-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Vermessung von technischen Oberflächen mit Hilfe eines konfokalen Sensors, wobei Licht wenigstens einer Lichtquelle über ein optisches System auf die zu vermessende Oberfläche einer Probe gerichtet wird.
-
Außerdem betrifft die Erfindung einen konfokalen Sensor zur Durchführung des Verfahrens, mit mindestens einer Lichtquelle, deren Licht über ein optisches System auf die zu vermessende Oberfläche einer Probe gerichtet wird.
-
Bei der konfokalen Messtechnik wird Licht einer Lichtquelle in der Regel über ein Konfokalfilter, einen Strahlteiler und eine Optik auf die zu vermessende Oberfläche fokussiert. Dabei wird im Stand der Technik entweder der Messtisch, auf dem die Probe liegt, oder aber die Optik in Z-Richtung auf und ab bewegt und genau der Augenblick ausgewertet, in dem der Fokus auf die zu vermessende Oberfläche trifft. Dieses Licht wird über ein Konfokalfilter (z.B. eine Lochblende) auf einen entsprechenden Sensor geleitet. Der Sensor zeigt ein maximales Signal, wenn sich die Oberfläche genau im Fokus befindet. Dadurch kann die genaue Z-Höhe der Oberfläche bestimmt werden.
-
Durch die Trägheit der zu bewegenden Massen ist diese Art des Verfahrens nicht geeignet, höhere Messraten zu liefern.
-
Daher sind im weiteren Verlauf der Entwicklung die Scan-Methoden zwar weiter entwickelt worden, die Tatsache, dass immer noch mechanische Komponenten eine Rolle spielen, setzen auch diesen Verfahren Grenzen.
-
Eine Methode, bei der auf derartige mechanische Elemente verzichtet werden kann, ist der Einsatz eines chromatisch konfokalen Sensors. Das breitbandige Spektrum einer Lichtquelle (beispielsweise weißes Licht) wird über ein optisches System mit definierter Dispersion auf die Probenoberfläche geleitet. Aufgrund der Dispersion entsteht eine chromatische Längsaberration, wodurch jeder „Lichtfarbe“ eine definierte Z-Position auf der Probenoberfläche zugeordnet und somit die Topographie der Probe ermittelt werden kann. Ein mechanisches Scannen in Z-Richtung ist also nicht mehr erforderlich.
-
Die Ermittlung der korrekten Z-Position der Probenoberfläche, d.h. der Topographie erfolgt bei chromatisch konfokalen Sensoren klassisch über ein Spektrometer. Das von der Probe reflektierte Licht wird spektral analysiert, wobei die dominante Wellenlänge der Z-Position der Probe entspricht. Die verwendeten Spektrometerzeilen können mit Datenraten von mehreren kHz ausgelesen werden. Dadurch lassen sich schnelle chromatisch konfokale Sensoren realisieren. Die Auslesegeschwindigkeit der Spektrometerzeilen hat im Bereich einiger kHz aber ihre Grenzen und kann nicht ohne Weiteres weiter erhöht werden.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass hohe Messraten möglich werden.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch, dass das optische System eine elektrisch angesteuerte adaptive Optik umfasst, wobei der Fokus des optischen Systems durch ein elektrisches Signal in Z-Richtung variiert wird und das von der Probenoberfläche zurückreflektierte Licht auf mindestens einen Fotosensor gelenkt wird, wobei das Sensorsignal über die Zeit gemessen und Zeitpunkt und Intensität eines Signalmaximums bestimmt und ausgewertet werden, wobei aus dem elektrischen Signal zum Zeitpunkt des Signalmaximums die Höhe Z der Oberfläche abgeleitet wird.
-
Als adaptive Optik eignet sich erfindungsgemäß besonders eine akusto-optische Linse, nämlich eine abstimmbare akustische Gradientenindex (TAG) Linse (siehe A. Mermillod-Blondin, E. McLeod, and C. B. Arnold, „High-speed varifocal imaging with a Tunable Acoustic Gradient index of refraction lens", Opt. Lett. 33, Band 18, Seiten 2146 bis 2148, 2008). Eine solche TAG-Linse besteht aus einem flüssigkeitsgefüllten, zylindrischen Hohlraum, der radial mit akustischer Energie angeregt wird. Dies hat eine periodische Modulation in der Flüssigkeit zur Folge, entsprechend variiert der Brechungsindex und die Linse variiert kontinuierlich zyklisch ihre Brennweite, und zwar mit einer Frequenz im kHz- bis MHz-Bereich. Die Realisierbarkeit eines optischen Systems mit schnell variierbarer Fokusposition entlang der optischen Achse wurde in dem oben zitierten Stand der Technik gezeigt.
-
Diese Art Hochgeschwindigkeitsfokussierung mittels adaptiver Optik wurde bisher jedoch nicht verwendet, um Topologien von technischen Oberflächen mit Hilfe eines konfokalen Sensors schnell zu vermessen.
-
Erfindungsgemäß kann eine TAG-Linse in dem optischen System des konfokalen Sensors verwendet werden, die aus einem zylindrischen piezoelektrischen Körper als Kavität besteht, der mit Flüssigkeit gefüllt ist. Der piezoelektrische Körper wird mit dem elektrischen Signal beaufschlagt, woraufhin die Position des Fokus des optischen Systems in Z-Richtung variiert wird. Das elektrische Signal kann hierzu von einem Funktionsgenerator an sich bekannter Art erzeugt werden.
-
Allgemein eignet sich erfindungsgemäß eine adaptive Optik, die wenigstens ein Modulationselement umfasst, das zur Variation des Fokus unter Ausnutzung des akusto-optischen Effekts das elektrische Signal in eine Variation des Brechungsindex eines von dem Licht durchstrahlten Materials des Modulationselementes umsetzt. Dieses Modulationselement kann eine TAG-Linse der zuvor beschriebenen Art sein.
-
Durch die Verwendung der beschriebenen adaptiven Optik findet zwischen dem optischen System und der Probenoberfläche ein rein optisches „Scannen“ in Z-Richtung statt. Das auf die Probenoberfläche fallende Licht wird über den Z-Bereich durchfokussiert und zurückreflektiert und fällt im einfachsten Fall auf eine schnelle Fotodiode als Fotosensor, mit der das Signalmaximum ermittelt wird, wobei die adaptive Optik hinsichtlich der Zeitabhängigkeit der Fokusposition in Z-Richtung mit einer verwendeten elektronischen Detektionseinrichtung synchronisiert ist, derart, dass aus dem zeitlichen Verlauf des elektrischen Signals, das die adaptive Optik ansteuert, die Fokusposition im Signalmaximum bestimmt wird und damit auf die Höhe Z der Probe geschlossen werden kann.
-
Das elektrische Signal kann eine Wechselspannung hoher Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise 10 kHz bis 1 MHz, besonders bevorzugt 50 kHz bis 200 kHz sein, mit der die akusto-optische Linse beaufschlagt wird. Entsprechend schnell wird die Fokusposition in Z-Richtung periodisch zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert variiert. Die Messzeit pro Punkt der Probenoberfläche beträgt damit weniger als eine Mikrosekunde.
-
Der Fotosensor kann als Punktsensor ausgebildet sein. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass das Licht der Lichtquelle in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgespalten und als Detektor ein vielkanaliger Sensor, z.B. ein (zeilen- oder matrixförmiges) Array von Fotodioden, verwendet wird.
-
Ebenso kann eine Vielzahl von Lichtquellen verwendet werden, wobei die zurückreflektierten Einzelstrahlen der Lichtquellen mittels eines entsprechenden vielkanaligen Fotosensors parallel detektiert werden.
-
Durch diese Art der Parallelisierung kann die Erfassung der Probentopographie weiter beschleunigt werden, in dem die Einzelstrahlen mehrere voneinander beabstandete Punkte auf der Probenoberfläche gleichzeitig abtasten.
-
Bei hinreichender Apertur des Modulationselementes kann auch bei der Parallelmessung mit mehreren Teil- bzw. Einzelstrahlen ein einziges Modulationselement, z.B. eine einzige TAG-Linse, ausreichend sein. Alternativ kann jedem der Teilstrahlen bzw. Einzelstrahlen ein separates Modulationselement, z.B. in Form mehrerer nebeneinander angeordneter TAG-Linsen, zugeordnet sein.
-
Bei einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die zur Analyse des zeitlich veränderlichen Signals des Fotosensors verwendete Detektionseinrichtung einen Extremwertwertspeicher auf, der dem zeitlich veränderlichen Signal jeweils bis zum Erreichen eines Extremums des Signals folgt, wobei bei Erreichen des Extremums jeweils ein Spitzenindikatorsignal generiert wird, anhand dessen der Zeitpunkt des Extremums und anhand dessen wiederum die dem Signalmaximum zugeordnete Fokusposition in Z-Richtung festgestellt wird. Weist der zeitliche Verlauf des Signals mehrere (lokale) Extrema auf, so ist das (absolute) Signalmaximum dem während eines Variationszyklus der Fokusposition zuletzt erzeugten Spitzenindikatorsignal zuzuordnen. Auch die Detektion mehrerer (lokaler) Signalmaxima ist mit diesem Verfahren möglich, z.B. um die Schichtdickenverteilung einer Beschichtung an der Probenoberfläche mit der erfindungsgemäßen Methode zu ermitteln.
-
Die obige Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem konfokalen Sensor der eingangs angegebenen Art dadurch, dass das optische System eine elektrisch angesteuerte adaptive Optik umfasst, wobei der Fokus des optischen Systems durch ein elektrisches Signal eines Funktionsgenerators in Z-Richtung variiert wird und das von der Probenoberfläche zurückreflektierte Licht auf mindestens einen Fotosensor gelenkt wird, wobei das Sensorsignal mittels einer Detektionseinrichtung über die Zeit gemessen und der Zeitpunkt eines Signalmaximums bestimmt wird, wobei die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, aus dem elektrischen Signal zum Zeitpunkt des Signalmaximums die Höhe Z der Oberfläche abzuleiten.
-
Das Licht der Lichtquelle wird nach Durchlaufen eines Konfokalfilters (Lochblende/„Pinhole“), beispielsweise über einen halbdurchlässigen Spiegel oder einen Strahlteilerwürfel auf das optische System gerichtet. Das zurückreflektierte Licht durch das optische System gelangt durch den halbdurchlässigen Spiegel auf den Fotosensor, wobei durch einen dem Sensor vorgeschalteten weiteren Konfokalfilter nur das zur Messung wesentliche Licht durchgelassen wird. Mit einer solchen Anordnung wird das Licht auf dem Sensor dann maximal, wenn das Licht der Lichtquelle aufgrund der momentanen Fokusposition der adaptiven Optik auf die Oberfläche der Probe fokussiert wird. Bei einer zyklisch variierten Fokusposition zeigt das Sensorsignal eine typische Signalspitze (Konfokalpeak). Aus dem Zeitpunkt des Auftretens dieses Signalmaximums kann bei bekannter Fokusposition (die dem elektrischen Signal zu dem betreffenden Zeitpunkt zugeordnet ist) die Höhe der Probe an der jeweiligen Messposition bestimmt werden.
-
Eine Möglichkeit besteht darin, die Vorrichtung faseroptisch integriert auszuführen. Dabei sind die Lichtquelle, der Fotosensor und das optische System über optische Fasern aneinander angebunden.
-
Als besonders vorteilhaft für die Erfindung wird als Lichtquelle ein Laser eingesetzt. Grundsätzlich geeignet für das Verfahren ist aber auch jede andere Lichtquelle. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit sollte eine spektral möglichst schmalbandige Lichtquelle verwendet werden, um Messfehler aufgrund unvermeidlicher chromatischer Aberration des optischen Systems zu minimieren.
-
Beim Einsatz einer oben beschriebenen TAG-Linse sind extrem hohe Messraten möglich. Es werden ggf. mehr als 100.000 (3D) Messpunkte pro Sekunde und pro Messkanal erreicht. Während der Vermessung der Topographie wird die zu untersuchende Probe relativ zum Konfokalsensor in X-/Y-Richtung, d.h. quer zur Richtung des auf die Probenoberfläche gerichteten Lichtstrahls, relativ zum optischen System bewegt, so dass dabei die Oberfläche rasterförmig abgetastet wird. Für die Bewegung kann eine X-/Y-Verstellvorrichtung an sich bekannter Art verwendet werden. Ebenso kann eine ansteuerbare Ablenkvorrichtung zur Ablenkung des auf die Probenoberfläche gerichteten Lichtstrahls verwendet werden, um auf diese Weise die Oberfläche rasterförmig abzutasten. Geeignete Ablenkvorrichtungen, die zum Beispiel mit beweglichen Spiegeln arbeiten, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
-
Damit die extrem hohe Messdatenrate und die damit verbundenen Signale entsprechend schnell ausgewertet werden können, wird vorzugsweise eine Detektionseinrichtung der oben beschriebenen Art verwendet, die das Sensorsignal elektronisch analysiert, wobei die Detektionseinrichtung einen Extremwertwertspeicher aufweist, der dem zeitlich veränderlichen Signal jeweils bis zum Erreichen eines Extremums des Signals folgt, wobei bei Erreichen des Extremums jeweils ein Spitzenindikatorsignal generiert wird, anhand dessen der Zeitpunkt des Extremums und anhand dessen wiederum die dem Signalmaximum zugeordnete momentane Fokusposition des optischen Systems festgestellt wird. Die Funktionsweise der Detektionseinrichtung bei der Bestimmung des Signalmaximums ist in der Patentanmeldung
DE 10 2016 100 261 beschrieben, auf die vollumfänglich Bezug genommen wird.
-
Es können gleichzeitig mehrere Signalauswertungen parallel durchgeführt werden und die jeweiligen zeitlichen Signale mehrkanalig detektiert und die detektierten Maxima mehrkanalig ausgewertet werden.
-
Die erreichbare hohe Messrate erschließt der konfokalen Messtechnik neue Einsatzgebiete. So wird die Oberflächeninspektion bei Fertigungsprozessen ermöglicht, bei denen die Probe mit hoher Vorschubgeschwindigkeit bewegt wird (z.B. Walzen von Blechen, Ziehen von Folien).
-
Wie beim konventionellen Einsatz der Messtechnik kann auch mit der erfindungsgemäßen schnellen Ausführung die Dicke von dünnen, transparenten Proben oder transparenten Beschichtungen kontrolliert werden, sofern Folien-/Schichtober- und -Unterseite im Messbereich des Sensors liegen. In diesem Fall wird das an der Probe reflektierte Licht bei zwei verschiedenen Fokuspositionen maximal. Aus dem räumlichen Abstand der Fokuspositionen kann auf die Schichtdicke geschlossen werden.
-
Die Aufzählung der Einsatzgebiete ist naturgemäß nicht vollständig.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in faserbasierter Ausführung.
-
In 1 ist ein konfokaler Sensor dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Die wesentlichen Bestandteile dieses konfokalen Sensors 1 sind zum einen eine Lichtquelle, vorzugsweise ein geeigneter Laser, der mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist. Der Laser 2 sendet sein Licht durch einen Konfokalfilter (Pinhole) 3 über einen Strahlteiler 4, der im vorliegenden Beispiel ein halbdurchlässiger Spiegel ist, auf ein optisches System 5, welches aus einem Objektiv 6 und einer TAG-Linse 7 besteht. Die TAG-Linse wird mit einem elektrischen Signal f(t), das von einem Funktionsgenerator 18 erzeugt wird, beaufschlagt. Dies bewirkt, dass in dem von dem Licht durchstrahlten Material der TAG-Linse 7 aufgrund des akusto-optischen Effekts der radiale Verlauf des Brechungsindex n entsprechend dem elektrischen Signal eine Funktion der Zeit ist. Das Licht wird folglich entsprechend dem Signal f(t) in Z-Richtung in verschiedenen Höhen fokussiert und auf eine angedeutete Probe 8 gerichtet. Die Fokusposition wird vorzugsweise zyklisch zwischen zmin und zmax verändert, so dass in schneller Abfolge der Fokus in Z-Richtung gescannt werden kann. Alternativ ist auch die direkte Fokussierung nur mittels der TAG-Linse 7 möglich, d.h. ohne das Objektiv 6.
-
Das Licht wird von der Oberfläche zurückreflektiert, durch das optische System 5, den halbdurchlässigen Spiegel 4 durch einen weiteren Konfokalfilter (Pinhole) 9 auf einen Fotosensor 10, der eine einzelne Fotodiode sein kann, geleitet, dessen gemessenes Signal l(t) mittels einer Detektionseinrichtung 11 über die Zeit erfasst und ausgewertet wird. Es ergibt sich die Intensitätsverteilung wie bei 11 dargestellt.
-
Anhand des elektrischen Signals f(t) wird mittels der Detektionseinrichtung 11 genau diejenige Fokusposition in Z-Richtung ermittelt, die zum Signalmaximum der Intensitätskurve gehört. Daraus ergibt sich die Höhe der Probenoberfläche. Zur Steigerung der Genauigkeit und zur Verbesserung der Linearität kann der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Signal f(t) und der Fokusposition zusätzlich kalibriert werden.
-
2 zeigt eine faserbasierte Variante 12 der erfindungsmäßen Sensoranordnung. Einander entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie in 1. Die Lichtquelle 2 ist an ihrem Ausgang über eine optische Faser 13 mit einem Faserkoppler 14 verbunden. Dieser ist seinerseits über einen weiteren Faserabschnitt 15 an einen Messkopf 16 umfassend eine adaptive Optik in Form einer TAG-Linse 7 und ein Objektiv 6 gekoppelt. Der Faserkoppler 14 koppelt über einen weiteren Faserabschnitt 17 den Fotosensor 10 an, der so das an der Probe 8 reflektierte Licht empfängt. Nicht dargestellt ist die erforderliche Aus- und Einkoppeloptik zur Auskopplung des Lichts aus dem Faserabschnitt 15 bzw. in den Faserabschnitt 15.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- A. Mermillod-Blondin, E. McLeod, and C. B. Arnold, „High-speed varifocal imaging with a Tunable Acoustic Gradient index of refraction lens“, Opt. Lett. 33, Band 18, Seiten 2146 bis 2148, 2008 [0010]
