CN114646267A

CN114646267A - 用于测量工件厚度的色度范围传感器系统

Info

Publication number: CN114646267A
Application number: CN202111540823.XA
Authority: CN
Inventors: N.拉曼
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-06-21
Also published as: DE102021133260A1; US11486694B2; US20220196388A1; JP2022097472A

Abstract

提供了一种色度范围传感器(CRS)系统，所述CRS确定工件厚度并且包含光学笔、照明源、波长检测器和处理部分。所述光学笔包含提供轴向色度色散的光学器件部分，所述照明源被配置成产生多波长光，并且所述波长检测器包含沿测量轴分布的多个像素。在操作中，所述光学笔输入来自所述照明源的光谱并将对应的辐射输出到工件(例如，所述工件可以是透明的)的第一工件表面和第二工件表面，并且将所反射辐射输出到提供输出光谱数据的所述波长检测器。所述处理部分对所述输出光谱数据进行处理以确定所述工件的厚度。在各个实施方案中，所述用于确定所述厚度的处理可以不依赖于确定到所述工件的距离和/或可以利用变换处理等。

Description

用于测量工件厚度的色度范围传感器系统

技术领域

本发明涉及精密测量仪器，并且更具体地涉及色度范围传感器和类似的光学距离确定装置以及其用途。

背景技术

在光学范围传感器(例如，包含高度、距离等传感器)中使用色度共聚焦技术是已知的。如在此通过引用以其整体并入本文的美国专利第7,876,456号('456专利)所述，可以使用具有轴向色度像差(也被称为轴向或纵向色度色散)的光学元件来聚焦宽带光源，使得到焦点的轴向距离随波长而变化。因此，仅一个波长将精确地聚焦在表面上，并且表面高度或相对于聚焦元件的距离决定了哪个波长是最佳聚焦的。在从表面反射后，光会重新聚焦到小的检测器孔口上，如针孔或光纤维的端部。在从表面反射并且向后穿过光学系统到达输入/输出光纤时，仅很好地聚焦在表面上的波长才能很好地聚焦在孔口上。所有其它波长都不良地聚焦在孔口上，并且因此不会将太多电力耦接到光纤中。因此，对于通过光纤返回的光，对应于表面高度或到表面的距离的波长的信号电平将是最大的。光谱仪类型的检测器测量每个波长的信号电平，以确定表面高度。

某些制造商将如上所述操作并且适合于在工业环境中使用的实用且紧凑的色度范围感测(CRS)系统称为色度点传感器(CPS)或色度线传感器等。与此类系统一起使用的紧凑色度色散型光学组合件被称为“光学笔”或“笔”。光学笔通过光纤连接到色度范围传感器的电子部分。电子部分包含通过光纤传输光以从光学笔输出的光源，并且还提供检测并分析返回的光的光谱仪。返回的光形成光谱仪的检测器阵列接收到的波长色散的强度谱。对与波长色散的强度谱相对应的像素数据进行分析以确定如由强度谱的峰或质心指示的“主波长位置坐标”，并且峰和/或质心的所得像素坐标与查找表一起用于确定到表面的距离。此像素坐标可以用子像素分辨率来确定，并且可以被称为“指示距离的坐标”或“指示距离的像素坐标”。

本领域还已知的是使用狭缝孔口并且沿线而不是点聚焦光，从而提供在沿所述线的多个点处测量到表面的距离的能力的“线传感器”CRS，如美国专利第8,773,757号中公开的，所述美国专利在此通过引用以其整体并入本文。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化形式引入在下文具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在标识要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

现有技术的CRS系统已经表现出与厚度测量相关的某些问题(例如，测量误差等)，所述厚度测量通常涉及确定到工件的两个相对表面的测量距离并且确定两个测量距离之间的差。例如，当测量如玻璃(例如，熔融二氧化硅)等透明工件的厚度时，CRS照明将从玻璃的顶表面和底表面两者进行反射，从而产生两个相应的波长峰。某些测量误差源于与将强度谱的指示两个相应测量距离的两个峰分离相关联的困难，其中对于薄工件，两个峰趋于合并在一起。例如，两个峰的宽度可以使得峰由于两个峰之间的不充分分离而至少部分地重叠/合并(例如，图5A的虚线测量谱信号510a以及图10A、10B、10D、10E和10G中所展示的，如将在下面更详细地描述的)。

具体地关于图10A-10G的实例，展示了七个对应的强度谱，每个强度谱包含两个测量峰(例如，合并为图10A中的单个峰)，所述峰指示到具有不同厚度的工件的顶表面和底表面的测量距离。例如，图10A和10D对应于厚度为25μm的工件，图10B和10E对应于厚度为50μm的工件，并且图10C和10F对应于厚度为100μm的工件。图10A-10G的强度谱包括作为CRS波长检测器的像素坐标或“像素位置”(横轴)的函数的强度或“信号电平”(纵轴)，其中像素位置对应于由CRS波长检测器测得的波长，并且对CRS进行校准以将波长峰转化为CRS测量距离。对应地，根据某些先前已知的方法，可以根据到两个工件表面的测量距离之间的差来确定工件的厚度。

在一些实施方案中，如图10A-10C的实例中所示，两个峰的合并在CRS系统的Z范围的蓝色部分(即，蓝光波长部分)中与如在图10D-10F的实例中所示的Z范围的红色部分(即，红光波长部分)中相比可能变得更严重，所述蓝色部分更接近于CRS系统的光学笔的沿距离测量光轴(Z轴)的光学器件。因此，用于提供与合并问题相关的一定量的改进的一种可能技术是将待测量的工件放置在CRS系统的Z范围的红色部分中(即，例光学笔有足够的距离)。另外，如图10G中最佳示出的，用于提供与波长峰合并问题相关的一定量的改进的另一种技术是设置更高的信号电平阈值(例如阈值B)，以由此将两个峰分离并检测两个峰，而不是设置较低的信号电平阈值(例如阈值A)，这不会将两个峰分开并且因此仅可以检测到一个(合并的)峰。下面还将关于图5A更详细地描述某些相关概念。这种技术有一定的局限性(例如，将特定工件放置在CRS系统的Z范围的红色部分中并不总是那么容易，当检测阈值设置得太高时，更多的信号电平将变得不可检测到等)。

本发明的各个方面旨在提供关于此类问题的改进。本发明的一个方面是实现更准确的厚度测量(例如，对于可能存在波长峰合并的较小厚度，并且在光学笔与工件之间的可能距离的增加范围内等)。

根据本发明的实施例，提供了一种被配置成确定工件厚度的色度范围传感器(CRS)系统。所述CRS系统包含：

光学笔，所述光学笔包括共聚焦光学路径，所述共聚焦光学路径包含光学器件部分，所述光学器件部分提供轴向色度色散并且被配置成聚焦接近工件的不同距离处的不同波长；

照明源，所述照明源被配置成产生多波长输入光，所述多波长输入光包括输入到所述光学笔的输入光谱；

CRS波长检测器，所述CRS波长检测器包括多个像素，所述多个像素的相应像素位置沿所述CRS波长检测器的测量轴分布，其中所述CRS系统被配置成使得当所述光学笔相对于所述工件可操作地定位以执行测量操作时，所述光学笔输入所述输入光谱并将对应的辐射输出到所述工件的第一工件表面和第二工件表面，并且从所述第一工件表面和所述第二工件表面接收所反射辐射并将所述所反射辐射输出到提供输出光谱数据的所述CRS波长检测器；以及

处理部分，所述处理部分被配置成处理所述输出光谱数据以确定所述工件的厚度，所述厚度对应于所述工件的所述第一工件表面与所述第二工件表面之间的间隔，其中所述用于确定所述厚度的处理包括利用变换处理。

根据一个方面，所述变换处理包括傅里叶变换处理(Fourier transformprocessing)或傅里叶相关变换处理中的至少一种。所述利用所述变换处理包括：确定所述输出光谱数据的变换；以及至少部分地基于所述输出光谱数据的所述变换的第一特性来确定所述工件的所述厚度。根据另一方面，所述第一特性对应于所述输出光谱数据的所述变换的第一谷(dip)。

根据另一方面，所述输出光谱数据包括距离相关的谱分量，所述距离相关的谱分量具有分别对应于所述第一工件表面和所述第二工件表面的第一波长峰和第二波长峰，并且所述确定所述工件的所述厚度不依赖于处理所述输出光谱数据以确定到所述第一工件表面和所述第二工件表面的对应的第一测量距离和第二测量距离。根据另外的方面，所述第一波长峰和所述第二波长峰在由所述CRS波长检测器提供的所述输出光谱数据的表示中在视觉上表现为单个峰。

根据另一方面，对于在所述第一工件表面与所述第二工件表面之间的间隔为5微米的工件，所述利用所述变换处理使得所述处理部分能够以小于10％的误差准确地确定所述工件的所述厚度。

根据另一方面，所述处理部分被进一步配置成处理所述输出光谱数据以确定到所述工件的测量距离。根据另外的方面，所述用于确定到所述工件的所述测量距离的处理包括处理所述输出光谱数据以确定指示到所述工件的所述测量距离的质心，而所述用于确定所述工件的所述厚度的处理不依赖于所述质心的确定。根据另外的方面，所确定测量距离是到所述工件内部的位于所述第一工件表面与所述第二工件表面之间的点。根据仍另外的方面，所述所确定测量距离是根据指示距离的坐标确定的，所述指示距离的坐标对应于第一波长峰和第二波长峰的平均值，所述第一波长峰和所述第二波长峰对应于相应的第一工件表面和第二工件表面。根据另外的方面，所述处理部分被进一步配置成利用所述工件的所述所确定测量距离和所确定厚度以确定到所述第一工件表面的第一测量距离或到所述第二工件表面的第二测量距离中的至少一个。

根据另一方面，所述利用所述变换处理包括：

确定所述输出光谱数据的傅里叶变换；

将所述输出光谱数据的所述傅里叶变换除以参考的傅里叶变换，以获得目标光谱数据的傅里叶变换；

计算所述目标光谱数据的所述傅里叶变换的反傅里叶变换以确定第一波长峰和第二波长峰，所述第一波长峰和第二波长峰对应于到所述第一工件表面和所述第二工件表面的相应的第一测量距离和第二测量距离；以及

至少部分地基于到所述第一工件表面和所述第二工件表面的所述相应的测量距离之间的差来确定所述工件的所述厚度。

根据又另一方面，所述CRS系统可在包含厚度测量模式的多种模式下操作，对于所述厚度测量模式，所述处理部分执行所述处理以确定所述厚度作为所述厚度测量模式的一部分。根据另外的方面，所述多种模式进一步包含用于测量到工件的距离的距离测量模式；所述CRS系统被配置成使得在所述距离测量模式期间，当所述光学笔相对于所述工件可操作地定位以执行测量操作时，所述光学笔输入所述输入光谱并将对应的辐射输出到所述工件，并且从所述工件接收所反射辐射并将所述所反射辐射输出到提供所述输出光谱数据的所述CRS波长检测器；并且所述输出光谱包括距离相关的谱分量，所述距离相关的谱分量具有指示到所述工件的测量距离的波长峰。根据另外的方面，所述厚度测量模式仅可操作来确定如对应于第一工件表面与第二工件表面之间的间隔的厚度，并且不可操作来确定三个或更多个工件表面之间的间隔。

根据另一方面，所述CRS系统是色度点传感器系统或色度线传感器系统中的至少一个。

根据另一方面，提供了一种用于操作色度范围传感器(CRS)系统以确定工件厚度的方法。所述CRS系统包含：光学笔，所述光学笔包括共聚焦光学路径，所述共聚焦光学路径包含光学器件部分，所述光学器件部分提供轴向色度色散并且被配置成聚焦接近工件的不同距离处的不同波长；照明源，所述照明源被配置成产生多波长输入光，所述多波长输入光包括输入到所述光学笔的输入光谱；以及CRS波长检测器，所述CRS波长检测器包括多个像素，所述多个像素的相应像素位置沿所述CRS波长检测器的测量轴分布，所述多个像素接收相应的波长并且提供输出光谱数据。所述方法包含：

利用相对于所述工件可操作地定位以执行测量操作的所述光学笔操作所述CRS系统，所述测量操作包含所述光学笔输入所述输入光谱并将对应的辐射输出到所述工件的第一工件表面和第二工件表面，并且从所述第一工件表面和所述第二工件表面接收所反射辐射并将所述所反射辐射输出到提供所述输出光谱数据的所述CRS波长检测器；以及

处理所述输出光谱数据以确定所述工件的厚度，所述厚度对应于所述工件的所述第一工件表面与所述第二工件表面之间的间隔，其中所述用于确定所述厚度的处理包括利用变换处理。

根据另一方面，提供了一种用于操作色度范围传感器(CRS)系统的方法。所述CRS系统包含：光学笔，所述光学笔包括共聚焦光学路径，所述共聚焦光学路径包含光学器件部分，所述光学器件部分提供轴向色度色散并且被配置成聚焦接近工件的不同距离处的不同波长；照明源，所述照明源被配置成产生多波长输入光，所述多波长输入光包括输入到所述光学笔的输入光谱；以及CRS波长检测器，所述CRS波长检测器包括多个像素，所述多个像素的相应像素位置沿所述CRS波长检测器的测量轴分布，所述多个像素接收相应的波长并且提供输出光谱数据。所述方法包含：

利用相对于所述工件可操作地定位以执行测量操作的所述光学笔操作所述CRS系统，所述测量操作包含所述光学笔输入所述输入光谱并将对应的辐射输出到所述工件的第一工件表面和第二工件表面，并且从所述第一工件表面和所述第二工件表面接收所反射辐射并将所述所反射辐射输出到提供所述输出光谱数据的所述CRS波长检测器；

处理所述输出光谱数据以确定到所述工件的测量距离，其中所述用于确定所述测量距离的处理包含确定指示距离的坐标，所述指示距离的坐标对应于所述CRS波长检测器的指示所述测量距离的像素位置；以及

处理所述输出光谱数据以确定所述工件的厚度，所述厚度对应于所述工件的所述第一工件表面与所述第二工件表面之间的间隔，其中所述用于确定所述厚度的处理不依赖于到所述工件的所确定测量距离。

附图说明

当结合附图参考以下详细描述时，本发明的前述方面和许多伴随的优点将变得更容易理解，同时变得更好理解，其中：

图1是示例性CRS系统的一个实施例的框图。

图2是来自CRS系统的系统噪声(偏置)谱的图，其展示了当不存在测量表面时检测器阵列中的像素的波长相关的电压偏移信号电平。

图3是来自CRS系统的强度谱的图，其展示了由工件(例如，非透明工件)的顶表面所反射的波长产生的有效波长峰，其中所述峰的像素位置对应于到顶表面的测量距离。

图4A是CRS距离校准数据的图，其将指示距离的像素坐标与到所测量的工件表面的已知测量距离相关联。

图4B是示例CRS距离校准查找表，其将指示距离的坐标(DIC)引用到CRS系统的对应测量距离。

图5A是来自CRS系统的强度谱的图，其展示了由透明工件的顶表面和底表面所反射的波长产生的两个有效波长峰，其中所述峰的像素位置对应于到表面的测量距离。

图5B是展示了到透明工件的顶表面和底表面的测量距离的图，包含到底表面的实际测量距离和表观测量距离。

图6是流程图，其展示了操作CRS系统以确定工件厚度的方法。

图7A-7D展示了使用变换处理进行工件厚度测量的过程。

图8展示了使用快速傅里叶变换(FFT)处理作为解卷积方法的一部分的工件厚度测量过程。

图9A-9H展示了实例，对于这些实例，无论工件在可操作测量范围内相对于光学笔的位置如何，图8的FFT处理方法都确定信号的傅里叶变换中的第一谷的定位，所述定位可以用于确定工件的厚度。

图10A-10G是描绘由CRS系统测量的具有不同厚度(例如，25μm、50μm和100μm)的工件的强度谱的图，其展示了取决于工件的厚度和与光学笔的距离而合并在一起的两个波长峰的不同程度。

具体实施方式

图1是色度范围传感器(CRS)系统100的一个示例性实施例的框图，所述CRS系统包含光学元件120(例如，光学笔)、电子器件部分160和用户接口部分171。电子器件部分160的实施例包含信号处理器166、存储器部分168以及包括波长检测器162和宽带光源164的源和检测器子系统161。图1中所示的CRS系统100是一次测量单个测量点的色度点传感器(CPS)系统，但是将理解在其它实施方案中，可以利用其它传感器系统(例如，色度线传感器等)。在各个实施例中，波长检测器162包含光谱仪的检测器阵列163。检测器阵列163可以包括沿波长检测器162的测量轴分布的多个像素，其中相应的像素接收相应的波长信号并且提供对应的输出光谱数据。

电子器件部分160通过包含光纤电缆112的光学路径耦接到光学元件120。示出了光学路径的任选或替代方面，所述光学路径包含光纤电缆112，所述光纤电缆在光学区段112B具有在连接器CONNECT-D处连接的第一区段112A和第二区段112B，以及将区段112B连接到耦接到电子器件部分160的区段112C的耦合器COUPLER-O。由信号处理器166控制的光源164被连接成通过包含照明光纤区段165I、2x1耦合器COUPLER-E、CONNECT以及光纤电缆112的路径将包括输入光谱的输入多波长光输入到光学元件120。光学元件120包含输入/输出光纤子组合件105、壳体130和光学器件部分150。输入/输出光纤子组合件105包括穿过光纤电缆112携带的输入/输出光纤113和光纤连接器108。输入/输出光纤113通过孔口195输出输出束，并且通过孔口195接收所反射测量信号光。

在操作中，从光纤端发射通过孔口195的光由光学器件部分150聚焦，所述光学器件部分包含提供轴向色度色散，使得沿光轴OA的聚焦点取决于光的波长而位于不同距离处的透镜，如对于CRS系统所已知的。在测量操作期间，光靠近具有第一工件表面190-1和第二工件表面190-2(即，顶部工件表面和底部工件表面)的工件170聚焦。在各个实施方案中，工件170可以是透明的或者另外可以包含使得底表面190-2可以至少部分地通过顶表面190-1看到(即，来自光学元件120光中的一些光能够穿过顶表面190-1以到达底表面190-2)的材料。出于在下面的说明中简单的目的，最初描述了工件170是非透明的或者另外具有使得仅顶表面190-1将光反射到CRS系统100的特性的情况。

在仅顶表面190-1反射光的实施方案中，在测量操作期间，光由光学器件部分150聚焦在顶表面190-1上(即，与也将光聚焦在底表面190-2上的相反，如将关于以下其它实例描述的)。从顶表面190-1反射的光被光学器件部分150重新聚焦到孔口195上。由于其轴向色度色散，仅一个波长将具有与测量距离“Z1”相匹配的聚焦距离，所述聚焦距离是从相对于光学元件120固定的参考位置RP到工件表面190-1上的位置的距离。在工件表面190-1上的位置处最佳聚焦的波长是在孔口195处的最佳聚焦的波长。因此，主要是最佳聚焦的波长穿过孔口195并进入光纤电缆112的光纤113的芯中。光纤电缆112将信号光路由到波长检测器162，所述波长检测器用于确定具有占主导地位的强度的波长，所述波长对应于到工件表面190-1上的位置的测量距离Z1。

在所展示的实施例中，所反射波长相关的光强度通过包含耦合器COUPLER-E的光纤路径向后穿过电子器件部分160，使得一定百分比(例如，在一些实施方案中大约50％)的光被引导穿过信号光纤区段165S到达波长检测器162。波长检测器162接收波长相关的光强度作为沿检测器阵列163的测量轴分布在像素阵列之上的输出光谱强度谱(也被简称为输出光谱)，并且进行操作以基于从检测器阵列163输出的像素数据提供对应的输出光谱数据。

谱数据(例如，参见图3)的子像素分辨率指示距离的坐标(DIC)由信号处理器166计算，并且DIC(以子像素为单位)指示经由距离校准查找表等到工件表面190-1上的位置的存储在存储器部分168的校准部分173中的测量距离Z1(以微米为单位)，如下面关于图4A和4B所描述的。根据先前已知的方法，DIC可以根据包含在峰区域中的强度谱数据的质心来确定。在各个实施方案中，可以使用谱数据来确定具有子像素分辨率的DIC，如下文更详细描述的。

应当理解，在工件170透明的实施方案中，与上述那些相似的操作原理可以适用于到工件表面190-1和190-2的测量距离的确定。更具体地，在测量操作期间，光被光学器件部分150聚焦在工件表面190-1和190-2上(即，对于所述聚焦，光中的一些光穿过工件表面190-1到达工件表面190-2)。从工件表面190-1和190-2反射的光被光学器件部分150重新聚焦到孔口195上。由于其轴向色度色散，仅一个波长将具有与测量距离“Z1”相匹配的聚焦距离，所述聚焦距离是从相对于光学元件120固定的参考位置RP到工件表面190-1上的位置的距离，并且类似地，仅一个波长将具有与测量距离“Z2”相匹配的聚焦距离，所述聚焦距离是从参考位置RP到工件表面190-2上的位置的距离。最佳聚焦在工件表面190-1和190-2上的定位处的波长是孔口195处的最佳聚焦的波长。因此，主要是最佳聚焦的波长穿过孔口195并进入光纤电缆112的光纤113的芯中。光纤电缆112将信号光路由到波长检测器162，所述波长检测器用于确定具有占主导地位的强度的波长，所述波长对应于到工件表面190-1和190-2上的相应的定位的测量距离。如将在下面关于图5B更详细地描述的，由于工件材料的折射率，在各个实施方案中，到工件表面190-2的所指示的测量距离可以是与测量距离Z2相关(例如，等式3-5等所展示的)的表观测量距离Z2'。

谱数据(例如，参见图5A)的两个对应的子像素分辨率指示距离的坐标(DIC)由信号处理器166计算，并且两个DIC(以子像素为单位)指示经由距离校准查找表等的存储在存储器部分168的校准部分173中的相应的测量距离(以微米为单位)，如下面关于图4A和4B所描述的。根据先前已知的方法，两个DIC可以根据包含在两个对应的峰区域中的每个峰区域中的强度谱数据的质心来确定。在各个实施方案中，可以使用谱数据来确定具有子像素分辨率的两个DIC，如下文更详细描述的。在各个实施方案中，还可以或替代地确定对应于表观测量距离Z3'的DIC(例如，由两个合并的波长峰的质心计算产生)，所述DIC与实际测量距离Z3相关(例如，等式6-10等所展示的)。如下文将更详细地描述的，距离Z3可以位于距离Z1与Z2之间并且可以对应于到工件170内部的位置，如位于工件表面190-1与190-2之间的中点处的位置的距离。

如图1进一步展示的，用户接口部分171耦接到电子器件部分160并且被配置成接收供CRS系统100进行操作的用户输入，如用于通过任何合适的方式，如键盘、触摸传感器、鼠标等来选择各种操作参数的用户命令。在示例性实施例中，用户接口部分171可以包含可由用户操作以选择CRS系统100的多种操作模式(例如，厚度测量模式和/或距离测量模式等)之一的一个或多个操作模式选择元件(例如，用户可选按钮)。用户接口部分171还被配置成在屏幕上显示信息，如由CRS系统100成功确定/测量的距离和/或厚度。如下文将更详细描述的，在各个实施方案中，存储器部分168可以包含厚度测量部分169和距离测量部分172，如可以实施对应的模式和/或另外可以提供对应的操作。此类对应的模式和/或操作可以用于测量工件的厚度(例如，对应于第一工件表面与第二工件表面之间的间隔的厚度)和/或到工件表面的距离等。在各个实施方案中，厚度测量部分169和距离测量部分172和/或与其相关联的操作可以合并和/或另外可能不区分。

图1包含作为参考系的正交XYZ坐标轴。Z方向被定义为平行于光学元件120的光轴(OA)，所述OA为距离测量轴。如图1所展示的，在操作期间，工件170沿光轴OA放置，并且可以安装在平移台175上，所述平移台可以有利地对齐使得其沿由导引轴承175A约束的Z轴方向平移。

图2的以下描述概述了某些已知的背景信号处理和/或校准操作。图2是来自CRS系统的系统噪声(偏置)谱的图200，其展示了当CRS系统的标称总测量范围内不存在测量表面时检测器阵列163中的像素的电压偏移信号电平Voffset(p)。在此情况下，不存在有意反射的光，并且因此在所产生的强度谱中不存在显著或占主导地位的波长峰。对于沿“波长”测量轴的1,024个像素中的每个像素，电压偏移信号Voffset(p)以归一化伏特为单位进行绘制。“归一化伏特”将值1.0分配给检测器阵列163的饱和电压。电压偏移信号Voffset(p)包含跨检测器阵列相对一致的偏置信号电平Vbias以及跨检测器阵列显示为变化的背景信号分量Vback(p)。

以下对图3、4A、4B、5A和5B的描述概述了某些信号处理操作，所述信号处理操作基于CRS系统的波长色散的强度谱中产生的有效波长峰确定具有子像素分辨率的指示距离的坐标(DIC)并且基于确定的DIC确定到工件表面的测量距离(例如，以微米为单位)。此处概述的某些操作在'456专利中进行了更详细的描述。本说明书的目的是提供可用于全面理解如本文描述的某些CRS测量操作的另外的背景信息。

图3是来自CRS系统的波长色散的强度谱的图300，其展示了由测量谱信号MS(p)的子集产生的有效波长峰302，所述有效波长峰指示聚焦在工件(例如，不透明的)的单个测量表面上并由所述单个测量表面反射的波长。在此实例中，图300包含对应于非透明工件的单个反射表面(例如，顶表面)的单个波长峰302。测量谱信号MS(p)中的每个测量谱信号具有与检测器阵列(例如，检测器阵列163)的每个像素p相关联的信号电平(以归一化伏特表示)。波长峰302具有足够的高度(良好的信噪比)，相对对称，并且允许沿检测器阵列的测量轴对峰位置进行良好估计或测量指示距离的坐标(DIC)304。图3还示出了偏置信号电平MVbias(以归一化伏特为单位)、峰像素坐标(ppc)和定义形成波长峰302的测量谱信号MS(p)的指示距离的子集的下限的数据阈值MVthreshold。所有值(例如，包含“MV”值)以归一化伏特为单位。

简而言之，在一个实施例中，用于确定指示距离的坐标(DIC)(以像素为单位)并基于所确定DIC确定对应的测量距离(以微米为单位)的测量操作可以包含以下：

●沿光轴OA定位目标表面，并且捕获如图300中的所产生的波长色散的强度谱。

●确定峰像素坐标(ppc)，所述ppc为具有最高信号的像素。

●确定给定采样速率下的测量偏置信号电平MVbias。

●确定数据阈值MVthreshold(例如，以峰高度的百分比的形式)。

●基于形成具有大于MVthreshold的值的波长峰的测量谱信号MS(p)的指示距离的子集，确定具有子像素分辨率的指示距离的坐标(DIC)。

●通过将DIC与所存储的距离校准数据(例如，图4A中的距离校准曲线或图4B中的查找表等)中的对应的距离相关联来确定测量距离。

在前述操作中，DIC可以基于高于数据阈值MVthreshold的测量谱信号MS(p)的指示距离的子集，利用子像素分辨率确定。根据先前已知的方法，DIC可以被确定为信号MS(p)的指示距离的子集的质心X_C的子像素分辨率坐标。例如，对于具有1024个像素(即，每个像素具有从1到1024的对应像素数编号(p))的检测器，质心X_C可以根据以下确定：

其中，

在一个具体实例中，等式1中n＝2。应当理解，等式2将质心计算中使用的信号MS(p)限制为指示距离的子集。

图4A是CRS测量距离校准数据410A的图400A，其将具有子像素分辨率的指示距离的坐标(DIC)与以微米为单位的沿CRS的光轴(OA)的已知测量距离(ZOUT)(例如，存储在图3的校准部分173中)相关联。应当理解，图4A的特定值仅旨在是说明性的，并且可能不对应于其它实例中指示的特定值(例如，关于图1-3描述的某些值和/或如将在下面更详细地描述的图4B的具体表值，但是应当理解，这些概念是类似的)。图4A中所示的实例针对具有300微米的标称总测量范围MR的光学元件(例如，光学笔)，所述标称总测量范围对应于大约150像素-490像素范围内的DIC。然而，如果期望，可以在检测器阵列163的更大像素范围内对CRS系统进行校准。确定CRS测量距离校准数据410A的一种示例性实验室校准方法采用沿光轴OA(例如，以大约0.1或0.2微米的步长)移动的镜(例如，代替图1的表面190-1)。对于每个实际镜位置，CRS系统的对应校准DIC是基于如上文关于图3所述的对应强度谱数据确定的。然后记录校准DIC和对应的实际位置(沿光轴OA以微米为单位)以提供校准数据410A。在工件测量操作(例如，以确定到工件表面，如工件表面190-1的测量距离)期间，CRS系统获得的测量DIC参考所存储的校准数据410A来确定对应于测量DIC的测量距离ZOUT。尽管距离校准数据410A表现为形成平滑曲线，但应当理解，在一些情况下，典型的CRS系统，尤其是经济型CRS系统的距离校准数据和/或输出光谱数据可以表现出某种短范围的变化/不规则性(例如，美国专利第7,876,456号中部分所述，所述美国专利在此通过引用以其整体并入本文)。

图4B是用于将指示距离的坐标引用到色度点传感器的测量距离(例如，存储在图3的校准部分173中)的CRS距离校准查找表410B的图400B。如上所述，应当理解，图4B的表值旨在仅是说明性的，并且可能不对应于其它实例中指示的特定值，如图4A中的那些，但是对于其它实例应当理解，概念是类似的。在图4B中，在左列中，校准DIC条目涵盖1到1,024的像素坐标，增量为0.1个像素步长，并且在右列中，输入对应的测量距离(以微米为单位)(ZOUT)。在操作中，由CRS系统计算的测量DIC参考所存储的校准查找表来确定对应的测量距离(以微米为单位)。如果测量DIC落入相邻的校准DIC值之间，则可以通过内插确定测量距离。在图4B的实例中，针对接近像素位置为大约104、604和990的DIC的一些小范围示出了一些具体的示例值，其中对应的测量距离在接近37微米、381微米和486微米的范围内。

在操作中(例如，对于如图3所示的到单个工件表面190-1的距离测量)，光学笔120连接到CRS电子器件部分160并且相对于工件表面190-1可操作地定位以执行测量操作。测量操作包含光学笔120输入来自照明源164的输入光谱并将对应的辐射输出到工件表面190-1，并且从工件表面190-1接收所反射辐射并输出所反射辐射以为然后提供输出光谱数据的CRS波长检测器162提供输出光谱。输出光谱包含距离相关的谱分量和与距离无关的谱分量。距离相关的谱分量具有波长峰(例如，图3中的峰302)，所述波长峰指示从光学笔120到工件表面190-1的测量距离(例如，测量距离Z1)。如上所述，由CRS系统根据质心计算确定的测量DIC参考所存储的校准数据(例如，图4A或4B)以确定对应于测量DIC的测量距离(例如，测量距离Z1)。如果测量DIC落入在相邻的校准DIC值之间，则可以通过(例如，在对应于相邻的校准DIC值的测量距离之间)内插来确定对应于测量DIC的测量距离。

与图3的与确定到单个工件表面的测量距离相关的实例相反，如下面将更详细地描述的，图5A展示了用于确定到第一工件表面和第二工件表面的测量距离(例如，图1的分别到顶部工件表面190-1和底部工件表面190-2的测量距离Z1和Z2)的实例。此类技术(例如，在本文中有时被称为“质心类型的技术”)可以用于确定工件的厚度(例如，至少部分基于如对应于由质心计算确定的DIC的测量距离Z1与Z2'之间的差)。然而，如下文将更详细地描述的(例如，具体地关于图6-9H所描述的)，根据本文公开的原理，可以利用某些替代技术来确定工件厚度，这具有某些优点(例如，包含对某些工件的更准确的厚度确定等)。

图5A是来自CRS系统的波长色散的强度谱的图500A，其展示了有效波长峰502-1和502-2。波长峰502-1由测量谱信号MS(p)的第一子集产生，所波长峰指示聚焦在第一测量表面(例如，工件170的表面190-1)上并由所述第一测量表面反射的第一波长。有效波长峰502-2由测量谱信号MS(p)的第二子集产生，所述有效波长峰指示聚焦在第二测量表面(例如，工件170的表面190-2)上并且由第二测量表面反射的第二波长。在此实例中，工件(例如，工件170)可以是透明的，因此允许通过第一测量表面190-1查看第二测量表面190-2(例如，对于所述查看，来自光学笔120的光中的一些光穿过第一测量表面190-1以被第二测量表面190-2反射)。

测量谱信号MS(p)中的每个测量谱信号具有与检测器阵列(例如，检测器阵列163)的每个像素p相关联的信号电平(以归一化伏特表示)。有效波长峰502-1和502-2中的每个有效波长峰具有足够的高度(良好的信噪比)，相对对称，并且允许沿检测器阵列的测量轴对相对峰定位进行良好估计并且确定指示距离的坐标(DIC)504-1或504-2(即，利用质心计算)。图5A显示了偏置信号电平MVbias(以归一化伏特为单位)、峰像素坐标(ppc1和ppc2)和定义了形成对应的波长峰502-1和502-2的测量谱信号MS(p)的指示距离的子集的下限的数据阈值MVthreshold。所有值(例如，包含“MV”值)以归一化伏特为单位。

在操作中(例如，对于两个工件表面测量)，光学笔120连接到CRS电子器件部分160并且相对于工件170(即，包含工件表面190-1和190-2)可操作地定位以执行测量操作。测量操作包含光学笔120输入来自照明源164的输入光谱并将对应的辐射输出到工件表面190-1和190-2，并且从工件表面190-1和190-2接收所反射辐射并输出所反射辐射以为然后提供输出光谱数据的CRS波长检测器162提供输出光谱。输出光谱包含距离相关的谱分量和距离无关的谱分量。距离相关的谱分量具有分别指示从光学笔120到工件表面190-1和190-2的测量距离的波长峰(例如，图5A中的峰502-1和502-2)。如上所述，由CRS系统计算(即，使用质心计算)的测量DIC 504-1和504-2参考所存储的校准数据(例如，图4A或4B)以确定对应于测量DIC的测量距离(例如，测量距离Z1和Z2')。如果测量DIC中的任一个或两个落入相邻的校准DIC值之间，则可以通过内插确定对应于测量DIC的测量距离。在各个实施方案中，并且根据先前已知的技术，工件170的厚度d可以根据所确定测量距离之间的差来确定，如下面将关于图5B更详细地描述的。

图5B是展示了到透明工件170的顶表面190-1和底表面190-2的测量距离的图500B，包含到底表面190-2的实际测量距离Z2和表观测量距离Z2'。如图5B中所示，射线R1A和R1B(例如，来自光学器件部分150)被示出为聚焦在工件表面190-1处(即，对应于最佳聚焦在工件表面190-1处的波长)，并且产生了图5A中的具有指示测量距离Z1的对应DIC 504-1的波长峰502-1。还如图5B中所示，射线R2A和R2B(例如，来自光学器件部分150)被示出为聚焦在工件表面190-2处(即，对应于最佳聚焦在工件表面190-2处的波长)，并且产生了图5A中的具有指示表观测量距离Z2'的对应DIC 504-2的波长峰502-2。由于工件材料在对应波长处(即，对应于波长峰502-2)的折射率，表观测量距离Z2'不同于实际测量距离Z2。

更具体地，如图5B所示，一旦射线R2A和R2B进入工件170，射线就在由于折射率而产生的如射线部分R2A'和R2B'所示导致聚焦在工件表面190-2处的对应于实际测量距离Z2的角度变化的情况下穿过工件材料。然而，工件内的所投影的射线部分R2A-P和R2B-P(即，没有角度变化)指示对应于表观测量距离Z2'的焦点，所述表观测量距离对应于具有对应DIC504-2的波长峰502-2。下面将更详细地描述说明各个距离之间关系的一些等式。

实际测量距离Z1和Z2与实际工件厚度d之间的关系可以由以下等式3表征：

d＝Z2-Z1 (等式3)

类似地，实际测量距离Z1和表观测量距离Z2'与表观工件厚度d'之间的关系可以由以下等式4表征：

d'＝Z2'-Z1 (等式4)

实际工件厚度d与表观工件厚度d'之间的关系可以由以下等式5表征：

d＝(d')(n) (等式5)

其中n为工件材料在对应波长处的折射率(例如，对应于波长峰502-2)。上述等式使得能够基于如图5A的那些测量谱信号MS(p)来确定工件厚度d。更具体地，图5A的所确定DIC504-1和504-2指示经由距离校准查找表等的存储在存储器部分168的校准部分173中的相应的测量距离Z1和Z2'，如上面关于图4A和4B进行了描述的。测量距离Z1和Z2'可以用于根据如等式4的那些的计算来确定表观工件厚度d'的测量结果。然后可以使用表观工件厚度d'的测量结果以根据如等式5的那些计算来确定实际工件厚度d的测量结果。如下文将更详细地描述的，距离Z3可以位于距离Z1与Z2之间(例如，可以是距离Z1和Z2的平均值并且可以延伸到实际厚度d的中点)，并且相关距离Z3'可以位于距离Z1与Z2'之间(例如，可以是距离Z1和Z2'的平均值并且可以延伸到表观厚度d'的中点)。

作为另一实例，图5A还展示了来自CRS系统的波长色散的强度谱的虚线表示，其中波长峰502-1a和502-2a具有对应的峰像素坐标ppc1a和ppc2a。波长峰502-1a和502-2a与波长峰502-1和502-2相似，不同之处在于其更靠近在一起，使得峰和测量谱信号510a的对应的第一子集和第二子集部分合并。在各个实施方案中，此实例可以对应于相对较薄的工件170的版本(即，对于所述相对较薄的工件在相对更靠近在一起的顶表面与底表面之间几乎无间隔)。如所展示的，根据先前已知的技术(例如，利用质心计算来确定DIC)，对于确定到相应表面的测量距离，以及对于确定如对应于所确定测量距离之间的差的工件厚度，这可能会出现某些问题。例如，在一个实施方案中，如上所述的处理可能导致对部分合并的波长峰502-1a和502-2a的评估，所述评估(例如，根据如上面关于等式1和2描述的质心计算)可以实现对如仅对应于到工件的单个所确定测量距离的单个DIC 504a的确定。在其它实施方案中，所述处理可以实现对两个DIC的确定，但是对于所述确定，将理解的是，波长峰502-1a和502-2a的部分合并在一些情况下可以实现对应的DIC的确定和/或在一些情况下可以提供所述确定的误差消息(例如，指示对应的DIC的确定存在问题)。在任何上述情况下，工件的厚度的对应确定可能是有问题的(例如，可以具有某种不准确或可能无法以其它方式确定等)。

根据本发明的各个实施例，CRS系统配备有用于确定工件厚度的新颖方法，所述方法即使对于相对较薄的工件(例如，在各个实施方案中，具有小至7微米，或5微米或3微米的厚度)也会产生较高的准确度。具体地，在一个示例实施方案中，CRS电子器件部分160(图1)包含厚度测量部分169，所述厚度测量部分可以由CRS系统用于执行根据本文公开的原理进行的对工件的厚度测量，并且可以由CRS系统100利用的距离测量部分172用于执行到工件的一个或多个表面的一个或多个距离测量(例如，根据先前已知的技术)。在各个实施方案中，可以响应于通过用户接口171接收到的用户输入或者自动地进行对厚度测量模式或操作(例如，利用厚度测量部分169)或距离测量操作或模式(例如，用于距离测量部分172)的选择。例如，响应于相对于工件(例如，透明工件)定位光学笔，可以自动或手动选择厚度操作或模式以确定工件的厚度。

如下文将更详细地描述的，在厚度测量操作或模式的各个实施方案中，信号处理器166可以执行如存储在存储器部分168的厚度测量部分169中的算法(例如，包括变换或其它处理)。所述算法(例如，利用变换处理)是对从波长检测器162输出以确定工件的厚度的光谱数据执行的。在操作中，光学笔120连接到CRS电子器件部分160并且相对于工件170可操作地定位以执行厚度测量操作。厚度测量操作包含光学笔120输出来自照明源164的输入光谱并将对应的辐射输出到工件170的两个表面190-1和190-2(即，“表面1”和“表面2”)。光学笔120从两个表面接收所反射的辐射并将所反射的辐射输出到CRS波长检测器162，所述CRS波长检测器然后提供输出光谱数据，对于所述CRS波长检测器，基于对输出光谱数据的处理(例如，利用变换处理，如傅里叶变换处理或傅里叶相关变换处理等)确定工件厚度。

图6是流程图，其展示了操作CRS系统100以确定工件厚度的示例性方法600。在框610处，提供了一种CRS系统，其包括：光学笔120，所述光学笔包括共聚焦光学路径，所述共聚焦光学路径包含光学器件部分150，所述光学器件部分提供轴向色度色散并且被配置成聚焦接近工件170的不同距离处的不同波长；照明源164；以及CRS波长检测器162，所述CRS波长检测器包括多个像素，所述多个像素的相应像素位置沿所述CRS波长检测器的测量轴分布，其中所述多个像素接收相应的波长并且提供输出光谱数据。在框620处，利用相对于工件可操作地定位以执行测量操作的光学笔操作CRS系统100，所述测量操作包含所述光学笔输入所述输入光谱并将对应的辐射输出到所述工件的第一工件表面和第二工件表面，并且从所述第一工件表面和所述第二工件表面接收所反射辐射并将所述所反射辐射输出到提供所述输出光谱数据的所述CRS波长检测器。

在决定框630处，关于是否要确定一个或多个测量距离来进行确定。如果未确定一个或多个测量距离，则该方法进行到框650，如下文将更详细地描述。如果要确定一个或多个测量距离，则方法进行到框640，在所述框处对输出光谱数据进行处理以确定到工件的一个或多个测量距离(例如，其中所述用于确定测量距离的处理可以包含确定指示对应于CRS波长检测器的指示测量距离的像素位置的指示距离的坐标)。

从框640开始，或者如果在框630处未确定一个或多个测量距离，则方法进行到框650，在所述框处，对输出光谱数据进行处理以确定对应于工件的第一工件表面与第二工件表面之间的间隔的工件的厚度(例如，其中所述用于确定所述厚度的处理不依赖于到工件的所确定测量距离和/或可以利用如傅里叶变换处理或其它傅里叶相关的变换处理等变换处理)。在各个实施方案中，傅里叶相关的变换处理可以包含与傅里叶分析相关的函数的线性变换(例如，可以将函数映射到基函数的一组系数，其中基函数可以是正弦的并且可以定位在频谱中)。一些实例包含余弦变换、正弦变换、拉普拉斯变换等。

如上所述(例如，关于图5A的虚线测量谱信号510a等)，在各个实施方案中，可能难以确定工件的(例如，由于至少部分合并的波长峰的薄工件的)相对表面的准确指示距离的坐标。在一些情况下，波长峰可以合并到仅可以确定单个指示距离的坐标(例如，图5A的DIC504a)的程度。在其它情况下，可以确定两个指示距离的坐标，但是对于所述确定，由于波长峰的合并可能存在不准确和/或处理问题(例如，对于所述确定，针对第一波长峰的用于确定对应的第一指示距离的坐标的质心计算可能会部分地偏斜或另外受合并的第二波长峰的影响，反之亦然)。由于此类潜在问题，在一些情况下令人期望的是能够确定工件的厚度，而不需要使用如上述先前已知技术的那些质心计算来进行距离确定。如下文将更详细地描述的，本文公开了用于确定工件厚度的替代技术(例如，利用变换处理)。

在各个实施方案中，通过先前已知的技术确定的一个和/或多个距离仍然可以提供有用的信息(例如，所述信息在一些情况下可以与根据本文公开的原理确定的厚度组合使用)。例如，如下面将更详细地描述的(例如，关于等式6-10)，在一些情况下，(例如，在框640处)所确定到工件的测量距离可以与根据本文公开的原理确定(例如，在框650处)的工件的厚度组合使用。

如上所述，在一些情况下，对应于两个相对的工件表面的波长峰可以合并到仅可以确定单个指示距离的坐标(例如，图5A的DIC 504a)的程度。在一些实施方案中，此指示距离的坐标(例如，图5A的DIC 504a)可以表示测量距离，如图5B的距离Z3'。距离Z3'位于距离Z1与Z2'之间(例如，并且可以对应于距离Z1和Z2'的平均值并且可以延伸到表观厚度d'的中点)。距离Z3'与距离Z3相关，其类似于工件170内部的位于第一工件表面190-1与第二工件表面190-2之间的点。在一些实施方案中，对应于距离Z3的工件内部的点可以位于第一工件表面190-1与第二工件表面190-2之间的中点处，对于所述工件，距离Z3对应于到相应的第一工件表面190-1与第二工件表面190-2的第一距离Z1和第二距离Z2的平均值(例如，对于所述工件，距离Z3延伸到实际厚度d的中点)。

例如，关于图5A的如对应于工件170的薄版本的虚线测量谱信号510a，如果对应于工件表面190-1和190-2(例如，具有峰像素坐标ppc1a和ppc2a)的波长峰502-1a和502-2a具有相似的特性(例如，具有相似的大小等)，则质心或相似的计算可能会产生大约/标称地位于两个波长峰之间的中点处的指示距离的坐标(例如，DIC 504a)。在此情况下，对应的测量距离(例如，距离Z3')大约为第一距离Z1和第二距离Z2'的平均值。在一些实施方案中，此所确定测量距离(例如，距离Z3')可以与工件的所确定厚度d(例如，在框650处确定的)组合使用以确定到第一工件表面190-1和第二工件表面和190-2的第一测量距离Z1和/或第二测量距离Z2。例如，如果假设距离Z3'位于距离Z1与Z2'之间的中点处，并且如果表观厚度d'对应于距离Z1与Z2'之间的差(对于所述表观厚度d'＝Z2'-Z1)，并且如果假设工件170的厚度d和工件表面190-1对应于190-2之间的间隔(对于所述厚度d＝Z2-Z1)，则以下等式表示各个距离之间的关系中的一些关系：

Z1＝Z3-(d/2) (等式6)

Z2＝Z3+(d/2) (等式7)

Z1＝Z3'-(d'/2) (等式8)

Z2'＝Z3'+(d'/2) (等式9)

根据上述等式，在各个实施方案中，确定的工件厚度d可以与确定的距离(例如，距离Z3'作为距离Z1和Z2'的平均值)组合使用以便确定到工件表面的距离(例如，到工件表面190-1的距离Z1)。例如，以下等式10由等式5和8组合产生：

Z1＝Z3'-(d/2n) (等式10)

并且对于所述等式然后也可以确定Z2(例如，根据等式3)。

如上所述，在一些情况下，根据先前已知的技术，处理可以产生对应于部分合并的两个波长峰的两个DIC。在一些情况下，两个所确定DIC可能具有某种不准确性(例如，由于合并的峰)。在一些此类实施方案中，(例如，对于所述实施方案，可以假设两个DIC已经由于合并的峰而朝中点偏斜了相似的量)可以对与两个DIC相对应的两个测量距离求平均以确定近似的中点测量距离(例如，类似于距离Z3')，所述近似的中点测量距离然后可以与工件的所确定厚度d(例如，在框650处确定的)组合使用以提供对距离Z1和Z2的更准确的确定(例如，通过利用如等式10等的处理)。

在一些实施方案中，对于给定的一组输出光谱数据，可以进行选择和/或可以执行处理以确定是否应根据本文公开的原理，或者可替代地根据先前的已知方法来确定工件的厚度(例如，利用质心计算来确定指示距离的坐标和测量距离之间的对应的差，如上面关于图5A的DIC 504-1和504-2以及等式4和5所描述的)。例如，对于某个工件(例如，波长峰与对应的峰合并或其它问题之间分离很小的相对较薄的工件)，用户可以选择和/或可以执行处理(例如，自动地)来确定是否应该使用如本文公开的技术来确定厚度。可替代地，对于某个工件(例如，波长峰之间的分离相对显著并且没有任何显著的峰合并问题等的相对较厚的工件等)，用户可以选择和/或可以执行处理(例如，自动地)来确定是否应利用先前已知的方法来确定厚度。在一些实施方案中，此类确定可以至少部分地基于利用先前已知的方法和本文公开的技术两者处理输出光谱数据来进行，并且针对给定实施方案，对不同的结果进行比较/分析来确定哪种厚度确定技术可以是优选的/可以利用(例如，最准确、最实用等)(例如，这也可能取决于另外的因素，如所利用的特定光学笔/CRS系统的测量范围等)。

图7A-7D展示了使用变换处理作为解卷积方法的一部分的厚度测量过程。解卷积用于提高对两个波长峰的定位的确定，所述波长峰可能没有很好地限定和/或没有彼此很好地分离。具体地，在一方面，去卷积用于减小峰宽度，从而可以更好且更准确地确定两个峰之间的距离(例如，根据对应的计算等)。

图7A展示了从波长检测器162输出的强度谱(或“输出光谱数据”)701，所述强度谱包括作为像素坐标或“像素位置”(横轴)的函数的信号电平或强度(纵轴)，类似于图3、5A和10A-10F，如上所述。强度谱701包含如对应于第一工作表面和第二工件表面(例如，图1的工件表面190-1和190-2)的第一波长峰702-1和第二波长峰702-2。

在各个实施方案中，被执行以确定工件(例如，工件170)的厚度的变换处理可以包含计算如图7B中的输出光谱数据701的变换(例如，傅里叶变换)。然后，可以将输出光谱数据的傅里叶变换除以参考的傅里叶变换(例如，图7C所展示的)，以由此获得目标光谱数据的傅里叶变换。在各个实施方案中，参考可以是数学参考函数(例如，洛伦兹参考(Lorentzian reference)等)。在其它实施方案中，参考可以例如以获得的“参考”工件(例如，对于所述工件，其顶表面位于离光学笔的距离与离工件表面190-1的距离相同的距离处)的输出光谱数据的形式获得，所述参考工件这可以是厚玻璃工件，使得在输出光谱数据中呈现仅从顶表面的反射(例如，对于所述工件，厚玻璃工件的底表面可能超出光学笔的范围，或在其它方面使得输出光谱数据中不包含来自底表面的反射)。最后，计算目标光谱数据的傅里叶变换的反傅里叶变换，以恢复如图7D中的第一波长峰702-1x和第二波长峰702-2x，对于所述波长峰，像素定位能更容易/更准确地确定并且由此使得能够增强和提高对包含在图7A的输出光谱数据701中的原始的两个峰702-1和702-2的对应像素定位的确定。在各个实施方案中，如通过像素定位指示的峰的定位然后可以参考距离校准查找表等(例如，如上文关于图4A和4B所描述的)来确定距离Z1和Z2'，对于所述确定工件的厚度d可以根据如等式4和5的那些计算确定。

如下文将关于图8-9H更详细地描述的，本文进一步公开了另外的技术，所述另外的技术在一些实施方案中可以具有优于如关于图7A-7D所示的那些技术的某些优势。例如，参考图7A-7D描述的去卷积类型的技术可以提高并增强输出光谱数据中的两个峰的像素定位的确定，但是对于所述确定，在一些实施方案中，除以参考(例如，图7C)可能使与谱数据的傅里叶变换中的高频噪声相关联的信号部分增加。虽然可以通过使用低通滤波器来减轻此高频噪声，但是对此低通滤波器进行微调可能会带来某些挑战(例如，对滤波器进行微调需要实现窄峰与信号稳定性之间的平衡等)。在各个实施方案中，这些潜在问题中的至少一些问题可以通过可替代地利用如以下关于图8-9H更详细描述的那些技术来解决。

图8展示了使用变换处理(例如，包含快速傅里叶变换(FFT)处理)的厚度测量过程的某些方面。图8中展示的某些曲线与图7A-7D中展示的某些曲线相似和/或相关，如下文将更详细地描述的。图8展示了作为强度谱的傅里叶变换(或“输出光谱数据”)的原始数据傅里叶变换曲线801，所述曲线包含作为频率的函数(像素^-1)(横轴)的信号电平(绝对值的对数标度)(纵轴)，并且对于所述曲线将傅里叶变换确定为曲线801类似于确定图7B的傅里叶变换曲线。解卷积输出曲线802展示了与以上关于图7C描述的那些类似的过程的结果，其中对于所述过程，将傅里叶变换曲线801除以参考的傅里叶变换，并且对于所述过程在此实例中，未利用低通滤波器来减轻高频噪声，并且因此曲线802中的噪声分量被示为对于较高频率分量有所增加(例如，以指数方式或以其它方式)。下文关于曲线803更详细地描述了避免此类问题的技术。

关于曲线803，应当理解，对于包含对应于相等强度的两个反射(即，来自两个工件表面)的两个波长峰的谱，在对应于顶表面的测量距离Z1以及对应于底表面的表观测量距离Z2'被指示为处于离对应的中点(例如，对应于表观中点测量距离Z3')相等的距离处+d'/2和–d'/2(例如，参见等式8和9)的情况下，强度谱数据的包含相等强度的两个反射的理想的傅里叶变换是傅里叶变换余弦曲线803，如图8以及根据以下等式11所展示的：

F(δ(x-d'/2)+δ(x+d'/2))＝2cos(k(d'/2)) (等式11)

其中d'工件的表观厚度，并且k是空间频率。

在各个实施方案中，图7A-7D的过程可以表征为试图恢复类似于图8的余弦曲线803的余弦曲线，但对于所述曲线如上所述需要低通滤波器来减轻如曲线802中所展示的增加的高频噪声，并且对于所述曲线对低通滤波器进行微调可能存在某些挑战。根据本文公开的原理，由于预期理想的最终结果将是余弦曲线，因此替代方法是确定傅里叶变换的绝对值(例如，输出复数的FFT的绝对值)的第一谷，所述第一谷指示余弦周期以及对应地工件厚度，如以下等式12所指示的：

其中d是工件的厚度，n是工件材料在对应的波长处的折射率(即，根据等式5，对于所述厚度d＝(d')(n))，并且f_谷的单位是1/λ。项

与z相对于像素位置/波长的变化率有关，对于所述变化，如图4A中通过CRS测量距离校准数据410A的曲线部分展示的，对于像素变化单位z的变化对于更低的波长/像素位置而言较高(例如，更接近范围的蓝色波长部分)，而对于较高波长/像素位置则较低(例如，更接近范围的红色波长部分)。这通过图4B的距离校准查找表410B中的示例值类似地进行了说明，对于所述值对于0.1的DIC变化z的变化(即测量距离)对于较低的DIC而言较高(例如，z的变化在104.1与104.2的DIC之间为37.0303μm-36.9029μm＝0.1274μm)并且对于较高的DIC而言则较低(例如，z的变化在990.1与990.2的DIC之间为486.6733μm-486.6540μm＝0.0193μm)。如上所述，所利用的范围的所述部分是根据工件离光学笔的距离确定的(例如，根据最佳聚焦在孔口195处的波长，如上文关于图1-3所描述的)。在一些特定的示例值的情况下，在一个实施方案中，在范围的蓝色波长部分中

并且在范围的红色波长部分中

在与等式12和图8的图示相关的一些特定示例值的情况下，如果工件材料是具有使得n＝1.46的折射率的熔融二氧化硅，并且工件相对于光学笔定位在

的范围的一部分中，并且图8中沿x轴的f_谷的值/定位对应于0.16，则根据等式12，可以根据d＝(1.46(5.49μm/像素))/(2(0.16/像素))＝25μm确定厚度。因此，根据本发明的各个示例性方面，可以利用变换处理(例如，利用快速傅里叶变换(FFT))来确定傅里叶变换曲线801的第一谷804(例如，其指示余弦周期)，并基于此可以确定工件的厚度“d”(例如，根据诸如示例等式12的计算)。

在各个实施方案中，f_谷的值可以根据谷发现算法(例如，在一些实施方案中可以类似于或包含已经被重新用作谷发现算法的峰寻找算法)来确定。在各个实施方案中，此类算法可以包含如取导数和搜索零交叉(例如，对应于第一谷的第一零交叉等)等操作。在各个实施方案中，可以通过平滑化和/或阈值化操作等来抑制或另外解决可能由于噪声或类似因素而另外发生的假峰/谷。

如上所述，在各个实施方案中，本文公开的某些技术(例如，通过等式12展示的)可以实现对与利用先前已知的技术可以测量的工件相比更薄的工件的准确厚度测量/确定。作为一些实例，下面将更详细地描述对可利用先前已知的技术测量的最小厚度的一些计算，并会将其与可利用本文公开的技术测量的最小厚度进行比较。

以下数值实例与用于根据所计算的质心值确定DIC的先前已知的质心类型的技术有关(例如，上文关于图5A的指示距离的坐标504-1和504-2所描述的)。在一个具体示例实施方案中，可以提供CRS系统的光学笔，对于所述光学笔在范围的蓝色波长部分中

并且在范围的红色波长部分中

在一个实施方案中，可以确定，当利用如上所述的先前已知的质心类型的技术时，可以在峰分开至少一个完整宽度的半最大(FWHM)值时测量波长峰(即，对于所述波长峰可以准确地确定其像素位置)，在所述范围的蓝色波长部分中所述值可以对应于FWHM＝3个像素，并且在所述范围的红色波长部分中所述值可以对应于FWHM＝6个像素。在此实施方案中，在对于玻璃工件n＝1.5的情况下，可以能够准确地测量的工件的最小厚度为

对于以上针对所述范围的蓝色波长部分所指示的值，所述厚度可以对应于d_最小＝36μm，并且对于以上针对所述范围的红色波长部分所指示的值，所述厚度可以对应于d_最小＝18μm。

相比之下，根据本文公开的某个技术(例如针对某些“第一谷”类型的技术通过等式12展示的)，假设利用具有相同的光学笔的相同CRS系统，可以准确地测量的工件的最小厚度可以近似对应于奈奎斯特频率(Nyquist frequency)，对于所述频率，f_谷可能大致等于0.5，并且对于所述频率等式12因此可以简化为

所述频率对于所述范围的蓝色波长部分可以对应于d_最小＝12μm(即，大约为如上所述先前已知的质心技术的d_最小＝36的1/3或33.3％)，并且所述频率对于所述范围的红色波长部分可以对应于d_最小＝3μm(即，其大约为如上所述先前已知的质心技术的d_最小＝18μm的1/6或16.7％)。

另外，根据本文公开的某另一技术(例如，对于某些“解卷积”类型的技术以上相对于图7A-7D所描述的)，假设利用具有相同的光学笔的相同CRS系统，在一个实施方案中，已经以实验方式确定了可以准确地测量的工件的最小厚度可以对应于大约(0.85)FWHM的峰分离，对于所述光学笔，所述范围的蓝色波长部分可以对应于d_最小＝30.6μm(即，其如上所述先前已知的质心技术的d_最小＝36的85％)，并且对于所述光学笔，所述范围的红色波长部分可以对应于d_最小＝15.3μm(即，其为如上所述先前已知的质心技术的d_最小＝18的85％)。应当理解，鉴于CRS系统的光学笔的复杂性，对可测量厚度范围的此提高难以获得，并且可能特别有利于某些实施方案(例如，对于所述实施方案，对某些薄工件和/或工件部分的厚度的准确测量可能是期望的等等)。

进一步关于上文关于图8描述的“第一谷”类型的技术中的某些技术，图9A-9D中展示所被确定的第一谷的某些另外的实例。图9A-9D的实例展示了，无论工件(例如，厚度＝25μm)在相对于光学笔120的可操作测量范围内的位置如何，图8的处理方法引起具有第一谷的信号的傅里叶变换，并且对于所述方法，第一谷的定位可以用于确定工件的厚度(例如，根据如等式12的那些计算)。在图9A-9D的实例中，工件170可以放置在CRS系统100的台175(参见图1)上，对于所述工件，顶表面190-1位于分别离CRS系统100的光学笔120的测量参考位置RP的300μm、400μm、500μm和800μm处(即，对于所述测量参考位置，波长峰被展示为定位在沿检测器的像素/波长范围的不同对应的相对位置处，如通过对应的x轴位置所展示的)。

图9A-9D展示了从波长检测器162输出的对应强度谱902A、905A、908A、911A，所述对应强度谱包括作为像素坐标或“像素位置”(横轴)的函数的信号电平或强度(纵轴)，与以上所述的图3、5A、7A和10A-10F类似。应注意，在CRS系统100的Z范围的更靠近光学笔120的蓝色波长部分中，强度谱的两个波长峰表现为已完全合并在一起，如图9A和9B所示，而在CRS系统100的Z范围的更远离光学笔120的红色波长部分中，强度谱的两个波长峰至少在某种程度上是可识别/可区分的，如图9C和9D所示。图9A-9D还展示了对应于“参考”工件的强度谱903A、906A、909A、912A，所述强度谱可以是厚玻璃工件，使得仅来自参考工件的顶表面的反射得以在强度谱中表示，如上文关于图7C所描述的。

图9E展示了图9A的强度谱902A/903A的傅里叶变换902B/903B。图9F展示了图9B的强度谱905A/906A的傅里叶变换905B/906B。图9G展示了图9C的强度谱908A/909A的傅里叶变换908B/909B。图9H展示了图9D的强度谱911A/912A的傅里叶变换911B/912B。

图9E-9H展示了无论工件相对于CRS系统100的光学笔120的定位如何，所测量的工件的强度谱的傅里叶变换902B、905B、908B、911B都包含第一谷904、907、910、913，所述第一谷可以用于确定工件厚度，如上所述。注意，另一方面，参考工件的强度谱的傅里叶变换903B、906B、909B、912B不包含任何突出的谷。在各个实施方案中，已经以实验方式确定了利用本文公开的“第一谷”类型的技术(例如，包含如通过等式12展示的计算)使得能够在对应于包含光学笔的CRS系统的工件范围的波长范围的很小的误差或在无误差(例如，误差小于10％或5％等)至多(例如，90％或75％)的情况下确定工件(例如，25微米工件)的厚度，包含对如图9A-9D中展示的数据的确定，其中波长峰已合并(例如，并且具体地在图9A和9B中，其中两个峰在视觉上表现为单个峰)。

由于如本文公开的第一谷类型的技术操作的原理(例如，包含利用如作为正弦和的傅里叶变换等变换)，如上所述，此类技术对于确定如对应于第一工件表面与第二工件表面之间的间隔的工件厚度可能特别有效，但是在一些实施方案中，其对于同时确定工件的多层之间的厚度(即，所述多层可以包含顶部工件表面和底部工件表面以及作为分离层的另外的中间工件表面)可能不太有效。因此，在某些实施方案中，如根据本文公开的原理实施的对应厚度测量操作和/或模式可能仅可操作来确定如对应于第一工件表面与第二工件表面之间的间隔的厚度，并且可能不可操作来确定三个或更多个工件表面之间的(例如，多层的)间隔。

如上所述，在一些实施方案中，根据本文公开的技术确定的工件的厚度可以与根据先前已知的方法确定的到工件的距离组合使用。例如，鉴于图9A-9D中两个合并的波长峰的图示(例如，具体地图9A和9B中，其中两个峰在视觉上表现为单个峰)，应当理解，虽然在此情况下用于确定DIC的先前已知的质心类型技术可能无法准确地确定到两个表面的两个距离，但其可以用于准确地确定到近似中点(例如，根据确定合并峰的质心距离Z1与Z2'之间)的距离(例如，距离Z3')。以此方式计算的距离(例如，距离Z3')可以参考根据本文公开的技术(例如，如上文关于用于确定距离Z1的等式10所描述的等)执行的厚度测量或另外与所述厚度测量组合使用。

在一些示例性实施例中，CRS系统100可以被包含在机器系统(例如，视觉检查系统或坐标测量机等中)中和/或另外用于所述机器系统。在一些情况下，可以在机器系统中自动执行对应的功能，如沿CRS系统100的光轴OA测量工件厚度。作为此类机器系统的一些实例，合适的机器视觉检查系统在美国专利第8,085,295号和第7,454,053号中进行了描述，所述美国专利的全部内容在此通过引用以其整体并入本文。

尽管已经展示和描述了本发明的优选实施例，但是基于本公开所展示和所描述的特征的布置以及操作的顺序将对本领域的技术人员变得显而易见。例如，虽然本文已经描述了与某些类型的傅里叶变换处理相关(例如，与图7A-9H相关的)的某些技术，但是应当理解，可以根据所公开的概念类似地利用其它类型的变换处理来实现类似的结果(例如，利用傅里叶相关的变换处理，如余弦变换、正弦变换、拉普拉斯变换等)。作为另一实例，本文已经展示了包含色度点传感器(光学笔)的CRS系统。然而，包含色度线传感器的CRS系统可以被配置成根据本文公开的系统和方法进行操作。应当理解，可以使用这些和各种其它替代形式来实施本文公开的原理。另外，可以组合上述各个实施方案以提供另外的实施方案。本说明书中提及的所有美国专利和美国专利申请通过引用以其整体并入本文。如果需要采用各种专利和申请的概念以提供另外的实施方案，则可以修改实施方案的各方面。

可以根据以上详细描述对实施方案进行这些和其它改变。一般来说，在下面的权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求书中公开的具体实施方案，而应当被解释为包含所有可能的实施方案以及这些权利要求享有的等同物的全部范围。

Claims

1.一种确定工件厚度的色度范围传感器(CRS)系统，所述CRS系统包括：

2.根据权利要求1所述的CRS系统，其中所述变换处理包括傅里叶变换处理(Fouriertransform processing)或傅里叶相关变换处理中的至少一种，并且所述利用所述变换处理包括：

确定所述输出光谱数据的变换；以及

至少部分地基于所述输出光谱数据的所述变换的第一特性来确定所述工件的所述厚度。

3.根据权利要求2所述的CRS系统，其中所述第一特性对应于所述输出光谱数据的所述变换的第一谷(dip)。

4.根据权利要求1所述的CRS系统，其中所述输出光谱数据包括距离相关的谱分量，所述距离相关的谱分量具有分别对应于所述第一工件表面和所述第二工件表面的第一波长峰和第二波长峰，并且所述确定所述工件的所述厚度不依赖于处理所述输出光谱数据以确定到所述第一工件表面和所述第二工件表面的对应的第一测量距离和第二测量距离。

5.根据权利要求4所述的CRS系统，其中所述第一波长峰和所述第二波长峰在由所述CRS波长检测器提供的所述输出光谱数据的表示中在视觉上表现为单个峰。

6.根据权利要求1所述的CRS系统，其中对于在所述第一工件表面与所述第二工件表面之间的间隔为5微米的工件，所述利用所述变换处理使得所述处理部分能够以小于10％的误差准确地确定所述工件的所述厚度。

7.根据权利要求1所述的CRS系统，其中所述处理部分被进一步配置成处理所述输出光谱数据以确定到所述工件的测量距离。

8.根据权利要求7所述的CRS系统，其中所述用于确定到所述工件的所述测量距离的处理包括处理所述输出光谱数据以确定指示到所述工件的所述测量距离的质心，而所述用于确定所述工件的所述厚度的处理不依赖于所述质心的确定。

9.根据权利要求7所述的CRS系统，其中所确定测量距离是到所述工件内部的位于所述第一工件表面与所述第二工件表面之间的点。

10.根据权利要求9所述的CRS系统，其中所述所确定测量距离是根据指示距离的坐标确定的，所述指示距离的坐标对应于第一波长峰和第二波长峰的平均值，所述第一波长峰和所述第二波长峰对应于相应的第一工件表面和第二工件表面。

11.根据权利要求7所述的CRS系统，其中所述处理部分被进一步配置成利用所述工件的所述所确定测量距离和所确定厚度来确定到所述第一工件表面的第一测量距离或到所述第二工件表面的第二测量距离中的至少一个。

12.根据权利要求1所述的CRS系统，其中所述利用所述变换处理包括：

确定所述输出光谱数据的傅里叶变换；

13.根据权利要求1所述的CRS系统，其中所述CRS系统能在包含厚度测量模式的多种模式下操作，对于所述厚度测量模式，所述处理部分执行所述处理以确定所述厚度作为所述厚度测量模式的一部分。

14.根据权利要求13所述的CRS系统，其中：

所述多种模式进一步包含用于测量到工件的距离的距离测量模式；

所述CRS系统被配置成使得在所述距离测量模式期间，当所述光学笔相对于所述工件可操作地定位以执行测量操作时，所述光学笔输入所述输入光谱并将对应的辐射输出到所述工件，并且从所述工件接收所反射辐射并将所述所反射辐射输出到提供所述输出光谱数据的所述CRS波长检测器；并且

所述输出光谱包括距离相关的谱分量，所述距离相关的谱分量具有指示到所述工件的测量距离的波长峰。

15.根据权利要求13所述的CRS系统，其中所述厚度测量模式仅能操作来确定如对应于第一工件表面与第二工件表面之间的间隔的厚度，并且不能操作来确定三个或更多个工件表面之间的间隔。

16.根据权利要求1所述的CRS系统，其中所述CRS系统是色度点传感器系统或色度线传感器系统中的至少一个。

17.一种操作色度范围传感器(CRS)系统以确定工件厚度的方法，

所述CRS系统包含：

照明源，所述照明源被配置成产生多波长输入光，所述多波长输入光包括输入到所述光学笔的输入光谱；以及

CRS波长检测器，所述CRS波长检测器包括多个像素，所述多个像素的相应像素位置沿所述CRS波长检测器的测量轴分布，所述多个像素接收相应的波长并且提供输出光谱数据；

所述方法包括：

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述变换处理包括傅里叶变换处理或傅里叶相关变换处理中的至少一种，并且所述利用所述变换处理包括：

确定所述输出光谱数据的变换；以及

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一特性对应于所述输出光谱数据的所述变换的第一谷。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述输出光谱数据包括距离相关的谱分量，所述距离相关的谱分量具有分别对应于所述第一工件表面和所述第二工件表面的第一波长峰和第二波长峰，并且所述确定所述工件的所述厚度不依赖于处理所述输出光谱数据以确定到所述第一工件表面和所述第二工件表面的对应的第一测量距离和第二测量距离。

21.根据权利要求17所述的方法，其中所述利用所述变换处理包括：

确定所述输出光谱数据的傅里叶变换；

22.根据权利要求17所述的方法，其中：

所述CRS系统能在包含厚度测量模式和用于测量到工件的距离的距离测量模式的多种模式下操作；

所述处理部分执行所述处理以确定所述厚度作为所述厚度测量模式的一部分；并且

所述方法进一步包括：

在所述距离测量模式期间，利用相对于工件可操作地定位以执行测量操作的所述光学笔操作所述CRS系统，所述测量操作包含所述光学笔输入输入光谱并将对应的辐射输出到所述工件，并且从所述工件接收所反射辐射并将所述所反射辐射输出到提供输出光谱数据的所述CRS波长检测器，所述输出光谱数据包括距离相关的谱分量，所述距离相关的谱分量具有指示到所述工件的测量距离的波长峰；以及

处理所述输出光谱数据以确定到所述工件的距离。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述厚度测量模式仅能操作来确定如对应于第一工件表面与第二工件表面之间的间隔的厚度，并且不能操作来确定三个或更多个工件表面之间的间隔。

24.一种操作色度范围传感器(CRS)系统的方法，

所述CRS系统包含：

所述方法包括：