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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fokussierung bzw. Ermittlung und/oder Optimierung einer Fokuseinstellung in einer optischen Anordnung sowie eine entsprechende Vorrichtung hierfür in einer optischen Anordnung.
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STAND DER TECHNIK
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Bei optischen Anordnungen zur Abbildung eines Objekts in einer Objektebene in eine Abbildung in einer Bildebene ist es erforderlich die optische Anordnung zu fokussieren, um in der Bildebene eine scharfe Abbildung zu erhalten. Dies gilt auch für optische Anordnungen, wie Vermessungseinrichtungen für Strukturen auf Photomasken, bei denen es erforderlich ist, dass die der Messung zu Grunde liegende Abbildung in einer definierten Lage in Bezug auf den optimalen Fokus liegt, um korrekte Messungen durchführen zu können.
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Ein übliches Verfahren für das Fokussieren einer derartigen optischen Anordnung ist die Aufnahme mehrere Bilder in verschiedenen Fokuslagen, um dann daraus eine optimale Fokuseinstellung für die optische Anordnung zu ermitteln. Hierzu dienen beispielweise verschiedenen Algorithmen, mit denen Parameter für die Abbildungsschärfe, wie beispielsweise der Kontrast oder die Kantensteilheit von Strukturen, bestimmt werden können. Beispielweise kann ein Kontrast – Algorithmus unter Berücksichtigung der Kantensteilheit von Strukturen Verwendung finden, um eine Einschätzung und Bewertung der Fokuslage vornehmen zu können.
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Allerdings benötigt das Fokussieren nach diesem Verfahren durch die Aufnahme mehrere Bilder in verschiedenen Fokuslagen eine relativ große Zeitdauer, weil zur Verstellung der Fokuslage optische Elemente bewegt und mehrere Bilder aufgenommen, gespeichert und verarbeitet werden müssen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Fokussierung einer optischen Anordnung bzw. eine entsprechende optische Anordnung bzw. ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Optimierung einer Fokuseinstellung in einer optischen Anordnung bereit zustellen, welches schneller und mit geringerem Aufwand als im Stand der Technik durchgeführt werden kann. Gleichzeitig soll jedoch weiterhin die Qualität der Fokuseinstellung hoch sein. Ferner soll auch der apparative Aufwand gering gehalten werden.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer optischen Anordnung mit dem Merkmal des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, dass die zeitaufwändige Aufnahme mehrerer Abbildungen in verschiedenen Fokuslagen zum Fokussieren einer optischen Anordnung durch eine einzige Aufnahme einer Abbildung ersetzt werden kann, wenn in der entsprechenden Abbildung gleichzeitig mehrere Fokusebenen aufgenommen werden können. Dadurch wird der Aufwand für die Erstellung mehrerer Abbildungen vermieden. Dies ist möglich, wenn ein Fokusmanipulator in den Strahlengang der optischen Anordnung eingebracht wird, der in unterschiedlichen Abbildungsbereichen einer Abbildung der optischen Anordnung unterschiedliche Fokuslagen erzeugen kann. Damit sind die Abbildungen bei unterschiedlichen Fokuslagen gemäß dem Stand der Technik nunmehr nach der Erfindung in einer Abbildung integriert und die Bestimmung der Abbildungsschärfe bei den unterschiedlichen Fokuslagen zur Bestimmung der optimalen Fokuseinstellung kann in den verschiedenen Bereichen einer einzigen Abbildung durchgeführt werden. So kann in den mehreren Abbildungsbereichen der einzelnen Abbildung, vorzugsweise in jedem Abbildungsbereich ein Parameter zur Bestimmung der Abbildungsschärfe bestimmt werden. Damit ist es in gleicher Weise wie bei der Aufnahme mehrerer Abbildungen mit unterschiedlichen Fokuslagen möglich, die aktuelle Fokuslage in Bezug auf eine optimale Fokuslage zu bestimmen.
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Die unterschiedlichen Fokuslagen in den Abbildungsbereichen in der einzigen zu erzeugenden Abbildung kann durch eine Stufenplatte erzeugt werden, die in dem Strahlengang der optischen Anordnung angeordnet wird und in Richtung des Strahlengangs der optischen Anordnung unterschiedlich dicke Bereiche (Stufenbereiche) aufweist, die vom Arbeitslicht der optischen Anordnung durchstrahlt werden. Die Stufenplatte, die an sich als planparallele, für das Arbeitslicht der optischen Anordnung transparente Platte ausgebildet ist, bewirkt in den einzelnen Stufenbereichen, die eine unterschiedliche Dicke aufweisen, eine unterschiedliche Änderung der Fokuslage, so dass in den den Stufenbereichen entsprechenden Abbildungsbereichen der Abbildung unterschiedliche Fokuslagen vorliegen.
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Die Stufenplatte kann in einer Feldebene oder in der Nähe zu einer Feldebene in der optischen Anordnung angeordnet werden, so dass die verschiedenen Stufenbereiche der Stufenplatte in die unterschiedlichen Abbildungsbereiche der Abbildung abgebildet werden.
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Da das Einbringen einer planparallelen Platte bzw. einer Stufenplatte in den Strahlengang einer optischen Anordnung die Fokuslage in einer bestimmten Richtung verschiebt, kann es zur Bestimmung der tatsächlichen Fokuslage zu der optimalen Fokuslage bzw. der Einstellung der optimalen Fokuslage vorteilhaft sein, wenn die anfängliche Fokuseinstellung der optischen Anordnung so verändert wird, dass sie einer erwarteten Fokussierung eines Abbildungsbereichs entspricht. Entsprechend kann also die Fokuseinstellung so verändert werden, dass die Verschiebung der Fokuslage durch das Einbringen eines entsprechenden Stufenbereichs der Stufenplatte kompensiert wird. Üblicherweise kann dies ein Stufenbereich der Stufenplatte sein, der eine mittlere Dicke aufweist, so dass Fokuslagen mit einer Überfokussierung und einer Unterfokussierung in anderen Abbildungsbereichen, die Stufenbereichen mit größerer Dicke oder kleinerer Dicke entsprechen, erzeugt werden und für die Bestimmung der aktuellen Fokuseinstellung bzw. der Ermittlung einer optimalen Fokuseinstellung Verwendung finden können.
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Alternativ kann auch einfach eine Defokussierung um einen vorbestimmten Wert gegenüber eine angenommenen optimalen Fokuseinstellung der optischen Anordnung vorgenommen werden, die nicht auf eine bestimmten Bereich der Stufenplatte abgestimmt ist, sondern generell der Defokussierung durch einen Stufenplatte entgegen wirkt. Damit kann jedenfalls sicher gestellt werden, dass möglichst intra- und extrafokale Positionen, d. h. überfokussierte und unterfokussierte Lagen bei der Bestimmung der optimalen Fokuslage mit verwendet werden können.
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Aus einer Abbildung, die unterschiedliche Abbildungsbereiche mit verschiedenen Fokuslagen aufweist, kann zu jedem Abbildungsbereich mindestens ein Parameter zur Bestimmung der Abbildungsschärfe ermittelt werden, wobei beispielweise als Parameter zur Bestimmung der Abbildungsschärfe der Kontrast oder die Kantensteilheit von abgebildeten Strukturen verwendet werden können.
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Die so ermittelten Parameter können in Bezug gesetzt werden zu den Fokuslagen der jeweiligen Abbildungsbereiche, so dass für die verschiedenen Abbildungsbereiche eine Reihe an Beziehungen zwischen den Parametern der Abbildungsschärfe im jeweiligen Abbildungsbereich mit der Fokuslage des jeweiligen Abbildungsbereichs erzeugt werden können. Diese Reihe von Beziehungen kann interpoliert werden, um eine Fokuskurve zu erhalten, und zur Bestimmung der aktuellen Fokuslage in Bezug auf eine optimale Fokuslage verwendet werden.
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Entsprechend kann das vorliegende Verfahren verschiedene Schritte vorsehen.
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Zunächst kann in einem ersten Schritt der optische Strahlengang der optischen Anordnung so verändert werden, dass in verschiedenen Abbildungsbereichen eine unterschiedliche Fokuslage vorliegt. Entsprechend kann ein Fokusmanipulator, wie beispielsweise eine Stufenplatte in den Strahlengang eingeführt werden.
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In einen zweiten Schritt, kann die Fokuseinstellung so gewählt werden, dass nach der Veränderung des Strahlengangs im vorangegangenen Schritt mindestens ein Abbildungsbereich fokussiert ist oder dass gegenüber einer optimal angenommenen Fokussierung der optischen Anordnung eine bestimmte Defokussierung zu Kompensation des eingefügten Fokusmanipulators vorgenommen wird.
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Dann kann in einem dritten Schritt eine entsprechende Abbildung aufgenommen werden, die unterschiedliche Abbildungsbereiche aufweist.
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Im folgenden vierten Schritt kann mindestens ein Parameter der Abbildungsschärfe für jeden Abbildungsbereich bestimmt werden.
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Im fünften Schritt werden die ermittelten Parameter der Abbildungsschärfe zu der Fokuslage im entsprechenden Abbildungsbereich in Beziehung gesetzt.
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Im nachfolgenden sechsten Schritt kann aus den erstellten Beziehungen zwischen den Parametern der Abbildungsschärfe und der Fokuslage ein Verlauf der Abbildungsschärfe in Abhängigkeit der Fokuslage bestimmt werden, wobei insbesondere eine Interpolation der Messwerte vorgenommen werden kann. Damit kann die optimale Fokuseinstellung identifiziert werden.
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In einen siebten Schritt kann die Fokusmanipulation durch Entfernung des Fokusmanipulators, wie beispielsweise der Stufenplatte, wieder rückgängig gemacht werden.
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Im abschließenden achten Schritt kann die Fokuseinstellung auf die identifizierte optimale Fokuseinstellung eingestellt werden, wobei die im zweiten Schritt vorgenommene Defokussierung rückgängig gemacht wird oder bei der Bestimmung der optimalen Fokuseinstellung berücksichtigt wird.
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Um die Wirkung der Fokuslagenverschiebung der Stufenbereiche der Stufenplatte zu kennen und in dem Verfahren berücksichtigen zu können, kann die Stufenplatte vorab kalibriert werden, indem verschiedene Abbildungen mit unterschiedlichen Fokuseinstellung mit der Stufenplatte aufgenommen werden.
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Eine optische Anordnung zur Abbildung eines Objekts, welche eine Vorrichtung zur Ermittlung und/oder Optimierung einer Fokuseinstellung in der optischen Anordnung insbesondere nach dem vorher beschriebenen Verfahren aufweist, umfasst entsprechend einen Fokusmanipulator, welchen in den Strahlengang der optischen Anordnung eingebracht werden kann, um in unterschiedlichen Abbildungsbereichen verschiedene Fokuslagen zu erzeugen.
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Der Fokusmanipulator, der eine Stufenplatte sein kann, kann eine Vielzahl von Bereichen aufweisen, die sich in ihrer zu durchstrahlenden Dicke unterscheiden und als Stufenbereiche bezeichnet werden, wobei insbesondere jeder Stufenbereich eine andere Dicke aufweisen kann. Allerdings ist es auch denkbar, dass einzelne Stufenbereiche identische Dicken aufweisen.
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Die Geometrie und Anzahl der Stufenbereiche kann in jeder beliebigen Art und Weise gewählt werden. Allerdings führt eine große Zahl von Stufenbereichen zu einer exakteren Fokuskurve und somit zu einer genaueren Bestimmung der optimalen Fokuslage. Die Geometrie der Stufenbereiche kann insbesondere so gewählt werden, dass eine Unterscheidung und Auswertung der Abbildungsbereiche erleichtert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
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1 eine optische Anordnung mit einem Strahlengang, in welcher eine Stufenplatte zur Ermittlung und Optimierung der Fokuseinstellung gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist;
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2 eine perspektivische Darstellung einer Stufenplatte; und in
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3 eine Darstellung einer erzeugten Abbildung mit unterschiedlichen Abbildungsbereichen (oben rechts) auf Grund unterschiedlicher Fokuslagen (oben links) und einem entsprechenden Diagramm einer Fokuskurve (unten rechts).
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Die 1 zeigt eine optische Anordnung 1, mit der ein Objekt 2 in eine Bildebene 3 abgebildet werden kann, in der beispielsweise eine Kamera angeordnet ist, um die Abbildung aufzunehmen. Eine derartige optische Anordnung 1 könnte beispielsweise eine Messeinrichtung für die Vermessung von Strukturen von Photomasken sein.
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Die optische Anordnung 1 weist eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Optimierung der Fokuseinstellung auf, welche eine Stufenplatte 4 umfasst, die in den Strahlengang der optischen Anordnung 1 gebracht werden kann.
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Die Stufenplatte 4 wird in einer Feldebene der optischen Anordnung 1 so angeordnet, dass Sie durch lineare Bewegung oder durch Verschwenken in den Strahlgang eingebracht und aus diesem wieder entfernt werden kann. Zur Ermittlung und/oder Optimierung der Fokuseinstellung wird die Stufenplatte 4 in den Strahlengang eingebracht, während nach Einstellung der optimalen Fokuseinstellung, d. h. nach dem Fokussieren, die Stufenplatte 4 aus der optischen Anordnung 1 wieder entfernt werden kann, so dass die optische Anordnung 1 für ihren eigentlichen Zweck, wie beispielsweise die Vermessung von Photomasken, Verwendung finden kann.
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Die Stufenplatte 4, die in einer ersten Ausführungsform in der 1 und in einer weiteren Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung der 2 dargestellt ist, ist eine für das Arbeitslicht der optischen Anordnung 1 transparente planparallele Platte, die jedoch eine Vielzahl von Stufenbereichen aufweist, die eine unterschiedliche Dicke in durch Strahlungsrichtung besitzen. Durch das Einbringen der Stufenplatte 4 mit unterschiedlich dicken Stufenbereichen 9 in den Strahlengang der optischen Anordnung 1 wird die Fokuslage in der Bildebene 3 verändert, und zwar für jeden Stufenbereich auf Grund der unterschiedlichen Dicke in unterschiedlicher Weise. In der 1 sind die Fokuslagen 5, 6, 7, 8 für die unterschiedlichen Stufenbereiche der Stufenplatte 4 dargestellt.
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Entsprechend ist es möglich durch das Einbringen einer Stufenplatte 4 in den Strahlengang der optischen Anordnung 1 in einer einzigen Abbildung, die zum Beispiel von einer in der Bildebene 3 angeordneten Kamera aufgenommen wird, eine Aufnahme mehrerer Fokusebenen gleichzeitig durchzuführen. Durch die getrennte Auswertung der einzelnen Abbildungsbereiche kann man die aktuelle Fokuslage in Bezug auf den optimalen Fokus bestimmen und die Fokuseinstellung entsprechend optimieren.
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Die 3 zeigt hierzu eine Abbildung einer Gitterstruktur in der Bildebene 3, wie sie aufgenommen werden kann, wenn eine Stufenplatte 4 im Strahlengang der optischen Anordnung 1 angeordnet ist, deren Wirkung auf die Fokussierung in dem linken Diagramm der 3 dargestellt ist. Die Stufenplatte 4 weist insgesamt neun Bereiche 10 bis 18 auf, die von links nach rechts und von oben nach unten durchnummeriert sind. Diesen Stufenbereichen entsprechend in der Abbildung in der Bildebene 3 die Abbildungsbereiche 20 bis 28, die ebenfalls von links nach rechts und von oben nach unten durchnummeriert sind. Durch die unterschiedliche Dicke der Stufenplatte in den Stufenbereichen 10 bis 18 ergeben sich unterschiedliche Fokuslagen für die Abbildung in den Abbildungsbereichen 20 bis 28. Die unterschiedlichen Fokuslagen bewirken eine unterschiedliche Abbildungsschärfe in den Abbildungsbereichen 20 bis 28, so dass durch die Bestimmung der Abbildungsschärfe, beispielsweise über die Bestimmung des Kontrasts oder der Kantensteilheit, eine Information über die Fokussierung erhalten werden kann. So ist in dem unteren Diagramm der 3 der Kontrast über der Fokuslage eingezeichnet, wobei in den Abbildungsbereichen 23, 22 und 27 ein geringer Kontrast gegeben ist, wie ebenfalls den Abbildungsbereichen 21, 25 und 26. Der Kontrast der Abbildungsbereichen 22, 23 und 27 ist im Punkt 30 des Kontrast-Fokus-Diagramms (Fokuskurve) der 3 dargestellt, während der Kontrast der Abbildungsbereiche 21, 25 und 26 im Punkt 32 des Kontrast-Fokus-Diagramms dargestellt ist. Der höchste Kontrast wird in den Abbildungsbereichen 20, 24 und 28 erzielt, wobei deren Werte in Punkt 31 des Kontrast-Fokus-Diagramms dargestellt sind.
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Da die Abbildungsbereiche 20, 24, 28 den Stufenbereichen 10, 14, 18 sowie die Abbildungsbereiche 21, 25, 26 den Stufenbereichen 11, 15, 16 und die Abbildungsbereiche 22, 23, 27 den Stufenbereichen 12, 13, 17 zugeordnet sind, kann aus den den verschiedenen Stufenbereichen 10 bis 18 zugeordneten Fokuslagen und den ermittelten Kontrastwerten in den Abbildungsbereichen 20 bis 28 eine Fokuskurve interpoliert werden, wie sie beispielweise in dem unteren Diagramm der 3 dargestellt ist, bei dem ein Parameter der Bildschärfe, im vorliegenden Fall der Kontrast, über der Fokuslage abgetragen wird. Eine entsprechende Fokuskurve kann für die Bestimmung der optimalen Fokuslage bzw. Fokuseinstellung verwendet werden. Somit kann bestimmt werden, wie weit die aktuelle Fokuseinstellung verändert werden muss, um eine optimale Fokussierung zu erreichen. Hierbei muss auch berücksichtigt werden, dass die zur Ermittlung der aktuellen Fokuslage eingeführte Stufenplatte wieder entfernt werden muss, so dass die optimale Fokuseinstellung um den Betrag der Fokusverschiebung korrigiert werden muss, der durch die Stufenplatte erzeugt wird, bzw. es muss bei der Bestimmung der optimalen Fokuseinstellung dieser Effekt bereits berücksichtigt werden.
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Mit dem vorliegenden Verfahren ist es somit möglich mit einer einzigen Abbildung oder einer geringeren Zahl von Abbildungen eine optimale Fokuseinstellung zur Fokussierung einer optischen Anordnung vorzunehmen, so dass der Aufwand erheblich verringert werden kann.
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Obwohl die vorliegende Erfindung und die Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfinder nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, so dass Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbahrung schließt sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Einzelmerkmale ein.
