DE19806446A1

DE19806446A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Abstandes von Grenzflächen transparenter Medien

Info

Publication number: DE19806446A1
Application number: DE1998106446
Authority: DE
Inventors: Juergen Groser; Horst Mischo
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: GROSSER, JUERGEN, 52385 NIDEGGEN, DE
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 1999-08-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Abstandes von Grenzflächen transparenter Medien.

Derartige Grenzflächen treten sowohl bei speziellen optischen Schichtsystemen, wie sie insbe sondere in Sehhilfen, Kameras oder Projektoren Anwendung finden, als auch bei Systemen mit größeren Schichtdicken, z. B. in Fenstern, auf. Dabei kann der absolute Wert der Schichtdicke oder deren Konstanz für den jeweiligen Anwendungsfall entscheidend für die Qualität sein.

Es ist bekannt, mit Hilfe eines Fokussensors das Profil einer reflektierenden Oberfläche zu be stimmen. Ein solcher Fokussensor umfaßt in einem Gehäuse eine Laserstrahlungsquelle, eine die Laserstrahlung fokussierende Fokussieroptik und einen Photodetektor mit einer Auswerteeinheit. Die Laserstrahlung wird in Richtung auf die zu bestimmende Oberfläche fokussiert. Der sich auf der Oberfläche bildende Reflexionsfleck wird auf den Photodetektor abgebildet, dessen Photo strom von der Größe des Reflexionsfleckes abhängig ist. Die Profilmessung kann nun dadurch erfolgen, daß durch eine Positionsveränderung der Fokussieroptik relativ zum Fokussensorge häuse der Fokuspunkt exakt auf die Oberfläche gebracht wird und eine Profiländerung aus der Änderung der Fokussieroptikposition ermittelt wird (Autofokussensor). Eine Profilmessung kann jedoch auch ohne Änderung der Fokussieroptikposition unmittelbar über den Photostrom erfol gen (Fehlerfokussensor). Autofokussensoren und Fehlerfokussensoren der beschriebenen Art sind derzeit z. B. von den Firmen WEGU, UBM, Rodenstock und Sensor 95 zu beziehen.

Der Meßbereich der Autofokussensoren sowie der Fehlerfokussensoren ist aus physikalischen Gründen auf ca. 1 mm begrenzt. Deshalb werden Fokussensoren bislang üblicherweise zur Ver messung von Oberflächenprofilen von Mikrostrukturen eingesetzt.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der ein gangs genannten Art unter Einsatz eines Fokussensors bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem

a) Strahlung einer Strahlungsquelle mittels einer Fokussieroptik fokussiert wird,
b) der Fokuspunkt im wesentlichen senkrecht zu den Grenzflächen durch die Grenzflächen hindurch bewegt wird, indem ein die Strahlungsquelle und die Fokussieroptik tragendes Halteelement relativ zu einem bestimmten Bezugspunkt kontrolliert verfahren wird,
c) dabei ein von den Grenzflächen reflektierter, auf der jeweiligen Grenzfläche einen Refle xionsfleck bildender Teil der Strahlung einem Detektor zugeführt wird,
d) mittels des Detektors der Durchmesser des kleinsten Reflexionsflecks laufend überwacht wird,
e) zu jeder Grenzfläche die Position des Halteelements bestimmt wird, bei der der Reflexions fleck der jeweiligen Grenzfläche minimal ist, und
f) der Abstand zwischen gemäß Merkmal e) bestimmten, unmittelbar zueinander benachbarten Grenzflächen zuzuordnenden Positionen des Halteelements ermittelt und als Maß für den Abstand dieser Grenzflächen verwendet wird.

Mittels des sich durch die Grenzflächen bewegenden Fokuspunktes werden die einzelnen Grenz flächen angetastet. Durch die Bewegung des Fokuspunktes verändert sich auf jeder Grenzfläche ständig die Größe des Reflexionsflecks. Das Minimum des Reflexionsflecks einer jeden Grenz fläche zeigt an, wann der Fokuspunkt genau innerhalb dieser Grenzfläche liegt. Die Strecke, die der Fokuspunkt bei konstanter Bewegungsrichtung zwischen zwei Reflexionsminima zurückge legt hat, entspricht folglich dem zu bestimmenden Abstand der zugehörigen beiden unmittelbar benachbarten Grenzflächen. Die Veränderung der Position des Halteelements zwischen zwei aufeinanderfolgenden Reflexionsminima gibt nun vor, um welche Strecke sich der Fokuspunkt in einem bestimmten Medium, z. B. Luft, verändert hätte. Dieses Maß kann als Maß für den Ab stand der Grenzflächen dienen. Für diverse Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, z. B. für die Bestimmung der von der Zeit oder vom Meßort abhängigen Konstanz oder relativen Änderung eines Grenzflächenabstandes, reicht die Feststellung dieses Maßes aus. Für die Mes sung ist ein senkrechter Strahlungseinfall zu bevorzugen, da hierdurch ein intensives Signal am Detektor gewährleistet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß zum Verfahren des Fo kuspunktes zusätzlich eine von der Bewegung des Halteelements unabhängige Relativbewegung der Fokussieroptik eingesetzt wird, die Positionsveränderung der Fokussieroptik relativ zum Halteelement zu dem gemäß Merkmal f) in Anspruch 1 ermittelten Abstand zwischen den Hal teelementpositionen addiert wird und die Summe als Maß für den Abstand der Grenzflächen verwendet wird.

Hierdurch kann der durch das verfahrbare Halteelement gewährleistete große Meßbereich mit der hohen Meßgenauigkeit eines Autofokussensors kombiniert werden.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so ausgeführt werden, daß der absolute Abstand von Grenzflächen unter Einbeziehung des Brechungsindex des von den Grenzflächen begrenzten transparenten Mediums berechnet wird.

Weiterhin wird die oben erwähnte Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einem Fokussensor, umfassend eine Strahlungsquelle, eine die Strahlung der Strahlungs quelle fokussierende Fokussieroptik und ein Detektorelement zur Auswertung der von den Grenzflächen reflektierten Strahlung, gelöst durch ein den Fokussensor haltendes, parallel zur optischen Achse des Fokussensors verfahrbares Halteelement.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, daß durch eine von der Be wegung des Halteelements unabhängige Relativbewegung der Fokussieroptik der Fokuspunkt verfahrbar ist.

Im folgenden werden eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens so wie eine bevorzugte Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Figuren vorgestellt.

Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht eines an einem verfahrbaren Hal teelements befestigten Fokussensors während der Abstandsmessung und

Fig. 2 schematisch den Verlauf des Strahlungsbündels zwischen zwei Grenzflächen.

Fig. 1 zeigt einen Fokussensor 1, der an einem verfahrbaren Halteelement 2 fixiert ist. Das Halteelement 2 kann mittels einer Verfahrmechanik 3 kontrolliert parallel zur optischen Achse des Fokussensors 1 verfahren werden. Das aus einer nicht dargestellten Laserdiode stammende Laserlicht 4 wird über eine ebenfalls nicht dargestellte Fokussieroptik in Richtung auf ein Schichtsystem 5 fokussiert. Das Schichtsystem 5 besteht aus zwei Lagen 6 und 7 transparenter Medien. Um den Abstand der Grenzflächen 9,10 und 11 und damit die Dicke der einzelnen La gen 6 und 7 zu bestimmen, wird der Fokuspunkt 8 von einer Position oberhalb der obersten Grenzfläche 9 durch die Grenzflächen 9, 10 und 11 hindurchgeführt, indem der Fokussensor 1 mittels der Verfahrmechanik 3 langsam abgesenkt wird.

Das Laserlicht 4 bildet auf den Grenzflächen 9, 10 und 11 jeweils einen Reflexionsfleck, dessen Größe durch den Abstand der Grenzfläche 9, 10 bzw. 11 vom Fokuspunkt 8 bestimmt ist. Das von den Grenzflächen 9, 10 bzw. 11 reflektierte Licht wird über einen hier nicht dargestellten Strahlteiler einem ebenfalls nicht dargestellten Photodetektor zugeführt und dort ausgewertet. Bei einer Abwärtsbewegung des Fokussensors 1 passiert der Fokuspunkt 8 zunächst die oberste Grenzfläche 9, wobei erstmals der Durchmesser eines der Reflexionsflecken, nämlich der der obersten Grenzfläche 9, minimal wird, was durch den Photodetektor feststellbar ist. Die Position des Halteelements 2 bei minimalem Reflexionsfleckdurchmesser wird festgestellt und dieser Wert einer Auswerteeinheit 12 zugeführt. Beim weiteren Absenken des Fokussensors 1 passiert der Fokussensor 8 anschließend die Grenzfläche 10. Die Position des Halteelements 2 beim Mi nimum des Durchmessers des Reflexionsflecks der Grenzfläche 10 wird ebenfalls festgestellt und der Auswerteeinheit 12 zugeführt. Ist der Brechungsindex der Lage 6 des obersten transpa renten Mediums bekannt, kann aus den beiden ermittelten Positionswerten des Halteelements 2 der Abstand der Grenzflächen 9 und 10 ermittelt werden. In entsprechender Weise wird an schließend der Abstand zwischen den Grenzflächen 10 und 11 bestimmt.

Fig. 2 zeigt schematisch den Strahlungsverlauf oberhalb und innerhalb der Lage 6 des oberen transparenten Mediums in dem Moment, in dem der Fokuspunkt 8 die Grenzfläche 10 abtastet. Das Laserlicht 4 fällt in einem fokussierten Bündel auf die Grenzfläche 9. Der Strahlungsverlauf bildet mit der Senkrechten der Grenzfläche 9 einen Winkel α. Bei Eintritt in die Lage 6 tritt Lichtbrechung ein, so daß innerhalb der Lage 6 das Lichtbündel zu der Senkrechten den Winkel β bildet. Aufgrund der Lichtbrechung ist also der Fokuspunkt um den Abstand d₁ der Grenzflä chen 9 und 10 gewandert, während der Fokussensor 1 lediglich um die Strecke d₀ abgesenkt wurde. Der zu messende Abstand bemißt sich somit nach der Formel

d₁ = d₀.n.(cosβ/cosα),

wobei n der Brechungsindex des transparenten Mediums 6 ist und für den Raum oberhalb des transparenten Mediums 6 der Brechungsindex 1 angenommen wurde. Kleine Eintrittswinkel α sind vorteilhaft, da dann (cosβ/cosα) ≅ 1 gesetzt werden kann. In Fig. 2 ist der Eintrittswin kel α zur Verdeutlichung der geometrischen Verhältnisse jedoch besonders groß dargestellt. Zur Berechnung des Abstandes zwischen den Grenzflächen 10 und 11 kann die obige Formel ent sprechend eingesetzt werden, wobei dann der Brechungsindex des transparenten Mediums in der Lage 7 zu verwenden ist.

Bezugszeichenliste

1

Fokussensor

2

Haltevorrichtung

3

Verfahrmechanik

4

Laserlicht

5

Schichtsystem

6

Lage eines transparentes Mediums

7

Lage eines transparentes Mediums

8

Fokuspunkt

9

Grenzfläche

10

Grenzfläche

11

Grenzfläche

12

Auswerteeinheit

Claims

1. Verfahren zur Messung des Abstandes von Grenzflächen (9, 10, 11) transparenter Medien (6, 7), bei dem

a) Strahlung (4) einer Strahlungsquelle mittels einer Fokussieroptik fokussiert wird,
b) der Fokuspunkt (8) im wesentlichen senkrecht zu den Grenzflächen (9, 10, 11) durch die Grenzflächen (9, 10, 11) hindurch bewegt wird, indem ein die Strahlungsquelle und die Fo kussieroptik tragendes Halteelement (2) relativ zu einem bestimmten Bezugspunkt kontrol liert verfahren wird,
c) dabei ein von den Grenzflächen (9, 10, 11) reflektierter, auf der jeweiligen Grenzfläche (9, 10, 11) einen Reflexionsfleck bildender Teil der Strahlung einem Detektor zugeführt wird,
d) mittels des Detektors der Durchmesser des kleinsten Reflexionsflecks laufend überwacht wird,
e) zu jeder Grenzfläche (9, 10, 11) die Position des Halteelements (2) bestimmt wird, bei der der Reflexionsfleck der jeweiligen Grenzfläche (9, 10, 11) minimal ist, und
f) der Abstand zwischen gemäß Merkmal e) bestimmten, unmittelbar zueinander benachbarten Grenzflächen (9, 10, 11) zuzuordnenden Positionen des Halteelements (2) ermittelt und als Maß für den Abstand dieser Grenzflächen (9, 10, 11) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verfahren des Fokuspunktes (8) zusätzlich eine von der Bewegung des Halteelements (2) unabhängige Relativ bewegung der Fokussieroptik eingesetzt wird, die Positionsveränderung der Fokussieroptik rela tiv zum Halteelement (2) zu dem gemäß Merkmal f) in Anspruch 1 ermittelten Abstand zwi schen den Halteelementpositionen addiert wird und die Summe als Maß für den Abstand der Grenzflächen (9, 10, 11) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der absolute Abstand von Grenzflächen (9, 10, 11) unter Einbeziehung des Brechungsindex des von den Grenzflächen (9, 10, 11) begrenzten transparenten Mediums (6, 7) berechnet wird.

4. Vorrichtung zur Messung des Abstandes von Grenzflächen (9, 10, 11) transparenter Medien (6, 7) mit bekannten Brechungsindizes, mit einem Fokussensor, umfassend eine Strah lungsquelle, eine die Strahlung (4) der Strahlungsquelle fokussierende Fokussieroptik und ein Detektorelement zur Auswertung der von den Grenzflächen (9, 10, 11) reflektierten Strahlung, gekennzeichnet durch ein den Fokussensor haltendes, parallel zur optischen Achse des Fokus sensors verfahrbares Halteelement (2).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine von der Bewegung des Halteelements (2) unabhängige Relativbewegung der Fokussieroptik der Fokus punkt (8) verfahrbar ist.