DE102014209342A1

DE102014209342A1 - Method for determining geometric data of an object using a measuring microscope and a measuring microscope

Info

Publication number: DE102014209342A1
Application number: DE102014209342.2A
Authority: DE
Inventors: Evangelos Papastathopoulos
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2015-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Geometriedaten eines Objektes (02) mit einem Messmikroskop (01) und ein Messmikroskop. Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß das Erfassen einer ersten optischen Abbildung des Objektes (02) in einer ersten Objektposition; das Erfassen einer zweiten optischen Abbildung des Objektes (02) in einer zweiten Objektposition; Das Erfassen von Positionsdaten (23) der Objektpositionen des Objektes (02) mit einem Bezug zur jeweiligen optischen Abbildung; das Ermitteln eines Gewichtes (W) und eines Massenschwerpunktes (A) des Objektes (02) als Kalibrierdaten (25); das Ermitteln von Bildkoordinaten (22) des Objektes durch Bestimmung von markanten Punkten in den optischen Abbildungen; eine Transformation der Bildkoordinaten (22) in Objektkoordinaten (24) unter Berücksichtigung der Positionsdaten und eine Transformation der Objektkoordinaten (24) in kalibrierte Objektkoordinaten (26) unter Berücksichtigung der Kalibrierdaten (25). Das Messmikroskop umfasst mindestens drei Kraftmesssonden (08), die an der Basis (07) angeordnet sind, zur Ermittlung eines Gewichtes (W) und eines Massenschwerpunktes (A) des Objektes (02) und eine Recheneinheit zur Ermittlung der kalibrierten Objektkoordinaten (26) des Objektes (02) aus den Einzelbildern (21) in verschiedenen Fokuspositionen, dem Gewicht (W) und dem Massenschwerpunkt (A).The invention relates to a method for determining geometric data of an object (02) with a measuring microscope (01) and a measuring microscope. According to the invention, the method comprises detecting a first optical image of the object (02) in a first object position; detecting a second optical image of the object (02) in a second object position; Acquiring position data (23) of the object positions of the object (02) with a reference to the respective optical image; determining a weight (W) and a center of gravity (A) of the object (02) as calibration data (25); determining image coordinates (22) of the object by determining prominent points in the optical images; a transformation of the image coordinates (22) into object coordinates (24) taking into account the position data and a transformation of the object coordinates (24) into calibrated object coordinates (26) taking into account the calibration data (25). The measuring microscope comprises at least three force measuring probes (08), which are arranged on the base (07), for determining a weight (W) and a center of gravity (A) of the object (02) and a computing unit for determining the calibrated object coordinates (26) of Object (02) from the individual images (21) in different focus positions, the weight (W) and the center of mass (A).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von vorzugsweise dreidimensionalen Geometriedaten eines Objektes mit einem Messmikroskop und ein solches Messmikroskop. The invention relates to a method for determining preferably three-dimensional geometry data of an object with a measuring microscope and such a measuring microscope.

Ein Messmikroskop ist dabei ein optisches Mikroskop mit einer Maßstabsdarstellung (im Okular oder auf einem Monitor oder in einem Bildverarbeitungsprogramm) und einem in der Objektebene verschiebbaren Objekttisch mit einem Wegmesssystem. Durch Anvisieren oder Auswählen (manuell oder automatisiert) eines Punktes auf der Oberfläche eines Messobjektes, anschließendes Verfahren des Messobjektes, bis ein zweiter Messpunkt anvisiert oder ausgewählt werden und Ablesen der Verfahrstrecke am Objekttisch ist die Messung von Abständen in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops möglich. A measuring microscope is an optical microscope with a scale representation (in the eyepiece or on a monitor or in an image processing program) and a movable in the object plane stage with a Wegmesssystem. By sighting or selecting (manually or automatically) a point on the surface of a measurement object, then moving the measurement object until a second measurement point is targeted or selected and reading the path on the object table is the measurement of distances in a plane perpendicular to the optical axis of the microscope possible.

Durch Erfassen von Fokuspositionen wird eine dritte Dimension in Richtung der optischen Achse erfasst, welche zur Vermessung herangezogen werden kann. By detecting focus positions, a third dimension in the direction of the optical axis is detected, which can be used for the measurement.

Sowohl manuelle als auch automatisierte Messmikroskope sind bekannt. In automatisierten Messmikroskopen wird das Auge des Bedieners durch einen optoelektronischen Bildwandler (z. B. CCD oder CMOS) ersetzt und die manuelle Anvisierung der Messpunkte erfolgt durch automatische Kantendetektion oder Mustererkennung bestimmter Abbildungsbestandteile. Durch automatisiertes Auslesen der Koordinaten des Positioniersystems und anschließende Datenfusion im Messrechner sind heute selbsttätig ablaufende Messvorgänge programmierbar. Both manual and automated measuring microscopes are known. In automated measuring microscopes, the eye of the operator is replaced by an optoelectronic image converter (eg CCD or CMOS) and the manual aiming of the measuring points is carried out by automatic edge detection or pattern recognition of specific image components. Automated readout of the coordinates of the positioning system and subsequent data fusion in the measuring computer mean that self-running measuring processes can be programmed today.

Aus dem Stand der Technik der 3D-Oberflächenmesstechnik sind Verfahren einer taktil-basierten Erfassung seiner 3D-Geometrie aber auch 3-D-Messmikroskope (vor allem aus dem Bereich der Operationsmikroskope) bekannt. From the state of the art of 3D surface metrology methods of a tactile-based detection of its 3D geometry but also 3-D measuring microscopes (especially in the field of surgical microscopes) are known.

In der US 7,171,320 B2 als Beispiel aus der taktilen Oberflächenmesstechnik wird beschrieben, wie mit Hilfe eines Laserinterferometers die Abweichungen der Scanntischbewegung für Messobjekte mit verschiedenen Gewichten vermessen bzw. kalibriert werden. In the US 7,171,320 B2 As an example from the tactile surface measuring technique it is described how with the help of a laser interferometer the deviations of the scanning table movement for measuring objects with different weights can be measured or calibrated.

Mit Hilfe verschiedener Bildverarbeitungstechniken können dreidimensionale Darstellungen aus sogenannten Stapelbildern erzeugt werden, die mit geringer Tiefenschärfe bei verschiedenen Fokuspositionen aufgenommen werden. Dabei kenn eine Variation der Fokusposition durch eine vertikale Bewegung des Objekttisches oder durch eine Fokussierbewegung des Objektives vorgenommen werden. Aus dem Stapelbildern und den Positionsdaten werden durch bekannte Bildverarbeitungstechniken dreidimensionale Darstellungen bzw. Objektdaten erzeugt. With the aid of various image processing techniques, three-dimensional representations can be generated from so-called batch images, which are recorded with a shallow depth of field at different focus positions. In this case, a variation of the focus position by a vertical movement of the stage or by a focusing movement of the lens are made. Three-dimensional representations or object data are generated from the stack images and the position data by known image processing techniques.

Solche Techniken sind sowohl, für Video- als auch für Standbildaufnahmen bekannt. Such techniques are known both for video and still images.

Eine besondere Herausforderung stellt immer noch die Vermessung von Objekten dar, deren Abmessungen deutlich größer sind, als das optische Messfeld der Mikroskopes. Das Objekt wird mit Hilfe der manuellen oder motorischen Antriebe des Objekttisches verschoben. welche den Scanntisch entlang verschiedener Linear-(z.B. x-y) oder Rotationsachsen führen. In der Regel werden die Antriebe mit s.g. Encodern bestückt, womit die Position des Objekttisches bzw. des Objektes entlang der entsprechenden Bewegungsachsen registriert bzw. vermessen werden kann. A particular challenge is still the measurement of objects whose dimensions are significantly larger than the optical measuring field of the microscope. The object is moved using the manual or motorized drives of the stage. which guide the scanning table along various linear (e.g., x-y) or rotational axes. In general, the drives with s.g. Equipped with encoders, whereby the position of the object table or the object along the corresponding axes of motion can be registered or measured.

Die Geradheit der Bewegung des Objekttisches wird sowohl durch die Planität der Führungslager als auch durch die Deformation von verschiedenen mechanischen Teilen des Objekttisches, sowie durch produktive Toleranzen begrenzt. Diese Abweichungen (z.B. Yaw, Pitch und Roll) können von den Encodern nicht erfasst werden. The straightness of the movement of the object table is limited both by the planarity of the guide bearing and by the deformation of various mechanical parts of the object table, as well as by productive tolerances. These deviations (e.g., yaw, pitch, and roll) can not be detected by the encoders.

Insbesondere bei der Vermessung von dreidimensionalen mikroskopischen Geometrien führen solche Verkippungen zu Ungenauigkeiten, weil bei geringer Tiefenschärfe Kanten beispielsweise nicht mehr eindeutig detektierbar sind. In particular, in the measurement of three-dimensional microscopic geometries such tiltings lead to inaccuracies, because at low depth of focus edges, for example, are no longer clearly detectable.

Wenn ein Bereich des Objektes (ROI = region of interest) vermessen werden soll, der außerhalb des Schwerpunktes des Objektes liegt, können diese Abweichungen die Messgenauigkeit des Messmikroskops stark beeinträchtigen. If an area of the object (ROI = region of interest) is to be measured which is outside the center of gravity of the object, these deviations can greatly impair the measuring accuracy of the measuring microscope.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung von Geometriedaten eines dreidimensionalen Objektes mit einem Messmikroskop und ein solches Messmikroskop zu schaffen, das auch bei Objekten, die größer als das Messfeld des Messmikroskopes sind, sehr genaue mikroskopische Geometriedaten liefert. The invention is therefore based on the object to provide a method for determining geometric data of a three-dimensional object with a measuring microscope and such a measuring microscope, which also provides very accurate microscopic geometry data for objects that are larger than the measuring field of the measuring microscope.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Messmikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs X gelöst. The object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a measuring microscope having the features of claim X.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren werden nachfolgende Schritte durchgeführt. Dabei ist die Reihenfolge prinzipiell unerheblich. In a method according to the invention, the following steps are carried out. The order is irrelevant in principle.

Es wird eine erste optische Abbildung des Objektes erfasst, wobei sich das zu vermessende Objekt in einer ersten Objektposition befindet. A first optical image of the object is detected, wherein the object to be measured is located in a first object position.

Das Objekt wird in eine zweite Objektposition gebracht und eine zweite optische Abbildung erfasst. The object is brought into a second object position and a second optical image is detected.

Die Erfassung von Bilddaten der optischen Abbildungen erfolgt vorzugsweise mittels eines in einer Bildebene angeordneten Bilderfassungsmittels, das beispielsweise einen Bildsensor umfasst. The acquisition of image data of the optical images preferably takes place by means of an image acquisition means arranged in an image plane, which comprises, for example, an image sensor.

Die erste und die zweite Objektposition können dabei verschiedene Fokuspositionen sein, die durch vertikales Bewegen eines Objekttisches des Messmikroskops und/oder vertikales Bewegen einer Optikeinheit eingestellt werden können. The first and the second object position may be different focus positions, which can be adjusted by vertically moving an object table of the measuring microscope and / or vertically moving an optical unit.

Es ist aber ebenso möglich, dass sich die erste und die zweite Objektposition verschiedene Positionen in einer horizontalen Objektebene sind. Dann werden zunächst zweidimenionale Komponenten von Objekten berücksichtigt, die größer als das Messfeld des Messmikroskopes sind. However, it is also possible that the first and second object positions are different positions in a horizontal object plane. Then, two-dimensional components of objects larger than the measuring field of the measuring microscope are considered first.

Es werden zu den Bilddaten jeder optischen Abbildung Positionsdaten der jeweiligen Objektposition ermittelt. Diese können als Metadaten mit der Abbildung gespeichert werden, können aber auch anderweitig zwischengespeichert werden, wenn sie wieder eindeutig jeder optischen Abbildung zuordenbar sind. Position data of the respective object position are determined for the image data of each optical image. These can be stored as metadata with the mapping, but can also be cached elsewhere if they can be clearly assigned to each optical image again.

Weiterhin werden einmalig ein Gewicht und ein Massenschwerpunkt des Objektes als Kalibrierdaten ermittelt. Furthermore, once a weight and a center of mass of the object are determined as calibration data.

Mittels verschiedener bekannter Bildverarbeitungsalgorithmen (z. B. Kantendetektion, Kontrastverfahren, Mustererkennung, ...) werden Bildkoordinaten des Objektes aus den Bilddaten ermittelt. By means of various known image processing algorithms (eg edge detection, contrast method, pattern recognition, etc.), image coordinates of the object are determined from the image data.

Die Bildkoordinaten werden unter Berücksichtigung der Positionsdaten zur optischen Abbildung in Objektkoordinaten transformiert. Diese können je nach Anforderung zwei- oder dreidimensional sein. The image coordinates are transformed taking into account the position data for optical mapping into object coordinates. These can be two- or three-dimensional, depending on the requirements.

Um Geometriedaten (korrigierte Objektkoordinaten) zu erhalten, werden die ermittelten Kalibrierdaten bei einer erneuten Transformation berücksichtigt. In order to obtain geometry data (corrected object coordinates), the determined calibration data are taken into account in a renewed transformation.

Ein erfindungsgemäßes Messmikroskop umfasst einen an einer Basis angeordneten Objekttisch, auf dem das Objekt platzierbar ist. Der Objekttisch ist zumindest in einer horizontalen Ebene verschiebbar. Positionsdaten des Objekttisches sind mittels einer Positionserfassungseinheit erfassbar und speicherbar. A measuring microscope according to the invention comprises an object table arranged on a base on which the object can be placed. The object table is displaceable at least in a horizontal plane. Position data of the object table can be detected and stored by means of a position detection unit.

Die Positionserfassungseinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein kodiertes Zweikoordinaten-Wegmesssystem das in der bekannten Art und Weise aufgebaut ist. The position detection unit is in a preferred embodiment, a coded two-coordinate displacement measuring system which is constructed in the known manner.

Das Messmikroskop umfasst in bekannter Weise eine Optikeinheit zur Abbildung mindestens eines Bereiches des Objektes in einer Bildebene. Die Optikeinheit umfasst dabei zumindest ein Objektiv und kann weitere optische Komponenten, z. B. ein Zoomsystem umfassen. The measuring microscope comprises, in a known manner, an optical unit for imaging at least one area of the object in an image plane. The optical unit comprises at least one lens and can further optical components, eg. B. include a zoom system.

Das Messmikroskop umfasst weiterhin eine Fokuseinstelleinheit zur Einstellung einer Fokusposition der Optikeinheit. Mit der Verwendung verschiedener Fokuspositionen kann das zu vermessende Objekt in verschiedenen Ebenen scharf abgebildet werden, so das eine Rekonstruktion eines dreidimensionalen Modelles anhand der Stapelaufnahmen (Z-stack) möglich ist. Zur Verstellung der Fokusposition ist es bekannt, dass der Fokusabstand durch Höhenverstellung des Objekttisches und/oder durch vertikale Verschiebung der Optikeinheit oder zumindest einer Komponente der Optikeinheit erfolgen kann. The measuring microscope further comprises a Fokuseinstelleinheit for adjusting a focus position of the optical unit. With the use of different focus positions, the object to be measured can be sharply imaged in different planes, so that a reconstruction of a three-dimensional model based on the stack recordings (Z-stack) is possible. For adjusting the focus position, it is known that the focus distance can be effected by height adjustment of the object table and / or by vertical displacement of the optical unit or at least one component of the optical unit.

Ein Bilderfassungsmittel dient zur Erfassung der optischen Abbildung in der Bildebene, welche einer Draufsicht eines Objektfeldes (Region Of Interest = ROI) entspricht. Das Bilderfassungsmittel kann beispielsweise einen in der Bildebene angeordneten Bildsensor (CCD, CMOS) umfassen. An image capture means is used to capture the optical image in the image plane, which corresponds to a plan view of an object field (Region Of Interest = ROI). The image acquisition means may comprise, for example, an image sensor (CCD, CMOS) arranged in the image plane.

Erfindungsgemäß sind an der Basis des Messmikroskopes mindestens drei Kraftmesssensoren vorgesehen, mit Hilfe deren Daten das Gewicht und der Massenschwerpunkt des Objektes als Kalibrierdaten ermittelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden vier Kraftmesssensoren verwendet. According to the invention, at least three force measuring sensors are provided at the base of the measuring microscope, with the aid of whose data the weight and the center of mass of the object are determined as calibration data. In a preferred embodiment, four force sensors are used.

Das Messmikroskop umfasst weiterhin eine Recheneinheit zur Ermittlung der Geometriedaten des Objektes aus den Bilddaten und den Kalibrierdaten. Die Recheneinheit kann dabei zum Beispiel als Bildverarbeitungsprozessor in eine Steuereinheit des Messmikroskopes integriert sein. The measuring microscope further comprises a computing unit for determining the geometry data of the object from the image data and the calibration data. The arithmetic unit can be integrated, for example, as an image processing processor in a control unit of the measuring microscope.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass auf die beschriebene Art und Weise Geometriedaten und ggf. dreidimensionale Modelle eines Objektes unter Berücksichtigung der Masse und des Massenschwerpunktes und damit einhergehenden Messfehlern gewonnen werden können. The advantages of the invention can be seen, in particular, in the fact that geometry data and optionally three-dimensional models of an object can be obtained in the manner described, taking into account the mass and the center of mass and associated measuring errors.

Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Die Positionsdaten können Ebenenpositionsdaten umfassen. Sie werden vorteilhafterweise anhand von Encoderpositionen des Objekttisches erfasst, der als Zwei- oder Dreikoordinatentisch ausgebildet sein kann. The position data may include level position data. They are advantageously detected by means of encoder positions of the object table, which can be designed as a two- or three-coordinate table.

Die Positionsdaten können weiterhin Fokuspositionsdaten umfassen, die eine Höheninformation der abgebildeten Ebene vermitteln. Die Fokuspositionsdaten können anhand von Encoderpositionen des Objekttisches (X-Y-(Z)) und/oder der Optikeinheit (Z) erfasst werden. The position data may further include focus position data conveying height information of the imaged plane. The focus position data can be acquired from encoder positions of the stage (X-Y- (Z)) and / or the optical unit (Z).

Codierte Wegmesssysteme sind dem Fachmann bekannt und können bei dem Messmikroskop auf alle dem Fachmann bekannten Arten ausgeführt sein. Coded position measuring systems are known to the person skilled in the art and can be embodied in the measuring microscope in all manners known to the person skilled in the art.

Bilddaten verschiedener Fokuspositionen werden vorzugsweise in einem sogenannten Bildstapel (Z-Stack) gespeichert oder zwischengespeichert. Image data of different focus positions are preferably stored or buffered in a so-called image stack (Z stack).

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. A preferred embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS.

Es zeigen: Show it:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messmikroskopes. 1 : a schematic representation of a measuring microscope according to the invention.

2: eine schematische Darstellung der Ermittlung des Massenschwerpunktes des Objektes. 2 : a schematic representation of the determination of the center of mass of the object.

3: eine schematische Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 : a schematic representation of the sequence of a method according to the invention.

In 1 wird das Konzept eines erfindungsgemäßen Messmikroskops 01 schematisch dargestellt. Ein Objekt 02 wird auf einem Objekttisch 03 angeordnet. Auf dem Objekttisch 03 ist optional ein Rotationstisch 04 vorgesehen, damit die Orientierung des Objektes auf dem Objekttisch 03 für eine optimale Messung angepasst werden kann. Der Objekttisch 03 kann in einer horizontalen Ebene entlang zweier senkrecht zueinander stehenden Achsen X, Y bewegt werden, während die entsprechende X-, und Y-Koordinaten der Position des Objekttisches 03 mit Hilfe zweier Encoder 06 registriert bzw. gemessen werden. Die Encoder 06 können beispielsweise optische oder magnetische Encoder 06 oder andere geeignete Typen sein. In 1 becomes the concept of a measuring microscope according to the invention 01 shown schematically. An object 02 is on a stage 03 arranged. On the object table 03 is optional a rotary table 04 provided to allow the orientation of the object on the stage 03 can be adjusted for optimal measurement. The stage 03 can be moved in a horizontal plane along two mutually perpendicular axes X, Y, while the corresponding X, and Y coordinates of the position of the stage 03 with the help of two encoders 06 be registered or measured. The encoders 06 For example, optical or magnetic encoders 06 or other suitable types.

Das Messmikroskop 01 ist als Tischgerät (Tabletop) konzipiert und wird auf einer Grundplatte bzw. einer Basis 07 aufgebaut. The measuring microscope 01 is designed as a desktop device (tabletop) and is on a base plate or a base 07 built up.

Das Grundplattenmaterial kann beispielsweise Granitstein oder Aluminium sein. The base plate material may be, for example, granite or aluminum.

An einer unteren Seite der Basis 07 sind in dieser Ausführungsform vier Kraftmesssonden 08 an den vier Ecken der Basis vorzugsweise symmetrisch angeordnet. At a lower side of the base 07 In this embodiment, four force probes 08 preferably arranged symmetrically at the four corners of the base.

Eine Optikeinheit 09 ist mit Hilfe eines Arms 10 an der Basis 07 angeordnet und mit Hilfe eines Linearantriebes 11 zur Einstellung der Fokusposition vertikal verschiebbar. An optical unit 09 is with the help of an arm 10 at the base 07 arranged and with the help of a linear drive 11 for adjusting the focus position vertically displaceable.

Der Linearantrieb 11 ist vorzugsweise motorisiert und kann die Optikeinheit 09 entlang einer Z-Achse manuell oder automatisch positionieren. Der Linearantrieb 11 umfasst einen Encoder (nicht dargestellt) als Positionserfassungsmittel, womit die Z-Position der Optikeinheit 09 registriert wird. Selbstverständlich kann in alternativen Ausführungsformen die Fokuseinstellung auch durch die Bewegung einer Komponente der Optikeinheit 09 erfolgen, die Erfassung der Z-Position muss dann entsprechend angepasst werden. The linear drive 11 is preferably motorized and may be the optical unit 09 Position manually or automatically along a Z-axis. The linear drive 11 includes an encoder (not shown) as a position detecting means, whereby the Z position of the optical unit 09 is registered. Of course, in alternative embodiments, the focus adjustment also by the movement of a component of the optical unit 09 The registration of the Z position must then be adjusted accordingly.

Die Optikeinheit 09 umfasst eine vorzugsweise hochauflösende, bildgebende Einheit, die beispielsweise auf der Basis der Fokusvariationsmethode eine 3D-Aufnahme des Objektes 02 ermöglicht. The optical unit 09 comprises a preferably high-resolution imaging unit, for example, based on the focus variation method, a 3D image of the object 02 allows.

Optional kann weiterhin ein zusätzliches Übersichtsmodul 12 vorhanden sein, welches auf der Basis des Triangulationsverfahrens ein 3D-Übersichtaufnahme des Messobjektes ermöglicht. Dieses Übersichtsmodul 12 hat ein deutlich größeres Messfeld als die Optikeinheit 08 und ermöglicht bzw. erleichtert die Generierung eines 3D-Modells vom Messobjekt. Optionally, an additional overview module can still be provided 12 be present, which on the basis of the triangulation method allows a 3D overview of the measurement object. This overview module 12 has a much larger measuring field than the optical unit 08 and enables or facilitates the generation of a 3D model of the measurement object.

Das 3D-Modell kann zur Erkennung bzw. zur Lokalisierung von wichtigen Merkmalen und von kritischen Dimensionen des Objektes und/oder zu einer nutzerfreundlichen Planung des 3D-Messvorgangs genutzt werden. The 3D model can be used to detect or localize important features and critical dimensions of the object and / or for user-friendly planning of the 3D measurement process.

Weiterhin ist hier ein Zusatzmodul 13 optional vorgesehen, welches eine optomechanische Schnittstelle zur Optikeinheit 08 aufweist. Furthermore, here is an additional module 13 optionally provided, which is an opto-mechanical interface to the optical unit 08 having.

Das Zusatzmodul 13 ist beispielsweise ein konfokaler Scanner, ein OCT-Modul, ein Weißlichtinterferometer oder ein so genannter Through-The-Lens (TTL) Laser. Die Messung mit Hilfe dieses Moduls erfolgt durch das Objektiv der Optikeinheit 09, weshalb sich die oben erwähnte optomechanische Schnittstelle vorzugsweise oberhalb des Objektives bzw. der Austrittspupille des Objektives befindet. The additional module 13 is for example a confocal scanner, an OCT module, a white light interferometer or a so-called through-the-lens (TTL) laser. The measurement with the help of this module takes place through the lens of the optical unit 09 Therefore, the above-mentioned optomechanical interface is preferably located above the objective or the exit pupil of the objective.

In 2 ist ein Grundriss der Basis 07 dargestellt. Anhand dieses Grundrisses soll nachfolgend die Bestimmung der Kalibrierdaten erläutert werden. In 2 is a floor plan of the base 07 shown. Based on this outline, the determination of the calibration data will be explained below.

Wenn das Objekt 02 auf dem Objekttisch 03 platziert wird, wird eine zusätzliche Belastung der Kraftmesssonden 08 wegen des Gewichtes W des Objektes 02 registriert. If the object 02 on the stage 03 is placed, an additional load on the force probes 08 because of the weight W of the object 02 registered.

Wenn W₁, W₂, W₃ und W₄ die dadurch entstehende Messwerte der jeweilige Kraftmesssonden 08 sind, dann gilt: W = W₁ + W₂ + W₃ + W₄ [Gl. 1] If W ₁ , W ₂ , W ₃ and W _4, the resulting measured values of the respective force probes 08 are, then: W = W ₁ + W ₂ + W ₃ + W ₄ [Eq. 1]

Punkt A bezeichnet den Schwerpunkt des Objektes 02. B, C, D und E bezeichnen Referenzpunkte der Kraftmesssonden 08, die vorzugsweise mit den Schwerpunkten der jeweiligen Kraftmesssonden 08 übereinstimmen. Point A indicates the center of gravity of the object 02 , B, C, D and E indicate reference points of the force probes 08 , preferably with the focal points of the respective force probes 08 to match.

Punkt F bezeichnet den geometrischen Mittelpunk einer Aufnahmeplatte des Objekttisches 03. Point F denotes the geometric center of a receiving plate of the object table 03 ,

Punkt E wird in dieser Darstellung als Nullpunkt oder Bezugspunkt für die Ermittlung der Koordinaten in der X-Y Ebene benutzt. Point E is used in this illustration as a zero point or reference point for the determination of the coordinates in the X-Y plane.

Demgemäß werden die Positionen von A, B, C, D, und F in Bezug auf E mit den Vektoren:

jeweils beschrieben. Accordingly, the positions of A, B, C, D, and F with respect to E become the vectors:

each described.

Für diese Vektoren gilt:

For these vectors:

Die Kraftmesssonden 08 bzw. die Punkte B, C, D und E sind so positioniert dass:

The force probes 08 or the points B, C, D and E are positioned so that:

Dabei ergibt sich:

This results in:

sind do ausgewählt, dass sie jeweils parallel zu den X- und Y-Achsen liegen d.h.:

are do selected to be parallel to the X and Y axes, ie:

Dabei ergeben sich folgende Gleichungen für die Koordinaten des Objektsschwerpunktes:

The following equations result for the coordinates of the object's center of gravity:

Zusammenfassend wird hiermit auf der Basis der Gleichungen [Gl. 8] und [Gl. 9] unter Berücksichtigung der Messwerte W₁, W₂, W₃ und W₄ und der Referenzlängen |BE| und |ED| die Position (X, Y) des Objektsschwerpunktes A ermittelt. In summary, on the basis of the equations [Eq. 8] and [Eq. 9] taking into account the measured values W ₁ , W ₂ , W ₃ and W ₄ and the reference lengths | BE | and | ED | the position (X, Y) of the object center of gravity A is determined.

Weiterhin werden die Koordinaten des Objekttischmittelpunktes F direkt oder indirekt von den Messwerten der Encoder 06 ermittelt. Furthermore, the coordinates of the object center point F are directly or indirectly from the measured values of the encoder 06 determined.

Mit dieser Erfindung wird das in der US 7,171,320 B2 für taktile Messung beschriebene Kalibrierverfahren zur Verwendung für optische Messmikroskope erweitert, indem die axialen Fehler: ex, ey, ez und die Rotationsfehler: Roll (εx), Pitch (εy) und Yaw (εz), der Objekttischbewegung sowohl als Funktion des Objektgewichtes W als auch der Schwerpunktposition

gemessen werden und als Kalibrierdaten bei der Berechnung der Geometriedaten berücksichtigt werden. With this invention, in the US 7,171,320 B2 calibration method for use in optical measuring microscopes described for tactile measurement extended by the axial errors: ex, ey, ez and the rotation errors: Roll (εx), Pitch (εy) and Yaw (εz), the object table movement both as a function of the object weight W than also the center of gravity position

be measured and taken into account as calibration data in the calculation of the geometry data.

3 zeigt eine schematische Darstellung des Ablaufs einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von vorzugsweise dreidimensionalen Geometriedaten des Objektes mit einem Messmikroskop. 3 shows a schematic representation of the sequence of a preferred embodiment of a method according to the invention for determining preferably three-dimensional geometry data of the object with a measuring microscope.

In einem ersten Schritt wird eine Stapelaufnahme 20 (Z-Stack) erstellt, welche Einzelbilder 21 umfasst, die an verschiedenen Fokuspositionen Z_i erfasst wurden. Die Einzelbilder 21 umfassen dabei Positionsdaten der zugehörigen Objektposition bzw. eindeutige Verweise zu den Positionsdaten. In a first step is a batch capture 20 (Z-Stack) creates which frames 21 includes, which have been detected at different focus positions Z _i . The single pictures 21 include position data of the associated object position or unique references to the position data.

Aus jedem dieser Einzelbilder 21 werden anhand von Bildverarbeitungs- oder Mustererkennungsprozessen markante Bildpunkte, beispielsweise Kanten, erkannt und daraus zunächst zweidimensionale Bildkoordinaten 22 ermittelt. Die Positionen der Punkte in dieser Punktwolke beziehen sich auf das Koordinatensystem der Bildreihe bzw. der optischen Anordnung des Messmikroskopes. From each of these frames 21 On the basis of image processing or pattern recognition processes, prominent pixels, for example edges, are recognized and from this first two-dimensional image coordinates 22 determined. The positions of the points in this point cloud relate to the coordinate system of the image row or the optical arrangement of the measuring microscope.

Um die Punktwolke auf das Koordinatensystem des Objektes bzw. des Objekttisches umzurechnen, erfolgt eine Kombination mit den zu jedem Bild bekannten Positionsdaten 23 (X, Y, Z). Dabei werden die jeweiligen Messwerte der Encoder 06 vom Objekttisch 03 und vom Linearantrieb 11 mit den Bildkoordinaten in Übereinstimmung gebracht. Es wird eine Punktwolke als Objektkoordinaten 24 generiert, welche die 3D-Geometrie in dem jeweiligen Teilbereich des Objektes 02 darstellt. In order to convert the point cloud to the coordinate system of the object or of the object table, a combination with the position data known for each image takes place 23 (X, Y, Z). The respective measured values of the encoders become 06 from the stage 03 and from the linear drive 11 with the image coordinates brought into agreement. It becomes a point cloud as object coordinates 24 generates the 3D geometry in the respective subarea of the object 02 represents.

Die Berechnung des 3-D-Modells des Objektes selbst geschieht (prinzipiell unabhängig von den Positionsdaten) vorzugsweise auf der Basis des Fokusvariation-Verfahrens durch die rechnerische Auswertung einer Kontrastfunktion der Einzelbilder 21. The calculation of the 3-D model of the object itself occurs (principally independently of the position data) preferably on the basis of the focus variation method by the computational evaluation of a contrast function of the individual images 21 ,

Anschließend oder gleichzeitig mit dem vorher beschrieben Schritt werden, die oben beschriebenen Kalibrierdaten 25 (einschließlich der Messwerte W1, W2, W3, W4 der Kraftmesssonden 08) auf der Basis eines rechnerischen Modells verwendet, um zu kalibrierten Objektkoordinaten 26 zu gelangen. Subsequently or simultaneously with the previously described step, the calibration data described above 25 (including the readings W1, W2, W3, W4 of the force probes 08 ) on the basis of a computational model to calibrated object coordinates 26 to get.

Selbstverständlich kann das oben beschriebene Verfahren auch als Software in das Messmikroskop integriert werden. Of course, the method described above can also be integrated as software in the measuring microscope.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

01 01: Messmikroskop measuring microscope
02 02: Objekt object
03 03: Objekttisch stage
04 04: Rotationstisch rotary table
05 05
06 06: Encoder encoder
07 07: Basis Base
08 08: Kraftmesssonde Power Probe
09 09: Optikeinheit optical unit
10 10: Arm poor
11 11: Linearantrieb linear actuator
12 12: Übersichtsmodul Overview module
13 13: Zusatzmodul additional module
20 20: Stapelaufnahme batch Capture
21 21: Einzelbild frame
22 22: Bildkoordinaten image coordinates
23 23: Positionsdaten position data
24 24: Objektkoordinaten object coordinates
25 25: Kalibrierdaten calibration
26 26: kalibrierte Objektkoordinaten calibrated object coordinates

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7171320 B2 [0006, 0069]

Claims

Method for determining geometry data of an object ( 02 ) with a measuring microscope ( 01 ), comprising the following steps: detecting a first optical image of the object ( 02 ) in a first object position; Detecting a second optical image of the object ( 02 ) in a second object position; - Capture position data ( 23 ) of the object positions of the object ( 02 ) with a reference to the respective optical image; Determining a weight (W) and a center of mass (A) of the object ( 02 ) as calibration data ( 25 ); - determining image coordinates ( 22 ) of the object by determining prominent points in the optical images; - Transformation of image coordinates ( 22 ) in object coordinates ( 24 ) taking into account the position data; - Transformation of the object coordinates ( 24 ) in calibrated object coordinates ( 26 ) taking into account the calibration data ( 25 ).

A method according to claim 1, characterized in that the first object position and the second object position differ in their focus position and the calibrated object coordinates ( 26 ) are determined three-dimensionally.

Method according to Claim 2, characterized in that further optical images ( 21 ) and that all optical images ( 21 ) in a picture stack ( 20 ) are cached.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the determination of image coordinates ( 22 ) is performed by an image processing program based on contrast evaluation or edge detection.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the position data ( 23 ) Include level position data that is based on encoder position data of an object table ( 03 ) of the measuring microscope ( 01 ) be determined.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the position data ( 23 ) Comprise height position data which are determined on the basis of the focus position of the measuring microscope ( 01 ).

A method according to claim 6, characterized in that the focus position based on encoder position data of the object table ( 03 ) or a linear drive ( 11 ) an optical unit ( 09 ) is determined.

Measuring microscope ( 01 ) for determining spatial object coordinates ( 24 . 26 ) of an object ( 02 ) comprising: - a stage ( 03 ) on which the object ( 02 ) that can be placed on a base ( 07 ) and is displaceable in a horizontal plane (XY), wherein position data ( 23 ) of the object table ( 03 ) are detected and stored in a position detection unit; - an optical unit ( 09 ) for imaging at least one area of the object ( 02 ) in an image plane; A focus adjusting unit for adjusting a focus position; An image capturing means for capturing the image in the image plane; - at least three force probes ( 08 ) at the base ( 07 ) are arranged for determining a weight (W) and a center of mass (A) of the object ( 02 ); An arithmetic unit for determining the calibrated object coordinates ( 26 ) of the object ( 02 ) from the individual pictures ( 21 ) in different focus positions, the weight (W) and the center of gravity (A).

Measuring microscope according to claim 8, characterized in that the Fokuseinstelleinheit a linear drive for vertical displacement of the optical unit ( 09 ) and / or a linear drive for vertical displacement of the object table ( 03 ).

Measuring microscope according to claim 8 or 9, characterized in that it comprises four force probes, which are arranged symmetrically at the corners of a rectangular base.