DE3439304C2

DE3439304C2 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Feinfokussierung eines optischen Abbildungssystems

Info

Publication number: DE3439304C2
Application number: DE3439304A
Authority: DE
Inventors: J Evan Grund
Original assignee: Nanometrics Inc
Current assignee: Nanometrics Inc
Priority date: 1983-10-28
Filing date: 1984-10-26
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2004-10-27
Also published as: JPH0364044B2; US4600832A; JPS60115906A; DE3439304A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 8.

Eine Vorrichtung der vorstehenden Art ist Gegenstand der DE- AS 22 34 448. Bei dieser Vorrichtung wird die Korrektur der anfänglichen Grobeinstellung der Scharfeinstellungsentfernung anhand des Vorliegens einer positiven oder negativen Differenz beim stufenweisen Abtasten einer die Helligkeit bei verschiedenen Einstellungsentfernungen wiedergebenden Helligkeitskurve vorgenommen. Hierbei hängt die Genauigkeit des Einstellergebnisses von der Größe der gewählten Stufen und von deren zufälliger Lage gegenüber dem Scheitelpunkt der besagten Helligkeitskurve ab.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einstellsystem der vorstehenden Art in der Weise weiter zu entwickeln, daß sich die Lage des Scharfstellpunktes mit einfachen Mitteln und in kurzer Zeit theoretisch genau ermitteln läßt. Die Scharfeinstellung soll dabei vorzugsweise anhand einer Kante oder Linie des in der Objektebene des optischen Abbildungssystems befindlichen Gegenstands durchführbar sein, die tatsächlich mittels des optischen Abbildungssystems betrachtet werden soll.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 8 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung, in der einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert sind.

Das Feinfokussiersystem nach der vorliegenden Erfindung kann bei allen Arten von optischen Instrumenten verwendet werden, die hohe Anforderungen an die Fokussierung stellen und einen Bilddetektor verwenden, beispielsweise optische oder Fernsehkamera-Systeme, Mikroskope oder abtastende Densitometer. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Systems an Geräten zur optischen Abtastung und Breitenmessung von sehr feinen Linien ergibt sich dabei noch der Vorteil, daß dieselben Recheneinrichtungen sowie optischen Detektoren, die zur Bestimmung der Linienbreite eingesetzt werden, auch zur Einstellung des optimalen Fokussierzustandes des optischen Systems verwendet werden können.

Zur Erläuterung des Systems wird dies im folgenden anhand eines Bildabtastdensitometers und eines Mikroskopes beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Mikroskops oder Bildabtastdensi tometers mit einem Feinfokussiersystem nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 Kurven der gemessenen Lichtintensität als Funktion der horizontalen Abtastung über das Bild mit Profilen für schlechte Scharfeinstellung und gute Scharfeinstellung einer vergrößerten feinen Linie;

Fig. 3 eine typische Kurve zweiter Ordnung von Kurven werten, die über die vertikalen Positionen des Tisches aufgetragen sind;

Fig. 4 die Schritte des Verfahrens zur Feinfokussie rung nach der Erfindung; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Fein fokussiersystems in einer Fernsehkamera.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines optischen Mikroskops, das zur automatischen Abtastung und Breitenmessung von sehr feinen Linien vorgesehen ist, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 4,373,817 beschrieben ist. Das Mikroskop enthält einen herkömmlichen Probentisch oder -schlitten 12, der manuell, beispielsweise mittels eines Einstellknopfes 14, in X- und Y-Richtung in der horizontalen Ebene verschoben werden kann. Der Tisch 12 kann weiterhin in vertikaler Richtung mit einem Schrittmotor 16 verschoben werden, der manuell mit einem Einstellknopf 18 gedreht werden kann und außerdem durch Signale eines digitalen Prozessors oder Computers 20 ansteuerbar ist. Bei einigen Anwendungen mag es vorteilhafter sein, die Probe oder das Objekt in einer festen Position zu lassen und mit dem Motor 16 das optische System in die entsprechende Lage bezüglich des Objekts zu verschieben.

Eine Probe 22, die auf dem Tisch 12 befestigt ist, soll sehr feine Linien enthalten, wie sie beispiels weise in elektronischen Mikroschaltungen oder den empfindlichen Masken enthalten sind, wie sie zur Herstellung von solchen Schaltungen verwendet werden. Um die Breite von derartigen Linien zu bestimmen, fokussiert ein optisches System mit einer Objektivlinse 24 ein Bild der feinen Linie auf die Oberfläche eines Ge häuses 26 mit einem schmalen Abtastschlitz 28 vor einem Photodetektor 30, der die Intensität des Lichtes mißt, das durch den Schlitz hindurchtritt. Das Gehäuse 26 ist auf einer Mutter 32 befestigt, die über das projizierte Bild des Probenkörpers gefahren wird; dazu dient eine Spindel 34, die von einem Schrittmotor 36 unter Steuerung des Rechners 20 gedreht wird. Das durch den Schlitz 28 hindurchtretende Licht wird vom Photodetektor 30 abgefühlt und der dabei entstehende Signalstrom verstärkt. Nach Umsetzung in Digitalform wird dieser dem Rechner 20 zugeführt, der die Breite der feinen Linie aus den Abtastsignalen bestimmt, wie es in dem oben erwähnten Patent be schrieben ist. Wenn das optische System nicht genau fokussiert ist, treten Probleme auf, da eine kleine Abweichung vom eigentlichen Fokus zu einem unscharfen Bild der Linienkanten führt und es unmöglich macht, die Kantenlage genau zu bestimmen, so daß Fehlmessungen auftreten. Um also genaue Linienbreitenmessungen mit diesem System zu erzielen, ist es unumgänglich, den Fokus so genau als möglich einzustellen. In der bevorzugten Ausführungsform bestimmt der Rechner 20, der die Linienbreite bestimmt, auch den optimalen Fokuszustand des optischen Systems und verwendet dazu dieselben optischen und Detektor-Einrichtungen, die bei der Messung der Linienbreiten eingesetzt werden.

Fig. 1 zeigt eine typische vergrößerte feine Linie 38, die in die Brennpunktebene auf der Oberfläche des Gehäuses 26 projiziert wird, wie sie beispiels weise von einem Techniker gesehen werden kann, der eine erste Scharfeinstellung durch ein Okular 40 vornimmt, das auf ein Fadenkreuz 42 fokussiert ist in einem Strahlengang, der durch einen Strahlenteiler 44 in Richtung auf das Okular projiziert wird. Durch Betätigung des vertikalen Fokussierknopfes 18 wird die Kante der feinen Linie 38 manuell in die an scheinend beste anfängliche Scharfeinstellung gebracht. Diese erste Scharfeinstellung wird aber nur selten die ideale oder perfekte Scharfeinstellung sein, die für genaue Messungen erforderlich ist; dies wird aus der folgenden Diskussion noch deutlicher.

Fig. 2 zeigt die vergrößerte feine Linie 38 über einer Kurve 46, die ein schlecht fokussiertes Bild darstellt, wie es beispielsweise bei der ersten manuellen Scharfeinstellung vorliegt, und eine zweite Kurve 48, die eine Scharfeinstellung der Linie 38 darstellt. Beide Kurven 46 und 48 stellen etwas übertriebene Darstellungen der optischen Intensität dar, die vom Photodetektor 39 als Funktion der hori zontalen Abtastung über die Linie 38 gemessen werden und dienen zur Erläuterung der Ableitung der "Kantenwerte", wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. Die Kurve 46, die eine schlechte Scharfeinstellung der dunklen Linie 38 darstellt, gehört zu der Art, die in der Nähe der Kanten der Linie 38 unscharf erscheint.

Die Lichtanteile des Objekts in der Nähe der dunklen Linie erzeugen hohe Ausgangsintensitäten an den Punkten 50 in beiden Kurven 46 und 48. Wenn das Gehäuse 26 in Fig. 1 über das Bild im Brennpunkt gefahren wird, nehmen die Intensitäten des unscharf eingestellten Bildes allmählich ab und erreichen ein Minimum bei einem Punkt 51 innerhalb der Begrenzung der Linie. Auf der anderen Seite weist das durch Kurve 48 darge stellte scharf eingestellte Bild nahezu vertikale Seiten 52 auf und fällt rasch von der maximalen Intensität 50 zur minimalen Intensität 53 ab, wenn der Abtastschlitz 28 im Gehäuse 26 in Fig. 1 die Kanten des Bildes 38 der Linie überschreitet. Jede der Kurven 46 und 48 von Fig. 2 hat eine Steigung, wobei die beste Scharfeinstellung dann vorliegt, wenn die Steigung der Kurve senkrecht ist oder den Wert unendlich aufweist. Ein Wert für die Güte der Scharfeinstellung, ein Meßwert, der im folgenden als "Kantenwert" bezeichnet wird, ist auf der anderen Seite proportional zum Reziproken der Steigung, so daß die beste Scharfeinstellung beim kleinsten Kantenwert auftritt, der numerisch definiert ist als:

wobei K eine Normierungskonstante ist und dp/dx die Änderungsrate der Helligkeit bezüglich der hori zontalen Abtastlänge.

Fig. 3 zeigt eine Kurve des Kantenwerts als Funktion der vertikalen Lage des Mikroskoptisches. Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird ein Minimum von drei Kantenwerten gemessen bei verschiedenen, aber bekannten Positionen des Tisches; im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden jedoch fünf Werte an Tischpositionen gemessen, die gleiche Abstände zueinander aufweisen.

Fig. 4 zeigt die Schritte, mit denen die Kantenwerte gemessen und schließlich die genaue vertikale Tischposition bestimmt wird, in der die beste Scharfeinstellung vorliegt. Zuerst stellt die Bedienungsperson mit dem vertikalen Fokussierungsknopf 18 die beste manuelle anfängliche Fokussierung ein. Dann erfolgt eine horizontale Abtastung, indem der Schlitz 28 über das Bild 38 der Probe geführt wird und Rechner 20 den Kantenwert E.V. bei dieser ersten Position e₀ bestimmt. Es sind beliebige Abtastfolgen möglich, im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch zuerst der Schrittmotor 16 zur Absenkung des Tisches um zwei vorbestimmte Schritte von jeweils 0,45 Mikrometer angesteuert, wo eine zweite Abtastmessung durchgeführt und der entstehende Kantenwert bei der Position e_-2 bestimmt wird. Der Tisch wird dann vom Schrittmotor 16 um einen vorbestimmten festen Schritt nach oben verschoben und mit dem Photodetektor hinter dem Abtastschlitz 28, der von der Spindelmutter angetrieben wird, wird eine dritte Messung durchgeführt. Der entstehende Kantenwert bei der Position e_-1 wird dann bestimmt und der Tisch 12 um zwei vorbestimmte feste Schritte angehoben, um den Kantenwert bei der Position e₁ zu bestimmen; anschließend wird der Tisch um einen Schritt angehoben, um einen fünften Kantenwert bei der Position e₂ zu messen.

Die fünf gemessenen Kantenwerte werden dann entsprechend Fig. 3 aufgetragen und ergeben eine Kurve, die durch eine Kurve zweiter Ordnung angenähert werden kann:

E.V. = ae²+be+c.

Die Werte der Koeffizienten a, b und c können dann einfach nach der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt werden, die bei Statistikern und Mathematikern gut bekannt ist. Die Gleichung, mit der die Koeffizienten einer Kurve zweiter Ordnung abgeleitet werden können, die über fünf Werten von "e" aufgetragen ist, lauten:

Wie schon erwähnt, tritt die beste Scharfeinstellung beim minimalen Kantenwert auf. Um die genaue vertikale Tischposition für die beste Scharfeinstellung aufzu finden, ist es deshalb nur notwendig, den tiefsten Punkt der Kurve in Fig. 3 festzustellen; dies läßt sich leicht erreichen, wenn die Kurve zweiter Ord nung differenziert und gleich Null gesetzt wird, um somit Steigung O der Kurve zu ermitteln.

Die erste Ableitung der Kurve zweiter Ordnung

E.V. = ae² + be + c

lautet

d (E.V.)/dx = 2 ae + b.

Der Koeffizient c ist eine Konstante, die die Höhe der Kurve von Fig. 3 über der Abszisse angibt und vernachlässigt werden kann. Wenn die erste Ableitung Null gesetzt und nach der Lage e des Tisches aufgelöst wird, ergibt das Resultat die genaue Tischposition, in der die beste Scharfeinstellung des Systems vorliegt. Wenn also 2ae_best + b = 0, dann ist e_best = -b/2a.

Fig. 4 zeigt eine Zusammenfassung der oben beschriebenen Verfahrensschritte. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel steuert der Rechner 20 den Betrieb der beiden Schritt motoren 16 und 36, liest die Ausgangswerte der Photo detektoren 30 und legt sie im Speicher 58 ab, mißt die Kantenwerte für jede der vertikalen Tischpositionen, bestimmt die vertikale Tischposition für die beste Scharfeinstellung nach der Methode der kleinsten Quadrate und positioniert den Tisch in dieser optimalen Lage. Es ist darauf hinzuweisen, daß die verwendeten Gleichungen nicht schwierig oder komplex sind, und daß auch eine manuelle Rechnung leicht durchgeführt werden kann, wenn dies gewünscht wird.

Bei Betrachtung der Kurve in Fig. 3 kann man fest stellen, daß die erste manuelle Einstellung 56 des Tisches einen Kantenwert ergab, der außerordentlich nahe am optimalen Wert 58 lag, der sich bei der Feinfokussierung einstellte und deutlich innerhalb des Schärfentiefenbereichs des optischen Systems lag. Es ist aber festzustellen, daß eine manuelle Schärfeneinstellung nicht genau sein kann, und daß die Unterschiede zwischen dem anfänglichen Kanten wert 60 und dem optimalen Kantenwert 62 zwar klein sind, aber zu vertikalen Tischpositionen 56 bzw. 58 führen, die sich deutlich unterscheiden, so daß die manuelle Scharfeinstellung nur selten genau sein kann. Weiterhin ist festzustellen, daß die Daten des Maximums, die zur Darstellung der Kurve in Fig. 3 verwendet werden, an Tischpositionen erhalten wurden, die sich von der Position der optimalen Scharfeinstellung 58 unterscheiden und an Punkten lagen, die weiten Abweichungen des Kantenwertes entsprachen, wo sehr kleine Bewegungen des Tisches den Unschärfegrad des beobachteten Bildes stark ändern. Die Kurve zweiter Ordnung, die aus Daten aufgebaut ist, die sich außerhalb der Schärfeposition ergeben, kann also trotzdem verwendet werden, um den genauen Abstand eines Objekts zu bestimmen, bei dem sich dieses in optimaler Scharfeinstellung befindet.

Wie schon erwähnt, kann das Feinfokussierungssystem nach der Erfindung bei jeder Art von optischen oder elektrooptischen Instrumenten verwendet werden, die eine Scharfeinstellung erfordern und einen Bild detektor verwenden, beispielsweise optische oder elektronenoptische Mikroskope, optische oder Video- Kamerasysteme, photoempfindliche Filmgeräte usw.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Feinfokussiersystems in einer Fernsehkamera 66 mit einer lichtempfindlichen Fläche 68, beispielsweise einer Vidicon-Röhre, einer Festkörpermatrix (CCD) oder einer ähnlichen lichtempfindlichen Fläche. Bei der Beobachtung durch ein Okular 70 oder mit einem Fernsehmonitor 83 stellt die Bedienungsperson oder ein Hilfsfokussiersystem manuell oder auto matisch die beste visuelle Schärfe ein, indem der Knopf 72 zur Drehung der Welle 74, der Zahnräder 76 und der Spindel 78 betätigt wird, um die Objektiv linse 80 zu verschieben. Das Bild eines unterscheidbaren Merkmales auf dem betrachteten Objekt 82 wird dadurch auf der lichtempfindlichen Fläche 68 der Fernseh kamera 66 scharf abgebildet.

Die Kamera ist mit einer Bilddigitalisiereinrichtung 84 verbunden, die eine oder mehrere Rasterabtastzeilen des Videosignals der Kamera in eine digitale Form umsetzt, die für die Recheneinheit 86 geeignet ist. Die Rasterabtastzeilen sind analog den Abtastzeilen der Photomultiplier-Röhre, die anhand von Fig. 1 beschrieben wurde; im Fall der Rasterabtastung können jedoch viele Linien auftreten, und die effektive Abtastung, die für die Scharfeinstellung herangezogen wird, kann aus mehreren individuellen Abtastzeilen zusammengesetzt sein. Die Abtastposition wird von der Recheneinheit 86 genau aus den Synchronisiersignalen der Fernsehkamera bestimmt, und die Speicherschaltkreise der Rechnereinheit koordinieren die Information der Abtastposition mit den Bildintensitätsdaten in jeder Abtastung auf ähnliche Weise, wie es anhand des optischen Mikroskopsystems von Fig. 1 beschrieben wurde.

Claims

1. Verfahren zur automatischen Feinfokussierung eines optischen Abbildungssystems nach anfänglicher Grobeinstellung der Scharfeinstellungsentfernung des Abbildungssystems durch Abtastung der Abbildung eines eine Kante aufweisenden Bereiches eines in der Objektebene befindlichen Gegenstands, bei welchem

a. ausgehend von der anfänglich gewählten Scharfstellentfernung die Einstellung des Abbildungssystems in mehreren Stufen verändert wird,
b. die mit der Veränderung der Scharfstellentfernung verbundenen Helligkeitsänderungen mittels mindestens eines Photodetektors festgestellt werden, und
c. die Feinfokussierung des Abbildungssystems in Abhängigkeit von der festgestellten Größe der relativen Helligkeitsänderungen vorgenommen wird,

gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

d. die Messung der relativen Helligkeiten wird mittels eines durch mindestens eine Schlitzblende (28) abgeschatteten oder mittels eines rasterförmig abgetasteten Photodetektors (30, 66) vorgenommen,
e. die in mindestens drei Scharfstellentfernungen zustande kommenden die Bildschärfe repräsentierenden Kantenwerte (E.V.) jeder Abtastung der Kante werden als Funktion der entsprechenden Distanz (e) in einer durch die Formel E.V. = ae² + be + cangenäherten quadratischen Funktion festgehalten,
f. die Werte der Koeffizienten "a" und "b" dieser Funktion werden bestimmt,
g. der optimale Scharfstellabstand "e_best" wird entsprechend der Beziehung e_best = -b/2abestimmt, und
h. der Scharfstellabstand des Abbildungssystems wird entsprechend dem optimalen Scharfstellabstand "e_best" eingestellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizientenbestimmung nach dem bekannten Annäherungsverfahren der kleinsten Quadrate erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bestimmung des optimalen Scharfstellabstandes erforderlichen Verfahrensschritte mittels eines digitalen Prozessors (20, 86) durchgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem Teil einer Kamera ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem Teil eines Mikroskopes ist, bei welchem das zu betrachtende Objekt auf einem quer zur Schlitzblende beweglichen Tisch (12) angebracht ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System Teil eines abtastenden Densitometers ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor Teil einer Fernsehkamera (66) ist, die mit einer Bilddigitalisiereinrichtung (86) verbunden ist, die eine oder mehrere Rasterzeilen des Videosignals der Kamera in eine digitale Form umsetzt.

8. Vorrichtung zur automatischen Feinfokussierung eines optischen Abbildungssystems nach anfänglicher Grobeinstellung der Scharfeinstellungsentfernung des Abbildungssystems durch Abtastung der Abbildung eines eine Kante aufweisenden Bereiches eines in der Objektebene befindlichen Gegenstands mit

a. einer Einrichtung zur Veränderung der anfänglich gewählten Scharfstellentfernung des Abbildungssystems in mehreren Stufen,
b. mindestens einem Photodetektor zur Messung der mit der Veränderung der Scharfstellentfernung verbundenen Helligkeitsänderungen, und
c. einer Einrichtung zur Feinfokussierung des Abbildungssystems in Abhängigkeit von der festgestellten Größe der relativen Helligkeitsänderungen,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

d. ein durch mindestens eine Schlitzblende (28) abgeschatteter oder rastermäßig abgetasteter Photodetektor (30, 66) zur Messung der relativen Helligkeiten,
e. ein digitaler Prozessor (20, 86) zum Aufzeichnen der durch die in mindestens drei Scharfstellentfernungen zustande kommenden, die Bildschärfe repräsentierenden Kantenwerte (e.V.) als Funktion der entsprechenden Distanz (e) in einer durch die Formel E.V. = ae² + be + c angenäherten quadratischen Funktion, zur Bestimmung der Werte der Koeffizienten "a" und "b" dieser Funktion und des optimalen Scharfstellabstands "e_best" entsprechend der Beziehung e_best = -b/2a, und
f. eine Einrichtung zur Einstellung des optimalen Scharfstellabstandes des optischen Systems entsprechend dem ermittelten Wert "e_best".

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Koeffizientenbestimmung nach dem bekannten Annäherungsverfahren der kleinsten Quadrate vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem Teil einer Kamera ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem Teil eines optischen Mikroskopes ist, bei welchem das zu betrachtende Objekt auf einem quer zum Schlitz beweglichen Tisch (12) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem Teil eines abtastenden Densitometers ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem Teil einer Fernsehkamera (66) ist, die mit einer Bilddigitalisiereinrichtung (86) verbunden ist, die eine oder mehrere Rasterzeilen des Videosignals der Kamera in eine digitale Form umsetzt.