JP2021529941A - 測定対象を光学的にクロマチック共焦点で測定し、かつ共焦点で結像させる装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、多数の波長の光を放出する光源（１）と第１のビームスプリッタ（３）とを有するクロマチック共焦点の測定装置に関する。光源（１）の光は、第１のビームスプリッタ（３）と結像光学系（２５）を介して測定対象（８）上に結像される。結像光学系（２５）はクロマチック収差を有しているので、異なる波長の光は、結像光学系によって異なる間隔で合焦される。測定対象から反射された光は、結像光学系と第１のビームスプリッタ（３）によって第１の共焦点の検出絞り配置（１０）上に結像される。第１の検出装置（１６）が、第１の検出絞り配置（１０）を通して入射する光を検出し、それを評価する。照明絞り配置（２）はスリット絞りとして形成された少なくとも１つの第１の開口部を有し、その第１の開口部が第１の検出絞り配置（１０）の検出開口部と共焦点のアパーチャとして協働する。第２のビームスプリッタ（１３）が、測定対象（８）から反射された光を第１と第２の部分ビーム（１４、１７）に分割する。第１の検出装置（１６）が、ライン検出器を用いて第１の部分ビーム（１４）の光を検出し、かつ全強度プロフィール及び／又は全強度像を形成するために、すべての波長にわたる全強度を評価する。第２の検出装置（２６）が、同時に、第２の部分ビーム（１７）の光をスペクトル分割し、かつ多数の個々の波長又は多数の波長領域の光の強度を評価する。【選択図】図３

Description

本発明は、クロマチック共焦点の測定技術及び拡幅された焦点距離を有するイメージセンサの分野にある。

この種概念の測定装置は光源を有しており、その光源が多数の波長の光を放出し、その場合に測定対象が光源によって照明される。さらに測定装置は第１のビームスプリッタを有しており、その場合に光源の光が第１のビームスプリッタと結像光学系を介して測定対象上へ結像される。結像光学系は、異なる波長の光が結像光学系から異なる間隔で合焦されるような、クロマチック収差を有している。
測定対象から反射された光は、結像光学系と第１のビームスプリッタを通して第１の共焦点の検出絞り配置上へ結像され、かつ第１の検出絞り配置（１０）を通って入射する光が第１の検出装置（１６）によって検出され、かつ評価される。

特許文献１（欧州特許出願公開第３２２２９６４（Ａ１）号明細書）からは、対象の表面を定めるためのクロマチック共焦点の装置が知られている。この装置は、広帯域の光源とクロマチック収差をもつレンズとを有しているので、異なる波長の光は異なる軸方向の間隔で合焦される。この装置は、多数の光学的な測定チャネルを有しており、それらがそれぞれ対象表面上の点を結像させ、その場合に測定チャネルの少なくとも一部については、スペクトル評価の代わりに、すべての波長にわたって全強度が評価される。この装置の実施形態において、出力チャネルがファイバーカプラーを有する工学ファイバーによって形成されるので、全強度と測定チャネルのスペクトルの評価を同時に行うことができる。照明側において、光源の光は同様に光学ファイバーによって案内され、その場合にファイバー端部が共焦点の測定アパーチャもしくは照明アパーチャとして用いられ、かつ装置によって対象上の測定点上へ結像される。

しかしこの装置は欠点を有しており、個々のファイバーであることにより、対象のすきまのない均一な照明と結像は不可能である。さらにファイバーを使用する場合に、測定点の直径と間隔が、測定チャネルを形成するファイバーの直径によって制限される。所望の測定点間隔と測定点直径がファイバーの直径及び間隔よりもずっと小さい場合には、縮小尺度β＜＜１を有する対物レンズが必要とされ、それが対物レンズのためのコストと寸法設計を著しく高める。さらに、ファイバー外径に対するファイバーコアの比によって、点間隔に対する点直径の比のための下限が与えられる。測定点間隔及び測定点直径を可変にしようとする場合には、対物レンズの可動の部分が必要とされ、それによってコストと寸法設計がさらに増大する。ファイバーが省かれる場合には、もはや全強度とスペクトルの同時評価は不可能である（特許文献１の段落１３１）。大きい空間領域を一度に測定するために必要とされる大量のファイバーとファイバーカプラーは、さらに、きわめて高価であり、かつ嵩張る。

欧州特許出願公開第３２２２９６４（Ａ１）号明細書

したがって本発明の課題は、測定対象の少なくとも１方向に広がる空間領域の、反射されたそのスペクトルの全強度を迅速に定め、かつ同時に評価することを許す、測定対象を共焦点クロマチック結像させ、かつ測定するための、コンパクトで丈夫であり、かつ都合よく形成できる装置を提供することである。

本発明の他の課題は、全強度像とスペクトルの迅速な同時評価を可能にすることであり、その場合に測定点間隔は光学系コンポーネントによって前もって定められない。

これらの課題は、請求項１の装置と請求項１４の方法によって解決される。

本発明は、照明側で第１のスリット絞りを有する照明絞り配置を共焦点のアパーチャとして使用することによって、測定領域の均一な照明が生じ、それによって測定対象から反射された全強度を第１の検出装置内の高速ライン検出器上へ均一に結像させることが可能である、という認識に基づいている。その場合に均一な照明というのは、共焦点の穴絞りのラスターを通して照明される、ディスクリートな測定点とは異なり、ほぼ連続して強度が変化しない照明である。驚くべきことに、既知の点状のアパーチャの代わりにこの空間的に広がるアパーチャを使用するにもかかわらず、測定対象から反射されたひかりのスペクトル分布の評価も可能であり、それによってたとえば高さ情報を定められることが、確認された。広がった共焦点のアパーチャ（スリット絞り）の利点を失うことなしに、全強度も測定対象の表面のスペクトル分布も同時に評価することを可能にするために、測定装置は第２のビームスプリッタを有しており、それが試料から反射された光を２つの部分ビームに分割するので、これらの部分ビームは同時に異なるように評価することができる。その場合に本発明によれば、１つの部分ビームのすべての波長にわたる全強度が第１の検出装置によって評価されて、他の部分ビームの光はスペクトル分割され、かつ個々の波長又は波長領域の強度が第２の検出装置によって定められる。

本発明によれば、結像光学系ははっきりとしたクロマチック収差を有している。その場合にクロマチック収差は、好ましくは、使用される最短の波長と使用される最長の波長の合焦平面が、測定装置のあらかじめ定められた高さ測定領域に相当する間隔だけ互いに離隔するように、表れる。好ましくはこの目的のために結像光学系は、５０より小さい、好ましくは４０より小さい、特に好ましくは３０より小さいアッベ数を有する少なくとも１つのレンズを有している。

好ましくは第１の共焦点の検出絞り配置は、第２のビームスプリッタと第１の検出装置の間の光路内に配置されており、第２の共焦点の検出絞り配置は、第２のビームスプリッタと第２の検出装置の間の光路内に配置されている。２つの異なる検出装置のために２つの異なる検出絞り配置を使用することは、これらの検出装置の要請によりよく適合された異なる絞りを使用することができる、という利点を有している。すなわちたとえば、異なる空間解像を得るため、そして同時に２つの検出装置のために共焦点性条件をできる限り良好に満たすために、スリット絞りの幅又は長さを適合させることができる。

特に好ましくは、照明絞り配置が多数の開口部を有しており、その場合に照明絞り配置の第２の開口部が第２の検出絞り配置の検出開口部と共焦点のアパーチャとして協働する。それによって開口部の選択においてさらに多くの柔軟性が生じるので、検出装置へ入射する光の結像パラメータを互いに分離して選択することができる。

他の特に好ましい実施形態において、照明絞り配置は多数の開口部を有しており、第２の検出絞り配置は交換可能に形成されている。交換可能にする代わりに、第２の検出絞り配置の一部（「シャッター」）は、移動可能に形成することができる。それによって第２の検出絞り配置の１つもしくは複数の開口部が変化することができ、かつ選択的に照明絞り配置の第２の開口部又は照明絞り配置の第３の開口部が第２の検出絞り配置の検出開口部と共焦点のアパーチャとして協働することができる。この実施形態は利点を有しており、たとえば第２の検出装置の調節可能な空間的解像を可能にする測定装置が、特にコスト的に好ましく、かつ簡単なやり方で提供される。解像度を変化させるためには、マスクを交換し、あるいはシャッターを移動させるだけで済み、そのシャッターは第２の検出絞り配置の使用されない開口部を覆い、かつ１つの検出開口部のみを通る光の透過を許す。

本発明の好ましい実施形態において、照明絞り配置は少なくとも２つの開口部を有しており、その場合に第１の開口部が第１の検出絞り配置と共焦点のアパーチャとして協働し、第２の検出絞り配置は交換又は移動可能な部分の移動によって、照明絞り配置の第１の開口部と、あるいはまた照明絞り配置の第２又は他の開口部と共焦点のアパーチャとして協働する。

本発明の代替的な好ましい実施形態において、照明絞り配置の開口部、特に第１の開口部と第２の開口部は、それぞれ排他的に第１の検出絞り配置の検出開口部と、あるいは第２の検出絞り配置の検出開口部と、共焦点のアパーチャとして協働する。

好ましくは照明絞り配置の第１と第２の開口部は、スリット絞りであり、その幅は異なる。代替的に第２の開口部は穴絞りであって、第１の開口部はスリット絞りであり、その場合に特にスリット絞り（第１の開口部）の幅は穴絞りの直径とは異なる。この場合において照明絞り配置は、好ましくはさらに他の複数の穴絞りを有しており、それらが第２の開口部と一列に配置されており、それによって対象の空間的に広がった領域の結像が可能になる。

好ましい実施形態において、第１の共焦点の検出絞り配置は、第２のビームスプリッタと第１の検出装置の間の光路内に配置されており、かつ多数の光学ファイバーが、第２のビームスプリッタと第２の検出装置の間で第２の部分ビームを案内し、その場合に特にファイバーの端部が共焦点のアパーチャとして用いられる。この箇所にファイバーを使用することは利点を有し、第２の検出装置は、特にスペクトル分割する配置がしばしばスペースを必要とするので、フレキシブルにさらに離隔して配置することもできる。この配置は、たとえば照明又は第１の検出装置における、フライビーム配置の利点と組み合わせることができる。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、第１の共焦点の検出絞り配置は同様に（第２の）スリット絞りである。特に好ましくは、第１の共焦点の検出絞り配置を形成する第２のスリット絞りの次元は、第１のスリット絞りの次元に相当する。その場合に第１と第２のスリット絞り及び結像光学系は、測定対象上に合焦された第１のスリット絞りの結像が、第２のスリット絞り上に等しく重なって結像されるように、配置されている。これによって光ビームの情報内容の最適な利用が可能になる。

本発明の文脈において、スリット絞りというのは、その１方向における広がりが、それに対して垂直の方向における広がりよりもずっと長い（特に少なくとも２倍長い）絞りである。好ましくはスリット絞りは、少なくとも近似的に矩形であって、その場合に細いエッジの代替的な成形、たとえば面取りも、スリット絞りの概念に入る。

本発明の文脈において全強度というのは、所定の点において、あるいは空間的に制限された小さい面（ピクセル）にわたって、使用される全波長にわたって検出器によって合計して測定された強度である。その場合に種々の場所及び／又は種々の時点において、種々の全強度が定められる。

好ましくは第１と第２の検出装置は、入射する光の場所を解像するように整えられた検出器である。その場合に、複数の場所において入射する光の強度が、たとえば多数の個別の検出ピクセルによって、定められる。このようにして、第１と第２の検出装置内へ入射する光の、少なくとも１つの次元に沿った空間的解像が可能であって、その場合に好ましくは、第２のスリット絞りの長い方のエッジに相当する次元が空間的に解像される。

好ましくは第２の検出装置内でマトリクス検出器、したがって２つの次元における入射する光強度の解像を許す検出器、が使用される。本発明の好ましい実施形態において、検出器は第２の検出装置内に次のように、すなわちスリット絞りのより長い側が検出器の１つの次元に沿って結像され、異なる波長の光が分散素子によって検出器の第２の次元に沿って分割されるように、配置されている。

ライン検出器の読みだしは、一般的に、マトリクス検出器のすべての情報の読みだしよりも高速に行うことができることが、知られている。言い換えると、マトリクス検出器はライン検出器よりも小さい、いわゆる「フレーム率」を有している。したがってこの種のライン検出器の評価率は、より高く（高速に）選択することができる。本発明の好ましい実施形態においては、この事実が、第１の検出装置のライン検出器の評価率が、第２の検出装置の評価率よりも高く選択されることにより、利用される。これは、強度像をより高速に形成することができる、という利点を有しており、それによってたとえば測定対象をスキャンする間に、強度像における（スキャン方向における）より高い解像が可能である。

好ましくは第２の検出装置は、マトリクス検出器の照明を少なくとも時々中断することができる閉鎖部材（「シャッター」）を有している。このようにして、測定対象のスキャンの間、したがって測定対象に対して移動する間、測定値のごまかしを阻止するために、評価率のために小さい空間領域の光のみがマトリクス検出器へ入射することが、保証される。好ましくは閉鎖部材は、ライン検出器の評価の期間の間のみ開放される。

好ましくは光源は、連続したスペクトルにわたる光を放出する。これは、通常、「広帯域光源」とも称される。

好ましくは既知のクロマチック共焦点の測定原理に従って、第２の検出装置内で検出された光のスペクトル分布から高さ情報が獲得される。好ましくは第２の検出装置によって検出された、多数の個別の波長又は多数の波長領域にわたる強度分布から、測定対象の表面の１つ又は複数の高さ情報が推定される。その場合に高さ情報を求めることは、直接検出装置内で、かつ／又は対応づけられた評価装置内で行われる。その場合に高さ情報というのは、測定装置からの、あるいはあらかじめ定められた参照平面からの、測定対象の表面の間隔あるいは表面上の複数の点の互いに対する高さである。高さ情報は、使用される光を少なくとも部分的に透過する測定対象の場合においては、測定対象の厚み又は測定対象の個々の層の厚みを有することもできる。

全強度の評価が写像を提供し、その写像は高さ情報を含まないが、高さに対して横方向の構造を、特に種々の波長が測定対象の領域内の種々の高さに、結像光学系のクロマチック収差がない場合よりも大きい焦点距離をもって合焦されることによって、写し取ることができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、第１の検出装置によって獲得された全強度像と第２の検出装置によって同時に同じ測定領域について獲得された高さ情報を、たとえば表示装置によって重畳して示すことによって、組み合わせることができる。特に好ましくは、高さ情報も、高さに対して横方向の平面内でより正確に解像された全強度写像も評価し、かつ出力することが、可能である。

穴絞りのラスターに対するスリット絞りの利点を充分に利用するために、好ましくは、測定対象から反射された光は測定対象と第１の検出装置の間のフリービーム光学系を通して伝播される。さらに好ましくは、光が光源から測定対象までフリービーム光学系を通して伝播される。これがさらに利点を有しており、測定装置がさらにしっかりと構成され、かつより安価に組み立てられ、かつほぼ温度に依存しない。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２のビームスプリッタはビームスプリッタキューブであって、それが特に好ましくは２つの互いに結合されたプリズムを有し、それらのプリズムの間にビームスプリッタ面が延びている。特に好ましくは、第１のビームスプリッタもこの種のビームスプリッタキューブである。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、照明側の第１のスリット絞りは、第１のビームスプリッタの表面上に直接取り付けられている。それに加えて、あるいはその代わりに、第１の共焦点の検出絞り配置も、第１又は第２のビームスプリッタの表面に直接取り付けられている。この実現が、装置をよりしっかりしたものにする。というのは、光学的コンポーネントの互いに対する滑り移動がよりあり得なくなるからである。本発明の特にコンパクトかつ単純な形態において、ビームスプリッタキューブの該当する表面は透明なコーティングによって覆われており、かつ絞りはコーティングなしの箇所によって形成される。

ビームスプリッタの分割比は、好ましくは、部分ビームへの測定光の強度の分割が最適化されるように、選択される。第２の検出装置によって、光がスペクトル分割されて、マトリクス検出器へ向けられる。それによって測定光は、第１の検出装置のライン検出器の場合よりも、多くのピクセルへ分配される。この効果は、好ましくはビームスプリッタの分割比によって補償される。

本発明の好ましい実施形態によれば、第１の共焦点の検出絞り配置は、第１の部分ビームの光路内に配置されており、第２の共焦点の検出絞り配置は、第２の部分ビームの光路内に配置されている。特に好ましくは、第１の検出絞り配置は（第２の）スリット絞りであり、第２の検出絞り配置はスリット絞り、（第３の）スリット絞り又は少なくとも１列の穴絞りである。

本発明の好ましい実施形態によれば、第１の共焦点の検出絞り配置は、第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタの間の光路内に配置されている。この実施形態は、測定装置が特にしっかりしている、という利点を有している。というのは、１つの検出絞り配置しか必要とされず、かつそれは、上述したように、照明側の第１のスリット絞りと同様に、第１のビームスプリッタキューブ上に取り付けることができ、それによって互いに対する滑り移動の確率が、ほとんどないからである。

本発明の他の代替的な実施形態によれば、第２のビームスプリッタは回折格子として形成されており、その場合にゼロ番目の回折次数が第１の部分ビームを形成し、かつ第１の回折次数が第２の部分ビームを形成する。これによって特にコンパクトな構造が可能になる。

好ましくは測定装置の少なくとも一部、好ましくは少なくとも結像光学系と第１及び第２のビームスプリッタが、測定ヘッドに内蔵されている。特に好ましくは、測定ヘッドは光学軸に対して垂直の１つの方向において、光学軸に対して垂直の他の方向におけるよりも広がりが少ない。特に好ましくは広がりの少ない方向は、第１のスリット絞りの幅狭側のエッジの方向である。それによって、よりコンパクトな構造が可能になる。

これらの実施形態についてのより詳しい詳細は、図の説明から読み取ることができる。

本発明はさらに、測定対象をクロマチック共焦点測定する方法に関するものであり、その場合に１つの次元内に広がった空間領域内の測定対象が、多数の波長の光を放出する光源によって照明され、その場合に異なる波長の光が測定対象の領域内の異なる高さに合焦される。測定対象から反射された光は、第１の共焦点の検出絞り配置、特に第２のスリット絞り上へ、第１の検出絞り配置が共焦点のアパーチャとして機能するように、結像される。光は、第１の検出装置によって検出されて、評価される。測定対象から反射された光は、第２のビームスプリッタによって２つの部分ビームに分割される。第１の部分ビームのすべての波長にわたる全強度が検出されて、評価され、第２の部分ビームの光はスペクトル分割され、かつ個々の波長又は波長領域の強度が検出されて、評価される。

好ましくは、波長又は波長領域にわたる強度の分布から、高さ情報が獲得される。典型的に、強度の（ローカル又はグローバルな）最大値を有する波長が、高さ情報に相当する。

特に好ましくは、獲得された高さ情報が、測定領域の内部の場所に対応づけられる。さらに好ましくは、高さ情報が全強度像又は全強度プロフィールのセクションに対応づけられる。好ましくは、測定装置は全強度像又は全強度プロフィール及び対応づけられた高さ情報を、たとえば重畳して、あるいは他のように視覚的に対応づけて、表示する手段を有している。

照明絞り装置が、部分的に第１の検出絞り配置と、そして部分的に第２の検出絞り配置と、共焦点のアパーチャとして協働する多数の開口部を有している場合に、場合によっては対象の同じ領域は第１と第２の検出装置によって測定されない。この場合において、測定された場所の間の変位が計算されて、情報を表示する際に考慮される。

測定領域を均一に照明し、かつ検出装置上へ均一に結像させることによって、種々のアパーチャの効果の評価において、どれをバーチャルなアパーチャと解釈することができるか、を示すことが可能になる。

その場合にもっとも簡単なケースにおいて、使用される検出器の個々のピクセルは、使用される第２のスリット絞りの幅と共に、中間像内で効果的なアパーチャを形成する。そのために評価において、これらの個々のピクセルの強度のみが考慮される；これらの個々のピクセルが、共焦点のアパーチャの透過する領域を形成する。残りのピクセルの強度は、評価においては考慮されず、したがって共焦点のアパーチャの透過しない領域を形成する。

データを適切に評価することにより、たとえば種々の隣接するピクセルが１つのアパーチャにまとめられ、該当する強度値が評価において加算されることによって、他のバーチャルのアパーチャを示すことも、可能である。

バーチャルのアパーチャは、種々のパラメータにおいて区別することができる；アパーチャの中心点の配置と大きさ。好ましくは中心点は均一な間隔で配置されているので、中心点の場所は第１のアパーチャの場所により、かつアパーチャの中心点の間の間隔によって特徴づけられている。

好ましくはアパーチャの大きさと間隔は、表面のスペクトルに合わせて選択される。

好ましくは対象の空間的領域について、測定装置又は測定対象の互いに対する移動なしで、種々の共焦点のアパーチャによって複数の評価が実施される。従来の共焦点の測定方法によれば、アパーチャの中心点は固定であり、したがって測定ヘッド又は測定対象を移動させることなしに、表面上の個々の点（点の間に所定の間隔を有する）の高さのみを、定めることができる。バーチャルのアパーチャを使用することによって、特に、バーチャルのアパーチャの互いに対して移動した中心点による複数の評価を実施することができ、それによって個々の高さ情報点の間の間隔を減少させることができる。これは、第２のスリット絞りの長い方のエッジに沿ったある種のバーチャルスキャンである。

好ましくは測定装置と測定対象は、互いに対して移動することができ、その場合に好ましくはスリット絞りの幅狭のエッジの方向においてスキャン、すなわち複数の位置における複数の測定と測定データの共通の評価が行われる。このようにして、好ましくは、複数の隣接する測定領域の写像が共通に示されることによって、全強度像を形成することができる。

好ましくはスキャンの間に、測定装置もしくは測定装置の一部（測定ヘッド）が測定対象に対して、好ましくは第１のスリット絞りの幅狭のエッジの方向に、移動される。その場合に特に好ましくは、移動の速度は次のように、すなわち第１の検出装置の評価サイクル（すなわち評価が行われる期間）内に測定装置が第１のスリット絞りの幅よりも少ない距離だけ移動されるように、選択される。各評価サイクル内で、全強度のプロフィールが測定され、次に種々のプロフィールが全体像にまとめられる。

好ましくは各評価サイクルのために第２の検出装置のデータから、スリット絞りの長いエッジに沿った高さ情報のプロフィール（高さプロフィール）が形成される。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２の検出装置への光入射は時々閉鎖部材によって、好ましくは第２の検出装置のマトリクス検出器が第１の検出装置の評価サイクルの長さの間だけ光を受信するように、ブロックされる。それによって獲得された高さ情報は、測定対象の表面の空間的に限定された箇所に相当し、間違えることはなく、間違ってもわずかである。好ましくはこのプロセスは、第１の検出装置の評価と同期されるので、与えられた高さプロフィールがどの強度プロフィールに相当するかが、わかる。好ましくはこれらの情報が重畳され、あるいは他のように出力装置上で視覚的に対応づけて示される。

本発明の他の好ましい実施形態によれば、強度像を形成するために第１のスキャンが実施され、次に高さ情報を検出するために第２のスキャンが実施される。特に好ましくは、強度像から識別される、特に興味ある箇所における高さ情報が検出される。

続いて、図を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、クロマチック共焦点の測定装置を図式的に示している。 図２は、クロマチック共焦点の測定装置の好ましい実施形態を示している。 図３は、クロマチック共焦点の測定装置の他の好ましい実施形態を示している。 図４は、絞り配置の例を示している。 図５は、クロマチック共焦点の測定装置の他の好ましい実施形態を示している。 図６は、バーチャルアパーチャの図式的な原理図である。 図７は、バーチャルスキャンの図式的な原理図である。 図８は、クロマチック共焦点の測定装置の他の好ましい実施形態を示している。 図９ａは、クロマチック共焦点の測定装置の他の好ましい実施形態を示している。 図９ｂは、クロマチック共焦点の測定装置の他の好ましい実施形態を示している。 図１０は、照明絞り配置と検出絞り配置の絞り配置の例を示している。

すべての図における等しい部分には、同一の参照符号が使用される。

図１は、クロマチック共焦点の測定装置の例を図式的に示している。

照明装置の一部である光源１が、多数の波長の光を放出し、その場合に照明装置は、光源１を用いて結像光学系２５を通して測定対象８を照明するように、整えられている。照明装置は第１の照明絞り配置２を有しており、それが測定装置の共焦点のアパーチャとして機能し、かつ好ましくは少なくとも１つのスリット絞りを有している。

第１のビームスプリッタ３が照明装置からの光を結像光学系２５内へ案内し、その場合に結像光学系２５は著しいクロマチック収差を有している。

測定対象から反射された光は、結像光学系２５と第１のビームスプリッタ３を通って、第１の検出絞り配置１０が共焦点のアパーチャとして機能するようにして、第１の共焦点の検出絞り配置１０へ結像される。

測定装置は、第２のビームスプリッタ１３を有しており、それが、測定対象８から反射された光を第１と第２の部分ビーム１４、１７に分割し、それらは測定対象８の同一の空間領域を結像させる。

測定装置は、さらに、第１の共焦点の検出絞り配置１０を通って入射する光を検出して、評価する第１の検出装置１６及び第２の検出装置２６を有している。第１の検出装置１６は、第１の部分ビーム１４の光をライン検出器を用いて検出し、かつすべての波長にわたって全強度を評価するように、整えられている。第２の検出装置２６は、同時に第２の部分ビーム１７の光をスペクトル的に分割し、かつ多数の個別の波長又は多数の波長領域の光の強度を検出して評価するように、整えられている。

図２は、本発明の好ましい実施形態に基づくクロマチック共焦点の測定装置の例を示している。

光源１が、多数の波長の光を放出する。この光は、第１のビームスプリッタキューブ３の１つの側に取り付けられた照明絞り配置２を通って入射する。照明絞り配置は、好ましくは少なくとも１つの第１のスリット絞りを有している。光源１と照明絞り配置２が一緒になって照明装置を形成している。

光は次に、結像光学系２５を通して測定対象８上に結像され、その結像光学系はたとえば第１のレンズ５と第２のレンズ６から形成される。光路は、ライン４によって図式的に示されている。結像光学系２５のクロマチック収差によって、異なる波長の光は測定対象８に対して異なる点もしくは高さ７ａ、７ｂに合焦される。

測定対象８によって反射された光は、結像光学系（すなわちレンズ６と５）及び第１のビームスプリッタキューブ３を通って戻る。光路は、ライン９によって図式的に示されている。

ビームスプリッタキューブ３内で、光の一部が光源１の方向へ戻るように透過され、光の他の部分は第２のビームスプリッタキューブ１３の方向へ反射される。第１のビームスプリッタキューブ３の、第２のビームスプリッタキューブ１３の方向に配置されている表面上に、共焦点の検出絞り配置１０が配置されており、それは、たとえば第２のスリット絞りからなる。第２のスリット絞りは、第１のスリット絞り２の、測定対象８から反射された結像が再び近似的に重なり合ってその上に結像されるように、方位づけされている。

代替的に、第１のビームスプリッタキューブ３及び照明装置は、ビームスプリッタを透過した光が第２のビームスプリッタキューブ１３の方向へ案内され、光源１が反射パス上に配置されているように、配置することができる。

第２のビームスプリッタキューブ１３によって、ビームが２つの部分ビーム（１４、１７）に分割される。第１の部分ビーム１４は、第１の検出装置１６の方向へ案内される。検出装置１６は、多数のピクセルからなるライン検出器を有している。これらのピクセルは列に沿って次のように、すなわち第２のスリット絞り（共焦点の検出絞り配置１０）の長いエッジの方向に分割された光がピクセルの列に沿って結像されるように、配置されている。

検出装置１６のライン検出器は、ライン検出器の各ピクセルにおいてすべての使用される波長にわたって全強度を測定する。このことが、スリット絞りの長いエッジの方向に沿った強度プロフィールの形成を許す。

第２の部分ビーム１７は、分散素子１８（たとえば回折格子）によってそのスペクトル成分に分割される。これが、２次元の光照射野を形成し、それがマトリクス検出器２０上に結像される。したがってマトリクス検出器２０は、スリット絞りの長いエッジに沿った各場所について、かつ各波長について、強度を測定することができる。第２の検出装置２６は、これらの測定された強度から測定対象の高さ情報を定めるように整えられている。

図２の右下に、第２の検出装置２６が再度斜視図で示されている。

たとえばレンズ１２、１５及び１９は、共焦点の検出絞り配置１０が検出器上に結像されるように、配置されている。たとえば、第３のレンズ１２は、第１のビームスプリッタ３と第２のビームスプリッタ１３の間に配置されている。好ましくは第３のレンズ１２は、光がビームスプリッタ１３内でコリメートされるように、選択されている。

たとえば第４のレンズ１５は、第２のビームスプリッタ１３と第１の検出装置１６の間に配置されており、かつ第５のレンズ１９は拡散素子１８とマトリクス検出器２０の間に配置されている。

図３は、本発明の代替的な実施形態を示している。

光源１は、多数の波長の光を放出する。光は、第１のスリット絞り２を通して入射する。第２のスリット絞り２は、好ましくはガラスブロック２１、たとえばガラスキューブ上に取り付けられている。ガラスブロック２１の使用は、測定装置の構成において効果的であり、かつ構成部品の互いに対する滑り移動を阻止する。装置はもちろん、代替的にガラスブロック２１なしで形成することもでき、その場合にはそれによってもたらされる光学的距離長さの変化を考慮しなければならない。

好ましくはガラスブロック２１に直接隣接して第１のビームスプリッタ３が配置されている。このビームスプリッタが光源１の光の一部を、図２に関連して上で説明したように、結像光学系２５と測定対象８の方向へ反射する。

測定対象８から反射された光は、光路９に沿って再び第１のビームスプリッタ３内へ戻る。その場合に光の一部は、第２のビームスプリッタ１３の方向へ透過される。この第２のビームスプリッタは、好ましくは第１のビームスプリッタ３に直接隣接している。

第２のビームスプリッタ１３が光を第１の部分ビーム１４と第２の部分ビーム１７に分割する。その場合に部分ビームの各々の中にそれぞれ共焦点の検出絞り配置が配置されている：第１の共焦点の検出絞り配置１０が第１の部分ビーム１４内に、そして第２の共焦点の検出絞り配置１０ａが第２の部分ビーム１７内に配置されている。たとえば第１と第２の共焦点の検出絞り配置１０、１０ａは、それぞれ第２のビームスプリッタ１３の表面上に取り付けられている。

その場合に、測定対象８上に合焦された光は、結像光学系２５によって第１と第２の共焦点の検出絞り配置１０、１０ａ上へ結像される。

第１の部分ビーム１４は、レンズ１２ｂと１５によって第１の検出装置１６のライン検出器上に結像され、そのライン検出器がその上に入射する光のすべての波長にわたる全強度を測定する。

第２の部分ビーム１７は、レンズ１２ａによってコリメートされて、分散素子１８、たとえば回折格子によってスペクトル分割される。それによって生じた光照射野が、レンズ１９によってマトリクス検出器２０上に合焦される。

図４は、種々の共焦点の検出絞り配置を示している。好ましくは図１から３に示す実施形態の共焦点の検出絞り配置１０と１０ａのためのスリット絞り１０６が使用される。

代替的に一列の穴絞り１０７が使用される。その場合にたとえば、穴しぼり１０７の直径は、第１のスリット絞り２の直径に相当する。好ましくは穴絞り１０７の列は、第２の検出絞り配置１０ａのためだけに使用される。

他の可能性は、少なくとも２つの互いに変位した列の穴絞り１０８と１０９を使用することである。この配置は、穴絞りの大きい点密度を得ること、かつその場合にいわゆる「クロストーク」、したがって測定対象の表面の隣接しあう点のノイズ信号を減少させることを可能にする。

図５は、本発明の他の代替的な実施形態を示している。ビームスプリッタキューブの代わりに、回折格子１８が同時に２つの部分ビームに分割し、かつスペクトル分割するために使用される。

測定装置の、照明装置、結像光学系及び第１のビームスプリッタ３に関する部分は、図２に関して上で説明したように機能する。

第１のビームスプリッタ３の後方で、光が回折格子１８上へ案内され、その回折格子が同時にビームスプリッタ１３として機能する。たとえば、光をコリメートするために、第１のビームスプリッタ３と回折格子１３、１８との間に少なくとも１つのレンズ１２が配置されている。

回折格子１８のゼロ番目の回折次数が、たとえば第１の部分ビーム１４を形成し、スペクトル分割された第１の回折配置が第２の部分ビーム１７を形成する。第１の部分ビーム１４は、検出装置１６のライン検出器上へ入射し、そのライン検出器がライン検出器の個々のピクセルの場所における全強度を測定する。

スペクトル分割された第２の部分ビーム１７は、マトリクス検出器２０上へ入射し、そのマトリクス検出器が場所ｘと波長λに従って強度を測定する。マトリクス検出器２０は、第２の検出装置２６の一部であって、その第２の検出装置は、強度のスペクトル分割から測定対象８の高さ情報を獲得するように、整えられている。

図６は、バーチャルの共焦点アパーチャの原理を図式的に示している。上で説明したように、第２の検出装置のマトリクス検出器２０の１つの次元は、測定対象８上に結像されたスリット絞りに沿った空間的な位置に相当し（ｙ軸）、他の次元が波長λに相当する。その場合に第２の検出装置内へ入射する光は、λ軸に沿ってスペクトル分割される。

高さ情報は、常に、測定対象８上の空間的に制限された有限の領域についてのみ獲得することができる。この空間的領域は、クロマチック共焦点の測定原理におけるバーチャルアパーチャに相当する。その場合にスペクトルは、マトリクス検出器２０上の領域３１、３３内にあるピクセルを介して考えられ、かつスペクトルからそれ自体知られた方法に従って１つ又は複数の高さ情報が得られる。これは、バーチャル絞りにおける共焦点のアパーチャ３２、３４の考察に相当する。

本発明に係る方法の利点の１つは、領域３１、３３を自由に選択できることである。たとえば領域３１の間の間隔が大きく選択される場合には、これは離隔したバーチャルアパーチャ３２に相当する。間隔が小さく選択される場合には（領域３３）、これはより狭くセットされたアパーチャ３４に相当する。同様に、領域３１、３３のｙ方向における幅が変化されることにより、バーチャルアパーチャの直径を変化させることができる。

図７は、ｘ軸に沿った第２の検出器のバーチャルスキャンの原理を図式的に示している。この場合において、測定装置と測定対象が同一の相対位置に留まる間に、ピクセル領域が滑り移動される。たとえば３つの選択されたグループのピクセル領域４１、４２、４３は、ほぼ重なり合ったバーチャルアパーチャ５１、５２、５３をもたらす。

この種の重なり合ったバーチャルアパーチャ５１、５２、５３によって、リアルアパーチャによって可能であるよりも、解像度の高い高さプロフィールを形成することができる。

図８は、クロマチック共焦点の測定装置の例を図式的に示している。

図示される装置は、図１の測定装置にほぼ相当し、その場合に照明絞り配置２は少なくとも２つの開口部を有しており、それらの少なくとも１つがスリット絞りとして形成されている。したがって照明絞り配置のすべての開口部が結像光学系２５によって測定対象８上に結像される。

この実施形態において、第１の共焦点の検出絞り配置１０は、第２のビームスプリッタ１３と第１の検出装置１６の間に配置されている。その場合に第１の共焦点の検出絞り配置１０は、唯一のスリット絞りのみを有しており、それが照明絞り配置２のスリット絞りと共焦点のアパーチャとして協働する。したがって測定対象８の照明された領域の１つのみが、検出装置１６上に結像される。

第２の共焦点の検出絞り配置１０ａは、第２のビームスプリッタ１３と第２の検出装置２６の間に配置されている。第１の共焦点の検出絞り配置１０ａは、１つ又は複数の開口部を有しており、その開口部が照明絞り配置２の、第１の共焦点の検出絞り配置１０と協働しない開口部と協働する。したがって測定対象の他の領域が、第２の検出装置２６上に結像される。

したがって第１と第２の共焦点の検出絞り配置１０、１０ａによって、照明絞り配置の結像のそれぞれ空間的な一部が完全にブロックされる。

本発明の好ましい実施形態において、第２の共焦点の検出絞り配置１０ａは、交換可能である。代替的にこれは、移動可能な部分（「シャッター」）を有しており、その部分が選択的に第２の共焦点の検出絞り配置１０ａの開口部の一部を覆う。この好ましい実施形態の２つの状態が、図９ａと９ｂに示されている。

図９ａと９ｂに示す実施形態の構造は、実質的に図３に相当し、その場合に照明絞り配置と検出絞り配置２、１０、１０ａが９０°回動されている。

照明絞り配置は、少なくとも２つの開口部を有しており、ここでは例として第１と第２のスリット絞りが説明され、その場合にこれらのスリット絞りは一連の穴絞りによって代用することができる。

結像は、図８に関連して説明したように行われる。第１の共焦点の検出絞り配置１０は、唯一のスリット絞りを有しており、その場合に照明絞り配置の第１のスリット絞りが第１の共焦点の検出絞り配置１０のスリット絞り上に結像され、したがって部分ビーム１４が検出装置１６内へ入射する。

第２の共焦点の検出絞り配置１０ａが、図９ａにおいて第１の交換可能なマスクとして示されており、そのマスクがスリット絞りを有し、そのスリット絞り上に照明絞り配置の第２のスリット絞りが結像される。したがって部分ビーム１７が第２の検出装置２６内へ案内され、その部分ビームが部分ビーム１４とは異なる空間領域を結像させる。

たとえば、第２の共焦点の検出絞り配置１０ａは、交換可能である。図９ｂに第２の交換可能なマスクが示されており、そのマスクが他の箇所にスリット絞りを、照明絞り配置の第１のスリット絞りがその上に結像されるように、有している。

したがって第２の検出装置２６は選択的に測定対象の、第１の検出装置１６と同じ領域あるいは異なる領域を受信することができる。

本発明の特に好ましい実施形態において、照明絞り配置のスリット絞りは、様々な幅を有しており、その場合にそれぞれ第１又は他の検出絞り配置１０、１０ａの該当するスリット絞りの幅は、それに対して等しい。

特に好ましくは照明絞り配置は次元の異なる２つより多いスリット絞りを有しており、その場合に第２の共焦点の検出絞り配置１０ａの交換可能なマスクがそれぞれそれに合わされている。

本発明の代替的な実施形態において、照明絞り配置の第２のスリット絞りは、一連の穴絞りによって代用され、その場合に好ましくは第２の共焦点の検出絞り配置１０ａには、対応する列の穴絞りが設けられている。

第２の共焦点の検出絞り配置の交換可能なマスクの代わりに、この検出絞り配置は移動可能な部分（「シャッター」）を有することができ、それが、それぞれ必要とされない開口部を覆う。

図１０は、好ましいマスクを示しており、それらのマスクは照明絞り配置２と検出絞り配置内で使用される。

その場合にマスク２００は、ここでは３つのスリット絞り２０１、２０２、２０３を有する照明絞り配置である。第２の共焦点の検出絞り配置１０ａに適合するマスクは、マスク３００であって、そのマスクが唯一のスリット絞り３０２を有し、そのスリット絞りは配置と次元からスリット絞り２０２に相当する。このマスクは、スリット絞り２０３に相当するスリット絞りを有する図示されないマスクと交換することができる。符号４００は、唯一のスリット絞り４０１を有する第１の共焦点の検出絞り配置１０に適合したマスクであって、そのスリット絞りは配置と次元からスリット絞り２０１に相当する。

マスク２００に代わるものとして、スリット絞り２０４と一連の穴絞り２０５とを有するマスクが示されている。この実施例において、第２の共焦点の検出絞り配置１０ａはしかるべき列の穴絞り３０５を有し、第１の共焦点の検出絞り配置１０はスリット絞り４０４を有する。

Claims (17)

1. クロマチック共焦点の測定装置であって、
   光源（１）を有し、前記光源が多数の波長の光、特に連続的なスペクトルを放出し、
   結像光学系（２５）を有し、結像光学系（２５）は、異なる波長の光が結像光学系によって異なる間隔で合焦されるような、クロマチック収差を有し、
   第１のビームスプリッタ（３）を有し、光源（１）の光が第１のビームスプリッタ（３）と結像光学系（２５）を介して測定対象上に結像され、かつ測定対象から反射された光が結像光学系（２５）と第１のビームスプリッタ（３）を通して第１の共焦点の検出絞り配置（１０）上に結像され、
   第１の検出装置（１６）を有し、前記第１の検出装置が第１の検出絞り配置（１０）を通って入射する光を検出し、かつ評価する、
   ものにおいて、
   測定装置が照明絞り配置（２）を有し、前記照明絞り配置が少なくとも１つの第１の開口部を有し、前記第１の開口部が第１の検出絞り配置（１０）の検出開口部と共焦点のアパーチャとして協働し、
   第１の開口部がスリット絞りであって、測定装置が第２の検出装置（２６）と第２のビームスプリッタ（１３）、特に偏光しないビームスプリッタを有しており、第２のビームスプリッタ（１３）が、測定対象（８）から反射された光を第１と第２の部分ビーム（１４、１７）に分割し、
   第１の検出装置（１６）が、第１の部分ビーム（１４）の光をライン検出器を用いて検出し、かつすべての波長にわたる全強度を評価し、かつ全強度プロフィール及び／又は全強度画像を形成するように、整えられており、かつ
   第２の検出装置（２６）が、同じ時に、第２の部分ビーム（１７）の光をスペクトル分割し、かつ多数の個別波長又は多数の波長領域の光の強度を検出して評価するように、整えられている、
   ことを特徴とする測定装置。
2. 第１の共焦点の検出絞り配置（１０）が、第２のビームスプリッタ（１３）と第１の検出装置（１６）の間の光路内に配置されており、かつ第２の共焦点の検出絞り配置（１０ａ）が、第２のビームスプリッタと第２の検出装置（２６）の間の光路内に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 照明絞り配置（２）が多数の開口部を有しており、照明絞り配置（２）の第２の開口部が第２の検出絞り配置（１０ａ）の検出開口部と共焦点のアパーチャとして協働する、ことを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
4. 照明絞り配置（２）が多数の開口部を有し、かつ第２の検出絞り配置（１０ａ）が交換可能に形成されており、あるいは移動可能な部分を有しており、それによって選択的に照明絞り配置の第２の開口部又は照明絞り配置の第３の開口部が、第２の検出絞り配置（１０ａ）の検出開口部と共焦点のアパーチャとして協働する、ことを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
5. 照明絞り配置の開口部、特に第１の開口部と第２の開口部が、それぞれ排他的に第１の検出絞り配置（１０）の検出開口部と、あるいは第２の検出絞り配置（１０ａ）の検出開口部と、共焦点のアパーチャとして協働する、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の測定装置。
6. 照明絞り配置（２）が多数の開口部を有しており、かつ第２の検出絞り配置（１０ａ）が交換可能に形成されており、あるいは移動可能な部分を有し、それによって選択的に照明絞り配置の第２の開口部又は照明絞り配置の第１の開口部が第２の検出絞り配置（１０ａ）の検出開口部と共焦点のアパーチャとして協働する、ことを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
7. 照明絞り配置の第１と第２の開口部が、スリット絞りであって、前記スリット絞りの幅が異なり、あるいは第２の開口部が穴絞りであって、特にスリット絞りの幅（第１の開口部）が穴絞りの直径とは異なる、ことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の測定装置。
8. 第１の共焦点の検出絞り配置（１０）が、第２のビームスプリッタ（１３）と第１の検出装置（１６）の間の光路内に配置されており、かつ多数の光学ファイバーが第２のビームスプリッタ（１３）と第２の検出装置（１６）の間で第２の部分ビーム（１７）を案内し、特にファイバーの端部が共焦点のアパーチャとして用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
9. 第１の検出装置（１６）の評価率、特にライン検出器の評価率が、第２の検出装置（１６）の評価率よりも高い、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の測定装置。
10. 第２の検出装置（２６）及び／又は対応づけられた評価装置が、第２の検出装置（２６）によって検出された多数の波長又は多数の波長領域にわたる強度分布から、測定対象（８）の表面の１つ又は複数の高さ情報を推定するように、整えられている、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の測定装置。
11. 測定対象（８）から反射された光が、測定対象（８）と第１の検出装置（１６）の間のフリービーム光学系を通して伝播する、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の測定装置。
12. 光が光源（１）から測定対象（８）までフリービーム光学系を通して伝播する、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の測定装置。
13. 第２のビームスプリッタ（１３）が、部分ビーム（１４、１７）の間のあらかじめ定められた分割比をもたらし、分割比が、２つの部分ビーム（１４、１７）の強度が等しくならないように選択される、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の測定装置。
14. 第２のビームスプリッタ（１３）が回折格子（１８）として形成されており、ゼロ番目の回折次数が第１の部分ビーム（１４）を形成し、かつ第１の回折次数が第２の部分ビーム（１７）を形成する、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の測定装置。
15. 測定対象（８）をクロマチック共焦点測定する方法であって、測定対象（８）が少なくともスリット形状の空間領域内で、多数の波長の光を放出する光源（１）によって照明され、異なる波長の光が測定対象（８）の領域内の異なる高さに合焦され、かつ測定対象（８）から反射された光は、第１の共焦点の検出絞り配置（１０）が共焦点のアパーチャとして機能するようにして、結像され、光が第１の検出装置（１６）によって検出されて、評価される、
    ものにおいて、
    測定対象（８）から反射された光が２つの部分ビーム（１４、１７）に分割され、第１の部分ビーム（１４）のすべての波長にわたって全強度が検出されて、評価され、
    かつ第２の部分ビーム（１７）の光がスペクトル分割され、かつ個々の波長又は波長領域のスペクトル強度が検出されて、評価される、
    ことを特徴とする方法。
16. 検出されたスペクトル強度が、選択可能なバーチャルの共焦点のアパーチャ（３２、３４）に従って評価される、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 測定対象（８）の空間領域について、種々のバーチャルの共焦点アパーチャ（３２、３４、５１−５３）による複数の評価が実施され、特にバーチャルの共焦点アパーチャのアパーチャ（３２、３４、５１−５３）の場所が異なるように選択される、ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

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