DE102019131693A1

DE102019131693A1 - Messgerät zur untersuchung einer probe und verfahren zum bestimmen einer höhenkarte einer probe

Info

Publication number: DE102019131693A1
Application number: DE102019131693.6A
Authority: DE
Inventors: Manuel Amthor; Daniel Haase; Dominik STEHR
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-05-27
Also published as: CN112833812A; CN112833812B; US20210156669A1; US11168976B2

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Höhenkarte (10D) einer Probe (10) umfasst die folgenden Schritte: Erhalten von Höhenmessdaten der Probe (10); Erhalten eines Übersichtsbildes (10A) der Probe (10); Identifizieren bestimmter Bildbereiche (11A, 12A, 13A, 14A) im Übersichtsbild (10A); Ableiten von Kontextinformationen zu identifizierten Bildbereichen (11A, 12A, 13A, 14A); und Ergänzen oder Verändern der Höhenmessdaten mit Hilfe der Kontextinformationen. Zudem wird ein Messgerät beschreiben, welches zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Messgerät zur Untersuchung einer Probe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Höhenkarte einer Probe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Ein gattungsgemäßes Messgerät zur Untersuchung einer Probe, beispielsweise ein Mikroskop oder ein Koordinatenmessgerät, umfasst eine Untersuchungseinrichtung zum Untersuchen der Probe. Die Untersuchungseinrichtung kann insbesondere ein Objektiv oder einen taktilen Messkopf umfassen. Außerdem umfasst ein gattungsgemäßes Messgerät eine Übersichtseinrichtung, welche eingerichtet ist zum Aufnehmen von Höhenrohmessdaten der Probe und zum Erzeugen eines Übersichtsbildes der Probe. Eine Recheneinrichtung des Messgeräts ist dazu eingerichtet, Höhenmessdaten aus den Höhenrohmessdaten zu berechnen.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen einer Höhenkarte einer Probe umfasst zumindest die Schritte: Erhalten von Höhenmessdaten der Probe und Erhalten eines Übersichtsbildes der Probe.
Um eine Probe präzise zu untersuchen, ist häufig ein verhältnismäßig kleiner Abstand zwischen der Probe und der Untersuchungseinrichtung notwendig. Beispielsweise soll oftmals die Probe nur wenige Millimeter von einem Objektiv der Untersuchungseinrichtung entfernt sein. Gerade wenn die Probe eine Höhenstruktur aufweist, ist eine gewisse Kenntnis dieser Höhenstruktur sinnvoll, um einen Zusammenstoß zwischen einer Komponente der Untersuchungseinrichtung und der Probe zu verhindern. Insbesondere zu diesem Zweck werden Höhenmessdaten und/oder ein Übersichtsbild vorab gewonnen. Die Höhenmessdaten und/oder das Übersichtsbild können zum Einstellen einer Relativposition zwischen der Probe und der Untersuchungseinrichtung genutzt werden. Ein allgemeines Ziel besteht daher darin, mit der Übersichtseinrichtung möglichst präzise Höhenmessdaten und/oder ein möglichst präzises Übersichtsbild der Probe erhalten zu können.
Zu untersuchende Proben können jedoch Bereiche haben, welche bei typischen Messtechniken häufig zu fehlerhaften Höhenmessdaten oder zu einem Fehlen von Höhenmessdaten führen. Dies kann insbesondere der Fall sein bei spiegelnden oder transparenten Bereichen, an welchen Messlicht nicht in der für das Messprinzip nötigen Weise zurückgeworfen wird. Wird ein Probenbereich durch andere Objekte verdeckt, fehlen Höhenmessdaten oder eventuell werden fälschlicherweise die Höhenmessdaten des benachbarten Objekts für diese Probenbereich erfasst. Probenbereiche mit kleiner Ausdehnung drohen übersehen zu werden. Auch bei Probenbereichen mit wenig Kontrast oder Struktur kann es zu fehlerhaften Höhenmessdaten kommen.
Herkömmlicherweise müssen Anwender daher regelmäßig eine ermittelte Höhenkarte manuell mittels Editier-Software überarbeiten, z.B. durch Löschen nicht relevanter Daten oder durch Auffüllen von nicht gemessenen Probenpunkten durch Interpolation.
Bekannte Techniken erfordern entweder aufwändige manuelle Tätigkeiten auf Seiten des Anwenders oder liefern im Fall automatisch korrigierter Höhenkarten verbesserungswürdige Ergebnisse.
Hieraus resultiert auch, dass häufig zur Vermeidung einer Kollisionen zwischen der Untersuchungseinrichtung und der Probe ein globaler Sicherheitsabstand aufgezwungen wird. Die Untersuchungseinrichtung (beispielsweise ein Objektiv) muss in diesem Fall stets den Sicherheitsabstand einhalten. Ein automatisch verstellbarer Probentisch darf die Probe nicht näher als den Sicherheitsabstand zum Objektiv hin fahren. Dies führt teilweise zu nicht zufriedenstellenden Ergebnissen in der Benutzung oder hinsichtlich Auflösung und Kontrast.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, ein Messgerät und ein Verfahren anzugeben, welche eine qualitativ möglichst hochwertige Höhenkarte erzeugen können.
Diese Aufgabe wird durch das Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
Vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Messgeräts und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung erläutert.
Bei dem Messgerät der oben genannten Art ist erfindungsgemäß die Recheneinrichtung eingerichtet zum:

Identifizieren bestimmter Bildbereiche im Übersichtsbild;
Ableiten von Kontextinformationen zu identifizierten Bildbereichen; und
Ergänzen oder Verändern der Höhenmessdaten mit Hilfe der Kontextinformationen.

Bei dem Verfahren der oben genannten Art sind erfindungsgemäß zumindest die folgenden Schritte vorgesehen:

Anschließend kann eine Höhenkarte der Probe mit den ergänzten oder veränderten Höhenmessdaten gebildet werden.
Es können demnach mit der Erfindung in einem Übersichtsbild bestimmte Objekte oder Objektarten als solche identifiziert werden. Aus der Kenntnis der Objekte oder Objektarten werden Kontextinformationen, welche die Höhe der identifizierten Bildbereiche betreffen, ermittelt. Mit Hilfe dieser aus dem Übersichtsbild gewonnenen Informationen können sodann eine Höhenmesskarte bzw. die Höhenmessdaten zur Erzeugung einer Höhenmesskarte korrigiert oder ergänzt werden. Zum Beispiel kann als bestimmter Bildbereich ein Schatten oder ein spiegelnder Objektteil erkannt werden, für welchen keine Höhenmessdaten oder keine plausiblen Höhenmessdaten gewonnen wurden. Ein Ergänzen von Höhenmessdaten für den Bildbereich des Schattens oder der Spiegelung erfolgt nun nicht einfach dadurch, dass die Höhenmesswerte zu allen benachbarten Bildteilen interpoliert würden. Vielmehr können die Kontextinformationen beispielsweise Objektgrenzen angeben, so dass bei einer Spiegelung nur Höhenmesswerte zu benachbarten Bildteilen, die auch zum selben Objekt gehören, für ein Ergänzen von Höhenwerten durch Interpolation genutzt werden. Hingegen werden Höhenmesswerte anderer benachbarter Bildteile, die außerhalb der Objektgrenze mit der Spiegelung liegen, nicht für die Interpolation von Höhenmesswerten genutzt. Auch bei Identifizierung eines Schattens ist leicht verständlich, dass die Kontextinformationen angeben können, wo ein schattenspendendes Objekt ist und wo ein Untergrund liegt, auf den der Schatten geworfen wird. Dadurch können, sofern eine Interpolation von Höhenmesswerten bestimmter benachbarter Bildteile erfolgt, die Kontextinformationen vorgeben, von welchen benachbarten Bildteilen die Höhenmesswerte zum Auffüllen von Höhenwerten des Bildbereichs des Schattens genutzt werden. Die Identifizierung von Schatten und Spiegelungen wurde zum leichteren Verständnis der Erfindung beschrieben und stellt nur eine optionale Erfindungsvariante dar.
Beispielhaft kann das Erhalten von Höhenmessdaten der Probe ein Empfangen von Höhenmessdaten von einer Übersichtseinrichtung umfassen oder auch das Laden von früher aufgenommenen Höhenmessdaten aus einem Speicher. Zudem kann das Erhalten von Höhenmessdaten das Empfangen von Höhenmessdaten von einer Recheneinrichtung umfassen, welche die Höhenmessdaten aus gemessenen Rohdaten berechnet. Höhenmessdaten können auch als Höhenprofilmessdaten oder als 3D-Rekonstruktionsdaten bezeichnet werden.
Optional umfasst das erfindungsgemäße Verfahren auch das Aufnehmen von Höhenrohmessdaten mit einer Übersichtseinrichtung. Die Übersichtseinrichtung kann in prinzipiell beliebiger Weise zum Aufnehmen von taktilen Rohmessdaten oder optischen Rohmessdaten zur berührungslosen Topografie-Erfassung einer Probe gestaltet sein.
Die Übersichtseinrichtung kann insbesondere eine oder mehrere Kameras oder Kamerachips umfassen. Aus den Rohmessdaten der Kamera(s) werden sodann die Höhenmessdaten gewonnen. Je nach Messprinzip können eine oder mehrere Kameras bevorzugt sein. Eine einzige Kamera genügt insbesondere bei einer Muster-Projektion, bei welcher z.B. Lichtstreifen oder Lichtpunktmuster auf die Probe geleitet werden, beispielsweise gemäß SLAM-Verfahren (SLAM: Simultaneous Localization and Mapping). Werden Bilder mit mehreren Kameras aufgenommen, die in verschiedenen Beobachtungswinkeln auf die Probe gerichtet sind, können auch aus Unterschieden zwischen diesen Bildern Höhenmesswerte gewonnen werden, ohne dass eine spezielle Beleuchtung nötig wäre. Prinzipiell kann ein Detektor oder eine Kamera der Übersichtseinrichtung auch identisch sein mit einem Detektor / einer Kamera der Untersuchungseinrichtung. In diesem Fall unterscheiden sich übrige Komponenten der Übersichts- und Untersuchungseinrichtung, wodurch ein lateraler Messbereich des Detektors / der Kamera bei Nutzung als Übersichtseinrichtung größer ist als ein lateraler Messbereich des Detektors / der Kamera bei Nutzung als Untersuchungseinrichtung. Insbesondere im Fall eines Mikroskops können hierzu verschiedene Objektive verwendet werden, wobei die Untersuchungseinrichtung ein Objektiv mit größeren Abbildungsmaßstab verwendet als die Übersichtseinrichtung.
Das Messgerät kann beispielsweise ein Koordinatenmessgerät oder ein Mikroskop sein, beispielsweise ein Elektronen- oder Ionenmikroskop oder ein Lichtmikroskop, wobei zur Beleuchtung ein prinzipiell beliebiger Spektralbereich von Infrarotlicht bis UV-Licht oder auch bis Röntgenlicht in Betracht kommt. Die Erfindung ist nicht auf spezielle Einsatzgebiete beschränkt und dadurch kann es sich bei der Probe um prinzipiell beliebige Objekte handeln. Beispielsweise kann die Erfindung in der Messinspektion, der Fertigungsüberwachung oder der Untersuchung mikroskopischer Proben, insbesondere in den Life Sciences oder der Chip-Überprüfung, eingesetzt werden. Im Fall eines Metrologiesystems, mit dem eine Form und/oder Lage eines zu untersuchenden Werkstücks ermittelt werden soll, erlaubt die erfindungsgemäße Bestimmung einer Höhenkarte mittels der Übersichtseinrichtung eine schnellere Erfassung und somit stark verkürzte Durchlaufzeit.
Zur Erfassung von Höhenrohmessdaten kann unter anderem ein optischer Triangulations-Liniensensor eingesetzt werden oder ein chromatischer Weißlichtsensor bzw. ein konfokaler (Weißlicht-)Sensor, bei dem durch eine chromatische Längsaberration Foki verschiedener Lichtwellenlängen an verschiedenen Höhen erzeugt werden. Auch eine Lasertriangulation, eine Interferometrie, eine Fokusvariation in Höhenrichtung sind möglich. Je nach Messprinzip ist für die Aufnahme der Höhenrohmessdaten und/oder des Übersichtsbildes keine Beleuchtungslichtquelle nötig. Auch können Stereo- oder Multi-Kamera-Systeme genutzt werden, bei denen aus Unterschieden der mehreren aufgenommenen Bildern Höhenmessdaten ableitbar sind. Die Kameras können aus verschiedenen Winkeln die Probe beobachten und/oder durch unterschiedliche Brennweiten verschiedene Höhenrohmessdaten liefern. Auch Kombinationen der vorgenannten Optionen können als Übersichtseinrichtung eingesetzt werden.
Die Untersuchungseinrichtung kann optisch oder taktil arbeiten und z.B. durch ein Koordinatenmessgerät gebildet sein. Dieses kann einen taktilen Rauheitssensor umfasst oder einen Differentialtransformator, bei dem eine Wegemessung mithilfe eines linear variablen Differential-Transformators (LVDT) erfolgt.
Das Übersichtsbild kann optional aus oder mit Hilfe der Höhenmessdaten oder Höhenrohmessdaten gebildet beziehungsweise berechnet werden. Das Übersichtsbild und die Höhenmessdaten können somit zumindest teilweise mit derselben Messvorrichtung aufgenommen sein. Alternativ können auch voneinander getrennte Messvorrichtungen (welche zusammen als Übersichtseinrichtung bezeichnet werden) die Höhenrohmessdaten und das Übersichtsbild aufnehmen. So kann das Übersichtsbild mit einer Übersichtskamera aufgenommen werden, welche zusätzlich zu einer Kamera für die Aufnahme der Höhenrohmessdaten vorhanden ist, oder alternativ kann diese Übersichtskamera auch zum Aufnehmen von Höhenrohmessdaten dienen. Im Fall mehrerer vorhandener Kameras kann eines der aufgenommenen Bilder als Übersichtsbild verwendet werden, während alle Bilder für die Gewinnen von Höhenmessdaten genutzt werden. Weiterhin ist es möglich, dass das Übersichtsbild aus einem oder mehreren mit einer Übersichtskamera aufgenommenen Rohbildern berechnet wird. Beispielsweise können mehrere lateral versetzte Rohbilder zu einem Übersichtsbild zusammengesetzt werden (image stitching).
Bevorzugt ist das Übersichtsbild relativ zu den Höhenmessdaten räumlich kalibriert. So kann ein Sichtfeld einer Übersichtskamera räumlich kalibriert sein relativ zu Komponenten der Übersichtseinrichtung, welche die Höhenmessdaten aufnehmen. Dadurch ist bekannt, mit welchen Höhenmessdaten ein Pixel im Übersichtsbild zusammenhängt, gegebenenfalls bei Kenntnis oder Annahme eines Abstands der Probe zur Übersichtskamera bzw. zu übrigen Komponenten der Übersichtseinrichtung. Dies erlaubt, aus einer Lokalisierung eines identifizierten Bildbereichs auf eine zugehörige Position in der Höhenkarte zu schließen. Werden mit Hilfe der Kontextinformationen zu einem identifizierten Bildbereich Höheninformationen gewonnen, ist somit bekannt, welche Höhenmessdaten hierdurch ersetzt oder verändert werden sollen.
Eine Kalibrierung kann zusätzlich oder alternativ auch zwischen der Übersichtseinrichtung und der Untersuchungseinrichtung vorliegen. Hierdurch ist die Lage einer Höhenkarte, die mit Hilfe der Übersichtseinrichtung berechnet wird, relativ zur Untersuchungseinrichtung bekannt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Höhenkarte verwendet wird, um eine Relativposition zwischen der Probe und der Untersuchungseinrichtung eingestellt wird. Die Höheninformationen der Höhenkarte dienen hierbei dem Einstellen des Abstands von der Untersuchungseinrichtung zur Probe. Anschließend kann ein Untersuchen der Probe mittels der Untersuchungseinrichtung an der eingestellten Relativposition erfolgen. Die genannte Höhenkarte ist hierbei in erfindungsgemäßer Weise auf Basis der mit Hilfe des Übersichtsbildes ergänzten oder veränderten Höhenmessdaten erstellt.
Zu den im Übersichtsbild identifizierten Bildbereichen werden Kontextinformationen ermittelt, aus denen Höheninformationen gewonnen werden. Diese können direkte/absolute Höhendaten sein, durch welche Höhenmessdaten ersetzt oder ergänzt werden können. Wird beispielsweise ein Objekt (etwa eine bestimmte elektronische Baugruppe) auf einem Untergrund identifiziert und sind die Höhe der elektronischen Baugruppe sowie die Lage des Untergrunds bekannt, so können die Höheninformationen direkt die Höhe angeben. Alternativ können die mit Hilfe der Kontextinformationen gewonnenen Höheninformationen relative Höheninformationen angeben, beispielsweise die bekannte Höhe einer identifizierten Baugruppe relativ zur nicht bekannten Höhe eines Untergrunds. Als weiteres Beispiel können relative Höheninformationen eine Höhe des Objekts des identifizierten Bildbereichs relativ zu einem benachbarten Bildbereich angeben, insbesondere dass eine identifizierte spiegelnde Fläche die gleiche Höhe hat wie ein bestimmter benachbarter Bildbereich.
Die bestimmten Bildbereiche, die im Übersichtsbild identifiziert werden, können kritische Bildbereiche umfassen, welche eines oder mehreres aus Folgendem sind: Schatten, Spiegelungen, transparente Bereiche und/oder hochabsorbierende Bereiche. Bei hochabsorbierenden Bereichen wird wenig Messlicht zurückgeworfen, so dass optische Messungen häufig keine oder fehlerhafte Höhenmessdaten zu diesen Bereichen liefern. Als hochabsorbierend kann ein Bereich definiert sein, dessen Pixelhelligkeit im Übersichtsbild unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt. Ein zu identifizierender kritischer Bildbereich kann auch vorliegen, wenn ein Objekt unter einer vorgegebenen Mindestgröße erkannt wird: In diesem Fall ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass keine zuverlässigen Höhenmessdaten erfasst werden, so dass Höheninformationen für diesen kritischen Bildbereich aus dem Übersichtsbild abgeleitet und in der Höhenkarte ergänzt werden.
Das Identifizieren bestimmter Bildbereiche im Übersichtsbild kann bei bevorzugten Erfindungsvarianten ein Lokalisieren dieser Bildbereiche umfassen, beispielsweise in Form einer Liste von gefundenen Objektformen oder indem jedem Bildpixel ein bestimmter Wert zugeordnet wird, wobei jedem gefundenen Objekt ein anderer Wert zugeordnet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Ableiten von Kontextinformationen zu lokalisierten Bildbereichen eine Typenermittlung dieser Bildbereiche umfassen. Die Typenermittlung kann beispielsweise angeben, ob oder was für ein kritischer Bildbereich vorliegt, beispielsweise ein Schatten, eine Spiegelung oder ein transparentes Objekt. Der ermittelte Typ kann auch als Semantik des Bildbereichs bezeichnet werden.
Es kann bevorzugt sein, dass das Ergänzen oder Verändern der Höhenmessdaten mit Hilfe der Kontextinformationen abhängig vom Typ eines lokalisierten Bildbereichs erfolgt. Je nach Typ können verschiedene Regeln hinterlegt sein, wie Höheninformationen für diesen Bildbereich gewonnen werden, beispielsweise können Schatten, Spiegelungen und transparente Bereiche jeweils unterschiedlich behandelt werden. Insbesondere kann bei Bewerten eines Bildbereichs als Typ „Schatten“ als nächstes identifiziert werden (per Bildanalyse), welche hierzu benachbarten Bildbereiche einem schattenhervorrufenden Objekt und welche benachbarten Bildbereiche einem Untergrund entsprechen. Das Ableiten von Höheninformationen für den Bildbereich des Typs „Schatten“ kann nun aus den benachbarten Bildbereichen erfolgen, die einem Untergrund entsprechen (und nicht dem schattenhervorrufenden Objekt). Alternativ oder zusätzlich kann das Ableiten von Höheninformationen für den Bildbereich des Typs „Schatten“ mit Hilfe vorliegender Höheninformationen zu dem Typ des schattenhervorrufenden Objekts erfolgen. So kann eine Form des schattenhervorrufenden Objekts bekannt sein, woraus die Höhe des abgeschatteten Bereichs ableitbar sein kann, beispielsweise wenn eine hervorstehende elektronische Baugruppe einen Schatten wirft und bekannt ist, dass eine mit dieser elektronischen Baugruppe assoziierte Komponente (bspw. ein Kontaktpin) sich neben der Baugruppe an einer Stelle befindet, welche vom Schatten getroffen wird. In einem solchen Fall wird eine Höheninformation des abgeschatteten Bereichs weder durch Mittelung/Extrapolation von Höhenmessdaten des schattenspendenden Objekts noch durch Mittelung/Extrapolation von Höhenmessdaten des Untergrunds gewonnen. Vielmehr werden aus dem identifizierten Objekttyp Höheninformationen abgeleitet.
Bei Bewerten eines Bildbereichs als Typ „spiegelnd“ kann es bevorzugt sein, dass die Höhenmessdaten, die diesem Bildbereich entsprechen, nicht in die Höhenkarte eingehen. Dem liegt die Annahme zugrunde, dass bei einem spiegelnden Probenbereich, wenn überhaupt, nur verfälschte Höhenmessdaten gewonnen werden. Sofern möglich, werden außerdem aus dem Übersichtsbild Kontextinformationen zu diesem spiegelnden Bereich oder zu benachbarten/umgebenden Bildbereichen gewonnen, die ein Ergänzen von Höhendaten erlauben. Wie bereits genannt, können beispielsweise die Kontextinformationen angeben, dass ein vorbekannter Objekttyp erkannt wurde und die spiegelnde Fläche auf gleicher Höhe wie andere Teile des identifizierten Objekts liegt oder in bekannter Weise von der Höhe der anderen Teile des identifizierten Objekts abweicht.
Idealerweise werden aus dem Übersichtsbild Informationen abgeleitet, um die Höhenmessdaten zu verbessern. Je nach Probe kann es aber auch vorkommen, dass zwar das Vorhandensein bestimmter Objekte erkannt wird, aber keine Höheninformation zu diesen Objekten aus dem Übersichtsbild abgeleitet werden kann. In diesem Fall kann es hilfreich sein, wenn eine Information über das Vorhandensein eines Objekts ausgegeben und optional automatisiert weiter genutzt wird. Es kann vorgesehen sein, dass zunächst abhängig von Kontextinformationen bzw. vom Typ eines identifizierten Bildbereichs bewertet wird, ob Höheninformationen für diesen Bildbereich aus dem Übersichtsbild ableitbar sind. Im Fall, dass keine Höheninformationen ableitbar sind, kann eine Warninformation ausgegeben werden, dass zu diesem Bildbereich keine Höheninformationen ableitbar sind. Die Warninformation kann entweder einem Nutzer ausgegeben werden, beispielsweise durch Darstellung auf einem Bildschirm, oder als Signal an eine Recheneinrichtung weitergegeben werden, um insbesondere weitere Steuerungen automatisiert durchzuführen, wie später näher beschrieben.
Beispielsweise können Bildanalyseverfahren nach Verzerrungen im Bild eines strukturierten Objekts (beispielsweise eines Schachbrettmusters) suchen, welche charakteristisch für Linsen sind. Wird eine solche Bildverzerrung gefunden, kann auf die Anwesenheit einer transparenten Linse oder eines optisch aktiven Elements geschlossen werden. Eventuell kann aus der Verzerrung auch ein Krümmungsradius die gesamte Objektoberfläche abgeleitet werden.
Im Fall, dass ein Bildbereich als Typ „transparentes Objekt“ identifiziert wird und keine Höheninformationen zu diesem transparenten Objekt ableitbar sind, kann die Warninformation dementsprechend angeben, dass ein Objekt vorliegt, dessen Höhe jedoch unbekannt ist. In ähnlicher Weise kann eine Warninformation bei einem kleinen unbekannten Objekt ausgegeben werden, dessen geringe Größe unter einem vorgegebenen Schwellwert es wahrscheinlich macht, dass keine Höhenmessdaten hierzu gewonnen werden.
Basierend auf der Warninformation kann eine andere Funktion des Messgeräts gestartet oder beeinflusst werden. Dies kann beispielsweise einen Sicherheitsabstand betreffen, welchen ein Teil des Untersuchungseinrichtung (beispielsweise ein Mikroskopobjektiv) zur Probe einhalten muss. Bei einem verfahrbaren Probentisch wird vorgegeben, dass keine Probentischposition angefahren werden darf, durch die der Sicherheitsabstand unterschritten würde. Eine Kollision mit der Probe wird durch den Sicherheitsabstand vermieden. Im Fall einer Warninformation kann beispielsweise der Sicherheitsabstand vergrößert werden (im Vergleich zum Fall, dass keine Warninformation vorliegt), so dass bei größerer Unsicherheit bezüglich der Probenhöhe auch ein größerer Sicherheitsabstand gewählt wird.
Im Fall, dass zu einem Bildbereich keine Höheninformationen ableitbar sind, und/oder im Fall, dass ein Bildbereich als Typ „transparentes Objekt“ identifiziert wird, wird vorzugsweise ein von der Untersuchungseinrichtung einzuhaltender Sicherheitsabstand an einem Probenbereich, welchem dem vorgenannten Bildbereich entspricht, erhöht. Hierbei gibt es nicht einen globalen Sicherheitsabstand, sondern einen je nach Probenbereich verschieden gewählten Sicherheitsabstand. Im vorgenannten Fall wird der Sicherheitsabstand im Vergleich zu übrigen Probenbereichen erhöht. Dadurch wird sichergestellt, dass an Probenbereichen, deren Höhe verhältnismäßig sicher bekannt ist, sich ein Teil (z.B. ein Objektiv) der Untersuchungseinrichtung sehr nah an der Probe befinden darf, während an anderen Probenteilen, deren Höhe weniger sicher bekannt oder überhaupt nicht bekannt ist, ein größerer Sicherheitsabstand einzuhalten ist.
Die Höhenmessdaten können auch danach bewertet werden, an welchen Orten fehlerhafte Daten wahrscheinlich sind, so dass anschließend gezielt für diese Orte Höheninformationen aus dem Übersichtsbild abgeleitet werden. Bei dieser Variante erfolgt zunächst ein Bewerten der Höhenmessdaten oder ein Bewerten von Rohdaten der Höhenmessdaten danach, wo Problembereiche vorliegen, insbesondere Bereiche, in denen eine Inkonsistenz von Höhenmessdaten, ein invalider Höhenwert oder eine für eine Spiegelung charakteristische Erscheinung / Signalcharakteristik identifiziert wird. Das bereits beschriebene Identifizieren bestimmter Bildbereiche im Übersichtsbild umfasst nun ein Identifizieren von Bildbereichen, die den Problembereichen räumlich entsprechen, insbesondere eine Erkennung einer Semantik oder eines Objekttyps mittels Bildanalyse. Bei dieser Variante kann optional vorgesehen sein, dass aus dem Übersichtsbild allein für Bildbereiche, die zuvor ermittelten Problembereichen räumlich entsprechen, Höheninformationen abgeleitet und zum Ergänzen der Höhenmessdaten verwendet werden.
Optional erfolgt ein Klassifizieren des Übersichtsbildes oder von Übersichtsbildteilen, insbesondere mit einem trainierten Maschinenlernalgorithmus. Eine Klassifikation kann beispielsweise eine Probengattung mit spiegelnder Oberfläche angeben, etwa eine Leiterplatte oder Elektronik mit spiegelnden Komponenten, z.B. Kondensatorbereichen oder elektrischen Kontakten. Außer einem Objekttyp zu einem bestimmen Bildbereich (z.B. Kondensator), wird also auch ermittelt, um was für eine größere Einheit oder Probenart es sich handelt. Sodann erfolgt ein Ableiten aus der Klassifizierung und der Typenermittlung eines bestimmten Bildbereichs, ob Höheninformationen für den bestimmten Bildbereich aus anderen Bildbereichen (und aus welchen Bildbereichen) ermittelbar sind. Ist dies der Fall, werden Höheninformationen abgeleitet und für die Höhenkarte aus den Höhenmesswerten genutzt.
Bei einer Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass für jeden Punkt der Höhenkarte ein Gütemaß berechnet, um Fehlerquellen wie Rauschen, Reflexe, Verschmutzungen, fehlerhafte Kalibrierung etc. zu erkennen. Das Gütemaß drückt aus, wie hoch eine Übereinstimmung zwischen einer Höheninformation, die aus Kontextinformationen zu einem identifizierten Objekt abgeleitet wird, und einem hierzu aufgenommenen Höhenmesswert ist.
Eine Plausibilitätsüberprüfung von Höhenmessdaten kann optional folgendermaßen durchgeführt werden: Aus dem Übersichtsbild werden Höheninformationen für bestimmte oder alle Bildbereiche geschätzt. Die Höheninformationen können dabei absolute Höhenwerte, relative Höhenwerte relativ zu anderen Probenbereichen, erlaubte Höhenwertebereiche für einzelne Probenbereiche oder einen globalen erlaubten Höhenwertebereich für alle Höhenmesswerte angeben. Sodann erfolgt eine Plausibilitätsüberprüfung der Höhenmessdaten mit Hilfe der Höheninformationen aus dem Übersichtsbild. Weichen einzelne Höhenmessdaten zu stark (beispielsweise um mehr als ein vorgegebener Schwellwert) von den Höheninformationen bzw. hiermit gewonnenen Höhenwerten ab, so kann ein Signal ausgegeben werden, dass diese Höhenmessdaten nicht plausibel sind. Die Information kann dem Nutzer angezeigt werden, es kann ein graphisches Korrekturwerkzeug dem Nutzer angezeigt werden zum manuellen Korrigieren der Höhenmesswerte (wobei als nicht plausibel eingestufte Werte markiert sind) oder es kann eine automatische Korrektur erfolgen, insbesondere mittels der aus dem Übersichtsbild gewonnenen Höheninformationen.
Das Übersichtsbild kann auch durch mehrere Teilbilder zusammengesetzt sein oder durch mehrere separat vorliegende Teilbilder gebildet sein. Für die Funktionsweise der Erfindung ist es nicht zwingend erforderlich, dass die mehreren Teilbilder zu einem Bild zusammengefügt werden; vielmehr können diese auch jeweils separat in der beschriebenen Weise analysiert werden.
Die offenbarten Schritte bezüglich des Übersichtsbildes, insbesondere das Identifizieren von bestimmten Bildbereichen und Ableiten von Kontextinformationen, kann mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgen. Die Recheneinrichtung kann entsprechende Bildverarbeitungsalgorithmen umfassen bzw. zu deren Ausführung eingerichtet sein. Die Recheneinrichtung kann durch einen neben der Übersichtseinrichtung befindlichen Computer gestaltet sein oder alternativ zumindest teilweise durch einen entfernt befindlichen Server oder Computer. Beschriebene Verfahrensschritte können auch durch Software ausgeführt werden, welche in der Recheneinrichtung bzw. einem hiermit verbundenen Speicher gespeichert ist. Die Software kann Maschinenlernalgorithmen umfassen, insbesondere Deep-Learning-Verfahren (Convolutional Neural Networks) für die Bildanalyse. Für eine Klassifikation, Segmentierung und Objektdetektion können auch jeweils eigene Maschinenlernalgorithmen verwendet werden. Diese können durch überwachte oder unüberwachte Lernverfahren trainiert werden. Bei überwachten Lernverfahren wird ein Trainingsdatensatz annotiert, z.B. werden Probentypen klassifiziert oder kritische Oberflächen markiert. Kritische Bereiche können in den Trainingsdaten segmentiert und einem Typ zugeordnet sein, z.B. spiegelnd, transparent oder stark absorbierend. Die Vorgabe, was für Bildbereiche oder kritische Bereiche in Bildern identifiziert werden sollen, kann somit in einem Trainingsvorgang eines Maschinenlernalgorithmus eingelernt werden. Auch zur Detektion von Reflexion im Übersichtsbild oder in der berechneten Höhenkarte kann ein Algorithmen mit entsprechenden Trainingsdaten angelernt sein. Bei unüberwachtem Lernen kann ein Algorithmus mit Trainingsdaten (Messdaten oder simulierten Daten) angelernt werden, welche günstig reflektierende Probenbereiche zeigen. Anschließend liefern spiegelnde oder transparente Bereiche (welche nicht in den Trainingsdaten enthalten waren) ein untypisches Ergebnis, woraus der angelernte Algorithmus auf das Vorliegen eines kritischen Bereichs schließen kann.
Beschreibungen zu Bildbereichen, beispielsweise eine Typenermittlung identifizierter Bildbereiche, soll so verstanden werden, dass dies zumindest für einige der Bildbereiche zutrifft (und optional für alle Bildbereiche). Erfolgt eine Typenermittlung identifizierter Bildbereiche, kann dies demnach bedeuten, dass der Typ von zumindest einem der Bildbereiche ermittelt wird, während es auch andere Bildbereiche geben kann, bei denen keine Typenermittlung erfolgt oder möglich ist.
Die als zusätzlichen Merkmale des Messgeräts beschriebenen Eigenschaften ergeben bei bestimmungsgemäßer Verwendung auch Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens. In umgekehrter Weise kann das Messgerät, insbesondere dessen Recheneinrichtung, auch zum Ausführen der beschriebenen Verfahrensvarianten eingerichtet sein.
Figurenliste
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben:

1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Messgeräts der Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Messgeräts der Erfindung;
3A ein Übersichtsbild einer Probe;
3B eine Höhenkarte der Probe;
3C ein Bildverarbeitungsergebnis zum Übersichtsbild aus 3A;
3D die Höhenkarte aus 3B nach Veränderung oder Ergänzung von Höhenwerten;
4A ein Übersichtsbild einer Probe;
4B eine Höhenkarte der Probe;
4C ein Bildverarbeitungsergebnis zum Übersichtsbild aus 4A; und
5 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Gleiche und gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiel eines Messgeräts
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgeräts 100, welches hier als Mikroskop gestaltet ist, und eine Übersichtseinrichtung 30 umfasst.
Mit der Übersichtseinrichtung 30 soll eine Höhenvermessung einer Probe 10 erfolgen, um eine Höhenkarte der Probe 10 zu bestimmen. Unter einer Höhenkarte soll verstanden werden, dass für verschiedene, lateral zueinander versetzte Oberflächenbereiche der Probe 10 jeweils ein Höhenwert erfasst ist. Ein entsprechender Datensatz wird als Höhenkarte bezeichnet, wobei eine graphische Darstellung der Höhenkarte optional ist.
Das Messgerät 100 weist ein Untersuchungseinrichtung 20 auf, welche ein Objektiv 21 und eine Kamera 22 umfasst und auch weitere optische Komponenten umfassen kann. Das Objektiv 21 ist so angeordnet, dass es von der Probe 10 kommendes Licht (Detektionslicht) zur Kamera 22 leitet.
Die Übersichtseinrichtung 30 umfasst mindestens eine Kamera 31, 32. Zumindest eine der Kameras 31, 32 dient dem Aufnehmen eines Übersichtsbilds der Probe 10 und kann entsprechend als Übersichtskamera bezeichnet werden. Gestrichelt sind Sichtbereiche der beiden Kameras 31, 32 dargestellt.
Zur Beleuchtung der Probe 10 umfasst das Messgerät 100 eine Lichtquelle 1. Beleuchtungslicht kann insbesondere sichtbares Licht, IR-Licht, UV-Licht oder auch andere elektromagnetische Strahlung anderer Spektralbereiche sein. Im dargestellten Beispiel geht von der Probe 10 aufgrund des Beleuchtungslichts Detektionslicht aus, welches zum Teil von der Übersichtseinrichtung 30 registriert wird. Das Detektionslicht kann insbesondere gestreutes oder reflektiertes Beleuchtungslicht, an der Probe 10 gestreutes oder reflektiertes Umgebungslicht und/oder prinzipiell auch Fluoreszenzlicht sein oder umfassen.
Bei dem dargestellten Beispiel nehmen die beiden Kameras 31, 32 aus verschiedenen Blickrichtungen Bilder der Probe 10 auf. Durch Verrechnung der Bilder beider Kameras 31, 32 können in prinzipiell bekannter Weise Höheninformationen (Höhenmessdaten) gewonnen werden. Als Höhenrohmessdaten können somit insbesondere die aufgenommenen Bilder oder hieraus abgeleitete Informationen angesehen werden, wie später näher beschrieben.
Die Probe 10 wird hier von einem verfahrbaren Probentisch 5 gehalten. Zudem umfasst das Messgerät 100 ein Stativ 40, über welches Komponenten des Messgeräts 100 gehalten werden.
Eine Recheneinrichtung 50 des Messgeräts 100 dient der Verarbeitung der Messdaten der Kameras 31, 32 und optional auch dem Steuern von Komponenten des Messgeräts 100, insbesondere der Lichtquelle 1, der Kamera 22, der Kameras 31, 32 und des Probentischs 5.
Mit Hilfe einer Höhenkarte der Probe 10, welche über die Übersichtseinrichtung 30 gewonnen wird, kann eine Relativposition zwischen der Probe 10 und der Untersuchungseinrichtung 20 eingestellt werden. Insbesondere kann eine Höhe des Probentischs 5 auf Grundlage der Höhenkarte so eingestellt werden, dass ein zur Untersuchung gewünschter Abstand zum Objektiv 21 vorliegt und zudem ein Zusammenstoß zwischen Objektiv 21 mit Probe 10 vermieden wird.
Die Probe 10 umfasst hier rein beispielhaft eine Schliffprobe, bei welcher ein zylindrisches Objekt in Harz eingebettet ist und aus dem Harz hervorsteht. Allgemein können beliebige Proben 10 mit unbekanntem Höhenverlauf vermessen werden. Die Probe 10 weist einen Untergrund 11 und ein in Höhenrichtung hiervon hervorstehendes Objekt 12 auf. Das hervorstehende Objekt 12 wirft einen Schatten 13 auf einen Teil des Untergrunds 11, weshalb das Objekt 12 auch als schattenhervorrufendes Objekt 12 bezeichnet wird. Klarstellend kann der Schatten 13 also einen Teil der Probe 10 bezeichnen, auf welchen aufgrund des Höhenverlaufs der Probe weniger Beleuchtungslicht gelangt. Die Probe 10 kann auch spiegelnde Bereiche umfassen, insbesondere durch ein Schleifen oder Polieren der Probenoberfläche. Insofern kann als ein spiegelnder Bereich ein Abschnitt der Probe 10 verstanden werden, welcher bei der Aufnahme eines Übersichtsbilds oder von Höhenmessdaten Beleuchtungslicht zu einer der Kameras reflektiert. Je nach Messsituation, z.B. Beleuchtungswinkel oder Probentischposition, können daher verschiedene Abschnitte der Probe in diesem Sinne spiegelnde Bereiche darstellen.
Weitere Ausführungsbeispiele eines Messgeräts
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messgeräts 100 der Erfindung. Als Untersuchungseinrichtung 20 wird hier ein taktil arbeitender Messkopf 23 verwendet.
Die Übersichtseinrichtung 30 umfasst bloß eine einzige Kamera 31. Die Beleuchtung durch die Lichtquelle 1 wird allein für die Bildaufnahme mit der Übersichtseinrichtung 30 genutzt. Wird beispielsweise eine Muster- oder Streifenbeleuchtung genutzt, kann eine einzige Kamera 31 zur Aufnahme von Höhenrohmessdaten genügen. Gleichzeitig kann dieselbe Kamera 31 auch ein Übersichtsbild der Probe 10 aufnehmen. Das Übersichtsbild und die Höhenrohmessdaten können nacheinander aufgenommen werden (wozu die Lichtquelle 1 optional verschiedene Beleuchtungen, beispielsweise mit und ohne Muster, erzeugen kann). Alternativ können aber auch dieselben oder teilweise dieselben Rohdaten der Kamera 31 zum Bilden des Übersichtsbildes und der Höhenmessdaten verwendet werden. Beispielsweise können mehrere Bilder mit unterschiedlicher Streifenbeleuchtung zu einem Übersichtsbild zusammengefügt werden. Alternativ können auch mehrere Bilder mit unterschiedlicher Brennweite aufgenommen werden. In welchem der Bilder ein Probenbereich scharf erscheint, hängt dann vom Höhenverlauf der Probe 10 ab, so dass in dieser Weise Höhenmessdaten gewonnen werden können. Eines der Bilder kann zudem als Übersichtsbild genutzt werden oder alternativ können die mehreren Bilder addiert oder in anderer Weise verrechnet werden, um ein Übersichtsbild zu formen.
Alternativ zur Beleuchtung der Probe 10 kann auch Umgebungslicht genügen, so dass die Lichtquelle1 für die Bildaufnahme mit der Übersichtseinrichtung 30 auch entfallen kann.
Ob ein Probentisch 5 verwendet wird, kann abhängig von der Art der Probe sein. Ist die Probe beispielsweise ein Produkt in einer Fertigungsstraße, kann der Probentisch entfallen.
In weiteren Abwandlungen der 1 können auch die Messdaten der Kamera 22 genutzt werden, um das Übersichtsbild und/oder die Höhenmessdaten oder Höhenrohmessdaten zu bilden. In diesem Fall kann die Kamera 22 Teil der Übersichtseinrichtung 30 sein, wenn sich nicht das Objektiv 21 im Strahlengang befindet, bzw. wenn sich ein anderes Objektiv im Strahlengang befindet, dessen Abbildungsmaßstab kleiner als der des Objektivs 21 ist. Die Kameras 31 und/oder 32 können bei dieser Gestaltung entfallen oder zusätzlich zur Kamera 22 Teil der Übersichtseinrichtung 30 sein. Die Höhenmessdaten und das Übersichtsbild können wiederum gleichzeitig oder nacheinander aufgenommen werden. Um zwischen der Aufnahme von Höhenmessdaten und eines Übersichtsbildes mit derselben Kamera 22 zu wechseln, kann beispielsweise ein Mikroskopiemodus umgestellt werden (z.B. zwischen einer Weitfeld-Bildaufnahme und einer chromatisch-konfokalen Bildaufnahme) und/oder es kann zwischen Objektiven mit unterschiedlichem Abbildungsmaßstab gewechselt werden. In weiteren Abwandlungen der dargestellten Beispiele können eine oder mehrere der Kameras 22, 31 und 32 durch einen Lichtdetektor oder einen Streifendetektor ersetzt sein. Punkt- oder Streifendetektoren können zur Aufnahme von Höhenrohmessdaten geeignet sein und/oder auch für ein Übersichtsbild, insbesondere wenn durch einen Scan verschiedene Probenpunkte nacheinander abgetastet werden.
Je nach Messprinzip kann das Beleuchtungslicht der Lichtquelle 1 auch über das Objektiv 21 oder ein anderes verwendetes Objektiv auf die Probe 10 geleitet werden.
Die in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele und die hierzu beschriebenen Varianten können auch gemischt werden; beispielsweise kann der taktile Messkopf 23 durch das Objektiv 21 mit darauffolgender Kamera 22 ersetzt werden, oder umgekehrt.
Beispielhafte Bildverarbeitung und Bildung einer Höhenkarte
3A zeigt ein Übersichtsbild 10A, das mit der Übersichtseinrichtung 30 von der Probe 10 aufgenommen wurde. Das Übersichtsbild 10A enthält einen Bildbereich 11A des Untergrunds 11 der Probe, einen Bildbereich 12A des schattenhervorrufenden Objekts 12, einen Bildbereich 13A, welcher einen durch das schattenhervorrufende Objekt 12 hervorgerufenen Schatten 13 zeigt, sowie einen Bildbereich 14A, welcher eine Spiegelung durch einen reflektierenden Bereich der Probe darstellt. Die erfindungsgemäße Bildverarbeitung eines solchen Übersichtsbilds 10A wird später näher beschrieben.
Zunächst wird mit Bezug auf 3B eine Höhenkarte 10B beschrieben, welche durch Höhenmessdaten der Übersichtseinrichtung 30 erzeugt ist. Je nach Messprinzip kann die Übersichtseinrichtung 30 entweder direkt die Höhenmessdaten aufnehmen oder zunächst Rohdaten, aus denen die Höhenmessdaten gewonnen werden. In 3B kennzeichnet die diagonale Schraffierung einen Höhenwert bzw. einen Bereich bestimmter Höhe. Der diagonal schraffierte Bereich 11B, welcher dem Untergrund 11 der Probe 10 entspricht, wurde somit als eben erfasst und hat einen gemeinsamen Höhenwert. Der Bereich 12B ohne diagonale Schraffierung entspricht einem anderen Höhenwert und stellt das hervorstehende, schattenerzeugende Objekt 12 dar. Die schwarzen Bereiche 15 kennzeichnen Bereiche, zu denen keine oder keine nutzbaren Höhenmessdaten vorliegen. Diese Bereiche 15 entsprechen dem Schatten 13 auf der Probe 10 sowie einem reflektierenden Abschnitt der Probe. Bei einem Schatten können insbesondere dann keine (nutzbaren) Höhenmessdaten gewonnen werden, wenn die Höhenvermessung auf dem Prinzip einer Musterbeleuchtung beruht, wo ein Muster (beispielsweise Streifen) auf die Probenoberfläche gestrahlt wird. Aus der Position und/oder Verzerrung des Musters (z.B. der Streifen) können Höhenmessdaten gewonnen werden. In den Bereich des Schattens kann aber kein Muster gestrahlt werden, so dass hier keine Höhenmessdaten gewonnen werden. Auch durch den reflektierenden Abschnitt der Probe wird bei dem Beispiel der Musterbeleuchtung kein Detektionslicht empfangen, das eine zuverlässige Ermittlung von Höhenmessdaten erlaubt. Bei dem Beispiel von 3B sind zudem vertikale schwarze Streifen überlagert, in denen bedingt durch das Messprinzip keine Höhenwerte vorliegen. Dies kann bei einer Streifenbeleuchtung beispielsweise von nicht beleuchteten Probenabschnitten herrühren.
Die Recheneinrichtung 50 aus 1 oder 2 führt nun Bildanalyseschritte durch, um Informationen aus dem Übersichtsbild von 3A zu gewinnen, mit denen die Höhenkarte aus 3B verbessert werden soll.
Ein Ergebnis dieser Bildanalyseschritte ist in 3C gezeigt. Für dieses Bildanalyseergebnis 10C wurden bestimmte Bereiche im Übersichtsbild 10A aus 3A identifiziert. Hierzu können Bildanalysealgorithmen bestimmte Formen oder eingelernte Objekte im Übersichtsbild 10A erkennen und lokalisieren. In diesem Beispiel wurde der Bildbereich 13A als ein Schatten 13C identifiziert. Dies soll so verstanden werden, dass einerseits die Grenzen dieses Bildbereichs identifiziert wurden und andererseits dem Bildbereich eine Semantik zugeordnet wurde, das heißt eine Angabe, um was für einen Typ von Bildbereich es sich handelt. Weiterhin wurde der Bildbereich 14A als ein reflektierender/spiegelnder Bereich identifiziert.
Ein Bildanalysealgorithmus kann auch eine Klassifizierung des Übersichtsbildes 10A vornehmen, um einzustufen, um was für eine Art von Probe es sich handelt. Hierbei können gängige Probenarten eingelernt sein, beispielsweise Schliffproben, bei welchen typischerweise ein zylindrisches oder zumindest regelmäßig geformtes Objekt von einem ebenen Untergrund hervorsteht. Für diese Art der Klassifizierung können auch weitere Bildinformationen aus dem Übersichtsbild genutzt werden, beispielsweise Beschriftungen auf der Probe (nicht dargestellt). Eine Klassifizierung kann auch ohne Bildanalyse erfolgen oder von einem Benutzer vorgegeben werden. Durch die Klassifizierung kann bekannt sein, dass eine Schliffprobe oder ein von einem Untergrund 11 hervorstehendes Objekt 12 vorliegt. Insbesondere mit dieser Klassifizierung können der Bildbereich 11A als ein ebener Untergrund 11C und der Bildbereich 12A als Bereich 12C des hervorstehendes Objekts 12 identifiziert werden. Es kann bekannt sein oder durch Bildanalyse aus dem Übersichtsbild 10A abgeleitet werden, dass eine Oberfläche des hervorstehenden Objekts 12 eben ist, das heißt, der spiegelnde Bereich 14C bildet einen Teil dieser Oberfläche und hat die gleiche Höhe wie die Oberfläche des Objekts 12. Es werden somit Kontextinformationen zu einem identifizierten Bildbereich 13A, 14A gewonnen, welche einen Rückschluss auf Höheninformationen zulassen.
Im Fall des Schattens können Kontextinformationen beispielsweise eine oder mehreren der folgenden Informationen umfassen: Einstufung des Bildbereichs 13C als Schatten; Identifizieren eines an den Bildbereich 13C angrenzenden Bereichs 12C als ein schattenhervorrufendes Objekt; Einstufen, dass dem Bildbereich 13C des Schattens ein kleinerer Höhenwert zukommt als ein Höhenwert des schattenhervorrufenden Objekts; Identifizieren eines an den Bildbereich 13C angrenzenden Bildbereichs 11C, welcher nicht das schattenhervorrufende Objekt darstellt, als einen Untergrund, von dem Höhenwerte für den Bildbereich 13C abgeleitet werden können. Aus diesen Kontextinformationen kann beispielsweise als Höheninformation für den Bildbereich 13C des Schattens abgeleitet werden, dass Höhenwerte für diesen Bildbereich 13C gleich einem Höhenmesswert des Untergrunds sein sollen oder durch Interpolation/Extrapolation aus Höhenmesswerten zum Untergrund zu ermitteln sind.
Im Fall des reflektierenden Abschnitts 14C können die Kontextinformationen beispielsweise angeben, dass es sich um einen Teil der Oberfläche des Objekts 12C handelt und Höhenwerte für den reflektierenden Abschnitt 14C aus Höhenmesswerten für das Objekt 12 abgeleitet werden sollen (z.B. durch Mittelung dieser Höhenmesswerte oder Gleichsetzen mit einem Höhenmesswert des Objekts 12).
Mit Hilfe dieser Kontextinformationen wird aus der Höhenkarte von 3B eine veränderte Höhenkarte 10D gebildet, welche in 3D gezeigt ist. Die im Bereich des Schattens fehlenden Höhenmesswerte wurden aufgefüllt, womit ein Höhenbereich 11 D einheitlicher Höhe gebildet wird. Zudem wurden Höhenwerte für den reflektierenden Bereich ergänzt oder verändert, so dass eine Oberseite des schattenhervorrufenden Objekts einen gemeinsamen Höhenbereich 12D in der Höhenkarte 10D bildet.
Auch andere Bildartefakte, wie die vertikalen Streifen in 3B, können durch Kontextinformationen eliminiert werden. Beispielsweise erlaubt die Erkenntnis, dass der Bildbereich 11C einen ebenen Untergrund darstellt, dass die vertikalen Streifen durch Höhenmesswerte, die zu demselben Bildbereich 11C aufgenommen wurden, aufgefüllt werden. Die ausgegebene Höhenkarte 10D ist somit gegenüber der allein aus den Höhenmesswerten bestehenden Höhenkarte 10B präziser.
Weitere beispielhafte Bildverarbeitung und Bildung einer Höhenkarte
Ein weiteres Beispiel wird mit Bezug auf die 4A-4C beschrieben. 4A zeigt ein Übersichtsbild 16A einer Probe, bei der es sich um eine Leiterkarte handelt. Die Leiterkarte umfasst verschiedene Leiterkartenkomponenten, z.B. Steckeranschlüsse, Kondensatoren, Leiterbahnen und integrierte Schaltungen. Im Übersichtsbild 16A sind ein Bildbereich eines Kondensators 18A und ein Bildbereich eines Steckeranschluss 17A beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
4B zeigt eine aus aufgenommenen Höhenmessdaten gebildete Höhenkarte. Vertikale Streifen geben wiederum Bereiche an, in denen Höhenmessdaten fehlen. Zudem werfen die hervorstehenden Kondensatoren Schatten, in denen keine Höhenmessdaten ermittelt werden konnten. Reflexionen an verschiedenen metallischen Flächen führen zudem ebenfalls dazu, dass Höhenmesswerte fehlen.
In dem Übersichtsbild 16A von 4A werden nun bestimmte Bildbereiche identifiziert und ein berechnetes Bildverarbeitungsergebnis 16C ist schematisch in 4C gezeigt. Die Bildbereiche mehrerer identifizierter Kondensatoren 18C sind hierbei eingerahmt. Außerdem wurden mehrere Steckeranschlüsse erkannt und die entsprechenden Bildbereiche 17C wurden markiert. Kontextinformationen zu den Bildbereichen der Kondensatoren 18C können ähnlich wie beim vorherigen Beispiel zum schattenhervorrufenden Objekt genutzt werden. Darüber hinaus kann die Kenntnis genutzt werden, dass die mehreren identifizierten Kondensatoren gleiche Formen haben. Dadurch können fehlende oder fehlerhafte Höhenmesswerte an einem der Kondensatoren durch vorhandene Höhenmesswerte an einem anderen der Kondensatoren ergänzt werden. Je nach Beleuchtung kann beispielsweise bei einem ersten Kondensator der links angrenzende Bereich abgeschattet sein, während bei einem zweiten Kondensator der links angrenzende Bereich nicht abgeschattet ist. Für den abgeschatteten Bereich am ersten Kondensator können dann Höhenmesswerte aus dem nicht abgeschatteten Bereich am zweiten Kondensator ergänzt werden. Diese ergänzten Höhenmesswerte können sich erheblich von einer simplen Interpolation/Mittelwertbildung benachbarter Höhenmesswerte unterscheiden: Beispielsweise kann es je nach Leiterplattendesign vorkommen, dass neben einem Kondensator bestimmte Anschlüsse oder Leitungen verlaufen, deren Höhenprofil beim zweiten Kondensator nicht abgeschattet ist und somit gemessen werden konnte - diese Höhenmesswerte der Anschlüsse oder Leitungen können nun neben dem ersten Kondensator ergänzt werden.
Bei den Steckeranschlüssen 17C kann beispielhaft als Kontextinformation die Kenntnis einer periodischen Struktur eines Steckeranschlusses aus z.B. mehreren gleichgeformten Kontaktflächen genutzt werden. Kam es an einer dieser Kontaktflächen zu einer Spiegelung, durch welche keine brauchbaren Höhenmesswerte vorliegen, so können Höhenmesswerte von anderen Kontaktflächen ergänzt werden. In dieser Weise kann wiederum die Höhenkarte 16B aus 4B verändert und korrigiert werden. Allgemeiner ausgedrückt können gleichartige Objekte im Übersichtsbild identifiziert werden und Höhenmesswerte zu einem der Objekte können sodann bei einem anderen der gleichartigen Objekte ergänzt werden.
Beispielhafter Verfahrensablauf
Die Schritte eines beispielhaften Verfahrens der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf das Flussdiagramm von 5 erläutert. Diese Schritte können durch die Recheneinrichtung 50 der vorgenannten Ausführungsbeispiele ausgeführt bzw. veranlasst werden.
In Schritt S1 wird eine Messung an der Probe durchgeführt, in welcher Höhenrohmessdaten aufgenommen werden. Aus den Höhenrohmessdaten werden Höhenmessdaten berechnet, welche für verschiedene Lateralbereiche der Probenoberfläche jeweils einen Höhenwert angeben. Je nach Messprinzip wird aus den Höhenrohmessdaten auch ein Übersichtsbild berechnet, oder es wird durch eine eigene Übersichtsmessung ein Übersichtsbild aufgenommen.
In Schritt S2 werden die Höhenmessdaten und das Übersichtsbild aus S1 erhalten. Erfindungsgemäße Verfahrensvarianten können auch auf zuvor aufgenommene Messdaten zurückgreifen, womit Schritt S1 nicht zwingend zum Verfahren der Erfindung gehören muss, sondern eine optionale Erweiterung darstellt.
Auf S2 folgt in Schritt S3 eine Bildanalyse des Übersichtsbildes, um bestimmte Bildbereiche zu identifizieren. Unter „bestimmten Bildbereichen“ können vorgegebene Arten von Bildbereichen verstanden werden, beispielsweise Schatten, Spiegelungen und/oder bestimmte Objekte wie biologische Zellen oder Zellkomponenten, Gesteinsproben, elektronische Bauteile, Fertigungskomponenten oder Probengefäßteile wie Deckgläser oder Mikrotiterplattenabschnitte.
Zu den identifizierten Bildbereichen werden in Schritt S4 Kontextinformationen abgeleitet, beispielsweise zum Typ des jeweiligen Bildbereichs und/oder wie eine Höhe des Probenabschnitts von einem Bildbereich und eine Höhe eines Probenabschnitts eines anderen Bildbereichs zusammenhängen.
Mit Hilfe dieser Kontextinformationen werden in Schritt S5 die Höhenmessdaten ergänzt oder verändert. Diese ergänzten oder veränderten Höhenmessdaten werden schließlich in Schritt S6 als eine Höhenkarte ausgegeben. Dies kann eine graphische Darstellung für einen Nutzer umfassen und/oder eine Ausgabe als Bilddatei oder 3D-Modell, womit auch weitere automatisierte Analyse- oder Steuerungsschritte folgen können.
Mit Hilfe der Höhenkarte aus S6 können in Schritt S10 Komponenten des Messgeräts gesteuert werden. Beispielsweise kann ein Abstand zwischen der Probe und einem Teil der Untersuchungseinrichtung oder der Übersichtseinrichtung auf Basis der Höhenkarte eingestellt werden.
In einer optionalen Gestaltung wird das Verfahren um einen zusätzlichen Verfahrensschritt S7 parallel zu, vor oder nach Schritt S5 erweitert. Im Schritt S7 erfolgt eine Plausibilitätsüberprüfung der Höhenmessdaten auf Basis der Kontextinformationen oder anderen aus dem Übersichtsbild abgeleiteten Informationen. Beispielsweise können aus dem Übersichtsbild eine Ober- und Untergrenze für Höhenwerte abgeleitet werden. Liegt ein Höhenmesswert außerhalb dieser Grenzen, kann er insbesondere gelöscht, auf die Grenze verschoben oder zur weiteren Bearbeitung durch einen Nutzer markiert werden.
Optional kann auch Schritt S8 ergänzt werden. In diesem wird überprüft, ob im Übersichtsbild zwar die Anwesenheit eines Objekts festgestellt wurde, aber keine Kontextinformationen abgeleitet werden konnten, welche für eine Ergänzung oder Veränderung der Höhenmessdaten brauchbar wären. Dies kann beispielsweise bei manchen transparenten Objekten der Fall sein, insbesondere bei Linsen. Es wird somit im Übersichtsbild erkannt, dass die Probe ein transparentes Objekt umfasst und es wird auch die Lage des transparenten Objekts ermittelt, aber eine Höheninformation des transparenten Objekts kann nicht aus dem Übersichtsbild abgeleitet werden. Bei einem weiteren Beispiel liegen Objekte unterhalb einer Mindestgröße vor, die notwendig ist, damit Höhenmessdaten (zuverlässig) für dieses Objekt ermittelt werden können. Bei diesem Beispiel wird die Anwesenheit eines solchen kleinen Objekts festgestellt, wobei dessen Höhe unbekannt bleibt.
In Schritt S8 identifizierte Objekte unbekannter Höhe können in der Höhenkarte von S6 markiert werden, beispielsweise zur Kenntnisnahme oder weiteren Bearbeitung durch einen Nutzer. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Messgerätsteuerung von Schritt S10 abhängig davon erfolgen, ob in S8 Höheninformationen ableitbar sind. So kann Schritt S10 optional ein Einstellen eines lokalen oder globalen Sicherheitsabstands umfassen. Dieser Sicherheitsabstand darf von einer Messgerätkomponente, insbesondere einem Objektiv oder einem anderen Teil der Untersuchungseinrichtung 30, zur Probe nicht unterschritten werden, um das Risiko eines Zusammenstoßes gering zu halten. Ein lokaler Sicherheitsabstand gibt dabei an, dass im Bereich des identifizierten Objekts unbekannter Höhe ein anderer (größerer) Sicherheitsabstand einzuhalten ist als an übrigen Probenabschnitten, zu denen Höhenmesswerte aufgenommen werden konnten und optional durch das Übersichtsbild verifiziert werden konnten.
Auf Schritt S8 kann optional auch Schritt S9 folgen, in welchem Einstellungen, welche die Untersuchungseinrichtung beeinflussen, geändert werden. Anschließend erfolgt in Schritt S1 eine erneute Aufnahme von Höhenmessdaten mit den geänderten Einstellungen. Die geänderten Einstellungen sind davon abhängig, ob oder zu welchen Bildbereichen bzw. identifizierten Objekten keine Höheninformationen gewonnen werden konnten. Beispielsweise können die entsprechenden Probenbereiche nochmals mit geänderter Beleuchtungseinstellung (Intensität, Spektralbereich, Polarisation, Beleuchtungsmuster etc.), geänderter Detektionseinstellung (insbesondere geänderte Messdauer, geänderter Höhenmessbereich, Farbfilter oder -selektion) oder geänderter Probenpositionierung (Probentischposition) untersucht werden.
Die nochmalige Untersuchung eines Probenbereichs mit geänderten Messgeräteinstellungen (S9 und S1) kann optional auch auf Schritt S7 folgen. Hierbei werden die Probenbereiche, für welche die Plausibilitätsüberprüfung ein negatives Ergebnis geliefert hat, nochmals untersucht.
Durch die Erfindungsvarianten wird erreicht, dass eine Höhenkarte einer Probe besonders präzise und zuverlässig erstellt werden kann, wovon beispielsweise eine auf dieser Höhenkarte basierende Bewegung von Messgerätkomponenten profitieren kann.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
5: Probentisch
10: Probe
10A: Übersichtsbild
10B: Höhenkarte, die allein aus Höhenmessdaten der Übersichtseinrichtung ermittelt ist
10C: Bildanalyseergebnis aus dem Übersichtsbild 10A mit identifizierten Bildbereichen
10D: Höhenkarte, die aus der Höhenkarte 10B mit Hilfe des Übersichtsbildes 10A berechnet ist
11: Untergrund
11A: Bildbereich eines Untergrunds
11B: Höhenbereich in der Höhenkarte 10B
11C: aus dem Übersichtsbild 10A identifizierter Bildbereich eines Untergrunds
11D: Höhenbereich in der Höhenkarte 10D
12: schattenhervorrufendes Objekt
12A: Bildbereich eines schattenhervorrufenden Objekts
12B: Höhenbereich in der Höhenkarte 10B
12C: aus dem Übersichtsbild 10A identifizierter Bildbereich eines schattenhervorrufenden Objekts
12D: Höhenbereich in der Höhenkarte 10D
13: Schatten
13A: Bildbereich eines Schatten
13C: aus dem Übersichtsbild 10A identifizierter Bildbereich eines Schattens
14A: Bildbereich eines spiegelnden Objektbereichs
14C: aus dem Übersichtsbild 10A identifizierter Bildbereich eines spiegelnden Objektbereichs
15: Bereiche, zu denen kein Höhenwert in der Höhenkarte 10B enthalten ist
16A: Übersichtsbild
16B: Höhenkarte, die allein aus Höhenmessdaten der Übersichtseinrichtung ermittelt ist
16C: Bildanalyseergebnis aus dem Übersichtsbild 16A mit identifizierten Bildbereichen
17A: Bildbereich eines Steckeranschlusses
17C: aus dem Übersichtsbild 16A identifizierter Bildbereich eines Steckeranschlusses
18A: Bildbereich eines Kondensators
18C: aus dem Übersichtsbild 16A identifizierter Bildbereich eines Kondensators
20: Untersuchungseinrichtung
21: Objektiv der Untersuchungseinrichtung 20
22: Kamera der Untersuchungseinrichtung 20
23: taktiler Messkopf der Untersuchungseinrichtung 20
30: Übersichtseinrichtung
31: (Übersichts-)kamera der Übersichtseinrichtung 30
32: (Übersichts-)kamera der Übersichtseinrichtung 30
40: Stativ
50: Recheneinrichtung
100: Messgerät, insbesondere Mikroskop
S1-S10: Schritte des Verfahrens

Claims

Messgerät zur Untersuchung einer Probe (10) mit einer Übersichtseinrichtung (30), welche eingerichtet ist zum Aufnehmen von Höhenrohmessdaten der Probe (10) und zum Erzeugen eines Übersichtsbildes (10A) der Probe (10); einer Untersuchungseinrichtung (20) zum Untersuchen der Probe (10); und eine Recheneinrichtung (50) zum Berechnen von Höhenmessdaten aus den Höhenrohmessdaten; dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (50) eingerichtet ist zum: Identifizieren bestimmter Bildbereiche (11A, 12A, 13A, 14A) im Übersichtsbild (10A); Ableiten von Kontextinformationen zu identifizierten Bildbereichen (11A, 12A, 13A, 14A); und Ergänzen oder Verändern der Höhenmessdaten mit Hilfe der Kontextinformationen.
Verfahren zum Bestimmen einer Höhenkarte (10D) einer Probe (10), umfassend: Erhalten von Höhenmessdaten der Probe (10) und Erhalten eines Übersichtsbildes (10A) der Probe (10); gekennzeichnet durch Identifizieren bestimmter Bildbereiche (11A, 12A, 13A, 14A) im Übersichtsbild (10A); Ableiten von Kontextinformationen zu identifizierten Bildbereichen (11A, 12A, 13A, 14A); und Ergänzen oder Verändern der Höhenmessdaten mit Hilfe der Kontextinformationen.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, gekennzeichnet durch Aufnehmen der Höhenmessdaten oder Höhenrohmessdaten, aus denen die Höhenmessdaten gewonnen werden, mit einer Übersichtseinrichtung (30); und Aufnehmen des Übersichtsbildes mit einer Kamera (31, 32) der Übersichtseinrichtung (30).
Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, gekennzeichnet durch Bilden des Übersichtsbildes (10A) aus den Höhenmessdaten oder aus Höhenrohmessdaten, aus welchen auch die Höhenmessdaten gewonnen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Bildbereiche (11A, 12A, 13A, 14A), die im Übersichtsbild (10A) identifiziert werden, kritische Bildbereiche (13A, 14A) umfassen, welche eines oder mehreres aus Folgendem sind: Schatten, Spiegelungen oder transparente Bereiche.
Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Identifizieren bestimmter Bildbereiche (11A, 12A, 13A, 14A) im Übersichtsbild (10A) ein Lokalisieren dieser Bildbereiche (11A, 12A, 13A, 14A) umfasst, und dass das Ableiten von Kontextinformationen zu lokalisierten Bildbereichen (11A, 12A, 13A, 14A) eine Typenermittlung dieser Bildbereiche (11A, 12A, 13A, 14A) umfasst.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergänzen oder Verändern der Höhenmessdaten mit Hilfe der Kontextinformationen abhängig vom Typ eines lokalisierten Bildbereichs (11A, 12A, 13A, 14A) erfolgt.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, gekennzeichnet durch bei Bewerten eines Bildbereichs (13A) als Typ „Schatten“: Identifizieren, welche benachbarten Bildbereiche (12A) einem schattenhervorrufenden Objekt (12) und welche benachbarten Bildbereiche (11A) einem Untergrund (11) entsprechen, und Ableiten von Höheninformationen für den Bildbereich (13A) des Typs „Schatten“ aus den benachbarten Bildbereichen (11A), die dem Untergrund (11) entsprechen, und/oder Ableiten von Höheninformationen für den Bildbereich (13A) des Typs „Schatten“ basierend auf vorliegenden Höheninformationen zu dem Typ des schattenhervorrufenden Objekts (12).
Verfahren nach einem der beiden unmittelbar vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bewerten eines Bildbereichs (14A) als Typ „spiegelnd“ die Höhenmessdaten, die diesem Bildbereich (14A) entsprechen, nicht in die Höhenkarte (10D) eingehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch Bewerten abhängig von Kontextinformationen eines identifizierten Bildbereichs (11A, 12A, 13A, 14A), ob Höheninformationen für diesen Bildbereich (11A, 12A, 13A, 14A) aus dem Übersichtsbild (10A) ableitbar sind; im Fall, dass gemäß dem Bewerten keine Höheninformationen ableitbar sind: Ausgeben einer Warninformation, dass zu diesem Bildbereich keine Höheninformationen ableitbar sind.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall, dass ein Bildbereich als Typ „transparentes Objekt“ identifiziert wird und keine Höheninformationen zu diesem transparenten Objekt ableitbar sind, die Warninformation angibt, dass ein Objekt vorliegt, dessen Höhe jedoch unbekannt ist.
Verfahren nach einem der beiden unmittelbar vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall, dass zu einem Bildbereich (11A, 12A, 13A, 14A) keine Höheninformationen ableitbar sind, und/oder im Fall, dass ein Bildbereich als Typ „transparentes Objekt“ identifiziert wird, ein Sicherheitsabstand, welchen die Untersuchungseinrichtung (20) einhalten muss, an einem Probenbereich, welchem der vorgenannte Bildbereich (11A, 12A, 13A, 14A) entspricht, erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, gekennzeichnet durch Bewerten der Höhenmessdaten oder der Höhenrohmessdaten danach, wo Problembereiche vorliegen, insbesondere Bereiche, in denen eine Inkonsistenz von Höhenmessdaten, ein invalider Höhenwert oder eine für eine Spiegelung charakteristische Erscheinung identifiziert wird, wobei das Identifizieren bestimmter Bildbereiche im Übersichtsbild (10A) ein Identifizieren von den Problembereichen räumlich entsprechenden Bildbereichen (11A, 12A, 13A, 14A) im Übersichtsbild (10A) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, gekennzeichnet durch Schätzen von Höheninformationen aus dem Übersichtsbild (10A); und Plausibilitätsüberprüfung der Höhenmessdaten mit Hilfe der Höheninformationen aus dem Übersichtsbild (10A).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Erstellen einer Höhenkarte auf Basis der ergänzten oder veränderten Höhenmessdaten; und Einstellen einer Relativposition zwischen der Probe (10) und einer Untersuchungseinrichtung (20) unter Berücksichtigung der Höhenkarte; und Untersuchen der Probe (10) mittels der Untersuchungseinrichtung (20) an der eingestellten Relativposition.