DE102022107897A1

DE102022107897A1 - Messvorrichtung basierend auf kombinierter optischer 2D- und 3D-Bilderfassungsverfahren, Fertigungssystem und Inspektionssystem

Info

Publication number: DE102022107897A1
Application number: DE102022107897.3A
Authority: DE
Inventors: Norbert Bilewicz; Markus Griesshammer
Original assignee: Besi Switzerland AG
Current assignee: Besi Switzerland AG
Priority date: 2022-04-01
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2042-04-02
Also published as: TW202405377A; DE102022107897B4; WO2023187765A1

Abstract

Messvorrichtung (100, 101, 102), welche sich auch für Fertigungs- oder Inspektionssystem eignet, umfassend eine Lichtquelle (500) zum Ausstrahlen eines Beleuchtungslichtstrahls (520) und eines Referenzlichtstrahls (510), ein Objektiv (800), welches Messlicht (530) und Referenzlicht (510) auf einen 2D-Bildsensor (200) und einen 3D-Bildsensor (300) lenkt, wobei die Messvorrichtung (100) so konfiguriert ist, dass sie die Intensität des Referenzlichts (510), das auf den 2D-Bildsensor (200) auftrifft, wesentlich reduziert, wenn sie in einem 2D-Bildgebungsmodus arbeitet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Messvorrichtung basierend auf kombinierter optischer 2D- und 3D-Bilderfassungsverfahren. Sie betrifft ferner ein Fertigungssystem sowie ein Inspektionssystem mit jeweils einer solchen Messvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Verschiedene optische Technologien zur 3D-Bilderfassungsverfahren werden aufgrund ihrer berührungslosen und zerstörungsfreien Messeigenschaften industriell eingesetzt.
Inline-fähige Messverfahren werden dabei zur Inspektion bevorzugt, um aufgrund des größeren Prozentsatzes der zu prüfenden Objekte und der Möglichkeit, schnelle Abhilfemaßnahmen zu ergreifen, wenn das System feststellt, dass beispielsweise ein Fehler in Form eines Defekts oder einer Abweichung von einer Sollgröße aufgetreten ist. Solche Abhilfemaßnahmen sind beispielsweise die Regelung von Einstellgrößen, wie beispielsweise der Druck bei Dispensionsprozessen von (Epoxy-) Klebstoffen.
Einige Fertigungssysteme, wie z.B. Halbleiter-Bestückungssysteme, erfordern eine maschinelle Bildverarbeitung für einen hohen Durchsatz mit einer einhergehenden hohen Genauigkeit bei der Platzierung von Bauteilen.
Zu diesen Technologien gehören Punkt-/Profilmessungen wie z.B. Laserlinien-Triangulation, konfokale Abtastung und bildgebende Verfahren wie z.B. Lichtfeldkameras, Streifenprojektion, Projektion von strukturiertem Licht oder Fokusvariation, sowie Lichtlaufzeit-Kameras (TOF), Weißlichtinterferometrie und parallele optische Kohärenztomographie (pOCT).
Punkt-/Profilmessungen verwenden in der Regel laterales Scannen, um eine Höhenkarte eines gewünschten Bereichs zu erzeugen, aber dies kann für Inline-Messungen zu langsam sein, und die Genauigkeit kann aufgrund von Problemen, wie z.B. Schattenbildung hinter Kanten, reduziert werden. Üblicherweise ist der gewünschte Bereich das optische Sichtfeld der Abbildungsoptik.
„Inline“ bedeutet in diesem Zusammenhang als auch im Rahmen der gesamten Erfindungsoffenbarung sowohl „innerhalb eines Fertigungsprozesses“ als auch/oder „in einem Fertigungssystem integriert“.
Bildgebende Verfahren können verwendet werden, um einzelne Bereiche innerhalb eines optischen Sichtfeldes oder mehrerer optischen Sichtfelder direkt zu vermessen bzw. Messgrößen davon zu erfassen. Es können unterschiedliche axiale und laterale (transversale) Auflösungen verwendet werden - insbesondere kann die axiale Auflösung die Genauigkeit von Höhenmessungen beeinflussen. Lichtfeldkameras und Lichtlaufzeit-Kameras bieten in der Regel axiale Auflösungen von nur etwa 0,1 mm. Eine Fokussierungsvariation mit höheren axialen Auflösungen kann aufgrund der Kopplung zwischen der axialen und der vertikalen Auflösung relativ kleine Arbeitsabstände (einige Millimeter oder weniger) erfordern. Auch das Verfahrend der sogenannten Streifenprojektion erfordert aufgrund eines für die Projektion benötigten Projektors zusammen mit zwei geneigten Kameras ein relativ großes Bauvolumen.
Bildgebende Weißlichtinterferometrie sind zwar für eine axiale Auflösung im Submikrometerbereich geeignet und im Handel sind Hochgeschwindigkeits-Smartpixelsensoren erhältlich, die so konfigurierbar sind, dass sie eine Höhenkarte einer 3D-Punktewolke innerhalb von etwa 300 ms liefern. Aber die laterale Auflösung eines solchen Bildsensors ist durch die mögliche Anzahl Pixel von etwa 280x292 oder etwa 512x560 Pixel stark begrenzt.
TECHNISCHE AUFGABE
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung für Inline-Messungen zur Verfügung zu stellen, welche trotz einer hohen Messgeschwindigkeit zur Erreichung eines hohen Durchsatzes eine hohe Bildauflösung und daraus abgeleitbare Messgenauigkeit ermöglicht und trotz dieser hohen Anforderung dennoch kompakt und damit auch kostengünstig herstellbar ist.
ERFINDUNGSBESCHREIBUNG
Zur Lösung wird eine Messvorrichtung zur Verfügung gestellt, welche eine Lichtquelle zum Ausstrahlen eines Beleuchtungslichtstrahls und eines Referenzlichtstrahls umfasst, sowie ein Objektiv, welches Messlicht und Referenzlicht auf mindestens einen 2D-Bildsensor und mindestens einen 3D-Bildgebungssensor lenkt. Die Messvorrichtung ist dabei so konfiguriert, dass sie die Intensität des Referenzlichts, das auf den 2D-Bildsensor auftrifft, wesentlich reduziert, wenn sie in einem 2D-Bilderfassungsmodus arbeitet.
Durch die Verwendung eines optischen Aufbaus, bei welchem mindestens die zuvor genannten optischen Komponenten sowohl für eine 2D-Bilderfassung als auch für eine 3D-Bilderfassung geeignet sind, kann ein kleineres Bauvolumen für sämtliche Ausführungsformen einer Messvorrichtung in Anspruch genommen werden. Das hat zum Vorteil, dass der optische Aufbau in nur einem Gehäuse unterbringbar ist, obgleich er mehrere optische Pfade sowohl für eine 2D-Bilderfassung als auch für eine 3D-Bilderfassung aufweist. Darüber hinaus kann eine Messvorrichtung mit kleinerem Bauvolumen zu einer kompakteren Ausführung des Fertigungs- bzw. des Inspektionssystems führen. Das hat den Vorteil, dass kürzere Verfahrwege für bewegte Achsen des jeweiligen Systems selbst möglich sind, was wiederum eine höhere Produktivität zur Folge hat.
Damit geht auch eine Reduktion mechanisch bedingter Störeinflüsse wie beispielsweise toleranzbedingte Abweichungen oder Bauteilversatz einher, was zu optimal aufeinander abgestimmte Messergebnisse der Sensoren aufgrund einem aufbaubedingten reduzierten Offset führt.
Auch ist durch die Verwendung derselben Lichtquelle und im Wesentlichen derselben optischen Elemente nicht nur mit geringerem Montageaufwand oder geringeren Bauteil- und Fertigungskosten verbunden, sondern hat auch den positiven Effekt der Verwendung derselben Lichteigenschaften, wie Ausleuchtung oder Lichtstärke, auf eine zusätzliche Abstimmung der Messergebnisse zueinander, was auch zu einer besseren Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse führt.
Zusätzlich wird durch die Verwendung derselben Lichtquelle und im Wesentlichen derselben optischen Elemente ein schnelleres Umschalten zwischen 2D-Bilderfassung und 3D-Bilderfassung innerhalb einer vorgebbaren Zeit ermöglicht als es bei herkömmlichen Systemen der Fall ist, was für die Inline-Messung, sehr vorteilhaft ist.
Der Vorteil ist nämlich, dass für maschinelle Bildverarbeitung Daten zur Erstellung hochauflösender Bilder zur Verfügung gestellt werden, welche nebst einer daraus ableitbaren Messgenauigkeit auch eine hohe Messgeschwindigkeit sowohl in lateraler als auch in axialer Richtung mit einem hohen Durchsatz und einer damit einhergehendenhochgenauen und schnellen Platzierung von Bauteilen aufweist, wobei aufbaubedingte Messfehler der Messvorrichtung selbst auf ein Minimum reduziert sind.
„Inline“ bedeutet im Rahmen der gesamten Erfindungsoffenbarung sowohl „innerhalb eines Fertigungsprozesses“ als auch/oder „in einem Fertigungssystem integriert“.
Gemäß einem Aspekt wird die erfindungsgemässe Aufgabe durch eine Messvorrichtung gelöst, die einen ersten Bildsensor zur 2D-Bilderfassung und einen zweiten Bildsensor zur 3D-Bilderfassung umfasst, wobei die Messvorrichtung so konfiguriert und angeordnet ist, dass sie auf einen gemeinsamen Bereich eines Objekts fokussierbar ist, wobei die Messvorrichtung eine Lichtquelle umfasst, die so konfiguriert und angeordnet ist, dass im Betrieb ein Beleuchtungslichtstrahl auf den gemeinsamen Bereich ausstrahlbar ist, und die Lichtquelle zudem so konfiguriert und angeordnet ist, dass ein Referenzlichtstrahl auf den zweiten Bildsensor ausstrahlbar ist. Zudem umfasst eine Messvorrichtung ein Objektiv, das mindestens ein optisches Element umfasst, das so angeordnet ist, dass im Gebrauch Licht, welches von dem gemeinsamen Bereich als zu messendes Licht in Form eines Messlichtstrahls reflektierbar ist, gemeinsam mit dem Referenzlichtstrahl der Lichtquelle, in das Objektiv eintritt. Das Objektiv ist dazu so ausgebildet und angeordnet, um mindestens einen Teil des Messlichtstrahls auf den ersten Bildsensor und auf den zweiten Bildsensor zu lenken und zu fokussieren, sowie um mindestens einen Teil des Referenzlichtstrahls auf den zweiten Bildsensor zu lenken und zu fokussieren. Zudem ist die Messvorrichtung so ausgebildet und angeordnet ist, um die Intensität des Referenzlichtstrahls, der an dem ersten Bildsensor empfangen wird, gegenüber der Intensität des Messlichtstrahls zu reduzieren, wenn die Messvorrichtung in einem 2D-Bildgebungsmodus betrieben wird.
Die Messvorrichtung kombiniert die 2D-Bilderfassung und 3D-Bilderfassung in einem optischen Aufbau unter Verwendung derselben Beleuchtungsoptik und derselben Abbildungsoptik.
Die Messvorrichtung behält dadurch die Vorteile einer optischen Messung, wie beispielsweise des berührungslosen und/oder zerstörungsfreien Messens, bei. Zudem werden bei der 2D-Bilderfassung Daten für Bilder mit relativ hoher lateraler Auflösung, nämlich im Mikrometerbereich und darunter, erfasst und zur Verfügung gestellt und bei der 3D-Bilderfassung werden Daten für Bilder mit einer relativ hohen axialen Auflösung, nämlich im Mikrometerbereich, erfasst und, vorzugsweise zur Erstellung von 3D-Höhenkarten, zur Verfügung gestellt.
Durch eine signifikante Unterdrückung des Referenzlichtstrahls, der den ersten Bildsensor während eines Betriebs im 2D-Bilderfassungsmodus erreicht, kann dadurch der dynamische Messbereich vergrössert werden und sowohl die Genauigkeit der 2D-Bilderfassung als auch die Genauigkeit der Messergebnisse der kombinierten 2D-Bilderfassung und 3D-Bilderfassung erhöht werden.
Zusätzlich kann die Verwendung des gleichen optischen Aufbaus sowohl für die 2D-Bilderfassung als auch für die 3D-Bilderfassung ein kleineres Bauvolumen ermöglichen, wodurch eine Vielzahl an Integrationsmöglichkeiten in Fertigungssystemen zur Verfügung stehen. Es kann auch den durchschnittlichen Herstellungspreis einer solchen Messvorrichtung senken, indem die Anzahl der erforderlichen Komponenten reduziert wird.
Zusätzlich kann die Messvorrichtung so konfiguriert und angeordnet werden, um schnell zwischen einem Modus für die 2D-Bilderfassung und einem Modus für die 3D-Bilderfassung umzuschalten, was für Inline-Messungen aufgrund der Zeitersparnis von großem Vorteil ist.
Ausführungsformen einer Messvorrichtung umfassen Bilderfassungssensoren, die speziell für 2D-Bilderfassung bzw. 3D-Bilderfassung ausgelegt sind. Dazu können beliebige geeignete Bildsensoren verwendet werden, sofern sie im 2D-Bilderfassungsmodus bzw. im 3D-Bilderfassungsmodus geeignete Daten zur Verfügung stellen können. In einigen Fällen kann es möglich sein, einen für 3D-Bilderfassung ausgelegten Bildsensor in einem 2D-Bilderfassungsmodus zu verwenden. Als besonders vorteilhaft hat sich in der Praxis erwiesen, wenn der erste Bildsensor ein 2D-Bildsensor ist und der zweite Bildsensor ein 3D-Bildsensor ist, oder der erste Bildsensor ebenfalls ein 3D-Bildsensor ist, der aber so ausgebildet und angeordnet ist, dass er im 2D-Bilderfassungsmodus betreibbar ist.
Ausführungsformen einer Messvorrichtung umfassen einen zweiten Bildsensor, der für bildgebende Weißlichtinterferometrie zur Erstellung der 3D-Höhenkarten mit relativ hoher axialer Auflösung im Rahmen der 3D-Bilderfassung geeignet ist.
Ausführungsformen einer Messvorrichtung sind zudem so ausgebildet und angeordnet, sodass ein signifikanter Teil des Referenzlichtstrahls von dem Objektiv in Richtung des zweiten Bildgebungssensors durchlassbar ist, wenn sie in einem 3D-Bilderfassungsmodus arbeitet, wobei die Messvorrichtung zusätzlich noch einen ersten Lichtverteiler umfassen kann, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Messlichtstrahl von dem Objektiv empfangbar ist.
Derartige Ausführungsformen einer Messvorrichtung können zusätzlich auch so ausgebildet sein, dass ein erster Teil des Messlichtstrahls auf den ersten Bildsensor lenkbar ist und/oder ein zweiter Teil des Messlichtstrahls auf den zweiten Bildsensor lenkbar ist.
Es kann vorteilhaft sein, ein höheres Maß an gemeinsamen optischen Elementen für jeden optischen Pfad zur Verfügung zu stellen.
Insbesondere kann der Platz in der Nähe der Bildsensoren für weitere Aktuatoren begrenzt sein, so dass es bei Nichtverwendung dieser Sensoren möglich sein kann, die Messvorrichtung im Bauvolumen zu verkleinern.
Zusätzlich kann die Reduzierung des Bedarfs an Elementen, die die optischen Pfade zu den Bildsensoren erheblich verändern oder stören können, höhere Umschaltraten zwischen den Modi ermöglichen, wenn Messstörungen und/oder Einschwingzeiten reduziert werden.
Zusätzlich ist es vorzuziehen, dass sowohl für die 3D-Bilder als auch für die 2D-Bilder im Wesentlichen der gleiche gemeinsamen Bereich aufgenommen wird, d.h. das sowohl die 3D-Bilder als auch für die 2D-Bilder Aufnahmen des gleichen optischen Sichtfeldes zeigen und allenfalls geringfügige Abweichung des auf den Bildern abgebildeten Sichtfeldes aufweisen. Dies kann beispielsweise durch eine geringfügige Verschiebung des optischen Sichtfeldes bei der Aufnahme bedingt sein. Dies kann sowohl höhere Umschaltraten zwischen einem 2D-Bilderfassungsmodus und einem 3D-Bilderfassungsmodus ermöglichen als auch eine höhere Messgenauigkeit, insbesondere bei einer Volumenmessung, da es zwischen den beiden Bildaufnahmen zu keiner Achsenverfahrung, also einem mechanischen Verfahren entlang einer Bewegungsachse des Aufbaus, kommt.
Ausführungsformen einer Messvorrichtung sind zudem so ausgebildet und angeordnet, dass die Intensität des Referenzlichtstrahls entlang des optischen Pfads des Referenzlichtstrahls reduzierbar ist. Vorteilhafterweise erfolgt die Reduzierung der Intensität zwischen dem Objektiv und der Lichtquelle, zwischen dem ersten oder dem zweiten Lichtverteiler und den Bildgebungssensoren, oder die Reduzierung der Intensität ist in der Lichtquelle selbst bewirkbar.
Durch Reduzierung der Intensität in der Nähe der Quelle des Referenzlichtstrahls kann ein noch höheres Maß an gemeinsamen optischen Elementen für jeden optischen Pfad bereitgestellt werden. Insbesondere ist der optische Pfad für die Messungen entweder im 2D-Bilderfassungsmodus oder im 3D-Bilderfassungsmodus im Wesentlichen gleich. Dadurch können Messstörungen und/oder Einschwingzeiten zusätzlich reduziert werden. Zusätzlich oder alternativ kann dadurch eine Messvorrichtung mit einem noch kleineren Bauvolumen zur Verfügung gestellt werden.
Dies kann von Vorteil sein, da aufgrund der höheren Geschwindigkeit für vereinfachtes Umschalten relativ schnelle Messungen durchführbar sind. Zum Beispiel größer oder gleich 1 Hz, was besonders bei Inline-Messungen vorteilhaft ist.
Ausführungsformen einer Messvorrichtung umfassen einen Strahlintensitätsreduzierer in Form eines oder mehrerer der folgenden Elemente, nämlich einer oder mehrerer Blenden, einem oder mehrerer Verschlüsse, einem oder mehrerer mechanischen Irise, einem oder mehrerer Spiegeln, einem oder mehrerer dichroitischen Spiegeln, einem oder mehrerer dielektrischen Spiegeln, einem oder mehrerer Prismen, einem oder mehrerer Eckwürfeln, einem oder mehrerer Strahlteilern, einem oder mehrerer Linsenelementen, einer oder mehrerer Beschichtungen, einem oder mehrerer optischen Filter, einer oder mehrerer Kompensationsplatten und/oder einer beliebigen Kombination davon, als zusätzliches Element oder Elemente, der oder die so ausgebildet und angeordnet ist oder sind, dass die Intensität des vom ersten Bildgebungssensor empfangenen Referenzlichtstrahls beim Betrieb im 2D-Bilderfassungsmodus dadurch wesentlich reduzierbar ist.
Ausführungsformen einer Messvorrichtung umfassen einen ersten Lichtverteiler, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Messlichtstrahl von dem Objektiv empfangbar ist, und dass ein erster Teil des Messlichtstrahls auf den ersten Bildsensor lenkbar ist und/oder ein zweiter Teil des Messlichtstrahls auf den zweiten Bildsensor lenkbar ist.
Vorzugsweise ist bei diesen Ausführungsformen einer Messvorrichtung der erste Lichtverteiler zudem so ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Betrieb in einem 3D-Bilderfassungsmodus, der Referenzlichtstrahl von dem Objektiv empfangbar ist, und dass zumindest ein Teil des Referenzlichtstrahls in Richtung des zweiten Bilderfassungssensors durchlassbar ist.
Zudem kann bei bevorzugten Ausführungsformen einer Messvorrichtung der erste Lichtverteiler eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: einen Spiegel, einen dichroitischen Spiegel, einen dielektrischen Spiegel, ein Prisma, einen Eckwürfel, einen Strahlteiler, ein optisches Element, eine Beschichtung, einen optischen Filter, eine Kompensationsplatte und/oder eine beliebige Kombination davon.
Ausführungsformen einer Messvorrichtung umfassen zudem ein Objektiv, dass eine oder mehrere Verbundlinsen umfasst, wobei das Objektiv vorzugsweise ein telezentrisches Objektiv mit objektseitiger, bildseitiger oder beidseitiger Telezentrie ist.
Vorzugsweise sind Ausführungsformen einer Messvorrichtung so ausgebildet und angeordnet, dass sie ein oder mehrere Sichtfelder des gemeinsamen Bereichs des Objekts zur Verfügung stellen.
Ausführungsformen einer Messvorrichtung umfassen zudem einen zweiten Lichtverteiler, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Betrieb in einem 3D-Bilderfassungsmodus ein einfallender Lichtstrahl von der Lichtquelle empfangbar ist, und zumindest ein Teil des einfallenden Lichtstrahls als Beleuchtungslichtstrahl auf den gemeinsamen Bereich lenkbar ist, und zumindest ein Teil des einfallenden Lichts als Referenzlichtstrahl auf das Objektiv lenkbar ist.
Es kann vorteilhaft sein, für jeden optischen Pfad ein noch höheres Maß an gemeinsamen optischen Elementen zur Verfügung zu stellen. Dies führt zur Reduzierung von Störeinflüsse, insbesondere bei der Modus-Umschaltung.
Ausführungsformen einer Messvorrichtung sind so konfiguriert und angeordnet, dass sie in einem 3D-Bilderfassungsmodus wie Weißlichtinterferometrie, optische Kohärenztomographie (OCT), parallele optische Kohärenztomographie (pOCT) oder irgendeiner Kombination davon betreibbar sind.
Mit allen diesen und weiteren möglichen Ausführungsformen einer Messvorrichtung ist es aufgrund der kombinierten optischen 2D-Bilderfassung und 3D-Bilderfassung möglich, die Bestimmung von Volumina oberflächendispensierter Medien anhand der mittels 2D-Bilderfassung in lateraler Richtung und anhand der mittels 3D-Bilderfassung in lateraler Richtung axialer Richtung erfassten Messdaten durchzuführen.
Mit allen diesen und weiteren möglichen Ausführungsformen einer Messvorrichtung ist es aufgrund der kombinierten optischen 2D-Bilderfassung und 3D-Bilderfassung möglich, topologische Oberflächenmessungen sowie Rauheitsmessungen grösserer bzw. zusammenhängender Flächen anhand der mittels 2D-Bilderfassung in lateraler Richtung und anhand der mittels 3D-Bilderfassung in lateraler Richtung axialer Richtung erfassten Messdaten durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fertigungssystem zum Sortieren von Objekten und/oder zum Bestücken eines Substrats mit einem Objekt bereitgestellt, welches ein Bilderfassungssystem mit einer oder mehreren Messvorrichtungen sowie mindestens einen Bestückungskopf mit jeweils mindestens einem Werkzeug, um das Objekt wiederlösbar zu halten, ein Robotersystem zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Bestückungskopf und dem Substrat und ein Bilderfassungssystem zum Erfassen eines oder mehrerer gemeinsamer Bereiche eines zu erfassenden Objekts umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Inspektionssystem bereitgestellt, welches ein Bilderfassungssystem mit einer oder mehreren Messvorrichtungen zum Erfassen eines oder mehrerer Sichtfelder eines zu inspizierenden Objekts sowie einen Prozessor umfasst, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass er einen oder mehrere Messwerte des zu inspizierenden Objekts aus dem einen oder den mehreren Sichtfeldern ableitet. Zudem ist mittels dem Prozessor aus dem einen oder den mehreren Messwerten bestimmbar, ob ein Fehler in Form eines Defekts oder einer Abweichung von einer Sollgrösse bei dem zu inspizierenden Objekt aufgetreten ist.
Die besondere Ausgestaltung dieser Aspekte als Bestückungs- oder Inspektionssystem, die eine Ausführungsform der zuvor beschriebenen Messvorrichtung umfasst, hat zum Vorteil, dass die Verwendung einer Messvorrichtung mit reduziertem Bauvolumen und hohen Schaltgeschwindigkeiten es ermöglicht, dass Inline-Messungen in der Fertigung von Bauteilen und/oder Baugruppen nicht nur im Bereich der Halbleiterbauelemente, sondern jeglicher Art von Bauteilen und/oder Baugruppen einsetzbar sind.
In einigen Fällen, in denen das Bilderfassungssystem, das eine oder mehrere Messvorrichtung umfasst, zu bewegen ist, kann auch ein geringeres Gewicht aufgrund einer geringeren Anzahl an Komponenten von Vorteil sein.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Figuren und der ausführlichen Beschreibung, nämlich

1A zeigt schematisch einen Aufbau einer Messvorrichtung im 2D-Bilderfassungsmodus;
1B zeigt schematisch einen Aufbau einer Messvorrichtung im 3D-Bilderfassungsmodus;
2A zeigt schematisch einen Ausschnitt des Aufbaus einer Messvorrichtung im 2D-Bilderfassungsmodus;
2B zeigt schematisch einen Ausschnitt des Aufbaus einer Messvorrichtung im 3D-Bilderfassungsmodus;
3A zeigt eine Draufsicht auf den Aufbau einer Messvorrichtung im 2D-Bilderfassungsmodus; und
3B zeigt eine Draufsicht auf den Aufbau einer Messvorrichtung im 3D-Bilderfassungsmodus.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung werden zahlreiche nicht einschränkende spezifische Details zum besseren Verständnis angegeben.
1A und 1B zeigen jeweils schematisch einen Aufbau einer Ausführungsform einer Messvorrichtung, hier als Messvorrichtung 100, die wie in 1A dargestellt, in einem 2D-Bilderfassungsmodus arbeitet bzw. wie in 1B dargestellt, in einem 3D-Bilderfassungsmodus arbeitet. Die Messvorrichtung 100 ist so konfiguriert und angeordnet, dass sie auf ein Objekt 900, wie beispielsweise einem Bauteil, fokussiert wird, um ein 2D-Bild oder ein 3D-Bild eines gemeinsamen Bereichs 950 des Objekts 900 zu erzeugen. Die Messvorrichtung 100 umfasst mindestens die zwei schematisch angedeuteten lichtempfindliche Elemente in Form der beiden Bildsensoren 200, 300. Als ein lichtempfindliches Element hat sich zur Verwendung als Bildsensor vorzugsweise eine Anordnung von Photodioden oder eines sogenannten „Position Sensitive Device“, auch als PSD-Chip bezeichnet, erwiesen. Die Verwendung von einem CCD-Photodetektor oder einem CMOS-Photodetektor hat sich dabei ebenso vorteilhaft erwiesen.
Vorzugsweise sind bei Ausführungsformen der Messvorrichtung beide Bildsensoren unterschiedlich ausgeführt, sodass ein Bildgebungssensor als eine Anordnung von Photodioden oder als ein sogenannter „Position Sensitive Device“ bzw. PSD-Chip ausgeführt ist und der zweite Bildsensor als ein CCD-Photodetektor oder als ein CMOS-Photodetektor ausgeführt ist.
Bei Ausführungsformen der Messvorrichtung können beide Bildgebungssensoren auch jeweils vom gleichen Typ sein und jeweils als Anordnung von Photodioden oder als „Position Sensitive Device“ bzw. PSD-Chip ausgeführt sein oder jeweils als CCD-Photodetektor oder als CMOS-Photodetektor ausgeführt sein.
Insbesondere umfasst die Messvorrichtung 100 einen ersten Bildsensor 200, der für 2D-Bilderfassung geeignet ist, z.B. einen relativ hochauflösenden Schwarz-Weiß- oder Farbbildsensor. Ein solcher Bildsensor für 2D-Bilderfassung, auch also ein 2D-Bildsensor bezeichnet, ermöglicht es der Messvorrichtung ein Bild anhand erfasster Daten des gemeinsamen Bereichs 950 einer Objekttiefenebene zu erstellen, die zum Zeitpunkt der Messung im Fokus war. Ein solcher Bildsensor ermöglicht es auch seitliche Messungen durchzuführen, das heisst Messungen quer über das Sichtfeld, an einer axialen Position entlang einer Achse eines Beleuchtungslichtstrahls 520 oder entlang der Z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, wobei dessen X-Achse und dessen Y-Achse eine Ebene aufspannen, in welcher der gemeinsame Bereich 950 liegt. Das Sichtfeld der Messvorrichtung 100 ist ungefähr senkrecht zur Achse des Beleuchtungslichtstrahls 520, wobei sich bei Versuchen gezeigt hat, dass geringe Winkelabweichungen von bis zu 0,75° tolerierbar sind.
Weiterhin umfasst die Messvorrichtung 100 zudem einen zweiten Bildsensor 300, der für 3D-Bilderfassung geeignet ist. Ein solcher Bildsensor für 3D-Bilderfassung, auch als ein 3D-Bildsensor bezeichnet, ermöglicht es der Messvorrichtung, Daten von Oberflächenbeschaffenheiten zu erfassen und in Form einer 3D-Punktwolke zur Verfügung zu stellen. Dafür eignet sich beispielsweise ein Bildsensor, der mehrere Pixel umfasst, mit welchen eine solche 3D-Punktwolke erzeugbar ist. Die Höheninformation wird aus einer Bildsequenz generiert, die z.B. auf Weißlichtinterferometrie, optischer Kohärenztomographie (OCT), paralleler optischer Kohärenztomographie (pOCT) oder einer beliebigen Kombination davon basiert.
Ein geeigneter 3D-Bildsensor weist bevorzugt eine laterale Auflösung von mindestens 280x292 Pixeln unter Verwendung von Prozessdetektoren mit gepinnter Fotodioden auf. Die Zeilen- und Spaltenabstände betragen vorzugsweise 40 Mikrometer (µm) oder weniger, und der Quantenwirkungsgrad η liegt idealerweise bei 20-60% zwischen 330 und 400 nm, vorzugsweise bei 60-80% zwischen 400 Nanometer (nm) und 720 nm und besonders bevorzugt bei 60-20% zwischen 720 nm und 900 nm. Idealerweise sind mit einem besonders geeigneten 3D-Bildsensor 300 mehr als 1 Million Bilder pro Sekunde erfassbar und verarbeitbar.
Die Messvorrichtung 100 umfasst außerdem eine Lichtquelle 500, die so konfiguriert und angeordnet ist, dass sie im Gebrauch einen Beleuchtungslichtstrahl 520 in Richtung des gemeinsamen Bereichs 950 ausstrahlt. Der Beleuchtungslichtstrahl 520 ist als Pfeil einer durchgezogenen Linie dargestellt. Vorzugsweise ist die Lichtquelle 500 eine niederkohärente Lichtquelle 500, wie z.B. eine LED. Zum Beispiel eine LED-Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 650 nm und einer Bandbreite von +/- 20 nm. Niedrigkohärente Quellen sind solche, deren spektrale Breite (volle Breite bei halber maximaler Halbwertsbreite (FWHM)) 1% der mittleren Wellenlänge überschreitet.
Die Lichtquelle 500 ist zudem so konfiguriert und angeordnet, dass sie einen Referenzlichtstrahl 510 in Richtung des zweiten Bildsensors 300 ausstrahlt. Dies ist in 1A nicht dargestellt, da der Referenzlichtstrahl 510 in seiner Intensität erheblich reduziert wird, wenn die Messvorrichtung 100 im 2D-Bilderfassungsmodus arbeitet. In 1B ist der Referenzlichtstrahl 510 als gestrichelter Linienpfeil dargestellt, da der Referenzlichtstrahl 510 verwendet wird, wenn das Messgerät 100 im 3D-Bilderfassungsmodus arbeitet.
Die Messvorrichtung 100 umfasst außerdem ein Objektiv 800, das mindestens ein optisches Element, vorzugsweise eine Abbildungslinse, umfasst, das so angeordnet ist, dass im Betrieb Licht, das von dem gemeinsamen Bereich 950 als Messlichtstrahl 530 reflektiert wird, und der Referenzlichtstrahl 510 von der Lichtquelle 500 in das Objektiv 800 gemeinsam als Licht 540 eintreten. Vorzugsweise umfasst das Objektiv 800 eine oder mehrere Verbundlinsen. Zusätzlich kann das Objektiv 800 ein telezentrisches Objektiv mit objektseitiger, bildseitiger oder beidseitiger Telezentrie sein. Dadurch sind Vergrößerungsänderungen reduzierbar, wenn sich der axiale Abstand in vertikaler Richtung entlang der Z-Achse zum Objekt ändert.
Das Objektiv 800 ist so konfiguriert und angeordnet, dass mindestens ein Teil des Messlichtstrahls 530 auf den ersten Bildsensor 200 und auf den zweiten Bildsensor 300 gelenkt und fokussiert wird; und mindestens ein Teil des Referenzlichtstrahls 510 auf den zweiten Bildsensor 300 gelenkt und fokussiert wird.
Die Messvorrichtung 100 ist zudem so konfiguriert und angeordnet, dass die Intensität des Referenzlichtstrahls 510, der am ersten Bildgebungssensor 200 empfangen wird, wesentlich reduziert wird, wenn sie im 2D-Bilderfassungsmodus von 1A betrieben wird.
Während des Betriebs in einem 3D-Bildmodus, wie in 1B dargestellt, wird der von der Lichtquelle 500 erzeugte Beleuchtungslichtstrahl 520, dargestellt als durchgezogener Linienpfeil, in Richtung des Objekts 900 ausgestrahlt und (in 1 nicht dargestellt) auf den gemeinsamen Bereich 950 fokussiert. Mindestens ein Teil des Beleuchtungslichtstrahls 520 wird von dem gemeinsamen Bereich 950 reflektiert, der in dem von der Lichtquelle 500 ausgesandten Licht reflektierend oder optisch lichtdurchlässig ist.
Nach dem Reflektieren des Messlichtstrahls 530 durch das Objekt 900 tritt der reflektierte Messlichtstrahl 530, dargestellt durch einen durchgezogenen Linienpfeil, in das Objektiv 800 ein, welche den Messlichtstrahl 530 auf den zweiten Bildsensor 300 lenkt und fokussiert.
Der von der Lichtquelle 500 erzeugte Referenzlichtstrahl 510, dargestellt als strichlierter Linienpfeil, wird in Richtung des Objektivs 800 ausgestrahlt, welche den Referenzlichtstrahl 510 auf den zweiten Bildsensor 300 lenkt und fokussiert.
Der zweite Bildsensor 300 ist so konfiguriert und angeordnet, dass er den Messlichtstrahl 530 und den Referenzlichtstrahl 510 von dem Objektiv 800 empfängt und den Messlichtstrahl 530 und den Referenzlichtstrahl 510 auf dem zweiten Bildsensor 300 kombiniert.
Der in 1A dargestellte im 2D-Bilderfassungsmodus betriebene Aufbau, ist bis auf den ersten Bildsensor 200, derselbe wie der in 1B dargestellte im 3D-Bilderfassungsmodus betriebene Aufbau. Der ersten Bildsensor 200 ist in 1A so konfiguriert und angeordnet ist, dass dieser anstelle des zweiten Bildsensors 300 in 1B, den Messlichtstrahl 530 und den Referenzlichtstrahl 510 von dem Objektiv 800 empfängt. Wie schematisch dargestellt, ist die Messvorrichtung 100 so konfiguriert und angeordnet, dass der erste Bildsensor 200 in einer Linie mit dem Austrittsstrahl des Objektivs 800 angeordnet ist. Der erste Bildsensor 200 und der zweite Bildsensor 300 können z.B. in einem geeignet konfigurierten linearen Austauschkopf, einem geeignet konfigurierten drehbaren Revolver oder ähnlichem enthalten sein. Die Messvorrichtung 100 ist zudem so konfiguriert und angeordnet, dass die Intensität des Referenzlichtstrahls 510, die am ersten Bildsensor 200 empfangen wird, wesentlich reduziert wird.
Im Rahmen der Beschreibung gilt in diesem Zusammenhang für diese und alle weiteren Ausführungsformen, dass „wesentlich reduzieren“ als eine Reduktion der Intensität des Referenzlichtstrahls 510, der am ersten Bildsensor 200 empfangen wird von mindestens 80%, oder vorzugsweise eine Reduktion von mindestens 90% oder auch eine Reduktion von 95% und besonders bevorzugt eine Reduktion von mindestens 98% bis 99%im Vergleich zu dem Referenzlichtstrahl 510, der den zweiten Bildsensor 300 im 3D-Bilderfassungsmodus erreicht, bedeutet, oder der Referenzlichtstrahl 510 auslöschbar ist.
Eine solche Reduktion kann vorzugsweise durch eine oder mehrere Softwaresteuerungen erreicht werden, die einen oder mehrere Betriebsparameter der Lichtquelle 500 entsprechend ändern.
Eine solche Reduktion kann vorzugsweise aber auch durch einen Strahlintensitätsreduzierer 700 oder mehrere mechanische Elemente zur Strahlintensitätsreduktion erreicht werden, die mindestens einen Teil des Referenzlichtstrahls 510 zwischen der Lichtquelle 500 und dem ersten Bildsensor 200 blockieren, wie z.B. einen Verschluss und/oder eine Blende und/oder eine mechanische Iris und/oder einen Spiegel und/oder einen dichroitischen Spiegel und/oder einen dielektrischen Spiegel und/oder ein Prisma und/oder einen Eckwürfel und/oder einen Strahlteiler und/oder ein Linsenelement und/oder eine Beschichtung und/oder einen optischen Filter und/oder eine Kompensationsplatte. Der Fachmann kann auch ein oder mehrere optische Elemente in Betracht ziehen, die mindestens einen Teil des Referenzlichtstrahls 510 von seinem optischen Pfad für die 3D-Bilderfassung zwischen der Lichtquelle 500 und dem ersten Bilderfassungssensor 200 weglenken, wie z.B. einen Spiegel, einen dichroitischen Spiegel, einen dielektrischen Spiegel, ein Prisma, einen Eckwürfel oder einen Strahlteiler. Der Fachmann kann auch ein oder mehrere optische Elemente in Betracht ziehen, die eine oder mehrere optische Eigenschaften von mindestens einem Teil des Referenzlichtstrahls 510 zwischen der Lichtquelle 500 und dem ersten Bildsensor 200 ändern, wie z.B. ein Linsenelement, eine Beschichtung, einen optischen Filter oder eine Kompensationsplatte, und/oder eine beliebige Kombination davon. Beispielsweise kann der Strahlintensitätsreduzierer 700 so geändert werden, dass er für das von der Lichtquelle 500 ausgesandte Licht in hohem Maße optisch absorbierend sind.
In dieser Ausführungsform können die oben erwähnten Mittel, die verwendet werden, um die Intensität wesentlich zu reduzieren, im ersten Bildsensor 200 enthalten sein, zwischen dem ersten Bildsensor 200 und dem Objektiv 800 angeordnet sein, in dem Objektiv 800 enthalten sein, zwischen dem Objektiv 800 und der Lichtquelle 500 angeordnet sein, in der Lichtquelle 500 enthalten sein, oder eine beliebige Kombination davon.
Vorzugsweise sind die oben genannten Mittel hauptsächlich an Stellen entlang des optischen Pfads zwischen dem Objektiv 800 und der Lichtquelle 500 eingesetzt und/oder in der Lichtquelle 500 enthalten, da dies den Anteil des gemeinsamen optischen Pfads vergrössert, der sowohl im 2D-Bilderfassungsmodus als auch im 3D-Bilderfassungsmodus verwendet wird. Dies kann einen hohen Grad an Komponentenintegration ermöglichen, welcher das Bauvolumen der Messvorrichtung 101 reduzieren kann. Dies kann sich letztlich auch zu tieferen Herstellungskosten aufgrund einer geringeren Anzahl an Komponenten auswirken.
Eine der Erkenntnisse, auf denen die Erfindung beruht, ist, dass viele konventionelle Messvorrichtungen für 2D-Bilderfassungen bzw. 3D-Bilderfassungen es ermöglichen, einen signifikanten Teil des Referenzlichtstrahls auf den 2D-Bildsensor zu lenken bzw. auftreffen zu lassen. Die Erfinder haben erkannt, dass in einigen Konfigurationen dies die Gesamtintensität des auf den 2D-Bildsensor auftreffenden Lichts erhöhen kann, wodurch ein Offset in den Messungen verursacht wird, der den dynamischen Bereich während einer Messungen im 2D-Bilderfassungsmodus effektiv reduzieren kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann in einigen Konfigurationen diese Interferenz durch den Referenzlichtstrahl das Bild stören und das Messergebnis, insbesondere die Genauigkeit der Messung beeinflussen. Durch signifikante Unterdrückung des Referenzlichtstrahls 510, der den ersten Bildsensor 200 während der 2D-Bilderfassung erreicht, können sowohl der dynamische Bereich und die Genauigkeit der 2D-Bilderfassung als auch der dynamische Bereich und die Genauigkeit der Ergebnisse der kombinierten 2D-Bilderfassung bzw. 3D-Bilderfassung verbessert werden.
Zusätzlich kann die Messvorrichtung 100 so konfiguriert und angeordnet werden, dass schnell zwischen 2D-Bilderfassungsmodus und 3D-Bilderfassungsmodus umgeschaltet werden kann, was für Inline-Messungen sehr vorteilhaft ist.
Die Messvorrichtung 100 ist auch so konfiguriert und angeordnet, dass sie während des Vorgangs der 3D-Bilderfassung eine Vielzahl von axialen Positionen (auch axialer oder Z-Scan genannt) abbildet. Dies kann z.B. durch axiales Bewegen des Objekts 900 in Richtung auf die Ausgangsöffnung der Messvorrichtung 100 zu und/oder von ihr weg erfolgen. Dies kann z.B. auch durch Verschieben eines oder mehrerer optischer Elemente erfolgen, die mindestens einen Teil des Referenzlichtstrahls 510, des Beleuchtungslichtstrahls 520, des Messlichtstrahls 530 oder einer beliebigen Kombination davon schneiden. Dies kann z.B. auch durch Ändern einer oder mehrerer optischer Eigenschaften eines Elements erfolgen, die mindestens einen Teil des Referenzlichtstrahls 510, des Beleuchtungslichtstrahls 520, des Messlichtstrahls 530 oder einer beliebigen Kombination davon schneiden. Dies kann z.B. auch durch eine beliebige Kombination davon erfolgen, nämlich durch das axiale Bewegen und/oder durch das Verschieben und/oder durch das Ändern.
Während des axialen oder Z-Scans werden kontinuierlich Bilder mit dem 3D (zweiten) Bildsensor 300 erfasst.
Während der 2D-Bilderfassung können ein oder mehrere Bilder mit dem 2D (ersten) Bildsensor 200 an einer festen axialen Position erfasst werden. Das erfasste Bild des gemeinsamen Bereichs 950 wird daher durch das nominell fokussierte Sichtfeld und benachbarte axiale Positionen bestimmt, welche aufgrund der Tiefenschärfe (DOF) der Messvorrichtung 100 ebenfalls fokussiert sind.
Vorzugsweise wird das Gerät so konfiguriert und angeordnet, dass eine 3D-Bilderfassung mittels paralleler optischer Kohärenztomographie (pOCT) möglich ist. pOCT basiert auf bildgebender Weißlichtinterferometrie und stellt typischerweise eine axiale Auflösung im Submikrometerbereich zur Verfügung. Wie im Folgenden beschrieben ist, wird der aus der Lichtquelle 500 austretende Lichtstrahl vorzugsweise in einen Beleuchtungslichtstrahl 520 und einen Referenzlichtstrahl 510 aufgeteilt. Nach dem Reflektieren des Messlichtstrahls 530 am Objekt 900 treffen der reflektierte Messlichtstrahl 530 und der Referenzlichtstrahl 510 gemeinsam auf den zweiten Bildsensor 300. Dabei wird jeder einzelne Laufzeitunterschied des Lichts aufgrund der durch Oberflächentopologie bedingten verschiedenen Längen des optischen Pfades des gemeinsamen Bereichs 950, welcher das Interferenzsignal auf dem zweiten Bildsensor 300 moduliert und seitlich durch die Sensorpixel aufgelöst wird, gemessen.
Die Höhenkarte des gemeinsamen Bereichs 950 kann anschließend aus diesem Laufzeitunterschied des Lichts abgeleitet werden. Jedes Pixel stellt ein moduliertes Signal mit einer abklingenden Hüllkurve zur Verfügung - das Signal ist maximal, wenn die Länge des optischen Pfades bzw. die resultierende Laufzeitdifferenz des Referenzlichtstrahls 510 und des Probenlichtstrahls (der Beleuchtungslichtstrahl 520 + der Messlichtstrahl 530) gleich sind. Daraus kann der zugehörige gemeinsame Bereich 950 Höhe bestimmt werden.
Beispielsweise kann mit einem smartpixelsensorbasierten Kameraaufbau eine Serie von Bildern an mehreren axialen Positionen mit kHz-Frequenzen aufgenommen und mit Hilfe eingebetteter Elektronik verarbeitet werden. Eine 3D-Höhenkarte kann dann innerhalb von etwa 300 ms zur Verfügung gestellt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Punkt-/ Profilmessungen ist kein zeitaufwändiges laterales Abtasten (sogenanntes Scannen) erforderlich. Die begrenzte laterale Auflösung eines Smartpixelsensors typischerweise auf etwa 280x292 Pixeln kann durch eine kombinierte Messung mit einer hohen lateralen Auflösung, wie z.B. einem Zwölf-Megapixel-2D-Bildsensor mit z.B. 3000 x 4000 Pixeln, zumindest teilweise kompensiert werden.
Weitere Einzelheiten zum pOCT-basierten Messablauf findet sich in „Parallele Optische Kohärenz-Tomographie (pOCT) für die industrielle 3D-Inspektion“, Patrick Lambelet, „Optische Messsysteme für die industrielle Inspektion VII“, Proc. of SPIE Vol. 8082, 80820X (2011), doi: 10.1117/12.889390.
Beispiele für Messvorrichtungen, die für die Abbildung mittels paralleler optischer Kohärenztomographie mit dynamischem Fokus konfiguriert und angeordnet sind, finden sich in der US-Patentanmeldung US 2008/0024767 A1 . Insbesondere die 3, 4 und 5 beschreiben zusammen mit den entsprechenden Teilen der Beschreibung relevante Beispiele für zusätzliche Ausführungsformen unter Verwendung der pOCT.
2A und 2B zeigen schematisch einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Messvorrichtung als Messvorrichtung 101, die jeweils in einem 2D-Bilderfassungsmodus oder einem 3D-Bilderfassungsmodus arbeitet. Sie zeigen die Teile der Messvorrichtung 101, die den ersten Bildsensor 200, den zweiten Bildsensor 300 und den nahen Teil des Objektivs 800 umfassen. Es handelt sich um die gleichen wie die in 1A bzw. 1B dargestellten Ausführungsformen, mit der Ausnahme, dass der erste Bildsensor 200 und der zweite Bildsensor 300 an Positionen angeordnet sind, die in Bezug auf den Austrittsstrahl des Objektivs 800 im Wesentlichen fest sind. Mit anderen Worten, es gibt keine signifikante Änderung in der Anordnung eines ersten Bildsensors 200 und eines zweiten Bildsensors 300, wenn die Messvorrichtung 101 zwischen dem 2D-Bilderfassungsmodus und dem 3D-Bilderfassungsmodus umschaltet.
In der Messvorrichtung 101 ist zusätzlich ein erster Lichtverteiler 600 vorgesehen, der so konfiguriert und angeordnet ist, dass er den Messlichtstrahl 530 von dem Objektiv 800 empfängt, um einen ersten Teil 530a des Messlichtstrahls 530 auf den ersten Bildsensor 200 zu lenken, und um einen zweiten Teil 530b des Messlichtstrahls 530 auf den zweiten Bildsensor 300 zu lenken.
Zusätzlich ist der erste Lichtverteiler 600 so konfiguriert und angeordnet, dass er den Referenzlichtstrahl 510 von dem Objektiv 800 empfängt, und dass er mindestens einen signifikanten Teil 510b des Referenzlichtstrahls 510 zum zweiten Bildsensor 300 durchlässt.
Der erste Lichtverteiler 600 kann aus einem oder mehreren der folgenden Elemente bestehen: einem Spiegel, einem dichroitischen Spiegel, einem dielektrischen Spiegel, einem Prisma, einem Eckwürfel, einem Strahlteiler, einem optischen Element, einer Beschichtung, einem optischen Filter, einer Kompensationsplatte und/oder einer beliebigen Kombination daraus. Die Strahlen werden vorzugsweise in einen ersten Teil 510a und in einen zweiten Teil 510b beziehungsweise in einen ersten Teil 530a und in einen zweiten Teil 530b mit einem Intensitätsverhältnis von annähernd 50 zu 50 aufgeteilt, um den Messlichtstrahl 530 zu optimieren, der sowohl den 2D-Bildsensor als auch den 3D-Bildsensor erreicht.
In einigen Konfigurationen kann es jedoch vorteilhaft sein, Lichtverteiler zu verwenden, welche ein Intensitätsverhältnis des jeweils ersten Teils 510a bzw. 530a zu dem jeweils zweiten Teil 510b bzw. 530b in einem Verhältnis von 40 zu 60, 30 zu 70, 20 zu 80 oder 10 zu 90 zur Verfügung stellen. In diesem Zusammenhang sollte ein signifikanter Anteil als ein zweiter Teil 510b von mehr als 50% für Standardwendungen mit beispielsweise oxidbeschichteten und damit kaum reflektierenden Bauelementen als Messobjekte und etwa 10% im Falle spezieller Systemauslegungen für beispielsweise reflektierende Bauelemente als Messobjekte des Referenzlichtstrahls 510, der auf den erste Lichtverteiler 600 auftrifft, insbesondere im 3D-Bilderfassungsmodus verstanden werden.
Wird außer einer niederkohärenten Lichtquelle 500 keine zusätzliche Beleuchtung verwendet, dann umfasst der erste Lichtverteiler 600 vorzugsweise einen Strahlteiler. Wird eine zusätzliche Beleuchtungslichtquelle, z.B. eine Ringlichtquelle, verwendet, die Licht in anderen Spektralbereichen als die niederkohärente Lichtquelle 500 ausstrahlt, dann umfasst der erste Lichtverteiler 600 vorzugsweise einen dichroitischen Spiegel.
Während des Betriebs in einem 3D-Bilderfassungsmodus, wie oben zu 2B beschrieben, wird der Beleuchtungslichtstrahl erzeugt und zu dem Objektiv 800 auf die gleiche Weise reflektiert, wie oben in Bezug auf 1B beschrieben. Der zurückkehrende Messlichtstrahl 530, dargestellt durch einen durchgezogenen Linienpfeil, wird auf den ersten Bildsensor 200 und den zweiten Bildsensor 300 fokussiert.
Ferner wird der Referenzlichtstrahl 510 erzeugt und in Richtung des Objektivs 800 auf die gleiche Weise wie oben zu 1B beschrieben, ausgestrahlt. Der ausgestrahlte Referenzlichtstrahl 510, dargestellt durch einen gestrichelten Linienpfeil, wird auf den ersten Bildsensor 200 und den zweiten Bildsensor 300 fokussiert. Der erste Lichtverteiler 600 teilt den Messlichtstrahl 530 in einen ersten Teil 530a und einen zweiten Teil 530b. Der erste Lichtverteiler 600 teilt auch den Referenzlichtstrahl 510 in einen ersten Teil 510a und einen zweiten Teil 510b. Der zweite Bildsensor 300 ist so konfiguriert und angeordnet, dass er den zweiten Teil 530b des Messlichtstrahls 530 und den zweiten Teil 510b des Referenzlichtstrahls 510 von dem Objektiv 800 empfängt und den zweiten Teil 530b des Messlichtstrahls 530 und den zweiten Teil 510b des Referenzlichtstrahls 510 auf dem zweiten Bildsensor 300 kombiniert, wie oben zu 1B beschrieben. Der erste Bildsensor 200 ist so konfiguriert und angeordnet, dass er den ersten Teil 530a des Messlichtstrahls 530 empfängt. Der erste Lichtverteiler 600 lässt auch den ersten Teil 510a des Referenzlichtstrahls 510 von dem Objektiv 800 in Richtung des ersten Bildsensors 200 durch. Dies ist eine Folge der Verwendung eines ersten Lichtverteilers 600, der einfallendes Licht in zwei Anteile teilt.
Der Betrieb in einem 2D-Bilderfassungsmodus, wie in 2A dargestellt, ist der gleiche wie der Betrieb im 3D-Bilderfassungsmodus, wie in 2B dargestellt, außer dass die Messvorrichtung 101 so konfiguriert und angeordnet ist, dass sie die Intensität des ersten Teils 510a des Referenzlichtstrahls 510, der am ersten Bildsensor 200 empfangen wird, reduziert, sodass vorzugsweise eine wesentliche Reduzierung von mindestens 80% im Vergleich zu dem ersten Teil 510a des Referenzlichtstrahls 510, der den ersten Bildsensor 200 im 3D-Bilderfassungsmodus erreicht, erzielbar ist. Besonders geeignet ist eine Reduktion von mindestens 90%, besser noch eine Reduktion von 95%. Dies kann wie oben in Bezug auf 1A beschrieben umgesetzt werden.
In dieser Ausführungsform einer Messvorrichtung kann das Funktionsprinzip, das zur wesentlichen Reduzierung der Intensität Referenzlichtstrahls 510 verwendet wird, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben, eingesetzt werden. Die Ausführungsform der jeweils in 2A und 2B dargestellten Messvorrichtung 101 ermöglicht die Anordnung eines Strahlintensitätsreduzierers oder mehrerer Elemente zur Strahlintensitätsreduktion an einer oder mehreren Stellen, beispielsweise zwischen dem ersten Bildsensor 200 und dem ersten Lichtverteiler 600, im ersten Lichtverteiler 600 selbst, angeordnet zwischen dem ersten Lichtverteiler 600 und dem Objektiv 800 als auch zwischen dem Objektiv 800 und dem nicht abgebildeten zweiten Lichtverteiler 650 oder an einer beliebigen Stelle entlang des optischen Pfades des Referenzlichtstrahls 510 vor dem Eintritt des Referenzlichtstrahls 510 in das Objektiv 800, wobei im Falle mehrerer Elemente zur Strahlintensitätsreduktion die Anordnung dieser auf alle diese Stellen oder nur auf einen Teil dieser zuvor aufgezählten Stellen möglich ist.
Wie oben zu 1 beschrieben, wird die Implementierung der wesentlichen Verringerung vorzugsweise hauptsächlich zwischen dem Objektiv 800 und der Lichtquelle 500 eingesetzt und/oder in der Lichtquelle 500 eingebettet. Insbesondere für die Ausführungsform von 2 wird der optische Pfad von dem gemeinsamen Bereich 950 sowohl zum ersten Bildsensor 200 als auch zum zweiten Bildsensor 300 nicht wesentlich verändert oder gestört, wenn die Messvorrichtung 101 zwischen 2D-Bilderfassungsmodus und 3D-Bilderfassungsmodus umgeschaltet wird. Dadurch wird im Wesentlichen das gleiche Sichtfeld in dem 2D-Bilderfassungsmodus und dem 3D-Bildgebungsmodus abgebildet, und es kann eine relativ hohe Umschaltgeschwindigkeit zwischen den beiden Modi ermöglicht werden, z.B. größer oder gleich 1 Hz, was besonders bei Inline-Messungen von Vorteil ist.
3A und 3B zeigen eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Messvorrichtung als Messvorrichtung 102, die jeweils in einem 2D-Bilderfassungsmodus oder in einem 3D-Bilderfassungsmodus arbeitet. Diese Ausführungsform 102 ist ähnlich wie die in 2A und 2B dargestellten Ausführungsformen einer Messvorrichtung, mit dem Unterschied, dass das von der Lichtquelle 500 ausgestrahlte Licht zunächst einen optionalen Kollimator 850 durchläuft, der mindestens ein optisches Element umfasst. Der Kollimator 850 ist so konfiguriert und angeordnet, dass er einen annähernd parallelen Lichtstrahl 505 von der Lichtquelle 500 zur Verfügung stellt. In einigen Konfigurationen kann der Kollimator weggelassen werden, wenn das von der Quelle 500 ausgestrahlte Licht ausreichend parallel ist. Der annähernd parallele Lichtstrahl 505 lässt dann eine Fokussierlinse 860 durch, die mindestens ein optisches Element umfasst. Die Fokussierlinse 860 ist so konfiguriert und angeordnet, dass sie den annähernd parallelen Lichtstrahl 505 auf den gemeinsamen Bereich 950 des Objekts 900 fokussiert. Wie dargestellt, wird ein optionaler erster Strahlablenker 400 verwendet, um den fokussierten parallelen Lichtstrahl 505 auf einen zweiten Lichtverteiler 650 zu lenken. Im Allgemeinen können ein oder mehrere Strahlablenker, wie z.B. ein oder mehrere Spiegel, verwendet werden, um einen geeignete optischen Pfad und/oder eine geeignete Ausrichtung der Komponenten zur Verfügung zu stellen. Ein zweiter Lichtverteiler 650, der so konfiguriert und angeordnet ist, dass er den fokussierten parallelen Lichtstrahl 505 empfängt und ihn in einen Referenzlichtstrahl 510, dargestellt durch einen gestrichelten Linienpfeil, und einen Beleuchtungslichtstrahl 520, dargestellt durch einen durchgezogenen Linienpfeil, aufteilt. Mit anderen Worten, der zweite Lichtverteiler 650 lenkt mindestens einen Teil des einfallenden Lichts 505 zur Ausleuchtung des gemeinsamen Bereichs 950, und der zweite Lichtverteiler 650 lenkt mindestens einen anderen Teil des einfallenden Lichts 505 in den optischen Pfad des Referenzlichtstrahls 510, der anschließend in das Objektiv 800 eintritt.
Der zweite Lichtverteiler 650 kann einen oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: einen Spiegel, einen dichroitischen Spiegel, einen dielektrischen Spiegel, ein Prisma, einen Eckwürfel, einen Strahlteiler, ein optisches Element, eine Beschichtung, ein optisches Filter, eine Kompensationsplatte und eine beliebige Kombination daraus. Der Strahl 505 wird vorzugsweise in einen Referenzlichtstrahl 510 und einen Beleuchtungslichtstrahl 520 mit einem Intensitätsverhältnis von annähernd 50:50 aufgeteilt, um den interferometrischen Messlichtstrahl zu optimieren, der den 3D-Bildsensor 300 erreicht. In einigen Konfigurationen kann es jedoch vorteilhaft sein, Lichtverteiler einzusetzen, die Intensitätsverhältnisse von 40 zu 60, 30 zu 70, 20 zu 80 oder 10 zu 90 zur Verfügung stellen.
Der zweite Lichtverteiler 650 ist zudem so konfiguriert und angeordnet, dass der Beleuchtungslichtstrahl 520 durch eine Öffnung in den beziehungsweise auf den gemeinsamen Bereich 950 des Objekts 900 gelenkt wird. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Strahlablenker verwendet werden, um den Beleuchtungslichtstrahl 520 zu lenken.
Der zweite Lichtverteiler 650 ist außerdem so konfiguriert und angeordnet, dass er den Referenzlichtstrahl 510 auf einen Referenzspiegel 420 für den Referenzlichtstrahl 510 lenkt, der innerhalb der Vorrichtung 102 eingesetzt ist. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Strahlablenker zum Lenken des Referenzlichtstrahls 510 verwendet werden.
Wie dargestellt, wird ein optionaler zweiter Strahlablenker 410 verwendet, um den Referenzlichtstrahl 510 auf den Referenzspiegel 420 zu lenken. Im Allgemeinen können ein oder mehrere Strahlablenker, wie z.B. ein oder mehrere Spiegel, verwendet werden, um einen geeigneten optischen Pfad und/oder eine geeignete Ausrichtung der Komponenten zur Verfügung zu stellen.
Der Referenzspiegel 420 ist so konfiguriert und angeordnet, dass der Referenzlichtstrahl 510 in Richtung des zweiten Lichtverteilers 650 zurückreflektiert wird. Zusätzlich können ein oder mehrere Strahlablenker verwendet werden, um den Referenzlichtstrahl 510 umzulenken. Wie dargestellt, wird der optionale zweite Strahlablenker 410 ebenfalls verwendet, um den Referenzlichtstrahl 510 zurück auf den zweiten Lichtverteiler 650 zu lenken.
Der Referenzspiegel 420 ist zudem so konfiguriert und angeordnet, dass er während des Vorgangs der 3D-Bilderfassung in axialer Richtung so bewegt werden kann, dass die Länge des optischen Pfads von dem zweiten Lichtverteiler zur Brennebene des gemeinsamen Bereichs 950 im Wesentlichen gleich der Länge des optischen Pfads vom zweiten Lichtverteiler 650 zum Referenzspiegel 420 ist.
Diese Ausführungsform der Messvorrichtung 102 umfasst einen Strahlintensitätsreduzierer 700, wie zum Beispiel ein eine Blende, einen Verschluss, eine mechanische Iris, einen Spiegel, einen dichroitischen Spiegel, einen dielektrischen Spiegel, ein Prisma, einen Eckwürfel, einen Strahlteiler, ein Linsenelement, eine Beschichtung, einen optischen Filter, eine Kompensationsplatte und/oder eine beliebige Kombination davon, der so konfiguriert und angeordnet ist, dass die Intensität des Referenzlichtstrahls 510 wesentlich reduziert wird. Wie dargestellt in 3A, kann während der 2D-Messung der Strahlintensitätsreduzierer 700 im optischen Pfad des Referenzlichtstrahls 510 unmittelbar vor dem Referenzspiegel 420 eingesetzt werden, wodurch das Reflektieren vom Referenzspiegel 420 zurück zum zweiten Lichtverteiler 650 reduziert oder verhindert wird. Der Strahlintensitätsreduzierer 700 ist vorzugsweise in hohem Maße optisch absorbierend für das von der Lichtquelle 500 ausgesandte Licht. Wie dargestellt in 3B, kann der Strahlintensitätsreduzierer 700 während der 3D-Bilderfassung außerhalb des optischen Pfads des Referenzlichtstrahls 510 eingesetzt werden, wodurch das Reflektieren vom Referenzspiegel 420 zurück zum zweiten Lichtverteiler 650 ermöglicht wird.
Der Strahlintensitätsreduzierer 700 kann z.B. in einem linearen Aktuator, in einem drehbaren Aktuator (wie in den 3A und 3B schematisch dargestellt), in einem drehbaren Revolver, oder in einer beliebigen Kombination davon enthalten sein.
Der zweite Lichtverteiler 650 ist zudem so konfiguriert und angeordnet, dass er den von dem Referenzspiegel 420 zurückreflektierten Referenzlichtstrahl 510 in das Objektiv 800 lenkt. Der zweite Lichtverteiler 650 ist außerdem so konfiguriert und angeordnet, dass er den von dem gemeinsamen Bereich 950 zurückreflektierten Messlichtstrahl 530 in das Objektiv 800 lenkt. Optional kann der zweite Lichtverteiler 650 außerdem so konfiguriert und angeordnet werden, dass er den von dem Referenzspiegel 420 reflektierten Referenzlichtstrahl 510 und den aus dem gemeinsamen Bereich 950 reflektierten Messlichtstrahl 530 zusammenführt.
Während des Betriebs in einem 3D-Bilderfassungsmodus, wie in 3B dargestellt, wird das von der Lichtquelle 500 ausgesandte Licht durch den optionalen Kollimator 850, vorzugsweise in Form einer Linse, kollimiert, um einen annähernd parallelen Strahl 505 zur Verfügung zu stellen. Der annähernd parallele Strahl 505 wird mit der Fokussierlinse 860 auf den gemeinsamen Bereich 950 fokussiert. Nach dem Durchlassen durch die Fokussierlinse 860 wird der nahezu parallele Strahl 505 mit Hilfe des ersten Strahlablenkers 400 auf den zweiten Lichtverteiler 650 gelenkt.
In dieser beispielhaften Ausführungsform der Messvorrichtung 102 teilt der zweite Lichtverteiler 650 den annähernd parallelen Strahl 505 in einen Beleuchtungslichtstrahl 520, den er ebenfalls auf den gemeinsamen Bereich 950 des Objekts lenkt, und in einen Referenzlichtstrahl 510, den er mit dem zweiten Strahlablenker 410 ebenfalls auf den Referenzspiegel 420 lenkt. Der fokussierte Beleuchtungslichtstrahl 520 wird von dem gemeinsamen Bereich 950 zum zweiten Lichtverteiler 650 als Messlichtstrahl 530 zurückreflektiert. Es können zusätzliche Beleuchtungsquellen 570 für das Objekt zur Verfügung gestellt werden, wie z.B. ein oder mehrere Ringlichter. Der Referenzlichtstrahl 510, dargestellt als gestrichelter Linienpfeil, wird durch den zweiten Strahlablenker 410 auf den Referenzspiegel 420 gelenkt, wo der Referenzlichtstrahl 510, dargestellt als strichlierter Linienpfeil, über den zweiten Strahlablenker 410 zum zweiten Lichtverteiler 650 zurückreflektiert wird. Der Strahlintensitätsreduzierer 700 ist in geöffnetem Zustand dargestellt, so dass sie den Referenzlichtstrahl 510 bei der Annäherung an den Referenzspiegel 420 oder bei dem Reflektieren zum zweiten Lichtverteiler 650 nicht wesentlich schneidet.
Die axiale Position des Referenzspiegels 420 wird so vorbestimmt und/oder gesteuert, dass bei der 3D-Bilderfassung die Länge des optischen Pfads vom zweiten Lichtverteiler bis zur Brennebene des gemeinsamen Bereichs 950 im Wesentlichen gleich der Länge des optischen Pfads vom zweiten Lichtverteiler 650 bis zum Referenzspiegel 420 ist. Darüber hinaus können während einer axialen oder vertikale Abtastung zusätzliche axiale Bewegungen des Referenzspiegels 420 erforderlich sein, um die Längen der optischen Pfade im Wesentlichen gleich zu halten.
In dieser beispielhaften Ausführungsform der Messvorrichtung 102 führt der zweite Lichtverteiler 650 den vom Referenzspiegel 420 zurückreflektierten Referenzlichtstrahl 510 und den zurückkehrenden Messlichtstrahl 530 zusammen. Der zusammengeführte Strahl wird in das Objektiv 800 gelenkt. Der zusammengeführte zurückkehrende Messlichtstrahl 530, dargestellt durch den durchgezogenen Linienpfeil, und der Referenzlichtstrahl 510, dargestellt durch den gestrichelten Linienpfeil, werden fokussiert und durch das Objektiv 800 und den ersten Lichtverteiler 600 auf den ersten Bildgebungssensor 200 und den zweiten Bildgebungssensor 300 gelenkt, wie oben in Bezug auf 2B beschrieben.
Der Betrieb in einem 2D-Bilderfassungsmodus, wie in 3A dargestellt, ist derselbe wie der Betrieb im 3D-Bilderfassungsmodus, wie in 3B dargestellt, außer dass der Strahlintensitätsreduzierer 700 in seinen geschlossenen Zustand bewegt wird, wodurch die Intensität des ersten Teils 510a des Referenzlichtstrahls 510, der am ersten Bildsensor 200 empfangen wird, erheblich reduziert wird. Insbesondere wird die Intensität des Referenzlichtstrahls 510, der den Referenzspiegel 420 erreicht, erheblich reduziert, wodurch der Referenzlichtstrahl 510, der in Richtung des zweiten Lichtverteilers 650 zurückreflektiert wird, ebenfalls erheblich reduziert wird.
Folglich umfasst das auf den ersten Bildsensor 200 und das auf den zweiten Bildsensor 300 auftreffende Licht im Wesentlichen den gleichen Messlichtstrahl 530 wie im 3D-Bilderfassungsmodus und einen zumindest wesentlich reduzierten Referenzlichtstrahl 510. Vorzugsweise ist die Intensität des Referenzlichtstrahls 510 so reduziert, dass er die 2D-Bilderfassung am ersten Bildsensor 200 nicht wesentlich beeinflusst, und noch bevorzugter, dass er am ersten Bildsensor 200 im Wesentlichen nicht erkennbar ist. Der Begriff nicht wesentlich bedeutet hier, dass die Intensität des reduzierten Referenzlichtstrahls 510 unterhalb eines gegebenenfalls vorgegebenen Intensitätswertes des Bildsensors liegt.
Die vorliegende Beschreibung ist nicht so zu verstehen, dass sie eine feste Reihenfolge für die Durchführung der darin beschriebenen Verfahrensschritte vorschreibt. Vielmehr können die Verfahrensschritte in jeder beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden, die praktikabel ist. Ebenso dienen die Beispiele zur Erläuterung des Algorithmus und sollen nicht die einzigen Implementierungen dieser Algorithmen darstellen. Der Fachmann wird sich viele verschiedene Möglichkeiten vorstellen können, um dieselbe Funktionsweise zu erreichen, wie sie die vorliegenden Ausführungsformen zur Verfügung stellen.
Zum Beispiel kann der in 2A und 2B dargestellte erste Lichtverteiler 600 der Messvorrichtung 101 alternativ einen verschiebbaren und/oder drehbaren Spiegel umfassen. Die Messvorrichtung 101 kann dann so konfiguriert und angeordnet sein, dass sie den ersten Lichtverteiler 600 in einer ersten und einer zweiten Anordnung und/oder Drehung einsetzt, die einer Ausrichtung entsprechen, um Licht auf den ersten Bildsensor 200 und den zweiten Bildsensor 300 zu lenken. Beispielsweise kann der erste Lichtverteiler 600 einen geeignet konfigurierten linearen Aktor, einen rotierenden Aktor oder Ähnliches umfassen.
Dies ist beispielsweise auch für den in 3A und 3B dargestellten ersten Lichtverteiler 600 der Messvorrichtung 102 möglich, sodass dieser alternativ einen verschiebbaren und/oder drehbaren Spiegel umfassen kann. Die Messvorrichtung 102 kann dann so konfiguriert und angeordnet sein, dass sie den ersten Lichtverteiler 600 in einer ersten und einer zweiten Anordnung und/oder Drehung einsetzt, die einer Ausrichtung entsprechen, um Licht auf den ersten Bildsensor 200 und den zweiten Bildsensor 300 zu lenken. Beispielsweise kann der erste Lichtverteiler 600 einen geeignet konfigurierten linearen Aktor, einen rotierenden Aktor oder Ähnliches umfassen.
Beispielsweise ist der zweite Bildsensor 300 in 3A und 3B in der Draufsicht als links vom ersten Lichtverteiler 600 dargestellt. Alternativ kann der erste Lichtverteiler 600 so ausgebildet und angeordnet sein, dass der zweite Bildsensor 300 in der Draufsicht hinter, über oder in einer seitlichen Anordnungsposition, vorliegend beispielsweise rechts bezugnehmend auf die 3A und 3B vom ersten Lichtverteiler 600 angebracht ist.
Um beispielsweise die geringe Reflexion aus dem gemeinsamen Bereich 950 bis zu einem gewissen Grad zu korrigieren, kann die Intensität des Referenzlichtstrahls 510 beim Betrieb in einem 3D-Bilderfassungsmodus reduziert werden, indem eine oder mehrere der Maßnahmen geändert werden, die implementiert wurden, um die Intensität während eines 2D-Bilderfassungsmodus wesentlich zu reduzieren. Zum Beispiel kann ein Neutraldichtefilter an einer geeigneten Stelle im optischen Pfad des Referenzlichtstrahls 510 angeordnet sein.
Die vorliegenden Ausführungsformen einer Messvorrichtung 100, 101, 102 gemäß den obigen Ausführungen ermöglichen einen relativ hohen Messdurchsatz in einem relativ kleinen Bauvolumen.
Die vorliegenden Ausführungsformen einer Messvorrichtung 100, 101, 102 gemäß den obigen Ausführungen können vorzugsweise Teil eines Bilderfassungssystem sein, wie es in der Inline-Fertigung verwendet wird.
Typischerweise wird ein solches Bilderfassungssystem in einem Fertigungssystem zum Bestücken eines Objekts 900 in Form eines Bauteils auf einem Substrat verwendet. Ein solches Fertigungssystem umfasst einen Bestückungskopf mit mindestens einem Werkzeug, wie beispielsweise einer Düse, welche vorzugsweise mit einem Vakuum beaufschlagbar ist, um das Objekt 900 zu greifen und/oder wiederlösbar zu halten.
Ferner umfasst ein solches Fertigungssystem ein Robotersystem zum Erzeugen einer Relativbewegung des Bestückungskopfs zwischen einer Aufnahmeposition für ein Objekt 900 zum Aufnehmen eines sich dort befindlichen Objekts mit einem Aufnehmer und dem Substrat, auf welches ein mittels des Aufnehmers aufgenommenes Objekt platzierbar ist.
Vorzugsweise ist bei einem solchen Fertigungssystem das Bilderfassungssystem so angeordnet, dass es mindestens ein Bild einer zu bestückenden Stelle des Objekts 900 auf dem Substrat oder ein Bild der Oberfläche des Objekts 900, oder eines anderen beliebigen gemeinsamen Bereiches 950 innerhalb eines oder mehrerer Sichtfelder erfasst, wobei das Bilderfassungssystem eine oder mehrere Messvorrichtungen 100, 101, 102 gemäß den obigen Ausführungen umfasst.
Die vorliegenden Ausführungsformen einer Messvorrichtung 100, 101, 102 gemäß der vorangegangenen Offenbarung können daher vorzugsweise auch Teil eines Bilderfassungssystem sein, das bei der Inline-Inspektion verwendet wird. Typischerweise wird ein solches Bilderfassungssystem in einem Inspektionssystem zum Erfassen eines oder mehrerer Sichtfelder eines zu inspizierenden Objekts 900 oder eines oder mehrerer Sichtfelder eines zu inspizierenden Substrates verwendet. Typischerweise umfasst bei einem solchen Inspektionssystem das Bilderfassungssystem eine oder mehrere Messvorrichtungen 100, 101, 102, sowie einen Prozessor, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass er aus den erfassten Daten einen oder mehrerer Messwerte des zu inspizierenden Objekts 900 oder des zu inspizierenden Substrates aus dem einen oder mehreren Sichtfeldern ermittelt und/oder ableitet. Der Prozessor ist zudem dazu ausgebildet, aus dem einen oder den mehreren Messwerten zu ermitteln, ob ein Fehler in Form eines Defekts oder einer Abweichung von einem Sollwert des zu inspizierenden Objekts 900 oder des zu inspizierenden Substrates vorliegt, sodass auch eine Oberflächenanalyse als solches von Substrat oder Objekt möglich ist. Solche Defekte können beispielsweise Oberflächenschädigungen in Form von Ausbrüchen, Kratzern oder Fehlstellen sein sowie beschädigte oder fehlplatzierte Bauteile.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit bestimmten beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte es so verstanden werden, dass verschiedene Änderungen, Substitutionen und Abwandlungen, die für den Fachmann offensichtlich sind, an den offengelegten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.
BEZUGSZEICHENLISTE

100: Ausführungsform einer Messvorrichtung
101: Ausführungsform einer Messvorrichtung
102: Ausführungsform einer Messvorrichtung
200: erster Bildgebungssensor für 2D-Messung
300: zweiter Bildgebungssensor für 3D-Messung
400: erster Strahlablenker
410: zweiter Strahlablenker
420: Referenzspiegel
500: Lichtquelle
505: annähernd paralleler Lichtstrahl, der von der Quelle ausgesendet wird
510: Referenzlichtstrahl
510a: erster Teil eines Strahls
510b: zweiter Teil eines Strahls
520: Beleuchtungslichtstrahl
530: Messlichtstrahl
530a: erster Teil eines Strahls
530b: zweiter Teil eines Strahls
570: Beleuchtungsquelle
600: erster Lichtverteiler
650: zweiter Lichtverteiler
700: Strahlintensitätsreduzierer
800: Objektiv
850: Kollimator
860: Fokussierlinse
900: Objekt in Form eines Bauteils
950: gemeinsamer Bereich eines Objekts

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20080024767 A1 [0082]

Claims

Messvorrichtung (100, 101, 102), die einen ersten Bildgebungssensor (200) zur 2D-Bildgebung und einen zweiten Bildgebungssensor (300) zur 3D-Bildgebung umfasst, wobei die Messvorrichtung (100, 101, 102) so konfiguriert und angeordnet ist, dass sie auf einen gemeinsamen Bereich (950) eines Objekts (900) fokussierbar ist, wobei die Messvorrichtung (100, 101, 102) zusätzlich umfasst: - eine Lichtquelle (500), die so konfiguriert und angeordnet ist, dass im Betrieb ein Beleuchtungslichtstrahl (520) auf den gemeinsamen Bereich (950) ausstrahlbar ist, und die Lichtquelle (500) zudem so konfiguriert und angeordnet ist, dass ein Referenzlichtstrahl (510) auf den zweiten Bildgebungssensor (300) ausstrahlbar ist; - ein Objektiv (800), das mindestens ein optisches Element umfasst, das so angeordnet ist, sodass im Gebrauch Licht, welches von dem gemeinsamen Bereich (950) als ein Messlichtstrahl (530) reflektierbar ist, gemeinsam mit dem Referenzlichtstrahl (510) der Lichtquelle (500), in das Objektiv (800) eintritt, wobei das Objektiv (800) zusätzlich so ausgebildet und angeordnet ist, um - mindestens einen ersten Teil (530a) des Messlichtstrahls (530) auf den ersten Bildgebungssensor (200) zu lenken und zu fokussieren; und/oder - mindestens einen zweiten Teil (530b) des Messlichtstrahls (530) und einen zweiten Teil (510b) des Referenzlichtstrahls (510) auf den zweiten Bildgebungssensor (300) zu lenken und zu fokussieren; und die Messvorrichtung (100, 101, 102) so ausgebildet und angeordnet ist, um die Intensität eines an dem ersten Bildgebungssensor (200) empfangbaren ersten Teils (510a) des Referenzlichtstrahls (510) gegenüber der Intensität des Messlichtstrahls (530) zu reduzieren oder auszulöschen, wenn die Messvorrichtung (100, 101, 102) in einem 2D-Bildgebungsmodus betrieben ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach Anspruch 1, wobei der erste Bildgebungssensor (200) ein 2D-Bildgebungssensor ist und der zweite Bildgebungssensor (300) ein 3D-Bildgebungssensor ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach Anspruch 1, wobei der erste Bildgebungssensor (200) ein 3D-Bildgebungssensor ist und der zweite Bildgebungssensor (300) ein 3D-Bildgebungssensor ist, wobei der Bildgebungssensor (200) so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Bildgebungssensor (200) in einem 2D-Bildgebungsmodus betreibbar ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche zudem so ausgebildet und angeordnet ist, um zumindest den zweiten Teil (510b) des Referenzlichtstrahls (510) von dem Objektiv (800) in Richtung des zweiten Bildgebungssensors (300) durchzulassen, wenn die Messvorrichtung (100, 101, 102) in einem 3D-Bildgebungsmodus betrieben ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (100, 101, 102) so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Intensität des Referenzlichtstrahls (510) entlang desoptischen Pfads des Referenzlichtstrahls (510), vorzugsweise zwischen dem Objektiv (800) und der Lichtquelle (500) reduzierbar ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messvorrichtung (100, 101, 102) so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Intensität des Referenzlichtstrahls (510) in der Lichtquelle (500) reduzierbar ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (100, 101, 102) einen Strahlintensitätsreduzierer (700) in Form eines oder mehrerer der folgenden Elemente, nämlich einer Blende, eines Verschlusses, einer mechanischen Iris, eines Spiegels, eines dichroitischen Spiegels, eines dielektrischen Spiegels, eines Prismas, eines Eckwürfels, eines Strahlteilers, eines Linsenelementes, einer Beschichtung, eines optischen Filters, einer Kompensationsplatte oder einer beliebigen Kombination davon, umfasst, der jeweils so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Intensität des vom ersten Bildgebungssensor (200) empfangbaren ersten Teils (510a) des Referenzlichtstrahls (510) beim Betrieb im 2D-Bildgebungsmodus damit reduzierbar ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (100, 101, 102) zudem einen ersten Lichtverteiler (600) umfasst, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Messlichtstrahl (530) von dem Objektiv (800) empfangbar ist, und dass der erste Teil (530a) des Messlichtstrahls (530) auf den ersten Bildgebungssensor (200) lenkbar ist und/oder der zweite Teil (530b) des Messlichtstrahls (530) auf den zweiten Bildgebungssensor (300) lenkbar ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach Anspruch 7, wobei der erste Lichtverteiler (600) zudem so ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Betrieb in einem 3D-Bildgebungsmodus, der Referenzlichtstrahl (510) von dem Objektiv (800) empfangbar ist, und dass zumindest der zweite Teil (510b) des Referenzlichtstrahls (510) in Richtung des zweiten Bildgebungssensors (300) durchlassbar ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach Anspruch 7 oder nach Anspruch 8, wobei der erste Lichtverteiler (600) eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst: einen Spiegel, einen dichroitischen Spiegel, einen dielektrischen Spiegel, ein Prisma, einen Eckwürfel, einen Strahlteiler, ein optisches Element, eine Beschichtung, einen optischen Filter, eine Kompensationsplatte und/oder eine beliebige Kombination davon.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Objektiv (800) eine oder mehrere Verbundlinsen umfasst.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Objektiv (800) ein telezentrisches Objektiv ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (100, 101, 102) so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie ein oder mehrere Sichtfelder des gemeinsamen Bereichs (950) des Objekts (900) zur Verfügung stellt.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (100, 101, 102) zudem einen zweiten Lichtverteiler (650) umfasst, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Betrieb in einem 3D-Bildgebungsmodus ein einfallender Lichtstrahl (505) von der Lichtquelle (500) empfangbar ist, und zumindest ein Teil des einfallenden Lichtstrahls (505) als Beleuchtungslichtstrahl (520) auf den gemeinsamen Bereich (950) lenkbar ist, und zumindest ein Teil des einfallenden Lichts (505) als Referenzlichtstrahl (510) auf das Objektiv (800) lenkbar ist.
Messvorrichtung (100, 101, 102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (100, 101, 102) so konfiguriert und angeordnet ist, dass sie in einem 3D-Bildgebungsmodus wie Weißlichtinterferometrie, optische Kohärenztomographie (OCT), parallele optische Kohärenztomographie (pOCT) oder irgendeiner Kombination davon betreibbar ist.
Fertigungssystem zum Sortieren von Objekten (900) und/oder zum Bestücken eines Substrats mit einem Objekt (900), wobei das Fertigungssystem folgendes umfasst: - mindestens einen Bestückungskopf mit jeweils mindestens einem Werkzeug, um das Objekt (900) wiederlösbar zu halten; - ein Robotersystem zum Erzeugen einer Relativbewegung des Bestückungskopfs zwischen einer Aufnahmeposition für ein Objekt (900) und dem Substrat; und - ein Bilderfassungssystem zum Erfassen eines oder mehrerer gemeinsamer Bereiche (950) des zu erfassenden Objekts (900), wobei das Bilderfassungssystem eine oder mehrere Messvorrichtungen (100, 101, 102) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
Inspektionssystem umfassend: - ein Bilderfassungssystem zum Erfassen eines oder mehrerer Sichtfelder eines zu inspizierenden Objekts (900); und - einen Prozessor, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass er einen oder mehrere Messwerte des zu inspizierenden Objekts (900) aus dem einen oder den mehreren Sichtfeldern ableitet, wobei mittels dem Prozessor aus dem einen oder den mehreren Messwerten bestimmbar ist, ob ein Fehler in Form eines Defekts oder einer Abweichung von einer Sollgrösse bei dem zu inspizierenden Objekt (900) aufgetreten ist, wobei das Bilderfassungssystem eine oder mehrere Messvorrichtungen (100, 101, 102) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.