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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Abtastung und Profilometrie nach dem Lichtschnittverfahren gemäß Patentanspruch 1. Die optische Vermessung von Oberflächeneigenschaften im Mikro- und Makrobereich wird industriell bereits vielfältig genutzt. Zum Überblick und zur Abgrenzung sollen die dabei häufig genutzten Verfahren genannt werden: Konfokale Mikroskopie mit Flächenabtastung, chromatische konfokale Punktsensoren, Phasenschritt-Interferometrie, Weißlichtinterferometrie (WLI), Streifenprojektion sowie Lichtschnitt-Verfahren.
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Bei der flächigen konfokalen Abtastung sowie der Weißlichtinterferometrie wird für Beleuchtung und Detektion nur ein einzelnes Objektiv verwendet. Die Tiefeninformation wird hier durch axiales Scanning (Fokus-Scan) aufgezeichnet. Die chromatische Konfokal-Mikroskopie arbeitet in Echtzeit und erhält die Höheninformation durch Ausnutzung der axialen chromatischen Aberrationen des Objektivs.
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Die Streifenprojektion und das Lichtschnitt-Verfahren haben Gemeinsamkeiten. Beide nutzen getrennte optische Systeme für Beleuchtung und Detektion, welche einen Winkel miteinander einschließen. Die Streifenprojektion liefert hier flächige Daten während der Lichtschnitt nur Höheninformationen entlang der beleuchteten Linie liefert.
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Das Lichtschnitt-Verfahren, oft auch als Laser-Lichtschnitt bezeichnet, ist seit mehreren Jahren im industriellen Einsatz. Zu den Vorteilen zählen hohe Geschwindigkeit, großes Messvolumen und relativ große Arbeitsabstände (je nach Konfiguration).
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Eine typische diesbezügliche Anordnung ist 1 entsprechend dem Stand der Technik gezeigt (Quelle: Wikipedia-Artikel Lichtschnitt, Autor: K. Willms). In 1 ist die Laser-Lichtquelle sowie eine Optik zur Erzeugung der Linienprojektion (schematisch dargestellte Zylinderlinse) erkennbar. Eine zweite Optik bildet die Linienbeleuchtung auf einen Detektor ab.
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Entscheidend ist hierbei, dass die Optik für die Projektion der Linie und die Optik zur Abbildung auf den Detektor unter verschiedenen Winkeln auf das Objekt bzw. Werkstück gerichtet sind und den sogenannten Parallaxenwinkel einschließen. Dadurch ergibt sich für einen Höhenunterschied im Objekt (im Falle der 1 eine Stufe) ein Versatz der abgebildeten Schnittlinie auf dem Detektor. Dieser wird ausgewertet und somit der Höhenunterschied ermittelt. Die Umrechnung des seitlichen Versatzes in einen Höhenunterschied erfordert im Allgemeinen eine Kalibrierung des Systems. Die Umrechnung der Roh-Daten des Detektors in die Höhendaten kann analog den bekannten Prozeduren bei Laser-Lichtschnitt Verfahren entsprechend dem Stand der Technik ausgeführt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Prinzip des Lichtschnittes auch für kleine und mikroskopische Objekte und Objektfelder mit hoher Auflösung durch eine zu schaffende Anordnung nutzbar zu machen.
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Die Lösung der Aufgabeerfolgt durch die Lehre der Patentansprüche.
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Durch die erfindungsgemäße doppelte Nutzung eines einzigen Objektivs auf getrennten optischen Pfaden sowohl für Projektion der Beleuchtungslinie(n) als auch für Detektion des vom Objekt zurückkommenden Lichtes können sehr einfache Aufbauten realisiert werden.
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Die Integration einer solchen Anordnung in ein bestehendes Mikroskop-System wird ebenfalls anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Somit können klassische Mikroskope, die vorrangig der Beobachtung kleiner Objekte dienen, zusätzlich auch quantitative Daten zur Höhenstruktur des Objektes liefern. Als Lichtquelle kommen sowohl Laser als auch LED-Beleuchtungen in Frage, je nach Erfordernis der Anwendung.
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Bei Nutzung von LED-Beleuchtung wird ein Ausführungsbeispiel erläutert, welches neben der Projektion von Linien auch die ganzflächige Beleuchtung des Objektes ermöglicht. Somit kann die vorgeschlagene Anordnung gleichzeitig zur übersichtsmäßigen Abbildung und Inspektion einer größeren Fläche genutzt werden.
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Weitere Ausführungsbeispiele und die Unteransprüche betreffen die Nutzung mehrerer Linien und damit die zeitparallele Höhenvermessung des Objektes an mehreren, über eine Fläche verteilten Orten. Ein zusätzlicher Aspekt betrifft das Scannen des Objektes mit einem oder mehreren Linienschnitten. Dadurch kann die Oberflächengestalt einer gesamten Fläche in einem Scan abgetastet werden.
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Im Folgenden werden die Anordnung und das Prinzip der vorliegenden Erfindung anhand von Figuren und Beispielen beschrieben. Zum Vergleich wird zuerst in 2 das klassische Linienschnitt-Verfahren mit seinen Funktionselementen entsprechend dem Stand der Technik betrachtet.
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Auf das Objekt (1) wird über den Beleuchtungsstrahlengang (3) eine Linie (5) projiziert. Der Beleuchtungsstrahlengang (3) verläuft von der Beleuchtungseinheit (21) entlang der optischen Achse (7) des Beleuchtungsstrahlengangs durch die Beleuchtungsoptik (15) auf das Objekt (1). Die projizierte Linie (5) steht dabei senkrecht zur Papierebene und ist in 2 als Punkt dargestellt.
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Der Beleuchtungsstrahlengang (3) hat die optische Achse (7), der Abbildungsstrahlengang (9) verläuft vom Objekt (1) durch die Abbildungsoptik (17) und hat die optische Achse (11). Voraussetzung für die Gewinnung von Höhendaten ist der Parallaxenwinkel (13), welcher die optischen Achsen (7) und (11) des Beleuchtungsstrahlengangs (3) und des Abbildungsstrahlengangs (9) miteinander einschließt.
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Die Abbildungsoptik (17) bildet die im Objekt (1) vorliegende Lichtverteilung, welche durch Reflexion und/oder Streuung des Beleuchtungslichtes im Objekt entsteht, auf einen ortsauflösenden Detektor (19) ab. Die Beleuchtungsverteilung in der Probe (Linienbeleuchtung) wird durch die Beleuchtungseinheit (21) generiert und enthält in einer typischen Konfiguration entsprechend dem Stand der Technik einen Laser.
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Möchte man die Anordnung nach 2 verkleinern und für Mikro-Objekte nutzen, so ergeben sich bautechnische Probleme, da die Optiken (15) und (17) in 2 immer näher zusammenrücken müssten.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass eine einzige Optik doppelt, auf Pfaden sowohl für die Beleuchtung (Projektion) als auch die Detektion (Abbildung des Objektes auf einen Detektor) genutzt wird, wobei die optischen Achsen (7) und (11) dieser Pfade den Parallaxenwinkel (13) einschließen.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung schematisch dargestellt. Zentrales Element ist das Objektiv (23). Es kann sich beim Objektiv um eine einzelne Linse oder ein System aus mehreren Abbildungselementen handeln. Das Objektiv (23) wird durch geeignete und näher beschriebene Mittel in zwei Pfade jeweils für Beleuchtung und Abbildung unterteilt. Die Pupillenebene (25) des Objektivs (23) ist in 3 ebenfalls eingezeichnet. Die Nutzung eines telezentrischen Objektivs (23) ist für viele Anwendungen vorteilhaft. Der Beleuchtungsstrahlengang (3) sowie der Abbildungsstrahlengang (9) verlaufen durch die Pupillenebene (25) an zwei separaten Orten. Die optische Achse (27) des Objektivs (23) kann hierbei mit der optischen Achse (7) des Beleuchtungsstrahlengangs (3) oder der optischen Achse (11) des Abbildungsstrahlengangs (9) zusammenfallen. Die geometrische Konfiguration sowie auch der Parallaxenwinkel (13) können nach den Erfordernissen des Objektes (1) konfiguriert werden. Die optischen Achsen für Beleuchtung und Abbildung durchstoßen die Pupillenebene (25) des Objektivs an verschiedenen Orten, wodurch eine Neigung der beteiligten Strahlenbündel und entsprechend der Parallaxenwinkel (13) im Objektraum ermöglicht wird. Entsprechend dem in 1 dargestellten Grundprinzips des Lichtschnittverfahrens resultiert die Änderung der Höhe des Objektes (1) in einem lateralen Versatz auf dem Detektor. Dieser wird ausgewertet und somit auf die Objekthöhe bzw. Stufenhöhen geschlossen. Die exakte Umrechnung des lateralen Versatzes in der Detektorebene in Höhendaten erfordert im Allgemeinen eine Kalibration.
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Die von der Beleuchtungseinheit (21) in die Probe projizierten Lichtverteilungen können die Gestalt einer einzelnen Linie, mehrerer Linien oder auch von Punktrastern haben. Beispiele zu Lichtverteilungen sowie Ausführungsbeispiele zur Beleuchtungseinheit (21) werden weiter unten gegeben. Die Beleuchtungseinheit enthält als Lichtquelle einen Laser oder vorzugsweise eine LED. Die Beleuchtungseinheit (21) wird elektronisch gesteuert und kann das Objekt kontinuierlich oder auch stroboskopisch beleuchten. Bei stroboskopischer Beleuchtung wird die Beleuchtungseinheit mit dem Detektor (19) synchronisiert.
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Die Optikpfade können dabei durch Spiegel platzsparend gefaltet werden. Die 3 ist im Interesse der Klarheit eine vereinfachte Darstellung, an der Abbildung und/oder Beleuchtung können weitere optische Elemente beteiligt sein.
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Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung ist die Integration in existierende Mikroskop-Systeme. Zum Überblick sind die relevanten Komponenten im Optikstrang eines typischen Mikroskops in der Seitenansicht in 4 dargestellt. Die Anordnung enthält Objektiv (23) sowie Tubuslinse (29). Die optische Achse (27) des Objektivs ist auch gleichzeitig die optische Achse der Tubuslinse (29). Ein reelles Bild des Objektes entsteht in der Zwischenbildebene (33), welche optisch konjugiert zum Objekt ist. Moderne Mikroskope verwenden einen Unendlich-Strahlengang, d. h. die Strahlenbündel der Abbildung sind zwischen Objektiv und Tubuslinse näherungsweise kollimiert. Die Pupillenebene (25) des Objektivs (23) befindet sich bei typischen Mikroskop-Objektiven axial in der Nähe des Objektiv-Gewindes oder leicht darunter. Herkömmliche kommerzielle Mikroskope können darüber hinaus mit einem Koppelport (31) konfiguriert werden, welcher Zubehörteile wie Kameras aufnehmen kann. Die optische Achse der Auflichtbeleuchtung (35) verläuft durch die Aperturblendenebene (37) der Beleuchtung sowie die Ebene der Leuchtfeldblende (39) und ist an die optische Achse des Objektivs (27) über einen halbdurchlässigen Teilerspiegel (41) gekoppelt. Die Aperturblendenebene (37) der Beleuchtung ist optisch konjugiert zur Pupillenebene (25) des Objektivs. Die Ebene der Leuchtfeldblende (39) ist optisch konjugiert zur Zwischenbildebene (33).
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Die erfindungsgemäße Integration einer Anordnung in ein Mikroskop-System soll nun im Folgenden anhand eines ersten Ausführungsbeispiels wie in 7 dargestellt erläutert werden.
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Das in 4 schematisch dargestellte Mikroskop wird erfindungsgemäß zur Realisierung des Verfahrens zur optischen Oberflächenabtastung modifiziert, sodass sich zwei Strahlengänge (3) und (9) ergeben, welche im Objektraum zusammen den Parallaxenwinkel (13) einschließen. Zuerst wird, wie in 5 ersichtlich, in der Pupillenebene (25) des Objektivs oder axial in der Nähe zur Pupillenebene (25) eine Blende (43) angeordnet. Die Blende (43) kann auch in einer zur Pupillenebene (25) des Objektivs optisch konjugierten Ebene angeordnet sein. Ein Beispiel für die Form der Blende (43) ist in 6 ersichtlich. Hier sind die Öffnung (45) für den Beleuchtungsstrahlengang (3), die Öffnung (47) für den Abbildungsstrahlengang (9) sowie im Querschnitt die optischen Achsen des Beleuchtungsstrahlengangs (7), des Abbildungsstrahlengangs (11) und die optische Achse des Objektivs (27) eingezeichnet.
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In einem weiteren Schritt wird, wie aus 7 ersichtlich, neben der hinzugefügten Blende (43) am Mikroskop über den Koppelport (31) eine Funktionseinheit (49) angedockt, welche die Beleuchtungseinheit (21) sowie den Detektor (19) beherbergt. Zur vereinfachten Darstellung sind nur das Objektiv (23) der Mikroskopanordnung sowie die Tubuslinse (29) eingezeichnet (vergleiche auch 4). Der Beleuchtungsstrahlengang (3), ausgehend von der Beleuchtungseinheit (21), passiert die Tubuslinse (29), danach die Blende (43) in oder in der Nähe der Pupillenebene (25) des Objektives (23), wodurch eine Lichtverteilung im Objekt (1) erzielt wird. Über den Abbildungs-Strahlengang (9) mit der optischen Achse (11) wird nun die im Objekt (1) entstandene Lichtverteilung durch Objektiv (23) und Blende (43) sowie die Tubuslinse (29) auf den ortsauflösenden Detektor (19) abgebildet. Der Spiegel (51) ändert die Richtung der optischen Achse (7) des Beleuchtungsstrahlengangs.
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Erfindungsgemäß werden dem Detektor (19) die Strahlenbündel zugeführt, welche vom Objekt aus gesehen durch die Öffnung (47) der Blende (43) für den Abbildungsstrahlengang (9) geleitet worden sind. Zur Umsetzung dieser Anforderung können statt des Spiegels (51) auch Anordnungen aus halbdurchlässigen Teilerspiegeln, Blenden oder Spiegeln verwendet werden. Erfindungsgemäß erreichen nur die Strahlenbündel von der Beleuchtungseinheit (21) das Objekt (1), welche durch die Öffnung (45) der Blende (43) passiert haben. Die Positionen der Beleuchtungseinheit (21) sowie des Detektors (19) können ausgetauscht werden.
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Die gleiche Anordnung wie in 7 dargestellt kann auch separat als kompaktes Modul zur Profilometrie kleiner Objekte realisiert werden. Für diese Variante entfällt der Koppelport (31) und die in 7 dargestellten Komponenten werden in ein einziges Modul Integriert. Die Auswertung der Rohdaten kann durch einen separaten, per Datenverbindung angeschlossenen Computer oder im System integrierte (embedded) Prozessoren erfolgen. Für beschleunigte Rechenoperationen isxdt die Integration von Signalprozessoren, DSP's oder FPGA-Lösungen in ein kompaktes Gerät vorteilhaft.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel soll für die Integration der erfindungsgemäßen Lösung in ein herkömmliches kommerzielles Mikroskop gegeben werden. Zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung sind separate Optikpfade sowohl für die Beleuchtung als auch für die Abbildung notwendig. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Anordnung offenbart, welche die optische Achse der Auflichbeleuchtung (35) des Mikroskops nutzt (vgl. 4).
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In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Mikroskop-Integration dargestellt. Für eine verbesserte Übersichtlichkeit wurden nicht alle in 4 bezeichneten Komponenten erneut dargestellt. Die Beleuchtungseinheit (21) ist an die optische Achse der Auflichtbeleuchtung (35) gekoppelt. Eine Blende (53) ist in der Aperturblendenebene (37) der Auflichtachse installiert. Die Ebene (37) ist dabei optisch konjugiert zur Pupillenebene (25) des Objektivs (23).
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Ein Beispiel für die Gestaltung der Blende (53) in Ebene (37) ist in 9 dargestellt. Die Blendenöffnung (45) erlaubt das Passieren des Beleuchtungsstrahlenbündels, die optische Achse (7) des Beleuchtungsstrahlengangs sowie die optische Achse des Objektivs (27) sind ebenfalls eingezeichnet. Ein Funktionsmodul (55), welches den Detektor und die Blende (57) enthält, ist über den Koppelport (31) des Mikroskops angedockt. Die Blende (57) ist dabei axial in der Nähe des Koppelports (31) lokalisiert. Als Alternative zur Positionierung der Blende (57) im Funktionsmodul (55) kann diese auch außerhalb in einer alternativen Ebene (59) in der Nähe der Tubuslinse integriert werden.
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Ein Beispiel für die Gestaltung der Blende (57) ist in 10 dargestellt. Die Öffnung (47) erlaubt das Passieren der Strahlenbündel des Abbildungsstrahlengangs. 10 zeigt ebenfalls die optische Achse (11) des Abbildungsstrahlengangs sowie die optische Achse (27) des Objektivs. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Achsen (27) und (11) oder die Achsen (27) und (7) zusammenfallen können. Die Durchmesser der Blendenöffnungen können an die Erfordernisse angepasst werden und bestimmen den axialen Arbeitsbereich der Anordnung.
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Als weiteres Anwendungsbeispiel wird nun der Aufbau eines kompakten Sensormoduls offenbart, wie in 11 dargestellt. Im Vergleich zur Integration im Mikroskopsystem wird die Funktion der Tubusoptik nicht von einer einzelnen Linse (29) ausgeführt und die Strahlengänge (3) und (9) für Beleuchtung bzw. Abbildung werden bereits nach dem Objektiv (23) getrennt. Die Blende (43) kann durch entsprechende Gestaltung der Umlenkspiegel (61) ersetzt werden.
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Im Folgenden soll die Beleuchtungseinheit (21) näher beschrieben werden. Die in die Probe projizierte Lichtverteilung kann zum Beispiel durch ein Mikrodisplay (z. B. DMD Technologie oder LCD) erzeugt werden. Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung ist die Nutzung einer Maskenstruktur (65), welche in einer zum Objekt (1) optisch konjugierten Ebene angeordnet ist. Dies kann die Zwischenbildebene (33) oder auch die Ebene der Leuchtfeldblende (39) sein. In einer typischen Ausgestaltung (siehe 12) wird die Maske (65) durch eine LED (67) mit Kollimationsoptik (69) beleuchtet. Hier ist die Spaltöffnung (71) sichtbar.
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Im Folgenden wird eine Ausgestaltung der Beleuchtungseinheit offenbart, welche das flächige Abtasten einer Oberfläche in einem Scan-Vorgang ermöglicht. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Beleuchtungseinheit (21) wie in 13 dargestellt hat die Maske (65) mehrere Spaltöffnungen (71), welche parallel angeordnet sind und weniger als 20 Prozent der Fläche der Maske (65) abdecken (weniger als 20 Prozent der Maske transmittieren Licht). Der dargestellte Abstand (73) zwischen den einzelnen Spaltöffnungen (71) ist äquidistant. Die Beleuchtungseinheit (21) ist weiterhin mit einem Aktuator (75) ausgestattet, welcher die Maske linear mit einer Bewegungskomponente senkrecht zur Ausrichtung der Spaltöffnungen (71) (n der Zeichenebene) elektronisch gesteuert bewegt.
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Während eines Scan-Vorgangs einer Oberfläche wird der Aktuator (75) kontinuierlich oder schrittweise bewegt. Die am Detektor registrierten Daten über die Lichtverteilung im Objekt ermöglichen die Berechnung eines Profilschnittes jeweils für jede Linie, repräsentiert durch die jeweilige Spaltöffnung (71). Werden in einem Scan-Vorgang die Maske (65) um den Abstand (73) bewegt und synchronisiert Daten vom Detektor aufgezeichnet, können somit Höhenprofildaten der gesamten Fläche gewonnen werden. Weiterhin kann der Aktuator (75) die Maske durch eine Bewegung mit größerem Hub komplett aus dem Strahlengang entfernen und somit das Objekt ohne überlagerte Beleuchtungsstruktur vollständig beleuchten. Dies ist für Zwecke der Navigation in der Probe nützlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Wikipedia-Artikel Lichtschnitt, Autor: K. Willms [0005]
