CN109791040A - 用于借助彩色共焦传感器进行光学表面测量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于彩色共焦传感器对技术表面进行光学测量的方法和装置，其中，来自光源(2)的光借助于具有限定的色差的光学***(4，14)被引导到待测量的样品的表面(5)。根据本发明，光源(2)可以在待发射的波长方面被调谐。从样品表面(5)反射回来的光被引导到至少一个光电传感器(7)，其中，借助于检测***(8)随时间测量传感器信号，并确定信号最大值的时刻。检测***(8)从光源(2)在信号最大值时的波长得出表面(5)的高度Z。

Description

用于借助彩色共焦传感器进行光学表面测量的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于借助于彩色共焦传感器对技术表面进行光学测量的方法，其中，来自至少一个光源的光经由具有限定的色差的光学***被引导到待测量的样品的表面。
此外，本发明还涉及一种用于执行该方法的彩色共焦传感器，所述彩色共焦传感器具有至少一个光源，来自所述光源的光经由具有限定的色差的光学***被引导到待测量的样品的表面。
背景技术
在共焦测量技术中，来自光源的光通常经由共焦滤光器、分束器和透镜聚焦在待测量的表面上。在过去，这涉及使样品所在的测量台或者透镜沿Z方向上下移动，并评估焦点到达待测量的表面时的精确时刻。该光经由共焦滤光器(例如针孔孔口)传递到适当的传感器。当表面精确对焦时，传感器显示最大信号。这使得能够确定表面的精确的Z高度。
由于待移动的质量的惯性，该方法的这种版本不能提供更高的测量速率。
因此，随着发展的进展，虽然扫描方法已经进一步发展，但仍然涉及机械部件的事实意味着这些方法也有其局限性。
一种不需要这些机械元件的方法是使用彩色共焦传感器。光源(例如白光)的宽带光谱经由具有限定的色散的光学***传递到样品表面。由于色散，获得了纵向色差，借助于所述纵向色差可以将样品表面上的限定的Z位置分配给每种“光的颜色”，从而可以确定样品形貌。因此不再需要沿Z方向进行机械扫描。
在彩色共焦传感器中，样品表面的正确Z位置、即形貌传统上是借助于光谱仪确定的。样品反射的光被光谱分析，主波长对应于样品的Z位置。所使用的光谱仪线可以以若干kHz的数据速率读取，从而可以制作快速的彩色共焦传感器。然而，光谱仪线的读出速度在若干kHz的范围内达到其极限并且不容易提高。
发明内容
因此，本发明的目的在于发展一种上述类型的方法，使得可以实现非常高的测量速率。
本发明从上述类型的方法出发，借助于以下事实实现了该目的：光源在待发射的波长方面被调谐，从样品表面反射回来的光被引导到至少一个光电传感器，其中，随时间测量传感器信号并且确定和评估信号最大值的时刻和强度，其中，表面的高度Z从光源在信号最大值时的波长得出。
借助于改变用作光源的“扫频光源”的波长与具有限定的色差的光学***的组合，在光学***与样品表面之间沿Z方向进行纯光学“扫描”。落在样品表面上的光通过Z区域聚焦并反射回来，并且在最简单的情况下，落在作为光电传感器的快速光电二极管上，所述光电传感器用于确定信号最大值，其中，可调谐光源与所使用的检测***在波长的时间依赖性方面同步，使得信号最大值中的反射光的波长由信号曲线的基于时间的线确定，从而可以得出样品的高度Z。
光电传感器可以采用点传感器的形式。然而，根据本发明，还使来自光源的光被分成多个射束，多通道传感器例如光电二极管的(线性或矩阵)阵列被用作检测器。
同样地，可以使用多个光源，其中，借助于适当的多通道光电传感器并行地检测来自光源的被反射回来的各个光束。
这种类型的并行化使得能够通过各个光束同时扫描样品表面上彼此间隔开的多个点的事实来进一步加速样品形貌的检测。
在根据本发明的方法的一个可能实施例中，用于分析光电传感器的时变信号的检测***具有极值存储器，所述极值存储器监测所述时变信号，直到分别达到所述信号的极值为止，在达到该极值时分别生成峰值指示信号，借助于所述峰值指示信号确定极值的时刻并且借助于所述极值的时刻进而确定光源的与信号最大值相关联的波长。如果信号的基于时间的线具有多个(局部)极值，则(绝对)信号最大值应该与光源的调谐周期期间的最近生成的峰值指示信号相关联。使用这种方法也可以检测多个(局部)信号最大值，以例如使用根据本发明的方法确定样品表面上的涂层的层厚分布。
上述目的是通过本发明，从上述类型的彩色共焦传感器开始，通过以下事实实现的：光源可以在待发射的波长方面被调谐并且从样品表面反射回来的光被引导到至少一个光电传感器，其中，借助于检测***随时间测量传感器信号，并且确定信号最大值的时刻，其中，检测***构造成能够从光源在信号最大值的时刻时的波长得出表面的高度Z。
来自光源的光例如经由作为分束器的半透明反射镜或分束立方体被引导到具有限定的色差的光学***。反射回来的光通过光学***经过半透明反射镜传递到光电传感器，只允许对于测量而言必需的光通过位于传感器上游的共焦滤光器(针孔)。使用这种布置，当光源发射由于透镜的纵向像差而聚焦在样品表面上的波长时，传感器上的光处于其最大值。当采用周期性光谱调谐的光源时，传感器信号显示典型的信号峰值(共焦峰值)。如果已知透镜的波长和光谱特性，则可以从该信号最大值出现的时刻确定样品在相应测量位置处的高度。
另一种可能方案在于使用光纤以集成方式设计装置。在这种情况下，光源、光电传感器和光学***使用光纤连接在一起。
对于本发明而言特别有利地，采用激光器作为光源。这些波长可调谐的扫描激光源(例如来自OptoRes的FDML-1310)在带宽大于100nm下提供高达1.5MHz的扫描速率。然而，任何其它波长可调谐光源原则上都适用于该方法。
这些扫频光源已经特别是用于光学相干断层扫描(OCT：Optical CoherenceTomography)的医疗领域，例如从文章“使用MEMS扫描镜的手持式超高速扫频光源光学相干断层扫描仪”Chen D.Lu，Martin F.Kraus，Benjamin Potsaid，Jonathan J.Liu，WooJhonChoi，Vijaysekhar Jayaraman，Alex E.Cable，Joachim Hornegger，Jay S.Duker和JamesG.Fujimoto，BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS293,20.12.2013可以看出。
当如上所述的扫频激光器与彩色共焦传感器结合使用时，可以实现极高的测量速率。每个测量通道每秒达到超过1,000,000个(3D)测量点。在形貌测量期间，被研究的样品相对于光学***在X/Y方向上移动，即横向于指向样品表面的光束的方向移动，从而以光栅图案扫描该表面。对于该运动，可以使用本身已知的类型的X/Y定位装置。
为了相应地快速评估这种极高速率测量的数据和相关信号，优选使用上述类型的检测***，所述检测***以电子方法分析传感器信号，其中，所述检测***具有极值存储器，所述极值存储器监测时变信号，直到分别达到该信号的极值为止，在达到极值时分别生成峰值指示信号，借助于所述峰值指示信号，确定极值的时刻并借助于所述极值的时刻进而确定光源的与信号最大值相关联的波长。在专利申请DE10 2016 100 261.6中描述了检测***在确定信号最大值中起作用的方式，该专利申请被全文引用。
因此，可以并行地同时执行多个信号评估，并且可以以多通道方式检测相应的时间信号，并且以多通道方式评估检测到的最大值。
可实现的高测量速率为共焦色度测量技术开辟了新的应用领域。例如，在以高进给速度(金属板的轧制、薄膜的拉伸)移动样品的制造过程中，表面检查成为可能。
与测量技术的常规使用一样，根据本发明的快速版本也可以用于检查薄的透明样品或透明涂层的厚度，条件是膜/层的顶部和底部在传感器的测量范围内。在这种情况下，样品处反射的光在两个不同波长处显示最大值。可以从光最大值之间的光谱距离推得出层厚。
当然，应用领域的列举并非详尽无遗。
附图说明
下面参考附图更详细地解释本发明的示例性实施例。这些附图显示如下：
图1：呈自由光束式配置的根据本发明的传感器装置的示意图；
图2：呈基于光纤的配置的根据本发明的传感器装置的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有通用附图标记1的彩色共焦传感器。该彩色共焦传感器1的基本部件一方面是具有附图标记2的可调谐光源、优选为合适的激光器(扫频激光源)。可调谐激光器2发射其具有可变波长的光通过共焦滤光器(针孔)6经由在本示例中是半透明反射镜的分束器3到光学***4，所述光学***4包括具有限定的纵向色差的透镜。根据波长，光在Z方向上聚焦在不同的高度处，并且被引导到仅指示性的样品5。优选地，光源的波长是周期性地变化的，从而能够快速顺序地沿Z方向扫描焦点。
当调谐激光时，特定波长的光聚焦在样品的表面上。光从表面反射回来通过光学***4、半透明反射镜3并穿过另外的共焦滤光器(针孔)6到达光电传感器7，所述光电传感器7可以是单独的光电二极管，光电传感器7的测量信号(I(t))随着时间的推移给出如8所示的强度分布。
激光器2与分析光电传感器7的传感器信号的检测***8同步，如附图标记9所示，使得检测到的信号最大值可以分别与激光器2的在该时刻的相应波长相关联。由于激光器2与检测***8之间同步，确定了属于强度曲线的信号最大值的精确波长(λF)。如果焦点在彩色透镜前的位置作为波长的函数已知，则这给出了样品表面的高度。为了提高准确度并改善线性度，还可以标定波长与焦距之间的传递函数。
图2示出了根据本发明的传感器装置的基于光纤的变体10。彼此对应的部件用与图1中相同的附图标记标注。可调谐光源2在其出口处经由光纤11连接到光纤耦合器13。所述光纤耦合器13又经由另外的光纤段11耦合到包括具有限定的色差的透镜的测量头14。经由另外的光纤段11，光纤耦合器13连接到光电传感器7，所述光电传感器7由此接收样品5处反射的光。

Claims (14)

1.一种用于借助于彩色共焦传感器对技术表面进行光学测量的方法，其中，来自至少一个光源的光经由具有限定的色差的光学***被引导到待测量的样品的表面，
其特征在于，光源在待发射的波长方面被调谐，从样品表面反射回来的光被引导到至少一个光电传感器，其中，随时间测量传感器信号并且确定和评估信号最大值的时刻和强度，其中，表面的高度Z由光源在信号最大值时的波长得出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，来自光源的光被分成多个射束，其中，借助于多通道光电传感器并行地检测被反射回来的射束。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用多个光源，其中，借助于多通道光电传感器并行地检测光源的被反射回来的各个光束。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，借助于检测***以电子方法分析光电传感器的时变信号以确定信号最大值，其中，所述检测***具有极值存储器，所述极值存储器监测所述时变信号，直到分别达到信号的极值为止，在达到极值时分别生成峰值指示信号，借助于所述峰值指示信号确定极值的时刻并借助于所述极值的时刻进而确定光源的与信号最大值相关联的波长。
5.一种用于执行根据权利要求1-4中任一项所述的方法的彩色共焦传感器，所述彩色共焦传感器具有至少一个光源(2)，来自所述光源的光经由具有限定的色差的光学***(4，14)被引导到待测量的样品(5)的表面，
其特征在于，光源(2)能够在待发射的波长方面被调谐，从样品表面(5)反射回来的光被引导到至少一个光电传感器(7)，其中，借助于检测***(8)随时间测量传感器信号，并确定信号最大值的时刻，其中，检测***(8)构造成能够由光源(2)在信号最大值时的波长得出表面(5)的高度Z。
6.根据权利要求5所述的彩色共焦传感器，其特征在于，所述光电传感器(7)是光电二极管。
7.根据权利要求5或6所述的彩色共焦传感器，其特征在于，来自光源(2)的光借助于分束器被分成多个射束，其中，借助于多通道光电传感器(7)并行地检测被反射回来的射束。
8.根据权利要求5或6所述的彩色共焦传感器，其特征在于，提供多个光源(2)，其中，借助于多通道光电传感器(7)并行地检测来自光源(2)的被反射回来的各个光束。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的彩色共焦传感器，其特征在于，来自光源(2)的光经由分束器(3)被引导到具有限定的色差的光学***(4，14)。
10.根据权利要求9所述的彩色共焦传感器，其特征在于，所述分束器(3)是半透明反射镜。
11.根据权利要求9所述的彩色共焦传感器，其特征在于，所述分束器(3)是分束立方体。
12.根据权利要求5-11中任一项所述的彩色共焦传感器，其特征在于，共焦滤光器(6)位于光电传感器(7)的上游和/或共焦滤光器(6)位于光源(2)的下游。
13.根据权利要求5-12中任一项所述的彩色共焦传感器，其特征在于，光源(2)、光电传感器(7)和光学***(14)经由光纤(11)通过光纤耦合器(13)彼此连接。
14.根据权利要求5-13中任一项所述的彩色共焦传感器，其特征在于，光源(2)是激光器。
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