DE10321895A1 - Topography measuring sensor employs microscopic white light interferometry and has a variable refractive power imaging system in the plane of the test objective focal plane - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of technology
Das sequenzielle Aufnehmen von Daten aus verschiedenen Tiefen des Objektraumes mittels Durchfokussierung spielt bei der mikroskopischen Weißlicht-Interferometrie bekannterweise eine funktionstragende Rolle. Dazu finden sich Hinweise in den folgenden Schriften:The sequential acquisition of data from different depths of the object space through-focus plays in microscopic white light interferometry is known to have a functional role. There are notes on this in the following writings:
- [1.] Balasubramanian N: Optical system for surface topography measurement. US Patent. No. 4.340.306 (1982),[1.] Balasubramanian N: Optical system for surface topography measurement. U.S. patent. No. 4,340,306 (1982),
- [2.] Kino GS, Chim S: Mirau correlation microscope. Appl. Opt. 29 (1990) 3775–3783,[2.] Kino GS, Chim S: Mirau correlation microscope. Appl. Opt. 29 (1990) 3775-3783,
- [3.] Byron SL , Timothy CS: Profilometry with a coherence scanning microscope. Appl. Opt. 29 (1990) 3784–3788,[3.] Byron SL, Timothy CS: Profilometry with a coherence scanning microscope. Appl. Opt. 29 (1990) 3784-3788,
- [4.] Dresel Th, Häusler G, Venzke H: Three-dimensional sensing of rough sufaces by coherence radar. Appl. Opt. 31 (1992) 919–925,[4.] Dresel Th, Häusler G, Venzke H: Three-dimensional sensing of rough sufaces by coherence radar. Appl. Opt. 31 (1992) 919-925.
- [5.] Deck L, de Groot P: High-speed noncontact profiler based on scanning white-light interferometry. Appl. Opt. 33 (1994) 7334–7338,[5.] Deck L, de Groot P: High-speed noncontact profiler based on scanning white-light interferometry. Appl. Opt. 33 (1994) 7334-7338,
- [6.] Windecker R, Haible P, Tiziani H J: Fast coherence scanning interferometry for measuring smooth, rough and spherical surfaces. J. Opt. Soc. Am 42 (1995) 2059–2069.[6.] Windecker R, Haible P, Tiziani H J: Fast coherence scanning interferometry for measuring smooth, rough and spherical surfaces. J. Opt. Soc. 42: 2059-2069 (1995).
Es ist jedoch bei der mikroskopischen Weißlicht-Interferometrie von Vorteil, die Informationen über das Objekt ohne das Bewegen von mechanischen Teilen zu gewinnen. Ein erster Ansatz findet sich bei Hege G: Speckleverfahren zur Abstandsmessung. Dissertation, in Berichte aus dem Institut für Technische Optik. Vol. 4. 1984, S. 20–25 [7]. Jedoch gibt es hierbei nur eine einzige Schärfeebene, so dass es bei Objekten mit einer gewissen Tiefenausdehnung Probleme mit der Schärfe geben kann.It is in microscopic white light interferometry from Advantage, the information about to gain the object without moving mechanical parts. A first approach can be found at Hege G: speckle method for distance measurement. Dissertation, in reports from the Institute for Technical Optics. Vol. 4. 1984, pp. 20-25 [7]. However, there is only a single sharpness level here, so there are objects problems with sharpness with a certain depth can.
Eine Möglichkeit bei der mikroskopischen Weißlicht-Interferometrie ohne das Bewegen von mechanischen Teilen zu fokussieren, wurde mit der Wavelength-to-depth-encoding-Technik von G. Li, P.-Ch. Sun, P. C. Lin und Y. Feinman in Optics Letters 15. Okt. 2000, Vol. 25, No. 20, S. 1505 bis 1507 mit einer diffraktiven Linse im Objektstrahlengang in Verbindung mit einem durchstimmbaren Laser vorgeschlagen [8]. Hierbei gibt es jedoch noch Verbesserungspotenzial hinsichtlich der erreichbaren Tiefenmessgenauigkeit, da nur die vergleichsweise breite Kohärenzfunktion ausgewertet wird. Außerdem ist der hierbei verwendete Messaufbau noch insgesamt recht aufwendig. Durch die Variation der Brennweite eines Objektivs im Objektstrahlengang zur Durchfokussierung ändert sich auch der Abbildungsmaßstab, da ein Farbvergrößerungsfehler bei der Abbildung des Objektes besteht. Dies kann für die hochauflösende 3D-Topometrie ein Problem darstellen.A possibility in microscopic white light interferometry without focusing on moving mechanical parts the wavelength-to-depth encoding technique by G. Li, P.-Ch. Sun, P.C. Lin and Y. Feinman in Optics Letters Oct. 15, 2000, Vol. 25, No. 20, pp. 1505 to 1507 with a diffractive lens in the object beam path proposed in conjunction with a tunable laser [8]. However, there is still room for improvement here the achievable depth measurement accuracy, since only the comparative broad coherence function is evaluated. Moreover the measurement setup used here is still quite complex overall. By varying the focal length of a lens in the object beam path changes to focus the image scale, too a color magnification error exists when mapping the object. This can be for high resolution 3D topometry a problem.
Beschreibung der Erfindungdescription the invention
Das Ziel besteht in einer weiteren Verbesserung der erreichbaren Tiefenmessgenauigkeit und der lateralen Messgenauigkeit bei der mikroskopischen Weißlicht-Interferometrie mit einem vergleichsweise kostengünstigen Sensoraufbau. Dabei werden vor allem erfinderische Ansätze beschrieben, bei denen entweder mit dem sequenziellen Aufnehmen von Daten aus verschiedenen Tiefen des Objektraumes mittels Durchfokussierung, oder durch die simultane Aufnahme von Daten, Informationen aus verschiedenen Tiefen des Objektraumes gewonnen werden. Letzteres führt zu einer hochdynamischen Messtechnik. Es soll erfindungsgemäß anstelle eines durchstimmbaren Lasers auch eine vergleichsweise kostengünstige Weißlichtquelle zur Beleuchtung eingesetzt werden können.The The goal is to further improve the achievable depth measurement accuracy and the lateral measurement accuracy in microscopic white light interferometry with a comparatively inexpensive sensor structure. In doing so especially inventive approaches described in which either sequential recording of data from different depths of the object space by means of focusing, or by the simultaneous recording of data, information from different Depths of the object space can be obtained. The latter leads to one highly dynamic measurement technology. It is intended according to the invention instead a tunable laser is also a comparatively inexpensive white light source can be used for lighting.
Damit ist im besonderen die Aufgabe zu lösen, die laterale Messgenauigkeit zu verbessern, indem der laterale Abbildungsmaßstab durch das Verändern der Lichtwellenlänge unbeeinflusst bleibt, also kein Farbvergrößerungsfehler, auch als chromatische Queraberration bekannt, bei der Abbildung des Objektes besteht. Weiterhin sollen beim optischen Antasten der Objektoberfläche in verschiedenen Tiefen des Objektraumes Signale ohne das mechanische Bewegen von Komponenten mittels eines mikroskopischen Weißlicht-Interferometers erzeugt werden können. Die dabei gewonnenen Signale sollen eine sinnvolle Auswertung der Phaseninformation gestatten.In order to the particular task to be solved is the lateral measurement accuracy to improve by changing the lateral magnification Light wavelength remains unaffected, i.e. no color magnification error, even as chromatic Queraberration known, exists when imaging the object. Furthermore, when optically probing the object surface in different Depths of the object space signals without the mechanical movement of Components are generated using a microscopic white light interferometer can. The signals obtained in this way are intended to be used to evaluate the Allow phase information.
Es wird beim erfinderischen Sensor zur Erfassung der Topografie davon ausgegangen, dass dem zu prüfenden Objekt, in allen hier betrachteten Fällen, ein einziges Prüfobjektiv direkt zugeordnet ist. Dieses dient sowohl stets der Beleuchtung der Objektoberfläche als auch der Abbildung der Objektoberfläche.It is in the inventive sensor for detecting the topography of it assumed that the to be checked Object, in all cases considered here, a single test lens is directly assigned. This is always used for lighting the object surface as well as the image of the object surface.
Es kann eine spektral breitbandige Quelle elektromagnetischer Strahlung im DUV-, im UV-, im VIS-, im NIR- oder im MIR- oder auch im FIR-Bereich im Sensor angeordnet sein. Es kann also auch eine Weißlichtquelle im sichtbaren Spektralbereich mit einem Anteil im NIR- oder UV-Bereich eingesetzt werden. Möglich ist aber auch der Einsatz eines durchstimmbaren Lasers, beispielsweise ein Ti:Sapphir Laser oder ein Multiwellenlängen-Laser mit Frequenzkamm-Charakteritik.It can be a spectrally broadband source of electromagnetic radiation in the DUV, UV, VIS, NIR or MIR or also in the FIR area in Sensor be arranged. So it can also be a white light source in the visible spectral range with a share in the NIR or UV range be used. Possible is also the use of a tunable laser, for example a Ti: Sapphir laser or a multi-wavelength laser with frequency comb characteristics.
Die zu messende Objektoberfläche ist beim optischen Antasten derselben zumindest näherungsweise und mindestens zu einem Teil in der Brennebene des Prüfobjektivs angeordnet.The object surface to be measured is at least approximate when it is optically probed wise and arranged at least in part in the focal plane of the test lens.
Zu 1. und zu 2.: Bei einem Sensor zur Erfassung der Topografie mit einem Zweistrahl-Interferometer mit einem Strahlteiler mit einem Objekt- und einem Referenzstrahlengang mit mindestens einem einzigen Objektiv, dem Prüfobjektiv, zur Beleuchtung und Abbildung des Objektes und einer Kamera ist in der Brennebene FPP des Prüfobjektivs, welche dem Objekt abgewandt ist, ein brechkraftvariables, abbildendes System zumindest näherungsweise mit einem seiner Hauptpunkte (H') angeordnet. Weiterhin kann im Sensor zur Erfassung der Topografie das brechkraftvariable, abbildende System vorzugsweise chromatisch ausgebildet sein. Das bedeutet, die Brennweite dieses abbildenden Systems ist von der Wellenlänge der eintretenden elektromagnetischen Strahlung abhängig, wobei in der Regel Licht im sichtbaren, im nahen IR- oder UV-Bereich eingesetzt wird. Die Brennebene FPP dieses Prüfobjektivs kann mit der Brennebene eines ersten Objektivs zusammenfallen, so dass dabei eine afokale Abbildungsstufe gebildet ist. Damit ist auch die Lage der Schärfeebene dieser Abbildungsstufe im Objektraum von der verwendeten Lichtwellenlänge abhängig. Durch die Anordnung des brechkraftvariablen, abbildenden Systems in der gemeinsamen Brennebene der afokalen Abbildungsstufe ist der Farbvergrößerungsfehler zumindest näherungsweise null.To 1st and 2nd: With a sensor for recording the topography with a two-beam interferometer with a beam splitter with one Object and a reference beam path with at least one Lens, the test lens, for lighting and imaging the object and a camera in the focal plane FPP of the test lens, which faces away from the object, a refractive variable, imaging System at least approximately with one of its main points (H ') arranged. Furthermore, the sensor for detecting the topography the refractive power variable imaging system is preferably chromatic be trained. That means the focal length of this imaging Systems is on the wavelength depending on the incoming electromagnetic radiation, where Usually light in the visible, in the near IR or UV range is used. The focal plane FPP of this test lens can coincide with the focal plane of a first lens, so that an afocal mapping level is formed. So that is also the location of the focus plane this imaging level in the object space depends on the light wavelength used. By the arrangement of the refractive power variable imaging system in the common focal plane of the afocal imaging level is the color magnification error at least approximately zero.
Zu 3.: Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung der Topografie vorgeschlagen, bei dem der Referenzstrahlengang des Zweistrahl-Interferometers zumindest näherungsweise so ausgebildet ist, so dass in demselben kein Farbvergrößerungsfehler besteht. Dies ist durch den Einsatz von Planparallelplatten und durch chromatisch vollständig korrigierte Mikroskopobjektive möglich. So kann für das Licht aller Wellenlängen eine kontrastreiche Interferenz in der Detektionsebene auftreten, da hierbei das Licht aller Wellenlängen im Referenzstrahlengang in gleicher Weise auf einen Referenzspiegel abgebildet werden kann. Durch den Farblängseffekt des brechkraftvariablen, abbildenden Systems im Objektstrahlengang sind die Wellen unterschiedlicher Lichtwellenlänge in der Detektionsebene der Interferenz dagegen nicht mehr in Phase und so ergibt sich über der Wellenlänge ein Signalverlauf, der einem Weißlichtinterferogramm sehr ähnlich ist. Dabei kann die Wellenlänge der Lichtquelle auch gescannt werden, beispielsweise bei Verwendung einer durchstimmbaren Lasers. In diesem Fall kann eine grauwertempfindliche Kamera eingesetzt werden. Bei Verwendung einer Weißlichtquelle muss vor der Detektion eine spektrale Aufspaltung des Lichtes vorgenommen werden. Den einfachste Fall der spektralen Aufspaltung stellt hier die Verwendung einer handelsüblichen Farbkamera dar. Jedoch sind die drei Farbkanäle in der Regel bei weitem nicht ausreichend. Deshalb wird bei Anwendung einer Weißlichtquelle vorzugsweise ein Spektrometer der grauwertempfindlichen Kamera vorgeordnet. Bei Verwendung eines Multiwellenlängenlasers mit einer Frequenzkamm-Charakteristik kann auch ein größerer optischer Gangunterschied zwischen den beiden Armen des Interferometers zugelassen werden, da so eine Austastung vorgenommen wird, die in der Art einer stroboskopischen Austastung vergleichbar ist. Bei sorgfältiger Abstimmung des optischen Gangunterschiedes zum Frequenzabstand der einzelnen, schmalbandigen Laserlinien unter Berücksichtigung der Dispersion im Interferometer kann so ein dem Weißlichtinterferogramm ähnliches Signal erzeugt werden. Die Auswertung kann auf den bekannten Weißlicht-Auswerte-Algorithmen basieren.To 3 .: A sensor for detecting the topography is also proposed, in which the reference beam path of the two-beam interferometer at least approximately is designed so that there is no color magnification error in the same consists. This is due to the use of plane parallel plates and through chromatically complete corrected microscope objectives possible. So for the light of all wavelengths a high-contrast interference occurs in the detection plane, because here the light of all wavelengths in the reference beam path can be mapped to a reference mirror in the same way. Due to the longitudinal color effect of the refractive power variable imaging system in the object beam path the waves of different wavelengths of light in the detection plane the interference, however, is no longer in phase and so over the wavelength a waveform that is very similar to a white light interferogram. The wavelength of the Light source can also be scanned, for example when using a tunable laser. In this case, a gray value sensitive Camera are used. When using a white light source spectral splitting of the light must be carried out before detection become. The simplest case of spectral splitting is here the use of a commercially available Color camera. However, the three color channels are usually by far unsatisfactory. Therefore, when using a white light source A spectrometer is preferably arranged upstream of the gray-value-sensitive camera. When using a multi-wavelength laser with a frequency comb characteristic also a bigger optical Permitted path difference between the two arms of the interferometer , because such a blanking is made, which is in the manner of a stroboscopic blanking is comparable. With careful coordination of the optical path difference to the frequency spacing of the individual, narrow-band Considering laser lines the dispersion in the interferometer can be similar to the white light interferogram Signal are generated. The evaluation can be based on the known white light evaluation algorithms.
Zu 4.: Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung der Topografie vorgeschlagen, bei dem das Objektiv im Referenzstrahlengang eines Linnik-Interferometers achromatisch ausgebildet ist, so dass im Referenzstrahlengang kein Farbvergrößerungsfehler besteht. So ist die Voraussetzung erfüllt, um für Licht verschiedener Wellenlängen Interferenzen in der Ebene der Kamera beobachten zu können.To 4 .: A sensor for detecting the topography is also proposed, where the lens is in the reference beam path of a Linnik interferometer is achromatic, so that none in the reference beam path Color magnification error exists. So the requirement is fulfilled um for Light of different wavelengths To be able to observe interference in the plane of the camera.
Zu 5.: Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung der Topografie vorgeschlagen, bei dem im Referenzstrahlengang eines Michelson-Interferometers oder Mirau-Interferometers ein zweites brechkraftvariables, abbildendes System, jedoch mit entgegengesetzter Brechkraft angeordnet ist, so dass der Farbvergrößerungsfehler und der Farblängsfehler des ersten brechkraftvariablen, abbildenden Systems zumindest näherungsweise kompensiert sind und so auf dem Referenzspiegel das Licht aller Wellenlängen stets in gleicher Art und Weise fokussiert ist.To 5 .: A sensor for detecting the topography is also proposed, in the reference beam path of a Michelson interferometer or Mirau interferometer a second refractive variable, imaging System, but arranged with opposite refractive power, so the color magnification error and the longitudinal color error of the first refractive power variable imaging system, at least approximately are compensated and so the light of everyone on the reference mirror wavelength is always focused in the same way.
Zu 6.: Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung der Topografie vorgeschlagen, bei dem im Referenzstrahlengang eines Michelson-Interferometers oder Mirau-Interferometers eine Planparallelplattenanordnung mit mindestens einer Planparallelplatte aus dispersivem Material angeordnet ist, so dass der Farblängsfehler des ersten brechkraftvariablen, abbildenden Systems im Referenzstrahlengang zumindest näherungsweise kompensiert ist und so auf dem Referenzspiegel das Licht aller Wellenlängen stets in gleicher An und Weise fokussiert ist. Dabei ist vorzugsweise im Objektstrahlengang eine Planparallelplattenanordnung mit zumindest näherungsweise gleicher mittlerer optischer Dicke mit mindestens einer Planparallelplatte aus dispersivem Material angeordnet, wobei die Dispersion dieser Planparallelplattenanordnung deutlich verschieden ist. Beispielsweise kann die Dispersion deutlich kleiner sein. So wird ein durch das brechkraftvariable System in der Brennebene des Prüfobjektivs positiver Farblängsfehler durch eine Planparallelplatte aus vergleichsweise schwach dispersivem Material nur etwas abgeschwächt, so dass im Objektstrahlengang noch ein gewünschter Farblängsfehler zur chromatisch bedingten Durchfokussierung erhalten bleibt. Dagegen ist im Referenzstrahlengang eine Planparallelplatte aus hoch dispersivem Material angeordnet, die den Farblängsfehler im Referenzstrahlengang vollständig kompensiert. Dabei kann ein zusätzlicher Phasengang über der Wellenlänge entstehen, der das Weißlichtsignal deformiert und auch als Chirping bekannt ist. Dieser Chirping-Effekt muss numerisch korrigiert werden.6 .: A sensor for detecting the topography is also proposed, in which a plane parallel plate arrangement with at least one plane parallel plate made of dispersive material is arranged in the reference beam path of a Michelson interferometer or Mirau interferometer, so that the longitudinal color error of the first imaging system variable, refractive power, in the reference beam path is at least approximately compensated and so the light of all wavelengths is always focused in the same way on the reference mirror. In this case, a plane-parallel plate arrangement with at least approximately the same average optical thickness with at least one plane-parallel plate made of dispersive material is preferably arranged in the object beam path, the dispersion of this plane-parallel plate arrangement being significantly different. For example, the dispersion can be significantly smaller. For example, a positive longitudinal color error due to the refractive power variable system in the focal plane of the test lens is only slightly offset by a plane parallel plate made of comparatively weakly dispersive material weakens so that a desired longitudinal chromatic aberration for chromatically induced focusing remains in the object beam path. In contrast, a plane-parallel plate made of highly dispersive material is arranged in the reference beam path, which completely compensates for the longitudinal color error in the reference beam path. This can result in an additional phase response over the wavelength, which deforms the white light signal and is also known as chirping. This chirping effect must be corrected numerically.
Zu 7.: Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung der Topografie vorgeschlagen, bei dem das brechkraftvariable, abbildende System im Objektstrahlengang eines Linnik-Interferometers angeordnet ist und im Referenzstrahlengang ein Planparallelplatten-Kompensationssystem angeordnet ist, welches den gleichen Farblängsfehler wie das brechkraftvariable, abbildende System im Objektstrahlengang besitzt. So besteht bei entsprechender Justierung des Referenzarms und bei baugleichen Objektiven im Referenz- und im Objektstrahlengang und beim scharfen Abbilden eines Objektpunktes die Voraussetzung, dass kontrastreiche Interferenzen für Licht innerhalb eines begrenzten Spektralbereiches bei der Abbildung dieses Punktes in die Kameraebene auftritt.To 7 .: A sensor for detecting the topography is also proposed, in which the refractive power variable imaging system in the object beam path a Linnik interferometer is arranged and in the reference beam path a plane parallel plate compensation system is arranged, which the same longitudinal color error like the refractive power variable imaging system in the object beam path has. So there is a corresponding adjustment of the reference arm and with identical lenses in the reference and in the object beam path and when sharply imaging an object point, the prerequisite that high-contrast interference for light within a limited Spectral range when imaging this point in the camera plane occurs.
Zu 8.: Es ist aber auch möglich, dass bei einem Sensor zur Erfassung der Topografie das brechkraftvariable, abbildende System im Objektstrahlengang eines Linnik-Interferometers angeordnet ist und im Referenzstrahlengang ein Planparallelplatten-Kompensationssystem angeordnet ist, welches einen speziell angepassten Farblängsfehler besitzt, um die Tiefenempfindlichkeit des Sensors skalieren zu können. So kann dem Signal in der Form eines Weißlichtinterferogramms zusätzlich ein gewünschter Phasengang über der Wellenlänge aufgeprägt werden.To 8 .: But it is also possible that the refractive power variable, imaging system in the object beam path of a Linnik interferometer is arranged and a plane parallel plate compensation system in the reference beam path is arranged, which has a specially adapted longitudinal color error has in order to be able to scale the depth sensitivity of the sensor. So can also add a signal in the form of a white light interferogram desired Phase response over the wavelength be imprinted.
Zu 9.: Bisher wurden nur Sensoren betrachtet, bei dem die Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes abhing. Bei einem Sensor zur Erfassung der Topografie kann das brechkraftvariable, abbildende System aber auch mit einer elektronisch steuerbaren, diffraktiven Komponente ausgebildet sein. So ist die Brechkraft des diffraktiven, brechkraftvariablen, abbildenden Systems in Abhängigkeit von der Struktur der elektronisch steuerbaren Komponente veränderbar. Hier kann auch eine monochromatische Lichtquelle verwendet werden, da die Brechkraftvariation in diesem Fall nicht über die Lichtwellenlänge erfolgt. Andererseits kann auch bei einer Weißlichtquelle ein diffraktives, brechkraftvariables, abbildendes System, bei dem der Tiefenmessbereich und die Tiefenauflösung des Sensors über die Anpassung einer diffraktiven Linse an die Messaufgabe adaptiert werden.To 9 .: So far, only sensors with a refractive power have been considered of the refractive power variable imaging system from the wavelength of the used light depended. With a sensor for recording the topography can the refractive power variable imaging system also with a be electronically controllable, diffractive component. So is the refractive power of the diffractive, refractive power variable, imaging System depending changeable by the structure of the electronically controllable component. A monochromatic light source can also be used here, since the refractive power variation in this case does not take place over the light wavelength. On the other hand, a diffractive, Power-variable, imaging system in which the depth measuring range and the depth resolution of the sensor over the Adaptation of a diffractive lens adapted to the measuring task become.
Beim Aufbau des brechkraftvariablen, abbildenden Systems als ein elektronisch steuerbares System können LCDs, LCOS-Displays oder DMDs eingesetzt werden. So kann die Brechkraft in Abhängigkeit von der Struktur eines elektronisch steuerbaren Arrays gezielt geändert werden.At the Structure of the refractive power variable imaging system as an electronic controllable system can LCDs, LCOS displays or DMDs are used. So the refractive power dependent on be specifically changed by the structure of an electronically controllable array.
Zu 10.: Weiterhin ist es bei einem Sensor zur Erfassung der Topografie von Vorteil, wenn vorzugsweise der Hauptpunkt (H') des brechkraftvariablen, abbildenden Systems zumindest näherungsweise mit dem Pupillenzentrum PZD im Abbildungsstrahlengang zusammenfällt. In diesem Fall erfolgt beim Durchfokussieren kein laterales Auswandern des Bildes in der Kameraebene.To 10 .: It is also a sensor for detecting the topography advantageous if preferably the main point (H ') of the refractive power variable, imaging Systems at least approximately with the pupil center PZD coincides in the imaging beam path. In in this case there is no lateral migration when focusing through of the image in the camera plane.
Zu 11. und 12.: Weiterhin ist bei einem Sensor zur Erfassung der Topografie von Vorteil, wenn sich zumindest näherungsweise für mindestens eine Wellenlänge des Lichtes der Betrag der Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems zu null ergibt. So kann ein Prüfobjektiv eingesetzt werden, welches nach Unendlich korrigiert ist. Diese Objektive stehen kostengünstig und in großer Vielfalt zur Verfügung. Um eine Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems von null zu erreichen, kann bei einem Sensor zur Erfassung der Topografie das brechkraftvariable abbildende System vorzugsweise aus zwei Hauptkomponenten bestehen, die für eine einzige Lichtwellenlänge zumindest näherungsweise in der Brechkraft entgegengesetzt sind.To 11th and 12th: There is also a sensor for detecting the topography of advantage if at least approximately for at least a wavelength the amount of the refractive power of the refractive power variable, imaging Systems results in zero. So a test lens can be used which is corrected to infinity. These lenses are inexpensive and in large Variety available. A refractive power of the imaging system variable in refractive power Reaching from zero can be achieved with a sensor for detecting the topography the refractive power imaging system preferably consists of two main components exist for a single wavelength of light at least approximately in are opposed to the refractive power.
Vorzugsweise ist dabei mindestens eines dieser Teilsysteme chromatisch ausgebildet. Vorzugsweise ist dieses System dann diffraktiv oder zumindest teilweise diffraktiv ausgebildet. Es können aber auch beide Systeme chromatisch ausgebildet sein. Das zweite System kann dispersiv ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das brechkraftvariable Abbildungssystem ein fokussierendes oder divergierendes System, in jedem Fall ein System mit Zoom-Eigenschaften und vorzugsweise rotationssymmetrisch in seiner Struktur und in seiner Funktion.Preferably at least one of these subsystems is chromatic. This system is then preferably diffractive or at least partially diffractive. But it can both systems should be chromatic. The second system can be dispersive. The refractive power variable is preferred Imaging system a focusing or diverging system, in any case a system with zoom properties and preferably rotationally symmetrical in its structure and in its function.
Zu 13.: Weiterhin kann bei einem Sensor zur Erfassung der Topografie mit Vorteil die Kamera als farbsensitive Kamera ausgebildet sein. Dabei kann die Kamera auch mehr als drei spektrale Kanäle aufweisen, beispielsweise auch acht spektrale Kanäle. So kann bei a priori-Kenntnissen über die auftretende Signalform, beispielsweise der mittleren Welligkeit im Signal über der Lichtwellenlänge der Schwerpunkt der Einhüllenden und die Phase am Schwerpunkt des Signals bestimmt werden. Die dazu notwendigen Auswertemethoden wurden bereits in Applied Optics, Vol. 39, No. 8, 10. März 2000, Seite 1290 bis 1295 [9] sowie in Fringe'01: Proceedings of the 4th International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns, Elsevier 2001, S. 173–180 unter „Generalized Signal Evaluation for White-light interferometry and Scanning fringe projection" [10] oder im Fachaufsatz "Signalverarbeitung bei tiefen-scannenden 3D-Sensoren für neue industrielle Anwendungen" in der Fachzeitschrift Technisches Messen 69 (2002) 5 [11] dargestellt. Eine derartige Kamera kann zum Beispiel mit vier Sensor-Chips und einer Strahlteileranordnung mit insgesamt vier Köstersprismen und vier angepassten Farbteilern aufgebaut werden, wobei jeder der vier Sensor-Chip zwei nebeneinanderliegende Bilder unterschiedlicher Schwerpunktwellenlänge aufnimmt.Re 13 .: Furthermore, with a sensor for detecting the topography, the camera can advantageously be designed as a color-sensitive camera. The camera can also have more than three spectral channels, for example also eight spectral channels. With a priori knowledge of the signal shape occurring, for example the mean ripple in the signal over the light wavelength, the center of gravity of the envelope and the phase at the center of gravity of the signal can be determined. The evaluation methods required for this have already been described in Applied Optics, Vol. 39, No. 8, March 10, 2000, pages 1290 to 1295 [9] and in Fringe'01: Proceedings of the 4th International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns, Elsevier 2001, pp. 173–180 under "Generalized Signal Evaluation for White-light interferometry and Scanning fringe projection" [10] or in the technical paper "Signal processing for deep-scanning 3D sensors for new industrial applications" in the technical measurement journal 69 (2002) 5 [11] Such a camera can be constructed, for example, with four sensor chips and a beam splitter arrangement with a total of four Kösters prisms and four adapted color splitters, each of the four sensor chips taking two adjacent images of different focus wavelengths.
Zu 14.: Wenn die spektrale Aufspaltung in acht spektrale Kanäle – besonders wenn ein größerer Tiefenmessbereich gewünscht ist – aus Gründen der Tiefenmessgenauigkeit nicht ausreicht, kann bei einem Sensor zur Erfassung der Topografie die Kamera auch als monochrome Kamera ausgebildet sein. Die Beleuchtung der Oberfläche des Objektes erfolgt dann mit einem schmalen Lichtband. Dann ist dieser Kamera ein Spektrometermodul mit einem Eingangsspalt vorgeordnet, auf welches das Lichtband abgebildet wird. Dieses Spektrometermodul mit interner Abbildungsstufe kann beispielsweise 100 spektrale Kanäle aufweisen, indem die spektrale Zerlegung des Lichtes auf 100 Pixel und senkrecht zur Ausbildung des Lichtbandbildes auf der Kamerafläche erfolgt. Betrachtet man einen spektralen Bereich von 200 nm von etwa 450 bis 650nm, so beträgt die spektrale Auflösung 2nm. Vorteilhaft ist, wenn dem Pixel-Pitch etwa ein achtel Streifen entspricht. Wenn ein optischer Gangunterschied von etwa 25 Wellenlängen ausgewertet wird, entspricht das also etwa einem Tiefenmessbereich von etwa +/– 3μm. Das Spektrometermodul kann dabei als Geradsichtkeil oder als Gitterspektrometer geringer Auflösung ausgebildet sein.To 14 .: If the spectral splitting into eight spectral channels - especially if a larger depth measurement range required is - out establish the depth measurement accuracy is not sufficient for a sensor to record the topography, the camera also as a monochrome camera be trained. The surface of the object is then illuminated with a narrow band of light. Then this camera is a spectrometer module with an entrance slit, on which the light band is mapped becomes. This spectrometer module with internal imaging level can for example 100 spectral channels have by spectrally decomposing the light to 100 pixels and takes place perpendicular to the formation of the light band image on the camera surface. Consider a spectral range of 200 nm of around 450 up to 650nm the spectral resolution 2 nm. It is advantageous if the pixel pitch has about an eighth stripe equivalent. When an optical path difference of about 25 wavelengths is evaluated is, this corresponds approximately to a depth measuring range of approximately +/- 3 µm. The spectrometer module can be less than a straight view wedge or a grating spectrometer resolution be trained.
Zu
15.: Weiterhin ist es auch möglich,
dass ein modifiziertes Linnik-Interferometer nach
Zu 16. Weiterhin ist es auch möglich, dass bei einem Sensor zur Erfassung der Topografie als Lichtquelle ein Multiwellenlängen-Laser (MLL) mit einer Frequenzkamm-Charakteristik. eingesetzt wird, wobei dieser in der Regel weit mehr als 10 einzelne Wellenlängen aufweist.To 16. Furthermore, it is also possible that with a sensor for detecting the topography as a light source a multi-wavelength laser (MLL) with a frequency comb characteristic. is used, whereby this usually has far more than 10 individual wavelengths.
Beschreibung der Figurdescription the Figure
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Figur beschrieben.The The invention is described by way of example with reference to the figure.
In
Figur wird die Wirkung einer brechkraftvariablen, abbildenden Komponente
in einem modifizierten Linnik-Interferenz-Mikroskop dargestellt.
Dabei besteht beim Einsatz eines Linnik-Interferometers der Vorteil,
dass hierbei eine vergleichsweise große Apertur, z.B. NA = 0,9,
erreichbar ist. Das von einer spaltförmigen Weißlichtlichtquelle
Nach
dem Kollimatorobjektiv
Dieses Signal, welches einem Weißlichtinterferogramm zumindest näherungsweise ähnlich sieht, wird auf der Grundlage der bekannten Algorithmen ausgewertet, wobei gegebenenfalls Anpassungen vorzunehmen sind, da es Nichtlinearitäten im Signal geben kann. Mit dieser Anordnung kann das Mikroprofil in einem Zeilenschnitt durch die Aufnahme eines einzigen Bildes mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit ermittelt werden.This Signal representing a white light interferogram looks at least approximately similar evaluated on the basis of the known algorithms, where appropriate Adjustments have to be made because there are non-linearities in the signal can. With this arrangement, the micro profile can be cut in a line by taking a single picture at high speed and accuracy can be determined.
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