WO2002097364A1

WO2002097364A1 - Sensorvorrichtung zur schnellen optischen abstandsmessung nach dem konfokalen optischen abbildungsprinzip

Info

Publication number: WO2002097364A1
Application number: PCT/DE2002/001748
Authority: WO
Inventors: Anton Schick
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2002-12-05
Also published as: JP3947159B2; DE10125885A1; US7038793B2; DE50214645D1; DE10125885B4; WO2002097364A8; EP1390693B1; US20050002042A1; JP2004526979A; EP1390693A1

Abstract

Sensorvorrichtung zur schnellen optischen Abstandsmessung nach dem konfokalen Abbildungsprinzip zur Ermittlung von Abstands- und/oder Höhenwerten einer Oberfläche, aufweisend ein auf einer optischen Achse angeordnetes punktförmiges lichtaussendendes Element, einen senkrecht zu der optischen Achse angeordneten Reflektor, welcher entlang der optischen Achse bewegbar ist, eine zentriert zu der optischen Achse angeordnete Abbildungsoptik und ein punktförmiges lichtempfangendes Element, welches an der selben Stelle wie das lichtaussendende Element angeordnet ist. Die Komponenten der Sensorvorrichtung sind derart angeordnet, dass von dem lichtaussendenden Element ausgesandtes Licht von dem Reflektor reflektiert wird, dass im Verlauf der Bewegung des Reflektors das von dem Reflektor reflektierte Licht von der Abbildungsoptik zumindest einmal auf die zu vermessende Oberfläche fokussiert wird, dass das fokussierte Licht von der zu vermessenden Oberfläche zumindest teilweise zurückgestreut wird und dass im Verlauf der Bewegung des Reflektors das zurückgestreute Licht von der Abbildungsoptik über den Reflektor zumindest einmal auf das lichtempfangende Element fokussiert wird.

Description

Beschreibung

Sensorvorrichtung zur schnellen optischen AbStandsmessung nach dem konfokalen optischen Äbbildungsprinzip

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur schnellen optischen Abstandsmessung und zur Ermittlung von Abstands^¬ und/oder Höhenwerten einer Oberfläche, insbesondere zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung.

Für Montagesysteme im Bereich der Elektronikfertigung, wie z.B. für Bestückautomaten für Leiterplatten, werden die Anforderungen an die Lagetoleranzen der Bauelemente aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung von Bauelementen immer grö- ßer. Die Anforderung an die Bestückgeschwindigkeit ist in den letzten Jahren ebenfalls stark gestiegen und wird wohl auch in Zukunft weiter ansteigen. Diese hohen Anforderungen haben zur Folge, dass Montagesysteme zukünftig neben hochgenauen und schnellen Lagesensoren für Bauelemente auch hochgenaue und schnelle Abstands- oder Höhensensoren benötigen. Solche Sensoren sind z.B. für eine Prüfung der Koplanarität der Anschlussstifte von Bauelementen erforderlich. Eine weitere Anwendung für Abstands- oder Höhensensoren stellt die Abstandskontrolle zwischen einem Bauteil und dem Schaltungsträger während des Aufsetzvorganges dar.

Bisher bekannte Einrichtungen zur Aufnahme von Höhenrasterbildern, die aus einer Vielzahl von dreidimensional vorliegenden Punkten von Objektoberflächen bestehen, beruhen im we- sentlichen auf dem sog. Triangulationsverfahren. Dabei tastet ein Laserstrahl die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes ab. Während die beiden ebenen Ortskoordinaten eines bestimmten Oberflächenpunktes durch die aktuelle Positionierung des Laserstrahls bekannt sind, wird die Höhenkoordinate des aktu- eil zu vermessenden Oberflächenpunktes von mindestens einem seitlich angeordneten Objektiv in Verbindung mit einem ortsensitiven Detektor erfasst. Durch sequentielles Ausleuchten der zu untersuchenden dreidimensionalen Oberfläche mittels des Laserstrahls lässt sich somit die zu untersuchende Ober^¬ fläche vermessen.

Das Auflösungsvermögen von optischen Abstandssensoren, welche das Triangulationsverfahren verwenden, hängt vom sog. Triangulationswinkel ab. Da mit einer zukünftigen Verkleinerung von Bauelementen auch das Auflösungsvermögen der Abstandssensoren verbessert werden muss, muss bei derartigen optischen Abstandssensoren der Triangulationswinkel vergrößert werden, was jedoch zu einer erheblichen Vergrößerung von bereits bestehenden Abschattungsproblemen führt. Ein weiterer Nachteil von auf dem Triangulationsverfahren beruhenden optischen Abstandssensoren besteht darin, dass die zu untersuchenden Oberflächen i. a. unterschiedliche optische Streuvermögen aufweisen. Präzise Abstandsmessungen sind i. a. nur bei Objekten möglich, deren Oberfläche ein isotropes, d.h. in alle Richtungen gleich stark ausgeprägtes Streuvermögen des auf die Oberfläche auftreffenden Laserstrahls aufweist. Ein sol- ches isotropes Streuvermögen ist insbesondere bei metallisch spiegelnden oder auch transparenten Oberflächen in der Regel nicht gewährleistet.

Ein für die dreidimensionale Vermessung von Oberflächenstruk- turen bekanntes Verfahren basiert auf dem sog. konfokalen

Prinzip. Hierbei wird eine punktförmige Lichtquelle, welche gewöhnlich durch eine Lochblende definiert wird, auf die Oberfläche des zu erfassenden Objekts abgebildet. Das von der Oberfläche zurückgestreute Licht wird wiederum auf einen na- hezu punktförmigen Detektor abgebildet, welcher ebenfalls üblicherweise durch eine Lochblende definiert wird. Die auf den Detektor auftreffende Lichtintensität ist genau dann maximal, wenn sowohl die Objekt- als auch die Detektorebene tatsächlich im Brennpunkt der jeweiligen Optik liegen. Befindet sich die zu untersuchende Objektoberfläche außerhalb der Brennebene, so erfolgt eine Aufweitung des Messstrahls vor dem punktförmigen Detektor und die messbare Intensität nimmt stark ab. Im _folgenden werden anhand von Figur 1 eine bekannte Sensor^¬ vorrichtung zur optischen AbStandsmessung nach dem konfokalen Prinzip erläutert. Die Sensorvorrichtung 100 weist eine Lichtquelle 101, eine erste Lochblende 102, einen Strahltei^¬ ler 103, eine zweite Lochblende 104, einen Lichtdetektor 105 und ein Objektiv 106 auf. Die erste Lichtblende 102 ist un^¬ mittelbar vor der Lichtquelle 101 angeordnet, so dass das System aus Lichtquelle 101 und erster Lochblende 102 wie eine Punktlichtquelle wirkt, welche eine effektive lichtemittierende Fläche aufweist, die dem Querschnitt der Öffnung der ersten Lochblende 102 entspricht. Entsprechend ist die zweite Lochblende 104 unmittelbar vor dem Lichtdetektor 105 angeordnet. Der Lichtdetektor 105, die zweite Lochblende 104, der Strahlteiler 103, das Objektiv 106 und der aktuell zu vermessende Punkt der zu erfassenden Oberfläche (nicht dargestellt) liegen auf einer Achse, welche mit der optischen Achse des Objektivs 106 zusammenfällt.

Im folgenden wird der Strahlengang in der Sensorvorrichtung 100 erläutert. Das von der Punktlichtquelle emittierte Licht trifft zunächst auf den Strahlteiler 103. Dieser ist relativ zu der optischen Achse schräg gestellt, so dass das von der Punktlichtquelle emittierte Licht nach Reflexion an dem Strahlteiler 103 auf das Objektiv 106 gerichtet und von diesem auf einen Brennpunkt 107 fokussiert wird, welcher sich zumindest in der Nähe der zu vermessenden Oberfläche befindet. Das von der Oberfläche zumindest teilweise zurückreflektierte Licht wird wiederum mittels des Objektivs 106 auf die zweite Lochblende 104 abgebildet. Zu dieser Abbildung trägt nur das Licht bei, welches ohne weitere Ablenkung durch den Strahlteiler 103 transmittiert wird. Die beiden Blenden 102 und 104 sind relativ zu der Brennebene des Objektivs 106 konfokal angeordnet, d.h. der Abstand zwischen der zweiten Lochblende 104 und dem Objektiv 106 ist gleich der Summe der Abstände zwischen erster Lochblende 102 und Strahlteiler 103 und zwischen Strahlteiler 103 und Objektiv 106. Für die opti- sehen Abbildungen innerhalb der Sensorvorrichtung 100 bedeu^¬ tet dies, dass die Lochblende 102 über Reflexion an dem Strahlteiler 103 von dem Objektiv 106 auf den Brennpunkt 107 abgebildet wird, und dass der Brennpunkt 107 mittels dem Ob- jektiv 106 auf die zweite Lochblende 104 abgebildet wird.

Die eigentliche Abstandsmessung erfolgt dadurch, dass die gesamte Sensorvorrichtung 100 relativ zu der nicht dargestellten zu vermessenden Oberfläche in z-Richtung 108 bewegt wird. Im Verlauf dieser Bewegung wird die von dem Lichtdetektor 105 gemessene Lichtintensität erfasst. Der Verlauf 109 der gemessenen Lichtintensität als Funktion des Abstandes zwischen der Sensorvorrichtung 100 und der zu vermessenden Oberfläche ist in dem Einschub 110 skizziert. Es zeigt sich genau dann ein Maximum 111, wenn der Brennpunkt 107 unmittelbar auf der zu vermessenden Oberfläche liegt. Anders ausgedrückt erhält man das Maximum 111, wenn die Öffnung der ersten Lochblende 102 auf eine möglichst kleine Fläche auf der zu vermessenden Oberfläche abgebildet wird. Bei der konfokalen Anordnung der beiden Lochblenden 102 und 104 bedeutet dies, dass die beleuchtete Fläche auf der zu vermessenden Oberfläche (nicht dargestellt) mittels des Objektivs 106 auf eine möglichst kleine Fläche abgebildet wird, die mit der Öffnung der zweiten Lochblende 104 zusammenfällt. Aus dem Verlauf 109 der Lichtintensität, insbesondere aus der genauen Lage des Maximums 111, kann der Abstand von dem entsprechenden Punkt der zu vermessenden Oberfläche zu der Sensorvorrichtung 100 ermittelt werden. Ein gesamtes dreidimensionales Oberflächenprofil einer unbekannten Struktur wird dann durch sequentiel- le Abstandsmessungen zwischen der Sensorvorrichtung 100 und einzelnen Punkten auf der zu vermessenden Oberfläche ermittelt.

Gemäß dem konfokalen Prinzip sind Beleuchtungs- und Detekti- onspfad identisch, d.h. das auf die zu erfassende Oberfläche auftreffende und das von der zu erfassenden Oberfläche reflektierte Licht verlaufen koaxial und Abschattungsphänomene ω L K3 N) P¹ P

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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung er^¬ geben sich aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung von derzeit bevorzugten Ausführungsformen.

Figur 1 zeigt eine optische Sensorvorrichtung nach dem konfokalen Abbildungsprinzip gemäß dem Stand der Technik. Figur 2 zeigt eine ein erstes und ein zweites Modul aufweisende optische Sensorvorrichtung nach dem kon- fokalen Abbildungsprinzip gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im zweiten Modul ist ein Ende des Lichtwellenleiters in zwei Teilenden aufgespalten, wobei ein erstes Teilende mit der Lichtquelle und ein zweites Teilende mit dem Lichtdetektor optisch gekoppelt ist. Figur 3 zeigt ein zweites Modul einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Lichtquelle und Lichtde- tektor sind mittels einer einen Strahlteiler mit dem erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter gekoppelt. Figur 4 zeigt ein erstes Modul einer optischen Sensorvorrichtung nach dem konfokalen Abbildungsprinzip gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der

Erfindung. Auf der optischen Achse ist zusätzlich ein Umlenkspiegel angeordnet.

Figur 2 zeigt eine optische Sensorvorrichtung 200 nach dem konfokalen Abbildungsprinzip gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Sensorvorrichtung 200 weist ein erstes Modul 201 und ein zweites Modul 202 auf. Das erste Modul 201 enthält ein Elektronikmodul 203, einen als Lichtquelle dienenden Laser 204 und eine als Lichtdetektor dienende Photodiode 205. Der Laser 204 ist mittels einer elektrischen Verbindungsleitung 206 mit dem Elektronikmodul 203 gekoppelt. Die Photodiode 205 ist mittels der elektrischen Verbindungs- ω ω ιo M P¹ cπ o Cπ O Cπ o Cπ

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Claims

Patentansprüche

1. Sensorvorrichtung zur schnellen optischen Abstandsmessung nach dem konfokalen Abbildungsprinzip zur Ermittlung von Ab- Stands- und/oder Höhenwerten einer Oberfläche, insbesondere zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung, mit

• einem auf einer optischen Achse angeordneten punktförmigen lichtaussendenden Element,

• einem senkrecht zu der optischen Achse angeordneten Re- flektor, welcher entlang der optischen Achse bewegbar ist,

• einer zentriert zu der optischen Achse angeordneten Abbildungsoptik und

• einem punktförmigen lichtempfangenden Element, welches an der selben Stelle wie das lichtaussendende Element ange- ordnet ist, wobei

• von dem lichtaussendenden Element ausgesandtes Licht von dem Reflektor reflektiert wird,

• im Verlauf der Bewegung des Reflektors das von dem Reflek- tor reflektierte Licht von der Abbildungsoptik zumindest einmal auf die zu vermessende Oberfläche fokussiert wird,

• das fokussierte Licht von der zu vermessenden Oberfläche zumindest teilweise zurückgestreut wird und

• im Verlauf der Bewegung des Reflektors das zurückgestreute Licht von der Abbildungsoptik über den Reflektor zumindest einmal auf das lichtempfangende Element fokussiert wird.

2. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Reflektor ein Planspiegel ist.

3. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Reflektor periodisch bewegt wird.

4. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Reflektor mittels eines elektromagnetischen, eines piezoelektrischen und/oder eines mikromechanischen kapazitiven Antriebs bewegt wird.

5. Sensorvorrichtung gemäß einem der 7Λnsprüche 1 bis 4, bei der die Abbildungsoptik eine Sammellinse aufweist.

6. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wellenlänge des Lichts im infraroten, im sichtbaren oder im ultravioletten Spektralbereich liegt.

7. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das lichtaussendende Element und das lichtempfangende

Element mittels eines ersten Endes eines Lichtwellenleiters realisiert sind.

8. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das von dem lichtaussendenden Element ausgesandte Licht und das von dem lichtempfangenden Element empfangene Licht zusätzlich über einen auf der optischen Achse angeordneten Umlenkreflektor gelenkt wird.

9. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der der Umlenkreflektor ein Planspiegel ist.

10. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der der Umlenkreflektor in einem festen Winkel von 45° zu der opti- sehen Achse orientiert ist.

11. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der ein zweites Ende des Lichtwellenleiters sowohl mit einer Lichtquelle als auch mit einem Lichtdetektor optisch gekop- pelt ist.

12. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der das zweite Ende des Lichtwellenleiters in zwei Teilenden aufgespalten ist, wobei ein erstes Teilende mit der Lichtquelle und ein zweites Teilende mit dem Lichtdetektor optisch gekoppelt ist.

13. Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der Lichtquelle und Lichtdetektor mittels einer einen Strahlteiler aufweisenden Fasereinkoppelvorrichtung mit dem zweiten Ende des Lichtwellenleiters optisch gekoppelt sind.

14. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die Lichtquelle ein Laser oder eine Leuchtdiode ist.

15. Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der der Lichtdetektor ein Sekundärelektronenvervielfacher, eine Photodiode, eine Avalache-Photodiode oder ein Mul- ti Channel Plate-Detektor ist.