DE102016125451A1

DE102016125451A1 - Vorrichtung und Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102016125451A1
Application number: DE102016125451.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Lehmann
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-06-28
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: DE102016125451B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts (1) mit einer Lichtquelle (11), der ein Strahlteiler (13) nachgeordnet ist, wobei ein von der Lichtquelle (11) ausgehender Teilstrahl in einem Messstrahlengang (2) auf das Messobjekt (1) gelenkt ist und ein weiterer Teilstrahl in einem Referenzstrahlengang (3) auf einen Referenzspiegel (17) gelenkt ist, und wobei von dem Messobjekt (1) reflektiertes Licht mit von dem Referenzspiegel (17) reflektiertem Licht sich auf einem Bildsensor (16) überlagert, und wobei eine Verstelleinrichtung zur Änderung eines optischen Weglängenunterschieds des Referenzstrahlengangs (3) gegenüber dem Messstrahlengang (2) vorhanden ist. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass- die Lichtquelle (11) selektiv ansteuerbare Emitter für Licht mindestens drei verschiedener Wellenlängen (λ, λ, λ) aufweist;- der Bildsensor (16) drei Farbkanäle für Licht der verschiedenen Wellenlängen (λ, λ, λ) aufweist; und- der Referenzspiegel (17) durch einen Antrieb (18) in einer Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche bewegbar ist.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts mit einer Lichtquelle, der ein Strahlteiler nachgeordnet ist, wobei ein von der Lichtquelle ausgehender Teilstrahl in einem Messstrahlengang auf das Messobjekt gelenkt ist und ein weiterer Teilstrahl in einem Referenzstrahlengang auf einen Referenzspiegel gelenkt ist und wobei von dem Messobjekt reflektiertes Licht sich mit von dem Referenzspiegel reflektiertem Licht auf einem Bildsensor überlagert. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Verstelleinrichtung zur Änderung eines optischen Weglängenunterschieds des Referenzstrahlengangs gegenüber dem Messstrahlengang auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
Vorrichtungen zur interferometrischen Bestimmung der Oberflächentopographie eines Messobjekts werden auch als tiefenscannende Interferenzmikroskope bezeichnet. Sie ermöglichen eine dreidimensionale Erfassung der Oberflächenstruktur des Messobjekts auf einer mikroskopischen Größenskala. Häufig wird Weißlicht zur Beleuchtung des Messobjekts verwendet. Die Kombination einer Weißlichtquelle mit der interferometrischen Messmethode, bei der ein Messstrahlengang, der vom Messobjekt reflektiert wird, mit einem Referenzstrahlengang, der an einem Referenzspiegel reflektiert wird, zur Interferenz gebracht wird, ermöglicht bei diesen Mikroskopen eine Höhen- bzw. Tiefenauflösung im Nanometerbereich. Als Bildsensor wird in der Regel ein flächiger, lateral auflösender Sensor, z.B. ein CCD (charged coupled device) - oder CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) - Sensor eingesetzt. Zur Änderung der optischen Weglänge zwischen Messstrahlengang und Referenzstrahlengang kann dabei entweder das Messobjekt oder Teile oder das gesamte Interferometer bewegt werden und/oder der Referenzspiegel in einer Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche bewegt werden.
Aus der Druckschrift DE 11 2005 000 639 B4 ist ein derartiges tiefenscannendes Interferenzmikroskop bekannt, bei dem darüber hinaus die Oberfläche des Messobjekts nach der Art eines Lichtmikroskops ohne Interferenzeinflüsse abgebildet werden kann. Dieses wird dadurch erreicht, dass zwei verschiedene Lichtquellen wahlweise verwendet werden können, beispielsweise eine Weißlichtquelle für die interferometrischen Messungen und eine Blaulichtquelle für die abbildenden Darstellungen. Im Referenzstrahlengang ist ein optisches Element angeordnet, das für das Licht der monochromatischen Blaulichtquelle nicht durchlässig ist, sodass für diese benutzte Lichtquelle der Interferenzstrahlengang ausgeblendet ist und Licht aus dem Interferenzstrahlengang nicht mit dem Licht im Messstrahlengang überlagert wird. Die beiden verschiedenen Messmethoden können wahlweise ohne Änderung der Messapparatur durchgeführt werden.
Zur Bestimmung der Oberflächentopographie mit einem tiefenscannenden Weißlichtinterferenzmikroskop wird eine Vielzahl von Sensorbildern bei variierendem optischen Weglängenunterschied zwischen Referenzstrahlengang und Messstrahlengang aufgenommen. Diese Vorgehensweise ist prinzipbedingt mit einer langen Messzeit verbunden, was bei statischen Messobjekten unter Laborbedingungen tolerabel ist, sich aber beispielsweise in einem Fertigungsprozess mit kurzen Taktzeiten für eine Inline-Kontrolle von Messobjekten nicht eignet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine eingangs genannte Vorrichtung zur interferometrischen Bestimmung der Oberflächentopographie zu schaffen, mit der ein zweidimensionales Abbild der Oberflächenstruktur mit Höhen- bzw. Tiefeninformation mit hoher vertikaler Auflösung und kurzer Messzeit erstellt werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Messverfahren für eine derartige Vorrichtung zu beschreiben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtquelle selektiv ansteuerbare Emitter für Licht mindestens drei verschiedener Wellenlängen aufweist, der Bildsensor drei Farbkanäle für Licht der verschiedenen Wellenlängen aufweist und der Referenzspiegel durch einen Antrieb in einer Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche bewegbar ist.
Die Kombination von einer Lichtquelle mit drei verschiedenfarbig emittierenden und separat ansteuerbaren Emittern und einem Bildsensor, der in drei Farbkanälen separat die (Interferenz-) Muster bei den verschiedenen Wellenlängen aufzeichnen kann, ermöglicht die quasi gleichzeitige Erfassung von dei (Interferenz-) Teilbildern in einer einzigen Aufnahme und damit in kurzer Messzeit mit einer hohen Wiederholungsrate bei aufeinanderfolgenden Messungen. Geeignete Lichtquellen und Bildsensoren, die parallel drei verschiedene Wellenlängen verarbeiten können, sind aufgrund ihres Einsatzes in der Farbbild-Fotographie und Videotechnik zudem handelsüblich und werden in großen Stückzahlen und damit preisgünstig vertrieben. Entsprechend wird als Lichtquelle bevorzugt eine RGB (rot/grün/blau)-Lichtquelle eingesetzt, die insbesondere Leuchtdioden als Emitter aufweist. Als Bildsensor wird bevorzugt eine RGB-Kamera verwendet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist im Referenzstrahlengang ein frequenzselektiver Filter angeordnet ist, der für Licht einer der verschiedenen Wellenlängen möglichst undurchlässig ist und für Licht der anderen Wellenlängen möglichst durchlässig ist. Auf diese Weise können zwei Wellenlängen zur Aufnahme von Interferenzbildern und eine Wellenlänge zur Aufnahme eines reinen Abbilds eingesetzt werden. Aus diesen Informationen ist die vollständige Höhenstruktur des Messobjekts ermittelbar, falls die beiden Interferenzbilder bei unterschiedlichen Stellungen des Referenzspiegels aufgenommen werden.
Zu diesem Zweck kann eine Steuerung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, die Lichtquelle derart gepulst und synchronisiert mit der Bewegung des Referenzspiegels zu betreiben, dass innerhalb eines Aufnahmezeitraums eines Bilds des Bildsensors die Lichtquelle Lichtpulse mit zumindest zweien der verschiedenen Wellenlängen nacheinander emittiert werden, während der Referenzspiegel sich in eine Richtung bewegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Antrieb des Referenzspiegels ein Piezoantrieb oder ein Tauchspulenantrieb. Bevorzugt ist der Antrieb dazu eingerichtet, den Referenzspiegel periodisch zu bewegen, wobei die periodische Bewegung des Referenzspiegels z.B. einen sinusförmigen oder einen sägezahnförmigen, vorzugsweise dreieckförmigen Verlauf aufweisen kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts bedient sich einer Lichtquelle mit selektiv ansteuerbaren Emittern für Licht mindestens zwei verschiedener Wellenlängen, der ein Strahlteiler nachgeordnet ist, wobei ein von der Lichtquelle ausgehender Teilstrahl in einem Messstrahlengang auf das Messobjekt gelenkt ist und ein weiterer Teilstrahl in einem Referenzstrahlengang auf einen Referenzspiegel gelenkt ist. Von dem Messobjekt reflektiertes Licht überlagert sich mit von einem bewegbaren Referenzspiegel reflektiertem Licht auf einem Bildsensor mit Farbkanälen für das Licht der verschiedenen Wellenlängen. Weiter ist eine Verstelleinrichtung zur Änderung eines optischen Weglängenunterschieds des Referenzstrahlengangs gegenüber dem Messstrahlengang vorhanden. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Es wird ein erster Lichtpuls in einer ersten der Wellenlängen durch die Lichtquelle emittiert und ein erstes Interferenzbild durch den Bildsensor in einem ersten der Farbkanäle aufgenommen. Nach einem Bewegen des Referenzspiegels in einer Richtung entlang seiner optischen Achse wird ein zweiter Lichtpuls in einer zweiten der Wellenlängen durch die Lichtquelle emittiert und es wird ein zweites Interferenzbild durch den Bildsensor in einem zweiten der Farbkanäle aufgenommen. Anschließend wird eine Oberflächentopographie des Messobjekts anhand einer Auswertung der beiden Interferenzbilder erstellt. Es ergeben sich bei dem Verfahren die im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterten Vorteile.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind die beiden Interferenzbilder Teilbilder einer einzigen Bildaufnahme des Bildsensors. So wird eine vollständige Messung der Oberflächentopographie in einer Bildaufnahmezeit ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Referenzspiegel zwischen den beiden emittierten Lichtpulsen so weit bewegt, dass der zweite Lichtpuls gegenüber dem ersten Lichtpuls eine geänderte optische Wegstrecke durchläuft, die einer Phasenverschiebung von 90° entspricht. Hierdurch wird die Auswertung der Ergebnisse vereinfacht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe einer Figur näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer anmeldungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts.
Als Ausführungsbeispiel der anmeldungsgemäßen Vorrichtung ist in der Figur beispielhaft ein Interferenzmikroskop 10 in einer Michelson-Anordnung in einer schematischen Schnittdarstellung dargestellt. Der Schnitt ist entlang der optischen Achse ausgeführt. Anstelle einer Michelson-Anordnung kann alternativ die Vorrichtung auch ein Interferometer in einer Linnik- oder einer Mirau-Anordnung aufweisen.
Ein Messobjekt 1, dessen laterale Höhenstruktur, auch Oberflächentopographie oder zwei-dimensionales Höhenprofil genannt, von dem Interferenzmikroskop 10 abgebildet werden soll, ist dabei auf einem hier nicht dargestellten Objektträger angeordnet. Der Objektträger kann beispielsweise zur Positionierung des Messobjekts 1 und zur Auswahl eines vom Mikroskop darzustellenden Bereichs des Messobjekts 1 bevorzugt als xy-Kreuztisch ausgebildet sein. Als xy-Ebene wird im Rahmen dieser Anmeldung die laterale Erstreckung des Messobjekts 1 bezeichnet. Gemessen wird die Höhenstruktur des Messobjekts 1 in einer zur xy-Ebene senkrechten z-Richtung. Der Objektträger kann bevorzugt auch eine Einstellmöglichkeit zur Fokuseinstellung in z-Richtung umfassen. Während der Messung positioniert der Messträger das Messobjekt 1 in einer relativ zu einer festen Unterlage fixierten Messposition.
In z-Richtung beabstandet vom Messobjekt 1 ist das Interferenzmikroskop 10 angeordnet. Dieses kann eine Verstelleinrichtung umfassen, mit der das gesamte Interferenzmikroskop 10 oder zumindest ein Teil seiner Komponenten in z-Richtung verfahren werden können.
Das Interferenzmikroskop 10 weist eine Lichtquelle 11 auf, die ihre Hauptstrahlungsrichtung quer, insbesondere senkrecht zur z-Richtung hat. Von der Lichtquelle 11 ausgesendetes Licht wird von einem Kollimator 12 zu einem möglichst parallelen Strahlenbündel gebündelt, das auf einen Strahlteiler 13 fällt. Vom Strahlteiler 13 wird ein Teil des Lichts der Lichtquelle 11 nach unten auf das Messobjekt 1 reflektiert.
Vom Messobjekt 1 reflektiertes Licht passiert den Strahlteiler 13 und wird über eine Mikroskopanordnung, die ein Mikroskopobjektiv 14 und eine davon in z-Richtung beabstandete Tubuslinse 15 aufweist, auf einen flächigen Bildsensor 16 fokussiert. Der zwischen dem Strahlteiler 13 und dem Messobjekt 1 ausgebildete Abschnitt des Strahlengangs wird auch als Messstrahlengang 2 bezeichnet.
Ein weiterer Teil des von der Lichtquelle 11 auf den Strahlteiler 13 emittierten Lichts passiert den Strahlteiler 13 und fällt auf einen Referenzspiegel 17. Von diesem reflektiertes Licht wird zumindest teilweise vom Strahlteiler 13 nach oben in die Mikroskopanordnung reflektiert und ebenfalls auf den Bildsensor 16 fokussiert, auf dem es sich mit dem vom Messobjekt 1 reflektierten Licht überlagert. Der zwischen dem Strahlteiler 13 und dem Referenzspiegel 17 ausgebildete Abschnitt des Strahlengangs wird auch als Referenzstrahlengang 3 bezeichnet.
Der Referenzspiegel 17 ist mit einem Antrieb 18 gekoppelt, der eine Bewegung des Referenzspiegels 17 in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Referenzspiegels 17 ermöglicht. Durch den Antrieb 18 kann der Referenzspiegel 17 bevorzugt in eine periodische Bewegung versetzt werden, beispielsweise in eine harmonische Schwingung oder in eine Dreieck- oder Sägezahnbewegung. Die Bewegung des Referenzspiegels 17 kann dabei mit einer Frequenz erfolgen, die bevorzugt um ein Vielfaches größer ist als eine Bildaufnahmefrequenz des Bildsensors 16. Vorteilhafterweise ist die Frequenz der Bewegung des Referenzspiegels 17 auch größer als eine maximal zu erwartende Frequenz einer Störschwingung, beispielsweise einer Trittschallschwingung. Geeignete Frequenzen für die Bewegung des Referenzspiegels liegen im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz.
Der Antrieb 18 kann beispielsweise ein Piezo-Antrieb oder ein elektromagnetischer Tauchspulenantrieb sein.
Anmeldungsgemäß ist die Lichtquelle 11 eine RGB (rot/grün/blau) - Lichtquelle, die eine im roten Farbbereich, eine im grünen Farbbereich und eine im blauen Farbbereich emittierende Diode (LED - light emitting diode) aufweist. Die einzelnen Dioden (Emitter) sind bevorzugt räumlich nahe beieinander positioniert, sodass die Lichtquelle annähernd als punktförmige Lichtquelle angesehen werden kann und Licht jedes einzelnen Emitters nachfolgend im Wesentlichen dem gleichen Strahlengang folgt. Insbesondere ist die Lichtquelle 11 so ausgelegt, dass die einzelnen Emitter unabhängig voneinander angesteuert werden können. Geeignete Wellenlängen der einzelnen Emitter sind 650 nm (Nanometer) für den roten Farbbereich, 550 nm für den grünen Farbbereich und 450 nm für den blauen Farbbereich.
Alternativ können die einzelnen Dioden auch räumlich separiert und das von ihnen emittierte Licht über dichroitische Strahlteiler in einem Strahlengang zusammengeführt werden. Dies ermöglicht eine spektrale Filterung des von jeder Diode emittierten Lichtes, z. B. um die Kohärenzlänge zu vergrößern.
Weiter anmeldungsgemäß ist der Bildsensor 16 als eine RGB (rot/grün/blau)-Kamera ausgebildet. Der Bildsensor 16 weist somit eine flächige Anordnung (array) von Bildpunkten (Pixel) auf, wobei jeder Bildpunkt Subpixel umfassen kann, die jeweils für den roten, grünen bzw. blauen Farbbereich empfindlich sind. Die Subpixel können dabei in einem Pixel nebeneinander innerhalb eines Einzelsensors angeordnet sein. Alternativ ist denkbar, dass der Bildsensor 16 drei Einzelsensoren und eine Anordnung aus Strahlteilern und Farbfiltern umfasst, wobei jeder der Einzelsensoren ein Bild im roten, grünen bzw. blauen Farbbereich aufnimmt. Mit der letztgenannten Anordnung lassen sich höhere räumliche Auflösungen in der Bilderfassung erzielen, wohingegen die erstgenannte Ausführung mit den nebeneinander auf einem Sensor liegenden Subpixeln aufgrund der weiten Verbreitung in kommerziellen Digital- bzw. Handykameras kostengünstig und gut verfügbar ist. Im Zusammenhang mit dem Bildsensor 16 werden die verschiedenen, den einzelnen Farbbereichen zugeordneten Komponenten auch zusammenfassend als Farbkanäle bezeichnet.
Als ein weiteres anmeldungsgemäßes Merkmal ist im Referenzstrahlengang zwischen dem Strahlteiler 13 und dem Referenzspiegel 17 ein frequenzselektiver Filter 19, nachfolgend auch als Spektralfilter 19 bezeichnet, angeordnet, der nur für zwei der von der Lichtquelle 11 ausgestrahlten Wellenlängen lichtdurchlässig ist. Beispielsweise ist der Spektralfilter 19 ein Absorptionsfilter, der langwelligeres Licht passieren lässt und kurzwelligeres Licht absorbiert. Die Absorptionskante liegt dabei in einem Wellenlängenbereich zwischen dem blauen und dem grünen Farbbereich, also beispielsweise bei etwa 500 nm. Das genannte blaue Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm wird durch den Spektralfilter 19 geblockt, wohingegen das grüne bzw. rote Licht mit einer Wellenlänge von 550 bzw. 650 nm nahezu ungehindert passieren kann.
Bei dem genannten Filter wird somit nur für grünes und rotes Licht der Lichtquelle 11 ein Interferenzbild vom Bildsensor 16 aufgezeichnet, wohingegen das blaue Licht der Lichtquelle 11 ein rein abbildendes Bild des Messobjekts 1 auf dem Bildsensor 16 erzeugt.
Zur Kompensation eines durch den Filter 19 hervorgerufenen zusätzlichen Glasweges ist im Messstrahlengang 2 des Interferenzmikroskops 10 vor dem Messobjekt 1 eine Planglasplatte 20 entsprechender Dicke angeordnet.
Zur inteferometrischen Bestimmung der Oberflächentopographie des Messobjekts 1 wird gemäß einem anmeldungsgemäßen Verfahren der Referenzspiegel periodisch bewegt, beispielsweise in einer sinusförmigen Bewegung. Eine Bildaufnahme durch den Bildsensor 16 erfordert in der Regel einen bestimmten vorgegebenen Bildaufnahmezeitraum, auch Belichtungs- oder Integrationszeitraum genannt, in dem er lichtempfindlich ist. Bei einem anmeldungsgemäßen Verfahren werden die Aufnahmezeit und die Bewegung des Referenzspiegels 17 miteinander synchronisiert. Vorteilhaft ist vorgesehen, den Bildaufnahmezeitraum mit dem Nulldurchgang des Referenzspiegels 17 zu synchronisieren, beispielsweise derart, dass der Referenzspiegel 17 mittig im Belichtungszeitraum des Bildsensors 16 den Nulldurchgang seiner periodischen Bewegung vornimmt. Beispielsweise kann der Aufnahmezeitraum der Kamera in einem Winkelbereich der periodischen Bewegung des Referenzspiegels 17 von -60° bis +60° liegen.
Darüber hinaus werden innerhalb des Bildaufnahmezeitraums die einzelnen Emitter der Lichtquelle 11 in einem Pulsbetrieb nacheinander betrieben. Die Pulsdauer eines einzelnen Lichtpulses ist dabei deutlich kürzer als die Periodendauer der Bewegung des Referenzspiegels 17. Für jeden der Lichtpulse kann daher für die Auswertung der Bilder in erster Näherung von einem stehenden Referenzspiegel 17 ausgegangen werden. Die Ansteuerung der Lichtquelle 1, des Antriebs 18 und des Bildsensors 16 und die Synchronisierung der beschriebenen Schritte übernimmt eine in der Figur nicht dargestellte Steuereinrichtung.
Insbesondere sind die Lichtquellen für die beiden Farbkanäle, für die jeweils ein Interferogramm aufgezeichnet wird, also beim genannten Beispiel des Spektralfilters 19 der grüne und der rote Farbkanal, zeitlich um eine kurze Zeitspanne δt versetzt. Die Zeitpunkte bzw. die Zeitspanne δt ist so gewählt, dass sich der Referenzspiegel 17 innerhalb dieser Zeitspanne δt um eine Strecke δz entlang der optischen Achse des Referenzspiegels bewegt hat. Damit stehen innerhalb eines einzelnen Aufnahmezeitraums des Bildsensors 16 zwei Interferenzbilder zur Verfügung, die sich in der Wellenlänge λ des verwendeten Lichts und auch in einer Phasenbeziehung ΔΦ durch eine veränderte Weglänge im Referenzstrahlengang 3 unterscheiden.
Weiterhin steht, aufgenommen im blauen Farbkanal, eine Intensitätsmessung zur Verfügung, die keinen Interferenzeinfluss aufweist.
Die verschiedenen in der xy-Ebene des Bildsensors 16 gemessenen Intensitätswerte werden nachfolgend als I_b(x, y), I_g(x, y) und I_r(x, y) bezeichnet, wobei die Indizes b, g und r für den blauen, den grünen bzw. den roten Farbkanal stehen.
Die Messgröße I_b(x, y) entspricht der Intensitätsverteilung, die von der Abbildung des Messobjekts 1, also der lateral variierenden Reflektivität der Oberfläche des Messobjekts 1 herrührt. Diese wird nachfolgend auch als Objektintensitätsverteilung I_obj(x, y) bezeichnet. Es gilt also: $I_{b} (x, y) = I_{o b j} (x, y)$
Für die interferierenden Farbkanäle, also vorliegend den grünen und den roten Farbkanal, gilt gemäß der Grundgleichung der Zweistrahlinterferometrie: $I_{g} (x, y) \approx I_{r e f} (x, y) + I_{o b j} (x, y) + 2 \sqrt{I_{r e f} (x, y) I_{o b j} (x, y)} cos (\frac{4 π}{λ_{g}} h (x, y))$
$I_{r} (x, y) \approx I_{ref} (x, y) + I_{obj} (x, y) + 2 \sqrt{I_{ref} (x, y) I_{obj} (x, y)} cos (\frac{4 π}{λ_{r}} h (x, y) + ΔΦ)$
Dabei bezeichnet I_ref(x, y) die Intensitätsverteilung einer Referenzmessung einer der beiden interferierenden Farbkanäle, bei der kein Messobjekt im Strahlengang vorhanden ist. I_ref(x, y) stellt somit die durch den Referenzstrahlengang 3 hervorgerufene Intensitätsverteilung dar. h(x, y) gibt die gesuchte Höhenstruktur (Oberflächentopographie) des Messobjekts 1 an; λ_g bzw. λ_r bezeichnen die jeweilige Wellenlänge des verwendeten Lichts und ΔΦ die Phasenbeziehung durch eine veränderte Weglänge im Referenzstrahlengang 3 aufgrund der zuvor beschriebenen Bewegung des Referenzspiegels 17.
Bei den oben genannten beiden Gleichungen 2 und 3 ist aufgrund der Messung im blauen Lichtkanal die Objektintensitätsverteilung I_obj(x, y) bekannt. Ebenso ist die zuvor gemessene Intensitätsverteilung I_ref(x, y) durch den Referenzstrahl 3 aus der Kalibriermessung bekannt.
Von den Kosinus-Termen der Gleichungen 2 und 3 sind die Wellenlängen λ_g und λ_r bekannt, ebenso wie die Phasenbeziehung ΔΦ der aus der zeitversetzten Messung im grünen und roten Lichtkanal durch die Bewegung des Referenzspiegels 17. Durch Kombination der beiden Gleichungen kann aus den gemessenen Intensitätsverteilungen I_g(x, y) und I_r(x, y) daher die gesuchte Höhenstruktur h(x, y) aus einem einzigen Pixelbild der als Bildsensor 16 verwendeten RGB-Kamera bestimmt werden. Dieses gelingt mit vergleichsweisen geringem Rechenaufwand, wenn durch geeignetes Timing des gepulsten Betriebes der Lichtquelle 11 und der Bewegung des Referenzspiegels 17 die Phasenbeziehung ΔΦ gerade 90° beträgt. In dem Fall wird aus dem Kosinus-Term der GI. 3 ein Sinus-Term ohne zusätzliche Phasenverschiebung.
Dies erlaubt die Berechnung der Argumente der Kosinus-Terme der Gleichungen 2 und 3. Die Argumente können in die Höhenstruktur h(x, y) umgerechnet werden. Das Vorzeichen der Höhenstruktur h(x, y) resultiert bei bekanntem Phasenwert ΔΦ aus der vergleichenden Analyse der beiden Argumente.
Überschreitet eines der Argumente den Wertebereich der Arkuskosinus-Funktion bzw. der Arkussinusfunktion, ist ein sogenanntes „Unwrapping“ (Addieren bzw. Subtrahieren entsprechender ganzzahliger Vielfacher von 180°) erforderlich, um die ursprünglich stetige Höhenstruktur h(x, y) zu rekonstruieren.
Bezugszeichenliste

1: Messobjekt
2: Messstrahlengang
3: Referenzstrahlengang
10: Interferenzmikroskop
11: Lichtquelle
12: Kollimator
13: Strahlteiler
14: Mikroskopobjektiv
15: Tubuslinse
16: Bildsensor
17: Referenzspiegel
18: Antrieb
19: Spektralfilter
20: Planglasplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112005000639 B4 [0003]

Claims

Vorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts (1) mit einer Lichtquelle (11), der ein Strahlteiler (13) nachgeordnet ist, wobei ein von der Lichtquelle (11) ausgehender Teilstrahl in einem Messstrahlengang (2) auf das Messobjekt (1) gelenkt ist und ein weiterer Teilstrahl in einem Referenzstrahlengang (3) auf einen Referenzspiegel (17) gelenkt ist, und wobei von dem Messobjekt (1) reflektiertes Licht mit von dem Referenzspiegel (17) reflektiertem Licht sich auf einem Bildsensor (16) überlagert, und wobei eine Verstelleinrichtung zur Änderung eines optischen Weglängenunterschieds des Referenzstrahlengangs (3) gegenüber dem Messstrahlengang (2) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Lichtquelle (11) selektiv ansteuerbare Emitter für Licht mindestens drei verschiedener Wellenlängen (λ_b, λ_g, λ_r) aufweist; - der Bildsensor (16) drei Farbkanäle für Licht der verschiedenen Wellenlängen (λ_b, λ_g, λ_r) aufweist; und - der Referenzspiegel (17) durch einen Antrieb (18) in einer Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der im Referenzstrahlengang (3) ein frequenzselektiver Filter (19) angeordnet ist, der für Licht einer der verschiedenen Wellenlängen (λ_b) möglichst undurchlässig ist und für Licht der anderen Wellenlängen (λ_g, λ_r) möglichst durchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Lichtquelle (11) eine RGB (rot/grün/blau)-Lichtquelle ist und insbesondere Leuchtdioden als Emitter aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Bildsensor (16) eine RGB-Kamera ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Antrieb (18) des Referenzspiegels (17) ein Piezoantrieb oder ein Tauchspulenantrieb ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Antrieb (18) dazu eingerichtet ist, den Referenzspiegel (17) periodisch zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem die periodische Bewegung des Referenzspiegels (17) einen sinusförmigen oder einen sägezahnförmigen, vorzugsweise dreieckförmigen Verlauf aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, die Lichtquelle (11) derart gepulst und synchronisiert mit der Bewegung des Referenzspiegels (17) zu betreiben, dass innerhalb eines Aufnahmezeitraums eines Bilds des Bildsensors (16) die Lichtquelle (11) Lichtpulse mit zumindest zweien der verschiedenen Wellenlängen (λ_g, λ_r) nacheinander emittiert werden, während der Referenzspiegel (17) sich in eine Richtung bewegt.
Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Oberflächentopographie eines Messobjekts (1) mithilfe einer Lichtquelle (11) mit selektiv ansteuerbare Emittern für Licht mindestens zwei verschiedener Wellenlängen (λ_g, λ_r), der ein Strahlteiler (13) nachgeordnet ist, wobei ein von der Lichtquelle (11) ausgehender Teilstrahl in einem Messstrahlengang (2) auf das Messobjekt (1) gelenkt ist und ein weiterer Teilstrahl in einem Referenzstrahlengang (3) auf einen Referenzspiegel (17) gelenkt ist, und wobei von dem Messobjekt (1) reflektiertes Licht mit von einem bewegbaren Referenzspiegel (17) reflektiertem Licht sich auf einem Bildsensor (16) mit Farbkanälen für das Licht der verschiedenen Wellenlängen (λ_g, λ_r) überlagert, und wobei eine Verstelleinrichtung zur Änderung eines optischen Weglängenunterschieds des Referenzstrahlengangs (3) gegenüber dem Messstrahlengang (2) vorhanden ist, mit den folgenden Schritten: - Emittieren eines ersten Lichtpulses in einer ersten der Wellenlängen (λ_g) durch die Lichtquelle (11); - Aufnehmen eines ersten Interferenzbildes durch den Bildsensor (16) in einem ersten der Farbkanäle; - Bewegen des Referenzspiegels (17) in einer Richtung entlang seiner optischen Achse; - Emittieren eines zweiten Lichtpulses in einer zweiten der Wellenlängen (λ_b) durch die Lichtquelle (11); - Aufnehmen eines zweiten Interferenzbildes durch den Bildsensor (16) in einem zweiten der Farbkanäle; und - Ermitteln einer Oberflächentopographie des Messobjekts (1) anhand einer Auswertung der beiden Interferenzbilder.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die beiden Interferenzbilder Teilbilder einer einzigen Bildaufnahme des Bildsensors (16) sind.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Referenzspiegel (17) zwischen den beiden emittierten Lichtpulsen so weit bewegt wird, dass der zweite Lichtpuls gegenüber dem ersten Lichtpuls eine geänderte optische Wegstrecke durchläuft, die einer Phasenverschiebung (ΔΦ) von 90° entspricht.