Scanob ektiv
Die Erfindung betrifft ein Scanobjektiv zur zeilen- bzw. punktweisen dreidimensionalen Abtastung von Ob¬ jektoberflächen bei hoher Auflösung und hoher Prüfge- schwindigkeit.
Die zunehmende Packungsdichte auf einer elektronischen Baugruppe erfordert eine entsprechend angepaßte Prü¬ fung. Diese Prüfung geschieht in der Regel mittels ei¬ nes hochauflösenden optischen Inspektionssyste es. Prinzipiell kann das Triangulationsprinzip in Verbin¬ dung mit einem System zum schnellen Abtasten einer Oberfläche eingesetzt werden. Bei spiegelnden Oberflä¬ chen strukturierter Objekte ist jedoch in der Regel das konfokale Prinzip geeigneter. Dabei wird eine punktför- ige Lichtquelle, welche gewöhnlich durch eine Loch¬ blende definiert wird, auf die Objektoberfläche und das zurückgestreute Licht auf einen nahezu punktförmigen Detektor abgebildet. Hierzu wird beispielsweise auf die europäische Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzei¬ chen 91 120 863.5 verwiesen. Die Schärfentiefe einer konfokalen optischen Konfiguration ist ein Maß für die Höhenauflösung des Systemes. Die Schärfentiefe ist da¬ bei dem Quadrat der numerischen Apertur umgekehrt pro¬ portional. Ein Scanobjektiv mit einer hohen numerischen Apertur und einer sehr schnellen. Strahlablenkeinheit, beispielsweise einem mit hoher Drehzahl rotierenden Po- lygonspiegel, erfüllt die Anforderungen hinsichtlich hoher Auflösung für ein automatisches PrüfSystem. Der¬ zeit ist jedoch ein Scanobjektiv mit einer ausreichend hohen numerischen Apertur nicht erhältlich. Eine aus¬ reichend hohe numerische Apertur sollte mindestens ei- nen Wert von 0,15 aufweisen.
Die bei der Auslegung eines beugungsbegrenzten Scanob¬ jektives wesentliche Größe, die die theoretisch er¬ reichbare Abbildungsleistung wiedergibt, ist die Lagrangeinvariante L. Sie wird gebildet durch das Pro¬ dukt aus dem halben Strahldurchmesser D am Ort einer Strahlablenkeinheit und dem Scanwinkel bzw. Ablenkwin¬ kel θ. Dies ist gleichbedeutend dem Produkt aus numeri¬ scher Apertur NA und halber Scanlänge S des Scanobjek¬ tives.
L = * D - Θ *= - S - NA
Da durch die numerische Apertur das Auflösungsvermögen vorgegeben ist, ist L proportional zu der Zahl der ab¬ getasteten Punkte pro Scanlinie. Eine hohe Abtastrate wird somit durch eine hohe Ablenkgeschwindigkeit beim Scannen und eine möglichst große Lagrangeinvariante L des scannenden Systemes erreicht. Entsprechend der oben genannten Abhängigkeiten müssen sowohl Strahlablenkein¬ heit, als auch Scanobjektiv aneinander angepaßt werden.
Hinsichtlich der Strahlablenkeinheit ergibt sich, daß für rotierende Polygonspiegel im Verhältnis zu anderen Strahlablenkern die machbare Winkelgeschwindigkeit bei gleichzeitig großem Strahldurchmesser und damit die Pi¬ xeldatenrate sehr hoch ist. Unter anderen Strahlablen¬ kern sind beispielsweise akustooptische Ablenker, Reso¬ nanzscanner oder Galvanometerspiegel zu verstehen. Eine Begrenzung der Datenrate nach oben hin ist durch das größer werdende Rotationsträgkeits oment bei zunehmen¬ dem Strahlquerschnitt bzw. zunehmendem Spiegelfacetten¬ durchmesser des Spiegels gegeben. Je nach verwendetem Werkstoff und mechanischer Konstruktion des Poly- gonspiegels ergibt sich demzufolge eine optimale Poly-
gonspiegeldimensionierung.
Die grundlegende Ausgestaltung eines Scanobjektives muß folgende Abhängigkeiten berücksichtigen:
Je größer die Lagrangeinvariante (hohe Auflösung bei großem Bildfeld) , desto schwieriger ist es, geometrische Abbildungsfehler zu minimieren und ein Scanobjektiv fertigungsgerecht zu konstruieren.
Bei einer Erhöhung der Anforderungen an die Auflö¬ sung, die gleichbedeutend mit der Vergrößerung der numerischen Apertur ist, reduziert sich die Scan¬ länge bei unveränderter Lagrangeinvarianten.
Vergrößert man für ein System mit vorgegebener Lagrangeinvarianten die numerische Apertur bei kon¬ stanter Brennweite, so vergrößert sich der Strahl- durchmesser unter Verringerung des Scanwinkels. Ei- ne Vergrößerung des Strahldurchmessers bei kleinem Scanwinkel erhöht jedoch die Zahl und die Größe der Facetten des Polygonspiegels, wodurch sich wiederum die erzielbare Rotationsgeschwindigkeit erniedrigt.
- Vergrößert man für ein System mit vorgegebener Lagrangeinvarianten die numerische Apertur unter Beibehaltung des Scanwinkels, so verringert sich die Ob ektivbrennweite. Dies bedeutet, daß bei ge¬ wöhnlichen Scanobjektiven die vordere und hintere Brennebene sehr nahe an die Linsenfassung heran¬ rückt, da anderenfalls die Korrektur der Aberratio¬ nen erheblich erschwert wird. Dies begrenzt wieder¬ um den erforderlichen Raum zur Positionierung von Polygonspiegeln.
Die aufgezählten Zusammenhänge verdeutlichen, daß ein
Scanobjektiv mit einer großen numerischen Apertur und gleichzeitig großem Bildfeld mit herkömmlichen Mitteln nicht konstruierbar ist.
Derzeit auf dem Markt erhältliche Scanobjektive weisen numerische Aperturen von ca. 0,1 auf und haben einen Scanwinkel von ca. 13° bis 25° bei Brennweiten von min¬ destens 20 mm. Diese Objektive können sehr gut an mit hoher Geschwindigkeit rotierende Polygonspiegel ange- paßt werden. Die Lagrangeinvariante beträgt hierbei ca. 1 mm. Objektive dieser Bauart sind jedoch nicht für konfokale Scanner mit hoher Auflösung geeignet.
Weiterhin existieren konfokale Laserscanmikroskope. Diese sind meistens auf der Basis von gewöhnlichen Lichtmikroskopen bzw. Lichtmikroskopobjektiven aufge¬ baut und können somit auch eine hohe numerische Apertur besitzen. Bei einer Lagrangeinvarianten von ca. 0,15 mm ist jedoch die gesamte Abbildungsleistung aufgrund des geringen Bildfeldes bzw. der geringen Scanlänge relativ niedrig. Häufig werden hierbei akustooptische Strahlablenker eingesetzt, wodurch sich die Abbildungs¬ leistung aufgrund des geringen Ablenkwinkels und der zugleich kleinen Apertur, die nicht kreisförmig ist, verringert. Zudem ist die Strahlablenkung nicht aberra¬ tionsfrei (Astigmatismus) .
Das Ziel der Erfindung ist die Konstruktion eines Scanobjektives, mittels dem bei hoher Auflösung, ent- sprechend einer hohen numerischen Apertur, ein großes Bildfeld bei gleichzeitig hoher Abtastrate abgescannt wird. •
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale entsprechend dem Anspruch 1.
Prinzipiell wird eine hohe Auflösung eines Objektives durch einen hohen Wert der numerischen Apertur gewähr¬ leistet. Der Scan- bzw. Ablenkwinkel bestimmt in Ver¬ bindung mit der Brennweite des Objektives die Größe des Bildfeldes.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit¬ tels eines aus drei Linsengruppen bestehenden Scanob¬ jektives bei entsprechender Auslegung die geforderten Qualitätsmerkmale erreicht werden. Eine in Richtung des Abtaststrahles gesehen erste Linsengruppe mit positiver Brechkraft und mit relativ geringer numerischer Apertur kann bei hoher Abbildungsleistung als ein ideales An¬ koppelglied zur Strahlablenkeinheit betrachtet werden. Diese Optik entspricht im Aufbau einem typischen Scanobjektiv aus dem Stand der Technik mit relativ gro¬ ßer numerischer Apertur. Sie läßt sich mit weniger als 6 Einzellinsen beugungsbegrenzt fertigen. Durch diese Linsengruppe wird ein reelles Zwischenbild erzeugt. Von großem Vorteil ist der ausreichende Scheitelabstand zwischen der Eintrittspupille und der Oberfläche der ersten Linse.
Eine dritte Linsengruppe, die objektseitig angeordnet ist, erhält eine hohe numerische Apertur bei großer
Brennweite und bei einem relativ geringen Ablenkwinkel von ca. 2,5°. Um innerhalb der Beugungsbegrenzung zu bleiben, muß darauf geachtet werden, daß geometrische
Abbildungsfehler optimal korrigiert werden. Gegebenen- falls ist eine Verringerung des Ablenkwinkels in Kauf zu nehmen. Durch die Ähnlichkeit der Konstruktion mit einer Kollimatoroptik ist im wesentlichen nur noch die
Korrektur der sphärischen Aberration vorzunehmen. Durch die beschriebene Ausgestaltung der dritten Linsengruppe ist die Abbildungsleistung eines scannenden Systemes bzw. eines Scanobjektives objektseitig mit einer hohen
numerischen Apertur möglich.
Eine zweite Linsengruppe mit positiver Brechkraft, die das reelle Zwischenbild der ersten Linsengruppe ins un- endliche abbildet, muß so konstruiert sein, daß die Austrittspupille, gebildet durch die erste und zweite Linsengruppe, mit der Eintrittspupille der dritten Lin¬ sengruppe zusammenfällt. Der Bildwinkel der zweiten Linsengruppe muß dabei mit dem Ablenkwinkel der dritten Linsengruppe übereinstimmen. Diese zweite Linsengruppe kann beispielsweise ein invertiertes Scanobjektiv sein. Dies bedeutet, daß ein bisher bekanntes Scanobjektiv in umgekehrter Richtung verwendet wird. Dabei ist auf die entsprechende Anpassung der Scanlänge (Bildhöhe des Zwischenbildes) und die numerische Apertur in bezug auf die erste Linsengruppe zu achten. Weiterhin ist eine Anpassung bezüglich des Scanwinkels (Bildwinkel) und des Durchmessers der Eintrittspupille der dritten Lin¬ sengruppe vorzunehmen. Das Verhältnis der Brennweiten von erster Linsengruppe zu zweiter Linsengruppe ent¬ spricht hierbei dem Verhältnis zwischen Scanwinkel (Bildwinkel) von erster Linsengruppe zu dritter Linsen¬ gruppe. Sämtliche drei Linsengruppen sind beugungsbe- grenzt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet die Auslegung des Scanobjektives als F-Θ-Ob- jektiv. Die notwendige Bedingung für ein F-Θ-Objektiv ist die Proportionalität zwischen dem Scan- bzw. Ab- lenkwinkel und der momentanen Auslenkung bzw. der mo¬ mentanen Bildhöhe. Dadurch vermindert sich der steue¬ rungstechnische Aufwand bei automatischen PrüfSystemen.
Es ist vorteilhaft, die Hauptstrahlen zwischen der er¬ sten und der zweiten Linsengruppe parallel zur opti-
sehen Achse verlaufen zu lassen. Diese einer telezen- trischen Ausbildung entsprechende Konstruktion kann zum einen für die erste und zweite Linsengruppe und zum an¬ deren für das gesamte Scanobjektiv gelten. Die daraus resultierenden Vorteile bestehen darin, daß man einzel¬ ne telezentrische Linsengruppen in einfacher Weise hin¬ tereinander schalten kann. Die telezentrische Ausbil¬ dung des gesamten Scanobjektives bedeutet insbesondere eine vorteilhafte Anwendung für Meßzwecke. Aufwendige elektronische (Hardware oder Software) Korrekturen er¬ übrigen sich.
Für den Fall, daß die gesamte Brennweite des Scanobjek¬ tives kleiner ist, als der Abstand zwischen der ersten Linsenfläche der ersten Linsengruppe und der davor lie¬ genden Eintrittspupille des Scanobjektives ist die An- kopplung zwischen Scanobjektiv und Strahlablenkeinheit in einfacher Weise durchzuführen.
Beträgt die numerische Apertur der ersten Linsengruppe mindestens 0,15 (die numerische Apertur des gesamten Scanobjektives kann beispielsweise 0,6 betragen), so ist dies insofern vorteilhaft, als für die Konstruktion der nachgeschalteten Linsengruppen eine größere Ausge- staltungsfreiheit im Hinblick auf eine insgesamt hohe numerische Apertur erzielbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Scanwinkel ca. 16° und die Ein- trittspupille einen Durchmesser von ca. 7,5 mm besitzt. Die Festlegung dieser beiden Parameter des Scanobjekti¬ ves auf die genannten Zahlenwerte ergibt besondere Vor¬ teile hinsichtlich der Auslegung eines mit hoher Dreh¬ zahl rotierenden Polygonspiegels (z. B. Facettenzahl 12, Spiegeldurchmesser ca. 70 mm, Facettenlänge ca. 19 mm) .
Beträgt die numerische Apertur der dritten Linsengruppe mindestens 0,25 in Kombination mit einem Scanwinkel von ca. 2,5° und einer Scanlänge von ca. 8 mm, so läßt sich bereits ein Arbeitsabstand zwischen Objektiv und Objekt von ca. 30 mm einstellen.
Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines typischen Scanobjektives mit einer numerischen Apertur von 0,1.
Figur 2 zeigt den Strahlengang eines Scanobjektives bei einer Vergrößerung der numerischen Apertur gegenüber der Darstellung in Figur 1.
Figur 3 zeigt den detaillierten Aufbau eines Scanobjek¬ tives mit hoher numerischer Apertur.
Figur 4 zeigt die Prinzipdarstellung des Scanobjektives entsprechend Figur 3.
In der Figur 1 ist der Strahlengang eines lediglich durch einen Strich dargestellten Objektives 11 skiz¬ ziert. Das Objektiv 11 ist bezüglich einer optischen Achse 10 positioniert. Die Brennweite f ist beiderseits des Objektives 11 angedeutet. Ausgehend von dem Strahl¬ durchmesser D bei der Eintrittspupille 61 verlaufen Hauptstrahl 7 und Randstrahlen 8 entsprechend dem Scan¬ winkel θ. Im rechten Bildteil ist die Objektebene 9 an¬ gedeutet Die Scanlänge S entspricht der Bildgröße.
Wie in Figur 1 dargestellte bekannte Scanobjektive wer- den von mehreren Herstellern kommerziell vertrieben.
Sie weisen in der Regel eine numerische Apertur von <=
0,1 und Brennweiten von mehr, als 20 mm auf. Die Scan¬ winkel liegen im Bereich von +/-130 bis 25°. Nachdem die Lagrangeinvariante ein Maß für die Abbildungslei¬ stung eines optischen Bauteiles darstellt, die numeri- sehe Apertur die Größe des Bildpunktes bestimmt und die Abbildungsleistung sich an der Zahl der aufgelösten Bildpunkte orientiert, sollte immer so dimensioniert werden, daß die gewünschte Apertur vorliegt. Geht man davon aus, daß die Lagrangeinvariante als Maß für die Abbildungsleistung konstant bleibt und die Brennweite des gesamten Systemes sich nicht verändert, so entsteht bei Vergrößerung der numerischen Apertur ein Strahlen¬ gang entsprechen der Figur 2. Auch hierbei liegen die Eintrittspupille 61 und die Objektebene 9 jeweils im Brennpunkt. Die Scanlänge S ist entsprechend symme¬ trisch zur optischen Achse 10 skizziert und der Strahl¬ durchmesser D an der Eintrittspupille 61, der wesent¬ lich größer ist, als in Figur 1, ist eingetragen. Es ist klar ersichtlich, daß der Scanwinkel θ sich im Ver- hältnis zu dem Scanwinkel θ der Figur 1 wesentlich ver¬ kleinert hat. Gleiches gilt für die Scanlänge S. Haupt¬ strahl 7 und Randstrahlen 8 sind ebenfalls eingezeich¬ net. Eine Konstruktion entsprechend Figur 2 ist jedoch zur Lösung der gestellten Aufgabe nicht praktikabel, da hierbei die Unterbringung einer Strahlablenkeinheit in der Regel schlecht möglich ist. Die Konstruktion selbst entspricht annähernd einer Kollimatoroptik, die in der Regel nur einen Punkt abbildet. Hierbei wird in einfa¬ cher Weise eine hohe numerische Apertur erreichbar, da der Bildwinkel klein sein darf.
Werden aufbauend auf der Darstellung in Figur 1 die Lagrangeinvariante und der Scanwinkel θ, konstant ge¬ halten und die numerische Apertur vergrößert, so wird die Brennweite f kleiner. Dies ergibt ebenfalls Schwie¬ rigkeiten in bezug auf die Unterbringung einer
Strahlablenkeinheit vor dem Scanobjektiv.
Der Einsatz eines reinen Mikroskopobjektives, bei¬ spielsweise 50x/0,6, ist ebenfalls zur Lösung der ge- stellten Aufgabe schwer möglich, da hierbei ein zu ge¬ ringer Ablenkwinkel vorliegt. Darüber hinaus liegt wie¬ derum die Eintrittspupille gewöhnlich sehr nahe am Lin¬ sensystem des Mikroskopobjektives.
In der Figur 3 ist ein Scanobjektiv mit einer vorge¬ schalteten Strahlablenkeinheit 4 dargestellt. Das Scanobjektiv, das aus den beschriebenen Linsengruppen 1 bis 3 aufgebaut ist, besitzt eine numerische Apertur von 0,6. Die erste Linsengruppe 1 und die zweite Lin- sengruppe 2 bestehen aus jeweils 5 Einzellinsen. Die erste Linsengruppe besitzt eine numerische Apertur von 0,15 und eine Brennweite von 25 mm. Die zweite Linsen¬ gruppe kollimiert die vom reellen Zwischenbild 5 ausge¬ henden Strahlen bei einer Brennweite von 160 mm. Hier- bei erfolgt eine Strahlaufweitung und eine Winkelver¬ kleinerung. Die dritte Linsengruppe 3, die aus einem Zweifachglied (Duplett) , drei direkt- anschließenden po¬ sitiv brechenden Einzellinsen und einem Linsentriplett besteht, besitzt eine Brennweite von 40 mm und eine nu- merische Apertur von 0,6. Die Gesamtlänge des Objekti¬ ves beträgt ca. 650 mm.
Ein Scanobjektiv entsprechend Figur 3 besitzt eine hohe numerische Apertur (0,6 und eine große Scanlänge S) . Die erste Linsengruppe 1 mit einer noch geringen nume¬ rischen Apertur von 0,15 weist einen großen Scanwinkel von ca. +/-160 auf. Die erste Linsengruppe 1 "stellt das Kopplungsglied zur Strahlablenkeinheit 4 dar. Die hohe numerische Apertur von 0,6 der dritten Linsengruppe 3 mit positiver Brechkraft wird durch einen geringen Bildwinkel von 2,5° erzielt. Dies bedeutet beispiels-
weise für die dritte Linsengruppe 3 einen Pupillen¬ durchmesser von 48 mm, eine Brennweite f von 40 mm und ein Bildfeld von 3,5 mm. Dabei ist hinsichtlich ihrer Konstruktion diese Linsengruppe einem maßstäblich ver- größerten Mikroskopobjektiv mit 50facher Vergrößerung ähnlich.
Prinzipiell bewirken die ersten beiden Linsengruppen 1, 2 somit eine Scanwinkelverkleinerung und eine Pupillen- Vergrößerung (in der Figur von links nach rechts gese¬ hen) . Dabei wird die Eintrittspupille 61 der ersten Linsengruppe 1 in die Eintrittspupille 63 der dritten Linsengruppe 3 abgebildet, bzw. die Austrittspupille 62 der ersten und zweiten Linsengruppe 1, 2 trifft mit der Eintrittspupille 63 der dritten Linsengruppe 3 zusam¬ men. Daraus entsteht der Vorteil, daß der Abstand zwi¬ schen Eintrittspupille 63 und der Glasfläche der ersten Linse der dritten Linsengruppe 3 als zusätzlicher Frei¬ heitsgrad bei der Konstruktion und zur Optimierung der dritten Linsengruppe 3 freigegeben wird. Die Betrach¬ tung von Pupillen einzelner Linsengruppen wird ledig¬ lich zur Konstruktion eines Scanobjektives angewandt. Ein solches Scanobjektiv hat insgesamt nur eine Ein¬ trittspupille und eine Austrittspupille. Ein zusätzli- eher telezentrischer Aufbau des Scanobjektives verein¬ facht die Meßdatenauswertung eines automatischen 3D-In- spektionssystemes.
Entsprechend Figur 3 oder 4 wird von der Linsengruppe 1 das Zwischenbild 5 erzeugt. Der Verlauf des Hauptstrah¬ les 7 und der Randstrahlen 8 in bezug auf die Linsen¬ gruppen 1-3 und in bezug auf die optische Achse 10 ist angedeutet. Die zweite Linsengruppe 2 bildet das Zwi¬ schenbild 5 ins Unendliche ab. Dabei findet eine Pupil- lenabbildung durch die erste und zweite Linsengruppe 1, 2 statt, wobei die Eintrittspupille 61 der ersten
Linsengruppe 1 in die Eintrittspupille 63 der dritten Linsengruppe 3 abgebildet wird. Dies kann auch als Scanwinkeltransformation bezeichnet werden. Die Ein¬ trittspupille 63 der dritten Linsengruppe 3 liegt zwi- sehen der zweiten und der dritten Linsengruppe 2, 3. Parallele Strahlen werden bei maximalem Durchmesser durch die Pupille hindurchgeführt. Die erste Linsen¬ gruppe 1 für sich genommen kann als ein Scanobjektiv mit geringer Auflösung betrachtet werden. Gleiches gilt für die zweite Linsengruppe 2, wobei diese jedoch eine größere Brennweite f aufweist.
Mit einem beschriebenen Scanobjektiv kann beispielswei¬ se im Bereich von 0,5 um aufgelöst werden.
Die Figur 4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Scanob¬ jektives mit einer hohen numerischen Apertur.
Mögliche technische Daten:
Beispiel 1:
Numerische Apertur (gesamt): 0,6
Brennweite f: 6,25 mm Strahldurchmesser D, am Eintritt: 7,5 mm
Arbeitsabstand: 5 mm
Scanwinkel θ: +/- 16°
Abstand a: 15 mm
Scanlänge S: 3,5 mm
Beispiel 2
Strahldurchmesser und Scanwinkel sind konstant Numerische Apertur: 0,28 Scanlänge S: 7,5 mm
Arbeitsabstand: 27 mm
Brennweite f: ca. 14 mm
Der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Scanob¬ jektives beinhaltet entsprechend der schematischen Dar- Stellung in Figur 4 eine erste, zweite und dritte Lin¬ sengruppe 1; 2; 3. Die Oberfläche des zu prüfenden Ob- jektes bzw. die Objektebene 9 ist am rechten Bildrand skizziert. Am linken Bildrand ist die Eintrittspupille 61 des gesamten Scanobjektives dargestellt. Die gesamte Anordnung weist eine optische Achse 10 auf. Der charak¬ teristische Verlauf des Hauptstrahles 7 und der Rand¬ strahlen 8 ist entsprechend skizziert.
Die in der Figur 4 als Blende dargestellte Eintrittspu- pille 61 kann durch einen rotierenden Polygonspiegels ersetzt werden. Die Austrittspupille 62 der ersten und zweiten Linsengruppe 1, 2 fällt mit der Eintrittspupil¬ le 63 der dritten Linsengruppe 3 zusammen, wobei die zweite Linsengruppe 2 das von der ersten Linsengruppe 1 erzeugte Zwischenbild 5 ins Unendliche abbildet.