DE10303364A1 - Device for determining the height profile of an object - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts (2), umfassend mindestens eine Lichtquelle (1) zur Erzeugung von Licht (8a), wobei mindestens ein Teilstrahl (8e, 8g) des Lichts (8a) auf eine zu untersuchende Oberfläche des Objekts (2) auftreffen und von dieser zumindest teilweise reflektiert werden kann, Erfassungsmittel (3), die sowohl den mindestens einen von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Teilstrahl als auch mindestens einen weiteren als Referenzstrahl dienenden Teilstrahl des Lichts (8a) erfassen können, wobei aus der Interferenz zwischen reflektierten Teilstrahl und Referenzstrahl Informationen über das Höhenprofil der zu untersuchenden Oberfläche des Objekts (2) gewonnen werden können, wobei der mindestens eine Teilstrahl (8e, 8g) auf die zu untersuchende Oberfläche des Objekts (2) unter einem Winkel von etwa 5° bis 90° zur Normalen auf der Oberfläche auftrifft.The invention relates to a device for determining the height profile of an object (2), comprising at least one light source (1) for generating light (8a), at least one partial beam (8e, 8g) of the light (8a) being applied to a surface to be examined of the object (2) and can be at least partially reflected by it, detection means (3) which can detect both the at least one partial beam reflected from the surface to be examined and at least one further partial beam of light (8a) serving as reference beam, whereby Information about the height profile of the surface of the object (2) to be examined can be obtained from the interference between the reflected partial beam and the reference beam, the at least one partial beam (8e, 8g) onto the surface of the object (2) to be examined at an angle of approximately 5 ° to 90 ° to normal on the surface.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts, umfassend mindestens eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, wobei mindestens ein Teilstrahl des Lichts auf eine zu untersuchende Oberfläche des Objekts auftreffen und von dieser zumindest teilweise reflektiert werden kann, sowie Erfassungsmittel, die sowohl den mindestens einen von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Teilstrahl, als auch mindestens einen weiteren, als Referenzstrahl dienenden Teilstrahl des Lichts erfassen können, wobei aus der Interferenz zwischen reflektiertem Teilstrahl und Referenzstrahl Informationen über das Höhenprofil der zu untersuchenden Oberfläche des Objekts gewonnen werden können.The present invention relates to comprising a device for determining the height profile of an object at least one light source for generating light, at least a partial beam of light onto a surface of the object to be examined hit and are at least partially reflected by this can, as well as detection means, which both the at least one of the surface to be examined reflected partial beam, as well as at least one other, as Partial beam of light serving the reference beam can be captured the interference between the reflected partial beam and the reference beam information about the height profile the surface to be examined of the object can be obtained.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind bereits bekannt. Mit ihnen lassen sich die Höhenprofile relativ schwach profilierter Objekte mit ausreichender Genauigkeit bestimmen. Problematisch wird der Einsatz derartiger Vorrichtungen allerdings bei verhältnismäßig stark profilierten Objekten, wie beispielsweise Zylinderlinsen. Die Höhenauflösung der bisher bekannt gewordenen optischen Vorrichtungen reicht oft nicht aus, um die optische Güte von Mikrooptiken, insbesondere die Abweichung eines realen Linsenprofils von einem theoretisch erwarteten Linsenprofil, zuverlässig bestimmen zu können. Bei den bisher bekannt gewordenen Vorrichtungen wird der mindestens eine Teilstrahl stets nahezu parallel zur Oberflächennormalen auf das zu untersuchende Objekt eingestrahlt. Eine derartige Einstrahlrichtung führt jedoch dazu, dass die Reflexion des Teilstrahls gerade bei einer starken Profilierung der Oberfläche des Objekts relativ undefiniert erfolgt, wodurch die Bestimmung des Höhenprofils des Objekts nicht im gesamten zu untersuchenden Bereich möglich ist.Devices of the aforementioned Kind are already known. With them, the height profiles relatively weakly profiled objects with sufficient accuracy determine. The use of such devices becomes problematic however with relatively strong profiled objects, such as cylindrical lenses. The height resolution of the Optical devices which have become known are often not sufficient out to the optical goodness of Micro optics, especially the deviation of a real lens profile reliably determine from a theoretically expected lens profile to be able to. In the devices known to date, the minimum a partial beam always almost parallel to the surface normal to the object to be examined Object irradiated. However, such an irradiation direction leads to the fact that the reflection of the partial beam is particularly strong Profiling the surface of the object is relatively undefined, which makes the determination of the height profile of the object is not possible in the entire area to be examined.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die auch die Untersuchung verhältnismäßig stark profilierter Objekte ermöglicht.Object of the present invention is to a device of the type mentioned available make the investigation of relatively strongly profiled objects allows.
Diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.This task through a device of the type mentioned with the characterizing features of Main claim solved.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass mindestens ein auf die zu untersuchende Oberfläche des Objekts treffender Teilstrahl unter einem Winkel von etwa 5° bis 90° zur Normalen auf der Oberfläche auftrifft. Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass bei schräg zur Oberflächennormalen verlaufender Inzidenz des mindestens einen Teilstrahls die Qualität der Höheninformationen, (insbesondere die Höhenauflösung), die sich aus der Interferenz zwischen dem reflektierten Teilstrahl und dem Referenzstrahl ergeben, verbessert wird.According to the invention it is proposed that at least one that hits the surface of the object to be examined Partial beam strikes the surface at an angle of approximately 5 ° to 90 ° to the normal. The solution according to the invention has the advantage that at oblique to the surface normal incidence of the at least one partial beam, the quality of the height information, (especially the height resolution) that result from the interference between the reflected partial beam and result in the reference beam is improved.
In einer vorteilhaften Ausführungsform trifft der mindestens eine Teilstrahl unter einem Winkel von 20° bis 89°, vorzugsweise von 50° bis 87°, insbesondere von 70° bis 85° zur Normalen auf der Oberfläche auf. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Inzidenz des mindestens einen Teilstrahls die Höhenauflösung weiter verbessert.In an advantageous embodiment hits the at least one partial beam at an angle of 20 ° to 89 °, preferably from 50 ° to 87 °, in particular from 70 ° to 85 ° to Normals on the surface on. It has been shown that such an incidence of at least the sub-beam the height resolution further improved.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts derart gestaltet ist, dass mindestens ein Interferenzmuster vom auftreffenden Licht auf der Oberfläche des Objekts erzeugt werden kann. Aus dem mindestens einen Interferenzmuster sind Informationen über die Profilierung der Oberfläche des Objekts ableitbar.One embodiment is particularly advantageous in which the device for determining the height profile of an object such is designed that at least one interference pattern from the incident light on the surface of the object can be created. Which are at least one interference pattern information about the profiling of the surface of the object can be derived.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Laservorrichtung zur Erzeugung des kohärenten Lichts aufweist. Mit Hilfe einer Laservorrichtung können der als Referenzstrahl dienende Teilstrahl sowie der mindestens eine mit der zu untersuchenden Oberfläche wechselwirkende Teilstrahl relativ einfach erzeugt werden.In a preferred embodiment it is provided that the device is a laser device for generation of the coherent Has light. With the help of a laser device, the partial beam serving as reference beam and the at least one with the surface to be examined interactive partial beam can be generated relatively easily.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung Strahlführungsmittel auf, die den mindestens einen von der zu untersuchenden Oberfläche des Objekts reflektierten Teilstrahl und/oder den Referenzstrahl den Erfassungsmitteln zuführen können. Bei diesen Strahlführungsmitteln kann es sich um ein oder mehrere Linsenmittel und/oder Reflexionsmittel handeln.In a particularly preferred embodiment the device has beam guiding means, which the at least one of the surface of the Object reflected partial beam and / or the reference beam Feed the detection means can. With these beam guidance devices can be one or more lens means and / or reflection means act.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung Strahlteilermittel zur Erzeugung mindestens eines ersten und eines zweiten Teilstrahls aufweist, die das Licht beispielsweise in mindestens einen Referenzstrahl und mindestens einen mit der Oberfläche des Objekts wechselwirkenden Strahl aufteilen können.In an advantageous embodiment it is provided that the device for generating beam splitter has at least a first and a second partial beam, the light into at least one reference beam, for example and at least one interacting with the surface of the object Can split beam.
Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl aus zwei voneinander verschiedenen, insbesondere im Wesentlichen gegenüberliegenden, Beleuchtungsrichtungen auf das Objekt treffen, so dass dadurch das mindestens eine Interferenzmuster auf der Oberfläche des Objekts erzeugt wird. Das Interferenzmuster, das sich in diesem Fall auf der Oberfläche des Objekts bildet, ist ein Streifenmuster mit der Periode T = ½·λ/sin (α/2). Dabei beträgt der Winkel α etwa 180° und λ bezeichnet die Wellenlänge des eingesetzten kohärenten Lichts.A further training of the present Invention provides that the first partial beam and the second partial beam from two different, in particular essentially opposite, lighting directions hit the object so that the at least one interference pattern the surface of the object is created. The interference pattern that is in this Case on the surface of the object is a stripe pattern with the period T = ½ · λ / sin (α / 2). there is the angle α approximately Designated 180 ° and λ the wavelength of the used coherent Light.
Vorzugsweise dient hierbei der zweite Teilstrahl als Referenzstrahl, so dass durch den ersten und den zweiten Teilstrahl ein Interferenzmuster auf den Erfassungsmitteln erzeugt wird. Der erste und der zweite Teilstrahl dienen somit gleichzeitig zur Erzeugung von Interferenzmustern auf dem Objekt und auf den Erfassungsmitteln, so dass keine zusätzlichen, nicht von dem Objekt reflektierten Teilstrahlen benötigt werden.The second is preferably used here Partial beam as a reference beam, so that through the first and the second sub-beam an interference pattern on the detection means is produced. The first and the second partial beam thus serve simultaneously to generate interference patterns on the object and on the Detection means so that no additional, not from the object reflected partial beams needed become.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Strahlführungsmittel und/oder Strahlteilermittel eine interferometrische Anordnung mit mindestens einem Arm bilden. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige interferometrische Anordnung die Qualität der Höheninformationen der Oberfläche des Objekts verbessern kann.A particularly preferred embodiment provides that the beam guiding means and / or beam splitter means form an interferometric arrangement with at least one arm. It has been shown that such an interferometric arrangement can improve the quality of the height information of the surface of the object.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass eine interferometrische Anordnung mit einem zweiten Arm, dessen Strahlführungsmittel und/oder Strahlteilermittel im Wesentlichen symmetrisch zu denjenigen des ersten Arms angeordnet sind, die Höhenauflösung weiter verbessert.Surprisingly it has been shown that an interferometric arrangement with a second arm, its beam guiding means and / or beam splitting means arranged substantially symmetrically to those of the first arm are the height resolution further improved.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass einer der Arme der interferometrischen Anordnung eine Einrichtung zur Transformation der Wellenfront des Lichts, insbesondere eine Einrichtung zur 180°-Drehung oder zur Spiegelung des Lichts aufweist, wobei die Spiegelung an einer zur untersuchenden Oberfläche des Objektes parallelen Ebene erfolgt. Durch die in diesem Arm des Profilometers durchgeführte Wellenfrontransformation wird die Auflösung der Vorrichtung zur Ermittlung des Höhenprofils eines Objekts weiter verbessert.In an advantageous embodiment it is contemplated that one of the arms of the interferometric arrangement a device for transforming the wavefront of light, in particular a device for 180 ° rotation or for mirroring of light, the reflection on one to be examined surface of the object parallel plane. By the in this arm of the Profilometers performed Wavefront transformation will determine the resolution of the device of the height profile of an object further improved.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Einrichtung zur Spiegelung des Laserlichts um ein Porro-Prisma oder ein König-Prisma.It is preferably the device for reflecting the laser light around a Porro prism or a king prism.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Erfassungsmittel mindestens ein CCD-Array umfassen. Dieses CCD-Array ist vorzugsweise zweidimensional ausgeführt, so dass Informationen über die Höhenprofilierung unterschiedlicher Bereich der Oberfläche erfasst werden können.A preferred embodiment provides that the detection means comprise at least one CCD array. This CCD array is preferably two-dimensional, so that information about that height profiling different areas of the surface can be captured.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Vorrichtung Scannmittel zur Bewegung des Objekts relativ zu dem mindestens einen auf die Oberfläche des Objekts auftreffenden Teilstrahl aufweist. Die Verwendung derartiger Scannmittel erlaubt die ortsaufgelöste Bestimmung der Höhenprofilierung der Oberfläche des Objekts.Another embodiment provides that the device scanning means for moving the object relative to the at least one hitting the surface of the object Has partial beam. The use of such scanning means allows spatially resolved Determination of the height profile the surface of the object.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Vorrichtung Scannmittel zur Bewegung der Erfassungsmittel gegenüber dem auf sie auftreffenden Licht aufweisen. Dadurch können auch bei sehr hoch aufgelösten Messungen CCD-Chips mit einer im Vergleich zu der Menge der zu erwartenden Messdaten geringeren Verarbeitungskapazität verwendet werden.Alternatively or in addition the device can have scanning means for moving the detection means across from the light that strikes them. This can also at very high resolution Measurements CCD chips with a compared to the amount to be expected Measurement data with lower processing capacity can be used.
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass die Vorrichtung Mittel zur Phasenverzögerung in einem der Arme der interferometrischen Anordnung aufweist. Das kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Mittel zur Phasenverzögerung mindestens ein verdrehbares Halbwellenlängenplättchen oder mindestens einen beispielsweise durch ein Piezoelement verschiebbaren Spiegel umfassen. Durch eine derartige, beispielsweise in mehreren aufeinanderfolgenden Messungen schrittweise durchgeführte Phasenverzögerung kann die Auflösung deutlich, beispielsweise um einen Faktor 100 gesteigert werden.According to the invention, there is the possibility of that the device means for phase delay in one of the arms of the interferometric arrangement. For example can be realized in that the means for phase delay at least a rotatable half-wave plate or at least one displaceable, for example, by a piezo element Include mirrors. One such, for example in several successive measurements can be carried out stepwise phase delay the resolution significantly, for example by a factor of 100.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Abbildung. Darin zeigtOther features and advantages of present invention will become apparent from the following Description of a preferred embodiment with reference on the enclosed picture. In it shows
In
Mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung können Höhenprofile profilierter Objekte experimentell bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich unter anderem dazu, die Höhenprofile profilierter Mikrooptiken, beispielsweise Linsen zu untersuchen und die durch den Herstellungsprozess auftretenden Abweichungen des realen Linsenprofils von einem theoretisch erwarteteten Linsenprofil zu ermitteln.With the help of such a device can height profiles profiled objects can be determined experimentally. The device according to the invention is suitable among other things, the height profiles profiled Micro optics, for example to examine lenses and the through the manufacturing process deviations of the real lens profile from to determine a theoretically expected lens profile.
Dem Profilometer liegt eine interferometrische Anordnung der optischen Komponenten zugrunde, die zunächst überblicksartig beschrieben werden soll.The profilometer is an interferometric Arrangement of the optical components based on the overview should be described.
Das Profilometer weist eine Laservorrichtung
Die interferometrische Anordnung
des Profilometers umfasst in dieser Ausführungsform ferner drei Strahlteilerelemente
Gegebenenfalls kann die interferometrische Anordnung
darüber
hinaus eine Einrichtung
Aus
Der von der Laservorrichtung
Der vom Strahlteilerelement
Auf diese Weise wird ein erster Teilstrahl
auf das CCD-Array abgebildet, der mit dem Objekt
Ein zweiter als Referenzstrahl dienender Teilstrahl
wird ganz analog zum ersten Teilstrahl durch den zweiten Arm der
interferometrischen Anordnung, der durch das Strahlteilerelement
Der vom Strahlteilerelement
Gleiches gilt für den vom Strahlteilerelement
Die auf das Objekt
Die auf das CCD-Array abgebildeten
Interferenzmuster enthalten Höheninformationen
und damit Informationen über
die Profilierung der Oberfläche des
Objektes
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird also ein Interferenzmuster der Oberfläche des Objekts
Um insbesondere die Höhenauflösung des Profilometers
zu verbessern, kann in einem Arm der interferometrischen Anordnung
eine Einrichtung
Alternativ oder zusätzlich kann auch der Winkel der Lichtstrahlen, die auf das CCD-Array treffen, willkürlich verändert werden, wodurch die Auflösung und darüber hinaus auch das Sichtfeld besser angepasst werden können.Alternatively or additionally the angle of the light rays hitting the CCD array is also arbitrarily changed, causing the resolution and about that the field of vision can also be better adjusted.
Wie oben bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise zur Vermessung von Linsenoberflächen eingesetzt werden, um die Abweichung des realen Linsenprofils von einer theoretischen Kurve zu bestimmen. Bei der Herstellung von Linsen treten aufgrund von Prozessungenauigkeiten Abweichungen von der theoretisch berechneten Linsenkurve auf. In der Praxis ist es für die Beurteilung der Linsengüte sehr wichtig, Profilabweichungen in der Größenordnung von 10 nm experimentell nachweisen zu können.As already mentioned above, the device according to the invention can be used, for example, to measure lens surfaces in order to determine the deviation of the real lens profile from a theoretical curve. In the manufacture of lenses occur due to processing accuracy deviations from the theoretically calculated lens curve. In practice it is very important for the assessment of the lens quality to be able to experimentally prove profile deviations of the order of 10 nm.
Diese Höhenauflösung kann mit der hier vorgestellten Vorrichtung erreicht werden.This height resolution can be done with the one presented here Device can be reached.
Die Verwendung von reflektiertem Laserlicht hat darüber hinaus den Vorteil, dass das Problem des sogenannten Speckle-Rauschens, das insbesondere bei gestreutem kohärenten Licht auftritt, umgangen werden kann.The use of reflected Laser light has over it the advantage that the problem of so-called speckle noise, which occurs particularly in the case of scattered coherent light can.
Das erfindungsgemäße Profilometer kann auch so
ausgeführt
sein, dass die Oberfläche
des Objekts
Die interferometrische Anordnung
des Profilometers kann in einer alternativen Ausführungsform lediglich
einen Arm aufweisen. Werden beispielsweise, abgesehen vom Strahlteilerelement
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