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CN100449255C - 用于测量测量目标的具有镜面装置的干涉仪 - Google Patents

用于测量测量目标的具有镜面装置的干涉仪 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于对测量目标(5)，特别是测量目标(5)的厚度进行测量的干涉仪式的测量装置(1)。在这种情况中，专用镜头(45)设有镜面装置(40)，该镜面装置由至少一个第一偏转镜面(60)和一个第二偏转镜面(65)组成，并且这些偏转镜面是如此设置的，即射到第一偏转镜面(60)或者说第二偏转镜面(65)的目标光线(25)对准彼此反向平行的第一光程(80)或者说第二光程(85)中的待测量的测量目标(5)的第一侧面(70)或者说与它平行的第二侧面(75)。镜面装置(40)附加地具有至少一个用于投影待测量的测量目标(5)相对于第一偏转镜面(60)和/或第二偏转镜面(65)的位置的第一位置镜面(104)。

Description

用于测量测量目标的具有镜面装置的干涉仪
技术领域
本发明涉及一种具有镜面装置的、用于测量测量目标、特别是用于测量测量目标的厚度的干涉仪式的测量装置。
背景技术
在某种情况下干涉仪系统适用于无接触地检测不同测量目标的表面。为了采集待检测目标的表面轮廓，一个目标光线由干涉仪的光源打到待测量区域的表面上。从该表面反射回来的目标光线被输送给干涉仪的探测器，并且和基准光线一起形成一个干涉图形，从该干涉图形中可以推导出两个光线的行程差。所测得的两个光线的行程差相当于该表面的表面形状变化。
特别是采用一种其光源发出短相干光线的白光干涉仪时也可借助深扫描对测量目标进行扫描。例如如在未预公布的专利申请DE-103 25443.9中所描述的那样，在这种情况中该短相干光线通过一个分光器分成一个目标光线和一个基准光线。待测量的目标表面通过一个镜头投影到一个摄像机上，例如一个CCD照相机(“电荷耦合装置”照相机)，并且被通过基准光线形成的基准波重叠。深度扫描可通过反射基准光线的基准镜面或者镜头相对于测量装置的运动进行。在目标运动时目标的图象平面和基准平面处在同一平面内。在深度扫描时目标固定地保持在CCD照相机的视场中，并且目标仅沿深度轴线相对于基准平面作运动。这样可以用几个纳米范围内的深度分辨率对技术表面进行测量。也可在下文中找到该测量方法的技术基础“Three-dimensionalsensing of rough surfaces by coherence radar”(T.Dresel，G.
Figure C20058003186300041
H.Venzke，Appl.Opt.31(7)，p.919-925，1992)。
常常希望不仅是给测量目标的一个侧面成像。在实践中例如为了确定测量目标的厚度，例如盘的厚度，通过专用镜头中的镜面装置用目标光线测量该盘的两个侧面。为此通过两个偏转镜面将目标光线垂直地偏转到该盘的两个侧面上。这些被该盘的侧面反射的光线被输送到摄像机，并且和基准光线一起用于绘制所谓的相关曲线图，并且最后用于计算，以获得厚度数据。正如上面已说明的，在测量的过程中进行深度扫描，或者换句话说，测量目标的待测量的侧面移动通过照相机的聚焦平面。或者也可以作为替代方案通过可电控的透镜或者透镜系统来改变照相机的聚焦平面。
然而，上述镜面装置的缺陷是不可控制测量目标相对于两个偏转镜面的相对位置。当对准测量目标的第一和第二侧面并且从那里反射地输送到摄像机的两个光线在这种情况中走过相同长度的光程时才产生测量目标的最佳定位。为此测量目标必须准确地定位在两个偏转镜面之间的中间。若由于缺少控制办法测量目标错位地定位，也就是说两个光线的光程不一样长，则测量持续时间要比最佳定位的长。
当测量目标的错误定位大约为20μm时，则必须进行2×20μm＝40μm的附加扫描行程。在扫描中的干涉仪的典型测量速度约为5微米/秒。这样得出的附加测量时间为8秒。当用几秒钟的节拍时间检查所有测量目标时这个时间量恰恰在工业制造中是不可接受的。
发明内容
本发明提供一种用于对测量目标)进行测量的干涉仪式的测量装置，其具有光源、用于形成基准光线和目标光线的分光器、在基准光程中的基准镜面、在目标光程中的具有镜面装置的专用镜头和摄像机，其中，镜面装置由至少一个第一偏转镜面和一个第二偏转镜面组成，并且这些偏转镜面是如此设置的，即射到第一偏转镜面的目标光线对准第一光程中的待测量的测量目标的第一侧面，而射到第二偏转镜面的目标光线对准第二光程中的待测量的测量目标的第二侧面，其中待测量的测量目标的所述第一侧面和第二侧面相互平行并且第一光程和第二光程彼此反向平行，其特征在于，所述镜面装置附加地具有至少一个用于投影待测量的测量目标相对于第一偏转镜面和/或第二偏转镜面的位置的第一位置镜面。
和现有技术相比，根据本发明的测量装置具有如下优点，即它使得检查测量目标相对于偏转镜面的相对位置成为可能。通过这一措施在下一步骤中可将重要部件的相对定位最佳化，这样可进行更快的测量。测量持续时间大大缩短。虽然如此仍然有利地可放弃第二摄像机。
本发明还对干涉仪式的测量装置的有利改进方案进行了说明，并在说明书中对它们进行描述。
附图说明
借助附图和下述的说明对本发明的实施例进行更为详细的说明。这些附图是：
图1：干涉仪光学部件的布置的俯视图，
图2：专用镜头光学部件的布置的俯视图，
图3：在专用镜头中按现有技术的镜面布置的透视图，
图4：在专用镜头中根据本发明的镜面布置透视图，
图5：在非最佳定位时在摄像机中所摄入的测量目标的不同侧面的图像，
图6：在最佳定位时在摄像机中所摄入的测量目标的不同侧面的图像。
具体实施方式
图1为一个Michelson式的干涉仪式的测量装置1的光学部件的基本结构的俯视图。在此使用白光干涉仪技术(短相干干涉仪技术)作为测量方法，因此光源10发射出短相干光线。光通过分光器15分成基准光线20和目标光线25。基准光线20继续被一个设置在基准光程35中的基准镜面30反射，并且又通过分光器15到达一个摄像机55。在那里基准光线20的光波与目标光线25的光波重叠，而目标光线25本身是通过一个设置在目标光路50中的专用镜头45偏转到测量目标5上，并且又被它反射。
在图2中用它的部件所示的专用镜头45用它的镜面装置40负责照射，并且因此从两个相反的方向使测量目标5成像。这样例如可以确定测量目标5的厚度，例如盘的厚度。专用镜头45的镜面装置40具有至少一个第一偏转镜面60和一个第二偏转镜面65，其中，这些镜面是如此设置的，即，射到第一偏转镜面60或者说第二偏转镜面65的目标光线25对准在彼此反向平行的第一光程80或者说第二光程85中的待测量测量目标5的第一侧面70或者说与它平行的第二侧面75。典型的是目标光线25垂直地射到盘的第一侧面70或者说第二侧面75。图3是两个偏转镜面60、65和待测量的盘的布置的透视图。虽然专用镜头45或者镜面装置40还可以具有其它的光学部件，如透镜66、棱镜68或者其它镜面部件67、69，它们将目标光线25分开，并且以合适的方式将其对准两个偏转镜面60、65，然而用这些棱镜68和镜面部件67、69不能检查该盘相对于偏转镜面60、65的相对位置。此前所描述的测量装置的实施方式在实践中是公知的。
现在根据本发明规定，如在图4中以透视图所示的，镜面装置40附加地具有至少一个用于投影待测量的测量目标5相对于第一偏转镜面60和/或第二偏转镜面65的位置的第一位置镜面104。优选第一位置镜面104如此地设置，即射到位置镜面104的目标光线25对准在第三光程95中的待测量的测量目标5的垂直于第一侧面70和第二侧面75的第三侧面90。待测量的测量目标5的第三侧面90例如是该盘的薄的边缘侧面。在这种情况中第一和第二偏转镜面60、65的反向平行的光程80、85和第三光程95围成一个大于0°且小于180°的夹角100，也就是说，反向平行的光程80、85和第三光程95的方向既不平行，也不反向平行。优选该夹角100正好为90°，也就是说是一个直角。
此外，镜面装置40还可以具有一个第二位置镜面105。该第二位置镜面是如此设置的，即射到第二位置镜面105的目标光线25对准在第四光程115中的待测量的测量目标5的与第三侧面90平行的第四侧面110。优选第四光程115正好与第三光程90反向平行延伸。
在第一光程80、第二光程85、第三光程90和有选择地在第四光程115中的目标光线25从四个方向打到测量目标5的四个不同的侧面70、75、90、110上，并且在那里被反射，并且输送到摄像机55。这些到达的目标光线25分别和前述的基准光线20重叠。该摄像机55例如是一种照相机，特别是一种CCD或CMOS照相机(互补金属氧化物半导体照相机)。如图5所示，该摄像机和一台图像输出装置120连接。通过图像输出装置120可从不同的视向显示测量目标5的照片。在第一图象截取部分125中可以看到测量目标5的第一侧面70的照片，而在第二图象截取部分130中则示出测量目标5的第二侧面75的照片。还附加地设置了第三图象截取部分135，其中可观察测量目标5的第三侧面90。用第三图象截取部分135可以检查测量目标5相对于两个偏转镜面60、65的相对位置。在图5中可以看到一种非最佳定位的情况。通过摄像机55准确地确定测量目标5的相对定位，因为优选地该摄像机55为一种具有用于确定测量目标5的位置的分析软件的照相机。
现在，为了确定测量目标5的位置可以进行位置修正。基本上对测量目标5和摄像机55之间的光程进行适配，也就是说相对于光学系统移动该测量目标5。理想的方式是测量装置1本身具有一个用于对测量目标5和摄像机55之间的光程进行适配的修正单元。在这种情况中该修正单元可以由至少一个移动台、压电元件，光学有源件或者由它们的组合组成。从图6中可以看出，在经过自动的且成功的位置修正之后在图象输出装置120的第三图象截取部分135上确定测量目标5的相应位置。此外，也可用偏转镜面60、65完整地、部分地或者歪扭地投影测量目标5的位置。这样，只要投影测量目标5的第一侧面70和第一偏转镜面60之间的间距就够用了，因为两个偏转镜面60、65之间的距离是已知的。在测量目标5最佳定位时，测量目标5的两个侧面70、75清晰地同时投影在第一图象截取部分125和第二图象截取部分130中。现在可以进行对测量目标5的本来要进行的扫描。通过本发明所实现的测量时间的缩短已在实践中得到证实。

Claims (9)

1.用于对测量目标(5)进行测量的干涉仪式的测量装置(1)，其具有光源(10)、用于形成基准光线(20)和目标光线(25)的分光器(15)、在基准光程(35)中的基准镜面(30)、在目标光程(50)中的具有镜面装置(40)的专用镜头(45)和摄像机(55)，其中，镜面装置(40)由至少一个第一偏转镜面(60)和一个第二偏转镜面(65)组成，并且这些偏转镜面是如此设置的，即射到第一偏转镜面(60)的目标光线(25)对准第一光程(80)中的待测量的测量目标(5)的第一侧面(70)，而射到第二偏转镜面(65)的目标光线(25)对准第二光程(85)中的待测量的测量目标(5)的第二侧面(75)，其中待测量的测量目标(5)的所述第一侧面(70)和第二侧面(75)相互平行并且第一光程(80)和第二光程(85)彼此反向平行，其特征在于，所述镜面装置(40)附加地具有至少一个用于投影待测量的测量目标(5)相对于第一偏转镜面(60)和/或第二偏转镜面(65)的位置的第一位置镜面(104)。
2.按照权利要求1所述的干涉仪式的测量装置(1)，其特征在于，所述第一位置镜面(104)是如此设置的，即射到第一位置镜面(104)的目标光线(25)对准在第三光程(95)中的待测量的测量目标(5)的垂直于第一侧面(70)和第二侧面(75)的第三侧面(90)。
3.按照权利要求2所述的干涉仪式的测量装置(1)，其特征在于，所述反向平行的第一光程(80)与第二光程(85)和第三光程(95)围成一个大于0°且小于180°的夹角(100)。
4.按照权利要求3所述的干涉仪式的测量装置(1)，其特征在于，所述夹角(100)为一直角。
5.按照权利要求2至4中任一项所述的干涉仪式的测量装置(1)，其特征在于，所述镜面装置(40)具有第二位置镜面(105)，并且该第二位置镜面是如此设置的，即射到第二位置镜面(105)的目标光线(25)对准在第四光程(115)中的待测量的测量目标(5)的与第三侧面(90)平行的第四侧面(110)。
6.按照权利要求1至4中任一项所述的干涉仪式的测量装置(1)，其特征在于，所述摄像机(55)是具有用于确定测量目标(5)的位置的分析软件的照相机。
7.按照权利要求1至4中任一项所述的干涉仪式的测量装置(1)，其特征在于，所述测量装置(1)具有修正单元，其用于对测量目标(5)和摄像机(55)之间的光程进行适配。
8.按照权利要求7所述的干涉仪式的测量装置(1)，其特征在于，所述修正单元由压电元件或者光学有源元件或者至少一个移动台或者由它们的组合组成。
9.按照权利要求1所述的干涉仪式的测量装置(1)，其特征在于，所述测量装置(1)测量测量目标(5)的厚度。
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