JP2005530147A - 光路長および焦点を同時に走査する干渉光学システムおよび方法 - Google Patents

光路長および焦点を同時に走査する干渉光学システムおよび方法 Download PDF

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Abstract

種々の態様において、本発明は、光学測定面を合焦状態に維持（即ち、検出器と一致する光測定表面の画像を維持）しつつ、干渉測定システムにおいて撮像光学素子の焦点深度よりも大きな距離にわたって光学測定面を走査することができる走査干渉計測システムおよび方法を特徴とする。これを達成するには、例えば、基準ミラー（１３２）およびカメラ（１６４）を、同時に異なる変位量だけ移動させる。変位の比率は、撮像システムの倍率によって決定される。光学測定面とは、干渉計における検査光の経路内にある理論的検査面のことであり、検査光を反射して、検査光と基準光との間に光路長差（ＯＰＤ）を生じさせる。光路長差は、検出器全体としての定数に等しい。

Description

本発明は、光学的測定技術に関する。
（関連出願に対する相互参照）
本願は、２００２年６月１７日に出願され、「光路長および焦点の同時走査を行う干渉光学システム（ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＩＣ ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＹＳＴＥＭＳ ＨＡＶＩＮＧ ＳＩＭＵＬＴＡＮＥＯＵＳＬＹ ＳＣＡＮＮＥＤ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＡＴＨ ＬＥＮＧＴＨ ＡＮＤ ＦＯＣＵＳ）と題する仮特許出願第６０／３８９，７６２号の優先権を主張する。この内容全体を参照により本願に引用する。
表面の輪郭を検出する計器は、概略的に、接触型と非接触型に分類される。接触型では、スタイラスを用いて、機械的に表面上を移動させながら、これと物理的に接触させて、位置及び大きさを含む表面構造に関する情報を構築する。非接触型は、多くの場合光学に基づいており、プローブがスタイラスのように表面上で移動するが、表面には接触しないか、或いは、プローブが測定するよりも広い領域を一度に撮像するか否かに応じて走査型又は全領域型とすることができる。
表面輪郭検出の光学的測定技術は、２つの方式、即ち、干渉法および幾何学法に分けることができる。幾何学技法には、三角測量法およびモアレ縞分析が含まれ、ロンキー規則(Ronchi ruling)等の周期的構造の投影および撮像を伴う。幾何学的技法は、表面の粗さ及び変形には比較的不感応であるが、分解能が比較的低いので、表面輪郭を高精度で測定しなければならない用途には不向きである。
一方、干渉法は、光の波動性に基づいて、検査物体の表面輪郭を高精度で測定する。典型的な干渉計は、光ビームを生成する光発生器と、その後段にて、ビームを基準ビームおよび測定ビームに分割するビーム分割器とを含む。次に、基準ビームは、基準面で反射され、測定ビームは、表面の輪郭を検出すべき物体で反射される。基準面および測定面からの第１および第２反射波面は、次に、加算的および減算的双方で干渉しながら、互いに再結合して、検出器において干渉縞パターンを生成する。この縞パターンは、基準ビームおよび測定ビームが伝搬した経路間の光路差の関数となる。光路差は、基準ビームおよび測定ビーム間における伝搬光路差の結果として、位相差となる。固体カメラ等の撮像装置が、再結合した波面を受け取り、干渉縞パターンの画像を取得する。次いで、干渉縞模様を分析して、検査物体の表面輪郭に関する情報を得る。
表面輪郭測定法の縞パターン分析は、周知の移相干渉測定（ＰＳＩ：phase shifting interferometry）の技法によって実行されることが多い。ＰＳＩでは、撮像装置の第１画素と第２画素とによって撮像された表面上の位置間の高さの差を判定するには、最初に第１および第２画素において受光した光の間の位相差を判定し、次いでこの位相差を用いて高さの差を計算する。ＰＳＩの主要な利点は、非常に正確であることにある。ＰＳＩの垂直高さの精度は、測定を行うために用いる光源の光波長の端数（例えば、１／１００）である。ＰＳＩの第２の利点は、振動に対して高い不感特性があることである。この理由は、位相データは同時に全ての画素について取得するからであり、かつデータ取得時間が比較的短いからである。
しかしながら、一般的に言えば、従来のＰＳＩ手法は、隣接する測定部位間の高さのばらつき、即ち、「表面ずれ」が比較的小さい滑らかな表面でのみ、輪郭を検出できるに過ぎない（対処可能な最大高さ偏差は、±１／４波長）。何故なら、傾斜が鋭い表面上では、従来の干渉計は、その縞パターンからは意味のある情報を導き出すことができないような非常に高い縞密度を生じるからである。したがって、ＰＳＩ干渉測定法は、幾何学的光学輪郭測定法よりも遥かに正確であるが、粗い物体または目立った表面変形を有する物体で用いるには不向きであると従来では考えられていた。
ＰＳＩの１／４波長の制約がない干渉測定技法の１つに、いわゆる走査白色光干渉測定法、即ち、ＳＷＬＩがある。ＳＷＬＩでは、白色光源、更に一般的には、狭帯域スペクトルの光源（例えば、レーザ）とは逆の広帯域スペクトルの光源が干渉パターンを生成する。この干渉パターンは、走査位置の関数として、検査表面上の各位置にコントラストが高い領域を含む。所与の画素の高コントラストの走査位置は、検査表面上の対応する位置の高さを示す。したがって、これら高コントラスト領域の時間的特性を互いに比較することによって、輪郭を検出する表面上における２つの位置間の高さの差を判定することができる。ＰＳＩとは異なり、ＳＷＬＩは位相差に基づいて高さの差を計算せず、したがって、ＰＳＩの位相制約は、ＳＷＬＩには適用されない。よって、輪郭を検出する表面上における隣接測定部位間の最大物理的ずれは、ＳＷＬＩの方がＰＳＩよりもかなり大きくてもよい。
実施形態の中には、位相測定技法を用いてＳＷＬＩを改良し、不連続表面を測定可能でありながら、ＰＳＩと同じ分解能が得られるようにしたものもある。
計測を必要とする製造品目の例には、エンジン部品、磁気記憶素子用部品、フラット・パネル・ディスプレイ、成形織り目加工プラスチック表面、機械式ポンプの表面および封止部、ならびに鋳造貨幣が含まれる。これらおよびその他の産業市場では、非平坦柱状表面を有する部品の高速高精度計測法に対する要望が強く、また、その要望は大きくなり続けている。
種々の態様において、本発明は、光学測定面を合焦状態に維持（即ち、検出器と一致する光測定表面の画像を維持）しつつ、干渉測定システムにおいて撮像光学素子の焦点深度よりも大きな距離にわたって光学測定面を走査することができる走査干渉計システムおよび方法を特徴とする。光学測定面とは、干渉計における検査光の経路内にある理論的な検査表面のことであり、検査光を反射して、検査光と基準光との間に光路長差（ＯＰＤ）を生じさせる。これは、検出器全体としての定数に等しい。低コヒーレンス光源（例えば、広帯域光源）では、一定なＯＰＤは通例ゼロＯＰＤである。ある実施形態では、システムは、検出器の位置を動かすことによって、光学測定面の画像を合焦状態に維持する。代わりにまたは加えて、１つ以上の撮像光学素子を走査して、検出器から最も近い光学測定面の画像の位置を変化させることもできる。光学測定面を走査するには、通例、干渉計の基準区間内で光学素子を移動させて、検出器における基準光の経路長を変化させる。
焦点調節は、光路差走査全体を通じて、一定の物体倍率または物体における一定視界角マッピングのいずれかを保存するように構成することができる。焦点およびＯＰＤ走査の速度は、任意の比率即ち機能的関係を有し、コンピュータ制御によってプログラム可能であり、例えば、非１：１撮像により、焦点走査速度がＯＰＤ走査速度のそれとは異なるシステムの便宜を図ることができる。
実施形態は、テレセントリック光学素子を用いた、平面撮像用リニク干渉計、干渉計の基準アーム上に設けられたＯＰＤスキャナ、およびＣＣＤカメラ等の電子撮像装置を変位させることを伴う焦点走査を含む。この場合、焦点走査は、物体と画像との間の倍率を一定にして行うことができる。この構成の別の利点は、一定の倍率を維持しつつ、光学システムから部品表面までの作動距離が連続的に可変であることにある。
代替実施形態の１つは、非テレセントリック光学素子を用いて非平面、特に球面および円錐を測定する干渉計である。この場合、走査は、倍率が走査の間連続的に変化しながら、物体において一定の視界角が得られるように行う。ここでも、物体の表面は、独立した焦点およびＯＰＤ走査のために、走査の間中鮮明な合焦状態に維持している。
概して、一態様において、本発明は、検査光および基準光が共通光源から生成され、検査面から反射した検査光を撮像し、カメラ上において基準光と干渉させ、干渉パターンを形成すること、検査光および基準光の光路が、検査光を反射して、カメラ上において検査光と基準光との間に一定の光路長差（例えば、ゼロ光路長差）を生ずる理論的検査面に対応する光学測定面が規定され、光学測定面を検査面に対して走査すること、光学測定面の走査の間、カメラの位置を、当該カメラから最も近い光学測定面の画像に対して調節すること、を備える方法を特徴とする。
この方法の実施形態は、以下の特徴のいずれでも含むことができる。
光学測定面の画像に対するカメラの位置を、光学測定面の走査の間に調節し、検査光をカメラに撮像する際に用いる撮像システムの焦点深度内に光学測定面を維持することができる。
カメラの位置を光学測定面の画像に対して調節することは、カメラを移動させることを含むことができる。
カメラの位置を光学測定面の画像に対して調節することは、検査光をカメラに撮像する際に用いる少なくとも１つの構成部品を移動させることを含むことができる。例えば、カメラの位置を光学測定面の画像に対して調節することは、検査光をカメラに撮像する際に用いるテレスコピック・リレーを移動させることを含むことができ、テレスコピック・リレーの倍率は１に等しくない。
更に、前述の方法は、光学測定面走査の関数として、カメラによって干渉パターンの画像を記録することを含むことができる。
光学測定面を検査面に対して走査することは、光学測定面の局部的球面部の曲率半径を走査することを含むことができる。例えば、曲率半径を測定データ点に対して変動させることができる。また、撮像することは、検査光を測定データ点に向けて合焦することを含むことができる。例えば、測定データ点を検査表面の前方に位置付けることができる。
基準光は、カメラに達する前に、基準面から反射することもでき、光学測定面を検査面に対して走査することは、少なくとも基準面を移動させることを含む。基準面から反射する前に、基準光を基準焦点に向けて合焦させることもできる。例えば、基準焦点を基準面の前方に位置付けることができる。また、基準光は、基準面の湾曲部分から反射することができる。例えば、基準面は、基準光を反射して、基準焦点に戻すことができる。
更に、光学測定面を検査面に対して走査することは、基準焦点の位置を走査することを含むことができる。
また、基準光は、基準面の平面部分から反射することもできる。
共通光源はコヒーレント長を有することができ、光学測定面を、コヒーレント長よりも大きな範囲にわたって走査することができる。
共通光源は、コヒーレント長を有することができ、光学測定面を、コヒーレント長よりも小さな範囲にわたって走査することもできる。
検査光および基準光は、干渉計を用いて、共通光源から得ることができる。例えば、干渉計は、リニク干渉計またはミロー干渉計とすることができる。また、前述の方法は、更に、検査面の位置を、干渉計に対して調節することを含むこともできる。
概して、一態様において、本発明は、検査面から反射した検査光を撮像し、カメラ上において基準光と干渉させ、干渉パターンを形成するように構成され、検査光および基準光を共通光源から得る、干渉測定撮像システムを備え、検査および基準光の光路が、検査光を反射して、カメラ上においてそれと基準光との間に一定の光路長差（例えば、ゼロの光路長差）を生ずる理論的検査面に対応する光学測定面を規定し、干渉測定撮像システムは、光学測定面を検査面に対して走査するように構成された第１ステージと、光学測定面の走査の間、カメラの位置を、当該カメラから最も近い光学測定面の画像に対して調節するように構成された第２ステージとを備えている装置を特徴とする。
前述の装置の実施形態は、以下の実施形態のいずれでも含むことができる。
前述の装置は、更に、第１ステージおよび第２ステージと通信する電子コントローラを備えることができ、動作の間、電子コントローラは、第１ステージに、光学測定面を検査面に対して走査させ、第２ステージに、カメラに位置を、当該カメラから最も近い光学測定面の画像に対して調節させ、干渉撮像システムの焦点深度内に光学測定面を維持させることができる。
カメラを第２ステージ上に搭載することができ、動作の間、電子コントローラは、第２ステージに、カメラの位置を検査面に対して調節させ、光学測定面を干渉撮像システムの焦点深度内に維持させることができる。
干渉撮像システムは、更に、第２ステージ上に搭載された少なくとも１つの撮像部品を含むことができ、動作の間、電子コントローラは、第２ステージに、撮像部品の位置を検査表面に対して調節させ、光学測定面を干渉撮像システムの焦点深度内に維持させることができる。例えば、少なくとも１つの撮像部品は、第２ステージ上に搭載されたテレスコピック・リレーとすることができ、動作の間、電子コントローラは、第２ステージに、テレスコピック・リレーの位置を、検査面に対して調節させ、光学測定面を干渉撮像システムの焦点深度内に維持させることができる。テレスコピック・リレーの倍率は、１に等しくない。
電子コントローラは、カメラとも通信することができ、動作の間、電子コントローラは、カメラによって、光学測定面走査の関数として、干渉パターンの画像を記録することができる。
干渉撮像システムは、検査光を検査面に向かうように、および検査面から戻るように方向付ける測定光学素子と、基準光を基準面に向かうように、および基準面から戻るように方向付ける基準光学素子とを含むことができる。例えば、基準光学素子は検査光学素子と同一としてもよい。
基準面を第１ステージ上に装着することができ、動作の間、第１ステージは、基準面を並進させることによって、光学測定面を検査面に対して走査することができる。更に、基準光学素子も第１ステージ上に搭載することができ、動作の間、第１ステージは、基準光学素子および基準面を並進させることによって、光学測定面を検査面に対して走査することができる。例えば、基準面は、平面または曲面（例えば、球面）とすることができる。
基準光学素子は、基準光を基準焦点に向けて合焦する基準レンズを含むことができる。
測定光学素子は、測定光を測定データ点に向けて合焦する対物レンズを含むことができる。
光学測定面は、平面を含むことができる。
光学測定面は、局部球面を含むことができる。
光源は、広帯域光源とすることができる。
干渉測定システムは、検査光および基準光を共通光源から得るリニク干渉計を含むことができる。
干渉撮像システムは、検査光および基準光を共通光源から得るミロー干渉計を含むことができる。
前述の装置は、更に、検査面の位置を干渉撮像システムに対して調節するように構成された第３ステージを含むことができる。
本発明の実施形態は、１つ以上の以下の利点を有することができる。
広い範囲を走査しつつ光学測定面を合焦状態に維持することによって、大きな表面輪郭変動を有する表面の輪郭検出を行う際の使用を容易にすることができる。即ち、干渉計に対して検査部品の位置を調節する必要なく、広い検査面全域を走査することが可能となる。あるいは、または加えて、大きな開口数を有する、したがって焦点深度が小さい対物レンズを含むシステムを用いて、大きな表面輪郭変動を有する表面の輪郭を検出することができる。
一部の実施形態では、検査部品は干渉計に対して移動しない。これによって、部品の固定が一層容易になる。何故なら、固定具を干渉計のハウジングに直接取り付けることができるからである。また、これによって、部品の干渉計への機械的結合が強化され一層直接的になるため、振動に対する感度を低下させることができる。
ここで用いる場合、平均波長λ0を中心とし、幅Ｄ1（半波高全幅値）の帯域制限スペクトルに対する光源点の時間的コヒーレント長は、λ0 2／Ｄ1である。
ここで用いる場合、延長単色または疑似単色源の空間コヒーレンスは、光源が開口数ＮＡの平行化対物レンズの瞳を満たすような干渉計では、４λ／ＮＡ2である。満たされた瞳とは、Ｆが顕微鏡の対物レンズの焦点距離とすると、瞳における光源のサイズが少なくとも２ＦＮＡになることを意味する。光源が瞳よりも小さい場合、延長単色または疑似単色光源の空間コヒーレンスは、１６λＦ2／Ｄ2となる。ここで、Ｄは光源の直径である。
本発明の１つ以上の実施形態は、添付図面および以下の説明に明記されている。本発明のその他の特徴、目的、および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかとなろう。
種々の図面における同様の参照記号は、同様の要素を示すこととする。
図１を参照すると、平坦面を測定するために構成された干渉測定システムは、筐体１０５に収容されたセンサ１００を含む。センサ１００は、リニク干渉計と同様であり、１組の基準光学素子、この場合は基準レンズ１３０が、１組の測定光学素子、ここでは測定レンズ１４０と実質的に同一であり、色分散及び光学収差を一致させている。動作の間、センサ１００は、センサから離れて配置された検査部分の検査表面１０２の表面輪郭を干渉法によりに測定する。
センサ１００は、光源１１０、カメラ１６４、および多数の光学部品（以下で説明する）を含む。光源１１０、例えば、ハロゲン・バルブ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または超発光ダイオード（ＳＬＤ）等の低コヒーレンス光源は、照明光学素子１１８を通じて光をビーム・スプリッタ１２０に向けて射出する。ビーム・スプリッタ１２０は、この光を測定ビームと基準ビームとに分割する。基準ビームは、基準レンズ１３０を通って基準ミラー１３２に当たり、測定ビームは、測定レンズ１４０を通って検査表面１０２に当たる。基準ミラー１３２が、ＯＰＤ走査ステージ１３４上に取り付けられている。ＯＰＤ走査ステージ１３４は、基準レンズ１３０に対して基準ミラー１３２を走査する。基準レンズ１３０および測定レンズ１４０は双方とも焦点距離ｆを有する。基準ビームおよび測定ビームは、基準ミラー１３２および検査表面１０２からそれぞれ反射し、ビーム・スプリッタ１２０において再結合し、出力ビーム１１３としてカメラ１６４に向かって伝搬する。出力ビーム１１３は、図１では主光線１１１および周辺光線１１２によって表されている。基準ビームおよび測定ビームが異なる経路を通るので、出力ビーム１１３の基準ビーム成分と測定ビーム成分との間には、光路差（ＯＰＤ）が存在する。このＯＰＤは、通例、検査表面１０２の輪郭におけるばらつきによって、出力ビーム１１３の輪郭全域にわたって変動する。ＯＰＤが光源１１０の時間的コヒーレント長以内のとき、カメラ１６４が検出した出力ビームの強度は、出力ビーム１１３の基準成分と測定成分との間の干渉によって、ＯＰＤの関数として変動する。光源１１０が低コヒーレンス光源である実施形態では、これらの干渉の効果は、通例、ＯＰＤが０に近いところで発生する（例えば、波長が光源１１０のそれであり、ＯＰＤがゼロの数波長以内である場合）。測定ビームを反射して、カメラ上でそれと基準ビームとの間に一定の光路差長差を生ずる表面に対応する理論的な表面が、光学測定面１５２として示されている。この表面１５２は、本構成では、測定レンズ１４０の焦点面に配置されている。
センサ１００は、撮像レンズ１６０も含み、これは焦点距離が２ｆであり、測定レンズ１４０から３ｆ離れて位置しており、光学測定面１５２を平坦場画像１６２に撮像する。本構成では、部品表面１０２が、測定レンズ１４０の焦点面に位置し、光学測定面１５２と一致している。更に、カメラ１６４は、撮像レンズ１６０の焦点面に位置している。したがって、部品表面１０２および光学測定面１５２双方は、カメラ１６４において完全に合焦し、２倍に拡大されている。尚、この説明は光学測定面の画像、ここでは画像１６２について言及しているが、光学測定面と一致し光を反射して撮像光学素子に戻す表面がなければ、実際には画像は形成されない。光学測定面は単に理論的な面であるので、光学測定面の画像にもそれが言える。双方は、ここに開示する干渉測定システムの説明に役立つように考えられた抽象的な構成である。
部品表面１０２の輪郭を測定するためには、ＯＰＤ走査ステージ１３４は、基準ミラー１３２を基準レンズ１３０に対して並進させることによって、撮像光学素子（即ち、測定レンズ１４０および撮像レンズ１６０）の光軸上の位置に関して光学測定面１５２の位置を走査する。走査の間、センサ１００は、コンピュータ・データ取得制御部１９９の制御下にあり、制御部１９９は、カメラから電子強度データを受け取る。部品表面１０２の輪郭を判定する１つの手法では、測定プロセスは走査白色光干渉計のものと類似している。単一のカメラ画素のデータ集合の一例を図２に示す。これは、１つの画素において検出した出力ビームの相対的強度を、基準ミラー１３２の位置の関数として示している。図１に示す光源１１０がスペクトル的に広帯域で、例えば、６００ｎｍを中心として１００ｎｍのスペクトル帯域幅であると仮定すると、ゼロＯＰＤ位置周囲における干渉強度信号２１３の局在性は、干渉測定法の特徴を示している。縞の局在性によって、測定面が画像画素に対応する物点と交差する正確なときを判定する手段が得られる。走査動作は、センサ１００によって正確に制御されるので、いつ所与の物点がゼロＯＰＤになるかがわかれば、例えば、図１に示す主光線１１１の相対的長さに直接変換することができる。
低コヒーレンス光源を用いて表面の高さを判定する種々の技法のいずれでも適用することができる。例えば、第１画素についての干渉データが図２のように示され、縞コントラスト２１１におけるピーク２１２が０μｍの走査位置にあると仮定する。カメラ１６４の第２画素は、異なる走査位置、例えば、１０μｍにおいては、異なる縞コントラスト・ピークを有する場合がある。したがって、これらの画像画素に対応する２つの物点間のコントラスト・ピークの位置の差は、１０μｍとなる。このような実施形態では、データ処理は、例えば、コヒーレント包絡線検出または周波数ドメイン分析を含むことができる。コヒーレント包絡線検出は、例えば、ティ．ドレセル（Ｔ．Ｄｒｅｓｅｌ）および協同研究者による「コヒーレント・レーダによる粗い表面の三次元検知」（Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ ｒｏｕｇｈ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｂｙ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｒａｄａｒ）、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ３１（７）、９１９〜９２５頁（１９９２）に記載されている。周波数ドメイン分析の実施形態は、ピー．ディグルート（Ｐ．ｄｅＧｒｏｏｔ）の「干渉写真の空間周波数分析による表面形状測定方法および装置」（ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＳＵＲＦＡＣＥ ＴＯＰＯＧＲＡＰＨＹ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＢＹ ＳＰＡＴＩＡＬ−ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＡＮＡＬＹＳＩＳ おＦＩＮＴＥＲＦＥＲＯＧＲＡＭＳ）と題する米国特許第５，３９８，１１３号に記載されている。これらの引例双方の内容全体を参照により引用する。
再度図１を参照すると、走査の間、光学測定面１５２自体が移動するに連れて、光学測定面１５２の画像１６２の位置が移動する。実際、画像が２倍に拡大されているので、画像が移動する速度は、光学測定面１５２が移動する速度の４倍となる。一般に、光学測定面が平坦なセンサでは、相対的な焦点のＯＰＤ走査に対する比率は、撮像システムの倍率の二乗に比例する。光学測定面１５２の移動の結果、現在の配置では、光学測定面はもはやカメラ１６４に合焦しなくなる。図３を参照すると、光学測定面１５２を走査の間、合焦状態に維持するために、焦点走査ステージ１７０がカメラ１６４の位置を走査する。即ち、図３に示す構成では、合焦状態にある検査表面１０２の一部を、図１に示す構成において合焦状態にある検査表面１２０の一部と比較して、量δｚだけ変位させる。これによって、基準ミラー１３２はδｚだけ変位し、光学測定面１５２が検査表面１０２の適切な部分に確実に接触することになる。カメラ１６４を量δｚ’＝４δｚだけ変位させ、光学測定面１５２が確実に合焦状態に留まり、倍率が変化しないようにする。したがって、この場合、センサ１００は、基準ミラー１３２（および光学測定面）を走査する速度の４倍の速度で、カメラ１６４を走査することになる。つまり、光学測定面１５２の画像１６２は、ＯＰＤ走査の間、鮮明な合焦状態にありつつ、一定倍率を保持する。焦点走査ステージ１７０およびＯＰＤ走査ステージ１３４の変位速度間の比率は、プログラム可能であり、コンピュータ１９９によって制御される。
二重走査によって、光学測定面１５２を非常に広い範囲（例えば、光源１１０の時間的コヒーレンス長と比較して）にわたって走査することができ、倍率が代わることも、画像の焦点を失うこともない。
ある実施形態では、干渉測定システムを、非平坦表面、例えば、球体面および／または円錐面の輪郭を検出するように構成することができる。例えば、図４は、円錐状検査表面４０２の輪郭を検出するように構成されたセンサ４００を示す。前述のセンサ１００と同様、センサ４００は、リニク干渉計に類似しており、基準光学素子４３１は測定光学素子４４０と実質的に同じものであり、例えば、色分散および光学収差を一致させる。センサ４００の構成部品は筐体４０５内に収容されている。レンズ４４８および４４９を含む測定光学素子４４０、レンズ４２８および４２９を含む基準光学素子４３１、ならびに球面基準ミラー４３２を、球状光学測定面４５２を形成するように選択して配置する。レンズ４２９は、基準ビームを、レンズ４２８と一致する点に合焦する。測定光学素子４４０は、ビーム・スプリッタ４２０内部において光学測定面４５２の虚像を形成する。基準光学素子４４０および基準ミラー４３２は、ＯＰＤ走査ステージ４３４上に取り付けられており、ＯＰＤ走査ステージ４３４はこれらの光学素子および基準ミラーを並進させて、球面光学測定面４５２の曲率半径を変化させる。曲率半径は変化し得るが、球面光学測定面４５２はデータ点４５０に芯合せされているので、主光線４１１はデータ点４５０を通過する。この場合、データ点４５０は測定光学素子４４０の瞳でもある。光学測定面４５２は、空間におけるゼロＯＰＤ点の瞬時位置(locus)を表し、少なくとも実質的に光線角度の限られた範囲では、名目曲率半径において全ての点が合焦状態にある。
光源４１０（例えば、ハロゲン・バルブ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、超発光ダイオード（ＳＬＤ）等の低コヒーレンス光源）が、照明レンズ４１８およびビーム・スプリッタ４２０を通して、基準光学素子４３１および測定光学素子４４０双方に光を照射する。レンズ４５８および４５９を含む撮像光学素子４６０は、カメラ４６４上に、基準ミラー４３２および光学測定平面４５２と交差し測定光学素子４４０を通して光を反射または散乱し得るあらゆる最終的物点の平坦場画像４６２を形成する。これは、周辺光線４１２の経路によって示されている。カメラ４６４は、焦点走査ステージ４３０上に取り付けられており、焦点走査ステージ４３０はカメラ４６４を撮像光学素子４６０に向けて、そしてこれから遠ざかるように並進させる。
ＯＰＤ走査ステージ４３４によって基準ビーム経路長を調節することによって、膨らんでいる風船のように測定表面４５２の曲率半径が変化し、点データ４５０に関して光学測定面４５２の区域を効果的に走査し、その間データ点４５０はほぼ固定されたままでいる。
この場合、倍率は、光学測定面位置の関数として常に変化しており、一方、物体における視界角は走査の間一定である。図５および図６は、測定幾何を示している。図５は、センサの物体空間の（即ち、部分的表面４０２における）座標系を示し、一方、図６は画像空間の（即ち、カメラ４６４における）座標系を示す。図５に示すように、光学測定面４５２の曲率半径ｒを、データ点４５０を原点とするデカルト座標系に関して測定することができる。ｚ軸は撮像システムの光軸５０１と一致している。図５に示すように光軸５０１に対して視界角θを有する主光線（例えば、主光線５５１）は、半径ρ＝Ｐθにおける像点にマップする。ここで、Ｐは図６における画像区間６００によって示される定数であり、カメラ４６４の撮像領域６６２を示す。実施形態によっては、Ｐはρに依存する可能性もある。ρとθ（即ち、Ｐ）との間の関係は、例えば、光線追跡法を用いて求めることができる。光軸は、点６５０においてカメラと交差する。マッピングは方位角φに関して対称的である。倍率は走査の間常に変化する。何故なら、光学測定面の曲率半径ｒとは無関係に、同じ視界角θの光線が常にカメラ上で同じ半径ρに撮像されるからである。物体空間から画像空間へのマッピング、およびかかるマッピングを用いて取得したデータの分析方法は、２００２年７月３日に出願した、ピーター ディグロットその他（Ｐｅｔｅｒ ｄｅＧｒｏｏｔ ｅｔ ａｌ．）による「球面波面を用いた複雑表面形状の測定」（ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＯＦ ＣＯＭＰＬＥＸ ＳＵＲＦＡＣＥ ＳＨＡＰＥＳ ＵＳＩＮＧ Ａ ＳＰＨＥＲＩＣＡＬ ＷＡＶＥＦＲＯＮＴ）と題する米国特許出願第１０／１９０，３５３号に記載されている。この内容全体を参照により引用する。
これより図７を参照すると、検査表面４０２が、図４に示した部品の位置に対して、量δｚだけ変位している。この構成において検査表面４０２の輪郭を検出するために、ＯＰＤ走査ステージ４３４は、基準ミラー４３２および基準光学素子４３１を量δｚ”だけ並進させ、これによって光学測定面４５２の曲率半径をδｚ”だけ減少させ、検査表面４０２の一部７１１と接触させる。光学測定面４５２の半径が変化すると、画像４６２の位置が量δｚ’だけ変化する。この変化を吸収するために、焦点走査ステージ４３０はカメラ４６４を移動させ、それが画像４６２に一致したままとなり、光学測定面４５２がＯＰＤ走査の間中、鮮明な合焦状態にあり続けるようにする。
画像４６２の倍率が変化することにより、この場合のＯＰＤ走査速度と焦点走査速度との間の関係は、走査の間にカバーされる倍率の範囲によっては、非常に複雑となる可能性がある。しかしながら、カメラ４６４、基準光学素子４３１、および基準ミラー４３２の動きを組み合わせることによって、広範囲の倍率に対処し、適正な焦点を保持しつつ、（例えば、光源４１０の時間的コヒーレンス長に対して）非常に長い範囲にわたってＯＰＤを走査することが可能となる。走査の間、視界角は一定に維持されつつも、倍率は変化する。焦点を維持するために基準光学素子／ミラーに対してカメラを走査すべき速度は、例えば、較正検査部品を用いて、または光線追跡法を用いて実験的に決定することができる。
図８に示すように、ある実施形態では、基台８１２上に装着した剛性ピラー８２０に取り付けられたｚ−ステージ８１０上にセンサ４００を搭載する。円錐状検査表面８００を有する検査部品を、基台８１２に取り付けられている部品固定具８２２に装着する。ｚ−ステージ８１０は、センサ４００の垂直方向位置を制御し、センサ４００に検査表面８００の種々の直径を測定させる。各直径は、異なる曲率半径、焦点設定、ならびにカメラおよび基準光学素子の走査速度の比率で、光学測定面４５２と交差する。図８に示す構成は、測定幾何のいくつかの機能を推進しており、例えば、異なるｚ位置における２つ以上の直径の測定による円錐状検査表面８００の円錐角度の計算、および一連のｚ位置に対して画像セグメントを一緒に組み合わせる、即ち、編成する(stitch)ことによる円錐部分８００の表面全体の輪郭検出を含む。
前述の実施形態は全て、カメラの位置を走査して、光学測定面画像の焦点を維持したが、他の実施形態はそのように限定されることはない。概して、カメラに加えて、またはカメラの代わりに、センサの他の光学部品を動かして焦点を維持することができる。例えば、図９を参照すると、センサ４００は、カメラ４６４の代わりに撮像光学素子４６０を移動させて、焦点を維持するように構成されている。図９に示す実施形態では、カメラ４６４をセンサ・ハウジング４０５に対して固定し、撮像用光学素子４６０を焦点走査ステージ９１０上に搭載している。動作の間、焦点走査ステージ９１０は撮像光学素子４６０を移動させて画像４６２の焦点を維持し、ＯＰＤ走査ステージ４３４は光学測定面４５２の曲率反映を走査する。
焦点を維持するために必要な、カメラに対する結像の変位は、センサの倍率の関数である。図１０Ａ〜図１０Ｄを参照すると、この関係が、レンズ１０３０および１０４０を含む２Ｘ倍率テレセントリック・リレーについて例示されている。このリレーは、センサ１００における撮像システム（図１参照）、およびセンサ４００における撮像光学素子４６０（図９参照）と同等であり、ビーム・スプリッタ４２０内の虚像をカメラ４６４に撮像する。具体的に図１０Ａを参照すると、焦点距離Ｆおよび２Ｆをそれぞれ有するレンズ１０３０および１０４０が、物体１００１の画像空間において画像１０１０を形成する（例えば、センサ４００に関する虚像）。本構成では、物体１００１は、レンズ１０３０の焦点面上の位置であり、検出器１０２０はレンズ１０４０の物体空間内の焦点面上の位置である。したがって、画像１０１０は検出器１０２０と一致する。次に図１０Ｂを参照すると、物体１００１がレンズ１０３０の焦点面から量ｄだけ離れる方向に変位されている。これに応じて、画像１０１０は、物体１００１と同じ方向に、システムの倍率の二乗に比例する量だけ変位される。本システムは２Ｘの倍率を有するので、物体１０１０は４ｄだけ変位される。尚、これは、検出器を４δｚだけ変位させて光学測定面を合焦状態に維持した図３に示した構成と同等であることを注記しておく。図１０Ｃを参照すると、レンズ１０３０および１０４０をｄだけ変位させて画像１０１０を検出器１０２０に近づくように移動させるが、これは単に図１０Ａに示した構成全体の量ｄだけの並進に過ぎないので、物体も検出器の位置から量ｄだけ変位する。したがって、システムの倍率に起因する１対１ではない拡縮を考慮して、レンズの変位をｄよりも多くしなければならない。図１０Ｄを参照すると、レンズ１０３０および１０４０の変位を量（４／３）ｄにすることにより、画像１０１０を再度検出器１０２０上で合焦させている。より一般的には、倍率が１でないテレセントリック・アフォーカル光学系では、光学測定面の変位ｄに対応するには、光学素子を変位させる量は、
Figure 2005530147
 としなければならない。ここで、Ｍはシステムの倍率を示す。光学素子はテレセントリックであるので、倍率は、物体や画像の位置には関係なく一定である。一定角度マッピングの場合も同等であり、所与の視界角に対応するカメラにおける高さは、物体や画像の位置とは無関係である。
以上説明した実施形態は、低コヒーレンス干渉法に関するが、他の干渉測定技法も使用可能である。例えば、長時間コヒーレンス長光源（例えば、レーザ）を用いた干渉測定法も用いることができる。かかる技法の１つが移相干渉測定法（ＰＳＩ）である。ＰＳＩでは、検出した干渉信号の位相を、例えば、光源の波長を変化させることによって、または基準面の位置を微動させる(dither)ことによって変化させる。干渉信号の位相差は、波長または基準面位置の関数として、干渉計における全光路差に直接関係する。ＰＳＩでは、干渉画像を移相アルゴリズムにしたがって取得するので、干渉信号における各増分変化を、基準および測定波面間の既知の波長変化、またはそれらの間のＯＰＤ変化に関係付けることができる。ＰＳＩ技法の例は、ピーター ディグルートの「波長同調移相干渉法を用いて多数の反射面を有する物体の輪郭を検出する方法およびシステム」（ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＰＲＯＦＩＬＩＮＧ ＯＢＪＥＣＴＳ ＨＡＶＩＮＧ ＭＵＬＴＩＰＬＥ ＲＥＦＬＥＣＴＩＶＥ ＳＵＲＦＡＣＥＳ ＵＳＩＮＧ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ−ＴＵＮＩＮＧ ＰＨＡＳＥ−ＳＨＩＦＴＩＮＧ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ）と題する米国特許第６，３５９，６９２号、ミヒャエル キュヒェルその他（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｋｕｃｈｅｌ ｅｔ ａｌ．）の「移相干渉測定法のための装置および方法」（ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＰＨＡＳＥ−ＳＨＩＦＴＩＮＧ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ）と題する米国特許出願第１０／１４４，５２７号、およびレスリー エル． デック（Ｌｅｓｌｉｅ Ｌ． Ｄｅｃｋ）の「周波数変換移相干渉法」（ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＴＲＡＮＳＦＯＲＭ ＰＨＡＳＥ−ＳＨＩＦＴＩＮＧ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ」と題する米国仮出願第６０／３３９，２１４号において見出すことができる。尚、長時間的コヒーレンス長光源を用いる場合、光学測定面は一定であるがゼロでないＯＰＤに対応できる。
長波長（例えば、０．７５から１０μｍのような赤外線）干渉測定技法も、前述の方法およびシステムを利用することができる。可視波長または光を拡散的に反射する表面は、長い方の波長には鏡面のように作用する可能性がある。したがって、長波長光源を用いれば、粗い表面を特徴化することができる。勿論、長波長干渉法では、システム検出器および光学構成部品は、光源の波長でしかるべく動作するように選択するのは当然である。長波長干渉測定技法は、更に、シャビエル コロナ デ レガその他（Ｘａｖｉｅｒ Ｃｏｌｏｎｎａ ｄｅ Ｌｅｇａ ｅｔ ａｌ．）の「赤外線走査干渉測定装置および方法」（ＩＮＦＲＡＲＥＤ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ）と題する米国特許第６，１９５，１６８号に記載されている。
更に、前述の実施形態は、リニク型干渉計を含むが、他の種類の干渉計も同じ目的のために改造することができる。他の干渉計の例には、ミロー干渉計およびマッハ・ゼンダー干渉計が含まれる。
本発明の多数の実施形態について説明した。しかしながら、本発明の技術思想及び範囲から逸脱することなく、種々の変更も可能であることは理解されよう。したがって、他の実施形態も特許請求の範囲に該当するものとする。
干渉測定システムの一実施形態の概略図。 低コヒーレント光源を用いた単一カメラ画素の相対的強度対光路差のグラフ。 異なる構成とした図１の干渉測定システムの概略図。 干渉測定システムの別の実施形態の概略図。 図４に示す干渉測定システムの物体空間の座標系。 図４に示す干渉測定システムの画像空間の座標系。 異なる構成とした図４の干渉測定システムの概略図。 干渉測定システムの更に別の実施形態の概略図。 更に別の構成とした図４の干渉測定システムの概略図。 ２倍の倍率を持つシステムにおける物体および画像の位置の間の関係を示す概略図。 ２倍の倍率を持つシステムにおける物体および画像の位置の間の関係を示す概略図。 ２倍の倍率を持つシステムにおける物体および画像の位置の間の関係を示す概略図。 ２倍の倍率を持つシステムにおける物体および画像の位置の間の関係を示す概略図。

Claims (47)

  1. 方法であって、
    検査光および基準光が共通光源から生成され、検査面から反射した検査光を撮像し、カメラ上において基準光と干渉させ、干渉パターンを形成すること、前記検査光および基準光の光路が、前記検査光を反射して、前記カメラ上において前記検査光と前記基準光との間に一定の光路長差を生じさせるようなる理論的検査面に対応する光学測定面が規定され、
    前記光学測定面を前記検査面に対して走査すること、
    前記光学測定面の走査の間、前記カメラの位置を、当該カメラから最も近い前記光学測定面の画像に対して調節すること、
    を備える、方法。
  2. 請求項１記載の方法において、前記一定の光路長差は、ゼロの光路長差である、方法。
  3. 請求項１記載の方法において、前記光学測定面の画像に対する前記カメラの位置を、前記光学測定面の走査の間に調節し、前記検査光を前記カメラに撮像する際に用いる撮像システムの焦点深度内に前記光学測定面を維持する、方法。
  4. 請求項１記載の方法において、前記カメラの位置を前記光学測定面の画像に対して調節することは、前記カメラを移動させることを備える、方法。
  5. 請求項１記載の方法において、前記カメラの位置を前記光学測定面の画像に対して調節することは、前記検査光を前記カメラに撮像する際に用いる少なくとも１つの構成部品を移動させることを備える、方法。
  6. 請求項５記載の方法において、前記カメラの位置を前記光学測定面の画像に対して調節することは、前記検査光を前記カメラに撮像する際に用いるテレスコピック・リレーを移動させることを備え、前記テレスコピック・リレーの倍率が１に等しくない、方法。
  7. 請求項１記載の方法であって、前記光学測定面走査の関数として、前記カメラによって前記干渉パターンの画像を記録することを更に備える、方法。
  8. 請求項１記載の方法において、前記光学測定面を前記検査面に対して走査することは、前記光学測定面の局部的球面部の曲率半径を走査することを含む、方法。
  9. 請求項８記載の方法において、前記曲率半径は、測定データ点に対して変動する、方法。
  10. 請求項８記載の方法において、前記撮像することは、前記検査光を測定データ点に向けて合焦することを含む、方法。
  11. 請求項１０記載の方法において、前記測定データ点は、前記検査表面の前方に位置する、方法。
  12. 請求項１記載の方法において、前記基準光は、前記カメラに達する前に、基準面から反射し、前記光学測定面を前記検査面に対して走査することは、少なくとも前記基準面を移動させることを含む、方法。
  13. 請求項１２記載の方法において、前記基準面から反射する前に、前記基準光を基準焦点に向けて合焦させる、方法。
  14. 請求項１３記載の方法において、前記基準焦点は、前記基準面の前方に位置する、方法。
  15. 請求項１３記載の方法において、前記基準光は、前記基準面の湾曲部分から反射する、方法。
  16. 請求項１５記載の方法において、前記基準面は、前記基準光を反射して、前記基準焦点に戻す、方法。
  17. 請求項１３記載の方法において、前記光学測定面を前記検査面に対して走査することは、前記基準焦点の位置を走査することを含む、方法。
  18. 請求項１２記載の方法において、前記基準光は、前記基準面の平面部分から反射する、方法。
  19. 請求項１記載の方法において、前記共通光源はコヒーレント長を有し、前記光学測定面を、前記コヒーレント長よりも大きな範囲にわたって走査する、方法。
  20. 請求項１記載の方法において、前記共通光源は、コヒーレント長を有し、前記光学測定面を、前記コヒーレント長よりも小さな範囲にわたって走査する、方法。
  21. 請求項１記載の方法において、前記検査光および前記基準光を、干渉計を用いて、前記共通光源から得る、方法。
  22. 請求項２１記載の方法において、前記干渉計は、リニク干渉計である、方法。
  23. 請求項２１記載の方法において、前記干渉計は、ミロー干渉計である、方法。
  24. 請求項２１記載の方法であって、前記検査面の位置を、前記干渉計に対して調節することを更に備える、方法。
  25. 装置であって、
    検査面から反射した検査光を撮像し、カメラ上において基準光と干渉させ、干渉パターンを形成するように構成され、前記検査光および基準光を共通光源から得る、干渉撮像システムを備え、
    前記検査光および基準光の光路が、前記検査光を反射して、カメラ上においてそれと前記基準光との間に一定の光路長差を生ずる理論的検査面に対応する光学測定面を規定し、
    前記干渉測定撮像システムは、前記光学測定面を前記検査面に対して走査するように構成された第１ステージと、前記光学測定面の走査の間、前記カメラの位置を、当該カメラから最も近い前記光学測定面の画像に対して調節するように構成された第２ステージとを備える、装置。
  26. 請求項２５記載の装置において、前記一定の光路長差は、ゼロの光路長差である、装置。
  27. 請求項２５記載の装置であって、前記第１ステージおよび第２ステージと通信する電子コントローラを更に備え、動作の間、前記電子コントローラは、前記第１ステージに、前記光学測定面を前記検査面に対して走査させ、前記第２ステージに、前記カメラに位置を、当該カメラから最も近い前記光学測定面の画像に対して調節させ、前記干渉撮像システムの焦点深度内に前記光学測定面を維持させる、装置。
  28. 請求項２７記載の装置において、前記カメラを前記第２ステージ上に搭載し、動作の間、前記電子コントローラは、前記第２ステージに、前記カメラの位置を前記検査面に対して調節させ、前記光学測定面を前記干渉撮像システムの焦点深度内に維持させる、装置。
  29. 請求項２７記載の装置において、前記干渉撮像システムは、前記第２ステージ上に搭載された少なくとも１つの撮像部品を更に備え、動作の間、前記電子コントローラは、前記第２ステージに、前記撮像部品の位置を前記検査表面に対して調節させ、前記光学測定面を前記干渉撮像システムの焦点深度内に維持させる、装置。
  30. 請求項２９記載の装置において、前記少なくとも１つの撮像部品は、前記第２ステージ上に搭載されたテレスコピック・リレーであり、動作の間、前記電子コントローラは、前記第２ステージに、前記テレスコピック・リレーの位置を、前記検査面に対して調節させ、前記光学測定面を前記干渉撮像システムの焦点深度内に維持させる、装置。
  31. 請求項３０記載の装置において、前記テレスコピック・リレーの倍率が１に等しくない、装置。
  32. 請求項２７記載の装置において、前記電子コントローラは、前記カメラとも通信し、動作の間、前記電子コントローラは、前記カメラによって、前記光学測定面走査の関数として、前記干渉パターンの画像を記録する、装置。
  33. 請求項２５記載の装置において、前記干渉撮像システムは、検査光を前記検査面に向かうように、および前記検査面から戻るように方向付ける測定光学素子と、基準光を基準面に向かうように、および前記基準面から戻るように方向付ける基準光学素子とを備えている、装置。
  34. 請求項３３記載の装置において、前記基準光学素子は前記検査光学素子と同一である、装置。
  35. 請求項３３記載の装置において、前記基準面を前記第１ステージ上に装着し、動作の間、前記第１ステージは、前記基準面を並進させることによって、前記光学測定面を前記検査面に対して走査する、装置。
  36. 請求項３５記載の装置において、前記基準光学素子も前記第１ステージ上に搭載し、動作の間、前記第１ステージは、前記基準光学素子および前記基準面を並進させることによって、前記光学測定面を前記検査面に対して走査する、装置。
  37. 請求項３５記載の装置において、前記基準面は、平面である、装置。
  38. 請求項３５記載の装置において、前記基準面は、曲面である、装置。
  39. 請求項３８記載の装置において、前記基準面は、球面である、装置。
  40. 請求項３３記載の装置において、前記基準光学素子は、前記基準光を基準焦点に向けて合焦する基準レンズから成る、装置。
  41. 請求項３３記載の装置において、前記測定光学素子は、前記測定光を測定データ点に向けて合焦する対物レンズを備える、装置。
  42. 請求項２５記載の装置において、前記光学測定面は、平面を備えている、装置。
  43. 請求項２５記載の装置において、前記光学測定面は、局部球面を備えている、装置。
  44. 請求項２５記載の装置において、前記光源は、広帯域光源である、装置。
  45. 請求項２５記載の装置において、前記干渉撮像システムは、前記検査光および基準光を前記共通光源から得るリニク干渉計を備える、装置。
  46. 請求項２５記載の装置において、前記干渉撮像システムは、前記検査光および基準光を前記共通光源から得るミロー干渉計を備える、装置。
  47. 請求項２５記載の装置であって、更に、前記検査面の位置を前記干渉撮像システムに対して調節するように構成された第３ステージを備える、装置。
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