DE102007030814A1

DE102007030814A1 - Optical arrangement e.g. surface sensor, for depth discrimination for performing topographic measurements, has etalon with better transmission or reflection in measurement areas than areas, which are deviated from measurement areas

Info

Publication number: DE102007030814A1
Application number: DE102007030814A
Authority: DE
Inventors: Aiko Ruprecht
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-07-04
Also published as: DE102007030814B4

Abstract

The arrangement has an etalon (1) generating constructive or destructive interference in an optical path of an optical structure ad generating multi-beam interference. The element generates light of wavelengths from measurement areas. A detector records intensity of the constructive or destructive interference. The etalon has a better transmission or reflection in the measurement areas than in areas, which are deviated from the measurement areas. An independent claim is also included for an optical method for depth discrimination.

Description

Stand der TechnikState of the art

Das konfokale Detektionsprinzip wurde 1961 von Marvin Minski im Patent US3013467 beschrieben. Das wesentliche Funktionsprinzip besteht darin, dass das Licht aus der Messebene des konfokalen Topmeters am wenigsten von der in einer optisch konjugierten Ebene eingesetzten Lochblende beeinträchtigt wird. Licht aus anderen Ebenen wird dagegen stark von dieser Lochblende beeinträchtigt, so dass eine Tiefendiskriminierung erfolgt, die zur Ermittlung von dreidimensionalen Formen eingesetzt werden kann. Eine detaillierte Beschreibung und Bewertung der Parameter konfokaler Togometer findet man beispielsweise in dem Buch „Confocal Microscopy" von T. Wilson, Academic Press 1990 . In allen Fällen wird eine punktförmige Lichtquelle in die Messebene abgebildet und diese wieder auf eine punktförmige Detektionsblende. Die Abbildung des Messpunktes auf die Detektionsblende benötigt einen gewissen Bauraum.The confocal detection principle was patented in 1961 by Marvin Minski US3013467 described. The essential functional principle is that the light from the measurement plane of the confocal topmeter is least affected by the pinhole diaphragm used in an optically conjugate plane. Light from other planes, on the other hand, is strongly affected by this pinhole, so that a deep discrimination takes place, which can be used to determine three-dimensional shapes. A detailed description and evaluation of the parameters of confocal togmeters can be found, for example, in US Pat Book "Confocal Microscopy" by T. Wilson, Academic Press 1990 , In all cases, a point-shaped light source is imaged in the measuring plane and this again on a punctiform detection aperture. The image of the measuring point on the detection panel requires a certain amount of space.

Die gebräuchlichste Form eines auf Vielstrahlinterferenz basierenden Filters ist das Fabry-Perot-Interferometer. In speziellen Ausführungen wird es auch als Etalon bezeichnet und in vielen optischen Messgeräten zur Wellenlängenselektion eingesetzt. So wird in der Veröffentlichung von Q. Shan et. al. „A conjugate optical confocal Fabry-Perot interferometer for enhanced ultrasound detection.", Meas. Sci. Technol. 6 (1995) eine Anwendung beschrieben, bei der die Schwingung eines Objektes mit optischer Messtechnik detektiert wird. Hier wird ausschließlich die Wellenlängenselektion durch das Etalon auswertet. In einer gebräuchlichen Anwendung von Fabry-Perot Interferometern wird das spektroskopisch zu untersuchende Licht leicht divergent auf das Interferometer gelenkt, wodurch sich mit Verwendung einer weiteren Linse hinter dem Fabry-Perot Interferometer Ringstrukturen in der Fokusebene dieser Linse bilden. Anhand der Radien dieser Ringstrukturen kann sehr genau auf die Wellenlängenzusammensetzung des verwendeten Lichtes geschlossen werden (siehe z. B.: J. W. Vaughan „The Fabry-Perot Interferometer: History, Theory and Applications", Bristol: Adam Hilger (1989) ). Auch in dieser Anwendung wird ausschließlich der Wellenlängenselektive Charakter des Fabry-Perot Interferometers betrachtet und darüber hinaus nur statisch verwendet, wodurch sich die erfindungsgemäße Anwendung unterscheidet. In anderen Arbeiten (z. B. M. Erdélyi et al „Enhanced optical microlithography with a Fabry– Perot-based spatial filtering technique", Applied Optics 39 (7) (2000) ) wurde ein Etalon als Raumfilter verwendet, was hier aber ausschließlich zur lateralen Filterung in einer nicht tiefendiskriminierenden optischen Abbildung angewendet wurde. In mehreren Publikationen wurde von konfokalen Abstandssensoren berichtet, bei denen eine Laserkavität zur Tiefendiskriminierung eingesetzt wird. Hierbei wird jedoch ein Lichtverstärkendes Medium zwischen den Resonatorspiegeln benötigt.The most common form of a multi-beam interference based filter is the Fabry-Perot interferometer. In special versions, it is also referred to as etalon and used in many optical measuring devices for wavelength selection. So will in the Publication of Q. Shan et. al. "A conjugate optical confocal Fabry-Perot interferometer for enhanced ultrasound detection.", Meas. Sci. Technol. 6 (1995) describes an application in which the vibration of an object is detected with optical metrology. Here only the wavelength selection is evaluated by the etalon. In a common application of Fabry-Perot interferometers, the light to be spectroscopically guided is divergently directed to the interferometer, whereby ring structures are formed in the focal plane of this lens with the use of another lens behind the Fabry-Perot interferometer. Based on the radii of these ring structures, it is possible to deduce very precisely the wavelength composition of the light used (see, for example: JW Vaughan "The Fabry-Perot Interferometer: History, Theory and Applications", Bristol: Adam Hilger (1989) ). Also in this application, only the wavelength-selective character of the Fabry-Perot interferometer is considered and, moreover, used only statically, whereby the application of the invention differs. In other works (eg M. Erdélyi et al "Enhanced optical microlithography with a Fabry-Perot-based spatial filtering technique", Applied Optics 39 (7) (2000) ), an etalon was used as a spatial filter, which was used here exclusively for lateral filtering in a non-deep-discriminating optical image. Confocal distance sensors have been reported in several publications using a laser cavity for depth discrimination. In this case, however, a light-amplifying medium between the resonator mirrors is needed.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Ziel der Erfindung ist die Miniaturisierung des notwendigen Bauraums robuster konfokaler Sensoren beispielsweise für die Topografiemessung in schwer zugänglichen Bohrungen.aim The invention is the miniaturization of the necessary installation space Robust confocal sensors, for example for topography measurement in hard-to-reach holes.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Detektionsverfahren am Beispiel eines planen Etalons erläutert, ist aber mit der gleichen Argumentation auf alle Vielstrahlinterferenz erzeugende Objekte anwendbar. Ein Etalon (1) besteht aus zwei Spiegeln, die so zueinander angeordnet sind, dass der optische Weg zwischen den beiden Spiegeln konstant über der gesamten Spiegelfläche ist. Wie allgemein bei Vielstrahlinterferenz, entsteht bei einem Etalon (1) konstruktive Interferenz, wenn die durch Mehrfachreflexion an den Spiegeln entstehenden Teilstrahlen einen Gangunterschied von einem Vielfachen der halben Wellenlänge aufweisen. Im Fall von einem Etalon mit zwei Planspiegeln ist dies für das gesamte einfallende Licht der Fall, wenn die auf das Etalon treffende Wellenfront (3) eben ist und zwischen ihr und der Flächennormalen des Etalon ein Winkel besteht, unter dem der optische Weg zwischen den Spiegeln einem vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. In diesem Fall ist ein ideal verlustfreies Etalon zu 100% transparent. Weicht die einfallende Wellenfront (3) von diesen Bedingungen ab, nimmt die Transparenz des Etalons (1) ab und das Licht wird reflektiert (5). Die Abweichung kann dabei sowohl durch eine Veränderung der Wellenlänge als auch durch eine Veränderung der Wellenfront erfolgen. Der erfindungsgemäße Einsatz eines solchen Etalons, oder eines anderen Vielstrahlinterferenz erzeugenden Elementes, besteht darin, über den Transmissionsgrad bzw. Reflektionsgrad Veränderungen in der Wellenfront zu detektieren. Dies soll dazu verwendet werden, um eine Tiefendiskriminierung zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird dafür besagtes Etalon in einem Bereich eines optischen Abbildungssystems positioniert, in dem im Falle einer Abbildung ohne Defokus eine ebene Wellenfront entsteht und wird so ausgerichtet, dass eine hohe Transmissivität des Etalons erreicht wird. Durch eine Höhenverschiebung des Objektes wird in die optische Abbildung ein Defokus eingeführt, durch den auf das plane Etalon keine ebene Welle sondern eine gekrümmte Wellenfront einfällt. Dies hat zur Folge, dass die beschriebene Bedingung für konstruktive Interferenz zumindest teilweise verletzt wird und damit die Transmissivität des Etalons abnimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einer Zunahme der Reflektivität des Etalons. Allgemein wird ein Vielstrahlinterferenz erzeugendes Element erfindungsgemäß an einer Stelle im Strahlengang eingesetzt, bei dem zumindest näherungsweise ein Extremwert im mathematischen Sinne für die Intensität des von besagtem Element transmittierten oder reflektierten Lichts entsteht und ein Defokus diese Bedingung verletzt. Bei dem Extremwert muss es sich nicht um ein absolutes Maximum oder Minimum handeln. Detektiert man das transmittierte Licht, das reflektierte Licht oder beide Komponenten, kann man, bei Durchführung eines Tiefenscan bezüglich des Objektes, Rückschlüsse auf Objektlagen mit zumindest lokal geringstem Defokus ziehen. Darüber kann man wiederum Aussagen über die dreidimensionale Struktur des Objektes gewinnen. Der erfindungsgemäße Einsatz kann auch in einem optischen Aufbau realisiert werden, in dem keine scharfe Abbildung stattfindet, sondern das vom Vielstrahlinterferenz erzeugenden Element transmittierte oder reflektierte Licht von einem oder mehreren Detektoren im Bereich des jeweiligen Detektors integral gemessen wird.In the following, the detection method according to the invention will be explained using the example of a planned etalon, but with the same reasoning it can be applied to all objects generating multi-beam interference. An etalon ( 1 ) consists of two mirrors which are arranged relative to one another such that the optical path between the two mirrors is constant over the entire mirror surface. As is generally the case with multibeam interference, an etalon ( 1 ) constructive interference when the partial beams resulting from multiple reflection at the mirrors have a path difference of a multiple of half the wavelength. In the case of an etalon with two plane mirrors, this is the case for all incident light when the wavefront striking the etalon (FIG. 3 ) and there is an angle between it and the surface normal of the etalon, below which the optical path between the mirrors corresponds to a multiple of half the wavelength. In this case, an ideally lossless etalon is 100% transparent. Dodges the incoming wave front ( 3 ) from these conditions, the transparency of the etalon ( 1 ) and the light is reflected ( 5 ). The deviation can be effected both by a change in the wavelength and by a change in the wavefront. The use according to the invention of such an etalon, or of another element producing a multibeam interference, consists of detecting changes in the wavefront via the transmittance or degree of reflection. This should be used to create deep discrimination. According to the invention, said etalon is positioned in a region of an optical imaging system in which, in the case of imaging without defocus, a plane wavefront arises and is aligned such that a high transmissivity of the etalon is achieved. By a height displacement of the object, a defocus is introduced into the optical image, through which the plane etalon does not impinge on a plane wave but rather on a curved wavefront. This has the consequence that the described condition for constructive interference is at least partially violated and thus the transmissivity of the etalon decreases. This is equivalent to an increase in the reflectivity of the etalon. In general, a multi-beam interference generating element according to the invention in one place used in the beam path, in which at least approximately an extreme value in the mathematical sense for the intensity of the light transmitted by said element or reflected light is produced and a defocus violates this condition. The extreme value does not have to be an absolute maximum or minimum. If the transmitted light, the reflected light or both components are detected, it is possible, when performing a depth scan with respect to the object, to draw conclusions on object positions with at least locally the lowest defocus. In turn, one can gain statements about the three-dimensional structure of the object. The insert according to the invention can also be implemented in an optical design in which no sharp imaging takes place, but the light transmitted or reflected by the multi-beam interference generating element is measured integrally by one or more detectors in the region of the respective detector.

Beschreibung der FigurenDescription of the figures

1a: Eine auf ein planes Etalon (1) einfallende ebene Wellenfront (3) und Stahlverlauf (4) nach Transmission durch das Etalon (1). 1a : One on a plane etalon ( 1 ) incident planar wavefront ( 3 ) and steel history ( 4 ) after transmission through the etalon ( 1 ).

1b: Auf ein ebenes Etalon (1) einfallende divergente Wellenfront (3), Strahlverlauf des transmittierten Lichtes (4) und des reflektierten Lichtes (5). 1b : On a flat etalon ( 1 ) incident divergent wavefront ( 3 ), Beam path of the transmitted light ( 4 ) and the reflected light ( 5 ).

2: Kollimiertes Licht (5) wird durch ein Objektiv (7) auf eine reflektierende Oberfläche (8) fokussiert. Das reflektierte und rekollimierte Licht (3) trifft über einen Strahlteiler (6) auf ein schräg gestelltes planes Etalon (1). Je nach Defokuszustand des Lichtes (3) wird ein Teil transmittiert (4) oder reflektiert (12). Über Linsen wird das Licht auf Detektoren (11, 15) fokussiert. Mit dieser konfokalen Anordnung werden zwei Intensitäten gemessen, mittels denen eine Aussage über den Defokuszustand des reflektierten Lichtes getroffen werden kann. 2 : Collimated light ( 5 ) is transmitted through a lens ( 7 ) on a reflective surface ( 8th ) focused. The reflected and recollimated light ( 3 ) hits via a beam splitter ( 6 ) on a slanted plan etalon ( 1 ). Depending on the defocus state of the light ( 3 ) a part is transmitted ( 4 ) or reflected ( 12 ). About lenses, the light on detectors ( 11 . 15 ) focused. With this confocal arrangement, two intensities are measured, by means of which a statement about the defocus state of the reflected light can be made.

3: Kompakte erfindungsgemäße konfokale Detektionsanordnung, bei der das Licht einer räumlich inkohärenten Lichtquelle (18) mittels eines Etalons (19) räumlich gefiltert wird (5) und mit einem Objektiv (7) auf eine reflektierende Oberfläche (8) fokussiert wird. Das reflektierte Licht wird durch das Objektiv (7) rekollimiert, über einen Strahlteiler (6) auf ein planes Etalon (1) geleitet und trifft zumindest teilweise auf den dahinter angeordneten Detektor (11). 3 : Compact confocal detection arrangement according to the invention, in which the light of a spatially incoherent light source ( 18 ) by means of an etalon ( 19 ) is spatially filtered ( 5 ) and with a lens ( 7 ) on a reflective surface ( 8th ) is focused. The reflected light is transmitted through the lens ( 7 ) recollimated via a beam splitter ( 6 ) on a flat etalon ( 1 ) and at least partially hits the detector ( 11 ).

4: Kompakte erfindungsgemäße Detektionsanordnung, bei der von einer Oberfläche (8) ausgehendes oder reflektiertes Licht (3) auf ein sphärisches Etalon (1) trifft. Licht, das senkrecht auf das Etalon auftrifft, wird transmittiert (4) und gelangt auf den Detektor (11). In dieser Anordnung kann z. B. die Hälfte des Sensors links der optischen Achse (2) zur Beleuchtung genutzt werden, indem die linke Hälfte von (11) Licht emittiert. Die Anordnung entspricht damit einem konfokalen Sensor. 4 : Compact detection arrangement according to the invention, in which from a surface ( 8th ) outgoing or reflected light ( 3 ) on a spherical etalon ( 1 ) meets. Light impinging vertically on the etalon is transmitted ( 4 ) and reaches the detector ( 11 ). In this arrangement, for. B. half of the sensor left of the optical axis ( 2 ) are used for illumination by the left half of ( 11 ) Emits light. The arrangement thus corresponds to a confocal sensor.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 3,013,467 [0001]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- "Confocal Microscopy" by T. Wilson, Academic Press 1990 [0001]
- Publication of Q. Shan et. al. "A conjugate optical confocal Fabry-Perot interferometer for enhanced ultrasound detection.", Meas. Sci. Technol. 6 (1995) [0002]
- JW Vaughan "The Fabry-Perot Interferometer: History, Theory and Applications", Bristol: Adam Hilger (1989) [0002]
M. Erdélyi et al "Enhanced optical microlithography with a Fabry-Perot-based spatial filtering technique", Applied Optics 39 (7) (2000) [0002]

Claims

Deep discriminating optical arrangement and method in the light of at least one wavelength of one or several preferred measuring ranges at the location of at least one multi-beam interference generating, the light non - reinforcing element in Beam path of an optical structure in said element or elements generates a constructive or destructive interference whose intensity is registered by at least one detector and the said multi-beam interference generating element in the case of light of at least one wavelength better transmission or reflection from the measuring range (s) as in the case of at least slightly different Areas.

Deep discriminating optical arrangement and method according to Claim 1), wherein the measurement object by moving the object or the measuring areas or in different positions to the or the measuring ranges and the registered intensities be used to determine the three-dimensional structure of the object.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 2), in which at least one of the elements generating many-beam interference, both transmission and as well as a reflection behavior and the intensity at least one of the resulting part steels at least a wavelength of at least one detector registered becomes.

Deep discriminating optical detection method according to at least one of claims 1) to 3), wherein the for measurement used light at least one point in the beam path with at least one reference wave of at least one wavelength is brought to interference.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 4), in which the Measurement used light split into at least two sub-beams and these are brought into interference in at least one place.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 5), in which at least a wavelength-selective detector is used.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 6) that in the Art the lighting and detection at least approximately corresponds to a confocal detector.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 7) with respect to of the object to be measured works in transmission.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 7) with respect to of the object to be measured works in reflection.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 9), wherein in the object Self-lighting is stimulated.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 10), in which at least one of the optical properties of at least one of said Variable-angle generating elements changeable is.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 11), wherein the or the measuring ranges are designed so that from a single Intensity measurement a presence statement about one or more objects are hit in the one or more measurement areas can.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 12), wherein the Determination of the three-dimensional structure of the object to be measured chromatic splitting of the light used becomes.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 13), wherein a Part of the aperture of the optical system for illumination and another Part of the aperture of the optical system is used for detection.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 14), wherein the Multi-beam interference generating element for filtering the used for lighting Light is used.

Deep discriminating optical arrangement and method according to at least one of claims 1) to 15) in one embodiment as a point, line or area sensor.