JP2007536552A - 光学精密測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

コンポーネントの光精密測定装置及び方法。本方法では、光プローブがコンポーネントに対してある場所に設けられ（１２０）、光源ビームがコンポーネントに向けられる（１２２）。偏差が検出され（１２０）、コンポーネント特性データセット内に記憶される（１２６）。光源はコンポーネントに対して他の場所に移動され、追加的なデータが得られる（１３０）。本装置は、光源ビーム（３８）をもたらす光プローブ（２４）と、光プローブ（２４）をθ軸について回転するよう動作可能なプローブステージ（２２）と、コンポーネント（２８）をφ軸について回転するよう動作可能なコンポーネントステージ（２６）と、位置反応検出器とを含む。プローブステージ（２２）は、光源ビーム（３８）をコンポーネント（２８）に向け、光源ビーム（３８）は、コンポーネント（２８）から結果として生じるビームを生成し、位置反応検出器は結果として生じるビームを検出する。

Description

本発明は、概ね精密測定に関し、より具体的には、光精密測定に関する。

製造されるコンポーネントにおける精度の増大は、測定の精度を要求する。コンポーネントを製造するために用いられる工具及び型は、精密なコンポーネントを製造するために精密に作成されなければならない。完成コンポーネントは、それらが精密な公差を満足することを保障するよう測定されなければならない。精密測定を要求する産業の例は、オプティクス産業、眼産業、及び、高精密機械加工産業を含む。精密測定は、レンズ、眼鏡レンズ、コンタクトレンズ、反射器、鏡、レンズ系、及び、そのような品目を製造するために用いられる精密型を測定するために用いられる。精密測定は、射出成形、複製、及び、数値的に制御される研磨のようなプロセスを監視するためにも用いられる。

光学コンポーネントの精密測定は、光コンポーネントのトポグラフィ、即ち、コンポーネントの形態及び形状の測定を要求する。例えば、レンズのような、コンポーネントを通じて光が透過される光学コンポーネントも、波面品質の測定を要求する。現在、光コンポーネントの精密測定は、３つの方法によって測定される。即ち、スタイラスプローブ(stylus probe)接触センシング、干渉法、又は、波面センシング。これらの方法のそれぞれは、独自の限界及び問題を提示する。

スタイラスプローブ接触センシングは、スタイラスプローブを試験下にある表面上の地点と接触して配置し、表面の形状をマッピングすることを含む。スタイラスプローブ接触センシングは、表面トポグラフィを測定することに限定され、波面品質を測定し得ない。スタイラスプローブは試験下の表面との物理的な接触に限定されるので、スタイラスプローブ接触センシングを繊細な或いは可撓な表面上で用い得ない。試験中、測定速度と正確な測定値を得るために必要とされるスタイラスプローブ接触力との間に妥協（トレードオフ）がある。加えて、地点データを三次元的なトポグラフィに組み立てることは、複雑であり且つ時間を要する。

干渉法は、２つの光ビーム間の干渉を用いた測定を含み、位相ずれを伴う位相ステッピングを使用し得る。干渉法は、球面又は略球面及び波面に有用であるが、急勾配な非球面、円環状面、又は、自由形状面、及び、波面にはそうではない。非球面及び波面は、干渉計内部のコンピュータ生成ホログラムのような基準の生成を必要とする。コンピュータ生成ホログラムは、特定の設計に特有であり、故に、高額であり且つ製造リード時間を必要とする。従って、コンピュータ生成ホログラムは、専門又は大きな連続用途のためにのみ用いられる。干渉法に関する根本的な問題は、典型的に用いられる電荷結合素子（ＣＣＤ）センサからの横方向解像度の制限、限定的な高さ又は非球性範囲、並びに、限定的な局所的傾斜及び局所的出力範囲を含む。干渉法の他の制限は、物理的試験配置である。単一の試験配置を反射試験及び透過試験の双方に用い得ない。さらに、試験配置を携帯電話カメラレンズのような小さなコンポーネント及び眼鏡レンズのような大きなコンポーネントのために用い得ない。

Ｓｈａｃｋ Ｈａｒｔｍａｎｎセンサを用いた試験のような波面センシング（ＷＦＳ）は、孔又は小型レンズの配列からの画像に亘る勾配センシングを含む。横方向解像度は、孔又は小型レンズの数及びサイズによって制限される。横方向解像度と傾斜範囲解像度との間の妥協の故に、局所的な出力範囲は限定的である。

上記の不利点を克服する光学精密測定のための装置及び方法を有することが望ましい。

本発明の１つの特徴は、コンポーネントの光精密測定の方法を提供する。光プローブが、コンポーネントに対する第一位置に設けられ、光源ビームが光プローブからコンポーネント上の画素に配向される。画素からの結果として生じるビームの偏差が検出され、コンポーネント特性データセットに記憶される。光源はコンポーネントに対する他の場所に移動される。配向するステップ、検出するステップ、及び、記憶するステップが、他の場所のために反復される。

本発明の他の特徴は、コンポーネントの光精密測定のためのシステムを提供することであり、コンポーネントに対する第一場所にある光プローブと、光プローブからの光源ビームをコンポーネント上の画素に配向するための手段と、画素からの結果として生じるビームの偏差を検出するための手段と、偏差をコンポーネント特性データセット内に記憶するための手段と、光源をコンポーネントに対する他の場所に移動するための手段と、他の場所のために、配向するための手段、検出するための手段、及び、記憶するための手段を反復するための手段とを含む。

本発明の他の特徴は、コンポーネントを光測定するための装置を提供することであり、光源ビームをもたらす光プローブと、光プローブをθ軸について回転するよう動作可能であるプローブステージと、コンポーネントをφ軸について回転するよう動作可能であるコンポーネントステージと、位置反応検出器とを含む。プローブステージは光源ビームをコンポーネントに向け、光源ビームはコンポーネントから結果として生じるビームを生成し、位置反応検出器は結果として生じるビームを検出する。

本発明の前記の及び他の特徴及び利点は、添付の図面と共に読まれるならば、現時点における好適実施態様の以下の詳細な説明からさらに明らかになるであろう。詳細な記載及び図面は、限定的であるというよりも、本発明を例証するに過ぎず、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定められる。

図１及び２は、本発明に従って製造された光精密測定装置のそれぞれ正面図及び側面図であり、同等の素子は同等の参照番号を共有する。光測定装置２０は、光プローブ２４を支持するプローブステージ２２と、コンポーネント２８を支持するコンポーネントステージ２６とを含む。１つの実施態様において、光学測定装置２０は、光プローブ２４からコンポーネントの背後に取り付けられた透過型位置反応装置（ＰＳＤ）３０を含む。プローブステージ２２及びコンポーネントステージ２６は、コンポーネント２８に対する光プローブ２４の運動を制御する。反射モードにおいて、光プローブ２４は、画素でコンポーネント上に入射する光源ビーム３８を放射する。光源ビーム３８は、コンポーネント２８によって反射され且つ／或いは回折され、それは検出及び分析のために光プローブ２４に戻る反射ビーム（図示せず）を生成する。透過モードにおいて、画素でコンポーネント２８上に入射する光源ビーム３８は、コンポーネント２８によって透過され、屈折され、且つ／或いは、回折され、それは分析のために透過型位置反応装置３０で検出される透過ビーム２１を発生する。
反射モード及び透過モードにおける試験を、 所望に、個別に或いは同時に遂行し得る。光源ビームと画素からの結果として生じるビームとの間の偏差を検出し得る。即ち、結果として生じるビームは、反射モードにおける反射ビーム、及び、透過モードにおける透過ビームである。

光プローブ２４は、光源ビームを生成するために狭いビームレーザを用い、反射モードにおいて反射ビームを検出するために反射位置反応装置（ＰＳＤ）を用いる。光プローブ２４及びその動作は、図３及び４に関連して以下に記載されている。

図１及び２を参照すると、試験下のコンポーネント２８は、トポグラフィ及び／又は透過測定値が望まれる任意のコンポーネントである。例えば、コンポーネント２８は、急勾配な非球、円環状、遠近両用、又は、自由形状である、球、略球、又は、より複雑な設計のレンズ、鏡、又は、他の光コンポーネントのような光コンポーネントであり得る。コンポーネントとして試験される典型的なレンズは、ＣＤプレーヤーレンズ、眼鏡、コンタクトレンズ、カメラレンズ、フォトリソグラフィレンズ、シュミット補正器、回折光素子、及び、ホログラムのような、波面又は光線フィールド修正のために意図された任意の装置である。トポグラフィ及び光特性のためにレンズを試験し得る。他の実施例において、コンタクトレンズを製造するのに用いられるレンズ製造工具又はレンズインサートのような、トポグラフィが測定されるべきコンポーネント２８は、金属又は半導体のような不透明材料から成る。コンポーネント２８の表面は、トポグラフィ測定のために、光源ビームを反射して光プローブに戻す。よって、表面は光沢が必要である、即ち、散乱的であるよりも反射的であることが必要である。表面は、オプティクス材料又は金属に普通に生じるように、自然に光沢があり得るし、表面を金属化することによって、光沢があるよう処理し得る。

プローブステージ２２及びコンポーネントステージ２６は、光プローブ２４及びコンポーネント２８の相対運動を制御する。１つの実施態様において、プローブステージ２２は、ｘステージ３２、ｚステージ３４、及び、θステージ３６を含む。ｘステージ３２及びｚステージ３４は、ｘ方向及びｚ方向にそれぞれ直線運動をもたらす。θステージ３６は、θ軸についての光プローブ２４の回転をもたらし、θ軸３６は、ｘ−ｚ平面に対して垂直である。コンポーネントステージ２６は、コンポーネント２８をφ軸について回転し得る。φ軸は、ｘ−ｚ平面と平行であり、ｘ−ｚ平面上に投射されるとき、ｘ軸に対して垂直である。コンポーネントステージ２６は、コンポーネントを回転のない静止状態にも保持し得る。１つの実施態様において、プローブステージ２２は、θ軸に対して放射状に光プローブ２４の運動をもたらす光ラジアルステージ３７をさらに含む。ラジアルステージ３７は、コンポーネント２８上への光源ビーム３８の集束を可能にする。代替的な実施態様において、ラジアルステージ３７は省略される。

プローブステージ２２は、試験下の特定のコンポーネント２８に依存して、コンポーネント２８から、ナノメートルからメートルの距離で光プローブ２４を支持する。一例として、コンポーネント２８がコンタクトレンズ又はコンタクトレンズインサートであるとき、プローブステージ２２は、コンポーネント２８から約２０ｍｍの距離で光プローブ２４を支持する。代替的な実施態様において、 旋盤、研削機、又は、研磨機のような工具を用いてコンポーネント２８の作用を許容するために、プローブステージ２２は、コンポーネント２８から大きな距離で光プローブ２４を支持する。プローブステージ２２及びコンポーネントステージ２６は、当業者に既知の、軸受と、モータと、位置エンコーダとを含む。ステージ運動及び測定の精度の反復性は、典型的には、特定の用途のために所望な勾配及び傾斜の正確な制御を用いて光源ビームを画素又は画素の断片に向けるのに十分である。よって、光測定装置２０は、プローブステージ２２及びコンポーネントステージ２６なしにナノメートル範囲で形状を測定し、動作をナノメートルまで制御し得る。

当業者であれば、光プローブ２４とコンポーネント２８との間の所望の相対運動を生成するために、θステージ３６及びコンポーネントステージ２６のための多数の運動の組み合わせを用い得ることを理解しよう。代替的な実施態様において、光プローブ２４を支持するθステージ３６は、固定のx−z位置に配置され、コンポーネント２８を支持するコンポーネントステージ２６は、x方向及びz方向の運動をもたらす。他の代替的な実施態様において、θステージ３６及びコンポーネントステージ２６の双方は、x方向及びz方向に運動をもたらす。さらに他の実施態様において、光プローブ２４及びコンポーネント２８の双方又は一方をx−z平面に対して垂直なy方向に移動することによって、追加的な自由度がもたらされる。

透過型位置反応装置（ＰＳＤ）３０は、透過されたビームを検出し且つデータ獲得システムにおける捕獲透過データ信号２３を発生し得る光反応検出器であり、分析のためにコンポーネント特性データセット内に記憶される。透過型ＰＳＤ３０は、光源ビーム３８の経路からの透過ビームの偏差を指し示す。適切な装置は、横方向効果光ダイオードのようなアナログ素子、及び、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサのようなデジタル素子を含むが、これらに限定されない。典型的な装置は、Ｋｏｏｉｊｍａｎに発効した「対数変換を利用した高速測定装置」と題する米国特許第５，１３６，１９２号、及び、Ｋｏｏｉｊｍａｎに発効した「測定装置のための正常化回路」と題する米国特許第５，２５２，８６４号に記載されており、双方とも参照としてここに引用する。１つの実施態様において、透過型ＰＳＤ３０は、透過ビームの場所を２つの方向において測定するので、コンポーネント２８による光源ビーム３８の偏差を２つの方向で計算し得る。他の実施態様において、透過型ＰＳＤ３０は、直接的に或いは内挿によって、形状の決定を可能にするのに十分なほど密接に離間する複数の光センシング素子を含む。

透過型ＰＳＤ３０の特定の性能要件は、測定されるべき光特性に依存する。コンポーネント２８による光源ビーム３８の吸収が測定されるべきとき、透過型ＰＳＤ３０は、透過ビームの強度を検出する。コンポーネント２８による光源ビーム３８の屈折が測定されるべきとき、透過型ＰＳＤ３０は、透過ビームの偏差を一次元又は二次元で検出する。コンポーネント２８の局所的特性が測定されるべきとき、透過型ＰＳＤ３０は透過ビームの形状を検出する。

図３は、本発明に従って作成される光精密測定装置用の光プローブの概略図であり、同等の素子は図１及び２と同等の参照番号を共有する。光プローブ２４は、狭い光源ビーム３８をもたらすレーザ６６を含み、狭い光源ビームはビームスプリッタ５４及びレンズ５６を通過し、コンポーネント２８の表面５８に到達する。反射モードにおいて、コンポーネント２８の表面５８は、光源ビーム３８を反射ビーム６０に変換し、反射ビームはレンズ５６を通過し、ビームスプリッタ５４によって反射型位置反応装置（ＰＳＤ）６２に反射される。表面５８は、反射ビーム６０としての光源ビーム３８を反射するよう十分に光沢がある。誤反射を減少するために、抗反射塗膜が、ビームスプリッタ５４、レンズ５６、及び、反射型ＰＳＤ６２の表面のような各光界面に塗布される。

図３の実施例において、表面５８は、光源ビーム３８から勾配角度αで傾斜している。反射ビーム６０は、光源ビーム３８から角度２αで反射される。反射ビーム６０が反射型ＰＳＤ６０と交差する位置は、勾配角度αが大きくなるに応じて、レーザ６６の方向に移動する。光源ビーム３８が表面５８と接触して反射ビーム６０となる表面５８上の地点は、画素６４と呼ばれる。反射型ＰＳＤは、光源ビーム３８からの反射ビーム６０の偏差を指し示している。反射型ＰＳＤ６２上の反射ビーム６０の位置は、画素６４の表面５８の勾配の関数であり、反射型ＰＳＤ６上の反射ビーム６０の強度は、画素６４での反射率の関数であり、反射型ＰＳＤ６２上の反射ビーム６０の勾配は、画素６４での局所的な曲率及び円筒度の関数である。

反射型ＰＳＤ６２は、反射ビームを検出し且つ分析のための反射データ信号６３を生成し得る光反応検出器である。適切な装置は、横方向効果光ダイオードのようなアナログ素子、及び、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ又は相補型酸化膜金属半導体（ＣＭＯＳ）センサのようなデジタル素子を含むが、これらに限定されない。
典型的な装置は、Ｋｏｏｉｊｍａｎに発効した「対数変換を利用した高速測定装置」と題する米国特許第５，１３６，１９２号、及び、Ｋｏｏｉｊｍａｎに発効した「測定装置のための正常化回路」と題する米国特許第５，２５２，８６４号に記載されており、双方とも参照としてここに引用する。１つの実施態様において、反射型ＰＳＤ６２は、透過ビームの場所を２つの方向で測定するので、表面５８の勾配を２つの方向で計算し得る。他の実施態様において、反射型ＰＳＤ６２は、直接的に或いは内挿によって、形状の決定を可能にするのに十分なほど密接に離間した複数の光センシング素子を含む。

反射型ＰＳＤ６２の特定の性能要件は、遂行されるべき測定に依存する。表面５８の反射率が測定されるべきとき、反射型ＰＳＤ６２は、反射ビーム６０の強度を検出する。表面５８の勾配が測定されるべきとき、反射型ＰＳＤ６２は、反射ビームの偏差を一次元又は二次元で検出する。表面５８の局所的特性が測定されるべきとき、反射型ＰＳＤ６２は、反射型ＰＳＤ６２での反射ビームの形状を検出する。サイズ及び楕円率のような形状を測定することは、局所的な曲率及び円筒度のような局所的特性の決定を可能にする。

ビームスプリッタ５４は、キューブスプリッタ、プレートスプリッタ、プリズムスプリッタ、又は、薄膜ビーム(pellicle beam)スプリッタのような、反射ビームを偏向するための任意の装置である。１つの実施態様において、ビームスプリッタ５４は、コンポーネント２８に最も近いビームスプリッタ５４の表面上の４分の１波プレートを備える偏光ビーム分割キューブである。４分の１波プレートは、ＰＳＤ上の結果として生じるビームからの点の質量中心をシフトし得る誤反射の発生可能性を低減するのを助ける。特定の種類のＰＳＤのための特定の技法によって誤反射をさらに制限し得る。高速用途のために用いられるアナログ横方向効果光ダイオードにおける誤反射は、適切な較正によって低減される。ＣＣＤセンサ及びＣＭＯＳセンサにおける誤反射は、分析中のソフトウェア操作によって解消される。誤反射の減少は、測定精度及び解像度を増大する。

図４は、本発明に従って製造された光精密測定装置用の位置反応装置（ＰＳＤ）の概略図である。ＰＳＤ上の結果として生じるビームからの円を示す実施例は、反射モード及び透過モードにおける様々なコンポーネント状態に関して提示されている。

反射モードにおいて、ＰＳＤ４０は、反射型ＰＳＤであり、ＰＳＤ４０上の点は反射ビームからである。較正スポット４２は、コンポーネントの表面が光源ビームに対して垂直であるときに反射ビームがＰＳＤ４０と交差する場所に位置している。第一偏向点４４が、第一軸に沿って較正スポット４２から偏向されるが、第二軸に沿ってはなく、表面が光源ビームに対して１つの方向に傾斜していることを示している。第二偏向点４６が、第一軸及び第二軸に沿って較正スポット４２から偏向され、表面が光源ビームに対して２つの方向に傾斜していることを示している。一方又は双方の軸に沿った偏向の大きさは、遂行されるべき分析に依存して測定される。表面の反射率を決定するために、偏向点の強度を測定し得る。１つの実施例において、第一軸に沿う偏向は、θ勾配、即ち、θ軸に対して垂直なコンポーネントの表面勾配を示し、第二軸に沿う偏向は、φ勾配、即ち、φ軸に対して垂直なコンポーネントの表面勾配を示す。

広がった点４８は、第一偏向点４４又は第二偏向点４６よりも広く且つ余り強くなく、余り反射せず且つより散乱性の表面を示している。広がった点４８は、較正スポット４２からも偏向されており、表面勾配を示している。ＰＳＤによって直接的に或いは後の分析によって決定されるような広がった点４８の質量中心から、偏向の量を計算し得る。成形された点５０は非円形の形状を示し、表面の局所的な曲率及び円筒度を示している。後の分析によって決定し得る形状の表示として、成形された点５０のサイズ及び楕円率を測定し得る。広がった点４８と同様に、成形された点５０の質量中心から、成形された点５０の偏向を計算し得る。

透過モードにおいて、ＰＳＤ４０は透過型ＰＳＤであり、ＰＳＤ上の点は透過ビームからである。透過モードにおける点特性は、光源ビームにおける変化が、コンポーネントによる反射よりもむしろコンポーネントを通じた透過からである点を除いて、反射モードにおける点特性と類似する。第一反射点４４及び第二反射点４６は、コンポーネントによる光源ビームの回折を示している。コンポーネントによる光源ビームの吸収及び／又はコンポーネントにおける光源ビームの反射損失を指し示すために、反射点の強度を測定し得る。画素から画素へのコンポーネントの局所的特性を指し示すために、点から点への強度変化を測定し得る。広がった点４８は、コンポーネントによる光源ビームの屈折及び回折を指し示す。成形された点５０は、強度、ビーム偏差、出力非対称、又は、出力における円筒度のようなコンポーネントの局所的特性を指し示し、収差、不完全性、又は、スクラッチも指し示す。

１つの実施態様において、典型的には約８ｍｍの平均曲率半径を有するコンタクトレンズを製造するときに用いられるコンタクトレンズインサートを測定するために、光精密測定装置が用いられる。３５μ半値全幅（ＦＷＨＭ）のスポット直径を有する光源ビームが、コンタクトレンズインサートの表面又は表面近傍の上に集束される。光プローブのレンズは、２５ｍｍの焦点距離を有し、反射型ＰＳＤは１０ｍｍ×１０ｍｍの寸法を有する。この配置は、反射型ＰＳＤに亘って４００ミリラジアンの光ピーク間測定範囲をもたらし、それは光源ビームに対する任意の方向における約１００ミリラジアンの表面通常傾斜範囲に対応する。

表面傾斜を次の方程式から推定し得る。即ち、変位＝２×表面傾斜×レンズ焦点距離。実際の表面傾斜分析は、光プローブのレンズ歪み及び整列のような実際の条件を計上する較正補正を含む。内挿を適用するアナログＰＳＤセンサ又はＣＭＯＳセンサが反射型ＰＳＤのために用いられるとき、測定値範囲の１０^−４又はそれよりも良好な解像度が可能である。この解像度で、２０ミリラジアン又はそれよりも良好な較正補正された表面傾斜を測定し得る。これは積分後、１ｍｍ当たり２０ｎｍに対応する。

異なるサイズのコンポーネントのために、異なるサイズのスポット直径の光源ビームが用いられる。上記に議論されたように、コンタクトレンズインサートを測定するための１つの実施態様において、３５μmＦＷＨＭのスポット直径を有する光源ビームが用いられる。他の実施例において、眼鏡レンズ又は眼鏡レンズインサートを測定するために、３００μmＦＷＨＭのスポット直径を有する光源ビームが用いられる。さらに他の実施例において、携帯電話カメラレンズを測定するために、２０μmＦＷＨＭのスポット直径を有する光源ビームが用いられる。

図５及び６は、本発明に従って製造される光精密測定装置の代替的な実施態様のそれぞれ正面図及び側面図であり、同等の素子は同等の参照番号を共有している。この代替的な実施態様の動作は、図１及び２の実施態様の動作と類似するが、プローブステージ及びコンポーネントステージのために異なる配置を用いる。

光測定装置７０は、光プローブ７４を支持するプローブステージ７２と、コンポーネント７８を支持するコンポーネントステージ７６とを含む。１つの実施態様において、光測定装置７０は、光プローブ７４からコンポーネント７８の背後に取り付けられた透過型位置反応装置（ＰＳＤ）８０を含む。プローブステージ７２及びコンポーネントステージ７６は、コンポーネント７８に対する光プローブ７４の運動を制御する。反射モードにおいて、光プローブ７４は、画素でコンポーネント７８上に入射する光源ビーム８８を放射し、コンポーネントは、検出及び分析のために光プローブ７４に戻る反射ビーム（図示せず）を生成する。透過モードにおいて、画素でコンポーネント７８に入射する光源ビーム８８は、コンポーネント７８によって透過され且つ回折され、コンポーネントは分析のために透過型位置反応装置８０で検出される透過ビーム７１を生成する。反射モード及び透過モードにおける試験を、所望に、個別に或いは同時に遂行し得る。

光プローブ７４は、光源ビームを生成するために狭いビームレーザを用い、反射モードにおいて反射ビームを検出するために反射型位置反応装置（ＰＳＤ）を用いる。光プローブ７４及びその動作は、上記の図３及び４に関連して記載される。

図５及び６を参照すると、プローブステージ７２及びコンポーネントステージ７６は、光プローブ７４及びコンポーネント７８の相対的運動を制御する。プローブステージ７２は、シャフト８２と、シャフト軸受８３と、揺動アーム８４と、ヘッド８６とを含む。ヘッド８６は、光プローブ７４を支持している。シャフト８２は、シャフト軸受８３によって支持され、θ軸について回転可能であるので、ヘッド８６は、x−z平面ないでコンポーネント７８について弧を描く。１つの実施態様において、ヘッド８６は、光プローブ７４の運動をもたらす光ラジアルステージ８７をさらに含み、θ軸について放射状に光プローブの運度をもたらす。このラジアルステージ８７は、コンポーネント７８上での光源ビーム８８の集束を可能にする。代替的な実施態様において、ラジアルステージ８７は省略される。

コンポーネントステージ７６は、回転するφステージ９０と、xステージ９２と、zステージ９４とを含む。φステージ９０は、コンポーネント７８をφ軸について回転する。xステージ９２及びzステージ９４は、コンポーネント７８をそれぞれx軸及びz軸に沿って移動する。当業者であれば、光プローブ７４とコンポーネント７８との間の所望の相対運動を生成するために、プローブステージ７２及びコンポーネントステージ７６のための運動の多数の組み合わせを用い得ることを理解しよう。

プローブステージ７２及びコンポーネントステージ７８は、当業者に既知の、軸受と、モータと、位置エンコーダとを含む。ステージ運動と測定精度との反復性は、典型的には、特定の用途のために所望に、光源ビームを、画素、又は、勾配及び傾斜の正確な制御を備える画素の断片へ向けるのに十分である。よって、光測定装置７０は、プローブステージ７２及びコンポーネントステージ７６なしに、形状をナノメートル範囲で測定し、運動をナノメートルまで制御し得る。

プローブステージ７２は、試験下の特定のコンポーネント７８に依存して、コンポーネント７８から、ナノメートルからメートルの距離で光プローブ７４を支持する。一例として、コンポーネント７８がコンタクトレンズであるとき、プローブステージ７２は、約２０ｍｍの距離で光プローブ７４を支持する。代替的な実施態様において、プローブステージ７２は、旋盤、研削機、又は、研磨機のような工具を用いてコンポーネント７８の作用を許容するために、コンポーネント７８から大きな距離で光プローブを支持する。

図７は、本発明に従って製造された光精密測定装置の他の代替的な実施態様の正面図である。この代替的な実施態様の動作は、図５及び６の実施態様の動作と類似するが、コンポーネントステージのために異なる配置を使用する。

光測定装置１００は、光プローブ１０４を支持するプローブステージ１０２と、コンポーネント１０８を支持するコンポーネントステージ１０６とを含む。プローブステージ１０２及びコンポーネントステージ１０６は、コンポーネント１０８に対する光プローブ１０４の運動を制御する。反射モードにおいて、光プローブ１０４は、画素でコンポーネント１０８上に入射する光源ビーム１１０を放射し、コンポーネントは、検出及び分析のために光プローブ１０４に戻る反射ビーム（図示せず）を生成する。光プローブ１０４は、光源ビームを生成するために狭いビームレーザを用い、反射モードにおいて反射ビームを検出するために反射型位置反応装置（ＰＳＤ）を用いる。光プローブ１０４及びその動作は、上記の図３及び４に関して記載される。

図７を参照すると、プローブステージ１０２及びコンポーネントステージ１０６は、光プローブ１０４及びコンポーネント１０８の相対的運動を制御する。プロージステージ１０２は、光プローブ１０４を支持する揺動アーム１１２を含む。揺動アーム１１２は、θ軸について回転可能であるので、光プローブ１０４は、コンポーネント１０８について弧を描く。コンポーネントステージ１０６はシャフト１１４を含む。コンポーネント１０８は、光プローブ１０４により近いシャフト１１４の端部上に取り付けられる。シャフト１１４はφ軸について回転可能である。１つの実施態様において、コンポーネント１０８を光プローブ１０４に対して位置付けるために、シャフト１１４は、z軸に沿って移動可能である。１つの実施態様において、φ軸及びθ軸は、共通の交差地点を有し、それらの軸は互いに垂直である。コンポーネント１０８の表面の曲率の平均中心は、θ軸とφ軸との共通交差地点又はその近傍に位置する。当業者であれば、光プローブ１０４とコンポーネント１０８との間の所望の相対的運動を生成するために、プローブステージ１０２及びコンポーネントステージ１０６の運動の多数の組み合わせを用い得ることを理解しよう。

代替的な実施態様において、コンポーネントステージ１０６は、透過モードにおける動作に適合されている。コンポーネント１０８の背後のシャフト１１４内に中空の空間を提供することのように、コンポーネント１０８の背後に透過型位置反応装置（ＰＳＤ）のための空間を提供するよう、コンポーネント１０８は、コンポーネントステージ１０６内に取り付けられている。光源ビーム１１０はコンポーネント１０８を通過し、透過型ＰＳＤで透過ビームとして検出される。反射モード及び透過モードにおける試験を、所望に、個別に或いは同時に遂行し得る。

図８は、本発明に従った光精密測定の方法のためのフロー図である。本方法は、光プローブをコンポーネントに対して第一位置に設けるステップ１２０と、光源ビームを光プローブからコンポーネント上の画素に配向するステップ１２２と、画素からの結果として生じるビームの偏差を検出するステップ１２４と、偏差をコンポーネント特性データセット内に記憶するステップ１２６と、光源をコンポーネントに対して他の場所に移動するステップ１２８と、他の場所のために、配向するステップ、検出するステップ、及び、記憶するステップを反復するステップ１３０とを含む。

本方法は、反射、透過、又は、反射／透過モードで動作するので、結果として生じるビームは、それぞれ反射ビーム、透過ビーム、又は、反射ビーム及び透過ビームの双方である。反射モードにおいて、光源ビームは試験下のコンポーネントの表面から反射される。透過モードにおいて、光源ビームはコンポーネントを通過する。反射／透過モードにおいて、光源ビームは、コンポーネントの表面から反射され、且つ／或いは、コンポーネントを通過する。反射及び透過の測定は、同時に或いは順次的に遂行される。偏差は、光源ビームと結果として生じるビーム（複数の結果として生じるビーム）との間に検出される。

反射モードは、レンズのような光学コンポーネント、及び、半導体コンポーネントのような不透明コンポーネントのために、トポグラフィ及び表面特性を決定し得る。偏差が、光源ビームと反射ビームとの間に検出される。

透過モードは、単一レンズ又はレンズ系のような光学コンポーネントの光特性を決定し得る。その結果は、理論的なコンポーネント特性及びジオメトリというよりもむしろ実際の透過測定値にのみ基づいて、コンピュータ光線追跡プログラムから得られるものと類似する。コンポーネントが既知の設計のレンズ又はレンズ系であるとき、設計されるようなコンポーネントの光特性を予測するために、擬態されたコンピュータ光線追跡プログラムが用いられる。実際のコンポーネントの実際の光特性は、透過モードにおいて測定される。擬態された光特性と実際の光特性との間の差は、波面誤差プロットに変換される。偏差が、光源ビームと透過ビームとの間に検出される。

反射／透過モードは、反射モードの表面測定能力及び透過モードの光特性測定能力の双方を使用する。反射／透過モードを用いる１つの実施例では、先ず、反射モードにおいて表面トポグラフィを測定し、次に、透過モードにおいて光特性を測定することによって、未知のレンズの設計データを見い出し得る。

第一に、表面の傾斜及び偏心が反射モードで決定される。典型的には、表面全体を測定するよりもむしろ、限定的な数の測定がなされる。１つの実施態様において、第一緯度に沿った第一のリング状のデータが測定され、第二緯度に沿った第二のリング状のデータが測定される。リング毎のデータ地点の数は、３〜４ほどの低さであり得る。表面の傾斜及び偏心は、測定値から決定される。代替的な実施態様において、測定は、表面が傾斜及び偏心を示しがちな選択パターンに上で行われる。選択パターンは、ハブ及びスポークパターンのように規則的であってもよいし、或いは、不規則であってもよく、それは自由形状表面に特に有用である。

第二に、傾斜及び偏心のための補正が、透過モード測定の前に、レンズの位置決めを調節することによって機械的に適用され、或いは、透過モード測定値を分析するときに、ソフトウェア内で仮想的に適用される。１つの実施態様において、透過型ＰＳＤは、異なるｚ位置に位置し、或いは、光プローブは、反射モード及び透過モードにおける測定のために、レンズ表面から異なる距離で走査する。

最終的に、レンズの光特性及び決定される未知の設計データを決定するために、透過モード測定が遂行される。

反射／透過モードを適用する他の実施例は、双非球携帯電話カメラレンズのような、複製された或いは射出成形されたオプティクスのための表面と背面との間の偏心の測定である。反射モードを使用するならば、表面全体の走査を用いて、φ軸に対するレンズの偏心及び傾斜が決定される。代替的な実施態様において、走査は、限定的な数の画素又はリング状の画素の上のような、表面の限定的な部分の上で遂行される。反射型ＰＳＤが背面反射の範囲外であるよう光プローブを位置付けることによって、レンズの背面からの光源ビームの反射からデータを得ることを回避するために、走査を設計し得る。傾斜及び偏心のための補正は、レンズの位置決めを調節することに寄って機械的に適用され、或いは、透過モード測定値を分析するときにソフトウェア内で仮想的に適用される。透過モードを使用して、レンズの光特性が決定される。光源ビームは、具体的には、公称レンズ設計が表面に対する背面の偏心の関数として最大透過ビーム屈折を予測する、レンズの部分に向けられている。

画素からの結果として生じるビームの偏差を検出するステップ１２４に加え、代替的な実施態様は、強度及び形状から選択される１つ又はそれよりも多くの追加的な特徴を検出するステップを含む。ＰＳＤ上に結果として生じるビームからの点によって表示される結果として生じるビームの特性が、上記の図４と共に提示される。ＰＳＤ上の結果として生じるビームからの点によって表示される結果として生じるビームの特性がデータ獲得システムに提供され、それらはそこでコンポーネント特性データセットの一部としてデジタル形態で記憶されるのが典型的である。コンポーネント特性データセットは、典型的には、分析プログラムを動作する汎用コンピュータを用いて分析される。トポグラフィを決定するために、コンポーネント特性データセットは、各画素のためにθ軸において少なくとも表面勾配を含む。より網羅的な表面分析のために、コンポーネント特性データセットは、各画素のためにφ軸方向における表面勾配及び／又は強度も含み得る。

図８を参照すると、光源をコンポーネントに対して他の場所へ移動するステップ１２８は、球モード、テレセントリックモード、及び、自由形状モードのような多数の動作モードの１つにおいて遂行される。

球モードにおいて、コンポーネントはφ軸について回転し、光源はθ軸について回転する。典型的には、φ軸についてのコンポーネントの回転は、θ軸についての光源の回転よりも高い速度である。θ軸についての回転は、連続的又は段階的であり得る。結果として生じるビームの偏差を検出するステップも連続的又は段階的に遂行し得る。１つの実施例において、コンポーネントはφ軸について連続的に回転し、結果として生じるビームの特徴は１°の回転毎にサンプリングされる。θ軸について回転の方法は、コンポーネント特性データセットのサイズ及び性質を決定する。θ軸についての回転の方法がステップ状であるとき、コンポーネント特性データセットは、地球上に見られるような、球座標系における規則的な格子である。回転の方法がθ軸について連続的であるとき、コンポーネント特性データセットは螺旋である。螺旋は、球座標系における規則的な格子と同一と想定され得るし、或いは、コンポーネント特性データセットの分析中、球座標系における規則的な格子に変換されることが許容され得る。１つの実施例において、θ軸についての回転は、連続的又は段階的な方法のいずれかで、φ軸についての１回転毎１°又は０．５°で行われる。θ軸についての光源の進行は、典型的には、０°と４５°との間であるが、所望に、６０°又は９０°の最大θ角までであり得る。

トレセントリックモードにおいて、光源は、０°と９０°との間のコンポーネントに対して、一定のθ角で維持される。光源は、プローブステージ及び／又はコンポーネントステージの運動によって、コンポーネントに対してｘ軸方向に純粋な並進で移動される。また、コンポーネントをｚ方向に移動し且つ／或いはφ軸について回転し得る。物体地点は、ゼロ視野角（θ＝０）又は無限視野角（θ≠０）のいずれかを伴う本質的に無限大にある。

自由形状モードにおいて、複合的なコンポーネント形状のために所望であるとき、光源及びコンポーネントの如何なる相対的運動も可能である。光源及びコンポーネントの相対的運動は、所望の運動を達成する如何なる組み合わせにおいても、ｘ軸及びｚ軸に沿って移動し、θ軸及びφ軸について回転するようプログラミングされる。反射モードにおけるトロイド表面トポグラフィを測定することの実施例のために、相対的運動は、光源ビームを表面に対して垂直に保ち、且つ、表面で集束する光源ビームを維持するよう、光源を表面から一定距離に保つようプルグラミングされている。透過モードにおいて光特性を測定することの実施例のために、相対的運動は様々な波面、即ち、球状の集束若しくは発散、オン若しくはオフ軸、現実若しくは仮想、又は、テレセントリックを擬態するようプログラミングされている。複合的な収差波面も擬態し得る。

コンポーネント特性データセットは、遂行される測定の種類に従って分析される。例えば、測定が反射モードで実行されるとき、コンポーネント特性データセットを分析することは、コンポーネントのトポグラフィを決定することを含み得る。他の実施例において、測定が透過モードで実行されるとき、コンポーネント特性データセットの分析は、コンポーネントの光特性を決定することを含み得る。

走査中、各地点のために検出される特性は、データ獲得システムへのデータ信号としてＰＳＤから提供され、その場合には、それらは、典型的には、分析プログラムを実行する汎用コンピュータ上での分析のためのコンポーネント特性データセットとしてデジタル形態で記憶される。実時間又はオフラインで分析を遂行し得る。

反射モードにおいて、θ勾配として定められるφ軸に対して垂直な表面勾配、又は、φ勾配として定められるφ軸に対して垂直な（並びにθ勾配に対して垂直な）表面勾配から、表面トポグラフィを計算し得る。コンポーネント特性データセットは表面勾配を含み、表面勾配が表面トポグラフィを再構築するよう積分されるよう、表面勾配は表面形状の勾配ベクトルである。

θ勾配値から表面トポグラフィを計算する実施例のために、相対的非球性、即ち、半径Ｒ_０の球と比較された非球性は、以下の通り各緯度（φ＝一定）の周りで積分することによって計算される。

ここで、
Ｒ_θは、座標中心としてθ−軸及びφ軸の交点を備える極座標に記載される、θ積分経路に沿うコンポーネントの実際の表面プロファイルであり、
Ｒ_０は、同一の座標中心を備える同一の座標系内に記載され、且つ、典型的には、θ＝０及びφ＝０で、積分開始地点でのコンポーネントの実際の表面プロファイルと一致する基準球であり、
S_θは、角度増分でのθ勾配であり、
d_θは、角度増分である。

コンポーネントが完全な球であるとき、S_θの値はゼロであり、Ｒ_θ／Ｒ_０の比率は１である。非球性は、実際の表面と基準表面との間の差として定められる。この場合には、非球性は、Ｒ_θとＲ_０との間の差であり、基準表面は基準球である。相対非球性は相対値であり、試験下のコンポーネントのサイズと無関係であることに留意のこと。各緯度の周りの絶対非球性は、以下から計算される。

Ｒ_０の値は、典型的には、コンポーネントの設計から既知である。Ｒ_０の値が未知のとき、それは追加的な測定によって決定される。１つの実施態様において、Ｒ_０は、干渉法において一般的に行われるように第二ｚ位置にコンポーネントを備える、或いは、波面センシングを備える、第二コンポーネント特性データセットを得ることによって決定され、２つのコンポーネント特性データセットからＲ_０を計算する。第一コンポーネント特性データセットを得た後、コンポーネントは、ｚ軸に沿って既知量シフトされる。これは、第二の異なる基準球、コンポーネントに対する第二原点を有する新しい極座標系、Ｒ_０の第二値をもたらす。Ｒ_０の２つの値の間の差は、コンポーネントシフトから既知であり、コンポーネントのトポグラフィは、２つのコンポーネント特性データセットにおいて同一であるので、Ｒ_０の２つの値を決定し得る。

代替的な実施態様において、Ｒ_０は、コンポーネント直径のようなコンポーネントの物理的なパラメータを測定することによって決定され、コンポーネント特性データセットに比例して変化するよう測定された物理的パラメータを用いる。表面トポグラフィを特徴付けるために、絶対非球性が各緯度で計算される。１つの実施態様において、表面トポグラフィは、表面の個々の部分のために計算され、全表面を特徴付けるために、個々の部分は一体的に綴じられる。

以下から、各緯度の周りのφ勾配から類似の方法で表面トポグラフィを決定し得る。

ここで、
R_φは、座標中心としてθ軸及びφ軸の交点を備える極座標に記載された、φ積分経路に沿うコンポーネントの実際の表面特徴プロファイルであり、
Ｒ_０は、同一の座標中心を備える同一の座標系に記載され、且つ、典型的には、θ＝０及びφ＝０で、積分開始地点でコンポーネントの実際の表面プロファイルと一致する基準球であり、
Ｓ_φは、角度増分でのφ勾配であり、
dφは、角度増分である。

φ−勾配値から表面トポグラフィを計算するために、追加的な情報が必要である。１つの実施態様では、φ勾配値を各緯度（θ＝一定）の周りで結び付けるために、単一のRθ走査（φ＝一定）を用い得る。

当業者であれば、コンポーネント形状及びトポグラフィを再構築するために、コンポーネント特性データセットを、上記に提示された実施例に加え、多くの方法で用い得ることを理解しよう。φ軸（φ勾配）に対して垂直な勾配、強度、及び、形状のような、θ勾配よりも多くのデータがコンポーネント特性データセット内で収集されるとき、表面トポグラフィを確認し得るし、追加的な計算を遂行し得る。例えば、ここに参照として引用される、Ｗ．Ｐｏｔｚｅによって２００３年１２月２４日に出願された特許出願ＰＣＴ／ＩＢ２００３／００６２号，Ｋｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ 参照番号第ＰＨＮＬ０３００２２号は、二次元ＰＳＤが用いられ且つθ勾配及びφ勾配の双方が収集されるときに、表面統合のために過剰勾配データを最適に使用するためのアルゴリズムを開示している。画素をダスト又はスクラッチによって引き起こされる勾配値と結び付けるために、強度データを用い得る。測定された勾配値が正しいかどうかをテェックするために、形状及び局所的極率を用い得る。他の実施態様において、コンポーネント及びコンポーネント表面は、眼分野で一般的に用いられているパワーマップ又はアドオンマップ、或いは、オプティクス分野で一般的に用いられているようなゼルニケ多項式係数適合のような代替的な方法で分析され得る。コンポーネント及びコンポーネント表面は、球座標、デカルト座標、又は、他の便利な座標系に記載され得る。

コンポーネント特性データセットを分析することから得られるトポグラフィ又は他の結果は、コンポーネントを研削し、研磨し、或いは、組み立てることのように、コンポーネントを動かすことに用いられ得る。光プローブ及びＰＳＤは、それらが旋盤又は研磨機のようなコンポーネントを動かす工具と干渉しないよう、コンポーネントから離間し得る。工具の制御のために誤差信号を生成するために、トポグラフィ又は他の結果は、設計パラメータと比較され得る。透過モードを用いることで、組立中に他素子レンズ系の光学特性を監視し得る。測定は各レンズ素子がレンズ系に加えられた後に行われ得ることで、組立体が補正され、且つ、レンズ系が所望に作動することを保障する。

１つの実施態様において、地点からの結果として生じるビームの偏差を検出するステップ１２４は、ＰＳＤで偏差を検出するステップ及びＰＳＤを較正するステップを含む。ＰＳＤを較正するステップは、正確な測定値をもたらすよう、光測定装置の任意の部分の較正を含む。反射モードにおける動作のためにＰＳＤを較正するために、ゆらぎ較正、平面鏡較正、又は、球較正が用いられる。ＰＳＤ較正は、ＰＳＤ、光プローブ、及び／又は、ステージの物理的整列のような、オフセット又は整列のためにハードウェアを調節することによって、或いは、試験下の特定のコンポーネントのためのコンポーネント特性データセットを分析しながら、ソフトウェア内のデータを調節することによって、ＰＳＤは遂行される。較正データは、線形適合(linear fit)又は複合較正表を通じて、測定データに適用され得る。

ゆらぎ較正法を実施するために、φ軸に対する小さな傾斜で、平面鏡がコンポーネントとして設けられる。１つの実施態様において、平面鏡は、較正後に試験されるべきコンポーネントと同一の材料から成り、且つ、同一の反射率及び表面粗さのような光学特性を有する。光源ビームは平面鏡上に向けられ、鏡はφ軸について回転される。結果として生じるビームは、鏡傾斜の小さな角度と等しい半角を有する円錐を描く。結果として生じるビームはＰＳＤ上に痕跡を形成する。典型的には、痕跡はほぼ円形である。θ方向及びφ方向における感度は、真円度からの痕跡偏差に基づき較正される。ＰＳＤは、θ方向及びφ方向における非真円度の補正によって較正される。

ゆらぎ較正法のためのＰＳＤのより大きな領域に亘る較正は、異なる鏡傾斜及び／又は異なる光源ビーム角度を用いた較正手続きを反復することによって得られるので、結果として生じるビームは、ＰＳＤ上に異なるサイズの痕跡を描く。これはφ軸及びθ軸に対するコンポーネントの全ての可能な角度のためにＰＳＤの較正をもたらす。平均、円、又は、フーリエ適合のような較正データの適合からφ方向におけるＰＳＤのゼロを位置付けるにも、較正データを用い得る。

標的を備える一時ジグをコンポーネントとしてのφステージに取り付けることによって、φ方向におけるＰＳＤのゼロを測定し得る。標的は、一次ジグ上の光源ビームの位置を位置付けるために用いられるピンホール、点、若しくは、十字のようなマーク、又は、ＰＳＤ若しくはカメラのようなセンサである。一次ジグは、φ軸上の光プローブから第一距離の標的を先ず位置付ける。一次ジグは、φ軸について回転され、φステージ上の標的の位置は、φ軸についての標的の運動に偏心性がなくなるまで調節される。一次ジグは、ｚ軸に沿ってφ軸上の光プローブから第二距離に移動され、第二距離での如何なる偏心性もゼロにされる。次に、光源ビームが、一次ジグがφ軸について回転されるときに、第一距離及び第二距離の双方で標的の中心を打つまで、一次ジグは、第一距離と第二距離との間で移動され、調節が行われる。

平面鏡較正法を遂行するために、平面鏡がコンポーネントとしてφ軸に対して小さな傾斜で提供される。１つの実施態様において、平面鏡は、較正後に試験されるべきコンポーネントと同一の材料から成り、且つ、同一の反射率及び表面粗さのような光学特性を有する。光源ビームは、平面鏡上に向けられ、θ走査が実行される、即ち、光プローブはθ軸について回転されるのに対し、鏡はφ軸に対して固定される。典型的には、鏡はθ軸に近いので、光源ビームは、θ走査中、鏡の単一地点付近に留まる。これは鏡の平坦性に対する較正の感度を低減する。θ方向及びφ方向における偏向のために、データは、ＰＳＤ上の結果として生じるビームから収集される。コンポーネントは、φ軸についての３０°又は６０°のような較正角度増分によって回転される。θ走査は反復され、コンポーネントは回転される。コンポーネントが３６０°回転されるまで、追加的なθ走査が、φ軸についての各較正角度増分で遂行される。φ軸位置の関数としてのθ方向における偏向の線形性から、θ方向における感度を較正し得る。φ方向における偏向の平均から、φ方向における感度を較正し得る。ＰＳＤは、θ方向における非線形性及びφ方向における偏差の補正によって較正される。

球較正法を遂行するために、球はコンポーネントとして提供される。１つの実施態様において、球は研磨された金属球である。代替的な実施態様において、球は、較正後に試験されるコンポーネントと同一の材料から成り、且つ、同一の反射率及び表面粗さのような光学特性を有する。光源ビームは、θ軸及びφ軸に沿ってゼロ度で球上に向けられる。θ方向及びφ方向における偏向のために、データがＰＳＤ上の結果として生じるビームから収集される。光源ビームは、０．５°又は１°のような小さな縦増分によってθ方向に移動される。球をφ方向に回転し、且つ、１°又は２°のような小さな緯度増分でデータを収集することによって、リング状のデータが収集される。約０°及び４５°又は０°及び９０°以上の間のθ値からのようなリング状のデータが球の所望部分に亘って収集されるまで、手続きは反復される。コンポーネントは球であるので、θ方向及びφ方向における偏向はゼロであるべきである、即ち、表面勾配はゼロでなければならず、非球性があってはならない。球面は、リング状のデータから再構築され、研磨金属球のための予期される球面と比較される。ＰＳＤは、ＰＳＤ、光プローブ、及び／又は、ステージ整列を補正することのような、任意の不整列の物理的補正によって、又は、ソフトウェア内のデータを調節しながら、試験下の特定コンポーネントを分析することによって較正される。

図９は、本発明に従った光精密測定法を組み込んだ機械制御のためのブロック図である。光測定装置２００は、光源ビーム２０２を表面２０４の画素に送り、それは結果として生じるビーム２０６を戻す。工具２０８との干渉を避けるために、光測定装置２０６は、典型的には、表面２０４から離れている。結果として生じるビーム２０６は、所望の用途に依存して、反射ビーム又は透過ビームであり得る。表面２０４は、旋盤上で機械加工することによる、研磨することによる、或いは、研削することによるように、工具２０８によって作業される。表面２０４が工具２０８によって作業されている間、表面２０４は光測定装置２００によって測定される。表面２０４は、停止された工具２０８を備える光測定装置２００によっても測定され得るが、表面２０４は作業機械、即ち、旋盤、研磨機、又は、研削機内に取り付けられたままである。ウォータジェット又は研磨材を用いる工具のために、光測定装置は、表面測定が行われるときに開放する窓の背後に保護され得る。

光測定装置２００は、結果として生じるビーム２０６から、表面２０４の特性の測定信号２１０を発生する。測定信号２１０は、コンパレータ２１６で、設計記憶装置２１４からの設計信号２１２と比較される。設計記憶装置２１４内に記憶される表面２０４のための所望の設計は、事前設定設計、又は、表面２０４の作業の実際の進行と共に変化する対話型設計であり得る。コンパレータ２１６は、測定信号２１０と設計信号２１２との比較から差分信号２１８を発生する。機械制御２２０は、差分信号２１８を受信し、表面２０４に働く工具２０８を制御する制御信号２２２を発生する。

図１０は、本発明に従って作成される光精密測定装置を含む旋盤の斜視図である。表面に働くよう工具の動作を制御する同一のコンポーネントは、光測定装置の光プローブの動作も制御する。光測定装置の作用は、図１及び２に関して記載されたものと類似する。

図１０を参照すると、旋盤２３０は、旋盤キャリッジ２３４そ支持するベッド２３２を含み、次いで、旋盤キャリッジは、工具ホルダ２３６を支持している。切断工具２３８は、工具ホルダ２３６によって保持されている。コンポーネント２４２が切断工具２３８を備える旋盤２３０上で作業され得るよう、回転ヘッド２４０がコンポーネント２４２を保持し、且つ、φ軸についてコンポーネントを回転している。旋盤キャリッジ２３４は、ｚ軸に沿ってベッド２３２上を移動し、工具ホルダ２３６は、ｘ軸に沿って旋盤キャリッジ２３４上を移動する。コンポーネント２４２に対する切断工具２３８の動作は、コンポーネント２４２の精密な機械加工を可能にする。

光精密測定をもたらすために、θステージ２４４は、工具ホルダ２３６に動作的に接続され、光プローブ２４６はθステージ２４４に取り付けられている。光プローブ２４６は、光源ビーム２４８をコンポーネント２４２に向ける。この実施例において、光プローブ２４６は、結果として生じるビーム（図示せず）を検出し、結果として生じるビームはコンポーネント２４２の表面トポグラフィを決定するための反射ビームである。旋盤キャリッジ２３４、工具ホルダ２３６、及び、θステージ２４４は、プローブステージとして作用し、ｘ及びｚ方向における並びにθ軸についての光プローブ２４６の動作を制御する。回転ヘッド２４０は、コンポーネントステージとして作用し、φ軸についてのコンポーネント２４２の動作を制御する。測定のための動作は、コンポーネント２４２の作業を制御するために用いられる同一のコントローラによって制御される。

光精密測定は、コンポーネント２４２の作業と調和される。１つの実施態様において、光精密測定は、コンポーネント２４２の作業と同時に遂行される。他の実施態様において、光精密測定は、所望の測定に依存してコンポーネント２４２が回転し或いは固定された状態で、コンポーネント２４２が作業されていないときに遂行される。当業者であれば、旋盤に関して記載された光精密測定構成が、研磨機及び研削機のような多数の他の機械に適用可能であることを理解しよう。

図１１及び１２は、本発明に従って作成された光精密測定装置のプローブステージ用の支持体の代替的な実施態様のそれぞれ斜視図及び断面図であり、同等の素子は図５及び６と同等の参照番号を共有している。支持体は、追加的な自由度、及び、既存の自由度のためのより大きな範囲の動作をもたらす。

プローブステージのための１つの代替的な支持体に関する図１１を参照すると、ジンバルリングとしても既知のカルダンリング１５０が、揺動アーム８４を支持している。カルダンリング１５０は、内側リング１５２と、外側リング１５４と、第一シャフト８２と、第二シャフト１５６とを含む。第一シャフト８２は、外側リング１５４上に内側リング１５２を支持し、θ軸についての外側リング１５２の回転をもたらす。第二シャフト１５６は、外側リング１５４を支持し、Ψ軸についての回転をもたらす。θ軸及びΨ軸は、典型的には、互いに直交し合う。揺動アーム８４は、内側リング１５２に取り付けられている。光プローブ（図示せず）は、内側リング１５２に接続された揺動アーム８４によって支持され、内側リング１５２と共にθ軸について回転する。コンポーネントステージ７６は内側リング１５２内に位置している。１つの実施態様において、コンポーネントステージ７６は、コンポーネント７８をｘ、ｙ、及び、ｚ方向に移動し、φ軸についての回転をもたらす。カルダンリング１５０は、当業者に既知であるような、駆動及び監視のための、軸受と、モータと、位置エンコーダ（図示せず）とを含む。

プローブステージのための他の代替的な支持体に関する図１２を参照すると、滑走ステージ１７０が、シャフト８２を回転可能に支持するシャフト軸受８３を支持している。シャフト８２はθ軸について回転可能である。シャフト８２に取り付けられた揺動アーム８４は、光源ビームをコンポーネントステージ７６上に載置されたコンポーネント７８に向けるために、光プローブ（図示せず）を支持している。滑走ステージ１７０は、第一軸受リング１７２と、第二軸受リング１７４とを含む。第一軸受リング１７２及び第二軸受リング１７４の相補面１７６，１７８は、第一軸受リング１７２が滑走ステージ１７０について滑走ステージ上に中心化される地点について回転し得る。１つの実施態様において、地点１８０は、光プローブの集束地点又はその近傍にある。当業者であれば、代替的な実施態様において、地点１８０が滑走面１７０より下にあるよう、相補面１７６，１７８の勾配が、例証されるような滑走ステージ１７０の中心に向かってから、滑走ステージ１７０の外側に向かってに反転されることを理解しよう。滑走ステージ１７０は、当業者に既知であるような、駆動及び監視のための、軸受と、モータと、位置エンコーダ（図示せず）とを含む。

光測定装置は、光プローブとコンポーネントとの間でｙ方向にも運動をもたらし得る。１つの実施態様において、滑走ステージ１７０は、ｙステージ１８２上に支持され、光プローブの運動をｙ方向にもたらしている。代替的な実施態様において、コンポーネントステージ１７６は、コンポーネントの運動をｙ方向にもたらしている。ｙステージ１８２は、当業者に既知であるような、駆動及び監視のための、軸受と、モータと、位置エンコーダとを含む。

ここに開示される本発明の実施態様は、現在好適と考えられるが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変更及び修正をなし得る。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に示され、意味及び均等の範囲内に由来する全ての変更がここに包含されるよう意図される。

本発明に従って製造された光精密測定装置を示す正面図である。 本発明に従って製造された光精密測定装置を示す側面図である。 本発明に従って製造された光精密測定装置のための光プローブを示す概略図である。 本発明に従って製造された光精密測定装置のための位置反応装置を示す概略図である。 本発明に従って製造された光精密測定装置のための代替的な実施態様を示す正面図である。 本発明に従って製造された光精密測定装置のための代替的な実施態様を示す側面図である。 本発明に従って製造された光精密測定装置のための他の代替的な実施態様を示す正面図である。 本発明に従った光精密測定装置の方法を示すフロー図である。 本発明に従った光精密測定装置の方法を組み込んだ機械制御のためのブロック図である。 本発明に従って製造された光精密測定装置を含む旋盤を示す斜視図である。 本発明に従って製造された光精密測定装置のプローブステージのための支持体の代替的な実施態様を示す斜視図である。 本発明に従って製造された光精密測定装置のプローブステージのための支持体の代替的な実施態様を示す断面図である。

Claims (20)

1. コンポーネントの光精密測定の方法であって、
   前記コンポーネントに対する第一場所に光プローブを設けるステップと、
   該光プローブからの光源ビームを前記コンポーネント上の画素に配向するステップと、
   前記画素からの結果として生じるビームの偏差を検出するステップと、
   該偏差をコンポーネント特性データセットに記憶するステップと、
   光源をコンポーネントに対する他の場所に移動するステップと、
   前記他の場所のために、前記配向するステップと、前記検出するステップと、前記記憶するステップとを反復すするステップとを含む、
   方法。
2. 前記結果として生じるビームは、反射ビーム、透過ビーム、並びに、反射ビーム及び透過ビームの両方から成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記結果として生じるビームの追加的な特性を検出するステップをさらに含み、該追加的な特性は、強度及び形状から成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
4. 前記光源を前記コンポーネントに対する他の場所に移動するステップは、前記コンポーネントをφ軸について回転するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記光源を前記コンポーネントに対する他の場所に移動するステップは、前記光源をθ軸について回転するステップを追加的に含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記光源を前記コンポーネントに対する他の場所に移動するステップは、球モード、テレセントリックモード、及び、自由形状モードから成る群から選択されるモードにおいて、前記光源を前記コンポーネントに対して移動するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記コンポーネント特性データセットを分析するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記結果として生じるビームは、前記コンポーネントの表面からの反射ビームであり、前記コンポーネント特性データセットを分析するステップは、トポグラフィ特性、パワーマップ、アドオンマップ、及び、ゼルニケ多項式係数適合から成る群から選択される特性のために前記表面を分析するステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記結果として生じるビームは、透過ビームであり、前記コンポーネント特性データセットを分析するステップは、前記コンポーネントの光特性を決定するステップを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記コンポーネント特性データセットを分析するステップからの結果に応答して前記コンポーネントを動かすステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記画素からの結果としてのビームの偏差を検出するステップは、位置反応検出器を用いて、前記画素からの結果として生じるビームの偏差を検出するステップを含み、且つ、前記位置反応検出器を較正するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記位置反応検出器を較正するステップは、
    平面鏡をφ軸に対してある傾斜で設けるステップと、
    前記光源ビームを前記平面鏡に配向するステップと、
    前記平面鏡を前記軸について回転するステップと、
    前記位置反応検出器上の痕跡を検出するステップと、
    該痕跡から前記位置反応検出器の感度を決定するステップとを含む、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記位置反応検出器を較正するステップは、ゆらぎ較正、平面鏡較正、及び、球較正から成る群から選択される方法によって前記位置反応検出器を較正するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
14. コンポーネントの光精密測定のためのシステムであって、
    前記コンポーネントに対する第一場所にある光プローブと、
    該光プローブからの光源ビームを前記コンポーネント上の画素に配向するための手段と、
    前記画素からの結果として生じるビームの偏差を検出するための手段と、
    該偏差をコンポーネント特性データセットに記憶するための手段と、
    光源を前記コンポーネントに対する他の場所に移動するための手段と、
    前記他の場所のために、前記配向するための手段と、前記検出するための手段と、前記記憶するための手段とを反復するための手段とを含む、
    システム。
15. 前記コンポーネント特性データセットを分析するための手段をさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記検出手段を較正するための手段をさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
17. コンポーネントを光測定するための装置であって、
    光源ビームをもたらす光プローブと、
    該光プローブをθ軸について回転するよう動作可能であるプローブステージと、
    前記コンポーネントをφ軸について回転するよう動作可能であるコンポーネントステージと、
    位置反応検出器とを含み、
    前記プローブステージは、前記光源ビームを前記コンポーネントに対して配向し、前記光源ビームは、前記コンポーネントから結果として生じるビームを発生し、前記位置反応検出器は、前記結果として生じるビームを検出する、
    装置。
18. 前記プローブステージ及び前記コンポーネントステージの相対的な動作は、前記光プローブをｘ軸及びｚ軸に沿って前記コンポーネントに対して移動するよう動作可能である、請求項１７に記載の装置。
19. 前記結果として生じるビームは、反射ビーム、透過ビーム、並びに、反射ビーム及び透過ビームの両方から成る群から選択される、請求項１７に記載の装置。
20. 前記位置反応検出器は、アナログ横効果光ダイオード、電荷結合素子センサ、及び、相補型酸化膜金属半導体センサから成る群から選択される、請求項１７に記載の装置。

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