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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur automatischen Fokussierung auf die Oberfläche einer Probe, bei dem die
Probe durch einen Meßlichtstrahl, der
mit einem von 0° verschiedenen
Einfallswinkel auf die Oberfläche
der Probe trifft, beleuchtet wird, von der Oberfläche der
Probe reflektiertes Licht mittels einer positionsempfindlichen Empfangsfläche detektiert
wird, Intensitätswerte
des reflektierten Lichts in Zuordnungen zu Positionen auf der Empfangsfläche registriert
und bewertet werden und die Öffnung
einer Feldblende auf die Empfangsfläche abgebildet wird und dabei
ein Bild, das kleiner als die Empfangsfläche ist, erzeugt, und bezieht
sich auf das Problem einer zuverlässigen automatischen Fokussierung.
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Im Stand der Technik sind verschiedene
Verfahren zur automatischen Fokussierung bekannt. In der Schrift
US 5,483,079 beispielsweise
wird eine Methode zur Fokussierung auf die Oberfläche eines lichtdurchlässigen Objekts
beschrieben, die auf dem Prinzip der Pupillenteilung basiert. Dabei
wird mit Hilfe eines speziellen Empfängers die Symmetrie der Ausleuchtung
im Fokuspunkt analysiert. Als Fokuspunkt wird die energetische Mitte
der ausgeleuchteten Fläche
auf dem Empfänger
definiert. Ein solches Verfahren ist sehr schnell, hat aber auch
den Nachteil, daß es
sowohl auf Inhomogenitäten
in der Reflexion der Probe als auch auf Kanten, wie sie beispielsweise
bei strukturierten Wafern regelmäßig vorhanden
sind, empfindlich reagiert. Durch das an solchen Strukturkanten
entstehende Streulicht oder durch die inhomogene Reflexion werden
Asymmetrien in der Ausleuchtung des Empfängers verursacht. Diese Asymmetrien
in der Licht- bzw. Intensitätsverteilung werden
vom Fokusmeßsystem
als Abweichungen von der idealen Bildebene interpretiert, da der
energetische Mittelpunkt eine andere Lage als bei homogener Ausleuch tung
hat. Durch Verstellung der Bildebene wird versucht, diese vermeintlichen
Abweichungen zu kompensieren. Dies führt zu einer Defokussierung.
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Ein weiterer Nachteil solcher auf
Pupillenteilung basierenden Fokussierungsverfahren ergibt sich aus
der Art und Weise, wie sie üblicherweise
realisiert werden, nämlich
als zusätzliches
optisches System zum Hauptstrahlengang: Das für die Fokussierung nötige Licht
wird über
einen Spiegel in den Hauptstrahlengang ein- und über einen anderen Spiegel auch
wieder ausgeblendet. Zusätzlich
zum eigentlichen optischen System, bei dem die entlang des Hauptstrahlengangs
angeordneten Komponenten beispielsweise der Analyse der Schichtdicken dienen,
müssen
also noch weitere Komponenten bereitgestellt werden. Darüber hinaus
wird in der Regel als Lichtquelle für das der Fokussierung dienende System
ein Laser verwendet, der in einem schmalen Wellenlängenbereich
im Infraroten arbeitet. Bei Schichtkombinationen bestimmter Materialien
kommt es dabei zu wesentlichen Reflexionsverminderungen, so daß eine Fokussierung überhaupt
nicht mehr möglich
ist.
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Andere, sogenannte intelligente Fokussierverfahren
benutzen den Bildinhalt selbst als Kriterium für die Fokussierung. Das Bild
der Probe wird bei solchen Verfahren im allgemeinen auf einen CCD-Empfänger abgebildet
und hinsichtlich verschiedener Schärfekriterien untersucht. Auch
diese Verfahren weisen eine Reihe von Nachteilen auf. So muß zum einen
das Bild eine Struktur aufweisen, damit die Schärfe überhaupt analysiert werden
kann. Dies ist aber nicht bei allen Proben der Fall. Zum anderen
ist der Fangbereich sehr klein und daraus resultierend der optimale
Fokuspunkt nur schwer zu finden. Die Ursache dafür ist in der Art und Weise,
wie das Verfahren durchgeführt
wird, zu suchen: Wenn man mit Hilfe eines Meßgerätes an einen Meßort auf
der Probe heranfährt,
wird in der Regel die Abweichung vom Fokuspunkt so groß sein,
daß im
Bildfeld alle Strukturen extrem unscharf sind und daraus kein Kriterium für die Schärfe abgeleitet
werden kann. Darüber
hinaus ist anfangs unbekannt, in welche Richtung die Bildebene verstellt
werden muß,
damit das Bild schärfer
wird. Diese Probleme werden dadurch gelöst, daß man beim Durchfahren eines
großen
Schärfenbereichs
eine Bildserie in einer Sequenz von Bildebenen aufnimmt und anschließend die
Fokusebene, das heißt,
die Bildebene, die den Fokuspunkt enthält, mit der Bildebene des Bildes
mit der größten Schärfe gleichsetzt.
Auf diese Weise findet man aber nicht zwangsläufig den Fokuspunkt, dessen
Bildebene nicht unbedingt in der zuvor aufgenommenen Sequenz enthalten
sein muß.
Wenn man daher gezwungen ist, Messungen an einem fokussierten Objekt
durchzuführen,
wie beispielsweise mit Spektralphotometern bei der Schichtdickenbestimmung,
so ist eine solches Verfahren nicht geeignet.
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Ein automatisches Fokussierungssystem, welches
sich ebenfalls die Bildverarbeitung zunutze macht, jedoch auch für unstrukturierte
Oberflächen geeignet
sein soll, wird in der US Patentschrift 5,604,344 vorgestellt. In
dem dort beschriebenen Verfahren wird eine spezielle Struktur auf
die Oberfläche
des Meßobjektes
abgebildet und dann hinsichtlich ihrer Schärfe analysiert. Bei diesem
Verfahren treten wiederum dann Probleme auf, wenn es zu Wechselwirkungen
zwischen den abgebildeten Strukturen einerseits und Strukturen im
Meßobjekt andererseits
kommt.
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Das Problem der Bestimmung der Richtung, in
die fokussiert werden soll, wird in der Schrift
US 5,604,344 in einer Ausführungsvariante
dadurch gelöst,
daß mehrere
Strukturen verwendet werden, die sich in verschiedenen Bildebenen
befinden. Allerdings bleibt dabei trotzdem der Nachteil des kleinen Einfangbereichs
und damit relativ langer Fokussierungszeiten, da man einen großen Bereich
nach und nach absuchen muß,
erhalten.
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In der Schrift
US 5,747,813 wird ein anderes Verfahren
beschrieben, welches zur Untersuchung der Probe einen asymmetrischen
Meßstrahlengang verwendet,
das heißt,
einen Strahlengang, bei dem der Einfallswinkel des Lichts auf die
Probenoberfläche
von 0° verschieden
ist. Als Konsequenz verschiebt sich die Lage des Bildfeldes auf
einem positionsempfindlichen Detektor – beispielsweise einer Videokamera – entlang
einer geraden Linie, wenn der Abstand zwischen Abbildungsoptik und
Probe verstellt wird. Bei homogen ausgeleuchtetem Bildfeld soll
die Fokussierung dann erreicht werden, wenn sich das Bildfeld zentrisch
auf dem Empfänger
befindet, wobei zur Feineinstellung die registrierte Intensität verwendet
wird und der Fokuspunkt einem Minimum der registrierten Intensität entspricht.
Inhomogenitäten
in der Reflexion der Probe, wie sie beispielsweise durch Strukturen
hervorgerufen werden, führen
jedoch leicht zu einer Verfälschung
dieser Analyse und eine Fokussierung gelingt nicht.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt
der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Zuverlässigkeit
der Fokussierung verbessert wird und insbesondere auch eine zuverlässige automatische
Fokussierung auf in der Reflexion inhomogene Proben realisiert werden
kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem
Verfahren der oben beschriebenen Art dadurch gelöst, daß jedem Intensitätswert in
Abhängigkeit
davon, ob eine Helligkeitsschwelle über- oder unterschritten wird,
der Wert „hell" bzw. „dunkel" zugeordnet wird,
das kleinste Rechteck bestimmt wird, welches auf der Empfangsfläche alle
Positionen, deren Intensitätswert „hell" ist, umschließt, der
geometrische Mittelpunkt dieses Rechtecks bestimmt wird, die Position
des geometrischen Mittelpunktes mit der Position auf der Empfangsfläche verglichen
wird, die dem geometrischen Mittelpunkt des von der Feldblende erzeugten
Bildes im fokussierten Zustand entspricht, und eine dem Abstand
der beiden Punkte entsprechende Änderung
des Abstandes zwischen der Probe und der abbildenden Optik vorgenommen wird.
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Die Feldblende, deren Öffnung abgebildet wird
und deren Bild auf der Empfangsfläche damit das Bildfeld bestimmt,
muß sich
dabei nicht permanent im Strahlengang des Meßlichtstrahls befinden, sondern
kann ein- und nach erfolgter Fokussierung wieder ausgeschwenkt werden.
Die Öffnung
der Feldblende kann dabei eine nahezu beliebige geometrische Form
aufweisen. Außerdem
muß die Öffnung der
Feldblende so gewählt
werden, daß das Bild,
welches auf der Empfangsfläche
erzeugt wird, d.h. das auf der Empfangsfläche entstehende Bild der Feldblende,
kleiner als die Empfangsfläche selbst
ist: Das Licht fällt
asymmetrisch, d.h. mit einem von 0° verschiedenen Winkel auf die
Probe, daher verschiebt sich das Bildfeld bzw. dessen Mittelpunkt auf
der Empfangsfläche
entlang einer Geraden, wenn der Abstand zwischen Pro be und abbildender Optik,
d.h. die Höhe
der Probe, verstellt wird. Zu jeder Lage des Bildes auf der Empfangsfläche korrespondiert
daher auch ein entsprechender Abstand zwischen Probe und Abbildungsoptik.
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Zur Bestimmung der Lage des Bildes
der Feldblende auf der Empfangsfläche wird zunächst jedem
registrierten Intensitätswert
in Abhängigkeit
von einer vorgegebenen Helligkeitsschwelle der Wert „hell" zugeordnet, falls
er oberhalb der Helligkeitsschwelle liegt, bzw. „dunkel", falls er unterhalb der Helligkeitsschwelle
liegt.
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Im nächsten Schritt wird nun das
kleinste Rechteck ermittelt, welche auf der Empfangsfläche alle
Positionen, deren Intensitätswert „hell" ist, umschließt.
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Von dem so ermittelten Rechteck wird
im nächsten
Schritt der geometrische Mittelpunkt bestimmt, und die Position
dieses Punktes mit der Position auf der Empfangsfläche verglichen,
die dem geometrischen Mittelpunkt des Bildes der Feldblende im fokussierten
Zustand entspricht. Wie oben schon erwähnt, entspricht jede Lage des
Bildes der Feldblende, und damit auch die Position seines geometrischen
Mittelpunkts, einem Abstand zwischen Probe und Abbildungsoptik.
Der geometrische Mittelpunkt des Bildfeldes wird entlang einer Geraden
verschoben. Definiert man nun ein kartesisches Koordinatensystem
auf der Empfangsfläche
mit x- und y-Koordinaten und benutzt eine Gleichung der Form y =
mx + n mit der Steigung m und dem Achsenabschnitt n für die Gerade,
so reicht die Bestimmung der Differenz zwischen den Koordinaten
der beiden Punkte, entweder in x- oder in y-Richtung aus, um die
nötige Änderung
des Abstandes zwischen Probe und Abbildungsoptik zu bestimmen, diese
Abstandsänderung kann
dann vorgenommen werden. Dabei ist es schon ausreichend, die Differenz
bezüglich
nur einer Koordinate, entweder x oder y, zu bestimmen, die andere Koordinate
kann zu einer Überprüfung mit
herangezogen werden. Die abbildende Optik kann auch so konstruiert
sein, daß die
Gerade parallel zur x- oder zur y-Richtung verläuft. In diesem Fall hat man
nur eine der beiden Koordinaten zur Verfügung und kann auch keine Geradengleichung
bestimmen. Dennoch besteht ein eineindeutiger Zusammenhang zwischen der
Position des geometrischen Mittelpunkts des Rechtecks auf der Geraden
und dem Abstand zum Fokuspunkt. In jedem Fall wird vorab eine Systemkalibrierung
in Abhängigkeit
von der verwendeten Optik – so
spielt beispielsweise die Vergrößerung des
Objektivs eine wesentliche Rolle – durchgeführt, bei der gegebenenfalls
die Parameter m und n der Geradengleichung bestimmt werden. Dazu
wird eine bezüglich
der Reflexion sehr regelmäßige, unstrukturierte Testprobe
analysiert. Auf dieser wird der fokussierte Zustand der Probe angelernt,
d.h. es werden die Sollwerte für
die Positionen der geometrischen Mitte und die Seitenverhältnisse
des Bildes der Feldblende bei diesen Positionen bestimmt. Um die
Gerade bzw. die Abhängigkeit
der Position der geometrischen Mitte vom Abstand der abbildenden
Optik zu bestimmen, wird gezielt defokussiert und in Abhängigkeit
vom Abstand zwischen Probe und Abbildungsoptik der geometrische
Mittelpunkt des Bildes der Feldblende bestimmt.
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Im letzten Schritt wird schließlich eine
dem Abstand der beiden Punkte entsprechende Änderung des Abstandes zwischen
der Probe und der abbildenden Optik vorgenommen. Durch den umkehrbar
eindeutigen Zusammenhang zwischen der Lage des Bildes der Feldblende
im Bildfeld und des Abstandes der Probe zur abbildenden Optik, auch
als Z-Position der Probe bezeichnet, kann prinzipiell mit einem Schritt
auf die Probe fokussiert werden. Bei Verwendung eines Objektivs
mit 15-facher Vergrößerung und
einer Apertur von 0,28 liegt der Fangbereich bei bis zu ±200 μm um den
Fokuspunkt – üblich sind
hier bei herkömmlichen
Anordnungen etwa ±5 μm. Sollte durch
eine starke Defokussierung der geometrische Mittelpunkt nicht genau
ermittelt werden können – Gründe hierfür können beispielsweise
Strukturteile mit niedrigem Reflexionsgrad oder das Erreichen des Bildfeldrandes
sein – so
führt der
Fokussierschritt zwar nicht zu einer vollständigen Fokussierung der Probe,
jedoch mindestens zu einer Annäherung
an den fokussierten Zustand, so daß eine Wiederholung der Prozedur
die Probe fokussieren kann. Da außerdem die geometrische Mitte
und nicht die energetische Mitte zur Analyse verwendet wird, ist
das Verfahren auch sehr robust gegen Inhomogenitäten in der Reflexion.
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Bei der Durchführung des Verfahrens kann es
unter Umständen
vorkommen, daß das
Bild der Feldblende auf der Empfangsfläche beschnitten worden ist,
beispielsweise durch besonders unregelmäßige Strukturen. In diesem
Fall wird der bei der Analyse ermittelte geometrische Mittelpunkt
des Rechtecks nicht auf der vorab bestimmten Geraden liegen. In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird daher analysiert,
ob der geometrische Mittelpunkt des Rechtecks auf einer vorgegebenen
Geraden liegt. Ist dies nicht der Fall, weichen durch den Beschnitt
des Bildes der Blende auch die Seitenverhältnisse des Rechtecks von denen
ab, die bei der Kalibrierung bestimmt wurden. Die Seitenverhältnisse
werden dann so verändert
und an die vorgegebenen Seitenverhältnisse angepaßt, daß der geometrische
Mittelpunkt dabei auf die vorgegebene Gerade verschoben wird. Erst
dann wird die Abstandsänderung
anhand des korrigierten geometrischen Mittelpunkts durchgeführt. Äquivalent
zur Analyse, ob der geometrische Mittelpunkt auf der vorgegebenen
Geraden liegt, ist im obigen Sinne selbstverständlich auch die Analyse der
Seitenverhältnisse
des Rechtecks.
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Nur unter äußerst ungünstigen, in der Regel sehr
seltenen Umständen
kann es auch passieren, daß zwar
ein Rechteck mit den korrekten Seitenverhältnissen ermittelt wird, dessen
geometrischer Mittelpunkt aber nicht auf der Geraden liegt, die
die Verschiebung des Bildfeldes bestimmt. Bei einer quadratischen
Blende kann dies beispielsweise der Fall sein, wenn zwei aneinander
anschließende
Seitenlängen
des Quadrats in der Abbildung im gleichen Maße verkürzt werden. Diese Abweichungen
sind in der Regel jedoch sehr klein und können ignoriert werden. Die
Abstandsänderung
wird in diesem Fall nicht genau fokussieren, jedoch um den Bereich
des Fokuspunkts führen,
so daß in
einem zweiten Schritt erfolgreich fokussiert werden kann.
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Hier kann in einer weiteren vorteilhaften
Ausführung
der Erfindung die Einstellung verbessert werden, indem anhand der
registrierten Intensitäten
und der Lagen der Kanten der geometrischen Figur zusätzlich die
Schärfe
der Kanten des Bildfeldes bestimmt wird, und anhand des Vergleichs
der Schärfe mit
einem vorgegebenen Schärtekriterium
die Höhenverstellung
bestimmt wird, die notwendig ist, um das Bildfeld maximal scharf
zu stellen. Diese Höhenverstellung
wird zur Feineinstellung verwendet.
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Als Schärfekriterium kann beispielsweise
der Vergleich der Intensitäten
zweier vorgegebener Punkte auf der Empfangsfläche verwendet werden, von denen
im fokussierten Zustand der eine Punkt innerhalb des Bildes und
der andere außerhalb
des Bildes liegt. Bei maximaler Intensitätsdifferenz ist das Bild am
schärfsten,
je geringer die Differenz ist, desto verschwommener ist das Bild.
Auch hier läßt sich
an einer Testprobe eine Abhängigkeit
des Schärfekriteriums
von der Z-Position der Probe bestimmen und zur Kalibrierung der
Höhenverstellung
verwenden, wobei gleichzeitig für
die zu untersuchenden Proben jeweils noch eine Normierung bezüglich der
maximalen Helligkeit erfolgen kann. Da das Schärfekriterium jedoch ein symmetrisches
Verhalten bezüglich
des Fokuspunktes aufweist, kann es nicht zur Richtungsbestimmung
herangezogen werden, d.h. die Schärfeanalyse ist nur zusammen
mit den anderen Schritten zur Fokussierung verwendbar.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung, die
auch zur Feineinstellung verwendet wird, wird anhand der registrierten
Intensitätswerte
die Schärfe
innerhalb des Bildfeldes bestimmt, und anhand eines Vergleichs der
Schärfe
mit einem vorgegebenen Schärfekriterium
die Höhenverstellung
bestimmt, die notwendig ist, um das Bildfeld maximal scharf zu stellen,
und diese Höhenverstellung
zur Feineinstellung verwendet.
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Die Erfindung soll im folgenden an
einem Ausführungsbeispiel
erläutert
werden. In den dazu gehörigen
Zeichnungen zeigen
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1 eine
Anordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden
kann,
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2 eine
mögliche
Ausgestaltung einer Feldblende,
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3 die
Abbildung einer quadratischen Feldblende im defokussierten Zustand
und das ermittelte Rechteck,
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4 drei
verschiedene Höheneinstellungen
für die
Bildebene,
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5 die
aus den drei verschiedenen Höheneinstellungen
resultierenden Abbildungen des Bildfeldes auf die Empfangsmatrix
der CCD-Einheit, und
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6 die
Modifikation eines Rechtecks zur Verschiebung seines geometrischen
Mittelpunkts auf eine vorgegebene Gerade.
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In 1 ist
zunächst
eine Anordnung gezeigt, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.
Eine Lichtquelle 1 erzeugt Licht in einen großen Wellenlängenbereich.
Durch eine Linsenanordnung 2 wird das Licht zu einem Lichtstrahl 3 gebündelt. Der
Lichtstrahl 3 tritt durch eine weitere Linsenanordnung 4,
eine Aperturblende 5, eine weitere Linsenanordnung 6 und
eine Feldblende 7, bevor er auf einen Strahlteiler 8 trifft.
Am Strahlteiler 8 wird der Meßlichtstrahl aufgespalten.
Ein Teil wird als Referenzlichtstrahl 9 über eine
Linsenanordnung 10 zu einer Lichtleiteinrichtung 11 geleitet,
die das Lichtsignal zu einer Meßanalyseeinrichtung 12 weiterleitet.
Der andere Teil wird als Meßlichtstrahl 13 über Spiegel 14, 15 und 16 auf
den Meßpunkt
M auf der Probe P, die sich in einer Halterung H befindet, abgebildet.
Der dort reflektierte Meßlichtstrahl 13 erreicht
nach Reflexion an einem Spiegel 17 sowie Spiegel 16,
nach Durchtritt durch einen Pinhole-Spiegel 18 und durch eine
Sammellinse 19 den Eingang einer Lichtleiteinrichtung 20,
die ihn zur Meßanalyseeinrichtung 12 weiterleitet.
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Der Pinhole-Spiegel 18 ist
teildurchlässig ausgebildet.
Der für
die automatische Fokussierung notwendige Teilstrahl wird dort reflektiert
und über
einen Umlenkspiegel 21 sowie eine Linsengruppe 22 auf
eine positionsempfindliche Empfangsfläche 23, die hier beispielhaft
als Empfangsmatrix einer CCD-Einheit
ausgebildet ist, abgebildet.
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Diese ist mit einer Auswerteeinheit 24 verbunden,
die wiederum mit einer Steuerung zur Höhenverstellung 25 der
Halterung H verbunden ist. Wird die Halterung N in der Höhe verstellt,
so ist dies gleichbedeutend mit einer Änderung des Abstands zwischen
der Probe P und der abbildenden Optik.
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Bei der automatischen Fokussierung
wird die Feldblende 7 mittels des Meßlichtstrahls 13 auf
die Probe P abgebildet. Ein einfaches Beispiel für eine Feldblende 7 ist
in 2 gezeigt, wo die
Feldblende 7 einen quadratischen Ausschnitt zum Lichtdurchtritt hat,
entsprechend wird das von ihr erzeugte Bild im fokussierten Zustand
ebenfalls quadratisch sein. Die Form der Feldblende 7 ist
dabei jedoch nicht wesentlich und kann alle möglichen geometrischen Gestalten
aufweisen, da in der Auswertung letztendlich immer ein Rechteck 26 analysiert
wird. Im defokussierten Zustand wird zudem das Bild der Feldblende 7 immer
als heller Fleck zu sehen sein, wie beispielsweise in 3 zu sehen.
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Das durch die Feldblende 7 festgelegte
Bildfeld wird nun auf die Empfangsmatrix der CCD-Einheit abgebildet.
Die Feldblende 7 muß so
konstruiert sein, daß ihre
Abbildung auf der Empfangsmatrix der CCD-Einheit ein Bild erzeugt,
das kleiner oder gleich groß der
Fläche
der Empfangsmatrix ist, da ansonsten im Bereich des Fokuszustandes
die Abhängigkeit des
geometrischen Mittelpunktes von der Z-Position der Probe nicht verwertbar
ist. Prinzipiell funktioniert das Verfahren allerdings auch dann,
wenn das erzeugte Bild genau so groß wie die Empfangsfläche ist.
Von der CCD-Einheit werden die empfangenen Daten, d.h. die Intensitätswerte
in Zuordnung zu Positionen auf der Empfangsmatrix, an die Auswerteeinheit 24 weitergeleitet.
In der Auswerteeinheit 24 wird dann von dem aufgenommenen
Bild eine sogenannte Blob-Analyse durchgeführt, bei der die Pixel jeweils
den Wert „hell" oder „dunkel" zugewiesen bekommen,
je nachdem, ob die von ihnen registrierte Intensität über oder
unterhalb einer vorgegebenen Helligkeitsschwelle liegt. Werden die
Intensitäten
beispielsweise auf einer Skala von 0 (schwarz) bis 255 (weiß) bewertet
und liegt die hellste registrierte Intensität zwischen 80 und 160, so ergibt
beispielsweise eine Helligkeitsschwelle von 32 in der Regel ein
für die
weitere Auswertung verwertbares Ergebnis. Die maximale Intensität kann durch
die Veränderung
der Belichtungszeit für
die Empfangsfläche
verändert werden.
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Im nächsten Schritt wird das kleinste
Rechteck 26 gesucht, das alle Positionen auf der Empfangsmatrix
der CCD-Einheit umschließt,
deren Intensitätswert „hell" ist.
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Dabei kann es sinnvoll sein, vor
der Bestimmung des Rechtecks 26 eine Glättungsfunktion auf die Intensitätswerte
anzuwenden, bei der die Helligkeit jedes Pixels unter Berücksichtung
der Helligkeiten der benachbarten Pixel bestimmt wird. Auf diese Weise
kann verhindert werden, daß ein
beispielsweise durch einen Fehler in der Abbildungsoptik zustande
gekommener Wert hoher Intensität,
der nur von dunklen Stellen umgeben ist und weit außerhalb
des eigentlichen von der Feldblende erzeugten Bildes liegt, in der
Analyse berücksichtigt
wird und ein falsches, viel zu großes Rechteck 26 ermittelt
wird.
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Von der auf diese Weise konstruierten
Figur wird der geometrische Mittelpunkt bestimmt. Dies ist in 3 dargestellt. Im defokussierten
Zustand wird die Feldblende 7 als heller Fleck abgebildet,
der nicht mehr an die ursprüngliche
Form der Feldblende 7 erinnert. In 4 ist die Helligkeitsverteilung invertiert dargestellt,
d.h. es korrespondieren, ähnlich
wie bei der Belichtung von Filmen, hohe Intensitäten zu dunklen Stellen, bzw.
niedrige Intensitäten
zu hellen Stellen. Das Kreuz in der Mitte des Rechtecks 26 kennzeichnet
den ermittelten geometrischen Mittelpunkt.
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Dessen Lage wird dann mit der Position
auf der Empfangsfläche 23 verglichen,
die dem geometrischen Mittelpunkt des von der Feldblende 7 erzeugten
Bildes im fokussierten Zustand entspricht und auf einer vorab in
der Auswerteeinheit 24 eingespeicherten Kalibriergeraden
liegt. Die Kalibriergerade wird durch gezielte Defokussierung bei
Verwendung derselben Feldblende 7 an einem bekannten System
ermittelt und kann für
alle folgenden Messungen mit dieser Feldblende 7 verwendet
werden.
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Jede Position auf der Kalibiergeraden
entspricht einer anderen Höheneinstellung
bzw. einer anderen Bildebene. Dies ist in den 4 und 5 verdeutlichend
dargestellt. In 4 sind
Meßpositionen in
drei verschiedenen Bildebenen a, b und c dargestellt. Höhe a entspricht
einer extrafokalen Lage der Probe P, Höhe c einer intrafokalen Probenlage.
In Höhe
b befindet sich die Probe P genau im Fokus. In 5 sind die entsprechenden Abbildungen
einer Feldblende 7, wie sie in 2 gezeigt ist, auf der positionsempfindlichen
Empfangsfläche
dargestellt. Mit der Variation der Höhe verlagert sich der geomet rische
Mittelpunkt der Abbildungen bzw. der sie umschließenden Rechtecke 26 oder
Quadrate entlang einer Geraden, in der Regel wird die Abbildung
auch immer undeutlicher und ähnelt
immer weniger einem Quadrat, je mehr Bild- und Fokusebene voneinander abweichen.
Auch die Größe verändert sich,
mit zunehmender Defokussierung wird das Rechteck 26, daß das Bild
der Feldblende umschließt,
immer größer.
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Befindet sich der geometrische Mittelpunkt des
Rechtecks 26 nicht auf der Kalibriergeraden, muß zuvor
noch eine Korrekturrechnung durchgeführt werden, um das Rechteck 26 bzw.
seine Lage so zu verändern,
daß sein
geometrischer Mittelpunkt auf der Kalibriergeraden liegt. Dies ist
in 6 beispielhaft dargestellt.
Die vorgegebene Gerade ist als Diagonale gestrichelt dargestellt,
der Fokuspunkt als großes
Kreuz. Der geometrische Mittelpunkt des zunächst ermittelten Rechtecks 26,
dargestellt durch das kleine, durchgezogene Kreuz als Mittelpunkt
des durchgezogenen Rechtecks 26, liegt hier oberhalb der
vorgegebenen Geraden. Eine Überprüfung des Seitenverhältnisses
zeigt, daß die
vertikalen Seiten gegenüber
den horizontalen verkürzt
sind. In diesem Fall wird der geometrische Mittelpunkt vertikal
nach unten verschoben, die Seitenlängen in vertikaler Richtung
werden um das Doppelte des Abstandes des geometrischen Mittelpunkts
von der Geraden in vertikaler Richtung nach unten verlängert. Dies
ist im Bild durch den Pfeil nach unten angedeutet. Das resultierende
Rechteck 26a ist gepunktet dargestellt, sein durch ein
gepunktetes Kreuz gekennzeichneter geometrischer Mittelpunkt liegt
nun auf der Geraden.
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Schließlich wird anhand des Abstandes
des geometrischen Mittelpunkts der Figur und dem geometrischen Mittelpunkt
des Bildfeldes im fokussierten Zustand auf der Kalibriergeraden
in der Auswerteeinheit 24 die Höhenverstellung bestimmt, die
nötig ist, um
die beiden Punkte in Deckung zu bringen, d.h., die Probe P genau
in den Fokus zu bringen. Die nötige
Höhenverstellung
wird dann an die Steuerung zur Höhenverstellung 25 übermittelt,
die automatisch die entsprechende vertikale Verschiebung der Halterung
N vornimmt. Sollte die in diesem Schritt durchgeführte Fokussierung
nicht genau genug sein, so kann in einem weiteren Präzisierungsschritt,
bei dem die Schärfe
des Randes der Abbildung der Feldblende 7 analysiert wird,
eine Feineinstellung vorgenommen werden.
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Linsenanordnung
- 3
- Lichtstrahl
- 4
- Linsenanordnung
- 5
- Aperturblende
- 6
- Linsenanordnung
- 7
- Feldblende
- 8
- Strahlteiler
- 9
- Referenzlichtstrahl
- 10
- Linsenanordnung
- 11
- Lichtleitereinrichtung
- 12
- Meßanalyseeinrichtung
- 13
- Meßlichtstrahl
- 14,
15, 16, 17
- Spiegel
- 18
- Pinhole-Spiegel
- 19
- Sammellinse
- 20
- Lichtleiteinrichtung
- 21
- Umlenkspiegel
- 22
- Linsengruppe
- 23
- positionsempfindliche Empfangsfläche
- 24
- Auswerteeinheit
- 25
- Steuerung
zur Höhenverstellung
- 26,
26a
- Rechteck
- P
- Probe
- H
- Halterung
- M
- Meßpunkt
- a,
b, c Höheneinstellungen
der Halterung
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