Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Vermessung von technischen Oberflächen mit Hilfe eines chromatisch konfokalen Sensors, wobei Licht wenigstens einer Lichtquelle über ein optisches System mit definierter chromatischer Aberration auf die zu vermessende Oberfläche einer Probe gerichtet wird.

Außerdem betrifft die Erfindung einen chromatisch konfokalen Sensor zur Durchführung des Verfahrens, mit mindestens einer Lichtquelle, deren Licht über ein optisches System mit definierter chromatischer Aberration auf die zu vermessende Oberfläche einer Probe gerichtet wird. Bei der konfokalen Messtechnik wird Licht einer Lichtquelle in der Regel über ein Konfokalfilter, einen Strahlteiler und eine Optik auf die zu vermessende Oberfläche fokussiert. Dabei wurde früher entweder der Messtisch, auf dem die Probe liegt, oder aber die Optik in Z-Richtung auf und ab bewegt und genau der Augenblick ausgewertet, in dem der Fokus auf die zu vermessende Oberfläche trifft. Dieses Licht wird über ein Konfokal-Filter (z.B. eine Lochblende) auf einen entsprechenden Sensor geleitet. Der Sensor zeigt ein maximales Signal, wenn sich die Oberfläche genau im Fokus befindet. Dadurch kann die genaue Z-Höhe der Oberfläche bestimmt werden.

Durch die Trägheit der zu bewegenden Massen ist diese Art des Verfahrens nicht geeignet, höhere Messraten zu liefern. Daher sind im weiteren Verlauf der Entwicklung die Scan-Methoden zwar weiter entwickelt worden, die Tatsache, dass immer noch mechanische Komponenten eine Rolle spielen, setzen auch diesen Verfahren Grenzen.

Eine Methode, bei der auf derartige mechanische Elemente verzichtet werden kann, ist der Einsatz eines chromatisch konfokalen Sensors. Das breitbandige Spektrum einer Lichtquelle (beispielsweise weißes Licht) wird über ein optisches System mit definierter Dispersion auf die Probenoberfläche geleitet. Aufgrund der Dispersion entsteht eine chromatische Längsaberration, wodurch jeder „Lichtfarbe" eine definierte Z-Position auf der Probenoberfläche zugeordnet und somit die Topographie der Probe ermittelt werden kann. Ein mechanisches Scannen in Z-Richtung ist also nicht mehr erforderlich.

Die Ermittlung der korrekten Z-Position der Probenoberfläche, d.h. der Topographie erfolgt bei chromatisch konfokalen Sensoren klassisch über ein Spektrometer. Das von der Probe reflektierte Licht wird spektral analysiert, wobei die dominante Wellenlänge der Z-Position der Probe entspricht. Die verwendeten Spektrometerzeilen können mit Datenraten von mehreren kHz ausgelesen werden. Dadurch lassen sich schnelle chromatisch konfokale Sensoren realisieren. Die Auslesegeschwindigkeit der Spektrometerzeilen hat im Bereich mehrerer kHz aber ihre Grenzen und kann nicht ohne Weiteres weiter erhöht werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass sehr hohe Messraten möglich werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Lichtquelle bezüglich der auszusendenden Wellenlängen durchgestimmt wird und das von der Probenoberfläche zurückreflektierte Licht auf mindestens einen Fotosensor gelenkt wird, wobei das Sensorsignal über die Zeit gemessen und Zeitpunkt und Intensität eines Signalmaximums bestimmt und ausgewertet werden, wobei aus der Wellenlänge der Lichtquelle zum Zeitpunkt des Signalmaximums die Höhe Z der Oberfläche abgeleitet wird. Durch die Veränderung der Wellenlänge einer als Lichtquelle eingesetzten„Swept Source" im Zusammenhang mit dem optischen System mit definierter chromatischer Aberration findet zwischen dem optischen System und der Probenoberfläche ein rein optisches„Scannen" in Z-Richtung statt. Das auf die Probenoberfläche fallende Licht wird über den Z-Bereich durchfokussiert und zurückreflektiert und fällt im einfachsten Fall auf eine schnelle Fotodiode als Fotosensor, mit der das Signalmaximum ermittelt wird, wobei die durchstimmbare Lichtquelle hinsichtlich der Zeitabhängigkeit der Wellenlänge mit einem verwendeten Detektionssystem synchronisiert ist, derart, dass aus dem zeitlichen Verlauf der Signalkurve die Wellenlänge des reflektierten Lichts im Signalmaximum bestimmt wird und damit auf die Höhe Z der Probe geschlossen werden kann.

Der Fotosensor kann als Punktsensor ausgebildet sein. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass das Licht der Lichtquelle in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgespalten und als Detektor ein vielkanaliger Sensor, z.B. ein (zeilen- oder matrixförmiges) Array von Fotodioden, verwendet wird.

Ebenso kann eine Vielzahl von Lichtquellen verwendet werden, wobei die zurückreflektierten Einzelstrahlen der Lichtquellen mittels eines entsprechenden vielkanaligen Fotosensors parallel detektiert werden. Durch diese Art der Parallelisierung kann die Erfassung der Probentopographie weiter beschleunigt werden, in dem die Einzelstrahlen mehrere voneinander beabstandete Punkte auf der Probenoberfläche gleichzeitig abtasten.

Bei einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das zur Analyse des zeitlich veränderlichen Signal des Fotosensors verwendete Detektionssystem einen Extremwertwertspeicher auf, der dem zeitlich veränderlichen Signal jeweils bis zum Erreichen eines Extremums des Signals folgt, wobei bei Erreichen des Extremums jeweils ein Spitzenindikatorsignal generiert wird, anhand dessen der Zeitpunkt des Extremums und anhand dessen wiederum die dem Signalmaximum zugeordnete Wellenlänge der Lichtquelle festgestellt wird. Weist der zeitliche Verlauf des Signals mehrere (lokale) Extrema auf, so ist das (absolute) Signalmaximum dem während eines Durchstimmzyklus der Lichtquelle zuletzt erzeugten Spitzenindikatorsignal zuzuordnen. Auch die Detektion mehrerer (lokaler) Signalmaxima ist mit diesem Verfahren möglich, z.B. um die Schichtdickenverteilung einer Beschichtung an der Probenoberfläche mit der erfindungsgemäßen Methode zu ermitteln. Die obige Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem chromatisch konfokalen Sensor der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Lichtquelle bezüglich der auszusendenden Wellenlänge durchstimmbar ist und das von der Probenoberfläche zurückreflektierte Licht auf mindestens einen Fotosensor gelenkt wird, wobei das Sensorsignal mittels eines Detektionssystems über die Zeit gemessen und der Zeitpunkt eines Signalmaximums bestimmt wird, wobei das Detektionssystem eingerichtet ist, aus der Wellenlänge der Lichtquelle zum Zeitpunkt des Signalmaximums die Höhe Z der Oberfläche abzuleiten.

Das Licht der Lichtquelle wird beispielsweise über einen halbdurchlässigen Spiegel oder einen Strahlteilerwürfel als Strahlteiler auf das optische System mit definierter chromatischer Aberration gerichtet. Das zurückreflektierte Licht durch das optische System gelangt durch den halbdurchlässigen Spiegel auf den Fotosensor, wobei durch einen dem Sensor vorgeschalteten Konfokalfilter (LochblendefPinhole") nur das zur Messung wesentliche Licht durchgelassen wird. Mit einer solchen Anordnung wird das Licht auf dem Sensor dann maximal, wenn die Lichtquelle die Wellenlänge emittiert, die aufgrund der Längsaberration der Optik auf die Oberfläche der Probe fokussiert wird. Bei Einsatz einer zyklisch spektral durchgestimmten Lichtquelle zeigt das Sensorsignal eine typische Signalspitze (Konfokalpeak). Aus dem Zeitpunkt des Auftretens dieses Signalmaximums kann bei bekannter Wellenlänge und spektraler Charakteristik der Optik die Höhe der Probe an der jeweiligen Messposition bestimmt werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Vorrichtung faseroptisch integriert auszuführen. Dabei sind die Lichtquelle, der Fotosensor und das optische System über optische Fasern aneinander angebunden.

Als besonders vorteilhaft für die Erfindung wird als Lichtquelle ein Laser eingesetzt. Derartige, bezüglich der Wellenlänge durchstimmbare Swept Laser Sources (beispielsweise der FDML-1310 der Firma OptoRes), bieten Sweep- Raten von bis zu 1 ,5 MHz bei Bandbreiten von > 100 nm. Grundsätzlich geeignet für das Verfahren ist aber auch jede andere bezüglich der Wellenlänge durchstimmbare Lichtquelle.

Diese swept sources werden insbesondere im medizinischen Bereich in der Optical Coherence Tomographie (OCT) bereits eingesetzt, wie beispielsweise aus dem Artikel „Handheld ultrahigh speed swept source optical coherence tomography Instrument using a MEMS scanning mirror" Chen D. Lu, Martin F. Kraus, Benjamin Potsaid, Jonathan J. Liu, WooJhon Choi, Vijaysekhar Jayaraman, Alex E. Cable, Joachim Hornegger, Jay S. Düker und James G. Fujimoto, BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS 293, 20.12.2013 hervorgeht.

Beim Einsatz eines oben beschriebenen Swept Lasers in Zusammenhang mit dem chromatisch konfokalen Sensor sind extrem hohe Messraten möglich. Es werden mehr als 1 .000 000 (3D) Messpunkte pro Sekunde und pro Messkanal erreicht. Während der Vermessung der Topographie wird die zu untersuchende Probe in X-/Y-Richtung, d.h. quer zur Richtung des auf die Probenoberfläche gerichteten Lichtstrahls, relativ zum optischen System bewegt, so dass dabei die Oberfläche rasterförmig abgetastet wird. Für die Bewegung kann eine X-/Y- Verstellvorrichtung an sich bekannter Art verwendet werden.

Damit diese extrem hohe Messdatenrate und die damit verbundenen Signale entsprechend schnell ausgewertet werden können, wird vorzugsweise ein Detektionssystem der oben beschriebenen Art verwendet, das das Sensorsignal elektronisch analysiert, wobei das Detektionssystem einen Extremwertwertspeicher aufweist, der dem zeitlich veränderlichen Signal jeweils bis zum Erreichen eines Extremums des Signals folgt, wobei bei Erreichen des Extremums jeweils ein Spitzenindikatorsignal generiert wird, anhand dessen der Zeitpunkt des Extremums und anhand dessen wiederum die dem Signalmaximum zugeordnete Wellenlänge der Lichtquelle festgestellt wird. Die Funktionsweise des Detektionssystems bei der Bestimmung des Signalmaximums ist in der Patentanmeldung DE 10 2016 100 261 .6 beschrieben, auf die vollumfänglich Bezug genommen wird. Damit können gleichzeitig mehrere Signalauswertungen parallel durchgeführt werden und die jeweiligen zeitlichen Signale mehrkanalig detektiert und die detektierten Maxima mehrkanalig ausgewertet werden.

Die erreichbare hohe Messrate erschließt der konfokal chromatischen Messtechnik neue Einsatzgebiete. So wird die Oberflächeninspektion bei Fertigungsprozessen ermöglicht, bei denen die Probe mit hoher Vorschubgeschwindigkeit bewegt wird (Walzen von Blechen, Ziehen von Folien).

Wie beim konventionellen Einsatz der Messtechnik kann auch mit der erfindungsgemäßen schnellen Ausführung die Dicke von dünnen, transparenten Proben oder transparenten Beschichtungen kontrolliert werden, sofern Folien- /Schichtober- und -Unterseite im Messbereich des Sensors liegen. In diesem Fall wird das an der Probe reflektierte Licht bei zwei verschiedenen Wellenlängen maximal. Aus dem spektralen Abstand der Lichtmaxima kann auf die Schichtdicke geschlossen werden. Die Aufzählung der Einsatzgebiete ist naturgemäß nicht vollständig.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Freistrahlausführung;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in faserbasierter Ausführung.

In Fig. 1 ist ein chromatisch konfokaler Sensor dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Die wesentlichen Bestandteile dieses chromatisch konfokalen Sensors 1 sind zum einen eine durchstimmbare Lichtquelle, vorzugsweise ein geeigneter Laser (Swept Laser Source), der mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist. Der durchstimmbare Laser 2 sendet sein Licht mit veränderlichen Wellenlängen durch einen Konfokalfilter (Pinhole) 6 über einen Strahlteiler 3, der im vorliegenden Beispiel ein halbdurchlässiger Spiegel ist, auf ein optisches System 4, welches aus einem Objektiv mit definierter chromatischer Längsaberration besteht. Das Licht wird wellenlängenabhängig in Z-Richtung in verschiedenen Höhen fokussiert und auf eine lediglich angedeutete Probe 5 gerichtet. Die Wellenlänge der Lichtquelle wird vorzugsweise zyklisch verändert, so dass in schneller Abfolge der Fokus in Z-Richtung gescannt werden kann.

Beim Durchstimmen des Lasers wird Licht einer bestimmten Wellenlänge auf der Oberfläche der Probe fokussiert. Das Licht wird von der Oberfläche zurückreflektiert durch das optische System 4, den halbdurchlässigen Spiegel 3 durch einen weiteren Konfokalfilter (Pinhole) 6 auf einen Fotosensor 7, der eine einzelne Fotodiode sein kann, geleitet, dessen gemessenes Signal (l(t)) über die Zeit die Intensitätsverteilung wie bei 8 dargestellt ergibt.

Der Laser 2 ist mit dem das Sensorsignal des Fotosensors 7 analysierenden Detektionssystem 8, wie mit dem Bezugszeichen 9 angedeutet, synchronisiert, damit einem detektierten Signalmaximum jeweils die entsprechende momentane Wellenlänge des Lasers 2 zugeordnet werden kann. Durch die Synchronisation zwischen Laser 2 und Detektionssystem 8 wird genau diejenige Wellenlänge (AF) ermittelt, die zum Signalmaximum der Intensitätskurve gehört. Daraus ergibt sich die Höhe der Probenoberfläche, wenn die Lage des Fokus vor der chromatischen Optik als Funktion der Wellenlänge bekannt ist. Zur Steigerung der Genauigkeit und zur Verbesserung der Linearität kann die Ü bertrag ungsfunktion zwischen Wellenlänge und Fokusabstand zusätzlich kalibriert werden.

Fig. 2 zeigt eine faserbasierte Variante 10 der erfindungsmäßen Sensoranordnung. Einander entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wir in Fig. 1 . Die durchstimmbare Lichtquelle 2 ist an ihrem Ausgang über eine optische Faser 1 1 mit einem Faserkoppler 13 verbunden. Dieser ist seinerseits über einen weiteren Faserabschnitt 1 1 an einen Messkopf 14 umfassend eine Optik mit definierter chromatischer Aberration gekoppelt. Der Faserkoppler 13 koppelt über einen weiteren Faserabschnitt 1 1 den Fotosensor 7 an, der so das an der Probe 5 reflektierte Licht empfängt.