通過校準(zhǔn)測量頭的方向來獲得表面形貌的光學(xué)測量方法以及具有測量頭的測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于獲得被測物體的表面形貌的光學(xué)測量方法。為此，提供一種 測量裝置，所述測量裝置具有位于測量頭導(dǎo)向裝置上的測量頭，以獲得表面形貌。
【背景技術(shù)】
[0002] 從公開DE10 2008 041 062Al中得知一種用于測量表面的測量裝置。已知的測 量裝置產(chǎn)生測量光束，測量光束在穿過三個(gè)分開的聚焦光學(xué)元件之后入射到物體的表面， 被物體反射，然后與干涉迭加的參考光一起被空間分辨光探測器檢測。
[0003] 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，已知的測量裝置具有包括至少三個(gè)分開的聚焦光學(xué)元件的光 學(xué)組件。這些分開的聚焦光學(xué)元件的主軸相對于彼此偏移，并且并排排列。此外，已知的測 量裝置具有設(shè)置在測量光束的光路上的分束器。此外，已知的裝置設(shè)置有參考面和空間分 辨光探測器。
[0004] 光源、分束器和光學(xué)元件相對于彼此被設(shè)置為使得：測量光由光源發(fā)出，穿過聚焦 光學(xué)元件、入射到表面并由表面反射，然后經(jīng)由聚焦光學(xué)元件進(jìn)入到探測器。此外，已知的 測量裝置具有估計(jì)系統(tǒng)，用于從空間分辨光探測器接收圖像數(shù)據(jù)，并輸出表示表面的表面 形狀的測量數(shù)據(jù)。為此，獲得表示表面的位置與聚焦光學(xué)元件的位置之間的距離的距離值。 估計(jì)系統(tǒng)從這些距離值中生成表示表面的表面形狀的參數(shù)。
[0005] 此外，上面的公開披露了一種用于測量物體的表面的方法，具體地，所述方法包括 下列步驟。首先，產(chǎn)生測量光。由該測量光形成第一部分的測量光的三束子會(huì)聚光，以照亮 物體的表面的三個(gè)彼此相距一定距離的區(qū)域。反射光或由表面反射的光的三束子光束與第 二部分的測量光一起被引導(dǎo)朝向空間分辨探測器，以產(chǎn)生干涉。最后，由用于檢測光強(qiáng)度的 探測器分析這些干涉光，從而通過相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)來表示表面的表面形狀。
[0006] 已知裝置的缺點(diǎn)是：由于已知裝置的光學(xué)元件分開排列并且并排設(shè)置，所以已知 裝置需要相當(dāng)大的空間。另一缺點(diǎn)在于：在已知的實(shí)施例中，沒有采取措施來考慮以任何方 式對被測物體進(jìn)行估計(jì)期間或相應(yīng)地校正測量結(jié)果時(shí)所帶來的系統(tǒng)測量誤差、絕對距離值 的長期變化或參考路徑的偏差。結(jié)果，已知的測量裝置無法提供可靠的數(shù)據(jù)，尤其是納米量 級的數(shù)據(jù)，以獲得這種尺寸的表面形貌。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在本文中，光譜共焦測距技術(shù)被理解為指利用透鏡使不同波長的光具有不同的焦 點(diǎn)的效應(yīng)的方法。光譜共焦測距利用光學(xué)成像系統(tǒng)中的寬光譜光的色散來確定從反射表面 到測量頭的距離。通常采用第一針孔光圈或光纖端面形式的寬光譜點(diǎn)光源通過光學(xué)成像系 統(tǒng)聚焦到物體上。這里，從焦點(diǎn)到成像系統(tǒng)的距離是明確的、永久定義的波長的函數(shù)。反射 光通過相同的成像系統(tǒng)再次成像，并且通過照明光路被解耦并投射到位于分束器的鏡像點(diǎn) 處的針孔光圈上。可選地，反射光可被直接返回到第一針孔光圈中，然后被解耦。針孔光圈 后面的探測器確定反射光的主波長。根據(jù)已知的各個(gè)波長的焦距，可直接利用主波長直接 確定物距。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是不存在運(yùn)動(dòng)的元件。
[0008] 在優(yōu)選的實(shí)施例中，來自光源的光耦合到光纖中，穿過光纖耦合器，并在光纖端面 從測量頭出射。從被測物體返回的光再次進(jìn)入光纖端面中，并朝向光纖耦合器處的檢測器 行進(jìn)。這里，光纖端面形成用于照射物體的光點(diǎn)以及用于過濾測量光的針孔光圈兩者。
[0009] 光學(xué)相干斷層掃面（OCT)是一種檢查方法，在所述方法中，在干涉儀的幫助下利 用寬光譜光來測量物體之間的距離。在該方法中，通過點(diǎn)掃描來檢查物體。具有已知光程長 度的臂用作測量臂的參考臂。兩個(gè)臂的部分波的干涉形成圖案，從所述圖案中可讀出兩個(gè) 臂的光程長度之間的差異。兩種干涉測量和估計(jì)方法分為："時(shí)域"〇CT和"頻域"0CT。它 們一方面涉及到時(shí)域（TD)信號，另一方面涉及到頻域（FD)信號。簡單地說，這意味著在不 考慮光譜的情況下改變頻率臂的長度然后連續(xù)測量干涉強(qiáng)度（時(shí)域），或者獲得各個(gè)光譜 分量的干涉（頻域）。
[0010] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于獲得被測物體的表面形貌的光學(xué)測量方法，通 過使用所述光學(xué)測量方法可以將測量精度提高到納米量級，并且，為此可以創(chuàng)造一種合適 的測量裝置。
[0011] 利用獨(dú)立權(quán)利要求的主題實(shí)現(xiàn)這一目的。在從屬權(quán)利要求中具體說明了優(yōu)選的實(shí) 施例。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于獲得被測物體的表面形貌的光學(xué)測量方法 (尤其是納米量級的光學(xué)測量方法）。為此，提供一種測量裝置，具有位于測量頭導(dǎo)向裝置 上的測量頭，用于表面形貌的光譜共焦獲得，或用于獲得表面形貌的距離的光譜干涉OCT 獲得。
[0013] 首先，來自光源的寬光譜光從具有用于i個(gè)測量通道的i個(gè)光纖的光纖陣列通過 共用測量光學(xué)鏡片被導(dǎo)向至被測物體，i個(gè)測量光斑形成光斑陣列。隨后，獲得i個(gè)測量通 道的i個(gè)反射光譜并進(jìn)行數(shù)字化。接著，分別估計(jì)每個(gè)測量通道的反射光譜，并確定距離 值。接著，將全部的不同測量通道的距離值以及時(shí)間結(jié)合估計(jì)，從而消除系統(tǒng)測量誤差中的 時(shí)間偏差以及與時(shí)間相關(guān)的偏差運(yùn)動(dòng)。
[0014] 這種測量方法的優(yōu)點(diǎn)在于：針對系統(tǒng)測量誤差中的時(shí)間偏差以及測量頭導(dǎo)向裝置 的與時(shí)間相關(guān)的偏差運(yùn)動(dòng)，檢查指示局部表面形貌的測量值，從而能夠從包含測量誤差和 測量頭導(dǎo)向裝置的偏差運(yùn)動(dòng)的實(shí)際數(shù)據(jù)中分離出真實(shí)的表面形貌。
[0015] 這需要多個(gè)估計(jì)步驟，分別需要：在時(shí)間t(j)獲得i個(gè)測量通道的幾何距離值。 還要在時(shí)間t(j)獲得被測物體表面上的i個(gè)測量光斑的三維位置值。還要獲得被測物體 表面相對于測量頭的局部傾斜度。接下來，基于所獲得的傾斜度校正系統(tǒng)測量誤差中的時(shí) 間偏差。這一步驟是在生成i個(gè)測量通道的局部形貌之后進(jìn)行的。
[0016] 最后，局部形貌被進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)通過從具有納米量級的測量值分辨率的真實(shí)/ 實(shí)際的表面形貌中將測量頭的不一致位置和方向和/或由于測量頭導(dǎo)向裝置所導(dǎo)致的各 個(gè)測量通道中的測量光的掃描線分離出來，來分離測量頭導(dǎo)向裝置的與時(shí)間相關(guān)的偏差運(yùn) 動(dòng)。最后，輸出調(diào)整后的表面形貌以及測量頭的測量頭導(dǎo)向裝置的真實(shí)軌跡和方向。通過 對比不同的掃描值，來確定這些估計(jì)步驟。
[0017] 通?？梢园凑詹煌臅r(shí)鐘速度來掃描，或者沿著以不同的間距布置在掃描方向上 的測量光斑所在的線來掃描，從而避免由于欠掃描導(dǎo)致的偽影。
[0018] 用于確定被測物體表面相對于測量頭的局部傾斜度的另一技術(shù)是：借助三個(gè)測量 光斑，優(yōu)選地，這三個(gè)測量光斑按照等腰三角形布置在被測物體表面。這里，可以從三角形 中的距離值來確定表示局部傾斜度的三角形的法向矢量，例如，可以確定測量頭導(dǎo)向裝置 的傾斜度誤差并利用估計(jì)表格來消除所述傾斜度誤差。
[0019] 用于校正測量值的另一變型是：在測量頭導(dǎo)向裝置或測量頭上安裝三維加速度傳 感器，并獲得三維、現(xiàn)場的與時(shí)間相關(guān)的偏差運(yùn)動(dòng)，然后，通過利用所述偏差運(yùn)動(dòng)來相應(yīng)地 校正表面形貌測量的測量值。
[0020] 此外，可利用矢量模型，通過測量頭的橫擺、俯仰或側(cè)傾的矢量確定來獲得在測量 頭導(dǎo)向裝置處的測量頭運(yùn)動(dòng)。在本文中，橫擺指的是測量頭關(guān)于其豎直軸樞轉(zhuǎn)，俯仰指的是 測量頭關(guān)于其橫軸樞轉(zhuǎn)，側(cè)傾指的是測量頭關(guān)于其縱軸樞轉(zhuǎn)。
[0021] 可通過計(jì)算測量光斑之間的高度差來確定被測物體表面的局