DE10319686B4

DE10319686B4 - Vorrichtung und Verfahren zur optischen Erfassung von Gegenständen

Info

Publication number: DE10319686B4
Application number: DE10319686A
Authority: DE
Inventors: Klaus Müller
Original assignee: Baumer Innotec AG
Current assignee: Baumer Innotec AG
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2023-05-03
Also published as: US20030227635A1; CH695914A5; US7046378B2; DE10319686A1

Abstract

Verfahren zur optischen Abstandsmessung oder zur optischen Erfassung von Gegenständen mit einer mindestens teilweise spiegelnden Oberfläche (12), wobei Licht über die spiegelnde Oberfläche (12) und eine diffuse Streuung an einem Reflektor (4) zu Lichtempfangsmitteln gelenkt und dort erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass vom Reflektor (4) gestreutes Licht durch die spiegelnde Oberfläche (12) so reflektiert wird, dass es zu den Lichtempfangsmitteln gelenkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft die optische Abstandsmessung und die optische Erfassung von Gegenständen. Im Speziellen betrifft sie eine Vorrichtung und eine Verfahren zur optischen Abstandsmessung und optischen Erfassung von spiegelnden Oberflächen.
Ein Beispiel eines herkömmlichen optischen Sensors 1 ist in der 1 gezeichnet: Ein durch einen Laser 2 erzeugter Lichtstrahl 11 fällt auf ein zu detektierendes Objekt 12 und wird dort mindestens teilweise diffus gestreut. Streulicht wird von einer Empfangsoptik 3 unter einem Winkel α empfangen, der vom Abstand des Objekts vom Sensor abhängig ist. Der Winkel α wird im Empfänger bestimmt. Entsprechend eines maximalen und minimalen bestimmbaren Einfallswinkel α ergibt sich ein Messbereich m, innerhalb dessen ein Abstand des Objekts 12 bestimmbar ist.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es für spiegelnde Oberflächen nicht funktioniert, da es auf der diffusen Streuung beruht. Die genaue Erfassung der Lage von spiegelnden Oberflächen ist unter anderem in der Verarbeitung von Silizium-Wafern notwendig. Hier besteht die Schwierigkeit, dass diese hochreinen und polierten Oberflächen kaum Streulicht erzeugen. Dieses würde aber von herkömmlichen optischen Sensoren benötigt, um ein Objekt zu erfassen.
Als Lösung gibt es die Möglichkeit, mit sehr starken Lasern die Menge an Streulicht zu erhöhen und so zu einer Erfassung zu gelangen. Der Nachteil der Methode besteht in den Gefahren, die vom starken Laser für das Augenlicht der Anwender ausgehen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den optischen Sender und Empfänger so anzuordnen, dass das vom spiegelnden Objekt reflektierte Licht direkt in den Empfänger gelenkt wird. Nachteil dieser Methode ist es, dass Sender, „Spiegel” und Empfänger sehr präzis aufeinander ausgerichtet werden müssen.
Ferner beschreibt die Druckschrift US 5,148,036 eine Messmethode zur Bestimmung des Abstandes zwischen einem Wafer und einer Maske. Dabei wird ein schräg einfallender Lichtstrahl teilweise sowohl an der durchlässigen Maske als auch an dem darunter liegenden Wafer spiegelnd reflektiert. Die beiden reflektierten Teilstrahlen sind dadurch proportional zum Abstand zwischen dem Wafer und der Maske parallel zueinander beabstandet. Im weiteren Strahlenverlauf treffen die beiden Teilstrahlen auf einen diffus streuenden Schirm, wo sie beobachtbare Lichtflecke erzeugen. Bei dieser Methode ist jedoch nachteilig, dass zwei spiegelnde Oberflächen notwendig sind und diese für ein optimales Messergebnis exakt parallel zueinander ausgerichtet sein müssen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Informationen über Anwesenheit und/oder Abstand von Objekten mit einem optischen Verfahren zu gewinnen, wenn die Objekte vorwiegend spiegelnd sind und eine geringe Lichtstreuung aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung löst die Aufgabe ohne die Nachteile der anderen Verfahren.
Die Erfindung nutzt diese ansonsten nachteiligen Eigenschaften, um mit Hilfe des spiegelnden Objekts einen Beleuchtungs- und einen Beobachtungsstrahlengang auf ein leichter zu erfassendes, mindestens teilweise diffus streuendes Objekt zu lenken. Im folgenden wird der Einfachheit halber das spiegelnde, zu erfassende Objekt „Spiegel” genannt, das diffus streuende Objekt „Reflektor”. Analog wird das durch den Spiegel zurückgeworfene Licht als ”gespiegeltes Licht” und das durch den ”Reflektor” zurückgeworfene Licht als ”reflektiertes Licht” bezeichnet. Der „Spiegel” muss nicht unbedingt ein Spiegel im herkömmlichen Sinn des Wortes sein, sondern kann irgendein Objekt sein, das eine reflektierende oder teilweise reflektierende Oberfläche aufweist, bspw. auch eine Glasscheibe.
Dadurch wird im Falle der Abstandsmessung die Summe der Abstände vom Sensor zum „Spiegel” und vom „Spiegel” zum Reflektor erfasst. Ändert sich der Abstand des „Spiegels” zum Sensor so ändert sich je nach Wahl der Geometrie das Messergebnis um bis das doppelte.
Die Erkennung der Anwesenheit des „Spiegels” kann präzis über den Beleuchtungsstrahlengang durchgeführt werden. Nur wenn die Beleuchtung, im Idealfall ein sehr schmaler Strahl auf den „Spiegel” fällt, kann der Empfänger, der auch über den „Spiegel” beobachtet ein Signal erfassen. Je nach Anordnung und Strahldurchmesser, kann so genau bestimmt werden, wann ein „Spiegel” in den Strahlengang einfährt.
Ein vom Sensor aus gesehen hinter dem ”Spiegel” liegender Hintergrund ist vorzugsweise Licht absorbierend gestaltet. Bei Abwesenheit des Spiegels erhält der Empfänger kein Signal. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Hintergrund zumindest teilweise reflektierend. Es wird ein reflektierter Lichtstrahl im Empfänger detektiert, die Lage des Lichtpunktes unterscheidet sich aber von der Lage eines über den Spiegel erzeugten Lichtpunktes, so dass eine Unterscheidung anhand des Winkels, unter dem die Lichtpunkte erfasst werden, möglich ist.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass der Reflektor groß im Vergleich zum Messstrahl sein kann und damit eine präzise Justage nicht nötig wird. Der Reflektor kann ein einfaches, bspw. weißes Objekt (z. B. Keramik etc.) sein. Eine genaue Ausrichtung des Winkels dieses Teils der Vorrichtung ist nicht nötig. Beispielsweise kann ein Reflektor ganz oder teilweise um eine Lichtaustrittsöffnung der Lichtquelle herum angeordnet sein und lediglich eine weitere Öffnung für ein Lichtempfangsmittel des Sensors.
Besonders vorteilhaft für die Funktion der Erfindung ist, wenn der „Spiegel” eine Größe aufweist. die einen Großteil des Strahlengangs, insbesondere der reflektierten Strahlung durchlässt.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindungen wird der im Zusammenhang mit einem Triangulationssystem beschriebene Reflektor beispielsweise ein einem Messystem eingesetzt, das auf Laufzeitmessungen beruht und/oder einen koaxialem Strahlverlauf aufweist.
Der Strahlengang muss nicht einer bestimmten Geometrie entsprechen, sondern kann auf die Erfassung verschiedener Lagekoordinaten des Objekts angepasst werden.
Als Lichtquelle kann sowohl ein Laserstrahl, als auch eine LED oder eine andere Lichtquelle verwendet werden. Vorzugsweise erzeugt sie einen schmalen Lichtstrahl.
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen: In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. analoge Elemente.
Es zeigen:
1 eine Anordnung mit einem optischen Triangulationssensor zur Distanzmessung gemäss dem Stand der Technik;
2, 3 und 4 schematisch verschiedene Anordnungen von Sensoren gemäss der Erfindung;
5 eine zu den 2 und 3 ähnliche Anordnung, wobei an der Oberfläche des „Spiegels” eine leichte Streuung stattfindet; und
6 eine weitere Anordnung gemäss der Erfindung.
2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, welche benutzt werden kann, wenn die Erfindung zur Erfassung eines Einfahrens des ”Spiegels” in ein definiertes Feld eingesetzt werden soll. Ein optischer Sensor 1 weist eine Lichtquelle 2 zur Erzeugung eines Laser- oder Lichtstrahls 11 und ein Lichtempfangsmittel auf. Das Lichtempfangsmittel weist eine Empfangsoptik 3, lichtempfindliche Elemente bekannter Art und integrierte oder externe Auswertemitteln auf. Mit den Auswertemitteln ist ein Einfallswinkel eines Lichtstrahls und daraus eine Anwesenheit oder ein Abstand eines Objekts bestimmbar. Der optische Sensor 1 weist einen Reflektor 4 zur diffusen Reflexion auf. Im betrachteten Anwendungsfall soll ein Einfahren eines Objektes mit einer spiegelnde Oberfläche 12 in den Lichtstrahl 11 detektiert werden. Dazu ist das Objekt in einer Führung oder Halterung 16 derart orientiert, dass eine Flächennormale der spiegelnden Oberfläche 12 nicht genau parallel zu einer Strahlrichtung des abgestrahlten und ungespiegelten Lichtstrahls 11 verläuft, sondern eine leichte Neigung bezüglich dieser aufweist. Ein zulässiger Bereich für Werte dieser Neigung ergibt sich durch geometrische Überlegungen aus übrigen geometrischen Eigenschaften der Anordnung, insbesondere aus einem Soll-Abstand zwischen dem optischen Sensor 1 und dem Objekt, einer Breite oder einem Strahlwinkel des abgestrahlten Lichtstrahls 11 und einer Ausdehnung des Reflektors 4 senkrecht zur Strahlrichtung des Lichtstrahls 11.
In einem Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung fährt das Objekt mit einer Bewegungsrichtung, die vorzugsweise ungefähr annähernd in eine Richtung y normal zur Strahlrichtung des abgestrahlten Lichtstrahls 11 verläuft, in den Lichtstrahl 11 ein. Sobald der Laserstrahl 11 auf den – leicht geneigten – Spiegel 12 trifft, wird er auf den Reflektor 4 gelenkt. Von diesem wird das Licht diffus gestreut und anschliessend vom Spiegel 12 wieder reflektiert, um schliesslich als reflektierter Lichtstrahl 10 von der Lichtempfangsmitteln erfasst zu werden. Der Spiegel muss leicht geneigt sein, ansonsten ist eine Justage aber unnötig.
Das Anordnen des Reflektors 4 in einer Vorderfront des Sensors 1 ist in vielen Fällen vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig.
3 zeigt, wie mit dem erfindungsgemässen Vorgehen eine Triangulationsmessung zur Distanzbestimmung durchführbar ist. Der Abstand des Spiegels 12 in einer Richtung x, die im wesentlichen parallel zur Strahlrichtung des Lichtstrahls 11 verläuft, wird gemessen. Analog zur Ausführungsform der 2 wird der durch die Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl durch die spiegelnde Oberfläche 12 an den Reflektor 4 zurückgeworfen. Das von diesem gestreute Licht wird von der spiegelnden Oberfläche 12 wieder reflektiert und als reflektierter Lichtstrahl 10 auf die Empfangsoptik 3 gelenkt. Dort wird der Winkel bestimmt, unter dem der auf dem Reflektor reflektierte und vom Spiegel gespiegelte Lichtpunkt gesehen wird. Jede Abstandsänderung des Spiegels 12 erzeugt eine Veränderung des Messwerts um einen Betrag, der doppelt so hoch wie bei einer Messung mit einer Anordnung gemäss 1 ist. Das bedeutet auch, dass dieses Vorgehen eine um einen Faktor 2 erhöhte Messempfindlichkeit mit sich bringt.
Der Strahlengang des Lichtstrahls 11 nach der ersten Spiegelung muss nicht notwendigerweise nahezu senkrecht zu einer Frontfläche des Sensors bzw. zum Spiegel sein, sondern kann auch um einem großen Winkel β von beispielsweise 45 bis 135 Grad, insbesondere in einem Bereich um 90 Grad reflektiert genutzt werden. In dem Fall ist die Erfassung einer seitlichen Verschiebung eines Objekts möglich. des heisst in die senkrecht zur Strahlrichtung des abgestrahlten Lichtstrahls 11 verlaufende Richtung y. Eine solche Anordnung zeigt 4. Die Figur zeigt die Nutzung eines Triangulationssensors 1 zur Abstandsmessung über einen Spiegel 12 respektive ein Objekt mit einer spiegelnden Oberfläche 12. Der Reflektor 4 kann, wie durch strichlierte Linien angedeutet ist, auch relativ gross sein und dadurch Ungenauigkeiten in der Lage des Spiegels abfangen. Jede Abstandsänderung des Spiegels 12 erzeugt eine Veränderung des Messwerts um das doppelte. In dieser Anordnung können wahlweise bzw. gleichzeitig Verschiebungen der spiegelnden Oberfläche 12 in verschiedene Richtungen x und y erfasst werden.
Mit dem Triangulationssensor 1 kann auch dann noch gemessen werden, wenn eine leichte Streuung an der spiegelnden Oberfläche 12 stattfindet. Der Sensor 1 „sieht” dann zwei benachbarte Lichtflecken, wie in 5 gezeigt ist. Darin ist der gespiegelte Lichtfleck des Reflektors mit dem Bezugszeichen 13, ein durch Streulicht des Spiegels entstehender Lichtfleck mit 14, und ein von diesem erzeugter und detektierbarer Lichtstrahl mit 15 bezeichnet. Aus der Anordnung des Reflektors 4 zum Lichtstrahl 11 und zum „Spiegel” 12 ergibt sich, ob der erste oder der zweite Lichtfleck vom Reflektor kommt. Der richtige Lichtfleck wird durch eine Auswertungslogik im Empfänger ausgewählt und damit der korrekte Abstand bestimmt. Beispielsweise ist bei einem durch die Halterung 16 vorgegebenen Winkel wie in 5 klar, dass der unter einem ersten, kleineren Eintrittswinkel a einfallende Lichtstrahl der indirekt reflektierte und gespiegelte Lichtstrahl 10 ist, und dass der unter einem grösseren Winkel einfallende Lichtstrahl 15 der durch Streulicht des Spiegels entstandene ist.
Alternativ dazu werden in einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Einfallswinkel beider Lichtflecke 13, 14 rechnerisch oder mit einer elektronischen Schaltung ausgewertet und werden daraus zwei Distanzwerte und ein kombinierter Distanzwert, beispielsweise als Mittelwert, bestimmt. Nebst den gezeigten Ausführungsbeispielen ist noch eine grosse Vielzahl von weiteren Anordnungen im Rahmen des erfindungsgemässen Handelns möglich. Insbesondere sind auch Anordnungen gemäss 6 möglich, in denen der Lichtstrahl direkt auf den Reflektor gelenkt wird, ohne vorher vom Spiegel reflektiert worden zu sein. Dies kann beispielsweise geschehen, indem die Lichtquelle beispielsweise senkrecht zur Zeichnungsebene versetzt und von der Empfangsoptik 3 aus gesehen „hinter” dem Spiegel angeordnet ist. In diesem Fall ist die leicht geneigte Anordnung des Spiegels nicht mehr unbedingt nötig.
Auch Kombinationen der genannten Ausführungsformen sowie Abwandlungen sind möglich.
Bezugszeichenliste

1: optischer Sensor
2: Lichtquelle
3: Empfangsoptik
4: Reflektor
10: reflektierter Lichtstrahl
11: Lchtstrahl
12: spiegelnde Oberfläche
13: gespiegelter Lichtfleck des Reflektors
14: Lichtfleck durch Streulicht des Spiegels
15: durch Streulicht des Spiegels erzeugter Lichtstrahl
16: Halterung, Führung

Claims

Verfahren zur optischen Abstandsmessung oder zur optischen Erfassung von Gegenständen mit einer mindestens teilweise spiegelnden Oberfläche (12), wobei Licht über die spiegelnde Oberfläche (12) und eine diffuse Streuung an einem Reflektor (4) zu Lichtempfangsmitteln gelenkt und dort erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass vom Reflektor (4) gestreutes Licht durch die spiegelnde Oberfläche (12) so reflektiert wird, dass es zu den Lichtempfangsmitteln gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl (11) durch die spiegelnde Oberfläche so reflektiert wird, dass er auf den Reflektor (4) fällt, und dass vom Reflektor (4) gestreutes Licht des Lichtstrahls über die spiegelnde Oberfläche (12) zur Empfangsoptik reflektiert wird.
Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung oder zur optischen Erfassung von Gegenständen mit einer mindestens teilweise spiegelnden Oberfläche (12), aufweisend eine Lichtquelle (2) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (11), Lichtempfangsmittel und Auswertemittel zum Auswerten von über die Lichtempfangsmittel empfangenen Lichtsignalen, gekennzeichnet durch einen mindestens teilweise diffus streuenden Reflektor (4), wobei Licht von der Lichtquelle (2) über den Reflektor (4) und anschliessend über die Oberfläche (12) zu den Lichtempfangsmitteln lenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) und der Reflektor (4) derart angeordnet sind, dass in einem Betrieb der Vorrichtung ein von der Lichtquelle (2) erzeugter Lichtstrahl (11) mit einem Einfallswinkel von weniger als 45 Grad zu einer Flächennormalen der spiegelnden Oberfläche (12) auf diese trifft.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) und der Reflektor (4) derart angeordnet sind, dass in einem Betrieb der Vorrichtung ein von der Lichtquelle (2) erzeugter Lichtstrahl (11) mit einem Einfallswinkel von über 30 Grad zu einer Flächennormalen der spiegelnden Oberfläche (12) auf diese trifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Halterung oder Führung zum Anordnen eines Gegenstands mit einer mindestens teilweise spiegelnden Oberfläche (12) in einer bezüglich der Lichtquelle (2) und dem Reflektor (4) festgelegten Lage aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Auswerten von Einfallswinkeln zweier Lichtstrahlen (10, 15) und zur Bestimmung entsprechender Distanzwerte aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle, die Lichtempfangsmittel und der Reflektor in einem Sensor integriert sind.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8 zur Erfassung der Lage einer Silizium-Wafer-Oberfläche.