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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE4035799 C2
Publication typeGrant
Application numberDE19904035799
Publication date12 Oct 1995
Filing date10 Nov 1990
Priority date10 Nov 1990
Also published asDE4035799A1
Publication number19904035799, 904035799, DE 4035799 C2, DE 4035799C2, DE-C2-4035799, DE19904035799, DE4035799 C2, DE4035799C2, DE904035799
InventorsKlaus Dr Knupfer, Eberhard Derndinger, Rudolf Dr Groskopf
ApplicantGroskopf Rudolf Dr Ing
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Untersuchung eines Objektes Apparatus for three-dimensional optical investigation of an object translated from German
DE 4035799 C2
Abstract  available in
Claims(16)  translated from German
1. Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Untersuchung eines Objektes, 1. A device for three-dimensional optical investigation of an object,
  • - mit einer Lichtquelle ( 11 ), die ein in einer Beleuchtungsebene ( 11 b) angebrachtes Beleuchtungsraster ( 12 l, 31 l, 32 l) beleuchtet, - With a light source (11) into an illumination plane (11b) mounted lighting grid (12 l, 31 l, 32 l) illuminated,
  • - mit optischen Elementen ( 13 o, 13 u), die das Beleuchtungsraster ( 12 l, 31 l, 32 l) in eine Fokusebene ( 13 f) am Ort des zu beobachtenden Objektes ( 14, 14 s) und das von dort abgestrahlte Reflexlicht in eine konfokal zu dem Beleuchtungsraster ( 12 l, 31 l, 32 l) angeordnete Blendenebene ( 17 b) abbilden, - With optical elements (13 o, 13 u), which the illumination grid (12 l, 31 l, 32 l) in a focal plane (13f) at the location of the object to be observed (14, 14 s) and from there emitted reflected light in a confocal to the illumination grid (12 l, 31 l, 32 l) disposed aperture plane (17 b) represent,
  • - und mit einem CCD-Empfänger ( 17 ) mit voneinander getrennten, lichtempfindlichen Bereichen, der das von den optischen Elementen ( 13 o, 13 u) übertragene Reflexlicht des Objektes ( 14 ) konfokal registriert, - And with a CCD receiver (17) with separate photosensitive areas of the registered by the optical elements (13 o, 13 u) transmitted reflection light of the object (14), confocal,
dadurch gekennzeichnet, characterized in
  • - daß der CCD-Empfänger ( 17 ) in der Blendenebene ( 17 b) angeordnet ist - That the CCD receiver (17), (b 17) is arranged in the diaphragm plane
  • - und das Beleuchtungsraster ( 12 l, 31 l, 32 l) mit einem Rastermaß auf den CCD-Empfänger ( 17 ) abgebildet wird, welches mit dem Rastermaß der lichtempfindlichen Bereiche des CCD- Empfängers ( 17 ) übereinstimmt oder ein ganzzahliges Vielfaches von diesem ist, - And the illumination grid (12 l, 31 l, 32 l) is imaged with a grid on the CCD receiver (17) matches that of the pitch of the photosensitive regions of the CCD receiver (17) or an integral multiple of this is .
  • - so daß bereits die Zwischenräume zwischen den voneinander getrennten, lichtempfindlichen Bereichen des CCD-Empfängers ( 17 ) die konfokale Anordnung des CCD-Empfängers bewirken. - So that even the gaps between the separate photosensitive areas of the CCD receiver (17) cause the confocal arrangement of the CCD receiver.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsraster aus Löchern ( 12 l) besteht, die in eine lichtundurchlässige Schicht ( 12 s) eingebracht sind und von der Lichtquelle ( 11 ) beleuchtet werden. 2. Device according to claim 1, characterized in that the illumination grid of holes (12 l), which (12 s) are introduced in an opaque layer and are illuminated from the light source (11).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung der Löcher ( 12 l) durch ein Linsenarray ( 22 a) hindurch erfolgt und hierzu einem jeden Loch ( 12 l) eine eigene Linse zugeordnet ist. 3. A device according to claim 2, characterized in that the illumination of the holes (12 l) is carried out through a lens array (22 a) and for this purpose each one hole (12 l) is assigned a separate lens.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsraster ( 12 l, 31 l, 32 l) als inverses Beleuchtungsraster ausgebildet ist und aus einer von der Lichtquelle ( 11 ) beleuchteten, transparenten Schicht mit kompakten, lichtundurchlässigen Bereichen ( 42 ) besteht, deren Abmessungen klein gegen die dazwischenliegenden, lichtdurchlässigen Bereiche sind. 4. Apparatus according to claim 1, characterized in that the illumination grid (12 l, 31 l, 32 l) is formed as an inverse illumination grid and illuminated from one of the light source (11), the transparent layer with compact, opaque areas (42) whose dimensions are small compared to the intermediate light transmissive areas.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung der lichtdurchlässigen Bereiche durch ein Linsenarray ( 22 a) hindurch erfolgt und hierzu einem jeden lichtundurchlässigen Bereich eine eigene Linse zugeordnet ist. 5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the illumination of the light transmitting regions through a lens array (22 a) is carried out through this, and each one opaque region is associated with its own lens.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsraster ( 12 l, 31 l, 32 l) durch ein Linsenarray ( 53 ) erzeugt ist, das eine von der Lichtquelle ( 11 ) beleuchtete Lochblende ( 61 ) vielfach in rasterförmiger Anordnung in die Beleuchtungsebene ( 11 b) abbildet. 6. The device according to claim 1, characterized in that the illumination grid (12 l, 31 l, 32 l) is generated by a lens array (53), said one of the light source (11) illuminated pinhole (61) in many cases in in raster-like arrangement the illumination plane (11b) maps.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende ( 61 ) ein lichtundurchlässiges Zentrum ( 72 ) hat und als Ringblende ausgebildet ist. 7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the aperture plate (61) has an opaque center (72) and is designed as an annular diaphragm.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsraster ( 12 l, 31 l, 32 l) als ein aus punktförmigen Lichtquellen bestehendes Lichtquellenarray ausgebildet ist. 8. The device according to claim 1, characterized in that the illumination grid (12 l, 31 l, 32 l) is formed as a collection of point light sources light source array.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen ( 31 l) des Lichtquellenarrays ( 31 ) einzeln oder in Teilmengen ein- oder ausschaltbar sind. 9. The device according to claim 8, characterized in that the light sources (31 l) of the light source array (31) individually or mono- in subsets or are switched off.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Verstellvorrichtung ( 15 ) die Fokusebene ( 13 f) auf verschiedene Schichtebenen ( 14 s) innerhalb des Objektes( 14 ) einstellbar ist und/oder das Beleuchtungsraster ( 12 l, 31 l, 32 l) und das Objekt ( 14 ) relativ zueinander in Ebenen senkrecht zur optischen Achse bewegbar sind. 10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that on an adjustment device (15) the focal plane (13 f) to different layer planes (14 s) is within the object (14) is adjustable and / or the illumination grid (12 l , 31 l, 32 l) and the object (14) relative to each other in planes are moved perpendicular to the optical axis.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der CCD-Empfänger ( 17 ) mit einem Computer ( 18 ) verbunden ist, der die Signale des CCD-Empfängers ( 17 ) auswertet. 11. The device according to claim 10, characterized in that the CCD receiver (17) with a computer (18) is connected, the signals of the CCD receiver (17) evaluates.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer ( 18 ) die Einstellung der Fokusebene ( 13 f) auf verschiedene Schichtebenen ( 14 s) des Objektes ( 14 ) und/oder die Relativbewegung zwischen Beleuchtungsraster ( 12 l, 31 l, 32 l) und Objekt ( 14 ) über die Verstellvorrichtung ( 15 ) vornimmt. 12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the computer (18) the setting of the focal plane (13 f) in different layer planes (14 s) of the object (14) and / or the relative movement between the illumination grid (12 l, 31 l, 32 l) and the object (14) via the adjusting device (15) performs.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer ( 18 ) die Lichtquellen ( 32 l) des Lichtquellenarrays einzeln oder in Teilmengen über eine Schaltvorrichtung ( 19 ) abhängig von den Ergebnissen der Auswertung durch den Computer ( 18 ) ein- oder ausschaltet. 13. The apparatus according to claim 11, characterized in that the computer (18) the light sources (32 l) of the light source arrays individually or in subsets via a switching device (19) depending on the results of the evaluation by the computer (18) switches on or off ,
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung ( 15 v) durch den Computer ( 18 ) betätigt wird. 14. The apparatus according to claim 12, characterized in that the adjusting device (15 V) is actuated by the computer (18).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem konfokalen Strahlengang eine ringförmige Telezentrierblende ( 13 t) angeordnet ist. 15. Device according to one of claims 1 to 14, characterized in that in the confocal beam path an annular Telezentrierblende (t 13) is arranged.
Description  translated from German

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Untersuchung eines Objektes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The present invention relates to an apparatus for three-dimensional optical examination of an object according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Vorrichtung mit Verwendung eines CCD-Empfängers und eines zweidimensionalen Arrays von Löchern in einer beleuchteten Schicht ist für ein Scanning-Mikroskop aus der US 4 806 004 bekannt. Such a device with use of a CCD receiver and a two dimensional array of holes in a layer illuminated is known for a scanning microscope from US 4,806,004. Dort ist jedoch nur angegeben, daß das Objekt in verschiedenen Schichtebenen beobachtet werden kann. There is only stated that the object can be observed in different layer levels. Vor allem wird dort die Blendenwirkung des CCD-Empfängers nicht ausgenutzt, dh die Tatsache, daß er aus rasterförmig angeordneten lichtempfindlichen Bereichen besteht, deren Abmessungen erheblich kleiner sind als ihre Abstände voneinander. Especially where the screening effect of the CCD receiver is not used, ie the fact that it consists of a grid-like arranged photosensitive regions whose dimensions are substantially smaller than their spacings from each other.

In dem oben angegebenen US-Patent ist der konfokale Strahlengang vielmehr nur bei einem Auflichtmikroskop verwirklicht, bei welchem die zum Objekt gehenden Strahlenbündel durch dasselbe Löcher-Array gehen wie die vom Objekt reflektierten Strahlenbündel. In the US Patent indicated above, the confocal beam path is rather achieved only with a light microscope in which the object of continuous bundle of rays go through the same hole array as reflected by the object beam. Daher ist es notwendig, durch ein als Okular bezeichnetes optisches Element das Löcher-Array in eine Ebene abzubilden, in der es beobachtet oder aufgenommen wird. Therefore, it is necessary to image through an eyepiece optical element referred to as the hole-array in a plane in which it is observed or recorded. Für den letzten Fall ist unter anderem eine Videokamera mit einem CCD-Empfänger angegeben, deren Bilder gespeichert und ausgewertet werden können. In the latter case, a video camera with a CCD receiver containing, inter alia, the pictures can be stored and analyzed.

Bei der vorliegenden Erfindung wird dagegen immer ein CCD-Empfänger benutzt und seine im allgemeinen nachteilige Eigenschaft ausgenutzt, daß nur ein kleiner Anteil der Empfängerfläche aus lichtempfindlichen Bereichen besteht. In the present invention, however, always a CCD receiver is used and taken advantage of its generally disadvantageous property that only a small portion of the receiving surface is comprised of light sensitive areas.

In der DD 2 73 122 ist ein Lichtrastermikroskop beschrieben, bei dem zwar eine Blende mit lichtempfindlichen Schichten versehen ist, so daß die Randbereiche der Blende gleichzeitig auch als Detektor dienen. 2 in DD 73 122, a light-scanning microscope is described in which, although a diaphragm is provided with light-sensitive layers, so that the edge portions of the panels can be used also as detector. Diese Blende ist jedoch nicht in einer zur Objektoberfläche konjugierten Ebene angeordnet, dh die Fokusebene wird nicht in die Blendenebene abgebildet. This diaphragm, however, is not arranged in a conjugate plane to the object surface, that is, the focal plane is not shown in the diaphragm plane. Die Blende und damit die auf der Blende aufgebrachten Detektoren sind vielmehr entweder auf der dem Objekt zugewandten Seite des Objektivs oder im telezentrischen Strahlengang angeordnet. The aperture and thus the applied to the diaphragm detectors are arranged either on the contrary facing the object side of the lens or in the telecentric beam path. Eine tiefenselektive Messung wie die Aufzeichnung von Ober flächenprofilen ist daher mit dieser Vorrichtung nicht möglich. A depth-selective measurement as the recording of upper surface profiles is therefore not possible with this device.

Aus dem Aufsatz in Appl. From the article in Appl. Phys. Phys. Lett. Lett. 53 (8), 716 (1988), ist eine Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Untersuchung eines Objektes bekannt, bei der in einer zur Bildebene eines Mikroskopobjektivs konjugierten Ebene eine rotierende Nipkow-Scheibe angeordnet ist. 53 (8), 716 (1988), a three-dimensional optical device for examining an object is known in which a rotating Nipkow disc is arranged in a plane conjugate to the image plane of a microscope objective level. Sowohl das Beleuchungslicht als auch das am Objekt reflektierte Licht transmittiert durch die kleinen Öffnungen der Nipkow- Scheibe, wodurch das außerhalb der Bildebene des Mikroskopobjektivs reflektierte Licht unterdrückt wird und daher Schnittbilder erzeugt werden. Both the Beleuchungslicht and the light reflected at the object transmitted through the small holes of the Nipkow disc which is outside the image plane of the microscope objective reflected light is suppressed and, therefore, sectional images are generated. Das System dient jedoch nur zur Erzeugung von Schnittbildern in Echtzeit zur visuellen Beobachtung oder zur photographischen Aufzeichnung. However, the system is only used to produce cross-sectional images in real-time visual observation or photographic recording.

Schließlich ist ein konfokales Scanning-Mikroskop in einer Veröffentlichung von DK Hamilton ea (Appl. Phys. B 27, 211 [1982]) beschrieben. Finally, a confocal scanning microscope is described in a paper by DK Hamilton ea (Appl. Phys. B 27, 211 [1982]) described. Scanning- Mikroskope mit konfokalem Strahlengang, bei dem eine sog. Punktlichtquelle in eine Ebene des Objektes und diese Ebene des Objektes auf einen sog. Punktempfänger bzw. eine Lochblende, hinter der ein Empfänger sitzt, abgebildet wird, haben die Eigenschaft, sehr höhenselektiv zu sein, dh Ebenen, die nur einen geringen Abstand voneinander haben, optisch zu trennen. Scanning microscopes with a confocal beam path in which a so-called. Point light source is imaged in a plane of the object and this level of the object on a so-called. Point receiver or a pinhole, behind which a receiver sits, have the property of being very height selectively ie levels that have only a short distance apart to separate visually. In der oben zitierten Veröffentlichung wird diese Eigenschaft dazu benutzt, ein Oberflächenprofil eines Halbleiterbauelementes aufzunehmen. In the above-cited publication, this property is used to receive a surface profile of a semiconductor device. Dafür wird für jede xy-Lage des Lichtpunktes das Objekt in z-Richtung (Richtung der optischen Achse) bewegt und der Intensitätsverlauf gemessen. For this, the object is for each XY position of the light spot is moved in the z direction (direction of the optical axis) and the measured intensity course. Da dieser ein ausgeprägtes Maximum hat, wenn das Bild des Lichtpunktes genau auf der Oberfläche liegt, kann für jeden Punkt in der xy-Ebene die Höhe der Oberfläche in z-Richtung bestimmt werden und auf diese Weise zeitlich nacheinander das gesamte Oberflächenprofil des Objektes aufgenommen werden. Since this has a pronounced maximum when the image of the light spot is exactly on the surface, the height of the surface in the z-direction, for each point in the xy plane can be determined and recorded one after the entire surface profile of the object in this way time , Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist, daß die Aufnahme eines Oberflächenprofils relativ viel Zeit erfordert. A disadvantage of this known device is that the inclusion of a surface profile requires relatively much time.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der in relativ kurzer Zeit Oberflächenprofile aufgenommen werden können. The present invention has for its object to provide a device in a relatively short time surface profiles can be taken with.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnende Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by the characterizing feature combination of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 15 aufgezeigt. Advantageous embodiments are set forth in the dependent claims 2 to 15.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß die Aufnahme eines Oberflächenprofils infolge des Beleuchtungsrasters nicht nur schnell geht, sondern daß auch unmittelbar eine höhenselektive Betrachtung möglich ist, da durch den konfokalen Strahlengang die Intensität der von den einzelnen Objektstellen reflektierten Strahlungen unmittelbar von den Höhen der betreffenden Stellen des Objektes abhängt, so daß jedes Rasterelement eine Information über die Höhe der Oberfläche an der zu ihm gehörenden Stelle des Objektes gibt und damit die Intensitätsverteilung über der Oberfläche unmittelbar einen Überblick über die Höhenverteilung der Objektoberfläche gibt. The solution according to the invention has the advantage that the inclusion of a surface profile due to the illumination grid is not only fast, but also that a height-selective observation is immediately possible, since the intensity of the reflected by each object Ask radiation directly from the heights of the question by the confocal beam path filters of the object depends, so that each pixel is an information about the height of the surface at the point associated with it of the object and thus the intensity distribution over the surface immediately gives an overview of the height distribution of the object surface. Insbesondere lassen sich dadurch, wenn das Objekt relativ zum Strahlengang in Richtung der optischen Achse bewegt wird, sehr einfach die Bereiche mit gleicher Höhe der Oberfläche feststellen. In particular, can be characterized as the object is moved relative to the beam path in the direction of the optical axis, very simply, the regions with the same amount of surface notice.

Bei Objekten mit reflektierenden Bereichen in oder unter einer transparenten Schicht ergeben sich für die Abhängigkeit der Intensität von der Höhe im Objekt Reflexionsprofile mit einem kleinen Maximum für die Oberfläche der transparenten Schicht und einem großen Maximum für den reflektierenden Bereich. For objects with reflective areas in or under a transparent layer are obtained for the dependence of the intensity of the height of the object reflection profiles with a small maximum for the surface of the transparent layer and a large maximum for the reflective region. Daher ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, nicht nur Oberflächenprofile zu untersuchen, sondern auch Strukturen innerhalb oder unter transparenten Schichten. Therefore, it is possible with the device according to the invention, not only to investigate surface profiles but also structures within or under the transparent layers.

In einer vorteilhaften, einfachen Ausführungsform der Erfindung wird das Beleuchtungsraster durch Löcher in einer Schicht realisiert, die durch eine Lichtquelle beleuchtet wird. In an advantageous and simple embodiment of the invention the illumination grid is realized through holes in a layer illuminated by a light source. Um eine größere Intensität der beleuchteten Löcher - im folgenden auch kurz als Lichtpunkte bezeichnet - zu erreichen, kann vor der Schicht mit den Löchern ein Linsen-Array angeordnet werden, welches dafür sorgt, daß die Strahlung der Lichtquelle die Schicht nicht gleichmäßig ausleuchtet, sondern auf die Löcher konzentriert wird. To a larger intensity of the illuminated holes - in the following also abbreviated as light dots - to achieve, a lens array may be disposed in front of the layer with the holes, which ensures that the radiation of the light source, the layer is not uniformly illuminate, but on the holes is concentrated.

Normalerweise werden der CCD-Empfänger und das Beleuchtungsraster zueinander so justiert, daß die in die Blendenebene abgebildeten Lichtpunkte auf die lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers fallen. Normally, the CCD receiver and the illumination grid are mutually adjusted so that the light spots imaged into the diaphragm plane fall on the photosensitive areas of the CCD receiver. In diesem Fall entstehen beim Durchfokussieren Intensitätsmaxima für diejenigen Objektstellen, deren reflektierende Flächen genau in der Fokusebene liegen. In this case, the intensity maxima By focusing arise for those object points whose reflecting surfaces lie exactly in the focal plane.

Es ist jedoch auch möglich, den CCD-Empfänger und das Beleuchtungsraster zueinander so zu justieren, daß die in die Blendenebene abgebildeten Lichtpunkte zwischen die lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers fallen. However, it is also possible to each other to adjust the CCD receiver and the illumination grid, so that the mapped points in the aperture plane between the light areas of the photosensitive CCD receiver fall. In diesem Fall entstehen beim Durchfokussieren Intensitätsminima für diejenigen Objektstellen, deren reflektierende Flächen genau in der Fokusebene liegen. In this case, the intensity minima By focusing arise for those object points whose reflecting surfaces lie exactly in the focal plane. Durch eine besondere Ausbildung des CCD-Empfängers, z. B. durch relativ großflächige lichtempfindliche Bereiche, kann dieser Effekt noch verstärkt werden. By a special design of the CCD receiver, for. Example by relatively large photosensitive areas, this effect can be enhanced.

Schließlich ist auch ein inverses Beleuchtungsraster möglich; Finally, an inverse illumination grid is possible; dh das auf das Objekt und in die Blendenebene abgebildete Raster besteht nicht aus hellen Lichtpunkten, sondern aus einer hellen Fläche mit einer rasterförmigen Anordnung von kleinen dunklen Zonen. ie the grid shown on the object and in the aperture plane is not made of bright points of light, but of a bright area with a grid-like arrangement of small dark areas. Ein derartiges Beleuchtungsraster, welches z. B. aus einer von der Lichtquelle beleuchteten Schicht mit lichtundurchlässigen Zonen besteht, liefert bei einem CCD-Empfänger mit kleinen lichtempfindlichen Bereichen, auf welche die dunklen Zonen abgebildet werden, ebenfalls Intensitätsminima für diejenigen Objektstellen, deren reflektierende Flächen genau in der Fokusebene liegen. Such an illumination grid, which consists, for. Example, from a illuminated by the light source layer with opaque zones, also intensity minima for those object points whose reflecting surfaces provides for a CCD receiver with small light-sensitive areas, to which the dark zones are mapped, exactly lie in the focal plane.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird das Beleuchtungsraster durch ein Linsen- Array erzeugt, welches eine annähernd punktförmige Lichtquelle vielfach, in rasterförmiger Anordnung in die Beleuchtungsebene abbildet. In another advantageous embodiment, the illumination grid is generated by a lens array, which in many cases, depicting an approximately point-shaped light source in a grid-like arrangement in the illumination plane.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Beleuchtungsraster dadurch erzeugt, daß eine von der Lichtquelle beleuchtete Blende vielfach, in rasterförmiger Anordnung in die Beleuchtungsebene abgebildet wird. In a further advantageous embodiment, the illumination grid is generated by applying an illuminated by the light source aperture is in many cases, displayed in a grid-like arrangement in the illumination plane. Auch in diesem Fall kann ein inverses Beleuchtungsraster z. B. dadurch realisiert werden, daß die Blende ein lichtundurchlässiges Zentrum hat. Also in this case, an inverted illumination grid, for. Example, be realized in that the diaphragm has an opaque center.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Beleuchtungsraster durch ein Lichtquellen-Array erzeugt. In a particularly advantageous embodiment, the illumination grid is generated by a light source array. Dieses kann z. B. aus einzelnen Leuchtdioden zusammengesetzt sein oder in integrierter Technik hergestellt werden. This can, for. Example, be composed of individual LEDs or produced in integrated technology. In beiden Fällen ist es ganz besonders vorteilhaft, die Arrays und ihre Spannungsversorgung so auszubilden, daß entweder jede einzelne Lichtquelle oder bestimmte Teilmengen der Lichtquellen unabhängig von den anderen ein- und ausgeschaltet werden können. In both cases, it is particularly advantageous to the array and its power in such a way that either each individual light source or certain subsets of light sources independent of the others on and off can.

Zur Aufnahme der oben erläuterten höhenselektiven Übersichtsbilder ist es zweckmäßig, eine Verstellvorrichtung vorzusehen, welche es erlaubt, die Fokusebene mit den Bildern der Lichtpunkte auf verschiedene Schichtebenen des Objektes einzustellen. To accommodate the above-mentioned height selective overview images, it is appropriate to provide for an adjustment which allows to adjust the focal plane with the images of points of light in different layer planes of the object. Zur Aufnahme vollständiger Reflexionsprofile mit guter Auflösung ist es zweckmäßig, eine Verstellvorrichtung vorzusehen, welche es erlaubt, das Beleuchtungsraster und das Objekt relativ zueinander in Ebenen senkrecht zur optischen Achse zu bewegen, so daß das Objekt mit dem Beleuchtungsraster abgescannt wird. To accommodate full reflection profile with good resolution, it is expedient to provide an adjusting device, which allows the illumination grid and the object relative to each other in planes perpendicular to move to the optical axis, so that the object is scanned with the illumination grid. Die Relativbewegung zwischen Lichtpunkten und Objekt kann dabei innerhalb des Abstandes benachbarter Lichtpunkte bleiben oder auch ein Vielfaches davon betragen. The relative motion between points of light and object can remain or be a multiple thereof within the distance of neighboring points of light.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der CCD-Empfänger mit einem Computer verbunden, der die Signale des CCD-Empfängers auswertet. In a further advantageous embodiment of the invention, the CCD receiver is connected to a computer which evaluates the signals of the CCD receiver. Es ist in diesem Fall vorteilhaft, die Verstellvorrichtungen für die relative Bewegung von Lichtpunkten und Objekt zueinander in Richtung der optischen Achse und/oder in den Ebenen der Lichtpunkte bzw. des Objektes durch den Computer zu steuern. It is advantageous in this case to control the adjusting devices for the relative movement of light points and each other object in the optical axis direction and / or in the planes of the light points of the object or by the computer.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird von dem Computer außerdem eine Schaltvorrichtung gesteuert, die unterschiedliche Teilmengen der Lichtquellen des Lichtquellen-Arrays ein- und ausschaltet. In a particularly preferred embodiment of the invention a switching device is also controlled by the computer, the different subsets of inputs of the light sources of the light source arrays on and off. Dabei kann z. B. die Anzahl der eingeschalteten Lichtquellen von den Ergebnissen der Auswertung des Computers gesteuert werden, so daß in kritischen Bereichen eines Objektes der Streulichtanteil durch eine Verminderung der Anzahl der wirksamen Lichtquellen gesenkt werden kann. Here, z. B. the number of active light sources are controlled by the results of the evaluation of the computer, so that in critical areas of an object of stray light can be reduced by reducing the number of effective light sources.

Beim Abscannen eines Objektes kann es vorteilhaft sein, Beleuchtungsraster und CCD- Empfänger relativ zueinander in der Beleuchtungsebene bzw. in der Blendenebene durch eine Verstellvorrichtung, die zweckmäßigerweise vom Computer gesteuert wird, zu verschieben. When scanning an object, it may be advantageous to move lighting grid and CCD receiver relative to one another in the illumination plane or in the diaphragm plane by an adjusting device, which is conveniently controlled from the computer. Mit einem leistungsfähigen Computer können durch diese Verschiebung zusätzliche Informationen gewonnen werden, die eine genauere Auswertung ermöglichen. With a powerful computer, additional information may be obtained by this shift, enabling a more accurate evaluation. In diesem Fall muß das Rastermaß des Beleuchtungsrasters nur ungefähr gleich oder größer sein als das Rastermaß der lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers. In this case, the grid size of the illumination grid need only be approximately equal to or greater than the pitch of the photosensitive regions of the CCD receiver.

Für eine möglichst geringe Tiefenschärfe der konfokalen Abbildung ist es vorteilhaft, an Stelle der üblichen kreisförmigen Telezentrie-Blende eine ringförmige Blende vorzusehen. To minimize the depth of field of confocal imaging, it is advantageous to provide instead of the usual circular aperture telecentric an annular aperture.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is further illustrated in FIGS. 1 to 7 shown in the following embodiments based on. Dabei zeigt: In the drawings:

Fig. 1 eine Ausführung, bei der das Beleuchtungsraster durch eine beleuchtete Schicht mit Löchern erzeugt wird, Fig. 1 is an embodiment in which the illumination grid is generated by an illuminated layer with holes,

Fig. 2 eine Ausführung, bei der die Ausleuchtung der Löcher durch ein zusätzliches Linsen-Array verbessert wird, Fig. 2 shows an embodiment in which the illumination of the holes is improved by an additional lens array,

Fig. 3 eine Ausführung, bei der das Beleuchtungsraster durch ein Halbleiter-Array erzeugt wird, Fig. 3 shows an embodiment in which the illumination grid is generated by a semiconductor array,

Fig. 4 eine Glasplatte mit einem Muster für ein inverses Beleuchtungsraster, Fig. 4 is a glass plate with a pattern of an inverted illumination grid,

Fig. 5 eine Anordnung zur Erzeugung eines Beleuchtungsrasters durch vielfache Abbildung einer Lichtquelle mit einem Linsen-Array, Fig. 5 shows an arrangement for generating an illumination grid by multiple imaging of a light source with a lens array,

Fig. 6 eine Anordnung zur Erzeugung eines Beleuchtungsrasters durch vielfache Abbildung einer beleuchteten Blende mit einem Linsen-Array und Fig. 6 shows an arrangement for generating an illumination grid by multiple imaging an illuminated panel with a lens array, and

Fig. 7 ein Beispiel für die beleuchtete Blende in Fig. 6. Fig. 7 is an example of the illuminated panel in Fig. 6th

In Fig. 1 ist mit ( 11 ) eine Lichtquelle, z. B. eine Halogenlampe, bezeichnet, die mit Hilfe des Kondensors ( 11 k), eventuell über ein Filter ( 11 f) (zur Aussonderung eines ausreichend schmalen Spektralbereiches), Löcher 12 l) in einer Schicht ( 12 )s) beleuchtet. In Fig. 1, (11) a light source, for. Example, a halogen lamp, referred to by means of the condenser (11 k), possibly via a filter (11 f) (for the separation of a sufficiently narrow spectral range), holes 12 l) in a layer (12) s) illuminated. Eine derartige Schicht kann in bekannter Weise z. B. aus Chrom auf einer Glasplatte ( 12 g) hergestellt weren. Such a layer can weren prepared in a known manner, for. Example of chromium on a glass plate (12 g). Die Löcher ( 12 l) sind in der Schicht ( 12 s) ebenso rasterförmig angeordnet wie die lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers ( 17 ) und erheblich kleiner als ihr Abstand. The holes (12 l) are in the layer (12 s) as arranged like a grid as the light-sensitive areas of the CCD receiver (17) and substantially smaller than their distance. Der Abstand der Löcher bzw. Bereiche von Mitte zu Mitte wird als Rastermaß bezeichnet. The distance of the holes from center to center or areas is referred to as pitch.

Das durch die beleuchteten Löcher ( 12 l) in der Schicht ( 12 s) erzeugte Beleuchtungsraster liegt in der Beleuchtungsebene ( 11 b). The illuminated by the holes (12 l) in the layer (12 s) illumination grid is generated in the illumination plane (11 b). Diese wird durch die Linsen ( 13 o, 13 u) in die Fokusebene ( 13 f) abgebildet, so daß in letzterer das Objekt ( 14 ) mit rasterförmig angeordneten Lichtpunkten beleuchtet wird. This is determined by the lenses (13 o, 13 u) in the focal plane (13 f) ready, so that the latter in the object (14) is illuminated with a grid-shaped arrangement of light spots. Bei nichttransparenten Objekten kann nur die Oberfläche ( 14 o) beleuchtet werden, während bei transparenten Objekten auch Schichten ( 14 s) im Inneren mit den Lichtpunkten beleuchtet werden können. For non-transparent objects, only the surface (14 o) can be illuminated, while transparent objects and layers (14 s) can be lit inside with the points of light. Die vom Objekt in der Fokusebene ( 13 f) reflektierten Lichtstrahlen werden von den Linsen ( 13 u, 13 o) über einen Strahlteiler ( 16 ) in der Blendenebene ( 17 b) fokussiert. From the object in the focal plane (13 f) the reflected light beams from the lenses (13 u, 13 o) focused through a beam splitter (16) in the aperture plane (17 b). Die für eine konfokale Anordnung notwendigen Blenden werden in der Blendenebene ( 17 b) realisiert durch die lichtempfindlichen Bereiche des CCD-Empfängers ( 17 ), die durch relativ große Zwischenräume voneinander getrennt sind. The necessary for a confocal arrangement panels are in the diaphragm plane (17 b) realized by the light-sensitive areas of the CCD receiver (17), which are separated by relatively large spaces. Zwischen den Linsen ( 13 o, 13 u) ist üblicherweise ein sog. Telezentrie-Blende ( 13 t) angeordnet, welche dafür sorgt, daß der Mittenstrahl ( 13 m) parallel zur optischen Achse ( 10 ) auf das Objekt ( 14 ) trifft, so daß die Lage der Lichtpunkte auf dem Objekt sich nicht ändert, wenn das Objekt ( 14 ) in Richtung der optischen Achse ( 10 ) bewegt wird. Between the lenses (13 o, 13 u) is usually a so-called. Telecentric aperture (13 t) is arranged, which ensures that the central beam (13 m) meets parallel to the optical axis (10) onto the object (14), so that the position of the light spots on the object does not change when the object (14) is moved in the direction of the optical axis (10).

Das Objekt ( 14 ) kann durch eine Verstellvorrichtung ( 15 ) in allen 3 Raumrichtungen bewegt werden, so daß verschiedene Schichten ( 14 s) des Objektes ( 14 ) abgescannt werden können. The object (14) can be moved by an adjusting device (15) in all 3 directions, so that different layers (14 s) of the object (14) can be scanned. Dabei kann die Bewegung in x- und y-Richtung kleiner gewählt werden als das Rastermaß der Lichtpunkte ( 12 ) bzw. des CCD-Empfängers ( 17 ). The movement in x and y direction can be selected to be smaller than the pitch of the light spots (12) or the CCD receiver (17). Selbstverständlich kann die Bewegung des Objektes ( 14 ) in z-Richtung auch durch Verschieben der Linsen ( 13 o, 13 u) in Richtung der optischen Achse ( 10 ) erreicht werden, und ebenso können anstelle der Bewegung des Objektes in x- und y-Richtung auch die Schicht ( 12 s) mit den Löchern ( 12 l) und CCD-Empfänger ( 17 ) entsprechend bewegt werden. Of course, the movement of the object (14) in the z direction also by moving the lenses (13 o, 13 u) can be achieved in the optical axis direction (10), and also, instead of the movement of the object in X and Y direction of the layer (12 s) with the holes (12 L) and CCD receiver (17) are moved accordingly.

Die Signale des CCD-Empfängers ( 17 ) werden über die Verbindungsleitung ( 17 v) in einen Computer ( 18 ) übertragen, der in bekannter Weise die Auswertung übernimmt und auf einem Bildschirm ( 18 b) die Ergebnisse der Auswertung z. B. in Form von graphischen Darstellungen wiedergibt. The signals of the CCD receiver (17) are transmitted via the connecting line (17 v) in a computer (18), which takes over in a known manner, the evaluation and on a screen (18 b) the results of evaluation for. Example in the form again are graphical representations. Der Computer ( 18 ) kann auch über die Verbindungsleitung ( 18 v) die Verschiebung der Fokusebene ( 13 f) im Objekt und das Scannen in x- und y-Richtung steuern. The computer (18) via the connecting line (18 V) the displacement of the focal plane (13f) in the object and controlling the scanning in x- and y-direction. Diese Steuerung kann im Computer als festes Programm vorliegen oder abhängig von den Ergebnissen der Auswertung erfolgen. This control can be present in the computer as fixed program or are dependent on the results of the evaluation.

In Fig. 2 ist zwischen dem Kondensor ( 11 k) bzw. dem Filter ( 11 f) und der Schicht ( 12 s) mit den Löchern ( 12 l) ein Linsen-Array ( 22 a) angeordnet, welches ebenso viele kleine Linsen ( 22 l) enthält wie die Schicht ( 12 s) Löcher ( 12 l) hat. In FIG. 2, between the condenser (11 k) and the filter (11 f) and the layer (12 s) with the holes (12 L) arranged in a lens array (22 a), which as many small lenses ( 22 l) containing as the layer (12 s) holes (12 L) has. Die Linsen ( 22 l) haben die Aufgabe, Bilder der Leuchtwendel der Lichtquelle ( 11 ) in die Löcher abzubilden und damit den Lichtpunkten eine größere Intensität zu geben. The lenses (22 l) have the task of mapping images of the luminous filament of the light source (11) into the holes and thus give the spots a greater intensity.

Das Linsen-Array ( 22 a) und die Schicht ( 12 s) mit den Löchern ( 12 l) können - wie dargestellt - in einem gemeinsamen Teil ( 22 g) vereinigt sein. The lens array (22 a) and the layer (12 s) with the holes (12 l) may - as shown - be combined in a common part (22 g).

Eine besonders vorteilhafte Realisierung des Beleuchtungsrasters ist in Fig. 3 dargestellt. A particularly advantageous realization of the illumination grid is shown in Fig. 3. Dort ist mit ( 31 ) ein Lichtquellen-Array bezeichnet, welches z. B. aus Lumineszenzdioden (LEDs) ( 31 l) bestehen kann. There is denoted by (31) a light source array, which, for. Example of light-emitting diodes (LEDs) (31 l) may be made. Ein derartiges Array mit einer Größe von z. B. 10×10 Dioden läßt sich z. B. aus handelsüblichen Mini-Dioden mit einem Rastermaß von 2,5 mm zusammensetzen und hat daher eine Gesamtgröße von 2,5 cm×2,5 cm. Such an array with a size of z. B. 10 × 10 diodes can be z. B. from commercially available mini-diodes with a pitch of 2.5 mm together and therefore has a total area of 2.5 cm × 2.5 cm , Es wird im Maßstab von ca. 1:5 in die Beleuchtungsebene ( 11 b) durch das Objektiv ( 31 o) so abgebildet, daß es ungefähr die Größe der gesamten lichtempfindlichen Fläche des CCD-Empfängers von 5 mm×5 mm erhält. It is in the scale of about 1: 5 in the illumination plane (11 b) through the lens (31 o) mapped so that the size of the entire light-sensitive surface of the CCD receiver of 5 mm × receives approximately 5 mm. Vom CCD-Empfänger ( 17 ) werden in diesem Fall nur 100 lichtempfindliche Bereiche mit einem Rastermaß von ca. 0,5 mm×0,5 mm ausgenutzt. From the CCD receiver (17) in this case, only 100 photosensitive areas with a pitch of about 0.5 mm × 0.5 mm are utilized. Trotzdem ergibt sich durch die 100 Lichtpunkte ein erheblicher Zeitgewinn gegenüber dem Scannen mit nur einem Lichtpunkt. Nevertheless, results from the 100 points of light, a significant time savings compared to scanning with a single point of light.

Auch in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, in der Beleuchtungsebene ( 11 b) eine Schicht ( 32 s) mit Löchern ( 32 l) anzuordnen, damit die Lichtpunkte genügend kleine Abmessungen erhalten. Also in this case it may be advantageous, in the illumination plane (11 b) a layer (32 s) with holes (32 l) to be arranged so that the light spots get enough small dimensions. Außer dem Objektiv ( 31 o) für die verkleinerte Abbildung ist eine Feldlinse ( 31 f) für die weitere Abbildung im konfokalen Strahlengang zweckmäßig. In addition to the lens (31 o) for the reduced image is a field lens (31 f) appropriate for the further imaging in the confocal beam path.

Wesentlich vorteilhafter ist es, für das Beleuchtungsraster integrierte LED-Arrays zu verwenden. Much more advantageous to use built for the lighting grid LED array.

Auch derartige LED-Arrays haben genauso wie das zusammengesetzte Array aus Mini- Dioden den Vorteil, daß definierte Teilmengen der LEDs ein- und ausgeschaltet werden können. Also, such LED arrays are the same as the composite array of miniature diode has the advantage that defined subsets of the LEDs on and can be turned off. In beiden Fällen kann das Ein- und Ausschalten vom Computer ( 18 ) über die Schaltvorrichtung ( 19 ) gesteuert werden. In both cases the switching on and off by the computer (18) via the switching device (19) can be controlled.

Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte, konfokale Strahlengang zwischen Beleuchtungsebene ( 11 b), Fokusebene ( 13 f) und Blendenebene ( 17 b) ist nur eine spezielle Ausführungsform von mehreren möglichen konfokalen Strahlengängen. The illustrated in FIGS. 1 to 3, confocal beam path between illumination plane (11 b), the focal plane (13 f) and aperture plane (17 b) is only one of several possible special embodiment confocal optical paths. Außerdem ist auch bei dem dargestellten Strahlengang eine Abbildung der Beleuchtungsebene ( 11 b) in die Fokusebene ( 13 f) im Maßstab 1:1 keineswegs notwendig. In addition, an image of the illumination plane (11 b) in the focal plane (13f) in the scale 1 is also in the illustrated beam path: 1 by no means necessary. Vielmehr ist dabei nicht nur - wie von Mikroskopen bekannt - eine Verkleinerung, sondern auch eine Vergrößerung möglich, weswegen in der Überschrift auch nicht die Bezeichnung Mikroskop verwendet wurde. A reduction, but also a possible magnification, so microscope was used in the header nor the designation - rather this case is not only - as known from microscopes.

In der Fig. 4 ist eine Glasplatte ( 41 ) für ein inverses Beleuchtungsraster dargestellt. In FIG. 4 is a glass plate (41) for an inverted illumination grid is shown. Hier besteht die auf die Glasplatte aufgebrachte, lichtundurchlässige Schicht nur aus kleinen Zonen ( 42 ), welche durch relativ weite, lichtdurchlässige Bereiche voneinander getrennt sind. Here, there is applied to the glass plate, only opaque layer of small zones (42) which are separated by relatively wide, light transmitting regions.

In der Fig. 5 wird das Beleuchtungsraster durch ein Linsen-Array ( 53 ) erzeugt, welches durch ausreichend gute Abbildungseigenschaften von einer nahezu punktförmigen Lichtquelle ( 51 ) ausreichend kleine Lichtpunkte ( 54 ) in der Beleuchtungsebene ( 11 b) herstellt. In FIG. 5 the illumination grid is generated by a lens array (53), which is prepared by sufficiently good imaging properties of a nearly point-shaped light source (51) sufficiently small light spots (54) in the illumination plane (11 b). Die Kondensorlinse ( 52 ) bewirkt, daß das Linsen-Array ( 53 ) von einem Parallelbündel durchsetzt wird, so daß jede einzelne Linse ( 53 l) optimal benutzt wird. The condenser lens (52) causes the lens array (53) is penetrated by a parallel beam, so that each lens (53 l) is used optimally.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der durch ein Linsen-Array ( 53 ) eine Blende ( 61 ) vielfach in die Beleuchtungsebene ( 11 b) abgebildet wird. Fig. 6 shows an arrangement in which through a lens array (53) an aperture (61) in many cases, the illumination plane (11 b) is mapped. Diese Blende wird über den Kondensor ( 62 ) und die Streuscheibe ( 63 ) von der Lichtquelle ( 11 ) beleuchtet. This diaphragm is illuminated via the condenser (62) and the lens (63) from the light source (11). Als Blende sind die verschiedensten Ausführungsformen möglich. As the diaphragm various embodiments are possible. Als Beispiel zeigt die Fig. 7 eine Blende ( 61 ) mit quadratischer Begrenzung des lichtdurchlässigen Bereiches ( 71 ) und einem lichtundurchlässigen Zentrum ( 72 ) für ein inverses Beleuchtungsraster. As an example, FIG. 7 is a diaphragm (61) with a square boundary of the light-permeable region (71) and an opaque center (72) for an inverted illumination grid. Natürlich sind auch Blenden für ein Beleuchtungsraster aus Lichtpunkten etc. möglich. Of course, aperture, etc. possible for a lighting grid of points of light.

Referenced by
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Classifications
International ClassificationG02B21/00, G01B9/04
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European ClassificationG02B21/00M4A5A, G02B21/00M4A9, G01B9/04, G02B21/00M4A9T
Legal Events
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14 May 1992OP8Request for examination as to paragraph 44 patent law
14 Jul 19948127New person/name/address of the applicant
Owner name: GROSSKOPF, RUDOLF, DR.-ING., 89551 KOENIGSBRONN, D
12 Oct 1995D2Grant after examination
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18 Sep 19978368Opposition refused due to inadmissibility