JP2008513751A

JP2008513751A - 測定対象物の複数の面を測定するための光学式測定装置

Info

Publication number: JP2008513751A
Application number: JP2007531733A
Authority: JP
Inventors: シュトレーレヨヘン
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2008-05-01
Also published as: CN101023319A; EP1794540A1; KR20070062527A; WO2006032561A1; RU2007115154A; US7643151B2; BRPI0514373A; EP1794540B1; US20080259346A1; DE102004045808A1

Abstract

光学素子の配置によって測定対象物（１５）の複数の面（５、１０）を測定するための光学式測定装置（１）を提案する。測定されるべき第１の面（５）は例えば狭いガイド穿孔部の内壁であり、測定されるべき第２の面（１０）は、このガイド穿孔部の終端に位置付けされている、弁座の円錐状部分によって形成されている。ビームスプリッタ（２０：２０ａ）に入射する光ビーム（３５）の第１の部分（３０）が垂直に、測定対象物（１０）の第１の面（５）に配向され、ビームスプリッタ（２０：２０ａ）に入射する光ビーム（３５）の第２の部分（４０）が、ビームスプリッタ（２０；２０ａ）の後方に配置されたレンズシステム（２５）に入射し、このレンズシステム（２５）を介して垂直に第２の面（４０）に配向されるように、光学素子として少なくとも１つのビームスプリッタ（２０，２０ａ）とレンズシステム（２５）が配置されている。

Description

従来技術
本発明は、光学素子を配置することによって、測定対象物の複数の面を測定する光学式測定装置に関する。本発明はさらに、測定対象物に対する対物レンズとしての光学式測定装置の使用に関する。

干渉計システムは殊に、種々異なる測定対象物の表面を無接触検査するのに適している。検査されるべき対象物の表面輪郭を検出するために、干渉計の光源から対象物ビームが、測定されるべき領域に入射する。表面によって反射された対象物ビームは干渉計の検出部に入射し、基準ビームと共に干渉パターンを形成し、ここから２つのビームの行路長さの差が導出される。２つのビームのこの測定された行路長さの差は、表面トポグラフィの変化分に相当する。

殊に、光源が短コヒーレントビームを送出する白色光干渉計では、測定対象物を深度走査によってスキャンすることも可能である。例えば、未公開の特許出願ＤＥ１０３２５４４３．９号に記載されているように、ここでは短コヒーレントビームがビームスプリッタを介して、対象物ビームと参照ビームに分けられる。測定されるべき対象物表面は、対物レンズを介して画像撮影部、例えばＣＣＤカメラ(charge-coupled device Kamera)へ導出され、参照ビームによって形成された基準波と重畳される。深度走査は、測定装置に対して相対的な、参照ビームを反射する参照鏡の運動または対物レンズの運動によって行われる。対象物が動いた場合、対象物の像平面および参照平面は同一の平面にある。深度走査の間、対象物は動かずに、ＣＣＤカメラの視野内にとどまり、対象物はここで深度軸においてのみ参照平面に相対的に動く。このようにして、深度解像度による技術的表面の測定を、数ナノメートルの領域で測定することができる。このような測定方法に対する技術的原理は、寄稿"Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar" (T. Dresel, G. Haeusler, H. Venzke著, Appl.Opt.31 (7),p.919-925, 1992)内にも記載されている。

ここで、測定対象物の測定されるべき面は均一の、平坦な面ではない場合には、特別な対物レンズが、測定対象物を測定するために必要である。各測定過程時には次のことに留意されなければならない。すなわち、ビームが走査時にできるだけ垂直に、測定されるべき面に入射することに留意されなければならない。ＤＥ−１０１３１７７８Ａ１号から例えば、湾曲された表面も測定することができる光学素子の配置が公知である。従って例えば上述した文献の図１Ｃは、そこに開示された全方向型光学系によってどのように、アクセス困難な測定面（例えばシリンダないし穿孔部の内面）も測定可能になるのかを示している。全方向型光学系における屈折プリズムを用いて、ビームは穿孔部の内面に垂直に向けられる。別の実施例では、上述の文献における図１ｄ内で示された全方向型光学系は、穿孔部の移行領域での内部円錐面(innere Kegelflaeche）用に設計されている。このような特別な光学系によって、光学系上に入射する平行ビームはビーム内の対象物面に変えられる。この対象物面は円錐面に対して垂直である。すなわち、ビームは扇状に拡げられる。しかし実際には、２つの面、すなわち穿孔部の内面と、穿孔部をさらに狭くすることによって生じる内部円錐面が同時に測定可能であるのは有利である。このような要求は例えば次のときに生じる。すなわち、円錐状弁座に対するガイド穿孔部の位置が測定される場合に生じる。従来技術では、２つまたはそれよい多い全方向型光学系が次のように配置および構成されている。すなわち、同時に、少なくとも１つの別の表面領域の表面領域の他に、平面化された画像が生成されるように配置され、構成されている。参照光路内にはこの場合には同じように、別の表面領域の数に相応して、種々異なる光路長を生成するために、少なくとも１つの別の参照平面が配置される。このようにして、空間的に別個にされた弁座に対するガイド穿孔部の位置が測定される。

すなわちここで、１つの対物レンズだけによって２つの面を測定するのは不可能である。従来技術からの屈折ミラー（図１ｃ）とビーム扇化光学系（図１ｄ）を伴う２つの実施例を単に組み合わせても効果は得られない。なぜならビームは、２つの光学素子の配置の順番に応じて穿孔部の内面だけかまたは内部円錐面しか検出しないからである。

発明の利点
請求項１に記載された特徴を有する本発明の光学式測定装置は従来技術とは異なって次の利点を有している。すなわち測定対象物のアクセス困難な複数の面の測定が可能であるという利点を有している。特に有利には、円錐面や穿孔部内面等の異なる測定面が迅速かつ、測定装置を変えることなく測定可能である。この光学式測定装置は、測定対象物用の特別な対物レンズとしても、それ自体公知の干渉計の測定構造体内またはオートフォーカスセンサ内で使用される。

干渉測定装置の有利な発展形態は、従属請求項および明細書に記載されている。

図面
本発明の実施例を以下で図面および明細書に基づいてより詳細に説明する。

図１は、測定装置内の光学素子の配置の第１の実施形態であり、
図２は、測定装置内の光学素子の配置の第２の実施形態であり、
図３は、特別対物レンズとして本発明に相応する測定装置を伴う干渉測定構造体であり、
図４は、二重コレログラム用の評価ソフトウェアを伴う画像撮影部である。

実施例の説明
図１は、光学素子の配置を伴う、本発明による測定装置１の第１の実施形態を示している。測定対象物１５としてはこの例では、ガイド穿孔部が示されている。このガイド穿孔部の直径は、移行領域を介して、一定の比較的高い値から一定の低い値へ変化する。移行領域自体で穿孔部は急峻に狭くなる。これによって内部円錐面区間の面形状が形成される。このような幾何学的形状は、円錐状弁座を有するガイド穿孔部のそれに相応する。内壁は、測定されるべき測定対象物１５の第１の面５に相当し、円錐状弁座は第２の面１０に相応する。ガイド穿孔部の内壁および円錐状弁座を測定するために、本発明では光学素子として、少なくとも１つのビームスプリッタ２０とレンズシステム２５が設けられる。ここで、ビームスプリッタ２０上に入射する光ビーム３５の第１の部分３０は測定対象物１５の第１の面５に垂直に向けられ、ビームスプリッタ２０上に入射する光ビーム３５の第２の部分４０は、後方に配置されたレンズシステム２５に入射し、このレンズシステム２５を介して垂直に第２の面１０に向けられる。ビームスプリッタ２０は、ビームスプリッタ２０に入射する光ビーム３５の第１の部分３０を有利には、入射方向に対して直角に屈折偏向させる。ビームスプリッタ２０に入射する光ビーム３５の第２の部分４０は、屈折偏向されずにレンズシステム２５に配向される。

光ビーム３５が第１の部分３０および第２の部分４０に分けられるように、ビームスプリッタ２０は光半透過性であり、すなわち光ビーム３５の第１の部分３０はビームスプリッタ２０で反射され、第２の部分４０はビームスプリッタ２０を通過する。図１では、ビームスプリッタ２０は、半光透過性のプリズムである。これと相応に、測定対象物１５の軸対象形状はビームスプリッタ２０を有する。ここでプリズムおよび／またはレンズシステム２５は軸対象形状も有している。レンズシステム２５はビーム３５の第２の部分４０を扇状に拡げる。従ってこの第２の部分は各場所で、円錐状弁座に垂直に入射する。ビームスプリッタ２０によって分けられた光ビーム３５の第１の部分３０も第２の部分４０も、測定対象物１５の第１の面５ないし第２の面１０で反射されて、測定装置１の、光が入射する、対象物の方を向いていない面へ戻る。

光学素子は通常は管４５内に、殊に管４５の流出領域内に配置されている。光ビーム３５の第１の部分３０または第２の部分４０が管から出る、ないし各反射後に管内に再び入射する箇所において、管は光学式に透過性の材料から成るまたは、切り欠き部を構成するために完全に省かれる。分かりやすくするために、光学的に透過性の材料ないし切り欠き部は図示されていない。

図２には、測定装置１の第２の実施形態が示されている。これは第１の実施例とは、次の点において異なっている。すなわち、ビームスプリッタ２０aが円錐中空体（Hohlkegel)によって構成されているという点において異なる。すなわちビームスプリッタ２０aは、切り欠き部を軸対象プリズムの形状で有している、光半透過性の切片である。

測定装置１は、それ自体公知の干渉計（殊に白色光干渉計）の測定構造体において、測定対象物１５に対する特別な対物レンズとして使用するのに適している。マイケルソン方式の測定構造体が図３に示されており、その測定原理は公知である：白色光干渉計（短コヒーレント干渉計）の場合、光源５０は短コヒーレントビームを送出する。この光は、干渉計のビームスプリッタ５５を介して、参照ビーム６０と対象物ビーム６５に分けられる。干渉計のビームスプリッタ５５は、測定装置１のビームスプリッタ２０、２０ａとは区別されるべきである。参照ビーム６０は、さらに参照光路内に配置された参照ミラー７０によって反射され、再びビームスプリッタ５５を介して、画像撮影部７５に達する。これは有利にはＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラ（complementary metal oxide semiconductor-Kamera）である。ここで参照ビーム６０の光波は、対象物ビーム６５の光波と重畳する。この対象物ビーム６５は、自身の側で対象物光路内に配置された、本発明に相応する特別な対物レンズを介して、測定対象物１５の第１および第２の面５、１０に向けられ、反射されたものである。上述したように、対象物ビーム６５ないし、測定装置１のビームスプリッタ２０、２０ａ上に入射した光ビーム３５は、本発明と相応に、第１の部分３０ないし第２の部分４０に分けられる。これによって、２つの面を測定することが可能になる。当然ながら、オートフォーカスセンサまたはレーザ干渉計またはヘテロダイン干渉計またはその他の干渉計の測定構造体においても、特別な対物レンズとして測定装置１を使用することが可能である。

測定の間、測定対象物１５に対する測定装置１の相対的な運動または、測定装置１に対する測定対象物１５の相対的な運動は有利には回避されるべきである。従って測定装置１は、中間像を伴う干渉計の特別な対物レンズとして特に適している。中間像を形成することができるこのような干渉計は従来技術から公知である。

その他の点では、測定対象物１５の第１の面５および第２の面１０を測定するときに、２つの面５、１０が同時に、画像撮影部７５の焦点にないことが重要である。このような場合には、２つの面５、１０によって反射され、画像撮影部７５に導かれたビームはオーバーラップして共通の干渉像が形成されてしまい、測定値を誤ったものにしてしまうだろう。従って、まずは面５が、干渉領域から出るまでスキャンされ、その後に第２の面１０が干渉領域内に入り、スキャンされる。面５、１０は当然ながら反対の順番で走査されてもよい。画像撮影部７５内での、光ビーム３５の第１の部分３０と第２の部分４０の重畳を回避するために、測定装置１の光学素子の配置では光ビーム３５のコヒーレント長に関して注意されなければならない。一連の波のコヒーレント長とは、干渉に必要な、重畳に対する接続長さのことである。従って測定装置１の光学素子は、上述した重畳条件を考慮して次のように配置される。すなわち、入射光ビーム３５の第１の部分３０および第２の部分４０の光路が少なくとも、光ビーム３５のコヒーレント長のサイズにおいて異なるように配置される。白色光干渉計でのコヒーレント長の典型的な値範囲は例えば２〜１４μｍであり、約１５７０μｍの波長が使用されるヘテロダイン干渉計では、約８０μｍのコヒーレント長が生じる。

光ビーム３５の第１の部分３０および第２の部分４０に対する異なる波長を伴う測定装置１の配置に対して択一的または付加的に、画像撮影部７５内での２つのビーム部分３０、４０の妨害となる重畳が次のことによって阻止される。すなわち、ビームスプリッタ２０、２０ａが電気的または磁気的に制御可能であり、その透過特性および反射特性が所期のように変えられることによって阻止される。このようにして光ビーム３５の第１の部分３０または第２の部分４０の光路が短時間でフェイドアウトされる。

この関連において有利には、二重コレログラム８０用の応答ソフトウェアを伴う画像撮影部７５が使用される。本発明では、光学式測定装置１によって測定対象物１５の複数の面５、１０の測定が可能になるので、画像撮影部７５は異なる面によって反射された部分ビームを相応に分けて評価しなければならない。図４で明らかにされているように、画像撮影部７５内で作成された干渉パターンは、その強度８５および位置９０に応じて分けて評価される。この結果、評価ソフトウェアによって、順次連続する２つのコレログラム９５、１００が形成される。

要約する、測定装置１において光ビーム３５を第１の部分３０および第２の部分４０に分けることによって、測定対象物１５の複数の面５、１０を測定することが可能になる。光学素子のこの配置によって、殊にシリンダ内面の測定および円錐形状面の測定を、測定装置１のみによって行うことが可能になる。

測定装置内の光学素子の配置の第１の実施形態測定装置内の光学素子の配置の第２の実施形態特別対物レンズとして本発明に相応する測定装置を伴う干渉測定構造体二重コレログラム用の評価ソフトウェアを伴う画像撮影部

Claims

光学素子を配置することによって、測定対象物（１５）の第１の面（５）と第２の面（１０）を測定するための光学式測定装置（１）であって、
ビームスプリッタ（２０：２０ａ）に入射する光ビーム（３５）の第１の部分（３０）が垂直に、測定対象物（１０）の第１の面（５）に配向され、ビームスプリッタ（２０：２０ａ）に入射する光ビーム（３５）の第２の部分（４０）が、前記ビームスプリッタ（２０；２０ａ）の後方に配置されたレンズシステム（２５）に入射し、当該レンズシステム（２５）を介して垂直に前記第２の面（１０）に配向されるように、光学素子として少なくとも１つのビームスプリッタ（２０，２０ａ）とレンズシステム（２５）が配置されている、
ことを特徴とする光学式測定装置。
前記ビームスプリッタ（２０，２０ａ）は、該ビームスプリッタ（２０；２０ａ）に入射する光ビーム（３５）の第１の部分（３０）を入射角度に対して直角に屈折させる、および／または前記ビームスプリッタ（２０，２０ａ）に入射する光ビーム（３５）の第２の部分（４０）を、屈折させずに、前記レンズシステム（２５）に向ける、請求項１記載の光学式測定装置。
前記ビームスプリッタ（２０；２０ａ）の透過および反射を電気的または磁気的制御によって変える、請求項１または２記載の光学式測定装置。
前記ビームスプリッタ（２０；２０ａ）はプリズムまたは円錐中空体である、請求項１から３までのいずれか１項記載の光学式測定装置。
前記ビームスプリッタ（２０；２０ａ）および／またはレンズシステム（２５）は軸対象形状を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の光学式測定装置。
前記レンズシステム（２５）は入射する光ビーム（３５）の第２の部分（４０）を円錐状に扇形に拡げる、請求項１から５までのいずれか１項記載の光学式測定装置。
前記光学素子は管（４５）、殊に管（４５）の流出領域内に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の光学式測定装置。
入射する光ビーム（３５）の第１の部分（３０）の光路および第２の部分（４０）の光路が、少なくとも光ビーム（３５）のコヒーレント長のサイズにおいて異なるように前記光学素子が配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の光学式装置。
前記測定装置（１）を、測定対象物（１５）に対する特別な対物レンズとして、オートフォーカスセンサまたはそれ自体公知の干渉計、殊にレーザ干渉計、ヘテロダイン干渉計または白色光干渉計の測定構造体内で使用する、請求項１から８までのいずれか１項記載の光学式測定装置の使用。
前記測定装置（１）を、二重コレログラム（８０）用の評価ソフトウェアを伴う画像撮影部（７５）とともに使用する、請求項９に記載された光学式測定装置の使用。