JP6247752B2 - 距離差を取得するための光学測定装置および光学測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、距離差を取得するための光学測定装置およびこの測定装置を使用する光学測定方法に関する。
表面を測定するための光学測定装置が、独国特許出願公開第１０２００８０４１０６２（Ａ１）号明細書から知られている。既知の測定装置は測定用光ビーム（ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ）を生成し、測定用光ビームは、少なくとも３つの別々に合焦する光学部品を通過後、物体の表面に入射し、その表面によって反射され、干渉重畳の後で参照光とともに空間分解光検出器（ｓｐａｔｉａｌｌｙ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）によって検出される。
これを達成するために、既知の測定装置は、少なくとも３つの別々に合焦する光学部品を備える光学アセンブリを有する。これらの別々に合焦する光学部品の主軸線は、互いに対してオフセットしてかつ並んで配置される。加えて、既知の測定装置は、測定用光ビームのビーム路内に配置されたビームスプリッタを有する。さらに、基準面および空間分解光検出器が既知の装置のために設けられる。
光源、ビームスプリッタ、および光学アセンブリは、光源によって放出され合焦光学部品を通過した測定用光が表面に入射し、その表面によって反射され、合焦光学部品を通って検出器に入射するように互いに関連して配置される。加えて、既知の測定装置は、空間分解光検出器から画像データを受信するとともに、表面の表面形状を表す測定データを出力するための評価システムを有する。これを行うためには、表面上の位置と合焦光学部品との間の距離を表す距離値が取得される。これらの距離値から、評価システムは表面の表面形状を表すパラメータを形成する。
加えて、上記の特許出願公開明細書は、本質的に下記ステップを含む物体の表面を測定する方法を開示している。最初に、測定用光が生成される。この測定用光から測定用光の第１の部分の３つの集束部分ビームが形成されて、一定距離を隔てて配置された物体の表面の３つの領域を照らす。反射光、すなわち表面によって反射された光の３つの部分ビームは、測定用光の第２の部分とともに空間分解検出器の方へ向けられ、そこで３つの部分ビームは干渉を形成する。最後に、これらの干渉は、物体の表面の表面形状を対応する測定データで表すために、光強度を検出する検出器によって解析される。
さらなる既知の方法が、独国特許出願公開第１０２００８０４１０６２（Ａ１）号明細書、米国特許第７，８２６，０６８（Ｂ２）号明細書、米国特許出願公開第２００９／００７８８８８（ＡＳ１）号明細書、国際公開第２０１３／０７０７３２（Ａ１）号パンフレット、米国特許第７，８５３，４２９（Ｂ２）号明細書、米国特許第７，４４３，５１７（Ｂ２）号明細書、独国特許出願公開第１０２０１１０８１５９６（Ａ１）号明細書、独国特許出願公開第１０２０１１０５５７３５号明細書、および韓国特許出願公開第１０２００８０１１２４３６号明細書に記述されている。
回転支持体と測定対象物体、特に薄化対象物体の回転エッジ領域との間の段の測定には、高い環境汚染に耐えながら限られたスペースしか占めない堅牢な測定装置を必要とする。
こうした理由で、従来の堅牢な段測定装置は、測定対象物体の狭い露出エッジ領域の表面を走査する１つのプローブと回転支持体の上面上に配置された第２のプローブとを触覚プローブで操作し続けて、機械加工時に生じるミリメートル領域から数マイクロメートル領域までの段高さを、２つのプローブの間の取得可能距離から取得できるようにする。この種の触覚測定方法の１つの困難性は、一方では測定対象物体のエッジ領域に、他方では支持材料の表面に押圧力を適切に投与することにある。
押圧力が高過ぎると、測定対象物体のエッジ領域を損傷させる可能性を排除することができない。というのは、特に、物体をミリメートル領域内の厚さから１００マイクロメートル未満の厚さにまで薄くするために物体の多数の研削回転が要求されるからである。押圧力が低過ぎると干渉が起こる。なぜなら、薄くする間に研削粒子が生じる結果として、少なくとも支持体の比較的粗い上面上でプローブが顕著な測定誤差および測定の不正確さにさらされるからである。
最新技術の欠点を克服するとともに、同時に信頼性のある測定結果をもたらす堅牢な測定装置およびそれに対応して堅牢な方法が必要である。
独立請求項１の特徴を有する光学測定装置および独立請求項１４の特徴を有する測定方法が提供される。
この文脈では、クロマティック共焦点距離測定技法（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）が、異なる波長の光のためのレンズが異なる焦点を有するという効果を利用する方法を意味すると理解される。この場合、クロマティック共焦点距離測定では、反射面と測定ヘッドとの間の距離を正確に決定するために、光学結像系内でのスペクトル広帯域光の分散を利用する。スペクトル広帯域点光源は、通常は第１のピンホール絞り（ｐｉｎｈｏｌｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ）または光ファイバ端面の形をとるものであり、光学結像系内の物体に焦点を合わされる。この場合、焦点から結像系までの距離は、波長の明瞭な恒久に確定した関数である。反射光は、再び同じ結像系によって表され、分離され、照明ビーム路によってビームスプリッタの鏡面点に配置されたピンホール絞り上に投射される。あるいは、反射光は、第１のピンホール絞り内へ直接フィードバックされ、次いで分離されてもよい。次いで、ピンホール絞りの後ろにある検出器が反射光の主波長を決定する。個々の波長の焦点距離を認識することで、主波長から物体距離を直接決定することができる。この方法の一利点は、動く構成要素が無いことである。
さらに、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）は、干渉計を用いて物体相互間の距離を測定するためにスペクトル広帯域光が使用される検査法を意味する。このプロセスでは、検査対象物体は点走査される。既知の光路長を有するアームが、測定アームに対する基準として用いられる。２つのアームの部分波が干渉すると、２つのアームの光路長の差を読み取ることができるパターンになる。
この場合、２つの干渉測定評価法、いわゆる「時間領域」ＯＣＴと「周波数領域」ＯＣＴとに分類される。２つの干渉測定評価法は、一方が時間領域（ＴＤ）信号を必要とし、他方が周波数領域（ＦＤ）信号を必要とする。これは、周波数アームの長さが変わり、干渉の強度がスペクトルを考慮せずに連続的に測定されること（時間領域）、または個々のスペクトル成分の干渉が取得されること（周波数領域）を意味する。
本出願による測定装置および測定方法は、クロマティック共焦点測定技法と干渉距離測定技法の両方で有利に使用することができる。これは、上記測定装置および測定方法が、測定対象のまたは薄化対象の回転測定物体および回転支持体の機械加工時の段高さのｉｎ−ｓｉｔｕ減少に使用されるときに、特に当てはまる。
特に、研削環境内で堅牢な信頼できる非接触の測定技法を作り出すために、本発明の第１の実施形態では、第１の測定用ビームを支持体の方へ向け、第２の測定用ビームを物体のエッジ領域の方へ向けるデュアルビームガイドを有する測定ヘッドを備える、距離差を取得するための光学測定装置を使用することができる。
さらに、光学測定装置は測定ヘッドガイド装置を有し、測定ヘッドは、段高さを取得するために測定ヘッドガイド装置内に配置される。加えて、光学測定装置は、光ビームを生成するスペクトル広帯域光源を有する。対応する測定ヘッド光学系は、支持体上の少なくとも１つの第１の測定点および物体のエッジ領域上の少なくとも１つの第２の測定点に相当することができる。支持体の方へ向けられた第１の測定用ビームの反射スペクトルと測定対象物体のエッジ領域の方へ向けられた第２の測定用ビームの反射スペクトルとを取得し評価するための手段が、支持体と物体のエッジ領域との間の段高さを取得するために反射スペクトル用の評価ユニットとともに働く。
この光学測定装置の一利点が測定ヘッドのデュアルビームガイドであり、デュアルビームガイドは、本発明の別の実施形態では、２つの隣り合う測定ヘッドを測定ヘッドガイド装置内に挿入して、第１の測定用ビームが測定対象物体のエッジ領域に隣接する表面の表面の方へ向けられ、第２の測定ヘッドの第２の測定用ビームがｉｎ−ｓｉｔｕ測定対象物体のエッジ領域を走査することによって達成される。
本発明の別の実施形態では、光学測定装置内で、支持体の表面上の第１の測定スポットが距離評価に適した反射光を生成し、測定対象物体のエッジ領域に隣接する第２の測定スポットが同じく距離評価に適した反射光を生成するように、測定ヘッド内の対応する測定光学系を用いて測定用ビームを分割することができる。２つの距離結果の間の差は、測定対象物体の厚さの減少を常時監視するとともに、その厚さの減少を適切なディスプレイ上にｉｎ−ｓｉｔｕ表示することができる。
例えば４ｋＨｚの走査速度により、測定異常値、したがって測定誤差を認識するとともに、適切なデジタル測定フィルタを使用して測定誤差をなくすことができる。毎秒４０００を超える走査値を取得することができるので、ダスト粒子およびエアロゾル粒子による測定誤差を確実になくすとともに、堅牢な測定結果を除去することができ、したがって、悪化した環境条件にもかかわらず、この光学測定装置を使用して段高さの減少を確実にかつ堅牢に測定することができる。
測定方法の堅牢性は、支持体の材料と測定対象物体の材料がともにそれに対して非透明となる、測定用の広帯域光源の光波長率を選ぶことにより増大させることができる。
本発明の別の実施形態では、測定ヘッドは、段高さのｉｎ−ｓｉｔｕクロマティック共焦点取得のために設けられる。さらに、測定装置には、段高さのｉｎ−ｓｉｔｕ干渉取得（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）のための測定ヘッドも装備される。測定ヘッドおよび測定プログラムを変更する簡単なプロセスにより、一方法から他の方法へ切り替えること、および測定環境に合わせた光学測定装置の最適調整を達成することが可能である。
既に上述したように、光学測定装置は、多チャネル測定装置の２つの光学測定ヘッドを備える測定ヘッドを有することができ、２つの光学測定ヘッドは、測定ヘッドガイド装置内に並んで配置され機械的に接続される。それにもかかわらず、測定ヘッドガイド装置内のこの種の小型測定ヘッドは、依然として、距離差を取得するために２つの独立した測定値取得システムとともに働く。
本発明の別の実施形態では、測定ヘッドは、機械的に方向付けられ、多チャネル測定装置、好ましくはデュアルチャネル測定装置とともに働くことができる２つの測定ファイバを有することができる。この種の測定ヘッドはまた、２つの独立した測定値取得システムとともに働く。
この場合、光学測定装置の２つの測定ヘッドファイバは、光ファイバＹカプラから供給することができ、光ファイバＹカプラは、スペクトル広帯域光源からの光を２つの光ファイバ内へ分離する。光学測定方法が基準測定部分を必要とする場合でも、これは、ただ１つの光ファイバ部分が片側に鏡像を形成され、堅牢な光ファイバストランドに組み込まれ得る光ファイバ手段（ｆｉｂｒｅ ｏｐｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｓ）によって比較的堅牢に達成することができる。
２つの測定点からの反射光、すなわち、一方で支持体の上面からの反射光、他方で測定対象物体のエッジ領域の表面からの反射光を評価するために、多チャネル測定装置は少なくとも２つの分光計を有することができる。あるいは、１つの分光計を使用し、この分光計の上流側にマルチプレクサを配置して、多重モードで第１の測定用ビームおよび第２の測定用ビームの走査結果が光ファイバを通じて１つの信号分光計へ交互に転送されるようにすることも可能である。一方、多チャネル測定装置はマルチライン検出器を有することもできる。これは費用効率の高い代替手段になる。
本発明の別の実施形態では、光学測定装置には少なくとも１つの分光計ラインが装備され、測定された距離は分光計ラインで段高さの尺度として表し評価することができる。これを達成するために、同じ分光計ラインが、第１の測定用ビームからの反射光を検出し測定するとともに、第２の測定用ビームからの反射光を検出し測定するために使用される。複数の測定ヘッド対が複数の距離差を測定するためにある場合、分光計も複数の分光計ラインを有することができるが、これは必ずしもそうである必要はない。したがって、複数の測定ヘッド対の光を１つの単一分光計ラインで測定することができる実施形態がある。
クロマティック共焦点法（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて、反射スペクトルから距離ピークを直接決定することができる。スペクトル干渉法（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ）が追加的にまたは代替方法として用いられる他の実施形態では、距離ピークを決定するために、等化、次いでフーリエ変換、またはいわゆる高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われることが好ましい。
複数の測定チャネルを作り出すために、各測定ヘッドを光ガイド、特に光ファイバに別々に接続できることが有利であり、それにより、光は、別々の光ガイドを通じてすべての測定ヘッドに割り当てられた共通の分光計ラインに別々に供給される。これを達成するために、光ガイドまたは光ファイバのそれぞれを多チャネル測定装置の入力部に接続することができ、多チャネル測定装置の内部で入力部は分離することができ、すなわち個々の専用光ガイドによって分光計に接続することができる。分光計の入力部において、光ガイドまたは光ファイバは光ファイバコネクタ内で終わっていて、光ファイバコネクタは、分光計のコリメータレンズの前に配置することができる、光ファイバコネクタ用のホルダに差し込むことができる。
したがって、やはり費用効率の高い、特に堅牢で正確な多チャネル装置を達成することができる。
本発明の別の実施形態では、光学測定装置は、支持体の方へ向けられた第１の測定用ビームの反射スペクトルと測定対象物体のエッジ領域の方へ向けられた第２の測定用ビームの反射スペクトルとをデジタル化するための手段を有する。光学測定装置は、支持体と物体のエッジ領域との間の段高さを取得するために使用することができる、これらのデジタル化反射スペクトル用の評価ユニットを有する。
この場合、既に上述したように、例えば少なくとも４ｋＨｚの高い光走査速度により、環境内の削りくず粒子、エアロゾル粒子、およびダスト粒子によって引き起こされる測定異常値を検出するとともに、電子フィルタを使用してその測定異常値を除去することが可能である。大気環境に比べてもたらされる屈折率の変化を考慮して、ガスフラッシングまたは液体フラッシングを用いてデュアル測定用ビームの環境を保護することも可能である。
本発明の別の態様は、支持体と測定対象物体のエッジ領域との間の距離差をｉｎ−ｓｉｔｕ取得する光学測定方法に関する。これを達成するために、光学測定方法は以下のステップを含む。支持体の表面までの距離および測定対象物体のエッジ領域の表面までの距離を取得するために、デュアルビームガイドを有する測定ヘッドを備える光学測定装置が測定ヘッドガイド装置内に設けられる。
次いで、光源のスペクトル広帯域光が、光ガイドおよび測定ヘッド光学系を通じて支持体の表面上および測定対象物体のエッジ領域上に測定スポットとして当てられる。このプロセスでは、反射測定用ビームは、少なくとも１つの干渉分光計を有する測定装置の測定チャネル内へフィードバックされて、反射光ビームの反射スペクトルが干渉分光計によって取得される。
次いで、反射スペクトルは評価され、系統的最大測定誤差が取り除かれ、測定対象物体の連続的に減少する厚さがｉｎ−ｓｉｔｕ確認される。
この方法により、対応する研削装置内に保持され、軸線を中心に回転される、例えば半導体ウェハやセラミックウェハなどの物体の菲薄化の監視が堅牢に行えるようになり、測定対象物体のエッジ領域が、同じく回転しているが逆方向に回転している支持体に対する段高さの測定に利用できる。
回転支持体は、通常は回転軸線を中心に回転する研削ディスクであり、研削ディスクは、測定対象複数の物体を研削ディスク上に配置することができるように、測定されるべき円盤状物体の直径よりも著しく大きい半径を有する。測定対象物体はそれぞれ、回転ホルダによって研削ディスクの表面上に保持されていて、測定されるべきかかる物体の直径を１０インチより大きくし、かかる測定対象物体の開始厚さをミリメートル領域内にすることができる。次いで、かかる物体は、研削ディスクを用いて、支持体およびホルダが相対する方向に回転した状態で１００マイクロメートル未満の厚さにまで薄くすることができる。
研削ディスクの毎秒４０００サイクルを超える高い走査速度により、この方法は、研削粒子、研削ダストもしくは空気のエアロゾル、および研磨化合物の粒子のせいで生じ得る干渉による測定誤差とその他の確率的または周期的測定誤差とを取得し、除去し、なくすことができ、それにより、この種の測定異常値は高い走査速度により除去することができるので、かかる測定対象物体の厚さの減少を監視する堅牢性を保証する。
支持体の表面の湾曲および研削構造全体の振動のせいで生じ得るような固有誤差でさえも、デュアルビームガイドおよび下流側の評価ユニットを用いて取得し、なくすことができて、２つの独立した測定値取得システムの結果として、自動研削盤の問題のある環境用の比較的堅牢な測定方法を提供することが可能になる。
これを達成するために、この方法の好ましい一実施形態では、測定ヘッドガイド装置内の測定ヘッドは、多チャネル測定装置内に並んで配置されかつ機械的に接続された２つの光学測定ヘッドを有することができる。この種の光学測定装置には、２つの測定ヘッドの間の相互作用、したがって距離測定結果の間の相互作用があり得ないという利点がある。
加えて、測定ヘッドは、機械的に方向付けられ、多チャネル測定装置、好ましくはデュアルチャネル測定装置とともに働くことができる２つの測定ファイバを有することができる。この種の測定ヘッドは、２つの個々のファイバまたはファイバ束しか有していないので、構造を比較的小型にすることができ、したがってスペースをとり過ぎることなく菲薄化装置に適合することができる。
加えて、この種の光ファイバでの解決法は、別の実施形態では、スペクトル広帯域光源の光を光ファイバＹカプラから２つの光ファイバ内へ分離するために使用することもできる。
測定時のプロセスでは、第１の測定点が支持体上に形成され、第２の測定点がかかる測定対象物体のエッジ領域上に形成され、第１の測定点および第２の測定点から測定ヘッドまでの距離が取得され、段高さは引き算によって計算される。
既に上述したように、上記の方法に２つの測定方法、すなわち、段高さを取得するためのクロマティック共焦点測定法および干渉測定法を用いることができる。
支持体の方へ向けられた第１の測定用ビームの反射スペクトルと物体のエッジ領域の方へ向けられた第２の測定用ビームの反射スペクトルはデジタル化されることが特に有利である。デジタル化により、例えば前述した電子フィルタを使用することで、研削盤の環境内の研削粒子によって引き起こされる異常値をなくすことができる。したがって、本発明で開示される測定方法は、粉砕プラント環境内で極めて堅牢である。
測定ヘッドは、別々にではなく、むしろデュアル測定ヘッドとして構成されるので、光学系はわずかなスペースしか必要とせず、例えば、エレクトロニクス産業向けの半導体ウェハおよびセラミックウェハの研削時の物体高さのｉｎ−ｓｉｔｕ測定およびｉｎ−ｓｉｔｕ試験に特に適した装置にする。さらに、物体を研削するときにエッジ領域内に生じる段は多数の光波長に対応する。光学測定装置および方法は、研削ダスト、研磨化合物、およびエアロゾルで汚染された製造プラントに広く使われている状況で、特に回転面上の光学段測定において好都合に使用することもできる。
本発明について、添付図面を参照して以下でより詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による、薄研削盤５０上で使用される距離差６、この場合は段高さを取得するための光学測定器２の概略図を示す。薄研削盤５０は研削ディスク５２を有し、研削ディスク５２の表面５４は研磨化合物の層５６で覆うことができる。研削ディスク５２は、研削ディスク５２が軸線５８を中心に矢印Ａの方向に回転することができるように支持される。ミリメートル領域内の厚さｄおよび１０インチ／２５ｃｍを超える直径Ｄを有する測定対象の円盤状物体１２は、現今では、ホルダに固着された円盤状物体１２の能動上面上に大きな既製の記憶域および／または論理チップを有するものであり、研削時に矢印Ｂの方向に回転するホルダ６０によって矢印Ｃの方向に、測定対象物体の後面で研削ディスク５２の表面５４に押圧される。
これを達成するために、回転ホルダ６０の直径は、円盤状物体１２のエッジ領域１０が回転ホルダ６０の境界線から突出して、ホルダ６０とともに回転する物体１２のエッジ領域１０と支持体８を形成する研削ディスク５２の表面５４との間の測定可能な高さの段６になるように選択される。これを達成するために、研削ディスク５２の半径Ｒは回転ホルダの直径Ｄよりも著しく大きい。したがって、矢印Ａの方向に回転する研削ディスク５２上に複数の物体１２を配置することが可能である。回転ホルダ６０の回転方向Ｂは、研削ディスク５２の回転方向Ａとは逆方向でもよい。
薄研削時に減少する高さの段６を測定するために、光学測定装置２の固定測定ヘッドガイド装置２０に、各ホルダ６０が固定して配置される。それにより、測定ヘッドガイド装置２０は、デュアルビームガイド１５を有する測定ヘッド１４を保持し、測定対象物体１２、特にエッジ領域１０は、測定ヘッド１４の第２の測定用ビーム１８の下で回転方式で動く。
研削ディスク５２の表面５４は、デュアルビームガイド１５の第１の測定用ビーム１６の下で同時に動き、したがって、本発明のこの実施形態では、測定ヘッド１４は、支持体８の表面５４上の第１の測定点２８の反射光と菲薄化物体１２のエッジ領域１０の表面上の第２の測定点３０の反射光とを光ファイバ３６および３８を通じてマルチプレクサ４０に供給することができ、マルチプレクサ４０は、一方では広帯域光を光源２２から光ガイド４６を通じて測定ヘッド１４に供給し、他方では測定点２８および３０の反射光成分を光ガイド４２を通じて分光計４８に供給する。
分光計４８はセンサライン６２を介して評価ユニット３２に接続され、それにより、デジタル化された干渉スペクトルが電子フィルタ４４を通じて評価ユニット３２に供給される。この場合、電子フィルタ４４は、研削盤の環境から生じる測定異常値を、例えば誤差としてなくすことができ、したがって、評価ユニット３２は、測定誤差を修正した段高さ測定のための値を接続ライン６４を通じてディスプレイユニット６６に連続的に転送することができる。
すべての測定対象物体に対するこの種の研削盤には、対応する測定ヘッド１４および下流側の測定評価ユニットをそれぞれ有する測定ヘッドガイド装置２０が設けられることは自明であり、マルチプレクサ４０により、所要の測定ヘッドからの複数の信号を評価しディスプレイ６６上に表すことができる。研削盤５２の半径Ｒと測定対象物体の直径との関係に応じて、３〜１６個の測定対象物体１２が、対応する測定ヘッド１４によって監視され、ミリメートル領域内の厚さｄから数十マイクロメートルの範囲内の厚さｄにまで薄くされる。
図２は、図１による装置の測定ヘッド１４を詳細に示す。この測定ヘッド１４は、測定ガヘッドガイド装置２０によって保持され、測定ヘッドガイド装置２０内に並んで互いに保持された２つの個々の測定ヘッド１４０および１４１を備えていて、第１の測定ヘッド１４０は測定ヘッド１４０と支持体８の表面５４との間の距離ｅを取得し、第２の測定ヘッド１４１は測定ヘッド１４１と測定されるべき物体１２のエッジ領域１０の表面との間の距離ｃを取得する。減少する厚さｄ（ｔ）＝ｅ−ｃ（ｔ）は、取得された距離ｅとｃ（ｔ）との間の差ならびに測定ディスク５２または薄く対象物体１２のエッジ領域の非透明表面から得られる。
図３は、図１による測定ヘッド１４’の変更形態を詳細に示す。この変更済み測定ヘッド１４’は、２つの別々の測定点、すなわち支持体８上の測定点２８および測定対象物体１２のエッジ領域１０上の測定点３０が適切な測定ヘッド光学系２６によって形成されるという点で、図２の測定ヘッド１４とは異なる。反射光は、図１に示されているように、光ファイバ３６および３８内へフィードバックされ、マルチプレクサ４０を通じて評価用の評価ユニットへ転送されて、分光計４８の干渉値はデジタル化される。
図４は、第３の実施形態による光学測定装置３を示す。光学測定装置３は、上記にさらに詳細に説明されている薄研削盤５０と組み合わせて使用することができる。しかしながら、本発明は、この種の応用シナリオに限定されるものではない。実際、本発明は、距離差が光学測定方法によって決定されるべき場合は必ず使用することができる。これらは、支持体と支持体上の物体の表面との間の距離差または、例えば、測定対象物体の形態および形状から得られる距離差とすることができる。全く異なる応用例も考えられるが、簡単にするために、これらの応用例については、ここでさらに詳細には説明しない。例えば、ここで記述される光学測定装置の可能な応用例は、ボトルまたはその他の物体の測定を含むことができる。
しかしながら、光学測定装置３は、厚さ、特に、例えば薄研削盤５０の支持体１２上に配置された、薄研削対象物体１２などの物体の厚さを測定するのに特に適している。これのさらなる理由は、光学測定装置３が特に小型で堅牢な設計にできることである。というのは、一変形形態では、デュアル測定ヘッドとして設計された測定ヘッド１４を形成するために、２つの測定ヘッド１４０、１４１を組み合わせることができるからである。
図４に示されている第３の実施形態による光学測定装置３の要素のうちのいくつかおよびその他の要素については、上記に詳述した図を参照して既に説明されているので、これらの要素のすべてをここで再び詳細に説明する必要はない。
上述した実施形態とは対照的に、この実施形態では、多チャネル測定装置３４の特定の変形形態の構造について説明する。多チャネル測定装置３４は分光計ライン７２を有する。分光計ライン７２は分光計７２内に配置され、分光計７２は、コリメータ７３、回折格子７４、および合焦レンズ７５も有する。当業者なら、これらの構成要素が例示的なものであり、他の実施形態では、回折格子７４を例えばプリズムで置き換えることができることを認識するであろう。
さらに、多チャネル測定装置３４は光源２２を有し、光源２２は、それ自体がさらなる個々の光源７６を有することができる。多チャネル測定装置３４の内部には２つのＹカプラ７７が配置され、各Ｙカプラの一方の入力部が様々な光源７６のうちの１つに接続される。このようにして、測定ヘッド１４０、１４１には、広帯域スペクトルを有する光を特に効率的に供給することができる。
既に上述したように、測定ヘッド１４０、１４１は、デュアルビームガイド１５とともに光学測定ヘッド１４内に配置され、それによってデュアル測定ヘッドを形成する。これを達成するために、測定ヘッド１４０、１４１は、測定ヘッドガイド装置２０内に並んで配置され、互いに機械的に接続される。したがって、距離差が測定されることになる、測定対象物体付近の光学測定装置は、特に堅牢でスペースをとらない設計にすることができる。
既に上述したように、測定ヘッド１４０、１４１は、デュアルビームガイド１５とともに光学測定ヘッド１４内に配置され、それによってデュアル測定ヘッドを形成する。これを達成するために、測定ヘッド１４０、１４１は、測定ヘッドガイド装置２０内に並んで配置され、互いに機械的に接続される。したがって、距離差が測定されることになる、測定対象物体付近の光学測定装置は、特に堅牢でスペースをとらない設計にすることができる。
光源２２または２つの個々の光源７６はスペクトル広帯域光を供給し、それによって第１の測定用ビーム１６および第２の測定用ビーム１８を形成する。そうする際に、この実施形態では、第１の測定ヘッド１４０は、第１の測定用ビーム１６を支持体８上に位置する第１の測定点２８の方へ向け、第２の測定ヘッド１４１は、第２の測定用ビーム１８を物体１２のエッジ領域１０上に位置する第２の測定点３０の方へ向ける。
第１の測定ヘッド１４０内には、第１の測定点２８の方へ向けられた第１の測定用ビーム１６の反射スペクトルを取得し形成するための手段が配置される。加えて、第２の測定ヘッド１４１内には、第２の測定点３０の方へ向けられた第２の測定用ビーム１８の反射スペクトルを取得し形成するための手段が配置される。反射スペクトルを取得し形成するための手段は、関連する測定ヘッド１４１、１４１が参照鏡およびビーム分割キューブ（図示せず）を有することができる干渉法に従って動作することができる。しかしながら、本発明は、この種の実施形態に限定されるものではない。例えば、測定ヘッド１４０、１４１の少なくとも一方が、クロマティック共焦点法に従って動作することもできる。
２つの測定ヘッド１４０、１４１は、事前に定義された方法で互いに方向付けられ、図４に示されているように、好ましくは同じ幾何学的高さに置くことができる。その結果、したがってより大きい距離ｅを測定する測定ヘッド１４０は、したがってより小さい距離ｃを測定する測定ヘッド１４１に比べてより青い光を検出する。言い換えると、第１の測定ヘッド１４０はより青い光を測定するものとし、第２の測定ヘッド１４１はより赤い光を測定するものとする。
反射スペクトルからの光は、光ファイバ３６、３８によって多チャネル測定装置３４内へ結合されて、第１の光ファイバ３８は第１の測定ヘッド１４０を多チャネル測定装置３４の第１の入力部７０に接続し、第２の光ファイバ３６は第２の測定ヘッド１４１を多チャネル測定装置３４の第２の入力部７１に接続する。多チャネル測定装置の各入力部７０、７１は、光学測定装置の個々のチャネルに対応する。入力部７０、７１は、図４に示されているように、Ｙカプラを介して分光計７２に接続することができる。分光計は、入力側に光ファイバコネクタ用のホルダ７８を有する。光ファイバ３６、３８はＹカプラからホルダ７８までの経路を定めることができ、光ガイド７９および８０は、分光計ライン７２の方向に沿ってスペクトル方向に互いに対してオフセットすることができる。
この場合、オフセット８１の程度は特定曲線の差をもたらして、測定ヘッド１４０、１４１の反射スペクトルを互いに異なるものにすることができる。こうした特性曲線の差は、結果として生じる距離ピークのその後の評価で適切に考慮される。これは、好ましくはクロマティック共焦点測定法を用いるときに適用される。例えばＯＣＴなどの干渉測定法では、光ガイド７９、８０は、好ましくはスペクトル方向に同じ高さに配置されるべきであるが、代わりに、分光計ライン７２に対して垂直方向に互いに対してオフセットして配置することもできる。分光計ライン７２は、分光計３４に達した、測定ヘッド１４０、１４１によって検出された光をすべて取得するものとする。分光計ライン７２は、好ましくは十分な高さを有し、この目的のために十分な検出器画素を有する。
ここに示されている実施形態の特定の利点は、ただ１つの単一分光計ライン７２が両方の測定ヘッド１４０、１４１の反射スペクトルを評価するために必要であり、それによって特性曲線が異なり得るという事実に見られる。その結果、検出器画素に対応するピーク位置を曖昧さなしに評価することもできる。
図５は、光学測定装置５の第４の実施形態を示す。図５に示されているように、光学測定装置５は多数の光学測定ヘッド１４を有し、各測定ヘッド１４は既に上述したようにデュアルビームガイドを有していてもよい。
さらに、各測定ヘッドは、各デュアル測定ヘッド１４が距離差ｄ１〜ｄｎを上述した方法で取得することができるように、自律的に動作することができる。すべてのデュアル測定ヘッド１４は多チャネル測定装置３４の２つのチャネルに接続され、したがって、光学測定装置５は、２ｎ個の単一測定ヘッド１４０、１４１と２ｎ個のチャネルを有する１つの多チャネル測定装置３４とを備えることができる。この場合もやはり、多チャネル測定装置には、単一分光計ライン７２を有する単一分光計４８が装着されていて、分光計ライン７２を使用して測定ヘッド１４０、１４１のすべての測定信号およびすべての反射スペクトルを評価することができる。図４および図５に示されている実施形態は、図１〜図３の実施形態と組み合わせることができる。
例えば、図５に示されている実施形態によれば、分光計３４は１つまたは複数のマルチプレクサを有することもできる。これが該当する場合、マルチプレクサは、別の対の測定ヘッド１４０、１４１が各パルスのために選択されるように配置されることが好ましい。マルチプレクサの周波数および動作の詳細は、上記に与えられた例に関して既に詳述されており、この場合は適切な改造を加えることもできる。さらに、特性曲線相互間の区別をさらに可能にする手段が提供され得る。クロマティック共焦点測定の場合、これは、分光計４８の分光計ライン７２の方向に沿って異なる位置にスペクトル方向に配置することができる２ｎ個の光ガイド７９、８０の特定配置によって部分的に達成される。
２ 光学測定装置（第１の実施形態）
３ 光学測定装置（第３の実施形態）
４ 光学測定装置（第２の実施形態）
５ 光学測定装置（第４の実施形態）
６ 段高さ
８ 支持体
１０ エッジ領域
１２ 物体
１４，１４´ 測定ヘッド
１５ デュアルビームガイド
１６ 第１の測定用ビーム
１８ 第２の測定用ビーム
２０ 測定ヘッドガイド装置
２２ 光源
２３ 第１の光ビーム
２４ 第２の光ビーム
２６，２６´ 測定ヘッド光学系
２８ 第１の測定点（支持体上）
３０ 第２の測定点（物体）
３２ 評価ユニット
３４ 多チャネル測定装置
３６ 光ファイバ
３８ 光ファイバ
３９ 分光計
４０ マルチプレクサ
４２ 光ガイド
４４ 電子フィルタ
４６ 光ガイド
４８ 分光計
５０ 薄研削盤
５２ 研削ディスク
５４ 研削ディスクの表面
５６ 層
５８ 研削ディスクの軸線
６０ 測定対象物体用のホルダ
６２ センサライン
６４ 接続ライン
６６ ディスプレイユニット
７０ 多チャネル測定装置入力部
７１ 多チャネル測定装置入力部
７２ 分光計ライン
７５ 合焦レンズ
７６ 光源
７７ Ｙカプラ
７８ 光ファイバコネクタ用のホルダ
７９ 光ガイド
８０ 光ガイド
８１ スペクトル方向のオフセット
１４０ 単一測定ヘッド
１４１ 単一測定ヘッド
Ａ 回転方向
Ｂ 回転方向
Ｃ 回転方向
ｃ 距離
Ｄ 測定対象物体の直径
ｄ 厚さ
ｅ 距離
Ｒ 研削ディスクの半径
３ 光学測定装置（第３の実施形態）
４ 光学測定装置（第２の実施形態）
５ 光学測定装置（第４の実施形態）
６ 段高さ
８ 支持体
１０ エッジ領域
１２ 物体
１４，１４´ 測定ヘッド
１５ デュアルビームガイド
１６ 第１の測定用ビーム
１８ 第２の測定用ビーム
２０ 測定ヘッドガイド装置
２２ 光源
２３ 第１の光ビーム
２４ 第２の光ビーム
２６，２６´ 測定ヘッド光学系
２８ 第１の測定点（支持体上）
３０ 第２の測定点（物体）
３２ 評価ユニット
３４ 多チャネル測定装置
３６ 光ファイバ
３８ 光ファイバ
３９ 分光計
４０ マルチプレクサ
４２ 光ガイド
４４ 電子フィルタ
４６ 光ガイド
４８ 分光計
５０ 薄研削盤
５２ 研削ディスク
５４ 研削ディスクの表面
５６ 層
５８ 研削ディスクの軸線
６０ 測定対象物体用のホルダ
６２ センサライン
６４ 接続ライン
６６ ディスプレイユニット
７０ 多チャネル測定装置入力部
７１ 多チャネル測定装置入力部
７２ 分光計ライン
７５ 合焦レンズ
７６ 光源
７７ Ｙカプラ
７８ 光ファイバコネクタ用のホルダ
７９ 光ガイド
８０ 光ガイド
８１ スペクトル方向のオフセット
１４０ 単一測定ヘッド
１４１ 単一測定ヘッド
Ａ 回転方向
Ｂ 回転方向
Ｃ 回転方向
ｃ 距離
Ｄ 測定対象物体の直径
ｄ 厚さ
ｅ 距離
Ｒ 研削ディスクの半径
Claims (21)
- 距離差を取得するための光学測定装置、特に、支持体（８）と物体（１２）のエッジ領域（１０）との間の段高さ（６）をｉｎ−ｓｉｔｕ取得するための光学測定装置であって、
第１の測定ヘッド（１４０）および第２の測定ヘッド（１４１）を有するデュアル測定ヘッドとして構成された、デュアルビームガイド（１５）を有する光学測定ヘッド（１４、１４’）と、
前記第１の測定ヘッド（１４０）および前記第２の測定ヘッド（１４１）がその中に並んで配置されかつ機械的に接続される、測定ヘッドガイド装置（２０）と、
第１の測定用ビーム（１６）および第２の測定用ビーム（１８）の光（２３、２４）を生成するための少なくとも１つのスペクトル広帯域光源（２２）であって、前記第１の測定ヘッド（１４０）が、前記第１の測定用ビーム（１６）を、例えば支持体（８）上に位置する第１の測定点（２８）の方へ向け、前記第２の測定ヘッド（１４１）が、前記第２の測定用ビーム（１８）を、例えば前記物体（１２）のエッジ領域（１０）上に位置する第２の測定点（３０）の方へ向ける、少なくとも１つのスペクトル広帯域光源（２２）と、
前記第１の測定点（２８）の方へ向けられた前記第１の測定用ビーム（１６）の反射スペクトルと前記第２の測定点（３０）の方へ向けられた前記第２の測定用ビーム（１８）の反射スペクトルとを取得し形成する、前記第１の測定ヘッド（１４０）および第２の測定ヘッド（１４１）内に配置された手段と、
前記第１の測定用ビーム（１６）からの反射光および前記第２の測定用ビーム（１８）からの反射光をそれぞれ、複数の測定入力部を有する多チャネル測定装置（３４）の異なる測定入力部内へ結合するための第１の光ファイバ（３８）および第２の光ファイバ（３６）と、
前記第１の測定用ビーム（１６）の前記反射スペクトルおよび前記第２の測定用ビーム（１８）の前記反射スペクトルを測定できるようにする前記多チャネル測定装置（３４）内に配置され、単一の分光計ライン（７２）を有する分光計（４８）と、
前記分光計ライン（７２）によって測定された前記第１の測定用ビーム（１６）および前記第２の測定用ビーム（１８）の前記反射スペクトルから距離ピークを形成できるようにするとともに、前記距離ピークを距離差の尺度として評価できるようにする、センサライン（６２）を介して前記分光計ライン（７２）に接続された評価ユニット（３２）と、を備え、
前記光学測定装置は、前記多チャネル測定装置（３４）の入力部（７０、７１）当たり少なくとも１つの光ファイバＹカプラを有し、前記分光計（４８）の入力側には、光ファイバコネクタ用のホルダ（７８）が設けられており、前記光ファイバ（３８、３６）は、第１の光ガイド（７９）および第２の光ガイド（８０）を通じ前記光ファイバＹカプラを介して前記ホルダ（７８）まで経路付けられており、前記第１の光ガイド（７９）および前記第２の光ガイド（８０）は、前記分光計ライン（７２）の方向に沿ってスペクトル方向に互いに対してオフセットされている
光学測定装置。 - 前記光学測定装置が、前記デュアルビームガイド（１５）を有する多数の前記光学測定ヘッド（１４、１４’）を備え、前記光学測定ヘッド（１４、１４’）がそれぞれ、第１の測定ヘッド（１４０）および第２の測定ヘッド（１４１）を有するデュアル測定ヘッドとして構成される
請求項１に記載の光学測定装置。 - 前記第１の測定ヘッド（１４０）のそれぞれおよび前記第２の測定ヘッド（１４１）のそれぞれが、光ファイバによって前記多チャネル測定装置（３４）の異なる測定入力部に接続され、したがって、前記第１の測定ヘッド（１４０）のそれぞれおよび前記第２の測定ヘッド（１４１）のそれぞれの反射スペクトルを前記多チャネル測定装置（３４）内に配置された前記分光計ライン（７２）で評価することができる
請求項２に記載の光学測定装置。 - 前記光学測定装置には、前記距離差（６）のｉｎ−ｓｉｔｕクロマティック共焦点取得のために、前記第１の測定ヘッド（１４０）の少なくとも１つおよび前記第２の測定ヘッド（１４１）の少なくとも１つが設けられる
請求項１〜３の一項に記載の光学測定装置。 - 前記光学測定装置（２）には、前記距離差（６）のｉｎ−ｓｉｔｕ干渉取得のために、少なくとも１つの第１の測定ヘッド（１４０）および少なくとも１つの第２の測定ヘッド（１４１）が設けられる
請求項１〜４の一項に記載の光学測定装置。 - 前記多チャネル測定装置（３４）が、好ましくは各対の１つの第１の測定ヘッド（１４０）と１つの第２の測定ヘッド（１４１）とを切り替える少なくとも１つのマルチプレクサ（４０）を有する
請求項２〜５の一項に記載の光学測定装置。 - 前記多チャネル測定装置（３４）がマルチライン検出器を有する
請求項６に記載の光学測定装置。 - 前記少なくとも１つのスペクトル広帯域光源（２２）が、各前記第１の測定ヘッド（１４０）および各前記第２の測定ヘッド（１４０）用の光源（７６）を有する
請求項１〜７の一項に記載の光学測定装置。 - 前記光学測定装置（２）が、前記支持体（８）の方へ向けられた前記第１の測定用ビーム（１６）の反射スペクトルと前記物体（１２）の前記エッジ領域（１０）の方へ向けられた前記第２の測定用ビーム（１８）の反射スペクトルとをデジタル化するための手段を有する
請求項１〜８の一項に記載の光学測定装置。 - 前記光学測定装置（２）が、前記支持体（８）と前記物体（１２）の前記エッジ領域（１０）との間の前記距離差（６）を取得するためのデジタル化反射スペクトル用の評価ユニット（３２）を有する
請求項９に記載の光学測定装置。 - 前記光学測定装置（２）が少なくとも４ｋＨｚの光走査速度を有する
請求項１〜１０の一項に記載の光学測定装置。 - 前記光学測定装置（２）が前記評価ユニット（３２）内に電子フィルタ（４４）を有する
請求項１〜１１の一項に記載の光学測定装置。 - 少なくとも１つの距離差を取得する方法、特に、支持体（８）と物体（１２）のエッジ領域（１０）との間の段高さ（６）をｉｎ−ｓｉｔｕ取得する光学測定方法であって、
１つの第１の測定ヘッド（１４０）および１つの第２の測定ヘッド（１４１）を有するデュアル測定ヘッドとして構成された、デュアルビームガイド（１５）を有する光学測定ヘッド（１４、１４’）を備える測定装置を測定ヘッドガイド装置（２０）内に設けるステップであって、前記第１の測定ヘッド（１４０）および前記第２の測定ヘッド（１４１）が前記測定ヘッドガイド装置（２０）内に並んで配置されかつ機械的に接続される、ステップと、
少なくとも１つのスペクトル広帯域光源を用いて、前記第１の測定ヘッドで第１の測定用ビーム（１６）を生成し、前記第２の測定ヘッドで第２の測定用ビーム（１８）を生成するステップであって、前記第１の測定ヘッド（１４０）が前記第１の測定用ビーム（１６）を第１の測定点（２８）の方へ向け、前記第２の測定ヘッド（１４１）が前記第２の測定用ビーム（１８）を第２の測定点（３０）の方へ向けて、それぞれの場合に反射スペクトルが形成される、ステップと、
前記第１の測定用ビーム（１６）からの反射光を第１の光ファイバ（３８）を通じて、前記第２の測定用ビーム（１８）からの反射光を第２の光ファイバ（３６）を通じて、複数の測定入力部を有する多チャネル測定装置（３４）の異なる測定入力部内へ結合するステップと、
単一の分光計ライン（７２）を有する分光計（４８）および前記分光計ラインの下流側に接続された評価ユニットを用いて前記反射スペクトルを測定するステップであって、前記分光計（４８）は前記多チャネル測定装置内（３４）に配置されており、前記スペクトル広帯域光源（２２）の光が光ファイバＹカプラによって前記測定ヘッド（１４）の方へ２つの光ファイバ（３６、３８）内へ分離され、前記分光計（４８）の入力側には光ファイバコネクタ用のホルダ（７８）が設けられており、前記光ファイバ（３６、３８）は第１の光ガイド（７９）および第２の光ガイド（８０）を通じ前記光ファイバＹカプラを介して前記ホルダ（７８）まで経路付けられており、前記第１の光ガイド（７９）および前記第２の光ガイド（８０）は前記分光計ライン（７２）の方向に沿ってスペクトル方向に互いに対してオフセットされており、距離ピークが前記第１の測定点と前記第１の測定ヘッドとの間の距離および前記第２の測定点と前記第２の測定ヘッドとの間の距離に従って形成され、前記距離ピークが距離差の尺度として評価される、ステップと
を含む光学測定方法。 - 測定プロセス時に、前記測定ヘッド（１４）が前記測定ヘッドガイド装置（２０）内の定位置に保持され、前記支持体（８）および前記物体（１２）が、前記光学測定ヘッド（１４、１４’）の下で相対する方向（Ａ、Ｂ）に回転して動く
請求項１３に記載の光学測定方法。 - 測定時に、第１の測定点（２８）が前記支持体（８）上に構成され、第２の測定点（３０）が前記物体（１２）の前記エッジ領域（１０）上に構成され、前記光学測定ヘッド（１４、１４’）から前記第１の測定点（２８）および前記第２の測定点（３０）までのそれぞれの距離（ｃ、ｅ）が取得される
請求項１３または１４に記載の光学測定方法。 - 減少する前記物体の厚さ（ｄ）が、前記取得済み距離値（ｃ、ｅ）の差を計算することによってｉｎ−ｓｉｔｕで記録に残される
請求項１３〜１５の一項に記載の光学測定方法。 - クロマティック共焦点測定法が前記距離差（６）を取得するために用いられる
請求項１３〜１６の一項に記載の光学測定方法。 - 干渉測定法が前記距離差（６）を取得するために用いられる
請求項１３〜１６の一項に記載の光学測定方法。 - 前記支持体（８）の方へ向けられた前記第１の測定用ビーム（１６）の前記反射スペクトルと前記物体（１２）の前記エッジ領域（１０）の方へ向けられた前記第２の測定用ビーム（１８）の前記反射スペクトルとが評価のためにデジタル化される
請求項１３〜１８の一項に記載の光学測定方法。 - 前記物体（１２）の前記エッジ領域（１０）の表面および前記支持体（８）の表面が、４ｋＨｚを超える走査速度で走査される
請求項１３〜１９の一項に記載の光学測定方法。 - 測定誤差が、前記評価ユニット（３２）内の電子デジタルフィルタ（４４）によって除去される
請求項１３〜２０の一項に記載の光学測定方法。
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