通过校准测量头的方向来获得表面形貌的光学测量方法以及具有测量头的测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于获得被测物体(2)的表面形貌(1)的光学测量方法。为此，提供一种测量装置(3)，测量装置(3)包括位于测量头导向装置(5)上的测量头(4)，用于表面形貌(1)的光谱共焦获得，或用于获得表面形貌(1)的光谱干涉OCT距离测量。光源(6)的光谱光从包括i个光纤(8)的光纤阵列(7)通过共用测量头镜片(10)以i个测量光斑(12至15)的形式施加到被测物体(2)上，其中，i个测量光斑(12至15)形成光斑阵列(11)。接着，获得i个测量通道的i个反射光谱，并将其数字化。通过计算系统测量误差的时间变化以及测量头导向装置(5)的时间诱导的偏差运动来估计所数字化的反射光谱，包括下列步骤：在时间t(j)，获得i个测量通道的几何距离值(a、b、c)，获得被测物体表面(16)上的i个测量光斑的三维位置值；获得被测物体表面(16)相对于包括投射到被测物体表面(16)上的三角形(17)的至少三个测量光斑(12、13、14)的测量头(4)的局部倾斜度，以校正测量值；通过测量头(4)上的三维加速度传感器将测量头导向装置(5)的时间诱导的偏差运动分离出去来关联局部形貌；生成校正的局部形貌。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于获得被测物体的表面形貌的光学测量方法。为此，提供一种测量装置，所述测量装置具有位于测量头导向装置上的测量头，以获得表面形貌。
技术介绍
从公开DE 10 2008 041 062 A1中得知一种用于测量表面的测量装置。已知的测量装置产生测量光束，测量光束在穿过三个分开的聚焦光学元件之后入射到物体的表面，被物体反射，然后与干涉迭加的参考光一起被空间分辨光探测器检测。为了实现这个目的，已知的测量装置具有包括至少三个分开的聚焦光学元件的光学组件。这些分开的聚焦光学元件的主轴相对于彼此偏移，并且并排排列。此外，已知的测量装置具有设置在测量光束的光路上的分束器。此外，已知的装置设置有参考面和空间分辨光探测器。光源、分束器和光学元件相对于彼此被设置为使得：测量光由光源发出，穿过聚焦光学元件、入射到表面并由表面反射，然后经由聚焦光学元件进入到探测器。此外，已知的测量装置具有估计系统，用于从空间分辨光探测器接收图像数据，并输出表示表面的表面形状的测量数据。为此，获得表示表面的位置与聚焦光学元件的位置之间的距离的距离值。估计系统从这些距离值中生成表示表面的表面形状的参数。此外，上面的公开披露了一种用于测量物体的表面的方法，具体地，所述方法包括下列步骤。首先，产生测量光。由该测量光形成第一部分的测量光的三束子会聚光，以照亮物体的表面的三个彼此相距一定距离的区域。反射光或由表面反射的光的三束子光束与第二部分的测量光一起被引导朝向空间分辨探测器，以产生干涉。最后，由用于检测光强度的探测器分析这些干涉光，从而通过相应的测量数据来表示表面的表面形状。已知装置的缺点是：由于已知装置的光学元件分开排列并且并排设置，所以已知装置需要相当大的空间。另一缺点在于：在已知的实施例中，没有采取措施来考虑以任何方式对被测物体进行估计期间或相应地校正测量结果时所带来的系统测量误差、绝对距离值的长期变化或参考路径的偏差。结果，已知的测量装置无法提供可靠的数据，尤其是纳米量级的数据，以获得这种尺寸的表面形貌。
技术实现思路
在本文中，光谱共焦测距技术被理解为指利用透镜使不同波长的光具有不同的焦点的效应的方法。光谱共焦测距利用光学成像系统中的宽光谱光的色散来确定从反射表面到测量头的距离。通常采用第一针孔光圈或光纤端面形式的宽光谱点光源通过光学成像系统聚焦到物体上。这里，从焦点到成像系统的距离是明确的、永久定义的波长的函数。反射光通过相同的成像系统再次成像，并且通过照明光路被解耦并投射到位于分束器的镜像点处的针孔光圈上。可选地，反射光可被直接返回到第一针孔光圈中，然后被解耦。针孔光圈后面的探测器确定反射光的主波长。根据已知的各个波长的焦距，可直接利用主波长直接确定物距。这一方法的优点是不存在运动的元件。在优选的实施例中，来自光源的光耦合到光纤中，穿过光纤耦合器，并在光纤端面从测量头出射。从被测物体返回的光再次进入光纤端面中，并朝向光纤耦合器处的检测器行进。这里，光纤端面形成用于照射物体的光点以及用于过滤测量光的针孔光圈两者。光学相干断层扫面(OCT)是一种检查方法，在所述方法中，在干涉仪的帮助下利用宽光谱光来测量物体之间的距离。在该方法中，通过点扫描来检查物体。具有已知光程长度的臂用作测量臂的参考臂。两个臂的部分波的干涉形成图案，从所述图案中可读出两个臂的光程长度之间的差异。两种干涉测量和估计方法分为：“时域”OCT和“频域”OCT。它们一方面涉及到时域(TD)信号，另一方面涉及到频域(FD)信号。简单地说，这意味着在不考虑光谱的情况下改变频率臂的长度然后连续测量干涉强度(时域)，或者获得各个光谱分量的干涉(频域)。本专利技术的一个目的是提供一种用于获得被测物体的表面形貌的光学测量方法，通过使用所述光学测量方法可以将测量精度提高到纳米量级，并且，为此可以创造一种合适的测量装置。利用独立权利要求的主题实现这一目的。在从属权利要求中具体说明了优选的实施例。根据本专利技术的第一方面，提供一种用于获得被测物体的表面形貌的光学测量方法(尤其是纳米量级的光学测量方法)。为此，提供一种测量装置，具有位于测量头导向装置上的测量头，用于表面形貌的光谱共焦获得，或用于获得表面形貌的距离的光谱干涉OCT获得。首先，来自光源的宽光谱光从具有用于i个测量通道的i个光纤的光纤阵列通过共用测量光学镜片被导向至被测物体，i个测量光斑形成光斑阵列。随后，获得i个测量通道的i个反射光谱并进行数字化。接着，分别估计每个测量通道的反射光谱，并确定距离值。接着，将全部的不同测量通道的距离值以及时间结合估计，从而消除系统测量误差中的时间偏差以及与时间相关的偏差运动。这种测量方法的优点在于：针对系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置的与时间相关的偏差运动，检查指示局部表面形貌的测量值，从而能够从包含测量误差和测量头导向装置的偏差运动的实际数据中分离出真实的表面形貌。这需要多个估计步骤，分别需要：在时间t(j)获得i个测量通道的几何距离值。还要在时间t(j)获得被测物体表面上的i个测量光斑的三维位置值。还要获得被测物体表面相对于测量头的局部倾斜度。接下来，基于所获得的倾斜度校正系统测量误差中的时间偏差。这一步骤是在生成i个测量通道的局部形貌之后进行的。最后，局部形貌被进行关联，同时通过从具有纳米量级的测量值分辨率的真实/实际的表面形貌中将测量头的不一致位置和方向和/或由于测量头导向装置所导致的各个测量通道中的测量光的扫描线分离出来，来分离测量头导向装置的与时间相关的偏差运动。最后，输出调整后的表面形貌以及测量头的测量头导向装置的真实轨迹和方向。通过对比不同的扫描值，来确定这些估计步骤。通常可以按照不同的时钟速度来扫描，或者沿着以不同的间距布置在扫描方向上的测量光斑所在的线来扫描，从而避免由于欠扫描导致的伪影。用于确定被测物体表面相对于测量头的局部倾斜度的另一技术是：借助三个测量光斑，优选地，这三个测量光斑按照等腰三角形布置在被测物体表面。这里，可以从三角形中的距离值来确定表示局部倾斜度的三角形的法向矢量，例如，可以确定测量头导向装置的倾斜度误差并利用估计表格来消除所述倾斜度误差。用于校正测量值的另一变型是：在测量头导向装置或测量头上安装三维加速度传感器，并获得三维、现场的与时间相关的偏差运动，然后，通过利用所述偏差运动来相应地校正表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于获得被测对象(2)的表面形貌(1)的光学测量方法，包括下列步骤：设置测量装置(3)，测量装置(3)具有位于测量头导向装置(5)上的测量头(4)，用于表面形貌(1)的光谱共焦获得；使得光源(6)的宽光谱光从具有i个测量通道(9)的i个光纤(8)的光纤阵列(7)经过共用测量头镜片(10)，在被测物体(2)上形成i个测量光斑(12至15)的光斑阵列(11)；获得i个测量通道(9)的i个反射光谱并对i个反射光谱进行数字化；以及估计被数字化的反射光谱，同时消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.15 DE 102012111008.51.一种用于获得被测对象(2)的表面形貌(1)的光学测量方法，包括下列
步骤：
设置测量装置(3)，测量装置(3)具有位于测量头导向装置(5)上的测量头
(4)，用于表面形貌(1)的光谱共焦获得；
使得光源(6)的宽光谱光从具有i个测量通道(9)的i个光纤(8)的光纤阵列
(7)经过共用测量头镜片(10)，在被测物体(2)上形成i个测量光斑(12至15)的
光斑阵列(11)；
获得i个测量通道(9)的i个反射光谱并对i个反射光谱进行数字化；以及
估计被数字化的反射光谱，同时消除系统测量误差中的时间偏差以及测
量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动。
2.一种用于获得被测对象(2)的表面形貌(1)的光学测量方法，包括下列
步骤：
设置测量装置(3)，测量装置(3)具有位于测量头导向装置(5)上的测量头
(4)，用于获得表面形貌(1)的距离的光谱干涉OCT获得；
使得光源(6)的宽光谱光从具有i个测量通道(9)的i个光纤(8)的光纤阵列
(7)经过共用测量头镜片(10)，在被测物体(2)上形成i个测量光斑(12至15)的
光斑阵列(11)；
获得i个测量通道(9)的i个反射光谱并对i个反射光谱进行数字化；以及
估计被数字化的反射光谱，同时消除系统测量误差中的时间偏差以及测
量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动。
3.根据权利要求1或2所述的光学测量方法，其中，还执行下面的估计
步骤来消除系统测量误差中的时间偏差以及测量头导向装置(5)的与时间相关
的偏差运动：
在时间t(j)，获得i个测量通道的几何距离值(a、b、c)；
在时间t(j)，获得被测物体表面(16)上的i个测量光斑的三维位置值；
获得被测物体表面(16)相对于测量头(4)的局部倾斜度；
基于所获得的倾斜度校正系统测量误差中的时间偏差；
针对i个测量通道生成局部形貌；
将局部形貌进行关联，同时通过将测量头导向装置(5)上的测量头(4)的传

\t感器轨迹的不一致和传感器方向的不一致从真实的表面形貌(1)中分离出去而
消除测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动；以及
输出调整后的表面形貌(1)以及测量头(4)的测量头导向装置(5)的真实轨
迹和真实方向。
4.根据权利要求3所述的光学测量方法，其中，为了获得被测物体表面
(16)相对于测量头(4)的局部倾斜度，将三角形(17)的至少三个测量光斑(12、
13、14)投射到被测物体表面(16)。
5.根据权利要求4所述的光学测量方法，其中，为了获得被测物体表面
(16)相对于测量头(4)的局部倾斜度，将等边三角形(17)的至少三个测量光斑
(12、13、14)投射到被测物体表面(16)，并且从测量光斑(12、13、14)之间的
距离值确定倾斜度。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的光学测量方法，其中，通过测量头
(4)上的三维加速度传感器获得测量头导向装置(5)的与时间相关的偏差运动，
并相应地校正表面形貌(1)的测量值。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光学测量方法，其中，利用矢量模
型，通过确定测量头导向装置(5)上的测量头(4)的横摆、俯仰和侧倾来获得测
量头运动。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的光学测量方法，其中，使用包括下
列步骤的微分扫描方法：
通过计算i个测量光斑(12至15)之间的高度差来确定被测物体表面(16)
的局部斜率；
将全部的局部斜率积分为表面形貌(1)。
9.根据权利要求8所述的光学测量方法，其中，微分扫描方法获得具有
光纤端面和两个聚焦透镜的测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁·肖雷博，贝托尔德·米歇尔特，马提亚·孔克尔，
申请(专利权)人：普雷茨特激光技术有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE