DE20016490U1

DE20016490U1 - Anordnung zur Gewinnung von Meßwerten für eine automatische Fokussierung bei der optischen Abtastung einer Oberfläche

Info

Publication number: DE20016490U1
Application number: DE20016490U
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2000-09-23
Filing date: 2000-09-23
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2010-09-24

Description

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Anordnung zur Gewinnung von Meßwerten für eine automatische Fokussierung bei der optischen Abtastung einer Oberfläche

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Gewinnung von Meßwerten für eine automatische Fokussierung bei der optischen Abtastung einer Oberfläche, mit einer Aufnahmeeinrichtung für Bildinformationen von der Oberfläche, einer Einrichtung zur Positionierung der Aufnahmeeinrichtung entlang eines Koordinatensystems X,Y,Z und einer Auswerteschaltung.

Zur Erfassung von Meßwerten bei der Oberflächenabtastung sind Anordnungen bekannt, bei denen, die z-Position immer dann gemessen wird, wenn der optimale Fokussierzustand erreicht ist, das heißt das Objekt in der Fokusebene des optischen Systems liegt. Solche Anordnungen sind beschrieben in US-PS 4,743,771 und US-PS 4,920,273. Dabei wird die Genauigkeit der Meßwerterfassung bzw. der Fokussierung über hochfrequente Bildanteile, die sich proportional zur Bildschärfe ausbilden, bestimmt.

Nachteilig bei derartigen Anordnungen ist ihre Abhängigkeit von der Orientierung der Oberflächenstrukturen oder von Kanten der Objekte in Bezug auf die Scan-Richtung eines optischen Sensors, wie beispielsweise einer TV-Kamera. Sofern diese Orientierungen nicht annähernd senkrecht zur Scan-Richtung liegen, ist eine hochgenaue Meßwerterfassung in z-0 Richtung bzw. eine exakte Fokussierung nicht möglich.

In US-PS 4,743,771 und US-PS 4,920,273 wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß entsprechende Muster senkrecht zur

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Scan-Richtung des optischen Systems auf die Objektoberfläche projiziert werden, was einen verhältnismäßig hohen technischen Aufwand erfordert.

Den im Stand der Technik bekannten Anordnungen haftet weiterhin der Nachteil an, daß die Meßwert- bzw. Fokusbestimmung über den Flächenschwerpunkt einer Hüllkurve aus allen Einzelmeßwerten vorgenommen wird. Um diese Einzelmeßwerte zu erhalten ist &ldquor;hinter" der Meßebene aus Symmetriegründen eine zusätzliche Fahrstrecke erforderlich.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur optoelektronischen Meßwerterfassung von dreidimensionalen Oberflächenstrukturen dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Gewinnung von Meßwerten für eine automatische Fokussierung unabhängig von der Orientierung der Oberflächenstruktur bzw. einer Kante des Objektes in Bezug auf die Scan-Richtung einer Aufnahmeeinrichtung ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß ist bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, daß die Positioniereinrichtung mit einer Steuereinheit zur zeilenweisen Abtastung in den Koordinaten X,Y verbunden ist, die Auswerteschaltung eine Bewertungseinheit für die Geschwindigkeit der Amplitudenänderung der während der Abtastung aufgenommenen Bildinformationen aufweist, am Ausgang der Bewertungseinheit zwei Signale verfügbar sind, wovon ein erstes Signal im wesentlichen von den Amplitudenänderungen der in Richtung der Koordinate X gewonnenen Bildinformationen und das zweite Signal im wesentlichen von den Amplitudenänderungen der in Richtung der Koordinate Y gewonnenen Bildinformationen beeinflußt ist, der Bewertungseinheit eine Prozessoreinheit

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nachgeordnet ist, die Umkehrpunkte (25) der Hüllkurven der Amplitudenänderungen bestimmt und weiterhin die Verschiebung der Aufnahmeeinrichtung in Richtung Z in eine mit den Umkehrpunkten korrespondierende Position vorgesehen ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung erfolgt die Meßwerterfassung bzw. die Bestimmung des Fokussierzustandes nicht über hochfrequente Anteile des insgesamt erfaßten Bildes, sondern aus verschiedenen Bildanteilen, die aus einzelnen Scan-Vorgängen getrennt, das heißt zeilenweise erfaßt und ausgewertet werden.

Dazu wird zunächst auf die mit der Positioniereinrichtung gekoppelte Aufnahmeeinrichtung, die video-typische Signale liefert, die Oberflächenstruktur scannend abgebildet. Über die Positioniereinheit wird der Abstand zur Oberfläche des Objektes gemessen und entsprechend verändert.

Dabei wird die Geschwindigkeit der Amplitudenänderung mit Hilfe der Bewertungseinheit zeilenweise erfaßt und ausgewertet. Davon abhängig liefert die Bewertungseinheit zwei Ausgangssignale, wobei ein erstes Signal vorwiegend von der Abbildung der Oberflächenstruktur parallel zur Scan-Richtung, z.B. der Koordinate X, und das andere Signal vorwiegend von der Abbildung der Oberflächenstruktur senkrecht zur Scan-Richtung, z.B. der Koordinate Y, abhängig ist.

Über die zentrale Prozessoreinheit, die die Ausgangssignale der Bewertungseinheit überwacht, wird der Umkehrpunkt im Verlauf der Ausgangssignale erkannt und zu einer zugehörigen Hüllkurve definiert, wodurch eine genaue Meßwerterfassung erfolgt. Zwecks automatischer Fokussierung wird an die

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Positioniereinrichtung eine dem jeweiligen Umkehrpunkt zugeordnete Position für die Aufnahmeeinrichtung vorgegeben.

Die Meßwerterfassung bzw. Fokussierung erfolgt somit über eine zeilenweise Ermittlung der Amplitudenveränderungsgeschwindigkeit der abgebildeten und optoelektronisch gescannten Oberflächenstruktur eines Objektes.

Bevorzugterweise ist dazu in der Bewertungseinheit eine Impulsabtrennstufe (Amplitudensieb) mit mindestens einem nachgeschalteten Zähler und mit zwei dem Zähler nachgeschalteten, aufeinander folgenden Speichern vorgesehen, wobei die Speicherausgänge mit dem Eingang der Prozessoreinheit verbunden sind.

Das Umwandeln der Ergebnisse zum Zwecke der Fokussierung bzw. zum Positionieren auf den Umkehrpunkt der Hüllkurve erfolgt durch Vergleichen der Ergebnisse mit korrespondierenden Zeilen eines vorhergehenden Bildes und Ermitteln der Differenz zwischen vorzugsweise dem kleinsten und dem größten Wert der Darstellung, durch Vergleichen der Ergebnisse jeder Zeile mit der vorzugsweise vorhergehenden Zeile und Ermitteln der Differenz zwischen vorzugsweise dem kleinsten und dem größten Wert als Darstellung des Fokussierzustandes für parallel zur Scan-Richtung verlaufende Abbildungsstrukturen .

Dafür ist in vorteilhafter Ausgestaltung der erste der beiden Speicher zur Ablage der Geschwindigkeitswerte für alle Zeilen des letzten Bildes und der zweite Speicher zur Ablage der Geschwindigkeitswerte für alle Zeilen eines vorhergehenden Bildes vorgesehen, wobei zweckmäßigerweise im Signalweg zwischen den Speichern und der Prozessoreinheit

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Differenzbildner sowie Minimum- und Maximumspeicher vorhanden sind und die zentrale Prozessoreinheit so konfiguriert ist, daß bei der Überwachung der Ausgangssignale der Signalbewertungseinheit zunächst das Maximum in deren Verlauf ermittelt und danach hinreichend viele Ausgangssignale übernommen werden, so daß eine Symmetriegerade bestimmbar ist.

In der Regel erfolgt die Positionierung der Aufnahmeeinrichtung in &zgr;-Richtung, das heißt die Fokussierung, unmittelbar nach dem ersten Erfassen des Umkehrpunktes.

Zur Erhöhung der Genauigkeit ist es allerdings von Vorteil, wenn die Fokussierung erst nach Übernahme einer Mindestanzahl von weiteren Meßwerten und der Auswertung zur Erfassen des Umkehrpunktes vorgenommen wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Bewertungseinheit in zwei Teileinheiten gegliedert, wobei eine Teileinheit zur Ausgabe eines Signals für die Objektabbildung parallel zur Scan-Richtung und die andere Teileinheit zur Ausgabe eines Signals für die Objektabbildung senkrecht zur Scan-Richtung vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise sind dabei beide Teileinheiten unabhängig voneinander nutzbar.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig.l: den prinzipiellen Aufbau der Anordnung zur Gewinnung

von Meßwerten für die automatische Fokussierung,
Fig.2: den Verlauf von Fokuseinzelwerten (Idealform),

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Fig.3: den Verlauf von Fokuseinzelwerten (Abweichungen von der Idealform)

Fig.l zeigt eine Aufnahmeeinrichtung 1 für Bildinformationen von einer nicht näher dargestellten Objektoberfläche in Form von video-typischen Signalen, in die ein optoelektronischer Wandler 2, zum Beispiel eine TV-Kamera, integriert ist, auf welche die Objektoberfläche durch Scannen abgebildet wird. Die Aufnahmeeinrichtung 1 ist mit einer Posit&igr;&ogr;&iacgr; 0 niereinrichtung 3 gekoppelt und entlang der Koordinaten x,y und &zgr; beweglich angeordnet.

Über die Positioniereinrichtung 3 wird der Abstand zur Objektoberfläche gemessen und nach entsprechender Informationsverarbeitung mit Hilfe einer Prozessoreinheit 4 gesteuert verändert. Die Informationsgewinnung und -verarbeitung erfolgt dabei mittels einer Steuereinheit 5 durch zeilenweisen Abtastung der Bildkoordinaten x,y und mittels einer im Hinblick auf die Geschwindigkeit der Amplitudenänderung der Bildsignale verarbeitenden Bewertungseinheit 6.

Zur Bestimmung des Fokussierzustandes werden die hochfrequenten Anteile nicht aus dem gesamten Bild von der Objektoberfläche, sondern aus einzelnen Scan-Vorgängen über die Aufnahmeeinrichtung 1 erfaßt und anschließend ausgewertet.

Über die als Impulstrennstufe ausgebildete Bewertungseinheit 6 werden von den aufgenommenen Signalen vertikale (VSYNC) und horizontale (HSYMC) Synchronimpulse gewonnen. Parallel dazu gelangen Bildsignale durch einen Schalter 7 zur Informationsverarbeitung auf einen Hochpaß 8, einen Gleichrichter 9, einen Integrator 10 und einen AD-Wandler 11, wobei zur Bewertung jeder Zeile die Integration und an-

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schließende AD-Wandlung in Abhängigkeit von den horizontalen Synchronimpulsen (HSYNC) gesteuert wird.

Gleichzeitig gelangen die horiziontalen Synchronimpulse (HSYNC) zu einem Zähler 12, der die Adressierung eines ersten Speichers 13 in Abhängigkeit von der momentanen Zeile übernimmt. Entsprechend dieser Adresse werden die den Zeilen zugehörigen und durch den AD-Wandler 11 digitalisierten Werte im Speicher 13 gespeichert.

Mit dem Erscheinen eines vertikalen Synchronimpulses (VSYNC) aus der Bewertungseinheit 6 wird der Zähler 12 auf seinen Ausgangszustand zurückgesetzt und die Inhalte aus dem Speicher 13 und einem zweiten Speicher 14 ausgewertet.

Im Anschluß daran werden die Inhalte des ersten Speichers 13 in den Speicher 14 übertragen. Somit erhält man bei jeder Auswertung im ersten Speicher 13 Informationen von Zeilen aus einem Bild &eegr; und im zweiten Speicher 14 Informationen der Zeilen aus einem vorhergehenden Bild n-1.

In einem ersten Auswertezyklus werden Werte der korrespondierenden Zeilen aus dem Speicher 13 und dem Speicher 14 jeweils einem Differenzbildner 15 zugeführt, der wiederum seinen kleinsten Ausgangswert in einem Minimumspeicher 16 und den größten Ausgangswert in einem Maximumspeicher 17 ablegt. Nachdem die beiden Werte einem weiteren Differenzbildner 18 zugeführt werden, ergibt sich am Ausgang für die zentrale Prozessoreinheit 4 ein erster Meß- bzw. Fokuswert

19. Der Meß- bzw. Fokuswert 19 ist charakteristisch für den Fokussierzustand, der beispielsweise aus senkrecht zur Scan-Richtung verlaufenden Oberflächenstrukturen und Kanten des Objektes gebildet wird.

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In einem zweiten Auswertezyklus werden die Zeilenwerte aller Adressen a aus dem Speicher 13 mit dem Zeilenwert der jeweiligen vorhergehenden Adresse a-1 einem Differenzbildner 20 zugeführt, der wiederum seinen kleinsten Ausgangswert in einen Minimumspeicher 21 und den größten Ausgangswert in einen Maximumspeicher 22 ablegt.

Die beiden einem weiteren Differenzbildner 23 zugeführten Werte ergeben für die zentrale Prozessoreinheit 4 einen zweiten Meß- bzw. Fokuswert 24, in Analogie zum ersten Auswertezyklus gebildet aus parallel zur Scan-Richtung verlaufenden Oberflächenstrukturen bzw. Kanten des Objektes.

Der prinzipielle Verlauf der Meß- bzw. Fokuswerte 19 und 24, für den Fall, daß die Positioniereinrichtung 3 das Bewegen durch die Fokusebene hindurch bewirkt, ist in Fig.2 dargestellt.

Die zentrale Prozessoreinheit 4 erfüllt dabei zunächst die Aufgabe, den Verlauf der Hüllkurve 27 zu verfolgen und nach der Erkennung des Umkehrpunktes 25 auf das Maximum als Fokusebene zurück zu positionieren.

5 Darüberhinaus hat die Prozessoreinheit 4 die Aufgabe, insbesondere bei größeren Abweichungen des Verlaufes der Fokuseinzelwerte von der Idealform, wie in Fig.3 dargestellt, nach dem Erkennen des Maximums eine Mindestanzahl von Meßbzw. Fokuseinzelwerten aufzunehmen, um eine Symmetriegerade 26 zu berechnen und mit Hilfe der Positioniereinrichtung 3 auf einen Schnittpunkt 28 zwischen der Symmetriegeraden 26 und der Hüllkurve 2 7 zurück zu positionieren.

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Bei Speicherung der Position der Fokusebene ist die Anordnung zur Messung in Z-Richtung einsetzbar.

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Bezugszeichenliste

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HSYNC

VSYNC Aufnahmeeinrichtung optoelektronischer Wandler Positioniereinrichtung Prozessoreinheit Steuereinheit Bewertungseinheit Schalter

Hochpaß

Gleichrichter Integrator AD-Wandler Zähler

Speicher

Differenzbildner Minimumspeicher Maximumspeicher Meß-/Fokuswert Umkehrpunkt Symmetriegerade Hüllkurve Schnittpunkt Bild

Adresse

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Claims

1. Anordnung zur Gewinnung von Meßwerten für eine automatische Fokussierung bei der optischen Abtastung einer Oberfläche, mit einer Aufnahmeeinrichtung (1) für Bildinformationen von der Oberfläche, einer Einrichtung (3) zur Positionierung der Aufnahmeeinrichtung (1) entlang eines Koordinatensystems X, Y, Z und einer Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Positioniereinrichtung (3) mit einer Steuereinheit (5) zur zeilenweisen Abtastung in den Koordinaten X, Y verbunden ist,

- die Auswerteschaltung eine Bewertungseinheit (6) für die Geschwindigkeit der Amplitudenänderung der während der Abtastung aufgenommenen Bildinformationen aufweist,

- an Ausgängen der Bewertungseinheit (6) Signale anliegen, von denen ein erstes Signal von den Amplitudenänderungen der in Richtung X gewonnenen Bildinformationen und ein zweites Signal von den Amplitudenänderungen der in Richtung Y gewonnenen Bildinformationen beeinflußt ist,

- der Bewertungseinheit (6) Mittel zur Bestimmung der Umkehrpunkte (25) in den Hüllkurven der Amplitudenänderungen nachgeordnet sind und

- die Verschiebung der Aufnahmeeinrichtung (1) zwecks Fokussierung in Richtung Z in eine zu den Umkehrpunkten (25) korrespondierende Position vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- in der Bewertungseinheit (6) eine Impulsabtrennstufe (Amplitudensieb) mit mindestens einem nachgeschalteten Zähler (12) und mit zwei dem Zähler (12) nachgeschalteten, aufeinander folgenden Speichern (13, 14) vorgesehen sind und

- als Mittel zur Bestimmung der Umkehrpunkte (25) eine Prozessoreinheit (4) vorhanden ist, deren Eingänge mit den Ausgängen der Speicher (13, 14) verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste der beiden Speicher (13) zur Ablage der Geschwindigkeitswerte für alle Zeilen eines letzten Bildes (n) und der zweite Speicher (14) zur Ablage der Geschwindigkeitswerte für alle Zeilen eines vorhergehenden Bildes (n-1) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalweg zwischen den Speichern (13, 14) und der Prozessoreinheit (4) Differenzbildner (15, 18, 20, 23) sowie Minimum- und Maximumspeicher (16, 21, 17, 22) vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessoreinheit (4) so konfiguriert ist, daß die Ausgangssignale der Bewertungseinheit (6) überwacht sowie das Maximum im Verlauf der Ausgangssignale ermittelt wird und danach hinreichend viele Ausgangssignale (19, 24) übernommen werden, so daß eine Symmetriegerade (26) bestimmbar ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung der Aufnahmeeinrichtung (1) in z-Richtung (der Fokussiervorgang) unmittelbar nach einmaliger Erfassung des Umkehrpunktes (25) vorgesehen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung der Aufnahmeeinrichtung (1) in z-Richtung (der Fokussiervorgang) nach mehrmaliger Erfassung des Umkehrpunktes (25) vorgesehen ist.

8. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungseinheit (6) in zwei Teileinheiten gegliedert ist, wobei eine Teileinheit zur Ausgabe eines ersten Signales für die Objektabbildung parallel zu einer Scan-Richtung (VSYNC) und die andere Teileinheit zur Ausgabe eines Signales für die Objektabbildung senkrecht zu dieser Scan-Richtung (HSYNC) vorgesehen ist.

9. Anordnung zur optoelektronischen Meßwerterfassung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teileinheiten unabhängig voneinander nutzbar sind.