JP6908701B2 - 光学測定機のプローブ用の交換可能なレンズモジュールシステム - Google Patents

光学測定機のプローブ用の交換可能なレンズモジュールシステム Download PDF

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Description

本発明は、干渉技術を用いて試験対象物を測定するための、光プローブを備えた測定機に関し、測定機を異なる試験対象物又は試験対象フィーチャの測定に適合させるために、プローブの相互交換可能な光学端部の中から、光学端部を交換するためのシステムに関する。
座標測定機は一般的に、プローブを用いて、試験対象物の表面に沿って点ごとの測定値を獲得するように構成されている。表面に対するプローブの変位が共通の座標系内で測定されるのである。測定は一般的に、機械の運動軸に沿った又は運動軸を中心とする、試験対象物に対するプローブの相対運動の測定と、試験対象の表面に対するプローブの相対的変位の測定とを含む。
プローブは様々な形態を取ることができ、試験対象物の表面に接触する物理的プローブと、時に光学ペンと呼ばれる、試験対象物の表面で集束光を反射させる光プローブとを含む。反射光は距離の尺度として分析することができる。
例えば、Jonesらの米国特許第８，８１７，２４０号は、共焦点光学系を介した色分散を利用して、異なる波長を異なる焦点距離で集束させ、共焦点開口を通って反射される波長の関数として距離を測定する光プローブについて記載している。測定の範囲又は方向を変えるために、上記‘２４０号特許は、光学ペンを、共焦点開口を含むベース部材と、色分散光学系を含む交換可能要素と、に分割している。反復可能な高速交換マウントにより、交換可能要素を、異なる色分散光学系その他の特徴を有する別の交換可能要素と交換することができ、これにより測定の範囲又は方向を変えることができる。
部分コヒーレント干渉計を用いて距離を測定するための別の種類の光プローブは、本願の発明者でもあるKayの米国特許第７，７９１，７３１号に記載されている。複数の波長から構成される空間的にコヒーレントな光源ビーム、すなわち、時間的コヒーレンスが低いビームが、ビームスプリッタによって、試験対象物で反射される対象ビームと、参照反射器で反射される参照ビームとに分割される。試験対象物と参照反射器で反射された光は、ビームスプリッタで再結合されて測定ビームとなり、分光計等の検出器内で再集束される。この分光計は戻ってきた測定ビームの異なるスペクトル成分の干渉強度を記録する。捕捉されたスペクトルにわたる干渉強度の変化率が距離の尺度と同等とみなされる。干渉計全体を含むプローブ部品の交換は、大きさ及び費用の点で特に問題があり、干渉計の部品の交換は、何らかの相違が測定結果を変えてしまう可能性があるため、特に問題がある。
本発明の実施例のうち、座標測定機のための部分コヒーレント干渉計の形の光プローブは、交換可能なレンズモジュールシステムを含む。この交換可能なレンズモジュールシステムによれば、作動距離の調整又は光プローブの精度の調整等の目的のために、異なるレンズモジュールと交換することができる。レンズモジュールの自動交換のために、レンズモジュールを測定機軸の移動範囲内のマガジン（又は交換ラック）に保持しておくことができる。
本発明の一態様は、所与の公差内における試験対象物の表面高さの変動を測定するために構成された干渉測定機における、光プローブ用の交換可能なレンズモジュールシステムを提供する。このシステムは複数のレンズモジュールを含み、各レンズモジュールは、相互に関連した特徴を有する。例えば、各レンズモジュールは、（ａ）基端と先端とを有するレンズモジュールハウジングと、（ｂ）レンズモジュールハウジング内に搭載され、コリメートされた対象ビームをレンズモジュールハウジングの先端を越えた位置にある焦点に集束させるための対物レンズと、（ｃ）レンズモジュールハウジングの基端にあり、レンズモジュールハウジングを干渉測定機の相方キネマティックカップリング部材に結合するためのキネマティックカップリング部材と、（ｄ）各レンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材と各焦点との間の光路長と、を含んでいる。
２つ以上のレンズモジュールは、異なる焦点距離を有する対物レンズによって区別される。対物レンズの焦点距離の差は、所与の測定公差（例えば、±２ミクロン）よりも大きく、典型的には該公差よりも大幅に大きいことが期待される（例えば、２０ミリメートル）。加えて、上記２つ以上のレンズモジュールの各対物レンズは、それぞれのレンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリングから離間している。その離間距離は、上記２つ以上のレンズモジュールの焦点とキネマティックカップリング部材との間の光路長を、所与の公差内で等しくさせる距離である。
干渉測定機の光プローブは、好ましくは、相方キネマティックカップリング部材を支持するプローブ本体と、プローブ本体内で光学的に結合されるシングルモードファイバと、プローブ本体内に搭載され、シングルモードファイバから放射される光源ビームをコリメートするコリメータと、を含む。さらに、好ましくは、プローブ本体は、参照反射器のビームスプリッタの干渉要素を含む。ビームスプリッタは、コリメートされた光源ビームを（ａ）対象ビームと（ｂ）参照ビームとに分割するように構成されている。上記対象ビームは、対象アームに沿って方向づけられ、相方キネマティックカップリング部材を通り、レンズモジュールハウジングを通って試験対象物上の焦点まで伝搬する。上記参照ビームは、参照アームに沿って参照反射器へと方向づけられている。ビームスプリッタはまた、試験対象物で反射された対象ビームと参照反射器で反射された参照ビームとを結合して、測定ビームにするように構成されている。コリメータは、測定ビームをシングルモードファイバに集束させ、干渉測定機の検出器に向けて伝搬させる。
測定機は、好ましくは、１以上のレンズモジュールを保持するためのドッキングステーションを含む。プローブ本体は好ましくは、次の動作を行なうためにドッキングステーションに対して相対移動可能である。（ａ）プローブ本体の相方キネマティックカップリング部材と、１つのレンズモジュールのレンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材とを整列させる。（ｂ）上記１つのレンズモジュールのレンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材を、プローブ本体の相方キネマティックカップリング部材と係合する。（ｃ）ドッキングステーションから上記１つのレンズモジュールを引き出す。
ドッキングステーションは、好ましくは、複数のレンズモジュールホルダを含み、プローブ本体は好ましくは、次の動作を行なうためにドッキングステーションに対してさらに相対移動可能である。（ｄ）１つのレンズモジュールをレンズモジュールホルダの１つと整列させる。（ｅ）上記１つのレンズモジュールのレンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材と、プローブ本体の相方キネマティックカップリング部材と、の係合を解除する。（ｆ）上記１つのレンズモジュールを上記１つのレンズモジュールホルダに残して、プローブ本体を引き出す。
本発明の別の態様は、所与の公差内で試験対象物の表面高さの変動を測定するために構成された干渉測定機において、光プローブのレンズモジュールを交換する方法を提供する。本方法は、干渉測定機のプローブ本体を第１のレンズモジュールに結合する工程を含む。各レンズモジュールは、その基端にキネマティックカップリング部材を有するレンズモジュールハウジングと、レンズモジュールハウジングの先端を越えた位置に焦点を結ぶ対物レンズと、を含む。プローブ本体は相方キネマティックカップリング部材を含む。プローブ本体の相方キネマティックカップリング部材と、第１のレンズモジュールのレンズモジュールハウジングの先端を越えた位置にある焦点との間に、第１光路長が画定される。
第２のレンズモジュールは、ドッキングステーションの複数のレンズモジュールホルダの１つに保持されている。第１及び第２レンズモジュールの各対物レンズの焦点距離は異なり、その焦点距離の差異は、所与の公差よりも大きい。
続く工程は以下を含む。プローブ本体の相方キネマティックカップリング部材を、第１レンズモジュールのキネマティックカップリング部材から切り離す工程。第１レンズモジュールをドッキングステーションの別のレンズモジュールホルダに残す工程。プローブ本体の相方キネマティックカップリング部材を、第２レンズモジュールのキネマティックカップリング部材に結合する工程。第２レンズモジュールをドッキングステーションの上記１つのレンズモジュールホルダから取り外す工程。
プローブ本体の相方キネマティックカップリング部材と、第２レンズモジュールのレンズモジュールハウジングの先端を越えた位置にある焦点との間に、第２光路長が画定される。第２光路長は、プローブ本体を第１及び第２レンズモジュールと結合する連続した工程間において、所与の公差内で、第１光路長とほぼ等しく維持される。
好ましくは、シングルモードファイバから放射される光源ビームがコリメートされる。ビームスプリッタが、コリメートされた光源ビームを、対象アームに沿って方向づけられ、相方キネマティックカップリング部材を通る対象ビームと、参照アームに沿って参照反射器へと方向づけられる参照ビームと、に分割する。参照光路長は、ビームスプリッタから参照反射器までの光路に沿って画定される。第１対象光路長は、ビームスプリッタから第１レンズモジュールの焦点までの光路に沿って画定される。第１対象光路長と参照光路長とは、所定の量だけ異なっている。第２対象光路長は、ビームスプリッタから第２レンズモジュールの焦点までの光路に沿って画定される。第２対象光路長と参照光路長とは、所与の公差内で上記所定の量に対応する量だけ異なっている。好ましい実施形態においては、所与の公差は±２ミクロンの変動範囲を含み、第２対象光路長と第１対象光路長との差異は２ミクロン未満である。
干渉測定機の光プローブ用の交換可能なレンズモジュールシステムとしての本発明の別態様は、少なくとも２つのレンズモジュールを含む。２つのレンズモジュールの各々は、（ａ）基端と先端とを有するレンズモジュールハウジングと、（ｂ）レンズモジュールハウジング内に搭載され、コリメートされた対象ビームをレンズモジュールハウジングの先端を越えた位置にある焦点に集束させる対物レンズと、（ｃ）レンズモジュールハウジングの基端にあり、レンズモジュールハウジングを干渉測定機の相方キネマティックカップリング部材に結合するキネマティックカップリング部材と、を含む。各対物レンズは、それぞれの焦点に面した前面を含む。２つのレンズモジュールの各々は、前方光路長と後方光路長とを含む。この前方光路長は、それぞれの対物レンズの前面からその焦点まで延びる。後方光路長は、コリメートされた対象ビームに沿い、レンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材から、対物レンズの前面に至る。２つのレンズモジュールのレンズモジュールハウジングと焦点との間の作動距離を異ならせるために、２つのレンズモジュールの対物レンズは異なる前方光路長を有している。異なる後方光路長が異なる前方光路長の差を相殺し、前方光路長と後方光路長の合計がほぼ等しく維持されるようになっている。
例えば、２つのレンズモジュールのうち第１のレンズモジュールの前方光路長が第２のレンズモジュールの前方光路長より長い分だけ、第１のレンズモジュールの後方光路長は第２のレンズモジュールの後方光路長より短く、第１、第２のレンズモジュールの前方光路長と後方光路長の合計が等しく維持されるようになっている。
本発明のさらに別の態様は、所与の公差内で測定をするために構成された干渉測定機の光プローブ用の交換可能なレンズモジュールシステムを特徴とする。干渉測定機のプローブ本体はキネマティックカップリング部材を含み、少なくとも２つのレンズモジュールが提供される。各レンズモジュールはキネマティックカップリング部材を含み、このキネマティックカップリング部材は、レンズモジュールをプローブ本体と接続するために、プローブ本体のキネマティックカップリング部材と係合可能である。プローブ本体内のビームスプリッタは、光源ビームを、プローブ本体の参照アームに沿って反射器まで伝搬する参照ビームと、プローブ本体の対象アームに沿って伝搬する対象ビームと、に分割する。対象アームは、レンズモジュールがプローブ本体に接続されている時、レンズモジュールを通って延びる。２つのレンズモジュールの各々はまた、レンズモジュール内に搭載された対物レンズを含む。対物レンズは、レンズモジュールを越えた位置にある焦点に、対象ビームを集束させる。２つのレンズモジュールの対物レンズの焦点距離は、所与の公差よりも大きく異なっている。参照アームはビームスプリッタから反射器までの光路長を画定し、対象アームはビームスプリッタから焦点までの光路長を画定する。対象アームの光路長は、参照アームの光路長に対してオフセットされている。２つのレンズモジュールは、対象アームと参照アームの光路長間のオフセットを所与の公差の範囲内で維持しながら、交換可能である。
さらに好ましくは、交換可能なレンズモジュールシステムは、プローブ本体内で光学的に結合されるシングルモードファイバと、プローブ本体内に搭載されシングルモードファイバから放射される光源ビームをコリメートするコリメータとを含む。ビームスプリッタは、好ましくは、コリメートされた光源ビームを（ａ）対象ビームと（ｂ）参照ビームとに分割するように構成されている。対象ビームは、対象アームに沿って方向づけられて互いに係合したキネマティックカップリング部材を通り、レンズモジュールを通って試験対象物上の焦点まで伝搬する。参照ビームは、参照アームに沿って反射器へと方向づけられている。ビームスプリッタは、好ましくは、試験対象物で反射された対象ビームと、参照反射器で反射された参照ビームとを結合して、測定ビームにするように構成されている。コリメータは、好ましくは、測定ビームをシングルモードファイバに集束し、干渉測定機の検出器に向けて伝搬するように構成されている。
光源ビームは、好ましくは、ある範囲のビーム周波数を含むタイプのものである。検出器は、好ましくは、上記のビーム周波数範囲にわたる干渉位相の変化を検出する。プロセッサは、好ましくは、ビーム周波数範囲にわたる干渉位相の変化率と関連した変調周波数を距離の尺度と同等とみなす。
２つのレンズモジュールの各々は、好ましくは、前方光路長と後方光路長とを含む。この前方光路長は、それぞれの対物レンズの前面からその焦点まで延びる。後方光路長は、そのキネマティックカップリング部材から、対物レンズの前面に至る。好ましくは、２つのレンズモジュールの前方光路長は異なる。好ましくは、２つのレンズモジュールの後方光路長は、２つのレンズモジュールの前方光路長の差を相殺する量だけ異なり、これにより、異なる前方光路長を有する２つのレンズモジュールの前方光路長と後方光路長の合計が、所与の公差以内で等しく維持されるようになっている。
本発明の一実施形態による多軸測定機を正面左側から見た斜視図である。
図１の測定機のための光学測定システムの略図であり、干渉計の対象アームと参照アームがプローブに設けられるとともに、シングルモードファイバによって光源と検出器とに接続されている。
干渉計の測定出力をグラフで示したものである。対物ビームと参照ビームの光路長に関連した変調周波数での波数の関数として、強度が変動する。 干渉計の測定出力をグラフで示したものであり、異なる変調周波数での測定出力の強度を示す。
検出器の出力に基づいて変調周波数を同定するためのプロセッサの計算出力をグラフで示したものである。
レンズモジュールをプローブ本体に結合するためのキネマティックカップリング部材を特徴として有するプローブの分解斜視図である。
干渉計の光学部品を含む内部構造の詳細を示す、プローブの側断面図である。
プローブの側断面図である。 図７Ａのプローブと比較される異なるプローブの側断面図であり、共通のプローブ本体に結合される異なるレンズモジュールによって、図７Ａのプローブと識別される。これらレンズモジュールは光路長が等しく相互交換可能である。
他のプローブの側断面図である。 図８Ａのプローブと比較される異なるプローブの側断面図であり、共通のプローブ本体に結合される異なるレンズモジュールによって、図８Ａのプローブと識別される。これらレンズモジュールは光路長と物理的路長が等しく相互交換可能である。
ドッキングステーションの斜視図であり、このドッキングステーションにおいて、異なるレンズモジュールが保管され、プローブ本体に係合されたレンズモジュールと交換される。
図１に示す多軸機１０は、光学測定機の多くの可能な構成の1つである。ｘ−ｙステージ１４が、Ｘ座標軸及びＹ座標軸に沿って試験対象物１８を水平に平行移動させる。スライド機構１６が、干渉計プローブ２０をＺ座標軸に沿って垂直に平行移動させる。ｘ−ｙステージ１４はマシンベース２２に支持されている。スライド機構１６は、柱２４に担持された収容部２６の下に支持されている。干渉計プローブ２０をＺ座標軸に沿う平行移動のために搭載することに加えて、干渉計プローブ２０は関節式アーム（図示せず）に担持されていてもよい。この関節式アームは水平軸線の周りを旋回可能であり、且つＺ座標軸の周りを旋回軸線と共に回動可能である。視覚系と共に用いるためのリング型の光源２８が示されている。視覚系も多軸機１０に組み込まれていてもよい。多軸機１０の計測機能を支持する他の装置は、スライド機構１６に収容されていてよく、又は後方の収容部２６に収容されていてもよい。スライド機構は収容部２６内で平行移動可能である。様々な運動軸に沿う又は様々な運動軸を中心とする、干渉計プローブ２０と試験対象物１８との相対運動を測定し、これにより共通の座標系内における干渉計プローブ２０の試験対象物１８に対する相対的位置をモニタする。多軸機１０は、干渉計プローブ２０の他に、Ｚ座標に取り付けられた視覚系その他のプローブ又はセンサを含んでいてよい。
測定機１０は、試験対象物１８及び干渉計プローブ２０の一方又は他方を相対移動させるために、回動軸線及び平行移動軸線の他の組合せを有していてもよい。好ましくは、試験対象物プロファイルの実験記述等の試験対象物１８の情報を集めるために、この相対運動は、試験対象物１８に近接したプローブ２０の光学素子を通って放射される光の光学焦点３０を維持する。試験対象物１８の異なる位置の範囲にわたって、試験対象物１８からの光の鏡面反射又は拡散反射をプローブ２０の同じ光学素子の少なくとも一部を通して集めるのに有効な向きで、光学焦点３０を維持する。
測定機１０のための光学測定システムを用いて試験対象物１８の測定を行うための光学的配置を図２に示す。スーパールミネッセントダイオード等の光源３２は、空間的コヒーレンスが高く時間的コヒーレンスが低い光（すなわち、連続した波長にわたってある範囲の波長を含む光）を、シングルモードファイバ３４を通して干渉計プローブ２０に伝送する。好ましくは、同じ収容部２６内に、シングルモードファイバ３８を通って干渉計プローブ２０から戻る光を受け取るための検出器３６が配置される。検出器３６からの情報を処理するためのプロセッサ４０は、好ましくは、ユーザインターフェイス（図示せず）と通信するために、収容部外に配置される。
ファイバカプラ４２は５０％／５０％カプラであってよく、シングルモードファイバ３４，３８を共通のシングルモードファイバ４４に接続する。空間的に高コヒーレントで時間的に低コヒーレントの光を、干渉計プローブ２０へ伝送し干渉計プローブ２０から伝送するためである。概略的に示されるように、シングルモードファイバ４４は、スライドサポート２６に対する干渉計プローブ２０の動きにある程度対応するために、余分な長さを有する。
干渉計プローブ２０は、破線で示す干渉計プローブ２０の輪郭とほぼ一致するプローブ本体２０ａを有する。この干渉計プローブ２０内で、光はLinnik型干渉計に向けられるが、他の干渉計の構成を使用することもできる。図示の構成では、シングルモードファイバ４４の端部４６から放射された光が、破線で示す光源ビーム４８（source beam；ソースビーム）として、ビームスプリッタ５２と光学的に整列しているコリメータ/コンデンサレンズ５０（コリメートと集光を行うレンズ；collimator/condenser lens）によって、集光されコリメート（平行化）される。ビームスプリッタ５２の部分反射面５４において、光源ビーム４８は、部分反射面５４を透過する対象ビーム５６（object beam;点線で示される）と、部分反射面５４で反射される参照ビーム５８（reference beam;点線で示される）とに分割される。対象ビーム５６は、対象アーム６０（object arm;対象経路）に沿って、プローブハウジング２０ａ内の対象物側の対物レンズ６２を通り、プローブハウジング２０ａを超えて試験対象物１８に近接した光学焦点３０(optical focus)まで伝搬する。参照ビーム５８は、反射鏡６８から反射して、プローブ本体２０ａ内の参照側の対物レンズ７２を通り、参照アーム７０（reference arm;参照経路）に沿って、参照反射器７６に近傍した参照焦点７４(reference focus)までさらに伝搬する。参照反射器７６は、プローブ本体２０ａ内の平面鏡の形態とすることができる。好ましくは、３つのレンズ５０，６２、７２はすべて、無色（アクロマティック）で低分散のレンズとし、光源ビーム４８、対象ビーム５６、および参照ビーム５８における異なる波長の収束効果に適合させる。
試験対象物１８からの対象ビーム５６の鏡面反射または拡散反射は、ビームスプリッタ５２に戻る経路において、対象側の対物レンズ６２によって集められ再度コリメートされる。同様に、参照反射器７６からの反射光は、ビームスプリッタ５２に戻る経路において、参照側の対物レンズ７２によって集められ再度コリメートされる。ビームスプリッタ５２において、戻り対象ビーム５６の少なくとも一部は、部分反射面５４を透過し、部分反射面５４で反射する戻り参照ビーム５８の少なくとも一部と再結合され、コリメータ／コンデンサレンズ５０への戻り経路において、共通測定ビーム８０（光源ビーム４８と重ねて図示されている）となる。試験対象物１８の反射率は、一般に参照反射器７６の反射率よりも小さいので、好ましくは、ビームスプリッタ５２は、部分反射面５４で光をより高い効率で透過させ、部分反射面５４で光をより低い効率で反射させるのが好ましい。コリメータ/コンデンサレンズ５０は、対象ビーム５６と参照ビーム５８の一部を含む測定ビーム８０を収束させてシングルモードファイバ４４に戻し、検出器３６に伝送する。シングルモードファイバ４４の端部４６は、アクセプタンスコーン（acceptance cone；受光コーン）の体積を介して測定ビーム８０を受ける。このアクセプタンスコーンの体積は、一般的にファイバのコアとクラッドの屈折率に関係する。
分光計として構成された検出器３６内で、測定ビーム８０は再コリメートされ、回折格子（図示せず）から、スペクトル的に分散された方向の範囲にわたって反射される。拡散された測定ビーム８０の向きは、フォトダイオードまたは電荷結合素子（ＣＣＤ）のリニアアレイに沿って収束することができる（図示せず）。測定ビーム８０の対象ビーム５６部分からの異なる周波数（波長の逆数）の各々は、上記アレイに沿う異なる焦点位置で、測定ビーム８０の参照ビーム５８部分の対応する周波数と干渉する。アレイに沿って収束された光の強度は、modulo2π位相差(測定ビーム８０の対象ビーム５６部分と参照ビーム５８部分との間の位相差）を表わし、変調周波数と呼ばれる検出可能な周波数で変調する。変調周波数は、ナイキスト間隔（ピクセルサンプリングに起因する）内で、測定ビーム８０における対象ビーム５６部分と参照ビーム５８部分との間の光路長差に比例して変化する。この強度情報は、離散的な数のピクセルによって収集されるので、識別可能な周波数の範囲は、一般に、ゼロから測定に関与するピクセル数の１/２までである。
図３Ａおよび図３Ｂは、リニアアレイのピクセルに沿って捕捉された強度変動の２つの異なる例をグラフで示している。このリニアアレイに沿って異なる周波数（波数）の焦点位置が分散される。干渉位相の変化に対応する強度の変化は、測定可能な周波数において実質的に周期的であり、変調周波数と呼ばれる。測定ビーム８０の対象ビーム５６部分と参照ビーム５８部分との間の光路長差がゼロ（すなわちゼロ位置；null position）から増加すると、変調周波数は測定のナイキスト間隔内で比例的に増加する。例えば、図３Ａに示す変調周波数は図３Ｂに示す変調の周波数よりも高い。このことは、図３Ａに示すようにして検出器３６によって捕捉された測定ビーム８０の対象ビーム５６部分と参照ビーム５８部分との間の光路長差の測定値が、図３Ｂに示すようにして検出器３６によって捕捉された光路長差の測定値に対して、より大きいことを証明している。図４は、図示された測定範囲内の周波数スパイク８６としての演算された変調周波数を示し、プロセッサ４０からグラフィカルに出力することができる。
プロセッサ４０内で、計算された変調周波数は、試験対象物１８の表面の高さに変換することもできる。共通の座標系内での試験対象物１８上の点のある範囲にわたるデータを収集するために、プローブ２０と試験対象物１８との間の相対運動を監視して、空間内のプローブ２０の焦点６４の位置を追跡する。セットアップ中、理想的な焦点位置で考えられる対象ビーム５６と参照ビーム５８との間の光路長差を、好ましくは、所与の変調周波数で設定する。測定中に、表面高さの変動として解釈される所与の変調周波数からのずれ量を、プローブ焦点６４の測定された相対位置に加算または減算することができ、これにより、対物レンズ６２の焦点深度内において試験対象物１８上の測定点の位置をより高精度に測定する。
所与の変調周波数からのずれは、理想的な焦点位置からのずれの尺度でもあるので、所与の変調周波数からのずれを用いて、使用可能な範囲内にフォーカスを維持することもできる。言い換えれば、プローブ２０をＺ軸に沿って変位させることにより、プローブ２０の相対位置を理想的な焦点が試験対象物１８の表面に近づく位置に修正し、変調周波数を所与の変調周波数に近づけることができる。上記焦点補正は、意図された測定のナイキスト間隔内に、プローブを維持する。
まず図２を参照すると、プローブ２０は、プローブ本体９２と相互交換可能なレンズモジュール９４との２つの部分に分かれ、これらがキネマティックカップリング９６によって結合されている。対象ビーム５６は、ビームスプリッタ５２の部分反射面５４からキネマティックカップリング９６まで、第１の対象光路長ＯＬ１を通って伝搬する。そして、対象アーム６０に沿い、キネマティックカップリング９６から光学焦点３０まで、第２の対象光路長ＯＬ２を通って伝搬を続ける。参照ビーム５８は、ビームスプリッタ５２の部分反射面５４から反射鏡６８まで、第１の参照光路長ＲＬ１を通って伝搬する。そして、参照アーム７０に沿って、反射鏡６８から参照焦点７４まで、第２の参照光路長ＲＬ２を通って伝搬を続ける。様々な光路長ＯＬ１、ＯＬ２、ＲＬ１、ＲＬ２を仮想の寸法線で表す。これは、参照された距離が実際の物理的距離ではなく、物理的距離とビームが通過する媒体の平均屈折率との積であることを示すためである（すなわち、様々な光路長は、各部分の物理的長さと屈折率の積を合計したものである）。対象アーム６０の光路長の合計は、第１及び第２の対象光路長ＯＬ１、ＯＬ２の組合せであり、第１及び第２の参照光路長ＲＬ１、ＲＬ２の組合せである参照アーム７０の光路長の合計とは異なる。その差は、所与の量ΔＬであり、測定の意図されたナイキスト間隔内における所望の変調周波数に対応する。好ましくは、レンズモジュール９４に対するいかなる変更によっても第２の対象光路長ＯＬ２は不変であり、所望の変調周波数を設定する所与の光路長差ΔＬは影響を受けない。
図５はプローブ２０の分解図である。プローブ２０はプローブ本体９２とレンズモジュール９４とに分かれる。キネマティックカップリング９６（米国特許第9,009,985号B2に開示されたものと類似。同特許は参照によりここに組み込まれる。）が、レンズモジュール９４をプローブ本体９２に結合する。しかし、キネマティックカップリング９６は、相互交換可能な方法で他のレンズモジュール（図示せず）をプローブ本体９２に結合するために、解放可能である。キネマティックカップリングは、第１部材１０１と相方の第２部材１０３とを含む。この第１部材１０１は、プローブ本体９２に担持された環状のプレート１００に等角度間隔で配置されたＶ字溝の形態を成す第１組の係合要素９８を備えている。相方の第２部材１０３は、レンズモジュール９４の凹部１０４内に捕捉されたボールの形態を成す第２組の係合要素１０２を備えている。ボール１０２は付勢されてＶ字溝９８に入り込んで接触し、これにより、マグネットピン１０６（磁気を帯びたピン）によってレンズモジュール９４をプローブ本体９２に対して再現可能に位置づける。マグネットピン１０６は、レンズモジュール９４とプローブ本体９２とを解放可能に一緒に保持する。レンズモジュール９４の両側に形成されたスロット１０８は、自動又は手動で容易に掴むことができ、レンズモジュール９４をプローブ本体９２から分離することができる。
図６はプローブ２０の断面図である。プローブ本体９２は多部品ハウジング１１０を含む。このハウジング１１０は、シングルモードファイバ４４のための光学マウント１１２をはじめとする干渉計の様々な要素の組み立てを助ける。図２に示す干渉計のその他の多くの要素については、多部品ハウジング１１０内に搭載された位置において、対応する参照番号で表す。レンズモジュール９４は、対物レンズ６２を搭載するための貫通開口部１１６が形成されたハウジング１１４を含んでいる。レンズモジュール９４は、キネマティックカップリング９６によってプローブ本体９２に解放可能に結合された状態で示されている。対象ビーム５６が開口部１１６を通って、光学焦点３０まで伝搬する。プローブ本体９２の多部品ハウジング１１０の上端部は、ファイバコネクタを覆うための円錐台形の端部１１８を含む。
プローブ本体９２は図７Ａ、図７Ｂの両方に示されている。しかし、プローブ本体９２は２つの異なるレンズモジュール１２４、１４４に結合され、２つの異なるプローブ２０Ａ，２０Ｂが組み立てられている。両レンズモジュール１２４，１４４はプローブ本体９２と協働して同じキネマティックカップリング９６を形成しており、プローブ本体９２と結合するために、同様に物理的に相互交換可能である。
レンズモジュール１２４はハウジング１２６を含み、このハウジング１２６は、対物レンズ１３０を搭載するための貫通開口部１２８を有する。同様に、レンズモジュール１４４はハウジング１４６を含み、このハウジング１４６は、対物レンズ１５０を搭載するための貫通開口部１４８を有する。しかし、対物レンズ１３０は前方光路長ＦＬＡを有する。これは、対物レンズ１３０の前方焦点距離とも称され、対物レンズ１３０の前面１３６からその光学焦点１３８まで測定したものである。前方光路長ＦＬＡは、前方光路長ＦＬＢよりもかなり長い。この前方光路長ＦＬＢは、対物レンズ１５０の前方焦点距離とも称され、対物レンズ１５０の前面１５６からその光学焦点１５８まで測定したものである。異なる前方光路長ＦＬＡ，ＦＬＢは、試験対象物とのクリアランスを確定するための作動距離及び開口数がいずれも異なるプローブ２０Ａ，２０Ｂを画定する。作動距離及び開口数は、焦点深度及び解像度の両方に影響を及ぼす。
レンズモジュール１２４のハウジング１２６は、光学焦点１３８に臨む先端１３２と、プローブ本体９２に臨む基端１３４とを有している。開口部１２８はハウジング１２６の先端１３２と基端１３４とを貫通して延び、対象ビームにハウジング１２６を貫通する光路を提供する。同様に、レンズモジュール１４４のハウジング１４６は、光学焦点１５８に臨む先端１５２と、プローブ本体９２に臨む基端１５４とを有している。開口部１４８はハウジング１４６の先端１５２と基端１５４とを貫通して延び、対象ビーム５６にハウジング１４６を貫通する光路を提供する。レンズモジュール１２４、１４４は、類似のキネマティックカップリング部材１０３をそれぞれのハウジング１２６、１４６の基端１３４、１５４に有している。このキネマティックカップリング部材１０３は、レンズモジュール１２４、１４４の一方または他方を、プローブ本体９２の相方キネマティックカップリング部材１０１とアライメントし、接続する。
異なる前方光路長ＦＬＡ、ＦＬＢの対物レンズ１３０、１５０をそれぞれ有することに加えて、レンズモジュール１２４、１４４はまた、異なる後方光路長ＢＬＡ、ＢＬＢを画定する。光路長ＦＬＡ、ＦＬＢ、ＢＬＡ、ＢＬＢを仮想の寸法線で表す。これは、参照された距離が実際の物理的距離ではなく、物理的距離とビームが通過する媒体の平均屈折率との積であることを示すためである（すなわち、様々な光路長は、各部分の物理的長さと各部分の屈折率の積を合計したものである）。後方光路長ＢＬＡは、対物レンズ１３０の前面１３６から開口部１２８を通って、ハウジング１２６の基端１３４にあるキネマティックカップリング部材１０３まで延びる。後方光路長ＢＬＢは、対物レンズ１５０の前面１５６から開口部１４８を通って、ハウジング１４４の基端１５４にあるキネマティックカップリング部材１０３まで延びる。異なる後方光路長ＢＬＡ、ＢＬＢは異なる前方光路長ＦＬＡ、ＦＬＢの差を相殺し、これにより、前方光路長と後方光路長の合計であるＯＬＡとＯＬＢ（すなわちＯＬＡ＝ＦＬＡ＋ＢＬＡであり、ＯＬＢ＝ＦＬＢ+ＢＬＢ）が互い
にほぼ等しくなるよう維持され、さらに前述した第２の対象光路長ＯＬ２（図２参照）とほぼ等しく維持され、測定間隔内における所望の変調周波数が維持されるようになっている。例えば、レンズモジュール１２４の前方光路長ＦＬＡがレンズモジュール１４４の前方光路長ＦＬＢより長い分だけ、レンズモジュール１２４の後方光路長ＢＬＡはレンズモジュール１４４の後方光路長ＢＬＢより短く、これにより、第１及び第２レンズモジュールの前方光路長と後方光路長の合計であるＯＬＡとＯＬＢが等しく維持され、対象ビーム５６と参照ビーム５８との間の所望の光路長差ΔＬが維持される。図示のように、後方光路長ＢＬＡ、ＢＬＢは、主に、対物レンズ１３０、１５０と、それぞれのレンズモジュールハウジング１２６、１４６の基端１３４、１５４にあるキネマティックカップリング部材１０３との間の間隔を変えることによって調節される。しかし、この間隔はまた、対物レンズ１３０、１５０の異なる厚さ又は屈折率に対応するものでなければならず、これもまた後方光路長ＢＬＡ、ＢＬＢに影響を及ぼす。
光路長ＦＬＡ、ＦＬＢ、ＢＬＡ、ＢＬＢと同様に、合計光路長ＯＬＡ及びＯＬＢを仮想線で表す。これは、参照された光路長の尺度に到達する際に媒体（この媒体を通って、対象ビーム５６はレンズモジュール１２４、１４４を通り、それぞれの焦点３８、１５８に到達する）の屈折率も考慮しなければならないことを示している。ガラスを通って伝搬すると、物理的路長と光路長との間に大きな差が生じかねない。例えば、開口数の所望の増加（すなわち、より短い前方焦点距離）を達成するために、対物レンズ１５０が対物レンズ１３０よりもかなり厚く作られている場合、合計光路長ＯＬＡ、ＯＬＢがほぼ等しく維持されるように、光学寸法ＯＬＢの物理的長さは光学寸法ＯＬＡの物理的長さよりもかなり短くする必要がある。この点を強調するために、２つの光路長ＯＬＡ及びＯＬＢは等しいことが意図されているにもかかわらず、光路長ＯＬＡに関連した物理的寸法は光路長ＯＬＢに関連した物理的寸法よりも、若干長く描かれている。考慮された物理的長さの相違は、２つのプローブ２０Ａ、２０Ｂのオフセットを比較した寸法δＬにより、明白である。好ましくは、後続の測定において、オフセットδＬを考慮するために、焦点１３８、１５８の測定機１０の座標軸に対する相対的位置を再較正する。
測定機１０により得られる個々の測定値は、既知の公差の範囲内にある。この交差は、測定に関連する様々なシステム上の誤差及びランダムな誤差を考慮して決められる。好ましくは、光路長ＯＬＡ、ＯＬＢの互いの差、又は光路長ＯＬＡ、ＯＬＢと意図された第２対象光路長ＯＬ２との差は、既知の公差を超えない。これにより、光学焦点３０、１３８、１５８における所望の変調周波数を維持する。例えば、点毎の測定をするために部分コヒーレント干渉計を備えた典型的な測定機の測定公差は、±２ミクロンに設定することができ、光路長ＯＬＡ、ＯＬＢの互いの差、又は光路長ＯＬＡ、ＯＬＢと意図された第２対象光路長ＯＬ２との差は、この±２ミクロンを超えない。
図８Ａ及び図８Ｂはさらに改変された交換可能なレンズモジュールシステムを示す。このシステムにおいては、同じプローブ本体９２が２つの異なるレンズモジュール１６４、１８４に結合され、２つの異なるプローブ２０Ｃ，２０Ｄを組み立てる。直前に記載した実施例とは対照的に、これらのレンズモジュールは光路長ＯＬＣ，ＯＬＤが等しいだけでなく、物理的路長も等しく、その結果、オフセットδＬはゼロである。
レンズモジュール１６４は、対物レンズ１７０を搭載するための貫通開口部１６８を有するハウジング１６６を含む。同様に、レンズモジュール１８４は、対物レンズ１９０を搭載するための貫通開口部１８８を有するハウジング１８６を含む。しかし、対物レンズ１７０は前方光路長ＦＬＣを有する。これは、対物レンズ１７０の前方焦点距離とも称され、対物レンズ１７０の前面１７６からその光学焦点１７８まで測定したものである。この前方光路長ＦＬＣは、前方光路長ＦＬＤよりもかなり長い。この前方光路長ＦＬＤは、対物レンズ１９０の前方焦点距離とも称され、対物レンズ１９０の前面１９６からその光学焦点１９８まで測定したものである。異なる前方光路長ＦＬＣ，ＦＬＤがプローブ２０Ｃ，２０Ｄを画定する。これらのプローブは、試験対象物とのクリアランスを確定するための作動距離、及び開口数がいずれも異なる。これらは、焦点深度及び解像度の両方に影響を及ぼす。
レンズモジュール１６４のハウジング１６６は、光学焦点１７８に面する先端１７２と、プローブ本体９２に面する基端１７４とを有している。開口部１６８はハウジング１６６の先端１７２と基端１７４とを貫通して延び、対象ビームにハウジング１６６を貫通する光路を提供する。同様に、レンズモジュール１８４のハウジング１８６は、光学焦点１９８に面する先端１９２と、プローブ本体９２に面する基端１９４とを有している。開口部１８８はハウジング１８６の先端１９２と基端１９４とを貫通して延び、対象ビーム５６にハウジング１８６を貫通する光路を提供する。レンズモジュール１６４、１８４は、類似のキネマティックカップリング部材１０３をそれぞれのハウジング１６６、１８６の基端１７４、１９４に有している。このキネマティックカップリング部材１０３は、レンズモジュール１６４、１８４の一方または他方を、プローブ本体９２の相方キネマティックカップリング部材１０１に整列させ、接続する。
異なる前方光路長ＦＬＣ、ＦＬＤの対物レンズ１７０、１９０をそれぞれ有することに加えて、レンズモジュール１６４、１８４は、異なる後方光路長ＢＬＣ、ＢＬＤを画定する。光路長ＦＬＣ、ＦＬＤ、ＢＬＣ、ＢＬＤを仮想の寸法線で表す。これは、参照された距離が実際の物理的距離ではなく、物理的距離とビームが通過する媒体の平均屈折率との積であることを示すためである（すなわち、光路長は、各部分の物理的長さと各部分の屈折率の積の合計である）。後方光路長ＢＬＣは、対物レンズ１７０の前面１７６から開口部１６８を通って、ハウジング１６６の基端１７４にあるキネマティックカップリング部材１０３まで延びる。後方光路長ＢＬＤは、対物レンズ１９０の前面１９６から開口部１８８を通って、ハウジング１８６の基端１９４にあるキネマティックカップリング部材１０３まで延びる。異なる後方光路長ＢＬＣ、ＢＬＤは異なる前方光路長ＦＬＣ、ＦＬＤの差を相殺し、前方光路長と後方光路長の合計であるＯＬＣとＯＬＤ（すなわちＯＬＣ＝ＦＬＣ＋ＢＬＣであり、ＯＬＤ＝ＦＬＤ＋ＢＬＤである）は、互いにほぼ等しくなるよう維持され、前述した第２対象光路長ＯＬ２（図２参照）とほぼ等しく維持される。これにより、測定間隔内における所望の変調周波数を維持することができる。例えば、レンズモジュール１６４の前方光路長ＦＬＣがレンズモジュール１８４の前方光路長ＦＬＤより長い分だけ、レンズモジュール１６４の後方光路長ＢＬＣはレンズモジュール１８４の後方光路長ＢＬＤより短い。これにより、第１及び第２レンズモジュールの前方光路長と後方光路長の合計ＯＬＣとＯＬＤが等しく維持され、対象ビーム５６と参照ビーム５８との間の所望の光路長差ΔＬが維持されるようになっている。
図７Ａ、図７Ｂのレンズモジュール１２４、１４４とは対照的に、レンズモジュール１６４、１８４は、それぞれの開口部１６８、１８８に沿って嵌められた窓１６２、１８２を備えている。それぞれのレンズモジュール１６４、１８４の基端１７４、１９４に示すように、窓１６２、１８２は、好ましくは、コリメートされた対象ビーム５６をほとんどまたは全く屈折することなく伝搬するように、板状をなしている。しかし、対物レンズ１７０、１９０が光路長ＯＬＣ、ＯＬＤの計算に用いられる平均屈折率を変えることに寄与するであろう分だけ、窓１６２、１８２の厚さ又は屈折率を相対的に調節して、光路長ＯＬＣ、ＯＬＤの計算に用いられる平均屈折率を同じにすることができる。
例えばレンズ１７０、１９０は同一の光学材料で作られている（すなわち、屈折率が等しい）が、レンズ１９０がより高い所望の開口数に対応するためレンズ１７０よりもかなり厚いと仮定した場合、窓１６２、１８２がレンズ１７０、１９０と同一の光学材料で作られているとするならば、窓１６２、１８０もまたレンズ１７０、１９０と実質的に同じだけ厚さが異なり、窓１６２の厚さとレンズ１７０の厚さの合計が、実質的に窓１８２の厚さとレンズ１９０の厚さの合計と等しくなるようにするのが好ましい。このように、窓１６２は、レンズ１９０がレンズ１７０よりも厚い分と実質的に同じだけ、窓１８２よりも厚い。共通の素材がガラスであるとすると、両方のレンズモジュール１６４、１８４は、それぞれの開口部１６８、１８８に沿って、実質的に同じガラス厚さを有する。レンズモジュール１６４、１８４の基端１７４、１９４にあるキネマティックカップリングからそれぞれの焦点１７８、１９８までの光学経路の残りは、実質的に同じ厚さの空気を含んでいる。より複雑な状況が生じる可能性はあるが、実質的に等しい光路長ＯＬＣ、ＯＬＤを有する経路は、経路の平均屈折率を均衡させることによって、物理的経路長も等しくなるように構成することができる。
図示の例では、窓１６２、１８２はレンズモジュール１６４、１８４の基端１７４、１９４に、開口部１６８、１８８に沿って搭載されているが、望ましくない屈折効果なしにコリメートされた形態で対象ビーム５６を伝播するのであれば、窓１６２、１８２は、開口部１６８、１８８に沿って、基端１７４、１９４からレンズ１７０，１９０までの、どの位置にあってもよい。反射を制限するために、窓１６２、１８２の屈折率を下げることができる。あるいは、等しい光路長ＯＬＣ、ＯＬＤを有する経路を、光学素子（窓を含む）を一切加えることなく、等しい物理的路長にすることができる。これは、異なる光パワーで等しい光路長に貢献するようにレンズ１７０、１９０を設計することにより達成できる。レンズモジュールを通る焦点までの光路長及び物理的路長を維持することにより、焦点における変調周波数を同一に維持し、測定機の他の測定軸線に関する焦点の相対的位置を維持しながら、焦点距離の異なるレンズモジュールを交換することができる。
図９には、プローブ２０の先端部が切り取られ分離して示されている。図９に示すように、プローブ２０はドッキングステーション２００に対して、通常の機械軸（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚ）を介して相対移動可能である。ドッキングステーション２００は、より実際的な形態で図１にも示されており、ｘ−ｙステージ１４に担持された先細の台座２０６に支持されている。プローブ２０は、プローブ本体９２と、プローブ本体９２に結合されたレンズモジュール２１０Ｂとを含んでいる。ドッキングステーション２００は３つのＵ字型ホルダ２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃを含む。これらのホルダは側壁２０４を有し、この側壁２０４の寸法は、レンズモジュールハウジングの両側に形成されたスロット２１２を受けるように設定されている。レンズモジュール２１０Ａ、２１０Ｃはすでにドッキングステーション２００に支持された状態で示されている。プローブ２０は、レンズモジュール２１０Ｂをホルダ２０２Ｂ内に設置するために、ホルダ２０２Ｂと整列した状態で示されている。
測定機１０への接続を介して、プローブ本体９２はドッキングステーション２００に対して相対移動可能であり、レンズモジュール２１０Ｂをレンズモジュールホルダ２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃのいずれか１つと整列させる。図９は、一例として、プローブ本体９２を、ホルダ２０２Ｂと整列している状態で、プローブ本体９２に取り付けられたレンズモジュール２１０Ｂとともに示す。ドッキングステーション２００をｘ−ｙステージ１４上で動かすことによって、プローブ本体９２をホルダ２０２Ｂに向かって相対的に水平方向に平行移動すると、ホルダ２０２Ｂの側壁２０４がレンズモジュール２１０Ｂの両側のスロット２１２と係合し、これにより、レンズモジュール２１０Ｂがドッキングステーション２００内で独立して支持される。プローブ本体９２をスライド機構１６と共に動かすことによって、プローブ本体９２を垂直方向にさらに相対移動させると、レンズモジュール２１０Ｂのレンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材１０３と、プローブ本体９２の相方キネマティックカップリング部材１０１との係合が解除され、レンズモジュール２１０Ｂをホルダ２０２Ｂ内に残してプローブ本体９２が引き出される。係合解除を達成するためのキネマティックカップリング部材１０１、１０３の詳細は、図５、６、７Ａ、７Ｂを参照することにより明らかである。
レンズモジュール２１０Ｂをドッキングステーション２００にある別のレンズモジュール２１０Ａまたは２１０Ｃと交換するために、プローブ本体９２は、水平方向に相対的に平行移動し、プローブ本体９２の相方キネマティックカップリング部材１０１を、他の２つのレンズモジュール２１０Ａ，２１０Ｃのいずれかのレンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材１０３と位置合わせすることができる。プローブ本体９２をさらに相対的に垂直に平行移動させると、レンズモジュール２１０Ａまたは２１０Ｃのいずれかのレンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材１０３が、プローブ本体９２の相方キネマティックカップリング部材１０１と係合する。プローブ本体９２をさらに水平方向に相対的に平行移動させると、係合したレンズモジュール２１０Ａまたは２１０Ｃをドッキングステーション２００から引き出すことができる。プローブ本体９２は係合したレンズモジュール２１０Ａまたは２１０Ｃと共にプローブ２０を再構成し、試験対象物を測定機で測定できるようになる。プローブモジュール２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃを交換しても、キネマティックカップリング１０３から焦点３０、１３８、１５８までの光路長ＯＬ２を一定に保つことにより、測定機１０によって測定する際の所望の変調周波数を保つことができる。
当業者には、特許請求の範囲に記載された本発明が、本発明の関連事項やその他の教示を採用して、様々な構成及び工程によって実施可能であることが理解されよう。

Claims (26)

  1. 所与の公差内で試験対象物の表面高さの変動を測定するように構成され参照アームと対象アームを有する干渉測定機の光プローブ用の交換可能なレンズモジュールシステムであって、
    複数のレンズモジュールを備え、
    上記レンズモジュールの各々が上記光プローブの上記対象アームに沿って配置され、
    上記レンズモジュールの各々が、（ａ）基端と先端とを有するレンズモジュールハウジングと、（ｂ）上記レンズモジュールハウジング内に搭載され、コリメートされた対象ビームを、上記レンズモジュールハウジングの先端を越えた位置にある焦点に集束させる対物レンズと、（ｃ）上記レンズモジュールハウジングの基端に位置し、上記レンズモジュールハウジングを上記干渉測定機の相方キネマティックカップリング部材に結合するキネマティックカップリング部材と、（ｄ）上記焦点の各々と上記レンズモジュールハウジングの各々の基端にある上記キネマティックカップリング部材との間の光路長とを含み、
    上記コリメートされた対象ビームが上記相方キネマティクカップリング部材を通って各レンズモジュールに入るようになっており、
    上記複数のレンズモジュールの対物レンズは、上記所与の公差よりも大きな差で相違する焦点距離を有し、
    上記複数のレンズモジュールの各対物レンズは、上記レンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリングから離間しており、その離間距離は、上記複数のレンズモジュールのキネマティックカップリング部材と上記焦点との間の上記光路長を、上記所与の公差内で等しくさせる距離であり、
    上記焦点の各々と上記複数のレンズモジュールの各キネマティックカップリング部材との間の光路が、等しい平均屈折率を有し、これにより、上記焦点の各々と上記複数のレンズモジュールの各キネマティックカップリング部材との間の物理的路長が上記所与の公差の範囲内で等しく維持されることを特徴とする、交換可能なレンズモジュールシステム。
  2. 上記所与の公差が±２ミクロンの変動範囲を含み、上記複数のレンズモジュールの上記光路長が２ミクロン以内であることを特徴とする、請求項１に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  3. さらに、上記相方キネマティックカップリング部材を支持する上記干渉測定機のプローブ本体と、上記プローブ本体内で光学的に結合されるシングルモードファイバと、上記プローブ本体に搭載され、上記シングルモードファイバから放射される光源ビームをコリメートするコリメータと、を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  4. さらに、参照反射器と、上記プローブ本体に搭載されたビームスプリッタと、を備え、上記ビームスプリッタは、上記コリメートされた光源ビームを上記対象ビームと参照ビームとに分割するように構成され、上記対象ビームは、対象アームに沿って方向づけられ、上記相方キネマティックカップリング部材を通り、上記レンズモジュールハウジングを通って試験対象物上の上記焦点まで伝搬し、上記参照ビームは、参照アームに沿って上記参照反射器へと方向づけられていることを特徴とする、請求項３に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  5. 上記ビームスプリッタはさらに、上記試験対象物で反射された対象ビームと、上記参照反射器で反射された参照ビームとを結合して、測定ビームにするように構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  6. 上記コリメータは、上記測定ビームを上記シングルモードファイバに集束させ、上記干渉測定機の検出器に向けて伝搬させることを特徴とする、請求項５に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  7. さらに、上記干渉測定機のプローブ本体と、ドッキングステーションと、を備え、
    上記プローブ本体は、上記相方キネマティックカップリング部材を支持し、上記コリメートされた対象ビームを上記相方キネマティックカップリング部材を通して方向付けるための光学経路を提供し、
    上記ドッキングステーションは、上記レンズモジュールを１つ以上保持し、
    上記プローブ本体は、上記ドッキングステーションに対して相対移動可能であり、（ａ）上記プローブ本体の上記キネマティックカップリング部材を、１つのレンズモジュールのレンズモジュールハウジングの基端にある上記キネマティックカップリング部材と整列させ、（ｂ）上記１つのレンズモジュールのレンズモジュールハウジングの基端にある上記キネマティックカップリング部材を、上記プローブ本体の上記相方キネマティックカップリング部材と係合させ、（ｃ）上記１つのレンズモジュールを上記ドッキングステーションから引き出すことを特徴とする、請求項１に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  8. 上記ドッキングステーションが複数のレンズモジュールホルダを含み、上記プローブ本体が上記ドッキングステーションに対してさらに相対移動可能であり、（ｄ）上記１つのレンズモジュールを上記レンズモジュールホルダの１つと整列させ、（ｅ）上記１つのレンズモジュールのレンズモジュールハウジングの基端にある上記キネマティックカップリング部材と、上記プローブ本体の上記相方キネマティックカップリング部材との係合を解除し、（ｆ）上記１つのレンズモジュールを上記１つのレンズモジュールホルダに残して、上記プローブ本体を引き出す特徴とする、請求項７に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  9. ２つのレンズモジュールの上記対物レンズが異なる光路長厚さを有しており、
    さらに、上記２つのレンズモジュールのキネマティックカップリング部材と対物レンズとの間の光路に沿って搭載された光学素子を備え、これら光学素子は、上記対物レンズの上記異なる光路長厚さの差を相殺し、上記焦点の各々と上記複数のレンズモジュールの各キネマティックカップリング部材との間の光路に沿って等しい平均屈折率を提供することを特徴とする、請求項１に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  10. 参照アームと対象アームを有し、所与の公差内で精度を有する試験対象物の表面高さの測定値を測定するように構成された干渉測定機において、光プローブのレンズモジュールを交換する方法であって、
    上記干渉測定機のプローブ本体を上記レンズモジュールのうちの第１のレンズモジュールに結合する工程を備え、
    上記レンズモジュールの各々は、その基端にキネマティックカップリング部材を有するレンズモジュールハウジングと、上記レンズモジュールハウジングの先端を越えた位置に焦点を結ぶ対物レンズとを含み、
    上記レンズモジュールの各々が上記光プローブの上記対象アームに沿って配置され、
    上記プローブ本体は相方キネマティックカップリング部材を含み、
    上記プローブ本体の相方キネマティックカップリング部材と、上記第１のレンズモジュールの上記レンズモジュールハウジングの先端を越えた位置にある上記焦点との間に、第１光路長が画定され、
    さらに、上記レンズモジュールのうちの第２のレンズモジュールを、ドッキングステーションの複数のレンズモジュールホルダの１つに保持する工程を備え、
    上記第１及び第２のレンズモジュールの各対物レンズの焦点距離が異なり、その差は上記所与の公差よりも大きく、
    さらに、上記プローブ本体の上記相方キネマティックカップリング部材を、上記第１のレンズモジュールのキネマティックカップリング部材から切り離し、上記第１のレンズモジュールを上記ドッキングステーションの別のレンズモジュールホルダに残す工程を備え、
    さらに、上記プローブ本体の上記相方キネマティックカップリング部材を、上記第２のレンズモジュールのキネマティックカップリング部材に結合し、上記第２のレンズモジュールを上記ドッキングステーションの上記１つのレンズモジュールホルダから取り出す工程を備え、
    上記プローブ本体の上記相方キネマティックカップリング部材と、上記第２のレンズモジュールのレンズモジュールハウジングの先端を越えた位置にある焦点との間に、第２光路長が画定され、
    上記プローブ本体を上記第１及び第２のレンズモジュールと結合する上記工程間における上記所与の公差内で、上記第２光路長を上記第１光路長とほぼ等しく維持され、上記第１及び第２のレンズモジュールが等しい平均屈折率を有し、これにより、上記焦点と上記第１及び第２のレンズモジュールの各キネマティックカップリング部材との間の物理的路長が上記所与の公差の範囲内で等しく維持されることを特徴とするレンズモジュールの交換方法。
  11. 上記所与の公差が±２ミクロンの変動範囲を含み、上記第１及び第２光路長が２ミクロン以内で維持されていることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. シングルモードファイバから放射される光源ビームをコリメートする工程と、
    ビームスプリッタで、上記コリメートされた光源ビームを対象ビームと参照ビームとに分割する工程と、を備え、
    上記対象ビームは、対象アームに沿って方向づけられて上記相方キネマティックカップリング部材を通り、上記参照ビームは、参照アームに沿って参照反射器へと方向づけられることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
  13. 参照光路長が、上記ビームスプリッタから上記参照反射器までの光路に沿って画定され、第１対象光路長が、上記ビームスプリッタから上記第１レンズモジュールの焦点までの光路に沿って画定され、上記第１対象光路長と上記参照光路長とは、所定の量だけ異なることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
  14. 第２対象光路長が、上記ビームスプリッタから上記第２レンズモジュールの焦点までの光路に沿って画定され、上記第２対象光路長と上記参照光路長とは、上記所与の公差内で上記所定の量に対応する量だけ異なることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
  15. 上記所与の公差が±２ミクロンの変動範囲を含み、上記第１対象光路長と上記第２対象光路長との差が２ミクロン未満であることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
  16. 参照アームと対象アームを有する干渉測定機の光プローブ用の交換可能なレンズモジュールシステムであって、
    少なくとも２つのレンズモジュールを備え、上記レンズモジュールの各々が、上記光プローブの上記対象アームに沿って配置され、
    上記２つのレンズモジュールの各々は、（ａ）基端と先端とを有するレンズモジュールハウジングと、（ｂ）上記レンズモジュールハウジング内に搭載され、コリメートされた対象ビームを、上記レンズモジュールハウジングの先端を越えた位置にある焦点に集束させる対物レンズと、（ｃ）上記レンズモジュールハウジングの基端にあり、上記レンズモジュールハウジングを上記干渉測定機の相方キネマティックカップリング部材に結合するキネマティックカップリング部材と、を含み、
    上記コリメートされた対象ビームが上記相方キネマティクカップリング部材を通って各レンズモジュールに入るようになっており、
    上記対物レンズの各々は、それぞれの焦点に面した前面を含み、
    上記２つのレンズモジュールの各々は、上記対物レンズの前面からその焦点まで延びる前方光路長と、上記レンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材から上記対物レンズの前面まで延びる後方光路長と、を含み、
    上記レンズモジュールハウジングと上記焦点との間の作動距離を異ならせるために、上記２つのレンズモジュールの対物レンズは異なる前方光路長を有し、
    上記後方光路長は、上記異なる前方光路長の差を相殺する量だけ異なり、これにより、異なる前方光路長を有する上記２つのレンズモジュールの前方光路長と後方光路長の合計が、ほぼ等しく維持され、
    上記２つのレンズモジュールの各々が上記対象ビームのための後方光路を含み、この後方光路は、そのレンズモジュールハウジングの基端にある上記キネマティックカップリング部材からその対物レンズの前面まで延びており、
    上記２つのレンズモジュールの上記後方光路が実質的に等しい平均屈折率を有し、これにより、上記レンズモジュールハウジングの基端にある上記キネマティックカップリング部材から、上記対物レンズの各焦点までの物理的路長もほぼ等しく維持されていることを特徴とする、交換可能なレンズモジュールシステム。
  17. 上記２つのレンズモジュールのうちの第１のレンズモジュールの前方光路長が第２のレンズモジュールの前方光路長より長い分だけ、上記第１のレンズモジュールの後方光路長は上記第２のレンズモジュールの後方光路長より短く、これにより、上記第１及び第２のレンズモジュールの前方光路長と後方光路長の合計がほぼ等しく維持されることを特徴とする、請求項１６に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  18. 上記干渉測定機は所与の公差内で試験対象物の表面高さの変動を測定するように構成され、上記第１及び第２のレンズモジュールの前方光路長と後方光路長の合計が上記所与の公差内であることを特徴とする、請求項１７に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  19. 上記所与の公差が±２ミクロンの変動範囲を含み、上記第１及び第２のレンズモジュールの上記前方光路長と後方光路長の合計が２ミクロン以内であることを特徴とする、請求項１８に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  20. 上記干渉測定機が所与の公差内で試験対象物の表面高さの変動を測定するように構成され、上記２つのレンズモジュールの上記レンズモジュールハウジングの上記基端にある上記キネマティックカップリング部材から上記２つのレンズモジュールの上記対物レンズの各焦点までの光路長および物理的路長の両方が、上記所与の公差内においてほぼ等しく維持されていることを特徴とする、請求項１６に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  21. 上記相方キネマティックカップリング部材を支持する、上記干渉測定機のプローブ本体と、
    上記プローブ本体内で光学的に結合されるシングルモードファイバと、
    上記プローブ本体内に搭載され、上記シングルモードファイバから放射される光源ビームをコリメートするコリメータと、
    上記プローブ本体に設けられた参照反射器およびビームスプリッタと、
    をさらに備え、
    上記ビームスプリッタは、上記コリメートされた光源ビームを上記対象ビームと参照ビームとに分割するように構成され、上記対象ビームは、対象アームに沿って方向づけられ上記相方キネマティックカップリング部材を通り、上記レンズモジュールハウジングを通って試験対象物上の焦点まで伝搬し、上記参照ビームは、参照アームに沿って上記参照反射器へと方向づけられ、
    上記ビームスプリッタはさらに、上記試験対象物で反射された上記対象ビームと上記参照反射器で反射された上記参照ビームとを結合して、測定ビームにするように構成され、
    上記コリメータは、上記測定ビームを上記シングルモードファイバに集束させ、上記干渉測定機の検出器に向けて伝搬させることを特徴とする、請求項１６に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  22. 上記干渉測定機のプローブ本体と、ドッキングステーションと、をさらに備え、
    上記プローブ本体は、上記相方キネマティックカップリング部材を支持し、上記コリメートされた対象ビームを上記相方キネマティックカップリング部材を通すように方向付けるための光学経路を提供し、
    上記ドッキングステーションは複数のレンズモジュールホルダを含み、
    上記プローブ本体は上記ドッキングステーションに対して相対移動可能であり、（ａ）第１のレンズモジュールを上記レンズモジュールホルダの１つと整列させ、（ｂ）上記第１のレンズモジュールの上記レンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材を、上記プローブ本体の上記相方キネマティックカップリング部材から外し、（ｃ）上記第１のレンズモジュールを上記レンズモジュールホルダの１つに残して、上記プローブ本体を引き出すように構成されており、
    上記プローブ本体は上記ドッキングステーションに対してさらに相対移動可能であり、（ｄ）上記プローブ本体の上記相方キネマティックカップリング部材を、上記２つのレンズモジュールのうちの第２のレンズモジュールのレンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材と整列させ、（ｅ）上記第２のレンズモジュールの上記レンズモジュールハウジングの基端にあるキネマティックカップリング部材を、上記プローブ本体の上記相方キネマティックカップリング部材と係合させ、（ｆ）上記第２のレンズモジュールを上記ドッキングステーションから引き出すように構成されていることを特徴とする、請求項１６に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  23. 所与の公差内の精度で試験対象物を測定するために構成された干渉測定機の光プローブ用の交換可能なレンズモジュールシステムであって、
    キネマティックカップリング部材を含む、上記干渉測定機のプローブ本体と、
    少なくとも２つのレンズモジュールと、
    上記プローブ本体内に搭載されたビームスプリッタと、を備え、
    上記２つのレンズモジュールの各々がキネマティックカップリング部材を含み、このキネマティックカップリング部材は、上記レンズモジュールを上記プローブ本体と接続するために上記プローブ本体のキネマティックカップリング部材と係合可能であり、
    上記ビームスプリッタは、光源ビームを、上記プローブ本体内で参照アームに沿って反射器まで伝搬する参照ビームと、対象アームに沿って伝搬する対象ビームとに分割し、
    上記対象アームは、上記レンズモジュールが上記プローブ本体に接続された時に、上記レンズモジュールを通って延びるようになっており、
    上記２つのレンズモジュールの各々は上記レンズモジュール内に上記対象アームに沿って搭載された対物レンズを含み、この対物レンズは、上記対象ビームを、上記レンズモジュールの各々を越えた位置にある焦点に集束させ、上記２つのレンズモジュールの上記対物レンズの焦点距離は、上記所与の公差よりも大きく異なり、
    上記参照アームは上記ビームスプリッタから上記反射器までの光路長を画定し、上記対象アームは上記ビームスプリッタから上記焦点までの光路長を画定し、上記対象アームの光路長は、上記参照アームの光路長に対してオフセットされ、
    上記２つのレンズモジュールは、上記対象アームの光路長の上記参照アームの光路長に対する上記オフセットを、所与の公差の範囲内で維持しながら、交換可能であることを特徴とする交換可能なレンズモジュールシステム。
  24. 上記プローブ本体内で光学的に結合されたシングルモードファイバと、
    上記プローブ本体内に搭載され、上記シングルモードファイバから放射される光源ビームをコリメートするコリメータと、
    をさらに備え、
    上記ビームスプリッタは、上記コリメートされた光源ビームを上記対象ビームと上記参照ビームとに分割するように構成され、上記対象ビームは、上記対象アームに沿って方向づけられて互いに係合状態にある上記キネマティックカップリング部材を通り、上記レンズモジュールを通って試験対象物上の上記焦点まで伝搬するようになっており、上記参照ビームは、上記参照アームに沿って上記反射器へと方向づけられ、
    上記ビームスプリッタは、さらに、上記試験対象物から反射された上記対象ビームと、上記参照反射器から反射された上記参照ビームとを結合して、測定ビームにするように構成され、
    上記コリメータは、上記測定ビームを上記シングルモードファイバに集束し、上記干渉測定機の検出器に向けて伝搬するように構成されていることを特徴とする、請求項２３に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  25. 上記光源ビームはある範囲のビーム周波数を含み、上記検出器は上記ビーム周波数の範囲にわたる干渉位相の変化を検出し、プロセッサが、上記ビーム周波数の範囲にわたる干渉位相の変化と関連した変調周波数を距離の尺度と同等とみなすことを特徴とする、請求項２４に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
  26. （ａ）上記２つのレンズモジュールの各々が、前記対物レンズの前面から前記焦点まで延びる前方光路長と、上記キネマティックカップリング部材から上記対物レンズの上記前面まで延びる後方光路長とを含み、
    （ｂ）上記２つのレンズモジュールの前方光路長は異なり、
    （ｃ）上記２つのレンズモジュールの後方光路長は、上記２つのレンズモジュールの前方光路長の差を相殺する量だけ異なり、これにより、異なる前方光路長を有する上記２つのレンズモジュールの前方光路長と後方光路長の合計が、上記所与の公差内で等しく維持されることを特徴とする、請求項２３に記載の交換可能なレンズモジュールシステム。
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