DD274689A1

DD274689A1 - Einrichtung zur automatischen fokussierung von betrachtungs- und/oder bearbeitungssystemen

Info

Publication number: DD274689A1
Application number: DD31878088A
Authority: DD
Inventors: Roland Gerhardt
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1988-07-22
Filing date: 1988-07-22
Publication date: 1989-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur automatischen Fokussierung von Betrachtungs- und/oder Bearbeitungssystemen und ist ueberall dort einsetzbar, wo spiegelnde flaechenhafte Objekte in einen definierten Abstand gebracht werden muessen, z. B. in Mikroskopen und Kontrollgeraeten. Die Einrichtung besteht aus Abbildungsoptiken und Umlenkelementen, durch die eine Teststruktur, die zwei Wellenlaengen aussendet, auf das Objekt und von dort auf die Detektoren, die sich unmittelbar hintereinander befinden, abgebildet wird. Dabei sind die Teststruktur und die vor dem ersten Detektor befindliche Maske als komplementaere Blenden ausgebildet. Die Fokussierung erfolgt durch eine Minimumdetektion des Signals nur einer Wellenlaenge, waehrend die zweite Wellenlaenge als Richtungskriterium der Fokossierbewegung dient. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung

Einrichtung zur automatischen Fokussierung von Betrachtungs- und/oder Bearbeitungssystemen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur automatischen Fokussierung von spiegelnden Objekten und ist überall dort anwendbar, wo derartige Objekte für die Betrachtung oder Bearbeitung in einen definierten Abstand gebracht werden müssen Insbesondere ist die Einrichtung für Mikroskope oder Kontrollgeräte einsetzbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Im Stand der Technik werden die verschiedensten physikalischen Effekte für die Autofokussierung ausgenutzt. Am verbreitesten sind hiebei Lösungen, die auf bewußt hervorgerufenen Schnittweitenänderungen von Abbildungssystemen basieren .

Eine erste Gruppe von Lösungen erzeugten Schnittweitänderungen durch schwingende oder rotierende optische Elemente. Derartige Lösungen (z. B. DD 152 639, DD 228 C88, DE 22 63 616, DE 26 48 419), bei denen sich das Fokussiersignal in Abhängigkeit von der Änderung der Schnittweite ergibt, weisen den wesentlichen Nachteil auf, daß mechanische Schwingungen auf das Objekt übertragen werden können bzw. daß aufwendige Schwingungskompensationen realisiert werden müßten. Eine weitere Gruppe nutzt die durch Astigmatismus hervorgerufene Schnittweitenänderung (DD 220 397, DD 239 261). Die Fokussierung erfolgt auf den Mittelpunkt zwischen dem meridionalen und den sagittaJen Bildort eines Kreuzschlitzes, anhand eines Intensitätsdifferenzsignales. Der Nachteil derartiger Lösungen liegt in der Differenzbildung, bei der die

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unterschiedlichen Empfindlichkeiten der beiden Detektoren sowie das Strahlungsangebot wesentlichen Einfluß auf das Meßergebnis haben und zu fehlerhaften Fokussierungen führen können .

Eine nächste Gruppe von lösungen basiert auf einer Strahlteilung um die Fokusebene, die über zwei symmetrisch um diese angeordnete Detektoren ausgewertet wird. Der wesentliche Nachteil der Lösungen (GB 20 38 586, DE 32 11 281) liegt darin begründet, daß ein um die Fokusebene symmetrischer Verlauf der Kontrastfunktion vorausgesetzt wird, denn für partiellkohärente Beleuchtung komplexer Objekte ist diese Voraussetzung nicht gegeben. Die Gruppe, in die auch diese Anmeldung einzuordnen ist, beruht auf der Ausnutzung von Farblängsfehlern. Die in der DE-OS 1 962 515 beschriebene optische Meßsonde verfügt dazu über eine Farbdispersionsplatte und zwei Detektoren für die unterschiedlichen Wellenlängen. Die Fokussierung erfolgt, durch die Differenzbildung der Meßwerte beider Detektoren, auf die Mitte zwischen den Fokusebenen für die beiden We]lenlängen. Der Nachteil dieser Lösung, die durch eine Vielzahl von Strahlteilungs- und Umlenkelementen gekennzeichnet ist, liegt in der Ermittlung des Fokussiersignals durch Differenzbildung und den damit verbundenen, bereits dargelegten, Fehlerquellen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Einrichtung zur automatischen Fokussierung von spiegelnden Objekten, mit der eine höhere absolute Fokussiergenauigkeit bei einem geringen Aufwand an optischen Elementen erreicht wird.'

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Einrichtung zur automatischen Fokussierung zu entwickeln, bei der das Fokussiersignal ohne mechanisch bewegte Teile und nicht durch Differenz-

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bildung der Meliergebnisse der Detektoren ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit der Fokussiereinrichtung unter Ausnutzung des Parblängsfehlers, bestehend aus Abbildungsoptiken und Umlenkelementen, zur Abbildung einer Teststruktur auf dem Objekt und den zwei Detektoren, dadurch gelöst, daß sich die als ein zwei Wellenlängen aussendender Fläohenstrahler ausgebildete Tebtstruktur in der Brennebene eines ersten Objektives befindet, daß zur Ein- und Ausblendung dieser Teststruktur im Objektstrahlengang ein halbdurchlässiger Spiegel angeordnet ist, daß ein weiterer halbdurchlässiger Spiegel zwischen dem im Strahlengang befindlichen halbdurchlässigen Spiegel und dem ersten Objektiv zur Abbildung der vom Objekt reflektierten Teststruktur auf den Detektoren angeordnet ist, daß sich von den Detektoren ein zweites, bezüglich Farbfehlern unkorrigiertes Objektiv befindet, daß der erste Detektor, der über eine Maske verfligt und für beide Wellenlängen der Teststruktur durchlässig ist, in der Brennebene des zweiten unkorrigierten Objektivs und der zweite Detektor unmittelbar dahinter angeordnet sind und daß die Teststruktur und die Maske des ersten Detektors unter Berücksichtigung eines Abbildungsmaßstabes als komplementäre Blenden ausgebildet sind. Der zwei Wellenlängen aussendende Flächenstrahler kann so ausgebildet sein, daß eine nebeneinanderliegende Filterstruktur oder ein für zwei diskrete Wellenlängen durchlässiges Interferenzfilter durch eine Lichtquelle mit Vorsatzlinse von hinten ausgestrahlt wird. Die hintereinander angeordneten zwei Detektoren können als ein spektralempfindliches Sensorelement ausgebildet sein, wobei das Sensorelement so positioniert ist, daß sich die zum zweiten unkorrigierten Objektiv weisende erste Detektorschicht in dessen Brennebene befindet. Außerdem können die auf der Außenseite des Sensorelementes befindlichen kammartigen Elektroden gleichzeitig als Komplementärblende zur Teststruktur genutzt v/erden.

Mt der Erfindung wird eine Einrichtung zur Verfugung gestellt, mit deren Hilfe flächenhafte spiegelnde Objekte in Betrachtungs- und/oder Bearbeitungssyatemen mit einer höheren absoluten Genauigkeit bei einem geringen Aufwand an optischen Elementen fokussiert werden können.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausfuhrungsbeispieles näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau der Fokussiereinriohtung,

Fig. 2 die Elektrodenanordnung des Sensorelementes sowie die dazu komplementäre Teststruktur und

Fig. 3 die Kennlinien der beiden Detektorschichten.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur automatischen Fokussierung hat den folgenden Aufbau. Die Teststruktur 1, die aus zwei nebeneinanderliegenden Filterstrukturen 1.1 (Aa) und 1.2 (% o) besteht, befindet sich in der Brennebene eines Objektives 2. Zur Ein- und Ausblendung des Abbildes der Testruktur ist im Objektstrahlengang 3 ein halbdurchlässiger Spiegel 4 angeordnet. Ein weiterer halbdurchlässiger Spiegel 5 ist, zur Darstellung des vom Objekt 6 reflektierten Abbildes der Teststruktur 1 auf dem spektra.lempfindiichen Sensorelement 10, zwischen dem im Objektstrahlengang 3 befindlichen halbdurchlässigen Spiegil 4 und dem Objektiv 2 angeordnet. Vor dem Sensιτ-element 10 befindet sich ein bezüglich Farbfehlern unkorrigiertes Objektiv 7 derart, daß sich die erste Detektorschicht 10.1, die für die Wellenlänge λ empfindlich ist, in der für die Wellenlänge λ . definierten Brennebene des Objektives 7. Die Teststruktur 1 ist als komplementäre Blende zu der auf der Außenfläche des Sensorelementes 10 befindlichen Elektrodenanordnung 10.3 ausgebildet und wird von hinten durch eine gemeinsame Lichtquelle 8 mit Vorsatzlinse 9 angestrahlt. Die Funktionsweise der Fokussiereinrichtung ist wie folgt. Die von hinten durch die Lichtquelle 8 mit Vorsatzlinse 9 angestrahlte Teststruktur 1 wird über das Objektiv 2, den halbdurchlässigen Spiegel 4 und das im Objektstrahlengang befindliche Objektiv 11 auf dem Objekt 6 in Form zweier sich gegenüberliegender kammartiger Filterstrukturen 1.1 und 1.2 der Wellenlängen Λ _Λ und Λ 2 abgebildet. Vom Objekt 6, welches eine

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spiegelnde Oberfläche aufweist, wird das Abbild der Teststruktur 1 über das Objektiv 11, die halbdurchlässi/rnn Spiegel 4, 5 und das unkorrigierte Objektiv 7 auf das spektralempfindliche Sensorelement 10 reflektiert. Da das Objektiv 7 bezüglich des Farblängsfehlers nicht korrigiert ist, werden die Abbilder der Filterstruktur 1.1 und 1.2 entsprechend ihrer Wellenlänge λ und Ap in unterschiedliche Brennebene des Objektives 7 fokussiert. Daa spektralempfindliohe Sensorelement ist so positioniert, daß in dem Fall, in dem sich das Objekt 6 in der Brennebene des Objektivs 11 befinden, die erste Detektorschicht 10.1, die für Λ ^ empfindlich ist, in der für /^ definierten Brennebene des Objektivs 7 befindet. Die zweite Detektorschicht 10.2 befindet sich außerhalb der für J*· ρ definierten Brennebene des Objektivs 7. Die Positionierung des spektralempfindlichen Sensorelementes 10 in der für Λ ,. definierten Brennebene des Objektives 7 erfolgte. so daß es im fokussierten Zustand der als komplementäre Blende ausgebildeten Teststruktur 1 kommt, d. h. die strahlungsundurchlässigen Bereiche 1.3 überdecken die Zwischenräume zwischen den beiden Elektroden der Elektrodenanordnung 10.3. Da sich die Detektorschicht 10.1 in der für 9. λ definierten Brennebene befindet, decken die strahlungsundurchlässigen Bereiche 1.3 die Zwischenräume der Elektrodenanordnung 10.3 exakt ab, so daß für diese Wellenlänge Λ· im Idealfall ein Nullsignal L· (real ein Intensitätsminimum) ermittelt wird. Für die Wellenlänge R^ wird von der Detektorschicht 10.2 ein Intensitätssignal Ip ungleich Null ermittelt, da sich das spektralempfindliche Sensorelement 10 außerhalb der für Ä _? definierten Brennebene befindet und die strahlungsundurchlässigen Bereiche 1.3 der Teststruktur 1 die Zwischenräume der Elektrodenanordnung 10.3 nur unvollständig abdecken. Im defokussierten Fall wird von beiden Detektorschichten 10.1 und 10.2 aufgrund der nicht exakten Ubderdeckung ein Intensitätssignal Ϊ_Λ und I₀ Null ermittelt. Zur Bestimmung der Fokussierbewegung wird vom realen Intensitätssignal Ip das für diese Wellenlänge Λ ₂ ^im fokussierten Fall ermittelte ideale Intensignal I₂ subtrahiert. Aus dem Vorzeichen dieser Differenz ^I wird die Fokussierrichtung bestimmt.

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Für + ^I muß der Abstand zwischen Objekt 6 und Objektiv 11 verkleinert und für - Δ1 vergrößert werden (Fig. 3). Ist die Richtung der Fokussierbewegung bestimmt, wird durch entsprechende Bewegung den Objektives 6 oder des Objektives 11 das Intensitätssignal L· der Detektorschicht 10.1 auf Null geregelt. FUr eine exakte Funktion insbesondere bei der Ermittlung der Richtung der Fokussierbewegung ist zu gewährleisten, daß auch bei größtmöglicher Defokussierung die Detektorschicht 10.2 nicht die für die Wellenlänge Ä _o definierte Brennebene des Objektives 7 erreicht sondern sich stets außerhalb dieser befindet. Dazu ist eine Abstimmung der Objektive 2, 7 und 11 unter Berücksichtigung der Abbildungsmaßstäbe erforderlich. Zum Beispiel

1 ⁼ 5

Ob	jektiv	CVl	^f2	= 50	mm
Ob	jektiv	11	^f11	I= 10	mm
Ob	jektiv	7	^f7	= 50	mm

des

Bei einer Abbeschen Zahl^ = 30Yfür das Objektiv 7 verwendeten

Materials ergibt sich ein Farblängsfehler von Ä^s¹ = 1,66 mm. Daraus resultiert bei einer Dicke d des Sensorelementes 10 von d = 0,5 mm für die Positionierung des Objektes 6 in der Erennebene des Objektives 11 eine, über dem üblichen Wert liegende, mf"cimale Abweichung von Δζ = 0,046 mm. Im einfachsten Fall funktioniert die Einrichtung mit einem einfachen Spalt, der aus Intensitätsgründen recht breit sein muß, wo^jiurch wiederum dj e Fokussiergenauigkeit begrenzt wird. Durch die Verwendung von Gitterstrukturen mit Spaltbreiten im um-Bereich ist eine Fokussiergenauigkeit von wenigen rrn um erreichbar.

Die Einrichtung ist überall dort anwendbar, wo spiegelnde flächenhafte Objekte zur Betrachtung oder Bearbeitung in einen definierten Abstand gebracht werden müssen. Insbesondere ist sie in Mikroskopen und Kontrollgeräten einsetzbar. Der spezifische Vorteil der Fokussiereinrichtung liegt in der höheren absoluten Fokussiergenauigkeit bei Verringerung des

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Aufwandes an optischen Elementen, kium einen liegt das darin begründet, daß k.-.f mechanisch bewegte Teile verzichtet wurde, so daß die Fokussierung nicht mehr durch Schwingungen beeinflußt wird. Zum anderen haben die untersohiedlichen Empfindlichkeiten der Detektoren für die beiden Wellenlängen keinen Einfluß mehr auf die Fokussierung, da nun nioht mehr auf ein Differenzsignal zwischen beiden Detektoren sondern auf das Hinimumsignal nur eines Detektors eingestellt wird.

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur automatischen Fokussierung von Betraohtungs- und/oder Bearbeitungssystemen für flächenhafte spiegelnde Objekte unter Ausnutzung des Farblängsfehlers, bestehend aus Abbildungsoptiken und Umlenkelementen zur Abbildung einer Teststruktur auf dem Objekt und den zwei Detektoren, gekennzeichnet dadurch, daß sioh die als ein zwei Wellenlängen aussendender Flächenstrahler ausgebildete Teststruktur (1) in der Brennebene eines ersten Objektives (2) befindet, daß zur Ein- und Ausblendung dieser Teststruktur im Objektstrahlengang (3) ein halbdurchlässiger Spiegel (4) angeordnet ist, daß ein weiterer halbdurchlässiger Spiegel (5) zwischen dem im Objektstrahlengang (3) befindlichen halbdurchlässigen Spiegel (4) und dem ersten Objektiv (2) zur Abbildung der vom Objekt (6) reflektierten Teststruktur (1) auf den Detektor angeordnet Ist, daß sich vor den Detektoren ein zweites, bezüglich Farbfehlern unkorrigiertes, Objektiv (7) befindet, daß der erste Detektor, der über eine Maske verfügt und für beide Wellenlängen der Teststruktur (1) durchlässig ist, in der Brennebene des zweiten unkorrigierten Objektivs (7) und der zweite Detektor unmittelbar dahinter angeordnet sind und daß die Teststruktur (1) und die Maske des ersten Detektors unter Berücksichtigung eines Abbildungsmaßstabes als komplementäre Blenden ausgebildet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß

der Flächenstrahler aus einer Lichtquelle (8) mit Vorsatzlinse (9) und einem davor angeordneten, als komplementäre Blende zur Maske des ersten Detektors ausgebildeten, für zwei Wellenlängen durchlässigen Interferenzfilter besteht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, 'gekennzeichnet dadurch, daß der Fij.ächenstrahler aus einer Lichtquelle (8) mit Vorsatzlinse (9) und einer davor, angeoruneten, als komplementäre Blende zur Maske des ersten Detektors ausgebildeten, nebeneinander liegenden Filterordnung besteht.

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4. Einrichtung nach Anspruoh 1, gekennzeichnet daduroh, daß die hintereinander angeordneten Detektoren als ein spektralempfindliches Ser.sorelement (10) ausgebildet sind und daß dieses Sensorelement (10) fo positioniert ist, daß sich die rum zweiten unkorrigierten Objektiv (7) weisende erste Detektorschicht (10.1) in dessen Brennebene befindet.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die auf der dem zweiten unkorrigierten Objektiv (7) zugewanden Außenseite des spektralempfindlichen Sensorelement (10) befindlichen kammartigen Elektroden (10.3) als Komplementärblende zur Teststruktur (1) verwendet werden.

- Hierzu 2 Blatt Zeichnungen -

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