CN111065884A - 借助于共焦传感器进行光学的表面测量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助于共焦传感器对技术表面进行光学测量的方法和设备，其中，光源(2)的光通过光学***(5、16)对准试样的待测量的表面(8)。根据本发明，所述光学***(5、16)包括电动地操控的适应性光学***(7)，其中，所述光学***(5、16)的焦点通过电信号(f(t))在Z方向上改变。使被所述试样表面(8)反射回的光转向到至少一个光电传感器(10)上，其中，借助于探测装置(11)在时间上测量所述传感器信号并且确定信号最大值的时间点。所述探测装置(11)由在所述信号最大值的时间点上的电信号推导出所述表面(8)的高度Z。

Description

借助于共焦传感器进行光学的表面测量的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种借助于共焦传感器对技术表面进行光学测量的方法，其中，至少一个光源的光通过光学***对准试样的待测量的表面。

本发明还涉及一种用于执行所述方法的共焦传感器，其具有至少一个光源，所述光源的光通过光学***对准试样的待测量的表面。

背景技术

在共焦测量技术中，光源的光通常通过共焦滤波器、光束***器和光学***聚焦在待测量的表面上。在此，在现有技术中，或者使测量台(试样位于所述测量台上)然而或者使光学***在Z方向上上下运动并且对恰好下述时刻进行评估：在所述时刻，焦点碰到待测量的表面上。通过共焦滤波器(例如孔板)将这个光引到相应的传感器上。当表面恰好位于焦点上时，传感器显示出最大的信号。由此能够确定表面的准确的Z高度。

由于要运动的质量的惯性，这种类型的方法不适合于提供较高的测量速率。

因此，在进一步开发过程中，虽然已进一步开发了扫描方法，机械部件总是还起作用的事实对这种方法也造成了限制。

在一种方法中能够省去这类机械元件，该方法是使用彩色的共焦传感器。将光源的宽带的谱(例如白色的光)通过光学***以所定义的频散(Dispersion)引到试样表面上。由于频散产生彩色的纵向像差，由此，每个“光色”能够对应于试样表面上的所定义的Z位置并且因此能够求取试样的表面结构。即，不再要求在Z方向上的机械式扫描。

在彩色的共焦传感器中常规地通过光谱仪进行试样表面的准确Z位置(即表面结构)的求取。对被试样反射的光光谱式地分析，其中，主导的波长相应于试样的Z位置。所使用的光谱仪行能够以多个kHz的数据速率读出。由此能够实现快速的彩色共焦传感器。但是，光谱仪行的读出速度在几kHz的范围内具有其极限并且不能容易地进一步提高。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是：进一步地开发开篇所提到的类型的方法，使得能够实现高的测量速率。

本发明从开篇所说明的类型的方法出发通过下述方式解决该任务：光学***包括电动地操控的适应性光学***，其中，光学***的焦点通过电信号在Z方向上改变，并且被试样表面反射回的光转向到至少一个光电传感器上，其中，在时间上测量传感器信号并且确定和评估信号最大值的时间点和强度，其中，由信号最大值的时间点上的电信号推导出表面的高度Z。

根据本发明，特别地，声光透镜、即可调整的声学梯度折射率(TAG)透镜(参见A.Mermillod-Blondin，E.McLeod和C.B.Arnold的“High-speed varifocal imaging witha Tunable Acoustic Gradient index of refraction lens”，Opt.Lett.33，Band 18，2146至2148页，2008年)适合作为适应性光学***。这样的TAG透镜由液体填充的、柱形的空腔组成，所述空腔在径向上以声能激发。这引起在液体中的周期性调制的结果，折射率相应地改变，并且透镜连续地周期性地改变其焦距，更确切地说，以kHz至MHz范围内的频率连续地周期性地改变其焦距。具有可沿着光轴快速地改变焦点位置的光学***的可实现性在以上所引用的现有技术中已说明。

然而，借助于适应性光学***进行的这种类型的高速聚焦至今没有用于借助于共焦传感器快速地测量技术表面的表面结构。

根据本发明，TAG透镜能够用在共焦传感器的光学***中，所述TAG透镜由作为腔的柱形压电体组成，所述腔以液体填充。压电体以电信号加载，紧接着，使光学***的焦点位置在Z方向上改变。为此，电信号能够由已知类型的函数发生器产生。

根据本发明普遍适用下述适应性光学***：所述适应性光学***包括至少一个调制元件，为了改变焦点，所述调制元件通过利用声光效应将电信号转化为调制元件的被光透射的材料的折射率改变。这种调制元件能够是先前所说明的类型的TAG透镜。

由于使用所说明的适应性光学***，在光学***和试样表面之间发生在Z方向上的纯光学“扫描”。落到试样表面上的光在Z区域上纵贯地聚焦并且反射回并且在最简单的情况下落到作为光电传感器的快速光电二极管上，借助所述快速光电二极管求取信号最大值，其中，适应性光学***在Z方向上的焦点位置的时间依赖性方面与所使用的电子探测装置同步，使得由电信号(适应性光学***操控所述电信号)在时间上的变化曲线确定在信号最大值中的焦点位置并且由此推断出试样的高度Z。

电信号可以是1kHz至10MHz、优选10kHz至1MHz、特别优选50kHz至200kHz的范围内的高频率交变电压，以所述交变电压加载声光透镜。焦点位置在Z方向上周期性地在最大值和最小值之间相应地快速改变。因此，试样表面的每个点的测量时间为少于1微秒。

光电传感器能够构造为点传感器。然而根据本发明也设置：光源的光***为多个子光束，并且多通道的传感器、例如光电二极管的(行状的或者矩阵状的)阵列用作探测器。

同样能够使用多个光源，其中，借助于相应的多通道光电传感器并行地探测光源反射回的单光束。

通过这种方式的并行化能够使试样表面结构的检测进一步加速，其方式是，单光束同时扫描试样表面上的多个相互间隔开的点。

在调制元件的孔径足够的情况下，在用多个子光束或者单光束进行并行测量时，唯一的调制元件(例如唯一的TAG透镜)也可以是足够的。替代地，子光束或者单光束中每一个能够对应于(例如呈多个并排地布置的TAG透镜形式的)单独的调制元件。

在根据本发明的方法的一个可能的构型中，为了分析光电传感器在时间上可变的信号而使用的探测装置具有极值值存储器，所述极值值存储器跟随在时间上可变的信号分别直至达到信号的极值，其中，在达到极值时分别生成峰值指示器信号，根据所述峰值指示器信号确定极值的时间点并且根据所述峰值指示器信号又确定对应于信号最大值的、在Z方向上的焦点位置。如果信号的时间变化曲线具有多个(局部)极值，则(绝对的)信号最大值对应于在焦点位置的变化周期期间最后产生的峰值指示器信号。借助这种方法能够探测多个(局部)信号最大值，例如用于以根据本发明的方法求取试样表面的涂层的层厚度分布。

本发明从开篇所说明的类型的共焦传感器出发由此解决上述的任务：光学***包括电操控的适应性光学***，其中，通过函数发生器的电信号使光学***的焦点在Z方向上改变，并且被试样表面反射回的光转向到至少一个光电传感器上，其中，借助于探测装置在时间上测量传感器信号并且确定信号最大值的时间点，其中，探测装置设计用于由在信号最大值的时间点上的电信号推导出表面的高度Z。

光源的光在穿过共焦滤波器(孔板/“针孔，Pinhole”)之后例如通过半透性的反光镜或者光束***器立方体对准光学***。由光学***反射回的光通过半透性的反光镜到达光电传感器上，其中，由于连接在传感器上游的另外的共焦滤波器仅允许对于测量是重要的光通过。借助这样的布置，当光源的光基于适应性光学***的瞬时焦点位置聚焦到试样的表面上时，在传感器上的光变得最大。在焦点位置周期性地改变的情况下，传感器信号表现出典型的信号峰值(共焦峰值)。在焦点位置(所述焦点位置对应于在相关时间点上的电信号)已知的情况下，由该信号最大值的出现的时间点能够确定在相应测量位置上的试样的高度。

一种可能性在于，纤维光学地集成地实施这种设备。在此，光源、光电传感器和光学***通过光纤相互连接。

对于本发明特别有利的是，将激光器用作光源。但是，各种其它的光源也是基本上适用于所述方法的。为了提高测量准确性，应使用在光谱上尽可能窄带的光源，以使基于光学***的不可避免的彩色像差的测量误差最小化。

在使用以上所说明的TAG透镜时能够实现极高的测量速率。必要时，达到每秒和每测量通道多于100000个(3D)测量点。在表面结构的测量期间，使要检查的试样相对于共焦传感器在X/Y方向上(也就是说，横向于对准试样表面的光束的方向)相对于光学***运动，从而在此网栅状地扫描表面。已知类型的X/Y调整设备能够用于所述运动。同样能够使用能操控的偏转设备用于使对准试样表面的光束偏转，以此方式网栅状地扫描试样表面。从现有技术已知例如与可运动的反光镜一起工作的合适的偏转设备。

为了能够相应快速地评估极高的测量数据速率和与之相联系的信号，优选使用以上所说明的类型的探测装置，所述探测装置以电子方式分析传感器信号，其中，探测装置具有极值值存储器，所述极值值存储器跟随在时间上可变的信号分别直至达到信号的极值，其中，在达到极值时分别生成峰值指示器信号，根据所述峰值指示器信号确定极值的时间点并且根据所述峰值指示器信号又确定光学***对应于信号最大值的瞬时焦点位置。在专利申请DE 10 2016 100 261中说明了探测装置在信号最大值的确定中的作用原理，全面地参照该专利申请。

多个信号评估能够同时并行地执行，并且能够多通道地探测相应的时间信号和多通道地评估所测量的最大值。

可达到的高测量速率给共焦的测量技术开辟新的使用领域。在生产过程中实现表面检查，在所述表面检查中，试样以高的进给速度运动(例如，板的碾压、薄膜的拉延)。

如在测量技术的常规使用中那样，只要薄膜上侧和下侧/层上侧和下侧位于传感器的测量区域中，也能够借助根据本发明的快速实施方案检验薄的、透明的试样或者透明的涂层的厚度。在这种情况下，在试样上被反射的光在两个不同的焦点位置处变得最大。能够由焦点位置的空间间距推断出层厚度。

自然不是完全列举使用领域。

附图说明

接下来，根据附图更详尽地解释本发明的实施例。附图示出：

图1根据本发明的传感器布置的示意性示图。

图2在基于光纤的实施方案中的根据本发明的传感器布置的示意性示图。

具体实施方式

在图1中示出共焦传感器并且共同地设有附图标记1。这种共焦传感器1的重要组成部分一方面为光源、优选为设有附图标记2的合适的激光器。激光器2将它的光通过共焦滤波器(针孔)3经由光束***器4(在当前的实施例中，所述光束***器为半透性反光镜)发送到光学***5上，所述光学***由物镜6和TAG透镜7组成。借助由函数发生器18产生的电信号f(t)加载TAG透镜。这引起：在TAG透镜7的被光透射的材料中，由于声光效应，折射指数n相应于电信号的径向变化曲线是时间的函数。因此，光相应于信号f(t)在Z方向上在不同高度上聚焦并且对准所画出的试样8。焦点位置优选周期性地在z_min和z_max之间改变，从而能够以快速的顺序在Z方向上扫描焦点。替代地，仅仅借助于TAG透镜7的直接聚焦也是可行的，也就是说没有物镜6。

光被表面反射回，通过光学***5、半透性反光镜4通过另外的共焦滤波器(针孔)9引到光电传感器10(所述光电传感器能够是单个的光电二极管)上，借助于探测装置11在时间上检测和评估所述光电传感器的所测量的信号I(t)。产生如在11中所示出的强度分布。

根据电信号f(t)，借助于探测装置11求取在Z方向上的恰好这样的焦点位置：所述焦点位置属于强度曲线的信号最大值。由此得出试样表面的高度。为了提高准确性和改进直线性，能够附加地校准电信号f(t)和焦点位置之间的相互关系。

图2示出根据本发明的传感器布置的基于光纤的变型12。彼此相应的部件用与图1中相同的附图标记表示。光源2在其输出端上通过光纤13与光纤耦合器14连接。该光纤耦合器在它那方面通过另外的光纤区段15耦合到包括呈TAG透镜7形式的适应性光学***和物镜6的测量头16上。光纤耦合器14通过另外的光纤区段17耦合到光电传感器10上，所述光电传感器因此接收试样8上的被反射的光。未示出必需的脱耦和耦合光学***，其用于将光从光纤区段15中脱耦或者用于将光耦合到光纤区段15中。

Claims (21)

1.一种借助于共焦传感器对技术表面进行光学测量的方法，其中，至少一个光源的光通过光学***对准试样的待测量的表面，其特征在于，

所述光学***包括电操控的适应性光学***，其中，所述光学***的焦点通过电信号在Z方向上改变，并且被试样表面反射回的光转向到至少一个光电传感器上，其中，在时间上测量所述传感器信号并且确定和评估信号最大值的时间点和强度，其中，由在所述信号最大值的时间点上的电信号推导出所述表面的高度Z。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述适应性光学***包括至少一个调制元件，为了改变焦点，所述调制元件通过利用声光效应将所述电信号转化为所述调制元件的被光透射的材料的折射率改变。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调制元件包括声光透镜，其中，所述电信号为1kHz至10MHz、优选10kHz至1MHz、特别优选50kHz至200kHz的范围内的高频率交变电压，以所述交变电压加载所述声光透镜。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述声光透镜为TAG透镜。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述光源的光被***为多个子光束，其中，借助于多通道的光电传感器并行地探测反射回的子光束。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，使用多个光源，其中，借助于多通道的光电传感器并行地探测所述光源的反射回的单光束。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述子光束或者单光束中的每一个分别对应于一调制元件。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述信号最大值，借助于探测装置以电子方式分析所述光电传感器的在时间上可变的信号，其中，所述探测装置具有极值值存储器，所述极值值存储器跟随所述在时间上可变的信号分别直至达到所述信号的极值，其中，在达到所述极值时分别生成峰值指示器信号，根据所述峰值指示器信号确定所述极值的时间点并且根据所述峰值指示器信号又确定对应于所述信号最大值的在Z方向上的焦点位置。

9.一种用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法的共焦传感器，所述共焦传感器具有至少一个光源(2)，所述光源的光通过光学***(5、16)对准试样(8)的待测量的表面，其特征在于，

所述光学***(5、16)包括电动地操控的适应性光学***(7)，其中，所述光学***(5、16)的焦点通过函数发生器(18)的电信号(f(t))在Z方向上改变，并且被所述试样表面(8)反射回的光转向到至少一个光电传感器(10)上，其中，所述传感器信号借助于探测装置(11)在时间上被测量并且确定信号最大值的时间点，其中，所述探测装置(11)设计用于由所述信号最大值的时间点上的电信号推导出所述表面(5)的高度Z。

10.根据权利要求9所述的共焦传感器，其特征在于，所述光电传感器(10)为光电二极管。

11.根据权利要求9或10所述的共焦传感器，其特征在于，借助于光束***器将所述光源(2)的光***为多个子光束，其中，借助于多通道的光电传感器(10)并行地探测反射回的子光束。

12.根据权利要求9或10所述的共焦传感器，其特征在于，设置有多个光源(2)，其中，借助于多通道的光电传感器(10)并行地探测所述光源(2)的反射回的单光束。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的共焦传感器，其特征在于，所述光源(2)的光通过光束***器(4)对准所述光学***(5、16)。

14.根据权利要求13所述的共焦传感器，其特征在于，所述光束***器(4)为半透性的反光镜或者光束***器立方体。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的共焦传感器，其特征在于，在所述光电传感器(10)上游连接共焦滤波器(9)和/或在所述光源(2)下游连接共焦滤波器(3)。

16.根据权利要求9至15中任一项所述的共焦传感器，其特征在于，所述光源(2)、所述光电传感器(10)和所述光学***(16)由纤维耦合器(14)通过光纤(13、15、17)相互连接。

17.根据权利要求9至16中任一项所述的共焦传感器，其特征在于，所述光源(2)为激光器。

18.根据权利要求9至17中任一项所述的共焦传感器，其特征在于，所述适应性光学***(7)包括至少一个调制元件，为了改变所述焦点，所述调制元件通过利用声光效应将所述电信号(f(t))转化为所述调制元件的被光透射的材料的折射率改变。

19.根据权利要求18所述的共焦传感器，其特征在于，所述调制元件包括声光透镜，其中，所述函数发生器(18)的电信号为1kHz至10MHz、优选10kHz至1MHz、特别优选50kHz至200kHz的范围内的高频率交变电压。

20.根据权利要求19所述的共焦传感器，其特征在于，所述声光透镜为TAG透镜。

21.根据权利要求11或12和根据权利要求18至20中任一项所述的共焦传感器，其特征在于，所述子光束或者单光束中的每一个对应于一调制元件。

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