光学元件的界面测量方法和设备与流程

1.本发明涉及一种用于测量形成多个基本相同的光学元件的一部分的光学元件的界面的方法。本发明还涉及实施这样的方法的测量设备。
2.非限制性地，本发明的领域是光学元件的光学测量领域。


背景技术：

3.在制造例如透镜或包括多个透镜的物镜的光学元件期间，可能会需要控制或测量沿着例如光学元件的光轴的测量轴的，构成元件的厚度或位置，或构成元件之间的间隙。
4.为此，尤其已知使用低相干干涉测量技术。来自广谱光源的测量光束穿过光学元件的表面传播。光束在这些表面上的反射通过使得它们相互干涉和/或与参考光束干涉从而被采集和分析，以确定相干光束之间的光学路径差异并由此推导对应表面或界面之间的位置和/或距离。可由此例如确定透镜的厚度、透镜之间的距离和/或透镜在光学组件中的位置。
5.这样的测量技术一般通过逆反射来工作。则需要使得测量光束按照正交或垂直的入射角入射到所有待测量表面上，以使得生成能够被测量系统捕获的反射波。对于测量光学组件而言，该条件一般意味着需要使得测量光束与组件(尤其是组成该组件的透镜)的光轴重叠或对齐。因此需要实施对齐测量光束的有效方法。在实践中，需要能够精确地(例如对于维度为数毫米的物体而言量级为微米)相对于组件的光轴来定位测量光束。则需要具有使得可以实现这样的性能的方法。
6.在us 8,760,666 b2中描述了一种用于利用低相干干涉仪来测量透镜在光学组件中的位置的系统。测量光束的对齐是通过使得对齐光束穿过组件的光学元件传播并通过利用ccd或psd类型的对位置敏感的传感器来检测其相对于理论位置的偏差来进行的。由于理论位置在实践中不是已知的，并且此外，对齐光束被其穿过的透镜衰减，该偏差是通过使得光学组件转动来检测的，以由此推导该对齐光束在检测器上经过的路径。组件的位置及其角度取向被校正以最小化该路径的延伸。
7.然而，在例如用于制造智能手机的物镜的大规模生产光学组件的情况下，必须最小化测量时间。特别地，使用如前所述的基于样品角度转动的光学对齐技术并不适合。


技术实现要素：

8.本发明的一个目的在于克服这些缺陷。
9.本发明的另一目的在于提出一种物体(例如光学元件或组件)的界面测量(例如位置测量和表面之间的间隙测量)的方法和设备，其允许相对于物体的光轴快速且精确地定位测量光束。
10.本发明的目的还在于提出一种适于在尤其是维度量级为数百微米至数毫米的透镜或微透镜的组件上进行测量的界面或表面测量方法和设备。
11.本发明的目的还在于提出一种适于在具有毫米曲率半径的自由形状(英文为
“
freeform”)类型或非球面的透镜上进行测量的界面测量方法和设备。
12.本发明的又一目的还在于提出一种适于在多个类似光学物体或元件上以高速率进行测量的界面测量方法和设备。
13.这些目的中至少一个利用一种用于测量形成包括称为“参考光学元件”的至少一个光学元件的多个类似光学元件一部分的待测量光学元件的界面的方法来实现，该方法由包括以下的测量设备来实施：
14.‑
配置为产生照明光束并包括成像装置的成像通道，所述成像装置配置为在所述成像装置的视场中获取被所述照明光束照明的光学元件的图像；以及
15.‑
配置为在相对于所述视场确定的位置处产生测量光束并包括配置为产生距离和/或厚度测量的光学距离传感器的测量通道；
16.所述方法包括以下步骤：
17.‑
至少一个参考光学元件和测量光束的相对定位，以允许测量所述参考光学元件的界面；
18.‑
获取由此定位的至少一个参考光学元件的称为“参考图像”的图像；
19.‑
相对于视场来定位待测量光学元件，以允许获取所述待测量光学元件的称为“测量图像”的图像；
20.‑
基于参考和测量图像，确定待测量光学元件在视场中相对于所述至少一个参考光学元件的位置差别；
21.‑
调整待测量光学元件在视场中的位置，以消除所述位置差别；以及
22.‑
借助于测量光束来测量待测量光学元件的界面。
23.在本发明的范围中，“光学元件”能够指代任何类型的光学物体，其旨在例如插入光束中、旨在成形光束，和/或旨在产生图像。它可指代例如：
24.‑
例如透镜或分束器的单一光学构件；
25.‑
透镜和/或其它光学构件(例如成像或摄像物镜)的组件，或光束成形设备；
26.‑
光波导、光纤等。
27.光学元件能够尤其包括例如透镜的折射或衍射元件或由其构成。它则能够包括对应于穿过它的光束的传播轴线的光轴。尤其是对于具有折射透镜的光学元件而言，该光轴也能够是与光学元件的所有表面或界面垂直的轴线或唯一轴线。
[0028]“多个类似的光学元件”是指相同类型、相同型号、来自同一批次或(尤其是在大规模生产中)遵循相同制造步骤的光学元件组。
[0029]
根据本发明的方法使得可以进行光学元件的界面测量，以由此推导例如这些界面的距离或位置的测量和/或光学构件的厚度或分隔它们的间隙的测量。这些界面能够例如包括透镜表面。
[0030]
这些测量可利用逆反射式操作的距离传感器的测量光束来进行。为此，测量光束需要(在取决于所用光学装置的角度容差的限制内)垂直地入射到待测量界面上。通常，该条件要求测量光束以最优或至少足够的方式与待测量光学元件的光轴对齐。在实践中，该定位是精细且耗时的操作。
[0031]
根据本发明，对于例如来自同一批次、同一生产序列或已经经历相同制造步骤的多个类似光学元件的称为参考光学元件的一个或更多个光学元件来确定该定位。由此确定
的测量点对应于在成像装置的视场中的参考点。
[0032]
根据本发明的方法使用以下事实：根据相同或相似的制造步骤已制造的光学元件在它们被相似地照明时，展示反射和/或透射光强度的相似的具体图案或特征。由此能够利用由光学元件所反射、透射和/或散射的照明光束所产生的并包含这样的具体图案或特征的图像，以确定这些光学元件在成像装置的视场中的相对位移或偏差。
[0033]
要注意的是，当光学元件包括透明构件或由透明构件构成时，所获得的图像一般不是这些元件或它们的表面的图像，而是由于照明与这些构件的相互作用导致的光学标记图。
[0034]
由此获得的位移信息然后可用于相对于视场中的参考点更快速且有效得多地定位光学元件。定位在参考或测量点处的测量光束则与待测量光学元件的光轴自动对齐。测量光束的位置对应于最优位置，在该最优位置上，能够获得最可能精确的光学元件的界面的测量。借助于参照特征图案或形状来定位测量光束，可以针对所有类似光学元件来可靠地定位测量光束的最佳位置，由此使得可以获得可靠、可重复且可再现的测量。对测量光束相对于特征形状的定位的知悉由此用于相对于一个或更多个参考光学元件自动定位待测量光学元件并在定位特征图案中的至少一个之后，对于后续的光学元件测量，直接且无需附加努力地由此推导测量光束的位置。
[0035]
能够通过已知方法来进行所述一个或更多个参考光学元件上的测量点的确定和因此所述一个或更多个参考光学元件和测量光束的相对定位的步骤。该步骤不需要对于其它待测量光学元件来重复。
[0036]
可尤其实施根据本发明的方法以用于在其生产期间控制光学元件或光学组件，例如由透镜或微透镜形成的物镜，例如(尤其是在大规模生产中)智能手机或用于机动车辆工业的物镜。实际上，在该情况下，最小化测量时间以便能够维持高生产速度是非常重要的。根据本发明的方法使得可以尽可能快速且尽可能可靠地确定待测量光学元件或组件中的对应于测量光束的优化对齐的平均光轴，而无需利用测量光束扫描元件直至获得令人满意的测量信号，并且无需对于同一大体量生产的批次的每个光学元件都进行该优化。特别地，通过使用关于该批次的单个光学元件的测量的信息，能够快速地进行测量光束的定位。
[0037]
参考光学元件和测量光束的相对定位的步骤可包括将所述测量光束对齐为垂直于所述至少一个参考光学元件的界面的至少一部分。
[0038]
根据一个绝非限制性的实施例，根据本发明的方法可包括通过使用所述多个光学元件的多个参考光学元件来获取多个参考图像。
[0039]
在该情况下，能够基于多个参考图像的组合来生成参考图像。该组合可例如通过使用不同参考图像的强度来产生。
[0040]
根据根据本发明的方法的一个绝非限制性的实施例，确定位置差别的步骤可包括比较参考图像和测量图像的步骤。
[0041]
在该比较步骤期间，可利用形状、尤其是图像光强度对比形状的相似性，来确定光学元件相对于视场的相对位置。
[0042]
比较步骤可由此包括以下步骤：
[0043]
‑
分别在参考图像和测量图像中，识别并且定位至少一个对应特征形状；
[0044]
‑
确定在参考图像和测量图像中所述对应特征形状之间的位置差别或相对位移。
[0045]
替代地或另外，比较步骤可包括图像关联步骤。
[0046]
图像关联技术实际上特别适于测量两个图像之间的位置差别或相对位移。这是一种用于测量图像的一部分或全部相对于另一图像或参考图像的位移场的技术。
[0047]
通常，确定图像之间的位置差别的步骤能够通过实施任何已知的图像配准方法来进行。
[0048]
位置差别或相对位移可以表达为几何转换的形式，例如具有平移和旋转的刚性几何转换的形式。
[0049]
根据一个绝非限制性的实施例，位置调整步骤可包括：
[0050]
‑
待测量光学元件相对于视场的位移；和/或
[0051]
‑
测量光束相对于视场的位移。
[0052]
进行位置调整，以补偿在前一步骤中识别的位置差别。它至少平移地进行，这对于定位测量光束可以是足够的。可选地，为了更高的精度，它还可以旋转地进行。
[0053]
根据本发明的方法还可以包括优化测量光束相对于待测量光学元件的定位。
[0054]
该优化能够通过使得测量光束相对于元件局部位移以优化测量参数(例如检测后的强度或与所期望测量的差异)来进行。局部位移能够例如根据点的网格或路径来进行，或实现为使得最小化误差梯度。
[0055]
当然，该优化类似于对于参考光学元件和测量光束的相对定位所实施的。然而，它们仍是更加快速得多，这是因为借助于通过比较参考图像和测量图像来调整测量光束的位置，快速地进行对于定位测量光束而言最耗时的步骤，定位测量光束以允许即使非最优的界面测量。
[0056]
根据一个绝非限制性的实施例，所述方法的关于待测量光学元件的步骤可以针对来自同一生产线的多个待测量光学元件来进行。
[0057]
有利地，可实施根据本发明的方法以测量呈具有透镜的光学组件(例如智能手机的物镜)的形式的光学元件的界面的位置和/或间隙，所述界面包括透镜的表面。
[0058]
根据本发明的另一方面，提出一种用于测量形成包括至少一个参考光学元件的多个类似光学元件的一部分的待测量光学元件的界面的设备，所述设备包括：
[0059]
‑
配置为产生照明光束并包括成像装置的成像通道，所述成像装置配置为在所述成像装置的视场中获取被所述照明光束照明的光学元件的图像；
[0060]
‑
配置为在确定位置处相对于所述视场产生测量光束并包括配置为产生距离和/或厚度的测量的光学距离传感器的测量通道；以及
[0061]
‑
配置为处理距离和/或厚度的测量和图像的处理模块；
[0062]
它们布置为实施根据本发明的方法的所有步骤。
[0063]
实施根据本发明的方法的该设备代表测量系统，这意味着当测量光束(例如与待测量光学元件的光轴)正确地对齐时，获得可利用的测量信号，这使得可以识别界面、它们的位置和间隙。
[0064]
所述设备由此允许例如实现光学元件的生产控制以验证它们是否符合规格。此外要指出的是，如果在调整位置之后不存在可利用的测量信号，这可能会意味着测量光束未可能与(例如)待测量光学元件的光轴对齐，或该元件不具有所有其构件共用的光轴，这指示该光学元件有缺陷并且必须被拒绝。例如，如果光学构件未对齐、偏离中心或倾斜，则可
能发生这种假设情况。
[0065]
根据一个绝非限制性的实施例，光学传感器可包括低相干干涉仪。
[0066]
这样的干涉仪特别适于进行距离和/或间隙测量。
[0067]
能够使用任何类型的已知且合适的低相干干涉仪。这样的干涉仪能够尤其实施：
[0068]
‑
时域低相干干涉测量技术，其具有延迟线以用于在干涉波之间生成光学延迟；
[0069]
‑
谱域低相干干涉测量技术，其具有光谱仪以用于分析干涉信号；或
[0070]
‑
借助于波长扫描的低相干干涉测量技术，其具有可调谐激光源。
[0071]
根据本发明的设备还可以包括用于将测量光束插入到成像通道中以使得其在视场中传播的光学元件。
[0072]
这些光学元件能够包括例如分束器或分束立方体。
[0073]
根据该设备的一个绝非限制性的具体实施例，测量通道还可配置为产生入射到待测量光学元件的相对面上的第二测量光束。
[0074]
在该情况下，待测量光学元件能够在其两个面上来测量。
[0075]
有利地，根据本发明的设备还可以包括用于容纳多个光学元件的支撑件。
[0076]
该支撑件能够由例如用于旨在在容器或开口中容纳多个待测量光学元件的样品的支撑件组成，这些容器或开口能够例如以网格形式对齐。
[0077]
优选地，待测量光学元件在支撑件上对齐以使得它们分别的光轴平行于成像装置和测量光束的光轴。实际上，对于具有精确容差的光学元件(例如镜筒)而言，该平行性能够通过容差和机械调整来足够精确地进行。
[0078]
在该情况下，根据本发明的设备可包括能够使得支撑件在与成像装置的光轴垂直的平面中位移的位移装置。
[0079]
这些位移装置能够例如包括平移和/或转动台。
[0080]
待测量光学元件的对齐则仅在于成像装置的光轴垂直的平面中进行，这能够在高速下容易地获得。
[0081]
附图说明和具体实施方式
[0082]
通过审阅对绝非限制性的示例的详细说明和附图，其它优点和特征将显现，在附图中：
[0083]
‑
图1是在本发明中实施的测量设备的一个非限制性实施例的示意图；
[0084]
‑
图2是能够在本发明的测量设备中使用的光学传感器的示例的示意图；
[0085]
‑
图3示意性地示出能够在本发明中使用的待测量光学元件或物体的示例；
[0086]
‑
图4是根据本发明的测量方法的一个非限制性实施例的示意图；
[0087]
‑
图5是利用本发明获得的参考物体的测量示例；
[0088]
‑
图6a是利用本发明获得的物体的图像示例；
[0089]
‑
图6b是利用本发明获得的物体的处理后的图像示例；
[0090]
‑
图7a是利用本发明获得的参考物体的处理后的图像示例；
[0091]
‑
图7b是利用本发明获得的待测量物体的处理后的图像示例；
[0092]
‑
图8示出根据本发明的方法的步骤的实施方式的非限制性示例；以及
[0093]
‑
图9是利用本发明获得的待测量物体的测量示例。
[0094]
当然，将在下文中说明的实施例绝非限制性。尤其能够想象仅包括下文所述特征
的与其它所述特征分离的选集的本发明的变型，如果该特征的选集足以赋予本发明技术优点或使得本发明有别于现有技术。该选集包括至少一个优选地功能性的没有结构性细节或仅具有一部分结构性细节(如果仅该部分就足以赋予本发明技术优点或使得本发明有别于现有技术)的特征。
[0095]
特别地，所描述的所有变型和所有实施例能够相互组合，如果在技术方面没有对该组合的反对。
[0096]
在附图中，多个附图共有的元件保持相同的附图标记。
[0097]
图1是能够在本发明的背景下实施的测量设备的一个非限制性实施例的示意图。该设备能够尤其用于实施本发明的方法。
[0098]
图1所示的设备1布置为进行光学元件5类型的物体5(例如具有多个透镜的光学组件)上的沿着光轴的界面位置或厚度的测量。
[0099]
测量设备1包括成像通道vi和测量通道vm。在测量通道vm中，例如通过单模光纤21，使得来自光学距离传感器2的测量光束11传输到准直器20。准直器20通过优选为二色的分束器7或分束立方体，形成朝向待测量物体5的大致准直的光束。测量光束11通过远端物镜3聚焦在物体上。
[0100]
准直器20和远端物镜3构成在物体5中或附近成像纤维21的芯部的成像系统，测量光束11来自该纤维。
[0101]
当测量光束11在尤其取决于远端物镜3水平处的角度开口的容差极限内在大致垂直于待测量物体5的表面或界面的方向上入射到该表面或该界面上时，在该表面或该界面上产生的反射再耦合到光学纤维21中并在光学传感器2中被处理。
[0102]
光学距离传感器2可包括低相干干涉仪。
[0103]
图2示出在本发明背景中可使用的时域低相干干涉仪的示例。
[0104]
低相干干涉仪2能够例如在红外范围中操作。为了测量具有防反射处理的光学组件，为干涉仪选择不同于防反射处理针对其优化的波长的工作波长能够是有利的，在该情况下，它们会展现高反射性。由此，在红外范围中操作的干涉仪相当适于对旨在在可见波长中使用的光学组件的测量。
[0105]
此外，在图1所示的配置中，干涉仪2旨在穿过针对根据显微镜标准的可见波长来优化的成像装置和尤其是远端物镜3来操作。那么，在另一方面，已知针对可见波长来优化的光学装置的防反射处理倾向于大致地增大表面在红外范围的反射性，有时高至30％，这构成对于红外干涉仪而言非常严峻的测量条件。在干涉仪2中实施的方法精确地允许使其实际上对寄生反射不敏感。
[0106]
该结果通过实施低相干干涉测量原理来实现，在该原理中，在包含物体5的界面的测量区域或范围中(或至少在和准直器20与物体5之间沿着光束1的光距同等的光距处)已经发生的测量光束11的反射能够造成可使用的干涉。
[0107]
如图2所示的干涉仪2包括基于单模光纤的双迈克尔逊干涉仪。它被光纤光源42照明。光源42能够是超发光二极管(英文：super luminescente diode，sld)，其中央波长能够约为1300nm至1350nm。对该波长的选择尤其对应于构件的可用性标准。
[0108]
来自光源42的光穿过耦合器40和光纤21被引导向准直器20，以构成测量光束11。该光束的一部分在光纤21中在准直器20处，例如在构成光纤端部的硅
‑
空气或玻璃
‑
空气界
面处被反射，以构成参考波。
[0109]
来自物体5的逆反射在光纤21中耦合并与参考波一起被引导向围绕光纤耦合器41构建的解码干涉仪。该解码干涉仪具有光相关器的功能，其两个臂分别是固定参考44和时间延迟线45。在参考44和延迟线45的水平处反射的信号穿过耦合器41在检测器43上组合。延迟线45的作用在于在入射波与反射波之间引入在时间上以已知的方式(例如通过镜的位移获得)可变的延迟。
[0110]
解码干涉仪的臂44和45的长度被调整为使得可以利用延迟线45再现在准直器20水平处反射的参考波与来自物体5的逆反射之间的光学路径差别，在该情况下，在检测器43水平处获得干涉峰，该干涉峰的形状和宽度取决于光源42的光谱特征。
[0111]
由此，测量范围由解码干涉仪2的臂44和45之间的光学长度差别并且由延迟线45的最大行程来确定。此外，由于参考波是在成像系统外在准直器20水平处生成的，测量通道vm中的寄生反射不显著地有助于干涉。
[0112]
参照图1，根据所示实施例的设备1的成像通道vi包括配备有ccd矩阵传感器7的摄像机6，以及适于在摄像机6的传感器7上，根据物体5上的视场，形成物体5或至少其输入面的图像的光学成像装置，该视场与光学成像装置的放大和传感器7的维度大致成比例。
[0113]
在图1的实施方式的示例中，光学成像装置包括布置在物体5侧上的远端物镜3和光继电器13。
[0114]
设备1的成像通道vi还包括光源8，该光源的发射光谱包括可见波长和/或近红外波长(1μm附近)。该光源8发射照明物体5以允许通过反射对其成像的照明光束9。出于清晰的原因，在图1中，在使得可以将光源8的光引导向物体5并且将反射的光引导向摄像机6的分束器10之后没有示出照明光束9。
[0115]
在光源8以外或替代该光源地，设备1还能够包括用于透射地照射物体5的光源8a。
[0116]
包括测量光束11的干涉测量通道vm被布置为至少部分地穿过光学成像装置，尤其是远端物镜3。测量光束11通过耦合装置7插入到光学成像装置中，以使得它沿着包括在成像通道的视场中的测量区域入射到物体5上。
[0117]
在未示出的另一配置中，测量光束能够通过定位在物镜3与物体5之间的分束器来插入到成像装置的视场中。
[0118]
图1的组件因此使得可以将干涉测量光束11插入在所示示例中由摄像机6、远端物镜3和继电器13构成的成像系统的视场中。借助于该配置，相对于由成像系统产生的图像，能够知悉或分度或至少固定测量光束11的位置。
[0119]
准直器20还能够可选地包括使得可以将在物体5上的相对于由成像装置所覆盖的视场的测量光束11的位置和因此测量点的位置以已知的方式来位移的位移装置15。
[0120]
在如图1所示的设备1中，干涉测量光束11维持固定在成像通道vi中的相同位置。由此，测量光束11的位置也维持固定在摄像机的参考系内。它还能够在对齐设备的预先步骤期间精确地调整和/或确定。
[0121]
在与图1所示的配置不同的配置中，设备能够包括用于将第二测量光束从相对于物体与成像通道的元件相对的侧来引导到待检查物体5上的装置。在该配置中，还可以分度第二测量光束相对于由成像装置产生的图像的位置或至少将其维持固定。
[0122]
在该情况下，设备也能够包括测量光束11，这使得可以在其两个面上测量物体5。
[0123]
第二测量光束可来自传感器2，或来自实施相同或不同测量原理的另一传感器。
[0124]
根据图1所示的实施例的设备1还包括旨在容纳待测量物体5的样品支撑件30，以及使得支撑件30可以在与成像装置的光轴垂直的平面中位移的位移装置14，例如平移和/或转动台。
[0125]
根据也在图1中示出的示例，尤其是用于以大体量生产的摄像机物镜类型的光学元件5形式的物体5的控制，样品支撑件30包括使得可以容纳多个待测量物体5的多个容器31。
[0126]
作为示例，这些物体5能够是组装在镜筒中的透镜，并且容器是直径对应于镜筒直径并在基部处具有其上搁置镜筒的肩部的贯穿开口。
[0127]
优选地，样品支撑件30布置为使得待测量物体5定位为它们的分别的光轴平行于成像系统的光轴，并尤其平行于测量光束11的光轴。由此，能够利用仅在平面14中的位移装置、以及因此高速地进行测量光束11在物体5的光轴上的对齐。
[0128]
根据本发明的设备1还包括配置为处理距离和/或厚度测量以及图像的处理模块50或计算模块。该计算模块包括至少一个计算机、中央处理或计算单元、微处理器(优选地为专用微处理器)，和/或合适的软件装置。
[0129]
根据图1所示的实施例的设备1能够用于实施将在下文说明的根据本发明的方法的步骤。
[0130]
图3示出待测量光学元件或物体5的示例。这涉及每个由安装在镜筒36中并沿着共有的光轴23堆叠的多个透镜或微透镜35构成的物镜。
[0131]
图3(a)示出理想情况，其中，透镜35完美地对齐，且透镜35的光轴中的每个都与由此形成的物镜的共有的光轴23叠置。
[0132]
图3(b)和图3(c)示出图3(a)所述的相同物体5。指示了干涉仪的测量光束11沿着测量轴的位置。在所示的两种情况中，物体5的光轴23和由测量光束11代表的测量轴不同，测量光束11的位置不是最优的。图3b和图3c示出要考虑到的测量光束11与光轴23的两种类型的对齐误差，即分别是测量光束11的定心误差和角度对齐误差。在这两种情况中，这造成非优化、或甚至不可行的测量。
[0133]
如图3(b)所示，在物体5的每个界面处生成测量光束11的反射25。由于物体5的光轴23相对于测量光束11的对齐误差，界面处的反射25的传播方向不再与测量光束11的方向24对齐。这导致逆反射信号在与设备1的测量通道的光纤21耦合期间的强度损失。界面则可能会不被检测到或被测量具有大的误差。
[0134]
在图3(a)至(c)所示的示例中，光学元件(透镜35)完美地对齐并相对于彼此布置。在组装期间创建的透镜35的个体位置误差体现与界面的反射检测相同的问题。在该情况中，不存在单一对称光轴。
[0135]
图3(d)示出每个具有略微不同于共同对称轴线23的光轴26的透镜35的组件。测量则仅当测量光束11相对于这些透镜35的分别的光轴26在对应于对于每个透镜35的最小定位误差(偏心和/或角度误差)的轴线上对齐才被优化。
[0136]
图4是根据本发明的测量方法的一个非限制性实施例的示意图。
[0137]
图4所示的方法100包括参考物体和光学距离传感器的测量光束的相对定位步骤102，以允许测量参考物体的界面。测量光束能够来自例如如参照图1的设备1所述的低相干
干涉仪。参考物体和待测量物体中的每个形成类似的多个物体的一部分。
[0138]
步骤102使得可以确定表征参考物体的光轴的测量点并因此使得测量光束与参考物体的光轴对齐。测量光束被定位在参考物体的界面的优化测量位置处。
[0139]
该优化测量位置或参考位置对应于测量光束相对于参考物体的平均光轴的最接近的对齐。在该配置中，能够获得形成物体的元件的表面的位置的尽可能精确的测量。
[0140]
根据一个示例，在定位步骤102期间，测量光束对齐为垂直于参考物体的界面的至少一部分。
[0141]
能够根据多个方式来进行确定对于参考物体的优化测量位置的步骤102。
[0142]
例如可以根据预定路径(例如网格或螺旋形)通过测量光束来系统地扫描参考物体，以根据例如测量信号幅度和/或测量与期望值对应的标准来确定最优位置。当然，摄像机能够用于进行预先定位和限制扫描区域。
[0143]
当该定位步骤102利用包括如上所述的样品支撑件30的设备1来实施时，测量光束11能够被视为平行于光学元件或物体5的相应光轴。为了确定测量位置，则利用其位移装置14(例如平移和/或转动台)来实现样品支撑件30的平面中的位移。
[0144]
图5示出对于由四个微透镜沿着同一光轴堆叠而形成的摄像机的物镜类型的光学元件5，利用如图2所示的低相干干涉仪2获得的干涉测量示例。这些微透镜具有分别的厚度d1、d2、d3和d4，并被间隙e1、e2和e3分隔。所期望的微透镜的表面位置或界面之间的距离的值能够通过设计来知悉或通过初步测量来推导。连续曲线51示出具有表征测量光束在光学元件5透镜界面上的反射的与干涉图包络线相对应的峰值的测量信号51。这些峰值能够对应于实际界面，或是由于系统(虚拟界面)中的多次反射造成的。为了识别实际界面，尤其是对于复杂样品，可以使用关于光学元件5的先验知识，例如表面位置的所期望值。在图5的示例中，如在测量信号51上识别的所期望的微透镜表面的相应位置用十字形来指示。在测量信号上识别所期望的界面和将测得的距离和/或位置值与所期望值进行比较使得可以验证测量和测量光束相对于参考物镜的光轴的位置。实际上，如果测量光束相对于光轴不正确地定位，一般在测量信号51上不存在检测到的峰值，或仅存在一部分，并且具有潜在地不精确的位置或距离值。此外，尤其是对于测量光学元件5，不存在某些峰值或相对于所期望值处于容差边际以外的位置或距离的值指示了有缺陷的光学元件，例如具有不正确地定位的透镜。
[0145]
在所示示例中，图5给出在参考摄像机物镜的界面上验证的实验测量结果，连续曲线51的峰值具有对应于微透镜表面的期望位置的位置。该结果因此表征测量光束与参考摄像机的物镜的光轴对齐。
[0146]
在方法100的步骤104期间，获取如在之前的步骤102期间定位的参考光学元件或物体的称为“参考图像”的图像。该获取借助于根据本发明的设备1的成像通道vi或成像系统来进行。
[0147]
如在上文中参照图1所述，物体5被照明光束9照明。在所示示例中，该光束被物体沿着在摄像机6的光电检测器7上成像的成像光束12部分地反射。
[0148]
反射图像能够由物体或元件5的第一表面(例如第一光学构件和/或镜筒元件的表面)所反射的光来产生。
[0149]
图像也能够源自来自被照明光束9照明的物体的不同光学构件的多次反射。
[0150]
由此生成具有所检查物体和成像条件的光强度的对比形状特征的图像。
[0151]
图6a示出在获取并且处理计算机50之后，被照明下的摄像机的物镜的微透镜所反射的多次反射的一个图像示例。在该示例中，光强度的对比具有大致同心环状的特征形状。
[0152]
要指出的是，利用光学元件或组件类型的物体5，没有获得严格意义上的物体的图像，这是因为组件的元件的表面是反射性的和/或透明的。所获得的图像则对应于由于例如在透镜之间和组件的壁上反射和散射的照明光束9部分的贡献所导致的视觉标记图。这则涉及光学元件中的寄生反射图像。特别地，该图像一般地不允许可视化组件的光轴。
[0153]
从该视角来说，能够有利的是使用其光谱包括光学元件5针对其优化了(尤其是在防反射处理水平处)的波长以外的其它波长的反射光源8，以生成更多的寄生反射。
[0154]
在图6a中还标出了测量光束的位置70。然而，要指出的是，不需要精确地知悉该位置，这是因为它在摄像机6的视场中保持固定。
[0155]
所采集的参考物体的图像被保存在设备1的数据存储装置中，例如计算机50中。
[0156]
在所述方法的步骤106期间，相对于摄像机6的视场来定位待测量物体，以允许获取该物体的称为“测量图像”的图像。
[0157]
如参照图1所述，能够将一制造批次的多个物体5放置在支撑件30上，该支撑件布置为使得待测量物体5定位为它们的相应光轴平行于设备1的成像系统的光轴并平行于测量光束11的光轴。
[0158]
位移装置14使得可以将物体5相对于成像装置的视场并相对于在该视场中固定的测量光束11位移。位移装置14由此使得可以改变待测量物体5，而无需更改照明装置或检测系统和测量光束11的位置。然而，由于物体5在支撑件30上的定位的不确定性，这些位移装置一般使得不可以或至少不可以可靠地将测量光束11直接定位在物体5上准确的位置处。
[0159]
由于参考和待测量物体5相同或相似，利用相同的测量设备1获得的物体5的相应测量图像相似，即在存在于图像中的对比图案或纹路的意义上相似。测量图像因此还与预先保存的参考图像相似。
[0160]
一旦对于物体已经获取了测量图像，在所述方法的步骤107中，将该测量图像与参考图像比较。该比较步骤107使得可以利用形状或对比相似性来确定待测量物体相对于参考物体在视场中的位置差别。
[0161]
在步骤107期间，分析测量图像和参考图像，以由此推导在成像系统的视场中待测量物体相对于参考物体的位置差别的信息。位置差别的信息使得可以推导待测量物体相对于其在视场中的位置保持固定的测量光束11的相对位置。
[0162]
根据步骤107的一个实施方式的示例，在测量和参考图像中寻找相似的形状或轮廓，这些轮廓和形状可在不同位置处出现。
[0163]
更具体地说，在步骤108期间，分析每幅图像以识别和定位一个或更多个特征形状。在所获取的图像中识别特征形状能够利用任何已知的图像处理技术来进行，例如通过形状识别和/或图像关联来进行。
[0164]
特征形状能够包括例如图像、灰度和/或彩色图像部分，或通过轮廓提取和/或分段技术获得的轮廓图像。形状能够来自标定测量和/或理论或几何模型。所述形状能够是唯一全局图像或结构，或具有已知空间关系的不同的图像或结构组。
[0165]
特征形状能够在某些情况中预先确定。
[0166]
特征形状的位置差别对应于待测量物体和参考物体在视场中的相应位置。
[0167]
在步骤109期间，然后能够计算两个相应图像的特征形状或轮廓之间的距离，以提供两个图像之间的在相同视场中的位置差别。
[0168]
图6b示出图6a的图像的一个处理示例。所施加的处理是梯度类型的滤波，其显现图6a的图像的灰度变化。由此在透明光学元件的寄生反射或散射图像中显现更容易定位的特征形状。
[0169]
图7a和7b分别示出参考物体和待测量物体的经处理的图像的示例。该处理导致特征形状82出现。鼠标80指示测量光束在摄像机的视场中的位置。在对应于参考图像的图7a中，测量光束的该位置与参考物体的光轴对齐。
[0170]
在图7b中，待测量物体在成像系统的视场中出现在相对于图7a的参考物体的位置不同的位置。第二鼠标81指示该待测量物体的光轴的位置，测量光束必须放置在该光轴上，并且该位置是未知的。鼠标80、81的位置差别因此对应于在视场中待测量物体相对于参考物体并因此相对于光学距离传感器的测量光束的偏移。根据本发明，该偏移通过图像配准技术来确定，该技术的目的在于使得两个图像和/或它们的特征形状82在视场中最佳地叠置，以由此确定其位置差别。
[0171]
根据本发明的方法的步骤107的一个优选实施方式的示例，使用图像的关联方法来确定在视场中待测量物体相对于参考物体的位置差别。假设参考图像与待测量物体的变形或位移的图像之间的任何差别仅来自于所观察到的特征形状的位移场的影响。
[0172]
图8示出所述方法的步骤107的基于使用图像关联的一个实施方式的示例。
[0173]
图8(a)和8(b)分别示出参考物体的保存的参考图像和被测量物体的测量图像。图8(c)示出对于具体的相对位置(x,y)的用于关联计算的图8(a)和8(b)的图像的叠置。使用对于不同的相对位置(x,y)的多个图像叠置来进行该计算。
[0174]
图8(d)示出作为图8(a)和8(b)的图像的多个相对位置(x,y)的函数的所述这些图像的关联图。起始位置91对应于参考图像的位置。图的最大值对应于对于测量图像的最大关联的位置92。两个位置91、92的比较使得可以获得两个图像之间在相同视场中的配准值，并因此同时获得要在测量物体与参考物体之间进行的位置调整。
[0175]
要指出的是，在所示示例中，这些配准或调整数值仅在平移方面确定。实际上，当所考虑的光学物体或元件大致具有相对于它们光轴的转动对称性时，能够忽略参考物体与测量物体之间的转动的位置差别。
[0176]
当确定了在视场中待测量物体相对于参考物体的位置差别时，图4所示的根据本发明的方法的之后的步骤110在于调整在视场中待测量物体相对于参考物体的位置的位置，以消除位置差别。
[0177]
实际上，如上所示，在成像系统的视场中的参考物体与被测量物体的图像之间的位置差别使得可以直接推导物体在该相同视场中的位置差别。
[0178]
该知悉允许使得待测量物体在视场中位移以将其放置在对应于参考物体的位置的位置处。在该步骤110期间，待测量物体的光轴由此与光学距离传感器2的测量光束11自动地对齐。这是由于在待测量物体上定位有在所述方法的步骤102中确定并表征参考物体的光轴的测量点。
[0179]
在所说明的实施例中，位置调整步骤110一方面通过借助于位移装置14使得待测
量物体相对于视场位移来进行。
[0180]
当然，另一方面该位置调整也能够通过借助于位移装置15使得测量光束相对于视场的位移来进行。
[0181]
在该配准步骤110之后，待测量物体因此正确地定位在视场中，使得测量与待测量物体的光轴对齐的光束。
[0182]
在测量步骤112期间，借助于测量光束11来测量待测量物体的界面。
[0183]
图9示出对于来自与参考物镜相同制造批次的摄像机物镜的低相干干涉测量结果的一个示例，该参考物镜的测量结果在以上相对于确定表征光轴的测量点的步骤104所述的图5中示出。
[0184]
在图9中，根据由测量光束经过的距离来描绘测得的强度。正确地检测到与用十字形标记的微透镜表面的期望位置相对应的强度峰值。
[0185]
当然，本发明不限于以上说明的示例，可不超出本发明范围地对这些示例进行许多改动。