DE112004001034T5

DE112004001034T5 - 3D- und 2D-Meßsystem und -verfahren mit erhöhter Sensitivität und erhöhtem Dynamikbereich

Info

Publication number: DE112004001034T5
Application number: DE112004001034T
Authority: DE
Inventors: Yan Beaconsfield Duval; Benoit Boucherville Quirion; Mathieu Verdun Lamarre; Michel Brossard CANTIN
Original assignee: Solvision Inc
Current assignee: Solvision Inc
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2006-10-19
Also published as: US20060109482A1; KR20060052699A; JP2006527372A; TW200510690A; WO2004109229A3; WO2004109229A2

Abstract

Ein interferometrisches Verfahren zur Bestimmung eines Höhenprofils eines Objekts, mit den Schritten:
Gewinnen eines ersten Satzes von wenigstens zwei Bildmerkmalen unter einer ersten Akquisitionsbedingung,
Gewinnen eines zweiten Satzes von wenigstens einem Bildmerkmal unter einer zweiten Akquisitionsbedingung,
Vereinigen der Bildmerkmale zur Bildung eines vereinigten Bildmerkmals und Bestimmen des Höhenprofils unter Verwendung des vereinigten Bildmerkmals und eines Phasenwertes im Zusammenhang mit einer Oberfläche.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Mcßsysteme und -verfahren. Spezieller befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem 3D- und 2D-Meßsystem und -verfahren auf der Basis von schneller Moiré Interferometrie (FMI; Fast Moiré Interferometry) mit erhöhter Sensitivität und erhöhtem Dynamikbereich.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In automatisierten visuellen 3D- und 2D-Inspektionssystemen basieren Messungen gewöhnlich auf einer Bildanalyse und einer Verarbeitung von gewonnener Information. Die Bildakquisition umfaßt allgemein einen Schritt der Datendigitalisierung. Eine digitale 8 Bit CCD-Kamera (Videokamera mit CCDs) z. B. quantifiziert ein Signal gemäß einer linearen Skala von 255 Grauwerten, wobei dunkle Bereiche niedrige Intensitätspegel haben, während helle Punkte Sättigung ergeben können, mit Intensitätswerten, die 255 auf der Grauwertskala erreichen können und sogar noch höhere echten Werten entsprechen. Das wohlbekannte Verfahren der schnellen Moiré Interferometrie (FMI) ist ein Phasenverschiebungsverfahren auf der Grundlage einer Kombination von strukturierter Lichtprojektion und Phasenverschiebung für die Extraktion von 3D- und 2D-Information an jedem Punkt des Bildes. 1 zeigt ein Beispiel eines FMI-Systems. Das FMI-Verfahren benutzt die Akquisition und Analyse von mehreren Bildern mit unterschiedlicher Gitterprojektion. Die Extraktion der 3D-Information basiert auf einer Bewertung von Intensitätsänderungen jedes Punktes bei strukturierter Lichtmodifikation.
Die Anwendung des FMI-Verfahrens auf unterschiedliche Oberflächen mit unterschiedlicher Reflektivität ist gut bekannt. Das Verfahren erlaubt die Inspektion von Objekten, die sowohl dunkle als auch sehr helle Regionen aufweisen können. Infolge dessen wird das FMI-Verfahren z. B. für die Inspektion von mikroelektronischen Bauelementen wie etwa BGA ("Ball Grid Array") oder CSP ("Chip Scale Pa ckage") Elementen benutzt. Solche mikroelektronischen Bauelemente weisen Verbinder mit unterschiedlichen Formen (und Reflektivitäten) in solcher Weise auf, daß Bereiche der Komponenten derselben, die einem Glanzwinkel entsprechen, sehr hell sind, während andere Bereiche relativ dunkel sind.
Grundsätzlich analysiert das FMI-Verfahren die Intensitätsvariation eines Punktes bei Modifikation des Projektionsgitters. Im Fall des Vorhandenseins von gesättigten Punkten und dunklen Punkten in demselben Bild ist das Verfahren jedoch in seiner Sensitivität und seinem Dynamikbereich begrenzt, da die Information, die erhalten werden kann, auf eine eingeschränkte Anzahl von Punkten begrenzt ist, unter Ausschluß von dunklen und gesättigten Punkten.
Deshalb besteht Bedarf an einem System und einem Verfahren, die es erlauben, die Qualität, Empfindlichkeit und den Dynamikbereich von 3D- und 2D-Messungen zu steigern,
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein verbessertes 3D- und 2D-Meßsystem und -verfahren zu schaffen.
Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem Studium der nachstehenden, nicht beschränkenden Beschreibung von Ausführungsformen derselben, die nur als Beispiel dienen, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Spezieller wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein FMI-Verfahren und -system zur Messung des Höhenprofils eines Objekts geschaffen, mit durch Kombination mehrerer Bildmerkmale erhöhter Präzision.
Das interferometrische Verfahren zur Bestimmung eines Höhenprofils eines Objekts umfaßt die Gewinnung eines ersten Satzes von wenigstens zwei Bildmerkmalen unter einer ersten Akquisitionsbedingung und die Gewinnung eines zweiten Satzes wenigstens eines Bildmerkmals unter einer zweiten Akquisitionsbedingung. Das Verfahren umfaßt weiterhin die Vereinigung der Bildmerkmale zur Bildung eines vereinigten Bildmerkmals und die Bestimmung des Höhenprofils unter Verwendung des vereinigten Bildmerkmals und eines Phasenwertes im Zusammenhang mit einer Referenzfläche.
Unter einem weiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein interferometrisches Verfahren zur Bestimmung eines Höhenprofils eines Objekts angegeben. Das Verfahren umfaßt die Gewinnung eines ersten Satzes von wenigstens zwei Intensitäten, die das Objekt charakterisieren, bei einer ersten Projektion eines Intensitätsmusters auf das Objekt und die Gewinnung eines zweiten Satzes wenigstens einer Intensität, die das Objekt charakterisiert, bei einer phasenverschobenen Projektion des Intensitätsmusters auf das Objekt. Das Verfahren umfaßt weiterhin die Kombination der Intensitäten, um erste und zweite vereinigte Bilder zu erhalten, sowie die Bestimmung des Höhenprofils unter Verwendung der ersten und zweiten vereinigten Bilder und eines Phasenwinkels im Zusammenhang mit einer Referenzfläche.
Unter einem anderen weiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein interferometrisches Verfahren zur Bestimmung eine Höhenprofils eines Objekts geschaffen, mit Gewinnung eines ersten Satzes von Intensitäten, die das Objekt charakterisieren, unter einer ersten Akquisitionsbedingung, wobei jede der das Objekt charakterisierenden Intensitäten einer Projektionsintensität aus einer Folge von Projektionsintensitäten auf das Objekt entspricht und jede der Projektionsintensitäten gegenüber der anderen phasenverschoben ist, und Berechnung eines ersten Phasenwertes unter Verwendung des ersten Satzes von Intensitäten. Das Verfahren umfaßt weiterhin die Gewinnung eines zweiten Satzes von Intensitäten, die das Objekt kennzeichnen, unter einer zweiten Akquisitionsbedingung, wobei jede der Intensitäten des zweiten Satzes einer Projektionsintensität aus einer zweiten Folge von Projektionsintensitäten auf das Objekt entspricht und jede der Projektionsintensitäten der zweiten Folge gegenüber den anderen phasenverschoben ist, und mit Berechnung eines zweiten Phasenwertes unter Verwendung des zweiten Satzes von Intensitäten. Das Verfahren umfaßt weiterhin die Vereinigung der Phasenwerte zur Bildung eines vereinigten Phasenwertes und die Bestimmung des Höhenprofils unter Verwendung des vereinigten Phasenwertes und eines Phasenwertes, der mit einer Referenzfläche zusammenhängt.
Unter einem anderen weiten Gesichtspunkt der Erfindung werden mehrere Intensitäten, die das Objekt charakterisieren, unter unterschiedlichen Bedingungen aufgenommen und entweder kombiniert, um einen Satz von kombinierten Bildern zu erhalten, aus dem ein das Objekt charakterisierender Phasenwinkel berechnet wird, oder sie werden dazu verwendet, einen Satz von Phasenwerten zu berechnen, die zu einer vereinigten Phase zusammengefaßt werden, die das Objekt charakterisiert.
Gemäß einem weiteren weiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein interferometrisches System zur Bestimmung eines Höhenprofils eines Objekts geschaffen. Das System umfaßt eine Muster-Projektionsanordnung zur Projektion eines Intensitätsmusters längs einer Projektionsachse auf das Objekt und eine Verschiebeeinrichtung zum Positionieren des Intensitätsmusters relativ zu dem Objekt in ausgewählte Positionen. Das System umfaßt weiterhin eine Detektionsanordnung zur Gewinnung eines ersten Satzes von wenigstens zwei Bildmerkmalen unter einer ersten Akquisitionsbedingung und zur Gewinnung eines zweiten Satzes wenigstens eines Bildmerkmals unter einer zweiten Akquisitionsbedingung sowie einen Computer zur Berechnung eines vereinigten Merkmals unter Verwendung der Bildmerkmale und zur Bestimmung des Höhenprofils des Objekts durch Verwendung des vereinigten Merkmals und eines Referenz-Phasenwertes im Zusammenhang mit der Referenzfläche.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines FMI-Systems nach dem Stand der Technik, als "STAND DER TECHNIK" gekennzeichnet;
2 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Flußdiagramm eines Teils des Verfahrens nach 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Flußdiagramm eines Teils des Verfahrens nach 2 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ein Blockdiagramm, das die Beziehungen zwischen den Systemkomponenten und einer Steuereinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Allgemein gesagt schafft die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren, das eine erhöhte Sensitivität und einen erhöhten Dynamikbereich von Phasenverschiebungs-Meßverfahren erlaubt.
Die vorliegende Erfindung wird in bezug auf ein Beispiel für vier phasenverschobene Bilder beschrieben werden, kann jedoch auf irgendein System mit drei oder mehr phasenverschobenen Bildern angewandt werden. Unter bestimmten Bedingungen kann die vorliegende Erfindung auch auf eine Gruppe von nur zwei Bildern angewandt werden.
Bei dem FMI-Verfahren beruht die 3D-Analyse auf der Variation eines Gitters, das auf ein inspiziertes Objekt projiziert wird. Gemäß 1 wird ein Intensitätsmuster in einer ersten Position auf das Objekt projiziert, und eine das Objekt charakterisierende erste Lichtintensität (auch als ein Bild bezeichnet) wird mit der Kamera gemessen. Dann wird das Intensitätsmuster aus seiner vorherigen Position verschoben (die sogenannte Phasenverschiebung), und ein weiteres Bild wird gemessen.
In dem speziellen Fall, in dem vier phasenverschobene Bilder aufgenommen werden, wird das folgende Gleichungssystem benutzt: Ia(x,y) = R(x,y)·[1 + M(x,y)·Cos(φ(x,y))) Ib(x,y) = R(x,y)·[1 + M(x,y)·Cos(φ(x,y) + π/2)] (1) Ic(x,y) = R(x,y)·[1 + M(x,y)·Cos(φ(x,y) + π)] Id(x,y) = R(x,y)·[1 + M(x,y)·Cos(φ(x,y) + 3π/2)] wobei I(x,y) die Lichtintensität bei den Objektkoordinaten (x,y) ist, R(x,y) proportional zur Reflektivität des Objekts und der Intensität der Lichtquelle ist und M(x,y) eine Modulation eines Saum-Musters ist (auch als Musterkontrast bezeichnet).
Durch Auflösung dieses Gleichungssystems (1) läßt sich der Phasenwinkel φ(x,y) wie folgt erhalten:
Dieser Phasenwert hängt mit Höheninformation über das Objekt zusammen. Es kann gezeigt werden, daß der Phasenwert in der Tat eine Funktion der Höhe z(x,y) des Objekts ist. Es ist somit möglich, die Höhe z(x,y) des Objekts in bezug auf eine Referenzfläche zu bestimmen, wenn die Eigenschaften des Intensitätsmusters und der zu der Referenzfläche gehörende Phasenwinkel bekannt sind.
Damit man in der Lage ist, den Phasenwinkel gemäß der obigen Beziehung (2) korrekt zu berechnen, müssen alle Intensitätswerte I_a(x,y), I_b(x,y), I_c(x,y) und I_d(x,y) "gültig" sein. Ein gültiger Wert wäre ein Wert, von dem man annimmt, daß er zutreffend ist, ein ungültiger Wert wäre ein Wert, der im Verdacht steht, falsch zu sein. Zum Beispiel kann ein ungültiger Wert einen Intensitätswert von einem bestimmten Teil des Objekts sein, der das Kamerapixel sättigt, so daß der wirkliche Wert nicht gemessen wird. Umgekehrt wird eine Intensität, die deutlich unterhalb des Rauschpegels des Detektionssystems liegt, fälschlich als eine höhere Intensität registriert.
Sollten einer oder mehrere der vier Intensitätswerte I(x,y) gesättigt sein, so ergibt die Beziehung (2) einen Fehler bei der Phasenberechnung. Ebenso ist die mit Hilfe der Beziehung (2) bewertete Phase äußerst unpräzise, wenn alle vier Intensitäten I_a(x,y), I_b(x,y), I_c(x,y), I_d(x,y) dicht beieinander (am Rauschpegel) liegen. Diese ungültigen Daten würden zu falschen Werten für die Höhenmessung an dem Objekt führen.
Die vorliegende Erfindung schafft deshalb ein System und ein Verfahren zur Erhöhung der Empfindlichkeit und des Dynamikbereichs der oben beschriebenen FMI-Technik.
Kombinierte Bilder.
I^~(x,y): Unter einem weiten Gesichtspunkt der Erfindung werden kombinierte Bilder des Objekts gebildet, in dem Bilder des Objekts vereinigt werden. Kurz gefaßt werden bei der Bildakquisition zwei oder mehrere Bilder (auch als Intensitäten, die das Objekt charakterisieren, bezeichnet) mit unterschiedlicher Empfindlichkeit (z. B. durch Aufnahme der Bilder mit unterschiedlicher Belichtungszeit) oder mit unterschiedlicher Intensität der Lichtquelle aufgenommen, so daß man mehrere Bilder erhält: I_a'(x,y), I_a''(x,y), ..., anstelle eines einzigen Bildes I_a(x,y). Dies wird für Bilder wiederholt, die mit anderen Gitterprojektionen "b", "c" und "d" erhalten wurden. Zum Beispiel wird die Intensität I'(x,y) mit einer größeren Empfindlichkeit (längere Belichtungsszeit) aufgenommen als die Intensität I''(x,y) oder bei einer anderen Intensität der Lichtquelle.
Es ist möglich, ein effektives kombiniertes Bild I^~ _a(x,y) als eine Kombination von Bildern I_a'(x,y), I_a''(x,y), ... zu erhalten. Zum Beispiel kann in einem 8 Bit Akquisitionssystem ein neues 16 Bit Bild I^~ _a(x,y) gebildet werden, indem eine Komposition von I_a(x,y) für die höhenwertigen Bits und I_a'(x,y) für die niederwertigen Bits betrachtet wird, und der endgültige Phasenwert wird unter Verwendung der kombinierten effektiven Bilder, die zu jeder Gitterprojektion gehören, wie folgt berechnet:
Kombinierte Phasenwerte.
φ^~(x,y): Es ist auch möglich, multiple Sätze von aufgenommen Bildern zu erhalten, entsprechend unterschiedlichen experimentellen Bedingungen, wie etwa unterschiedlichen Projektionswinkeln, unterschiedlichen Intensitäten der Lichtquelle, unterschiedlichen Kameraintensitäten etc. Zum Beispiel kann ein Satz von Bildern a , b', c' und d' unter einem ersten Projektionswinkel θ' aufgenommen genommen werden, und danach kann ein neuer Satz von Bildern a'', b'', c'' und d'' unter einem zweiten Projektionswinkel θ'' aufgenommen werden. Oder, statt den Projektionswinkel zu variieren, kann der Detektionswinkel variiert werden, indem die Neigung der Kamera in bezug auf die Projektionsachse verändert wird. Oder die Intensität der Lichtquelle oder die Akquisitionszeit der Kamera kann variiert werden. In allen Fällen kann für diese zwei (oder mehr) Sätze von aufgenommenen Bildern die Phase mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet werden:
Dann werden diese beiden Phasenwerte φ'(x,y) und φ''(x,y) vereinigt, um einen kombinierten Phasenwert φ^~(x,y) zu bilden.
In beiden Fällen (kombinierte Bilder oder kombinierte Phasen) erfolgt eine Vereinigung von Mehrfachmessungen. Im ersten Fall handelt es sich um eine Fusion von I'(x,y), I''(x,y), ... zu einem resultierenden Kompositbild I^~(x,y). Im zweiten Fall handelt es sich um eine Vereinigung (oder eine Fusion) von multiplen Phasenwerten φ'(x,y), φ''(x,y), ... zu einer resultierenden Phase φ^~(x,y). Eine solche Datenvereinigung oder Fusion wird erreicht durch Verwendung eines Regularisierungsalgorithmus wie z. B. eines Kalman-Regularisierungsfilters oder einfach durch Mittelung der Daten. Bei der Vereinigung oder Mittelwertbildung wird ein Gewicht jedes Datums (z. B. als Funktion der Pixelvarianz) in Betracht gezogen, um die Genauigkeit der endgültigen Daten zu verbessern.
Wenn alle Punkte "gültig" sind (siehe die oben stehende Diskussion), haben die erhaltenen φ'(x,y), φ''(x,y) eng beieinanderliegende Werte, und die Gleichungen (3) und (4–5) ergeben ähnliche Resultate. Die Fusion von multiplen Phasen (Beziehungen (4–5) oder Intensitätswerten (Beziehung 3) erlaubt dann eine erhöhte Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen.
Wenn z. B. Werte I'(x,y) sehr hell sind und nahe an der Sättigung liegen, kann es vorteilhaft sein, die Beziehung (3) mit kombinierten Bildern zu benutzen, die mit Intensitäten I''(x,y) gebildet werden, die mit einer kleineren Belichtungszeit aufgenommen wurden, um eine bessere Bewertung des Phasenwertes φ(x,y) zu erhalten.
Im umgekehrten Fall eines dunklen Gebietes kann es, um die Phase (und die 3D-Information) zu bewerten, vorteilhafter sein, Werte I''(x,y) mit längerer Belichtungszeit zur Berechnung des Phasenwertes zu benutzen.
Obgleich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in Bezug auf vier phasenverschobene Bilder beschrieben worden sind, ist es auch möglich, einen Satz von aufgenommenen Bildern zu wählen, die anderen Phasenverschiebungen als den in (1) dargestellten entsprechen und die für spezifische Untersuchungsbedingungen an gemessen sind. In einem solchen Fall sollte entsprechend dem gewählten Satz von Phasenverschiebungen eine geeignete Formel zur Phasenberechnung benutzt werden.
Der Fachmann wird erkennen, daß es die vorliegende Erfindung erlaubt, den Dynamikbereich jedes 3D-Meßsystems zu vergrößern, das wie z. B. ein FMI-System auf dem Phasenverschiebungsverfahren beruht. Die vorliegende Erfindung lehrt eine Kombination einer Vielzahl von Bildern, die auf unterschiedlichen Wegen, die der Fachmann sich vorstellen kann, gewonnen wurden, z. B. mit unterschiedlichen Intensitäten, oder von Bildern, die mit verschiedenen Kameras unter verschiedenen Bedingungen etc. aufgenommen wurden, um die Sensitivität und den Dynamikbereich von 3D- und 2D-Meßsystemen zu vergrößern. Deshalb macht die vorliegende Erfindung die 3D/2D-Inspektion von Objekten mit hell/dunkel Regionen möglich, wie z. B. von mikroelektronischen BGA/CSP-Bauelementen.
Ein Verfahren 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird in 2 beschrieben. In Schritt 11 wird ein erster Satz von Bildmerkmalen gewonnen. In Schritt 12 wird ein zweiter Satz von Bildmerkmalen gewonnen. Dann erfolgt in Schritt 13 eine Vereinigung der Bildmerkmale. Dann wird unter Verwendung der Resultate aus Schritt 13 das Höhenprofil des Objekts bestimmt.
Einzelheiten der Schritte 11, 12 und 13 sind abhängig vom gewählten Typ der Vereinigung und auch von den Akquisitionsbedingungen, die variiert werden. Wenn das Verfahren 10 benutzt wird, um ein kombiniertes Bild beispielsweise durch Variation der Akquisitionszeit zu erhalten, so werden die Einzelheiten der Schritte 11, 12 und 13 durch 3 beschrieben. Wenn das Verfahren 10 dazu benutzt wird, einen kombinierten Phasenwert zu erhalten, beispielsweise durch Variieren des Winkels zwischen Projektions- und Detektionsrichtung, so werden die Einzelheiten der Schritte 11, 12 und 13 besser durch 4 beschrieben. 3 und 4 entsprechen zwei unterschiedlichen Experimentaufbauten, bei denen zur Verbesserung der Genauigkeit oder der Qualität der aufgenommenen Daten unterschiedliche Versuchsbedingungen variiert werden. Obgleich wir in den nachfolgenden Beispielen den Fall diskutieren, in dem diese variablen Versuchsbedingungen die Akquisitionszeit und der Winkel zwischen Projektions- und Detektionsrichtung sind, versteht es sich, daß auch andere Versuchsbedingungen variiert werden können (wie z. B. Variation der Intensität der Lichtquelle, des Vergrößerungfaktors des optischen Systems, etc.), die für den Fachmann auf der Hand liegen.
Wie dem Fachmann bekannt sein dürfte, können auch andere Reihenfolgen der Schritte als die in 3 und 4 dargestellten verwendet werden, um die Resultate des Verfahrens 10 zu liefern. Zum Beispiel ist es für den Fachmann offensichtlich, daß, wenn einmal die das Objekt charakterisierenden Intensitäten I_a'(x,y), I_a''(x,y), I_b'(x,y), I_b''(x,y) aufgenommen worden sind, aus diesen Intensitäten entweder kombinierte Bilder I^~ _a(x,y), I^~ _b(x,y) oder eine vereinigte Phase φ^~(x,y) berechnet werden können. Mit anderen Worten, es kann unter gewissen Umständen vorteilhaft sein, mehrere Phasenwerte zu bestimmen und sie zu vereinigen, um einen endgültigen Phasenwert zu erhalten, oder Intensitäten zu kombinieren, um kombinierte Bilder zu erhalten, um einen endgültigen Phasenwert zu berechnen.
In 3 werden in Schritt 13 zwei kombinierte Bilder erhalten. Zunächst wird in Schritt 21 ein Intensitätsmuster in einer ersten Position auf das Objekt projiziert. Diese Versuchsbedingung entspricht einer ersten Akquisitionsbedingung. Darauf folgt in Schritt 22 die Akquisition eines ersten Satzes von Intensitäten I_a'(x,y), I_a''(x,y), ... als Funktion der Akquisitionszeit. Diese unter der ersten Akquisitionsbedingung erhaltenen Intensitäten bilden den ersten Satz von Bildmerkmalen in Schritt 11. Dann wird in Schritt 23 die Akquisitionsbedingung verändert, indem das Intensitätsmuster so phasenverschoben wird, daß es in einer zweiten Position auf das Objekt projiziert wird. Darauf folgt in Schritt 24 die Akquisition eines zweiten Satzes von Intensitäten I_b'(x,y), I_b''(x,y), ... als Funktion der Akquisitionszeit. Diese unter der zweiten Akquisitionsbedingung erhaltenen Intensitäten bilden den zweiten Satz von Bildmerkmalen in Schritt 12. Der erste Satz von Intensitäten wird dann vereinigt, um eine erste kombinierte Intensität I^~ _a(x,y) zu erhalten (Schritt 25), und der zweite Satz von Intensitäten wird vereinigt, um eine zweite kombinierte Intensität I^~b(x,y) zu erhalten (Schritt 26). Im Ergebnis werden so zwei kombinierte Bilder erzeugt, um das Höhenprofil des Objekts zu bestimmen.
Es ist erwähnenswert, daß, obgleich in diesem speziellen Beispiel beide Akquisitionsbedingungen zu kombinierten Intensitäten führen, die Erfindung natürlich auch den Fall einschließt, in dem nur unter der ersten Akquisitionsbedingung eine kombinierte Intensität erhalten wird (z. B. Schritt 25), während unter der zweiten Akquisitionsbedingung nur eine Intensität akquiriert wird (in Schritt 24), so daß der Satz nur eine Intensität enthält.
In 4 wird in Schritt 13 ein kombinierter Phasenwert erhalten. Zunächst wird in Schritt 71 ein erster Winkel θ' zwischen Projektions- und Detektions richtung gewählt. Diese Versuchsbedingung entspricht in diesem Fall einer ersten Akquisitionsbedingung. Dann wird in Schritt 72 ein erster Satz von Intensitäten I_a'(x,y), I_b'(x,y), ... als Funktion eines Satzes (a, b, ...) von phasenverschobenen Intensitätsmustern akquiriert, die auf das Objekt projiziert werden. Dann wird unter Verwendung des ersten Satzes von Intensitäten ein erster Phasenwert φ'(x,y) berechnet (Schritt 73). Dieser unter der ersten Akquisitionsbedingung erhaltene erste Phasenwert bildet den ersten Satz von Bildmerkmalen in Schritt 11. Dann wird in Schritt 74 die Akquisitionsbedingung in eine zweite Akquisitionsbedingung geändert, entsprechend einem zweiten Winkel θ'' zwischen Projektions- und Detektionsrichtung. In Schritt 75 wird ein zweiter Satz von Intensitäten I_a''(x,y), I_b''(x,y), ... als Funktion des Satzes (a, b, ...) von phasenverschobenen Intensitätsmustern akquiriert. Dann wird unter Verwendung des zweiten Satzes von Intensitäten ein zweiter Phasenwert φ''(x,y) berechnet (Schritt 76). Dieser zweite Phasenwert, der unter der zweiten Akquisitionsbedingung erhalten wurde, bildet den zweiten Satz von Bildmerkmalen in Schritt 11. Schließlich wird in Schritt 13 durch Vereinigung von φ'(x,y,) und φ''(x,y) der kombinierte Phasenwert erhalten.
Als ein weiteres Beispiel können die Schritte in 4 implementiert werden, indem als eine erste Akquisitionsbedingung eine erste Akquisitionszeit (oder Intensität der Lichtquelle) und als eine zweite Akquisitionsbedingung eine zweite Akquisitionszeit (oder Intensität der Lichtquelle) gewählt wird.
5 und 6 zeigen nun ein System 20 zur Bestimmung eines Höhenprofils des Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 5 wird eine Muster-Projektionsanordnung 30 dazu benutzt, ein Intensitätsmuster mit einer gegebenen Saum-Kontrastfunktion M(x,y) auf die Oberfläche 1 des Objekts 3 zu projizieren. Eine Detektionsanordnung 50 wird dazu benutzt, die Intensitätswerte zu akquirieren, die mathematisch durch das Gleichungssystem (1) beschrieben worden sind. Die Detektionsanordnung 50 kann eine CCD-Kamera oder irgendeine andere Detektionseinrichtung aufweisen. Die Detektionsanordnung 50 kann auch die nötigen, dem Fachmann bekannten optischen Komponenten aufweisen, mit denen das projizierte Intensitätsmuster geeignet zu der Detektionseinrichtung übertragen wird. Die Muster-Projektionsanordnung 30 projiziert das Intensitätsmuster unter einem Winkel θ in bezug auf die Detektionsachse 41 der Detektionsanordnung, wobei der Winkel θ der sogenannte Winkel zwischen Projektions- und Detektionsrichtung ist. Die Muster-Projektionsanordnung kann z. B. eine Beleuchtungsanordnung 31 und eine Projektionsoptik 34 aufweisen. Das Muster 32 wird durch die Beleuchtungsanordnung 31 beleuchtet und mit Hilfe der Projektionsoptik 34 auf das Objekt 3 projiziert. Das Muster kann ein Gitter mit einem ausgewählten Teilungswert p sein. Der Fachmann wird erkennen, daß auch andere Arten von Mustern verwendet werden können. Die Eigenschaften des Intensitätsmusters können eingestellt werden, indem sowohl die Beleuchtungsanordnung 31 als auch die Projektionsoptik 34 abgestimmt werden. Die Muster-Verschiebeeinrichtung 33 wird dazu benutzt, das Muster in einer kontrollierten Weise relativ zu dem Objekt zu verschieben. Diese Verschiebung kann mit einer mechanischen Einrichtung oder auch optisch durch Translation der Musterintensität erfolgen. Diese Verschiebung kann von einem Computer 60 kontrolliert werden. Andere Mittel zum Verschieben des Musters relativ zu dem Objekt umfassen die Verschiebung des Objekts 3 und die Verschiebung der Muster-Projektionsanordnung 30.
Wie in 6 gezeigt ist, kann der Computer 60 auch die Ausrichtung und den Vergrößerungsfaktor der Muster-Projektionsanordnung sowie die Ausrichtung der Detektionsanordnung 50 kontrollieren. Natürlich wird der Computer 60 dazu benutzt, aus den von der Detektionsanordnung 50 aufgenommenen Daten das Höhenprofil des Objekts zu berechnen. Der Computer 60 wird auch dazu benutzt, die aufgenommenen Bilder und die entsprechenden Phasenwerte 61 zu speichern und zu verwalten. Eine Software 63 kann als Schnittstelle zwischen dem Computer und dem Benutzer dienen, um zusätzliche Flexibilität in der Bedienung des Systems zu schaffen.
Eines der wesentlichen Merkmale der Software 63 besteht darin, daß sie den Algorithmus zur Vereinigung der aufgenommenen Bildmerkmale in Schritten 11 und 12 bereitstellt, um entweder die kombinierte Intensität oder die kombinierte Phase zu erhalten. Wie zuvor erwähnt wurde, basiert dieser Algorithmus in einer bevorzugten Ausführungsform auf einem Kalman-Algorithmus, bei dem jedem der experimentellen Pixelwerte ein Gewicht zugeordnet wird, das einer Schätzung des Meßfehlers oder der "Gültigkeit" der Daten entspricht. In einer anderen Ausführungsform bildet der Algorithmus ein gewichtetes Mittel der Daten. Somit wird durch die Software 63 den Daten automatisch ein Gewicht zugeordnet.
Das oben beschriebene Verfahren 10 und das System 20 können dazu verwendet werden, die Höhe eines Objekts in bezug auf eine Referenzfläche zu kartieren oder das Relief eines Objekts zu berechnen. Die Referenzfläche kann eine reale Oberfläche sein, die Oberfläche eines Teils des Objekts, oder auch eine virtuelle Oberfläche. Dies führt zu einer 3D-Vermessung des Objekts. Sie kann auch dazu benutzt werden, ein Höhenprofil entsprechend einem virtuellen Querschnitt durch das Objekt zu berechnen. In dem Fall erfolgt eine 2D-Vermessung des Objekts.
Das oben beschriebene Verfahren 10 und das System 20 können auch dazu benutzt werden, Defekte an einem Objekt zu detektieren, im Vergleich zu einem ähnlichen Objekt, das als Modell dient, oder im Laufe der Zeit eintretende Veränderungen an einer Objektoberfläche zu detektieren. In allen Fällen kann das oben beschriebene Verfahren 10 und das System 20 weiterhin die Auswahl eines geeigneten Intensitätsmusters und einer geeigneten Auflösung bei der Datenaufnahme umfassen, die auf die Höhe des vermessenen Objekts abgestimmt ist.
Obgleich die vorliegende Erfindung oben anhand von Ausführungsformen beschrieben wurde, kann sie abgewandelt werden, ohne daß von der Idee und dem Wesen der hier beanspruchten Erfindung abgewichen wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Die folgende Erfindung schafft ein Verfahren und System zur schnellen Moiré-Interferometrie (FMI) zur Messung des Höhenprofils eines Objekts mit erhöhter Präzision durch Kombination von mehreren Bildmerkmalen. Unter einem weiten Aspekt der Erfindung werden zwei oder mehrere Bilder unter unterschiedlichen Bedingungen aufgenommen, um zwei oder mehr Bilder I_a'(x,y), I_a''(x,y), ... anstelle eines einzelnen Bildes I_a(x,y) zu erhalten. Dies wird für Bilder wiederholt, die mit unterschiedlichen Gitterprojektionen "b", "c" und "d" erhalten wurden. Diese Bilder werden kombiniert, um kombinierte Bilder oder einen vereinigten Phasenwert zu bilden, die zur Bestimmung des Höhenprofils des Objekts verwendet werden.

Claims

Ein interferometrisches Verfahren zur Bestimmung eines Höhenprofils eines Objekts, mit den Schritten: Gewinnen eines ersten Satzes von wenigstens zwei Bildmerkmalen unter einer ersten Akquisitionsbedingung, Gewinnen eines zweiten Satzes von wenigstens einem Bildmerkmal unter einer zweiten Akquisitionsbedingung, Vereinigen der Bildmerkmale zur Bildung eines vereinigten Bildmerkmals und Bestimmen des Höhenprofils unter Verwendung des vereinigten Bildmerkmals und eines Phasenwertes im Zusammenhang mit einer Oberfläche.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Höhenprofil des Objekts ein Relief des Objekts und/oder einen virtuellen Querschnitt des Objekts umfaßt.
Das Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die erste Akquisitionsbedingung eine Projektion eines Intensitätsmusters auf das Objekt umfaßt und die zweite Akquisitionsbedingung eine phasenverschobene Projektion dieses Musters auf das Objekt umfaßt.
Das Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Intensitätsmuster ein sinusförmiges Muster aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der erste Satz aus wenigstens zwei Bildmerkmalen zwei Intensitäten umfaßt, die das Objekt kennzeichnen und die mit unterschiedlichen Akquisitionszeiten gewonnen wurden.
Das Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die das Objekt charakterisierenden Intensitäten die Intensitäten von sichtbarem Licht umfassen.
Das Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das vereinigte Bildmerkmal eine erste und eine zweite kombinierte Intensität umfaßt, wobei die erste kombinierte Intensität unter Verwendung des ersten Satzes von wenigstens zwei Bildmerkmalen erhalten wird und die zweite kombinierte Intensität unter Verwendung des zweiten Satzes von wenigstens einem Bildmerkmal erhalten wird.
Das Verfahren nach Anspruch 7, mit Zuordnung von Gewichtsparametern zu den Bildmerkmalen.
Das Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Gewichtsparameter eine Unsicherheit der Bildmerkmale repräsentieren.
Das Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die kombinierten Intensitäten mit Hilfe eines Kalman-Algorithmus erhalten werden.
Das Verfahren nach Anspruch 10, mit Bestimmung des Volumens des Objekts anhand des Reliefs dieses Objekts.
Das Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die erste Akquisitionsbedingung einen ersten Winkel zwischen Projektions- und Detektionsrichtung und/oder eine erste Akquisitionszeit umfaßt und die zweite Akquisitionsbedingung einen zweiten Winkel zwischen Projektions- und Detektionsrichtung und/oder eine zweite Akquisitionszeit umfaßt.
Das Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der erste Winkel zwischen Projektions- und Detektionsrichtung ein Winkel zwischen einer ersten Projektionsachse und einer Detektionsachse ist und bei der der zweite Winkel zwischen Projektions- und Detektionsrichtung ein Winkel zwischen einer zweiten Projektionsachse und der Detektionsachse ist.
Das Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der erste Satz von wenigstens zwei Bildmerkmalen zwei das Objekt charakterisierende Intensitäten und einen Phasenwert umfaßt, wobei eine Intensität bei einer ersten Projektion eines Intensitätsmusters entlang der ersten Projektionsachse auf das Objekt erhalten wird, die zweite Intensität bei phasenverschobener Projektion dieses Intensitätsmusters entlang der ersten Projektionsachse auf das Objekt erhalten wird und der Phasenwert aus den beiden das Objekt charakterisierenden Intensitäten bestimmt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Intensitätsmuster ein sinusförmiges Muster aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die das Objekt charakterisierenden Intensitäten die Intensitäten von sichtbarem Licht umfassen.
Das Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das vereinigte Bildmerkmal einen kombinierten Phasenwert umfaßt, der unter Verwendung des Phasenwertes aus dem ersten Satz von Bildmerkmalen und eines aus dem zweiten Satz von Bildmerkmalen erhaltenen zweiten Phasenwertes gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 17, mit Zuordnung von Gewichtsparametern zu den Bildmerkmalen.
Das Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Gewichtsparameter eine Unsicherheit der Bildmerkmale repräsentieren.
Das Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der kombinierte Phasenwert unter Verwendung eines Kalman-Algorithmus erhalten wird.
Das Verfahren nach Anspruch 20, mit Bestimmung des Volumens des Objekts anhand des Reliefs dieses Objekts.
Das Verfahren nach Anspruch 2, mit Zuordnung von Gewichtsparametern zu den Bildmerkmalen.
Das Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Gewichtsparameter eine Unsicherheit der Bildmerkmale repräsentieren.
Das Verfahren nach Anspruch 23, bei dem das wenigstens eine vereinigte Bildmerkmal durch kombinieren der Bildmerkmale unter Verwendung eines Kalman-Algorithmus erhalten wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die vereinigten Bildmerkmale erste und zweite kombinierte Intensitäten umfassen, wobei die erste kombinierte Intensität unter Verwendung des ersten Satzes von wenigstens zwei Bildmerkmalen erhalten wird und die zweite kombinierte Intensität unter Verwendung des zweiten Satzes von wenigstens einem Bildmerkmal erhalten wird,
Das Verfahren nach Anspruch 25, bei dem der erste Satz von Bildmerkmalen bei einer ersten Projektion eines Intensitätsmusters auf das Objekt und der zweite Satz von Bildmerkmalen bei phasenverschobener Projektion dieses Intensitätsmusters auf das Objekt erhalten wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Satz von wenigstens zwei Bildmerkmalen zwei das Objekt charakterisierende Intensitäten und einen Phasenwert umfaßt, wobei eine Intensität bei einer ersten Projektion eines Intensitätsmusters auf das Objekt erhalten wird, die zweite Intensität bei phasenverschobener Projektion dieses Intensitätsmusters auf das Objekt erhalten wird und der Phasenwert aus den beiden das Objekt charakterisierenden Intensitäten bestimmt wird.
Ein interferometrisches Verfahren zur Bestimmung eines Höhenprofils eines Objekts, mit den Schritten: Gewinnen eines ersten Satzes von wenigstens zwei das Objekt charakterisierenden Intensitäten bei einer ersten Projektion eines Intensitätsmusters auf das Objekt, Gewinnen eines zweiten Satzes von wenigstens einer das Objekt charaterisierenden Intensität bei einer phasenverschobenen Projektion des Intensitätsmusters auf das Objekt, Kombinieren der Intensitäten zur Bildung erster und zweiter vereinigter Bilder und Bestimmen des Höhenprofils unter Verwendung der ersten und zweiten vereinigten Bilder und eines Phasenwertes im Zusammenhang mit einer Oberfläche.
Ein interferometrisches Verfahren zur Bestimmung eines Höhenprofils eines Objekts, mit den Schritten: Gewinnen eines ersten Satzes von das Objekt charakterisierenden Intensitäten unter einer ersten Akquisitionsbedingung, wobei jede dieser das Objekt charakterisierenden Intensitäten einer Projektionsintensität aus einer Folge von Projektionsintensitäten auf das Objekt entspricht, die jeweils gegen einander phasenverschoben sind, Berechnen eines ersten Phasenwertes unter Verwendung des ersten Satzes von Intensitäten, Gewinnen eines zweiten Satzes von das Objekt charakterisierenden Intensitäten unter einer zweiten Akquisitionsbedingung, wobei jede dieser Intensitäten des zweiten Satzes einer Projektionsintensität aus einer zweiten Folgen von Projektionsintensitäten auf das Objekt entspricht, von denen jede gegenüber den anderen phasenverschoben ist, Berechnen eines zweiten Phasenwertes unter Verwendung des zweiten Satzes von Intensitäten, Vereinigen dieser Phasenwerte zur Bildung eines vereinigten Phasenwertes, und Bestimmen des Höhenprofils unter Verwendung des vereinigten Phasenwertes und eines Phasenwertes im Zusammenhang mit einer Oberfläche.
Ein interferometrisches System zur Bestimmung eines Höhenprofils eines Objekts, mit: einer Muster-Projektionsanordnung zur Projektion eines Intensitätsmusters entlang einer Projektionsachse auf das Objekt, einer Verschiebeeinrichtung zum Positionieren dieses Intensitätsmusters relativ zu dem Objekt in ausgewählte Positionen, einer Detektionsanordnung zum Gewinnen eines ersten Satzes von wenigstens zwei Bildmerkmalen unter einer ersten Akquisitionsbedingung und zum Gewinnen eines zweiten Satzes von wenigstens einem Bildmerkmal unter einer zweiten Akquisitionsbedingung und einem Computer zur Berechnung eines vereinigten Merkmals unter Verwendung der Bildmerkmale und zur Bestimmung der Höhenprofils des Objekts durch Verwendung des vereinigten Merkmals und eines Referenz-Phasenwertes im Zusammenhang mit einer Referenzfläche.
Das System nach Anspruch 30, bei dem die Detektionsanordnung einen Detektor mit einer einstellbaren Akquisitionszeit aufweist.
Das System nach Anspruch 30, bei dem die Muster-Projektionsanordnung eine Lichtquelle mit einstellbarer Intensität aufweist.
Das System nach Anspruch 30, mit einer Steuerungssoftware zur Steuerung der Projektionsanordnung und/oder der Detektionsanordnung und/oder der Verschiebeeinrichtung.
Das System nach Anspruch 33, bei dem die Steuerungssoftware die Steuerung der Verschiebeeinrichtung umfaßt, derart, daß der erste Satz von wenigstens zwei Bildmerkmalen bei einer ersten Projektion des Intensitätsmusters und der zweite Satz von wenigstens einem Bildmerkmal bei einer zweiten Projektion des Intensitätsmusters erhalten wird.
Das System nach Anspruch 33, bei dem die Steuerungssoftware die Steuerung der Detektionsanordnung umfaßt, derart, daß der erste Satz von wenigstens zwei Bildmerkmalen mit einer ersten Akquisitionszeit und der zweite Satz von wenigstens einem Bildmerkmal mit einer zweiten Akquisitionszeit erhalten wird.