JP2006504095A - 複数の表面を測定するための２波長共焦点干渉計 - Google Patents

Abstract

走査型干渉計は、測定値のダイナミックレンジを広げるための波長が異なる２つの干渉計モジュール、複数の表面を測定するための複式プローブ及び複式プローブで測定された表面を弁別するための共焦点光学システムを用いる。複式プローブ内で、小型光学系が試験ビームを異なる試験表面に垂直に集束される２つの二次試験ビームに分ける。いずれの二次試験ビームも異なる波長を含む。別の干渉計が試験表面の絶対測定値を得るために複式プローブの移動をモニタする。

Description

本発明の実施のために構成することができるような光プローブを用いる干渉測定システムは、局在化された表面の構造、幾何学的表面形態及び全体寸法の測定を提供する。本発明は特に、粗さが幾何学的形態に対する許容度に近づく、円柱表面、円錐表面及び平坦表面の測定並びに個々の測定または比較測定を必要とする複数の表面を有する試験片の測定のいずれにも、適用できる。

多くの精密に製作されたコンポーネントに対する許容度は従来の接触測定手法の能力を越え続けている。光学的測定手法、特に干渉機構を用いる光学的測定手法は精度がさらに一層高い測定を提供する。しかし、試験が行われる表面の粗さは従来の干渉計に用いられる波長（すなわち可視または近赤外範囲の波長）の１/２をこえることが多い。従来の干渉計では測定波長の１/２より大きい表面構造を明瞭に測定することができない。より長い波長を用いることはできるが、そのような長波長を得るためのレーザは、可視または近赤外範囲の波長を得るために入手可能なレーザほど一般的ではなく、より高価である。製作された、複数の表面を有するコンポーネントには、個々の表面形態（例えば真円度及び直線性）の測定及び表面間の関係（例えばふれ及び垂直性）の測定のいずれもが必要なことがある。よせ集めた機器による表面のそれぞれの個別の測定または異なる測定値間の再較正は時間がかかり、比較を困難にし得る。

従来の粗さ測定法では測定が困難な粗さを有する、試験片の複数の表面の個々の測定または比較測定を実施するための手段を提供する。

本発明の好ましい実施形態の１つまたはそれより多くにおける干渉計は複合光プローブを用いる複数の表面の測定を提供する。プローブから放射される二次試験ビームが複数の表面を個別に測定する。共焦点光学システムが表面間で測定値を弁別する。二次試験ビームのそれぞれは異なる干渉計からの２つの基本光波長を含むことができる。２つの干渉計は、組み合された場合、従来のレーザによる粗い表面の測定に対して測定値のダイナミックレンジを大きく広げる。

本発明にしたがう試験片の複数の表面の測定のための例示的な干渉計は、相異なるが最後には相互に結合される経路に沿って試験ビーム及び基準ビームを送る試験アーム及び基準アームを備える。試験アーム内のビームスプリッタが試験ビームを第１及び第２の二次試験ビームに分ける。試験アーム内の共焦点光学システムの集束光学系が第１及び第２の二次試験ビームを別々の焦点に集束させる。

二次試験ビームのそれぞれは試験片の異なる表面を垂直入射で測定するようにされていることが好ましい。そうすれば、二次試験ビームの主軸が、異なる方向に向けられ得る、二次試験ビーム入射試験表面に垂直に向けられる。プローブ内の指向性光学系が二次試験ビームをそれぞれが目的とされる方位にある焦点に向ける。試験片の２つより多くの表面を測定するために、追加の二次試験ビームを試験アーム内で試験ビームから分けることができ、それぞれは異なる試験表面に対して垂直入射で焦点に向けられる。

試験表面は個別に連続して測定されることが好ましい。アクチュエータが２つまたはそれより多くの測定位置の間で試験片に対してプローブを相対的に移動させる。好ましい実施形態において、アクチュエータは試験片の２つの表面を測定するために２つの位置の間で可動である。２つの位置の内の第１の位置において、第１の二次試験ビームの焦点は試験片の第１の表面上に合せられ、第２の二次試験ビームの焦点は試験表面の第１及び第２の表面のいずれからも外される。２つの位置の内の第２の位置において、第２の二次試験ビームの焦点は試験片の第２の表面上に合せられ、第１の二次試験ビームの焦点は試験片の第１及び第２の表面のいずれからも外される。同様に、第３のまたはそれ以降の測定位置において、追加の焦点は番号順に別の試験片表面上に合せられ、残りの焦点は全ての試験表面から外される。

検出システムが、プローブが第１の位置におかれたときに基準ビームと第１の二次試験ビームの間の干渉信号を検出し、プローブが第２のまたはそれ以降の位置におかれたときに基準ビームと第２のまたはそれ以降の二次試験ビームの間の干渉信号を検出する。検出システムは試験表面の内の１つの上に集束されていない光を検出から排除する共焦点光学システムとともに配置されることが好ましい。集束光学系の焦点の共役点に二次試験ビームを再集束させるために共焦点光学システムの撮像光学系を用いることができる。撮像光学系の焦点近くの大きさが限定されたアパーチャが、それを介して共焦点光学システムの末端にある検出器により光が実効的に集められる焦点深度を制限する。試験表面のいずれもが（例えばわずか１０〜１００μｍだけ）焦点から外れていれば、反射光はわずかしか検出器に到達しない。アパーチャの大きさは、共焦点近くに絞りを配置するか、または同じ焦点近くに限定された寸法の検出器を配置することによって限定することができる。

平均粗さが近赤外範囲の波長の１/２に近づいている表面のような、粗い表面またはかなりの不連続性をもつ表面を測定するため、本発明は異なる基本光波長を有する２つのビームをつくるレーザ源を提供する。ビームスプリッタが、波長が異なるビームのそれぞれを試験ビーム及び基準ビームに分ける。別のビームスプリッタが、波長が異なる２つの試験ビームを結合して、２つの異なる波長を含む共通試験ビームにする。複数の二次試験ビームに分けられて２つの波長を含む二次試験ビームのそれぞれになるのは、この共通試験ビームである。

波長が異なる基準ビームのそれぞれは、２つの基準ビームが通過する光路長を制御するため、基準アームのそれぞれの基準遅延線に沿って伝搬することが好ましい。２つの基準遅延線は、干渉計の試験アームと基準アームの間で光路長を一致させるため、調節可能な光路長を有することが好ましい。試験アーム及び基準アームの光路長は試験アーム内に同様の路長調節機構を組み込むことによって一致させることもできる。

検出システムは、２対の試験ビームと基準ビームのそれぞれの間の干渉を個別に検出するために、第１及び第２の検出器アレイを有することが好ましい。第１及び第２のアレイのそれぞれの内の検出器は、試験ビームと基準ビームの第１及び第２の対のそれぞれの内の複数の位相シフト測定値を同時に検出するため、相対的に位相シフトされることが好ましい。同時位相シフト測定によって、それぞれの基本波長における試験ビームと基準ビームの間のより正確な位相差を識別することが可能になる。

正確ではあるが、２つの個々の波長の測定では、基本波長の１/２より大きな表面不連続性に対して曖昧な結果が生じる。しかし、本発明は、２つの異なる基本波長のいずれよりもかなり長い実効波長と等しくされた感度を有する集合干渉測定値をつくるため、第１及び第２の検出器アレイからの情報を結合するコントローラを提供する。集合測定値は、粗さが２つの基本波長の１/２を越える表面の測定に有用である。

アクチュエータは、試験片の２つの表面のそれぞれの上の複数の点を測定するためのプローブと試験片の間の相対運動システムの一部であることが好ましい。試験アーム及び基準アームのいずれもが、プローブとともに試験片に対して相対的に可動であることが好ましい。検出システムは、試験片に対する相対運動のため、試験アーム及び基準アーム並びにプローブとともに多軸ステージアッセンブリ上に搭載されることも好ましい。プローブと試験片の間の運動を相関させるため、基盤が試験片及び多軸ステージアッセンブリのいずれをも支持することが好ましい。多軸ステージアッセンブリと基盤の間の運動を変位測定干渉計が測定することが好ましい。変位測定干渉計からの情報は、相対運動システムのいかなる運動エラーも補償するため、または、絶対測定値を得るに必要な、残留する位相の曖昧さを分離するため、プローブを通してとられる干渉測定値と結合することができる。

走査型干渉計を用いて試験片の複数の表面を測定する本発明の好ましい方法は光ビームを試験ビームと基準ビームに分ける基本的な干渉計方式にしたがうが、さらに試験ビームを複数の二次試験ビームに分ける。複数の二次試験ビームは、試験片の異なる表面を個別に測定するため、異なる点に集束される。第１の試験片表面を測定するため、第１の二次試験ビームの焦点は試験片の第１の表面上に合せられ、第２のまたはそれ以降の二次試験ビームの焦点は試験片のそれぞれの測定表面から外される。第２のまたはそれ以降の試験片表面を測定するため、第２のまたはそれ以降の二次試験ビームの焦点は試験片の第２のまたはそれ以降の表面上に合せられ、第１のまたはその他の番号が前の二次試験ビームの焦点は試験片のそれぞれの測定表面から外される。プローブと試験片の間の相対運動が、（ａ）試験表面のそれぞれの上の複数の点を測定するために試験表面内で焦点を移動させるため及び（ｂ）順次する測定位置の間で焦点を移動させるためのいずれにも用いられる。

それぞれの測定位置において、二次試験ビームは試験片の表面上の焦点から背面反射される。背面反射された二次試験ビームは基準ビームとともに検出器近くに再集束されることが好ましい。それぞれの二次試験ビームと基準ビームの間の干渉信号が、どの二次試験ビームが試験片の表面の内の１つに焦点が合せられているかにしたがって、個別に検出される。

再集束される二次試験ビーム光はそれぞれの焦点の共役点に再集束される。共役面の近くの制限アパーチャが試験片の表面の内の１つに集束されていない二次試験ビームからの光を排除する。再集束された光を検出するための検出器は制限アパーチャの背面に配置され、制限アパーチャを通過する光だけを集めるように構成されることが好ましい。あるいは、狭い活性領域をもつ検出器を、焦平面の前方または後方に集束される光を排除する同様の制限アパーチャとして機能するように、共役焦平面の近くに配置することができる。背面反射された試験ビームは、検出器から離れたところでの基準ビームとの再結合の前に、制限アパーチャを通して再集束させることもできる。

共焦点光学手法は１つの表面を別の表面から弁別するために用いることができるが、２波長干渉法は、粗い表面またはかなりの不連続性をもつ表面に適合させるため、測定のダイナミックレンジを広げるために用いられることが好ましい。異なる基本波長を有する２つのコヒーレント光ビームがそれぞれ試験ビーム及び基準ビームに分けられる。波長が異なる試験ビームは試験ビームを複数の二次試験ビームに分ける工程に先立って結合され、よって複数の二次試験ビームのそれぞれが２つの異なる基本波長を含む。

背面反射経路に沿い、２つの基本波長は、基本波長のそれぞれの試験ビーム部分と基準ビーム部分の間の光路差を同時に測定するため、再び分けられる。干渉機構により表される光路差は焦点が合っている、一方または他方の試験表面上の個々の点の重畳測定値を与える。試験表面内の焦点の相対運動（例えば走査）により、表面を表す情報の蓄積が可能になる。両方の基本波長から検出される干渉情報は結合されて、２つの基本波長のいずれよりもかなり長い実効波長の１/２まで広がる、かなり広い範囲にわたる明確な測定値を示すことができる。

さらに、結合された２つの波長での干渉測定値に残留する曖昧さは、試験片の表面上に二次試験ビームの焦点を合せるに必要な、既知の基準点からの移動量を測定することによって分解することができる。例えば、変位測定干渉計を、親試験片に対して較正することができ、プローブを測定位置に移動させるに必要な追加の移動を追うために用いることができる。プローブの位置を知り、プローブに対する試験表面の位置を知ることによって、試験表面の絶対測定を行うことができる。

図１に示される例示的な走査型干渉計システム１０は、複数の内部表面を有する試験片１４を測定するための複式プローブ１２を備える。複式プローブ１２は多軸ステージアッセンブリ１６に取り付けられ、試験片１４はロータリーチャック１８に取り付けられる。基盤２０が複式プローブ１２と試験片１４の間の相対運動を相関させるために多軸ステージアッセンブリ１６及びロータリーチャック１８のいずれをも支持する。

多軸ステージアッセンブリ１６は、それぞれのモーターアクチュエータ２２及び２４によって駆動される、機械的直交ローラーベアリングステージ１６'及び１６''を介して、直交する２つの方向ＸおよびＺに平行移動可能であることが好ましい。モーターアクチュエータ２２及び２４はいずれも、エンコーダが一体化された、ブラシレス−スロットレスＤＣモーターであることが好ましい。複式プローブ１２は、マイクロコンピュータ２８のプログラム可能な指令の下に、モーターアクチュエータ２２及び２４のための通常の制御エレクトロニクスにより、所望の運動プロファイルに沿って多軸ステージアッセンブリ１６によって移動させられる。

ステージ移動は完全に平滑でも直線的でもないから、３軸変位測定干渉計３０が運動を監視するために用いられる。ステージ運動の２つの直交する方向Ｘ及びＹにおける平行運動並びに第３の直交方向に延びる軸の周りの回転運動を監視するための、変位測定干渉計３０の３つの測定アーム３２，３３及び３４が示される。２つの平行運動は測定アーム３２及び３３または３４によって測定される。回転運動は測定アーム３３と３４の間の差分測定によって測定される。測定アーム３２，３３及び３４は、低膨張ガラスでつくられるミラー３６，３７及び３８によってステージアッセンブリ１６に結合されることが好ましい。変位測定干渉計３０のための光源は周波数安定化ヘリウム−ネオンレーザ（図示せず）であることが好ましい。変位測定干渉計３０は、ステージ運動の変位誤差に加えて、直線性の誤差及び偏揺れを測定する。この誤差データはプローブプロファイル測定値からステージ運動誤差を取り除くために記録される。

プローブ１２は、元の整合を維持しながらプローブ１２の取外し及び再挿入または交換を可能にする、磁気予荷重がかけられたキネマティックブラケット１３にとりつけられることが好ましい。試験片１４を載せているロータリーチャック１８は、高解像度エンコーダが一体化された、直結ブラシレスＤＣモーター４２で動力が与えられる空気ベアリングスピンドル４０上で回転可能な液圧締めチャックであることが好ましい。測定中に変位測定干渉計からのデータを含むデータ収集にクロックをかけるために、スピンドルエンコーダからの直交信号が用いられる。残留傾き及び中心外れ誤差はプローブ測定値のソフトウエア解析によって取り除くことができる。

プローブ１２のための多軸ステージアッセンブリ１６及び試験片１４のためのロータリーチャック１８のいずれをも支持する基盤２０は花崗岩でつくられ、その上に多軸ステージアッセンブリ１６が支持される上載台座（図示せず）を有することが好ましい。ロータリーチャック１８は基盤２０を貫通する穴に取り付けられる。基盤２０の花崗岩構造は、外部振動源に対する不感性を高めるための空気圧絶縁フレーム（図示せず）によって支持されるクレードル（同じく図示せず）に一体化される。

２つの干渉計モジュール５０及び５２が多軸ステージアッセンブリ１６に搭載される。２つの干渉計モジュール５０及び５２は、ほとんどコヒーレントな光の異なる基本波長に適合される必要があることを除いて、同じであることが好ましい。いずれの基本波長も近赤外範囲内にあることが好ましい。例えば、干渉計モジュール５０は１５５０ナノメートル（ｎｍ）の波長λ_１で動作させることができ、干渉計モジュール５２は１３１０ナノメートル（ｎｍ）の波長λ_２で動作させることができる。干渉計モジュール５２及び５２のいずれも、平滑な部品を独立に測定することができるが、合せて解析されると、より粗い表面をより広いダイナミックレンジで測定することができる、かなり長い実効波長λ_ｅにおいて結合回折パターンがつくられる。実効波長λ_ｅは、

で与えられる。１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍの基本波長を代入すると８４６０ｎｍ、すなわちほぼ８.５マイクロメートル（μｍ）の実効波長λ_ｅが導かれる。２マイクロメートル（μｍ）程度の（５つの最高頂点と５つの最深底部を比較する）粗さＲｚをもつ表面は、ほぼ８.５マイクロメートル（μｍ）の実効波長λ_ｅにおいて容易に測定することができる。

干渉計モジュール５０だけを説明するが（図２参照）、示される特徴は、異なる基本波長λ_１及びλ_２に適合していることだけが違い、干渉計モジュール５０及び５２のいずれにも共通である。例えば、干渉計モジュール５０及び５２はいずれも、コヒーレントな直線偏光源として、分布帰還（ＤＦＢ）型固体レーザ５４を有することが好ましい。放射される光ビーム５６は、レンズアッセンブリ５８によってコリメートされ、１/２波長板６２を通る経路上の折返しミラー６０により第１の偏光ビームスプリッタキューブ６４に向けて反射される。光ビーム５６の４５°に直線偏光された部分は、第１の基準ビーム６８として、ビームスプリッタキューブ６４及び取り付けられている１/４波長板６６を真っ直ぐに通過する。光ビーム５６の残りの部分はビームスプリッタキューブ６４で反射されて、干渉計モジュール５０のシャッター付アパーチャ７４を通過する、第１の試験ビーム７２として、別の１/４波長板７０を通過する。

基本波長だけが異なる第２の試験ビーム７６が干渉計モジュール５２から出てくる。３つの折返しミラー７８，８０及び８２が２つの試験ビーム７２及び７６を合せて複式プローブ１２への経路をとる結合試験ビーム８６にする二色性ミラー８４に向ける。

図３及び４に示されるように、複式プローブ１２内において、結合ビームは、別のビームスプリッタキューブ９０で２つの二次試験ビーム９２及び９４に分けられる前に、共焦点光学システムの集束光学系８８によって再整形される。二次試験ビーム９２及び９４のそれぞれは基本波長λ_１及びλ_２のいずれをも含む。複式プローブ１２内に取り付けられた集束光学系８８は２つの二次試験ビーム９２及び９４を異なる焦点９６及び９８に集束させる（プローブ１２を複式プローブとするのはこの性質である）。焦点９８に到達する前に、二次試験ビーム９４は、二次試験ビーム９４を二次試験ビーム９２に対して角度をつけて向ける、プリズム１００（指向性光学系）によって折り返される。２つの二次試験ビーム９２及び９４は、試験片１４内の２つの回転体内部表面１０２及び１０４に垂直に向けられる。図３及び４の図示において、試験表面１０２は円筒の形状を有し、試験表面１０２は切頂円錐の形状を有する。

２つの試験表面１０２及び１０４は一度に１つずつ測定される。プログラマブル制御の下にある駆動モーターアクチュエータ２２及び２４を有する、相対運動システムが、試験表面１０２及び１０４の予想されるプロファイルを個別にトレースするために、複式プローブ１２を直交方向Ｘ及びＺに移動させる。駆動モーター４２が、表面の３次元走査を与えるために、回転体内部（試験）表面１０２及び１０４の共通軸１０６の周りで試験片１４を回転させる。特定の鈍角をなす角度で関係付けられて示されているが、２つの試験表面がなす角度は、試験表面の一方が円筒であり、他方が平坦である場合の直角を含む範囲内の、様々な相対角度とすることができる。

２つの試験表面１０２及び１０４を個別に測定するため、複式プローブ１２は、
二次試験ビーム９２の焦点９６が試験表面１０２上に合せられ、二次試験ビーム９４の焦点９８が試験表面１０２及び１０４のいずれからも外される第１の位置（図３参照）と、
二次試験ビーム９４の焦点９８が試験表面１０４上に合せられ、二次試験ビーム９２の焦点９６が試験表面１０２及び１０４のいずれからも外される第２の位置（図４参照）との間で可動である。

上記２つの位置のそれぞれの間で複式プローブ１２は相対的に平行移動され、試験片１４は試験表面１０２及び１０４の一方または他方の上のある範囲の点を走査するために相対的に回転させられる。

測定の過程で、試験表面１０２または１０４から背面反射された光は複式プローブ１２に再び入り、２つの干渉計モジュール５０及び５２への戻り経路をとる。２つの試験ビーム７２及び７６，結合試験ビーム８６並びに２つの二次試験ビーム９２及び９４の全経路は、本発明の走査型干渉計１０の試験アーム内で、干渉計モジュール５０及び５２の対応するビームスプリッタキューブ６４（１つだけを図示）と２つの焦点９６及び９８の間にある。試験ビーム７２及び７６のいずれもの例として、試験ビーム７２はビームスプリッタキューブ６４に入る前に１/４波長板７０に再び当たる。１/４波長板７０に２回当たることには、戻り試験ビーム７２がビームスプリッタキューブ６４によって反射されずにビームスプリッタキューブ６４を通過するように、偏光を回転させる効果がある。

干渉計モジュール５０及び５２のそれぞれは作動基準アームを有する。ビームスプリッタキューブ６４から出てくる基準ビーム６８は折返しミラー１０８で反射され、複反射プリズム１１２及び基準ビームのビームスプリッタキューブ６４への戻り経路上への背面反射を提供する基準モジュール１１４も備える、基準遅延線１１０に沿う。複反射プリズム１１２は、基準アームの光路長を試験アームの光路長と一致させるため、光軸に沿って相対方向Ａ_Ｒに調節可能である。基準モジュール１１４は、光軸を囲む光線範囲で光が受ける効果を試験アームと基準アームの間で一致させるため、複式プローブ１２の光学系をシミュレートする。

試験アーム及び基準アームの光路長は、公称上は、試験アームに路長調節を行うことによっても一致させることができる。例えば、干渉計モジュール５０及び５２は、第１及び第２の試験ビーム７２及び７６が通過する物理的路長を変えるため、多軸ステージアッセンブリ１６上で干渉計モジュール５０及び５２の位置を折返しミラー７８及び８２に対して調節することができる。

戻り基準ビームは１/４波長板６６に再び当たり、ビームスプリッタキューブ６４を通過せずに、ビームスプリッタキューブ６４から反射されて、試験ビーム７２と合せられる。試験ビームと基準ビームの結合ビーム１１８は、ビームスプリッタキューブ６４から別の１/２波長板１２０を通って、４５°直線偏光として出てくる。不要な波長を除去する干渉フィルタ１２２及び迷光を除去するアパーチャ絞り１２４が試験ビームと基準ビームの結合ビーム１１８の雑音を低減する。

３つのビームスプリッタキューブ１３０，１３２及び１３４のクラスターと組み合された共焦点光学システムの撮像光学系１２６が、それぞれの間で位相シフトが９０°ずつ大きくなる４つの検出器１３６，１３８，１４０及び１４２上に試験ビームと基準ビームの結合ビーム１１８の像をつくる。撮像光学系１２６のそれぞれの焦点は二次試験ビーム９２及び９４の焦点９６及び９８の共役点であることが好ましく、４つの検出器１３６，１３８，１４０及び１４２と一致することが好ましい。４つの検出器１３６，１３８，１４０及び１４２のそれぞれは、撮像光学系１２６の焦点にある大きさが限定されたアパーチャを通して光を受け取る。同時に、集束光学系８８及び撮像光学系１２６は、焦点の共役点に近づかない光を排除する、共焦点光学システムの両端として機能する。

焦点深度が異なる（例えば１０〜１００μｍの焦点深度）の光を排除するため、検出器１３６，１３８，１４０及び１４２はいずれも大きさが限定されたアパーチャ絞りとともに配置することができ、あるいは検出器１３６，１３８，１４０及び１４２自体を限定された大きさ（例えば１０〜１００μｍ）とすることができる。二次試験ビーム９２または９４の焦点９６または９８の１つだけが２つの測定位置のそれぞれにおいて試験片１４の試験表面１０２または１０４の１つの上にあるから、撮像光学系１２６により、２つの測定位置のそれぞれにおいて２つの二次試験ビーム９２または９４の１つだけからの光の検出が可能になる。すなわち、試験片１４の２つの試験表面１０２及び１０４のそれぞれを複式プローブ１２によって個別に測定することができる。

あるいは、試験ビーム７２または７６の一方または他方を基準ビームとは独立に再集束させるため、撮像光学系１２６をビームスプリッタキューブ６４より前に配置することができよう。試験表面１０２または１０４の１つの上の焦点９６または９８の１つから背面反射された光ではない光のさらなる伝搬を排除するため、絞りのような、制限アパーチャが撮像光学系１２６の共役点近くに配置されることが好ましい。

クラスター化されたビームスプリッタキューブ１３０，１３２及び１３４は、４つの検出器１３６，１３８，１４０及び１４２の間の９０°位相シフトを支援するため、位相板１４６及び１４８によって隔てられる。試験片１４の増分回転にタイミングを合せられたデータ収集システムが、試験表面１０２または１０４の一方または他方の上の個々の点における即時測定値を生成するため、２つの干渉計モジュール５０及び５２のそれぞれの４つの検出器１３６，１３８，１４０及び１４２の全てからのデータを、３軸変位測定干渉計からのデータとともに、同時に収集する。位相シフトされたデータにより、試験ビームと基準ビームの結合ビーム間の位相差のさらに一層精確な識別が可能になり、変位データは、試験表面１０２及び１０４の測定されたプロファイルに沿い、データ点を改善された正確度と結びつける。２つの干渉計モジュール５０及び５２からの位相データは、そうでなければ曖昧な結果をもたらすであろう粗さまたはその他の表面不連続性を有する試験表面に適合させるためのより広いダイナミックレンジをもつ測定値を得るために、結合することができる。

干渉計モジュール５０及び５２はいずれも試験表面１０２及び１０４のいずれかの上の同じ点を同時に測定する。したがって、２つの干渉計モジュールの波長λ_１及びλ_２より長い実効波長λ_ｅにおける測定値を得るために、位相情報を直接に結合することができる。より長い実効波長λ_ｅによって、２つの干渉計モジュール５０及び５２からの位相情報を、より広い表面変化範囲にわたり明確に分解することが可能になる。

図示されるプローブ１２は結合試験ビーム８６を２つの二次試験ビーム９２及び９４に分けるが、試験片１４の円筒表面１０２，切頂円錐表面１０４及び平坦表面１０３のような、試験片の３つまたはそれより多くの表面を同様に測定するため、結合試験ビームを３つまたはそれより多くの二次試験ビームに分けるための別の指向性光学系を有するように構成することができよう。多軸ステージアッセンブリ１６上に２つの干渉計モジュール５０及び５２を搭載する代わりに、干渉計モジュール５０及び５２をステージアッセンブリ１６とは独立に取り付け、単一モード光ファイバのような、可撓性光結線によって複式プローブ１２に接続することができよう。

本発明の新規な方法は、異なる基本波長を有する実質的にコヒーレントな光の２つのビーム（例えばビーム５６）をつくることによって実施されることが好ましい。２つの基本波長は、適するレーザ源が遠距離通信分野用として容易に入手可能である、近赤外範囲にあることが好ましい。波長が短くなるほどスペックルパターンが生じ易くなり、一般に、波長が長くなるほどより高価なレーザ源が必要となる。

波長の異なるビーム５６のいずれもが試験ビーム７２及び７６並びに基準ビーム６８に分けられる。２つの試験ビーム７２と７６は結合され、後に、それぞれがいずれの基本波長も含む、第１及び第２の二次試験ビーム９２及び９４に分けられる。試験片１４の２つの異なる表面１０２及び１０４を個別に測定するため、共通の集束光学系８８が第１及び第２の二次試験ビーム９２及び９４を異なる焦点９６及び９８に集束させる。

図３に示されるように、第１の二次試験ビーム９２の焦点９６は試験片１４の表面１０２上に合せられ、第２の二次試験ビームの焦点９８は試験表面１０２及び１０４のいずれからも外される。試験表面１０２上への焦点９６の正確な位置決めは、２つの干渉計モジュール５０または５２のいずれかの内部で変調（コントラスト）または強度を位置の関数としてモニタし、最大変調または最高強度の位置を選ぶことによって達成できる。集束光学系８８及び撮像光学系１２６が、試験表面１０２または１０４の１つから離れる焦点９６または９８のいずれに対しても、変調及び強度のいずれをも急速に減衰させる。

第１の二次試験ビーム９２の焦点９６が試験表面１０２内で移動させられ、その間に、検出器１３６，１３８，１４０及び１４２を有するデータ収集システムが試験表面に関する高さ情報を一点毎に収集する。焦点９６が試験表面１０２の所望の回転プロファイルに沿って平行移動させられている間、試験片１４の回転にデータ収集のタイミングが合せられることが好ましい。直径が３.５ミリメートル（ｍｍ）の内部表面を測定するための代表的な速度は、１回転当りの平行移動が４〜５０μｍの場合に毎分６００回転である。データ点は一般にほぼ２００〜１０００×１０２４のアレイで収集され、ここで、行は平行移動の増分に対応し、列は回転の増分に対応する。もちろん、より多くのまたはより少ない点を上記のまたは別の速度で収集することができる。

図４に示されるように、試験表面１０４上に第２の二次試験ビーム９４の焦点９８を合わせ、第１の二次試験ビーム９２の焦点９６は試験表面１０２及び１０４のいずれからも外すことにより、他方の試験表面１０４が測定される。焦点９８を試験表面１０４上に合せるために同様のモニタ手法を用いることができ、対応するデータアレイを収集するために試験表面１０４内で焦点９８を走査するため、同様の相対運動（例えば回転及び平行移動）の組合せを用いることができる。

２つの測定位置のそれぞれにおいて、試験表面１０２または１０４の１つから背面反射された光は基準ビーム６８とともに検出器１３６，１３８，１４０及び１４２上に再集束される。基準ビーム６８と第１及び第２の二次試験ビーム９２及び９４との間の干渉信号（すなわち位相差）が、二次試験ビーム９２または９４のどちらの焦点が試験表面１０２または１０４の１つの上に合せられているかにしたがって、個別に検出される。基準ビーム６８の光路長は、温度の変化またはレーザ波長の揺らぎにより生じる位相変動を除去するため、試験アームと基準アームの間で光路長が公称上等しくなるように調節可能であることが好ましい。試験アーム及び基準アームの光路長は試験アームに同様の調節を行うことによって公称上一致させることもできる。

再集束は、試験表面１０２または１０４の１つの上に焦点が合せられていない二次試験ビーム９２または９４からの光を検出から排除するための、再集束光のアパーチャ寸法の制限を含む。それ自体のアパーチャ寸法を制限することができる検出器１３６，１３８，１４０及び１４２を、２つの二次試験ビーム９２及び９４の焦点９６及び９８の共役点に配置することが好ましい。

検出器１３６，１３８，１４０及び１４２は、それぞれが２つの基本波長の内の１つの干渉特性を測定するための、２つのグループに構成されることが好ましい。それぞれのグループ内の検出器は、異なる基本波長を有する、試験ビームと基準ビームのいずれの対の間の位相シフト干渉信号も同時に検出するために位相的に隔てられる。４つの検出器１３６，１３８，１４０及び１４２は、それぞれのグループの中で９０°の増分で位相シフトされることが好ましい。位相情報の弁別により低いかまたはより高い正確度を与えるために、３つしかないかまたは４つより多い検出器を用いることができる。

検出器１３６，１３８，１４０及び１４２の２つのグループのそれぞれからの位相情報は、基本波長λ_１及びλ_２の１/２に相当する限定された範囲にわたる、試験表面１０２または１０４の変化に関する正確な情報を提供する。しかし、検出器１３６，１３８，１４０及び１４２の２つのグループからの同時位相情報は、より長い実効波長λ_ｅの１/２まで位相の曖昧さを分解する付加的位相情報を得るために結合することができる。

２つの二次試験ビーム９２または９４の一方または他方からの位相変化に関する情報の収集に加えて、焦点９６及び９８と試験片１４の間の相対運動に関する情報も収集される。二次試験ビーム９２または９４からの情報と同時に収集される付加情報は所望の相対運動経路からの偏差を含む。二次試験ビーム９２または９４の位相変化と組み合された相対運動偏差から、所望の相対運動経路からの試験表面変化の正確な測定値が得られる。

上記の測定値にマイクロプロセッサ２８により、粗さ、ふれ、同心性及び傾きを含む、形状及び寸法のいずれの測定値も引き出すために、通常のデータ解析を適用することができる。中心ずれ及び傾きのような、試験片１４の取り付け及び回転に関係する誤差は、通常の解析手法によって取り除くことができる。ふれ、同心性及び垂直性のような、２つの表面１０２と１０４の間の相互関係測定を行うこともできる。通常のインターフェースを提供するため、ワークステーション４４，プリンタまたはＣＲＴのような出力デバイス４６及びハードディスクまたは光ディスクのような記憶装置４８がマイクロプロセッサ２８に接続される。

プローブプロファイル測定値からのステージ運動誤差の除去に加えて、試験片１４の絶対測定値を得るために、結合された２つの干渉計モジュール５０及び５２の測定値の実効波長λ_ｅにおいて位相の曖昧さを２πを法として分解するためにも、変位測定干渉計３０を用いることができる。変位測定干渉計３０は寸法が既知の親試験片に対して較正することができ、寸法（例えば直径）が既知の親試験片の表面から試験表面１０２または１０４の内の１つの上の位置に焦点９６または９８を移動させるに必要な追加の相対運動を測定することができる。親試験片の既知の寸法を測定点へのプローブ１２の追加の相対運動と組み合せれば、結合された２つの干渉計モジュール５０及び５２の測定値の実効波長λ_ｅにおける位相の曖昧さを２πを法として分解するに十分な正確度の範囲内で試験片１４の絶対測定値が得られる。

先に説明したように、プローブ１２は、プローブ１２を通してなされる干渉測定の共焦点性を利用することにより、精確な測定位置に移動させられる。干渉信号の変調（コントラスト）及びプローブ１２から検出器１３６，１３８，１４０及び１４２に戻る光の強度はいずれも、焦点９６または９８のいずれかが試験表面１０２または１０４の１つから離れるとともに急速に減衰する。多軸ステージアッセンブリ１６は、最高の変調または強度が検出される測定位置にプローブ１２の位置を定めるために調節することができ、変位測定干渉計３０が、より精確な干渉測定がそこからなされる、上記の測定位置の絶対位置を追う。

試験表面１０２及び１０４の精確な絶対測定は段階的になされ得る。較正された変位測定干渉計３０から収集された情報が、結合された２つの干渉計モジュール５０及び５２の測定値の実効波長λ_ｅにおける位相の曖昧さを２πを法として分解し、実効波長λ_ｅにおける結合された２つの干渉計モジュール５０及び５２の測定値から収集された情報が、２つの干渉計モジュール５０及び５２の基本波長λ_１またはλ_２のいずれかまたは両者における位相の曖昧さを２杯を法として分解する。基本波長λ_１またはλ_２の大きさの範囲内で、絶対測定値の精度をさらにこえる精度で干渉信号の位相を正確に識別するために、複数の検出器１３６，１３８，１４０及び１４２による位相シフト測定値の同時検出に基づく手法のような、通常の位相シフト手法を用いることができる。

多軸ステージアッセンブリ上に搭載された２つの干渉計モジュール５０及び５２が示されているが、２つのモジュール５０及び５２を多軸ステージアッセンブリ１６とは独立に取り付けて、可撓性が高い光結線によりプローブ１２に接続することもできる。例えば、２つのモジュール５０及び５２は光ファイバによりプローブ１２に接続することができよう。

環境調節のため、２つの個別の筐体（いずれも図示せず）が用いられる。制御エレクトロニクスが筐体の１つに収められ、プローブ１２からロータリーチャック１８までの光学及び電気機械コンポーネントが別の筐体に収められる。環境制御システム（図示せず）は、固体熱電気冷却器及び加熱器、ブロワーアッセンブリ並びに筐体全体にわたって配置される制御及び監視エレクトロニクスを備えることができる。光及び電気機械コンポーネントの筐体内の温度は０.２５℃の範囲内で維持されることが好ましい。

本発明にしたがう例示的な走査型干渉計システムの略図である 測定範囲を広げるために走査型干渉計内で結合される２つの異なる波長の干渉計の内の１つのレイアウトを示す別の略図である ２つの二次試験ビームの内の、試験片の２つの内部表面の内の一方に垂直入射で集束される第１のビームを送るための、第１の位置にあるプローブの大きく拡大された断面図である ２つの二次試験ビームの内の、試験片の２つの内部表面の内の他方に垂直入射で集束される第２のビームを送るための、第２の位置にある同じプローブの大きく拡大された断面図である

符号の説明

１０ 走査型干渉計システム
１２ 複式プローブ
１３ キネマティックバスケット
１４ 試験片
１６ 多軸ステージアッセンブリ
１６'，１６'' ローラーベアリング
１８ ロータリーチャック
２０ 基盤
２２，２４ モーターアクチュエータ
２６ 制御エレクトロニクス
２８ マイクロコンピュータ
３０ ３軸変位干渉計
３２，３３，３４ 測定アーム
３６，３７，３８ ミラー
４０ 空気ベアリングスピンドル
４２ ブラシレスＤＣモーター
４４ ワークステーション
４６ 出力デバイス
４８ 記憶装置
５０，５２ 干渉計モジュール
７２，７６ 測定ビーム
７８，８０，８２ 折返しミラー
８４ 二色性ミラー
８６ 結合試験ビーム

Claims (15)

1. 試験片の第１及び第２の表面を順次に測定するための走査型干渉計において、
   試験光ビーム及び基準光ビームを送る試験アーム及び基準アーム、
   前記試験ビームを第１及び第２の二次試験ビームに分ける、前記試験アーム内のビームスプリッタ、
   前記第１及び第２の二次試験ビームを異なる集束点に集束させる、前記試験アーム内の集束光学系、
   前記第１及び第２の二次試験ビームを前記異なる集束点に送る、前記試験アーム内の複合プローブ、
   前記第１の二次試験ビームの前記集束点の位置が前記試験片の前記第１の表面上に定められ、
   前記第２の二次試験ビームの前記集束点の位置が前記試験片の前記第１及び第２の表面のいずれからも外される、
   第１の位置と、
   前記第２の二次試験ビームの前記集束点の位置が前記試験片の前記第２の表面上に定められ、
   前記第１の二次試験ビームの前記集束点の位置が前記試験片の前記第１及び第２の表面のいずれからも外される、
   第２の位置との間で前記試験片に対して前記プローブを相対移動させるアクチュエータ、及び
   前記プローブが前記第１の位置におかれたときに前記基準ビームと前記第１の二次試験ビームの間の干渉信号を検出し、前記プローブが前記第２の位置におかれたときに前記基準ビームと前記第２の二次試験ビームの間の干渉信号を検出する検出システム、
   を備えることを特徴とする干渉計。
2. 前記集束光学系が前記試験片の前記表面の内の１つに集束されない光を検出から排除する共焦点光学システムの一部であり、前記集束光学系の焦点の共役点に前記第１及び第２の二次試験ビームを集束させる撮像光学系を有することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
3. 前記検出システムが前記撮像光学系の焦点にある制限アパーチャを通る光を受け取る検出器を有することを特徴とする請求項２に記載の干渉計。
4. 異なる第１及び第２の基本波長を有する２つのビームをつくるレーザ源をさらに備え、前記ビームスプリッタが複数のビームスプリッタの内の第１のビームスプリッタであり、前記複数のビームスプリッタの内の第２のビームスプリッタが前記第１の波長の光ビームを第１の試験ビーム及び基準ビームの対に分け、前記複数のビームスプリッタの内の第３のビームスプリッタが前記第２の波長の光ビームを第２の試験ビーム及び基準ビームの対に分け、前記複数のビームスプリッタの内の第４のビームスプリッタが、前記第１及び第２の二次試験ビームのそれぞれがいずれの基本波長も含むように、前記第１及び第２の試験ビーム及び基準ビームの対からの前記波長が異なる試験ビームを結合して共通試験ビームにすることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
5. 前記第１及び第２の試験ビーム及び基準ビームの対が通過する光路長を公称上等しくするための、前記試験アーム及び前記基準アームの内の１つの中に第１及び第２の基準遅延線をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の干渉計。
6. 前記検出システムが、前記第１及び第２の試験ビーム及び基準ビームの対のそれぞれの間の干渉を個別に検出する第１及び第２の検出器アレイを有し、前記第１及び第２のアレイの検出器が前記第１及び第２の試験ビーム及び基準ビームの対のそれぞれの内の複数の位相シフト測定値を同時に検出するために相対的に位相シフトされていることを特徴とする請求項４に記載の干渉計。
7. 前記アクチュエータが前記試験片の前記第１及び第２の表面のそれぞれの上の複数の位置を測定するための前記プローブと前記試験片の間の相対運動システムの一部であることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
8. 走査型干渉計によって試験片の複数の表面を測定する方法において、
   光ビームを試験ビーム及び基準ビームに分ける工程、
   前記試験ビームをさらに第１及び第２の二次試験ビームに分ける工程、
   前記試験片の第１及び第２の表面を個別に測定するために前記第１及び第２の二次試験ビームを異なる集束点に集束させる工程、
   前記第１の二次試験ビームの前記集束点の位置を前記試験片の前記第１の表面上に定め、前記第２の二次試験ビームの前記集束点の位置を前記試験片の前記第１及び第２の表面のいずれからも外す工程、
   前記第１の二次試験ビームの前記集束点を前記試験片の前記第１の表面内で相対移動させる工程、
   前記第２の二次試験ビームの前記集束点の位置を前記試験片の前記第２の表面上に定め、前記第１の二次試験ビームの前記集束点の位置を前記試験片の前記第１及び第２の表面のいずれからも外す工程、
   前記第２の二次試験ビームの前記集束点を前記試験片の前記第２の表面内で相対移動させる工程、
   前記第１及び第２の二次試験ビームを前記試験片の前記表面上の前記集束点のそれぞれから背面反射させる工程、
   前記背面反射された第１及び第２の二次試験ビームを前記基準ビームとともに検出器の近くに向ける工程、及び
   前記第１及び第２の二次試験ビームのいずれの集束点の位置が前記試験片の前記第１及び第２の表面の内の１つの上に合せられているかにしたがって前記基準ビームと前記第１及び第２の二次試験ビームの間の干渉信号を個別に検出する工程、
   を有してなることを特徴とする方法。
9. 前記向ける工程が前記背面反射された第１及び第２の二次試験ビームを前記検出器への途中で再集束させる工程を含み、前記個別に検出する工程が前記試験片の前記第１及び第２の表面の内の１つの上に集束されない前記二次試験ビームからの光を排除するために前記再集束された光のアパーチャ寸法を制限する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記再集束させる工程が前記第１及び第２の二次試験ビームをそれぞれの焦点の共役点に再集束させる工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 異なる基本波長を有する２つのコヒーレント光のビームをつくる工程をさらに含み、前記分ける工程が前記異なる波長のビームのそれぞれを試験ビーム及び基準ビームに分ける工程を含み、
    前記試験ビームを第１及び第２の二次試験ビームに分ける前記工程に先立ち、前記第１及び第２の二次試験ビームのそれぞれが前記２つの異なる波長を含むように、前記異なる波長の試験ビームを結合する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記個別に検出する工程が前記基本波長のそれぞれの前記試験ビーム部分と前記基準ビーム部分の間の前記干渉信号を個別に、ただし同時に、検出する工程を含み、前記基本波長のそれぞれについて検出された前記干渉信号を結合してコヒーレント光の前記２つの異なる基本波長のいずれよりも長い波長の感度と等価な表面変化に対する感度を有する干渉信号をつくる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記基準ビームと前記第１の二次試験ビームの間の前記干渉信号の位相の曖昧さを２πを法として分解するため、前記試験片の前記第１の表面上の前記第１の二次試験ビームの前記集束点の位置を定めるに必要な移動量を別の干渉計により既知の基準点から測定する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
14. 走査型共焦点干渉計によって絶対測定を行う方法において、
    光ビームを試験ビーム及び基準ビームに分ける工程、
    前記試験ビームを集束点に集束させる工程、
    試験片の表面に対して前記集束点を調節する工程、
    前記試験片の前記表面から前記試験ビームを背面反射させる工程、
    焦点の共役点の近くの制限アパーチャを通して前記背面反射された試験ビームを再集束させる工程、
    干渉信号をつくるために前記背面反射された試験ビームを前記基準ビームと結合する工程、
    前記干渉信号の前記試験ビームの成分の変動をモニタする工程、
    前記干渉信号の前記モニタされた変動に基づいて前記試験片の前記表面上の前記集束点がある位置を決定する工程、
    前記試験片の前記表面上の前記集束点がある前記位置への既知の基準点に対する前記集束点の相対移動量を個別に測定する工程、及び
    前記試験片の前記表面の絶対測定を行うために前記既知の基準点に対する前記集束点の前記測定された相対移動量に基づいて前記干渉信号の位相の曖昧さを分解する工程、
    を含むことを特徴とする方法。
15. 異なる基本波長を有する２つのコヒーレント光のビームをつくる工程をさらに含み、前記分ける工程が前記異なる波長のビームのそれぞれを前記試験ビーム及び前記基準ビームに分ける工程を含み、
    前記基本波長のそれぞれの前記試験ビーム部分と前記基準ビーム部分の間の前記干渉信号を検出する工程、及び
    それぞれの基本波長について検出された前記干渉信号を結合してコヒーレント光の前記２つの異なる基本波長のいずれよりも長い波長の感度と等価な表面変化に対する感度を有する干渉信号をつくる工程、
    をさらに含み、
    前記干渉信号の位相の曖昧さを分解する工程がコヒーレント光の前記２つの異なる基本波長のいずれよりも長い波長の感度と等価な表面変化に対する感度を有する前記干渉信号の位相の曖昧さを分解する工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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