用于非接触测量表面的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本公开涉及用于非接触测量表面的方法和设备。缝隙（m）被投射到物体表面上，其中基准点（X1）在水平轴线（x）中最接近焦点位置中的最佳位置（P）。在反射了包含所述基准点（X1）的光之后，视场区域（F）的一个图像被获取。物体（300）在竖直轴线（z）中的位置（Z1）被确定。在反射了具有基准点(X2,X3…Xn)的光之后，通过同时沿轴线（z）移动物体（300）以维持基准点(X2,X3…Xn)最接近焦点位置中的最佳位置（P），相应视场区域（F）的图像被获取。确定获取图像的位置(Z2,Z3…Zn)。对于每个图像确定沿水平轴线（x）的焦点位置中的最佳位置（P）。在焦点位置中的最佳位置（P）和基准点(X1,X2..Xn)之间的校正差分(Δ1,Δ2...Δn)被计算。
【专利说明】用于非接触测量表面的方法和设备
【技术领域】
[0001]本文公开了非接触表面度量的方法。更具体地，提供了如在权利要求1的前序部分中限定的用于非接触测量表面的方法。
[0002]还公开了如权利要求12的前序部分中限定的用于非接触测量表面的设备。
【背景技术】
[0003]具有平坦和球形表面的光学组件相对易于制造和测量。然而，由于其因像差而受限的性能，所述具有平坦和球形表面的光学组件被替换为具有复杂表面的光学组件，例如非球面和任意形式的表面。具有复杂表面的光学组件可以消除像差并且提供许多其他优点。具有复杂表面的光学组件通过使用机械加工、剖光和度量技术而获得。
[0004]近年来，由于对之前复杂的光学表面的机械加工的需要而开发出针对这种光学组件的高级的制造技术。对这种光学组件的度量要求由此变得越来越高。
[0005]用于表面特征的表面度量目前通过不同的技术实施，例如通过接触测量、扫描探针测量和非接触测量。
[0006]接触测量基于被牵引穿过样本的小型触针尖端(tip)的使用。样本表面上的峰顶和谷底均被尖端跟踪。所述尖端的上下移动被转换为信号，该信号被处理为数字数据，该数字数据可用于构造关于样本中的位置与在样本的该点处的高度的曲线。
[0007]所述尖端在样本表面上施加恒定的力，以便精确地跟随所述样本表面的形状。因此，基于接触的测量的一个主要的缺点是其是破坏性的，因为测量尖端始终接触被测量的样本。接触测量技术的另一个缺点是，虽然目前可以制造在微米数值范围以下的尖端，但比尖端自身尺寸更小的细节不能被测量。
[0008]扫描探针测量基于探针的使用，该探针接近待测量的表面操作并且与其相距某距离，其中在探针和所述表面之间施加力。在这种技术中，原子力显微镜被用于测量非球形表面。
[0009]非接触测量可以通过干涉测量、共焦轮廓测定或激光自动聚焦技术实施。
[0010]在干涉测量技术中，当基准波束在观测平面中覆盖在携带关于被测量表面的信息的波束之上时，干涉边缘被估计。反射波束中的相位差被测量，并且被转换为高度信息，使得可以获得表面轮廓。
[0011]通过使用干涉测量，获得关于被测量的样本表面的地形的信息。来自所述样本的波阵面与基准波阵面比较，使得在通常为照相机的探测器中的覆盖引起干涉图案，通过该干涉图案，可以估计测量表面和基准表面(通常为平坦的镜)之间的高度差。为了测量非球形表面，基准波阵面需要被修改为尽可能类似测量波阵面。由于干涉测量信号的性质，这是为了执行测量所必须的。当两个波阵面之间的相位差较大时，干涉图案中的边缘被压缩为使得照相机不能对其分解并且丢失一些信息。修改波阵面基准以使其类似于波阵面测量的技术被称为归零(nulling)。对于球形或平坦的样本，获得球形或平坦的基准波阵面是容易的。然而，对于非球形表面，由于需要非球形基准波阵面，获得基准波阵面变得复杂得多。[0012]共焦轮廓测定由共焦显微镜执行，在所述共焦显微镜中，样本通过非常小的针孔被照明并且通过置于第二小针孔后面的光电探测器观察。以此方式，仅精确地来自焦平面的光才将到达光电探测器。通过拒绝聚焦的光，图像将来自物体的薄区段(小景深)，使得通过扫描穿过对象的多个薄区段，可以构建该对象的非常清晰的三维图像。
[0013]通过使用投射到样本上的光的结构化图案和景深算法，还可以获得共焦深度分区。
[0014]W09000754示出了共焦显微镜法的方式。共焦显微镜包括用于将光波束提供到透镜的光源，所述透镜将所述光聚焦到待检查的物体上，以便照明所述对象上或所述对象内的点观测场。自照明的点观测场反射的光被冷凝器收集并且传输到探测器。扫描装置使照明的点观测场相对于物体在扫描图案中移动。从光源到冷凝器的传输中流出的光以及返回的光经由光纤和光分离器传输，以便将返回的光转向到探测器。
[0015]激光自动聚焦技术可以被视为在光学上与接触测量技术等价。然而，在此情况下，触针尖端被替换为光学尖端，也就是，显微镜物镜的焦点。在激光自动聚焦技术的一个示例中，在通过显微镜物镜的分析下，离轴激光波束被输出到样本上。如果样本处于焦点处，则所述激光波束被反射达到探测器中心。如果样本不在焦点处，则激光波束将到达探测器的其他区域。当被探测时，物镜被移动，使得激光波束再次撞击在探测器中心上。为了执行测量，这种技术是基于移动光学尖端的，这种移动表示激光波束横穿样本并且再次聚集所述样本的每个位置，使得测量系统和样本之间的距离始终保持恒定(自动聚焦)。关于表面地形的信息由此通过由所述系统进行的沿样本的移动以保持其始终处于焦点中而获得。
[0016]上述度量技术允许复杂表面的形状和纹理的精确的估计。获得的数据与设计数据比较，以便获得之后被传送到剖光系统的校正数据。所述获得的数据相应于在从数十纳米到数百纳米的范围内的形状规范。
[0017]非球形表面的形状由下面的表达式给出:
[0018]
【权利要求】
1.一种用于非接触测量物体(300)表面的方法，所述方法包括以下步骤: 将光投射到物体表面的目标区域上，其中在所述物体表面的至少第一轴线(X)中存在基准点(X1),使得所述基准点(X1)最接近焦点位置中的最佳位置(P)； 在由包含所述基准点(X1)的物体表面反射投射的光之后，获取视场区域(F)的一个图像； 确定所述物体在第二轴线(Z)中的位置(Z1)； 将光投射到物体表面上的相继目标区域上，其中所述第一轴线(X)中存在所述物体表面的相应的基准点(X2，Xn)； 在由包含所述基准点(χ2，Χ^..Χη)的物体表面反射投射的光之后，通过同时改变所述物体(300)沿第二轴线(Z)的所述位置以便维持基准点(X2，Xf Xn)尽可能接近焦点位置中的最佳位置(P)，获取相应的视场区域(F)中的多个图像；以及 确定所述物体(300)的每个对应位置的位置(Z2，Ζη)，其中获取了包含所述基准点(X2, XfXn)的所述视场区域的所述图像； 其特征在于 所述将光投射到物体表面的目标区域上的步骤通过投射具有沿至少所述第一轴线(X)光分布的光(m)的图案而实施； 并且其中所述方法进一步包 括以下步骤: 对于每个获取的图像确定沿第一轴线(X)的焦点中的最佳位置(P)的位置； 计算对应校正差分(A1, Λ2...Λη)，作为沿第一轴线(X)在所述焦点中的最佳位置(P)和基准点(X1, XfXn)之间的距离；以及 获得物体表面的表示，所述表示至少涉及关于所述第一轴线(X)中的所述基准点(XpX^Xn)以及所述校正差分(A1, Λ2...Λη)和所述物体在所述第二轴线(ζ)中的位置(Z11Z^Zn)的参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中被投射到所述物体表面上的光的图案是沿所述第一轴线(X)投射到显微镜物镜(150)的焦平面上的测量缝隙U)。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述获得所述物体表面的表示的步骤包括构造曲线[(X1+ Δ 1； Z1)，(X2+ Δ 2，Z2)…(Xn+ Δ n, Zn)]，其涉及关于所述第一轴线(X)中的所述基准点(XpX^-Xn)以及所述校正差分(A1, Δ2...Λ η)和所述物体在所述第二轴线(ζ)中的位置(Z1, Z^Zn)的参数，使得给出被测量的所述物体表面的轮廓的曲线被确定。
4.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中所述获得所述物体表面的表示的步骤包括实施光栅扫描，所述光栅扫描包括将所述测量缝隙(m)投射在第三轴线(y)的不同位置(H..YJ，以便获得被测量的物体表面的三维图示[(UAil^Zil), (Xi^Ai2lYilZi2)…(Xin+ Δ in, Yi, Zin)]，其中1: 1，2…m，所述图示涉及关于所述第一轴线(X)中的所述基准点(Xn，Xi2，..Xin)以及在所述第三轴线(y)的不同位置(Y1, Y2，..Ym)处的所述校正差分(Δη, Ai2,...Ain)和所述物体在所述第二轴线(ζ)中的位置(Z1, Zi2，…Zin)的参数。
5.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中所述获得所述物体表面的表示的步骤包括实施角度扫描，所述角度扫描包括围绕经过所述物体的一个点的轴线分解所述物体，使得测量缝隙(m)被投射在第四轴线(Θ )的不同角位置(Q1, θ2，…θπ)，以便获得被测量的物体表面的三维图示[(Χη+Δη, θ”Ζη)，(Xi2+Ai2, Θ ^Zi2),-(Xin+Ain, e^zj],其中i:l，2，…m，所述图示涉及关于所述第一轴线(X)中的所述基准点(Xn，Xi2，..Xin)以及在所述第四轴线(Θ )的不同角位置(Q1, θ2，…θπ)处的所述校正差分(Λη，Ai2，…Ain)和所述物体在所述第二轴线(ζ)中的位置H -ZJ的参数。
6.如权利要求2或权利要求5所述的方法，其中所述方法进一步包括定心步骤，用于以所述测量缝隙(m)被投射到所述物体(300)的顶点位置上的方式定位待测量的所述物体(300)，所述定心步骤包括: 将至少两个侧缝隙投射到所述显微镜物镜(150)的焦平面上，所述侧缝隙基本平行于所述测量缝隙(m)并且沿第三轴线(y)与所述测量缝隙(m)间隔给定距离，使得所述测量缝隙(m)处于所述侧缝隙之间；以及 改变所述物体(300)沿所述第三轴线(y)的位置，直至沿在测量缝隙(m)的两侧并且在所述两侧距所述测量缝隙(m)等间隔的两个侧缝隙的焦点位置点中的最佳位置点(P)被发现在所述第一轴线(X)中具有相同的坐标。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中同时移动所述第二轴线(ζ)以便维持基准点(χ2，χ^..χη)尽可能接近焦点位置中的最佳位置(P)是通过使用基于结构化照明的焦深算法而实施的。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤:为每个视场区域(F)确定所述基准点(X1, X2, X^Xn)，所述基准点位于所述视场区域(F)中的相同的预定位置处。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中焦点中的最佳位置(P)被确定为在具有基于结构化照明的焦深算法的最大轴向响应的视场中的点。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤:将校正差分(A1, Λ2...Δη)从像素单位转换为长度单位。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述校正差分(A1,Δ2...Δη)等于或小于Ιμπι。
12.一种用于根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法非接触测量物体(300)表面的设备(100)，其中所述设备(100)包括: 光投射装置(110)，用于将光投射到物体表面的目标区域上，其中在最接近焦点位置中的最佳位置(P)的所述物体表面中的第一轴线(X)中存在基准点(X1, x2，Xf Xn)； 图像获取装置(120)，用于在由所述物体表面反射投射的光之后，获取包含所述基准点(XpXhXfXn)的视场区域(F)的一个图像； 用于确定第二轴线(ζ)中的相应的基准点(X2，Xn)的位置(Zp^ZfZn)的装置； 用于改变所述物体(300)沿所述第一轴线(X)的位置的装置； 用于同时改变所述物体(300)沿第二轴线(ζ)的位置使得所述基准点(X2，XfXn)被维持为尽可能接近焦点位置中的最佳位置(P)的装置； 其特征在于，所述光投射装置(110)适合于投射具有沿所述第一轴线(X)光分布的光Cm)的图案。
13.如权利要求12所述的设备(100)，其中被投射到所述物体表面上的光的图案是沿所述第一轴线(X)投射到显微镜物镜(150)的焦平面上的测量缝隙U)。
14.如权利要求12或权利要求13所述的设备(100)，其中所述设备进一步包括测量头(160)，所述测量头(160)包括所述光投射装置(110)和所述图像获取装置(120)。
15.如权利要求12-14中任一项所述的设备(100)，其中所述光投射装置(110)包括LED( 111)、光圈(112)、准直光学器件(113)、反射镜(114)、光学透镜(115)、分束器(116)以及显微镜物镜(150)中的至少一个。
16.如权利要求12-15中任一项所述的设备(100)，其中所述设备进一步包括定心装置，用于以所述测量缝隙(m)被投射到所述物体(300)的顶点位置上的方式定位待测量的所述物体(300)，所述定心装置包括: 用于将至少两个侧缝隙沿对应侧轴线(X’)投射到所述显微镜物镜(150)的焦平面上的装置，所述侧轴线(X’)基本平行于所述第一轴线(X)并且沿第三轴线(y)与所述第一轴线(X)间隔给定距离，使得所述测量缝隙(m)处于所述侧缝隙之间；以及 用于改变所述物体沿所述第三轴线(y)的位置直至沿在测量缝隙(m)的两侧并且在所述两侧距所述测量缝隙(m)等间隔的两个侧缝隙的焦点位置点中的最佳位置点(P)被发现在所述第一轴线中具有相同的坐标的装置。
17.如权利要求12-16中任一项所述的设备(100),其中所述设备进一步包括用于改变所述物体沿所述第三轴线(y)的位置以便实施光栅扫描从而获得所述物体表面的表示的装置。
18.如权利要求12-16中任一项所述的设备(100)，其中所述设备进一步包括用于围绕经过所述物体(300)的一个点的第四轴线(Θ)改变所述物体的角位置以便实施角度扫描从而获得所述物体表面的表示的装置。
19.如权利要求12所述的设备(100)，其中用于确定所述物体在所述第二轴线(ζ)中的位置的装置包括高精度位置传感器装置(170)。
20.如权利要求12所述的 设备(100)，其中所述图像获取装置(120)包括显微镜物镜和照相机(121)。
【文档编号】G01B11/25GK103547883SQ201180071004
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2011年5月20日 优先权日:2011年5月20日
【发明者】F·拉古尔塔·伯特兰, A·皮恩托·维拉, R·阿蒂加斯·珀萨尔斯, C·卡德瓦尔·阿蒂古埃斯 申请人:加泰罗尼亚理工大学