Sistema y método de deflectometría de transformada de Fourier.

Un método de deflectometría para la inspección óptica de un objeto de fase y amplitud (2) colocado en uncamino óptico entre una única retícula (3) y un sistema de imágenes (4),

dicho objeto de fase y amplitud (2) que estáa una distancia h de la retícula (3) en una primera posición, la retícula (3) que forma un patrón periódico basado encontraste con: las frecuencias espacialesm 0, v0, respectivamente, en los ejes ortogonales x, y en un plano deimagen, el sistema de imágenes (4) que comprende un objetivo (5) y un sensor de imágenes (6) que tiene unapluralidad de elementos fotosensibles, en donde dichas frecuencias espaciales m 0, v0 no son mayores que la mitadde las frecuencias de muestreo respectivas del sistema de imágenes (4) en dichos ejes x, y, el método quecomprende los pasos de:

a) capturar, a través del objetivo (5) con el sensor de imágenes (6), una imagen (601) de dicho patrón periódicobasado en contraste distorsionado por el objeto de fase y amplitud (2);

b) calcular una transformada de Fourier de dicha imagen (601) en un dominio de frecuencia espacial, dichatransformada de Fourier de dicha imagen que comprende un espectro de orden cero (701) y al menos dosespectros de primer orden o superior (702) desplazados en el dominio de frecuencia con respecto al espectro deorden cero (701) por dichas frecuencias espaciales m 0, v0 de dicho patrón periódico basado en contraste en losejes x e y en el plano de imagen;

c) seleccionar al menos uno de dicho espectro de primer orden o superior (702) de dicha transformada de Fouriery desplazarlo en dicho dominio de frecuencia a fin de colocarlo sustancialmente en una frecuencia central dedicha transformada de Fourier;

d) llevar a cabo una transformada inversa de Fourier de dicho al menos un espectro de primer orden o superior(702) de dicha transformada de Fourier a fin de obtener una función compleja , en donde

I(x,y) es una intensidad y j (x,y) una fase enlazada a los ángulos de deflexión óptica q x,q y en,

respectivamente, las direcciones de los ejes x e y, según la siguiente fórmula: j (x,y) ≥ -2p h(m 0 tangq x + v0tanq y); y

e) desenvolver dicha fase;

caracterizado porque el método además comprende los pasos de:

f) repetir los pasos a) a e) para una segunda posición de la retícula (3) con respecto al objeto de fase y amplitud(2) donde la diferencia de distancia entre la primera posición y la segunda posición es D h; y

g) determinar una diferencia de fase a partir de la fase determinada en cada una de las primera y segundaposiciones.

Sistema y método de deflectometría de transformada de Fourier

La presente invención se refiere a un sistema y método de deflectometría para la inspección óptica de un objeto de fase y amplitud.

Cuando un objeto refractivo se ilumina, el frente de onda que atraviesa está afectado según la forma y el índice de refracción del objeto. La intensidad de la luz también estará afectada por la transmisión del objeto. De igual modo, cuando se refleja luz en un objeto reflexivo, la forma de la superficie de reflexión del objeto afectará el frente de onda reflejado y la reflexión de la intensidad de la luz reflejada. Las características ópticas del objeto refractivo o reflexivo se pueden determinar de esta manera.

En la industria óptica, es crucial para los inspectores ser capaces de determinar las características ópticas de los productos de una manera tan precisa, completa y automática como sea posible. En particular, según se desarrollan lentes de contacto o gafas correctivas con curvaturas complejas, es muy importante ser capaces de controlar que cada lente se adapte a su especificación particular.

Métodos similares de inspección se usan también en otros campos, tales como para la inspección de obleas de semiconductores, paneles de vidrio planas, hojas de plástico, etc. donde el acabado de la forma y/o superficie de objetos reflexivos y/o refractivos ópticamente necesita ser inspeccionada de una manera precisa y eficiente.

Varios sistemas y métodos para la caracterización óptica de objetos reflexivos y/o refractivos se han descrito previamente. Se pueden categorizar, entre otros si extraen información con respecto al frente de onda, su derivada de primer orden, es decir su inclinación, o su derivada de segundo orden, es decir su curvatura.

Los sistemas y métodos que pertenecen a la primera categoría comprenden la interferometría directa, como se lleva a cabo con los interferómetros de Michelson, Mach-Zendher, o Fizeau, o con cualquier otro tipo de interferómetros en donde el frente de onda a ser analizado interfiere con un frente de onda de referencia con aberraciones, el cual puede ser esférico, plano, o no esférico. Una revisión profunda de tales sistemas y métodos fue descrita en Daniel Malacara, <<Optical Shop Testing>>, 2ª Edición, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1992, ISBN 0-471-52232-5.

Otra técnica en esta categoría es la holografía digital, como se describe en la Solicitud de Patente Internacional WO 00/20929.

Las desventajas principales de estos sistemas y métodos de la primera categoría son que requieren luz coherente, que está sujeta a captura de ruido óptico, así como un frente de onda de referencia, y que están bastante limitados en rango dinámico.

Los sistemas y métodos de caracterización óptica existentes más numerosos son probablemente aquéllos que pertenecen a la segunda categoría. La categoría comprende, entre otros la prueba de Hartmann, la prueba de Foucault, la prueba de Ronchi, microscopía de Contraste de Interferencia Diferencial (DIC) , interferometría de Cizallamiento, interferometría de desplazamiento lateral, pruebas de Talbot moiré, Shack-Hartmann, deflectometría, deflectometría moiré, desplazamiento de fase Schlieren, y deflectometría de exploración. Algunas de ellas también se describen en el libro antes mencionado <<Optical Shop Testing>>.

Comparado con aquéllas de la primera categoría, estas técnicas presentan las ventajas de aceptar deformaciones de frente de onda mayores, es decir un rango dinámico mayor, y no requerir un frente de onda de referencia. No obstante, esta extensión del rango dinámico es a menudo a costa de la sensibilidad. Una desventaja adicional de estas técnicas es que recuperar el frente de onda requiere la integración de la señal derivada obtenida por estos métodos. Esto se discute, por ejemplo en C. Elster, I. Weingätner, “Solution to the shearing problem”, App. Opt., 38 (1999) 5.024-5.031.

Algunas de las técnicas descritas permiten la adquisición simultánea de las derivadas del frente de onda en dos ejes, por ejemplo el sistema y método de interferometría de cizalladura que usa una retícula con dos direcciones ortogonales descrita en J.C. Wyant, “Double Frequency Grating Lateral Shear Interferometer”, App. Oct., 12 (9) , p. 2.057-2.060, 1.973; el sistema y método de interferometría de desplazamiento lateral descritos en J. Primot, S. Veighe, N. Gérineau, R. Haïdar, J.C. Chanteloup, <<L’analyse de surface d’onde par interférométrie á décalage multlatéral>>, Photoniques, 19, p. 57, 2005; las pruebas de Shack Hartmann y Ronchi bidireccionales adaptadas descritas, respectivamente en Xavier Levecq, Samuel Bucourt, “Analyseur de front d’onde: les évolutions des analyseurs Shack-Hartmann>>, Photoniques, 19, p. 53, 2005; y A. Cordero-Dávila, E. Luna-Aguilar, S. Vázquez-Montiel, S. Zárate-Vázquez, y M.E. Percino-Zacarías, “Ronchi test with a square grid”, App. Oct. 37 (4) , p. 672-675, 1998; o los sistemas y métodos de deflectometría moiré descritos en, por ejemplo Jesús Villa, Juan Antonio Quiroga, y Manuel Servin, “Improved regularized phase-tracking technique for the processing of squared-grating deflectograms”, App. Opt. 39 (4) , p. 502-508, 2000, o la Patente de EE.UU. US 6.771.362.

Estas técnicas basadas en frente de onda diferencial hacen presente sin embargo la desventaja de una resolución espacial limitada. La resolución espacial está limitada, por ejemplo, por el cizallamiento lateral en sistemas de interferometría de cizalladura; por la discretización debida al número finito de micro lentes en la prueba de Shack Hartmann, como se describe en la US 6.130.419; o por la separación de los rasgos del patrón usado en el método de deflectometría descrito en la Patente de EE.UU. US 6.496.253. Como resultado, el frente de onda se puede reconstruir solamente con una resolución espacial limitada. Las frecuencias espaciales altas entonces no son accesibles con esos métodos; lo cual los hace inadecuados, por ejemplo, para la detección de pequeños defectos tales como arañazos, polvo, marcas de herramientas o picaduras, así como aquél de micro grabados que se usa en lentes oftalmológicas progresivas para gafas. Otros medios de inspección, tales como, por ejemplo iluminación de campo oscuro, son de esta manera necesarios para estos propósitos. La especificación de la Solicitud de Patente Internacional WO 2005/121740 A1 resume bien este problema, y propone una solución basada en el uso de patrones alternos.

El mismo problema también ocurre en deflectometría moiré e interferometría Talbot, como se describe en Juan Antonio Quiroga, Daniel Crespo, Eusebio Bernabéu, “Fourier transform method for automatic processing of moiré deflectograms”, Opt. Eng. 38 (6) , p. 974-982, 1999, y en el artículo antes mencionado de Villa et al. En el método de deflectometría descrito en la US 6.771.362, se hace frente al problema de resolución espacial aumentando la separación axial entre 2 retículas cuadradas, pero esto se mantiene limitado a resoluciones espaciales relativamente bajas. Adaptaciones similares se han descrito en la US2004/189938 y US 6 717 661.

Un método de Schlieren de desplazamiento de fase se muestra adecuado para obtener de manera precisa no solamente información cuantitativa con respecto a la curvatura del frente de onda por ejemplo a ser adaptado por los polinomios de Zernike, sino también información de contenido de alta resolución espacial con respecto a la fase o absorción, como se describe en L. Joannes, F. Dubois, J.C. Legros, “Phase-shifting Schlieren: high-resolution quantitative Schlieren that uses the phase-shifting technique principle”, App. Opt. 42 (25) , p. 5.046-5.053, 2003; y en la Solicitud de Patente Internacional WO 03/048837. Esto se hace posible mediante la codificación tanto de la fase como de la intensidad para cada píxel de la imagen capturada por un sensor de imágenes. No obstante, este método de Schlieren de desplazamiento de fase tiene la desventaja de requerir un equipo comparativamente complicado y costoso.

La tercera categoría de sistemas y métodos de caracterización óptica, aquéllos que obtienen la derivada de segundo orden o curvatura del frente de onda comprenden, entre otros la técnica basada en la prueba de espejo de Makyoh, como se describe, por ejemplo en Ferenc Riesz, I.E. Lukas, y J.P. Makai, “Realisation of quantitative Makyoh topography using a Digital Micromirror Device”, Sistema de Medición Óptica para Inspección Industrial, V, Wolfgang Osten, Christophe Gorecki, Erik L. Novak, proc SPIE 6616, 66160L (2007)... [Seguir leyendo]

1. Un método de deflectometría para la inspección óptica de un objeto de fase y amplitud (2) colocado en un camino óptico entre una única retícula (3) y un sistema de imágenes (4) , dicho objeto de fase y amplitud (2) que está a una distancia h de la retícula (3) en una primera posición, la retícula (3) que forma un patrón periódico basado en 5 contraste con: las frecuencias espaciales μ 0, v0, respectivamente, en los ejes ortogonales x, y en un plano de imagen, el sistema de imágenes (4) que comprende un objetivo (5) y un sensor de imágenes (6) que tiene una pluralidad de elementos fotosensibles, en donde dichas frecuencias espaciales μ 0, v0 no son mayores que la mitad de las frecuencias de muestreo respectivas del sistema de imágenes (4) en dichos ejes x, y, el método que comprende los pasos de:

a) capturar, a través del objetivo (5) con el sensor de imágenes (6) , una imagen (601) de dicho patrón periódico basado en contraste distorsionado por el objeto de fase y amplitud (2) ;

b) calcular una transformada de Fourier de dicha imagen (601) en un dominio de frecuencia espacial, dicha transformada de Fourier de dicha imagen que comprende un espectro de orden cero (701) y al menos dos espectros de primer orden o superior (702) desplazados en el dominio de frecuencia con respecto al espectro de orden cero (701) por dichas frecuencias espaciales μ 0, v0 de dicho patrón periódico basado en contraste en los ejes x e y en el plano de imagen;

c) seleccionar al menos uno de dicho espectro de primer orden o superior (702) de dicha transformada de Fourier y desplazarlo en dicho dominio de frecuencia a fin de colocarlo sustancialmente en una frecuencia central de dicha transformada de Fourier;

(702) de dicha transformada de Fourier a fin de obtener una función compleja I (x, y) es una intensidad y ϕ (x, y) una fase enlazada a los ángulos de deflexión óptica θ x, θ y en,

respectivamente, las direcciones de los ejes x e y, según la siguiente fórmula: ϕ (x, y) = -2π h ( μ 0 tangθ x + v0

tanθ y) ; y

e) desenvolver dicha fase;

caracterizado porque el método además comprende los pasos de:

f) repetir los pasos a) a e) para una segunda posición de la retícula (3) con respecto al objeto de fase y amplitud

(2) donde la diferencia de distancia entre la primera posición y la segunda posición es Δ h; y

g) determinar una diferencia de fase a partir de la fase determinada en cada una de las primera y segunda 30 posiciones.

2. El método de deflectometría según la reivindicación 1, en donde varios espectros de primer orden y/o superior

(702) de dicha transformada de Fourier se seleccionan y desplazan en dicho dominio de frecuencia a fin de colocarlos sustancialmente en una frecuencia central de dicha transformada de Fourier.

3. El método de deflectometría según la reivindicación 1 o 2, en donde dichos pasos se llevan a cabo con dos 35 patrones cruzados en un ángulo uno con respecto al otro.

4. El método de deflectometría según cualquiera de las reivindicaciones previas, que además comprende los pasos de:

(i) capturar múltiples imágenes distorsionadas del patrón desde dicho objeto de fase y amplitud (2) a diversas distancias en dicho camino óptico con respecto a la retícula (3) ;

(ii) combinar dichas múltiples imágenes distorsionadas para obtener una imagen compuesta;

(iii) calcular una transformada de Fourier de dicha imagen compuesta en un dominio de frecuencia espacial;

(iv) seleccionar al menos un espectro de primer orden o superior de dicha transformada de Fourier de la imagen compuesta y desplazarlo en dicho dominio de frecuencia a fin de colocarlo sustancialmente en una frecuencia central de dicha transformada de Fourier; y

(v) llevar a cabo una transformada inversa de Fourier de dicho al menos un espectro de primer orden o superior

en donde IM (x, y) es una intensidad y ϕ M (x, y) una fase, e IM (x, y) está enlazada con el nivel de contraste en la imagen compuesta.

5. El método de deflectometría según la reivindicación 4, en donde dicho patrón comprende dos conjuntos cruzados de franjas paralelas con diferentes frecuencias espaciales ( μ 0, A, v0, A; μ 0, B, v0, B) y dichos pasos de calcular una transformada de Fourier de la imagen compuesta, seleccionar y desplazar dicho espectro de dicha transformada de Fourier de la imagen compuesta, y llevar a cabo una transformada inversa de Fourier de dicho espectro desplazado de la transformada de Fourier de la imagen compuesta se puede llevar a cabo primero con un desplazamiento cercano a μ 0, A, v0, A, y luego con un desplazamiento cercano a μ 0, B, v0, B a fin de obtener dos mapas de amplitud, respectivamente IMA (x, y) e IMB (x, y) .

6. El método de deflectometría según la reivindicación 5, que además comprende un paso de combinar dichos dos 10 mapas de amplitud mediante superposición, suma, y/o multiplicación.

7. El método de deflectometría según cualquiera de las reivindicaciones previas, en donde dicho objeto de fase y amplitud (2) es un objeto refractivo, y dicha primera imagen es una imagen de dicho patrón a través de dicho objeto refractivo.

8. El método de deflectometría según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde dicho objeto de fase y

amplitud (2) es un objeto reflexivo, y dicha primera imagen es una imagen de dicho patrón reflejado por el objeto reflexivo.

9. Un sistema de deflectometría (1) para la inspección óptica de un objeto de fase y amplitud (2) , el sistema que comprende;

una retícula (3) que forma un patrón periódico basado en contraste;

un sistema de imágenes (4) que comprende un objetivo (5) y un sensor de imágenes (6) que comprende una pluralidad de elementos fotosensibles;

medios para sostener dicho objeto (2) en un camino óptico entre dicha retícula (3) y el sistema de imágenes (4) , a una distancia h de dicha retícula (3) ; y

un sistema de procesamiento de datos (7) conectado a dicho sensor de imágenes (6) , dicho sistema de 25 procesamiento de imágenes (7) que está programado para llevar a cabo el método de deflectometría según cualquiera de las reivindicaciones precedentes;

caracterizado porque el sistema además comprende medios para variar la distancia relativa entre dicho objeto de fase y amplitud (2) y dicha retícula (3) .

10. El sistema de deflectometría según la reivindicación 9, en donde dicho objetivo (5) es un objetivo telecéntrico.

11. El sistema de deflectometría según la reivindicación 9 o 10, en donde dicho objeto de fase y amplitud (2) es un objeto reflexivo, el sistema de deflectometría que además comprende un divisor de haz (8) para reflejar dicho patrón hacia el objeto reflexivo (2) mientras que transmite su reflexión distorsionada hacia el sistema de imágenes (4) .

12. El sistema de deflectometría según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en donde dicho patrón comprende al menos un conjunto de franjas paralelas separadas por igual, preferiblemente en forma de un patrón Ronchi.

13. El sistema de deflectometría según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en donde esas franjas paralelas separadas por igual de dichas frecuencias espaciales μ 0, v0 son alrededor de 1/2 de las frecuencias de Nyquist respectivas de dicho sistema de imágenes (4) en dichos ejes x, y.

14. El sistema de deflectometría según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en donde dicho patrón comprende dos conjuntos sustancialmente perpendiculares de franjas paralelas separadas por igual.

15. El sistema de deflectometría según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en donde dicha retícula (3) está formada por un patrón de contraste, preferiblemente un patrón litográfico de metal, impreso en una placa de vidrio.

16. El sistema de deflectometría según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 14, en donde dicha retícula (3) está formada por una pantalla de matriz activa, tal como, por ejemplo, una pantalla LCD.