JP2006513439A - 干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、短コヒーレント放射を放出する放射源（ＬＱ）と、パノラマ光学系（ＲＳＯ）を有する対象光路程を介して対象（Ｏ）にガイドされる対象ビーム（ＯＳ）と参照光路程を介して反射型参照エレメント（Ｒ）にガイドされる参照ビーム（ＲＳ）とを形成するためのビームスプリッター（ＳＴ）と、対象（Ｏ）および参照エレメント（Ｒ）によって反射されかつ干渉された放射を検出しかつ表面形状を突き止めるための評価装置に供給する撮像素子（ＢＡ）とを用いた奥行きの走査による対象（Ｏ）の表面の形状測定のための干渉測定装置に関する。参照エレメント（Ｒ）を用いて、対象表面に関して斜めに配向されている参照面（ＲＥ）が形成されており、かつ形状測定のための奥行きの走査が対象（Ｏ）を対象ビーム（ＯＳ）に対して相対的にラテラル方向に移動させることにより行われるようにしたことで、比較的に僅かなコストで、殊に狭い中空空間にある表面をも完全に正確、迅速およびロバストに測定することができるようになる。

Description

本発明は、短コヒーレント放射を放出する放射源と、パノラマ光学系を有する対象光路程を介して対象にガイドされる対象ビームと参照光路程を介して反射型参照エレメントにガイドされる参照ビームとを形成するためのビームスプリッターと、対象および参照エレメントによって反射されかつ干渉された放射を検出しかつ表面形状を突き止めるための評価装置に供給する撮像素子とを用いた奥行きの走査による対象の表面の形状測定のための干渉測定装置に関する。

従来の技術
この形式の干渉測定装置、通例白色光干渉計と称されている測定装置はＤＥ１０１３１７７８Ａ１に述べられており、ここにはこの形式の白色光干渉計の基本的な機能法もその他の証明データを参照して記載されている。この公知の干渉測定装置では光生成のための通例の方法で短コヒーレントな光源が使用され、その光はビームスプリッターを介して対象光路を介してガイドされる対象ビームと参照光路を介してガイドされる参照ビームとに分割される。測定すべき対象表面は対物レンズを介して撮像素子、例えばＣＣＤカメラに結像されかつ参照ビームによって形成された参照波によって重畳される。深度スキャンもしくは奥行きの走査は、参照ビームを反射する参照エレメントまたは対象を測定装置に対して相対的に動かすことによって実施することができる。対象の移動の際対物レンズのイメージレベルおよび参照レベルは同一レベル内にある。奥行きの走査の間、対象はＣＣＤカメラの視野に不動に固定されており、かつ対象は深度軸線（ｚ方向）においてだけ、参照レベルに対して相対的に移動される。このようにして技術的な表面もしくはテクニカルサーフェスの測定は数ナノメートルの範囲の深度分解能で測定することができる。パノラマ光学系およびこの刊行物に記載されている対物レンズによって更に、狭くかつ深い孔の測定が３６０°回転する、ほぼ半径方向対称な対象の撮影によって可能になり、その場合例えば弁座を完全に測定することができる。しかしこの干渉測定装置においても、ガイド孔を完全に測定するのは難しい。

深くかつ狭い孔に適しており、同様に白色光干渉の原理に基づいている干渉測定装置はＤＥ１００１５８７８Ａ１にも記載されており、ここでは内視鏡として実現されている対物レンズを用いて中間イメージが生成されかつ奥行きの走査のために中間像走査が行われる。奥行きの走査の間に、対象は撮像素子もしくはＣＣＤカメラの視野に不動状態を維持する。この公知の測定装置を用いても、ガイド孔の、いわんや弁座の完全な測定は難しい。

更に、例えば A. Olszak 著“Lateral scanning white-light interferometer”, Applied Optics, Vol. 39, 3907-3913, 2000 に記載されているように、いわゆるラテラル走査型白色光干渉計を用いて申し分なくアクセスできる対象表面を測定することも公知である。ここでは、参照平面は対称平面に対して斜めに傾いている。奥行きの走査のために対象は、それぞれの対象点に対して、参照光路程と対象光路程との間ないし参照アームと対象アームとの間の光学的な路長もしくは距離長の相対変化が生じるように、対象の視野をラテラル方向に移動される。それぞれの対象点に対して、ラテラル方向の移動の際にラテラル方向の移動から結果的に生じるコレログラムが撮影されかつ評価される。この装置によって空間的に延びた対象および移動する対象を測定することができる。狭くかつ深い孔の測定はこの装置によって可能ではない。

本発明の課題は、殊に深くかつ狭い孔または例えば弁座を迅速かつ信頼性を以て測定することである。

発明の利点
この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。これによれば、参照エレメントを用いて、対象表面に関して斜めに配向されている参照面が形成されており、かつ形状測定のための奥行きの走査が対象を対象ビームに対して相対的にラテラル方向に移動させることにより行われるようになっている。この場合対象表面の１つの点もしくはそれぞれの点は奥行きの走査の間、撮像素子を超えて側方に移動され、その際対象光路程と参照光路程との間の光学的な距離長差が変化する。パノラマ光学系とが組み合わされて対象を対象ビームに対して相対的にラテラル方向に移動させるという奥行きの走査により、殊に、狭くかつ深い孔にある対象表面も迅速かつ信頼性を以て測定することができる。孔内の対象表面全体を測定するために、凹部、殊に孔の軸線方向における対称表面の相対運動が必要なだけである。これにより、ガイド孔を比較的僅かなコストで完全に測定することができる。同心度、すなわち弁座の、ガイド孔に対する相対的な空間位置並びに孔の直径は相応の評価により比較的僅かなコストで突き止めることができる。ロバストな装置もしくはロバストな測定過程のために、測定装置は殊に製造時の使用にも適している。

信頼できる測定結果の形成および実現のために有利である実施形態は、パノラマ光学系が該パノラマ光学系の中または外に中心を有する球面波を生成するように構成されていることにある。

その際測定過程は、対象表面が対象軸線に関して少なくとも部分的に回転対称であり、パノラマ光学系が、例えば円筒、円錐または球体のこのように成形された表面を１平面に結像するように構成されておりかつパノラマ光学系が奥行きの走査の期間に対象軸線に沿って移動するようにすることで改良される。

正確で、信頼できる測定のために更に、パノラマ光学系が対象表面に対して垂直に存在している波面を生成するように構成されているようにするという措置が講ぜられる。

殊に狭い中空空間の測定の際の構成および操作は、パノラマ光学系が内視鏡としておよび／または中間像を対象光路程に存在している対象アームに生成するように構成されているようにすることで更に改良される。

測定課題に応じた種々の有利な実施形態は、参照エレメントが球面、円錐形または平面参照ミラーとして構成されているようにしたことにある。

操作は、干渉計が、対象ビームおよび参照ビームが同じ光路程に形成されているように構成されているようにした措置によって一段と簡単にすることができる。

撮像素子がＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラの部分としてまたはホトダイオードから成る配置構成体として実現されておりかつ評価装置が干渉エリアの領域だけが考慮されるように実現されているようにすることで、種々の有利な構成形態が得られる。

測定の精度の向上のために、参照面がパノラマ光学系の結像領域にある対象表面の領域を対象表面に対して斜めに、有利には像平面と対象表面との交線において切断するという手段が役に立つ。

別の有利な実施形態によれば、参照面は像平面と同じまたは異なっている半径を持った球面として、円錐または平面として実現されている。

種々異なっている幾何学形状（シリンダ、円錐体など）または異なっている直径または円錐角を有する対象を測定するために、アクティブな光学エレメント（aktive optische Element＝ＡＯＥ）を使用すると有利である（例えば電子的に移動調整可能な焦点距離を有するレンズ）。このようなアクティブな光学エレメントによって、光路（撮像素子までの）および／またはパノラマ光学系の結像特性を測定の前または測定の機関に新しいまたは測定の間に変化する幾何学形状に整合させて、測定すべき表面が常に撮像素子にシャープに結像されるようにすることができる。

新しいまたは測定の間に変化する幾何学形状／直径の場合の干渉信号を改善するために、参照光路程に影響を及ぼすことができるようにすると有利である。このことは参照ミラーの移動調整、少なくとも１つの適応形光学エレメントもしくは曲率を変えることができるアクティブミラーの、参照光路程挿入によって行うことができる。

図面
次に本発明を図面を参照して実施例に基づいて詳細に説明する。その際：
図１は、干渉測定装置の側面を略示し、
図２は、測定装置の撮像素子の表面領域を略示しかつ
図３は、干渉測定装置に対する別の実施例を示している。

実施例
図１に図示の、それ自体公知の、白色光干渉法に従って動作する干渉測定装置（例えば明細書冒頭に挙げた、別の証明データ付きの従来技術に記載の）は、相対的に大きなスペクトル幅の光（白色光）を生成するために例えば数または１０μｍのコヒーレンス長を有する短コヒーレント光源ＬＱを有しており、この光源の光はレンズＬ２を介して第１のビームスプリッターＳＴ１にガイドされかつそこから光路ＳＧを介して第２のビームスプリッターＳＴ２に供給され、該ビームスプリッターが光を、参照光路程を介して反射する参照エレメントＲにガイドされる参照ビームＲＳと対象光路程を介して対象Ｏの表面に導かれる対象ビームＯＳとに分割する。参照エレメントＲおよび対象表面によって反射された光はもう一度第２のビームスプリッターＳＴ２に達し、互いに重畳されかつ光路ＳＧおよび第１のビームスプリッターＳＴ１、別のレンズＬ１および例えば挿入されているアクティブな光学エレメントＡＯＥを介して撮像素子ＢＡ、例えばＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラに達しかつそこに接続されている評価装置において評価されて表面形状またはこれに関連している特性が求められる。

光路ＳＧに例えば別のレンズＬ３を有する別の光学エレメントを配置することもできる。参照アームにおいて形成されている参照光路程に、例えば別のアクティブな光学エレメントＡＯＥＲ並びに別の光学エレメントを有する参照光学系ＲＯが配置されている。参照エレメントＲは例えば球面鏡を有していて、測定すべき対象表面の領域において相応の参照面ＲＥが形成されるようにしている。

対物レンズ光学系はパノラマ光学系ＲＳＯとして実現されている。パノラマ光学系ＲＳＯによって、対象Ｏ、例えばガイド孔の少なくとも近似的に半径方向対称な表面の３６０°まで巡ってなる領域を個々の画素（ピクセル）を備えている面状の撮像素子ＢＡに結像することができる。パノラマ光学系ＲＳＯは有利には球面像平面ＢＥを生成する。球面像平面ＢＥの、対象表面（例えば円筒、円錐、球体、放物面またはこの種のもの）との切断面を表している表面領域は撮像素子ＢＡにシャープに結像されかつ結像領域を表している。結像領域は僅か数百μｍの幅であってよい。参照面ＲＥは、それが対象Ｏの表面に対して斜めに存在しているように実現される。参照面ＲＥは結像領域を有利には像平面ＢＥと対象表面との交線内で切断する。参照面ＲＥも有利には、像平面ＢＥと同じ半径または異なっている半径を持った球面体であるが、別の形状を有していてもよく、例えば円錐形状または平面であってもよい。

対象点の放射は、当該の対象ビームＯＳと参照ビームＲＳとの光学路差がコヒーレント長より小さいとき、参照面ＲＥの放射と干渉を呈する。撮像素子ＢＡにおいて干渉領域ＩＢ（図２参照）は、結像領域ＡＢのシャープな結像ＡＳの領域の周りに拡がった領域を表している。

奥行きの走査のために対象Ｏはパノラマ光学系ＲＳＯおよび対象Ｏの共通の軸線に沿って（例えば孔の軸方向）移動される。

その際それぞれの対象点は結像領域および参照面ＲＥを通って移動する。対象点が結像領域の中心にあるとき、この点は最高のラテラル方向分解能を以て結像される。このポジションにおいて対象点は有利にも参照面ＲＥ内に直にある。対象点は最大の干渉コントラストを示す。更にラテラル方向に移動すると、対象点は参照面ＲＥの中心から移動し（対象点の移動ＯＢ）かつ干渉の変調を受ける。対象点が干渉領域の外側にあると、対象点はもはや干渉を示さない。パノラマ光学系と関連したラテラル方向走査移動ＬＳによって、対象表面の、３６０°巡った領域が撮像素子ＢＡに結像される。ラテラル方向の走査移動ＬＳによってそれぞれの測定点はこの領域に入りかつこの領域を再び離れる。この領域内で、測定点は参照面ＲＥの、対象表面に対する傾きによって干渉の変調を受け、これにより測定点の高さを測定することができる。奥行きの走査は、対象点のラテラル方向走査移動ＬＳによって対象光路程と参照光路程との間の光学的な距離長の相対的な変化が生じるように行われる。

詳細には、図３に示されているように、測定装置においてパノラマ光学系ＲＳＯと交換レンズとして参照アームにある補償光学系とを有する干渉レンズを例えばピエゾＰＩの形の調整操作素子に取り付けることができる。奥行きの走査はピエゾＰＩを介して、対象、例えば弁または弁座の表面の点が撮像素子ＢＡに関して側方に移動しかつその場合に対象光路程と参照光路程との間の光学的な距離長差が変化するように実施される。この配置構成は、パノラマ光学系ＲＳＯを有する干渉レンズが従来の干渉レンズに比して容易に交換することができるという利点を有している。この測定装置においても、奥行きの走査の間に駆動制御されて、弁座が測定場所で常にシャープに結像されるようにする適応形光学エレメントＡＯＥを使用することができる。

評価装置は面状の撮像素子ＢＡの全体の画素を評価するように設計されている必要はなく、干渉エリアの領域だけが評価されて、測定結果を得るための処理速度が高められるように設計することができる。

ラテラル方向の奥行きの走査方法と関連してパノラマ光学系を使用することによって、全体のガイド孔の測定のために孔の軸線に沿った移動が必要なだけである。

従って装置は簡単かつロバストに実現することができる。この構成およびこの方法によってまず第１に、全体のガイド孔を完全に正確、迅速、ロバストかつ簡単に測定することができる。製造時の使用も可能であり、その場合には弁座の直径および弁座とガイド孔との間の同心度も測定することができる。

干渉測定装置を側面略図 測定装置の撮像素子の表面領域の略図 干渉測定装置の別の実施例の略図

Claims (12)

1. 短コヒーレント放射を放出する放射源（ＬＱ）と、パノラマ光学系（ＲＳＯ）を有する対象光路程を介して対象（Ｏ）にガイドされる対象ビーム（ＯＳ）と参照光路程を介して反射型参照エレメント（Ｒ）にガイドされる参照ビーム（ＲＳ）とを形成するためのビームスプリッター（ＳＴ）と、対象（Ｏ）および参照エレメント（Ｒ）によって反射されかつ干渉された放射を検出しかつ表面形状を突き止めるための評価装置に供給する撮像素子（ＢＡ）とを用いた奥行きの走査による対象（Ｏ）の表面の形状測定のための干渉測定装置において、
   参照エレメント（Ｒ）を用いて、対象表面に関して斜めに配向されている参照面（ＲＥ）が形成されており、かつ
   形状測定のための奥行きの走査が対象（Ｏ）を対象ビーム（ＯＳ）に対して相対的にラテラル方向に移動させることにより行われるように装置が構成されている
   ことを特徴とする装置。
2. パノラマ光学系（ＲＳＯ）は該パノラマ光学系（ＲＳＯ）の中または外に中心を有する球面波を生成するように構成されている
   請求項１記載の装置。
3. 対象表面は対象軸線に関して少なくとも部分的に回転対称であり、
   パノラマ光学系（ＲＳＯ）は、例えば円筒、円錐または球体のこのように成形された表面を１平面に結像するように構成されておりかつ
   パノラマ光学系は奥行きの走査の期間に対象軸線に沿って移動する
   請求項１または２記載の装置。
4. パノラマ光学系（ＲＳＯ）は、対象表面に対して垂直に存在している波面を生成するように構成されている
   請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. パノラマ光学系（ＲＳＯ）は内視鏡として実現されているおよび／または中間像を対象光路程に存在している対象アームに生成するように構成されている
   請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 参照エレメント（Ｒ）は球面、円錐形または平面参照ミラーとして実現されている
   請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 干渉計は、対象ビーム（ＯＳ）および参照ビーム（ＲＳ）が同じ光路程（共通光路配置構成）に形成されているように構成されている
   請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 撮像素子（ＢＡ）はＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラの部分としてまたはホトダイオードから成る配置構成体として実現されておりかつ
   評価装置は、干渉エリアの領域だけが考慮されるように実現されている
   請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 参照面（ＲＥ）はパノラマ光学系（ＲＳＯ）の結像領域にある対象表面の領域を対象表面に対して斜めに、有利には像平面（ＢＥ）と対象表面との交線において切断する
   請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 参照面（ＲＥ）は像平面と同じまたは異なっている半径を持った球面として、円錐または平面として実現されている
    請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 対象（Ｏ）を撮像素子（ＢＡ）に結像する際に、当該光路に挿入された少なくとも１つの適応形光学エレメント（ＡＯＥ）によって結像特性に影響を及ぼすことができるようになっている
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 参照光学路に少なくとも１つの適応形光学エレメント（ＡＯＥ）が挿入されており、該光学エレメントによって参照光学路に影響を与えて参照平面が整合されるようになっている
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。

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