DE112005000639B4 - Vorrichtung und Verfahren zur kombinierten interferometrischen und abbildungsbasierten Geometrieerfassung, insbesondere in der Mikrosystemtechnik - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur kombinierten interferometrischen und abbildungsbasierten Geometrieerfassung, insbesondere in der Mikrosystemtechnik

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    • G01B11/2441Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring contours or curvatures using interferometry

Abstract

Vorrichtung zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Messobjekts (9) mittels Interferometrie in einem interferometrischen Messmodus und zum Messen lateraler Dimensionen von Geometrieelementen in einem Bildverarbeitungsmodus mittels Aufzeichnung und digitaler Auswertung optischer Abbildungen des Messobjekts,
mit einem Objektiv (5) und
mit einer Einrichtung (1) zur Auflichtbeleuchtung,
mit einem Interferometer,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Objektiv (5) für einen Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen als Interferenzobjektiv und
für einen anderen Teils des Spektrums elektromagnetischer Wellen als optisch abbildendes Objektiv ausgebildet ist,
so dass durch Änderung der spektralen Zusammensetzung des zur Auflichtbeleuchtung verwendeten Lichtes von dem interferometrischen Messmodus in den Bildverarbeitungsmodus gewechselt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Messobjekts. Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich insbesondere für Messaufgaben in der Mikrosystemtechnik.
  • Um Höhenstrukturen auch an gestuften Objekten flächenhaft mit höchster Genauigkeit optisch zu messen, eignet sich vor allem die vertikal scannende Weißlichtinterferometrie (WLI). Übliche interferometrische Anordnungen dazu sind das Michelson Interferometer, das Linnik-Interferometer und das Mirau-Interferometer. In der WLI wird eine Weißlichtquelle, typischerweise eine Halogenlampe, zur Beleuchtung eingesetzt. Während der Messung wird die optische Weglängendifferenz zwischen dem Messstrahlengang und dem Referenzstrahlengang kontinuierlich vergrößert oder verringert während im Abstand von weniger als 100 nm Interferenzbilder des Objekts im allgemeinen mit einem flächig auflösenden Pixelsensor (z. B. CCD- oder CMOS-Array) aufgezeichnet werden. Die optische Weglängenänderung kann durch eine Bewegung des Messobjekts in Richtung des Interferometers, eine Bewegung des Interferometers in Richtung auf das Objekt oder von diesem weg, eine Bewegung des Interferenz- Objektivs oder eines Referenzspiegels erzeugt werden. Dieser Vorgang wird als „vertikales Scannen” bezeichnet. Der von der optischen Weglängendifferenz abhängige Intensitätsverlauf für jedes Kamerapixel, das so genannte Korelogramm, wird der weiteren Signalauswertung zugeführt.
  • Bei der WLI-Signalauswertung wird zwischen Kohärenz-Peak-Auswertung, die eine vergleichsweise grobe Abschätzung der Höhenlage eines Messpunkts mit Abweichungen von teilweise über 100 nm liefert, und der Phasenauswertung unterschieden, die Messunsicherheiten im Nanometer- oder Subnanometerbereich erlaubt. Der Höhenmessbereich kann mehrere Millimeter betragen.
  • Laterale Geometriemerkmale von Messobjekten lassen sich über die digitale Auswertung von Pixelbildern bestimmen. Bei mikroskopischen Objekten werden folglich Messmikroskope mit geeigneten Kameras ausgerüstet, um solche Pixelbilder aufzuzeichnen und anschließend digital auszuwerten. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht in der hohen Messgeschwindigkeit, die es gestattet, bei entsprechender Synchronisation zwischen dem Bildeinzug und der Anregung des Messobjekts auch Untersuchungen des dynamischen Verhaltens entsprechender Messobjekte vorzunehmen. Sämtliche mikroskopischen Verfahren sind hinsichtlich der erreichbaren lateralen Auflösung jedoch den durch die beugungsbegrenzte Abbildung gegebenen Einschränkungen unterworfen. Dies führt bei Verwendung von sichtbarem Licht im allgemeinen zu minimalen lateralen Auflösungen von ca. 0,5 μm.
  • Soll die auf digitalisierten lichtmikroskopischen Aufnahmen basierende Auswertung lateraler Strukturen mit einer der oben genannten Interferometeranordnungen durchgeführt werden, wirken sich die in der Interferenzmikroskopie zwangsläufig auftretenden Interferenzeffekte aufgrund der dadurch bedingten zusätzlichen Bildkontraste störend aus. Bei gegenwärtig bekannten Systemen ist mindestens der Austausch des Objektivs erforderlich, um weißlichtinterferometrische und bildverarbeitungsbasierte Messungen vornehmen zu können. Hierbei geht jedoch der genaue Bezug zwischen der mittels Weißlichtinterferometrie bestimmten Höhenlage und einem mit begrenzter Schärfentiefe aufgenommenen lichtmikroskopischen Bild verloren. Ein weiterer Nachteil sind die Kosten für das zusätzliche Objektiv und gegebenenfalls den Objektivrevolver, der für eine automatische Umschaltung zwischen den beiden Messmodi erforderlich ist.
  • Aus der DE 42 31 069 A1 ist ein Objektiv für ein Mirau-Interferometer bekannt. Dieses Objektiv weist objektseitig eine bündelnde Linse auf. Zwischen der Linse und dem Messobjekt ist eine Glasplatte mit einem Spiegel angeordnet. Zwischen der Glasplatte und dem Messobjekt ist außerdem eine Revolverscheibe angeordnet, die einen Teilerspiegel enthält. Dieser kann durch Drehen der Revolverscheibe in den Strahlengang hinein und aus diesem heraus bewegt werden. Mit dieser Maßnahme können Objektoberflächen verschiedener Reflektivitäten ohne Helligkeitsprobleme beobachtet werden.
  • Weiter ist aus der EP 0 244 781 ein Interferometer bekannt, dass wahlweise mit schmalbandigem oder breitbandigem Licht arbeiten kann.
  • Die US 5,565,986 A offenbart ein Interferometer mit einer Lichtquelle, die Licht verschiedener Wellenlängen aussenden kann. Das Objektiv ist so ausgebildet, dass Licht verschiedener Wellenlängen Brennpunkte an unterschiedlichen Z-Positionen liefert. Dieser Effekt wird zur Messung genutzt.
  • Schließlich offenbart die WO 2003/033994 A1 eine optische Messeinrichtung zur Vermessung komplexer Oberflächenformen. Die Messvorrichtung weist im Referenzlichtweg einen beweglich angeordneten Hohlspiegel auf. Zur Beleuchtung dient eine Lichtquelle mit geringer Kohärenz, wie beispielsweise eine Halogenlampe, eine Leuchtdiode (LED) oder eine Superluminiszenzdiode (SLD).
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, hier abzuhelfen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren sind zumindest zwei Messmodi verfügbar, nämlich ein interferometrischer Messmodus und ein Bildverarbeitungsmodus mit optischer Abbildung des Messobjekts. Die Umschaltung zwischen beiden Messmodi erfolgt durch Umschaltung des zur Beleuchtung des Objekts verwendeten Lichts. Unter Licht werden elektromagnetische Wellen mit kurzer Wellenlänge verstanden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, mit einem kompakt aufgebauten und mit nur einem auf das Messobjekt gerichteten Objektiv ausgestattete Sensormodule aufzubauen, mit denen sowohl vertikal hoch aufgelöste interferometrische Messungen als auch lateral hoch aufgelöste bildverarbeitungsbasierte Messungen durchgeführt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass nur ein definierter spektraler Anteil des Lichts, für das die eingesetzte Kamera empfindlich ist, für die weißlichtinterferometrische Messung verwendet wird, und indem ein anderer spektraler Anteil für die reine Bildverarbeitung genutzt wird. Im lichtmikroskopischen Messmodus kann beispielsweise eine blaue LED (Leuchtdiode) im Beleuchtungsstrahlengang aktiv sein. Für die Weißlichtinterferometrie kann eine Weißlicht-LED vorgesehen werden. Im weißlichtinterferometrischen Modus ist die blaue LED ausgeschaltet und die Weißlicht-LED in Betrieb. Dadurch kann mit geringem Aufwand sowohl lichtmikroskopisch als auch interferometrisch mit jeweils optimierter Genauigkeit im selben Bezugssystem gemessen werden. Durch lichtmikroskopisches „Antasten” mit nachfolgender interferometrischer Messung besteht zudem die Möglichkeit, schnelle automatische Messabläufe zu realisieren. Im lichtmikroskopischen Messmodus kann zudem eine rasche Prüfung des dynamischen Verhaltens des untersuchten Objekts oder Systems erfolgen.
  • Als Objektiv wird vorzugsweise ein Mirau-Interferenzobjektiv mit integrierter Strahlteilerplatte und integriertem Referenzspiegel verwendet. Die Auflichtbeleuchtung im weißlichtinterferometrischen Messmodus erfolgt mit einer kurzkohärenten Lichtquelle, z. B. einer Weißlicht-LED, gegebenenfalls mit geeignetem Farbfilter, deren Spektrum sich z. B. über einen Wellenlängenbereich von größer 150 nm, oberhalb von 500 nm, erstreckt. Ergänzend wird eine bei ca. 450 nm emittierende blaue LED eingesetzt, deren Licht ausschließlich zur Abbildung des Objekts genutzt wird, d. h. für diesen Teil des Wellenlängenspektrums gelangt kein Licht aus dem Referenzstrahlengang auf die Detektormatrix. Eine mögliche Ausführungsform besteht darin, den Referenzspiegel als Langpassfilter (z. B. dichroitische Schicht mit nachfolgendem Absorber) auszulegen.
  • Das z. B. unter Verwendung von blauem Licht aufgenommene lichtmikroskopische Bild dient der lateralen Erfassung von Geometrieelementen mit hoher Auflösung. Allein aufgrund der geringen Wellenlänge des blauen Lichts lassen sich laterale Auflösungen kleiner 0,5 μm erreichen. Mit Hilfe einer externen Lichtquelle auf Basis blauer LEDs, z. B. einer segmentweise ansteuerbaren Ringlichtbeleuchtung, kann im Bildverarbeitungsmodus auch auf geneigten spiegelnden Flanken gemessen werden, ohne das Messobjekt aufwendig kippen zu müssen.
  • Durch Erweiterung des Ansatzes auch auf Michelson-Objektive lassen sich größere Messbereiche (bei entsprechend der geringeren nummerischen Apertur reduzierter lateraler Auflösung) mit einem Messvorgang erfassen. Die Linnik-Anordnung ist hingegen zweckmäßig, um die laterale Auflösung zu minimieren, indem eine möglichst große nummerische Apertur des Objektivs gewählt wird. Es können auch mehrere Objektive z. B. über einen Objektivrevolver in der Vorrichtung verwendet werden.
  • Die interferometrische Anordnung lässt sich gemäß einem Aspekt der Erfindung auch als phasenschiebendes Interferometer betreiben. In diesem Fall wird eine näherungsweise monochromatische Lichtquelle für die interferometrische Messung verwendet.
  • Die zusätzliche Anbringung eines taktilen Mikrotasters im Sichtfeld des Mikroskops gestattet es, auch an Strukturen, die der optischen Messung nicht zugänglich sind, Geometriemessdaten zu ermitteln, wobei die taktile Messung aufgrund der mechanischen Kopplung mit der optischen Vorrichtung in dem gleichen Bezugssystem erfolgt wie die interferometrische Messung und die Bildverarbeitung. Der taktile Mikrotaster kann z. B. als Siliziumbiegebalken ausge führt werden, der mit einer piezoresistiven Brückenschaltung zur Messung der Tasterauslenkung versehen ist.
  • Die Kopplung der Messvorrichtung mit mechanischen Positioniereinheiten für die X, Y und Z-Achse, die mit geeigneten Inkrementalmesssystemen ausgestattet sein können, erlaubt es, Messungen unterschiedlicher Objektbereiche zueinander in Beziehung zu setzen. Je nach Messaufgabe können auch rotatorische Positionierachsen zweckmäßig sein.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich als kompaktes Sensormodul ausführen und ermöglicht bei vergleichsweise geringen Gerätekosten eine Vielzahl von Anwendungen, speziell aus dem Bereich der Mikrosystemtechnik. Sie trägt den ständig wachsenden Ansprüchen an die Messgenauigkeit, die Messgeschwindigkeit und die prozessnahe und flexible Einsatzbarkeit Rechnung. Der Einsatz von LEDs als Lichtquellen birgt gegenüber den in der Weißlichtinterferometrie verbreiteten thermischen Strahlern deutliche Vorteile hinsichtlich Gestaltungsfreiheit, Kompaktheit, Lebensdauer und Reduzierung thermischer Störeffekte.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Einzelsysteme der Messvorrichtung so aufeinander abgestimmt betrieben, dass die jeweilige Messaufgabe in optimaler Weise gelöst wird. Dabei werden laterale Strukturgrößen mittels Bildverarbeitung analysiert, Höhenstrukturen mittels der Weißlichtinterferometrie erfasst und weitere Merkmale, z. B. Mikrostrukturen auf senkrechten Flanken, gegebenenfalls mit einem taktilen Mikrotaster erfasst. Sämtliche Messdaten liegen in demselben Bezugssystem vor und können somit miteinander kombiniert werden.
  • Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße auf einem Michelson-Interferometer basierende Vorrichtung in Prinzipdarstellung,
  • 2 eine auf einem Mirau-Interferometer basierende erfindungsgemäße Vorrichtung in Prinzipdarstellung,
  • 3 eine auf einem Linnik-Interferometer basierende erfindungsgemäße Vorrichtung in Prinzipdarstellung,
  • 4 eine drei Messmodi gestattende erfindungsgemäße Vorrichtung basierend auf einem Mirau-Interferometer und
  • 5 eine Messeinrichtung nach 1 mit zusätzlichem mechanischen Taster in Prinzipdarstellung.
  • In 1 ist eine Vorrichtung zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Messobjekts 9 alternativ in einem interferometrischen Messmodus und in einem Bildverarbeitungsmodus mittels optischer Abbildung des Messobjekts 9 veranschaulicht. Zu der Vorrichtung gehört eine Einrichtung zur Auflichtbeleuchtung des Messobjekts 9. Diese Vorrichtung umfasst zwei Lichtquellen 1a, 1b mit einer angeschlossenen Optik, die das Licht auf die Oberfläche des Messobjekts leitet. Die Lichtquellen 1a, 1b geben Licht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung ab. Beispielsweise wird die Lichtquelle 1a durch eine blaue, d. h. kurzwellig strahlende Leuchtdiode gebildet. Die Lichtquelle 1b wird beispielsweise durch eine Weißlicht-LED gebildet, die ein relativ breites Lichtspektrum erzeugt. Die Lichtquellen 1a, 1b werden über einen gegebenenfalls dichroitischen Strahlteiler 2 einen Kondensor 3 und einen weiteren Strahlteiler 4 auf die Eintrittspupille 5a eines Objektivs 5 mit integriertem Strahlteiler 6, Referenzspiegel 7 und Absorber 8 abgebildet. In dem interferometrischen Messmodus wird ein Teil des Objekts seitlich aus dem Objektiv 5 austretenden weißen bzw. gelben Lichts der Lichtquelle 1b durch den Strahlteiler 6 zu dem Referenzspiegel 7 geleitet und von diesem reflektiert. Ein anderer Teil des aus dem Objektiv 5 austretenden weißen bzw. gelben Lichts wird von dem Strahlteiler 6 zu dem Messobjekt 9 geleitet und von diesem reflektiert. Der Referenzspiegel 7 und der sich innerhalb der Schärfentiefe befindliche Teil des Messobjekts 9 werden mittels des Objektivs 5 und einer Tubuslinse 11 auf ein Detektorarray 12, z. B. eine Pixelkamera mit 800×600 Pixeln, abgebildet. Das von dem Messobjekt 9 und dem Spiegel 7 reflektierte Licht wird dabei durch den Strahlteiler 6 zusammengeführt, es durchquert den Strahl teiler 4 und gelangt auf dem Detektorarray 12 zur Interferenz.
  • Eine Positioniereinheit 10 dient dazu, das Objektiv 5 senkrecht zu dem Messobjekt 9, d. h. in Z-Richtung zu verstellen. Ein als Steuereinrichtung dienender Digitalrechner 13 nimmt die von dem Detektorarray 12 abgegebenen Bilder auf und steuert die Positioniereinheit 10. Die interferometrische Messung erfolgt dadurch, dass das Objektiv 5 mittels der Positioniereinheit 10 entlang der optischen Achse bewegt wird, und indem für verschiedene Höhenpositionen des Objektivs Interferenzbilder aufgezeichnet und in dem Digitalrechner 13 ausgewertet werden. Für den Interferenzbetrieb ist die Lichtquelle 1b (Weißlichtquelle) in Betrieb. Die Lichtquelle 1a (blaue LED) ist in dem Interferenzmodus außer Betrieb.
  • In dem Bildverarbeitungsmodus wird die Lichtquelle 1a (blaue LED) in Betrieb genommen und die Lichtquelle 1b (Weißlicht-LED) wird ausgeschaltet. Ein Teil des blauen Lichts gelangt in den Referenzstrahlengang 6a, tritt jedoch durch den Referenzspiegel 7 hindurch und wird durch einen dahinter angeordneten Absorber 8 absorbiert, so dass es nicht zurück in den Abbildungsstrahlengang 6b gelangt. Der Referenzspiegel 7 und der Absorber 8 bilden somit ein frequenzselektives Schaltelement, das abhängig von dem von den Lichtquellen 1a, 1b abgegebenen Spektrum den Referenzstrahlengang 6a aktiv oder passiv schaltet und somit zwischen Interferenzmodus und Abbildungsmodus unterscheidet. Alternativ oder ergänzend kann auch der Strahlteiler 6 als frequenzselektives Schaltelement ausgelegt werden, so dass er für das im Interferenzbetrieb verwendetete Licht als Strahlteiler, für das im Bildverarbeitungsmodus verwendete Licht jedoch rein transmittierend wirkt.
  • Der maßgebliche Teil des blauen Lichts beleuchtet das Messobjekt 9 und dient in Verbindung mit der Tubuslinse 11 zur Abbildung der innerhalb der Schärfentiefe des Objektivs 5 befindlichen Objektbereiche auf das Detektorarray 12. Dieses zeichnet das Bild des Objekts auf und führt es zur nachgeschalteten digitalen Auswertung dem Digitalrechner 13 zu.
  • Im interferometrischen Messmodus kann beispielsweise nach einem der im Zusammenhang mit der Weißlichtinterferometrie bekannten Verfahren zur Bestimmung von Höhenpositionen von Strukturen des Messobjekts 9 gearbeitet werden. Beispielsweise wird die Positioniereinheit 10 verstellt bis Interferenzerscheinungen auftreten und es werden diese ausgewertet.
  • Im Bildverarbeitungsmodus wird hingegen das mit blauem Licht beleuchtete Messobjekt optisch auf dem Detektorarray 12 abgebildet. Das erhaltene Bild kann von dem Digitalrechner 13 weiter verarbeitet werden. Beispielsweise können mittels Kantenfinderroutinen Bildstrukturen erkannt und Vermessen werden.
  • 2 veranschaulicht das erfindungsgemäß ausgelegte Mirau-Interferometer, das ebenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die vorige Beschreibung gilt unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen entsprechend. Der Strahlteiler 6 ist als teilweise reflektierende Platte ausgebildet. Der Referenzspiegel 7 und der Absorber 8 sind auf der optischen Achse angeordnet. Wie schon bei dem vorbeschriebenen Interferometer nach 1 nach dem Michelson-Prinzip bilden auch hier der Referenzspiegel 7 und der optische Absorber 8 einen von der Lichtfrequenz abhängigen Umschalter, d. h. letztendlich ein Filter, mit dem in Abhängigkeit von der spektralen Charakteristik der Lichtquelle 1a, 1b zwischen den unterschiedlichen Messmodi umgeschaltet wird. Das so gebildete Filter kann bei allen beschriebenen Ausführungsformen eine Langpassfilterung, eine Kurzpassfilterung, eine Bandpassfilterung oder eine Bandsperrenfilterung im Referenzstrahlengang der interferometrischen Messanordnung realisieren. Auch hier kann die Filterwirkung alternativ oder ergänzend durch die entsprechende wellenlängenselektive Auslegung des Strahlteilers 6 erzielt werden.
  • 3 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Messmodi, die von einem Linnik-Interferometer ausgeht. Dieses weist zusätzlich zu den vorbeschriebenen und mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten Komponenten sowohl in dem Messstrahlengang M als auch in dem Referenzstrahlengang R Objektivlinsen 14, 15 auf, die eine große numerische Apertur gestatten. Damit lässt sich die laterale Auflösung minimieren.
  • In dem Referenzstrahlengang R kann wiederum ein mit einem Absorber verbundener Spiegel 7 verwendet werden, der für das im Bildverarbeitungsmodus verwendete Licht durchlässig ist. Es ist jedoch auch möglich, ein Farbfilter 8' zu verwenden, das in dem Referenzstrahlengang R angeordnet ist und für das im Bildverarbeitungsmodus verwendete Licht undurchlässig ist. Zur Umschaltung zwischen Interferenzmodus und Bildverarbeitungsmodus wird wiederum eine in ihrer spektralen Lichtzusammensetzung beeinflussbare bzw. umschaltbare Lichtquelle 1 verwendet.
  • Mit dem Linnik-Interferometer nach 3 lässt sich auch phasenschiebende Interferometrie durchführen. Dazu ist der Spiegel 7 parallel zur optischen Achse des Referenzlichtwegs mittels einer geeigneten Stelleinrichtung, beispielsweise einer Piezostelleinrichtung, verfahrbar. Die Verstellung des Referenzspiegels 7 wird von dem Digitalrechner 13 vorgenommen, der auch die auf dem Detektorarray 12 erzeugten Interferenzbilder auswertet. Es ist möglich, phasenschiebende Interferometrie mittels des von der Lichtquelle 1 im interferometrischen Messmodus abgegebenen kurzkohärenten Lichts durchzuführen, das beispielsweise mit einer weißen Leuchtdiode erzeugt worden ist. Es wird jedoch bevorzugt, dazu langkohärentes Licht zu verwenden, das beispielsweise aus einer Laserdiode stammt.
  • Eine solche Lichtquelle, die drei verschiedene Lichtqualitäten liefert, nämlich Licht für den optischen Bild verarbeitungsmodus mittels einer schmalbandigen Lichtquelle 1a, kurzkohärentes Licht für die Weißlichtinterferometrie mittels einer Lichtquelle 1b sowie langkohärentes Licht, beispielsweise von einer Laserdiode zur Durchführung phasenschiebender Interferometrie mittels einer Laserdiode 1c, ist aus 4 ersichtlich. Diese Lichtquelle 1 kann an jedem der vorbeschriebenen Interferometer Anwendung finden. In 4 ist dies am Beispiel des Mirau-Interferometers veranschaulicht. Die Einkopplung der von den drei Lichtquellen 1a, 1b, 1c erzeugten Lichtstrahlen erfolgt durch entsprechende, gegebenenfalls dichroitische Strahlteiler 2a, 2b sowie Kondensorlinsen 3a, 3b. Während der Betrieb der Vorrichtung mittels der Lichtquellen 1a und 1b, d. h. im Bildverarbeitungsmodus und im (kurzkohärenten) interferometrischen Messmodus gemäß der zu 1 und 2 gegebenen Beschreibung erfolgt, kann außerdem, wenn die langkohärente Lichtquelle 1c aktiviert ist, eine phasenschiebende Interferometrie durchgeführt werden. Im vorliegenden Beispiel kann dies durch Verstellung des Objektivs 5 mittels der Positioniereinheit 10 erfolgen, die die Länge des Messlichtwegs ändert, wobei die Länge des Referenzlichtwegs 6a konstant bleibt.
  • Alternativ kann auch ein Linnik-Interferometer gemäß 3 Anwendung finden, dessen Lichtquelle 1 die drei Lichtquellen 1a, 1b, 1c umfasst und bei dem der Referenzspiegel 7 zur Phasenschiebung verwendet wird. Alternativ kann auch das Michelson-Interferometer gemäß 1 Anwendung finden, wobei der Referenzspiegel 7 dann mittels einer nicht weiter veranschaulichten Positioniereinheit verstellbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Messobjekts mittels Interferometrie (interferometrischer Messmodus) und zum Messen lateraler Dimensionen von Geometrieelementen mittels Aufzeichnung und digitaler Auswertung optischer Abbildungen des Messobjekts (Bildverarbeitungsmodus) eingerichtet. Dazu wird ein Objektiv verwendet, das in einem Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen als Interferenzobjektiv wirkt und für einen anderen Teil des Spektrums eine reine optische Abbildung des Messobjekts hervorruft, so dass durch Änderung der spektralen Zusammensetzung des zur Auflicht-Beleuchtung verwendeten Lichts vom interferometrischen Messmodus in den Bildverarbeitungsmodus gewechselt werden kann. Als interferenzerzeugendes Objektiv kann eine Anordnung nach Michelson, Mirau oder Linnik verwendet werden. Als Lichtquellen für die beiden Messmodi können LEDs unterschiedlicher Farbe verwendet werden. Als Lichtquelle für den Bildverarbeitungsmodus kann eine blaue LED eingesetzt werden. Die Wahl der unterschiedlichen Messmodi kann über die spektrale Charakteristik der Lichtquelle mittels einer Langpass-, Kurzpass-, Bandpass- und/oder Bandsperrenfilterung im Referenzstrahlengang der interferometrischen Messanordnung realisiert werden. Im interferometrischen Messmodus kann eine kurzkohärente Lichtquelle, z. B. eine Weißlicht-LED, verwendet werden, so dass auf der vertikal scannenden Weißlichtinterferometrie basierende Messungen durchgeführt werden können. Zusätzlich kann ein interferometrischer Messmodus vorgesehen werden, bei dem eine kohärente Lichtquelle verwendet wird, so dass auf der phasenschiebenden Interferometrie basierende Messungen durchgeführt werden können.
  • Es kann im interferometrischen Messmodus eine kurzkohärente Lichtquelle verwendet werden, so dass auf der vertikal scannenden Weißlichtinterferometrie basierende Messungen durchgeführt werden können, wobei alternativ zu der kurzkohärenten Lichtquelle eine in dem für interferometrische Messungen vorgesehenen Spektralbereich emittierende kohärente Lichtquelle verwendet wird, so dass in einem dritten Messmodus auf der phasenschiebenden Interferometrie basierende Messungen durchgeführt werden können.
  • Zusätzlich kann ein punktförmig messender Taster 16 in das Sichtfeld der Abbildungsoptik eingebracht werden. Eine solche Ausführungsform ist in 5 veranschaulicht, die auf einem Michelson-Interferometer beruht. Alternativ kön nen auch in die Vorrichtungen nach 2 bis 4 entsprechende punktförmig messende Taster 16 eingebracht werden. Der punktförmig messende Taster 16 ist vorzugsweise mit dem Digitalrechner 13 verbunden.
  • Durch translatorische und/oder rotatorische Verstell einrichtungen, d. h. Achsen, die dem Messobjekt 9 und/oder der Vorrichtung insbesondere dem Objektiv 5 zugeordnet sind, kann eine Änderung der Relativposition zwischen dem Messobjekt und dem Messgerät vorgenommen werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Objektiv auf, das in zumindest zwei verschiedenen Messmodi arbeiten kann. In einem ersten Interferenzmodus wird ein Messobjekt 9 interferenzoptisch vermessen. In einem zweiten abbildenden Messmodus wird z. B. auf einem nach Art einer Kamera ausgebildeten Detektorarray ein optisches Bild erzeugt, das einer Bildverarbeitungsroutine zugeführt werden kann. Die Umschaltung zwischen beiden Messmodi erfolgt durch die Art der Beleuchtung des Objekts und ein vorzugsweise im Referenzstrahlengang eines Interferometers angeordnetes Element, das den Referenzstrahlengang in Abhängigkeit von der spektralen Zusammensetzung des verwendeten Lichts aktiviert oder inaktiviert. Dadurch ist eine einfache und schnelle Umschaltung zwischen beiden Messmodi gegeben, ohne dass das Objektiv ausgewechselt oder auch nur bewegt werden müsste. Neben der Schnelligkeit der Umschaltung wird dadurch ein guter Bezug zwischen den interferometrisch gewonnenen und den in der Bildverarbeitung gewonnenen Messdaten ermöglicht, die in ein und demselben Bezugskoordinatensystem gewonnen werden.

Claims (18)

  1. Vorrichtung zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Messobjekts (9) mittels Interferometrie in einem interferometrischen Messmodus und zum Messen lateraler Dimensionen von Geometrieelementen in einem Bildverarbeitungsmodus mittels Aufzeichnung und digitaler Auswertung optischer Abbildungen des Messobjekts, mit einem Objektiv (5) und mit einer Einrichtung (1) zur Auflichtbeleuchtung, mit einem Interferometer, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (5) für einen Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen als Interferenzobjektiv und für einen anderen Teils des Spektrums elektromagnetischer Wellen als optisch abbildendes Objektiv ausgebildet ist, so dass durch Änderung der spektralen Zusammensetzung des zur Auflichtbeleuchtung verwendeten Lichtes von dem interferometrischen Messmodus in den Bildverarbeitungsmodus gewechselt werden kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zur Auflichtbeleuchtung wenigstens zur Abgabe zweier verschiedener Lichtarten unterschiedlicher spektraler Zusammensetzungen eingerichtet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zur Auflichtbeleuchtung eine umschaltbare Lichtquelle umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zur Auflichtbeleuchtung zumindest zwei alternative Lichtquellen (1a, 1b) aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1a, 1b) LED mit unterschiedlichen Farben sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (1a) für den Bildverarbeitungsmodus eine blaue LED vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (1b) für den interferometrischen Messmodus eine kurzkohärente Lichtquelle eingesetzt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer ein Weißlichtinterferometer ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Interferometer, dem Objektiv (5) und/oder dem Messobjekt (9) eine Stelleinrichtung (10) zur Durch führung vertikal scannender Interferometrie zugeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer einen Phasenschieber (7, 3) enthält.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der kurzkohärenten Lichtquelle (1b) eine langkohärente Lichtquelle (1c) vorgesehen ist, die einen dritten Messmodus auf Basis der phasenschiebenden Interferometrie ermöglicht.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sichtfeld der Vorrichtung ein punktförmig messender Taster (16) angeordnet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Taster (16) ein mechanischer Taster ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positioniereinrichtung (10) zur Relativverstellung der Vorrichtung und des Messobjekts (9) zueinander vorgesehen ist.
  15. Verfahren zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Messobjekts mittels Interferometrie in einem interferometrischen Messmodus und zum Messen lateraler Dimensionen von Geometrieelementen in einem Bildverarbeitungsmodus mittels Aufzeichnung und digitaler Auswertung optischer Abbildungen des Messobjekts, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objektiv (5) verwendet wird, das für einen Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen als Interferenzobjektiv dient und für einen anderen Teils des Spektrums elektromagnetischer Wellen eine reine optische Abbildung hervorruft, wobei durch Änderung der spektralen Zusammensetzung des zur Auflichtbeleuchtung verwendeten Lichtes von dem interferometrischen Messmodus in den Bildverarbeitungsmodus gewechselt werden kann.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer, das Objektiv (5) und/oder das Messobjekt (9) mittels einer Stelleinrichtung (10) zur Durchführung vertikal scannender Interferometrie bewegt werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Messmodus mittels einer zusätzlich vorgesehenen langkohärente Lichtquelle (1c) phasenschiebende Interferometrie durchgeführt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (9) mit einem in dem Sichtfeld der Vorrichtung angeordneten punktförmig messenden Taster (16) angetastet wird.
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