DE2537153A1

DE2537153A1 - Vorrichtung zum vergleich zweier gegenstaende

Info

Publication number: DE2537153A1
Application number: DE19752537153
Authority: DE
Inventors: Christian Lietar
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1975-08-21
Filing date: 1975-08-21
Publication date: 1977-03-03
Also published as: US4040746A; JPS5226849A; NL7609278A; FR2321683B1; FR2321683A1; GB1559501A

Description

R. 2 5 9 1
7.2.1975 Pb/Sm

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart Vorrichtung zum Vergleich zweier Gegenstände

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum genauen optischen Vergleich zweier Gegenstände in einem ebenen Bereich.

Es sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen die zu
vergleichenden Gegenstände nebeneinander auf einen Kreuztisch gelegt werden. Auf Grund des Abbe'sehen meßtechnischen Grund-

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- ² - ^Η· '25

satzes können bei diesen Vorrichtungen quer zu den Schlittenführungen keine zuverlässigen Messungen vorgenommen werden.

Es sind ferner Vorschläge bekannt, nach denen die Meßgenauigkeit von etwaigen Unzulänglichkeiten der mechanischen Führungen unabhängig gemacht werden kann, z. B. indem ein optisches System beide zu vergleichenden Gegenstände im gleichen Maßstab in eine gemeinsame Ebene überlagert abbildet und man dieses (an eine Doppelbelichtung erinnernde) Bild mit einem Mikroskop absucht, in welches ein Meßokular eingebaut ist. Dieser lokal vorgenommene Vergleich ist offensichtlich von mechanischen Unzulänglichkeiten und von Verschleiß der Führungen unabhängig (Schweizer Patent 552 194). Dieses Prinzip läßt sich theoretisch auch bei größeren Prüflingen anwenden; das optische System wird jedoch bei großen Nutzflächen sehr komplex, sehr groß und sehr teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art einander zugeordnete Teilbereiche beider zu vergleichender Gegenstände in ein gemeinsames ebenes Feld überlagert abzubilden und durch optische Mittel die zwangsläufig vorhandenen Fehler der mechanischen Führungen automa- . tisch so auszugleichen, daß ein Vergleich beider Gegenstände in einem großen Feld möglich wird.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Vorrichtung ein Schiebegestell besitzt, welches die beiden Gegenstände so trägt, daß einander zuzuordnende Punkte beider Gegenstände jeweils auf einer Normalen zu den miteinander zu vergleichenden ebenen Bereichen liegen, und daß von den Gegenständen mit einer Mikroskopoptik überlagerte Bilder erzeugt werden mittels zweier Objektiv-Kanäle, deren Objektebenen parallel zu den besagten

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ebenen Bereichen liegen, wobei in einem Kanal die Brennweite des Mikroskopobjektives gleich der Hälfte des Abstandes der miteinander zu vergleichenden Prüflingspunkte ist und ein Bild des zu prüfenden Bereiches in mindestens annähernd unendlich großer Entfernung erzeugt und dermaßen mit einem Planspiegel zusammenwirkt_s der starr mit dem erwähnten Sehiebegestell verbunden ist und eine Spiegelfläche aufweist, die parallel zu den erwähnten ebenen Bereichen liegt, daß kleine Drehbewegungen des Schiebegestelles die Koinzidenz" einander entsprechender Punkte in den "überlagerten Mikroskopbildern nicht stören.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert-Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung zum Vergleich zweier Gegenstände,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig.3a heben jene Funktionsträger der in Fig. 2 dargestellten ¹¹¹¹ Vorrichtung hervor, die zum Verständnis des Erfindungsgedankens besonders wichtig sind.

Fig. 4 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung dar.

Figur 1 zeigt, wie sieh der Abbe'sehe meßtechnische Grundsatz auf den Vergleich zweier ebener Gegenstände in handelsüblichen Komparatoren auswirkt. Die zu vergleichenden Prüflinge 2 und liegen nebeneinander auf einem in zwei zueinander senkrechten Richtungen χ und y bewegliehen Kreuztisch 1.

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Das Prüfmikroskop 4 hat zwei Eintrittskanäle und besitzt dementsprechend zwei Mikroskopobjektive 3 und 3'· Letztere erzeugen von homologen Bereichen der Prüflinge 2 und 2' überlagerte Bilder gleicher Größe in der Objektebene des Okulars.

Die optischen Achsen beider Mikroskopobjektive 3 und 3' bestimmen eine Ebene. Die Spur dieser Ebene in der Prüflingsebene ist im dargestellten Beispiel parallel zur x-Richtung. Verschiebt sich der Kreuztisch 1 parallel zu dieser Richtung x, so können Messungen bedenkenlos vorgenommen werden, denn kleine Drehungen (wie Schlenkerbewegungen) des Kreuztisches um eine zur Prüflingsebene senkrechte Achse gehen nur mit Gliedern höherer Ordnung in die Messung der x-Koordinate ein.

In der dazu senkrechten y-Richtung haben selbst kleine Drehbewegungen der genannten Art einen sehr viel größeren Einfluß; man beobachtet nämlich in beiden Kanälen eine unterschiedliche seitliche Verschiebung. Ihr Unterschied ist in erster Näherung durch die Beziehung

(i) Ay = T>tQ

gegeben, in welcher D der Abstand der optischen Achsen beider Mikroskopobjektive 3 und 3' bedeutet und A Θ den kleinen Drehwinkel, den der Kreuztisch 1 erfährt.

Offensichtlich wird der Fehler Ay mit wachsendem Abstand D größer, was besonders bei großflächigen Prüflingen 2 und 2' störend ins Gewicht fällt.

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-₅- η. z^ r

In Figur 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, in welcher die Prüflinge 6 und 6¹ auf einem Schiebegestell 5 übereinander angeordnet sind. Will man an einem Prüfling, z. B. an dem Prüfling 6, absolute Messungen vornehmen, so tritt an die Stelle des zweiten Prüflings 6' ein Meßraster.

Das Schiebegestell 5 trägt außerdem einen Planspiegel 14, dessen Spiegelfläche l4a nach unten schaut. Das raumfeste Meß- und Betrachtungsmikroskop besteht aus den Mikroskopobjektiven 7 und 7¹, den Umlenkspiegeln 10 und 10^f, dem Pentaprisma 8, dem Hilfsobjektiv 9, dem Strahlenteiler 11 und dem Okular 13. Von den im Mikroskopstrahlengang optisch wirksamen Elementen sind mit Ausnahme des Planspiegels 14 alle Funktionsträger starr miteinander verbunden.

Der Planspiegel Ik ist derart am Sch'iebegestell 5 befestigt, daß sich die Spiegelfläche l4a in ihrer Ebene bewegt, wenn das Schiebegestell 5 auf seiner nicht dargestellten Stützfläche verschoben wird.

Das Pentaprisma 8 und der Strahlenteiler 11 haben je eine halbdurchlässige Spiegelfläche 8a und 11a.

Das Mikroskop erzeugt in der Brennebene 12 des Okulars 13 überlagerte vergrößerte Bilder homologer Ausschnitte der Prüflinge 6 und 6'. ·

In der dargestellten Anordnung können reine Translationen des Schiebegestelles 5 nicht zu Meßfehlern führen, da sich beide Prüflinge 6 und 6' um gleiche Beträge in gleicher Richtung verschieben. Ist aber das Schiebegestell 5 einer zwar unerwünschten Kippbewegung unterworfen, so verschieben sich die Prüflinge 6 und 6' um unterschiedliche Beträge.

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- 6 - R. Sr, c

Da jede Bewegung im dreidimensionalen Raum auf eine Rotation und eine Translation zurückgeführt werden kann oder auf drei Translationen parallel zu den Achsen und drei Rotationen um die Achsen eines beliebigen kartesischen Systemes, und da reine Translationen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Meßfehler verursachen, bleibt nur noch nachzuweisen, daß auch Rotationen um drei vorgegebene, zueinander senkrechte Achsen die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigen.

In Figur 3 sind jene Elemente schematisch dargestellt, die der Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen werden.

Der Punkt A des Prüflinges 6 und der Punkt A^f des Prüflinges stellen homologe Punkte der Prüflinge dar, d. h. Punkte, die in der Brennebene 12 des Okulars 13 in einer Ausgangslage des Schiebegestelles 5 überlagert sind. Die optischen Achsen der Mikroskopobjektive 7 und 7' fluchten und stehen zur Spiegelfläche l4a senkrecht. Daher kann eine Drehung um diese Achse AA¹ die Übereinstimmung der in der Brennebene 12 befindlichen Bilder von A und A¹ nicht beeinflussen. Drehungen um diese erste Achse verursachen keine Meßfehler.

Als zweite mögliche Drehachse betrachten wir eine durch den Punkt A¹ führende, zur Zeichenebene senkrecht stehende Achse.

ΔΘ sei der Drehwinkel des Schiebegestelles 5 um diese zweite Achse. Der Punkt A^f bleibt auf der optischen Achse des Mikroskopobjektives 7^f. Somit bleibt auch sein Bild in der Brennebene 12 des Okulars 13 ortsfest. Der Punkt A hat sich in der Ebene des Prüflinges 6 nach A. verschoben. Es bleibt zu prüfen, ob sich das Bild von A. ebenfalls auf der optischen Achse des Okulars 13 befindet.

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Das Mikroskopobjektiv 7 ist so eingestellt, daß es die Prüflingsebene ins Unendliche abbildet, so daß beim Austritt aus dem Mikroskopobjektiv 7 die vom Punkt A. stammenden Strahlen parallel sind. Die den Strahlen'gemeinsame Richtung charakterisiert die Lage des im Unendlichen liegenden Zwischenbildes des Punktes A.. Wir wählen als Vertreter des Parallelstrahlen bündels den Hauptstrahl PI₁.

Der Hauptstrahl PI₁ bildet mit dem aus dem Punkt A kommenden Hauptstrahl PI (= optische Achse des Mikroskopobjektives 7) einen Winkel AoC _y ^_Θΐ> folgender Beziehung gehorcht:

Ay

(2) AoC - -Tr- ,

wo f die Brennweite des Mikroskopobjektives 7 und

(3) Δγ =* AA₄ ~ H - Δ Θ

ist (dabei ist H der Abstand der homologen Punkte A und A')· Somit ist

Das Pentaprisma 8 ändert die Richtung der Strahlen nicht, welche, vom Mikroskopobjektiv 7 kommend, den Planspiegel 14 treffen.

Das Pentaprisma 8 kann daher in unseren jetzigen Betrachtungen unberücksichtigt bleiben.

Der Hauptstrahl PI₁ trifft den um den Winkel /Li/ verdrehten

Ι·] Nj[ Planspiegel 14. Die SpiegelnormaTe^lm Punkt I. bildet mit PI (der Richtung des Bildes von A) einen Winkel AQ . Wäre die Normale auch die Winkelhalbierende des Winkels PI^K, wo ■ I^K parallel zu IA ist, so hätte nach Reflexion an der Spiegelfläche l4a die Richtung des Bildes des Punktes A₁ genau

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die Richtung, in welcher das im Unendlichen liegende Bild des Punktes A zu suchen war, bevor das Schiebegestell 5 um den Winkel AΘ verkippt wurde.

Unter dieser Vorausstzung (Spiegelnormale - Winkelhalbierende von PI₁K) fällt an der halbdurchlässigen Spiegelfläche 8a des Pentaprismas 8 das an der Spiegelfläche l4a reflektierte Bündel wieder achsparallel ein, und somit wird in der Brennebene 12 des Okulars 13 das Bild des Punktes A^ dort liegen, wo vor dem Verkippen des Schiebegestelles um den Winkel Δ Θ das Bild des Punktes A lag.

Um die besagte Voraussetzung zu erfüllen, muß

(5) δΘ - ή£

gesetzt werden. Aus den Gleichungen (4) und (5) ergibt sich dann die Beziehung

d. h. die Brennweite des Mikroskopobjektives 7 muß die Hälfte des senkrecht gemessenen Abstandes der homologen Punkte A und A¹ betragen.

Man hätte dieselbe Bedingung für f gefunden, wenn man die zweite Achse nicht senkrecht zur Figurenebene gewählt, sondern in die Figurenebene gelegt hätte. In Figur 3 ist diese Achse mit MM¹ be zeichnet.-I)Es ergibt sich daraus der Schluß, daß unter der Voraussetzung, daß die Bedingung (6) erfüllt ist, Dreh-

+) Der in der Zeichnung nicht dargestellte Drehwinkel um die - 9 Achse MM¹ ist im folgenden mit ß bezeichnet.

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bewegungen um die drei betrachteten, zueinander senkrechten Achsen durch den Punkt A¹ keinen Einfluß auf die Meßgenaugigkeit haben, da solche Bewegungen die Koinzidenz in der Brennebene 12 des Okulars 13 auf der optischen Achse nicht stören.

Liegt der Punkt A nicht auf der optischen Achse des Mikroskopobjektives 7j so liegt PI nicht mehr parallel zu AA', hat jedoch einen Einfallswinkel i auf die Spiegelfläche l4a. Bei einer Drehung des Planspiegels l4 um den Kippwinkel &Θ wird zwar der Hauptstrahl bei der Reflexion um einen Winkel 2ΔΘ gedreht. Eine zusätzliche Drehung OfS um die Achse MM' bedingt eine Drehung des Strahles IK um einen Winkel 2 &β cos i. Ist der Winkel i klein, so ist cos i ungefähr gleich 1 zu setzen. Selbst bei einem Winkel i = 18° ist cos i noch 0,95s so daß bei diesem großen Feldwinkel die Korrektur in x-Richtung 95$ beträgt.

Da· reine Translationen ohne jeden Einfluß auf die Meßgenauigkeit bleiben, können auch Prüflinge 6 und 6' miteinander verglichen werden, die nicht eben sind. Eine Einstellung der Bildschärfe durch Verschiebung des Mikroskapes gegenüber dem. Schiebegestell 5 hat keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Die nach dem Erfindungsgedanken gebaute-Vorrichtung kann insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn an einem Körper Abmessungen in zueinander parallelen Ebenen geprüft werden müssen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß gebauten Vorrichtung ist, daß Messungen ohne Nachjustierung in einem Arbeitsgang in x- und in y-Richtung durchgeführt' werden können, was bei handelsüblichen Komparatoren wegen des Abbe'sehen meßtechnischen Grundsatzes nicht ohne erheblichen Verlust an Meßgenauigkeit möglich ist.

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Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß bei der erfindungsgemäß gebauten Vorrichtung Temperaturänderungen die Meßgenauigkeit nicht oder nur schwach beeinflussen. Homologe Auflageflächen und Anschläge liegen übereinander und behalten in den Meßebenen ihre relative Lage bei, auch wenn sich die Temperatur ändert; die Koinzidenz homologer Punkte der Prüflinge bleibt trotz Temperaturänderungen erhalten.

Will man wahlweise verschiedene Mikroskop-Vergrößerungen verwenden, so kann das Mikroskopobjektiv 7' gegen ein anderes ausgetauscht werden. Da das Mikroskopobjektiv 7 der Bedingung (6) genügen muß, kann es nicht ausgetauscht werden. Um dennoch in beiden Kanälen denselben Abbildungsmaßstab zu erhalten, muß entweder das Hilfsobjektiv 9 ausgewechselt werden oder ein Afokalglied zwischen das Pentaprisma 8 und das Hilfsobjektiv 9 eingefügt werden.

In Figur 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt.

Teile, die in Figur 2 und Figur k dieselbe Funktion erfüllen, tragen dieselben Kennziffern.

Bei der in Figur 4 gezeigten Anordnung ist eine Umkehr des Bildes vor und nach dem Planspiegel 14 erforderlich. Diese Umkehr wird durch zwei Porro-Prismensysteme erster Art 15a und 15b verwirklicht.

Mit dieser Anordnung kann man nicht nur, wie in der Anordnung gemäß Figur 2, zwei theoretisch gleiche Prüflinge, sondern auch theoretisch gegenwendig gleiche Prüflinge miteinander vergleichen, wie etwa eine Photoplatte und ihre lichtundurchlässige Kopie, was bei der Fertigung von IC-Schaltkreisen von besonderem Interesse ist.

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In Figur 4 arbeitet das Mikroskopobjektiv 7' im Durchlicht und das Mikroskopobjektiv 7^!I im Auflicht. Die Kanal-Wahl erfolgt mittels des Schwenkspiegels 16a bzw. l6b.

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Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zum genauen optischen Vergleich zweier Gegenstände (6j 6') in einem ebenen Bereich, dadurch gekennzeichnet daß die Vorrichtung ein Schiebegestell (5) besitzt₅ welches die beiden Gegenstände (6, 6') so trägt,.daß einander zuzuordnende Punkte beider Gegenstände (6, 6') jeweils auf einer Normalen zu den miteinander zu vergleichenden ebenen Bereichen liegen, und daß von den Gegenständen (6, 6') mit einer Mikroskopoptik (7 bis 13) überlagerte Bilder erzeugt werden mittels zweier Objektiv-Kanäle (7_S 7')* •deren Objektebenen parallel zu den besagten ebenen Bereichen liegen, wobei in einem Kanal (7) die Brennweite des Mikroskopobjektives gleich der Hälfte des Abstandes (H) der miteinander zu vergleichenden Prüflingspunkte (A, A') ist und ein Bild des zu prüfenden Bereiches in mindestens annähernd unendlich großer Entfernung erzeugt und dermaßen mit einem Planspiegel zusammenwirkt, der starr mit dem erwähnten Schiebegestell (5) verbunden ist und eine Spiegelfläche (14a) aufweist, die parallel zu den erwähnten ebenen Bereichen liegt, daß kleine Drehbewegungen des Schiebegestelles (5) die Koinzidenz einander entsprechender Punkte in den überlagerten Mikroskopbildern, nicht stören.

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2. Vorrichtung nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kanal des Mikroskopsystemes ein optisches Umkehrsystem, vorzugsweise ein Porro-Prisma erster Art. (15a* 15b), angeordnet ist.

3· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Spiegelfläche senkrecht zur optischen Achse des zugehörigen Mikroskopobjektives (7) steht.

H. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mikroskopkanal, in welchem sich der starr mit dem Schiebegestell (5) verbundene Planspiegel befindet, der Abbildungsmaßstab dadurch geändert wird, daß die Brennweite eines Hilfsobjektives (9) geändert wird oder daß dieses Objektiv ganz oder teilweise ersetzt wird.

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