DE3934423C1

DE3934423C1 - Camera photographing topography of test piece surface - produces Moire image using CCD sensors recording phase shift between object grating and camera reference grating

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Publication number: DE3934423C1
Application number: DE3934423A
Authority: DE
Inventors: Michael Peter Dipl.-Phys. 7806 March De Seib; Heinrich Dipl.-Phys. Dr. 7835 Teningen De Hoefler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-10-14
Filing date: 1989-10-14
Publication date: 1991-04-25
Anticipated expiration: 2009-10-15

Abstract

A camera (1) with imaging optics (3,13,17,21;33,37) determines the topography of a specimen surface by the prodn. of a Moire image using an object grid (60) applied on the object and a reference grid (65) assigned to the camera, by the phase-shift method. NCCD image recording sensors (6,7,8,9), forming the reference grid, are provided with respectively the same image point geometry in the image plane, N being a natural number greater than 2. The imaging optic includes N-1 colour neutral beam splitters (13,17,21;33,37), which image the incident light (4) in the camera with equal intensity on the N CCD image recording sensors. The "i" CCD image recording sensor of the N CCD image recording sensors is shifted related to the object grid imaged in its image plane, at right angles to the grid lines (66) of the reference grid, about approximately the distance (67) of the i/N times the grid constants of the reference grid. ADVANTAGE - Camera of known type which permits photographs of surface of specimen to be made quicker at high contrast.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kamera mit einer Abbil dungsoptik zur Erfassung der Topographie einer Prüf lingsoberfläche durch Erzeugen eines Moir´-Bildes mit Hilfe eines auf dem Objekt aufgebrachten Objektgitters und eines der Kamera zugeordneten Referenzgitters durch das Phasenshift-Verfahren.The invention relates to a camera with an image optics for recording the topography of a test surface by creating a Moir´ image with With the help of an object grid applied to the object and a reference grid assigned to the camera the phase shift process.

Eine solche Kamera ist aus der Veröffentlichung "Ein Gerätesystem für die rechnergestützte optische Meßtechnik" von B. Breuckmann, VDI-Berichte 617, Lasermeßtechnik, Seite 245 bis 254 bekannt, mit der geometrische Größen wie Dehnung, Form oder Formänderung eines Prüf lings vermessen werden können. Mit Hilfe von mindestens drei in ihrer Phase voneinander unabhängigen Aufnahmen der Moir´-Streifen kann ein kontrastreiches Phasenbild der Prüflingsoberfläche erzeugt werden. Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Aufnahme der drei Bilder zeit lich hintereinander. In den Pausen zwischen den Aufnahmen wird eines der sich überlagernden Gitter mechanisch so verschoben, daß die gewünschte Phasenänderung der Moir´-Streifen eintritt. Die Verschiebung kann zum Beispiel einen Spiegel eines das Objektgitter bzw. das Referenzgitter erzeugenden Interferometers betreffen, der mit einem Piezokristall bewegt wird.Such a camera is from the publication "A Device system for computer-aided optical measurement technology " by B. Breuckmann, VDI reports 617, laser measurement technology, Pages 245 to 254 known with the geometric Values such as elongation, shape or change in shape of a test lings can be measured. With the help of at least three recordings independent of each other in their phase the Moir´ stripe can create a contrasting phase image of the test surface. According to the state the technology takes the three pictures time one after the other. In the breaks between shots one of the overlapping grids becomes mechanical shifted so that the desired phase change of the Moir stripes occur. The shift can lead to Example a mirror of the object grid or the Refer to the interferometer generating the reference grid, which is moved with a piezo crystal.

In der US 42 12 073 ist ein Auswerteverfahren beschrieben, bei dem ein auf die Prüflingsoberfläche abge bildetes sinusförmiges Muster in drei Schritten um jeweils eine Viertelwellenlänge auf der Prüflingsober fläche verschoben wird und über eine trigonometrische Funktion des Phasenwinkels des abgebildeten sinus förmigen Musters der zu jedem Punkt der Prüflingsoberfläche zugehörige Höhenwert errechnet wird. Für die Ver schiebung des sinusförmigen Musters sind auf Piezokri stallen befestigte Spiegelelemente vorgesehen, so daß mehrere Bilder nacheinander aufgenommen werden.In US 42 12 073 an evaluation method is described in which a on the test specimen surface transforms sinusoidal pattern in three steps a quarter of a wavelength on the top of the test object surface is shifted and a trigonometric Function of the phase angle of the sine shown shaped pattern of the at every point of the specimen surface associated height value is calculated. For the Ver shift of the sinusoidal pattern are on Piezokri stable mirror elements provided so that several pictures are taken one after the other.

Solche bekannten Kameras weisen den Nachteil auf, daß die als mechanische Versteller benutzten Piezokristalle Hystereseeffekte aufweisen, die außerdem zu unbestimmten Zeitpunkten Entspannungsprozessen unterliegen. Daraus folgen große Ungenauigkeiten bei der Bildauswertung und ein geringes Höhen- und Breiten-Auflösungsver mögen der Kamera.Such known cameras have the disadvantage that the piezo crystals used as mechanical adjusters Have hysteresis effects that are also indefinite Times are subject to relaxation processes. This results in great inaccuracies in image evaluation and a low height and width resolution ver like the camera.

Die US 46 41 972 beschreibt ein Auswerteverfahren zur Bestimmung des Höhenprofils einer Prüflingsoberfläche. Zur Verschiebung der abgebildeten Gitter in ihrer Phase gegeneinander ist eine Einrichtung mit einem Lambda viertel-Plättchen und einem Polarisator vorgesehen. Weiterhin kann als Phasenschieber ein elektro-optischer Modulator eingesetzt werden. Mit dem Auswerteverfahren werden somit zeitlich nacheinander aufgenommene Moir´ bilder ausgewertet.US 46 41 972 describes an evaluation method for Determination of the height profile of a test specimen surface. To shift the grids shown in their phase against each other is a device with a lambda quarter plate and a polarizer provided. Furthermore, an electro-optical can be used as a phase shifter Modulator can be used. With the evaluation method thus become Moir´ recorded one after the other images evaluated.

Nach der Lehre der DE 35 27 074 A1 wird eine kippbare planparallele Glasplatte in den Beobachtungsstrahlengang eingebracht. Durch ein Verkippen der Glasplatte in der Ebene des abgebildeten Gitters sind die die Struktur der Prüflingsoberfläche anzeigenden Höhenlinien ver schiebbar. Die verkippbare Glasplatte bildet wie ein Piezokristall ein mechanisch instabiles System, das keine hohe Auflösung der Höhenlinien gestattet. According to the teaching of DE 35 27 074 A1 is a tiltable plane-parallel glass plate in the observation beam path brought in. By tilting the glass plate in the The level of the grid shown is the structure ver the contour lines indicating the specimen surface slidable. The tiltable glass plate forms like a Piezo crystal a mechanically unstable system that no high resolution of the contour lines allowed.

In der EP 26 20 89 A2 ist eine Kamera beschrieben, die über zwei gegeneinader verschiebliche und kippbare Gitter verfügt, mit deren Hilfe das auf der Prüflings oberfläche erzeugte Moir´muster in Lage und Periodizi tät veränderbar ist. EP 26 20 89 A2 describes a camera that over two movable and tiltable against each other Grid, with the help of which on the test object Surface created Moir´ patterns in position and period action is changeable.

In dem Handbuch des VDI-Bildungswerkes zum Seminar "Zerstörungsfreie-Prüfung von Oberflächen" in Freiburg am 22. und 23. November (1988) ist in dem Artikel "Moir´- Verfahren zur Oberflächenprüfung" von M. Seib eine Moir´- Kamera beschrieben, bei der die Chip-Oberfläche mit einem zusätzlichen Gitter überzogen wurde, das bezüglich seiner Gitterkonstanten deutlich kleiner ist als die einzelnen Bildpunkte. Dieses Gitter dient direkt als Referenzgitter zur Erzeugung der Moir´-Streifen.In the manual of the VDI educational organization for the seminar "Non-destructive testing of surfaces" in Freiburg am November 22nd and 23rd (1988) is in the article "Moir´- Methods for surface inspection "by M. Seib eine Moir´- Camera described in which the chip surface with a additional lattice was covered, which regarding its Lattice constant is significantly smaller than the individual Pixels. This grid serves directly as a reference grid to create the Moir´ stripes.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kamera der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet, Aufnahmen der Oberfläche des Prüflings schneller und kontrastreicher zu machen.The invention is based on this prior art based on the task of a camera of the aforementioned To create a type that allows photographs of the surface of the device under test faster and with higher contrast.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß N das Referenzgitter bildende CCD-Bildaufnahmesensoren mit jeweils der gleichen Bildpunktgeometrie in Bildebenen vorgesehen sind, wobei N eine natürliche Zahl größer als 2 ist, daß die Abbildungsoptik N-1 farbneutrale Strahl teiler umfaßt, die das in die Kamera einfallende Licht mit gleicher Intensität auf die N CCD-Bildaufnahmesensoren abbildet, und daß der i-te CCD-Bildaufnahmesensor der N CCD-Bildaufnahmesensoren bezüglich dem in seiner Bildebene abgebildeten Objektgitter quer zu den Gitterzeilen des Referenzgitters um ungefähr die Strecke des i/N-fachen der Gitterkonstanten des Referenzgitters verschoben ist.This object is achieved in that N the CCD imaging sensors forming the reference grid each with the same pixel geometry in image planes are provided, where N is a natural number greater than 2 is that the imaging optics N-1 color neutral beam divider that includes the light entering the camera same intensity on the N CCD image sensors images, and that the i-th CCD image sensor of the N CCD imaging sensors related to that in its image plane The object grid shown transversely to the grid lines of the Reference grid by approximately the distance i / N times that Grid constant of the reference grid is shifted.

Bei einer Kamera mit CCD-Bildaufnahmesensoren mit einem auf diesen aufgebrachtem Referenzgitter wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß N CCD-Bildaufnahmesensoren mit jeweils der gleichen Bildpunktgeometrie in Bildebenen vorgesehen sind, auf die unmittelbar das Referenzgitter in Gestalt einer Vielzahl von transparenten und nichttransparenten Streifen aufgebracht ist, wobei N eine natürliche Zahl größer als 2 ist, da die Abbildungsoptik N-1 farbneutrale Strahlleiter umfaßt, die das in die Kamera einfallende Licht mit gleicher Intensität so auf die N CCD-Bildauf nahmesensoren abbildet, daß jeder der N CCD-Bildaufnahme sensoren bezüglich dem in seiner Bildebene abgebildeten Objektgitter gleich angeordnet ist, und daß das auf dem i-ten CCD-Bildaufnahmesensor der N CCD-Bildaufnahme sensoren aufgebrachte Referenzgitter bezüglich dem in seiner Bildebene abgebildeten Objektgitter in jedem Punkt recht winklig zu den abgebildeten Gitterlinien um ungefähr die Strecke des i/N-fachen der Gitterkonstanten des Referenzgitters verschoben ist.In the case of a camera with CCD imaging sensors with one the task is based on this applied reference grid solved in that N CCD imaging sensors with each provided the same pixel geometry in image planes are directly on the reference grid in shape a variety of transparent and non-transparent Stripe is applied, where N is a natural number is larger than 2 because the imaging optics N-1 are color neutral Beam guide includes that which is incident in the camera Light with the same intensity on the N CCD image capture sensors that maps each of the N CCD images sensors with regard to that depicted in its image plane Object grid is arranged the same, and that that on the i-th CCD imaging sensor of N CCD imaging sensors applied reference grid with respect to that in its Object grid shown in the image plane in every point right at an angle to the grid lines shown by about Distance of i / N times the lattice constant of Reference grid is shifted.

Dadurch, daß drei oder mehr CCD-Bildaufnahmesensoren vorgesehen sind, können die benötigten drei oder mehr Phasenbilder gleichzeitig aufgenommen werden. Dabei ist es von Vorteil, daß der Aufbau in sich statisch ist und keine beweglichen Teile mehr aufweist. Die Aufnahmegeschwindigkeit für aufeinanderfolgende Aufnahmen von Prüflingen ist nur von der Auslesegeschwindigkeit für die benutzten Bildaufnahmesensoren begrenzt.By having three or more CCD imaging sensors are provided, the required three or more Phase images are recorded simultaneously. It is it is advantageous that the structure is static in itself and has no moving parts. The Recording speed for successive recordings of test objects is only from the readout speed for the image pickup sensors used are limited.

Die Verwendung eines Chips mit direkt auf diesem auf gebrachten Referenzgitter gestattet eine höhere Auflösung, da die Gitterkonstante des aufgebrachten Referenzgitters klein gegen die Größe einzelner Sensorsegmente gewählt werden kann.Using a chip with directly on top of it brought reference grid allows a higher resolution, because the lattice constant of the applied reference lattice chosen small against the size of individual sensor segments can be.

Dabei werden die CCD-Bildaufnahmesensoren vorzugsweise aus einem Wafer ausgewählt, der in einem photolithographischen Verfahren mit den Gitterlinien versehen wurde.The CCD imaging sensors are preferably switched off a wafer selected in a photolithographic Process was provided with the grid lines.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Kamera umfaßt ein auf die CCD-Bildaufnahmesensoren aufgebrachtes Referenzgitter, das derart gekrümmte Gitterlinien umfaßt, daß die erzeugten Moir´-Streifen für die Abbildung einer normalen Prüflingsoberfläche eine einfache geometrische Form aufweisen. Dann entstehen bei von der Norm abweichenden Prüflingsoberflächen kompliziertere Moir´-Strukturen, die einfach ausgewertet werden können.A particularly advantageous embodiment of the camera comprises one attached to the CCD imaging sensors Reference grid comprising grid lines curved in this way, that the generated Moir´ strips for the illustration of a normal test piece surface a simple geometric Have shape. Then arise from those deviating from the norm Test specimen surfaces more complicated moir structures, that can be easily evaluated.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen gekennzeichnet.Further refinements of the invention are in the sub claims marked.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe following are exemplary embodiments of the invention explained in more detail with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Kamera mit vier CCD-Bildaufnahmesensoren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 1 is a schematic view of a camera with four CCD image sensors according to a first embodiment,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kamera mit drei Bildaufnahmesensoren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 is a schematic representation of a camera with three image sensors according to a second embodiment,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Bild aufnahmesensoren einer Kamera gemäß Fig. 2 mit dem auf diesem aufgebrachten Referenzgitter und Fig. 3 is a schematic plan view of the image pickup sensors of a camera of Fig. 2 with the applied on this reference grating, and

Fig. 4 eine Draufsicht auf drei Bildaufnahmesensoren einer Kamera gemäß dem dritten Ausführungs beispiel mit Bezug auf das auf sie projizierte Objektgitter. Fig. 4 is a plan view of three image recording sensors of a camera according to the third embodiment, for example with reference to the object grid projected on it.

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Kamera 1 mit einer Abbildungsoptik 2. Ein Kameraobjektiv 3 der Abbildungsoptik 2 ist mit der von der Prüflingsober fläche ausgesandten Lichtstrahlung 4 beaufschlagt. Das durch das Kameraobjektiv 3 aufgenommene Objektgitter auf der Prüflingsoberfläche wird in die Bildebene von vier CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7, 8 und 9 abgebildet. Der durch das Kameraobjektiv 3 hindurchtretende Lichtstrahl 12 wird in einem farbneutralen ersten Strahlteiler 13 in zwei intensitätsgleiche Strahlen 14 und 15 aufgespalten. Der umgelenkte weiterführende Strahl 14 wird in einem farbneutralen zweiten Strahlteiler 17 erneut in zwei intensitätsgleiche Teilstrahlen 18 und 19 aufgespalten, die die lichtempfindliche Oberfläche der CCD-Bildaufnahme sensoren 6 bzw. 7 beaufschlagen. Der durch den ersten Strahlteiler 3 hindurchtretende weiterführende Lichtstrahl 15 wird in einem farbneutralen dritten Strahlteiler 21 in zwei intensitätsgleiche Teilstrahlen 22 und 23 aufge spalten, die die CCD-Bildaufnahmesensoren 8 bzw. 9 beaufschlagen. Durch die Verwendung von farbneutralen Strahlteilern 13, 17 bzw. 21, die den einfallenden Licht strahl zu 50 Prozent durchlassen und zu 50 Prozent ablenken, erhält jeder Bildaufnahmesensor 6, 7, 8 und 9 ein Viertel der in das Kameraobjektiv 3 eintretenden Gesamtintensität. Fig. 1 shows a schematic view of a camera 1 with an imaging optical system 2. A camera lens 3 of the imaging optics 2 is exposed to the light radiation 4 emitted by the surface of the test object. The object grid on the test specimen surface recorded by the camera objective 3 is imaged in the image plane by four CCD image recording sensors 6, 7, 8 and 9 . The light beam 12 passing through the camera lens 3 is split into two beams 14 and 15 of equal intensity in a color-neutral first beam splitter 13 . The deflected further beam 14 is split again in a color-neutral second beam splitter 17 into two partial beams 18 and 19 of equal intensity, which act on the light-sensitive surface of the CCD image sensors 6 and 7, respectively. The passing light beam 15 passing through the first beam splitter 3 is split up in a color-neutral third beam splitter 21 into two partial beams 22 and 23 of equal intensity which act on the CCD image recording sensors 8 and 9, respectively. By using color-neutral beam splitters 13, 17 and 21 , which let the incident light beam through 50 percent and deflect 50 percent, each image sensor 6, 7, 8 and 9 receives a quarter of the total intensity entering the camera lens 3 .

Die CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7, 8 und 9 befinden sich optisch im gleichen Abstand von dem Kameraobjektiv 3, so daß ihre einander zugeordneten Bildpunkte jeweils optisch aufeinander liegen und jeder CCD-Bildaufnahmesensor 6, 7, 8 und 9 den gleichen Bildausschnitt sieht. An jeden Bildaufnahmesensor 6, 7, 8 bzw. 9 ist eine Bildausleseeinheit 25 angeschlossen, die die optische Information aus den CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7, 8, 9 ausliest und in jeweils einen zugeordneten Bildspeicher 27 weiterleitet.The CCD image sensors 6, 7, 8 and 9 are optically at the same distance from the camera lens 3 , so that their mutually assigned pixels are optically on top of each other and each CCD image sensor 6, 7, 8 and 9 sees the same image section. An image readout unit 25 is connected to each image pickup sensor 6, 7, 8 and 9 , which reads the optical information from the CCD image pickup sensors 6, 7, 8, 9 and forwards them to an associated image memory 27 .

Übliche CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7, 8 bzw. 9 weisen 512×512 Sensorsegmente auf, deren Helligkeitswert im Bildspeicher 27 zwischengespeichert wird. Jeder Bild speicher 27 ist über einen Datenbus 28 mit einer zentralen Bildverarbeitungseinheit 29 verbunden, die die Einzelbilder gemäß dem Phasenshift-Verfahren auswertet und das ent stehende kontrastreiche Phasenbild z. B. auf einem Monitor 31 darstellt.Usual CCD image recording sensors 6, 7, 8 and 9 have 512 × 512 sensor segments, the brightness value of which is buffered in the image memory 27 . Each image memory 27 is connected via a data bus 28 to a central image processing unit 29 which evaluates the individual images according to the phase shift method and the resulting high-contrast phase image z. B. on a monitor 31 .

Die Fig. 2 zeigt in einer schematischen Draufsicht den optischen Aufbau der Kamera 1 gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel. Der einfallende Lichtstrahl 4 wird durch das Kameraobjektiv 3 auf drei CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 abgebildet, die im optisch gleichen Abstand von dem Kameraobjektiv 3 angeordnet sind. Der farbneutrale erste Strahlteilerspiegel 33 verfügt über eine Transmission von zwei Dritteln und reflektiert ein Drittel des ein gespeisten Lichtes auf den CCD-Bildaufnahmesensor 6. Das durch den ersten farbneutralen Strahlteilerspiegel 33 hindurchtretende Strahlenbündel 35 beaufschlagt den farbneutralen zweiten Strahlteilerspiegel 37, der eine Transmission von 50 Prozent aufweist. Die Hälfte der verbleibenden Intensität wird daher jeweils auf den zweiten CCD-Bildaufnahmesensor 7 und den dritten CCD-Bildauf nahmesensor 8 geleitet. Damit ist gewährleistet, daß jeder der drei CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 oder 8 ein Drittel der durch das Kameraobjektiv 3 hindurchtretenden Intensität des einfallenden Lichtstrahles 4 empfängt. Fig. 2 shows in a schematic plan view of the optical configuration of the camera 1 according to a second exporting approximately, for example. The incident light beam 4 is imaged by the camera lens 3 on three CCD image sensors 6, 7 and 8 , which are arranged at the same optical distance from the camera lens 3 . The color-neutral first beam splitter mirror 33 has a transmission of two thirds and reflects a third of the light fed onto the CCD image sensor 6 . The beam 35 passing through the first color-neutral beam splitter mirror 33 acts on the color-neutral second beam splitter mirror 37 , which has a transmission of 50 percent. Half of the remaining intensity is therefore passed to the second CCD image sensor 7 and the third CCD image sensor 8 . This ensures that each of the three CCD image recording sensors 6, 7 or 8 receives a third of the intensity of the incident light beam 4 passing through the camera lens 3 .

Die drei CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 sind derart bezüglich der optischen Achsen 40, 41 und 42 Kamera 1 an geordnet, daß in den verschiedenen CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 entsprechende Bildpunkte optisch aufeinander liegen. Die drei CCD-Bildaufnahmesensoren sehen den gleichen Bildausschnitt. Eine genauere Darstellung der räumlichen Verhältnisse ist in der Fig. 3 dargestellt, die die drei CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 schematisch übereinander darstellt. In der Zeichnung ist dies dadurch realisiert, daß die entlang den Zeilen des Bildaufnahme sensors verlaufenden, zu den optischen Achsen 40, 41 und 42 normalen Geraden 40′, 41′ und 42′ miteinander fluchten.The three CCD image pickup sensors 6, 7 and 8 are arranged with respect to the optical axes 40, 41 and 42 camera 1 in such a way that corresponding pixels lie optically on one another in the different CCD image pickup sensors 6, 7 and 8 . The three CCD imaging sensors see the same image section. A more precise representation of the spatial relationships is shown in FIG. 3, which shows the three CCD image sensors 6, 7 and 8 schematically one above the other. In the drawing, this is realized in that the normal lines 40 ', 41' and 42 ' running along the lines of the image pickup sensor, normal to the optical axes 40, 41 and 42 are aligned.

Von jedem der drei CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 ist nur ein kleiner Ausschnitt von zwölf, zum Teil nur anteilsweise gezeichneten Bildpunkten 45 dargestellt. Parallel zu den Geraden 40′, 41′ und 42′ sind die einzelnen Bildpunkte 45 voneinander durch Isolationsflächen 47 elektrisch getrennt. Die Isolationsflächen 47 bilden schmale, lichtunempfindliche Streifen entlang der Auslese richtung der Bildpunkte 45. Quer zu der jeweiligen Gerade 40′, 41′ oder 42′ sind die Bildpunkte 45 entlang Trenn flächen 49 voneinander getrennt, wobei aber vorzugsweise keine lichtunempfindliche Fläche vorgesehen ist. Es werden im Gegensatz zur Fig. 3 vorteilhafterweise CCD-Bild aufnahmesensoren verwendet, die die Größe der Isolations flächen 47 minimieren bzw. auf diese verzichten.Only a small section of twelve, in some cases only partially drawn, pixels 45 of each of the three CCD image recording sensors 6, 7 and 8 is shown. Parallel to the straight lines 40 ', 41' and 42 ' , the individual pixels 45 are electrically separated from one another by insulation surfaces 47 . The insulation surfaces 47 form narrow, light-insensitive strips along the readout direction of the pixels 45 . Transverse to the respective straight line 40 ', 41' or 42 ' , the pixels 45 are separated from one another along separating surfaces 49 , but preferably no light-insensitive surface is provided. In contrast to FIG. 3, CCD image sensors are advantageously used which minimize the size of the insulation surfaces 47 or do without them.

Der erste CCD-Bildaufnahmesensor 6 verfügt auf seiner Oberfläche über ein in einem photolithographischen Prozeß aufgetragenes Referenzgitter 51, das aus lichtundurch lässigen Streifen 52 und lichtdurchlässigen, transparenten Streifen 53 besteht. Die Streifen 52 bzw. 53 sind in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel jeweils gleichbreit mit einer Breite von z. B. 2 bis 3 Mikrometern. Damit beträgt die Gitterkonstante des auf die Oberfläche des CCD- Bildaufnahmesensors 6 aufgetragenen Referenzgitter 51 z. B. vier bzw. sechs Mikrometer. Die quadratische Fläche eines Sensorbildelementes 45 weist eine Größe von ca. 23×23 Mikrometer auf. In der Fig. 3 ist zur Übersichtlichkeit auf das bei der Aufnahme auf den CCD-Bildaufnahmesensor 6 projizierte Objektgitter verzichtet worden, dessen Gitterkonstante etwas von der Gitterkonstante des Referenzgitters 51 abweicht. The first CCD image sensor 6 has on its surface a reference grid 51 applied in a photolithographic process, which consists of opaque strips 52 and translucent, transparent strips 53 . The strips 52 and 53 are each the same width in the illustrated embodiment with a width of z. B. 2 to 3 microns. The lattice constant of the reference lattice 51 applied to the surface of the CCD image sensor 6 is z. B. four or six micrometers. The square area of a sensor image element 45 has a size of approximately 23 × 23 micrometers. In FIG. 3, for the sake of clarity, the object grating projected on the CCD image recording sensor 6 has been omitted, the grating constant of which differs somewhat from the grating constant of the reference grating 51 .

Der zweite Bildaufnahmesensor 7 ist optisch bezüglich dem ersten Bildaufnahmesensor 6 entlang den Geraden 40′ bzw. 41′ fluchtend ausgerichtet. Gleichzeitig liegen, was in der Fig. 3 nicht dargestellt ist, entsprechende Sensor bildelemente 45 optisch übereinander, so daß die CCD- Bildaufnahmesensoren 6 und 7 den gleichen Bildausschnitt der Prüflingsoberfläche sehen. Das auf den CCD-Bildaufnahme sensor 7 aufgebrachte Referenzgitter 54 ist um eine Strecke 59 rechtwinklig zur optischen Achse 40 oder 41 verschoben, die in ihrer Länge einem Drittel des Wertes der Gitterkonstanten dieses Referenzgitters 51 bzw. 54 entspricht.The second image sensor 7 is optically aligned with respect to the first image sensor 6 along the straight lines 40 ' and 41' . At the same time, which is not shown in FIG. 3, corresponding sensor image elements 45 lie optically one above the other, so that the CCD image recording sensors 6 and 7 see the same image section of the test specimen surface. The reference grating 54 applied to the CCD image recording sensor 7 is displaced by a distance 59 at right angles to the optical axis 40 or 41 , the length of which corresponds to one third of the value of the grating constants of this reference grating 51 or 54 .

Diese Verschiebung um die Strecke 59 erzeugt ein um 120 Grad phasenverschobenes Bild in dem zweiten CCD-Bildauf nahmesensor 7 bezüglich dem im ersten CCD-Bildaufnahme sensor 6 entstehenden Phasenbild. Der dritte CCD-Bild aufnahmesensor 8, der analog zu dem zweiten CCD-Bildauf nahmesensor 7 angeordnet ist, verfügt über ein bezüglich dem Referenzgitter 51 des CCD-Bildaufnahmesensors 6 um zwei Drittel dieser Gitterkonstanten verschobenes Referenzgitter 55, so daß das vom Bildaufnahmesensor 8 aufgenommene Phasenbild um 240 Grad bezüglich dem ersten CCD-Bildauf nahmesensor 6 und um 120 Grad bezüglich dem zweiten CCD- Bildaufnahmesensor 7 verschoben ist. In der Zeichnung des dritten CCD-Bildaufnahmesensors 8 verdecken die licht undurchlässigen Streifen 52 zum Teil die Isolationsflächen 47.This shift by the distance 59 generates a 120 degree phase-shifted image in the second CCD image sensor 7 with respect to the phase image formed in the first CCD image sensor 6 . The third CCD image pickup sensor 8 , which is arranged analogously to the second CCD image pickup sensor 7 , has a reference grid 55 which is shifted with respect to the reference grid 51 of the CCD image pickup sensor 6 by two thirds of these grid constants, so that the phase image picked up by the image pickup sensor 8 is shifted by 240 degrees with respect to the first CCD image pickup sensor 6 and by 120 degrees with respect to the second CCD image pickup sensor 7 . In the drawing of the third CCD image sensor 8, the opaque strips 52 partially hide the insulation surfaces 47 .

Vorteilhafterweise werden die CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 aus einem einziger Wafer - der die CCD-Bildauf nahmesensoren 6, 7 und 8 tragenden Halbleiterscheibe - ausgewählt, der mit einem photolithographischen Verfahren zur Erzeugung der Gitterlinien behandelt wurde. Dabei sind die gewünschten Gitterstrukturen in einer Maske des Photolithographen selbst vorgegeben. Mit dem Elektronen strahl des Photolithographen können Strukturen, und ins besondere Gitterlinien in der Gestalt von einigen Mikro metern breiten Streifen, auf ungefähr 50 Nanometer genau erstellt werden, so daß bei einer Gitterkonstante von 4 Mikrometer der maximale Phasenfehler, der beim Auftragen der Referenzgitter 51, 54 bzw. 55 entsteht, höchstens 5 Grad beträgt. Diese Abweichung liegt weit unter der für die Anwendung des Phasenshift-Verfahrens zulässigen Obergrenze von 10 Grad, die bei einer Gitterkonstanten von 4 Mikrometer einem Gitterfehler von 110 Nanometer ent spricht.Advantageously, the CCD image sensors 6, 7 and 8 from a single wafer - acquisition sensors of the CCD image on 6, 7 and 8 supporting the semiconductor wafer - is selected which has been treated by a photolithographic process to form the grid lines. The desired lattice structures are specified in a mask of the photolithograph itself. With the electron beam of the photolithograph, structures, and in particular grid lines in the form of strips a few micrometers wide, can be created with an accuracy of approximately 50 nanometers, so that with a grid constant of 4 micrometers the maximum phase error which occurs when the reference grid 51 54 or 55 arises, is at most 5 degrees. This deviation is far below the upper limit of 10 degrees permitted for the application of the phase shift method, which corresponds to a lattice error of 110 nanometers with a lattice constant of 4 micrometers.

Die Fig. 4 zeigt drei CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8, die gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel angeordnet sind. In der Fig. 4 ist jeweils über den CCD-Bildaufnahme sensoren 6, 7 und 8 das in den Bildebenen der CCD- Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 abgebildete Bild 60 des Objektgitters dargestellt. Die einzelnen Gitterlinien 62 des Bildes 60 des Objektgitters fluchten in der Zeichnung miteinander, so daß die normal zu den optischen Achsen 40, 41 und 42 verlaufenden Geraden 40′, 41′ und 42′ ebenfalls miteinander fluchten. Fig. 4 shows three CCD image sensors 6, 7 and 8, a third embodiment are arranged in accordance with. In FIG. 4, the image 60 of the object grid shown in the image planes of the CCD image sensors 6, 7 and 8 is shown above the CCD image sensors 6, 7 and 8 . The individual grid lines 62 of the image 60 of the object grid are aligned with one another in the drawing, so that the straight lines 40 ′, 41 ′ and 42 ′ that run normal to the optical axes 40, 41 and 42 are also aligned with one another.

Die CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 bestehen aus Sensorsegmenten 63 mit lichtempfindlichen Sensorbild elementen 45 und relativ großen lichtunempfindlichen Bereichen 64. Durch die relativ großen lichtunempfindlichen Bereiche 64 wird ein in der Ausgestaltung der CCD- Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 liegendes Referenzgitter 65 erzeugt, das durch die Spaltenstruktur des Empfängers vorgegeben ist und dessen Gitterlinien 66 sich parallel zu dem Streifen 62 des Bildes 60 des Objektgitters erstrecken. Zur Erzeugung der typischen Moir´-Streifen ist die Gitterkonstante des Bildes 60 des Objektgitters etwas größer als die durch das Referenzgitter 65 vorgegebene Gitterkonstante. Ein Sensorsegment 63 weist z. B. eine Seitenlänge von 25 Mikrometern auf; die Breite eines lichtempfindlichen Sensorbildelementes 45 beträgt z. B. 12 Mikrometer.The CCD image recording sensors 6, 7 and 8 consist of sensor segments 63 with photosensitive sensor picture elements 45 and relatively large light-insensitive areas 64 . Due to the relatively large light-insensitive areas 64 , a reference grid 65 , which is defined by the column structure of the receiver and whose grid lines 66 extend parallel to the strip 62 of the image 60 of the object grid, is produced in the configuration of the CCD image pickup sensors 6, 7 and 8 . To generate the typical Moir strips, the lattice constant of the image 60 of the object lattice is somewhat larger than the lattice constant specified by the reference lattice 65 . A sensor segment 63 has z. B. a side length of 25 microns; the width of a light-sensitive sensor picture element 45 is z. B. 12 microns.

Der zweite Bildaufnahmesensor 7 ist bezüglich dem ersten Bildaufnahmesensor 6 um eine Strecke 67 von einem Drittel der Gitterkonstanten des Referenzgitters 65 quer zu den Gitterlinien 66 verschoben, wodurch das vom zweiten Bildaufnahmesensor 7 aufgenommene Bild eine Phasen differenz bezüglich dem von dem ersten Bildaufnahmesensor 6 aufgenommenen Bild um 120 Grad aufweist.The second image pickup sensor 7 is shifted with respect to the first image pickup sensor 6 by a distance 67 of one third of the lattice constants of the reference grid 65 transversely to the grid lines 66 , as a result of which the image picked up by the second image pickup sensor 7 has a phase difference with respect to the image picked up by the first image pickup sensor 6 120 degrees.

Der dritte Bildaufnahmesensor 8 ist um eine weitere Strecke 67 gegenüber dem zweiten CCD-Bildaufnahmesensor 7 verschoben, so daß die Phase des vom dritten CCD-Bild aufnahmesensor 8 erzeugten Phasenbildes um 240 Grad von dem vom ersten CCD-Bildaufnahmesensor 6 erzeugten Phasenbild abweicht. Diese drei Phasenbilder werden über in der Zeichnung nicht dargestellte Bildausleseeinheiten 25 ausgelesen und über den Bildspeicher 27 in der Bild verarbeitungseinheit 29 zu dem kontrastreichen Phasenbild 31 zusammengesetzt.The third image sensor 8 is shifted by a further distance 67 relative to the second CCD image sensor 7, so that the phase of the third CCD image sensor 8 phase image produced by 240 degrees from that produced by the first CCD image sensor 6 phase image deviates the. These three phase images are read out via image readout units 25, not shown in the drawing, and are combined to form the high-contrast phase image 31 via the image memory 27 in the image processing unit 29 .

Beim schnellen Prüfen von Werkteilen kann die Unter suchungsdauer damit auf die Dauer einer einzigen Bildauf nahme zurückgeführt werden, die nicht durch Totzeiten verlängert wird, in denen mechanische Teile bewegt werden müssen. Üblicherweise kann eine Aufnahme alle 40 Mili sekunden durchgeführt werden. Schwingungen, die in der Prüfhalle auftreten, wirken sich nicht störend aus, da die benötigten Phasenbilder gleichzeitig aufgenommen werden. The sub search duration to the duration of a single image take back that are not due to dead times is extended in which mechanical parts are moved have to. Usually, one shot can be taken every 40 mils seconds. Vibrations in the Test hall occur, do not have a disturbing effect, since the required phase images are recorded simultaneously.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die auf den CCD-Bildaufnahmesensoren 6, 7 und 8 direkt aufgebrachten Referenzgitter 51, 54 und 55 gekrümmte Flächen auf, so daß die Überlagerung des Referenzgitters mit dem vom Objekt einfallenden, ebenfalls gekrümmte Flächen aufweisenden Objektgitter zusammen ein einfaches Moir´muster ergibt, das leicht ausgewertet werden kann, um Abweichungen von einer vorgegebenen Norm festzustellen. In diesem Falle sind die Gitterlinien 52 und 53 in den jeweiligen CCD-Bildaufnahmesensoren 7 und 8 in jedem Punkt rechtwinklig zur Tangente der Gitterlinien 52 bzw. 53 in diesem Punkt um ein Drittel ihrer Gitterkonstante verschoben. Bei kreisförmigen Gitterlinien 52 und 53 entspricht dies z. B. einer Veränderung des Durchmessers der die Gitterlinien 52 und 53 bildenden Kreise. Bei innerhalb der Norm liegenden Prüflingen kann in dem Phasenbild z. B. eine einfache, parallele Streifenstruktur vorliegen. Abweichungen des Prüflings von der Norm erzeugen ein komplizierteres Phasenbild, wobei die Veränderungen gegenüber der erwähnten Streifenform leicht erfaßbar sind.In an advantageous embodiment of the invention, the reference grids 51, 54 and 55 directly applied to the CCD image pickup sensors 6, 7 and 8 have curved surfaces, so that the superimposition of the reference grid with the object grating incident on the object and also having curved surfaces has a simple surface Moir pattern results that can be easily evaluated to determine deviations from a given standard. In this case, the grid lines 52 and 53 in the respective CCD image pickup sensors 7 and 8 are shifted at each point perpendicular to the tangent of the grid lines 52 and 53 at this point by a third of their grid constant. With circular grid lines 52 and 53 , this corresponds to e.g. B. a change in the diameter of the circles forming the grid lines 52 and 53 . In the case of test specimens lying within the standard, z. B. there is a simple, parallel stripe structure. Deviations of the test specimen from the norm create a more complicated phase picture, the changes compared to the mentioned strip shape being easy to grasp.

Claims

1. Camera ( 1 ) with imaging optics ( 3, 13, 17, 21; 33, 37 ) for detecting the topography of a test specimen surface by generating a moir 'image using an object grid ( 60 ) applied to the object and one of the Reference grids ( 65 ) assigned to the camera by the phase shift method, characterized in that N CCD image sensors ( 6, 7, 8, 9 ) forming the reference grating ( 65 ) are provided, each having the same pixel geometry in the image plane, N being a natural number is greater than 2, that the imaging optics ( 3, 13, 17, 21; 33, 37 ) comprise N-1 color-neutral beam splitters ( 13, 17, 21; 33, 37 ), which the light incident in the camera ( 1 ) ( 4 ) with the same intensity on the N CCD imaging sensors ( 6, 7, 8, 9 ) and that the i-th CCD imaging sensor ( 6, 7, 8, 9 ) of the N CCD imaging sensors ( 6, 7, 8, 9 ) with respect to the object grid ( 60 ) shown in its image plane transverse to the grid lines ( 66 ) Of the reference grid (65) by the distance (67) of the i / N times is shifted to the lattice constant of the Refe rence grating (65) approximately.

2. Camera ( 1 ) with imaging optics ( 3, 13, 17, 21; 33, 37 ) for detecting the topography of a test specimen surface by generating a moir 'image with the aid of an object grid ( 60 ) applied to the object and one of the Reference grids ( 51, 54, 55 ) assigned to the camera by the phase shift method, characterized in that N CCD image recording sensors ( 6, 7, 8, 9 ) are provided, each with the same pixel geometry in image planes, to which the reference grating ( 51 , 54, 55 ) in the form of a multiplicity of transparent ( 53 ) and non-transparent ( 52 ) strips, where N is a natural number greater than 2, that the imaging optics ( 3, 13, 17, 21; 33, 37 ) N -1 includes color-neutral beam splitters ( 13, 17, 21; 33, 37 ) which image the light ( 4 ) incident in the camera ( 1 ) with the same intensity on the N CCD image recording sensors ( 6, 7, 8, 9 ) that each of the N CCD imaging sensors ( 6, 7, 8, 9 ) with respect I is arranged in the same way as the object grid ( 60 ) shown in its image plane, and that the reference grid attached to the i-th CCD image sensor ( 6, 7, 8, 9 ) of the N CCD image sensors ( 6, 7, 8, 9 ) ( 51, 54, 55 ) with respect to the object grid ( 60 ) depicted in its image plane at every point at right angles to the depicted grid lines of the object grid ( 60 ) by approximately the distance ( 59 ) i / N times the grid constant of the reference grid ( 51, 54, 55 ) is shifted.

3. Camera according to claim 2, characterized in that the CCD image recording sensors ( 6, 7, 8, 9 ) are provided from a wafer which has been provided with the grating lines ( 52, 53 ) in a photolithographic process.

4. Camera according to claim 2 or 3, characterized in that the on the CCD image sensors ( 6, 7, 8, 9 ) applied grating ( 51 ) comprises curved grating lines ( 52, 53 ).