DE9204528U1 - Anordnung zur berührungslosen Abtastung - Google Patents
Anordnung zur berührungslosen AbtastungInfo
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Description
Patentanwalt Dipl.,-Phys. H. Klose
Zugelassener Vertreter vor: 4em "Eiirop&i sehen Patentamt
D-6700 Luäwigähafen, Kurfürstenstraße 32
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Anmelderin: Heidelberg Instruments Mikrotechnik GmbH
Im Neuenheimer Feld 518
D-6900 Heidelberg
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Anordnung zur berührungslosen Abtastung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur berührungslosen Abtastung von Oberflächen gemäß den im Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Eine derartige Anordnung ist aus der PCT-Anmeldung WO
90/00025 bekannt und enthält eine auf ein Objekt fokusierbare Lichtquelle. Mittels einer Abtasteinrichtung kann der bevorzugt
mittels eines Lasers erzeugter Strahl dreidimensional über das Objekt geführt werden, wobei mittels eines Detekors
die von dem jeweils abgetasteten Punkt reflektierten Strahlen erfaßt und nachfolgend ausgewertet werden. Eine hohe optische
Auflösung in Richtung der optischen Achse wird durch einen konfokalen Aufbau erreicht. Zur Strahlablenkung sind Spiegel
vorgesehen und die vorbekannte Anordnung erfordert einen nicht unerheblichen Material- und Herstellungsaufwand.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anordnung dahingehend auszubilden, daß mit geringem
Aufwand die Abtastung durchgeführt werden kann. Die Anordnung soll eine einfache Handhabung ermöglichen und bei geringem
Platz- und Gewichtsbedarf zuverlässig die Abtastung ermöglichen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Die vorgeschlagene Anordnung ermöglicht zuverlässig die berührungslose Abtastung von Oberflächen unter Einsatz eines
fein fokusierten Laserspots. Die Anordnung ermöglicht die Durchführung von Rauhheitsmessungen, der dreidimensionalen
Mikrotopographiemessungen sowie Längenmessungen im Mikrometerbereich an beliebigen Oberflächen. Es erfolgt eine optomechanische
Abtastung mittels des Laserspots zumindest in Richtung der optischen Achse und bevorzugt auch in den
lateralen Richtungen. Bevorzugt kann die Anordnung eingesetzt werden zur Messung von Rauheit, Mikroprofilometrie, Vermessung
von Mikrodefekten sowie Inspektion transparenter Proben. Der optische Teil enthält bevorzugt einen Helium-Neon-Laser,
eine Strahlformungsoptik sowie eine Detektionseinheit. Als
bewegbares Meßobjektiv gelangt ein Standard-Mikroskopobjektiv zum Einsatz, und es kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen
bezüglich Auflösung und Arbeitsabstand ausgewählt werden. Der Meßbereich liegt in der Größenordnung von 2x2
mm in der Ebene der X- und Y-Achsen und ferner in der Größenordnung von 100 Mikrometern in Richtung der Z-Achse bzw.
Objektivachse. Der Meßbereich ist im wesentlichen unabhängig vom zum Einsatz gelangenden Objektiv, so daß gleichzeitig mit
großem Bildfeld und hoher Auflösung gearbeitet werden kann. Aufgrund der hohen Dynamik der Intensitätsmessung werden
Messungen an Flächen sehr kleiner Reflektivität ermöglicht. Die Anordnung zeichnet sich durch eine hohe Auflösung und
Schnelligkeit aus. Es gelangt die Methode der konfokalen Laserabtastung zum Einsatz, gemäß welcher die von der zu
vermessenden Oberfläche reflektierte Intensität sowie die X-Y-Z-Positionen des Laserspots simultan gemessen und ggfs.
aufgezeichnet werden. Hierbei kann simultan oder auch nachfolgend das 3D-Profil der Oberfläche, bevorzugt mittels
eines Rechners, rekonstruiert werden. Aufgrund des Einsatzes der konfokalen Detektion wird sichergestellt, daß während des
Scanvorganges zu jeder Zeit nur Licht aus dem Laserfokus detektiert wird. Hierdurch ist eine hohe Auflösung in Richtung
der optischen Achse, also in der Tiefe des Objektes und ferner eine hohe laterale Auflösung gegeben.
Besondere Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne daß
insoweit eine Einschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung,
Fig. 2 eine seitliche Ansicht der Anordnung,
Fig. 3 eine Darstellung der XY-Abtasteinheit,
Fig. 2 eine seitliche Ansicht der Anordnung,
Fig. 3 eine Darstellung der XY-Abtasteinheit,
Fig. 4 eine seitliche Ansicht in Blickrichtung IV gemäß Fig. 3,
Fig. 5 teilweise vergrößert die Klemmverbindung einer Hohlspindel.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der konfokalen Laser-Abtast-Anordnung
mit einer Laserquelle 2, welche bevorzugt als ein Helium-Neon-Laser ausgebildet ist. Nachgeordnet ist
eine Aufweitungsoptik 4, um den Laserstrahl 6 soweit aufzuweiten, daß er über einen Spiegel 8 ein Objektiv 10 überleuchtet.
Eine erste kleine Lochblende 12 ist als effektiv wirksame Lichtquelle zu betrachten. Das Laserlicht wird durch
das Objektiv 10 auf einen etwa 1 Mikrometer großen Fleck 14, nachfolgend als Laserspot bezeichnet, fokusiert. Das von der
Probe 16 reflektierte Licht gelangt über das Objektiv 10, einen Strahlteiler 18 und eine zweite kleine Lochblende 20
auf einen Detektor 22. Der dargestellte optische Strahlengang
und diese zweite kleine Lochblende 20 stellen sicher, daß nur Licht von dem Fleck 14 der Oberfläche der Probe 16 in den
Detektor 22 gelangt. Mittels gepunkteten Linien 24 ist beispielshaft Licht von einer von der Oberfläche von der
Probe 16 befindlichen zweiten Positon 26 angedeutet, wobei dieses Licht ersichtlich nicht zu dem Detektor 22 gelangen
kann. Es ist somit in Richtung der optischen Achse Z, also in der Tiefe bezüglich der Probenoberfläche eine hohe Auflösung
gegeben, wobei die Intensität bezogen auf den Abstand zwischen Probe und Objektiv unmittelbar an der Oberfläche der
Probe ein ausgeprägtes Maximum aufweist.
Die Anordnung enthält eine Einheit 30, auf welcher das Objektiv 10 angeordnet ist, um dieses zumindest in Richtung
der Objektivachse Z definiert zu bewegen. Die Position der Probe 16 wird aus den Daten gewonnen, welche während der
Bewegung in Richtung der Z-Achse, nachfolgend als Z-Scan bezeichnet, aufgenommen werden, da die konfokale Detektion
ein scharfes Maximum der Intensitätskurve liefert, wenn der Laserspot genau auf die Oberfläche der Probe 16 fällt. Die
Einheit 30 ermöglicht ferner die definierte Lateralbewegung des Objektivs 10. Alternativ kann im Rahmen der Erfindung die
Einheit 30 nur für die Bewegung in Richtung der optischen Achse Z ausgelegt sein, also als eindimensionale Version
ausgebildet sein, welche nur die Abtastung in Richtung der optischen Achse Z ermöglicht und beispielsweise in ein
bestehendes X-Y-Tischsystem eingebaut werden kann. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Einheit 30, ggfs. in
Verbindung mit einem externen XY-Tischsystem wird der Laserspot entlang der drei Achsen bzw. Richtungen bewegt und die
jeweiligen X-Y-Z-Positionen des Laserspots werden simultan gemessen und aufgezeichnet. Nachfolgend oder auch gleichzeitig
wird mittels eines nachgeschalteten Rechners das Profil der Oberfläche der Probe rekonstruiert. Wird das
Objektiv während der Bewegung in Richtung der Z-Achse auch in Richtung der X-Achse weiterbewegt, so wird ein zweidimensionales
Profil entlang einer Linie erhalten. Der vollstän-
dige dreidimensionale Datensatz wird in der Weise erhalten, daß eine Anzahl von einzelnen X-Z-Abtastscans aufgenommen
wird, welche jeweils durch einzelne Bewegungsschritte in Richtung der Y-Achse separiert sind.
In den dargestellten optischen Scanstrahlengang kann, beispielsweise
über einen weiteren Strahlteiler, eine Optik implantiert werden, welche einen Mikroskopeinblick ermöglicht.
Durch Anschluß einer CCD-Kamera wird in zweckmäßiger Weise die Kombination das Laser-Abtastsystems mit einem
Videosystems ermöglicht. Das auf diese Weise zur Verfügung gestellte Videobild ermöglicht die Kontrolle des Laserspots
und des abzutasenden Gebietes auf der Probe.
Fig. 2 zeigt die Anordnung mit einem Gehäuse 34, welches oben eine Objektplatte 36 zur Aufnahme der erwähnten Probe aufweist
und welches eine Höhe 37 von ca. 200 mm besitzt. In dem Gehäuse 34 sind die eingangs bereits beschriebenen Komponenten
sowie zugeordnete Stromversorgungseinheiten und Kontrolleinrichtungen enthalten. Wie ersichtlich, ist die Einheit 30,
mit welcher die Bewegungen des Objektivs 10 in Richtung der drei Achsen X, Y und Z durchführbar sind, unterhalb der
Objektplatte 36 im Gehäuse 34 angeordnet. Mittels eines Handrades 38 kann eine Grobausrichtung, insbesondere in
Richtung der Z-Achse durchgeführt werden. Über ein Kabel 40 erfolgt der Anschluß zu einem hier nicht weiter dargestellten
Rechner, insbesondere einem AT-Personalcomputer. Die XYZ-Einheit
30 enthält einen X-Antrieb 42 und einen Z-Antrieb 44 und ferner einen hier nicht angedeuteten Antrieb zur Bewegung
des Objetivs 10 in Richtung der Y-Achse.
Fig. 4 zeigt in einer Aufsicht von oben die Einheit 30 mit dem X-Antrieb 42 und dem Y-Antrieb 43. Auf einem ersten
winkelartig ausgebildeten Tisch 46 ist der X-Antrieb 42 mit dem X-Motor 47 angeordnet. Ein zweiter Tisch 48 für den Y-Antrieb
mit einem Y-Motor 49 ist mittels Blattfedern 50 bezüglich des ersten Tischs 46 gekoppelt. In Richtung der zur
&ngr;-,6 -
Zeichenebene orthogonalen Z-Achse sind beabstandet zu den beiden Blattfedern 50, 51 noch zwei weitere Blattfedern
angeordnet; der zweite Tisch 58 ist also mittels insgesamt vier Blattfedern mit dem ersten Tisch 42 gekoppelt. Entsprechend
ist ein dritter Tisch 52 mit dem Objektiv 10 bezüglich vier weiteren Blattfedern, von welchen hier wiederum nur die
beiden Blattfedern 54, 55 dargestellt sind, mit dem zweiten Tisch 48 gekoppelt. Auf dem zweiten Tisch 48 befindet sich
der Y-Antrieb 43 mit dem Y-Motor 49. Zur Bewegung des Objektivs 10 in Richtung der Z-Achse ist der Z-Antrieb bevorzugt
als ein piezoelektrischer Antrieb ausgebildet. Die hier dargestellter XY-Scaneinheit gewährleistet auf einfache Weise
eine zuverlässige und vibrationsarme XY-Scanbewegung des Objektivs 10 und somit des die Oberfläche der Probe abtastenden
Laserspots.
Fig. 4 zeigt eine seitliche Ansicht der Scaneinheit mit dem ersten Tisch 46 und dem zweiten Tisch 48, welche im wesentlichen
als eine Halteplatte für den Y-Motor 49 ausgebildet ist. Der Y-Antrieb enthält ferner eine Parallelführung 66 mit
zwei parallel zur Y-Achse und beabstandet zueinander angeordnet Stangen 56, 57 bezüglich welchen der dritte Antrieb 52 in
Richtung der Y-Achse bewegbar ist. Zur Ankopplung an den Y-Motor 59 dient eine Hohlspindel 58 und eine Drahtkupplung 60.
Wie ersichtlich, sind vorne zwei Federn 62, 63, welche als Druckfedern ausgebildet sind, zwischen die Halteplatte 48 und
dem dritten Tisch 52 vorgesehen. Mittels eines Seilzuges 65 zwischen Parallelführung und Tisch 52 erfolgt eine von
Scherkräften freie Kopplung.
Fig. 5 zeigt vergrößert ein Detail der Hohlspindel 58, durch welches die Drahtkupplung 60 hindurchgeführt ist. Zur
Klemmung bezüglich der Hohlspindel 58 ist in der dargestellten Weise eine Klemmschraube 64 vorhanden.
Bezugszeichen
2 | 51 | Laserquelle |
4 | Aufweitungsoptik | |
6 | 55 | Laserstrahl |
8 | 57 | Spiegel |
10 | Objektiv | |
12 | erste Lochblende | |
14 | 63 | Fleck |
16 | Probe | |
18 | Strahl | |
20 | zweite Lochblende | |
22 | Detektor | |
24 | Linie | |
26 | zweite Positon | |
30 | Einheit | |
34 | Gehäuse | |
36 | Objektplatte | |
37 | Höhe | |
38 | Handrad | |
40 | Kabel | |
42 | X-Antrieb | |
43 | Y-Antrieb | |
44 | Z-Antrieb | |
46 | erster Tisch | |
47 | Motor | |
48 | zweiter Tisch | |
49 | Y-Motor | |
50, | Blattfeder | |
52 | dritter Tisch | |
54, | Blattfeder | |
56, | Stange | |
58 | Hohlspindel | |
60 | Drahtkupplung | |
62, | Federn | |
64 | Klemmschraube | |
65 | Seilzug | |
66 | Parallelführung ""- " ^ ■' !■ J w C "J t |
|
Claims (8)
1. Anordnung zur berührungslosen Abtastung einer Probe,
enthaltend eine Laserquelle, eine Aufweitungsoptik und ein Objektiv für einen Laserstrahl sowie einen Detektor, wobei
ein konfokaler Aufbau vorgegeben ist und mittels des Detektors ein Laserspot erfaßbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (10) auf einer Einheit (30) angeordnet ist, mittels welcher der Laserspot
zumindest in Richtung der Objektivachse bezüglich der Oberfläche der Probe (16) bewegbar ist, und daß die Intensität
der von der Oberfläche der Probe (16) reflektierten Strahlen sowie die Position des Laserspots zumindest in Richtung der
optischen Achse Z erfaßbar sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (30) zur Bewegung des Objektivs (10) in Richtung der
beiden zur Objektivachse orthogonalen X- und Y-Achsen ausgebildet ist, oder daß die Probe in Richtung der genannten X-
und Y-Achsen bewegbar angeordnet sind und daß die Position des Laserspots auch in Richtung dieser beiden Achsen erfaßbar
ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang des Laserstrahls (3) eine Optik für
einen Mikroskopeinblick implementiert ist, wobei an diese Optik bevorzugt eine Videokamera anschließbar ist.
4. Anordnug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Gehäuse (34) die Laserquelle (2), die Aufweitungsoptik, der Detektor (22) sowie die Einheit (30)
mit dem Objektiv (10) angeordnet sind und daß insbesondere auf der Oberseite des Gehäuses (34) eine Objektplatte (36)
zur Aufnahme der Probe angeordnet ist, auf welche das Objektiv (10) ausgerichtet ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere mittels eines Handrades (38)
eine Grobausrichtung des Objektivs (10) in Richtung der Objektivachse durchführbar ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (10) bezüglich eines Tisches
(52) mittels eines piezoelektrischen Antriebs in Richtung der optischen Achse bewegbar angeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (10) Antriebe (42, 43) zur
Bewegung des Objektivs in den beiden zur optischen Achse orthogonalen Richtungen aufweist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Antriebsmotor (43, 49) mit
dem zugeordneten Tisch über einen Seilzug (65) sowie eine Hohlspindel (58) gekoppelt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9204528U DE9204528U1 (de) | 1992-04-02 | 1992-04-02 | Anordnung zur berührungslosen Abtastung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE9204528U DE9204528U1 (de) | 1992-04-02 | 1992-04-02 | Anordnung zur berührungslosen Abtastung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE9204528U1 true DE9204528U1 (de) | 1992-09-17 |
Family
ID=6878056
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE9204528U Expired - Lifetime DE9204528U1 (de) | 1992-04-02 | 1992-04-02 | Anordnung zur berührungslosen Abtastung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE9204528U1 (de) |
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- 1992-04-02 DE DE9204528U patent/DE9204528U1/de not_active Expired - Lifetime
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