DE102005018168B4 - White light interferometric microscope measuring device - Google Patents
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Abstract
Weißlichtinterferometrie-Mikroskopmesseinrichtung (1)
mit einer Aufnahmeeinrichtung für ein Messobjekt (2),
mit einem Mikroskopmesskopf (4), der eine Weißlicht-Beleuchtungseinrichtung (7) zur Beleuchtung des Messobjekts (2) mit kurzkohärentem Licht, eine Bildaufnahmeeinrichtung (6) und ein Objektiv (5) aufweist und der eine Messebene festlegt,
mit einer Verstelleinrichtung (17) zur kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Verstellung der Position der Messebene in Bezug auf das Messobjekt (2), und
mit einer Sampleeinrichtung (26) zur wiederholten Aktivierung der Bildaufnahme während des Betriebs der Verstelleinrichtung (17) für jeweils eine gegebene Aktivierungszeit (Δt), so dass eine Bilderserie aufgenommen wird, wobei die Aktivierungszeit (Δt) geringer ist als der Quotient aus dem maximal zulässigen Messfehler und der Verfahrgeschwindigkeit der Verstelleinrichtung (17) und wobei die räumlichen Abstände ΔZ der Bildaufnahmen geringer als 100 nm sind.White light interferometry microscope measuring device (1)
with a receiving device for a measuring object (2),
with a microscope measuring head (4) which has a white-light illumination device (7) for illuminating the test object (2) with short-coherent light, an image recording device (6) and a lens (5) and which defines a measuring plane,
with an adjusting device (17) for the continuous or quasi-continuous adjustment of the position of the measuring plane with respect to the measuring object (2), and
with a sample device (26) for repeatedly activating the image recording during the operation of the adjusting device (17) for a given activation time (Δt), so that a series of images is taken, wherein the activation time (.DELTA.t) is less than the quotient of the maximum allowable Measuring error and the travel speed of the adjusting device (17) and wherein the spatial distances .DELTA.Z of the image recordings are less than 100 nm.
Description
Die Erfindung betrifft eine Mikroskopmesseinrichtung für die Weißlichtinterferometrie.The The invention relates to a microscope measuring device for white light interferometry.
Weißes oder farbiges, nicht monochromatisches Licht hat in der Regel Kohärenzlängen von wenigen Mikrometern. Es kann deshalb mit herkömmlichen Interferometern zu interferometrischen Messungen verwendet werden, wenn Messlichtweg und Referenzlichtweg im Rahmen der Kohärenzlänge gleich lang sind. Deshalb lässt sich ein Objekt, das in einem eng begrenzt definierten Abstand vor dem Objektiv des Weiß lichtinterferometers gehalten ist, interferometrisch abbilden. Hat das Objekt eine räumliche Ausdehnung kann eine interferometrische Aufnahme in Form einer Bilderserie durchgeführt werden, wobei zur Aufnahme jedes Bilds der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Objekt geändert wird.White or colored, non-monochromatic light usually has coherence lengths of a few microns. It can therefore with conventional interferometers too interferometric measurements are used when measuring light path and reference light path within the coherence length are the same length. Therefore let yourself an object that is in a narrowly defined distance in front of the Objective of the white light interferometer is held, interferometrically map. Does the object have a spatial extent? can be an interferometric recording in the form of a series of pictures carried out be, wherein for taking each image, the distance between the lens and the object changed becomes.
Die Einstellung verschiedener Abstände zur Aufnahme einer Bilderserie, d. h. das Anfahren vorgegebener Positionen mit dem Interferometer oder dem Messobjekt, ist zeitaufwendig. In jedem Fall müssen Einschwingzeiten und Abklingzeiten eines entsprechenden Antriebs berücksichtigt werden, wobei diese für jedes Einzelbild zu beachten sind. Damit kommen nicht mehr tolerierbar hohe Messzeiten zustande.The Setting different distances for taking a picture series, d. H. starting predetermined Positions with the interferometer or the measurement object, is time consuming. In any case, must Settling times and decay times of a corresponding drive considered these being for every single picture have to be considered. This will not be tolerable anymore high measuring times.
Aus
der
Aus dem Artikel „Profilometry with a coherence scanning microscope” Byron S. Lee and Timothy C. Strand, Applied Optics, Vol. 29, Nr. 26, 10. September 1990, Seite 3784–3788, ist ein Beispiel für die scannende Weißlicht-Mikroskopie bekannt. Zur Durchführung der Mikroskopie wird eine Z-Bewegung zwischen dem Messobjekt und dem objektiv genutzt.Out the article "Profilometry with a coherence scanning microscope Byron S. Lee and Timothy C. Strand, Applied Optics, Vol. 29, No. 26, September 10, 1990, Page 3784-3788, is an example of the scanning white light microscopy known. to execution the microscopy becomes a z-motion between the object of measurement and the objectively used.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Mikroskopmesseinrichtung anzugeben, die auf der Weißlichtinterferometrie beruht und eine verkürzte Messzeit ermöglicht.It The object of the invention is to provide a microscope measuring device, the on the white light interferometry is based and a shortened Measuring time allows.
Diese
Aufgabe wird mit der Weißlichtinterferometrie-Mikroskopmesseinrichtung
nach Anspruch 1 gelöst:
Die
erfindungsgemäße Mikroskopmesseinrichtung weißt einen
Mikroskopmesskopf mit einer Weißlichtbeleuchtungseinrichtung
einer Bildaufnahmeeinrichtung, wie beispielsweise einer Kamera und
einem interferenzoptischen Objektiv, auf. Die Weißlichtbeleuchtungseinrichtung
erzeugt nichtmonochromatisches, relativ breitbandiges Licht, wobei
es nicht zwangsläufig „weiß” sondern
auch farbig sein kann. Mit dem Begriff „Weißlicht” soll zum Ausdruck gebracht
werden, dass das betreffende Licht mehrere verschiedene Wellenlängen enthält und nicht
im eigentlichen Wortsinne kohärent
sondern lediglich kurzkohärent
ist. Die Kohärenzlänge liegt
dabei im Bereich einer oder weniger Lichtwellenlängen.This object is achieved with the white-light interferometry microscope measuring device according to claim 1:
The microscope measuring device according to the invention has a microscope measuring head with a white-light illumination device of an image recording device, such as a camera and an interference-optical objective. The white light illumination device produces non-monochromatic, relatively broadband light, whereby it may not necessarily be "white" but also colored. The term "white light" is intended to express that the light in question contains several different wavelengths and is not in the literal sense coherent but only short-coherent. The coherence length is in the range of one or less wavelengths of light.
Durch die kurze Kohärenzlänge ist vor dem Objektiv eine Ebene definiert, innerhalb derer reflektierende Objektoberflächen interferenzoptisch abgebildet werden können. Diese Ebene wird als Messebene bezeichnet. Interferenzerscheinungen haben hier ihr Maximum. Wird das Messobjekt hingegen in Richtung der optischen Achse des Objektivs gegen die Messebene verstellt, verschwinden die Interferenzerscheinungen schon bei relativ geringen Verstellwegen ΔZ von einem oder wenigen Mikrometern.By the short coherence length is defined in front of the lens a plane within which reflective object surfaces can be imaged optical interference. This level is called Designated level. Interference phenomena have their maximum here. On the other hand, if the measurement object is in the direction of the optical axis of the Objectively adjusted against the measuring plane, the interference phenomena disappear even at relatively low adjustment paths ΔZ of one or a few microns.
Die Messebene der erfindungsgemäßen Mikroskopmesseinrichtung ist verstellbar, wozu eine Versteileinrichtung dient. Die Verstellung der Messebene kann z. B. durch Verstellung der Position des Messobjekts oder durch Verstellung der Position des Objektivs oder Teilen desselben erfolgen. Bei der erfindungsgemäßen Mikroskopmesseinrichtung nimmt die Verstelleinrichtung nun eine kontinuierliche Verstellung der Relativposition zwischen Messebene und Messobjekt vor, wobei diese Bewegung vorzugsweise beschleunigungsfrei, d. h. mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt.The Measuring level of the microscope measuring device according to the invention is adjustable, for which an adjusting device is used. The adjustment the measurement level can z. B. by adjusting the position of the measurement object or by adjusting the position of the lens or parts thereof respectively. In the microscope measuring device according to the invention takes the Adjusting now a continuous adjustment of the relative position between the measuring plane and the object to be measured, this movement preferably without acceleration, d. H. at a constant speed.
Zur Aufnahme der Bilderserie ist eine Sampleeinrichtung vorgesehen, die die Bildaufnahme während des Betriebs der Verstelleinrichtung wiederholt aktiviert. Die Aktivierungszeit ist dabei geringer als der Quotient aus maximal zulässigem Messfehler und Verfahrgeschwindigkeit der Verstelleinrichtung gewählt. Dadurch scheint die Messebene in Bezug auf das Messobjekt zum Zeitpunkt der Bildaufnahme zu ruhen. Ein wiederholtes Beschleunigen und Anhalten des Objektivs und/oder des Messobjekts, d. h. eine stufenweise Bewegung ist nicht mehr erforderlich. Damit entfallen die Beschleunigungsvorgänge, die ansonsten zu Ein- und Ausschwingvorgängen führen, die vor der Durchführung der Messung jeweils abzuwarten sind.to Recording the series of images is a sample device provided taking the picture during the operation of the adjusting repeatedly activated. The activation time is less than the quotient of the maximum permissible measurement error and Traversing speed of the adjusting selected. Thereby the measurement plane appears in relation to the object under test at the time to rest the image recording. A repeated acceleration and stopping of the objective and / or the object to be measured, d. H. a gradual movement is no longer necessary. This eliminates the acceleration processes that otherwise lead to on and Ausschwingvorgängen, before the implementation of the Each measurement are to be seen.
Als Beleuchtungseinrichtung dient vorzugsweise eine Leuchtdiode, die im Wattbereich betrieben werden kann. Geeignet sind so genannte Weißlicht-LEDs, die ein kontinuierliches Spektrum mit einem kurzwelligen Maximum und einem sich anschließenden längerwelligen Teil aufweisen. Das kurzwellige Maximum wird vorzugsweise mittels eines Gelbfilters ausgefiltert, so dass nur Lichtwellen mit Wellenlängen > 500 nm zur Messung verwendet werden. Die Beleuchtung wird vorzugsweise durch eine in dem Beleuchtungsstrahlengang befindliche Streuscheibe homogenisiert. Auf einen Gelbfilter kann verzichtet werden, wenn zur Beleuchtung eine warmweiße LED verwendet wird. Diese kann über eine USB-Schnittstelle eines angeschlossenen Rechners z. B. eines PCs mit Strom versorgt werden.As a lighting device is preferably a light emitting diode, which can be operated in the watt range. Suitable are so-called white light LEDs, which have a continuous spectrum with a short-wave maximum and a subsequent longer-wave part. The short-wave maximum is preferably filtered out by means of a yellow filter, so that only light waves with wavelengths> 500 nm are used for the measurement. The lighting is preferably by a in The diffusing disc located in the illumination beam path is homogenized. A yellow filter can be omitted if a warm white LED is used for lighting. This can be done via a USB interface of a connected computer z. B. a PC can be powered.
An Stelle der LEDs können auch Halogenlampen mit oder ohne Kaltlichtspiegeln oder Gasentladungslampen zur Objektbeleuchtung dienen. Die Vorteile der LED-Beleuchtung liegen jedoch in der langen Lebensdauer, dem hohen Wirkungsgrad und der geringen erforderlichen elektrischen Leistung.At Location of the LEDs can also halogen lamps with or without cold light mirrors or gas discharge lamps serve for object lighting. The advantages of LED lighting are however, in the long life, the high efficiency and the low required electrical power.
Im Falle der Beleuchtung mittels LED oder Gasentladungslampe, beispielsweise Blitzlampe, kann die Sampleeinrichtung durch die Ansteuerschaltung der Beleuchtungseinrichtung gebildet werden. Diese aktiviert die LED oder die Blitzlampe lediglich impulsweise, so dass sie lediglich während der gegebenen Aktivierungszeit mit elektrischer Leistung versorgt wird. Die LED- oder Blitzlampe erzeugt somit kurze Lichtblitze zur Aufnahme des Objekts. Zusätzlich oder ergänzend kann ein Kameraverschluss vorgesehen sein, der synchronisiert zu den Beleuchtungsimpulsen der Beleuchtungseinrichtung geöffnet und geschlossen wird. Dabei ist die Öffnungszeit des Shutters oder Kameraverschlusses vorzugsweise größer als die Aktivierungszeit der Beleuchtungseinrichtung.in the Case of lighting by means of LED or gas discharge lamp, for example Flash lamp, the sample device can be controlled by the drive circuit the lighting device are formed. This activates the LED or the flashlamp only in pulses, so they only during the given activation time is supplied with electrical power. The LED or flash lamp thus generates short flashes of light for recording of the object. additionally or in addition a camera shutter may be provided which is synchronized to opened the illumination pulses of the lighting device and is closed. Here is the opening time the shutter or camera shutter preferably greater than the activation time of the lighting device.
Alternativ kann die Lichtquelle im Dauerbetrieb betrieben werden, was beispielsweise bei thermischen Lichtquellen, wie Halogenlampen oder dergleichen, zweckmäßig ist. Die Sampleeinrichtung wird hier durch den Kameraverschluss oder einen gesonderten Shutter gebildet, der von einer Ansteuereinrichtung jeweils nur kurzzeitig zur Aufnahme eines Bilds geöffnet, d. h. aktiviert wird. Als Shuttereinrichtung kann sowohl eine mechanische als auch eine elektrooptische Einrichtung dienen. Dabei ist es möglich, das Kamerabild im Ganzen, d. h. in seiner gesamten zweidimensionalen Ausdehnung gleichzeitig freizugeben und zu sperren wie auch alternativ einen Flächenbereich, z. B. einen Streifen des Bildes von einer Seite des Bildes zur anderen Seite des Bildes fortschreitend freizugeben und zu sperren. Dies kann nach Art eines Schlitzverschlusses geschehen.alternative the light source can be operated in continuous operation, which for example in thermal light sources, such as halogen lamps or the like, is appropriate. The sample device is here through the camera shutter or a separate shutter formed by a drive device each only briefly open to take a picture, d. H. is activated. As a shutting device can be both a mechanical as well as an electro-optical device serve. It is possible that Camera picture as a whole, d. H. in its entire two-dimensional Expansion at the same time release and lock as well as alternative a surface area, z. A strip of the image from one side of the image to the other Page of the image progressively release and lock. This can be done in the manner of a focal plane shutter.
Die Verstelleinrichtung ist vorzugsweise mit dem Objektiv verbunden und verstellt dieses in Richtung seiner optischen Achse. Als Verstelleinrichtung kann ein Linearmotor dienen. Dieser ermöglicht eine kontrollierte Bewegung bei großem Verstellweg und vibrationsarmem Betrieb.The Adjustment device is preferably connected to the lens and adjusts this in the direction of its optical axis. As adjusting can serve a linear motor. This allows a controlled movement at large Adjustment and low-vibration operation.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird durch kurze Tubuslänge und kurzen Beleuchtungsstrahlengang eine kompakte Bauform erhalten. Das verwendete Objektiv ist auf die Bildweite unendlich korrigiert, so dass das optische Bild erst durch Verwenden einer Tubuslinse in deren bildseitiger Brennebene entsteht. In dieser ist die Bildaufnahmefläche der Bildaufnahmeeinrichtung, beispielsweise in Form eines CCD-Chips angeordnet. Vorzugsweise beträgt die Brennweite der Tubuslinse ungefähr 80 mm, so dass lediglich ein geringer Abstand zwischen einem zur Einspiegelung der Beleuchtung in den Strahlengang vorgesehenen Strahlteilerwürfel und der Kamera erforderlich ist. Die zu der Beleuchtungseinrichtung gehörige Streueinrichtung (Streuscheibe) wird über ein kurzbrennweitiges Kondensorlinsensystem (vorzugsweise F = 16 mm) in die Eintrittspupille des Mikroskopobjektivs abgebildet. Es wird im Wesentlichen die so genannte Köhlersche Beleuchtungsanordnung verwirklicht. Jedoch wird eine kürzere Bauform erreicht. Dies ermöglicht ein modulares Konzept, bei dem der Abbildungsstrahlengang und der Beleuchtungsstrahlengang gegeneinander austauschbar sind. Beispielsweise können die Kamera und die Tubuslinse eine Anbaueinheit bilden während die Beleuchtungseinheit und deren Kondensorlinse eine andere Baueinheit bilden. Diese können mit gleichen Anschlüssen an ein entsprechendes Gehäuse des Strahlteilerwürfels angeschlossen werden, wobei sie ihre Plätze vertauschen können.at a preferred embodiment is made by short tube length and short illumination beam received a compact design. The lens used is infinitely corrected to the image width, so that the optical image only by using a tube lens arises in the image-side focal plane. In this is the image pickup area of the Image recording device, for example in the form of a CCD chip arranged. Preferably, the Focal length of the tube lens approximately 80 mm, so that only a small distance between a to Reflecting the illumination in the beam path provided beam splitter cube and the camera is required. The to the lighting device associated Spreader (diffuser) is a short focal length condenser lens system (preferably F = 16 mm) in the entrance pupil of the microscope objective. It is essentially the so-called Köhler illumination arrangement realized. However, a shorter one Construction achieved. this makes possible a modular concept in which the imaging beam path and the illumination beam path are interchangeable. For example, the Camera and the tube lens form an extension unit while the Lighting unit and its condenser lens another unit form. These can with same connections to a corresponding housing of the beam splitter cube be connected, where they can swap places.
Das mikroskopische Messverfahren ermöglicht bei einer Aufnahmen-Schrittweite von z. B. weniger als 100 nm Phasenmessungen, die zu einer Auflösung im Sub-Nanometerbereich führen. Dazu dient eine bedarfsweise vorgesehene phasenmessende Auswerteeinrichtung.The allows microscopic measurement at a recording increment of z. B. less than 100 nm phase measurements, to a resolution in the sub-nanometer range. This purpose is served by a required phase-measuring evaluation.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform stützt sich der Mikroskopmesskopf über einen Stützstab an dem Messobjekt ab, wobei der Stützstab mit einer Spielfassung an dem Mikroskopmesskopf gehalten ist. Der Stützstab verhindert Relativschwingungen zwischen dem Messobjekt und dem Mikroskopmesskopf, insbesondere im Hinblick auf von außen her wirkende Vibrationen oder Vibrationen, die durch die Bewegung des Objektivs verursacht sein könnten.at a further preferred embodiment supports the microscope head over a support rod on the test object, wherein the support rod with a game socket held on the microscope measuring head. The support rod prevents relative vibrations between the measuring object and the microscope measuring head, in particular in terms of from the outside forth acting vibrations or vibrations caused by the movement could be caused by the lens.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Ansprüchen.Further Details of advantageous embodiments The invention are the subject of the drawing, the description or of claims.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:In the drawing are embodiments of Invention illustrated. Show it:
In
Die
Mikroskopmesseinrichtung
Das
Objektiv
Das
Objektiv
Zu
der Bildaufnahmeeinrichtung
Die
Kamera
Zu
der Beleuchtungseinrichtung
Damit
wird zum einen eine kurze Bauform der Beleuchtungseinrichtung
Die
insoweit beschriebene Mikroskopmesseinrichtung
Zur weißlichtinterferometrischen
Vermessung des Messobjekts
For white light interferometric measurement of the measurement object
Wenn
dann der Messvorgang ausgelöst wird,
aktiviert die Steuereinrichtung
Wie ersichtlich, können die Samplebilder auch in dichterer Folge, z. B. jeweils 1 pro μm oder noch dichter aufgenommen werden.As can be seen the sample images also in closer order, z. B. in each case 1 per micron or even be absorbed more densely.
Die
Serie der aufgenommenen Bilder gestattet eine Auswertung im Rahmen
derer die Oberflächenkontur
des Messobjekts
Bei dieser Ausführungsform ist auf einen Shutter gänzlich verzichtet.
Die Sampleeinrichtung
In this embodiment, a shutter is completely dispensed with. The sample device
Wie
Eine
erfindungsgemäße Mikroskopmesseinrichtung
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Legal Events
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8363 | Opposition against the patent | ||
R073 | Re-establishment requested | ||
R073 | Re-establishment requested | ||
R074 | Re-establishment allowed | ||
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R034 | Decision of examining division/federal patent court maintaining patent in limited form now final |
Effective date: 20130802 |
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R206 | Amended patent specification |
Effective date: 20131107 |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |