DE3024027A1

DE3024027A1 - Optisches mikrometermessgeraet

Info

Publication number: DE3024027A1
Application number: DE3024027A
Authority: DE
Inventors: Robert Hoffman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-06-26
Filing date: 1980-06-26
Publication date: 1981-01-08
Also published as: US4303340A; JPS567004A

Description

Patentanwälte Dipl.-Inc. H. Teickmahh, Όιρι..-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.WEICKMANN, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. LrsKA , ^024027

D/20 8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Case 187

Robert Hoffman

17 Copper Beech Place

Merrick, New York 11566, V.St.A.

Optisches Mikrometermeßgerät

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Mikrometermeßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei mikroelektronischen Bausteinen mit integrierten Schaltkreisen sind die passiven und aktiven elektrischen Komponenten eines Schaltkreises, beispielsweise Halbleiterdioden oder Transistoren, auf einem Halbleitersubstrat, beispielsweise Silizium, ausgebildet und die Komponenten sind durch ein Muster aus elektrischen Leitungen, das ebenfalls auf dem Substrat ausgebildet ist, miteinander verbunden.

Bei der Herstellung solcher mikroelektronischen Bausteine werden Prüfverfahren verwendet, bei denen sowohl die Breite der verschiedenen elektrischen Leitungen, die in dem Leitungsmuster enthalten sind, als auch der Abstand zwischen solchen Leitungen gemessen werden muß.

030082/0889 QRSGIiNiAL INSPECTED

Bei diesem sich rasch entwickelnden Gebiet geht zur Reduzierung sowohl der Kosten für einen solchen Baustein als auch seiner Größe die Richtung zu einer größeren Dichte der Komponenten auf einem gegebenen Substrat, was von einer Verdichtung des elektrischen Leitungsmusters begleitet ist. Eine Folge davon ist, daß die elektrischen Leitungen dünner und mit geringerem Abstand voneinander ausgebildet werden müssen.

Da es von entscheidender Bedeutung ist, daß die Leitungsbreiten und -abstände in integrierten Schaltkreisen den Konstruktionsvorschriften entsprechen, hat sich die Ausbildung feinerer Leitungen und geringerer Leitungsabstände der zulässigen Fehlergrenze von Meßtechniken zur Bestimmung, ob das Leitungsmuster die dafür vorgesehenen Vorschriften erfüllt, weiter genähert.

Es ist bekannt, zur Ausführung von Messungen an integrierten Schaltkreisen optische Mikrometer zu verwenden. Zwei Arten von optischen Mikrometern werden laufend und weitverbreitet benutzt. Eine Art ist das sogenannte Filar-Mikrometer und die andere das Bildverschiebungsmikrometer. Ein Filar-Mikrometer wird beispielsweise von E. Leitz, Inc. of Rockleigh, New Jersey unter dem Namen"Digital Filar Micrometer" hergestellt, ein Bildverschiebungsmikrometer beispielsweise von Vickers Instruments, Inc. of Maiden, Mass. unter dem Namen ¹¹ Image-Shearing Measuring and Direct Dimensional Read-Out System".

In einem Filar- oder Fadenmikrometer ist ein Fadenkreuz körperlich in der Bildebene des reellen Bildes eines zusammengesetzten Mikroskops angeordnet und beide werden auf die Netzhaut des Auges abgebildet. Ein das Fadenkreuz bewegender Mechanismus wirkt mit einem digital elektronischen Mikrometer zum Messen der Leitungs-

030082/0869

breite oder eines Leitungsabstandes im Objektbild zusammen.

Die Bedienungsperson muß die Plazierung des Fadenkreuzes über ihr Auge bestimmen und dieses Erfordernis führt oft zu fehlerhaften Ablesungen. In der Praxis ist diese Art der Messung einem ziemlich hohen Grad menschlicher Subjektivität ausgesetzt. Keine zwei Bedienungspersonen besitzen den gleichen Grad von Sehschärfe und die Ermüdung der Bedienungsperson sowie die optophysiologischen Erfordernisse für Wiederholbarkeit sind so, daß das Fadenmikrometer sich als ein relativ ungenaues Meßinstrument erweist.

Ein weiteres Problem beim Fadenmikrometer, liegt darin, daß für den Faden und den zugeordneten Mikrometermechanismus im allgemeinen ein ungenügender Zugang zur Bildebene vorliegt. Die körperliche Präsenz des Fadens und des Mikrometermechanismus in der Bildebene erweist sich für die normale binokulare Betrachtung als störend.

Beim optischen Bildverschiebungsmikrometer teilt ein Strahlteiler den das Bild erzeugtenden Lichtstrahl in zwei Teile, wodurch zwei identische Bilder des zu prüfenden Objekts erzeugt werden. Diese Bilder werden um einen Betrag, der durch ein Mikrometer kontrolliert wird, relativ zueinander verschoben oder geschert. Der Grad der Scherung ist direkt proportional zur Drehung der Mikrometertrommel und kann von einer zugeordneten digitalen Anzeige abgelesen werden.

Wenn die Scherung Null ist, sind die beiden leuchtenden Bilder des Objekts genau überlagert und werden durch ein Okular als einziges Bild gesehen, und zwar als relativ dunkles Bild gegen ein helles Feld. Wenn die Scherung oder Verschiebung so ist, daß die beiden Bilder sich

030062/0869

-a-

überlappen, ist der Betrag der Scherung geringer als die Abmessungen des Objekts. Dies wird durch die Tatsache angezeigt, daß die Überlappungszone ebenso dunkel ist, wie die überlagerten Bilder, während die nicht sich überlappenden Bereiche der beiden Bilder weniger dunkel sind. Wenn sich die beiden Bilder jedoch gerade berühren, ist jedes Bild weniger dunkel als im Fall der überlagerten Bilder und der Betrag der Verschiebung entspricht genau einer Abmessung des Objekts. Wenn folglich das zu prüfende Objekt eine Fotomaske für ein elektrisches Leitungsnetz eines integrierten Schaltkreises ist, sind die elektrischen Leitungen in einem Bild den entsprechenden elektrischen Leitungen in dem anderen Bild nur dann nahe benachbart, wenn der Betrag der Verschiebung genau der Leitungsbreite entspricht.

Da die Präzision der mit Bildverschiebung arbeitenden Meßtechnik von dem Auffinden des Punktes abhängt, bei welchem die Bilder sich gerade berühren - und dies wird der Bedienungsperson in Form einer Intensität angezeigt - machte es in der Praxis die Subjektivität der typischen Bedienungsperson schwierig, diesen genauen Punkt festzustellen. Auch die Verdoppelung eines jeden Bildpunktes führt zu Verwirrung und Ermüdung. Die folgenden US-Patentschriften sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung noch interessant·: US-PS 3 582 178, US-PS 4 099 881, US-PS 3 398 631 und US-PS 1 974 606.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Mikrometermeßgerät der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem Zweideutigkeiten, wie sie beim Faden- und Bildverschiebungsmikrometer auftreten, so gering wie möglich gehalten werden können und das eine verbesserte Wiederholbarkeit und eine geringere Ermüdung der Bedienungsperson erbringt.

030062/0869

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung ist nicht auf Prüfverfahren für integrierte Schaltkreise beschränkt, sondern es können mit ihr auch winzige Abstände zwischen Punkten oder Linien an anderen Objekten, beispielsv/eise eines gefertigten Präzisionsteils oder eines biologischen Exemplars gemessen vrer den.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt die Punktzu-Punkt-Vermessung von Leitungen in elektrischen Leitungsmustern von integrierten Schaltkreisen nicht nur die Messung von Abständen zwischen benachbarten Leitungen, sondern auch die Messung von Leitungsbreiten, wobei die durch die Messung bestimmte Leitungsbreite der Abstand zwischen gegenüberliegenden Rändern der Leitung bestimmt ist.

Speziell ist mit dem vorgeschlagenen Gerät ein Meßgerät geschaffen worden, mit welchem der Abstand zwischen zwei interessierenden Punkten auf einem Objekt durch Erzeugung eines im Raum stehenden leuchtenden reellen Bildes des Objekts und eines leuchtenden Bildes eines Zeigers, der dem Objektbild überlagert ist, bestimmt wird, indem das Bild des Zeigers unter der Kontrolle einer Bedienungsperson zwischen den beiden Punkten zu verschieben ist, wobei der vom Zeigerbild überbrückte Abstand angezeigt wird, wodurch sich die gewünschte Ablesung ergibt.

Eine herausragende Eigenschaft eines vorgeschlagenen Geräts liegt darin, daß das im Raum schwebende leuchtende Bild nicht durch den messenden Zeiger gefüttert oder abgeblockt wird, sondern von der Bedienungsperson durch das überlagerte, leuchtende Zeigerbild.gesehen werden kann. Daher weist nur ein geringer Teil des Bildfeldes

030062/08 89

ein Aussehen auf, welches vom normalen Feld abweicht.

Mit dem vorgeschlagenen Gerät ist auch ein Meßgerät geschaffen worden, bei welchem die Intensität und Qualität des leuchtenden Objektbildes und des leuchtenden Zeigerbildes unabhängig voneinander steuerbar sind, wobei der Kontrast zwischen Objekt und Zeiger zur Erleichterung der Betrachtung erhöht werden kann. Durch Abschalten der Zeigerbeleuchtung wird das Meßgerät tatsächlich zum Verschwinden gebracht.

Mit dem vorgeschlagenen Gerät ist auch ein Meßgerät geschaffen worden, welches zuverlässig, effizient und genau mißt und welches relativ einfache Modifikationen in einem Standard-Verbund-Mikroskop zur Folge hat, wobei die Lichtwege nicht geändert werden müssen und das Gerät dadurch mit relativ niedrigen Kosten hergestellt v/erden kann.

Kurz ausgedrückt, werden alle diese Vorteile durch ein Gerät erhalten, welches ein Verbundmikroskop umfaßt, das einen Objekttisch zum Halten des zu prüfenden Objekts aufweist, wobei das Objekt durch eine Objektlichtquelle bestrahlt wird und von einem Objektiv auf eine Bildebene reell abgebildet wird, wodurch ein im Raum schwebendes Bild des Objekts entsteht, welches in vergrößerter Form von einer Bedienungsperson durch ein Okular angesehen werden kann.

Mit dem Mikroskop ist ein Projektor verbunden, welcher eine getrennt steuerbare Projektorlichtquelle umfaßt, und der ein leuchtendes Bild eines Zeigers erzeugt, der durch eine Lochblende bestimmt ist, und der eine optische Einrichtung aufweist, mit welcher das Zeigerbild und das im Raum schwebende Objektbild überlagert werden können. Mit der Projektorblende wirkt ein mechanisches Mikrometer zusammen, welches von einer Bedienungsperson zum

030062/08 6 9

Verschieben des Zeigerbildes zwischen zwei interessierenden Punkten auf dem Objektbild gesteuert werden kann, wobei der vom Zeigerbild durchlaufende Abstand durch eine an das Mikrometer angeschlossene Anzeigevorrichtung, die einen Analog/Digitalwandler aufweist, digital angezeigt und damit der gemessene Abstand abgelesen werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des vorgeschlagenen Meßgeräts wird ein Lichtstrahl aus der Objektlichtquelle nach oben durch ein transparentes Objekt auf dem Meßtisch und durch das darüber angeordnete Objektiv auf eine Trennfläche eines strahlteilenden Prismas gerichtet. Ein teilreflektierender Spiegel, der für den Lichtstrahl durchlässig ist, ist zwischen dem Objektiv und dem Prisma angeordnet. Die Trennfläche des Prismas reflektiert einen Anteil des objektmodulierten Lichtstrahls längs eines Hauptlichtwegs zu einem Okular, während der andere Teil des Strahl nicht abgelenkt wird.

Ein Lichtstrahl aus der Projektorlichtquelle geht durch die Zeigerblende und eine Projektorlinse lenkt ihn nach unten zu dem Prisma, welches für den Strahl durchlässig ist. Der zeigermodulierte Lichtstrahl trifft auf den darunterliegenden teilreflektierenden Spiegel. Der Spiegel ist so angeordnet, daß er den Lichtstrahl nach oben zur Trennfläche des Prismas reflektiert, von welcher er längs des Hauptlichtwegs zum Okular reflektiert wird, wobei er ein leuchtendes Zeigerbild erzeugt, welches dem reellen Objektbild in der Bildebene überlagert ist.

Sowohl für ein besseres Verständnis der Erfindung als auch ihrer Vorteile und Eigenschaften wird auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung Bezug genommen, die anhand der beigefügten Zeichnungen zu lesen.ist. Von den Figuren zeigen:

030062/0869

Figur 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des vorgeschlagenen Meßgeräts;

Figur 2 eine in dem Projektor der Ausführungsform enthaltene Lochblende;

Figur 3 einen Ausschnitt aus dem durch das Okular des in der Ausführungsform enthaltenen Mikroskops betrachteten Objektbildes mit dem überlagerten Zeigerbild;

Figur 4 eine Seitenansicht einer Realisierung der Ausführungsform nach Figur 1, die teilweise im Schnitt dargestellt ist;

Figur 5 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform eines vorgeschlagenen Meßgeräts;

Figuren 6A bis 6D veranschaulichen, wie die Geometrie des Zeigers eine genaue Lokalisierung eines interessierenden Punktes auf einem geraden Rand ermöglicht; und

Figuren 7A bis 7C veranschaulichen, wie die Geometrie des Zeigers eine genaue Lokalisierung eines interessierenden Punktes auf einem Kreis ermöglicht .

030062/0869

1. Aus führungsfο rm:

Die in Figur 1 gezeigte erste Ausführungsform eines vorgeschlagenen Mikrometermeßgeräts umfaßt ein Verbundmikroskop, welches einen Objekttisch 10 für ein zu prüfendes Objekt OUT aufweist.

Da das Gerät die hauptsächlichen Komponenten irgendeines zusammengesetzten Standardmikroskops benutzt, umfaßt es ein Objektiv 11, welches, obwohl als eine einzige Linse dargestellt, tatsächlich aus einer komplexen Anordnung von Linsen besteht, die als eine einzige Konvexlinse kurzer Brennweite und großer numerischer Apertur, in welcher Linsenfehler korrigiert sind, wirkt. Die zweite Linse ist ein Okular 12, welches üblicherweise aus zwei einfachen Linsen gebildet ist, die ebenfalls effektiv als eine einzige Konvexlinse wirken. Wie in einem Standardmikroskop richtet ein schräg angeordneter Spiegel 13 einen von einer Objektlichtwelle 15 ausgehenden Lichtstrahl so aus, daß er ein von dem Objekttisch 10 gehaltenes Objekt durchstrahlt. Das über dem Objekttisch 10 angeordnete Objektiv 11 erzeugt ein vergrößertes reelles Bild des Objekts in einer Bildebene RIP, welches im Raum schwebt.

Dieses im Raum schwebende Bild wird von einem Betrachter durch das Okular 12, welches in erster Linie das im Raum schwebende Bild vergrößert, betrachtet. Es sei der Einfachheit halber angenommen, daß das zu prüfende Objekt ein Film ist, auf welchem ein integriertes Schaltkreismuster abgebildet und welcher lichtdurchlässig ist. Wenn dagegen das Objekt lichtundurchlässig ist, wird es mit Lichtstrahlen beleuchtet, die auf seine Oberfläche gerichtet und von dieser reflektiert werden.

030062/0 869

Das vom Okular 12 erzeugte vergrößerte Bild ist bekannterweise ein virtuelles Bild, weil die Lichtstrahlen nicht von diesem Bild herkommen, sondern es nur so scheint', als kämen sie vom Bild her. Die Endvergrößerung ist das Produkt aus Objekt- und Okularvergrößerung. Die Grenze der benutzbaren Vergrößerung wird durch das Auflösungsvermögens des Mikroskops gesetzt, welches Auflösungsvermögen im allgemeinen von der Ausführung des Objektivs abhängt. Obwohl nur ein einziges Okular dargestellt ist, kann das Mikroskop zum bequemen Gebrauch beider Augen vom binokularen Typ sein, in welchem Falle ein Prisma vorgesehen ist, welches die vom Objektiv herkommenden Lichtstrahlen aufteilt, derart, daß ein Anteil dieser Strahlen zu einem Okular und der übrige Teil zum anderen Okular geführt wird.

Anders als bei einem Standardmikroskop, das einen Tubus aufweist,, bei dem das Objektiv an der Unterseite und das Okular an der Oberseite sich befindet, werden die vom Objektiv 11 herkommenden Strahlen durch ein strahlteilendes Prisma 14 abgelenkt, welches vom Objektiv herkommende, längs eines vertikalen Lichtwegs Y nach oben gerichtete Strahlen in Richtung eines Hauptlichtweges Z umlenkt, welcher zum Okular 12 führt.und welcher relativ zum Weg Y geneigt ist. Der Lichtweg Z wird als der Hauptlichtweg bezeichnet.

Das Prisma 14 umfaßt eine Trennfläche 14a, welche relativ zum Lichtweg 14 geneigt ist und parallel zum Hauptlichtweg Z verläuft, sowie eine Basisfläche 14b, zu welcher der Lichtweg Y normal ist. Folglich werden die vom Objektiv 11 herkommenden Strahlen von der Trennfläche 14a in Richtung Basisfläche 14b reflektiert und von dieser zur Erzeugung eines im Raum stehenden reellen Bildes des Objekts in der Bildebene RIP vor dem Okular

030062/0869

in Richtung des Hauptlichtweges Z umgelenkt.

Dem Mikroskop ist ein Projektor 16 angegliedert, welcher ein leuchtendes Bild eines Zeigers erzeugt. Der Projektor 16 ist durch eine Projektorlichtquelle 17, eine Lochblende 18 und eine Projektionslinse 19 gebildet. Die Blende 18, die in Figur 2 getrennt dargestellt ist, ist mit einer rautenförmigen Öffnung 18a versehen. Das durch die Öffnung 18a hindurchgehende Licht wird von der Linse 19 längs eines vertikalen Lichtweges Y", also parallel zum Lichtweg Y, nach unten ausgesandt.

Die Strahlen aus dem Projektor 16 durchstrahlen das strahlteilende Prisma 14 und treffen auf einen teildurchlässigen Spiegel 20, welcher zwischen dem Prisma 14 und dem Objektiv 11 angeordnet ist. Der teildurchlässige Spiegel 20 ist für die objektmodulierten Strahlen, die ihn vom Objektiv 11 des Mikroskops her durchstrahlen, effektiv durchlässig und stört daher nicht die Arbeitsv/eise des Mikroskops. Die zeigermodulierten Strahlen jedoch, die vom Projektor 16 durch das Prisma 14 nach unten strahlen, treffen auf die obere Fläche des Spiegels 20 und werden dadurch teilweise reflektiert. ' Der Spiegel 20 ist dabei so positioniert, daß die reflektierten Strahlen nach oben längs des Lichtweges Y strahlen und die Trennfläche 14a des Prismas treffen. Die Trennfläche 14a reflektiert diese aus dem Projektor stammenden Strahlen in Richtung Basisfläche 14b des Prismas 14. Diese lenkt die in Rede stehenden Strahlen so um, daß sie entlang des Hauptlichtweges Z in Richtung Bildebene RIP strahlen. In der Praxis können anstelle von Prismen auch andere optische Elemente zum Umlenken der Strahlen aus dem Projektor und aus dem Objekt in Richtung des Hauptlichtweges Z verwendet werden.

030062/0869 '

Da der Projektor ein Bild der Öffnung 18a der Blende 18 erzeugt, fungiert dieses Bild ein optischer Zeiger. Dieses Zeigerbild ist dem im Raum stehenden Bild des Objekts optisch überlagert. Dies ist in der Figur 3 dargestellt, welche einen Ausschnitt aus einem vergrößerten Leitungsmuster aus dem auf dem Film abgebildeten und das zu prüfende Objekt darstellenden integrierten Schaltkreis. Der Schaltkreis enthält drei parallele Leiterstreifen 1^, \^ 1-g» die unterschiedliche Streifenbreiten und Abstände voneinander aufweisen. Diesem Bild des Objekts ist der rautenförmige Zeiger P überlagert, dessen Lage seitlich verschiebbar ist, um einen Abstand zwischen zwei interessierenden Punkten, beispielsweise dem Abstand D zwischen den Streifen Ip und 1^, überqueren zu können.

Der Projektor 16 ist an einer geeigneten Befestigung drehbar angebracht, derart, daß er um eine zum Lichtweg Y¹ parallele Drehachse um volle 360° verdreht und dadurch das Zeigerbild P orientiert v/erden kann. Diese Einstellung dient der Ausrichtung und der Eliminierung eines Cosinusfehlers.

DieBlende 18 des Projektors 16 ist operativ an eine Schraube eines mechanischen Mikrometers 21 gekoppelt, welches so ausgebildet ist, daß es die -Blende18 seitlich verschieben und dadurch die Position des Zeigerbildes P relativ zu dem im Raum stehenden Bild des Objekts, dem es überlagert ist, verlegen kann. Das Mikrometer 21 ist operativ an eine, einen Analog/Digital wandler enthaltende Anzeigevorrichtung 22 gekoppelt, welche die Bewegung des Mikrometers 21 in eine digitale Anzeige umwandelt. Diese Anzeige kann durch Stellen 22a mit lichtimittierenden Dioden zur Erzeugung einer Ziffernanzeige gebildet sein. Für diesen Zweck geeignete

030062/0869

digitale Anzeigevorrichtungen sind in der US-PS 4 103 oder der US-PS 4 035 922 beschrieben.

Während des Betriebs wird der Zeiger zuerst auf einen Punkt des Objektbildes eingestellt und dann die Anzeigevorrichtung auf Null zurückgesetzt. Dann wird der Zeiger durch das Mikrometer verschoben, bis er auf einen zweiten Punkt eingestellt ist, und die digitale Anzeigevorrichtung zeigt den Abstand zwischen den beiden Punkten, beispielsweise in Mikrometer oder Mikroinches, an.

Praktisch muß das Mikrometer 21 so angeordnet v/erden, daß es nur die Blende IS oder die Blende in Verbindung mit der Lichtquelle 17 verschiebt. Die Intensitäten der Objektlichtquelle 15 des Mikroskops und der Lichtquelle 17 des Projektors können getrennt eingestellt werden. Der Projektor und/oder die Lichtquelle können Farbfilter enthalten, die dem leuchtenden Zeiger und den Objektbildern unterscheidbare Farben erteilen.

Diese Besonderheit der Lichtkontrolle ist zur Erhaltung eines größeren Kontrastes zwischen dem leuchtenden Zeiger und dem leuchtenden Objekt, die von der Bedienungsperson durch das Okular 12 betrachtet werden, nützlich. Die relativen Intensitäten des Zeigers und der Objektbilder hängen nicht nur von den Intensitäten der dafür vorgesehenen Beleuchtungsquellen, sondern auch sowohl von den Durchlässigkeitsgrad- und Reflexionsgradcharakteristiken T bzw. R des Prismas 14 und des teildurchlässigen Spiegels 20 für Licht als auch vom Absorptionsgrad und dem Reflexionsgrad des Objekts ab.

Wenn folglich das Prisma einen Reflexionsgrad von 20% und einen Durchlässigkeitsgrad von 80 % auf v/eist, geht ein großer Prozentsatz der von der Objektlichtquelle 15 herkommenden Lichtenergie in Richtung Projektor 16, wo

030062/0869

sie keinem Nutzzweck dient, jedoch strahlt genug dieser Energie in Richtung des Hauptlichtweges Z zur Erzeugung eines gut erleuchteten Objektbildes. Wenn andererseits der Spiegel 20 einen Reflexionsgrad von 80 % und einen Durchlässigkeitsgrad von 20 % aufweist, dann strahlt das meiste Licht aus der Projektorlichtquelle 17 in Richtung des Hauptlichtweges Z, während relativ wenig Licht in Richtung Objektiv verlorengeht. Auf diese Weise ist es möglich, eine .ausreichende Objektbeleuchtung eines Standardmikroskops zusammen mit einer relativ leistungsschwachen Projektorbeleuchtung zu benutzen, auch wenn viel Licht aus der Objektlichtquelle aus dem Hauptlichtweg Z fortgelenkt wird, wobei allerdings in der in Figur 1 gezeigten optischen Anordnung die Projektorlichtquelle effizienter ausgenutzt wird.

Praktische Realisierung der Ausführungsform nach Figur

In der Figur 4 ist eine praktische Realisierung eines optischen Mikromeßgeräts dargestellt, v/elches sowohl die wesentlichen Komponenten der in Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsform als auch ein Prisma, eine Linse und andere optische Komponenten enthält, die normalerweise in einem Verbundmikroskop vom Trinokulartyp zur Erzeugung einer guten Bildqualität vorgesehen sind.

Dementsprechend enthält das Gerät einen Objekttisch 10, dessen seitliche Lage durch Handhaben 10K zum Einstellen des Tisches einstellbar ist. Die Vergrößerung des Mikroskops kann durch einen mit Objektiven bestückten Revolver 23 dadurch eingestellt -werden, daß ein passendes Objektiv "11 in den Lichtweg gebracht wird. Die aus einer mit hoher Intensität strahlenden,vorzugsweise mit einem Lichtregler versehenen Halogenlampe bestehende Objektlichtquelle 15 erzeugt auf den schräg gestellten Spiegel

030062/0869

13 geleitete Lichtstrahlen, die eine Kollektorlinse 24, einen lichtstreuenden Körper 25 und eine Sehfeldblende

26 durchstrahlen. Diese Strahlen werden vom Spiegel nach oben reflektiert und durchstrahlen eine Feldlinse

27 und einen Kondensor 28. Die Strahlen gehen dann durch das zu prüfende Objekt auf dem Objekttisch 10 und v/erden vom Objektiv 11 zum strahlteilenden Prisma 11, unter dem sich der teildurchlässige Spiegel 20 befindet, gelenkt .

Vom Prisma 14 werden die objektmodulierten Strahlen in Richtung Okular 12 gelenkt und sie durchstrahlen ein Okularprisma 29, das zur binokularen Betrachtung dient. Der über dem strahlteilenden Prisma 14 angeordnete Projektor 16 birgt die Projektorlichtquelle 17, die Lochblende 18 und die Projektorlinse 19. Die Quelle 17 kann ebenfalls eine separat steuerbare Halogenlampe sein. Die Fokussierung wird durch eine koaxiale Grobeinstellung und eine Handhabe 30 für die Feineinstellung bewirkt. Das mit dem Projektor zusammenwirkende Mikrometer ist in der Figur 4 nicht dargestellt.

Demnach ist eine praktische Realisierung der ersten Ausführungsform der Erfindung durch ein trinokulares Standardmikroskop gebildet, welches so modifiziert ist, daß es einen Projektor für ein Zeigerbild, optische Elemente zum Überlagern des Zeigerbildes mit dem Objektbild und ein Mikrometer zum Einstellen der Lage des Zeigerbildes zur Durchführung einer Messung von Punkt zu Punkt umfaßt.

Zweite Ausführungsform:

In der in Figur 5 dargestellten optischen Anordnung ist der Projektor 16 nicht wie in Figur 1 und 4 unmittelbar über dem strahlteilenden Prisma, sondern

030062/0889

302402?

seitlich davon angeordnet. Der horizontal ausgerichtete Projektorstrahl, wird durch, einen schräggestellten teildurchlässigen Spiegel 20 zum strahlteilenden Prisma hin umgelenkt. Der Spiegel 2.0-ist so schräg gestellt, daß er den im horizontalen Lichtweg X sich ausbreitenden Strahl nach unten in einen .vertikalen Licht.weg Y' reflektiert. .

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist in allen anderen Bezügen zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform identisch, allerdings mit der Ausnahme, daß nun jene Lichtstrahlen aus dem das Objektbild bildenden Strahl, die durch das Prisma 14 entlang dem Lichtweg Y sich ausbreiten, nicht nutzlos werden, weil sie auf eine Fotozelle 27 treffen. Bei dieser optischen Anordnung kann vom .Objektbild ein Foto aufgenommen werden.

Geometrie des Zeigers

Anhand der Figuren 6A bis 6D sei nun erklärt, wie die rautenförmige Form des Zeigerbil-des eine genaue Messung erleichtert. In der Praxis kann anstelle einer Raute, die durch die Öffnung der Blende im Projektor festgelegt ist, die Zeigerform auch ein Quadrat oder Rechteck sein, v/eil in all diesen geometrischen Formen ein Figur mit vier scharfen Eckpunkten vorliegt. Bei einigen Anwendungen können auch kreisförmige oder ringförmige Öffnungen vorteilhaft benutzt werden. Es wird die Öffnungsform benutzt, die für die Messung am Objektbild am geeignetsten ist.

Figur 6A zeigt einen rautenförmigen Zeiger P, wobei nur die sich gegenüberliegenden scharfen Eckpunkte A und zu betrachten sind. Figur 6B zeigt einen schmalen Bereich Q an einer durch zwei Seiten des Zeigers P

030062/0869

302402?

definierten Spitze, welche den Eckpunkt A bildet. Die Lichtintensität im Bereich Q ist durch die Summe aus der Lichtintensität des leuchtenden Zeigers und der Lichtintensität des überlagerten, leuchtenden Bildes in diesem Bereich gegeben.

In Figur 6C ist das Zeigerbild E einem Objektbild überlagert, das einen Streifen mit einem linearen Rand E aufweist. Der Rand E des Streifens unterteilt das überlagerte Zeigerbild P in zwei Zonen 1 und 2, wobei die Zone 1 relativ hell ist, da sie außerhalb des Streifens liegt und die Zone 2 dunkler ist, da sie auf dem Streifen liegt. Da der Bereich Q klein und auf die Zonen 1 und 2 aufgeteilt ist, ist die das Auge aus dem Bereich Q und der Ecke A erreichende Lichtintensität nach Figur 6D in ausreichender Weise so reduziert, daß sie die Ecke eher rund als scharf erscheinen läßt.

Dieser Abrundungseffekt tritt nur dann in Erscheinung, wenn der Rand E sich im wesentlichen am Eckpunkt A befindet. Die visuelle Abrundung der Ecke A liefert ein Erkennungssignal, welches die Tatsache anzeigt, daß das Zeigerbild im wesentlichen auf dem zu messenden Rand liegt. Auf diese Weise gibt es weniger Zweideutigkeit bei der Wiederholung der Position im Hinblick auf die Punkte oder Ränder, welche die zu messenden extremsten Abstände repräsentieren und es können genauere Ablesungen erhalten werden, als bei herkömmlichen optischen Mikrometertechniken. Ein Cosinusfehler, der bei der Vermessung von parallelen Linien auftreten kann, wird eliminiert, indem beide Punkte A und B auf einem Rand plaziert werden.

Wo das zu vermessende Objekt eher rund als mit einem geraden Rand versehen ist, werden die Eckpunkte A und B

030062/0869

302402?

so orientiert, daß sie mit tangentialen Punkten des Kreisumfangs zusammenfallen, wie es in der Figur 7 dargestellt ist. Wie schon im Zusammenbang mit der Figur 1 darauf hingewiesen wurde, ist der Projektor 16 drehbar "befestigt, so daß er eine derartige Orientierung ermöglicht. Die Bewegung des Mikrometers zum Verschieben des Zeigers liegt deshalb jetzt in der diametri s chen Ric htung.

Am Beginn der Messung wird der Eckpunkt C des Zeigers zuerst auf den Rand des kreisförmigen Objekts gesetzt, so wie es in der Figur 7B dargestellt ist und dann wird die rücksetzbare Anzeigevorrichtung auf Null gesetzt. Das Zeigerbild P wird dann durch das Mikrometer längs des Objektradius verschoben, bis der Eckpunkt C den diametral gegenüberliegenden Punkt des Objekts erreicht, so wie es in der Figur 7C dargestellt ist. Die vom Eckpunkt C durchlaufene Distanz wird in digitaler Form angezeigt und liefert die gewünschte Messung.

Wie vorstehend bemerkt, ist die Summe aus den Lichtintensitäten des Zeigerbildes und de.s Objektbildes in der Bildebene die letztlich von der Bedienungsperson beobachtete Intensität. Da die Intensitäten der Objektlichtquelle und der Projektorlichtquelle getrennt einstellbar sind, kann die Endintensität auf optimalen Kontrast eingestellt werden. Man kann Lichtquellen verschiedener Farben verwenden und eine Vielfalt von Effekten können durch Farbmischung und Erregung erzeugt werden. Eine chromatische Paralaxe kann durch richtige Wahl der Beleuchtungsfarben kontrolliert werden.

Die Zeigerkonfiguration braucht nicht quadratisch, rechteckig oder rautenförmig zu sein, und in der Praxis kann der Zeiger durch eine Gruppe von kreis-

030082/0869

förmigen oder re elite ckf örmi gen Formen bestimmt sein, wobei die ausgewählte Zeigerkonfiguration durch die Eigenschaften des zu messenden Objekts bestimmt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine Reihe von Änderungen und Abwandlungen der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele möglich sind, ohne daß vom wesentlichen Grundgedanken abgewichen wird. Beispielsweise kann die Verschiebung des Zeigerbildes auch dadurch erreicht werden, daß zwischen einer Lochmaske und einer Projektionslinse, die an einer festen Stelle bezüglich einer optischen Achseim Projektor angeordnet ist, ein einzelnes Prisma angeordnet werden, welches in Längsrichtung der optischen Achse durch ein Mikrometer verschiebbar ist. Eine Verschiebung der Lochmaske im Projektor durch ein Mikrometer erübrigt sich dann. Die Bewegung des Prismas bewirkt eine seitliche Verschiebung des Zeigerbildes. Alternativ dazu kann anstelle des Einzelprismas auch ein variabler optischer Keil verwendet werden, der durch zwei komplementäre Prismen gebildet ist, die durch ein Mikrometer um die optische Achse gleichzeitig aber in entgegengesetzten Richtungen verdreht werden, wodurch die Brechkraft des Keils variiert und das Zeigerbild seitlich verschoben wird. Eine noch andere Methode zum Bewirken einer seitlichen Verschiebung des Zeigerbildes ist dadurch gegeben, daß eine zwischen der Lochmaske und der Projektionslinse angeordnete planparallele Glasplatte durch ein Mikrometer mehr oder weniger schräggestellt wird, wodurch ebenfalls eine seitliche Verschiebung des Zeigerbildes erzeugt wird.

030062/0869

Claims

Patentansprüche

Optisches Mikrometermeßgerät zum Messen von winzigen Abständen zwischen Punkten auf. einem zu prüfenden Objekt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale : . :

A) ein Objekttisch (10) ist zum Darauflegen des Objekts (OUT) vorgesehen,

B) über dem Objekttisch (10) ist ein eine vertikale optische Achse aufweisendes Objektiv (11) angeordnet,

C) über dem Objektiv (11) ist ein strahlteilendes Element angeordnet, welches eine Trennfläche (14a) aufweist, die relativ zur vertikalen optischen Achse geneigt ist,

D) zwischen dem Objektiv (11) und dem strahlteilenden Element ist ein teildurchlässiger Spiegel (20) angeordnet,

Ξ) es ist eine Einrichtung vorhanden, die eine Objektlichtquelle (15) aufweist, welche das Objekt (OUT) beleuchtet, wodurch objektmodulierte Strahlen erzeugt werden, die vom Objektiv (11) nach oben durch den Spiegel (20) hindurch auf die Trennfläche (14a) gerichtet werden, wobei die Lichtstrahlen zur Erzeugung eines im Raum schwebenden reellen Bildes in einer Bildebene (RIP) des Objektivs (11) von der Trennfläche (14a) in Richtung eines Hauptlichtweges (Z) umgelenkt werden,

F) in dem Hauptlichtweg (Z) ist ein Okular (12) angeordnet, welches eine Ansicht des Objektbildes in vergrößerter Form ermöglicht,

G) es ist ein Projektor zur Erzeugung eines Zeigerbildes (P) vorgesehen, der eine Projektorlichtquelle

(17) auf v/eist, deren Strahlen durch eine Lochblende

(18) abgeblendet werden, die eine Öffnung auf v/eist, deren Form die Geometrie eines Zeigers festlegt und

Ö30062/08S9

die zur Erzeugung von zeigermodulierten Strahlen mittels einer Projektionslinse (19) projiziert werden,

H) es ist eine Einrichtung vorgesehen, welche die zeige rmodulierten Strahlen aus dem Projektor nach unten durch das strahlteilende Element zum Spiegel (20) leitet, von dem sie nach oben reflektiert werden und dadurch auf die Trennfläche (I4a) treffen, von der sie auf den Hauptlichtweg und damit in Richtung der Bildebene (RIP) gelenkt werden, in der sie das reelle Zeigerbild (P) erzeugen, welches dem Objektbild überlagert ist, und

I) es ist eine mit dem Projektor zusammenwirkende Mikrometereinrichtung (21) zum seitlichen Verschieben des Zeigerbildes (P) zwecks Überbrückung des Abstandes zwischen zwei Punkten auf dem Objektbild und zum .Anzeigen dieses Abstandes vorgesehen.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Projektor verdrehbar ist, damit er normal zur optischen Achse des Projektors jede gewünschte Winkellage zur Orientierung des Zeigerbildes (P) relativ zum Objektbild einnehmen kann.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnung (18a) in der Blende (18) rautenförmig ausgebildet ist.
4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, -daß die Öffnung (18a) der Blende (18) rechteckförmig ausgebildet ist.
5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet', daß

030 06 2/0 86 9

die Mikrometereinrichtung (21) ein mechanisches Mikrometer mit einer Schraube aufweist, die mit der Blende (18) des Projektors so zusammenwirkt, daß eine Verschiebung des Zeigerbildes (P) bewirkt wird.
6. Gerät nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß das mechanische Mikrometer an einen Analog/Digitalwandler (22) angeschlossen ist, der eine digitale Anzeigevorrichtung (22a) aufweist, die ein Ablesen des durch das Gerät gemessenen Abstandes zwischen zwei Punkten ermöglicht.
7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor über dem strahlteilenden Element angeordnet ist und daß er eine vertikale optische Achse aufweist, wodurch die zeigermodulierten Strahlen nach unten zu dem Spiegel (20) gerichtet werden.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor auf einer Seite des strahlteilenden Elements angeordnet ist und eine horizontale optische Achse aufweist, daß er einen schräggestellten.teildurchlässigen, ebenen Spiegel (20') aufweist, der zwischen einer über dem strahlteilenden Element angeordneten Fotozelle (27) und dem strahlteilenden Element angeordnet ist, und daß der schräggestellte Spiegel (20') so schräg gestellt ist, daß er die zeigermodulierten Strahlen aus dem Projektor nach unten zum teildurchlässigen Element richtet, und daß Strahlen aus dem Objekt oder Objektbild durch das strahlteilende Element in die Fotozelle (27) gelenkt werden.
9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

Ü30062708&&

eine Einrichtung zum voneinander getrennten Steuern der Objektlientquelle (15) und der Projektorlichtquelle (17) vorgesehen sind, wodurch der Kontrast zwischen dem Objektbild und dem Zeigerbild (P) einstellbar ist.
10. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt transparent ist und daß die Einrichtung zum Beleuchten des Objekts einen Reflektor (13) aufweist, der Licht aus der Objektlichtquelle (15) durch das vom Objekttisch (10) gehaltene Objekt richtet.
11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das transparente Objekt aus einem Film besteht, der ein Bild eines integrierten Schaltkreises mit Leitungen aufweist, deren Breite und Abstand durch das Gerät zu messen ist.
12. Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Objektlichtquelle aus einer Halogenlampe besteht, deren Strahlen durch einen optischen Diffusor (25) hindurchgehen.
13. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Objektiven verschiedener Vergrößerungen bestückter Revolver (23) vorgesehen ist, der so einstellbar ist, daß ein ausgewähltes Objektiv über dem Objektivtisch (10) einfügbar ist.
14. Optisches Mikrometergerät zum Messen winziger Abstände zwischen getrennten Punkten auf einem zu prüfenden Objekt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

03006 2/0 86 9

A¹) Es ist ein Verbundmikroskop vorgesehen, welches ein Objektiv (11) aufweist, mit dem ein leuchtendes, im Raum schwebendes reelles Bild des Objekts (OUT) in einer Bildebene (RIP) erzeugbar ist, und welches ein Okular (12) aufweist, welches die Betrachtung des reellen Bildes in vergrößerter Form ermöglicht,

B') es ist ein Projektor zur Erzeugung eines Zeigerbildes vorgesehen, v/elcher eine Lochblende (18) mit einer vierseitigen, die Form eines Zeigers festlegenden Öffnung (13a) und eine Projektionslinse (19) zur Erzeugung eines leuchtenden Zeigerbildes (P) aufweist,

C) mit dem Projektor ist eine optische Einrichtung zum Überlagern des Zeigerbildes (P) mit dem Objektbild auf der Bildebene (RIP) vorgesehen, wodurch ein Betrachter das Zeigerbild dem Objektbild überlagert sieht, und

D') es ist eine Hikrometereinrichtung zum seitlichen Verschieben des Zeigerbildes (P) vorgesehen, wodurch der Abstand zwischen zwei Punkten auf dem Objektbild überbrückbar und der gemessene Abstand anzeigbar ist.
15. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Projektor ein Farbfilter enthält.
16. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlteilende Element ein Prisma ist.

030082/0 889