DE4436500A1 - Optisches Projektionsgitter - Google Patents
Optisches ProjektionsgitterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Erfassung und Vermessung von
Oberflächen durch Aufprojektion eines Gitters sowie ein optisches Projektionsgitter mit
binärer optischer Dichteverteilung.
Derartige Projektionsgitter sind beispielsweise als Zusatzeinheit für ein-
oder zweistufige Auflichtmikroskope vorgesehen, die mit beugungsbegrenzter Optik
arbeiten.
Außer den sonst üblichen Informationen über die Objekteigenschaften
in den beiden Koordinaten senkrecht zur optischen Achse werden noch Informationen
über die vertikale Ausdehnung gewonnen.
Je nach Art der Weiterverarbeitung der dreidimensionalen Information können z. B. 3D-
Bilder der Oberfläche, Angaben zur Rauhigkeit, zur Welligkeit oder zu
Höhenunterschieden von Einzelobjekten erzeugt werden.
Im Phase-Shift-Verfahren (P. Carre, Metrologia Vol. 2, No. 1, 1966, S. 13-23)
werden beispielsweise Interferogramme von Oberflächen mit optischer Qualität
ausgewertet, indem an einzelnen oder allen Bildpunkten die Lichtintensität
nacheinander bei n Phasenlagen einer Vergleichsfläche des Interferometers gemessen
wird.
Die Intensitätsinformation kann beispielsweise mit einer CCD-Kamera aufgenommen
werden.
Das Phase-Shift-Verfahren kann auch bei der Projektion eines Musters paralleler
Streifen unter einem Winkel ungleich 90 Grad auf das Untersuchungsobjekt und
der Erfassung der durch die Höhenunterschiede verursachten
Streifenverschiebung eingesetzt werden, indem gleichfalls die Intensität der von der
Oberfläche reflektierten oder gestreuten Streifen bei n Phasenlagen der Streifen
gemessen wird.
Um den gleichen mathematischen Apparat zur Höhenberechnung verwenden zu
können, weist das Projektionsgitter in Shiftrichtung einen
sinusquadratförmigen Intensitätsverlauf auf.
Annähernd sinusquadratförmige Projektionsgitter werden holografisch auf
fotografischen Platten erzeugt.
Bei der Vermessung mikroskopischer Objekte stören jedoch die unvermeidlichen
Gitterfehler durch die statistische Verteilung der geschwärzten Silberkörner und die
nichtlineare Schwärzungskurve und durch Fehler bei der holografischen Abbildung.
Es werden Rauhigkeiten und Welligkeiten auf der Oberfläche vorgetäuscht, die die
Höhenauflösung des Meßverfahrens drastisch einschränken, insbesondere im Bereich
kleiner Mikroskopvergrößerungen, für die das Streifenprojektionsverfahren als
Ergänzung zu interferometrischen Phase-Shift-Verfahren besonders interessant ist, die
durch die Bindung an die Wellenlänge des Meßlichtes (sichtbarer Bereich) keine
beliebige Ausdehnung auf die Messung großer Höhenunterschiede gestatten.
In der Veröffentlichung von M. Gruber, G. Häusler "Simple, robust and accurate phasemeasuring
triangulation", OPTIK 89, No. 3 (1992), S. 118-122,
wird die astigmatische Abbildung binärer Gitterstreifen mit wellenförmigem
Streifenverlauf beschrieben.
Die Streifen sind paarweise zueinander um 1/4 der Streifenperiode phasenversetzt.
Durch eine Zylinderlinse mit einer zeilenförmigen Beleuchtungsapertur wird jeweils ein
Bildausschnitt auseinandergezogen abgebildet wobei die Verschiebung der
aufprojizierten Streifenverteilung durch Veränderung des Bildausschnittes erzielt wird.
Die projizierte Streifenperiode ist gleich der periodischen Änderung der Gitterstreifen.
Die astigmatische Abbildung bedingt eine in unterschiedlichen Koordinatenrichtungen
unterschiedliche Abbildungsqualität.
Die oben erwähnte Anwendung als Zusatzeinheit für ein Mikroskop erfordert jedoch die
Abbildung des Gitters durch das gleiche hochaperturige optische System, durch das die
Objektvermessung erfolgt. Die gleiche hohe laterale Auflösung in beiden
Koordinatenrichtungen bei Abbildung des gesamten Gitters durch das
Projektionsobjektiv ist in dieser Anwendung zwingend vorgeschrieben.
In DE-A1 40 16 362 ist als Projektionsgitter ein Streifengitter mit binärer
Transmissionsverteilung und gerader Streifenbegrenzung angegeben, bei dem der
erwünschte sinusquadratförmige Transmissionsverlauf entweder durch Variation der
Streifenbreite bei konstantem Abstand oder durch Variation des Streifenabstands bei
konstanter Breite erzielt wird, wobei Streifenbreite und/oder Streifenabstand unter dem
Auflösungsvermögen der Projektionsoptik liegen.
Diese sehr kleinen Abmessungen müssen äußerst präzise eingehalten werden, weil
systematische Teilungsfehler zu periodischen Meßfehlern führen.
Bei Anwendung im Mikroskop sind die erforderlichen Toleranzen für die
Gitterherstellung mit den bekannten Technologien kaum einzuhalten.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein leicht und mit ausreichender Präzision
herstellbares Projektionsgitter zu erstellen, das geringere statistische und periodische
Intensitätsfehler enthält als die holografisch auf Fotomaterial erzeugten Gitter, jedoch
zur mikroskopischen Vermessung von Oberflächenstrukturen mittels Streifenprojektion
und Phase-Shiftverfahren bei allen mikroskopischen Vergrößerungsstufen geeignet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten
Patentanspruches gelöst.
Eine optische Anordnung zur Erfassung und Vermessung von Oberflächen durch
Aufprojektion des erfindungsgemäßen Projektionsgitters ist Gegenstand des Anspruchs
2.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die binäre Ausbildung der erfindungsgemäßen Transmissionsgitter, wobei die
Breite der Längsstreifen durch die zu erzielende Auflösung festgelegt wird, aber auch
durch geeignete Mittel zur Erzeugung eines unscharfen Abbildes des Projektionsgitters
in der Bildebene, wobei z. B. ein sinusförmiger Transmissionsverlauf erreicht werden
kann, können die genannten Nachteile der holografisch erzeugten Gitter vermieden
werden, indem mit lithografischen Verfahren, beispielsweise einer
Elektronenstrahlbelichtungsanlage eine Art "binäre Maske" oder "Schattenmaske"
erzeugt wird, die als Transmissionsgitter dient.
Durch eine genügend kleine Gitterperiode der zum projizierten Streifenverlauf
senkrechten Gitterstreifen werden die Nachteile der astigmatischen Abbildung
vermieden.
Durch Strichbreitenmodulation der binären Gitterstreifen senkrecht zum projizierten
Streifenverlauf wird das mikroskopische Meßverfahren unempfindlich gegen
Teilungsfehler des die Modulation erzeugenden Gitters mit sich ändernder Breite jedes
Gitterstriches.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 Den Strahlengang einer optischen Anordnung zur Streifenprojektion
unter Verwendung
eines erfindungsgemäßen Projektionsgitters mit sinusquadratförmigem
Transmissionsverlauf in vergrößerter Darstellung eines Ausschnittes.
Fig. 2 Eine Ausführungsform des Projektionsgitters sowie Darstellungen des
Transmissionsverlaufes l(x), l(y) an ausgewählten Linien A, B auf der y- bzw. auf
der x-Koordinate.
Eine polychromatische Lichtquelle 1 beleuchtet über einen Kollektor 9 und eine
exzentrische Aperturblende 2 ein im Strahlengang senkrecht zu den Gitterlinien
verschiebbar angeordnetes Projektionsgitter 3 mit erfindungsgemäßem
Transmissionsverlauf.
Über ein Linsensystem 10, einen Strahlteiler 4 und eine Aperturblende 12 sowie ein
Objektiv 5, das auswechselbar sein kann, wird das Gitterstreifenmuster auf die zu
untersuchende
Oberfläche 6 unter einem Winkel α zur Oberflächennormale projiziert. Die vom Objekt
6 reflektierten und/oder gestreuten Lichtstrahlen verlaufen über die Strahlteiler 4 und
ein Projektiv 7, das das Licht des durch die Oberflächenstruktur des Objektives 6
gestörten Streifenmusters auf eine CCD-Kamera 8 abbildet. Die von der CCD-Kamera
gemessene Bildinformation gelangt in einen Frame-Grabber 9, wo sie durch einen PC
10 abgerufen werden kann. Der PC 10 weist weiterhin eine Verbindung zu einem
Gittershifter 11 auf, der eine definierte Verschiebung des Projektionsgitters 3 vornimmt.
In Fig. 2 ist ein mittels einer Elektronenstrahlbeschichtungsanlage erzeugtes
erfindungsgemäßes Projektionsgitter dargestellt.
Entlang der Linien A, B in x-Richtung sowie C, D in y-Richtung ist weiterhin der
Transmissionsverlauf vergrößert ausschnittsweise dargestellt.
Der Transmissionsverlauf auf jeder Linie parallel zu der Koordinatenrichtung x, kann
dargestellt werden durch die Fourierreihen:
Wird dieses Gitter durch ein beugungsbegrenztes Objektiv abgebildet, gilt für die
Modulationsübertragungsfunktion MTF:
Hinter dem Mikroskop entsteht der Intensitätsverlauf
und
Wird das Gitter so gestaltet, daß fx < fg gilt, wird MTF(fx)=0 und
Wird dafür gesorgt, daß
gilt, erhält man parallel zur x-Richtung eine nur von y abhängige, also konstante
Intensität
Wird noch fy < fg eingehalten erhält man nach Abbildung durch das
beugungsbegrenzte Objektiv ein Streifengitter mit sin²-förmigen Intensitätsverlauf
senkrecht zur Streifenrichtung.
Wird dieses Gitter auf ein mikroskopisches Objekt projiziert, kann aus der
Gitterdeformation durch das Objekt die Berechnung von Objekthöhen mit Hilfe des für
die Höhenberechnung mit den interferometrischen Phaseshiftverfahren bekannten
mathematischen Apparates erfolgen.
Neben den genannten Bedingungen zur Erzeugung einer definierten Unschärfe der
Abbildung durch entsprechende Wahl der Breite der Längsstreifen sind auch andere
Maßnahmen zur Erzeugung eines für die Auswertung geeigneten sinusquadratförmigen
Transmissionsverlaufs des Streifengitters denkbar. Die notwendige
Beugungsbegrenzung des Objektives 5 kann auch dadurch erreicht werden, daß in der
Pupillenebene durch geeignete, auch nicht kreisförmige Blenden die höheren
Beugungsordnungen der freien Gitterstruktur so ausgeblendet werden, daß sie nicht
zur Objektbeleuchtung beitragen.
Weiterhin kann die Lage der Beugungsbilder beeinflußt werden durch Einschränkung
des Wellenlängenbereiches des Meßlichtes. Wird der blaue Bereich des Meßlichtes
gedämpft, verlagert sich der Schwerpunkt der höheren Beugungsordnung von der
nullten Beugungsordnung weg, so daß er außerhalb der Objektivpupille liegen kann.
Beispielsweise kann bei größerer Breite der Längsstreifen die Auflösung der
Aufnahmeeinheit einer CCD-Kamera herabgesetzt werden, indem mehrere Pixel zu
einem "Superpixel" zusammengefaßt werden, bzw. ("Subpixel") nur jedes zweite oder
dritte Pixel verwendet werden. Weiterhin können in bekannter Weise durch
Softwarefilterfunktion die hohen Ortsfrequenzen des Bildes gedämpft werden.
Claims (11)
1. Optisches Projektionsgitter, insbesondere zur dreidimensionalen Vermessung von
Objekten, mit binärer optischer Dichteverteilung,
zur Erzeugung eines projizierten Streifenbildes mit sich periodisch änderndem Transmissionsverlauf,
mit zum projizierten Streifenverlauf senkrechten Gitterstreifen, deren Streifenbreite sich entlang ihrer Längsrichtung periodisch und zu den Nachbarstreifen phasengleich ändert.
zur Erzeugung eines projizierten Streifenbildes mit sich periodisch änderndem Transmissionsverlauf,
mit zum projizierten Streifenverlauf senkrechten Gitterstreifen, deren Streifenbreite sich entlang ihrer Längsrichtung periodisch und zu den Nachbarstreifen phasengleich ändert.
2. Optische Anordnung in einem Mikroskop zur Erfassung und Vermessung von
Oberflächen durch Aufprojektion eines Gitters mit binärer optischer Dichteverteilung
mittels eines Projektionsobjektives und Auswertung des auf der Oberfläche erzeugten
Streifenbildes in einer Auswerteeinheit,
wobei das Gitter senkrecht zum projizierten Streifenverlauf Gitterstreifen mit sich entlang ihrer Längsrichtung periodisch und zu den Nachbarstreifen phasengleich ändernder Streifenbreite aufweist und eine definierte Unschärfe des gesamten projizierten Gitters erzeugt wird.
wobei das Gitter senkrecht zum projizierten Streifenverlauf Gitterstreifen mit sich entlang ihrer Längsrichtung periodisch und zu den Nachbarstreifen phasengleich ändernder Streifenbreite aufweist und eine definierte Unschärfe des gesamten projizierten Gitters erzeugt wird.
3. Optisches Projektionsgitter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich
die zum projizierten Streifenbild senkrecht liegenden Gitterstreifen in ihrer Breite
sinusförmig ändern.
4. Optisches Projektionsgitter nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet dadurch,
daß die Gitterstreifen
in ihrer Längsrichtung einseitig gerade verlaufen und die jeweils andere Seite einen
kurvenförmigen Verlauf aufweist.
5. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß
die Abmessungen des Projektionsgitters zu denen des projizierten Streifenbildes in
einem Verhältnis von etwa 1 : 10 bis etwa 1 : 50 stehen.
6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erzeugung einer definierten Unschärfe der Abstand der Gitterstreifen kleiner ist als das
Reziproke der Grenzfrequenz der Übertragungsfunktion des Projektionsobjektives und
die aus der Gitterperiode ermittelte Gitterfrequenz kleiner ist als die Grenzfrequenz der
Übertragungsfunktion des Projektionsobjektives.
7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Unschärfe durch Einstellung des Auflösungsvermögens der Auswerteeinheit erzeugt
wird.
8. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet dadurch, daß
die Unschärfe durch Einschränkung des Wellenlängenbereiches des Meßlichtes erzielt
wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Projektionsgitters, nach einem der Ansprüche 1-8,
gekennzeichnet durch die Belichtung einer beschichteten Glasplatte mit einer
Elektronenstrahlbelichtungsanlage.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß mit der
Elektronenstrahlbelichtungsanlage ein Vorbild des Gitters erzeugt und dieses mit einem
Photorepeater lithografisch verkleinert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet durch Verwendung
einer chrombeschichteten Glasplatte, die eine Photoresistschicht aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4436500A DE4436500A1 (de) | 1993-10-26 | 1994-10-13 | Optisches Projektionsgitter |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4336402 | 1993-10-26 | ||
DE4436500A DE4436500A1 (de) | 1993-10-26 | 1994-10-13 | Optisches Projektionsgitter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4436500A1 true DE4436500A1 (de) | 1995-05-11 |
Family
ID=6500984
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4436500A Withdrawn DE4436500A1 (de) | 1993-10-26 | 1994-10-13 | Optisches Projektionsgitter |
Country Status (1)
Country | Link |
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