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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer optischen Inspektion einer Probenoberfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
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Optische, bildgebende Messtechnik-Verfahren von flächig ausgedehnten Objekten zielen auf eine Charakterisierung von Oberflächen ab. Insbesondere wird dabei die Änderung der lokalen Reflektivität und/oder der Höhenausdehnung der jeweiligen Oberfläche ausgenutzt, um beispielsweise Qualitätskontrollen durchzuführen. Typische Beispiele sind rauhe Oberflächen, Druckplatten, Oberflächen mit Bearbeitungsspuren, aber auch Oberflächen mit transparenten Beschichtungen, insbesondere laminierte Druckerzeugnisse.
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Neben Verfahren, bei denen die Oberfläche direkt – z. B. auf eine elektronische Kamera – abgebildet wird, wobei das Ergebnis dann mittels Verfahren der digitalen Bildverarbeitung ausgewertet wird, haben sich auch sogenannte Streulichtmessverfahren etabliert. Dabei wird das Streubild bzw. wird die Fernfeldverteilung der zu untersuchenden Oberfläche über der Hemisphäre bzw. Teilen derselben erfasst. Dies geschieht i. a. rein leistungsmäßig, entweder mittels Goniometeranordnungen, oder mit abbildenden Anordnungen. Die Fernfeldverteilung ist prinzipiell über eine Fouriertransformation mit der Reflexionsfunktion der Oberfläche verknüpft. Ein Rückschluss auf die Oberfläche selbst ist zwar nicht möglich, da die Streuverteilung nur leistungsmäßig aufgenommen wird und daher die Phaseninformation verlorengeht, wohl aber kann ein Rückschluss auf die Autokorrelationsfunktion der Reflexionsfunktion der Oberfläche erfolgen. Da letztere i. a. komplexer Natur ist und in wesentlichen Teilen zu einer Phasenmodulation mit entsprechenden Oberspektren führt, ist die Eindeutigkeit nach Betragsquadratbildung (Leistungsmessung) umso weniger gegeben.
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Derartige Streubilder enthalten vor allem Informationen über Vorzugsrichtungen und Periodizitäten der untersuchten Oberfläche. Weiter werden sie für sogenannte Appearance-Messungen genutzt, weiter werden sie z. B. für Oberflächenmodellierungen in virtualreality-Systemen genutzt. Im Sinne einer Qualitätskontrolle sind sie z. B. nutzbar, wenn aus ihnen gewonnene Parameter, wie die Momente höherer Ordnung, als Features für Klassifikationsverfahren, z. B. basierend auf einer Diskriminanzanalyse, genutzt werden.
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Auf Grund der Eigenschaften der Fouriertransformation können dem Streubild Informationen über örtlich hochfrequente Anteile der Oberflächenfunktion gut entnommen werden, während dem eigentlichen Bild der Oberfläche eher die tieffrequenten Anteile entnommen werden können. Eine Überführung der beiden ineinander ist wegen der jeweils fehlenden Phaseninformation nicht möglich. Die
DE 10 2013 007 932.2 zeigt beispielsweise eine Streulichtmessvorrichtung, mit dem sowohl das mikroskopische Bild der Oberfläche, als auch ihr Streubild aufgenommen werden kann, um aus beiden Bereichen sich ergänzende Informationen gewinnen zu können. Es zeigt sich jedoch, dass zwischen Original- und Streubild weitere Zustände liegen, die für die Untersuchung bestimmter Oberflächeneigenschaften wichtig sein können.
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Es sind weiter Abbildungsverfahren bekannt, bei denen nicht das Objekt selbst, sondern sein Schatten abgebildet wird, um bestimmte Effekte, wie z. B. das Ausblenden von starker Eigenemission des Objektes und die Sichtbarmachung von Schlieren im umgebenden Medium zu erzielen. Der Schatten kann dabei auf einem Zwischenschirm aufgefangen werden, aber auch direkt, als Luftbild, mittels eines abbildenden Systems aufgenommen werden.
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Es entsteht insbesondere im vom Objekt entfernten Bereich bei paralleler Beleuchtung im Durchlicht ein geometrischer Schatten. Dieser Bereich des geometrischen Schattens kann nicht unbedingt exakt eingegrenzt werden, er zeichnet sich letztlich dadurch aus, dass das Beugungsbild der Kanten des Objektes die räumliche Ausdehnung des Objektes nicht überschreitet.
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Aus Sicht des Fernfeldes handelt es sich um eine auf einer bestimmten Ebene existierende Feldbelegung, welche von der beleuchteten Objektebene erzeugt wird und letztlich – im Sinne des Huygenschen Prinzips – selbst die Fernfeldverteilung erzeugt. Gegenüber der Feldbelegung der ursprünglichen beugenden Apertur zeichnet sie sich durch zusätzliche Phasenterme aus, welche vom Abstand von der Originalapertur abhängen; sie ergibt sich rechnerisch durch Auswertung des Beugungsintegrals für das Nahfeld mit nicht vereinfachten Green'schen Funktionen, d. h. ohne Anwendung der Fernfeldnäherung. Man könnte sie auch als Ergebnis einer unvollständigen Fouriertransformation bezeichnen, wenn man den Übergang von der Originalapertur zur Fernfeldverteilung als Fouriertransformation auffasst.
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Auf Grund der zusätzlichen Phasenterme und der noch stark abstandsabhängigen Überlagerung der Green'schen Funktionen bzw. Elementarwellen benachbarter Objektpunkte werden im Schatten Phasen- bzw. Laufzeitunterschiede, wie sie durch Dichte- und/oder Brechzahländerung des umgebenden Mediums entstehen, besonders leicht sichtbar.
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Diese Messmethode ist jedoch auf Durchlicht Untersuchungen beschränkt. Untersuchungen von Oberflächen von undurchsichtigen Objekten sind somit nicht möglich. Insbesondere Oberflächen mit transparenten Schichten, wie sie durch Lacke und auflaminierte Schichten entstehen, aber auch transparente Verunreinigungen auf Oberflächen, wie z. B. Öle und Fette u. dgl., sowie Leiterplatten bzw. gedruckte Schaltungen können somit in der geschilderten Art und Weise nicht analysiert werden.
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Eine bekannte Vorrichtung 1 zur optischen bildgebenden Messtechnik in einer x-z-Ebene ist beispielsweise in 1 skizziert. Dabei wird eine optische Aufnahmevorrichtung 2, beispielsweise eine Kamera, unter einem Aufnahmewinkel β auf eine flächig ausgedehnte Probenoberfläche 4 gerichtet. Die Probenoberfläche 4 hat dabei beispielsweise Unebenheiten oder Fehlstellen 6, die eine Höhenänderung oder eine Änderung der Reflektivität der Probenoberfläche 4 unter anderem verursachen können. Mit Hilfe der Kamera 2 kann somit die Probenoberfläche 4 charakterisiert werden. Die Probenoberfläche 4 kann dabei beispielsweise eine Druckplatte, eine Oberflächen mit Bearbeitungsspuren, aber auch eine Oberfläche mit transparenten Beschichtungen, beispielsweise eine laminierte Oberfläche sein.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur großflächigen Inspektion von Oberflächen, insbesondere zur Sichtbarmachung von Abweichungen von Soll-Oberflächen zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile beseitigt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
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Bei einem Verfahren zur Durchführung einer optischen Inspektion einer Probenoberfläche wird zumindest ein Abschnitt der Probenoberfläche mit Strahlung unter einem Einstrahlwinkel beaufschlagt. Dabei wird eine reflektierte oder transmittierte Strahlung aufgezeichnet. Erfindungsgemäß wird die reflektierte oder transmittierte Strahlung zumindest teilweise aufgezeichnet und der Einstrahlwinkel im Verlauf der Inspektion variiert. Dabei wird die Fokusebene der Aufzeichnung außerhalb der Probenoberfläche 4 eingestellt.
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Das Verfahren kann sowohl im Durchlicht-, als auch im Auflichtmodus betrieben werden. Insbesondere wird hierbei die reflektierte Strahlung untersucht. Hierbei wird ein Bereich der reflektierten Strahlung untersucht, der von der Probenoberfläche beabstandet ist, jedoch noch nicht im Fernfeld-Bereich sich befindet. Optimalerweise sollte der zu untersuchende Bereich, in Form einer Fokusebene, eine möglichst geringe Schärfentiefe aufweisen. Durch die Veränderung des Einstrahlwinkels wird die Struktur der Probenoberfläche aus unterschiedlichen Winkeln bestrahlt. Dabei entstehen an beispielsweise Abweichungen von der regulären Probenoberfläche in Form von Kratzern oder Verschmutzungen ebenfalls Schatten. Unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln ändern auch die Schatten von Abweichungen von der Soll-Probenoberfläche ihre Form. Basierend auf dieser Gesetzmäßigkeit lässt sich die Probenoberfläche beispielsweise auf Fehler untersuchen. Der Einstrahlwinkel lässt sich beispielsweise durch eine bewegbare Strahlungsquelle variieren. Eine weitere Möglichkeit den Einstrahlwinkel zu verändern ist durch mehrere Strahlungsquellen gegeben, die nacheinander angesteuert werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Probenoberfläche mit konvergenter oder divergenter oder paralleler Strahlung beaufschlagt. Hierdurch können unterschiedliche Eigenschaften der Probenoberfläche sichtbar gemacht werden, da sich die Einstrahlwinkel je nach Strahlenart ebenfalls ändern.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die reflektierte oder transmittierte Strahlung mit geringer Schärfentiefe aufgezeichnet. Je nach Entfernung der Fokusebene von der Probenoberfläche können unterschiedliche Informationen der Probenoberfläche gemessen werden. Bei einer hohen Schärfentiefe werden viele unterschiedliche Informationen gleichzeitig aufgezeichnet, sodass nur eine möglichst geringe Schärfentiefe ein extrahieren der gewünschten Untersuchungsbereiche ermöglicht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Probenoberfläche nicht aufgezeichnet. Hierdurch erfolgt insbesondere die Aufzeichnung von solchen Informationen, die den Auflichtschatten verursachen. Es treten somit die Fehler und/oder Unregelmäßigkeiten auf der Probenoberfläche in den aufgezeichneten Daten in den Vordergrund.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die reflektierte oder transmittierte Strahlung mit variabler Fokusebene aufgezeichnet. Durch die Variation der Fokusebene der Aufnahmevorrichtung können unterschiedliche Bereiche der Probenoberfläche analysiert werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Durchführung einer flächigen optischen Inspektion einer Probenoberfläche weist zumindest einer Strahlungsquelle zum Bestrahlen einer Probe unter einem Winkel und eine Aufnahmevorrichtung zum Aufnehmen einer reflektierten oder transmittierten Strahlung auf. Erfindungsgemäß ist die reflektierte oder transmittierte Strahlung zumindest bereichsweise aufzeichenbar und der Winkel während der Inspektion variierbar. Dabei weist erfindungsgemäß eine Aufnahmevorrichtung eine Fokusebene auf, die außerhalb der Probenoberfläche liegt auf. Hierbei wird insbesondere der reflektierte oder transmittierte Schatten betrachtet, der sich im Bereich zwischen der Probenoberfläche und dem Fernfeld befinden kann. Daher wird auf diesen Bereich die Fokusebene der Aufnahmevorrichtung gelegt, um die aus dem Auflicht- oder Durchlichtschatten notwendigen Informationen erlangen zu können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung wird der Einstrahlwinkel über zumindest eine örtlich bewegbare Strahlungsquelle variiert. Um mögliche Verschmutzungen oder Defekte in der Probenoberfläche sichtbar zu machen, kann der Einstrahlwinkel variiert werden. Die Fehlstellen der Probenoberfläche verursachen einen Schatten, der seine Form bei unterschiedlichen Einfallswinkeln ändert. Vorzugsweise wird der Einstrahlwinkel mit Hilfe einer beweglichen Strahlungsquelle variiert, die entlang einer geraden Bahn verfahrbar ist.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung wird der Einstrahlwinkel über mehrere örtlich versetzte Strahlungsquellen variiert. Eine Variation des Einstrahlwinkels ist auch möglich, indem unterschiedliche, örtlich versetzt angeordnete Strahlungsquellen nacheinander angesteuert werden. Hierbei wird die Anzahl der beweglichen Teile reduziert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist die Aufnahmevorrichtung eine variierbare Fokusebene. Hierdurch können Informationen von bestimmten Bereichen der Probenoberfläche extrahieren und insbesondere bei einer geringen Schärfentiefe separat betrachten.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung leitet die Aufnahmevorrichtung die aufgezeichneten Daten an eine Auswertevorrichtung. Hierdurch können die aufgezeichneten Daten zur Analyse der Oberfläche ausgewertet werden und somit Rückschlüsse über beispielsweise die Qualität einer gedruckten Schaltung ziehen.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer bekannten Vorrichtung bzw. eines bekannten Verfahrens,
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2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
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5 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, und
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6 und 7 Detailansichten der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem vierten und fünften Ausführungsbeispiel.
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In 2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 8 zur Durchführung einer optischen Inspektion einer Probenoberfläche 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Dazu wird der zu untersuchende Abschnitt 10 der Probenoberfläche 4 bevorzugterweise mit einem parallelen, zumindest jedoch mit einem homozentrischen Strahlenbündel 12 unter einem definierten Einstrahlwinkel α beleuchtet. Der Strahlenbündel 12 wird von einer Strahlenquelle 14 erzeugt, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein monochromatischer Laser ist. Zusätzlich kann das Strahlbündel 12 vor dem Auftreffen auf die Probenoberfläche 4 aufgearbeitet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Strahlbündel 12 durch eine Kolimatorlinse 16 geleitet. Eine resultierende Nahfeldverteilung bzw. ein Auflichtschatten 18 entsteht unter dem Winkel der direkten Reflexionsrichtung –α. Im einfachsten Falle kann der Auflichtschatten 18 in einem Abstand 19 von der Probenoberfläche 4 mittels eines Zwischenschirmes, der das Nahfeld- oder Schattenbild 18 auffängt aufgezeichnet werden, welches dann mittels einer Aufnahmevorrichtung 2 abgebildet wird.
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Die Aufnahmevorrichtung 2 besteht hierbei aus einem optischen System 20, beispielsweise einem 4f-System und einem CCD-Sensor 22 einer Kamera. Vorteilhaft ist die Verwendung des 4f-Systems 20 auf Grund seiner Telezentrizität. Sie erlaubt es, den Abstand 19 des Auflichtschattens 18 zu variieren, ohne dabei den Abbildungsmaßstab für den Auflichtschattens 18 als solchen zu verändern. Hierdurch können unterschiedliche Informationen über die Probenoberfläche 4 gewonnen werden, bei gleichzeitig konstantem Abbildungsmaßstab.
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Weiter ist es bei entsprechender Dimensionierung möglich, das Nahfeld direkt auf einem Kamerasensor 22 aufzufangen. Grundsätzlich kann der Auflichtschatten 18 auch als defokussiertes Bild der Probenoberfläche 4 aufgefasst werden.
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In 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 8 zur Durchführung einer optischen Inspektion einer Probenoberfläche 4 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Insbesondere unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel vom ersten Ausführungsbeispiel in der Aufbereitung der Reflektierten Strahlung. Hierbei erfolgt die Abbildung des Auflichtschattens 18 über ein Einlinsen-System 24. Der Abbildungsmaßstab bleibt bei einer Veränderung des Abstandes 19 jedoch dann nicht konstant. Diese Vorrichtung 8 lässt sich besonders einfach technisch realisieren.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 8 zur Durchführung einer optischen Inspektion einer Probenoberfläche 4 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Insbesondere unterscheidet sich das dritte Ausführungsbeispiel von den bisher vorgestellten durch eine Variation des Einfallswinkels α um einen kleinen Betrag γ. Hierdurch entsteht eine Verschiebung des Schattenbildes 18 und damit ein örtlicher Scan entlang der Höhenausdehnung γ der Probenoberfläche 4. Die Verschiebung kann entweder mittels mehrerer örtlich versetzter Strahlungsquellen 14, indem diese beispielsweise sequentiell durchgeschaltet werden oder durch eine bewegliche Strahlungsquelle 14 erzeugt werden. Durch die Variation des Einstrahlwinkels α erfolgt eine Verschiebung des Auflichtschattens 18 auf der x-y-Ebene, die von der Aufnahmevorrichtung 2 aufgezeichnet werden kann.
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5 verdeutlicht in einer Detailansicht der Probenoberfläche 4 die Änderung des Einstrahlwinkels α der Vorrichtung 8 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Dadurch, dass die Strahlungsquelle 14 örtlich versetzt wird, ändert sich der Einstrahlwinkel um den Winkelbetrag γ. Somit verändert sich der Winkel –α, –α – γ der reflektierten Strahlung 26. Als Folge dieses Effekts verändert der Auflichtschatten 18 seine Form und/oder seine Position bei einer Änderung des Einstrahlwinkels α. Da der Auflichtschatten 18 beispielsweise von Unebenheiten oder fehlerhaften Flächenbereichen 6 verursacht wird, können diese 6 durch eine Variation des Einstrahlwinkels α besonders einfach detektiert werden.
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In den 6 und 7 sind Detailansichten von Probenoberflächen 6 dargestellt, die mit einer konvergierenden Strahlung 12 (6) bzw. mit einer divergierenden Strahlung 12 (7) beaufschlagt werden gemäß einem vierten und fünften Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 8 zur Durchführung einer optischen Inspektion einer Probenoberfläche 4. Insbesondere kann durch die Abweichung der einfallenden Strahlung 12 von der parallelen Form eine Veränderung des Maßstabes des Auflichtschattens 18 gegenüber der ursprünglichen Probenoberfläche 4 über die Veränderung eines Divergenzwinkels μ der Strahlenquelle 14 hervorgerufen werden. Hierdurch kann beispielsweise auch die Maßstabsänderung bei beispielsweise einlinsigen Abbildungssystemen bei einer Änderung deren Abstandes von der Probenoberfläche 4 kompensiert werden.
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Bei den hier geschilderten Ausführungsbeispielen wird davon ausgegangen, dass eine Fokusebene der Aufnahmevorrichtung 2 im Bereich des Auflichtschattens 18 liegt.
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Offenbart ist ein Verfahren zur Durchführung einer optischen Inspektion einer Probenoberfläche, wobei zumindest ein Abschnitt der Probenoberfläche mit Strahlung unter einem Einstrahlwinkel beaufschlagt wird und reflektierte oder transmittierte Strahlung aufgezeichnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte oder transmittierte Strahlung zumindest teilweise aufgezeichnet und der Einstrahlwinkel im Verlauf der Inspektion variiert wird, wobei die Fokusebene der Aufzeichnung außerhalb der Probenoberfläche eingestellt wird. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik
- 2
- Aufnahmevorrichtung
- 4
- Probenoberfläche
- 6
- Fehlstellen/Unebenheiten
- 8
- Vorrichtung erfindungsgemäß
- 10
- Abschnitt der Probenoberfläche
- 12
- Strahlenbündel/Strahlung
- 14
- Strahlenquelle
- 16
- Kolimatorlinse
- 18
- Auflichtschatten
- 19
- Abstand des Auflichtschattens
- 20
- optisches System
- 22
- CCD-Sensor/Kamera
- 24
- Einlinsen-System
- 26
- reflektierte Strahlung
- α
- Einstrahlwinkel
- –α
- Reflektionswinkel
- β
- Aufnahmewinkel
- γ
- Änderung eines Winkels
- μ
- Divergenzwinkel der Strahlenquelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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