测量非球面和其它非平坦表面的形貌的制作方法

测量非球面和其它非平坦表面的形貌的制作方法
【专利摘要】一种生成非平坦表面的复合图像的方法，包括：使用显微镜获取非平坦表面的不同区域的多个三维图像，其中每个图像包括与至少一个相邻图像的重叠区域，显微镜具有足够的分辨率以对具有10微米或更小的横向尺寸和10纳米或更小的高度的非平坦表面上的微结构进行三维成像；对于每个图像，确定将图像中的测试对象的位置和取向关联到共同的坐标系的刚体参数组，其中所述刚性体参数组通过匹配图像的重叠区域中的已解析微结构与相邻图像的重叠区域中的对应微结构而确定；以及基于刚体参数组组合多个图像以生成表面的复合图像。
【专利说明】
测量非球面和其它非平坦表面的形貌
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2014年1月9日提交的临时专利申请No. 61/925570的权益。该临时申 请的全部内容作为引用并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及测量非球面和其它非平坦表面的形貌。
【背景技术】
[0004] 使用微型相机的移动设备（例如，移动电话）的制造和销售在最近几年显著增加。 这种相机通常需要包括小的非球面透镜的镜头组件。非球面透镜包括一个或两个表面具有 既不是球形也不是柱形形状的透镜。非球面透镜可以使用金刚石车削模具来大量生产，然 后注塑成形以制造这些模具的复制品。目前的行业惯例包括使用机械坐标测量机(CMMs)测 量模具和透镜。

【发明内容】

[0005] 非球面透镜表面（和其它非平坦表面）（如在手机透镜组件中发现的那些）的光学 测量可以非常具有挑战性：目前在手机透镜组件中使用的许多非球面表面具有鸥翼或煎饼 的形状。由于其高表面斜率和/或相对较大的表面积，这种透镜不能通过常规光学测量技术 充分地描绘轮廓。虽然技术如条纹投射系统、相干扫描干涉仪、相移干涉，波前传感器如 Shack-Hartmann哈特曼波前传感器，或错位干涉仪可以提供表面形貌的空中2V2维测量，但 是基于这些技术的系统具有有限的视场以及有限的斜率接受范围。术语"272维测量"在这 里指的是分配一个被测变量(例如高度值)给横向位置的给定网格的每个点的测量。在光学 轮廓仪中，例如，其中，斜率能力受到成像系统的接收孔径的限制。其通常只有几度，甚至对 于1_的小视场也如此。许多表面超过仪器的视场或斜率范围或两者。用于移动装置的非球 面表面的光学轮廓化的任务进一步复杂化，这是因为通常需要提供非球面表面和用于堆放 和排列透镜组件的非球面的周围辅助表面之间的关系测量。在某些情况下，光学轮廓化系 统的视场可以被扩展，但代价是缩小斜率接受度，反之亦然。最具挑战性的表面需要大的场 和高接受度的角度，使得单个空中测量通常不足以测量整个表面。
[0006] 通过减少仪器的视场并扩展斜率范围，可以找到一折衷，测量测试对象表面上数 据的连续片段，对应于相机的整个视场。只要这些测得的表面片段之间有足够的重叠，可以 在软件中接合表面的多个视图，从而增加了仪器的视场。即使如此，如果表面斜率陡峭和/ 或表面非常光滑，轮廓化非平坦表面的困难可能仍然会出现。特别地，在陡峭斜率的情况 下，在具有严格测量不确定性要求的应用中，为测试对象的相对平移和/或旋转提供准确的 坐标是困难和昂贵的。此外，即使是相邻的表面片段上特征之间的几纳米的匹配误差也可 导致明显误差。在被测量的表面具有低的粗糙度(例如，没有任何缺陷的抛光表面）的情况 下这需要特别关注，这是因为没有任何缺陷（如划痕，而缺陷可以用作位置标记)使得确定 相邻图像的取向较为困难。
[0007] 本公开的主题通过组合具有高分辨率的区域表面形貌显示镜与能够使测量对象 沿高达6个自由度并在大角度范围（例如，约30°或以上的倾斜范围）内相对于显微镜运动的 工作台而解决上述问题。与显微镜通信的电子处理器将测试对象表面的不同区域的多个三 维图像结合成单个更大的表面图像。在工作台提供大角度范围和额外的自由度的情况下， 对于非平坦的测试对象表面，成像系统的斜率接受度可以增加。此外，由于显微镜的高横向 分辨率，即使是抛光表面的重叠图像也可以通过识别常见的高频表面特征(例如，在成像系 统的逆分辨率的顺序上具有空间频率的表面特征)来结合。事实上，在某些情况下，不需要 超精确的工作台坐标，可以得到测试对象的最终复合图像。此外，对图像和/或系统的仔细 校准和补偿确保高频特征的准确匹配。
[0008] 在一般情况下，在某些方面，本发明的主题可以体现为包括区域形貌测量显微镜； 相对于形貌测量显微镜调整测试对象的位置和取向的机械工作台和数据处理单元的设备。 形貌测量显微镜具有足够的横向分辨率以查看弯曲表面的表面形式、微结构，和/或表面的 波度。在形貌规则中，微结构通常与表面粗糙度和质地相关。
[0009] 在其他方面，本发明的主题可以体现在包括在测试对象定位在显微镜的视野内之 后测量测试对象表面的第一位置或子孔径的区域形貌的方法。随后，使用机械工作台相对 于形貌测量显微镜调整测试对象的相对位置和取向。接着，测量测试对象表面的不同于第 一子孔径的第二部分或子孔径的区域形貌。这个过程可重复用于两个或更多个子孔径，从 而得到部分重叠的子孔径形貌测量的库。在下一步骤中，数据处理单元使用部分地最小化 重叠区域中的子孔径测量之间的微结构形貌之差的方法来分析部分重叠的子孔径形貌测 量。然后，数据处理单元结合刚性体参数组与子孔径的形貌图像，以创建部分表面的最终三 维(3D)表面形貌图。
[0010] 在一般情况下，在另一方面中，本发明的主题可以体现在如下方法中，包括:使用 显微镜获取非平坦表面的不同区域的多个三维图像，其中每个图像包括与至少一个相邻图 像的重叠区域，显微镜具有足够的分辨率以对具有10微米或更小的横向尺寸和10纳米或更 小的高度的非平坦表面上的微结构进行三维成像;对于每个图像，确定将图像中的测试对 象的位置和取向关联到共同的坐标系的刚体参数组，其中所述刚性体参数组通过匹配图像 的重叠区域中的已解析微结构与相邻图像的重叠区域中的对应微结构而确定；以及基于刚 体参数组组合多个图像以生成表面的复合图像。
[0011] 在一般情况下，在另一方面中，本发明的主题可以体现在这样的系统中，包括：显 微镜，所述显微镜具有足以使具有10微米或更小的横向尺寸和10纳米或更小的高度的非平 坦表面上的微结构进行三维成像的分辨率;工作台，用于相对于显微镜布置所述测试对象， 工作台具有相对于显微镜的至少一个旋转自由度，并具有10°或更多的角度范围以相对于 显微镜改变所述测试对象的角度取向；以及与所述显微镜通信的电子处理器，其中，在操作 过程中，所述显微镜获取所述非平坦表面的不同区域的多个三维图像，其中每个图像包括 与至少一个相邻图像重叠的区域，并且针对所述测试对象相对于物镜的不同角度取向，获 取图像中的至少一些，并且所述电子处理器被编程成接收来自所述显微镜的图像;对于每 个图像，确定使所述测试对象的位置和取向关联到共同的坐标系的刚体参数组，其中所述 刚体参数组通过匹配图像的重叠区域中的已解析微结构与相邻图像的重叠区域中的对应 微结构而确定；以及基于刚体参数组组合多个图像以生成表面的复合图像。
[0012] 该设备的各种实施方式、方法和系统是可能的。例如，在一些实施方式中，非平坦 表面的不同区域的多个图像是三维图像。在一些实施方式中，复合图像是三维图像。
[0013] 在一些实施方式中，区域表面形貌显微镜包括光学仪器(在本文中指代光学轮廓 仪），比如相移干涉(PSI)显微镜、相干扫描干涉显微镜(CSI)、共聚焦显微镜、聚焦扫描显微 镜、数字全息显微镜、结构照明显微镜，或彩色共聚焦显微镜。
[0014] 在一些实施方式中，显微镜包括能够测量区域表面形貌而不是横截面轮廓的触针 式仪器。
[0015] 在一些实施方式中，显微镜包括构造成始终在最佳聚焦位置处获取数据的光学仪 器。
[0016] 在一些实施方式中，显微镜包括在可见光波长，或可替代地，在紫外或红外波长下 工作的光学仪器。
[0017] 在一些实施方式中，显微镜足够敏感以测量1到1〇微米之间宽和表面高度在〇. 1到 10纳米之间的特征。这样的值与从约〇. 4微米到0.8微米可见光波长处的通常被理解为光学 光滑或抛光的表面是一致的。
[0018] 在一些实施方式中，显微镜包含两个或两个以上的传感技术，例如，使用一个技术 测量或检测微结构，使用另一个测量或检测表面形式。
[0019] 在一些实施方式中，工作台具有一个运动轴，例如旋转，或几个运动轴，结合横向 位移与旋转运动。
[0020] 在一些实施方式中，工作台只调整部分、只调整显微镜，或调整部分和显微镜两 者。
[0021] 在一些实施方式中，工作台包含额外的计量如光学编码器或干涉仪来提高精度。
[0022] 在一些实施方式中，数据处理依赖于显微镜形貌图像，而不是工作台的位置信息， 以生成最终三维表面图。
[0023]在一些实施方式中，数据处理依赖于显微镜形貌图像，和工作台的位置信息，以生 成最终的三维表面图。
[0024]在一些实施方式中，该方法包括测量分离的表面并按尺寸将他们相互关联。例如， 相对于透明物体的背表面的前部，或相对于部分的操作表面的安装表面。
[0025]在一些实施方式中，方法包括一个或多个校准步骤以补偿系统误差。
[0026] 在一些实施方式中，数据处理包括同时对所有测量的全局匹配。
[0027] 在一些实施方式中，数据处理包括将一个测量与下一个测量连续匹配，最后得到 最终的三维形貌。
[0028] 在一些实施方式中，数据处理包括重叠测量对之间的匹配，所得到的刚体参数进 行全局优化。
[0029] 在一些实施方式中，测试对象表面形貌包括平面、球面、非球面和自由曲面。
[0030] 在一些实施方式中，测试对象的尺寸是微观的，具有从约0.1毫米至约10毫米作为 任何一个维度的最大尺寸，或宏观的，具有约10毫米至约1000毫米作为任何一个维度的最 大尺寸。
[0031] 在一些实施方式中，非平坦表面包括至少两个位置，其各自的法线形成大于20度、 大于30度、大于45度或大于60度的角度。
[0032] 在一些实施方式中，刚体参数组包括至少两个平移坐标和至少两个角坐标。
[0033] 在一些实施方式中，刚体参数组包括至少五个坐标。
[0034] 在一些实施方式中，刚体参数组包括六个坐标。
[0035]在一些实施方式中，刚体参数组足以使非平坦表面的至少两个位置的取向互相关 联，其中该至少两个位置各自的法线形成大于10度、大于20度、大于30度、大于45度或大于 60度的角度。
[0036]在一些实施方式中，刚体参数组包括三个正交旋转角。
[0037] 在一些实施方式中，非平坦表面的不同区域的多个图像的不同区域包括至少两个 位置，其各自的法线形成大于10度、大于20度、大于30度、大于45度、或大于60度的角度。用 显微镜获取图像可包括相继定向测试对象，以便各位置都具有各自的平行于显微镜的轴线 的法线。显微镜可以包括配置为支撑所述测试对象并在一取向范围上定向测量对象的安装 件，该取向范围足以相继地使所述位置的法线基本上平行于所述显微镜的轴线。在一些实 施方式中，显微镜和工作台配置为在一取向范围上定向测量对象，该取向范围足以相继地 使所述测试对象上的位置的法线基本上平行于所述显微镜的光轴。在一些实施方式中，在 所述多个三维图像的连续图像之间使所述测试对象相对彼此平移。所述工作台包括用于使 所述测试对象相对于所述显微镜平移的一个或多个致动器。。在一些实施方式中，所述显微 镜和工作台配置为在所述多个三维图像的连续图像之间使所述测试对象相对彼此旋转。所 述工作台包括用于使所述测试对象相对于所述显微镜旋转的一个或多个致动器。
[0038]在一些实施方式中，复合图像的区域大于显微镜的视场。
[0039]在一些实施方式中，对于连续图像，测试对象相对于显微镜平移。
[0040] 在一些实施方式中，对于连续图像，测试对象相对于显微镜旋转。
[0041] 在一些实施方式中，测试对象基于所述非平坦表面的曲率旋转，以使用所述显微 镜在所述显微镜的适当用于成像的视场中定向所述非平坦表面的一部分。
[0042] 在一些实施方式中，对于图像中的至少一些，所述测试对象的相对旋转为10度或 以上。
[0043]在一些实施方式中，非平坦表面具有1纳米或更小的RMS表面粗糙度。
[0044] 在一些实施方式中，非平坦表面是光学光滑的表面。在一些实施方式中，测试对象 是非球面透镜。
[0045] 在一些实施方式中，确定所述刚体参数组包括在匹配已解析微结构之前校准所述 多个三维图像。校准所述多个三维图像包括:使用所述显微镜获取参考反射镜的图像；以及 从每个所述三维图像中减去参考反射镜图像。获取所述多个三维图像包括使用多元检测器 检测所述图像，并且其中校准所述多个三维图像包括:在多元检测器处检测包括预定周期 表面图案的参考样本的图像;确定被测量的参考样本的像素图案中的误差；以及补偿每个 三维图像的像素图案中的误差。获取所述多个三维图像包括使用多元检测器检测所述图 像，并且其中对于每个三维图像，校准所述多个三维图像包括:对于所述三维图像的每个像 素，确定沿两个正交方向的表面斜率;对于所述三维图像的每个像素，计算对应的回程误差 函数;以及从所述三维图像中的对应像素中减去所述回程误差函数。
[0046] 在一些实施方式中，该方法包括使用光学显微镜获取非平坦表面的不同区域的多 个图像。
[0047] 在一些实施方式中，方法包括使用相干扫描干涉显微镜、相移干涉显微镜、共聚焦 显微镜、聚焦扫描显微镜、数字全息显微镜、结构照明显微镜，或彩色共聚焦显微镜获取非 平坦表面的不同区域的多个图像。
[0048] 在一些实施方式中，获得非平坦表面的不同区域的多个图像包括使用相干扫描干 涉以获得非平坦表面的每个不同区域的形貌图。
[0049] 在一些实施方式中，获取非平坦表面的不同区域的多个图像包括使用触针来测量 非平坦表面的每个不同区域的形貌图。
[0050] 在一些实施方式中，确定所述刚体参数组包括在所述多个三维图像的重叠区域中 应用已解析微结构的全局匹配，以获得每个图像的被优化刚体参数组。应用全局匹配包括 在多个三维图像的重叠区域上获得已解析微结构的最佳匹配。
[0051] 在一些实施方式中，对于一系列相邻图像对，相继地执行图像的重叠区域中的已 解析微结构与相邻图像的重叠区域中的对应微结构的匹配。对于每个相邻图像对，该匹配 导致使图像对中的图像之间的测量对象的相对位置和取向相关联的中间刚体参数组。确定 所述刚体参数组还包括执行全局优化，以获得最佳地适配中间参数组的最终刚体参数组。
[0052] 在一些实施方式中，所述显微镜还包括用于检测所述多个三维图像的多元检测 器，并且其中所述处理器配置为校准由所述多元检测器检测的多个三维图像。
[0053]在一些实施方式中，电子处理器被编程为在所述多个三维图像的重叠区域上应用 已解析微结构的全局匹配，以获得每个图像的被优化刚体参数组。电子处理器编程为在所 述多个三维图像的重叠区域上获得已解析微结构的最佳匹配。
[0054] 在一些实施方式中，所述电子处理器被编程为对于一系列相邻图像对，相继地匹 配图像的重叠区域中的已解析微观结构与相邻图像的重叠区域中的对应微结构。对于每个 相邻图像对，该匹配导致使图像对中的图像之间的测量对象的相对位置和取向相关联的中 间刚体参数组。所述电子处理器还被编程为执行全局优化，以获得最佳地适配中间参数组 的最终刚体参数组。
[0055] 在一些实施方式中，显微镜包括配置为检测微结构的第一传感器以及配置为检测 测试对象的表面形式的第二传感器。
[0056] -个或多个实施例的详细信息在附图和下面的描述中阐述。描述、附图和权利要 求中，其他特征和优势将是明显的。
【附图说明】
[0057] 图1是示出了相干扫描显微镜的示例示意图。
[0058]图2是示出了在显微镜物镜头下的叠层旋转工作台的示例的示意图。
[0059]图3是描绘使测试对象成像和产生测试对象的三维表示的工艺流程300的流程图。
[0060] 图4是示出了光学轮廓仪传感器头和/或测试对象工作台的旋转路径的示例的示 意图。
[0061] 图5是使用表面形貌图的全局优值函数和优化来介绍三维拼接的原理的示意图。
[0062] 图6是显示实际测试对象样本的拼接匹配质量的实验性相关图。
[0063] 图7是示出了可以使用本文所公开的技术描绘轮廓的透镜的示例的示意图。
[0064] 图8是示出了将检测微结构的双折射显微镜和对整体形式快速测量的条纹投射显 微镜组合起来的系统的示例的示意图。
【具体实施方式】
[0065] 为了使具有高曲率的表面区域的测试对象成像，可以通过减小轮廓仪的视场来扩 展区域表面形貌显微镜(如光学轮廓仪)的斜率接受度。如果测试对象还具有比减小的视场 更大的表面积，那么可通过在减小的视场下使多个区域成像（"表面块"或"子孔径（sub-apertures)"） 并使用电子处理器将测量的图像融合在一起来获得整个测试对象表面的图 像，从而人为地增加了仪器的视场。
[0066] 获得测试对象的不同子孔径图像的测量包括相对于显微镜的传感器头操纵测试 对象，使得在相对于表面的恰当传感器取向下测量测试对象的表面上的不同位置。通过恰 当的分段和专门的重建算法，这种方法可以克服与常规光学轮廓仪技术相关的视场和斜率 限制，利用仅输送2V 2维数据的仪器可以测量甚至延伸超过半球的表面几何形状。
[0067]这个原理的示例可以用干涉显微镜来描述，如图1所示的CSI显微镜100。干涉成像 系统（如图1中的CSI显微镜)将从所关注表面反射的测量波前与从参考表面反射的参考波 前组合起来以产生干涉图案。干涉图案的强度分布的空间变化对应于由对象表面相对于参 考表面的轮廓变化所造成的组合测量与参考波前之间的相位差。基于测得的相位差，干涉 成像系统用来测量具有复杂表面结构的对象的表面形貌和/或其他特性，比如薄膜、不同材 料的分离结构或通过干涉显微镜的光学分辨率不能分辨的分离结构。
[0068] 扫描成像系统的参考行程和测量行程之间的光程差(0PD)，以产生用于每个相机 像素的扫描干涉信号。在特定时刻在相机上产生的干涉图案对应于干涉图。在低相干扫描 干涉仪中，在相当于或大于干涉波前的相干长度的范围内扫描光程差。通过使用例如白光 光源可以在扫描干涉成像系统中产生有限的相干长度，这被称为扫描白光干涉仪(SWLI)或 更一般地为相干扫描干涉仪。典型的CSI信号是位于零oro位置附近的几个条纹。该信号的 特征通常是具有钟形条纹衬度包络的正弦载波调制（"条纹"）。在CSI成像系统，最佳焦点位 置通常对应于条纹包络的峰值或中心，即oro为零的位置。
[0069] 图1所示的CSI显微镜100是Mirau型干涉成像系统。为这个示例的目的，图1中的y 轴呈现为与页面垂直。光源模块105给分束器140提供照明光106,该分束器引导照明光通过 偏振光学器件180到达Mirau干涉物镜组件108。平面145对应于组件108的光瞳平面。组件 108包括测量物镜150、参考平面112和分束器113,参考平面112在其小的中心部分上具有反 射涂层从而限定出参考反射镜115。在操作期间，物镜150使照明光通过参考平面112朝向测 试对象109聚焦。分束器113将聚焦光的第一部分反射至参考反射镜115以限定出参考光 122,并朝向测试对象109传送聚焦光的第二部分以限定出测量光124。然后，分束器113重新 组合从测试对象109反射(或散射）的测量光和从参考反射镜115反射的参考光，并且物镜 150和成像透镜130将组合光成像以在检测器125(例如，多元C⑶或CMOS检测器)上干涉。
[0070] 检测器125是多元（即多像素）相机，独立地测量对应于测试对象和参考反射镜上 的不同点的测量光和参考光之间的干涉（即提供干涉图案的空间分辨率）。当扫描测试对象 的相对位置时，检测器125测量在检测器的一个或多个像素处的光干涉的强度，并将该信息 发送到计算机128进行分析。在分析过程中，计算机128(或具有电子处理器的其他系统)从 扫描干涉信号中确定测试表面的波长依赖性、复杂反射率。例如，在每个检测器元件的扫描 干涉信号可以进行傅立叶变换，得到相对于波长的信号幅度和相位。从幅度和相位信息中， 计算机128获得了与样本有关的高度信息。然后来自每个检测器元件的高度信息被包括用 于成像区域的在高度/形貌图中。
[0071] 光源模块105包括光源110(例如，点源或空间扩展源）、由透镜102和103形成的望 远镜以及位于透镜102的后焦平面(与透镜103的前焦平面重合）的光阑120。这样的布置使 光源成像到Mirau干涉物镜组件108的光瞳平面145上，这是Koehler照明的示例。光阑120的 大小控制测试对象109上的照明场的大小。在其他实施例中，光源模块可以包括光源直接成 像在测试对象上的布置，这被称为临界照明。
[0072] 交替扫描干涉成像系统包括例如Michel son和Linnik干涉物镜。对比于Mirau几何 形状，Michelson型和Linnik型干涉物镜的参考光路垂直于测试光路。在Linnik型的情况 下，分离和重新组合测试光束和参考光束的分束器位于测量物镜和参考物镜之前。在 Michelson型的情况下，分离和重新组合测试光束和参考光束的分束器在单个物镜之后。 [0073]扫描干涉成像系统可以包括以下特征中的任一。在一些实施例中，用于生成扫描 干涉信号的光基于白光光源，或更一般地基于光谱宽带光源。在其他实施例中，光源可以是 单色光源，或更一般地是光谱窄带光源。光源的示例包括发光二极管或激光器、电弧灯和热 源如白炽灯泡。具有各种数值孔径(NA)值的测量干涉物镜可用于扫描干涉成像系统。例如， 干涉物镜可以定义大于约〇.〇1至约0.9之间的NA。可以使用的干涉物镜的示例包括玻璃、 油/水沉浸和固体沉浸类型。光源所提供的光可以是非偏振的或偏振的，包括线性、圆形或 结构化的偏振光。光可以在电磁频谱的可见光波长、紫外波长或红外波长中。在一些实施方 式中，干涉成像系统可以包括偏振光学器件以选择从入射至测试对象和从测试对象发出的 光的期望偏振。扫描干涉仪成像系统的进一步的描述可以在例如美国专利No. 7106454和 No. 7271918中找到，每个文件通过引用完整地并入本文。
[0074]虽然图1中示出了 CSI显微镜，但还可用其他光学轮廓仪。例如，光学轮廓仪可以包 括使用PSI使测试对象成像的相移干涉(PSI)显微镜、共聚焦显微镜、聚焦扫描显微镜、使用 数字全息使测试对象成像的数字全息显微镜、结构照明显微镜或彩色共聚焦显微镜。在一 些实施方式中，显微镜是触针式仪器(例如，原子力探针仪器），能够使用触针来测量区域表 面形貌，而不是横截面轮廓。优选地，所使用的光学轮廓仪具有足够的分辨率以在三维上使 具有10微米或更小的横向尺寸和10纳米或更小的高度的测试部分表面上的微观结构成像。 [0075] CSI显微镜100可以配置为相对于显微镜物镜沿6个不同运动度定位测试对象。不 同运动度包括活塞(例如，测试对象和物镜之间沿z轴的偏移）、x平移、y平移、旋转、X倾斜和 y倾斜。在干涉显微镜100中，活塞运动可以使用连接到Mirau干涉物镜组件108的致动器/换 能器(例如压电换能器(PZT)) 107实现。致动器/换能器107配置为相对于测试对象109沿物 镜的光轴150扫描作为整体的组件108,以提供在相机的每个像素处的扫描干涉仪数据，其 中ζ是扫描坐标而h是测试对象表面的相对高度。替代地，致动器/换能器可连接到工作台 170,工作台支撑测试对象而不是组件108,以提供之间的相对运动。在其他实施例中，扫描 可以由线性工作台提供，该线性工作台相对于测试对象沿物镜的光轴移动整个显微镜。在 更进一步的实施例中，可以通过相对于物镜150沿物镜150的光轴移动参考反射镜115和分 束器113中的一个或两个来提供扫描。每个换能器(例如连接到CSI显微镜100的致动器/换 能器和连接到工作台170的换能器)可以连接到计算机128,使得计算机128控制换能器的速 度和操作。
[0076]测试对象工作台170可以配置为提供测试对象沿其他自由度的平移。例如，在一些 实施方式中，测试对象工作台170可包括一组堆叠的工作台，其中每个工作台使得测试对象 能够沿一个或多个不同自由度运动。图2是示出了用于测量旋转对称的表面样本206的情况 的堆叠工作台200的示例的示意图，其中堆叠工作台200和安装在工作台的样本位于CSI显 微镜的显微镜物镜头108的下方，CSI显微镜用测量光208照射样本206。如同图l，x和z轴在 页面内延伸，而y轴延伸进出页面（即沿着页面的法线）。堆叠工作台200包括连接到第二外 部工作台204的第一内部工作台202。内部工作台202允许绕其旋转轴线(C轴，C轴在图2中所 示的示意图的平面中延伸，即延伸通过内部工作台202的中心的线)旋转(Re)部分。内部工 作台组件202安装到外部旋转工作台204,外部旋转工作台允许旋转(R u)当前通过CSI显微 镜100成像的表面块的法线(绕B轴，在图2中B轴平行于向外延伸出页面的y轴），使得法线指 向传感器头108。在一些实施方式中，组件200包括第三工作台，其提供线性平移(例如沿X轴 和/或y轴），使得传感器头可以到达测试对象上的不同径向位置。组件中的每个工作台（例 如内部工作台202和外部工作台204)可以包括用于致动的换能器。
[0077] 在一些实施方式中，如图2所示，显微镜物镜头108配置为可沿X和/或y轴线性平 移。例如，在一些实施方式中，换能器可以安装至物镜头108,其中换能器能够沿X和/或y轴 平移物镜108。物镜头108还可以沿z轴移动以达到在仪器的高度捕捉范围内的表面。物镜 108沿z轴的平移可能由与提供沿X和/或y轴平移相同的换能器提供。可替代地，可以使用单 独的换能器。在一般情况下，测试对象工作台和/或显微镜可以配置为沿多个自由度使测试 对象成像。优选地，工作台具有相对于显微镜的至少一个旋转自由度，并具有10°或更多的 角度范围，以改变测试对象相对于显微镜的角度取向。正如以下进一步的解释，替代的工作 台几何形状可用于不同的应用。
[0078]在能够沿多个自由度相对彼此定位的显微镜物镜和测试对象的情况下，则扫描显 微镜可用于使测试样本的多个不同表面块成像。例如，参照图1的显微镜100,在将测试对象 定位到显微镜100的视场内后，测试对象表面的第一部分（"第一表面块"）的区域形貌通过 从记录的干涉数据中获得高度图来成像。在对应于最佳聚焦位置的位置处获得表面块图 像。在下一步骤中，工作台调整该部分相对于CSI显微镜100的物镜头108的相对位置和取向 (例如，使得测试对象表面上的局部平面区域的法线平行于物镜108的光轴取向）。在下一步 骤中，显微镜测量与第一表面块不同的第二表面块的区域形貌，其中第二表面块与第一表 面块部分地重叠。重叠的量可以有所不同，并且可以包括例如两个图像的约10%-50%之间 的重叠。这个过程可以重复用于至少两个表面块，从而得到形貌图/表面块图像的库。一旦 获得了表面块图像，计算机128或其他电子处理器组合(或"拼接"）表面块成为更大的图像。 特别地，计算机128分析每个图像的形貌测量以确定并完善一组刚体参数。
[0079]刚体参数将测试对象在图像中的位置和取向关联到全局坐标系统（例如，最终拼 接的图像将被表示的坐标系统）。刚体参数的完善可以通过应用迭代地修改刚体参数的线 性或非线性拟合程序来完成，旨在最小化在子孔径图像之间的重叠区域的形貌差异。可替 代地，或作为协助上述拟合程序的中间步骤，刚体参数可以在重叠子孔径的高频内容之间 的相关性分析结果的基础上完善(相关性结果的示例如图6所示），其中相关性分析的结果 可潜在地与平面拟合程序组合。刚体参数可包括平移坐标(例如，x、y和z坐标)和/或角坐标 (例如，俯仰、偏移和滚动）。在一些实施方式中，刚体坐标包括至少四个坐标(例如，至少两 个平移坐标和至少两个角坐标）。在一些实施方式中，刚体坐标包括五个坐标(例如，三个平 移坐标和两个角坐标）。在一些实施方式中，刚体坐标包括六个坐标(例如，三个平移坐标和 三个角坐标）。具有小于6个参数全组的刚体参数组的实施方式可以依赖于工作台，以提供 在一个或多个自由度中的足够精确的运动。基于完善的刚体运动参数组，计算机128将子孔 径形貌图像组合起来以创建部分表面的最终的三维(3D)或2V 2维表面形貌图。
[0080] 原则上，假如工作台能够达到足够的平移和旋转精度，则可以融合在计算机存储 器中的数据，而不使用需要图像重叠的拼接算法。这种方法可用在测量不确定度要求较宽 松的应用中和/或其他因素限制所能达到的精度的应用中，例如，如果宏观部分上的像素尺 寸大于或等于约1〇〇微米的情况下。然而，对于要求更严格的不确定度的应用，通过适当的 工作台提供所需的坐标变得越来越困难和昂贵。对于特定的显微镜应用，像素可以小至200 纳米或更小，而几个纳米的匹配误差可造成美观问题。如果机械工作台的堆叠是要提供这 个量级的外部坐标，即使对最精确的空气轴承和编码器系统来说也是技术挑战。
[0081] 发明人观察到即使目前可用的质量最高的超抛光表面显示出高频表面纹理。因 此，如果光学轮廓仪(例如干涉显微镜)具有足够高的分辨率，则可以栓测这种高频的表面 纹理，并使用它给将多个表面视图拼接在一起提供指导，而不必依赖于工作台的超精确坐 标，甚至工作台的任何坐标。这可以通过使用计算机128或其他电子处理器以子像素精度来 完成。也就是说，计算机128识别在两个或更多个相邻的子孔径图像中的相同的高频特征， 并使用所识别的特征来确定相邻图像的适当调整(例如，平移、旋转、翻倒或倾斜），以获得 最佳的匹配而将图像拼接在一起。例如，在一些实施方式中，显微镜足够敏感以测量宽度在 1到10微米之间和表面高度在0.1到10纳米之间的特征。这样的值与在从约0.4微米到0.8微 米的可见光波长下通常被理解为光学光滑表面或抛光表面一致。通过使用测试对象的表面 的形式和高频信息来组装单独表面块，该方法可以完全自我参照，即不需要关于工作台的 定位/取向的信息。确切地，只使用从形貌图获得的信息来重建将单独的表面图保持在一起 并作为整体描述该表面的支架(scaffold)。在一些实施方式中（例如，当不依赖于非常小的 表面特征以使形貌图像互相匹配时），电子处理器仍然可以使用关于工作台定位的信息来 构建测试对象的最终表面图。
[0082] 在一些实施方式中，显微镜结合了两个或更多个的传感技术。例如，使用第一检测 技术来检测高频微结构，而用不同的检测技术来检测测试对象的表面形式、粗糙度和波纹 度。对表面粗糙度尤其敏感的传感技术的示例包括相差显微术、微分干涉显微术、相位调制 偏转和聚焦传感。除了先前提到的光学轮廓仪技术，非常适合于表面形式测量的技术包括 条纹投射显微术和红外扫描显微术。这些技术中的一些的其它技术细节可以例如在以下文 件中找到：M .Pluta 在 Advanced Light Microscopy，Vol · 2，（Elsevier，Amsterdam, War saw, 1989)中的 "Specialized Methods" ；X.Colonna De Lega的题名 "NON-CONTACT SURFACE CHARACTERIZATION USING M0UDLATED ILLUMINATION" 的美国专利申请No .2012/0140243; X.Colonna De Lega等人的题名 "INFRARED SCANNING INTERFEROMETRY APPARATUS AND METHOD"的美国专利No.6195168,它们的全部内容均通过引用并入本文。关于表面形式、粗 糙度、纹理和波纹度的信息可以在例如国际标准化组织（I S0)标准25178、4287和10110中找 到。
[0083]作为双传感器技术的示例性实施例，图8是示出了将检测微结构的双折射显微镜 1000和对整体表面形式快速测量的条纹投射显微镜组合起来的系统的示例的示意图。其 中，图8示出了两个双折射轴在附图平面中和垂直于附图平面取向的双折射透镜1010、在计 算机控制下可旋转的线性偏光镜1006、空间光调制器1050、聚焦扫描仪1020、光源1015、分 束器1060和偏振相移器1040。对于线性偏振表示了两个取向：在平面内（1071)和在平面外 (1072)。
[0084]当作为条纹投射显微镜操作时，计算机控制器1005旋转线性偏光镜1006,使得只 有具有平面内偏振1071的光束传递到相机，而具有平面外偏振1072的光束被完全屏蔽掉。 在物镜1010的聚焦扫描过程中，计算机控制器1005指令空间光调制器1050在样本1090上创 建投射条纹。样本1090的图像与这些投射条纹一起通过相机1099检测。偏振相移器1040处 于不活动状态。生成三维形式的数据采集和处理方法在X.Colonna De Lega的题为"Non-contact surface characterization using modulated illumination" 的公布的美国专 利申请2012/0140243中详细描述。这种方法允许快速形式测量，通常比CSI快，但不具有足 够高的灵敏度以在低倍镜下检测微结构。
[0085]当作为微结构成像系统操作时，计算机控制器1005旋转线性偏光镜1006以组合具 有垂直于附图（1072)和平行于附图（1071)的两个偏振的光束。相机1099因此同时观测对应 于两个不同聚焦构造的两个互相干涉的图像:一个对应于表面的精确成像(在附图平面内 偏振1071的光束)和另一个完全模糊(在正交于附图平面偏振1072的光束）。计算机控制器 1005指令偏振相移器1040调制具有正交偏振1071和1072的光束之间的相对相位，从而在相 机1099处产生调制干涉图案。数据处理例如在Tsujiuchi等人的题为"Phase-shifting common-path interferometers using double-focus lenses for surface profiling" (Proc. SPIE 1720，133-141，1992)的文章中所述般进行，该文章通过引用完整地并入本文。 [0086]如上面所指出的，可以使用其他光学传感技术。然而，相干扫描干涉(CSI)显微术 非常适合于本文所公开的光学分析过程，至少有以下原因。首先，CSI提供对平面的2V 2维测 量，这意味着没有从数据光学地移除特定的形状，如在采用球形腔的干涉仪的通常情况下 那样。第二，根据原则，CSI显微镜总是在最好的焦点测量每个表面点，这被称为CSI的自动 聚焦特性。这样，最好地解析了部分特征，这特别对于准确地捕捉高空间频率特征是重要 的。第三，CSI允许分离源于不同界面的信号，当测量透明或半透明的样本(如手机镜头)时 这是非常重要的。大多数光学技术受到来自测试下的透镜背面的反射的严重影响。通常，这 个问题只能通过用其它材料涂覆背面以阻止反射来克服。借助CSI，该问题通过对干涉信号 的恰当处理而优雅地解决，这允许在不必物理地改变被测试样本的情况下抑制背反射。此 外，与其它机械相比，同时收集来自不同界面的信息的能力是巨大的优势，因为它允许通过 透镜进行相关测量。作为示例，可以沿透镜的光轴使用CSI从一侧测量透镜的光学厚度。
[0087] 为了拼接相同表面的多个视图，在合并之前，单个图应该尽可能没有误差，使得重 叠的数据区域尽可能没有冲突。为了获得高度精确的测量，光学轮廓仪系统应当被仔细地 校准和补偿。因此，在将形貌图拼接在一起之前，应进行一个或多个校准步骤来准备数据。 在CSI的情况下，显微镜校准可以包括但不限于相对于至少以下静态误差源进行校准：
[0088] ?参考反射镜表面形式误差:这些误差可以使用标准平面(可能与平均技术一起） 来表征。首先，得到参考反射镜形貌图。然后，从所测得的检测器数据中减去参考反射镜形 貌图，从而消除来自每个CSI测量的误差。
[0089] ?畸变误差/横向校准：畸变是依赖于场的，而独立于光瞳，可以通过测量已知的 周期图案(横向校准标准)来表征，例如蚀刻矩形井的严格周期网格。从这种图案的数据，可 以计算出明显图案特征位置的场依赖横向位移，并且可以针对导致畸变自由表面块的这些 误差校正每个随后的CSI测量。随着这些计算，还确定仪器的横向校准（即在物空间中的像 素间距或系统的放大倍数）。
[0090] ?回程误差:CSI显微镜基于双光束干涉。它通常使用Mirau或Michelson干涉物镜 来使测试部分成像。当测量包括高斜率的表面块时，这些系统遭受回程误差:在非零的斜率 下，干涉违反公共路径条件。这意味着测量光束和参考光束沿不同的路径行进通过光学系 统，直到它们最后在相机上重新组合以形成干涉图案。沿着这些不同路径的光程差直接进 入到表面高度结果。因此，表征这些回程误差以及校正它们是重要的。回程误差取决于场和 斜率变量（由于表面斜率直接转换成主光线的倾斜角度）。也就是说，回程误差函数是四维 函数：
[0091] R = R(x,y,sx,sy)
[0092] 其中R代表回程误差，X和y是场坐标，sx和sy是描述表面斜率的变量。存在多种方 法可以用来描述这个四维函数（见Yue Zhou、Young Sik Ghimc和Angela Davies的"Self calibration for slope-dependent errors in optical Profilometry by using the random ball test"，Proc.of SPIE 8493卷（2012)，通过引用完整地并入本文）。一旦这个 函数是已知的，便可校正每个表面块。首先，表面数据进行数值微分以计算每个像素位置 (x，y)的sx和sy。随后，从测得的表面图中减去回程误差函数：
[0094] 在上述方程中，S(x，y)是测得的表面图，贫足,>〇是校正的表面图。仪器的更完整的 校准还考虑导致出现在横向偏移位置的表面特征的回程误差，在横向偏移位置，在两个横 向方向上的偏移幅值取决于该地的斜率和场坐标。
[0095] 图3是描绘工艺流300的流程图，工艺流用于使用光学轮廓仪如图1的CSI显微镜 100使测试对象成像并产生测试对象的三维表示。在第一步骤(302)中，工艺300包括安装测 试样本并将样本初始定位在显微镜物镜的视场内。随后，使用光学轮廓仪获得测试样本的 不同子孔径区域的多个形貌图（304)，其中相邻子孔径的形貌图互相重叠。获得不同的形貌 图需要改变测试样本相对于光学轮廓仪的相对平移和旋转。例如，用显微镜获取图像可包 括依次定向测试对象，使得测试对象表面上的位置都具有各自的基本平行于显微镜的光轴 的法线。然后计算机128获得基于工作台信息的每个高度图的初步的刚体运动参数(例如， 与每个子孔径图像关联的工作台位置坐标）（306)。计算机128还使用例如一个或多个以上 所述的校准程序进行校准高度图，以获得校正的子孔径形貌图（308)。在图3所示的示例流 程中，校准程序包括从所取得的图像中获得原始的子孔径形貌图；针对仪器特定的静误差 源补偿原始形貌图；然后在误差补偿后提供获得的校准的子孔径形貌图。使用校准的高度 图，计算机通过匹配(例如拟合)发生在相邻子孔径重叠区域中的高频微结构来完善每个子 孔径图的初步刚体运动参数组，以得到最终的刚体运动参数(310)。随后，计算机128组合校 正的子孔径图（312)。然后计算机128输出测试对象的最终表面表示如3D图（314)，例如到视 频屏蒂。
[0096] 工作台
[0097] 如参考图1的上述解释，测试对象可以安装到提供沿多个自由度的运动的工作台。 作为替代或另外，光学轮廓仪可以配置为调整物镜/传感头的位置以获得测试对象和轮廓 仪之间的相对位置。在一般情况下，可使用各种可调的工作台。例如，在一些实施例中，工作 台可以包括一组堆叠的单个工作台，每个单个工作台提供沿一个或多个自由度的运动。测 试对象的工作台可包括机动线性工作台、机动旋转工作台和/或机动竖直工作台。机动工作 台可联接到致动器，该致动器响应于由电子处理器(例如计算机128)接收的命令来驱动工 作台运动。工作台具有足够的范围以允许显微镜在整个测试对象表面上扫描。例如，作为任 何一个维度的最大尺寸，线性工作台应被配置为提供约0.1毫米至约1000毫米的扫描范围 (例如，对于微观对象约0.1毫米至约10毫米之间或对于宏观对象约10毫米至约1000毫米）。 线性平移工作台的最小增量运动可以在从约0.0002微米到约100微米的范围内（例如，至少 0.01微米、至少0.05微米、至少0.1微米、至少1微米或至少10微米）。旋转工作台也应该提供 足够的旋转使每个被绘制的表面块可以取向成其表面法线指向传感器/物镜头(例如，与物 镜的光轴对准）。例如，旋转工作台应被配置为提供10度或更多的旋转范围（例如，高达20 度、高达30度、高达45度、高达90度、高达180度或高达360度）。最小增量旋转可以在从约 0.0002度到约1度的范围内（例如，至少约0.001度、至少约0.01度或至少约0.1度）。
[0098] 在一些实施方式中，用于安装测试对象的工作台沿一个轴(如旋转）、沿两个轴(如 X轴和滚动（θζ))、三个轴(如X轴、y轴和滚动(θζ))、四个轴(如x、y、z轴和滚动（θζ))、五个轴 (如X、y、Z轴、俯仰（θχ)和滚动（Θ Ζ))或六个轴（如x、y、z轴以及俯仰、偏移和滚动（θχ、θγ、θ Ζ))定位对象。用于驱动机动工作台的致动器可以包括步进电机、直流伺服电机或压电致动 器等。借助机动工作台，工作台的运动可以是自动化的。例如，计算机128可以被编程为自动 地调整测试对象和光学轮廓仪之间的相对位置同时得到子孔径形貌图。可替代地，用户可 以输入工作台所需的位置坐标和运动到计算机128。
[0099] 在一些实施方式中，工作台是手动操作的，而不是机动工作台。然后工作台可以使 用微调螺丝和/或千分尺进行调整。
[0100] 这种技术的不同应用可需要不同的工作台几何形状。下面我们讨论对于若干应用 的一些优选的几何形状以给出可能性的印象。然而，在这部分中给出的列表是不完整的，因 为对于每个设置，堆叠工作台的顺序和解体计划可以改变，从而产生大量可能的排列。在所 有的示例中，物镜可以沿其光轴方向移动以便例如使对象到达焦点和/或执行oro扫描作为 CSI测量原理的一部分。
[0101] 在一些实施方式中，单个额外运动轴是足够的。例如，考虑由阀座(或就此而言的 许多其它密封表面)提供的环面的高分辨率测量。在这种情况下，将物镜头定位在环面的第 一开始块是足够的。然后，该环面在传感器头下旋转以获得覆盖所关注的整个表面的多个 片。
[0102] 另一个应用是杆对象的测量(例如，具有非球面截面的圆柱）。作为示例，杆对象可 能太长(沿柱轴测量)而不能一次性测量，但是部分的横截面足够小以落在光学轮廓仪的视 场和斜率捕获范围内。那么，沿一维平移轴移动该部分或传感器足以完全覆盖重叠测量部 分。
[0103] 如果杆的横截面在捕捉范围外，杆旋转、杆平移和z传感器重新定位(例如沿平行 于物镜光轴的轴线重新定位）的组合是必要的，以覆盖整个测量部分。例如，这允许测量具 有大开口角度的圆柱形透镜(快速柱面透镜）。
[0104] 用于测量旋转对称表面的几何形状的第一示例如图2所示。此应用的工作台几何 形状的替代示例如图4所示。如图4的示意图所示，光学轮廓仪传感器头400(例如显微镜物 镜)或样本工作台402可遵循路径404(虚线内的区域表示），从而传感器头400可以在旋转过 程中使测试对象的不同子孔径成像。在图4所示的示例中，样本工作台402包括多个子工作 台402a、402b，每个子工作台还可提供样本在额外方向上的平移和/或旋转。
[0105] 最一般的情况是自由曲面的情况。所有其它表面只是自由曲面的特殊情况。自由 曲面的简单示例由环形或双锥表面提供。对于该最一般的情况，具有恰当工作台的一个可 能几何形状将例如使用置于万向接头(万向节、万向架）中的传感器头，使得它可以在空间 中的每个可能方向上取向。位于下方的部分将被安装到二轴(x、y)工作台，使得传感器头可 以定位在该部分上的每个可能位置上。
[0106] 宴迭
[0107] 除了上述的校准算法，光学轮廓仪系统的电子处理器(例如计算机128的电子处理 器)使用拼接算法(见图3中的步骤312)将子孔径形貌图组合在一起。如此，处理器识别位于 相邻的子孔径形貌图的重叠区域中的表面特征(例如高频的表面特征），并确定超出工作台 所提供的知识的测试对象坐标。为此，基于测试对象的形式和纹理识别所测得的表面特征。 因此，对高度精确的工作台坐标的要求可能会显著降低。
[0108] 每个子孔径形貌图与三维空间中的位置相关联，并且通过操纵这个相关联的3D位 置可以像瓦片（tile)-样在虚拟三维空间中移动。取决于应用和手上的工作台性能，对于 每个瓦片位置，可以高达6个自由度。不同的自由度对应于不同的刚体运动参数。对于特定 的应用，可以使用小于6个自由度的运动，但在最一般的情况下，所有6个自由度将被使用， 使得每个瓦片可以在三维空间不受约束地移动。
[0109] 为了使该数学问题成为具有唯一的解决方案的一个问题，可以选择从瓦片之一 (所谓的参考瓦片)去除自由度，使该瓦片固定在空间中。所有其它瓦片可以在固定的参考 瓦片周围移动。从数据采集阶段获知的工作台坐标被用于限定所有测量的子孔径表面图的 良好的起始位置。借助适当的工作台，所有瓦片的起始位置已经很好，相当于几个像素的等 同物，并在一些情况下甚至更好。
[0110]随后，数值优化算法操控瓦片位置(例如改变与瓦片相关联的刚体运动参数)并进 行拟合以识别最好的设置。例如，该算法可以使用全局拟合，如全局优值函数。优值函数测 量相邻瓦片在重叠区域中的匹配，以确定对应于最优拟合的瓦片位置和取向。当全局优值 函数最小化时，出现最优拟合。优值函数可以依赖于例如在像素基础上有助于像素上的形 貌图的根均方(RMS)差。
[0111] 在一些实施方式中，电子处理器可以实现从一个形貌图到下一个相邻图的顺序拟 合，直到每一个形貌图都被拟合为止。例如，基于识别微结构的优化仅在相邻瓦片之间顺序 地完成，这得到描述在相邻瓦片的测试对象的相对位置和方向的中间刚体参数。随后，实行 全局优化程序，目的是找到对于瓦片的整组刚体参数，其与从顺序拟合中确定的中间组参 数最佳的可能一致。在这种情况下，全局优化只适用于中间刚体参数，并没有进一步利用有 关测试对象上的表面微结构的信息。为了确定最佳的可能一致性，优化的刚体参数组被转 化为与刚体参数中间组相同的参数空间并进行比较。
[0112] 与必须同时匹配在所有重叠区域中的微结构的全局优化程序相比，顺序拟合和随 后的全局优化程序可导致计算时间的大幅减少。这是因为在连续拟合程序被中优化的刚体 参数的总量等于自由度数D，是重叠图像区域数量N的数倍。相比之下，当对所有图像同时应 用全局优化时，要优化的参数总量更大，需要更长的处理时间。特别地，参数的数量是通过 相邻瓦片之间的重叠区域的数量和重叠区域中的像素数量的乘积确定的。
[0113] 除了RMS拟合外的拟合技术也可用于拼接形貌图，包括例如最小二乘拟合技术。
[0114] 由于可能会与非平坦表面关联的陡峭的斜率，瓦片的取向可需要在相当大的角度 范围内被操控。例如，瓦片的俯仰、偏移或滚动可以改变至少1 〇度或以上。
[0115]图5是使用瓦片位置的全局优值函数和线性或非线性优化介绍三维拼接的原理的 示意图。图5所示过程可以由任何适合的计算机系统执行，例如图1所示的光学轮廓仪的计 算机128。在图5的示例中，光学轮廓仪获得了一系列重叠子孔径形貌图502(在图5中用"表 面瓦片"标识），每一个代表测试对象表面的不同区域。中心图502a固定而计算机的电子处 理器504(用"优化器"表示)是自由的以操控其它周围的形貌图502的位置和取向（例如，通 过改变其它周围的形貌图的刚体运动参数），如对于每个图502由多个不同的平移/旋转轴 508所表示的。对于每个新的布置，重新计算基于重叠区域的各点之间的差异（图5中用椭圆 标识）的优值函数506,直到处理器识别到最小值为止。
[0116] 在全局优值函数的情况下，在识别出最小值之后，现在由计算机存储的信息包括 一组具有优化的三维位置的图，即所谓的测试的整个表面的地图表示（at las representation)。最后，地图表示可以表达成完整的三维表示，或可替代地在无论任何适 当的时候表达成测试的重新结合表面的2V2维表示。
[0117] 然后，这个表面结果可以被进一步处理，例如通过除去全局刚体运动或通过计算 测量的表面与给定的表面设计方程的偏差。这种计算出的表面偏差是表面测试和制造过程 质量控制中的许多应用的主要测量结果。其它应用可需要对完整表面数据进行数值模型的 拟合。这是例如逆向工程应用中的重要步骤。
[0118] 在特定的实施方式中，选择是否应用瓦片的线性或非线性优化是由被成像表面的 性质驱动的。例如，由顶端倾斜(tip-tile)和活塞误差所造成的子孔径图像的重叠区域中 的形貌差异可以是线性的，而由于随机性和被用作标记的微结构的高频率性质，由表面法 线周围的切向剪切或旋转造成的形貌差异可以是是高度非线性的。在一些实施方式中，如 果初始刚体参数被精确确定(例如，以小于1微米误差报告的位置），则该问题可以变成线性 的。
[0119] 图6是互相关图，表示对实际测试对象样本的拼接拟合质量，其中拼接依赖于测试 样本中的微粗糙度的识别。该示例中的测试对象非常光滑，具有0.06纳米的RMS粗糙度。此 测试样本的微粗糙度是高频特征的示例。即使在此非常光滑的部分，有足够的可分辨的结 构来确定导致两形貌图之间最佳匹配结果的横向剪切刚体参数，如通过互相关图的峰值显 示的。计算是基于两个100 X 100像素的形貌图，如互相关图右边所显示的图"测量Γ和"测 量2"。实验使用在Zygo NewView? CSI显微镜上以特殊的低噪声测量模式测量的超抛光平 面来完成。在实验中，用于获得图6的图像的仪器校准局限于对参考反射镜形式误差的补 偿。
[0120] 尽管本文公开的技术对测量具有高斜率的表面是有用的，但是测试对象的表面形 貌可包括任何平面、球面、非球面和/或包括自由曲面。在非球面的情况下，测试对象的表面 可具有至少两个位置，其各自法线形成包括大于10度、大于20度、大于30度、大于45度、大于 60度、大于75度和大于90度的角度。
[0121] 图7是可以使用本文描述的技术使示例的测试对象700成像的示意图。测试对象 700是类似于在手机相机中使用的透镜的透镜。在在示例中可以看出，对象700具有弯曲和 平坦区域，相对于彼此以基本不同角度取向。本文公开的关于三维表面轮廓化的技术可以 用来测量不同区域702之间的侧壁角度、测试对象不同位置704的厚度、表面偏差706以及不 同的表面特征708(如功能性表面特征、互锁和侧壁)之间的关系测量。
[0122] 附加的实施方式
[0123] 在一些实施方式中，用于提供光学轮廓仪和测试对象之间的相对运动的工作台包 括额外的计量器来提高精度。例如，工作台可包括光学编码器或干涉仪。作为示例，工作台 可以包括在一个或多个侧面上形成的一个或多个一维或二维的编码器光栅。基于从编码器 刻度衍射的一个或多个光束的相位信息，可以得到关于编码器刻度和因此工作台的位移的 高度精确的位置信息。
[0124] 准确测量编码器刻度的一个或多个位移方向中的变化的编码器系统可能包括:频 率稳定照明的源光束，包括两个具有不同频率的线性正交的偏振部分;光学组件，用于引导 一个或两个部分到附接至工作台的编码器刻度;光学组件，用于从编码器刻度接收衍射光 束的一个或两个部分;光学组件，用于结合和混合两个频率的部分以产生外差信号;探测器 模块，包括用于产生电测量信号的光电探测器;和相位计，用于从测量信号指示测量相位。 测得的相位与编码器刻度的衍射结构和编码器刻度沿敏感方向的位移有关。从测得的相 位，可以确定在工作台的高达完整的三维运动的变化信息（例如，翻倒、倾斜、平移、旋转）。 用于跟踪位移的编码器系统的例子在Leslie L. Deck等人的题为"INTERFEROMETRIC ENCODER SYSTEMS"的美国专利8300233中描述，通过引用完整地并入本文。
[0125] 在一些实施方式中，方法包括测量分离的表面并按尺寸将他们相互关联。例如，相 对于透明物体的背部的前部，或相对于零件的操作表面的安装表面。
[0126] 干涉成像系统可以采用其他程序以减少误差。例如，在一些实施例中，干涉成像系 统可以使用技术来降低对振动的测量的灵敏度。这样的实施方式可能在受到显着的振动的 环境中特别有益，如在制造设备中。为减少相干扫描干涉系统的振动灵敏度的技术的例子 在Leslie Deck等人题为"FIBER-BASED INTERFEROMETER SYSTEM FOR MONITORING AN IMAGING INTERFEROMETER" 的美国专利8379218 和 Jan L i e s en er 等人的题为 "INTERFEROMETRIC SYSTEMS AND METHODS FEATURING SPECTRAL ANALYSIS OF UNEVENLY SAMPLED DATA"的美国专利8120781中描述，每个通过引用完整地并入本文。
[0127] 应用
[0128] 本文所描述的技术广泛适用于不同领域的计量。例如，本文描述的技术可能包括： 执行用于紧凑型成像系统的透镜或透镜模具的缺陷检测，如用于移动电子设备的成像系统 (如手机、平板电脑、汽车）；测量非球面表面形貌;测量杆物体如圆柱和类圆柱的表面形貌； 测量花托和类花托的表面形貌;测量双锥和类双锥的表面形貌；自由曲面的一般特征;包括 具有不连续表面的对象的一般三维轮廓分析。
[0129] 在一般情况下，上述的任一计量分析方法可以使用计算机硬件或软件或两者的组 合来实现。例如，在一些实施例中，电子处理器可以是模块的一部分，可以安装在计算机和 连接到一个或多个干涉成像系统，并配置为实现干涉成像系统(例如多元探测器或传感器） 的信号的分析。分析可以根据本文描述的方法和附图在计算机程序中使用标准的编程技术 实现。将程序代码应用于输入数据来执行本文描述的功能并生成输出信息。输出信息被应 用到一个或多个输出设备如视频显示监视器。每个程序都可以在高层次的程序或面向编程 语言与计算机系统进行通信的对象实现。然而，如果需要，程序可以在组件或机器语言中实 现。在任何情况下，语言可以是编译或解释的语言。此外，程序可以在为此目的预编程的专 用集成电路运行。
[0130] 每一个这样的计算机程序优选地通过通用或专用可编程计算机存储在可读的存 储介质或设备(如光盘或磁盘），用于当计算机读取存储介质或设备来执行本文所描述的程 序时配置和操作电脑。计算机程序也可以在程序执行过程中驻存在缓存或主内存中。分析 方法也可以作为计算机可读存储介质实现，配置有计算机程序，如此配置存储介质使计算 机以特定的和预定义的方式操作，执行本文描述的功能。
[0131]已描述了若干实施例。不过，可以理解到在不脱离本发明的精神和范围的情况下 可以进行各种修改。其它实施例在权利要求的范围内。
【主权项】
1. 一种使用显微镜生成测试对象的非平坦表面的复合图像的方法，所述方法包括： 使用显微镜获取非平坦表面的不同区域的多个三维图像，其中每个图像包括与至少一 个相邻图像的重叠区域，显微镜具有足够的分辨率以对具有10微米或更小的横向尺寸和10 纳米或更小的高度的非平坦表面上的微结构进行三维成像； 对于每个图像，确定将图像中的测试对象的位置和取向关联到共同的坐标系的刚体参 数组，其中所述刚性体参数组通过匹配图像的重叠区域中的已解析微结构与相邻图像的重 叠区域中的对应微结构而确定；以及 基于刚体参数组组合多个图像以生成表面的复合图像。2. 权利要求1中所述的方法，其中所述非平坦表面包括至少两个位置，所述至少两个位 置的各自的法线形成大于20度、大于30度、大于45度或大于60度的角度。3. 权利要求1中所述的方法，其中所述刚体参数组包括至少两个平移坐标和至少两个 角坐标。4. 权利要求1中所述的方法，其中所述刚体参数组包括至少五个坐标。5. 权利要求4中所述的方法，其中所述刚体参数组包括六个坐标。6. 权利要求1中所述的方法，其中所述刚体参数组足以使所述非平坦表面的至少两个 位置的取向互相关联，其中所述至少两个位置的各自的法线形成大于10度、大于20度、大于 30度、大于45度或大于60度的角度。7. 权利要求1中所述的方法，其中所述刚体参数组包括三个正交的旋转角。8. 权利要求1中所述的方法，其中所述多个三维图像的不同区域包括至少两个位置，所 述至少两个位置的各自的法线形成大于10度、大于20度、大于30度、大于45度或大于60度的 角度。9. 权利要求8中所述的方法，其中使用所述显微镜获取所述图像包括相继地定向所述 测试对象，使得所述位置各自的法线基本上平行于所述显微镜的轴线。10. 权利要求9中所述的方法，其中所述显微镜包括配置为支撑所述测试对象并在一取 向范围上定向测量对象的安装件，该取向范围足以相继地使所述位置的法线基本上平行于 所述显微镜的轴线。11. 权利要求1中所述的方法，其中所述复合图像的面积大于所述显微镜的视场。12. 权利要求1中所述的方法，其中对于连续的图像，所述测试对象相对于所述显微镜 平移。13. 权利要求1中所述的方法，其中对于连续的图像，所述测试对象相对于所述显微镜 旋转。14. 权利要求1中所述的方法，其中所述测试对象基于所述非平坦表面的曲率旋转，以 使用所述显微镜在所述显微镜的适当用于成像的视场中定向所述非平坦表面的一部分。15. 权利要求13中所述的方法，其中，对于图像中的至少一些，所述测试对象的相对旋 转为10度或以上。16. 权利要求1中所述的方法，其中所述非平坦表面具有1纳米或更小的RMS表面粗糙 度。17. 权利要求1中所述的方法，其中所述非平坦表面是光学光滑表面。18. 权利要求1中所述的方法，其中所述测试对象是非球面透镜。19. 权利要求1中所述的方法，其中确定所述刚体参数组包括在匹配已解析微结构之前 校准所述多个三维图像。20. 权利要求19中所述的方法，其中校准所述多个三维图像包括： 使用所述显微镜获取参考反射镜的图像；以及 从每个所述三维图像中减去参考反射镜图像。21. 权利要求19中所述的方法，其中获取所述多个三维图像包括使用多元检测器检测 所述图像，并且其中校准所述多个三维图像包括： 在多元检测器处检测包括预定周期表面图案的参考样本的图像； 确定被测量的参考样本的像素图案中的误差；以及 补偿每个三维图像的像素图案中的误差。22. 权利要求19中所述的方法，其中获取所述多个三维图像包括使用多元检测器检测 所述图像，并且其中对于每个三维图像，校准所述多个三维图像包括： 对于所述三维图像的每个像素，确定沿两个正交方向的表面斜率； 对于所述三维图像的每个像素，计算对应的回程误差函数；以及 从所述三维图像中的对应像素中减去所述回程误差函数。23. 权利要求1中所述的方法，包括使用光学显微镜获取多个三维图像。24. 权利要求1中所述的方法，包括使用相干扫描干涉显微镜、相移干涉显微镜、共聚焦 显微镜、聚焦扫描显微镜、数字全息显微镜、结构照明显微镜或彩色共聚焦显微镜获取所述 多个三维图像。25. 权利要求1中所述的方法，其中获取所述多个三维图像包括使用相干扫描干涉仪获 得所述非平坦表面的各不同区域的形貌图。26. 权利要求1中所述的方法，其中获取所述多个三维图像包括使用触针测量所述非平 坦表面的各不同区域的形貌图。27. 权利要求1中所述的方法，其中确定所述刚体参数组包括在所述多个三维图像的重 叠区域中应用已解析微结构的全局匹配，以获得每个图像的被优化刚体参数组。28. 权利要求27中所述的方法，其中应用全局匹配包括在多个三维图像的重叠区域上 获得已解析微结构的最佳匹配。29. 权利要求1中所述的方法， 其中，对于一系列相邻图像对，相继地执行图像的重叠区域中的已解析微结构与相邻 图像的重叠区域中的对应微结构的匹配； 其中，对于每个相邻图像对，该匹配导致使图像对中的图像之间的测量对象的相对位 置和取向相关联的中间刚体参数组；以及 其中，确定所述刚体参数组还包括执行全局优化，以获得最佳地适配中间参数组的最 终刚体参数组。30. 权利要求1中所述的方法，其中所述复合图像是三维图像。31. -种用于生成测试对象的非平坦表面的复合图像的系统，所述系统包括： 显微镜，所述显微镜具有足以使具有10微米或更小的横向尺寸和10纳米或更小的高度 的非平坦表面上的微结构进行三维成像的分辨率； 工作台，用于相对于显微镜布置所述测试对象，工作台具有相对于显微镜的至少一个 旋转自由度，并具有10°或更多的角度范围以相对于显微镜改变所述测试对象的角度取向； 以及 与所述显微镜通信的电子处理器， 其中，在操作过程中，所述显微镜获取所述非平坦表面的不同区域的多个三维图像，其 中每个图像包括与至少一个相邻图像重叠的区域，并且针对所述测试对象相对于物镜的不 同角度取向，获取图像中的至少一些，并且所述电子处理器被编程成接收来自所述显微镜 的图像;对于每个图像，确定使所述测试对象的位置和取向关联到共同的坐标系的刚体参 数组，其中所述刚体参数组通过匹配图像的重叠区域中的已解析微结构与相邻图像的重叠 区域中的对应微结构而确定；以及基于刚体参数组组合多个图像以生成表面的复合图像。32. 权利要求31中所述的系统，其中所述刚体参数组包括至少两个平移坐标和至少两 个角坐标。33. 权利要求31中所述的系统，其中所述刚体参数组包括至少五个坐标。34. 权利要求31中所述的系统，其中所述刚体参数组包括六个坐标。35. 权利要求31中所述的系统，其中所述刚体参数组足以将所述非平坦表面的至少两 个位置的取向互相联系起来，其中所述至少两个位置的各自的法线形成大于10度、大于20 度、大于30度、大于45度或大于60度的角度。36. 权利要求35中所述的系统，其中所述显微镜配置成通过相继地定向所述测试对象 使得非平坦表面对象的各位置的各自法线基本上平行于所述显微镜的测量轴而获取所述 多个三维图像。37. 权利要求36中所述的系统，其中所述显微镜和所述工作台配置为在一取向范围上 定向测量对象，该取向范围足以相继地使所述测试对象上的位置的法线基本上平行于所述 显微镜的光轴。38. 权利要求31中所述的系统，其中所述显微镜和工作台配置为在所述多个三维图像 的连续图像之间使所述测试对象相对彼此平移。39. 权利要求38中所述的系统，其中所述工作台包括用于使所述测试对象相对于所述 显微镜平移的一个或多个致动器。40. 权利要求31中所述的系统，其中所述显微镜和工作台配置为在所述多个三维图像 的连续图像之间使所述测试对象相对彼此旋转。41. 权利要求40中所述的系统，其中所述工作台包括用于使所述测试对象相对于所述 显微镜旋转的一个或多个致动器。42. 权利要求31中所述的系统，其中所述显微镜还包括用于检测所述多个三维图像的 多元检测器，并且其中所述处理器配置为校准由所述多元检测器检测的多个三维图像。43. 权利要求31中所述的系统，其中所述显微镜是光学显微镜。44. 权利要求31中所述的系统，其中所述显微镜是CSI显微镜。45. 权利要求31中所述的系统，其中所述显微镜是PSI显微镜、共聚焦显微镜、聚焦扫描 显微镜、数字全息显微镜、结构照明显微镜或彩色共聚焦显微镜。46. 权利要求31中所述的系统，其中所述显微镜包括配置为测量所述测试对象的形貌 图的触针。47. 权利要求31中所述的系统，其中所述电子处理器被编程为在所述多个三维图像的 重叠区域上应用已解析微结构的全局匹配，以获得每个图像的被优化刚体参数组。48. 权利要求47中所述的系统，其中所述电子处理器被编程为在所述多个三维图像的 重叠区域上获得已解析微结构的最佳匹配。49. 权利要求31中所述的系统，其中所述电子处理器被编程为对于一系列相邻图像对， 相继地匹配图像的重叠区域中的已解析微观结构与相邻图像的重叠区域中的对应微结构； 其中，对于每个相邻图像对，该匹配导致使图像对中的图像之间的测量对象的相对位 置和取向相关联的中间刚体参数组；以及 其中，所述电子处理器还被编程为执行全局优化，以获得最佳地适配中间参数组的最 终刚体参数组。50. 权利要求31中所述的系统，其中所述显微镜包括配置为检测微结构的第一传感器 以及配置为检测测试对象的表面形式的第二传感器。51. 权利要求31中所述的系统，其中所述复合图像是三维图像。
【文档编号】G01B11/24GK106030241SQ201580010491
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年1月8日
【发明人】T.德雷塞尔, J.利塞纳, P.J.德格鲁特
【申请人】齐戈股份有限公司