DE102008023599A1

DE102008023599A1 - Verfahren und Vorrichtung zur mikroskopischen Erfassung örtlicher Neigungen und der dreidimensionalen Form eines Objekts

Info

Publication number: DE102008023599A1
Application number: DE102008023599A
Authority: DE
Inventors: Gerd Haeusler
Original assignee: Individual
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; 3D Shape GmbH
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2008-12-04
Also published as: US20080317334A1; US8224066B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochauflösenden deflektometrischen Erfassung der örtlichen Neigung und der dreidimensionalen Form eines Objektes (6). Die Vorrichtung besteht aus einem mikroskopischen Abbildungssystem (5, 4, 8) mit einer numerischen Apertur (sin u), einer Fokusebene (6a) und einer Empfängereinheit (9, 10), sowie einem Beleuchtungssystem (1, 3, 4, 13, 13a) mit einem Gittergenerator (1), der vorzugsweise ein Sinusgitter (2) erzeugt, und einer Steuer- und Auswerteeinheit. Das Objekt (6) befindet sich im Objektraum des Abbildungssystems. Das Beleuchtungssystem (13, 13a), das als Beleuchtungssystem für Auflichtobjekte oder für Durchlichtobjekte ausgeführt ist, erzeugt eine Reihe von Gitterbildern (7), die als Luftbilder in den Objektraum im Abstand d von der Fokusebene des mikroskopischen Abbildungssystems projiziert werden. Das Abbildungssystem bildet das Objekt und gleichzeitig das sich im Objekt jeweils spiegelnde oder das transmittierte Gitterbild als moduliertes Bild auf eine Empfängereinheit ab. Aus der Reihe der modulierten Bilder werden mit Hilfe der Auswerteeinheit die lokalen Neigungskomponenten der Objektoberfläche bestimmt.

Description

Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Provisional Application 60/932,181 vom 29. Mai 2007 und die hiermit in die vorliegende Anmeldung einverleibt wird.
Zur Vermessung blanker Freiformflächen wie zum Beispiel Autoscheiben, lackierten Karosserien, asphärischen Linsen, polierten Wasserhähnen, etc sind seit einigen Jahren deflektometrische Verfahren bekannt, zum Beispiel wie im früheren Deutschen patent Nr. DE 199 44 354 des Erfinders beschrieben. Die makroskopischen deflektometrischen Verfahren bestehen wie beispielhaft in 1 beschrieben, im wesentlichen aus einem diffus strahlenden Gitter, dem Prüfling, und einer Beobachtungs- und Auswerteeinrichtung. Die Beobachtungseinrichtung, in 1 eine Kamera, bildet den Prüfling ab, und nimmt gleichzeitig das verzerrte Spiegelbild des Gitters auf, welches über die Oberfläche des Prüflings gespiegelt wird. Aus dieser Verzerrung bestimmt man den lokalen Gradienten der Prüflingsoberfläche. Voraussetzung ist, dass das Gitter in einem Abstand d entfernt vom Prüfling angeordnet ist, also nicht wie bei der sog. „Streifenprojektion" zur 3D-Messung von diffus streuenden Objekten, auf das Testobjekt projiziert wird.
Als Gitter dient üblicherweise ein Schirm in Form einer Mattscheibe, auf die ein Sinusmuster als „Gitter" projiziert wird, oder auch ein Schirm in Form eines LCD-Monitors, der ein Sinusmuster zeigt. Auch ein Sinusmuster in Form einer Transparenz, z. B. als Diapositiv oder als photolithographisch hergestellte Maske ist geeignet, allerdings braucht man im allgemeinen enen Diffusor, der dafür sorgt, dass Licht in die kleine Pupille der abbildenden Kamera fällt. Die beiden Komponenten der Oberflächenneigung in x- und y-Richtung werden mit Hilfe von Gittern, die in zwei verschiedenen Richtungen orientiert sind, gemessen. Dadurch, dass das Gitter groß ist, und das Licht diffus in alle Richtungen emittiert wird, können auch stärker gekrümmte Prüflinge vermessen werden, weil immer Licht die Pupille der Abbildungsoptik erreicht. Es soll der Vollständigkeit halber erwähnt werden, dass das Verfahren auf einfache Weise auch für Messungen in Transparenz modifiziert werden kann, etwa um die Verzerrungen von Autoscheiben in Durchsicht zu prüfen.
Die oben beschriebene Methode eignet sich für makroskopische Anwendungen, wo die beobachtungsseitige Apertur sehr klein, z. B. etwa im Bereich 1:100 liegt. Sie eignet sich aber nicht für mikroskopische Anwendungen bei denen man höhere Beobachtungsaperturen und eine Ortsauflösung im Bereich einiger Mikrometer oder darunter erreichen will. Dafür gibt es tiefe physikalische Gründe: ein wichtiger Grund ist, dass bei mikroskopischen Anwendungen wegen der kurzen Schnittweiten und weil Beleuchtung und Beobachtung koaxial sind, kein Platz für einen körperlichen „Schirm" zwischen Prüfling und Beobachtungsoptik ist. Weiter ist das Einbringen eines Diffusors in einen koaxialen Auflichtaufbau nicht möglich, ohne die Abbildung zu zerstören. Ein weiterer fundamentaler Grund, warum es bis jetzt keine deflektometrischen Mikroskope gibt, liegt darin, dass die bei großer geforderter Auflösung notwendige große Abbildungsapertur Probleme bereitet: Die Schärfentiefe, die bei makroskopischer Deflektometrie durchaus im Bereich 100 mm oder mehr liegen kann, ist bei der mikroskopischen Abbildung meist deutlich kleiner als 1 mm, und geht bis hinunter in den Sub-Mikrometerbereich.
Die Deflektometrie kann aber breite Anwendung für mikroskopische Objekte finden und für die Oberflächenprüfung an solchen Objekten dienen, zum Beispiel an fein bearbeiteten Flächen wie Dichtungen, Einspritzdüsen, auch bei der Prüfung von Wafern oder anderen elektronischen Bauteilen; ebenso für die Prüfung von Eindrücken von Schlagbolzen an Patronenhülsen. In der Veröffentlichung von G. Häusler, M. Knauer und C. Richter, in Optics Letters, Vol. 33 Issue 4, pp. 396–398 (2008) werden einige Anwendungen der Mikrodeflektometrie und das Funktionsprinzip beschrieben. Deflektometrie liefert Bilder, die die lokale Steigung (den Gradienten) der Oberflächenform wiedergeben. Der Arbeitsabstand spielt wegen der optischen Differentiation nach dem Ort keine Rolle und langwellige Variationen der Oberflächenform führen zu schwachen Signalen. Deflektometrie ist extrem empfindlich auf kurzwellige lokale Oberflächenfehler, wie sie bei Oberflächen-Defekten auftreten. Es kann aber aus den gemessenen Daten prinzipiell durch Integration auch die gesamte Oberflächenform ermittelt werden.
Verfahren, die die erste Ableitung einer Höhen- oder Phasenverteilung (auch in Transparenz) zumindest näherungsweise angeben, sind auch in der Mikroskopie bekannt. Das wichtigste ist der Differential-Interferenzkontrast. Dabei wird durch eine polarisationsoptische Interferenzeinrichtung ein Doppelbild des Prüflings entworfen, wobei ein Bild gegen das andere Bild lateral um eine Strecke Δx verschoben ist. Wenn Δx in der Größenordnung der lateralen Auflösung der Beobachtungsoptik ist, und die Phasendifferenz zwischen den beiden Bildern π ist, so beobachtet man annähernd den Differentialquotienten der lokalen Phase des transmittierten oder reflektierten Lichtes in einer Richtung. Leider ist der Differential-Interferenzkontrast nicht oder zumindest nicht einfach quantitativ auszuwerten. Außerdem ist die Empfindlichkeit gering, wenn nicht aufwendige Phasenmess-Methoden angewendet werden. Auch die Messdynamik, d. h. der Bereich der Steigung der wiedergegeben werden kann, ist gering. Weiter sind hohe Anforderungen an die Kohärenz und die Qualität der Optik zu stellen, denn es handelt sich um ein interferometrisches Verfahren. Schließlich liefert das Verfahren nur eine Komponente des Gradienten.
Kurzbeschreibung der Figuren:
1 ist eine schematische Darstellung der makroskopischen Deflektometrie nach dem oben beschriebenen Stand der Technik.
2 ist a schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anwendung der Deflektometrie im mikroskopischen Bereich
3 ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Periode des Gitterbildes an den Abstand d zweckmäßig angepasst wird.
4 ist ein Ablaufdiagramm für die Deflektometrie mit erweiterter Schärfentiefe
5 ist eine diagrammatische Darstellung einer Beobachtungspupille mit zwei Paaren von Spalten.
6 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Mikrodeflektometrie mit Objektdurchleuchtung (Transmissionsobjekt).
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik sollen erfindungsgemäß beseitigt werden. Das im oben erwähnten deutschen Patent DE 19944354 des Erfinders beschriebene Verfahren wird erfindungsgemäß so abgewandelt, wie in 2 beschrieben. Dabei zeigt 2 nur ein Ausführungsbeispiel. Abwandlungen des Prinzips werden weiter unten beschrieben. Ein steuerbarer Gittergenerator 1, z. B. ein LCD-Schirm, oder ein Mikrospiegelarray wird so angesteuert, dass ein Sinusgitter 2 dargestellt wird. Dieses Gitter wird durch eine Beleuchtungsoptik 3 über einen Teilerspiegel 4 und das Mikroobjektiv 5 in die Nähe des Prüflings 6 abgebildet. Der Abstand zwischen dem Gitterbild 7 zu dem Prüfling 6 beträgt d. Wesentlich dabei ist, dass das Gitterbild ein Luftbild ist, und nicht auf einen Diffusor projiziert wird. Wird das Gitter vom Gittergenerator nicht von oder auf einem diffus streuenden Schirm erzeugt, wie beim LCD, sondern liegt zum Beispiel als transparente Maske vor, so sollte die Abbildung des Gitters in den Objektraum über eine übliche verkettete Köhlersche Beleuchtung vorgenommen werden.
Das Mikroobjektiv 5 bildet den Prüfling 6, gegebenenfalls über eine Hilfsoptik 8 in die Bildebene 9 einer Kamera 10 ab und wird mit Hilfe eines Computers 11 gespeichert. Der Computer kann gleichzeitig zur Speicherung der Bilder und zur Steuerung des Gittergenerators und der Kamera dienen. Das aufgenommene Bild enthält auch ein (unscharfes) Spiegelbild des Gitters, das am Prüfling gespiegelt wird. Dies ist auch möglich, wenn das Objekt nicht eben ist, sondern auch geneigte Flächenelemente aufweist, und zwar deshalb, weil hier die hohe Beobachtungsapertur und die hohe Beleuchtungsapertur der Mikroskopie zu Hilfe kommen. Es sei erinnert, dass für makroskopische Deflektometrie der Diffusor nötig ist, weil die Abbildungsapertur klein ist.
Die lokale Phase im Bild des gespiegelten Gitters hängt von der Neigung am jeweiligen betrachteten Ort (x, y) auf dem Prüfling ab, sowie von der Gitterperiode p, und vom Abstand d. Diese Phase kann man durch bekannte Phasenschiebe-Verfahren, wie das Bruning'sche Verfahren bestimmen: zum Beispiel dadurch, dass eine Serie von vier Gitterbildern aufgenommen wird, wobei die Phase der dargebotenen Gitter um jeweils 90° variiert wird. Aus einer solchen Bildserie kann man die Phase üblicherweise auf 1/1000 der Gitterperiode genau bestimmen. Mit Rauschreduktion, zum Beispiel durch längere Belichtungszeit, kann man sogar deutlich genauer werden. Diese Phase wird mit der Phase verglichen, die man erhält, wenn der Prüfling durch einen ebenen Spiegel ersetzt wird. Die Phasendifferenz in jedem Bildpunkt ist etwa proportional zur lokalen Neigung des Prüflings in diesem Bildpunkt. Um die beiden Neigungskomponenten in x- und y-Richtung (Komponenten des Gradienten) zu bestimmen, wird das Gitter einmal so angeordnet, dass die Gitterstriche senkrecht zur x-Achse laufen, und einmal so, dass die Gitterstriche horizontal zur x-Achse laufen. Auch ein Gitter das zwei orthogonale Gitterrichtungen gleichzeitig enthält ist möglich. Die lokale Neigungskomponente α_x, (z. B. in x-Richtung), kann man dann bestimmen aus der gemessenen Phasendifferenz ϕ, der Gitterperiode p und dem Abstand d, näherungsweise zu αx ~ ϕp/2πd (1)oder, je nach Optik (Sinusbedingung), aus dem arcustangens oder dem arcussinus der Größe. Dabei ist berücksichtigt, dass wegen der Neigung des Objekts bei der Abbildung nur ein Teil der Pupille des Beobachtungssystems durchstrahlt wird. Die Empfindlichkeit nach Gl. (1) ist übrigens für mikroskopische Deflektometrie nur halb so groß wie für makroskopische Deflektometrie. Für sehr fein strukturierte Objekte spielt die Beugung am Objekt eine größere Rolle, deshalb kann der Proportionalitätsfaktor dann ein anderer sein, was durch eine Kalibrierung herausgerechnet werden muss. Für die andere Neigungskomponente senkrecht zur x-Richtung verfährt man sinngemäß, indem das Gitter um 90° gedreht wird.
Die Gitterperiode wird wie in 3 dargestellt, erfindungsgemäß an den Abstand d und die Apertur sin u der Beobachtung so angepasst, dass die geometrische Unschärfe des Zerstreuungsscheibchens δb bei der unscharfen Abbildung des Gitters, die sich aus numerischen Apertur des Mikroobjektivs und d mit Hilfe des Aperturkegels 12 einfach ausrechnen lässt, etwa eine halbe Periode p des Gitterbildes 7 beträgt. Eine kleinere Gitterperiode würde den Kontrast der Gitterabbildung in der Bildebene 9 verschlechtern und damit die Genauigkeit der Phasenbestimmung. Eine größere Gitterperiode würde die Empfindlichkeit des Verfahrens verringern.
Bei einer optimalen Anpassung der Gitterperiode erhält man ein minimales Unschärfeprodukt zwischen der lateral auflösbaren Distanz δx auf dem Objekt, die durch die numerische Apertur des Mikroobjektivs gegeben ist, und der Neigungs-Messunsicherheit δα. Es gilt näherungsweise: δx δα ~ λ/Q. (2)
Dabei ist λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtes und Q ein Qualitätsfaktor, der im Wesentlichen durch das Rauschen des Systems gegeben ist. Weil das Verfahren weitgehend inkohärent ist, wird Q hauptsächlich durch elektronisches Rauschen und Quantisierungsrauschen bestimmt. In der Praxis kann man mit kurzen Belichtungszeiten für Q Werte um 500 oder mehr erreichen. Wenn man besondere Maßnahmen der Rauschreduktion, etwa durch längere Belichtungszeit, betreibt, lassen sich erheblich höhere Werte für Q erzielen.
Es muss erwähnt werden, dass die Deflektometrie grundsätzlich nur für spiegelnde Objekte perfekt funktioniert. Bei hoher lateraler Auflösung, wie man sie bei Mikroskopie mit hoher numerischer Beobachtungsapertur findet, spiegeln jedoch fast alle Objekte. Auch dies ist anders als bei der makroskopischen Deflektometrie. Dies liegt daran, dass Objekte dann „spiegelnd" sind, wenn innerhalb der Auflösung des Mikroskops die Höhenvariation des Objektes geringer als etwa λ/4 ist. Man kann aber auch optisch diffus streuende Objekte spiegelnd machen, indem man eine größere Wellenlänge λ wählt, also tiefrotes Licht benutzt, oder sogar infrarotes Licht. Eine weitere Möglichkeit, die sich besonders bei Mikroobjektiven mit hoher numerischer Apertur bietet, ist die Beleuchtung und Abbildung bei fast streifendem Lichteinfall, oder bei sehr schrägem Lichteinfall. Im übrigen kann man die Methode sogar bei diffus streuenden Objekten begrenzt anwenden, denn die Serie von Gitterbildern mit verschiedenem Phasenshift, wie sie zur Auswertung aufgenommen wird, bedeutet auch physikalisch jeweils eine andere Beleuchtungssituation für jedes der Bilder der Serie. Somit nimmt man dadurch Bilder mit Beleuchtungen aus verschiedenen Richtungen auf, die auch durchaus verschieden aussehen. Alleine durch Bestimmung der Differenz zweier solcher Bilder oder des Kontrastes z. B. beim oben beschriebenen Viershiftverfahren lassen sich Defekte sehr deutlich erkennen.
Gleichung (2) beschreibt indirekt die erzielbaren Leistungsdaten für die Mikrodeflektometrie: Das Produkt δx δα beschreibt nämlich im Wesentlichen die erzielbare Höhen-Messunsicherheit δh (nach Integration), oder auch die Empfindlichkeit gegenüber einer Höhenänderung innerhalb der lateral auflösbaren Distanz δx. Für eine Wellenlänge λ = 500 nm ergibt sich ein δh von etwa 1 nm. Das ist eine bemerkenswert geringe Höhenmessunsicherheit, wie sie nur von sehr hochwertigen Interferometern erreicht wird. Bei der Deflektometrie wie sie hier erfindungsgemäß beschrieben wird, handelt es sich jedoch nicht um ein interferometrisches Verfahren. Es weist daher nicht die üblichen Probleme der Interferometrie auf. Deflektometrie kann mit sehr hoher Beleuchtungsapertur arbeiten. Es gibt bei hoher Beleuchtungsapertur kaum kohärentes Rauschen oder Defokussierungsrauschen: Die Qualität der erzeugten Bilder ist hoch, wie man sie von Bildern kennt, die mit dem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurden. Das Verfahren ist nicht empfindlich gegen Erschütterungen, es ist für sehr krumme Objekte, das heißt, für Objekte mit einer großen Neigungsdynamik anwendbar und kann mit weißem Licht arbeiten. Die Empfindlichkeit lässt sich durchaus auf den Bereich von δh ~ 0,1 nm steigern. Mit hoher numerischer Apertur kann man eine maximal messbare Neigung von mehr als +/– 60° erreichen. Eine solche Winkeldynamik lässt sich mit makroskopischer Deflektometrie nur mit riesigen Mattscheiben und Einschränkungen bei der Genauigkeit erreichen.
Der Abstand d ist in weiten Grenzen frei wählbar: Wählt man d im Bereich der Rayleigh-Schärfentiefe, so kann man eine sehr kleine Gitterperiode wählen, da die Abbildung des Prüflings und des Gitterbildes 7 praktisch ohne Schärfentiefeproblem erfolgen. In diesem Fall wählt man die Gitterperiode so gering wie möglich, etwa an der Auflösungsgrenze des Mikroobjektivs. Diese Ausprägung des Verfahrens ist jedoch von Nachteil, wenn das Objekt sehr uneben ist, weil d von Objektpunkt zu Objektpunkt relativ stark variiert. Für solche Objekte und auch wegen der größeren Empfindlichkeit für die Neigungsmessung, empfiehlt es sich, den Gitterabstand d größer zu wählen, sogar bis z. B. die Gitterperiode gerade so groß ist wie das Bildfeld des Mikroobjektivs. Aber auch größere Abstände d sind möglich, bei entsprechender Anpassung der Gitterperiode. Ein großer Abstand d hat dabei den Vorteil, dass die relative Variation des Abstands von jedem Objektpunkt zum Gitter auch für nicht ebene Objekte gering bleibt und sich das System so einfacher kalibrieren lässt.
Für eine quantitative Messung der lokalen Objektneigung muss das System kalibriert werden. Dazu wird zweckmäßig der Abstand d des Gitterbildes 7 von der Bildebene des Mikroobjektivs bestimmt, ebenso wie die Gitterperiode. Dies kann entweder rechnerisch aus den bekannten geometrischen Daten des Systems erfolgen, oder durch Aufnahme von geeigneten Testobjekten. Weiter muss die Verzeichnung des Gitterbildes und des Prüflings durch die Optik bestimmt werden. Dazu stellt die Photogrammetrie geeignete Hilfsmittel bereit. Eine sehr einfache Kalibriermöglichkeit besteht darin, ein bekanntes, vermessenes Testobjekt darzubieten und die Eigenschaften des mikrodeflektometrischen Systems damit zu bestimmen.
Eine Erweiterung und neue Eigenschaft des Verfahrens wird erfindungsgemäß durch eine zusätzliche Erweiterung der Schärfentiefe erreicht. Damit bekommt man erstmals die Möglichkeit, Bilder wie sie sonst nur mit dem Rasterelektronenmikroskop aufnehmbar sind, zu erzielen, und dies sogar quantitativ und dreidimensional.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeichnen sich durch drei Eigenschaften aus: erstens erhält man eine neigungscodierte Darstellung des Objektes. Zweitens hat man eine hohe laterale Auflösung (diese ist jedoch für viele Anwendungen nicht besser als die eines Lichtmikroskops), drittens hat man eine sehr große Schärfentiefe. Die ersten beiden Eigenschaften kann man bereits mit der oben beschriebenen Mikrodeflektometrie erzielen, und damit Bilder mit hoher Qualität und großer Anschaulichkeit (neigungscodiert) erzielen. Darüber hinaus sind diese Bilder quantitativ, d. h., die Neigung ist mit großer Genauigkeit lokal messbar, und nach Integration ist auch die Form bekannt.
Wenn allerdings das Objekt eine Höhenvariation besitzt, die größer als die Rayleigh-Schärfentiefe ist, so verringert sich die laterale Auflösung für die Objektbereiche, die nicht innerhalb der Schärfentiefe der Abbildung liegen. Zwar ist dies nicht so auffällig, wie bei der Standard-Mikroskopie. Insofern ist die Mikro-Deflektometrie toleranter gegen Schärfentiefeprobleme. Aber eine Erweiterung der Schärfentiefe ist für unebene Objekte trotzdem notwendig. Die erfindungsgemäße Lösung wird nun beschrieben.
Es sind verschiedene Verfahren zur Schärfentiefeerweiterung bei der mikroskopischen Abbildung bekannt. Die einfachsten Verfahren arbeiten mit einer Ringpupille bei der optischen Abbildung des Prüflings. Damit erreicht man eine erhöhte Schärfentiefe, wie allgemein bekannt. Allerdings verringert sich der Kontrast bei höheren Frequenzen und man hat einen Lichtverlust. Es ist auch möglich, eine geeignete Phasenplatte in die Pupille einzufügen, die gewissermaßen künstliche Aberrationen einführt, welche auch eine Schärfentiefeerweiterung mit sich führen. Es ist auch bekannt, dass sphärische Aberration die Schärfentiefe erweitert. Anstelle einer Ringpupille kann man auch eine Pupille mit 4 Spalten als Seiten eines Quadrats angeordnet, wie in 5 gezeigt, einführen. Die Anisotropie dieser Pupille hat den Vorteil, dass die Gitterstriche in horizontaler Richtung und in vertikaler Richtung besser als mit der Ringpupille abgebildet werden. Der Spaltabstand in dieser Pupille wird so gewählt, dass die optische Übertragungsfunktion des Abbildungssystems die Gitterperiode p mit optimalem Kontrast durchlässt.
Eine weitere Möglichkeit, ohne besondere Hardware oder Eingriffe in die Pupille eine Schärfentiefeerweiterung zu erreichen, ist die folgende: Es werden wie oben beschrieben Neigungsbilder des Prüflings aufgenommen. Aber es wird nun eine Serie von Neigungsbildern aufgenommen, für verschiedene Positionen z_i des Prüflings entlang der optischen Achse des Mikroobjektivs. Dazu wird das Objekt mit Hilfe einer Verschiebe-Einrichtung, z. B. eines mechanischen Schlittens oder eines Piezo-Antriebes entlang der optischen (z-) Achse verschoben. Dadurch wird jeder Ort des Prüflings mindestens einmal in der besten Schärfenebene aufgenommen. Aus der Serie der Neigungsbilder mit jeweils scharfen und unscharfen Objektdetails lassen sich wie aus der deutschen Patentschrift 2655525 (1976) und dem U.S. Patent No. 4,141,032 (1979) des Erfinders, oder aus dem Artikel von G. Häusler und E. Körner "Imaging with expanded depth of focus", Zeiss Information No. 98, Vol. 29 (1986) 9–13, Oberkochen, bekannt, Bilder mit großer Schärfentiefe errechnen. Um die jeweils scharfen Objektdetails zu identifizieren, kann man erfindungsgemäß das Gitter in die Fokus-Ebene 6a des Mikroskopobjektivs 5 projizieren, (d. h. man wählt d = 0) und die Serie von Bildern aufnehmen, ähnlich wie oben für die Ermittlung der Neigung beschrieben, jeweils für verschiedene Positionen z_i des Prüflings entlang der optischen Achse des Mikroobjektivs. Das Schema ist in 4 für einen Pixel wiedergegeben. Das Verfahren läuft aber für Alle Orte (x, y) auf dem Prüfling parallel ab.
Das Prinzip ist angelehnt an das von K. Engelhardt und G. Häusler in Appl. Opt. 27 (1988) 4684–4689 beschriebene Verfahren „Acquisition of 3-D data by focus sensing", wo ebenfalls ein Gitter auf das Objekt abgebildet wird und eine Fokusserie aufgenommen wird. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren wird aber dort der Kontrast nicht in jeder Fokusposition z_i bestimmt, sondern es wird nur die Intensität I(z) jedes Bildpunktes entlang der z-Achse bestimmt. Aus dem Intensitätsverlauf I(z) wird über die Umkehr des Kontrastes bei starker Defokussierung der Ort der besten Fokussierung bestimmt. Dieses Verfahren ist deutlich weniger genau und nicht rein lokal, d. h., es benötigt Nachbarschaftsbeziehungen der Punkte. Dagegen ist die Kontrastbestimmung in jeder z-Position durch Phasenshift-Methoden, wie sie erfindungsgemäß für die Fokussuche vorgeschlagen wird, lokal und sehr genau.
Für jede Position z_i des Prüflings wird also wie bei der Neigungsmessung eine Serie von Bildern mit phasenverschobenem Gitter aufgenommen. Aus diesen phasenverschobenen Bildern lässt sich der Kontrast des Gitterbildes in jedem Kamerapixel separat ermitteln. Dieser Kontrast wird für jeden Kamerapixel und jede Position des Prüflings entlang der optischen Achse in einem Computer gespeichert. Welcher Ort auf dem Prüfling (welcher Kamerapixel) bei welcher Position des Prüflings entlang der optischen Achse gerade im Fokus war, lässt sich nun aus der Serie C(z_i) der Kontrastdaten bestimmen, indem man für jeden Kamerapixel diejenige Position entlang der optischen Achse bestimmt, wo gerade der Kontrast ein Maximum zeigt. In der Praxis hat sich der bekannte Viershift-Algorithmus zur Ermittlung des Kontrastes C geeignet gezeigt: das heißt, für jede Position z_i des Prüflings entlang der optischen Achse des Mikroobjektivs werden vier Bilder I₁, I₂, I₃, I₄ jeweils mit dem Phasenshift 0°, 90°, 180°, 270° aufgenommen. Der Kontrast C errechnet sich in diesem Fall aus der Formel C2 = 4[(I1 – I3)2 + (I2 – I4)2]/(I1 + I2 + I3 + I4)2. (3)
Mit Mehrshiftverfahren kann man höhere Genauigkeiten erzielen, wenn dies nötig ist. Es sei erwähnt, dass der Abtast-Abstand der Fokusserie mit den verschiedenen Positionen des Prüflings entlang der optischen Achse zweckmäßig so gewählt wird, dass innerhalb der Kontrastkurve C(z) der optischen Abbildung mindestens drei Positionen angefahren werden. Dann kann man die Kontrastkurve interpolieren und den Ort des besten Fokus z für jedes Pixel durchaus auf wenige Nanometer genau bestimmen. Auf diese Weise kann man eine Höhenkarte z(x, y) des Prüflings mit hoher Genauigkeit ermitteln. Eine dichtere Abtastung entlang der optischen Achse erhöht die Genauigkeit der Höhenkarte, benötigt allerdings auch mehr Zeit. Wählt man eine größere Gitterperiode p, so wird C(z) breiter und man kann man den Abtastabstand der Fokusserie größer wählen. Dies ist zweckmäßig, für Objekte mit großer Tiefe, weil man Zeit spart. Wie oben beschrieben, kann man in jedem Pixel dieser Höhenkarte zusätzlich die Neigung aus den deflektometrischen Daten einsetzen. Damit hat man erstmals die Möglichkeit, mit optischen Mitteln Bilder wie beim Raster-Elektronenmikroskop zu erzeugen. Neu ist aber: diese Bilder zeigen eine quantitative Neigungscodierung, große Schärfentiefe und die dreidimensionale Form sowie zusätzlich eine sehr hohe Winkeldynamik. Mit einer auf einfache Weise erzielbaren Winkelmeßunsicherheit im Bereich weniger Bogensekunden und einer maximalen Neigung der Oberflächenelemente, die der Apertur des Mikroobjektivs entspricht, lässt sich eine Winkeldynamik im Bereich deutlich größer als 1000:1 erreichen.
Stellt man die Ergebnisse als zweidimensionales Intensitätsbild dar, wird man in jedem Bildpunkt die gemessene Neigung als Intensität oder Farbe codieren, und erhält dadurch ein Bild mit hoher Qualität, das Bildern gleicht, die mit dem Raster-Elektronenmikroskop aufgenommen wurden. Weiter kann man die gewonnene Höhenkarte mit Hilfe eines CAD-Programms pseudo-dreidimensional darstellen und ebenfalls in jedem Bildpunkt zusätzlich die gemessene Neigung – (eine Komponente oder auch abgewandelte Größe wie Krümmung) grautoncodiert oder farbcodiert darstellen. Damit hat man eine dreidimensionale, am Bildschirm drehbare Darstellung, durch die sich auch Höhenschnitte, etc, legen lassen. Wenn man die Neigungsdaten nicht benutzt, so entartet das Verfahren zu einer reinen Formmessung.
Wegen der weitgehend räumlich und zeitlich inkohärenten Beleuchtung ist das Verfahren nicht anfällig gegen optisches (kohärentes) Rauschen, ebenfalls nicht gegen Erschütterungen. Damit bietet es wichtige Vorteile gegen die Interferormetrie.
Es muss erwähnt werden, dass das in 2 skizzierte Verfahren für die Auflichtmikroskopie gezeichnet ist. Ein völlig analoges Verfahren lässt sich für Durchlichtmikroskopie angeben. Hier wird das Gitter nicht wie in 2 gezeichnet, durch einen Teilerspiegel 4 von oben in die Nähe des Prüflings „eingespiegelt", sondern wie bei einem Durchlichtmikroskop das Gitterbild 6 konventionell – „von unten" mit einer Beleuchtungseinrichtung 13 eingeführt, wie in 6 skizziert. Mit dieser Anordnung kann man Durchlichtobjekte messen, d. h. z. B. den Gradienten der lokalen Phasenverteilung z. B. innerhalb einer Zelle, oder auch lokale Brechkraftverteilungen in technischen Objekten. Natürlich lassen sich auch die üblichen polarisationsoptische Modifikationen anwenden: z. B. kann man nacheinander mit zwei gekreuzten Polarisationen beleuchten und die Doppelbrechung des Phasengradienten ermitteln. Durch räumliche Integration lässt sich sogar die optische Dicke für jeden Ort (x, y) ermitteln. Prinzipiell kann natürlich die mikroskopische Anordnung beide Beleuchtungen in Auflicht und in Durchlicht enthalten, die jeweils wählbar ein- und ausschaltbar sind.
Eine technisch einfache Implementation der Mikrodeflektometrie betrifft die Erzeugung des Gitters. Es ist nicht unbedingt nötig, ein Sinusgitter zu erzeugen, da das Gitter unscharf abgebildet wird. Prinzipiell könnte auch ein Rechteck(Ronchi-)Gitter ausreichen, allerdings werden dann die harmonischen Frequenzen zu wellenförmigen Artefakten führen. Trotzdem ist diese einfach zu implementierende Technik eine Option für die Mikrodeflektometrie.
Eine weitere Möglichkeit, sinusförmige Streifen zu implementieren besteht durch Anwendung der Fourier-Optik. So lässt sich ein Sinusgitter auf einfache Weise durch einen Doppelspalt in der Pupille der Optik erzeugen, die das Gitterbild 7 erzeugt. In 2 wird man zweckmäßig dazu nicht ausschließlich das Mikroobjektiv benutzen, sondern eine Zusatzoptik wie sie in 2 durch die Linse 3 symbolisiert wird. Dann entfällt der Schirm 1 mit dem Sinusgitter 2 und es gibt nur eine Beleuchtungsoptik analog zum Standardmikroskop, allerdings mit dem Doppelspalt in der Kondensorpupille. Anstelle eines Doppelspaltes, der die Beleuchtungsapertur einschränkt, kann man auch ein Biprisma in die Pupille der Beleuchtungsoptik einsetzen, so, dass das Gitterbild 7 durch Interferenz erzeugt wird. Dies funktioniert auch für eine große Beleuchtungsapertur. Schließlich kann man auch Interferenz mit Polarisationsoptik verbinden und anstelle des Biprismas wie beim Differentialinterferenzkontrast ein Wollaston-Prisma mit Polarisatoren verwenden, um das Gitterbild 7 zu erzeugen. Diese Methode eröffnet auch die Möglichkeit, ein konventionelles Mikroskop mit Differentialinterferenzkontrast modifiziert für die Mikro-Deflektometrie zu benutzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19944354 [0002, 0013]
- DE 2655525 [0027]
- US 4141032 [0027]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- G. Häusler, M. Knauer und C. Richter, in Optics Letters, Vol. 33 Issue 4, pp. 396–398 (2008) [0005]
- G. Häusler und E. Körner "Imaging with expanded depth of focus", Zeiss Information No. 98, Vol. 29 (1986) 9–13 [0027]
- K. Engelhardt und G. Häusler in Appl. Opt. 27 (1988) 4684–4689 beschriebene Verfahren „Acquisition of 3-D data by focus sensing" [0028]

Claims

Verfahren zur hochauflösenden deflektometrischen Erfassung der örtlichen Neigung und der dreidimensionalen Form eines Objektes (6), bestehend aus einem Abbildungssystem (5, 4, 8) mit einer numerischen Apertur (sin u), einer Fokusebene (6a) und einer Empfängereinheit (9, 10), sowie einem Beleuchtungssystem (1, 3, 4, 13, 13a) mit einem Gittergenerator (1), der vorzugsweise ein Sinusgitter (2) erzeugt, und einer Steuer- und Auswerteeinheit (11) dadurch gekennzeichnet, dass: die Abbildung durch in mikroskopisches Abbildungssystem (5, 4, 8) erfolgt, wobei das Objekt (6) sich im Objektraum des Abbildungssystems befindet; das Beleuchtungssystem (13, 13a), das als Beleuchtungssystem für Auflichtobjekte oder für Durchlichtobjekte ausgeführt ist, eine Reihe von Gitterbildern (7) als Luftbilder im Objektraum im Abstand d von der Fokusebene des mikroskopischen Abbildungssystems erzeugt; das Abbildungssystem das Objekt und gleichzeitig das sich im Objekt jeweils spiegelnde oder das transmittierte Gitterbild als moduliertes Bild auf eine Empfängereinheit abbildet; und aus der Reihe der modulierten Bilder mit Hilfe der Auswerteeinheit die lokalen Neigungskomponenten der Objektoberfläche bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Beleuchtungseinheit (13, 13a) so gesteuert wird, dass die Gitterbilder mit einer einstellbaren Periode p in den Objektraum abgebildet werden; wobei die Periode p abhängig vom Abstand d so groß gewählt wird, dass der Kontrast der beobachteten modulierten Bilder ausreichend für eine rauscharme Auswertung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zur rauscharmen Auswertung ausreichende Kontrast erreicht wird indem die Periode p so gewählt wird, dass ein Durchmesser δb des Zerstreuungskreises aufgrund der unscharfen Abbildung des Gitterbildes mit dem Aperturkegel (12) im Abstand d, vorzugsweise etwa einer halben Periode entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für nicht ebene Objekte das Verfahren mit einer Schärfentiefeerweiterung kombiniert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass: zunächst eine Höhenkarte z(x, y) des Objektes ermittelt wird; die lokalen Neigungskomponenten an verschiedenen Positionen z₁, z₂, ... z_N des Objekts aufgenommen werden, wobei das Objekt entlang der optischen Achse des Abbildungssystems (z-Achse) in Schritten an die Positionen z₁, z₂, ... z_N bewegt wird, sodass jeder Objektpunkt mindestens einmal nahe der Fokusebene liegt; und jedem Punkt z(x, y) der Höhenkarte die bei dieser Höhe z gemessenen lokalen Neigungskomponenten zugeordnet werden, sodass ein tiefenscharfes Neigungsbild entsteht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass: eine Höhenkarte aufgenommen wird, indem das Gitterbild (7) in die Fokus-Ebene (6a) bei d = 0 abgebildet wird; das Objekt entlang der optischen Achse des Abbildungssystems (z-Achse) in Schritten an die Positionen z₁, z₂, ... z_N bewegt wird, sodass jeder Objektpunkt mindestens einmal nahe der Fokusebene liegt; mit Hilfe eines Phasenshiftverfahrens der Gitterkontrast C für alle Objektpositionen z₁, z₂, ... z_N und in jedem Bildpunkt ermittelt wird; aus dem Verlauf des Gitterkontrastes an den Positionen z₁, z₂, ... z_N durch Interpolation für jeden Bildpunkt der Ort z(x, y) mit dem maximalen Gitterkontrast bestimmt wird; und dieser Ort z(x, y) die Form der Objektoberfläche oder Höhenkarte repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittweite der z-Positionen z₁, z₂, ... z_N und die Gitterperiode p so angepasst werden, sodass mindestens drei Positionen z_i, z_i+1, z_i+2 innerhalb der Halbwertsbreite der Kontrastfunktion C(z_i) liegen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefenscharfen Neigungsdaten an jedem Ort x, y der Objektoberfläche so intensitätscodiert dargestellt werden, dass ein zweidimensionales Bild entsteht, ähnlich den Bildern, die mit dem Raster-Elektronenmikroskop aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenkarte räumlich pseudo-dreidimensional dargestellt wird und in jedem Oberflächenpunkt z(x, y) die örtliche Neigung intensitätscodiert dargestellt wird, sodass eine am Bildschirm drehbare Höhenkarte mit Neigungscodierung entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung mit der Gitterabbildung so angeordnet wird, dass Objekte in Transmission vermessen werden.
Vorrichtung zur hochauflösenden deflektometrischen Erfassung der örtlichen Neigung und der dreidimensionalen Form eines Objektes, bestehend aus: einem mikroskopischen Abbildungssystem (5, 4, 8) mit einer numerischen Apertur (sin u), einer Fokusebene (6a) und einer Empfängereinheit (9, 10); einem Beleuchtungssystem (1, 3, 4, 13, 13a) mit einem Gittergenerator 1, der ein Sinusgitter 2 erzeugt, und einer Steuer- und Auswerteeinheit (11); wobei das Abbildungssystems einen Objektraum hat in dem sich das Objekt (6) befindet; wobei das Beleuchtungssystem gemeinsam mit dem Abbildungssystem eine Reihe von Gitterbildern (7) in der Form von Luftbildern im Objektraum in einem Abstand d von der Fokusebene des mikroskopischen Abbildungssystems erzeugt; wobei das Abbildungssystem das Objekt und gleichzeitig das sich im Objekt jeweils spiegelnde, oder durch das Objekt transmittierte Gitterbild als moduliertes Bild auf die Empfängereinheit (9, 10) abbildet; und wobei die Auswerteeinheit aus der Reihe der modulierten Bilder die lokalen Neigungskomponenten der Objektoberfläche bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem (13) die Gitterabbildung über einen Teiler koaxial in den Strahlengang der Abbildungseinrichtung für Auflichtabbildung einspiegelt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem (13a) die Gitterabbildung für Durchlichtabbildung in Transmission bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem mit einer Steuerung versehen ist, die die Gitterbilder mit einer einstellbaren Periode p an einem wählbaren Ort im Abstand d von der Fokusebene (6a) abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Gittergenerator, der eine Reihe phasenverschobener Gitterbilder in zwei Richtungen x und y erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Verschiebeeinrichtung (14), die das Objekt entlang der optischen Achse der Beobachtung gesteuert in wählbaren Schritten verschieben kann, wobei die Beleuchtungseinrichtung synchronisiert mit diesen Schritten die Reihe von Gitterbildern erzeugt, und wobei die Aufnahmeeinheit und die Speichereinheit die modulierten Bilder aufnehmen und auswerten können.