EP4281727A1 - System und verfahren zur konfokal-chromatischen linienabstandsmessung - Google Patents

Abstract

Ein System zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung, mit einer Linienlichtquelle (2), einer Blende (3), einem konfokal-chromatischen, vorzugsweise rotationssymmetrischen, Messobjektiv (6) und einem Spektrometer (14), vorzugsweise einem 2D-Spektrometer, wobei der Beleuchtungsstrahlengang von der Lichtquelle (2) über die Blende (3) und einen ersten Bereich (5) des Messobjektivs (6) hin zu dem Messobjekt (9) verläuft und wobei der Abbildungsstrahlengang von dem Messobjekt (6) über einen zweiten Bereich (11) des Messobjektivs (6) zu dem Spektrometer (14) verläuft. Des Weiteren ist ein Verfahren zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung angegeben.

Description

SYSTEM UND VERFAHREN ZUR KONFOKAL-CHROMATISCHEN LINIENABSTANDSMESSUNG

Die Erfindung betrifft ein System zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung, mit einer Linienlichtquelle, einer Blende, einem konfokalchromatischen Messobjektiv und einem Spektrometer.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung.

Systeme und Verfahren zur konfokal-chromatischen Punktabstandsmessung sind bereits seit Jahren aus der Praxis bekannt. Diese zeichnen sich durch eine äußerst hohe Abstandsauflösung aus, wobei der Messpunktdurchmesser im Bereich weniger Mikrometer (3 bis 30 pm) liegt. Hierdurch sind im Scanverfahren besonders hohe laterale und distale Auflösungen möglich, die den Punkttriangulatoren aufgrund von bis zu 10-fach größeren Messfleckdurchmessern überlegen sind. Weitere Vorteile der konfokalchromatischen Abstandssensoren sind das geringere Speckling beziehungsweise deren geringerer Einfluss, als von Laserlichtquellen bekannt. Zudem ist eine bedeutend höhere Tiefenauflösung bei Dickenmessungen an dünnen Schichten möglich und die geringe Sensorgröße im Bereich des Messobjektes ermöglicht es, dass ein geringeres Kollisionspotential zwischen Sensor und Messobjekt besteht.

Des Weiteren sind bereits Systeme zur konfokalen Linienabstandsmessung vorbekannt. Diese lassen sich im Wesentlichen in zwei Ansätze einteilen. Zum einen ist dies der Ansatz, konzentrisch durch ein konfokal-chromatisches Objektiv hindurch eine Linie zu projizieren und zu messen und zum anderen das Prinzip einer konfokal-chromatischen Theta-Mikroskopie zu verwenden.

Der erste Ansatz hat hierbei grundsätzlich den Vorteil einer kompakten Bauweise und einer einfacheren Verwendbarkeit aufgrund eines kugelförmigen, nur gering eingeschränkten Arbeitsraumes um den Messbereich herum. Zudem ist ein Objektivwechsel für den Anwender möglich. Der zweite Ansatz besticht durch eine deutlich bessere Tiefenauflösung (z) sowie bessere laterale Auflösung (x), allerdings mit der Einschränkung eines komplexen und raumfüllenden Aufbaus sowie einer aufwendigen Justage bei der Sensorherstellung.

Während bei der eindimensionalen, konfokal-chromatischen Abstandsermittlung die chromatisch codierte Fokuspunkteschar auf der Objektivachse liegt, funktioniert dieses Prinzip bei der Projektion und Abbildung einer chromatisch codierten Linienschar, die in einer Ebene mit der Objektivachse liegt, nur mit starken Einschränkungen. Dies liegt daran, dass aufgrund der realen Ausdehnung von Beleuchtungs- und Betrachtungsfoki eng benachbarte Messorte immer ein Übersprechen (Crosstalk) in den benachbarten Kanal verursachen, da die entsprechenden Sende- und Empfangsstrahlenbündel sehr stark - vor allem in z- Richtung - überlappen.

In dem Dokument US 10 725 178 A1 wird daher keine kontinuierliche Linie projiziert und betrachtet, sondern werden stattdessen eine Kette einzelner Messpunkte mittels eines Faserarrays zur Projektion und Detektion verwendet wird. Einzelne Messpunkte liegen hier so weit auseinander, dass die Wirkung des Übersprechens einzelner Kanäle vernachlässigbar wird.

Mit der konfokal-chromatischen Theta-Mikroskopie bietet sich der Vorteil, dass mit einer wesentlich größeren effektiven Apertur die Schärfentiefe der Beleuchtungsund Betrachtungsfoki deutlich reduziert werden kann, ohne damit unverhältnismäßig viel Messbereich in z-Richtung zu verlieren. In der EP 2 901 102 ist dazu offenbart, dass eine konfokal-chromatische Beleuchtungsoptik eine multispektrale Linie zu einer spektral codierten Linienschar aufspannt, die unter dem Winkel Theta (0) zur optischen Achse des Objektives steht und die Messebene bildet. Eine zweite Optik steht unter dem negativen Winkel Theta (-0) zu der Messebene und bildet diese auf einen der Scheimpflugbedingung entsprechenden Flächendetektor ab. Um die die Messhöhe repräsentierende Farbcodierung auf dem Sensor auszuwerten, übernimmt ein Farbverlaufsfilter die Funktion einer Spektralblende. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung derart auszugestalten und weiterzubilden, dass bei geringem Platzbedarf und hoher Messgeschwindigkeit eine synchrone Messung entlang der gesamten Linien mit hoher Tiefenauflösung ermöglicht ist.

In Bezug auf das System wird die Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Damit ist ein System zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung angegeben, mit einer Linienlichtquelle, einer Blende, einem konfokalchromatischen, vorzugsweise rotationssymmetrischen, Messobjektiv und einem Spektrometer, vorzugsweise einem 2D-Spektrometer, wobei der Beleuchtungsstrahlengang von der Lichtquelle über die Blende und einen ersten Bereich des Messobjektivs hin zu dem Messobjekt verläuft und wobei der Abbildungsstrahlengang von dem Messobjekt über einen zweiten Bereich des Messobjektivs zu dem Spektrometer verläuft. Es wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „rotationssymmetrisch“ auch Ausführungsformen umfasst, bei welchen die Linse bzw. die Linsen einen eckigen Beschnitt aufweisen, jedoch im weitesten Sinne rotationssymmetrisch angeordnet bzw. ausgebildet sind.

In Bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe durch den nebengeordneten Anspruch 20 gelöst. Damit ist ein Verfahren zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung angegeben, vorzugsweise unter Nutzung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei Beleuchtungslicht von einer Linienlichtquelle über eine Blende und einen ersten Bereich eines konfokalchromatischen Messobjektivs als farbcodierte Beleuchtungsebene auf ein Messobjekt geleitet wird, wobei spektral codiertes Messlicht von dem Messobjekt über einen zweiten Bereich des Messobjektivs zu einem Spektrometer, vorzugsweise einem 2D-Spektrometer, geleitet wird, und wobei eine spektrometrische Analyse des Messlichts zur Abstandsbestimmung durchgeführt wird.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass die zugrundeliegende Aufgabe durch ein konfokal-chromatisches, hyperspektrales Linienabstandsmesssystem gelöst werden kann, das dem Prinzip zur Auflösungsverbesserung der konfokalen Theta-Mikroskopie folgt. Hierbei kann beispielsweise eine kontinuierliche Weißlicht-Linie auf ein Messobjekt projiziert werden, dessen Höhenkontur sich in einer farblichen Codierung des z-Abstandes zum Messobjektiv widerspiegelt. Auf Basis einer spektrometrischen, hyperspektralen Analyse dieser Messlinie kann so eine synchrone, örtlich kontinuierliche, hohe Abstandsauflösung entlang der gesamten Linie erfolgen. Eine entsprechende Analyse kann in einer dafür eingerichteten Auswerteeinheit erfolgen, bspw. in einem Computer.

In weiter erfindungsgemäßer Weise wird bei einem System mit einer Linienlichtquelle, einer Blende, einem konfokal-chromatischen Messobjektiv und einem Spektrometer, zur Beleuchtung der Messstelle mit einer spektral-codierten Linienschar ein erster Bereich des Messobjektivs, beispielsweise eine Messobjektivhälfte, genutzt und zur Abbildung des von dem Messobjekt reflektierten spektral-codierten Höhenprofils ein anderer, zweiter Bereich des Messobjektivs, beispielsweise die andere Messobjektivhälfte, genutzt. Somit sind Beleuchtungs- und Abbildungspfad voneinander getrennt und erfüllen hiermit den Ansatz der konfokal-chromatischen Theta-Mikroskopie in nur einem Messobjektiv. Des Weiteren dient das Messobjektiv sowohl als Beleuchtungsoptik als auch als Abbildungsoptik. Die Blende kann als separates Bauteil oder als Bestandteil der Linienlichtquelle ausgebildet sein. Des Weiteren kann es sich bei der Blende beispielsweise um eine Schlitzblende handeln.

Im Detail betrachtet kann die Linienlichtquelle zunächst auf der Eintrittsseite im Fokuspunkt des konfokal-chromatischen Messobjektivs liegen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Eintrittsblende des Spektrometers auf der Austrittsseite im Fokuspunkt des konfokal-chromatischen Messobjektivs liegen. Um nun das Messobjektiv in zwei Bereiche bzw. zwei Funktionshälften aufzuteilen, kann das Messobjektiv derart beblendet werden, beispielsweise über eine Richtungsblende, dass das Licht nicht symmetrisch verteilt in das Messobjektiv gelangt, sondern nur in den ersten Bereich des Messobjektivs. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme passiert das Messlicht nur eine Seite des Messobjektives und wird die multispektrale Linie von nur einer Seite des Messobjektivs kommend zu einer Kurvenschar aufgefächert, die als Ebene in der optischen Achse des Messobjektives liegen kann. Liegt nun ein Messobjekt in dieser Ebene, so entsteht ein Höhenprofil, dessen Abstand zum Messobjektiv sich durch die in diesem Abstand fokussierte Farbe widerspiegelt. Die auf dem Messobjekt entstehende chromatisch höhencodierte Profillinie wird hingegen durch den zweiten Bereich des Messobjektivs auf den Ort der Linienlichtquelle zurückgeworfen.

In weiter erfindungsgemäßer Weise wird durch den unterschiedlichen Verlauf von Beleuchtungsstrahlengang und Abbildungsstrahlengang der bei identischen optischen Pfaden auftretende Nachteil vermieden, dass es aufgrund der Überlappung von Sende- und Empfangsbündel zu einem seitlichen Übersprechen von nebeneinanderliegenden Messorten kommt. Somit wird signalverschlechternder „Crosstalk“ vermieden, ohne auf die ebenfalls nachteilige Lösung der Beleuchtungspunkteschar rückgreifen zu müssen, die ihrerseits zu lateralen Messlücken führt. Im Ergebnis ist durch die erfindungsgemäße Lehre eine schnelle zweidimensionale, kontinuierliche Linienmessung mit hoher Tiefenschärfe möglich. Ein weiterer Vorteil liegt in der spektrometrischen Auswertung des farbcodierten Höhenprofils. Da im Stand der Technik das Profil in einem Triangulationsverfahren mit spektraler Filterung auswertet wird, muss vor der Matrix ein Farbverlaufsfilter angeordnet sein, das den gleichen Wellenlängenverlauf hat, wie die die aufgespannte Ebene und somit die Funktion einer Farbverlaufsblende erfüllt. Hierdurch wird eine Art „Autofokussierung“ erreicht. Ungenauigkeiten in diesem Filter führen jedoch dazu, dass die durch das erste konfokal-chromatische Objektiv aufgespannte Fokalebene nicht exakt zur Detektionsebene passt und somit Genauigkeitsfehler entstehen. Diese Probleme treten bei der Nutzung eines Spektrometers nicht auf.

Da die Auswertung der Linie des Messlichtes durch ein Spektrometer, vorzugsweise durch ein 2D-Spektrometer, erfolgt, bei dem diese Linie auf einer Matrix spektral zerlegt abgebildet wird, wird das farbcodierte Höhenprofil erst nach der spektralen Zerlegung, beispielsweise durch einen CMOS-Flächendetektor, ausgewertet. Dabei können die sensorspezifischen, unempfindlichen Bereiche zwischen den einzelnen Pixeln beispielsweise durch Microlinsen-Arrays ausgeglichen werden. Somit bestimmt erst die Matrix im Spektrometer das Quantisierungsrauschen, da bis zur Matrix das Signal analog weitergeleitet wurde. Des Weiteren ist erkannt worden, dass die konzentrische Linsenanordnung des Messobjektivs den Vorteil bietet, dass dieses bedeutend einfacher hergestellt werden kann. Zudem hat ein derartiges Messobjektiv den Vorteil, dass der Formfaktor einen größeren Freiraum um das Objektiv herum ergibt. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, durch einen einfachen Messobjektivwechsel den Messbereich und damit auch die Auflösung des Messsystems zu variieren. Dies liegt darin begründet, dass das Messobjektiv sowohl aus einer multispektralen Linie eine Messebene aufspannt wie auch diese Ebene wieder zu einer farbcodierten Linie zusammenführt. Dabei bleiben der Ort der Abbildung und der Abbildungsmaßstab in Bezug zur Linienlichtquelle vom Messobjektiv unabhängig. Die Breite und Höhe der durch das Messobjektiv projizierten Messebene und damit die Auflösung ist somit vom übrigen Messsystem unabhängig. Des Weiteren baut das erfindungsgemäße System äußerst klein, da sowohl auf eine gekreuzte Messobjektivanordnung als auch auf eine Vielfaseranordnung verzichtet werden kann, wie sie bei bekannten Systemen notwendig sind. Auch wenn zum Erreichen der gleichen Tiefenauflösung die Messobjektivdurchmesser bei einer gekreuzten Messobjektivanordnung ggf. kleiner ausgebildet sein können, müssen diese für eine zum erfindungsgemäßen System vergleichbare Verkippungscharakteristik ähnliche Messobjektivdurchmesser aufweisen, wie dieses. Die Verkippungscharakteristik meint hier, unter welchem Winkel die Flächennormale des Messobjektes zum Messsystemachse stehen darf, damit das Messlicht ein noch hinreichend gutes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Dieses Qualitätskriterium ist für die Vermessung gewölbter Oberflächen entscheidend.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können das Messobjektiv und eine Eintrittsblende des Spektrometers und ggf. weitere Teile des Systems (Konversionsoptik) auf einer gemeinsamen virtuellen (gedachten) optischen Achse liegen.

Vorteilhafterweise kann das Messobjektiv genau eine einzige Linse aufweisen. Dabei kann es sich um eine feldkorrigierte Linse handeln, beispielsweise um eine gepresste doppelsphärische Linse bzw. um eine doppel-asphärische Linse. Alternativ ist es denkbar, dass das Messobjektiv mindestens zwei optische Linsen aufweisen. Die Linsen können dabei konzentrisch zueinander angeordnet sein. Somit ist eine besonders einfache Konstruktion des Messobjektivs realisiert, die sich durch einen geringen Bauraum auszeichnet.

In vorteilhafter Weise kann ein einziges konfokal-chromatische Messobjektiv angeordnet sein. Die Verwendung von nur einem einzigen Messobjektiv, dessen Messebene zugleich auch in der optischen Achse dessen liegt, hat gegenüber einem System mit mehreren Messobjektiven den Vorteil, dass der Freiraum um die Messstelle herum wesentlich größer und zugleich kugelförmig ist. Somit ist das System flexibler bei automatisierten Messungen einsetzbar. Zudem kann mit diesem Prinzip das Messobjektiv auch in Löcher getaucht werden, wodurch diesem System deutlich mehr Anwendungsgebiete offenstehen, als beispielsweise einem System mit mehreren Messobjektiven. Weiterhin hat eine Konstruktion mit nur einem einzigen Messobjektiv den Vorteil, dass thermische Auswirkungen sich zugleich im Beleuchtungs-, wie im Messlicht wiederfinden. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus sind so thermische Effekte auf das Messsystem homogener und damit korrigierbarer, als bei Anordnungen mit mehreren Messobjektiven. Bei diesen können Beleuchtungs- und Messebene deutlich stärker auseinanderdriften und sind somit störanfälliger für thermische Veränderungen. Ein weiterer Vorteil der Nutzung eines einzigen Messobjektivs gegenüber der Anordnung mehrerer Messobjektive ist die Irrelevanz von Brennweitentoleranzen. Fertigungstoleranzen der Messobjektive oder in der Justage führen bei Nutzung von zwei Messobjektive direkt zu Qualitätsverlusten, da dann die durch das erste Messobjektiv aufgespannte Beleuchtungsebene mit der durch das zweite Messobjektiv eingefangenen Messebene nicht genau übereinanderliegt. Auch ist es problematisch, die spektralen Fokuslagen über den gesamten Abstandsbereich zusammenzuhalten.

Gegenüber einem System mit zwei separaten Messobjektiven, die zueinander gekreuzt stehen und eine endliche Annäherbarkeit aufweisen, kann bei der Nutzung eines einzigen Messobjektivs eine besonders hohe laterale Auflösung bei großer Lichtstärke durch sehr kleine Messbereiche erreicht werden. In weiter vorteilhafter Weise kann die optische Achse des Messobjektivs mit der Abstandsachse des Systems übereinstimmen. Dies hat den Vorteil, dass das System einen geringen Bauraum benötigt und die Messebene sich in einer für den Anwender offensichtlichen Lage befindet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Linienlichtquelle eine kontinuierliche Weißlichtlinie emittieren. Durch die erfindungsgemäße getrennte Anordnung von Beleuchtungs- und Abbildungspfad ist es ermöglicht, einen kontinuierlichen Linienstrahler einzusetzen. Bei einem identischen optischen Lichtpfad ist dies aufgrund der bereits erwähnten Überlappung der Sende- und Empfangsstrahlenbündel nicht möglich. Durch die Nutzung einer kontinuierlichen Weißlichtlinie können eine hohe laterale Auflösung und Tiefenauflösung erreicht werden.

In besonders vorteilhafter Weise kann die Linienlichtquelle als Beleuchtungslicht zwei oder mehrere, vorzugsweise kontinuierliche, Beleuchtungslinien abstrahlen. Alternativ oder zusätzlich können zwei oder mehrere Linienlichtquellen angeordnet sein, die jeweils als Beleuchtungslicht mindestens eine, vorzugsweise kontinuierliche, Beleuchtungslinie abstrahlen. Bei dieser Ausgestaltung werden somit zwei oder mehrere, vorzugsweise zu einander parallele Linien projiziert und ausgewertet. Das Beleuchtungslicht für die verschiedenen Beleuchtungslinien kann in einer Ausgestaltung von einer gemeinsamen Lichtquelle stammen und zugleich durch mehrere Blenden austreten, oder aus separaten, einzeln ansteuerbaren Lichtquellen oder aus einer gemeinsamen Lichtquelle mit mehreren Blenden stammen, die einzeln abgeschattet werden können. Die Blenden der Lichtquellen liegen vorzugsweise in der Umgebung der virtuellen optischen Achse, wobei die Umgebung - falls notwendig - beispielsweise mit dem Abstand einer halben Profillänge von der virtuellen optischen Achse definiert werden könnte. Wie in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben, kann ein einziges Spektrometer angeordnet sein, vorzugsweise ein 2D-Spektrometer, beispielsweise ein Dyson-Spektrometer. Die Eintrittsblende des Spektrometers kann dabei genauso viele Eintrittsblenden vorweisen, wie Beleuchtungslinien vorgesehen sind. Die Position der Eintrittsblenden und deren Abstände können denen der Lichtquelle(n) entsprechen, wobei die gegebenenfalls durch die Konverteroptik hervorgerufene Skalierung zu berücksichtigen ist.

In vorteilhafter Weise kann die Linienlichtquelle auf der Eintrittsseite im Fokuspunkt des Messobjektivs angeordnet sein, so dass ein einfacher Strahlengang realisiert ist und die präzise Erfassung von Messwerten ermöglicht wird.

In weiter vorteilhafter Weise kann ein Umlenkelement in dem Beleuchtungsstrahlengang und/oder in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet sein. Somit kann durch das Umlenkelement das Beleuchtungslicht und/oder das Messlicht umgelenkt werden, da bei der erfindungsgemäßen Lehre Linearlichtquelle und Abbildung an derselben räumlichen Position liegen. Das Umlenkelement kann grundsätzlich im Beleuchtungs- oder im Abbildungspfad liegen. Im Konkreten ist es denkbar, dass ein Umlenkelement im Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Blende und dem Messobjektiv angeordnet ist und/oder dass ein Umlenkelement im Abbildungsstrahlengang zwischen dem Messobjektiv und dem Spektrometer angeordnet ist. Eine besonders kompakte Konstruktion kann erreicht werden, indem sowohl im Beleuchtungsstrahlengang als auch im Abbildungsstrahlengang ein Umlenkelement angeordnet ist. Weiterhin ist es denkbar, dass das Umlenkelement als Richtungsblende dient und das Beleuchtungslicht derart beblendet, dass das Beleuchtungslicht lediglich in dem ersten Bereich das Messobjektiv trifft. Die Richtungsblende kann auch als von dem Umlenkelement separat ausgebildetes Bauteil verwirklicht sein. Wesentlich ist, dass die eine Beblendung im Strahlengang die Raumwinkelbereiche, in die abgestrahlt wird, definiert und somit auch die Zone, welche von der chromatischen Optik beleuchtet wird.

In besonders vorteilhafter Weise kann das Umlenkelement als Spiegel oder als Strahlteiler ausgebildet sein. Dabei weist ein Spiegel den Vorteil auf, dass dieser lediglich zu Leistungsverlusten im Bereich von 0% bis 3% führt. Auch die Nutzung eines Strahlteilers ist denkbar, wenngleich dieser zu Leistungsverlusten von mindestens 75% führt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Konverteroptik angeordnet sein. Da zum Erreichen einer hinreichenden Lichtmenge die Ausdehnung des Linienstrahlers verhältnismäßig groß sein kann und zugleich eine technisch wie wirtschaftlich performante Flächenkamera wesentlich kleiner dimensioniert ist, kann dieses Missverhältnis durch eine Konverteroptik ausgeglichen werden. Diese passt im Prinzip die Länge der Blende bzw. des Beleuchtungsspaltes an die Länge der Eintrittsblende des Spektrometers an. Die Position der Konverteroptik kann in vorteilhafter Weise zwischen Messobjektiv und Spektrometer liegen, da hier der größte Nutzen bei geringstem Aufwand liegt. Eine weitere mögliche Position für die Konverteroptik ist zwischen Lichtquelle und Messobjektiv, so dass die Beleuchtung bereits verkleinert in das Objektiv fällt. Mit anderen Worten ist die Konverteroptik ein Adapter zur Anpassung technisch verfügbarer Bauelemente für die Linearlichtquelle und das Spektrometer.

In vorteilhafter Weise kann die Konverteroptik mindestens eine optische Linse aufweisen, wobei die mindestens eine optische Linse in einem optischen Grundmodell konzentrisch zu dem Messobjektiv angeordnet ist bzw. auf einer gemeinsamen virtuellen (gedachten) optischen Achse mit dem Messobjektiv und ggf. weiteren Komponenten (Blende, Eintrittsspalt des Spektrometers) liegt. Die konzentrische Anordnung erlaubt ein optimiertes optisches Design für alle Feldpunkte, ohne einen mehr oder weniger ideal kollimierten Strahlenabschnitt zu erfordern.

Des Weiteren ist es denkbar, dass das Spektrometer bzw. das 2D-Spektrometer ein Dyson-Spektrometer ist. Für eine hohe Messrate ist zwingend erforderlich, dem Detektorelement genügend Photonen anzubieten. Geht man die Signalkette von hinten nach vorne durch, muss der Detektor eine hohe Quanteneffizienz aufweisen. Die Wahl eines Dyson-Spektrometers zur Analyse des reflektierten Messlichts hat zusätzlich den Vorteil, dass der auswertende Flächendetektor nahezu senkrecht bestrahlt wird und nicht unter einem hohen Winkel, wie es beim Triangulationsverfahren aufgrund der Scheimpflugbedingungen notwendig ist. Somit wird die höchstmögliche Quanteneffizienz dieses wesentlichen Bauelements ausgeschöpft, mit positiven Effekten für die gesamte Signalverarbeitung. Ein Dyson-Spektrometer erlaubt eine große Eintritts-NA (Numerische Apertur), welche über die Abbildungsmaßstäbe mit der Beobachtungs-NA auf dem Messobjekt verknüpft ist. Diese sollte für große Verkippungswinkel auf dem Messobjekt möglichst groß sein. Im Konkreten kann das Spektrometer eine, insbesondere spaltförmige, Eintrittsblende, eine optische Linse, insbesondere eine Dyson-Linse, ein insbesondere konkaves, Liniengitter und einen Flächendetektor aufweisen. Eine solche Konstruktion zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Messgenauigkeit aus.

In weiter vorteilhafter Weise kann das Liniengitter mit eine Blazestruktur versehen sein und/oder äquidistante, parallele Strukturen aufweisen. Eine Blazestruktur hat den Vorteil, dass eine verbesserte Effizienz in der benutzten Beugungsordnung erzielt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Eintrittsblende eine Breite von kleiner oder gleich 20 pm, vorzugsweise kleiner oder gleich 10 pm aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass ein ideales spektrales Auflösungsvermögen in Bezug zur Pixelauflösung des Flächendetektors erzielt wird.

In besonders vorteilhafter Weise können der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang zwischen dem Messobjektiv und dem Messobjekt jeweils unter einem Winkel im Bereich von 30° bis 160°, insbesondere von 60° bis 120°, vorzugsweise von 85° bis 95°, idealer Weise von 90°, zueinander verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass eine größtmögliche Ortsauflösung erreicht wird. Durch das seitliche Aufspannen der Messebene kann eine deutlich höhere Tiefenauflösung erreicht werden, als mit einer konzentrischen Objektbeleuchtung, bei der Beleuchtungs- und Abbildungspfad nicht getrennt voneinander verlaufen. Der Grund hierfür ist die deutlich größere, effektive numerische Apertur (NA). Ebenso ist auch die Tiefenauflösung, sprich die Unterscheidung von zwei dicht beieinanderliegenden Punkten oder Ebenen in z-Richtung, erkennbar verbessert. Ein Winkel zwischen Mess- und Abbildungsstrahlengang von 90° führt zu einer idealen Abbildung, wobei durch einen geringeren Winkel Abschattungseffekte an Stufen reduziert werden können.

Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die zuvor erörterten Merkmale zu dem erfindungsgemäßen System auch eine verfahrensmäßige Ausprägung haben können. Eine Kombination dieser Merkmale mit den den Verfahrensanspruch betreffenden Merkmalen ist nicht nur möglich, sondern von Vorteil.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems, wodurch sich auch das erfindungsgemäße Verfahren erörtern lässt,

Fig. 2 in einer schematischen, dimetrischen Ansicht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ,

Fig. 3 in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems, wodurch sich auch das erfindungsgemäße Verfahren erörtern lässt,

Fig. 4 in einer schematischen Ansicht das der erfindungsgemäßen Lehre zugrundeliegende theoretische Strahlenmodell,

Fig. 5 in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems, wodurch sich auch das erfindungsgemäße Verfahren erörtern lässt,

Fig. 6 für drei verschiedene Messebenen ist die Zeilenposition m über dem Messabstand z aufgetragen,

Fig. 7 ein Beispiel des von einem Flächendetektor abgebildeten Profils eines Targets, welches in der Messebenen aufgezeichnet wird, und Fig. 8 eine beispielhafte Abbildung von drei Spektralbereichen wobei die Zeilen m des Flächendetektors über den Spalten n des Flächendetektors aufgetragen sind.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung. Bei diesem wird Beleuchtungslicht 1 , vorzugsweise Weißlicht, von einer Linienlichtquelle 2 mit einer Blende 3, beispielsweise einer Schlitzblende, emittiert. Das Beleuchtungslicht 1 wird von einem Umlenkelement 4 auf einen ersten Bereich 5 eines konfokal-chromatischen Messobjektivs 6 gelenkt. Das Messobjektiv 6 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei optische Linsen 7, 8 auf, die zueinander konzentrisch angeordnet sind. Von dem Messobjektiv 6 fällt das Beleuchtungslicht 1 auf das Messobjekt 9. Somit wird deutlich, dass der durch das Beleuchtungslicht 1 definierte Beleuchtungsstrahlengang ausschließlich durch den ersten Bereich 5 des Messobjektivs 6 verläuft.

Das von dem Messobjekt 9 reflektierte Messlicht 10, das das spektral-codierte Höhenprofils trägt, durchläuft ausschließlich einen zweiten Bereich 11 des Messobjektivs 6. Eine Konverteroptik 12 dient zur Verkleinerung der Länge des Messlichts 10 auf die Länge der Eintrittsblende 13 des Spektrometers 14. Auf Basis einer spektrometrischen, hyperspektralen Analyse dieser Messlinie erfolgt eine Abstandsmessung. Der durch das Messlicht 10 definierte Abbildungsstrahlengang verläuft bei der erfindungsgemäßen Lehre somit getrennt von dem Beleuchtungsstrahlengang. Das Umlenkelement 4 dient dabei gleichzeitig als Richtungsblende 18 und gewährleistet, dass lediglich der erste Bereich 5 des Messobjektivs 6 beleuchtet wird und kein Streulicht auf den zweiten Bereich 11 einwirkt.

Des Weiteren ist in Fig. 2 die Messebene 28 dargestellt, in der die Fokuspunkte für die verschiedenen Wellenlängen 29, 30, 31 des Messlichts 10 liegen.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung. Dieses weist eine Linienlichtquelle 2 und eine Blende 3 auf, welche zu Erzeugung eines Lichtbandes in x-Richtung dient. Die halbe Apertur des Beleuchtungslichtes 1 wird über ein als Spiegel ausgebildetes Umlenkelement 4 ausschließlich auf einen ersten Bereich 5 eines konfokal-chromatischen Messobjektivs 6 gelenkt und fällt sodann auf das Messobjekt 9. Das Messobjektiv 9 weist zwei konzentrisch angeordnete, asphärische Linsen 15, 16 auf und dient sowohl als Beleuchtungsoptik als auch als Abbildungsoptik. Dabei muss es sich jedoch nicht zwangsweise um asphärische Linsen handeln, sondern können auch andere zweckdienliche Linsentypen angeordnet sein.

Das von dem Messobjekt 9 reflektierte Messlicht 10 durchläuft ausschließlich den zweiten Bereich 11 des Messobjektivs 9 und wird von dem ebenfalls als Spiegel ausgebildeten weiteren Umlenkelement 17 der Konverteroptik 12 zugeführt. Die Konverteroptik 12 weist zwei optische Linsen 19, 20 auf und sorgt im Vergleich zu der Blende 3 für eine größenangepasste Rückabbildung auf die spaltförmigen Eintrittsblende 13 des Spektrometers 14. Das Spektrometer 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel als 2D-Dyson-Spektrometer ausgebildet und weist neben der Eintrittsblende 13 eine Dyson-Linse 23, sowie ein konkaves Liniengitter 24 auf. Es wird darauf hingewiesen, dass das Spektrometer 14 auch einen anderen Aufbau als den gezeigten aufweisen kann. Somit sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang voneinander getrennt, wobei lediglich ein einziges Messobjektiv 6 vorgesehen ist. Des Weiteren ist zu erkennen, dass bei diesem Ausführungsbeispiel, ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 die optische Achse 26 des Messobjektivs 6 mit der Abstandsachse 27 übereinstimmt. Des Weiteren zeigen die Figuren 1 bis 3 deutlich, dass die Blende 3, das Messobjektiv 6, die Konverteroptik 12 sowie die Eintrittsblende 13 auf einer gemeinsamen virtuellen (gedachten) optischen Achse 26a liegen.

Die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen jeweils ein Messobjektiv 6 mit zwei Linsen 15, 16. Dies ist jedoch nicht zwangsweise notwendig. Das Messobjektiv 6 könnte auch lediglich eine einzige Linse oder mehr als zwei Linsen aufweisen. Figur 4 zeigt in einer schematischen Ansicht das der erfindungsgemäßen Lehre zugrundeliegende theoretische Strahlenmodell. Daraus ist deutlich zu erkennen, dass die Linienlichtquelle 2 und die Eintrittsblende 13 des Spektrometers 14 an der exakt gleichen räumlichen Position sowie auf der gemeinsamen virtuellen optischen Achse 26a liegen.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems, das im Wesentlichen dem System gemäß Fig. 1 entspricht. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass drei einzelne Lichtquellen (2, 2a, 2b) mit jeweiliger Blende (3, 3a, 3b) angeordnet sind. Die Beleuchtungslinien könnten auch von einer einzigen Lichtquelle mit einer Mehrfachblende, beispielsweise einer Mehrfachspaltblende, oder von einzelnen Flächenstrahlern erzeugt werden.

Der, vorzugsweise parallele, Versatz der Linienlichtquellen (2, 2a, 2b) führt zu einer Aufspannung von drei nebeneinanderliegenden Messebenen (28, 28a, 28b). Des Weiteren weist das Spektrometer (14) eine Mehrfachspaltblende (13) entsprechend der Anzahl der Austrittsblenden (3, 3a, 3b) bzw. der Anzahl der Beleuchtungslinien auf. Des Weiteren wird auf die Beschreibung der voranstehenden Ausführungsbeispiele verwiesen, die analog für das in Fig. 5 gezeigte System gilt.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, dass sich aus jeder aufgespannten Messebene (28, 28a, 28b) eine Zuordnung (32, 32a, 32b) von dem Messabstand (z) zur Zeilenposition m auf der Matrix ergibt. Diese vereinfachte Darstellung bezieht sich aber nur auf einen diskreten Messort auf der x-Achse, der in z-Richtung verschoben wird. Für eine vollständige Abbildung dieser Zuordnung muss die x-Achse noch berücksichtigt werden.

Bei Fig. 7 handelt es sich um eine beispielhafte Abbildung des auf einem Flächendetektor (22) abgebildeten Profils vom einem Target (9), das in drei Messebenen (28, 28a, 28b) aufgezeichnet wird. Des Weiteren zeigt Fig. 8 eine beispielhafte Abbildung von drei Spektralbereichen (34, 34a, 34b), in denen sich jeweils das Messsignal der zugehörigen Messebene mit diskreter y-Position bewegt. Dabei wird deutlich, dass die Spektren der nebeneinanderliegenden Eintrittsblenden aufgrund verschiedener Auftreffwinkel auf das Gitter in verschiedene Bereiche des Flächendetektors abgebildet werden. Die hieraus ersichtliche Überlappung der Spektralbereiche (34, 34a, 34b) macht deutlich, dass es bei einem monochromen Flächendetektor zu Zuordnungsproblemen führen kann, da hier die für die eindeutige Zuordnung relevante Farbinformation verloren geht.

Eine Unterscheidbarkeit wäre jedoch gegeben, wenn anstatt eines monochromatischen Detektors ein polychromer oder hyperspektraler Flächendetektor zum Einsatz käme.

Betrachtet man die spektrale Abbildung jeweils einer Eintrittsblende über ihr gesamtes Spektrum (vgl. Fig. 8), so erkennt man, dass - bedingt durch den unterschiedlichen Auftreffwinkel auf das Liniengitter - jede Eintrittsblende eine individuelle Spektrumsabbildung auf dem Spektrometer erzeugt. Außerdem überdecken sich diese Spektralbereiche zu einem großen Teil, so dass eine Auswertung vorzugsweise folgende Randbedingungen erfüllt:

1. Verwendung eines polychromen oder hyperspektralen Flächendetektors in dem Spektrometer, um an einem beliebigen Messort auf dem Detektor anhand der auftreffenden Wellenlänge den dazugehörigen Eintrittsblenden und somit auch die Messebene (y-Lage) zu definieren. Mit dieser Information kann dann die der Messebene entsprechende Kalibriertabelle verwendet werden.

2. Zeitlich versetzte Beleuchtungslichtprojektion in die verschiedenen Messebenen durch entsprechende Lichtsteuerung. Somit kann anhand der gewählten Lichtquelle die entsprechende Kalibrationstabelle für die Auswertung verwendet werden.

3. Die erwarteten Messprofile bleiben in eigenen Bereichen, die bei einem monochromen Sensor eindeutig auseinander zu halten sind, so dass eine räumliche Rangord- nung entlang der m-Achse bei der Messaufgabe stets konstant bleibt. Dies verlangt, dass sich die Abbildungen von zwei Profilen auf dem Detektor nicht schneiden dür- fen.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Bezugszeichenliste

1 Beleuchtungslicht

2, 2a, 2b Linienlichtquelle

3, 3a, 3b Blende

4 Umlenkelement

5 erster Bereich (Messobjektiv)

6 Messobjektiv

7 optische Linse

8 optische Linse

9 Messobjekt

10 Messlicht

11 zweiter Bereich (Messobjektiv)

12 Konverteroptik , 13a, 13b Eintrittsblende

14 Spektrometer

15 Linse

16 Linse

17 Umlenkelement

18 Richtungsblende

19 optische Linse

20 optische Linse

21

22 Flächendetektor

23 Dyson-Linse

24 Liniengitter

25

26 optische Achse (Messobjektiv)

26a virtuelle optische Achse

27 Abstandsachse , 28a, 28b Messebene

29 Wellenlänge 1

30 Wellenlänge 2 31 Wellenlänge 3 , 32a, 32b m = f (z, x, y) mit x, y = const. , 33a, 33b farbcodiertes Profil , 34a, 34b Spektralbereich m Zeile Flächendetektor n Spalte Flächendetektor x Position entlang Linie y laterale Position der Projektionsebene z Abstand Messpunkt vom Messobjektiv

Claims

A n s p r ü c h e

1. System zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung, mit einer Linienlichtquelle (2), einer Blende (3), einem konfokal-chromatischen, vorzugsweise rotationssymmetrischen, Messobjektiv (6) und einem Spektrometer (14), vorzugsweise einem 2D-Spektrometer, wobei der Beleuchtungsstrahlengang von der Lichtquelle (2) über die Blende (3) und einen ersten Bereich (5) des Messobjektivs (6) hin zu dem Messobjekt (9) verläuft und wobei der Abbildungsstrahlengang von dem Messobjekt (6) über einen zweiten Bereich (11) des Messobjektivs (6) zu dem Spektrometer (14) verläuft.

2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (3), das Messobjektiv (6) und eine Eintrittsblende (13) des Spektrometers (14) auf einer gemeinsamen virtuellen optischen Achse (26a) liegen.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das Messobjektiv (6) genau eine optische Linse aufweist oder dass das Messobjektiv (6) mindestens zwei optische Linsen (7, 8) aufweist, wobei die Linsen (7, 8) des Messobjektivs (6) konzentrisch zueinander angeordnet sind,

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges konfokal-chromatisches Messobjektiv (6) angeordnet ist.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (26) des Messobjektivs (6) mit der Abstandsachse (27) des Systems übereinstimmt.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienlichtquelle (2) eine kontinuierliche Weißlichtlinie emittiert.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienlichtquelle (2) als Beleuchtungslicht zwei oder mehrere, vorzugsweise kontinuierliche, Beleuchtungslinien abstrahlt und/oder dass zwei oder mehrere Linienlichtquellen (2) angeordnet sind, die jeweils als Beleuchtungslicht mindestens eine, vorzugsweise kontinuierliche, Beleuchtungslinie abstrahlen.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienlichtquelle (2) auf der Eintrittsseite im Fokuspunkt des Messobjektivs (6) angeordnet ist.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umlenkelement (4) in dem Beleuchtungsstrahlengang und/oder in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet ist, vorzugsweise wobei das Umlenkelement (4) als Richtungsblende (18) dient und das Beleuchtungslicht (1) derart beblendet, dass das Beleuchtungslicht (1) lediglich in dem ersten Bereich (5) das Messobjektiv (6) trifft.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (4) als Spiegel oder als Strahlteiler ausgebildet ist.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umlenkelement (4) im Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Blende (3) und dem Messobjektiv (6) angeordnet ist und/oder dass ein Umlenkelement (4) im Abbildungsstrahlengang zwischen dem Messobjektiv (6) und dem Spektrometer (14) angeordnet ist.

12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Konverteroptik (12) angeordnet ist.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Konverteroptik (12) im Abbildungsstrahlengang zwischen dem Messobjektiv (6) und dem Spektrometer (14) oder im Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Lichtquelle (2) und dem Messobjektiv (6) angeordnet ist.

14. System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Konverteroptik (12) mindestens eine optische Linse (19, 20) aufweist, wobei die mindestens eine optische Linse (19, 20) in einem optischen Grundmodell konzentrisch zu dem Messobjektiv (6) angeordnet ist und/oder mit dem Messobjektiv (6) auf der gemeinsamen virtuellen optischen Achse (26a) liegt.

15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (14) ein Dyson-Spektrometer ist.

16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (14) eine, insbesondere spaltförmige, Eintrittsblende (13), eine optische Linse, insbesondere eine Dyson-Linse (23), ein, insbesondere konkaves, Liniengitter (24) und einen Flächendetektor (22) aufweist.

17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Liniengitter (24) mit einer Blazestruktur versehen ist und/oder äquidistante, parallele Strukturen aufweist.

18. System nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsblende (13) eine Breite von kleiner oder gleich 20 pm, vorzugsweise kleiner oder gleich 10 pm, aufweist.

19. System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang zwischen dem Messobjektiv und dem Messobjekt jeweils unter einem Winkel im Bereich von 45° bis 90°, insbesondere von 60° bis 90°, vorzugsweise von 80° bis 90°, zueinander verlaufen.

20. Verfahren zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung, vorzugsweise unter Nutzung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei Beleuchtungslicht (1) von einer Linienlichtquelle (2) über eine Blende (3) und einen ersten Bereich (5) eines konfokal-chromatischen Messobjektivs (6) als farbcodierte Beleuchtungsebene auf ein Messobjekt (9) geleitet wird, wobei spektral kodiertes Messlicht (10) von dem Messobjekt (9) über einen zweiten Bereich (11) des Messobjektivs (6) zu einem Spektrometer (14), vorzugsweise einem 2D-Spektrometer, geleitet wird und wobei eine spektrometrische Analyse des Messlichts (10) zur Abstandsbestimmung durchgeführt wird.