DE69610540T2

DE69610540T2 - Chromatischer optischer Senor zum Entfernungsmessen

Info

Publication number: DE69610540T2
Application number: DE69610540T
Authority: DE
Inventors: Robert J. Metzger; Howard Stern
Original assignee: Robotic Vision Systems Inc
Current assignee: Acuity CiMatrix Inc
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-07-20
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2016-07-21
Also published as: EP0997748A3; DE69632274D1; US5790242A; EP0997748A2; EP0762143B1; EP0997748B1; DK0762143T3; DE69632274T2; DE69610540D1; EP0762143A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dreidimensionalen (3-D) optischen Erfassung und Messung. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Abstands, um den ein Objekt von einer bekannten Stelle entfernt ist indem chromatische Entfernungsbestimmungstechniken verwendet werden. Monochromatische Lichtstrahlen werden von einem Ziel reflektiert um einen reflektierten Strahl zu bilden, der gebündelte und ungebündelte Teile enthält. Das Verhältnis zwischen gebündeltem du ungebündeltem Licht jedes monochromatischen Strahls wird benutzt, um den tatsächlichen Abstand des Ziels von der bekannten Stelle zu bestimmen.
High-Tech Fertigungen befinden sich inmitten einer Revolution bei der Herstellung. Etablierte Herstellungsverfahren, wie die Herstellung integrierter Schaltkreise (IC), die Herstellung elektronischer Bauelemente oder die Präzisionsmeßtechnik werden beständig mit Kundenanfragen nach gehobenem und unerreichtem Niveau von Genauigkeit und Schnelligkeit konfrontiert. Neu auftauchende Technologien wie die mechanische Präzisionsmontage, opto-elektronische Montage und mikro-elektromechanische Systems (MEMS) werden neue Fähigkeiten verlangen, die eine Generation der jetzt und in naher Zukunft kommerziell verfügbaren Technologie voraus ist. Während sich die folgende Diskussion auf eine Fallstudie bei Anforderungen der Halbleiterindustrie beschränkt, ist die beschriebene Technologie geeignet für einen breiten Bereich von Anwendungen in den etablierten und aufkommenden Fertigungsweisen.
Die Halbleiterfertigung hat ein Jahrzehnt unerreichten Wachstums und technologischer Fortschritte erlebt. Beständige Fortschritte bei der Komplexität der Schaltkreise und die Aufgabe der Miniaturisierung haben zu einer Anforderung nach erheblich erhöhten Dichten von Eingangs-/Ausgangs-(I/O)leitungen geführt. Als Ergebnis hat die Oberflächenmontagetechnologie (SMT) das traditionelle IC-Bauelement mit seinen Bohrungen weitgehend ersetzt. SMT-Leitungen wie solche auf flachen Viererleitungspackungen (quad flat packs, OFP's) werden direkt auf Verbindungspfade auf einer Oberfläche eines Schaltkreises gelötet, was eine größere Leitungsdichte ergibt, sowie einen geringeren Platzbedarf. Seit neuestem hat die Punktnetzanordnung (ball grid array, BGS) die Gruppe der SMT- Vorrichtungen vergrößert. BGA ersetzt die peripheren SMT-Leitungen durch eine Matrix von Lötpunkten auf der Unterseite der Vorrichtung. Zukünftige Trends werden das SMT-Konzept zu Direktverbindungsverfahren erweitern, wie bei Flip Chips, bei denen die Verbindungspunkte in den Wafer integriert sind.
Diese neuen Bauelementetechnologien sind erhebliche Herausforderungen für die Hersteller der Vorrichtungen. Bei SMT-Vorrichtungen bedeutet die erhöhte Dichte von Verbindungen, daß die SMT-Leitungen bedeutend schmaler sein müssen, als die Leitungen von Vorrichtungen mit Bohrungen. Von besonderer Bedeutung ist die physische Belastbarkeit der Leitungen. Jede Leitungsdeformation kann zu dem Fehlschlagen des korrekten Auflötens der Vorrichtung auf dem Board führen. Da Prüfstäbchen eine schlechte Leitung vorübergehend wegbiegen können und einen Vorrichtungstest elektrisch gut aussehen lassen, obwohl er physikalisch schlecht ist, werden Leitungsbeschädigungen von automatischen elektrischen Testvorrichtungen nicht immer erkannt. Für BGA- du Flip-Chip- Vorrichtungen müssen die Lötpunkte du Verbindungspunkte eine genaue Größe besitzen und genau plaziert sein, um mit den entsprechenden Kontaktflecken auf dem gedruckten Schaltbrett (PC) zusammenzupassen.
Ein Vorrichtungsaufbau aus SMT-Leitungen, BGA-Lötpunkten oder Flip- Chip-Verbindungspunkten ist eine 3-D-Struktur, die einen monostabilen oder bistabilen Sitz auf dem Board aufweist. Der Aufbau kann innerhalb akzeptabler Toleranzen für ein erfolgreiches Verlöten bei der Montage aufweisen oder nicht. Typische Überprüfungen von SMT-Vorrichtungen mit peripheren Leitungen beinhalten Prüfungen von Komplanarität, Pinverteilung, Pinbreite, Lückenbreite, Verteilung der wahren Position, Abstand der wahren Position und Leitungswinkel. Eine typische Überprüfung von BGA-Vorrichtungen beinhaltet Prüfungen der Komplanarität, Fehler der wahren Position, Lötpunktdurchmesser und Wölbung des Boards. Die zu erwartenden Anforderungen für Flip-Chip-Vorrichtungen dürften ähnliche geometrische Anforderungen mit wesentlich höheren Genauigkeiten sein, als die für BGA's benötigten.
Die von den Herstellern benötigten Genauigkeiten betragen zwischen 5 um (.0002") und 12,5 um (.0005") bei der Messung der Komplanrität von SMT- Vorrichungen, Pinverteilung, Pinlücken, Verteilung der wahren Position und Abstand der wahren Position. Die gegenwärtige BGA-Technologie verlangt ähnliche Genauigkeiten. Kurzfristige Trends bei der BGA-Technologie (Mini-BGA und Mikro-BGA Bauelemente), sowie die Flip-Chip-Technologie werden unvermeidlicherweise Genauigkeiten von 1 um oder besser verlangen. Diese Anforderung verlangt eine ganze Größenklasse an Verbesserung gegenüber den jetzigen Möglichkeiten.
Einige kommerzielle Leitungsprüfungssysteme benutzen eine optische, maschinelle 2-D-Technologie. Statt die 3-D-Geometrie der Leitungen direkt zu messen, errechnen die 2-D-Systeme die 3-D-Struktur aus 2-D-Schatten. Da 2-D- Systeme die tatsächliche 3-D-Geometrie nur aus Projektionen dieser Geometrie errechnen, sind sie in ihrer Fähigkeit, die kritischen Parameter der SMT- Leitungen korrekt zu charakterisieren beschränkt. 2-D-Systeme versuchen außerdem häufig ausreichende Ergebnisse durch mehrere Kameras zu erzielen. Mehrere Kameras sind jedoch einer Einmeßdrift und einer Verschlechterung der Genauigkeit unterworfen. Schließlich benötigen alle 2-D-Systeme ein aufwendiges Handling von Vorrichtungen, das die Ergebnisse verringert und die Vorrichtungen beschädigt.
Andere kommerzielle Systeme benutzen ein maschinelles optisches 3-D Verfahren, wie in den US-Patenten 4,238,147, 4,590,367, 4,529,316, 4,594,001 und 4,991,968 offenbart. Typische maschinelle optische 3-D-Sensoren ruhen auf dem eingeführten Prinzip der optische Dreiecksaufnahme von strukturiertem Licht. Das Objekt (d. h. SMT-Leitung oder BGA-Punkt) wird von einer gescannten, gebündelten Laserquelle beleuchtet. Die reflektierte Energie wird von einer abseits gelegenen Kamera aufgenommen. Das bekannte Abstandsverhältnis zwischen der Beleuchtungsquelle und der Kamera erlaubt die Berechnung einer genauen 3-D-Messung. Die Kombination einer Kamera und eines Projektors für strukturiertes Licht ist ein 3-D-Sensor.
Es ist wünschenswert, das bekannte Verfahren der Dreiecksaufnahme dazu zu befähigen, die aufkommenden hochauflösenden und durchsatzintensiven Anforderungen zu bewältigen. Eine Technik zur Verbesserung der Auflösung der optischen Dreiecksaufnahme liegt darin, den Trennwinkel von Sender und Empfänger zu vergrößern. Diese Verbesserung ist jedoch allenfalls ein Schritt, betrifft nur eine Dimension (Bereichsauflösung) und wird dadurch erreicht, daß benachbarte Oberflächen die betrachtete Oberfläche immer mehr zu verdecken drohen.
Eine andere mögliche Verbesserung ist, sowohl die Bereichsauflösung, als auch die seitliche Auflösung zu verbessern, indem die gebündelte Spotgröße eines abgestrahlten Laserstrahls verkleinert wird. Die Spotgröße ist direkt proportional zu dem Produkt der F-Zahl der projizierenden Optik (von dem Ziel aus gesehen) und der Wellenlänge des Laserstrahls. Die projizierende Optik kann schrittweise verbessert werden, jedoch um die Feldtiefe beizubehalten, nicht um eine Größenordnung.
Es ist möglich, kürzere Wellenlängen und eine höhere Auflösung zu erreichen, wenn höherfrequentige Lichtquellen verwendet werden. Die heutigen Dreiecksaufnahmesysteme operieren im nahen Infrarotbereich (800-900 nm Wellenlänge). Die interessanten kürzeren Wellenlängen sind im teifen Ultraviolettbereich (< 300 nm). Unglücklicherweise zeichnet sich der Ultraviolettbereich (UV) durch hohe Kosten, Feststofflichtquellen, eine geringe Fotosensibilität und die Verschlechterung optischer Komponenten im Gebrauch aus. UV-Wellenlängen bringen große praktische Probleme für ein kommerzielles, sehr stark benutztes Prüfsystem.
Eine in letzter Zeit beliebte Technik für sehr genaues optisches Messen von Oberflächen von Halbleiterwafern, bekannt als konfokale Lasermikroskopie, benütz einen brechungsbegrenzten, monochromatischen Lichtspot, der auf eine Zielfläche projiziert wird. Ein Loch in der fokalen Ebene der Aufnahmeoptik wird meachnisch ber einen Bereich bewegt. Die durch das Loch zurückkehrende Energie ist am größten, wenn die fokale Ebene mit dem Bild der Zielfläche übereinstimmt, was das Messen des Zielbereichs ermöglicht. Diese Technik ist für eine Auflösung im Submikronbereich geeignet. Durch die mechanische Verstellung einer minimalen Tiefenschärfe über den gesamten Tiefenschärfenbereich, in dem das Ziel zu finden ist, ist es aber ein sehr langsames Verfahren. Mikroskopische Kalibrierung ist schwierig. Die beweglichen Teile können beim Gebrauch abnutzen und Wartungszeiten erforderlich machen.
Eine andere neue Technik benutzt die Dispersionscharakteristika einer diffraktiven Mikro-Fresnel-Linse (MFL) in einem Spektrometer, wie in "Spectrometer Employing a Micro_Fresnel Lens", Optical Engineering Vol. 34 No. 2, pp. 584-588 (Februar 1995) beschrieben. MFL's besitzen im allgemeinen große chromatische Bildfehler. Daher wandeln MFL's das einfallende Lichtspektrum in eine Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse um. Verschiedene Farben (Wellenlängen) besitzen verschiedene Brennweiten. Zwischen einem Fotodetektor und einer MFL wird ein bewegliches Loch positioniert. Das durch das Loch gehende Licht wird von dem Fotodetektor erkannt, der einen Strom ausgibt, der der Lichtintensität des in dem Loch gebündelten Lichts entspricht. Indem das Loch bewegt wird, wird eine Intensitätsverteilung gewonnen. Die Abstände zwischen der MFL und dem Loch, das gebündeltes Licht durchläßt, entsprechen den Wellenlängen des einfallenden Lichts. So kann das Spektrum des einfallenden Lichts gewonnen werden.
Die oben beschriebene Technik, einen Strahl zu zerstreuen (d. h. mittels einer Fresnel-Linse) und den darauf beruhenden Bereich nach einer Erkennung eines Peaks des zurückkehrenden Lichts zu messen wird auch in der Veröffentlichung mit dem Titel "Longitudinally Dispersive Profilometer", Pure and Applied Optics, Vol. 4, No. 3, pp. 219-228 (Mai 1995) diskutiert. Ein ähnlicher optischer Oberflächenmesser ist in "Optical Surface Profiler Transducer", Optical Engineering, Vol. 27, No. 2, pp. 135-142 (Feb. 1988) offenbart.
Eine andere Technik benutzt drei Farbfilter um einen Abstand zu messen, wie in "Three-dimensional image sensing by chromatic confocal microscopy", Applied Optics, Vol. 33, No. 10, pp. 1838-1843 (April 1994). Von einem Ziel wird Licht durch eine farblich fehlerhafte Objektivlinse reflektiert. Mehrere Wellenlängen von Licht werden gleichzeitig von der Zieloberfläche reflektiert und durch drei Farbfilter gelenkt, die ähnlich wie das menschliche Auge funktionieren. Jeder Farbfilter wird benutzt, um eines andere Farbe zu unterscheiden. Der Abstand des Ziels von einem bekannten Punkt wird aus der relativen Lichtmenge abgeleitet, die jeweils von den Farbfiltern empfangen wird.
Eine ändere Methode einer Bereichsmessung ist in dem US-Patent 3,815,409 beschrieben. Gemäß dieser Offenbarung kann eine gechirpte, frequenzmodulierte Tonwelle durch eine Dispersionslinse geleitet werden, die entsprechend der Frequenz wechselnde Brennweiten aufweist. Jede Frequenz wird in einer unterschiedlichen Tiefe auf das Objekt gebündelt. Zwischen der Aussendung der Tonwelle und dem Empfang einer reflektierten Tonwelle in einem Wandler wird ein Zeitintervall gemessen. Das Zeitintervall entspricht einer bestimmten Tiefe des Objekts.
Wenn dagegen die Wellenlänge des einfallenden Lichts (und der zugehörigen Brennweite) bekannt ist, wird der Abstand zwischen dem Loch und der MFL leicht bestimmt. Eine Anwendung dieses Prinzips wird bei der vorliegenden Erfindung benutzt.

AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile und Einschränkungen des Stands der Technik zu überwinden.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Annäherung an optisches 3-D-Messen zu bieten, das nicht auf Dreiecksaufnahme beruht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effektives Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um Bereiche in der Größenordnung eines Mikrons zu erfassen und zu messen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Bereichssensor zu schaffen, der die von der Wellenlänge abhängige Reflektivität eines Ziels kompensiert.
Die oberen und andere Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und ein verfahren gelöst, bei dem ein Systemprojektor eine polychromatisch inkohärente Lichtquelle besitzt. Der Systemprojektor besitzt auch einen Beleuchtungsmodulator, der eine zeitveränderliche Wellenlänge der Beleuchtung gestattet. Der Systemprojektor besitzt außerdem eine Brechungslinse, die ein Kontinuum fokaler Ebenen erzeugt, die mit den Wellenlängen des Beleuchtungsspektrums korrespondieren.
Die vorliegende Erfindung behält die hochauflösenden Eigenschaften der konfokalen Mikroskopie und überwindet die Nachteile, die die Verwendung dieser Technik in industriellen Anwendungen mit hohen Durchsatzraten bei starken Betrieb verbietet, indem das mechanische Scannen einer einzelnen fokalen Ebene durch eine Beleuchtungstechnik ersetzt wird, bei der ein Kontinuum fokaler Ebenen eine große Brennweite umfaßt. Eine signalverarbeitende Elektronik erkennt einen Ort einer Zieloberfläche mit einer Schärfe, die eine Tiefenschärfe jeder einzelnen fokalen Ebene übertrifft. Diese Technik führt zu einem schnellen Messen, das geeignet ist, einem großen Bereich mit sehr genauen Meßanforderungen zu genügen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Prinzip der chromatischen Bereichsdiskriminierung. Konventionelle, aus Laser beruhende 3-D-Sensoren benutzen eine kohärente monochromatische Beleuchtung. Die vorliegende Erfindung benutzt dagegen eine inkohärente oder kohärente Breitbandbeleuchtung. Konventionelle 3-D-Lasersensoren beleuchten den Tiefenschärfenbereich durch mechanische Bewegung. Die vorliegende Erfindung benutzt dagegen einen chromatischen Bereichsscanner, um den Tiefenschärfenbereich elektronisch zu beleuchten. Konventionelle 3-D-Dreicksaufnahmesensoren, die auf Laser basieren, verlassen sich auf die Geometrie des ganzen Sensors (Sender und Empfänger), um eine Bereichsauflösung zu erzielen.
Die Rekonfiguration des Sensors für verschiedene Anwendungen, die verschiedene Vorgehensweisen erfordern, führt häufig zu bedeutendem Redesign. Die vorliegende Erfindung dagegen ist einfach rekonfiguriert, indem austauschbare Objetivlinsen benutzt werden. Konventionelle, auf Laser beruhende, 3-D- Dreiecksaufnahmesensoren erfordern, daß sowohl die gesendeten, als auch die empfangenen Strahlen völlig unbeeinflußt sind und erfordern, daß ein großer Winkelbereich zwischen dem Sensor und dem Objekt völlig unverstellt bleibt. Die vorliegende Erfindung verringert die Begrenzungen durch Verdeckungen bei hochgenauen optischer Dreiecksaufnahmesensoren erheblich. Eine teilweise Verdeckung verringert die zurückkehrende Energie nur wenig (d. h. verringert das Signal/Geräuschverhältnis leicht) und verhindert nicht, daß der Sensor die Objektoberfläche erkennt.
Kurz gesagt, besteht ein dreidimensionaler Sensor aus einer Beleuchtungsquelle, die eine breitbandige, hochintensive optische Energie erzeugt. Diese optische Energie besitzt eine Anzahl einzelner Wellenlängenbestandteile. Die einzelnen Wellenlängenbestandteile werden in einem Spot auf ein Ziel aufgeblendet. Das von dem Spot reflektierte Licht wird zerstreut, vor oder nach dem Aufblenden, oder beidem, wodurch ein Licht verschiedener Farben in verschiedenen Abständen von dem Ziel gebündelt wird. Eine maximal reflektierte Wellenlänge wird, abhängig von dem Zielbereich, erkannt um den Zielbereich zu bestimmen. Bei einer Ausführung wird das Licht vor dem Aufblenden auf das Ziel zeitmoduliert. Ein stationärer Detektor bestimmt den Zielbereich durch vergleichen des erfaßten Lichtmaximums mit der Zeit, zu der es erfaßt wird, um die zu dem Zeitpunkt erhaltene Farbe zu bestimmen. Eine Detektoranordnung oder ein linear positionierter sensor wird benutzt, um die transverse Position der maximalen Amplitude des transvers zerstreuten Strahls zu erkennen. Die transverse Position, die zu einer bestimmten Farbe gehört, enthält Informationen aus der der Abstand zu dem Ziel ableitbar ist.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Auf bevorzugte Aspekte wird in den Ansprüchen 2-10 Bezug genommen.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beilegenden Zeichnungen, bei denen gleiche Referenznummern gleiche Elemente bezeichnen, näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen 3-D-Sensor in Explosionsdarstellung.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen 3-D-Sensor in Explosionsdarstellung.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen 3-D-Sensor in Explosionsdarstellung.
Fig. 4 ist eine Draufsicht in Explosionsdarstellung einer anderen Ausführung, um optische Energie auf ein zu erfassendes Ziel zu projizieren.
Fig. 5a ist eine Draufsicht in Explosionsdarstellung auf eine Ausführung der vorliegenden Erfindung, um einen Output eines zu erfassenden Zieles zu erkennen, die Wellenlängen entsprechend der Reflektivität aus der Tiefenberechnung entfernt.
Fig. 5b ist eine Draufsicht in Explosionsdarstellung auf eine alternative Ausführung, um einen Output eines zu erfassenden Zieles zu erkennen, die Wellenlängen entsprechend der Reflektivität aus der Tiefenberechnung entfernt.
Fig. 5c 5b ist eine Draufsicht in Explosionsdarstellung auf eine alternative Ausführung, um einen Output eines zu erfassenden Zieles zu erkennen, die Wellenlängen entsprechend der Reflektivität aus der Tiefenberechnung entfernt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Fig. 1 zeigt einen grundlegenden 3-D-Sensor. Der Sensor benutzt eine akusto-optische Strahlablenkung. Eine Beleuchtungsquelle 1 erzeugt breitbandige, hochintensive optische Energie. Die Beleuchtungsquelle 1 ist beispielsweise eine superstrahlende Feststoff-LED, wie das Modell 861 30E-15 von EG&G Optoelectronics Division, eine kurze, hochintensive Xenon-Bogenlampe, ein einstellbarer Laser oder ein gepulster Laser mit einer breitbandigen Wellenverteilung. Die Beleuchtungsquelle 1 ist vorzugsweise superhell und besitzt etwa 30 nm Wellenlängenstreuung. Die superleuchtende LED gemäß Modell 861 30E-15 besitzt eine Mittelwellenlänge von 850 nm und reicht von 840 nm bis 860 nm.
Ein Output der Beleuchtungsquelle 1 wird wegen Astigmatismus korrigiert und durch eine Linse 2 kollimiert. Wenn die Beleuchtungsquelle 1 beispielsweise eine superleuchtende LED ist, ist bei Abwesenheit der Linse 2 der Output der Quelle 1 divergierend, unsymmetrisch (mit einem elliptischen Querschnitt) und quasi-brechungsbegrenzt mit einer Strahlungsstreuung, die am größten über die schmalste Dimension eines Querschnitts des LED-Strahlers normal zu einer optischen Achse 7 ist. Da der Output der superleuchtenden LED stark linear polarisiert ist, wird der kollimierte Output der Linse 2 durch eine viertel Waferplatte 3 gelenkt um den hoch linear polarisierten Output der Beleuchtungsquelle 1 zu zirkulär polarisiertem Licht zu wandeln. Die Benutzung zirkulär polarisierten Lichts vermeidet mögliche Unebenheitseffekte von linear polarisiertem Licht in den optischen Elementen, die erfindungsgemäß benutzt werden. Alle optischen Elemente in dieser Beschreibung sind (falls nicht anders erwähnt) vorzugsweise achromatisch mit der Ausnahme einer Objektivlinse 22.
Der bereitete Strahl, der von der Viertel Waferplatte 3 ausgeht ist kollimiert, wobei der Querschnitt des Strahls ein Eingangsfenster eines akustooptischen (AO) Wandlers 4 füllt. Der Modulator 4 enthält einen fotoelastischen Kristall 10. Der Kristall 10 wirkt dann als Beugungsgitter und läßt den einfallenden Strahl sich als Funktion der akustischen Wellenlänge ablenken. Der akustische Wellenlänge wird durch ein Radiofrequenzsteuerungssignal (RF) 11 bestimmt. Der einfallende Strahl wird in eine Richtung um eine optische Achse 30 abgelenkt.
Der Kristall 10 streut auch Wellenlängen. D. h., zusätzlich zu dem durch das RF Steuerungssignal 11 kontrollierten Ablenkwinkel, ist der Ablenkwinkel eines einfallenden Strahls auch direkt proportional zu einer optischen Wellenlänge des einfallenden Strahls. Der Modulator 4 streut sowohl die jeweiligen Wellenlängenbestandteile der breitbandigen Beleuchtungsquelle 1, wie er auch die zerstreuten Wellenlängen ablenkt. Wenn θ den Brechungswinkel des Modulators 4 in rad mißt, λ die optische Wellenlänge in Metern bezeichnet, F die Frequenz des RF Steuerungssignals in Hertz bezeichnet und v die akustische Geschwindigkeit des Kristalls 10 in Metern pro Sekunde mißt, dann ist für jedes λ und F θ = λ * F./. v.
Der von dem Modulator ausgehende Strahl 4 wird durch eine Linse 12 und eine Linse 13 geformt. In manchen Fällen sind die Linsen 12 und 13 zylindrische Linsen oder haben zylindrische Elemente. Der geformte Strahl wird durch eine Linse 23 auf ein Loch 14 gebündelt. Mit einer gewobbelten oder getakteten RF Wellenlänge des RF Steuerungssignals 11 bündelt die Streuung des Strahls zu verschiedenen Zeiten verschiedene Wellenlängen auf das Loch 14. Da der Modulator 4 die gestreuten Wellenlängen durch das Loch 14 lenkt, enthält der Strahl, der aus dem Loch 14 hervorgeht eine Abfolge von Wellenlängen als Zeitfunktion. Mit anderen Worten wirkt das Loch 14 als Pforte für den modulierten Strahl, indem es eine bestimmte Wellenlänge oder Farbe zu einer bestimmten Zeit hindurchläßt. Die Folge von Wellenlängen wird durch eine Linse 9 kollimiert. Der kollimierte Strahl fällt auf einen Strahlteiler 15 ein. Der Strahlteiler ist wellenlängen- und polarisationsunempfindlich. Ein erster Teil des Strahls wird durch den Strahlteiler 15 zu einer Objektivlinse 22 gelenkt.
Ein zweiter teil des Strahls wird in der Darstellung durch den Strahlteiler entlang einer optischen Achse 17 nach oben gelenkt. Vor einem Detektor 31, jedoch nicht vor Detektor 8 ist in der optischen Achse 17 ein Filter 16 angeordnet. Der Filter 16 ist ein Bandpaßfilter, der zu dem optischen Spektrum der Beleuchtungsquelle 1 paßt. Der Filter 16 erzeugt einen scharfen Impuls wenn die auf den Filter 16 einfallende optische Energie einem bestimmten Synchronisationspunkt entspricht und gestattet dadurch eine Zweipunkt-Kalibrierung. Der Detektor 31 gibt ein Kalibrationssignal 18 der Strahlflanke aus. Das Signal 18 wird von einer signalverarbeitenden Elektronik 20 benutzt, um eine exakte Zeitbasis für die Analyse der erhaltenen Zielenergie herzustellen.
Der Detektor 8 gibt ein Kalibrationssignal 19 der Strahlamplitude aus, das eine Amplitude des empfangenen Lichts als Zeitfunktion beschreibt. Das Signal 19 wird von der signalverarbeitenden Elektronik 20 benutzt, um kombinierte Effekte des variablen Energieniveaus, das von der Beleuchtungsquelle 1 als Funktion der Wellenlänge ausgesandt wird, der variablen Brechungseffizienz des Modulators 4 als Funktion der Wellenlänge und als Ungleichheiten der durch die Kolimierungslinse 2, viertel Waferplatte 3, Modulator 4, Linse 12, Linse 13, Linse 23 und Linse 9 gesendeten Wellenlänge zu überwachen und daher über Feedback zu minimieren. Es ist beispielsweise ein Ziel, die Lichtintensität konstant zu halten. Wenn die Streuung der Lichtintensität gegenüber der Wellenlänge, die von der Beleuchtungsquelle 1 erzeugt wird, Gaußsch ist, ebnet eine Erhöhung des Stroms bei der Beleuchtungsquelle 1 auf beiden Seiten des Abtastbereichs die Intensität bei allen Wellenlängen. Das Signal 19 wird von der signalverarbeitenden Elektronik 20 benutzt, um die Empfindlichkeit des Sensors zu normalisieren um eine einheitliche Empfindlichkeit über die optische Bandbreite der Beleuchtungsquelle 1 zu erhalten. Das Signal 19 wird von der signalverarbeitenden Elektronik 20 auch benutzt, um ein Steuersignal 24 für die Beleuchtungsquelle 1 zu regulieren und dabei zeitliche Variationen im Output der Beleuchtungsquellel zu minimieren.
Die Objektivlinse 22 projiziert den ersten Teil des Strahls auf ein Ziel 6. Vorzugsweise ist die Objektivlinse 22 eine diffraktive Objektivlinse, um eine fokale Ebene 100 für jede Beleuchtungswellenlänge herzustellen. Wenn die Objektivlinse 22 zum Beispiel eine Brennweite von 100 mm hat variiert die Tiefenschärfe über die Wellenlängen um 3,5 mm. Zusammen mit den bisher besprochenen optischen Elementen stellt die Objektivlinse 22 einen temporär abgetasteten Brennpunkt her, dessen jeder Bereich zu einer anderen übertragenen Wellenlänge gehört. Längere Wellenlängen werden näher bei der Objektivlinse 22 gebündelt und kürzere Wellenlängen weiter weg. Die Objektivlinse 22 ist vorzugsweise durch Ätzen einer Oberfläche der Linse hergestellt um ein Reliefhologramm (binäre Optik) auf der Oberfläche zu schaffen, durch Aufbringen einer Emulsion um ein Volumenhologramm zu schaffen, oder durch Fertigung einer Mikro-Fresnel- Linse (MFL). Eine geeignete Objektivlinse 22 wird gebrauchsfertig durch Firmen wie Teledyne Brown Engineering gefertigt, die Techniken wie Ionen-Schleifen oder Ionen-Ätzen verwenden. Ein Positionierer 25 stellt eine grobe Position im Bereich des abgetasteten Brennpunkts hier, indem die Objektivlinse mechanisch verstellt wird.
Das von dem Ziel 6 reflektierte gebündelte Licht ist kollimiert, da es von einem Punkt reflektiert ist. Das reflektierte Licht kehrt durch die Objektivlinse 22 zurück und wird von dem Strahlteiler 25 entlang einer optischen Achse 21 reflektiert. Das Licht wird dann durch eine Linse 26 auf ein Loch 27 gebündelt. Das durch das Loch 27 gehende Licht fällt auf einen Detektor 5. Die Linse 26 hat eine zu vernachlässigende Farbstreuung. Die Linsen 9, 22 und 26 haben vorzugsweise etwa die gleiche Größe. Das Loch 27 läßt nur reflektiertes Licht aus dem mittleren Maximum des Brechungsmusters der Objektivlinse 22 durch. Das Licht, das durch das Loch 27 geht weist einen hohe Grad von Wellenlängenstreuung auf. Diese Wellenlängenstreuung ist eine Funktion des Abstands des speziellen Punkts auf dem Ziel, dessen Licht reflektiert wird, von der Objektivlinse 22. Der Detektor 5 ist vorzugsweise eine verstärkte Avalanche-Photodiode (APD) oder eine Silikon-PIN-Diode in einem stromintegrierenden Modus. Der Detektor 5 gibt ein Signal 28 aus, das aus einem Impuls besteht, dessen temporäres Zentrum dem Abstand zwischen der Objektivlinse 22 und dem Punkt auf den Ziel 6 entspricht. Die temporäre Breite dieses Impulses ist etwa proportional zu der Tiefenschärfe der Objektivlinse 22.
Ein Beispiel einer Berechnung um die Peakhöhe eines Impulses besteht darin:
1. Eine Amplitude zu berechnen, die 70% der Peakhöhe beträgt.
2. Die 70%-Amplitude am Anfang und am Ende des Impulses zu finden, um zwei Zeiten festzustellen.
3. Diese zwei Zeiten auszumitteln, um das Zentrum zu finden.
4. Übliche Interpolationstechniken der signalverarbeitenden Elektronik 20 zu benutzen, um das Impulszentrum einer schmalen Fraktion der Wellenlängenauflösung zuzuordnen.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführung die sich von der Ausführung nach Fig. 1 durch die Zugabe eines Beugungsgitters 29 zwischen dem fotoelastischen Kristall 10 und der Linse 12 unterscheidet, um die Auflösung des Sensors von Fig. 1 zu verbessern.
Das Beugungsgitter 29 streut die breitbandigen optischen Wellenlängen, die von der Beleuchtungsquelle 1 erzeugt werden, räumlich. Die räumliche Streuung durch das Beugungsgitter 29 ist zusätzlich zu der räumlichen Streuung durch den Modulator 4. Die Kombination von Modulator 4 und Beugungsgitter 29 erhöht einen Bereich von Strahlablenkungswinkeln der optischen Bandbreite der Beleuchtungsquelle 1. Das Licht, das durch das Loch 14 geht weist daher eine erhöhte temporäre Wellenlängenauflösung auf. Die erhöhte temporäre Wellenlängenauflösung ergibt eine erhöhte Meßauflösung des Zielbereichs durch die signalverarbeitende Elektronik 20. Ein wellenlängenstreuendes Prisma (Nicht gezeigt) kann optional statt des Beugungsgitters 29 verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführung, die sich von der Ausführung nach Fig. 2 durch die Ersetzung des Modulators 4, des Kristalls 10 und des Signals 11 jeweils durch einen einstellbaren Filter 32, ein Kristall 33 und ein Signal 36 unterscheidet. Außerdem sind zwei Polarisierer 34 und 35 dazugegeben und das Beugungsgitter 29 ist entfernt. Der kollimierte Output der Linse 2 geht durch den Polarisierer 34 und wandelt den stark linear polarisierten Output der LED- Beleuchtungsquelle 1 in eine uniforme lineare Polarisierung für alle Wellenlängen. Mit der Ausnahme der Objektivlinse 22 sind alle Linsen achromatisch. Der aus dem Polarisierer 34 austretende vorbereitete Strahl fällt auf den einstellbaren Filter 32. Der einstellbare Filter 32 enthält einen anisotropen, akusto-optischen (AO) Kristall 33 mit doppelter Brechung. Wenn eine akustische Welle sich in dem AO Kristall ausbreitet, verändert sich eine von dem Kristall 33 ausgesandte optische Wellenlänge als Funktion der Frequenz der akustischen Welle. Von dem einstellbaren Filter geht eine uniform polarisierte, breitbandige Beleuchtung aus, die eine Polarisationsbreite aufweist, die einer Breite optischer Wellenlängen entspricht. Der Polarisierer 35, auch als Analysierer bekannt, übermittelt selektiv nur das Licht mit einer korrekt ausgerichteten Polarisierung. In der Praxis ist das von dem Polarisierer 35 abgesandte Licht effektiv monochromatisch. Das Signal 36 bestimmt die Frequenz der akustischen Welle, wobei eine einstellbare Regelung der Wellenlänge, die von dem Polarisierer 35 ausgeht, möglich ist. Der Output des Polarisierers 35 enthält daher eine Folge von Wellenlängen als Funktion der Zeit. Mit der Ausnahme des Lochs 14 funktionieren alle anderen Elemente so, wie vorher beschrieben. In den Fig. 1 und 2 dient das Loch 14 sowohl zur Wellenlängenauswahl, als auch zur räumlichen Filterung. Bei Fig. 3 dient das Loch 14 nur der räumlichen Filterung, da der einstellbare Filter 32 die Wellenlängenauswahl vornimmt.
Gemäß Fig. 4 besteht eine Alternative zur Objektivlinse 22 aus einem Linsenelement 22a, das ein Fresnel oder diffraktiver Spiegel ist, der seine Brennweite in Abhängigkeit der Wellenlänge ändert. In einem solchen Fall wird der Lichtstrahl entsprechend einem Winkel zwischen dem beleuchtenden Strahl und der Normalen zur Spiegeloberfläche des Linsenelements 22a abgelenkt. Ein Positionierer 25 bewegt sich entlang einer Normalen zu einem Ziel 6 um eine grobe Bereichseinstellung der abgetasteten Tiefenschärfe zu erreichen, indem das Linsenelement 22a mechanisch positioniert wird.
Bei einer alternativen Ausführung ist das Linsenelement 22a um eine Achse 30a drehbar und läßt den Teststrahl die Oberfläche des Ziels 6 abtasten. Hier wird das Linsenelement 22a gedreht, anstatt den Sensor zum Ziel zu bewegen.
Bei bestimmten Anwendungen besitzt das Ziel 6 eine wellenlängenempfindliche Reflektivität in dem Energieband, das zur Tiefenmessung benutzt wird. Es ist daher wünschenswert, Kompensationsmittel zu benutzen, die die wellenlängenempfindliche Reflektivität aus der Tiefenberechnung entfernen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der Fig. 5a-5c diskutiert.
Gemäß Fig. 5a ist eine Anordnung zur Kompensation der wellenlängenempfindlichen Reflektivität des Ziels 6 gezeigt. Nachdem das von dem Ziel 6 reflektierte Licht, wie in den Fig. 1, 2 oder 3 gezeigt, durch die Linse 26 gebündelt ist, lenkt ein Strahlteiler 102 einige optische Energie, vorzugsweise die Hälfte, zu einem zentralen Haltepunkt 101. Der zentrale Haltepunkt 101 wirkt wir ein umgekehrtes Loch und blockiert den Anteil optischer Energie, der genau auf es gebündelt ist. Die durch den zentralen Haltepunkt 101 blockierte optische Energie entspricht der durch das Loch 27 geleiteten optischen Energie. Ein Detektor 105 erkennt, daß optische Energie, die der optischen Energie entspricht, die nicht durch das Loch 27 gegangen ist, durch den zentralen Haltepunkt 101 gegangen ist. Der Detektor 105 gibt ein Signal 128 an die signalverarbeitende Elektronik 20 aus. Die signalverarbeitende Elektronik 20 ermittelt einen Zeitpunkt beim Abtasten, bei dem ein Verhältnis der Amplitude des Outputs des Detektors 5 zu der Amplitude des Outputs des Detektors 105 an seinem Maximum ist.
Zu diesem Zeitpunkt ist die durch das Loch 27 gehende Energie ein Ergebnis des Lichts, das von dem Ziel 6 reflektiert wird, da das Ziel 6 eher im Brennpunkt der Objektivlinse 22 ist, statt ein Ergebnis dessen zu sein, daß das von dem Ziel 6 reflektierte Licht aus Gründen einer besonderen lichtwellenempfindlichen Reflektivität reflektiert ist. Eine zu diesem Zeitpunkt gemessene Tiefe der übertragenen Wellenlänge entspricht daher der Tiefe der Oberfläche von Ziel 6, da das Verhältnis nur auf dem Brennpunkt zum Loch 27 abhängt und von der Reflektivität des Ziels 6 unabhängig ist.
Die Größe der Detektoren 5 und 105 können verringert werden, indem zwischen dem Loch 27 und dem Detektor 5 und zwischen dem zentralen Haltepunkt 10β1 und dem Detektor 105 Feldlinsen (nicht gezeigt) eingefügt werden.
Gemäß Fig. 5b ersetzt eine alternative Ausführung zur Entfernung der wellenlängenbedingten Reflektivität aus der Tiefenmessung das Loch 27 durch einen Detektor 115 mit einem Loch. Diese Ausführung vermeidet den Energieverlust durch den Strahlteiler 102 von Fig. 5a. Der Detektor 115 erkennt direkt und gibt ein Signal 128 aus, das die Energie repräsentiert, die nicht durch das Loch geht. Bei dieser Ausführung wird das Signal 128 genauso verwendet, wie vorher zu der Ausführung von Fig. 5a beschrieben.
Gemäß Fig. 5c wird eine alternative Ausführung gezeigt, die auch Verluste durch einen Strahlteiler vermeidet, während die wellenlängenbedingte Reflektivität aus der Tiefenmessung entfernt wird. Das Loch 27 von Fig. 5a wird durch ein verspiegeltes Loch 127 ersetzt, das den Anteil optischer Energie reflektiert, der nicht durch das Loch geht. Detektor 105 und Signal 128 werden benutzt, wie vorher zu der Ausführung von Fig. 5a beschrieben.
Bei jeder der Ausführungen 5a-5c entspricht die Spitze des Verhältnisses des Signals vom Detektor 5 geteilt durch das Signal entweder des Detektors 105 oder 115, einem Oberflächenbereich des Ziels 6, wie er durch den besten Brennpunkt des auf das Ziel 6 fallenden Lichts angezeigt wird. Mit anderen Worten wird ein Verhältnis gebündelten farbigen Lichts zu ungebündeltem farbigen Licht erhalten. Das ungebündelte farbige Licht wird von dem Detektor 105 oder 115 erkannt. Der Vergleich des Anteils von gebündeltem Licht zu dem Anteil von ungebündeltem Licht verhindert falsches Erkennen einiger farbempfindlicher Charakteristika des Ziels 6.
Das in den Teilungsverfahren der Ausführungen gemäß Fig. 5a, 5b und 5c wird benutzt, um Farbempfindlichkeit gegenüber der Zielfarbe gegen Reflexionsvariationen von den Ausführungen der Fig. 1-3 zu entfernen, indem das die Linse 26 verlassende Licht auf zwei Pfade aufgeteilt wird. Ein Pfad enthält nur Licht, das durch das Loch 27 geht. Der andere Pfand enthält nur Licht, das an dem Loch 27 vorbei geht.

Claims

1. Sensor, bestehend aus:

einem Quellstrahl (30) von einer polychromatischen elektromagnetischen Strahlungsquelle (1);

ersten Mitteln zur Bearbeitung des Quellstrahls um einen einfallenden Strahl zu schaffen;

wobei der einfallende Strahl auf ein Ziel projiziert wird;

einem reflektierten Strahl (21), der von einer Oberfläche des Ziels zurückgeworfen wird; und

Mitteln, um den reflektierten Strahl aufzufangen;

wobei die ersten Mittel zur Bearbeitung, um den Einfallstrahl herzustellen, Mittel zur Modulation (4, 32) des Quellstrahls durch Wellenlänge über Zeit aufweisen;

wobei der einfallende Strahl entlang einer Einfallsstrahlachse (30) projiziert wird;

dadurch gekennzeichnet:

daß der einfallende Strahl in der Weise ein zeitmodulierter Strahl ist, daß der einfallende Strahl zu einem ersten Zeitpunkt eine erste Wellenlänge und zu einem zweiten Zeitpunkt eine zweite Wellenlänge besitzt;

daß Mittel vorhanden sind, um den einfallenden Strahl auf das Ziel zu bündeln, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge Wellenlängen sind, die in verschiedenen Abständen von einem bekannten Punkt aus auf der Einfallsstrahlachse gebündelt werden;

daß Mittel vorhanden sind, um den reflektierten Strahl zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt zu erkennen;

wobei der reflektierte Strahl einen gebündelten und einen nicht gebündelten Teil aufweist; und

wobei zweite Mittel zur Bearbeitung des reflektierten Strahls vorhanden sind, um einen Abstand des Ziels (6) von dem bekannten Punkt zu bestimmen, indem jeweils zu den genannten Zeitpunkten die Anteile des gebündelten und des nicht gebündelten Teils verglichen werden.

2. Sensor nach Anspruch 1, wobei die ersten Mittel zur Bearbeitung weiter Mittel zur Erstellung einer genauen Zeitgrundlage (16, 31) des einfallenden Strahls aufweisen.

3. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Bündelung aus einer beugungsbegrenzten Linse (22), einer Objektivlinse; einem Beugungsspiegel (22a) oder einer Mikro-Fresnel-Linse (22a) bestehen.

4. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Modulationsmittel aus einem akusto-optischen Modulator (4) bestehen.

5. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Modulationsmittel aus einem photoelastischen Kristall und einem Beugungsgitter (29) bestehen.

6. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Modulationsmittel aus einem einstellbaren Filter (32) und einem doppelbrechenden akusto-optischen Kristall (33) bestehen.

7. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Erkennung und die zweiten Mittel zur Bearbeitung aus Mitteln zur Streuung des reflektierten Strahls bestehen.

8. Sensor nach Anspruch 1, der weiter Mittel (8) zur Bestimmung einer Amplitude des einfallenden Strahls als Funktion der Zeit aufweist.

9. Sensor nach Anspruch 1, weiter aufweisend:

daß die Mittel (5a-5c) zur Erkennung des reflektierten Strahls geeignet sind, den gebündelten Teil und den nicht gebündelten Teil zu erkennen, um Signalamplituden (28, 128) des jeweils gebündelten und nicht gebündelten Teils zu erzeugen; und

Mittel zur Bestimmung des Anteils der Signalamplituden.

10. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Erkennung und Interpolation des reflektierten Strahls eine verstärkte Avalanche-Photodiode (5), eine Silikon PIN Diode (S) oder ein Ladungstransportspeicher (5) sind.