DE102005018168C5 - 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,
und mit einer an die Bildaufnahmeeinrichtung (6) angeschlossenen Auswerteeinrichtung (21a) zur Phasenauswertung der aufgenommenen Einzelbilder.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 Measurement errors and the travel speed of the adjusting device (17) and wherein the spatial distances (Δz) of the image recordings are less than 100 nm,
and with an evaluation device (21a) connected to the image recording device (6) for evaluating the phase of the recorded individual images.
Description
Die Erfindung betrifft eine Mikroskopmesseinrichtung für die Weißlichtinterferometrie.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 Weißlichtinterferometers 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 micrometers. It can therefore be used with conventional interferometers for interferometric measurements, if the measuring light path and the reference light path within the coherence length are the same length. Therefore, an object, which is held in a narrowly defined distance in front of the lens of the white light interferometer, can be interferometrically image. If the object has a spatial extent, an interferometric recording can be carried out in the form of a series of images, with the distance between the objective and the object being changed for each image.
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.Setting different distances to take a picture series, d. H. the approach of predetermined positions with the interferometer or the measurement object, is time consuming. In any case, settling times and decay times of a corresponding drive must be taken into account, and these must be taken into account for each individual image. This results in no longer tolerable high measurement 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.From the article "Profilometry with a coherence scanning microscope" by Byron S. Lee and Timothy C. Strand, Applied Optics, Vol. 29, No. 26, September 10, 1990, pages 3784-3788, is an example of the scanning white light Microscopy known. To perform the microscopy, a Z movement between the object to be measured and the object is used.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Mikroskopmesseinrichtung anzugeben, die auf der Weißlichtinterferometrie beruht und eine verkürzte Messzeit ermöglicht.It is an object of the invention to provide a microscope measuring device, which is based on the white light interferometry and allows a shortened measuring time.
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.Due to the short coherence length, a plane is defined in front of the objective, within which reflective object surfaces can be imaged with optical interference. This level is called the measurement level. Interference phenomena have their maximum here. If, on the other hand, the measured object is moved in the direction of the optical axis of the objective towards the measuring plane, the interference phenomena disappear even at relatively small adjustment paths ΔZ of one or a few micrometers.
Die Messebene der erfindungsgemäßen Mikroskopmesseinrichtung ist verstellbar, wozu eine Verstelleinrichtung 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 plane of the microscope measuring device according to the invention is adjustable, for which purpose an adjusting device is used. The adjustment of the measurement level can z. B. by adjusting the position of the measurement or by adjusting the position of the lens or parts thereof. In the microscope measuring device according to the invention, the adjusting device now carries out a continuous adjustment of the relative position between the measuring plane and the measuring object, this movement preferably being free of acceleration, ie. 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.For receiving the series of images, a sample device is provided which repeatedly activates image acquisition during operation of the adjustment device. The activation time is less than the quotient selected from the maximum permissible measurement error and traversing speed of the adjustment. As a result, the measurement plane with respect to the measurement object appears to be at rest at the time the image is taken. Repeated acceleration and stopping of the objective and / or the measurement object, d. H. a gradual movement is no longer necessary. This eliminates the acceleration processes, which otherwise lead to on and Ausschwingvorgängen that are waiting before each measurement.
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 illumination is preferably by a located in the illumination beam path lens 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.Instead of LEDs, halogen lamps with or without cold light mirrors or gas discharge lamps can also be used for object lighting. The advantages of LED lighting, however, lie in the long life, high efficiency and 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 illumination by means of LED or gas discharge lamp, for example flash lamp, the sample device can be formed by the drive circuit of the illumination device. This only activates the LED or flash lamp in pulses, so that it is only supplied with electrical power for the given activation time. The LED or flash lamp thus generates short flashes of light to take the object. Additionally or additionally, a camera shutter can be provided which is opened and closed synchronized with the illumination pulses of the illumination device. The opening time of the shutter or camera shutter is preferably greater than the activation time of the illumination 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.Alternatively, the light source can be operated in continuous operation, which is expedient for example in thermal light sources, such as halogen lamps or the like. The sample device is formed here by the camera shutter or a separate shutter, which is opened by a control device only for a short time to record an image, d. H. is activated. As a switching device can serve both a mechanical and an electro-optical device. It is possible, the camera image as a whole, d. H. in its entire two-dimensional extent simultaneously release and lock as well as alternatively a surface area, eg. For example, to progressively free and lock a swath of the image from one side of the image to the other side of the image. 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 adjusting device is preferably connected to the lens and displaces this in the direction of its optical axis. As adjustment can serve a linear motor. This allows a controlled movement with a 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.In a preferred embodiment, a compact design is obtained by short tube length and short illumination beam path. The lens used is infinitely corrected to the image width, so that the optical image is formed only by using a tube lens in the image-side focal plane. In this, the image pickup surface of the image pickup device, for example in the form of a CCD chip is arranged. Preferably, the focal length of the tube lens is about 80 mm, so that only a small distance between a provided for reflecting the illumination in the beam path beam splitter cube and the camera is required. The scattering device (scattering disk) belonging to the illumination device is imaged into the entrance pupil of the microscope objective via a short-focal-length condenser lens system (preferably F = 16 mm). Essentially, the so-called Köhler illumination arrangement is realized. However, a shorter design is achieved. This allows a modular concept in which the imaging beam path and the illumination beam path are interchangeable. For example, the camera and the tube lens can form an add-on unit while the illumination unit and its condenser lens form another unit. These can be connected with the same connections to a corresponding housing of the beam splitter cube, where they can swap their 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 microscopic measurement method allows for a recording increment of z. B. less than 100 nm phase measurements, which lead 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.In a further preferred embodiment, the microscope head is supported via a support rod on the measurement object, wherein the support rod is held with a clearance holder on the microscope measuring head. The support rod prevents relative vibrations between the measurement object and the microscope head, in particular with regard to externally acting vibrations or vibrations that could be caused by the movement of the lens.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Ansprüchen.Further details of advantageous embodiments of the invention are the subject of the drawing, the description or claims.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:In the drawings, embodiments of the invention are illustrated. Show it:
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
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 can also be in denser sequence, z. B. each 1 per micron or even more densely absorbed.
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
Wie
Eine erfindungsgemäße Mikroskopmesseinrichtung
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8363 | Opposition against the patent | ||
R073 | Re-establishment requested | ||
R073 | Re-establishment requested | ||
R074 | Re-establishment allowed | ||
R074 | Re-establishment allowed | ||
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 |