DE2537153A1 - Vorrichtung zum vergleich zweier gegenstaende - Google Patents
Vorrichtung zum vergleich zweier gegenstaendeInfo
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Description
R. 2 5 9 1
7.2.1975 Pb/Sm
7.2.1975 Pb/Sm
Anlage zur
Patent- und
Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum genauen optischen Vergleich zweier Gegenstände in einem ebenen Bereich.
Es sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen die zu
vergleichenden Gegenstände nebeneinander auf einen Kreuztisch gelegt werden. Auf Grund des Abbe'sehen meßtechnischen Grund-
vergleichenden Gegenstände nebeneinander auf einen Kreuztisch gelegt werden. Auf Grund des Abbe'sehen meßtechnischen Grund-
709809/0 101 ·
- 2 - Η· '25
satzes können bei diesen Vorrichtungen quer zu den Schlittenführungen
keine zuverlässigen Messungen vorgenommen werden.
Es sind ferner Vorschläge bekannt, nach denen die Meßgenauigkeit von etwaigen Unzulänglichkeiten der mechanischen Führungen
unabhängig gemacht werden kann, z. B. indem ein optisches System beide zu vergleichenden Gegenstände im gleichen Maßstab in eine
gemeinsame Ebene überlagert abbildet und man dieses (an eine Doppelbelichtung erinnernde) Bild mit einem Mikroskop absucht,
in welches ein Meßokular eingebaut ist. Dieser lokal vorgenommene Vergleich ist offensichtlich von mechanischen Unzulänglichkeiten
und von Verschleiß der Führungen unabhängig (Schweizer Patent 552 194). Dieses Prinzip läßt sich theoretisch
auch bei größeren Prüflingen anwenden; das optische System wird jedoch bei großen Nutzflächen sehr komplex, sehr
groß und sehr teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art einander zugeordnete Teilbereiche
beider zu vergleichender Gegenstände in ein gemeinsames ebenes Feld überlagert abzubilden und durch optische Mittel die zwangsläufig
vorhandenen Fehler der mechanischen Führungen automa- . tisch so auszugleichen, daß ein Vergleich beider Gegenstände
in einem großen Feld möglich wird.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Vorrichtung ein Schiebegestell besitzt, welches die beiden Gegenstände so
trägt, daß einander zuzuordnende Punkte beider Gegenstände jeweils auf einer Normalen zu den miteinander zu vergleichenden
ebenen Bereichen liegen, und daß von den Gegenständen mit einer Mikroskopoptik überlagerte Bilder erzeugt werden mittels zweier
Objektiv-Kanäle, deren Objektebenen parallel zu den besagten
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ebenen Bereichen liegen, wobei in einem Kanal die Brennweite
des Mikroskopobjektives gleich der Hälfte des Abstandes der
miteinander zu vergleichenden Prüflingspunkte ist und ein Bild des zu prüfenden Bereiches in mindestens annähernd unendlich
großer Entfernung erzeugt und dermaßen mit einem Planspiegel zusammenwirkts der starr mit dem erwähnten Sehiebegestell
verbunden ist und eine Spiegelfläche aufweist, die parallel zu den erwähnten ebenen Bereichen liegt, daß kleine
Drehbewegungen des Schiebegestelles die Koinzidenz" einander entsprechender Punkte in den "überlagerten Mikroskopbildern
nicht stören.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert-Es
zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung zum Vergleich zweier Gegenstände,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß
der Erfindung.
Fig.3a heben jene Funktionsträger der in Fig. 2 dargestellten
1111 Vorrichtung hervor, die zum Verständnis des Erfindungsgedankens
besonders wichtig sind.
Fig. 4 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt, wie sieh der Abbe'sehe meßtechnische Grundsatz
auf den Vergleich zweier ebener Gegenstände in handelsüblichen Komparatoren auswirkt. Die zu vergleichenden Prüflinge 2 und
liegen nebeneinander auf einem in zwei zueinander senkrechten Richtungen χ und y bewegliehen Kreuztisch 1.
709809/0101 4
Das Prüfmikroskop 4 hat zwei Eintrittskanäle und besitzt
dementsprechend zwei Mikroskopobjektive 3 und 3'· Letztere
erzeugen von homologen Bereichen der Prüflinge 2 und 2' überlagerte Bilder gleicher Größe in der Objektebene des Okulars.
Die optischen Achsen beider Mikroskopobjektive 3 und 3' bestimmen eine Ebene. Die Spur dieser Ebene in der Prüflingsebene ist im dargestellten Beispiel parallel zur x-Richtung.
Verschiebt sich der Kreuztisch 1 parallel zu dieser Richtung x, so können Messungen bedenkenlos vorgenommen werden, denn
kleine Drehungen (wie Schlenkerbewegungen) des Kreuztisches um eine zur Prüflingsebene senkrechte Achse gehen nur mit
Gliedern höherer Ordnung in die Messung der x-Koordinate ein.
In der dazu senkrechten y-Richtung haben selbst kleine Drehbewegungen
der genannten Art einen sehr viel größeren Einfluß; man beobachtet nämlich in beiden Kanälen eine unterschiedliche
seitliche Verschiebung. Ihr Unterschied ist in erster Näherung durch die Beziehung
(i) Ay = T>tQ
gegeben, in welcher D der Abstand der optischen Achsen beider Mikroskopobjektive 3 und 3' bedeutet und A Θ den kleinen
Drehwinkel, den der Kreuztisch 1 erfährt.
Offensichtlich wird der Fehler Ay mit wachsendem Abstand D
größer, was besonders bei großflächigen Prüflingen 2 und 2' störend ins Gewicht fällt.
709809/0101
-5- η. z^ r
In Figur 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, in welcher die Prüflinge 6 und 61 auf einem Schiebegestell 5 übereinander
angeordnet sind. Will man an einem Prüfling, z. B. an dem Prüfling 6, absolute Messungen vornehmen, so tritt an die
Stelle des zweiten Prüflings 6' ein Meßraster.
Das Schiebegestell 5 trägt außerdem einen Planspiegel 14,
dessen Spiegelfläche l4a nach unten schaut. Das raumfeste Meß- und Betrachtungsmikroskop besteht aus den Mikroskopobjektiven 7 und 71, den Umlenkspiegeln 10 und 10f, dem Pentaprisma
8, dem Hilfsobjektiv 9, dem Strahlenteiler 11 und dem Okular 13. Von den im Mikroskopstrahlengang optisch wirksamen
Elementen sind mit Ausnahme des Planspiegels 14 alle Funktionsträger
starr miteinander verbunden.
Der Planspiegel Ik ist derart am Sch'iebegestell 5 befestigt,
daß sich die Spiegelfläche l4a in ihrer Ebene bewegt, wenn das Schiebegestell 5 auf seiner nicht dargestellten Stützfläche
verschoben wird.
Das Pentaprisma 8 und der Strahlenteiler 11 haben je eine
halbdurchlässige Spiegelfläche 8a und 11a.
Das Mikroskop erzeugt in der Brennebene 12 des Okulars 13 überlagerte vergrößerte Bilder homologer Ausschnitte der Prüflinge
6 und 6'. ·
In der dargestellten Anordnung können reine Translationen des Schiebegestelles 5 nicht zu Meßfehlern führen, da sich beide
Prüflinge 6 und 6' um gleiche Beträge in gleicher Richtung verschieben. Ist aber das Schiebegestell 5 einer zwar unerwünschten
Kippbewegung unterworfen, so verschieben sich die Prüflinge 6 und 6' um unterschiedliche Beträge.
70 9809/0101 " 6 "
- 6 - R. Sr, c
Da jede Bewegung im dreidimensionalen Raum auf eine Rotation und eine Translation zurückgeführt werden kann oder auf drei
Translationen parallel zu den Achsen und drei Rotationen um die Achsen eines beliebigen kartesischen Systemes, und da
reine Translationen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
keine Meßfehler verursachen, bleibt nur noch nachzuweisen, daß auch Rotationen um drei vorgegebene, zueinander senkrechte
Achsen die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigen.
In Figur 3 sind jene Elemente schematisch dargestellt, die der
Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen werden.
Der Punkt A des Prüflinges 6 und der Punkt Af des Prüflinges
stellen homologe Punkte der Prüflinge dar, d. h. Punkte, die in der Brennebene 12 des Okulars 13 in einer Ausgangslage des
Schiebegestelles 5 überlagert sind. Die optischen Achsen der Mikroskopobjektive 7 und 7' fluchten und stehen zur Spiegelfläche
l4a senkrecht. Daher kann eine Drehung um diese Achse AA1 die Übereinstimmung der in der Brennebene 12 befindlichen
Bilder von A und A1 nicht beeinflussen. Drehungen um diese
erste Achse verursachen keine Meßfehler.
Als zweite mögliche Drehachse betrachten wir eine durch den Punkt A1 führende, zur Zeichenebene senkrecht stehende Achse.
ΔΘ sei der Drehwinkel des Schiebegestelles 5 um diese
zweite Achse. Der Punkt Af bleibt auf der optischen Achse des
Mikroskopobjektives 7f. Somit bleibt auch sein Bild in der
Brennebene 12 des Okulars 13 ortsfest. Der Punkt A hat sich in der Ebene des Prüflinges 6 nach A. verschoben. Es bleibt
zu prüfen, ob sich das Bild von A. ebenfalls auf der optischen
Achse des Okulars 13 befindet.
- 7 -709809/0101
Das Mikroskopobjektiv 7 ist so eingestellt, daß es die Prüflingsebene
ins Unendliche abbildet, so daß beim Austritt aus dem Mikroskopobjektiv 7 die vom Punkt A. stammenden Strahlen
parallel sind. Die den Strahlen'gemeinsame Richtung charakterisiert
die Lage des im Unendlichen liegenden Zwischenbildes des Punktes A.. Wir wählen als Vertreter des Parallelstrahlen
bündels den Hauptstrahl PI1.
Der Hauptstrahl PI1 bildet mit dem aus dem Punkt A kommenden
Hauptstrahl PI (= optische Achse des Mikroskopobjektives 7) einen Winkel AoC y ^Θΐ>
folgender Beziehung gehorcht:
Ay
(2) AoC - -Tr- ,
wo f die Brennweite des Mikroskopobjektives 7 und
(3) Δγ =* AA4 ~ H - Δ Θ
ist (dabei ist H der Abstand der homologen Punkte A und A')·
Somit ist
Das Pentaprisma 8 ändert die Richtung der Strahlen nicht, welche, vom Mikroskopobjektiv 7 kommend, den Planspiegel 14
treffen.
Das Pentaprisma 8 kann daher in unseren jetzigen Betrachtungen unberücksichtigt bleiben.
Der Hauptstrahl PI1 trifft den um den Winkel /Li/ verdrehten
Ι·] Nj[ Planspiegel 14. Die SpiegelnormaTe^lm Punkt I. bildet mit PI
(der Richtung des Bildes von A) einen Winkel AQ . Wäre
die Normale auch die Winkelhalbierende des Winkels PI^K, wo ■
I^K parallel zu IA ist, so hätte nach Reflexion an der
Spiegelfläche l4a die Richtung des Bildes des Punktes A1 genau
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die Richtung, in welcher das im Unendlichen liegende Bild des Punktes A zu suchen war, bevor das Schiebegestell 5 um
den Winkel AΘ verkippt wurde.
Unter dieser Vorausstzung (Spiegelnormale - Winkelhalbierende von PI1K) fällt an der halbdurchlässigen Spiegelfläche 8a des
Pentaprismas 8 das an der Spiegelfläche l4a reflektierte
Bündel wieder achsparallel ein, und somit wird in der Brennebene 12 des Okulars 13 das Bild des Punktes A^ dort
liegen, wo vor dem Verkippen des Schiebegestelles um den Winkel Δ Θ das Bild des Punktes A lag.
Um die besagte Voraussetzung zu erfüllen, muß
(5) δΘ - ή£
gesetzt werden. Aus den Gleichungen (4) und (5) ergibt sich dann die Beziehung
d. h. die Brennweite des Mikroskopobjektives 7 muß die Hälfte
des senkrecht gemessenen Abstandes der homologen Punkte A und A1 betragen.
Man hätte dieselbe Bedingung für f gefunden, wenn man die zweite Achse nicht senkrecht zur Figurenebene gewählt, sondern
in die Figurenebene gelegt hätte. In Figur 3 ist diese Achse mit MM1 be zeichnet.-I)Es ergibt sich daraus der Schluß, daß unter
der Voraussetzung, daß die Bedingung (6) erfüllt ist, Dreh-
+) Der in der Zeichnung nicht dargestellte Drehwinkel um die - 9 Achse
MM1 ist im folgenden mit ß bezeichnet.
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bewegungen um die drei betrachteten, zueinander senkrechten Achsen durch den Punkt A1 keinen Einfluß auf die Meßgenaugigkeit
haben, da solche Bewegungen die Koinzidenz in der Brennebene 12 des Okulars 13 auf der optischen Achse nicht stören.
Liegt der Punkt A nicht auf der optischen Achse des Mikroskopobjektives 7j so liegt PI nicht mehr parallel zu AA', hat jedoch
einen Einfallswinkel i auf die Spiegelfläche l4a. Bei einer Drehung des Planspiegels l4 um den Kippwinkel &Θ wird
zwar der Hauptstrahl bei der Reflexion um einen Winkel 2ΔΘ
gedreht. Eine zusätzliche Drehung OfS um die Achse MM'
bedingt eine Drehung des Strahles IK um einen Winkel 2 &β
cos i. Ist der Winkel i klein, so ist cos i ungefähr gleich 1 zu setzen. Selbst bei einem Winkel i = 18° ist cos i noch
0,95s so daß bei diesem großen Feldwinkel die Korrektur in
x-Richtung 95$ beträgt.
Da· reine Translationen ohne jeden Einfluß auf die Meßgenauigkeit bleiben, können auch Prüflinge 6 und 6' miteinander
verglichen werden, die nicht eben sind. Eine Einstellung der Bildschärfe durch Verschiebung des Mikroskapes gegenüber dem.
Schiebegestell 5 hat keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Die nach dem Erfindungsgedanken gebaute-Vorrichtung kann insbesondere
dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn an einem Körper Abmessungen in zueinander parallelen Ebenen geprüft
werden müssen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß gebauten Vorrichtung ist, daß Messungen ohne Nachjustierung in einem Arbeitsgang in
x- und in y-Richtung durchgeführt' werden können, was bei handelsüblichen Komparatoren wegen des Abbe'sehen meßtechnischen
Grundsatzes nicht ohne erheblichen Verlust an Meßgenauigkeit möglich ist.
- 10 -
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213
Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß bei der erfindungsgemäß
gebauten Vorrichtung Temperaturänderungen die Meßgenauigkeit nicht oder nur schwach beeinflussen. Homologe Auflageflächen
und Anschläge liegen übereinander und behalten in den Meßebenen ihre relative Lage bei, auch wenn sich die Temperatur
ändert; die Koinzidenz homologer Punkte der Prüflinge bleibt trotz Temperaturänderungen erhalten.
Will man wahlweise verschiedene Mikroskop-Vergrößerungen verwenden,
so kann das Mikroskopobjektiv 7' gegen ein anderes ausgetauscht werden. Da das Mikroskopobjektiv 7 der Bedingung
(6) genügen muß, kann es nicht ausgetauscht werden. Um dennoch in beiden Kanälen denselben Abbildungsmaßstab zu erhalten, muß
entweder das Hilfsobjektiv 9 ausgewechselt werden oder ein
Afokalglied zwischen das Pentaprisma 8 und das Hilfsobjektiv
9 eingefügt werden.
In Figur 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt.
Teile, die in Figur 2 und Figur k dieselbe Funktion erfüllen,
tragen dieselben Kennziffern.
Bei der in Figur 4 gezeigten Anordnung ist eine Umkehr des
Bildes vor und nach dem Planspiegel 14 erforderlich. Diese
Umkehr wird durch zwei Porro-Prismensysteme erster Art 15a
und 15b verwirklicht.
Mit dieser Anordnung kann man nicht nur, wie in der Anordnung gemäß Figur 2, zwei theoretisch gleiche Prüflinge, sondern
auch theoretisch gegenwendig gleiche Prüflinge miteinander vergleichen, wie etwa eine Photoplatte und ihre lichtundurchlässige
Kopie, was bei der Fertigung von IC-Schaltkreisen von besonderem Interesse ist.
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In Figur 4 arbeitet das Mikroskopobjektiv 7' im Durchlicht
und das Mikroskopobjektiv 7!I im Auflicht. Die Kanal-Wahl
erfolgt mittels des Schwenkspiegels 16a bzw. l6b.
- 12 -
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Claims (2)
1. Vorrichtung zum genauen optischen Vergleich zweier Gegenstände (6j 6') in einem ebenen Bereich, dadurch gekennzeichnet
daß die Vorrichtung ein Schiebegestell (5) besitzt5
welches die beiden Gegenstände (6, 6') so trägt,.daß einander
zuzuordnende Punkte beider Gegenstände (6, 6') jeweils
auf einer Normalen zu den miteinander zu vergleichenden ebenen Bereichen liegen, und daß von den Gegenständen
(6, 6') mit einer Mikroskopoptik (7 bis 13) überlagerte Bilder erzeugt werden mittels zweier Objektiv-Kanäle (7S 7')*
•deren Objektebenen parallel zu den besagten ebenen Bereichen liegen, wobei in einem Kanal (7) die Brennweite des Mikroskopobjektives
gleich der Hälfte des Abstandes (H) der miteinander zu vergleichenden Prüflingspunkte (A, A') ist und
ein Bild des zu prüfenden Bereiches in mindestens annähernd unendlich großer Entfernung erzeugt und dermaßen mit einem
Planspiegel zusammenwirkt, der starr mit dem erwähnten Schiebegestell (5) verbunden ist und eine Spiegelfläche
(14a) aufweist, die parallel zu den erwähnten ebenen Bereichen liegt, daß kleine Drehbewegungen des Schiebegestelles
(5) die Koinzidenz einander entsprechender Punkte in den überlagerten Mikroskopbildern, nicht stören.
- 13 -
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2. Vorrichtung nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, daß in
einem Kanal des Mikroskopsystemes ein optisches Umkehrsystem, vorzugsweise ein Porro-Prisma erster Art. (15a* 15b),
angeordnet ist.
3· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die erwähnte Spiegelfläche senkrecht zur optischen Achse des zugehörigen Mikroskopobjektives (7)
steht.
H. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3>
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mikroskopkanal, in welchem sich der starr mit dem Schiebegestell (5) verbundene Planspiegel befindet,
der Abbildungsmaßstab dadurch geändert wird, daß die Brennweite eines Hilfsobjektives (9) geändert wird
oder daß dieses Objektiv ganz oder teilweise ersetzt wird.
43-.
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