DE69118343T2 - Vorrichtung zum optischen Messen der Höhe einer Oberfläche - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Messen der Höhe einer Oberfläche eines Objekts auf einer Achse, und diese Vorrichtung enthält eine Strahlungsquelleneinheit zum Erzeugen eines Strahlungsbündels und zur Bildung eines Strahlungsflecks auf der Oberfläche des Objekts, ein Abbildungssytem zum Erzeugen eines Bildes des Abtastflecks in einer Ebene und Mittel zum Bestimmen der Position des Bildes in dieser Ebene.
• Eine Vorrichtung dieser Art wird beispielsweise zum Prüfen mit Hilfe von Triangulation verwendet, ob eine Oberfläche das gewünschte Profil hat, beispielsweise ob eine flache Ebene wirklich flach ist und keine Rillen oder Vorsprünge aufweist. Die Vorrichtung kann ebenfalls zum Prüfen verwendet werden, ob Löcher und Erhebungen an den richtigen Positionen auf einer Substratplatte angebracht sind, und außerdem kann die Vorrichtung beispielsweise zum Kontrollieren elektronischer Schaltungen mit elektrisch isolierenden Platten mit leitenden Metallstreifen und mit elektronischen Bauteilen verwendet werden.
• Eine Vorrichtung eingangs erwähnter Art ist u.a. aus EP-A 0 134 597 bekannt. In diesem Dokument ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer Triangulation zum Bestimmen des Abstandes zwischen der Oberfläche eines Objekts und eines Bezugspegels beschrieben. Die bekannte Vorrichtung enthält eine Strahlungsquelle, aus der ein dünnes Strahlungsbündel auf die Oberfläche landet, auf der es einen Strahlungsfleck erzeugt. Der Strahlungsfleck wird auf eine lineare strahlungsempfindliche Detektoroberfläche mittels einer oder mehreren Objektivlinsen fokussiert. Die Position, an der der Strahlungsfleck auf der Detektoroberfläche abgebildet wird, gibt an, an welcher Stelle das bei der Oberfläche ankommende Strahlungsbündel auf die Objektfläche landet und gibt damit die Höhe der letztgenannten Oberfläche an. Eine Verschiebung der Strahlungsposition auf der Detektorfläche bedeutet eine Änderung in der Oberflächenhöhe des zu messenden Objektes.
• Die Empfindlichkeit der Höhenmessung, d.h. das Verhältnis zwischen der Änderung der Oberflächenhöhe und der Verschiebung der Position der auftreffenden Strahlung über die Detektorfläche ist u.a. vom Neigungsgrad der Oberfläche des positionsempfindlichen Strahlungsdetektorsystems in bezug auf das ankommende Strahlungsbündel oder auf die optische Achse des Abbildungssystems abhängig. Wenn jedoch ein spitzer Winkel zum Erhalten maximaler Empfindlichkeit gewählt wird, wenn die Strahlung die Detektorfläche streift, wird ein sehr großer Teil der Strahlung von der Detektorfläche reflektiert und kann nur ein geringer Bruchteil gemessen werden. Ausnutzung der Neigung der Detektorfläche zur Förderung der Empfindlichkeit der Höhenmessung ist also beschränkt.
• Der Erfindung liegt u.a. die Aufgabe zugrunde, diese Beschränkung zu überwinden. Zur Lösung dieser Aufgabe enthält eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Strahlungsquelleneinheit zum Erzeugen eines Strahlungsbündels und zum Erzeugen eines Strahlungsflecks auf der Oberfläche sowie einen Schirm und ein erstes optisches Abbildungssystem zum Erzeugen eines Bildes des Abtastflecks auf dem Schirm, wobei die Position des Bildes am Schirm ein Maß für die Höhe der Oberfläche ist, ein zweites optisches Abbildungssystem und ein positionsempfindliches Strahlungsdetektorsystem eine strahlungsempfindliche Oberfläche haben, die über das zweite optische Abbildungssystem zum Neuabbilden des Bildes auf der strahlungsempfindlichen Oberfläche mit dem Schirm konjugiert ist. Durch die Anfertigung des Schirms auf derartige Weise, daß er einen bedeutenden Bruchteil der streifenden Strahlung nach dem zweiten Abbildungssystem reflektiert, vorzugsweise ungefähr senkrecht zur Oberfläche des Schirms, wird eine hohe Empfindlichkeit für Höhenänderungen erreicht, während trotzdem die Strahlung im wesentlichen senkrecht auf die strahlungsempfindliche Oberfläche des positionsempfindlichen Strahlungsdetektorsystems landet. Zum weiteren Anpassen der Empfindlichkeit an die Breite des Strahlungsdetektors kann das zweite Abbildungssystem den Schirm in einer vergrößerten oder möglicherweise verringerter Form auf der Detektoroberfläche abbilden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält vorzugsweise einen Planarschirm, und die Ebene, in der der Schirm angeordnet ist, und eine zweite Hauptebene des ersten optischen Abbildungssystems schneiden einander in einem Punkt, der im wesentlichen mit dem konjugierten Punkt des Schnittpunkts der Achse der Vorrichtung zusammenfällt, und eine erste Hauptebene des ersten optischen Abbildungssystems. Durch diese Maßnahme erfüllen das erste Abbildungssystem und der Schirm die sog. Scheimpflug-Bedingung, so daß in einer ersten Ordnung der Strahlungsfleck auf der Oberfläche des Objekts im Brennpunkt auf dem Schirm abgebildet wird, ungeachtet der Höhe der Oberfläche. Bei Verwendung einer dünnen Linse fallen die konjugierten Punkte im wesentlichen zusammen.
• Insbesondere in einer Vorrichtung, in der die Scheimpflug-Bedingung erfüllt wird, ist die Benutzung eines Schirms ein großer Vorteil. Zur Ermöglichung der zufriedenstellenden Messung einer steilen Höhenänderung auf der Oberfläche darf sich die optische Achse des ersten Abbildungssystems nur unter einem spitzen Winkel zur Richtung des auf die Oberfläche landenden Strahlungsbündels erstrecken, d.h. die Achse, auf der die Oberflächenhöhe bestimmt wird. Dies soll derart erfolgen, daß der Schatteneffekt auf der Oberfläche minimisiert wird. Daher verlaufen die Hauptebenen der Linse im wesentlichen senkrecht zur Achse und der Schnittpunkt befindet sich nahe bei der Linse. Zum Erhalten einer ausreichenden Empfindlichkeit der Höhenmessung unter diesen Umständen soll sich die Ebene, in der die Bilder des Strahlungsflecks auf die Oberfläche bei verschiedenen Höhen dieser Oberfläche fokussiert werden, unter einem nahezu geraden Winkel zur optischen Achse des ersten Abbildungssystems erstrecken, und die Strahlung fällt unter einem spitzen Winkel beim Streifen dieser Ebene ein.
• Es sei bemerkt, daß ein optisches Meßsystem entsprechend des Triangulationsprinzips zur Erfüllung der Scheimpflug-Bedingung an sich aus EP-A 0 134 597 bekannt ist. Jedoch ist aus diesem Dokument nicht bekannt, die Position des positionsempfindlichen Detektors zur Förderung der Empfindlichkeit für Höhenänderungen zu verwenden oder einen Schirm zur Beseitigung der Nachteile der Scheimpflug-Bedingung bei einer spitzen Triangulationswinkel zu verwenden.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat der Schirm eine gekrümmte Oberfläche. Der Schirm ist beispielsweise entsprechend einer angenäherten Linie oder der genauen Linie gekrümmt, bei der die fokussierten Bilder des Strahlungsflecks auf der Oberfläche erzeugt werden.
• In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Winkel der Achse in bezug auf die optische Achse des ersten Abbildungssystems größer als der Winkel der optischen Achse des ersten Abbildungssystems in bezug auf die Schirmebene. Unter dieser Bedingung ergibt eine Änderung in der Oberflächenhöhe eine Verschiebung des Bildes am Schirm, und diese Verschiebung ist größer als die Höhenänderung bei Vervielfachung mit der lateralen Vergrößerung (oder Verringerung) des ersten Abbildungssystems.
• In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die ersten und zweiten optischen Abbildungssysteme an derselben Seite des Schirms angeordnet, und diese Seite hat eine diffuse reflektierende oder leuchtende Oberflächenschicht. Die diffusreflektierende Oberflächenschicht streut die ankommende Strahlung im wesentlichen unabhängig vom Winkel der ankommenden Strahlung in bezug auf den Schirm, so daß auch bei einem geneigten Schirm eine Neuabbildung ausreichender Lichtstarker auf dem positionsempfindlichen Strahlungsdetektionssystem über das zweite Abbildungssystem erzeugt wird. Die Oberfläche des Schirms kann mit einem weiß diffus reflektierenden Material wie BaSO&sub4; bedeckt werden oder sie kann eine leuchtende Abdeckschicht haben.
• In einem anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die ersten und zweiten optischen Abbildungssysteme an derselben Seite des Schirms angeordnet, und der Schirm hat eine Reflektionsstruktur mit einer Vielzahl linearer Elemente, die sich in einer Richtung parallel erstrecken, die im wesendichen quer zur Ebene gegenüber den optischen Achsen der ersten und zweiten optischen Abbildungssysteme verläuft. Die Elemente werden dabei derart angeordnet, daß die Strahlungsreflexion in der Ebene der zwei optischen Achsen beeinflußt wird. Dies kann beispielsweise mittels einer feinen eindimensionalen Aufrauhung dünner Kratzer oder mittels eines Gitters verwirklicht werden, dessen Gitterlinien parallel zur Ebene verlaufen.Ein derartiges Gitter kann eine Vielzahl reflektierender Fazetten enthalten, deren Flächen sich unter einem Winkel mit der Schirmebene erstrecken.
• Der Schirm kann auch mit Elementen mit inwendig reflektierender Ebenen versehen werden. Ein derartiger Schirm hat eine Reflexionsschicht beispielsweise aus transparenten Fasern oder Prismen, in denen nicht nur Reflexion an der Vorderseite, sondern auch Strahlungsbrechung im Schirmmaterial auftreten, gefolgt von inwendiger Reflexion.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die ersten und zweiten optischen Abbildungssysteme an beiden Seiten des Schirms angeordnet, und der Schirm ist ein Transmissionsschirm. Ein Transmissionsschirm besteht beispielsweise aus einem transparenten Material wie Glas oder Polymethylmethakrylat, und der Schirm hat Reflexionsfazetten, ein Übertragungsgitter oder ein Hologram. Die Verwendung eines Transmissionsschirms bedeutet, daß die Höhenmessungsanordnung eine gedrängte Struktur haben kann. Wenn ein gekrümmter Schirm, dessen konvexe Seite dem ersten Abbildungssystem zugewandt ist, verwendet wird, kann ein Transmissionsschirm einfacher auf einem flachen positionsempfindlichen Strahlungsdetektorsystem abgebildet werden.
• Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen optischen Abtast-Höhenmeter mit einer Strahlungsquelleneinheit zum Erzeugen eines Strahlungsbündels und zum Erzeugen eines Abtastflecks auf einer Oberfläche eines abzutastenden Objekts, und mit Mitteln zum Verschieben des Abtastflecks und des Objekts gegeneinander, wobei der optische Abtast-Höhenmeter außerdem eine Vorrichtung nach obiger Beschreibung zum Messen der Höhe des Objekts an jeder abzutastenden Position enthält.
• Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein derartiges Höhenmeter, das ein Ablenksystem zum Verschieben des Abtastflecks auf einer Linie auf der Oberfläche des Objekts und ein weiteres optisches System zum Erzeugen eines räumlichen Bildes eines Anteils der Oberfläche um den Abtastfleck enthält, wobei der Anteil über das Ablenksystem gewählt wird. Die Vorrichtung zum Messen der Oberfiächenhöhe enthält dabei ein erstes Abbildungssystem, das nicht direkt auf die momentan zu messende Oberfläche gerichtet ist, sondern auf seine Abbildung, die im weiteren optischen System erzeugt wird. Die Oberfläche wird derart abgetastet, daß das Ablenksystem jeweils einen anderen Oberflächenteil wählt, auf dem ein Bild erzeugt wird. Eine Abtastanordnung, mit der ein derartiges Bild erhalten werden kann, ist beispielsweise im nichtvorveröffentlichten NL-A 9000100 beschrieben, auf die für weitere Einzelheiten verwiesen wird.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• Fig. 3a, 3b und 3c Schirme zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit extern reflektierender Oberflächen,
• Fig. 4a und 4b Schirme mit inwendig reflektierender Flächen,
• Fig. 5a und 5b Transmissionsschirme , und
• Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Abtast-Höhenmeters nach der Erfindung.
• In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Eine Strahlungsquelleneinheit 1, beispielsweise ein laser, erzeugt ein dünnen Strahlungsbündel, das beispielsweise über einen Spiegel 3 etwa senkrecht auf eine Oberfläche 10 landet, an der es einen Strahlungsfleck 11 erzeugt. Die Richtung, in der das Strahlungsbündel 2 auf die Oberfläche 10 einfällt, definiert die Achse A-A', auf der die Höhe der Oberfläche 10 gemessen wird. Die Oberfläche 10 hat einige Vorsprünge und Senken, deren Höhe ΔZ gegen einen Bezugspunkt 0 gemessen wird.
• Der Strahlungsfleck 11 auf der Oberfläche 10 wird als Fleck 31 auf einem Schirm 30 mit Hilfe des ersten Abbildungssystems 20 abgebildet. Selbst wird der Schirm 30 wieder auf einem positionsempfindlichen Strahlungsdetektorsystem 50 über ein zweites Abbildungssystem 40 abgebildet. Da der Schirm 30 derart erzeugt wird, daß ein wesentlicher Teil der auf den Schirm einfallenden Strahlung unter einem streifenden Winkel nahezu senkrecht zur Schirmoberfläche reflektiert wird, hat das im Strahlungsdetektorsystem 50 erzeugte Bild eine ausreichende Lichtstärke zum Definieren der Position der Neuabbildung 51 des Flecks 31 auf dem Strahlungsdetektorsystem 50 und daher der Position des Flecks 31 am Schirm 30. Die Position des Flecks 31 wird direkt mit der Position des Strahlungsflecks 11 auf der Oberfläche 10 gekoppelt. Da die räumliche Position des Strahlungsflecks 11 sich auf der Achse A-A' befindet, definieren die Position des Flecks 31 am Schirm 30 und seine Neuabbildung 51 im Detektorsystem 50 unzweideutig die Höhe, in der die Oberfläche 10 die Achse A-A' schneidet. Eine Verschiebung über eine Strecke ΔZ der Oberfläche löst eine entsprechende Verschiebung der Position des Flecks 31 über den Schirm und daher des Flecks 51 aus. Die Position des Flecks 51 wird in der Bearbeitungseinheit 52 aus den Ausgangssignalen des positionsempfindlichen Strahlungsdetektorsystems bestimmt und in ein Höhensignal umgewandelt, das an einem Ausgang 53 der Bearbeitungseinheit zur Verfügung steht.
• In Fig. 1 sind die ersten und zweiten Abbildungssysteme als einfache Linsen dargestellt. Sie können selbstverständlich auch zusammengesetzte Linsen sein. Der Vergrößerungsfaktor der Abbildungssysteme beträgt eins zu eins in der Figur. Ein anderer Vergrößerungsfaktor bietet die Möglichkeit der Erhaltung eines größeren Meßbereichs oder einer höheren Empfindlichkeit.
• Der Schirm 30 ist vorzugsweise derart angeordnet, daß die Ebene, in der der Schirm sich befindet, und die zweite Hauptebene H2 des ersten Abbildungssystems einander in einem Punkt P2 schneiden, der der konjugierte Punkt des Schnittpunkts P1 der ersten Hauptebene H1 und der Achse A-A' ist. Wenn eine dünne Linse als erstes Abbildungssystem verwendet wird, fallen die Hauptebenen im wesentlichen zusammen sowie die Punkte P1 und P2. Diese Bedingung, die Scheimpflug-Bedingung, mit dem Nahmen eines österreichischen Obersten, der diese Entdeckung in 1915 machte, bedeutet, daß in der ersten Ordnung die Punkte der optischen Achse A-A' im Brennpunkt am Schirm 30 abgebildet werden. Ungeachtet der Höhe der Oberfläche 10 erzeugt der Strahlungsfleck 11 also einen gut definierten Fleck am Schirm.
• Das positionsempfindliche Strahlungsdetektorsystem kann ein CCD- Element oder eine Reihe von Photodioden enthalten, aber kann auch beispielsweise eine erweiterte Photodiode mit Elektroden an beiden Enden enthalten, wobei der Unterschied zwischen Photoströmen in den beiden Elektroden ein Maß der Position ist, an der Strahlung auf die strahlungsempfindliche Oberfläche landet. Ebenfalls ist es möglich, beispielsweise ein Strahlungsdetektorsystem mit einem strahlungsleitendem Volumen zu verwenden, in dem die Position der einfallenden Strahlung aus den Strahlungsintensitäten bestimmt wird, die an den Enden des strahlungsleitenden Volumens zur Verfügung stehen. Ein derartiges positionsempfindliches Strahlungsdetektorsystem ist in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung NL-A 9002211 beschrieben.
• In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Messen der Höhe einer Oberfläche dargestellt. Hier erzeugt wiederum ein dünnen Strahlungsbündel 2 nach Erzeugung in einer Strahlungsquelleneinheit 1 einen Strahlungsfleck 11 auf der zu messenden Oberfläche 10. Dieser Strahlungsfleck wird wie ein Fleck 31 an einem Schirm 30 über das erste Abbildungssystem 20 abgebildet. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Schirm 30 nicht flach, sondern leicht gekrümmt, so daß für jede mögliche Position des Strahlungsflecks 11 ein genau fokussiertes Bild des Strahlungsflecks am Schirm erzeugt wird. Zur Vereinfachung der Figur fallen die Hauptflächen des Abbildungssystems 20 zusammen und schneiden die Achse A-A' im einfachen Punkt P.
• Der Schirm 30 in diesem Ausführungsbeispiel ist kein Reflexionsschirm, in dem die zwei Äbbildungssysteme an derselben Seite des Schirms angeordnet sind, sondern ein Transmissionsschirm. Das zweite Abbildungssystem 40 ist an einer anderen Seite des Schirms 30 als das erste Abbildungssystem 20 angeordnet, und die Strahlung durchquert den transparenten Schirm. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Anpassung der Krümmung des Schirms 30 an ein flaches Bildfeld am Detektorsystem 50 auf verhältnismäßig einfache Weise mit Hilfe des Abbildungssystems 40 ausgeführt werden. Dieses Ausführungsbeispiel hat ebenfalls einen größeren freien Arbeitsbereich, da das ganze optische System in einer Richtung aufgebaut ist.
• In Fig. 3a, 3b und 3c sind Schirme zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
• In Fig. 3a ist ein Schirm 130 mit einem flachen Substrat 131 dargestellt, dessen Oberfläche mit einem diffus reflektierenden Material 132 versehen ist. Das Material muß einen hohen Reflexionskoeffizienten für die Wellenlänge der Strahlung haben, die in der Strahlungsquelleneinheit erzeugt wird, und kann beispielsweise weiß wie bei BaSO&sub4; sein oder sie kann die Farbe der benutzten Strahlung haben. Ein auf die Oberfläche des Schirms landendes Strahlungsbündel 101 wird von der diffus reflektierenden Oberfläche verstreut, wobei ein bedeutender Teil der verstreuten Strahlung 102 die Oberfläche etwa in einer senkrechten Richtung verläßt. Neben einem passiv reflektierenden Material auf der Oberflächenschicht des Schirms kann sie auch leuchtend sein. Denn es kann ein Strahlungsdetektorsystem verwendet werden, das strahlungs empfindlich ist bei einer Wellenlänge, die von der der Strahlung abweicht, die in der Strahlungsquelleneinheit erzeugt wird.
• In Fig. 3b ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Schirms 130 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel hat die Vorderseite des Substrats 133 eine große Anzahl feiner Kratzer 134, die vorwiegend sich in einer Richtung senkrecht zur Richtung des ankommenden Strahlungsbündels 101 erstreckt. Dies führt ebenfalls zu einer Streuung der ankommenden Strahlung, wobei nur ein kleiner Teil der Richtung der gestreuten Strahlung 103 durch die Richtung des ankommenden Strahlungsbündels 101 definiert wird. Es kann eine einzige Kratzerrichtung hergestellt werden, da das ankommende Bündel 101 an verschiedene Stellen am Schirm landen kann, aber nur eine geringe Variation in der Richtung aufweist und sich nur in der Ebene senkrecht zur Kratzerrichtung befindet.
• Dieselbe Beschränkung in der Richtung des ankommenden Bündels wird in dem Schirm nach Fig. 3c benutzt. In diesem Ausführungsbeispiel hat die Vorderseite des Substrats 135 eine große Anzahl von Fazetten 136, die derart orientiert sind, daß das ankommende Strahlungsbündel 101 als das Bündel 104 nach dern zweiten Abbildungssystem reflektiert wird. Da der Strahlungsfleck auf der zu messenden Oberfläche im Brennpunkt am Schirm abgebildet wird, kann die Vorderseite des Schirms eine spiegelnde Reflexionsschicht beispielsweise aus Aluminium sein.
• Derselbe Richteffekt wird durch Anbringen eines Gitters an der Frontseite erhalten, so daß durch Interferenz ein wesentlicher Teil der Strahlung nach dem zweiten Abbildungssystem hin reflektiert wird. Das Gitter kann flach sein, aber ist vorzugsweise bauschig.
• In Fig. 4a und 4b sind zwei Schirme mit inwendig reflektierenden Flächen dargestellt. Im Schirm nach Fig. 4a ist eine große Anzahl optischer Fasern 232 parallel auf dem Substrat 231 angeordnet. Ein Strahlungsbündel 201, das beim Schirm ankommt, wird teilweise direkt reflektiert, wie mit Hilfe des Strahls 202 veranschaulicht. Ein Teil der ankommenden Strahlung tritt in die transparente Faser ein, in der sie inwendig mehrmals reflektiert wird und die Faser beispielsweise in einer Richtung 203 verläßt. Durch die wiederholten Brechungen und Reflexionen ist die Richtung der Strahlung aus dem Schirm im wesentlichen unabhängig von der Einfallsrichtung des Bündels 201. Zum Vergrößern der Reflexion enthält die Oberfläche 233 des Substrats 231 vorzugsweise eine Reflexionsschicht, so daß Strahlung aus den Fasern in das Substrat 231 nicht absorbiert wird.
• In Fig. 4b ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Schirms mit inwendig reflektierenden Ebenen dargestellt. Der Schirm 230 enthält eine Platte aus transparentem Material, deren Vorderseite Ränder 234 mit einem dreieckigen Querschnitt hat. Ein ankommendes Strahlungsbündel 201 wird zum Teil an den Fazetten der Ränder reflektiert und teilweise im Material gebrochen. Diese Strahlung wird mehrmals an der Innenseite der Fazetten und an der Rückseite der Platte reflektiert und tritt wiederum über die Vorderseite aus. Die Rückseite 235 der Platte hat vorzugsweise eine Reflexionsschicht.
• Der Schirm in Fig. 5a ist ein Transmissionsschirm mit einer transparenten Platte 330, dessen Vorderseite 331 ein Transmissionsgitter aufweist, beispielsweise ein Phasen- oder Amplitudengitter. Dieses Gitter bewirkt das Austreten eines ankommenden Strahlungsbündels 301 vorwiegend in der Richtung 302 nach dem zweiten Abbildungssystem. Die Vorderseite ist vorzugsweise ebenfalls mit einer Antireflexionsschicht versehen. Die Rückseite 334 kann eine aufgerauhte Oberfläche haben, um die austretende Strahlung einigermaßen zu streuen.
• Der in Fig. 5b dargestellte Transmissionsschirm enthält ebenfalls eine transparente Platte. Die Vorderseite weist Ränder mit einem Dreieckquerschnitt auf, deren erste Fazetten 333 derart gerichtet werden, daß sie im wesentlichen senkrecht zur Richtung des ankommenden Strahlungsbündels 301 verlaufen. Hierdurch tritt minimale Brechung und Reflexion an diesen Fazetten auf. Die zweiten Fazetten 332 werden zum Reflektieren des ankommenden Bündels 301 nach dem zweiten Abbildungssystem gerichtet. Das Bündel 301 wird beispielsweise durch innere Gesamtreflexion daran reflektiert und tritt als das Bündel 302 aus. Die Rückseite 334 des Schirms kann aufgerauht sein, um das Bündel 302 nach dem zweiten Abbildungssystem zu streuen.
• In Fig. 6 ist ein optisches Abtast-Höhenmeter nach der Erfindung beispielsweise zum Abtasten von Leiterplatten dargestellt.
• Die Strahlungsquelleneinheit enthält einen Laser 1, der ein kollimiertes Laserbündel 2 erzeugt. Das Laserbündel 2 fallt auf eine Linse 14, die das Bündel in der imaginären Ebene 19 fokussiert. Das Laserbündel durchquert darauf eine Zylinderlinse 13, wird von den Faltspiegeln 3 und 4 reflektiert, durchquert eine Abbildungslinse oder ein Abbildungssystem mit den Linsen 5 und 6 und wird über einen drehenden Polygonspiegel 7 nach der abzutastenden Oberfläche 10 abgelenkt. Korrekturspiegel 8 und 9 und eine weitere Zylinderlinse 12, die sich durch die abzutastende Breite erstreckt, sind zwischen dem Vieleck 7 und der abzutastenden Oberfläche 10 angeordnet. Schließlich erzeugt das Laserbündel einen Abtastfleck auf der Oberfläche 10, und dieser Abtastfleck bewegt sich über die Oberfläche in der Richtung der Pfeilspitze 15 durch die Drehung des Vieleckspiegels 7. Die an der Oberfläche reflektierte Strahlung durchquert das optische System in der umgekehrten Richtung und erzeugt ein Bild 11 auf oder in der Nähe der Gedachtenebene 19. Dieses Bild wird mit einer Höhenmeßvorrichtung nach obiger Beschreibung detektiert. Die ganze Fläche 10 wird durch Bewegen der Leiterplatte in der Richtung quer zur Abtastrichtung abgetastet.
• Die Höhenmeßvorrichtung besteht aus einem Doppelaufbau für eine genauere Bestimmung und zum Vermeiden von Schattierungen. Die Vorrichtung enthält zwei erste Abbildungssysteme 21 und 22, deren optische Achsen die Gedachteebene 19 in dem Punkt schneiden, in dem der Hauptstrahl des Laserbündels 2 diese Ebene durchquert. Die ersten Abbildungssysteme 21 und 22 erzeugen ein Neubild der Abbildung des Flecks 11 an den Schirmen 33 bzw. 34. Die zweiten Abbildungssysteme 41 und 42 bilden die Schirme 33 und 34 an den positionsempfindlichen Strahlungsdetektorsystemen 54 und 55 ab, deren Ausgangssignale die momentane Höhe des Strahlungsflecks 11 und damit das mögliche Vorhandensein eines Bauteils auf der Oberfläche der Leiterplatte angeben.
• Die Zylinderlinsen 12 und 13 bieten eine numerische Apertur, die groß genug ist, um ein Bild mit ausreichender Lichtstärke des Abtastflecks 11 an den Detektorsystemen 54 und 55 zu erzeugen. Weitere Einzelheiten bezüglich der Abtastvorrichtung und der Zylinderlinsen sind in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung NL-A 9000100 beschrieben.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum optischen Messen der Höhe einer Oberfläche (10) eines Objekts auf einer Achse (A-A'), und diese Vorrichtung enthält eine Strahlungsquelleneinheit (1) zum Erzeugen eines Strahlungsbündels (2) und zur Erzeugung eines Strahlungsflecks (11) auf der Oberfläche, wobei die Vorrichtung außerdem einen Schirm (30) und ein erstes optisches Abbildungssystem (20) zur Erzeugung eines Bildes (31) des Abtastflecks am Schirm enthält, die Position des Bildes am Schirm ein Maß für die Höhe der Oberfläche ist, ein zweites optisches Abbildungssystem (40) und ein positionsempfindliches Strahlungsdetektorsystem (50) mit einer strahlungsempfindlichen Oberfläche, die mit dem Schirm über das zweite optische Abbildungssystem zum Neuabbilden des Bildes auf der strahlungsempfindlichen Oberfläche konjugiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Schirm (30) ein Planarschirm ist, und die Ebene, in der der Schirm angeordnet ist, und eine zweite Hauptebene (H&sub2;) des ersten optischen Abbildungssystems (20) einander in einem Punkt (P&sub2;) schneiden, der im wesentlichen mit dem konjugierten Punkt des Schnittpunktes (P&sub1;) der Achse (A- A') der Vorrichtung und mit einer ersten Hauptebene (H&sub1;) des ersten optischen Abbildungssystems zusammenfällt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin der Schirm (30) eine gekrümmte Oberfläche hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin der Winkel der Achse (A- A') in bezug auf die optische Achse (0-0') des ersten Abbildungssystems (20) größer ist als der Winkel der optischen Achse des ersten Abbildungssystems in bezug auf die Ebene des Schirms (30).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin die ersten und zweiten optischen Abbildungssysteme (20, 40) an derselben Seite des Schirms (20) angeordnet sind, und diese Seite enthält eine diffus reflektierende oder leuchtende Oberflächenschicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin die ersten und zweiten optischen Abbildungssysteme (20, 40) an derseelben Seite des Schirms (20) angeordnet sind, und der Schirm eine Reflexionsstruktur mit einer großen Anzahl linearer Elemente (134; 136; 232; 234) enthält, die sich parallel in einer Richtung erstrecken, die im wesentlichen quer zur Ebene gegenüber den optischen Achsen (0-0', S-S') der ersten und zweiten optischen Abbildungssysteme (20, 40) verläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die Elemente (232, 234) inwendig reflektierende Ebenen haben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin die ersten und zweiten optischen Abbildungssysteme (20, 40) an beiden Seiten des Schirms (20) angeodnet sind, und der Schirm ein Transmissionsschirm ist.

9. Optisches Abtast-Höhenmeter mit einer Strahlungsquelleneinheit (1) zum Erzeugen eines Strahlungsbündels (2) und zur Erzeugung eines Abtastflecks auf einer Oberfläche (10) eines abzutastenden Objekts, und mit Mitteln (7) zum Verschieben des Abtastflecks und des Objekts gegeneinander, wobei das optische Abtast-Höhenmeter außerdem eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche zum Messen der Höhe des Objekts an jeder abzutastenden Position enthält.

10. Optisches Abtast-Höhenmeter nach Anspruch 9, mit einem Ablenksystem (9) zum Verschieben des Abtastflecks über eine Linie auf der Oberfläche des Objekts, und mit einem weiteren optischen System zum Erzeugen eines räumlichen Bildes eines Anteils der Oberfläche um den Abtastfleck herum, wobei der Anteil über das Ablenksystem gewählt wird.