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

本发明专利技术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)的光通过光学系统(5、16)对准试样的待测量的表面(8)。根据本发明专利技术，所述光学系统(5、16)包括电动地操控的适应性光学系统(7)，其中，所述光学系统(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。

Method and equipment of optical surface measurement with confocal sensor

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】借助于共焦传感器进行光学的表面测量的方法和设备
本专利技术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系统对准试样的待测量的表面。本专利技术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系统对准试样的待测量的表面。
技术介绍
在共焦测量技术中，光源的光通常通过共焦滤波器、光束分裂器和光学系统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)然而或者使光学系统在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)通过光学系统以所定义的频散(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。
技术实现思路
因此，本专利技术所基于的任务是：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。本专利技术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：光学系统包括电动地操控的适应性光学系统，其中，光学系统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。根据本专利技术，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-speedvarifocalimagingwithaTunableAcousticGradientindexofrefractionlens”，Opt.Lett.33，Band18，2146至2148页，2008年)适合作为适应性光学系统。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系统的可实现性在以上所引用的现有技术中已说明。然而，借助于适应性光学系统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。根据本专利技术，TAG透镜能够用在共焦传感器的光学系统中，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，使光学系统的焦点位置在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。根据本专利技术普遍适用下述适应性光学系统：所述适应性光学系统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系统，在光学系统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，适应性光学系统在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(适应性光学系统操控所述电信号)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。然而根据本专利技术也设置：光源的光分裂为多个子光束，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。在根据本专利技术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，例如用于以根据本专利技术的方法求取试样表面的涂层的层厚度分布。本专利技术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：光学系统包括电操控的适应性光学系统，其中，通过函数发生器的电信号使光学系统的焦点在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分裂器立方体对准光学系统。由光学系统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系统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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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系统对准试样的待测量的表面，其特征在于，/n所述光学系统包括电操控的适应性光学系统，其中，所述光学系统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。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170727 DE 102017116993.8;20171215 DE 102017130211.一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系统对准试样的待测量的表面，其特征在于，
所述光学系统包括电操控的适应性光学系统，其中，所述光学系统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，所述适应性光学系统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，所述光源的光被分裂为多个子光束，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系统(5、16)对准试样(8)的待测量的表面，其特征在于，
所述光学系统(5、16)包括电动地操控的适应性光学系统(7)，其中，所述光学系统(5、16)的焦点...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·弗兰克，G·雅各布，
申请(专利权)人：纳诺福卡斯股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE