DE102017210060A1

DE102017210060A1 - Interferenzmessvorrichtung und verfahren zum messen unter verwendung dieser vorrichtung

Info

Publication number: DE102017210060A1
Application number: DE102017210060.5A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Nagahama; Ken MOTOHASHI; Han HAITJEMA; Johannes Anna Quaedackers
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2017-12-21
Also published as: JP6685849B2; US10024648B2; US20170363411A1; JP2017223602A; CN107525463A; CN107525463B

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Interferenzmessvorrichtung mit einem optischen System bereit, die Licht empfangen kann, das von einem Messobjekt eines Oberflächenprofils reflektiert wird, das zu einer optischen Achse nicht rechtwinklig ist. Eine Interferenzmessvorrichtung umfasst eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht und eine interferometrische Objektivlinse. Die interferometrische Objektivlinse umfasst einen Referenzspiegel, der in einem Referenzstrahlengang angeordnet ist, und einen Strahlenteiler, der das einfallende Licht in einen Strahl, der entlang eines Referenzstrahlengangs verläuft, und einen Strahl, der entlang eines Messstrahlengangs verläuft, teilt. Der Strahlenteiler kombiniert auch den Strahl, der von dem Referenzspiegel reflektiert wird, mit dem Strahl, der von einem Messobjekt reflektiert wird, das auf dem Messstrahlengang angeordnet ist, bevor er die kombinierten Strahlen emittiert. Die Interferenzmessvorrichtung umfasst ferner eine Bildgebungseinheit zum Aufnehmen eines Bildes der kombinierten Strahlen, die sich darauf bilden, und eine Öffnungsblende, die auf einem Lichtweg angeordnet ist, der die interferometrische Objektivlinse, die Lichtquelle und das Bildgebungsmittel verbindet. Die Öffnungsblende ist entlang einer optischen Achse der interferometrischen Objektivlinse bewegbar.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Interferenzmessvorrichtung, die eine Form eines Messobjekts unter Verwendung von Informationen über die Helligkeit von Interferenzstreifen, die durch optische Interferenz entstehen, misst. Die Erfindung betrifft auch ein Messverfahren, das diese Vorrichtung verwendet.
Allgemeiner Stand der Technik
Es ist herkömmlicherweise bekannt, dass Interferenzmessvorrichtungen, wie etwa dreidimensionale Kopiervorrichtungen, die dreidimensionale Formen von Messobjekten präzise messen, indem sie beispielsweise Informationen über die Helligkeit von Interferenzstreifen, die durch optische Interferenz entstehen, verwenden. Diese Interfererenzmessvorrichtungen verwenden ein wohlbekanntes Verfahren, bei dem eine Breitband-Lichtquelle (z. B. Weißlicht) verwendet wird, wie in der JP 2011-191118 A offenbart. Interferenzmessvorrichtungen, die Weißlicht in ihrer Lichtquelle verwenden, sind in der Lage, mikroskopische Formen mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu messen, und werden für Zwecke, wie etwa das Messen der Breite, der Höhe und anderer Formen und die Kontrolle von Oberflächeneigenschaften, in der Halbleiter- und vielen anderen Industrien verwendet.
6 ist eine schematische Ansicht, die eine grundlegende Konfiguration einer Interferenzmessvorrichtung 1 abbildet, die mit einer interferometrischen Michelson-Objektivlinse 30 ausgestattet ist. Licht, das von einer Lichtquelle 11 emittiert wird, wird an einer Kollimatorlinse 12 in einen kollimierten Strahl umgewandelt, und der kollimierte Strahl tritt in einen Strahlenteiler 20 in einer Richtung ein, die zu einer optischen Achse der interferometrischen Objektivlinse 30 rechtwinklig ist. Der Strahlenteiler 20 ändert die Richtung des kollimierten Strahls auf eine Richtung entlang der optischen Achse der interferometrischen Objektivlinse 30 und sendet den Strahl, so dass der Strahl in eine Objektivlinse 31 eintritt. Der Strahl geht durch die Objektivlinse 31 und wird in einen konvergenten Lichtstrahl umgewandelt, bevor er in einen Strahlenteiler 32 eintritt. Der Strahlenteiler 32 teilt den einfallenden Strahl in einen Lichtstrahl, der entlang eines Referenzstrahlengangs, in dem ein Referenzspiegel 33 angeordnet ist, verläuft, und einen Lichtstrahl, der entlang eines Messstrahlengangs, in dem ein Messobjekt W angeordnet ist, verläuft. Nach dem Teilen konvergiert der Lichtstrahl, der entlang des Referenzstrahlengangs verläuft und wird von dem Referenzspiegel 33 reflektiert, bevor er wieder in den Strahlenteiler 32 eintritt. Der Lichtstrahl, der entlang des Messstrahlengangs verläuft, konvergiert und wird auf das Messobjekt W projiziert. Der projizierte Strahl wird von dem Messobjekt W reflektiert und tritt wieder in den Strahlenteiler 32 ein. Die reflektierten Strahlen, die auf den Strahlenteiler 32 einfallen, werden kombiniert und emittiert, bevor sie in einen kollimierten Strahl an der Objektivlinse 31 umgewandelt werden. Der kollimierte Strahl geht durch den Strahlenteiler 20 und tritt in eine bilderzeugende Linse 40 ein. Die bilderzeugende Linse 40 bewirkt, dass der kollimierte Strahl konvergiert und ein Interferenzbild auf dem Abbildungsmittel 50 bildet.
Bei Interferenzmessvorrichtungen, die Weißlicht in ihrer Lichtquelle verwenden, werden Interferenzstreifen, die durch verschiedene Wellenlängen entstehen, überlagert, und die Helligkeit der zusammengesetzten Streifen erreicht in einer Position, in der die Lichtwege der Referenz- und Messstrahlengänge gleich lang sind, einen Höchstwert. Somit nimmt die Weißlicht-Interferenzmessvorrichtung Interferenzbilder, d. h. Daten über die zweidimensionale Verteilung der optischen Interferenzintensität, über eine CCD-Kamera oder ein beliebiges anderes Bildgebungsmittel auf, während sie die optische Länge des Referenz- oder Messstrahlengangs variiert. Die Interferenzmessvorrichtung detektiert eine fokussierte Position, in welcher der höchste Streifenkontrast an jedem Pixel eines Messobjekts in dem Blickfeld des Instruments zu finden ist, um eine Oberflächenhöhe an jedem Pixel zu messen und ein dreidimensionales Profil oder andere Formen des Messobjekts zu bestimmen.
Viele Interferenzmessvorrichtungen verwenden ein telezentrisches optisches System, um eine gruppierte Weitwinkelmessung von Messobjekten auszuführen, die unterschiedliche Niveaus aufweisen, wie in der JP 2003-232999 A offenbart. Das telezentrische optische System umfasst eine Öffnungsblende, die am Fokuspunkt einer Linse neben einer Seite der Linse bereitgestellt wird, um Lichtstrahlen zu steuern, und stellt sicher, dass Strahlen, die durch die Mitte der Öffnungsblende gehen (nachstehend als „Hauptstrahlen” bezeichnet), parallel zu der optischen Achse auf der anderen Seite der Linse sind. In dem telezentrischen optischen System ist ein Messobjekt, das eine Niveaudifferenz in einer Richtung der optischen Achse (einer Z-Achsen-Richtung) aufweist, auf der anderen Seite der Linse angeordnet, und das optische System empfängt einen Strahl von reflektiertem Licht parallel zu der optischen Achse von einer beliebigen Stelle an dem Messobjekt beim Projizieren des Lichts auf das Messobjekt. Selbst wenn sich die Stelle des Messobjekts in der Z-Achsen-Richtung ändert, bleibt folglich die Größe der Bilder in den X- und Y-Achsen-Richtungen rechtwinklig zu der Z-Achse unverändert. Diese Konfiguration ermöglicht es dem optischen System, Formen eines Messobjekts in den X- und Y-Achsen-Richtungen rechtwinklig zu der Z-Achse mit ausreichender Präzision zu messen, selbst wenn das Messobjekt eine Niveaudifferenz aufweist.
Ähnlich verwendet die Interferenzmessvorrichtung 1, die in der schematischen Ansicht von 6 abgebildet ist, ein telezentrisches optisches System und umfasst eine Öffnungsblende 60, die in einem Fokuspunkt der Objektivlinse 31 neben der bilderzeugenden Linse 30 bereitgestellt wird. Somit empfängt das optische System einen Strahl von reflektiertem Licht parallel zu der optischen Achse von einer beliebigen Stelle an dem Messobjekt W, das auf einer Seite der Objektivlinse 31 von dem Fokuspunkt angeordnet ist. Diese Konfiguration ermöglicht es dem optischen System, die Formen des Messobjekts W in den X- und Y-Achsen-Richtungen mit ausreichender Präzision zu messen.
Bei der Interferenzmessvorrichtung 1, die in der schematischen Ansicht aus 6 abgebildet ist, fällt ein Fokuspunkt der bilderzeugenden Linse 40 neben der Objektivlinse 31 mit dem Fokuspunkt der Objektivlinse 31 neben der bilderzeugenden Linse 40 zusammen, und die Öffnungsblende 60 wird an dem zusammenfallenden Fokuspunkt bereitgestellt. Diese Konfiguration bedeutet, dass die Hauptlichtstrahlen sowohl zu der optischen Achse auf der Seite der Objektivlinse 31 neben dem Messobjekt W als auch zu der optischen Achse auf einer Seite der bilderzeugenden Linse 40 neben dem Bildgebungsmittel 50 parallel sind (doppelseitig telezentrisch). Dadurch ermöglicht es die Interferenzmessvorrichtung 1 Lichtbündeln, die aus dem optischen System kommen und eine beliebige Stelle auf einer Bildfläche des Bildgebungsmittels 50 erreichen, auf die Bildfläche rechtwinklig einzufallen, und verhindert, dass die Lichtempfangseffizienz auf Grund eines schrägen Einfalls eines Lichtbündels abnimmt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Die Verwendung einer Objektivlinse mit geringerer Vergrößerung ermöglicht eine größere Weitwinkelmessung und verringert gleichzeitig die numerische Apertur (NA). Dadurch nimmt ein maximaler Neigungswinkel, der für ein Messobjekt zulässig ist und in dem die Objektivlinse reflektierte Strahlen empfangen kann, ab.
7A und 7B bilden jeweils ab, wie das einfallende Licht 81, das durch die Objektivlinse 31 geht, von dem Messobjekt W reflektiert wird und wie das reflektierte Licht 82, d. h. das reflektierte einfallende Licht, durch die Objektivlinse 31 hindurch emittiert wird.
7A zeigt einen Fall, bei dem eine optische Achse 80 der Objektivlinse 31 zu einer Oberfläche des Messobjekts W rechtwinklig ist. In diesem Fall fällt eine optische Achse des reflektierten Lichts 82 mit der optischen Achse 80 der Objektivlinse 31 zusammen, und jeder Lichtstrahl, der durch die Objektivlinse 31 hindurch kommt und von dem Messobjekt W reflektiert wird. tritt wieder in die Objektivlinse 31 ein. Dagegen zeigt 7B einen Fall, in dem das Messobjekt W in einem Winkel von A Grad geneigt ist und somit die optische Achse 80 der Objektivlinse 31 zu der Oberfläche des Messobjekts W nicht rechtwinklig ist. In diesem Fall fällt die optische Achse des reflektierten Lichts 82 nicht mit der optischen Achse 80 der Objektivlinse 31 zusammen. In diesem Fall können die Strahlen des reflektierten Lichts 82, die mit der optischen Achse 80 einen Winkel θr oder kleiner bilden, nur in die Objektivlinse 31 eintreten. Die übrigen Strahlen des reflektierten Lichts 82 sind nicht in der Lage, in die Objektivlinse 31 einzutreten. Falls das Messobjekt W in einem Winkel geneigt ist, der über einen maximal zulässigen Neigungswinkel hinausgeht (einen maximalen Neigungswinkel für ein Messobjekt, in dem eine Objektivlinse Strahlen empfangen kann, die von dem geneigten Messobjekt reflektiert werden), kann die Objektivlinse 31 das reflektierte Licht 82 nicht empfangen, und die Messung wird deaktiviert.
8A bis 8C bilden ab, wie die Reflexion von einfallendem Licht 81, das auf das Messobjekt W einfällt, mit einem Oberflächenprofil des Messobjekts W in einem telezentrischen optischen System variiert, in dem ein Lichtstrahl, der durch die Öffnungsblende 60 geht, die an dem Fokuspunkt der Objektivlinse 31, neben einer Seite der Objektivlinse 31, bereitgestellt wird und in die eine Seite der Objektivlinse 31 eintritt, parallel zu der optischen Achse 80 durch die andere Seite der Objektivlinse 31 hindurch verläuft, um das Messobjekt W zu erreichen. 8A zeigt ein Messobjekt W, das eine flache Oberfläche rechtwinklig zu der optischen Achse 80 aufweist. Das reflektierte Licht 82, das von dem Messobjekt W reflektiert wird, folgt umgekehrt einer Spur des einfallenden Lichts 81 und tritt in die Objektivlinse 31 ein. Dagegen zeigt 8B ein Messobjekt W, das eine konvexe Oberfläche aufweist. Das reflektierte Licht 82, das von dem Messobjekt W reflektiert wird, weicht von einer Spur des einfallenden Lichts 81 nach außen ab. Für den Fall eines kleinen konvexen Krümmungsradius und einer größeren Neigung der Oberfläche des Messobjekts W als ein maximaler Neigungswinkel, der für das Messobjekt erlaubt ist und in dem die Objektivlinse 31 reflektierte Strahlen empfangen kann, ist die Objektivlinse 31 nicht in der Lage, das reflektierte Licht 82 zu empfangen. 8C zeigt ein Messobjekt W, das eine konkave Oberfläche aufweist. Das reflektierte Licht 82, das von dem Messobjekt W reflektiert wird, weicht von einer Spur des einfallenden Lichts 81 nach innen ab. Für den Fall eines kleinen konkaven Krümmungsradius und einer größeren Neigung der Oberfläche des Messobjekts W als ein maximaler Neigungswinkel, der für das Messobjekt erlaubt ist und in dem die Objektivlinse 31 reflektierte Strahlen empfangen kann, ist die Objektivlinse 31 nicht in der Lage, das reflektierte Licht 82 zu empfangen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Interferenzmessvorrichtung mit einem optischen System bereitzustellen, die Licht empfangen kann, das von einem Messobjekt eines Oberflächenprofils reflektiert wird, das zu einer optischen Achse nicht rechtwinklig ist. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Messen unter Verwendung dieser Vorrichtung bereitzustellen.
Mittel zum Lösen der Probleme

(1) Eine Interferenzmessvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lichtquelle, eine interferometrische Objektivlinse, Bildgebungsmittel und eine Öffnungsblende. Die Lichtquelle emittiert Licht wie etwa Weißlicht. Die interferometrische Objektivlinse umfasst einen Referenzspiegel, der in einem Referenzstrahlengang angeordnet ist, und einen Strahlenteiler, der konfiguriert ist, um das Licht, das von der Lichtquelle einfällt, in einen Strahl, der entlang eines Referenzstrahlengangs verläuft, und einen Strahl, der entlang eines Messstrahlengangs verläuft, zu teilen. Der Strahlenteiler ist auch konfiguriert, um den Strahl, der von dem Referenzspiegel reflektiert wird, mit dem Strahl, der von einem Messobjekt reflektiert wird, das in dem Messstrahlengang angeordnet ist, zu kombinieren, bevor er die kombinierten Strahlen emittiert. Die kombinierten Strahlen, die von dem Strahlenteiler emittiert werden, erzeugen ein Bild auf dem Bildgebungsmittel. Das Bildgebungsmittel nimmt das erzeugte Bild auf. Die Öffnungsblende ist auf einem Lichtweg angeordnet, der die interferometrische Objektivlinse, die Lichtquelle und das Bildgebungsmittel miteinander verbindet. Die Öffnungsblende kann entlang einer optischen Achse der interferometrischen Objektivlinse verschoben werden, um einen Gang eines Lichtstrahls zu steuern.

Falls die Hauptlichtstrahlen rechtwinklig von der interferometrischen Objektivlinse aus auf das Messobjekt projiziert werden, kann die interferometrische Objektivlinse die Hauptstrahlen, die von dem Messobjekt reflektiert werden, höchst effizient empfangen. Somit wird es beispielsweise bevorzugt, dass sich ein geneigter Hauptstrahl, der auf das Messobjekt in einer konvexen Form projiziert wird, der optischen Achse nähert, und sich ein geneigter Hauptstrahl, der auf das Messobjekt in einer konkaven Form projiziert wird, weiter von der optischen Achse entfernt. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, falls die Öffnungsblende von einem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf die interferometrische Objektivlinse verschoben wurde, nähern sich die geneigten Hauptstrahlen der optischen Achse. Falls die Öffnungsblende von dem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf das Bildgebungsmittel verschoben wurde, entfernen sich die Hauptstrahlen von der optischen Achse. Diese Konfiguration kann den Winkel des Hauptstrahls, der auf das Messobjekt eines Oberflächenprofils projiziert wird und nicht rechtwinklig zu der optischen Achse ist, einem rechten Winkel nähern. Ein optisches System, das diesen Vorteil nutzt, kann Licht, das von dem Messobjekt reflektiert wird, einfacher empfangen. Für den Fall des Messobjekts, das ein konvexes oder konkaves Oberflächenprofil aufweist, kann diese Konfiguration die Einschränkungen für den konvexen oder konkaven Krümmungsradius auflockern, der gemäß einem maximalen Neigungswinkel bestimmt wird, der für das Messobjekt zulässig ist und in dem die Objektivlinse reflektierte Strahlen empfangen kann.

(2) Die Interferenzmessvorrichtung kann in der Lage sein, entweder den Referenzspiegel durch einen anderen Referenzspiegel zu ersetzen, der eine andere Form aufweist, oder zwischen diesen Referenzspiegeln umzuschalten. Eine Verschiebung der Position der Öffnungsblende bewirkt, dass sich der Hauptstrahl in Bezug auf die optische Achse neigt. Eine Neigung des Hauptstrahls in Bezug auf die optische Achse findet in dem Referenzstrahlengang und in dem Messstrahlengang statt. Falls ein geneigter Hauptstrahl auf einen flachen Referenzspiegel einfällt, wird der Strahl in einer anderen Richtung gegenüber der Einfallsrichtung des Strahls reflektiert und die Objektivlinse kann den reflektierten Strahl nicht effizient empfangen. Falls ein Winkel, den der Referenzspiegel mit einer Oberfläche, die zu einer Einfallsrichtung des Hauptstrahls rechtwinklig ist, bildet, breiter als ein maximaler Neigungswinkel ist, der für das Messobjekt zulässig ist und in dem die Objektivlinse reflektierte Strahlen empfangen kann, kann die Objektivlinse den Strahl, der von dem Referenzspiegel reflektiert wird, nicht empfangen. Eine Objektivlinse kann Strahlen, die von einem Referenzspiegel reflektiert werden, effizient empfangen, falls die Referenzmessvorrichtung in der Lage ist, entweder den Referenzspiegel durch einen anderen Referenzspiegel zu ersetzen, der eine andere Form aufweist, oder zwischen diesen Referenzspiegeln je nach der Position der Öffnungsblende umzuschalten, wobei jeder der Referenzspiegel ein Oberflächenprofil für den Empfang eines projizierten Hauptstrahls in einem Winkel, der nahe an einem rechten Winkel liegt, aufweist.
(3) Für den Fall eines konvexen Messobjekts wird es bevorzugt, dass die Öffnungsblende von dem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse neben dem Bildgebungsmittel in Richtung auf das Bildgebungsmittel verschoben wird, und dass ein konvexer Referenzspiegel verwendet wird. Diese Konfiguration ermöglicht eine derartige Steuerung, dass der Hauptstrahl jeweils auf das Messobjekt und den Referenzspiegel möglichst rechtwinklig projiziert wird. Dadurch kann die Objektivlinse den Strahl effizient empfangen, der jeweils von dem Messobjekt und dem Referenzspiegel reflektiert wird.
(4) Für den Fall eines konkaven Messobjekts wird es bevorzugt, dass die Öffnungsblende von dem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse neben dem Bildgebungsmittel in Richtung auf die interferometrische Objektivlinse verschoben wird, und dass ein konkaver Referenzspiegel verwendet wird. Diese Konfiguration ermöglicht eine derartige Steuerung, dass der Hauptstrahl jeweils auf das Messobjekt und den Referenzspiegel möglichst rechtwinklig projiziert wird. Dadurch kann die Objektivlinse den Strahl effizient empfangen, der jeweils von dem Messobjekt und dem Referenzspiegel reflektiert wird.
(5) Bevorzugt ist eine bilderzeugende Linse, die einen Fokuspunkt aufweist, der an eine Stelle der Öffnungsblende bewegbar ist, auf einem Lichtweg zwischen der Öffnungsblende und dem Bildgebungsmittel bereitzustellen. Die Anordnung des Fokuspunktes der bilderzeugenden Linse an der Öffnungsblende stellt eine Telezentrizität zwischen der bilderzeugenden Linse und dem Bildgebungsmittel sicher. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass Lichtbündel, die eine beliebige Stelle auf einer Bildfläche des Bildgebungsmittels erreichen, rechtwinklig auf die Bildfläche einfallen, und verhindert, dass die Lichtempfangseffizienz auf Grund eines schrägen Einfalls eines Lichtbündels abnimmt.
(6) Bevorzugt ist eine Kollimatorlinse, die einen Fokuspunkt aufweist, der an eine Stelle der Öffnungsblende bewegbar ist, auf einem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Öffnungsblende bereitgestellt werden. Die Anordnung des Fokuspunktes der Kollimatorlinse an der Öffnungsblende verhindert, dass die Lichtmenge, die auf das Messobjekt projiziert wird, auf Grund einer Verschiebung der Öffnungsblende abnimmt.
(7) Die interferometrische Objektivlinse kann beispielsweise eine von Michelson-, Mirau- und Linnik-Objektivlinsen sein.
(8) Ein Verfahren zur Messung durch optische Interferenz gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet eine Interferenzmessvorrichtung. Die Interferenzmessvorrichtung umfasst eine Lichtquelle und eine interferometrische Objektivlinse, die konfiguriert ist, um einfallendes Licht in einen Strahl, der entlang eines Referenzstrahlengangs verläuft, und einen Strahl, der entlang eines Messstrahlengangs verläuft, zu teilen, und die konfiguriert ist, um den Strahl, der von dem Referenzspiegel reflektiert wird, der in dem Referenzstrahlengang angeordnet ist, mit dem Strahl, der von einem Messobjekt reflektiert wird, das in dem Messstrahlengang angeordnet ist, zu kombinieren, bevor sie die kombinierten Strahlen emittiert. Die Interferenzmessvorrichtung umfasst ferner Bildgebungsmittel zum Aufnehmen eines Bildes der kombinierten Strahlen, die sich darauf bilden, und eine Öffnungsblende, die auf einem Lichtweg angeordnet ist, der die interferometrische Objektivlinse, die Lichtquelle und das Bildgebungsmittel verbindet, wobei die Öffnungsblende entlang einer optischen Achse der interferometrischen Objektivlinse bewegbar ist. Das Verfahren umfasst das Verschieben der Öffnungsblende von einem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf das Bildgebungsmittel, um das Messobjekt zu messen, das eine konvexe Form aufweist, wobei der Fokuspunkt an das Bildgebungsmittel angrenzt. Das Verfahren umfasst ferner das Verschieben der Öffnungsblende von dem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf die interferometrische Objektivlinse, um das Messobjekt zu messen, das eine konkave Form aufweist.

Falls die Hauptlichtstrahlen rechtwinklig von der interferometrischen Objektivlinse auf das Messobjekt projiziert werden, kann die interferometrische Objektivlinse die Hauptstrahlen, die von dem Messobjekt reflektiert werden, höchst effizient empfangen. Somit wird es bevorzugt, dass sich ein geneigter Hauptstrahl, der auf das Messobjekt in einer konvexen Form projiziert wird, in Bezug auf die optische Achse nach innen begibt, und sich ein geneigter Hauptstrahl, der auf das Messobjekt in einer konkaven Form projiziert wird, in Bezug auf die optische Achse nach außen begibt. Gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung, falls die Öffnungsblende von einem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf das Bildgebungsmittel verschoben wurde, weichen die geneigten Hauptstrahlen, die in Richtung auf das Messobjekt projiziert werden, nach innen ab. Falls die Öffnungsblende von dem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf die interferometrische Objektivlinse verschoben wurde, weichen die Hauptstrahlen, die in Richtung auf das Messobjekt projiziert werden, nach außen ab. Diese Konfiguration kann den Winkel des Hauptstrahls, der auf das Messobjekt eines Oberflächenprofils projiziert wird, das nicht rechtwinklig zu der optischen Achse ist, einem rechten Winkel nähern. Ein optisches System, das diesen Vorteil nutzt, kann Licht, das von dem Messobjekt reflektiert wird, einfacher empfangen. Für den Fall des Messobjekts, das ein konvexes oder konkaves Oberflächenprofil aufweist, kann diese Konfiguration die Einschränkungen für den konvexen oder konkaven Krümmungsradius auflockern, der gemäß einem maximalen Neigungswinkel bestimmt wird, der für das Messobjekt zulässig ist und in dem die Objektivlinse reflektierte Strahlen empfangen kann.

(9) Bevorzugt ist ein konvexer Referenzspiegel zu verwenden, um ein konvexes Messobjekt zu messen, und ein konkaver Referenzspiegel ist zu verwenden, um ein konkaves Messobjekt zu messen. Diese Konfiguration ermöglicht eine derartige Steuerung, dass der Hauptstrahl jeweils auf das Messobjekt und den Referenzspiegel möglichst rechtwinklig projiziert wird. Dadurch kann die Objektivlinse den Strahl effizient empfangen, der jeweils von dem Messobjekt und dem Referenzspiegel reflektiert wird.
(10) Bevorzugt sollte sich ein Fokuspunkt einer bilderzeugenden Linse, die auf einem Lichtweg zwischen der Öffnungsblende und dem Bildgebungsmittel bereitgestellt wird, an der Öffnungsblende befinden, um eine Messung vorzunehmen. Die Anordnung des Fokuspunktes der bilderzeugenden Linse an der Öffnungsblende stellt eine Telezentrizität zwischen der bilderzeugenden Linse und dem Bildgebungsmittel sicher. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass Lichtbündel, die eine beliebige Stelle auf einer Bildfläche des Bildgebungsmittels erreichen, rechtwinklig auf die Bildfläche einfallen, und verhindert, dass die Lichtempfangseffizienz auf Grund eines schrägen Einfalls eines Lichtbündels abnimmt.
(11) Bevorzugt sollte sich ein Fokuspunkt einer Kollimatorlinse, die auf einem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Öffnungsblende bereitgestellt wird, an der Öffnungsblende befinden, um eine Messung vorzunehmen. Die Anordnung des Fokuspunktes der Kollimatorlinse an der Öffnungsblende verhindert, dass die Lichtmenge, die auf das Messobjekt projiziert wird, auf Grund einer Verschiebung der Öffnungsblende abnimmt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht, die eine beispielhafte Konfiguration eines gesamten Messgeräts zeigt, das eine Interferenzmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration der Interferenzmessvorrichtung, die einen Lichtweg umfasst, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3A bis 3C, wie eine Richtung der Hauptstrahlen durch das Bewegen einer Öffnungsblende entlang einer optischen Achse zu steuern ist;
4A bis 4B beispielhafte Zeichnungen, die jeweils abbilden, wie die Richtung der Hauptstrahlen durch das Bewegen einer Öffnungsblende entlang einer optischen Achse zu steuern ist;
5 ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Computersystems zeigt;
6 eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer herkömmlichen Interferenzmessvorrichtung zeigt, die einen Lichtweg umfasst;
7A und 7B Variationen der Richtung des reflektierten Lichts in Abhängigkeit von einer Neigung eines Messobjekts; und
8A bis 8C Variationen der Richtung des reflektierten Lichts in Abhängigkeit von der Form eines Messobjekts.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Messgerät 100, das eine Interferenzmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen erhalten Elemente, die mit denen der bereits beschriebenen Zeichnungen identisch sind, die gleichen Bezugszeichen, und ihre redundanten Beschreibungen entfallen.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration des gesamten Messgeräts 100 zeigt. Das Messgerät 100 umfasst ein kontaktloses Bildmessinstrument 110 und ein Computersystem 120 zum Antreiben und Steuern des Bildmessinstruments 110 und zum Ausführen der notwendigen Datenverarbeitung. Das Messgerät 100 kann ferner je nach Bedarf Vorrichtungen umfassen, wie etwa einen Drucker zum Drucken von Messergebnissen und anderen Daten.
Das Bildmessinstrument 110 umfasst ein Gestell 111, einen Probentisch (Objekttisch) 112, Trägerarme 113a und 113b, eine X-Achsen-Führungsstange 114 und eine Bildgebungseinheit 115. Mit Bezug auf 1 ist das Bildmessinstrument 110 auf einem Schwingungen absorbierenden Tisch 130 angeordnet, der auf dem Boden installiert ist. Der Schwingungen absorbierende Tisch 130 verhindert die Übertragung von Schwingungen vom Boden auf ein Messgerät auf dem Bett. Der Schwingungen absorbierende Tisch 130 ist ein Bett entweder aktiver oder passiver Art. Das Gestell 111 ist auf einer oberen Platte des Schwingungen absorbierenden Tisches 130 angeordnet. Der Objekttisch 112 zum Ablegen eines Messobjekts W ist auf dem Gestell 111 angeordnet, so dass eine Grundfläche, d. h. eine obere Seite des Objekttisches 112, parallel zu einer waagerechten Ebene ist. Der Objekttisch 112 wird von einem Y-Achsen-Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) in einer Y-Achsen-Richtung angetrieben. Somit ist das Messobjekt W in Bezug auf die Bildgebungseinheit 115 entlang der Y-Achse bewegbar. Die Trägerarme 113a und 113b sind an mittleren Abschnitten der beiden Seiten des Gestells 111 befestigt und erstrecken sich nach oben. Die X-Achsen-Führungsstange 114 ist an den Trägerarmen 113a und 113b befestigt, so dass die beiden oberen Enden der Arme 113a und 113b über die X-Achsen-Führungsstange 114 gekoppelt sind. Die X-Achsen-Führungsstange 114 trägt die Bildgebungseinheit 115. Der Bildgebungseinheit 115 wird von einem X-Achsen-Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) in einer X-Achsen-Richtung angetrieben.
Die Bildgebungseinheit 115 umfasst einen optischen Kopf 115a, um ein zweidimensionales Bild des Messobjekts W abzubilden, und einen interferometrischen optischen Kopf 115b, d. h. eine Interferenzmessvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um eine dreidimensionale Form des Messobjekts W über optische Interferenz zu messen. Unter Verwendung eines der beiden abnehmbaren Köpfe misst die Bildgebungseinheit 115 das Messobjekt W an einer Stelle, die von dem Computersystem 120 vorgegeben wird. Die Bildgebungseinheit 115 umfasst ferner Antriebsmittel (nicht gezeigt) des interferometrischen optischen Kopfes, die den interferometrischen optischen Kopf 115b entlang einer optischen Achse, d. h. einer Z-Achse, beim Empfang eines Bewegungsbefehls von dem Computersystem 120 bewegen.
Der optische Kopf 115a weist ein breiteres Blickfeld als der interferometrische optische Kopf 115b unter normalen Bedingungen auf. Das Computersystem 120 steuert das Umschalten zwischen den beiden Köpfen. Der optische Kopf 115a und der interferometrische optische Kopf 115b werden von einer gemeinsamen Trägerplatte getragen, so dass eine Positionsbeziehung zwischen den beiden Köpfen konstant bleibt. Die Kalibrierung erfolgt im Voraus, um sicherzustellen, dass sich die Koordinatenachse für die Messung vor und nach dem Umschalten nicht ändert.
Der optische Kopf 115a umfasst eine CCD-Kamera, einen Illuminator und einen Fokussiermechanismus und nimmt ein zweidimensionales Bild des Messobjekts W auf. Daten in den aufgenommenen zweidimensionalen Bildern werden in das Computersystem 120 übernommen.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration des interferometrischen optischen Kopfes 115b zeigt, der einen Lichtweg umfasst. Wie in 2 gezeigt, umfasst der interferometrische optische Kopf 115b eine Beleuchtungseinheit 10, einen Strahlenteiler 20, eine interferometrische Objektivlinse 30, eine bilderzeugende Linse 40, Bildgebungsmittel 50 und eine Öffnungsblende 61. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist die interferometrische Objektivlinse 30 mit dem Prinzip des Michelson-Interferometers kompatibel. Andere Ausführungsformen, die Mirau- oder Linnik-Objektivlinsen verwenden, können basierend auf ähnlichen Prinzipien ähnliche Effekte erzeugen.
Die Beleuchtungseinheit 10 umfasst eine Lichtquelle 11 und eine Kollimatorlinse 12. Die Lichtquelle 11 ist eine Breitband-Lichtquelle, die Licht emittiert, das einen geringen Kohärenzgrad und zahlreiche Wellenlängenkomponenten über einen breiten Frequenzbereich aufweist. Die Lichtquelle 11 ist beispielsweise eine Halogenlampe, eine Leuchtdioden-(LED)Lampe oder eine beliebige andere Weißlichtquelle. Die Kollimatorlinse 12 kollimiert Licht, das von der Lichtquelle 11 aus einfällt und projiziert einen kollimierten Lichtstrahl auf den Strahlenteiler 20. Der Strahlenteiler 20 empfängt den kollimierten Strahl, der von der Beleuchtungseinheit 100 in einer Richtung, die zu einer optischen Achse der interferometrischen Objektivlinse 30 (einer Objektivlinse 31) rechtwinklig ist, projiziert wird, und leitet den kollimierten Strahl in Richtung auf die interferometrische Objektivlinse 30 um, bevor er den Strahl sendet. Die interferometrische Objektivlinse 30 umfasst die Objektivlinse 31, einen Strahlenteiler 32 und einen Referenzspiegel 33. Der kollimierte Strahl, der von dem Strahlenteiler 20 aus auf die Objektivlinse 31 einfällt, wird in einen konvergenten Strahl umgewandelt. Der Strahlenteiler 32 teilt den konvergenten Strahl in einen Lichtstrahl, der in einem Referenzstrahlengang verläuft, und einen Lichtstrahl, der auf einem Messstrahlengang verläuft. Der Lichtstrahl, der entlang des Referenzstrahlengangs verläuft, konvergiert und wird von dem Referenzspiegel 33 reflektiert. Der reflektierte Strahl divergiert und tritt wieder in den Strahlenteiler 32 ein. Der Lichtstrahl, der entlang des Messstrahlengangs verläuft, konvergiert und wird auf das Messobjekt W projiziert. Der projizierte Strahl, der von dem Messobjekt W reflektiert wird, divergiert und tritt wieder in den Strahlenteiler 32 ein. Die reflektierten Strahlen, die auf den Strahlenteiler 32 einfallen, werden kombiniert und emittiert, bevor sie in einen kollimierten Strahl an der Objektivlinse 31 umgewandelt werden. Der kollimierte Strahl geht durch den Strahlenteiler 20 und tritt in eine bilderzeugende Linse 40 ein. Die bilderzeugende Linse 40 bewirkt, dass das kombinierte Licht (der Strahl, der von dem Messobjekt W reflektiert wird, und der Strahl, der von dem Referenzspiegel 33 reflektiert wird), konvergieren und ein Interferenzbild auf dem Bildgebungsmittel 50 erzeugen. Das Bildgebungsmittel 50 ist eine Bildgebungsvorrichtung, wie etwa eine CCD-Kamera, die aus einem zweidimensionalen Bildsensor besteht und ein Interferenzbild des kombinierten Lichts aufnimmt. Daten in dem aufgenommenen Bild werden in das Computersystem 120 übernommen. Die Öffnungsblende 61 wird auf einem Lichtweg bereitgestellt, der die interferometrische Objektivlinse 30, die Beleuchtungseinheit 10 und die bilderzeugende Linse 40 miteinander verbinden, und ist entlang der optischen Achse der interferometrischen Objektivlinse 30 bewegbar. Die Öffnungsblende 61 wird beispielsweise durch ein Öffnungsblenden-Antriebsmittel (nicht gezeigt) unter der Kontrolle des Computersystems 120 verschoben.
3A bis 3C bilden ab, wie eine Richtung der Hauptstrahlen (Strahlen, die durch die Mitte der Öffnungsblende 61 gehen) zu steuern ist, indem die Öffnungsblende 61 entlang einer optischen Achse 80 bewegt wird. 3A zeigt einen Fall, bei dem die Öffnungsblende 61 in einem ersten Fokuspunkt 65 der Objektivlinse 31 bereitgestellt wird. Dieser Fall bedeutet ein telezentrisches optisches System, bei dem ein Hauptstrahl 90, der durch die Objektivlinse 31 geht, zu der optischen Achse 80 parallel ist. Dagegen zeigt 3B einen Fall, bei dem die Öffnungsblende 61 von dem Fokuspunkt 65 in Richtung auf die Objektivlinse 31 verschoben wurde. Der geneigte Hauptstrahl 90, der durch die Objektivlinse 31 geht, nähert sich der optischen Achse 80 mit einer Verringerung des Abstands zwischen der Öffnungsblende 61 und der Objektivlinse 31. 3C zeigt einen Fall, bei dem die Öffnungsblende 61 von dem Fokuspunkt 65 in Richtung auf das Bildgebungsmittel 50 verschoben wurde. Der geneigte Hauptstrahl 90, der durch die Objektivlinse 31 geht, entfernt sich weiter von der optischen Achse 80 mit einer Verringerung des Abstands zwischen der Öffnungsblende 61 und dem Bildgebungsmittel 50.
Die optischen Systeme weisen die Eigenschaft auf, wie zuvor beschrieben, und ein optisches System, das die Eigenschaft nutzt, kann Licht, das von einem Oberflächenprofil eines Messobjekts W reflektiert wird, das zu einer optischen Achse nicht rechtwinklig ist, einfacher empfangen. Der Winkel eines Hauptstrahls, der auf ein Messobjekt W projiziert wird, kann einem rechten Winkel genähert werden, indem eine Öffnungsblende verschoben wird und die Richtung des Hauptstrahls gesteuert wird. Eine interferometrische Objektivlinse kann Licht, das von einem Messobjekt reflektiert wird, höchst effizient empfangen, falls ein Hauptstrahl von der interferometrischen Objektivlinse rechtwinklig auf das Messobjekt projiziert wird.
Beispielsweise für den Fall des Messobjekts W, das ein konvexes oder konkaves Oberflächenprofil aufweist, kann diese Ausführungsform die Einschränkungen für den konvexen oder konkaven Krümmungsradius auflockern, der gemäß einem maximalen Neigungswinkel bestimmt wird, der für das Messobjekt W zulässig ist und in dem die Objektivlinse 31 reflektierte Strahlen empfangen kann. Falls das Messobjekt W ein konvexes Oberflächenprofil aufweist, weicht Licht, das rechtwinklig von der Oberfläche des Messobjekts W reflektiert wird, im Verhältnis zu der optischen Achse 80 nach außen ab. Somit wird der Hauptstrahl 90 auf das Messobjekt W in einem Winkel projiziert, der nahe an einem rechten Winkel liegt, solange die Richtung des Hauptstrahls 90 derart gesteuert wird, dass sich der Hauptstrahl 90 der optischen Achse 80 nähert. Mit anderen Worten, wie in 4A gezeigt, wird dies erreicht, falls die Öffnungsblende 61 von dem Fokuspunkt 65 in Richtung auf das Bildgebungsmittel 50 verschoben wird. Diese Verschiebung kann den Winkel des Hauptstrahls 90, der auf das Messobjekt W projiziert wird, nahe an einen rechten Winkel bringen. Folglich ermöglicht es diese Ausführungsform der Objektivlinse 31, Licht zu empfangen, das von einem Messobjekt reflektiert wird, das einen kleineren konvexen Krümmungsradius aufweist, im Vergleich zu Fällen, bei denen die Richtung eines Hauptstrahls 90 nicht gesteuert wird. Falls das Messobjekt W ein konkaves Oberflächenprofil aufweist, weicht Licht, das rechtwinklig von der Oberfläche des Messobjekts W reflektiert wird, nach innen in Richtung auf die optische Achse 80 ab. Somit wird der Hauptstrahl 90 auf das Messobjekt W in einem Winkel projiziert, der nahe an einem rechten Winkel liegt, solange die Richtung des Hauptstrahls 90 derart gesteuert wird, dass sich der Hauptstrahl 90 von der optischen Achse 80 entfernt. Mit anderen Worten, wie in 4B gezeigt, wird dies erreicht, falls die Öffnungsblende 61 von dem Fokuspunkt 65 in Richtung auf die Objektivlinse 31 verschoben wird. Diese Verschiebung kann den Winkel des Hauptstrahls 90, der auf das Messobjekt W projiziert wird, nahe an einen rechten Winkel bringen. Folglich ermöglicht es diese Ausführungsform der Objektivlinse 31, Licht zu empfangen, das von einem Messobjekt reflektiert wird, das einen kleineren konkaven Krümmungsradius aufweist, im Vergleich zu Fällen, bei denen die Richtung eines Hauptstrahls 90 nicht gesteuert wird.
Eine Verschiebung der Position der Öffnungsblende 61 bewirkt, dass sich der Hauptstrahl 90 in Bezug auf die optische Achse 80 neigt. Eine Neigung des Hauptstrahls 90 in Bezug auf die optische Achse 80 findet auf dem Referenzstrahlengang und auf dem Messstrahlengang statt. Falls ein geneigter Hauptstrahl 90 auf einen flachen Referenzspiegel 33 einfällt, wird der Strahl in einer anderen Richtung gegenüber der Einfallsrichtung des Strahls reflektiert und die Objektivlinse 31 kann den reflektierten Strahl nicht effizient empfangen. Insbesondere falls ein Winkel, den der Referenzspiegel 33 mit einer Oberfläche bildet, die zu einer Einfallsrichtung des Hauptstrahls 90 rechtwinklig ist, breiter als ein maximaler Neigungswinkel ist, der für das Messobjekt W zulässig ist und in dem die Objektivlinse 31 reflektierte Strahlen empfangen kann, kann die Objektivlinse 31 den Strahl, der von dem Referenzspiegel 33 reflektiert wird, nicht empfangen. Eine Objektivlinse kann Strahlen, die von einem Referenzspiegel reflektiert werden, effizient empfangen, falls die Referenzmessvorrichtung in der Lage ist, entweder den Referenzspiegel durch einen anderen Referenzspiegel zu ersetzen, der eine andere Form aufweist, oder zwischen diesen Referenzspiegeln je nach der Position der Öffnungsblende umzuschalten, wobei jeder der Referenzspiegel ein Oberflächenprofil für den Empfang eines projizierten Hauptstrahls in einem Winkel, der nahe an einem rechten Winkel liegt, aufweist. Eine Konfiguration, die dieses Umschalten ermöglicht, kann beispielsweise Referenzspiegel aufweisen, die für jeweilige vorbestimmte Positionsbereiche der Öffnungsblende geeignet sind, und zwischen den Referenzspiegeln in Verbindung mit den vorbestimmten Positionen der Öffnungsblende umschalten.
Die Position einer Öffnungsblende wird in Abhängigkeit von dem Oberflächenprofil eines Messobjekts bestimmt. Anschließend wird ein Oberflächenprofil, das für einen Referenzspiegel bevorzugt wird, bestimmt. Da mit anderen Worten die Position der Öffnungsblende derart bestimmt wird, dass ein Hauptstrahl auf das Messobjekt möglichst rechtwinklig projiziert wird, sollte der Referenzspiegel ein Oberflächenprofil ähnlich wie das Oberflächenprofil des Messobjekts aufweisen, so dass der Hauptstrahl auf den Referenzspiegel möglichst rechtwinklig projiziert wird. Dadurch kann eine Objektivlinse den Strahl, der von jedem von dem Referenzspiegel reflektiert wird, effizient empfangen. Beispielsweise für den Fall eines konvexen Messobjekts wird es bevorzugt, dass die Öffnungsblende von dem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse neben dem Bildgebungsmittel in Richtung auf das Bildgebungsmittel verschoben wird, und dass ein konvexer Referenzspiegel verwendet wird. Für den Fall eines konkaven Messobjekts wird es bevorzugt, dass die Öffnungsblende von dem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse neben dem Bildgebungsmittel in Richtung auf die interferometrische Objektivlinse verschoben wird, und dass ein konkaver Referenzspiegel verwendet wird.
Die Anordnung der Öffnungsblende 61 in einem Fokuspunkt der bilderzeugenden Linse 40 stellt eine Telezentrizität zwischen der bilderzeugenden Linse 40 und dem Bildgebungsmittel 50 sicher. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass Lichtbündel, die eine beliebige Stelle auf einer Bildfläche des Bildgebungsmittels 50 erreichen, auf die Bildfläche rechtwinklig einfallen, und verhindert somit, dass die Lichtempfangseffizienz auf Grund eines schrägen Einfalls eines Lichtbündels abnimmt. Die Position der Öffnungsblende 61 weicht jedoch von dem Fokuspunkt der bilderzeugenden Linse 40 ab, falls die Öffnungsblende 61 verschoben wird, um die Richtung der Hauptstrahlen zu steuern. Um diesen Nachteil aufzuheben, wird es bevorzugt, dass die bilderzeugende Linse 40 eine Zoom- oder Variolinse ist, die beispielsweise eine Anpassung des Fokuspunktes ermöglicht. Diese Konfiguration ermöglicht eine Verschiebung des Fokuspunktes in die Position der Öffnungsblende 61 als Reaktion auf eine Verschiebung der Öffnungsblende 61 und bewahrt eine Telezentrizität zwischen der bilderzeugenden Linse 40 und dem Bildgebungsmittel 50. Der Fokuspunkt der bilderzeugenden Linse 40 wird beispielsweise unter der Kontrolle des Computersystems 120 verschoben.
Die Anordnung der Öffnungsblende 61 in einem Fokuspunkt der Kollimatorlinse 12 ermöglicht es der interferometrischen Objektivlinse 30, Licht von der Lichtquelle 11 höchst effizient zu empfangen. Die Position der Öffnungsblende 61 weicht jedoch von dem Fokuspunkt der Kollimatorlinse 12 ab, falls die Öffnungsblende 61 verschoben wird, um die Richtung der Hauptstrahlen zu steuern. Somit wird es bevorzugt, dass die Kollimatorlinse 12 eine Zoom- oder Variolinse ist, die beispielsweise eine Anpassung des Fokuspunktes ermöglicht. Diese Konfiguration ermöglicht eine Verschiebung des Fokuspunktes in die Position der Öffnungsblende 61 als Reaktion auf eine Verschiebung der Öffnungsblende 61 und lässt Licht von der Lichtquelle 11 effizient auf die interferometrische Objektivlinse 30 einfallen. Der Fokuspunkt der Kollimatorlinse 12 wird beispielsweise unter der Kontrolle des Computersystems 120 verschoben.
Das Antriebsmittel des interferometrischen optischen Kopfes bewegt den interferometrischen optischen Kopf 115b entlang der optischen Achse, d. h. der Z-Achse, während der Messung, um eine Länge des Messstrahlengangs derart anzupassen, dass der Längenunterschied der Lichtwege zwischen den Referenz- und Messstrahlengängen gleich null ist. Die Länge des Messstrahlengangs kann durch Verschieben des Objekttisches 112 angepasst werden. Alternativ kann eine Länge des Referenzstrahlengangs durch Verschieben des Referenzspiegels 33 entlang der optischen Achse mit einem piezoelektrischen Stellglied (nicht gezeigt) angepasst werden, so dass der Längenunterschied der Lichtwege gleich null ist.
Der interferometrische optische Kopf 115b wird entlang der optischen Achse durch das Antriebsmittel des interferometrischen optischen Kopfes unter der Kontrolle des Computersystems 120 verschoben und tastet Positionen entlang der optischen Achse ab, während er wiederholt ein Messobjekt anhand des Bildgebungsmittels 50 abbildet. Das Bildgebungsmittel 50 erfasst Interferenzbilder, die in den abgetasteten Positionen aufgenommen werden. Das Computersystem 120 übernimmt die Daten in diesen Bildern und detektiert eine abgetastete Position, in welcher der Spitzenstreifenkontrast in jedem Pixel in dem Blickfeld des Instruments zu finden ist, um eine Höhe (ein Niveau in der Z-Achsen-Richtung) an jedem Pixel einer Messfläche des Messobjekts W zu bestimmen.
Das Computersystem 120 umfasst eine Hauptcomputereinheit 121, eine Tastatur 122, einen Joystick (nachstehend als J/S bezeichnet) 123, eine Maus 124 und eine Anzeige 125.
Mit Bezug auf 5 umfasst die Hauptcomputereinheit 121 eine CPU 121a, d. h. einen zentralen Steuerteil, einen Speicherabschnitt 121b, einen Arbeitsspeicher 121c, die Schnittstellen 121d, 121e, 121f und 121g und einen Anzeige-Controller 121 für die Anzeige 125.
Befehle und Daten, die mit der Tastatur 122, dem J/S 123 oder der Maus 124 durch einen Bediener eingegeben werden, werden anhand der Schnittstelle 121d in die CPU 121a gegeben. Die Schnittstelle 121e ist mit dem Messinstrument 110 verbunden, und von der CPU 121a werden über die Schnittstelle 121e Steuersignale an das Messinstrument 110 gesendet. Diverse Statusdaten und Messergebnisse, die von dem Messinstrument 110 gesendet werden, werden über die Schnittstelle 121e in die CPU 121a gegeben.
Falls ein Bildmessmodus ausgewählt ist, empfängt der Anzeige-Controller 121h Bildsignale von der CCD-Kamera des optischen Kopfes 115a und zeigt ein Bild an, das aus den Signalen an der Anzeige 125 umgewandelt wird. Falls ein interferometrischer Messmodus ausgewählt ist, zeigt der Anzeige-Controller 121h ein Bild, das mit dem interferometrischen optischen Kopf 115b aufgenommen wird, CAD-Daten, Daten über ein dreidimensionales Profil, das mit dem interferometrischen optischen Kopf 115b gemessen wird, oder je nach Bedarf andere Daten an der Anzeige 125 unter der Kontrolle der CPU 121a an. Die Ergebnisse der Messung, die mit dem optischen Kopf 115a oder dem interferometrischen optischen Kopf 115b vorgenommen wird, können über die Schnittstelle 121f an einen Drucker ausgegeben werden. Falls eine externe Vorrichtung, wie ein CAD-System (nicht gezeigt), CAD-Daten (Design-Daten) über ein Messobjekt W bereitstellt, werden die Daten in ein vorbestimmtes Format umgewandelt und über die Schnittstelle 121g in das Computersystem 120 gegeben.
Der Arbeitsspeicher 121c stellt einen Arbeitsbereich für die CPU 121a bereit, um diverse Prozesse abzuarbeiten. Der Speicherabschnitt 121b besteht beispielsweise aus einem Festplattenlaufwerk und einem RAM und speichert Programme, die durch die CPU 121a abgearbeitet werden, Ergebnisse der Messung, die von dem Messinstrument 110 vorgenommen wird, und andere Daten.
Die CPU 121a arbeitet diverse Prozesse gemäß Anweisungen, wie etwa diversen Daten, die über die Schnittstellen eingegeben werden, Bedienerbefehlen und Programmen, die in dem Speicherabschnitt 121b gespeichert sind, ab. Diese Prozesse umfassen das Umschalten zwischen dem Modus der Bildmessung mit dem optischen Kopf 115a und dem Modus der interferometrischen Messung mit dem interferometrischen optischen Kopf 115b, das Vorgeben von Messbereichen, das Verschieben der Öffnungsblende 61, das Verschieben der Fokuspunkte der Kollimatorlinse 12 und der bilderzeugenden Linse 40, das Bewegen der Bildgebungseinheit 115 entlang der X-Achse, das Bewegen des Objekttisches 112 entlang der Y-Achse, das Abbilden von zweidimensionalen Bildern mit dem optischen Kopf 115a, und das Messen von Interferenzbildern und das Berechnen von dreidimensionalen Profildaten mit dem interferometrischen optischen Kopf 115b.
Einige Strukturelemente oder Funktionen einer Interferenzmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können je nach Bedarf miteinander kombiniert werden oder können geteilt werden. Der Umfang der vorliegenden Erfindung soll diverse Änderungen und Variationen der Ausführungsform umfassen, die in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung gezeigt wurden, ohne die Kernaussage der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Falls ein Messverfahren durch optische Interferenz gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Computer umgesetzt wird, sind die Arbeitsabläufe zum Umsetzen des Verfahrens in Programmen ausgedrückt. Diese Programme sind beispielsweise auf einem Festplattenlaufwerk gespeichert. Die notwendigen Programme und Daten werden in den Arbeitsspeicher (RAM) geladen, und die CPU auf dem Computer arbeitet die Programme ab, um die jeweiligen Arbeitsabläufe auszuführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-191118 A [0002]
JP 2003-232999 A [0005]

Claims

Interferenzmessvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht; eine interferometrische Objektivlinse, umfassend: einen Referenzspiegel, der in einem Referenzstrahlengang angeordnet ist; und einen Strahlenteiler, der konfiguriert ist, um das einfallende Licht in einen Strahl, der entlang des Referenzstrahlengangs verläuft, und einen Strahl, der entlang eines Messstrahlengangs verläuft, zu teilen, und der konfiguriert ist, um den Strahl, der von dem Referenzspiegel reflektiert wird, mit dem Strahl, der von einem Messobjekt reflektiert wird, das in dem Messstrahlengang angeordnet ist, zu kombinieren, bevor er die kombinierten Strahlen emittiert; Bildgebungsmittel zum Aufnehmen eines Bildes der kombinierten Strahlen, die sich darauf bilden; und eine Öffnungsblende, die auf einem Lichtweg angeordnet ist, der die interferometrische Objektivlinse, die Lichtquelle und das Bildgebungsmittel miteinander verbindet, wobei die Öffnungsblende entlang einer optischen Achse der interferometrischen Objektivlinse bewegbar ist.
Interferenzmessvorrichtung nach Anspruch 1, die in der Lage ist, entweder den Referenzspiegel durch einen anderen Referenzspiegel zu ersetzen, der eine andere Form aufweist, oder zwischen den Referenzspiegeln umzuschalten.
Interferenzmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Öffnungsblende von einem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf das Bildgebungsmittel beabstandet ist, wobei der Fokuspunkt an das Bildgebungsmittel angrenzt, und wobei der Referenzspiegel ein konvexer Spiegel ist.
Interferenzmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Öffnungsblende von einem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf die interferometrische Objektivlinse beabstandet ist, wobei der Fokuspunkt an das Bildgebungsmittel angrenzt, und wobei der Referenzspiegel ein konkaver Spiegel ist.
Interferenzmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine bilderzeugende Linse, die auf einem Lichtweg zwischen der Öffnungsblende und dem Bildgebungsmittel angeordnet ist, wobei die bilderzeugende Linse einen Fokuspunkt aufweist, der an eine Stelle der Öffnungsblende bewegbar ist.
Interferenzmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend eine Kollimatorlinse, die auf einem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Öffnungsblende angeordnet ist, wobei die Kollimatorlinse einen Fokuspunkt aufweist, der an eine Stelle der Öffnungsblende bewegbar ist.
Interferenzmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die interferometrische Objektivlinse eine von Michelson-, Mirau- und Linnik-Objektivlinsen ist.
Verfahren zur Messung durch optische Interferenz, wobei das Verfahren eine Interferenzmessvorrichtung verwendet, umfassend: eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht; eine interferometrische Objektivlinse, umfassend: einen Referenzspiegel, der in einem Referenzstrahlengang angeordnet ist; und einen Strahlenteiler, der konfiguriert ist, um das einfallende Licht in einen Strahl, der entlang eines Referenzstrahlengangs verläuft, und einen Strahl, der entlang eines Messstrahlengangs verläuft, zu teilen, und der konfiguriert ist, um den Strahl, der von dem Referenzspiegel reflektiert wird, mit dem Strahl, der von einem Messobjekt reflektiert wird, das in dem Messstrahlengang angeordnet ist, zu kombinieren, bevor er die kombinierten Strahlen emittiert; Bildgebungsmittel zum Aufnehmen eines Bildes der kombinierten Strahlen, die sich darauf bilden; und eine Öffnungsblende, die auf einem Lichtweg angeordnet ist, der die interferometrische Objektivlinse, die Beleuchtungseinheit und das Bildgebungsmittel miteinander verbindet, wobei die Öffnungsblende entlang der optischen Achse der interferometrischen Objektivlinse bewegbar ist, wobei das Verfahren das Verschieben der Öffnungsblende von einem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf das Bildgebungsmittel, um das Messobjekt zu messen, das eine konvexe Form aufweist, wobei der Fokuspunkt an die Bildgebungsmittel angrenzt, und das Verschieben der Öffnungsblende von dem Fokuspunkt der interferometrischen Objektivlinse in Richtung auf die interferometrische Objektivlinse, um das Messobjekt zu messen, das eine konkave Form aufweist, umfasst.
Verfahren zur Messung durch optische Interferenz nach Anspruch 8, ferner umfassend das Verwenden des Referenzspiegels in einer konvexen Form, um das Messobjekt zu messen, das eine konvexe Form aufweist, und das Verwenden des Referenzspiegels in einer konkaven Form, um das Messobjekt zu messen, das eine konkave Form aufweist.
Verfahren zur Messung durch optische Interferenz nach Anspruch 8 oder 9, ferner umfassend das Verschieben eines Fokuspunktes einer bilderzeugenden Linse, die auf einem Lichtweg zwischen der Öffnungsblende und dem Bildgebungsmittel angeordnet ist, an eine Stelle der Öffnungsblende, um eine Messung vorzunehmen.
Verfahren zur Messung durch optische Interferenz nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ferner umfassend das Verschieben eines Fokuspunktes einer Kollimatorlinse, die auf einem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Öffnungsblende angeordnet ist, an eine Stelle der Öffnungsblende, um eine Messung vorzunehmen.