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DE102016006107A1 - Device and method for confocal measurement of a surface topography - Google Patents

Device and method for confocal measurement of a surface topography Download PDF

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DE102016006107A1
DE102016006107A1 DE102016006107.3A DE102016006107A DE102016006107A1 DE 102016006107 A1 DE102016006107 A1 DE 102016006107A1 DE 102016006107 A DE102016006107 A DE 102016006107A DE 102016006107 A1 DE102016006107 A1 DE 102016006107A1
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DE
Germany
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reflected
scattered
beams
optical
aperture
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DE102016006107.3A
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German (de)
Inventor
Jaka Pribošek
Stefan Sinzinger
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Technische Universitaet Ilmenau
Original Assignee
Technische Universitaet Ilmenau
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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Erweiterung der existierenden konfokalen Messtechnik derart, dass eine gleichzeitige Erfassung von Position und lokaler Neigung einer Oberfläche möglich ist. Das hier vorgestellte Verfahren nutzt eine Kodierung des in die Apertur des optischen Systems einfallenden Lichtes aus. Durch eine anschließende Dekodierung wird es möglich, die Anteile des rückreflektierten oder gestreuten Lichtes winkelabhängig zu analysieren und auf die lokale Neigung der Oberfläche zu schließen. Das bietet im Vergleich zu existierenden Verfahren neue Rekonstruktionsmöglichkeiten in Bezug auf eine bessere Auflösung oder eine größere Dynamik des Messprinzips.The present invention discloses an extension of the existing confocal measurement technique such that simultaneous detection of position and local slope of a surface is possible. The method presented here uses a coding of the incident light in the aperture of the optical system. Subsequent decoding makes it possible to analyze the portions of the reflected or scattered light as a function of the angle and to deduce the local inclination of the surface. Compared to existing methods, this offers new possibilities of reconstruction in terms of a better resolution or greater dynamics of the measuring principle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur konfokalen Vermessung einer Oberflächentopografie, wobei gleichzeitig die dreidimensionalen Koordinaten einzelner Messpunkte auf der Oberfläche und deren Neigung ermittelt werden.The present invention relates to a device and a method for confocal measurement of a surface topography, wherein at the same time the three-dimensional coordinates of individual measuring points on the surface and their inclination are determined.

Die konfokale Messtechnik oder konfokale Mikroskopie ist eine weit verbreitete, leistungsfähige, berührungslose Messtechnik z. B. zur Vermessung von Oberflächentopographien. Das grundlegende Messverfahren ist dabei auf die Vermessung der dreidimensionalen Position eines fokussierten Lichtbündels an der Grenzfläche (d. h. der Oberfläche) ausgelegt. Das Messvolumen wird dazu durch laterale und axiale Positionierung (d. h. Fokussierung) des Fokuspunktes bzw. parallel mit mehreren Fokuspunkten dreidimensional abgetastet. Die Rekonstruktion der Oberfläche erfolgt über eine meist lineare Interpolation zwischen den abgetasteten Punkten, wobei die Abtastrate die minimal auflösbaren Details der Oberflächentopographie einschränkt. Die gewünschte rekonstruierbare räumliche Frequenz erfordert laut dem Nyquist Theorem eine doppelt so hohe Abtastfrequenz, die zu einer großen Anzahl von Messpunkten und dadurch langen Messzeiten führt.The confocal measurement technique or confocal microscopy is a widely used, powerful, non-contact measurement technique z. B. for the measurement of surface topography. The basic measuring method is designed to measure the three-dimensional position of a focused light beam at the interface (i.e., the surface). The measurement volume is scanned three-dimensionally by lateral and axial positioning (that is to say focusing) of the focal point or parallel to several focal points. The reconstruction of the surface is via a mostly linear interpolation between the scanned points, the sampling rate limiting the minimum resolvable details of the surface topography. According to the Nyquist theorem, the desired reconstructable spatial frequency requires twice the sampling frequency, resulting in a large number of measurement points and thus long measurement times.

Für die Identifizierung kleiner Oberflächenfehler und die Vermessung feiner Topographien ist die direkte Vermessung der Neigung anstelle der dreidimensionalen Position rein auflösungsmäßig überlegen (s. a. US 8,224,066 B2 oder DE 10 2008 023 599 A1 ). Es wird ein auf phasen-messender Deflektometrie basierendes Verfahren vorgestellt, mit dem die Neigungen einer Oberfläche ermittelt werden kann. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass gleichzeitig ein komplettes Gradientenfeld aufgenommen werden kann. Das Verfahren scheitert aber daran, die Form des Objektes direkt zu vermessen. Letzteres wird durch Integration der gemessenen Gradienten realisiert, was jedoch ein schlecht-gestelltes inverses Problem darstellt und daher zu Mehrdeutigkeitsproblemen führt.For the identification of small surface defects and the measurement of fine topographies, the direct measurement of the inclination instead of the three-dimensional position is purely superior in resolution (cf. US 8,224,066 B2 or DE 10 2008 023 599 A1 ). A method based on phase-measuring deflectometry is presented, with which the inclinations of a surface can be determined. The advantage of this method is that at the same time a complete gradient field can be recorded. The method fails, however, to measure the shape of the object directly. The latter is realized by integrating the measured gradients, which, however, represents a poorly-placed inverse problem and therefore leads to ambiguity problems.

Um eine gleichzeitige Identifizierung von Fehlern und eine direkte Formvermessung realisieren zu können, ist eine gleichzeitige Vermessung der lokalen Neigung und der Position der Messpunkte auf der Oberfläche erforderlich. Aus dem Stand der Technik sind jedoch nur wenige Verfahren bekannt, mit denen dies realisiert werden kann. Dazu wurde z. B. ein klassisches Konfokal-Mikroskop mit einer zusätzlichen Messeinheit ausgestattet (s. DE 42 11 875 A1 , US 2010/0225926 A1 oder US 8,928,891 B2 ), mit der die Verschiebung des rückreflektierten Strahles mit einem positionsmessenden Detektor analysiert und dadurch auf die Richtung des rückreflektierten Strahles und die Neigung der Oberfläche geschlossen werden kann. Die empfangenen Intensitätswerte können dann entweder als Messwert oder zur Optimierung der Einfallswinkel der Beleuchtung verwendet werden.In order to realize a simultaneous identification of errors and a direct shape measurement, a simultaneous measurement of the local inclination and the position of the measuring points on the surface is required. However, only a few methods are known from the prior art, with which this can be realized. This was z. B. a classic confocal microscope equipped with an additional measuring unit (s. DE 42 11 875 A1 . US 2010/0225926 A1 or US 8,928,891 B2 ), with which the displacement of the back-reflected beam can be analyzed with a position-measuring detector and thereby closed to the direction of the back-reflected beam and the inclination of the surface. The received intensity values can then be used either as a measurement or to optimize the angles of incidence of the illumination.

Außerdem wird in dem Artikel U. Neuschaefer-Rube and W. Holzapfel, ”Simultaneous measurement of surface geometry and material distribution by focusing ellipsotopometry,” Appl. Opt., vol. 41, no. 22, pp. 4526–4535, 2002 . ein kombiniertes optisches Messverfahren vorgestellt, das fähig ist, simultan die Position und Neigung zu vermessen. Das System ermittelt die Position der Punkte auf der Oberfläche durch ein astigmatisches Autofokus-System, welches das Licht auf die Oberfläche eines Objektes fokussiert. Das einfallende Licht ist linear polarisiert und wird nach der Reflexion durch eine „Polarizer-Sample-Analyzer”-Ellipsometrie analysiert. Aus den aufgenommen Polarisations-Parametern des reflektierten Lichtes lassen sich sowohl die Neigung der Oberfläche als auch die Material Eigenschaften ermitteln. Der Nachteil dieses vorgestellten Verfahrens ist, dass es aufgrund von Depolarisationseffekten, die z. B. durch Rauigkeiten auf der Oberfläche entstehen, nicht erlaubt, die Neigung rauer Oberflächen zu vermessen.In addition, in the Article U. Neuschaefer-Rube and W. Holzapfel, "Simultaneous measurement of surface geometry and material distribution by focusing ellipsotopometry," Appl. Opt., Vol. 41, no. 22, pp. 4526-4535, 2002 , presented a combined optical measuring method capable of simultaneously measuring the position and inclination. The system determines the position of the points on the surface by an astigmatic autofocus system, which focuses the light on the surface of an object. The incident light is linearly polarized and is analyzed after reflection by a Polarizer Sample Analyzer ellipsometry. From the recorded polarization parameters of the reflected light, both the inclination of the surface and the material properties can be determined. The disadvantage of this presented method is that due to depolarization effects, the z. B. caused by roughness on the surface, not allowed to measure the inclination of rough surfaces.

Daneben existieren weitere Messsysteme, die auf verschiedenen Prinzipien der strukturierten Beleuchtung oder Aperturkodierung basieren. Derartige Lösungen findet man beispielsweise für ultraschnelle multiphotonische Prozesse ( US 7,698,000 B2 ).In addition, there are other measurement systems based on different principles of structured illumination or aperture coding. Such solutions can be found, for example, for ultrafast multiphotonic processes ( US 7,698,000 B2 ).

In Bezug auf die konfokale Messtechnik, sind im Stand der Technik Prinzipien der spektralen Kodierung entlang der Tiefe ( DE 197 13 362 A1 ) und der lateralen Position ( WO 1999/044089 A1 ) bekannt.Concerning the confocal measurement technique, in the prior art principles of spectral coding along the depth ( DE 197 13 362 A1 ) and the lateral position ( WO 1999/044089 A1 ) known.

Die gleichzeitige Ermittlung der Neigung und Position ist mit klassischen konfokalen Systemen bisher nicht möglich. Sie bringt jedoch große Vorteile, da die zusätzlichen Informationen die Einführung des auf der Neigung basierenden Interpolationsverfahrens für die Rekonstruktion der Oberfläche erlaubt. Dies führt zu einer deutlich besseren lateralen Auflösung bzw. zu einer deutlich geringeren Anzahl notwendiger Messpunkte und eignet sich somit besonders gut für moderat gekrümmte Oberflächenprofile, wie z. B. optische Freiformflächen.The simultaneous determination of the inclination and position is not possible with classical confocal systems so far. However, it brings great benefits, as the additional information allows the introduction of the slope-based interpolation method for the reconstruction of the surface. This leads to a significantly better lateral resolution or to a much smaller number of necessary measurement points and is thus particularly well suited for moderately curved surface profiles, such. B. optical freeform surfaces.

Die gleichzeitige Messung von Position und Neigung der Oberfläche an den Messpunkten kann weiterhin für eine Vorhersage der Position der benachbarten Messpunkte genutzt werden. Dies ermöglicht z. B. eine „on-the-fly” Optimierung der Abtaststrategie im laufenden Messprozess derart, dass die Abtastrate (d. h. die Dichte der Messpunkte) in stärker geneigten Gebieten erhöht wird, um eine konstante Auflösung des Oberflächenprofils in tangentialer Richtung zu erzielen. Desweitern kann die Vorhersage der Position des nächsten Messpunktes dafür genutzt werden, den axialen Abtastbereich, der zur präzisen Erfassung der Position notwendig ist, zu reduzieren. Somit kann das konfokale Messverfahrens erheblich beschleunigt oder eine Verbesserung der Auflösung bei vergrößertem Dynamikbereich erzielt werden.The simultaneous measurement of the position and inclination of the surface at the measuring points can also be used to predict the position of the adjacent measuring points. This allows z. B. an on-the-fly optimization of the sampling strategy in the ongoing measurement process such that the sampling rate (ie, the density of the measuring points) is increased in more inclined areas to a constant resolution of the surface profile in tangential direction. Furthermore, the prediction of the position of the next measuring point can be used to reduce the axial scanning range necessary for precise detection of the position. Thus, the confocal measurement process can be significantly accelerated or an improvement in resolution can be achieved with increased dynamic range.

Außerdem bietet die konfokale Messtechnik auch die Möglichkeit, die Schwingungen mikromechanischer Komponenten (wie z. B. MEMS) berührungslos zu analysieren (s. a. DE 10 2006 013 773 A1 ). Dabei tritt eine spezifische Herausforderung auf. Da die MEMS häufig im Resonanzbereich betrieben werden, entstehen bei Schwingungsanregung häufig so genannte stehende Wellen. Bei stehenden Oberflächenwellen entstehen die sogenannten Knotenpunkte, deren Position konstant bleibt, während die lokale Oberflächenneigung sich periodisch ändert. Da mit den existierenden konfokalen Messprinzipien nur die Position der Punkte vermessen und nicht die lokale Neigung an diesen Punkten charakterisiert werden kann, sind diese Verfahren für die Schwingungsanalyse nicht optimal geeignet. Um dies zu ermöglichen ist ein System und ein Verfahren zur gleichzeitigen Erfassung der Position der Punkte und der Neigung an diesen Punkten erforderlich.In addition, the confocal measuring technique also offers the possibility of non-contact analysis of the vibrations of micromechanical components (such as MEMS, for example) DE 10 2006 013 773 A1 ). There is a specific challenge. Since the MEMS are often operated in the resonance range, so-called standing waves often arise when vibration excitation. Standing surface waves produce the so-called nodal points, whose position remains constant, while the local surface tilt changes periodically. Since the existing confocal measuring principles can only measure the position of the points and not characterize the local inclination at these points, these methods are not optimally suitable for vibration analysis. To do this, a system and method is required for simultaneously detecting the position of the points and the inclination at these points.

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Erweiterung der existierenden konfokalen Messtechnik derart, dass eine gleichzeitige Erfassung von Position und lokaler Neigung der Oberfläche möglich ist. Das hier vorgestellte Verfahren nutzt eine Kodierung des in die Apertur des optischen Systems einfallenden Lichtes aus. Durch eine anschließende Dekodierung wird es möglich, die Anteile des rückreflektierten oder gestreuten Lichtes winkelabhängig zu analysieren und auf die lokale Neigung der Oberfläche zu schließen.The present invention discloses an extension of the existing confocal metrology such that simultaneous detection of position and local slope of the surface is possible. The method presented here uses a coding of the incident light in the aperture of the optical system. Subsequent decoding makes it possible to analyze the portions of the reflected or scattered light as a function of the angle and to deduce the local inclination of the surface.

Das bietet im Vergleich zu existierenden Verfahren neue Rekonstruktionsmöglichkeiten in Bezug auf eine bessere Auflösung oder eine größere Dynamik des Messprinzips.Compared to existing methods, this offers new possibilities of reconstruction in terms of a better resolution or greater dynamics of the measuring principle.

Die hier als Erfindung vorgeschlagene Modifikation des konfokalen Messprinzips kann überall dort zum Einsatz kommen, wo konfokale Messungen bereits heute angewendet werden. Spezifische Vorteile ergeben sich u. a. in folgenden Anwendungsfeldern:

  • • Vermessung der Oberflächentopographie von zumindest teil-reflektierenden Objekten, z. B. Spiegel, Linse, Wafer-level Mikrotechnische Objekte,
  • • Vermessung der Rauigkeit von Oberflächen
  • • Identifizierung der Oberflächenfehler.
  • • Schwingungsanalysen und Vibrationsmessung
  • • Überwachung industrieller Prozesse
  • • Medizintechnische Anwendungen, Automotive
The modification of the confocal measuring principle proposed here as an invention can be used wherever confocal measurements are already used today. Specific advantages arise, inter alia, in the following fields of application:
  • Surveying the surface topography of at least partially reflecting objects, e.g. Mirror, lens, wafer-level micro-technical objects,
  • • Measuring the roughness of surfaces
  • • Identification of surface defects.
  • • vibration analysis and vibration measurement
  • • Monitoring of industrial processes
  • • Medical applications, automotive

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:The invention will be described in more detail below with reference to drawings. It shows:

1a – schematische Darstellung der konfokalen Messtechnik (Stand der Technik) 1a - schematic representation of the confocal measuring technique (prior art)

1b – schematische Darstellung der erfindungsgemäßen konfokalen Messvorrichtung 1b - Schematic representation of the confocal measuring device according to the invention

2 – schematische Darstellung des erfindungsgemäßen konfokalen Messverfahrens 2 - Schematic representation of the confocal measuring method according to the invention

3 – verschiedene Ausführungsbeispiele für die Apertur-Kodierung 3 Various embodiments for the aperture coding

4 – schematische Darstellung zweier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens mit optomechanischer Kodierung 4 - Schematic representation of two embodiments of the method according to the invention with optomechanical coding

5 – schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Polarisations-Kodierung 5 - Schematic representation of an embodiment of the method according to the invention with polarization coding

6 – schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit spektraler Kodierung 6 - Schematic representation of an embodiment of the method according to the invention with spectral coding

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein konfokales Messverfahren mit räumlicher Kodierung des in die Apertur des optischen Systems einfallenden Lichtes vorgeschlagen. Als Lichtquelle können dabei entweder ein oder mehrere Laser, LEDs, oder andere Beleuchtungskörper verwendet werden. Deren Anordnung oder weitere optoelektronische Übertragungsfunktion sorgen dafür, dass die optische Apertur des Objektivs derart kodiert ist, dass an einer gewissen Position innerhalb der Apertur ein von den anderen Positionen unterscheidbares Licht einfällt. Die Unterscheidbarkeit des Lichtes, im Folgenden Kodierung genannt, kann entweder durch zeitliches Multiplexing, mechanisches oder optisches Scanning oder durch Ausnutzung der anderen Freiheitsgrade, die sich auf die elektromagnetische Eigenschaften des Lichtes, wie z. B. Polarisation und Wellenlänge beziehen, realisiert werden. Das so kodierte Licht fällt in die Apertur des Objektives ein, welches das Licht auf einen Punkt (den Messpunkt) fokussiert. Dabei kann die Wellenfront jedes einfallenden Strahlenbündels so optimiert werden, dass die optischen Aberrationen im Fokus möglichst gering sind.The present invention proposes a confocal measuring method with spatial coding of the light incident in the aperture of the optical system. Either one or more lasers, LEDs, or other lighting fixtures can be used as the light source. Their arrangement or further optoelectronic transfer function ensure that the optical aperture of the objective is coded in such a way that at a certain position within the aperture a light differentiable from the other positions is incident. The distinctness of the light, hereinafter referred to as coding, can be achieved either by temporal multiplexing, mechanical or optical scanning or by exploiting the other degrees of freedom which affect the electromagnetic properties of the light, such as light. B. polarization and wavelength, realized. The thus encoded light enters the aperture of the lens, which focuses the light to a point (the measuring point). In this case, the wavefront of each incident beam can be optimized so that the optical aberrations in the focus are as small as possible.

In 1a ist schematisch die Vermessung einer Topografie mittels klassischer konfokaler Messtechnik (Stand der Technik) dargestellt. Dabei wird das Licht einer Lichtquelle (1) (auch Beleuchtungsstrahl genannt) über eine Kollimationsoptik (2) und einen Strahlteiler (3) auf ein Objektiv (4) abgelenkt. Das Objektiv (4) fokussiert das Licht auf die zu untersuchende Oberfläche (5). Von der zu untersuchenden Oberfläche (5) wird das Licht zurückgeworfen (reflektiert oder gestreut) (Reflektionsstrahl) und über das Objektiv (4) und den Strahlteiler (3) auf ein Detektionssystem, bestehend aus einer Linse (oder fokussierenden Optik) (6), in deren Brennebene eine Lochblende (Pinhole) (7) angeordnet ist, und einem lichtempfindlichen Detektor (8), fokussiert und in Abhängigkeit der Größe des Loches in der Lochblende (7) abgeschattet.In 1a is shown schematically the measurement of a topography by means of classical confocal measurement technique (prior art). The light of a light source ( 1 ) (also Called illumination beam) via a collimating optics ( 2 ) and a beam splitter ( 3 ) on a lens ( 4 ) distracted. The objective ( 4 ) focuses the light on the surface to be examined ( 5 ). From the surface to be examined ( 5 ) the light is thrown back (reflected or scattered) (reflection beam) and over the lens ( 4 ) and the beam splitter ( 3 ) to a detection system consisting of a lens (or focusing optics) ( 6 ), in whose focal plane a pinhole (Pinhole) ( 7 ), and a photosensitive detector ( 8th ), focused and depending on the size of the hole in the pinhole ( 7 ) shadowed.

Befindet sich ein beleuchteter Punkt auf der zu untersuchende Oberfläche exakt in der Brennebene des Objektivs (4), wird eine maximale Intensität vom Detektor (8) erfasst. Befindet sich ein beleuchteter Punkt auf der zu untersuchende Oberfläche vor bzw. hinter dem Brennpunkt des Systems, wird das Licht nach der Reflektion durch das Objektiv (4) nicht mehr ideal kollimiert (paralleler Strahlengang) sondern divergent bzw. konvergent. Verfährt man den Fokus entlang der optischen Achse, wird die maximale Intensität genau dort erfasst, wo sich das Objekt in der Brennebene des Objektivs (4) befindet. Aus dem Verfahrweg der zu untersuchenden Oberfläche (5) oder des Objektivs (4) und dem gemessenen Intensitätsverlauf am Detektor (8) kann somit die Position der Oberfläche ermittelt werden.Is there a lit point on the surface to be examined exactly in the focal plane of the lens ( 4 ), a maximum intensity from the detector ( 8th ) detected. If a lighted spot is located on the surface to be examined in front of or behind the focal point of the system, the light is reflected by the lens ( 4 ) no longer ideal collimated (parallel beam path) but divergent or convergent. Moving the focus along the optical axis, the maximum intensity is detected exactly where the object in the focal plane of the lens ( 4 ) is located. From the travel path of the surface to be examined ( 5 ) or the lens ( 4 ) and the measured intensity profile at the detector ( 8th ), the position of the surface can thus be determined.

Zur Vermeidung einer Fokusverstellung durch das mechanische oder optische Z-Scannen können chromatisch konfokale Verfahren angesetzt werden. Dabei wird eine Optik mit starkem longitudinalen Farbfehler eingesetzt um unterschiedliche Spektralanteile des Lichtes an unterschiedlichen axialen Positionen zu fokussieren. Aus dem Spektrum des detektierten Lichtes, das z. B. durch ein Spektrometer am Detektorausgang aufgezeichnet werden kann, wird so ohne Scanvorgang das Tiefenprofil der Oberflächenstruktur ermittelt.To avoid a focus adjustment by the mechanical or optical Z-scanning chromatic confocal methods can be applied. In this case, an optical system with a strong longitudinal chromatic aberration is used to focus different spectral components of the light at different axial positions. From the spectrum of the detected light, the z. B. can be recorded by a spectrometer at the detector output, the depth profile of the surface structure is determined without scanning.

1b zeigt schematisch die erfindungsgemäße aperturkodierte konfokale Messvorrichtung. Dabei ist die Kollimationsoptik (2) durch ein optisches System (9) ersetzt, in dem der Beleuchtungsstrahl in einzelne Strahlenbündel aufgeteilt wird. Die einzelnen Strahlenbündel werden von dem optischen System (9) kodiert und in Abhängigkeit von ihrer Position in der Apertur nach der Fokussierung unter verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche (5) gelenkt. Nach der Reflektion, erreichen einige Strahlenbündel je nach der Neigung der Oberfläche die Apertur nicht mehr. Kodiert man das einfallende Licht, lässt sich mittels Dekodierung aus dem rückreflektierten Licht schließen, welche Strahlenbündel bzw. welche dazugehörigen Einfallswinkel von der zu untersuchenden Oberfläche (5) durch die Apertur der Optik (4) zurückgeworfen (reflektiert oder gestreut) werden. Werden die Intensitätsanteile des zurückgeworfenen Lichtes verschiedener Positionen innerhalb der Apertur verglichen, so kann man auf die Neigung der zu vermessenden Oberfläche (5) schließen. 1b schematically shows the aperture-coded confocal measuring device according to the invention. The collimation optics ( 2 ) by an optical system ( 9 ), in which the illumination beam is split into individual beams. The individual beams are separated from the optical system ( 9 ) and depending on their position in the aperture after focusing at different angles on the surface ( 5 ) steered. After reflection, some beams no longer reach the aperture, depending on the slope of the surface. If the incident light is coded, it is possible by decoding to deduce from the back-reflected light which ray bundles or which associated angle of incidence from the surface to be examined (FIG. 5 ) through the aperture of the optics ( 4 ) are reflected (reflected or scattered). If the intensity components of the reflected light of different positions within the aperture are compared, then the inclination of the surface to be measured (FIG. 5 ) shut down.

Als Detektor wird erfindungsgemäß ein Dekodierungssystem (10) verwendet, welches die kodierten und reflektierten Strahlenbündel dekodiert. Aus den ermittelten Intensitäten der einzelnen Strahlenbündel kann auf die Neigung der Oberfläche geschlossen werden. Mit Hilfe einer integralen Messung der Intensität über alle Lichtbündel können, wie bei der klassischen konfokalen Messtechnik, die dreidimensionalen Koordinaten der Punkte auf der zu vermessenden Oberfläche ermittelt werden.As a detector according to the invention a decoding system ( 10 ) which decodes the coded and reflected beams. From the determined intensities of the individual ray bundles it is possible to deduce the inclination of the surface. With the help of an integral measurement of the intensity over all light bundles, as with the classical confocal measuring technique, the three-dimensional coordinates of the points on the surface to be measured can be determined.

In 2 ist das vorgeschlagene aperturkodierte konfokale Messverfahren schematisch dargestellt, wobei in 2a die Vermessung der dreidimensionalen Koordinaten von Messpunkten auf der zu vermessenden Oberfläche und in 2b die Vermessung der Neigung der Oberfläche jeweils entfaltet dargestellt ist. Werden die einzelnen Strahlen auf die Messpunkte auf der zu vermessenden Oberfläche fokussiert, und befinden sich die Messpunkte entweder vor oder hinter der Brennebene des Objektivs (4), wird das rückreflektierte oder gestreute Licht divergent oder konvergent und dadurch an der Lochblende (8) abgeschattet (2a). Befinden sich die Messpunkte auf der Oberfläche im Fokus des Objektivs (4), so erhält man die maximale Intensität aller Lichtbündel. Aus der Intensität lassen sich somit die dreidimensionalen Koordinaten der Messpunkte auf der Oberfläche ermitteln.In 2 the proposed aperture coded confocal measuring method is shown schematically, wherein 2a the measurement of the three - dimensional coordinates of measuring points on the surface to be measured and in 2 B the measurement of the inclination of the surface is shown unfolded. If the individual beams are focused on the measuring points on the surface to be measured, and the measuring points are located either in front of or behind the focal plane of the objective ( 4 ), the reflected or scattered light becomes divergent or convergent and thereby at the pinhole ( 8th ) shaded ( 2a ). Are the measuring points on the surface in the focus of the lens ( 4 ), you get the maximum intensity of all light bundles. From the intensity can thus determine the three-dimensional coordinates of the measuring points on the surface.

Kippt man das Objekt, so ergeben sich Intensitätsunterschiede zwischen den einzelnen Lichtbündeln (2b).If one tilts the object, intensity differences result between the individual light bundles ( 2 B ).

Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, den Beleuchtungsstrahl in einzelne Strahlenbündel zu zerlegen und anschließend die einzelnen Strahlenbündel zu kodieren. Die kodierten Strahlenbündel treffen auf die Apertur der konfokalen Optik (4) und werden durch das Dekodierungssystem (10) getrennt voneinander dekodiert. Zu diesem Zweck existieren vielfältige Kodierungs- und Dekodierungsmöglichkeiten die beispielhaft im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3, 4, 5 und 6 vorgestellt werden.The present invention proposes to disassemble the illumination beam into individual beam bundles and then to code the individual beam bundles. The coded beams hit the aperture of the confocal optic ( 4 ) and are controlled by the decoding system ( 10 ) decoded separately. For this purpose, there are a variety of coding and decoding possibilities exemplified below with reference to the 3 . 4 . 5 and 6 to be introduced.

In einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kodierung über ein zeitliches Multiplexing mit zumindest zwei oder mehreren Lichtquellen, die zeitlich versetzt und alternierend ein- und ausgeschaltet werden (3a). Dabei kann die Ansteuerung des Lichtes entweder elektronisch moduliert werden oder indirekt z. B. durch digitale Mikrospiegel (DMD) oder Flüssigkristallmodulatoren (LCD) erfolgen. Die Position der Lichtquellen, deren Intensität sowie auch die Ausdehnung und Divergenz können dabei beliebig sein. Zu jedem Zeitpunkt erfolgt die Verstimmung der Fokusposition, währenddessen die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Fokusposition aufgenommen wird. Nach der sequentiellen Aufnahme, erfolgt die Datenauswertung zur Erfassung von Position und lokaler Oberflächenneigung aus den aufgenommenen Intensitätsverteilungen.In a first exemplary embodiment, the coding takes place by temporal multiplexing with at least two or more light sources which are switched on and off in a time-shifted manner and alternately ( 3a ). In this case, the control of the light can be modulated either electronically or indirectly z. B. by digital micromirror (DMD) or liquid crystal modulators (LCD). The position of the light sources, their intensity as well as the Expansion and divergence can be arbitrary. At any time, the focus position is detuned, during which time the intensity distribution is recorded as a function of the focus position. After the sequential recording, the data evaluation for the detection of position and local surface tilt is performed from the recorded intensity distributions.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kodierung über Zeitfrequenz-Multiplexing (3b). Dabei werden die einzelnen die Apertur beleuchtenden Lichtbündel mit unterschiedlichen Taktfrequenzen moduliert. Durch Auswertung mit einem entsprechenden elektronisch getakteten Detektor (z. B. einem lock-in Verstärker) können die Signale der einzelnen die Apertur kodierenden Lichtbündel am Ausgang separat und/oder integral ausgewertet werden. Somit liegen wiederum alle Daten vor, die zur Messung der Koordinaten eines Messpunktes und der lokalen Neigung an der Position dieses Messpunktes notwendig sind.In a second embodiment, the coding is carried out via time-frequency multiplexing ( 3b ). The individual light bundles illuminating the aperture are modulated with different clock frequencies. By evaluation with a corresponding electronically clocked detector (eg a lock-in amplifier), the signals of the individual light bundles coding the aperture can be evaluated separately and / or integrally at the output. Thus, in turn, all data necessary for measuring the coordinates of a measuring point and the local inclination at the position of this measuring point are present.

Eine weitere Möglichkeit, eine Kodierung der Apertur zu implementieren, besteht in einem Abrastern (Scannen) der Apertur des optischen Systems (9). Die Bewegung des Lichtbündels kann entweder über mechanisches oder optisches Scannen realisiert werden (s. 3c), wobei ein mechanisches Scannen entweder über eine Translation oder Rotation der Lichtquelle (1), wodurch die Position des Lichtbündels in der Apertur variiert, realisiert werden kann, oder über die Bewegung einer Lochblende (Pinhole) innerhalb der Apertur. Optisch kann ein Scansystem z. B. über ein Risley Prismen System, rotierende verkippte Glasplatten, deformierbare Optiken, akustooptische Deflektoren oder Flüssigkristallmodulatoren implementiert werden.Another way to implement coding of the aperture is to scan the aperture of the optical system (scanning). 9 ). The movement of the light beam can be realized either by mechanical or optical scanning (s. 3c ), whereby a mechanical scanning either via a translation or rotation of the light source ( 1 ), whereby the position of the light beam in the aperture varies, can be realized, or via the movement of a pinhole within the aperture. Optically, a scan system z. For example, a Risley prism system, rotating tilted glass plates, deformable optics, acousto-optic deflectors or liquid crystal modulators can be implemented.

Hierzu sind beispielhaft in 4 zwei optomechanische Kodierungsvarianten gezeigt. In 4a ist das Scannen mit einer Glasplatte (11), die den räumlichen Versatz des in die Apertur einfallenden Strahlenbündels hervorruft, dargestellt. Durch Rotation dieser Glasplatte (11) kann der Beleuchtungsstrahl in der Apertur des Objektivs (4) bewegt werden. In 4b wird die Bewegung des Beleuchtungsstrahls innerhalb der Apertur des Objektivs (4) mit Hilfe eines Kippspiegels (12) und eines Linsensystems (13), welches den Strahl nach der Reflektion wieder kollimiert, realisiert.These are exemplified in 4 two opto-mechanical coding variants shown. In 4a is the scanning with a glass plate ( 11 ), which causes the spatial offset of the incident into the aperture beam. By rotation of this glass plate ( 11 ), the illumination beam in the aperture of the lens ( 4 ) are moved. In 4b is the movement of the illumination beam within the aperture of the objective ( 4 ) with the aid of a tilting mirror ( 12 ) and a lens system ( 13 ), which again collimates the beam after reflection.

Die Erfassung der Position und der Neigung der Oberfläche erfolgt auch für diese Form der Kodierung so wie bei der Kodierung mittels Zeitmultiplexing nachdem das Apertur-Scannen durchgeführt wurde.The detection of the position and the inclination of the surface is also done for this form of coding as in the coding by means of time division multiplexing after the aperture scanning was performed.

Für die Apertur-Kodierung in der konfokalen Messtechnik, kann auch die Polarisation des Lichtes ausgenutzt werden (3d). Polarisationskodierung kann z. B. über passive Polarisationsfilter, die Aufspaltung einzelner Polarisationen mit Strahlteilern oder Wollaston Prismen, diffraktiven, refraktiven oder hybriden Optiken oder ähnlichen Polarisationsgruppen erzeugt werden. In 5 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Polarisationskodierung gezeigt. Mithilfe eines ersten Polarisationstrahlteilers (14a) werden beide Polarisationen aufgespalten, wobei die P-Polarisation durch eine geneigte Glassplatte (11), und die S-Polarisation durch ein Spiegel-Periskop (15) so abgelenkt wird, dass eine Kodierung der Apertur nach der Zusammenführung beiden Polarisationen mittels eines zweiten Polarisationsstrahlteiler (14b) erreicht wird. Nach der Reflexion erfolgt die Dekodierung über eine Aufspaltung der einzelnen Polarisationen mit einem dritten Polarisationsstrahlteiler (14c) und die Vermessung der Intensitäten mit zwei separaten Detektionssystemen (6a, 7a, 10a) und (6b, 7b, 10b). Die Erfassung der Neigung und Position der Oberfläche erfolgt hier über polarisationsempfindliche Dekodierungssysteme (10a, 10b), wobei die Intensitätsverteilung einzelner Polarisationen gleichzeitig erfasst und miteinander verglichen werden.For the aperture coding in the confocal measurement technique, the polarization of the light can also be exploited ( 3d ). Polarization coding can z. B. passive polarization filters, the splitting of individual polarizations with beam splitters or Wollaston prisms, diffractive, refractive or hybrid optics or similar polarization groups are generated. In 5 an embodiment for polarization coding is shown. Using a first polarization beam splitter ( 14a ), both polarizations are split, with the P polarization passing through a tilted glass plate ( 11 ), and the S-polarization through a mirror periscope ( 15 ) is deflected so that an encoding of the aperture after the merger of both polarizations by means of a second polarization beam splitter ( 14b ) is achieved. After reflection, the decoding takes place via a splitting of the individual polarizations with a third polarization beam splitter ( 14c ) and the measurement of the intensities with two separate detection systems ( 6a . 7a . 10a ) and ( 6b . 7b . 10b ). The detection of the inclination and position of the surface takes place here via polarization-sensitive decoding systems ( 10a . 10b ), wherein the intensity distribution of individual polarizations are detected simultaneously and compared with each other.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Apertur-Kodierung ist eine spektrale Kodierung (3e). Die Apertur des Objektivs (4) wird dabei derart kodiert, dass bestimmte Positionen innerhalb der Apertur ein einzigartiges aus zumindest zwei oder mehreren Wellenlängen bestehendes Spektralprofil aufweisen. Die Spektralkodierung kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden. Als Quellen können monochromatische und Weißlicht-Quellen jeglicher Art beliebig kombiniert werden. Dies beinhaltet eine Kombination monochromatischer Lichtquellen, heterodyne Lasern, Supercontinuum Lasern, einzelfarbiger und mehrfarbiger LEDs und anderer Beleuchtungskörper. Die Anordnung der Lichtquellen und der weiteren optischen Baugruppen wird so gestaltet, dass dadurch eine spektrale Kodierung in der Apertur erzielt wird. Unter optischen Baugruppen sind dabei jegliche passive spektrale Filter sowie jegliche Kombinationen dichroitischer Spiegel, spezieller diffraktiver, refraktiver oder hybrider diffraktiv-refraktiver optischer Elemente und optische Systeme mit Prismen und dichroischen Strahlteilern zur Erzeugung der Spektralkodierung zu verstehen.Another embodiment of the aperture coding is a spectral coding ( 3e ). The aperture of the lens ( 4 ) is encoded such that certain positions within the aperture have a unique spectral profile consisting of at least two or more wavelengths. The spectral coding can be realized in different ways. As sources monochromatic and white light sources of any kind can be combined arbitrarily. This includes a combination of monochromatic light sources, heterodyne lasers, supercontinuum lasers, single color and multicolor LEDs, and other lighting fixtures. The arrangement of the light sources and the further optical assemblies is designed so that thereby a spectral coding in the aperture is achieved. Optical assemblies are any passive spectral filters and any combination of dichroic mirrors, special diffractive, refractive or hybrid diffractive-refractive optical elements and optical systems with prisms and dichroic beam splitters for generating the spectral encoding to understand.

Beispielhaft ist in 6 die Ausführung einer spektralen Kodierung gezeigt. Das aus drei Wellenlängen bestehende breitbandige Licht wird mittels eines ersten dichroitischen Strahlteilers (16a) aufgespalten und über Spiegel-Periskope (15a) und (15b) zu einem zweiten dichroitischen Strahlteiler (16b) geführt, derart, dass ein räumlicher Versatz von einzelnen Wellenlängen erfolgt und somit die Kodierung der Apertur realisiert wird. Das Dekodierungssystem (10) besteht in dieser Ausführungsvariante entweder aus einem Spektrometer oder einem spektral-empfindlichen Photodetektor.Exemplary is in 6 the execution of a spectral coding shown. The three-wavelength broadband light is transmitted by means of a first dichroic beam splitter ( 16a ) and mirror periscopes ( 15a ) and ( 15b ) to a second dichroic beam splitter ( 16b ), in such a way that a spatial offset of individual wavelengths takes place and thus the coding of the aperture is realized. The decoding system ( 10 ) consists in this embodiment either of a spectrometer or a spectrally sensitive photodetector.

Mit der vorliegenden Erfindung sind auch alle beliebige Kombinationen der beschriebenen Zerlegungen und Kodierungen des Beleuchtungsstrahls und Dekodierungen und Auswertungen des Reflektionsstrahls erfasst. With the present invention, all arbitrary combinations of the described decompositions and codings of the illumination beam and decoding and evaluations of the reflection beam are also detected.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die axiale Position eines Messpunktes über die maximale Intensität aller Strahlbündel und die lokale Neigung der Oberfläche an dem Messpunkt über die Intensitätsunterschiede einzelner Strahlenbündel gleichzeitlich zu vermessen. Die axiale Auflösung der Positionsmessung ist, wie in der konfokalen Messtechnik üblich, von der Schärfentiefe der optischen Abbildung abhängig. Diese kann durch die Full-Width-at-Half-Maximum Metrik (hier weiter FWHM genannt) beschrieben werden. Da einzelne Strahlenbündel innerhalb der Apertur nur einen Teil der Apertur ausleuchten, ist die entsprechende numerische Apertur solcher Bündel kleiner als die numerische Apertur des eingesetzten Objektivs. Daher ist die FWHM größer und die Axialauflösung schlechter als die maximal erzielbare Auflösung des Objektivs. Um diesen Auflösungsverlust zu vermeiden, können die Signale der verschiedenen Strahlenbündel mit gezielten Auswertungsalgorithmen kohärent integriert werden, womit wieder die ganze Apertur des Systems ausgenutzt wird, so dass die FWHM des Systems und dementsprechend die axiale Auflösung wiederum allein durch die numerische Apertur des Objektives begrenzt ist. Das System eignet sich somit zur präzisen konfokalen Vermessung der dreidimensionalen Position (durch die integrale Messung über alle Strahlenbündel) und der lokalen Neigung an dem Messpunkt (durch die separate Analyse der getrennten Lichtbündel). Das Konzept lässt sich, wie üblich in der konfokalen Messtechnik, durch Scannen oder räumliches Parallelisieren so erweitern, dass punktweise die gesamte Oberfläche abgetastet werden kann.With the solution according to the invention, it is possible to simultaneously measure the axial position of a measuring point over the maximum intensity of all the beam and the local inclination of the surface at the measuring point on the intensity differences of individual beams. The axial resolution of the position measurement is dependent on the depth of field of the optical image as usual in confocal measurement technology. This can be described by the Full-Width-at-Half-Maximum Metric (hereinafter referred to as FWHM). Since individual beams within the aperture illuminate only a portion of the aperture, the corresponding numerical aperture of such beams is smaller than the numerical aperture of the lens employed. Therefore, the FWHM is larger and the axial resolution is worse than the maximum achievable resolution of the lens. To avoid this loss of resolution, the signals of the various beams can be coherently integrated with targeted evaluation algorithms, which again the entire aperture of the system is exploited, so that the FWHM of the system and, accordingly, the axial resolution is limited solely by the numerical aperture of the lens , The system is thus suitable for precise confocal measurement of the three-dimensional position (by the integral measurement over all beams) and the local inclination at the measurement point (by the separate analysis of the separated light bundles). As usual in confocal metrology, the concept can be extended by scanning or spatial parallelization so that the entire surface can be scanned point by point.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Lichtquellelight source
22
Kollimationsoptikcollimating optics
33
Strahlteilerbeamsplitter
44
Objektivlens
55
zu vermessende Oberflächesurface to be measured
6, 6a, 6b6, 6a, 6b
Fokussierende OptikFocusing optics
7, 7a, 7b7, 7a, 7b
Lochblende (Pinhole)Pinhole
88th
lichtempfindlicher Detektorlight-sensitive detector
99
optisches System zur Kodierung des BeleuchtungsstrahlsOptical system for coding the illumination beam
10, 10a, 10b10, 10a, 10b
Dekodierungssystemdecoding system
1111
Glasplatteglass plate
1212
Kippspiegeltilting mirror
1313
Linsensystemlens system
14a, 14b, 14c14a, 14b, 14c
PolarisationsstrahlteilerPolarization beam splitter
15, 15a, 15b15, 15a, 15b
Spiegel-PeriskopMirror Periscope
16a, 16b16a, 16b
dichroitische Strahlteilerdichroic beam splitters

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (12)

Vorrichtung zur konfokalen Vermessung einer Oberflächentopografie mit einer Lichtquelle (1), die einen Beleuchtungsstrahl generiert, der auf die zu vermessende Oberfläche (5) über ein optisches System (9), einen Strahlteiler (3) und ein Objektiv (4) gerichtet ist und von dort auf ein Dekodierungssystem (10) über das Objektiv (4), den Strahlteiler (3), eine fokussierende Optik (6) und eine Lochblende (7) reflektiert oder gestreut wird, wobei das optische System (9) dafür ausgelegt ist, den Beleuchtungsstrahl in einzelne positionsabhängig kodierte Strahlenbündel zu teilen und das Dekodierungssystem (10) dafür ausgelegt ist, die reflektierten oder gestreuten Strahlenbündel winkelabhängig zu dekodieren und auszuwerten.Device for confocal measurement of a surface topography with a light source ( 1 ), which generates an illuminating beam which is incident on the surface to be measured ( 5 ) via an optical system ( 9 ), a beam splitter ( 3 ) and a lens ( 4 ) and from there to a decoding system ( 10 ) via the lens ( 4 ), the beam splitter ( 3 ), a focusing optic ( 6 ) and a pinhole ( 7 ) is reflected or scattered, the optical system ( 9 ) is adapted to divide the illumination beam into individual position-dependent coded radiation beams and the decoding system ( 10 ) is designed to decode and evaluate the reflected or scattered radiation beam angle-dependent. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische System (9) dafür ausgelegt ist, die einzelnen Strahlenbündel des Beleuchtungsstrahls zeit-, frequenz-, optisch-, mechanisch-, spektral- und/oder polarisationsabhängig zu kodieren.Apparatus according to claim 1, wherein the optical system ( 9 ) is adapted to the time, frequency, optical, mechanical, spectral and / or polarization dependent to encode the individual beam of the illumination beam. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Dekodierungssystem (10) dafür ausgelegt ist, die reflektierten oder gestreuten Strahlenbündel zeit-, frequenz-, optisch-, mechanisch-, spektral- und/oder polarisationsabhängig zu dekodieren und auszuwerten.Apparatus according to claim 1, wherein the decoding system ( 10 ) is designed to decode and evaluate the reflected or scattered radiation beam time, frequency, optical, mechanical, spectral and / or polarization dependent. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Dekodierungssystem (10) dafür ausgelegt ist, die reflektierten oder gestreuten und dekodierten Strahlenbündel integral und/oder separat auszuwerten.Apparatus according to claim 3, wherein the decoding system ( 10 ) is designed to evaluate integrally and / or separately the reflected or scattered and decoded beams. Verfahren zur konfokalen Vermessung einer Oberflächentopografie mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Beleuchtungsstrahl mittels dem optischen System (9) in einzelne positionsabhängig kodierte Strahlenbündel aufgeteilt wird und die reflektierten oder gestreuten Strahlenbündel mittels dem Dekodierungssystem (10) winkelabhängig dekodiert und ausgewertet werden.Method for confocal measurement of a surface topography with a device according to one of Claims 1 to 4, the illumination beam being detected by means of the optical system ( 9 ) is divided into individual position-dependent coded beams and the reflected or scattered beams by means of the decoding system ( 10 ) are decoded dependent on angle and evaluated. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Strahlenbündel des Beleuchtungsstrahls zeit-, frequenz-, optisch-, mechanisch-, spektral- und/oder polarisationsabhängig kodiert werden.A method according to claim 5, wherein the beams of the illumination beam are time, frequency, optical, mechanical, spectral and / or polarization dependent coded. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die reflektierten oder gestreuten Strahlenbündel zeit-, frequenz-optisch-, mechanisch-, spektral- und/oder polarisationsabhängig dekodiert werden.The method of claim 5, wherein the reflected or scattered beams are time, frequency, optical, mechanical, spectral and / or polarization dependent decoded. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die reflektierten oder gestreuten Strahlenbündel integral und/oder separat ausgewertet werden.The method of claim 5, wherein the reflected or scattered beams are evaluated integrally and / or separately. Verfahren nach Anspruch 8, wobei aus der integralen Auswertung der reflektierten oder gestreuten Strahlenbündel die dreidimensionalen Koordinaten eines Punktes auf der zu vermessenden Oberfläche ermittelt werden.The method of claim 8, wherein the three-dimensional coordinates of a point on the surface to be measured are determined from the integral evaluation of the reflected or scattered beam. Verfahren nach Anspruch 8, wobei aus der separaten Auswertung der reflektierten oder gestreuten Strahlenbündel die Neigung der zu vermessenden Oberfläche ermittelt wird.The method of claim 8, wherein the inclination of the surface to be measured is determined from the separate evaluation of the reflected or scattered beam. Verfahren nach Anspruch 10, wobei aus der ermittelten Neigung der zu vermessenden Oberfläche eine optimierte Scanstrategie realisiert wird.The method of claim 10, wherein from the determined inclination of the surface to be measured, an optimized scanning strategy is realized. Verfahren nach einem der Anspruch 10 oder 11, wobei die dreidimensionalen Koordinaten mehrerer Punkte und die Neigung der zu vermessenden Oberfläche gleichzeitig mittels lateralem Scannen oder parallelisiert ermittelt werden.Method according to one of claims 10 or 11, wherein the three-dimensional coordinates of a plurality of points and the inclination of the surface to be measured are determined simultaneously by means of lateral scanning or parallelized.
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