EP3658850A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen oberflächenmessung mit hilfe eines konfokalen sensors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur optischen oberflächenmessung mit hilfe eines konfokalen sensors

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Publication number
EP3658850A1
EP3658850A1 EP18756156.8A EP18756156A EP3658850A1 EP 3658850 A1 EP3658850 A1 EP 3658850A1 EP 18756156 A EP18756156 A EP 18756156A EP 3658850 A1 EP3658850 A1 EP 3658850A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
light
optical system
confocal
confocal sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP18756156.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Frank
Gerd Jakob
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NanoFocus AG
Original Assignee
NanoFocus AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NanoFocus AG filed Critical NanoFocus AG
Publication of EP3658850A1 publication Critical patent/EP3658850A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges

Definitions

  • the invention relates to a method for the optical measurement of technical surfaces with the aid of a confocal sensor, wherein light of at least one light source is directed to the surface of a sample to be measured via an optical system. Moreover, the invention relates to a confocal sensor for carrying out the method, with at least one light source whose light is directed via an optical system to the surface to be measured of a sample.
  • confocal measurement technology In confocal measurement technology, light from a light source is usually focused onto the surface to be measured via a confocal filter, a beam splitter and an optical system.
  • a confocal filter e.g., a pinhole
  • the sensor shows a maximum signal when the surface is in focus. This allows the exact Z height of the surface to be determined.
  • a chromatically confocal sensor One method in which such mechanical elements can be dispensed with is the use of a chromatically confocal sensor.
  • the broadband spectrum of a light source (for example, white light) is directed onto the sample surface via an optical system with defined dispersion. Due to the dispersion, a longitudinal chromatic aberration is created, which allows each "light color" to be assigned a defined Z position on the sample surface, thus allowing the topography of the sample to be determined, so that mechanical scanning in the Z direction is no longer necessary.
  • the determination of the correct Z-position of the sample surface i.
  • the topography is done classically via a spectrometer.
  • the light reflected from the sample is spectrally analyzed, with the dominant wavelength corresponding to the Z position of the sample.
  • the used spectrometer lines can be read out with data rates of several kHz.
  • fast chromatic confocal sensors can be realized.
  • the readout speed of the spectrometer lines has its limits in the range of a few kHz and can not be further increased without further ado.
  • the invention is therefore based on the object to develop a method of the type mentioned so that high measurement rates are possible.
  • the optical system comprises an electrically controlled adaptive optic, wherein the focus of the optical system is varied by an electrical signal in the Z-direction and the light reflected back from the sample surface at least one photosensor is directed, the sensor signal being measured over time and the time and intensity of a signal maximum being determined and evaluated, the height Z of the surface being derived from the electrical signal at the time of the signal maximum.
  • an acousto-optical lens namely a tunable acoustic gradient index (TAG) lens, is suitable as adaptive optics (see A. Mermillod-Blondin, E.
  • TAG lens consists of a liquid-filled, cylindrical cavity which is excited radially with acoustic energy. This results in a periodic modulation in the liquid, correspondingly the refractive index varies and the lens continuously varies its focal length cyclically, with a frequency in the kHz to MHz range.
  • a TAG lens can be used in the optical system of the confocal sensor consisting of a cylindrical piezoelectric body as a cavity filled with liquid.
  • the piezoelectric body is supplied with the electrical signal, whereupon the position of the focus of the optical system in the Z-direction is varied.
  • the electrical signal can be generated by a function generator of a type known per se.
  • an adaptive optics comprising at least one modulation element which converts the electrical signal into a variation of the refractive index of a material irradiated by the light of the modulation element for varying the focus by utilizing the acousto-optic effect.
  • This modulation element may be a TAG lens of the type described above.
  • a purely optical "scanning" in the Z-direction takes place between the optical system and the sample surface.
  • the light incident on the sample surface is focused through the Z-region and reflected back and falls in the simplest case to one fast photodiode as a photosensor, with which the signal maximum is determined, wherein the adaptive optics is synchronized with respect to the time dependence of the focus position in the Z direction with a used electronic detection device, such that from the time course of the electrical signal that drives the adaptive optics, the focus position is determined in the signal maximum and thus can be closed to the height Z of the sample.
  • the electrical signal may be an AC voltage of high frequency in the range of 1 kHz to 10 MHz, preferably 10 kHz to 1 MHz, particularly preferably 50 kHz to 200 kHz, with which the acousto-optical lens is acted upon. Accordingly, the focus position in the Z direction is periodically varied between a maximum value and a minimum value. The measuring time per point of the sample surface is thus less than one microsecond.
  • the photosensor may be formed as a point sensor. However, it is also provided according to the invention that the light from the light source is split into a plurality of sub-beams and a multi-channel sensor, e.g. a (row or matrix) array of photodiodes is used.
  • a plurality of light sources can be used, wherein the back-reflected individual beams of the light sources are detected in parallel by means of a corresponding multi-channel photo sensor.
  • the detection of the sample topography can be further accelerated, in which the individual beams simultaneously scan a plurality of spaced-apart points on the sample surface.
  • a single modulation element for example a single TAG lens, may be sufficient even in the case of parallel measurement with a plurality of partial or single beams.
  • a separate modulation element for example in the form of a plurality of TAG lenses arranged side by side, can be assigned to each of the partial beams or individual beams.
  • the detection device used to analyze the time-varying signal of the photosensor has an extreme value memory which follows the time-varying signal until an extremum of the signal is reached, a peak indicator signal being generated when the extremum is reached of which the time of the extremum and on the basis of which in turn the signal maximum associated focus position in the Z direction is detected.
  • the (absolute) signal maximum must be assigned to the peak indicator signal last generated during a variation cycle of the focus position.
  • the detection of multiple (local) signal maxima is possible with this method, for example, to determine the layer thickness distribution of a coating on the sample surface using the method according to the invention.
  • the optical system comprises an electrically controlled adaptive optics, wherein the focus of the optical system is varied by an electrical signal of a function generator in the Z-direction and the Reflected light back to the sample surface is directed to at least one photosensor, wherein the sensor signal by means of a detection means measured over time and the time of a maximum signal is determined, wherein the detection means is adapted to derive from the electrical signal at the time of the signal maximum, the height Z of the surface.
  • the light from the light source is directed onto the optical system after passing through a confocal filter (orifice hole), for example via a semitransparent mirror or a beam splitter cube
  • the light reflected back through the optical system passes through the semitransparent mirror onto the photosensor, through a light source
  • the light on the sensor becomes maximum when the light from the light source is focused on the surface of the sample due to the instantaneous focus position of the adaptive optics Focusing position shows the sensor signal a typical Signal tip (Confokalpeak). From the time of occurrence of this maximum signal can be determined at a known focus position (which is associated with the electrical signal at the relevant time), the height of the sample at the respective measurement position.
  • One possibility is to perform the device integrated fiber optic.
  • the light source, the photosensor and the optical system are connected to each other via optical fibers.
  • a laser is used as the light source.
  • suitable for the process is also any other light source.
  • a spectrally narrowband light source should be used to minimize measurement errors due to unavoidable chromatic aberration of the optical system.
  • the sample to be examined is moved relative to the confocal sensor in the X / Y direction, ie transversely to the direction of the light beam directed onto the sample surface, relative to the optical system, so that the surface is scanned in a grid pattern.
  • an X- / Y-adjustment can be used in a conventional manner.
  • a controllable deflection device for deflecting the light beam directed onto the sample surface can be used, in order in this way to scan the surface in a grid pattern.
  • Suitable deflection devices operating, for example, with movable mirrors are known in the art. So that the extremely high measured data rate and the associated signals can be evaluated correspondingly quickly, a detection device of the type described above is preferably used, which electronically analyzes the sensor signal, wherein the detection device has an extreme value memory, the time-varying signal until reaching an extremum the signal follows, in each case a peak indicator signal is generated when reaching the extremum, based on which Time of the extremum and on the basis of which, in turn, the instantaneous focus position of the optical system associated with the signal maximum is detected.
  • the mode of operation of the detection device in determining the signal maximum is described in the patent application DE 10 201 6 100 261, to which reference is made in its entirety.
  • the achievable high measuring rate opens up new fields of application for confocal measuring technology.
  • surface inspection is enabled in manufacturing processes where the sample is moved at a high feed rate (e.g., sheet rolling, film drawing).
  • the thickness of thin, transparent samples or transparent coatings can also be controlled with the fast implementation according to the invention, provided that the foil / layer top and bottom sides are within the measurement range of the sensor.
  • the light reflected at the sample becomes maximum at two different focus positions. From the spatial distance of the focus positions can be concluded on the layer thickness.
  • the list of applications is not complete by nature.
  • Figure 1 is a schematic representation of a sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a sensor arrangement according to the invention in fiber-based design.
  • a confocal sensor is shown and generally designated by the reference numeral 1.
  • the essential components of this confocal sensor 1 are on the one hand a light source, preferably a suitable laser, which is provided with the reference numeral 2.
  • the laser 2 transmits its light through a confocal filter (pinhole) 3 via a beam splitter 4, which in the present example is a semitransparent mirror, onto an optical system 5 consisting of an objective 6 and a TAG lens 7.
  • the TAG lens is supplied with an electrical signal f (t), which is generated by a function generator 18.
  • the light is reflected back from the surface, passed through the optical system 5, the semitransparent mirror 4 through another pinhole 9 to a photosensor 10 which may be a single photodiode, its measured signal I (t) by means of detection means 1 1 is recorded and evaluated over time. The result is the intensity distribution as shown at 1 1.
  • FIG. 2 shows a fiber-based variant 12 of the sensor arrangement according to the invention. Corresponding components are designated by the same reference numerals as in FIG. 1.
  • the light source 2 is at its output connected via an optical fiber 13 to a fiber coupler 14. This is in turn coupled via a further fiber section 15 to a measuring head 16 comprising an adaptive optics in the form of a TAG lens 7 and an objective 6.
  • the fiber coupler 14 couples via another fiber section 17 to the photosensor 10, which thus receives the light reflected at the sample 8. Not shown is the required extraction and coupling optics for coupling out the light from the fiber section 15 or in the fiber section 15th

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Vermessung von technischen Oberflächen mit Hilfe eines konfokalen Sensors, wobei Licht einer Lichtquelle (2) über ein optisches System (5, 16) auf die zu vermessende Oberfläche (8) einer Probe gerichtet wird. Erfindungsgemäß umfasst das optische System (5, 16) eine elektrisch angesteuerte adaptive Optik (7), wobei der Fokus des optischen Systems (5, 16) durch ein elektrisches Signal (f (t)) in Z-Richtung variiert wird. Das von der Probenoberfläche (8) zurückreflektierte Licht wird auf mindestens einen Fotosensor (10) gelenkt, wobei das Sensorsignal mittels einer Detektionseinrichtung (11) über die Zeit gemessen und der Zeitpunkt eines Signalmaximums bestimmt wird. Die Detektionseinrichtung (11) leitet aus dem elektrischen Signal zum Zeitpunkt des Signalmaximums die Höhe Z der Oberfläche (8) ab.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Oberflächenmessuna mit Hilfe eines konfokalen Sensors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Vermessung von technischen Oberflächen mit Hilfe eines konfokalen Sensors, wobei Licht wenigstens einer Lichtquelle über ein optisches System auf die zu vermessende Oberfläche einer Probe gerichtet wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen konfokalen Sensor zur Durchführung des Verfahrens, mit mindestens einer Lichtquelle, deren Licht über ein optisches System auf die zu vermessende Oberfläche einer Probe gerichtet wird.
Bei der konfokalen Messtechnik wird Licht einer Lichtquelle in der Regel über ein Konfokalfilter, einen Strahlteiler und eine Optik auf die zu vermessende Oberfläche fokussiert. Dabei wird im Stand der Technik entweder der Messtisch, auf dem die Probe liegt, oder aber die Optik in Z-Richtung auf und ab bewegt und genau der Augenblick ausgewertet, in dem der Fokus auf die zu vermessende Oberfläche trifft. Dieses Licht wird über ein Konfokalfilter (z.B. eine Lochblende) auf einen entsprechenden Sensor geleitet. Der Sensor zeigt ein maximales Signal, wenn sich die Oberfläche genau im Fokus befindet. Dadurch kann die genaue Z-Höhe der Oberfläche bestimmt werden.
Durch die Trägheit der zu bewegenden Massen ist diese Art des Verfahrens nicht geeignet, höhere Messraten zu liefern. Daher sind im weiteren Verlauf der Entwicklung die Scan-Methoden zwar weiter entwickelt worden, die Tatsache, dass immer noch mechanische Komponenten eine Rolle spielen, setzen auch diesen Verfahren Grenzen.
Eine Methode, bei der auf derartige mechanische Elemente verzichtet werden kann, ist der Einsatz eines chromatisch konfokalen Sensors. Das breitbandige Spektrum einer Lichtquelle (beispielsweise weißes Licht) wird über ein optisches System mit definierter Dispersion auf die Probenoberfläche geleitet. Aufgrund der Dispersion entsteht eine chromatische Längsaberration, wodurch jeder „Lichtfarbe" eine definierte Z-Position auf der Probenoberfläche zugeordnet und somit die Topographie der Probe ermittelt werden kann. Ein mechanisches Scannen in Z-Richtung ist also nicht mehr erforderlich.
Die Ermittlung der korrekten Z-Position der Probenoberfläche, d.h. der Topographie erfolgt bei chromatisch konfokalen Sensoren klassisch über ein Spektrometer. Das von der Probe reflektierte Licht wird spektral analysiert, wobei die dominante Wellenlänge der Z-Position der Probe entspricht. Die verwendeten Spektrometerzeilen können mit Datenraten von mehreren kHz ausgelesen werden. Dadurch lassen sich schnelle chromatisch konfokale Sensoren realisieren. Die Auslesegeschwindigkeit der Spektrometerzeilen hat im Bereich einiger kHz aber ihre Grenzen und kann nicht ohne Weiteres weiter erhöht werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass hohe Messraten möglich werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch, dass das optische System eine elektrisch angesteuerte adaptive Optik umfasst, wobei der Fokus des optischen Systems durch ein elektrisches Signal in Z-Richtung variiert wird und das von der Probenoberfläche zurückreflektierte Licht auf mindestens einen Fotosensor gelenkt wird, wobei das Sensorsignal über die Zeit gemessen und Zeitpunkt und Intensität eines Signalmaximums bestimmt und ausgewertet werden, wobei aus dem elektrischen Signal zum Zeitpunkt des Signalmaximums die Höhe Z der Oberfläche abgeleitet wird. Als adaptive Optik eignet sich erfindungsgemäß besonders eine akusto-optische Linse, nämlich eine abstimmbare akustische Gradientenindex (TAG) Linse (siehe A. Mermillod-Blondin, E. McLeod, and C. B. Arnold, "High-speed varifocal imaging with a Tunable Acoustic Gradient index of refraction lens", Opt. Lett. 33, Band 18, Seiten 2146 bis 2148, 2008). Eine solche TAG-Linse besteht aus einem flüssigkeitsgefüllten, zylindrischen Hohlraum, der radial mit akustischer Energie angeregt wird. Dies hat eine periodische Modulation in der Flüssigkeit zur Folge, entsprechend variiert der Brechungsindex und die Linse variiert kontinuierlich zyklisch ihre Brennweite, und zwar mit einer Frequenz im kHz- bis MHz-Bereich. Die Realisierbarkeit eines optischen Systems mit schnell variierbarer Fokusposition entlang der optischen Achse wurde in dem oben zitierten Stand der Technik gezeigt.
Diese Art Hochgeschwindigkeitsfokussierung mittels adaptiver Optik wurde bisher jedoch nicht verwendet, um Topologien von technischen Oberflächen mit Hilfe eines konfokalen Sensors schnell zu vermessen.
Erfindungsgemäß kann eine TAG-Linse in dem optischen System des konfokalen Sensors verwendet werden, die aus einem zylindrischen piezoelektrischen Körper als Kavität besteht, der mit Flüssigkeit gefüllt ist. Der piezoelektrische Körper wird mit dem elektrischen Signal beaufschlagt, woraufhin die Position des Fokus des optischen Systems in Z-Richtung variiert wird. Das elektrische Signal kann hierzu von einem Funktionsgenerator an sich bekannter Art erzeugt werden.
Allgemein eignet sich erfindungsgemäß eine adaptive Optik, die wenigstens ein Modulationselement umfasst, das zur Variation des Fokus unter Ausnutzung des akusto-optischen Effekts das elektrische Signal in eine Variation des Brechungsindex eines von dem Licht durchstrahlten Materials des Modulationselementes umsetzt. Dieses Modulationselement kann eine TAG- Linse der zuvor beschriebenen Art sein.
Durch die Verwendung der beschriebenen adaptiven Optik findet zwischen dem optischen System und der Probenoberfläche ein rein optisches„Scannen" in Z- Richtung statt. Das auf die Probenoberfläche fallende Licht wird über den Z- Bereich durchfokussiert und zurückreflektiert und fällt im einfachsten Fall auf eine schnelle Fotodiode als Fotosensor, mit der das Signalmaximum ermittelt wird, wobei die adaptive Optik hinsichtlich der Zeitabhängigkeit der Fokusposition in Z- Richtung mit einer verwendeten elektronischen Detektionseinrichtung synchronisiert ist, derart, dass aus dem zeitlichen Verlauf des elektrischen Signals, das die adaptive Optik ansteuert, die Fokusposition im Signalmaximum bestimmt wird und damit auf die Höhe Z der Probe geschlossen werden kann.
Das elektrische Signal kann eine Wechselspannung hoher Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise 10 kHz bis 1 MHz, besonders bevorzugt 50 kHz bis 200 kHz sein, mit der die akusto-optische Linse beaufschlagt wird. Entsprechend schnell wird die Fokusposition in Z-Richtung periodisch zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert variiert. Die Messzeit pro Punkt der Probenoberfläche beträgt damit weniger als eine Mikrosekunde.
Der Fotosensor kann als Punktsensor ausgebildet sein. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass das Licht der Lichtquelle in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgespalten und als Detektor ein vielkanaliger Sensor, z.B. ein (zeilen- oder matrixförmiges) Array von Fotodioden, verwendet wird.
Ebenso kann eine Vielzahl von Lichtquellen verwendet werden, wobei die zurückreflektierten Einzelstrahlen der Lichtquellen mittels eines entsprechenden vielkanaligen Fotosensors parallel detektiert werden. Durch diese Art der Parallelisierung kann die Erfassung der Probentopographie weiter beschleunigt werden, in dem die Einzelstrahlen mehrere voneinander beabstandete Punkte auf der Probenoberfläche gleichzeitig abtasten.
Bei hinreichender Apertur des Modulationselementes kann auch bei der Parallelmessung mit mehreren Teil- bzw. Einzelstrahlen ein einziges Modulationselement, z.B. eine einzige TAG-Linse, ausreichend sein. Alternativ kann jedem der Teilstrahlen bzw. Einzelstrahlen ein separates Modulationselement, z.B. in Form mehrerer nebeneinander angeordneter TAG-Linsen, zugeordnet sein. Bei einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die zur Analyse des zeitlich veränderlichen Signals des Fotosensors verwendete Detektionseinrichtung einen Extremwertwertspeicher auf, der dem zeitlich veränderlichen Signal jeweils bis zum Erreichen eines Extremums des Signals folgt, wobei bei Erreichen des Extremums jeweils ein Spitzenindikatorsignal generiert wird, anhand dessen der Zeitpunkt des Extremums und anhand dessen wiederum die dem Signalmaximum zugeordnete Fokusposition in Z-Richtung festgestellt wird. Weist der zeitliche Verlauf des Signals mehrere (lokale) Extrema auf, so ist das (absolute) Signalmaximum dem während eines Variationszyklus der Fokusposition zuletzt erzeugten Spitzenindikatorsignal zuzuordnen. Auch die Detektion mehrerer (lokaler) Signalmaxima ist mit diesem Verfahren möglich, z.B. um die Schichtdickenverteilung einer Beschichtung an der Probenoberfläche mit der erfindungsgemäßen Methode zu ermitteln.
Die obige Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem konfokalen Sensor der eingangs angegebenen Art dadurch, dass das optische System eine elektrisch angesteuerte adaptive Optik umfasst, wobei der Fokus des optischen Systems durch ein elektrisches Signal eines Funktionsgenerators in Z-Richtung variiert wird und das von der Probenoberfläche zurückreflektierte Licht auf mindestens einen Fotosensor gelenkt wird, wobei das Sensorsignal mittels einer Detektionseinrichtung über die Zeit gemessen und der Zeitpunkt eines Signalmaximums bestimmt wird, wobei die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, aus dem elektrischen Signal zum Zeitpunkt des Signalmaximums die Höhe Z der Oberfläche abzuleiten.
Das Licht der Lichtquelle wird nach Durchlaufen eines Konfokalfilters (Lochblende/ inhole"), beispielsweise über einen halbdurchlässigen Spiegel oder einen Strahlteilerwürfel auf das optische System gerichtet. Das zurückreflektierte Licht durch das optische System gelangt durch den halbdurchlässigen Spiegel auf den Fotosensor, wobei durch einen dem Sensor vorgeschalteten weiteren Konfokalfilter nur das zur Messung wesentliche Licht durchgelassen wird. Mit einer solchen Anordnung wird das Licht auf dem Sensor dann maximal, wenn das Licht der Lichtquelle aufgrund der momentanen Fokusposition der adaptiven Optik auf die Oberfläche der Probe fokussiert wird. Bei einer zyklisch variierten Fokusposition zeigt das Sensorsignal eine typische Signalspitze (Konfokalpeak). Aus dem Zeitpunkt des Auftretens dieses Signalmaximums kann bei bekannter Fokusposition (die dem elektrischen Signal zu dem betreffenden Zeitpunkt zugeordnet ist) die Höhe der Probe an der jeweiligen Messposition bestimmt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Vorrichtung faseroptisch integriert auszuführen. Dabei sind die Lichtquelle, der Fotosensor und das optische System über optische Fasern aneinander angebunden.
Als besonders vorteilhaft für die Erfindung wird als Lichtquelle ein Laser eingesetzt. Grundsätzlich geeignet für das Verfahren ist aber auch jede andere Lichtquelle. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit sollte eine spektral möglichst schmalbandige Lichtquelle verwendet werden, um Messfehler aufgrund unvermeidlicher chromatischer Aberration des optischen Systems zu minimieren.
Beim Einsatz einer oben beschriebenen TAG-Linse sind extrem hohe Messraten möglich. Es werden ggf. mehr als 100.000 (3D) Messpunkte pro Sekunde und pro Messkanal erreicht. Während der Vermessung der Topographie wird die zu untersuchende Probe relativ zum Konfokalsensor in X-/Y-Richtung, d.h. quer zur Richtung des auf die Probenoberfläche gerichteten Lichtstrahls, relativ zum optischen System bewegt, so dass dabei die Oberfläche rasterförmig abgetastet wird. Für die Bewegung kann eine X-/Y-Verstellvorrichtung an sich bekannter Art verwendet werden. Ebenso kann eine ansteuerbare Ablenkvorrichtung zur Ablenkung des auf die Probenoberfläche gerichteten Lichtstrahls verwendet werden, um auf diese Weise die Oberfläche rasterförmig abzutasten. Geeignete Ablenkvorrichtungen, die zum Beispiel mit beweglichen Spiegeln arbeiten, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Damit die extrem hohe Messdatenrate und die damit verbundenen Signale entsprechend schnell ausgewertet werden können, wird vorzugsweise eine Detektionseinrichtung der oben beschriebenen Art verwendet, die das Sensorsignal elektronisch analysiert, wobei die Detektionseinrichtung einen Extremwertwertspeicher aufweist, der dem zeitlich veränderlichen Signal jeweils bis zum Erreichen eines Extremums des Signals folgt, wobei bei Erreichen des Extremums jeweils ein Spitzenindikatorsignal generiert wird, anhand dessen der Zeitpunkt des Extremums und anhand dessen wiederum die dem Signalmaximum zugeordnete momentane Fokusposition des optischen Systems festgestellt wird. Die Funktionsweise der Detektionseinrichtung bei der Bestimmung des Signalmaximums ist in der Patentanmeldung DE 10 201 6 100 261 beschrieben, auf die vollumfänglich Bezug genommen wird.
Es können gleichzeitig mehrere Signalauswertungen parallel durchgeführt werden und die jeweiligen zeitlichen Signale mehrkanalig detektiert und die detektierten Maxima mehrkanalig ausgewertet werden.
Die erreichbare hohe Messrate erschließt der konfokalen Messtechnik neue Einsatzgebiete. So wird die Oberflächeninspektion bei Fertigungsprozessen ermöglicht, bei denen die Probe mit hoher Vorschubgeschwindigkeit bewegt wird (z.B. Walzen von Blechen, Ziehen von Folien).
Wie beim konventionellen Einsatz der Messtechnik kann auch mit der erfindungsgemäßen schnellen Ausführung die Dicke von dünnen, transparenten Proben oder transparenten Beschichtungen kontrolliert werden, sofern Folien- /Schichtober- und -Unterseite im Messbereich des Sensors liegen. In diesem Fall wird das an der Probe reflektierte Licht bei zwei verschiedenen Fokuspositionen maximal. Aus dem räumlichen Abstand der Fokuspositionen kann auf die Schichtdicke geschlossen werden. Die Aufzählung der Einsatzgebiete ist naturgemäß nicht vollständig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in faserbasierter Ausführung. In Fig. 1 ist ein konfokaler Sensor dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Die wesentlichen Bestandteile dieses konfokalen Sensors 1 sind zum einen eine Lichtquelle, vorzugsweise ein geeigneter Laser, der mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist. Der Laser 2 sendet sein Licht durch einen Konfokalfilter (Pinhole) 3 über einen Strahlteiler 4, der im vorliegenden Beispiel ein halbdurchlässiger Spiegel ist, auf ein optisches System 5, welches aus einem Objektiv 6 und einer TAG-Linse 7 besteht. Die TAG-Linse wird mit einem elektrischen Signal f(t), das von einem Funktionsgenerator 18 erzeugt wird, beaufschlagt. Dies bewirkt, dass in dem von dem Licht durchstrahlten Material der TAG-Linse 7 aufgrund des akusto-optischen Effekts der radiale Verlauf des Brechungsindex n entsprechend dem elektrischen Signal eine Funktion der Zeit ist. Das Licht wird folglich entsprechend dem Signal f(t) in Z- Richtung in verschiedenen Höhen fokussiert und auf eine angedeutete Probe 8 gerichtet. Die Fokusposition wird vorzugsweise zyklisch zwischen zmin und zmax verändert, so dass in schneller Abfolge der Fokus in Z-Richtung gescannt werden kann. Alternativ ist auch die direkte Fokussierung nur mittels der TAG-Linse 7 möglich, d.h. ohne das Objektiv 6.
Das Licht wird von der Oberfläche zurückreflektiert, durch das optische System 5, den halbdurchlässigen Spiegel 4 durch einen weiteren Konfokalfilter (Pinhole) 9 auf einen Fotosensor 10, der eine einzelne Fotodiode sein kann, geleitet, dessen gemessenes Signal l(t) mittels einer Detektionseinrichtung 1 1 über die Zeit erfasst und ausgewertet wird. Es ergibt sich die Intensitätsverteilung wie bei 1 1 dargestellt.
Anhand des elektrischen Signals f(t) wird mittels der Detektionseinrichtung 1 1 genau diejenige Fokusposition in Z-Richtung ermittelt, die zum Signalmaximum der Intensitätskurve gehört. Daraus ergibt sich die Höhe der Probenoberfläche. Zur Steigerung der Genauigkeit und zur Verbesserung der Linearität kann der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Signal f(t) und der Fokusposition zusätzlich kalibriert werden. Fig. 2 zeigt eine faserbasierte Variante 12 der erfindungsmäßen Sensoranordnung. Einander entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig. 1 . Die Lichtquelle 2 ist an ihrem Ausgang über eine optische Faser 13 mit einem Faserkoppler 14 verbunden. Dieser ist seinerseits über einen weiteren Faserabschnitt 15 an einen Messkopf 16 umfassend eine adaptive Optik in Form einer TAG-Linse 7 und ein Objektiv 6 gekoppelt. Der Faserkoppler 14 koppelt über einen weiteren Faserabschnitt 17 den Fotosensor 10 an, der so das an der Probe 8 reflektierte Licht empfängt. Nicht dargestellt ist die erforderliche Aus- und Einkoppeloptik zur Auskopplung des Lichts aus dem Faserabschnitt 15 bzw. in den Faserabschnitt 15.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur optischen Vermessung von technischen Oberflächen mit Hilfe eines konfokalen Sensors, wobei Licht wenigstens einer Lichtquelle über ein optisches System auf die zu vermessende Oberfläche einer Probe gerichtet wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das optische System eine elektrisch angesteuerte adaptive Optik umfasst, wobei der Fokus des optischen Systems durch ein elektrisches Signal in Z- Richtung variiert wird und das von der Probenoberfläche zurückreflektierte Licht auf mindestens einen Fotosensor gelenkt wird, wobei das Sensorsignal über die Zeit gemessen und Zeitpunkt und Intensität eines Signalmaximums bestimmt und ausgewertet werden, wobei aus dem elektrischen Signal zum Zeitpunkt des Signalmaximums die Höhe Z der Oberfläche abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Optik wenigstens ein Modulationselement umfasst, das zur Variation des Fokus unter Ausnutzung des akusto-optischen Effekts das elektrische Signal in eine Variation des Brechungsindex eines von dem Licht durchstrahlten Materials des Modulationselementes umsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Modulationselement eine akusto-optische Linse umfasst, wobei das elektrische Signal eine Wechselspannung hoher Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise 10 kHz bis 1 MHz, besonders bevorzugt 50 kHz bis 200 kHz ist, mit der die akusto-optische Linse beaufschlagt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die akusto-optische Linse eine TAG-Linse ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgespalten wird, wobei die zurückreflektierten Teilstrahlen mittels eines vielkanaligen Fotosensors parallel detektiert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Lichtquellen verwendet wird, wobei die zurückreflektierten Einzelstrahlen der Lichtquellen mittels eines vielkanaligen Fotosensors parallel detektiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Teilstrahlen bzw. Einzelstrahlen jeweils ein Modulationselement zugeordnet ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich veränderliche Signal des Fotosensors zur
Bestimmung des Signalmaximums mittels einer Detektionseinrichtung elektronisch analysiert wird, wobei die Detektionseinrichtung einen Extremwertwertspeicher aufweist, der dem zeitlich veränderlichen Signal jeweils bis zum Erreichen eines Extremums des Signals folgt, wobei bei Erreichen des Extremums jeweils ein Spitzenindikatorsignal generiert wird, anhand dessen der Zeitpunkt des Extremums und anhand dessen wiederum die dem Signalmaximum zugeordnete Fokusposition in Z-Richtung festgestellt wird.
9. Konfokaler Sensor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mindestens einer Lichtquelle (2), deren Licht über ein optisches System (5, 1 6) auf die zu vermessende Oberfläche einer Probe (8) gerichtet wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das optische System (5, 16) eine elektrisch angesteuerte adaptive Optik (7) umfasst, wobei der Fokus des optischen Systems (5, 16) durch ein elektrisches Signal (f (t)) eines Funktionsgenerators (18) in Z-Richtung variiert wird und das von der Probenoberfläche (8) zurückreflektierte Licht auf mindestens einen Fotosensor (10) gelenkt wird, wobei das Sensorsignal mittels einer Detektionseinrichtung (1 1 ) über die Zeit gemessen und der Zeitpunkt eines Signalmaximums bestimmt wird, wobei die Detektionseinrichtung (1 1 ) ausgelegt ist, aus dem elektrischen Signal zum Zeitpunkt des Signalmaximums die Höhe Z der Oberfläche (5) abzuleiten.
10. Konfokaler Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotosensor (10) eine Fotodiode ist.
1 1 . Konfokaler Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle (2) mittels eines Strahlteilers in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgespalten wird, wobei die zurückreflektierten Teilstrahlen mittels eines vielkanaligen Fotosensors (10) parallel detektiert werden.
12. Konfokaler Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Lichtquellen (2) vorgesehen ist, wobei die zurückreflektierten Einzelstrahlen der Lichtquellen (2) mittels eines vielkanaligen Fotosensors (10) parallel detektiert werden.
13. Konfokaler Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle (2) über einen Strahlteiler (4) auf das optische System (5, 16) gerichtet wird.
14. Konfokaler Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (4) ein halbdurchlässiger Spiegel oder ein Strahlteilerwürfel ist.
15. Konfokaler Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fotosensor (10) ein Konfokalfilter (9) vorgeschaltet und/oder der Lichtquelle (2) ein Konfokalfilter (3) nachgeschaltet ist.
16. Konfokaler Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2), der Fotosensor (10) und das optische System (1 6) per Faserkoppler (14) über optische Fasern (13, 15, 17) aneinander angebunden sind.
17. Konfokaler Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) ein Laser ist.
18. Konfokaler Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Optik (7) wenigstens ein Modulationselement umfasst, das zur Variation des Fokus unter Ausnutzung des akusto-optischen Effekts das elektrische Signal (f (t)) in eine Variation des Brechungsindex eines von dem Licht durchstrahlten Materials des Modulationselementes umsetzt.
19. Konfokaler Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationselement eine akusto-optische Linse umfasst, wobei das elektrische Signal des Funktionsgenerators (18) eine Wechselspannung hoher Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise 10 kHz bis 1 MHz, besonders bevorzugt 50 kHz bis 200 kHz ist.
20. Konfokaler Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die akusto-optische Linse eine TAG-Linse ist.
21 . Konfokaler Sensor nach Anspruch 1 1 oder 12 und einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Teilstrahlen bzw.
Einzelstrahlen ein Modulationselement zugeordnet ist.
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