imágenes interferométricas para cada plano de
análisis. El haz de luz emitido atraviesa el divisor de haz (4) el
cual dirige el haz de luz hacia la superficie de la muestra (11)
cuya reflexión incide en el dispositivo CCD (12). La serie de
imágenes interferométricas obtenida al efectuar el barrido vertical
de la muestra permite obtener, mediante el algoritmo adecuado, la
topografía de la superficie de la muestra analizada.
El perfilómetro de la invención va equipado con
un sistema informático que gestiona el software para los modos de
funcionamiento descritos, cuyos resultados se visualizan en forma
de texto, imagen o gráfico a través de un monitor. Los datos
visualizados son, por ejemplo, representaciones isométricas, de
contorno, de perfil, histogramas, transformadas de Fourier (FFT),
etc., de la topografía medida, así como imágenes convencionales
confocales e interferométricas de la superficie de la muestra.
Descrito suficientemente en qué consiste el
perfilómetro óptico de tecnología dual de la presente invención en
correspondencia con los dibujos adjuntos, se comprenderá que podrán
introducirse en el mismo cualquier modificación de detalle que se
estime conveniente, siempre y cuando las características esenciales
de la invención resumidas en las siguientes reivindicaciones no
sean alteradas.
Claims (10)
1. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) que comprende una fuente de luz (2),
unos divisores de haz (3, 4) y una serie de objetivos microscópicos
(6, 7, 8), caracterizado en que incluye, además, medios de
generación de patrones de iluminación (5) y en que dichos objetivos
microscópicos (6, 7, 8) son intercambiables, comprendiendo dichos
objetivos microscópicos (6, 7, 8) objetivos convencionales con los
que se pueden obtener imágenes confocales de la superficie de una
muestra (11) y objetivos interferométricos con los que se pueden
obtener imágenes interferométricas de la superficie de dicha
muestra (11).
2. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) según la reivindicación 1,
caracterizado en que dichos medios de generación de patrones
de iluminación son un microvisualizador LCOS (5).
3. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) según la reivindicación 1,
caracterizado en que dicha fuente de luz es un diodo emisor
de luz (2).
4. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, caracterizado en que el divisor de haz (3)
es un divisor de haz polarizante asociado a dicho microvisualizador
(5).
5. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) según la reivindicación 2,
caracterizado en que dicho microvisualizador (5) está
adaptado para generar una secuencia de patrones de iluminación que
permite la obtención de imágenes confocales o bien una apertura
total de todos los píxeles de iluminación que permite la obtención
de imágenes interferométricas.
6. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) según la reivindicación 3,
caracterizado en que dicho diodo emisor de luz (2) emite un
espectro de luz con una longitud de coherencia comprendida en el
margen de 2-10 \mum, de manera que permite aplicar
tanto la técnica de perfilometría interferométrica de
desplazamiento de fase (PSI) como la técnica de perfilometría de
barrido vertical con luz blanca (VSI).
7. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) según la reivindicación 1,
caracterizado en que comprende un sistema de desplazamiento
vertical (13) de la muestra (11) que permite obtener una serie de
imágenes confocales o interferométricas en distintos planos de
dicha muestra (11) situados a distintas alturas a partir de los
cuales, mediante la utilización de algoritmos adecuados, se obtiene
la topografía de la superficie de la citada muestra (11).
8. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) según la reivindicación 7,
caracterizado en que dicho sistema de desplazamiento
vertical (13) de la muestra (11) comprende un medio de
accionamiento por motor.
9. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) según la reivindicación 7,
caracterizado en que dicho sistema de desplazamiento
vertical (13) de la muestra (11) comprende un medio de
accionamiento piezoeléctrico (PZT).
10. Perfilómetro óptico (1) de tecnología dual
(confocal e interferométrica) según la reivindicación 8 o la
reivindicación 9, caracterizado en que dicho sistema de
desplazamiento (13) está controlado mediante un sistema de lazo
abierto o de lazo cerrado.
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