JP7350296B2 - Optical alignment based on spectral control interferometry - Google Patents

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Description

本発明は一般に干渉法に関し、特に、スペクトル制御干渉法を使用して光学機器のコンポーネントを位置合わせする新しい方法に関する。 FIELD OF THE INVENTION This invention relates generally to interferometry and, more particularly, to a new method of aligning components of optical instruments using spectrally controlled interferometry.

光学機器は非常に複雑であり、その性能はアセンブリ内の各光学要素の正確な位置決めに依存する。各要素はシステムの光軸内に配置し、位置合わせする必要がある。したがって、製造およびメンテナンスの目的でアライメントの問題に対処するために、さまざまな手法が開発されてきた。一般的な手法は、基準軸としてレーザービームを使用することである。機器の光学要素は、さまざまな要素の表面からの反射によって生じる干渉パターンを観察することにより、軸に沿った適切な場所に配置される。ただし、システム内の要素の数が増えるにつれて、これらの干渉パターンの解析はますます複雑になる。 Optical instruments are very complex and their performance depends on the precise positioning of each optical element within the assembly. Each element must be placed and aligned within the optical axis of the system. Accordingly, various techniques have been developed to address alignment issues for manufacturing and maintenance purposes. A common approach is to use a laser beam as the reference axis. The optical elements of the instrument are placed in the appropriate locations along the axis by observing the interference patterns caused by reflections from the surfaces of the various elements. However, as the number of elements in the system increases, the analysis of these interference patterns becomes increasingly complex.

アライメントのためにレーザービームを使用する典型的なアライメントセットアップが図1に示されている。レーザー10は、スクリーン14の小さな穴を通して光学系を照射するために用いられるレーザービーム12を発する。高コヒーレンスビーム12がシステムの光軸16を通って伝播するとき、ビームの一部はシステム内のそれぞれの屈折要素で反射する(たとえば、レンズ22からのビーム18,20、レンズ28からのビーム24,26)。反射光はビーム12の照射方向とは反対の方向に伝播し、スクリーン14で観察できる。レーザービームは時間的コヒーレンスが高いため、反射光は干渉し、アライメントプロセスを導くために使用される特徴的な、いわゆるブルズアイパターン(bullseye patterns)を形成する。システムの最初の光学要素22は、通常、その光軸にビームを揃えて座標系を確立するために使用される。これは、スクリーン14上に形成された画像内で、対称的な構成を有するブルズアイが中心に位置するように要素を操作することにより行われ、それにより、図2に示すように、単一のレンズにより生成される典型的な干渉パターンを形成する。 A typical alignment setup using a laser beam for alignment is shown in FIG. Laser 10 emits a laser beam 12 that is used to illuminate the optical system through a small hole in screen 14. As the highly coherent beam 12 propagates through the optical axis 16 of the system, a portion of the beam reflects off each refractive element in the system (e.g., beams 18, 20 from lens 22, beam 24 from lens 28, , 26). The reflected light propagates in a direction opposite to the irradiation direction of the beam 12 and can be observed on the screen 14. Due to the high temporal coherence of the laser beam, the reflected light interferes and forms characteristic so-called bullseye patterns that are used to guide the alignment process. The first optical element 22 of the system is typically used to align the beam with its optical axis and establish a coordinate system. This is done by manipulating the elements such that a bullseye with a symmetrical configuration is centered within the image formed on the screen 14, thereby creating a single Form the typical interference pattern produced by a lens.

このようなブルズアイ干渉パターンの解析は、単一のレンズの場合のように、光学界面が2つしかない場合は簡単である。ただし、アライメント経路に追加される光学要素が増えると、システム内の各界面からのコヒーレント反射は一対ずつ干渉し、ミスアライメントの原因を判別するのが困難なパターンを生成するため、干渉パターンの解析が難しくなる。その結果、このアライメント方法でも自動化は困難であり、代わりに熟練した人員が必要となる。これらのことすべては大規模生産での使用に適していない。本発明は、スペクトル制御干渉法(SCI:Spectrally Controlled Interferometry)の特性を適用することによりこの問題に対処する。 Analysis of such a bull's eye interference pattern is straightforward when there are only two optical interfaces, as in the case of a single lens. However, as more optical elements are added to the alignment path, coherent reflections from each interface in the system interfere pairwise, producing a pattern that is difficult to determine the source of misalignment; becomes difficult. As a result, this alignment method is also difficult to automate and instead requires skilled personnel. All of these things are not suitable for use in large scale production. The present invention addresses this problem by applying the properties of Spectrally Controlled Interferometry (SCI).

米国特許第8,422,026号明細書US Patent No. 8,422,026 米国特許第8,810,884号明細書US Patent No. 8,810,884 米国特許第8,675,205号明細書U.S. Patent No. 8,675,205 米国特許第5,398,113号明細書US Patent No. 5,398,113

本発明は、アライメント下の機器の光学トレインの他の構成要素とは独立して作成された干渉縞に基づいて、各コンポーネントの位置合わせを可能とする異なるアライメント処理に対して、スペクトル制御干渉法(SCI)の特性が有利に利用できるという認識にある。さらに、SCIは対象物を物理的に走査することなく、干渉縞の位相シフトを導入することを可能にする。したがって、これら2つの特徴は、アライメントプロセスの自動化に特に適している。 The present invention uses spectrally controlled interferometry for different alignment processes that allow alignment of each component based on interference fringes created independently of other components of the optical train of the instrument under alignment. It is recognized that the characteristics of (SCI) can be used advantageously. Additionally, SCI allows introducing phase shifts in the interference fringes without physically scanning the object. These two features are therefore particularly suitable for automating the alignment process.

SCIに基づくアプローチのもう一つの重要な利点は、最初の光学要素の光軸によって容易に確立できる明確な座標系を、空間内に生成できることである。オートコリメーションなどの従来技術の方法では、参照のための機械的手段を必要とし、典型的には高精度のエアベアリングスピンドル、その軸が位置合わせに使用される。このようなコンポーネントは高価であり、またアライメント処理にエラーをもたらす。 Another important advantage of the SCI-based approach is that a well-defined coordinate system can be generated in space that can be easily established by the optical axis of the first optical element. Prior art methods such as autocollimation require mechanical means for reference, typically a high precision air bearing spindle, the axis of which is used for alignment. Such components are expensive and introduce errors into the alignment process.

最も一般的なアプローチによれば、本発明は、スペクトル変調可能な光源を使用して、スペクトル分布が変化する光ビームを生成する。すべてのSCIアプリケーションに関して、このような光源は、干渉縞が測定空間内で検出可能な時間的コヒーレンスを持つビームを生成するように変調される。光源によって生成されたビームは、まず機器の光軸に揃えられる。位置合わせされる最初の光学要素は、光軸に沿ったその所定の場所に配置される。次に、その要素の一方の面が光源によって生成される干渉ビームの基準面として使用されるように、光源のスペクトル変調を構成し、基準面および光学要素の他の面からの反射によりコレログラムが生成されるように光源のスペクトルが変調される。光学要素の正しい位置は、コレログラムが、所定の設計パラメーターを満たすブルズアイ構成と一致するように、その光学要素の位置を調整することによって決定される。最後に、同じ基準面を使用するか、または機器の光学トレインに沿ってすでに配置されている面からより適切な面を基準面として使用して、機器の他のコンポーネントを用い処理が繰り返えされる。各光学コンポーネントの位置合わせに使用されるブルズアイコレログラムを生成するために必要なスペクトル変調は、光源によって生成される光の位相の正弦波変調で実行されることが好ましい。 According to the most general approach, the invention uses a spectrally modifiable light source to produce a light beam with a varying spectral distribution. For all SCI applications, such a light source is modulated such that the interference fringes produce a beam with detectable temporal coherence within the measurement space. The beam generated by the light source is first aligned with the optical axis of the instrument. The first optical element to be aligned is placed at its predetermined location along the optical axis. The spectral modulation of the light source is then configured such that one surface of that element is used as a reference surface for the interfering beam produced by the light source, and reflections from the reference surface and other surfaces of the optical element produce a correlogram. The spectrum of the light source is modulated such that . The correct position of the optical element is determined by adjusting the position of the optical element such that the correlogram matches a bull's eye configuration that meets predetermined design parameters. Finally, the process is repeated with other components of the instrument, using the same reference plane or a more suitable plane from those already placed along the optical train of the instrument. It will be done. The spectral modulation required to generate the bull's eye correlogram used to align each optical component is preferably performed with a sinusoidal modulation of the phase of the light produced by the light source.

本発明の別の態様によれば、機器の光軸に沿った適切な所定の場所に位置合わせされる光学要素を配置するプロセスは、その所定の場所で最大コントラストのコレログラムが形成されるように、光源の変調周期を変更することにより実行することができる。 According to another aspect of the invention, the process of placing an optical element aligned at a suitable predetermined location along the optical axis of the instrument is such that a correlogram of maximum contrast is formed at that predetermined location. This can be done by changing the modulation period of the light source.

本発明のさらに別の態様によれば、SCI光源によって生成されたビームは、適切な光学系によって拡大され、より高解像度の干渉コレログラムが得られる。その結果、アライメント下の表面をキャプチャし、アライメントプロセスに影響する収差の存在など、光学系に関する詳細情報が提供できる。 According to yet another aspect of the invention, the beam produced by the SCI light source is expanded by suitable optics to obtain a higher resolution interference correlogram. As a result, the surface under alignment can be captured and detailed information about the optical system can be provided, such as the presence of aberrations that affect the alignment process.

本発明の様々な他の利点は、以下の明細書の説明および添付の特許請求の範囲で特に指摘された新規の特徴から明らかになるであろう。したがって、上記の目的を達成するために、本発明は、以下の図面に例示され、好ましい実施形態の詳細な説明に完全に記載され、特に特許請求の範囲で指摘された特徴からなる。しかしながら、そのような図面および説明は、本発明を実施することができる様々な方法のうちのいくつかを開示するだけである。 Various other advantages of the invention will become apparent from the novel features particularly pointed out in the following written description and appended claims. To the accomplishment of the above objects, the invention therefore consists of the features illustrated in the following drawings, fully described in the detailed description of the preferred embodiments and particularly pointed out in the claims. However, such drawings and descriptions disclose only some of the various ways in which the invention may be practiced.

図1はシステムの様々な要素をその光軸に位置合わせするための基準としてレーザービームを使用する従来のアライメントシステムの概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional alignment system that uses a laser beam as a reference to align the various elements of the system with its optical axis. 図2は従来技術のアライメント処理で形成される典型的なブルズアイ干渉パターンを示している。FIG. 2 shows a typical bull's eye interference pattern formed by a prior art alignment process. 図3は本発明によるスペクトル制御干渉法に基づくアライメントシステムを示している。FIG. 3 shows a spectrum-controlled interferometry-based alignment system according to the invention. 図4は本発明を実施するために必要な本質的なステップのフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart of the essential steps necessary to implement the invention.

本開示で使用される「白色光」は、典型的には数ナノメートルのオーダーの帯域幅を有し、白色光干渉法(「WLI:White Light Interferometry」)の分野で使用されるあらゆる種類の広帯域光を指すものとする。WLIとCSI(コヒーレンススキャン干渉法)は同じ意味で使用される。一般に光に関して、「周波数」および「波長」という用語は、それらのよく知られている逆関係のために、当技術分野で一般的に行われているように、代替的に使用される。干渉測定における空間/時間の関係のため、「光路差」または「OPD」と「時間遅延」を代わりに使用することができる。干渉装置を参照して当技術分野で通常行われるように、「光路差」および「OPD」は、装置の検査アームと基準アームの光路の長さの差を指すためにも使用される。同様に、特に明記しない限り、「サイン」と「コサイン」、および関連する用語が代わりに使用される。干渉計の分野で通常行われているように、「基準面」および「基準光学系」という用語を代わりに使用してもよい。同様に、「検査面」、「測定面」、「検査物品」、「検査対象物」、「検査レンズ」および光学「要素」または「コンポーネント」の用語はすべて、測定の対象となる物品を指すために使用される。「光路差」または「OPD」および「時間遅延」は、干渉測定における空間/時間の関係のために代替的に用いてもよい。光学系の光学トレイン内の光学要素の位置合わせプロセスに関して、「配置された」および「意図された(または所定の)場所」という用語は、システムの光軸に沿った各光学要素の初期配置を指すために使用される。一方、「位置」、「位置決め」、「位置決めされた」は、アライメントプロセスでの、そのX/Y、チップ/チルト、Z配置を変更するプロセスにおける光学要素のさまざまな位置に関連して一般的に使用される。 As used in this disclosure, "white light" typically has a bandwidth on the order of a few nanometers and refers to any type of light used in the field of white light interferometry ("WLI"). It refers to broadband light. WLI and CSI (coherence scanning interferometry) are used interchangeably. With respect to light in general, the terms "frequency" and "wavelength" are used interchangeably, as is common practice in the art, due to their well-known inverse relationship. Because of the space/time relationship in interferometric measurements, "optical path difference" or "OPD" and "time delay" can be used instead. As commonly done in the art with reference to interferometric devices, "optical path difference" and "OPD" are also used to refer to the difference in optical path length between the test and reference arms of the device. Similarly, unless otherwise specified, "sine" and "cosine" and related terms are used instead. The terms "reference surface" and "reference optics" may be used alternatively, as is common practice in the field of interferometry. Similarly, the terms "test surface", "measuring surface", "test article", "test object", "test lens" and optical "element" or "component" all refer to the article that is the subject of measurement. used for. "Optical path difference" or "OPD" and "time delay" may be used alternatively for the space/time relationship in interferometric measurements. With respect to the alignment process of optical elements within the optical train of an optical system, the terms "placed" and "intended (or predetermined) location" refer to the initial placement of each optical element along the optical axis of the system. used for pointing. On the other hand, "position", "positioned", and "positioned" are general in relation to the various positions of an optical element in the process of changing its X/Y, tip/tilt, Z placement in the alignment process. used for.

光源に関し「変調する」との用語および「変調」との用語は、最も広い意味において、光源によって生成されるエネルギーの周波数分布、振幅分布、または位相分布のどのような変更をも含意するものとし、また。所望の周波数、振幅、または位相分布を有する光信号を任意の手段によって合成することを含意する。干渉縞に関連して使用される場合、「変調」との用語は干渉縞の包絡線を指称する。スペクトル制御された光源または複数波長の光源の場合、「局在化した干渉縞」は、基準面から所定の距離に形成された明確に識別可能な干渉縞パターンを意味することを意図している。局在化した干渉縞は、それらを生成する表面および表面形状にどのように関係するかを示すために、それらが生成される表面に配置されると説明される。しかし、物理的にそのような局在化した干渉縞は単なる仮想的な干渉縞であり、実際の干渉縞は検出器の表面でのみ形成される。また、「空間の所定の位置に局在化した干渉縞を生成する」という表現および関連する表現が便宜上使用されるが、意図する正確な意味は、基準面に対して「干渉測定の環境を作り出し、それにより、検査面が空間内の所定の位置となるときに、明確に識別可能な干渉縞パターンを作り出す」ことであることが理解される。「縞」、「干渉縞パターン」、「干渉縞」、および「コレログラム」との用語は、当技術分野で通常付与される意味内で互換的に使用される。「干渉法」なる一般用語および関連する用語は、当技術分野で使用されているように広く解釈されるべきであり、画像形成干渉計を使用した形状測定に限定されない。したがって、干渉法は、任意の既知の干渉法技術を使用した、物体の位置の変化の測定、または光学要素の厚さの測定を含むことを意図している。最後に、「スペクトル制御可能な光源」なる用語は、スペクトル変調が可能な光源を意味する。たとえば、現在使用されているスペクトル変調が可能なレーザーのような単一成分のスペクトル制御可能な光源、またはブロードバンド光源と変調器を別々のコンポーネントとして含む光源のような多成分の光源である。 The terms "modulate" and "modulate" with respect to a light source shall include, in the broadest sense, any change in the frequency, amplitude, or phase distribution of the energy produced by the light source. ,Also. It is implied that optical signals having a desired frequency, amplitude, or phase distribution are synthesized by any means. When used in connection with interference fringes, the term "modulation" refers to the envelope of the interference fringes. For spectrally controlled light sources or multi-wavelength light sources, "localized interference fringes" is intended to mean clearly distinguishable interference fringe patterns formed at a predetermined distance from a reference plane. . Localized interference fringes are described as being located on the surface on which they are generated to show how they relate to the surface and surface geometry that generates them. However, such physically localized interference fringes are merely virtual interference fringes, and actual interference fringes are formed only on the surface of the detector. Also, although the expression "generates localized interference fringes at a predetermined position in space" and related expressions are used for convenience, the precise meaning intended is "to generate an environment for interferometric measurements relative to a reference plane." It is understood that the objective is to create a pattern of interference fringes that is clearly distinguishable when the test surface is brought into position in space. The terms "fringes," "fringe pattern," "fringes," and "correlogram" are used interchangeably within the meanings commonly assigned in the art. The general term "interferometry" and related terms are to be interpreted broadly as used in the art and are not limited to shape measurements using imaging interferometers. Interferometry is therefore intended to include the measurement of changes in the position of an object, or the measurement of the thickness of an optical element, using any known interferometry technique. Finally, the term "spectrally controllable light source" refers to a light source that is capable of spectrally modulation. For example, single-component spectrally controllable light sources, such as currently used spectrally modulated lasers, or multi-component light sources, such as light sources that include a broadband light source and a modulator as separate components.

本発明は、光学系の位置合わせを容易にするためのスペクトル制御干渉法の使用に基づいている。多数の共有出版物に記載されているように(たとえば、特許文献1、特許文献2、特許文献3を参照)、スペクトル制御干渉法(SCI)は、コモンパス干渉計における従来の白色光干渉法(WLI)測定スキームの実施を可能にする干渉技術である。WLI(コヒーレンススキャン干渉法、CSIとしても定義されている)は、光のコヒーレンス長が通常数マイクロメートル程度であるため、従来のレーザー干渉法に存在する疑似干渉問題(コヒーレントノイズ)がないことを特徴としている。したがって、従来のアライメントシステムで使用されるコヒーレント光によって生成される複数の干渉縞パターンは、CSIシステムでは形成されない。 The invention is based on the use of spectrally controlled interferometry to facilitate alignment of optical systems. As described in numerous shared publications (see, e.g., U.S. Pat. WLI) is an interferometric technique that allows the implementation of measurement schemes. WLI (coherence scanning interferometry, also defined as CSI) eliminates the spurious interference problem (coherent noise) that exists in traditional laser interferometry because the coherence length of light is typically on the order of a few micrometers. It is a feature. Therefore, the multiple interference fringe patterns produced by coherent light used in conventional alignment systems are not formed in CSI systems.

SCIは、コモンパス干渉法とWLIの両方の利点をうまく組み合わせている。不平衡OPD干渉計において局在化した干渉縞を生成するため、干渉計の前方の広い空間で表面の測定を許容する。そのため、光学機器のさまざまな光学要素の軸上アライメントに適している。多くのSCI関連の開示および本明細書でさらに詳述するように、SCIの原理に従ってスペクトル制御可能な光源のスペクトル特性のみを操作することにより、解析に関する多くの異なる干渉技術を実行することができる。 SCI successfully combines the advantages of both common path interferometry and WLI. To generate localized interference fringes in an unbalanced OPD interferometer, it allows surface measurements in a large space in front of the interferometer. Therefore, it is suitable for axial alignment of various optical elements of optical instruments. As described in many SCI-related disclosures and further detailed herein, by manipulating only the spectral characteristics of a spectrally controllable light source according to SCI principles, many different interferometric techniques for analysis can be performed. .

本質的に、スペクトル制御干渉法は、不均衡なOPD条件下で干渉計を使用して、基準面から所定の距離に局在化した干渉縞を形成する能力に基づいている。例えば、光源のスペクトルを変調することにより、そのような局在化した干渉縞を形成することが可能であり、変調の様式を変更することにより、干渉縞を位相シフトすることも可能であり、これにより、対象物または基準面を物理的に走査することなく、最新の干渉縞解析法を使用して検査物品の測定することができる。したがって、SCIは、WLIでの干渉計の実行と、前述の利点を備えた従来のレーザー干渉計モードに加えて、孤立した表面の測定を可能にし、干渉計の基準面からの距離の直接測定を可能にする。 Essentially, spectrally controlled interferometry is based on the ability to use an interferometer under unbalanced OPD conditions to form localized interference fringes at a predetermined distance from a reference plane. For example, by modulating the spectrum of the light source, it is possible to form such localized interference fringes, and by changing the mode of modulation, it is also possible to phase shift the interference fringes, This allows measurements of the test article using modern fringe analysis methods without physically scanning the object or reference surface. Therefore, in addition to the implementation of interferometry in the WLI and the traditional laser interferometer mode with the aforementioned advantages, SCI allows the measurement of isolated surfaces and direct measurement of the distance from the reference plane of the interferometer. enable.

干渉計によって生成される干渉縞の分布および位相は、ウィーナー=ヒンチンの定理によって支配されており(Born M, Wolf E. , Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light, 7th Expand Ed., Cambridge, New York: Cambridge University Press; 1999参照)、光源のスペクトルパワー分布のフーリエ変換として表される。SCIは、光源のスペクトルを変調することで、空間内の干渉縞の位置と分布を定義することが可能であると教示している。平均波長λの光源の場合、以下の式1は、スペクトル変調の周期Δλの関数として、基準面からの干渉縞形成の位置L(すなわち縞コントラストのピーク)の距離を表す。 The distribution and phase of interference fringes produced by an interferometer are governed by the Wiener-Khinchin theorem (Born M, Wolf E., Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light, 7th Expand Ed. ., Cambridge, New York: Cambridge University Press; 1999) and is expressed as the Fourier transform of the spectral power distribution of the light source. SCI teaches that by modulating the spectrum of a light source, it is possible to define the position and distribution of interference fringes in space. For a light source with an average wavelength λ 0 , Equation 1 below describes the distance of the position L of fringe formation (i.e. the peak of fringe contrast) from the reference plane as a function of the period Δλ of the spectral modulation.

Figure 0007350296000001
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たとえば、500nmの平均波長で動作する光源で基準面から1メートルの距離に干渉縞を形成するには、変調周期を0.125pmにする必要がある。この特性は、白色光の走査や位相シフト干渉アルゴリズムなど、干渉縞を解析するための当技術分野で使用される技術とともに、SCIを実施するための基礎となる。 For example, to form interference fringes at a distance of 1 meter from the reference plane with a light source operating at an average wavelength of 500 nm, the modulation period must be 0.125 pm. This property, along with techniques used in the art for analyzing interference fringes, such as white light scanning and phase-shifting interferometry algorithms, is the basis for implementing SCI.

ほとんどの場合、正弦関数を使用してスペクトルを変調すると便利である。この関数は、干渉縞が見える測定空間内の単一の位置を生成する(他の位置は、測定空間の外側の共役位置と基準面のゼロOPDにある)。このような場合、干渉縞の位相は変調信号の位相に結び付けられる。以下の式2は、光源スペクトルの正弦波変調から生じる干渉パターンを示している。 In most cases, it is convenient to modulate the spectrum using a sine function. This function produces a single location in the measurement space where the interference fringes are visible (the other locations are at the conjugate location outside the measurement space and at the zero OPD of the reference plane). In such cases, the phase of the interference fringes is tied to the phase of the modulated signal. Equation 2 below shows the interference pattern resulting from sinusoidal modulation of the source spectrum.

Figure 0007350296000002
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ここで、λは波長、zはゼロOPD点からの距離(基準面に対して)、Λは光源の全帯域幅、φはスペクトル変調の位相である。したがって、帯域幅と平均波長が固定された既知の光源がある場合、最も高いコントラストの干渉縞を生成するために必要な波長変調周期を決定することにより、基準面に対する検査表面の位置を決定することができる。 where λ 0 is the wavelength, z is the distance from the zero OPD point (relative to the reference plane), Λ is the total bandwidth of the light source, and φ is the phase of the spectral modulation. Therefore, given a known light source with a fixed bandwidth and average wavelength, determine the position of the test surface relative to the reference plane by determining the wavelength modulation period required to produce the highest contrast fringes. be able to.

SCIによって提供されるこれらの利点に基づいて、図3は、光学機器の位置合わせに適した例示的なシステムを概略的に示している。従来のアプローチのように、スペクトル制御可能な光源30を使用して、アライメント下の機器の軸に沿って狭いアライメントビーム32を生成する。しかし、図1に示されたスクリーン14の代わりに、ビームスプリッタ34が導入されている。ビームスプリッタ34は、光学系から反射された光を、干渉画像を観察し記録するために使用されるカメラ36に向ける。SCI光源30は、変調の位相および周期の両方に変化を生じさせて、光学系のさまざまな界面からの反射を選択的に干渉させるように制御される。SCIは光源の前の空間の所望の位置で低コヒーレンスの干渉縞を形成できるため、本発明は、システムの他の要素からの干渉なしに、機器の各光学コンポーネントを個別に解析し調整することができる。 Based on these advantages provided by SCI, FIG. 3 schematically depicts an exemplary system suitable for alignment of optical instruments. As in conventional approaches, a spectrally controllable light source 30 is used to generate a narrow alignment beam 32 along the axis of the instrument under alignment. However, instead of the screen 14 shown in FIG. 1, a beam splitter 34 is introduced. Beam splitter 34 directs the light reflected from the optics to camera 36, which is used to view and record the interferometric image. The SCI light source 30 is controlled to produce changes in both the phase and period of modulation to selectively interfere with reflections from various interfaces of the optical system. Because SCI can form low-coherence interference fringes at desired locations in space in front of the light source, the present invention allows each optical component of the instrument to be analyzed and adjusted individually without interference from other elements of the system. I can do it.

したがって、アライメント(位置合わせ)処理は、機器の光軸に沿った様々な光学要素のそれぞれからのみ選択的に反射した干渉ビームに依存する。まず、最初の光学要素38をその意図された場所に配置し、それをビーム32と位置合わせして基準座標系を確立することから開始する。通常、機器の光軸に沿った光の伝搬方向はZ方向として選択される。XとYはZに垂直な平面における直交方向であり、要素38の表面の1つの頂点、好ましくは最初の頂点が、座標系の原点として使用される。最初の光学要素38の2つの表面からの反射42および44は、距離Lがビーム32の光軸に沿った要素38の光学的厚さと等しくなるような式1に従って光源を変調することにより干渉する。この目的のために、要素38の2つの表面は基準面および検査干渉面とみなされ、それらに対する反射によって生成される干渉縞(ブルズアイ)は、位置合わせの目的で監視される。要素の位置は、ブルズアイパターンが光学適合パラメーターで測定される所定の構成を満たすことによってアライメント基準が満たされるようになるまで調整される(カメラで登録された干渉縞強度パターンの位置および対称性または位相を測定するなどによる)。 The alignment process therefore relies on interfering beams selectively reflected only from each of the various optical elements along the optical axis of the instrument. We begin by placing the first optical element 38 in its intended location and aligning it with the beam 32 to establish a frame of reference. Typically, the direction of light propagation along the optical axis of the device is chosen as the Z direction. X and Y are orthogonal directions in the plane perpendicular to Z, and one vertex, preferably the first vertex, of the surface of element 38 is used as the origin of the coordinate system. Reflections 42 and 44 from the two surfaces of the first optical element 38 are interfered by modulating the light source according to Equation 1 such that the distance L is equal to the optical thickness of the element 38 along the optical axis of the beam 32. . For this purpose, the two surfaces of element 38 are considered as reference surfaces and test interference surfaces, and the interference fringes (bull's eyes) produced by reflections thereon are monitored for alignment purposes. The position of the elements is adjusted until the alignment criterion is met by the bullseye pattern satisfying a predetermined configuration measured with optical fit parameters (position and symmetry of the fringe intensity pattern registered with the camera or (e.g. by measuring phase).

次に、図3の要素40などの別の要素が、システムの意図された場所に追加され、要素の前面と背面の間で干渉を生成するために、光源が同じ方法で調整される。それからその要素は従来の方法を使用して位置合わせされ、可能な限りほぼ完璧なブルズアイとなるよう、結果として生じる干渉縞を縮小させる。そして、それは視覚的に干渉縞をモニターすることによって、または干渉縞パターン解析に基づくオートメーション化した処理によって行うことができる。2番目の要素が位置合わせさせた後、別の要素を導入することができる。そして、システム内のすべての要素が所定の品質管理パラメーターに従って位置決めされるまで、同様の処理が位置合わせされる要素に対して繰り返される。SCIは、ビーム32に沿った任意の2つの表面間の干渉によって生成されるコレログラムを形成する(したがって解析する)柔軟性を有するため、選択された表面によって生成される干渉縞のみがアライメントの目的で使用されるブルズアイパターンに寄与し、それによって従来のコヒーレント光システムにて存在する疑似干渉縞が回避される。 Next, another element, such as element 40 of FIG. 3, is added to the intended location of the system and the light source is adjusted in the same way to create interference between the front and back surfaces of the element. The elements are then aligned using conventional methods to reduce the resulting interference fringes into as nearly a perfect bull's eye as possible. And it can be done by visually monitoring the interference fringes or by automated processing based on fringe pattern analysis. After the second element is aligned, another element can be introduced. A similar process is then repeated for the elements being aligned until all elements in the system are positioned according to predetermined quality control parameters. SCI has the flexibility to form (and thus analyze) correlograms produced by interference between any two surfaces along beam 32, so that only the interference fringes produced by the selected surfaces are considered for alignment. This contributes to the bull's eye pattern used for the purpose, thereby avoiding spurious interference fringes present in conventional coherent optical systems.

さらに、従来の方法における、横方向位置X、Yおよび光学要素の傾きについてのアライメントに加えて、スペクトル変調された光源の使用は、SCIによって生成される干渉の局所的な性質のため、ビームのZ方向に沿ったそれぞれの要素の正しい位置(所定の設計位置)での配置を可能とする。また、スペクトル変調の周期を変更することにより、アライメント時に光学系内の空間の任意の位置に干渉縞を配置することができ、それによって絶対距離測定の必要性も満たすことができる。このような変調方法を白色光で使用すると、ビームパスに沿った光学要素を正確に検出できるため、必要な設計パラメーターに合わせてZ配置を調整できる。これは、他のアライメント方法にはない別のユニークな特徴である。 Furthermore, in addition to the alignment in terms of lateral position It is possible to arrange each element at the correct position (predetermined design position) along the Z direction. Furthermore, by changing the period of spectral modulation, interference fringes can be placed at any position in the space within the optical system during alignment, thereby satisfying the need for absolute distance measurement. When used with white light, such a modulation method allows precise detection of optical elements along the beam path, allowing adjustment of the Z configuration to the required design parameters. This is another unique feature not found in other alignment methods.

また、SCIは、要素のアライメントのために測定された機器の光軸に沿った任意の実際の位置で、2つの表面における選択的な干渉縞の形成を可能にするので、アライメント処理中に測定される各新しい要素は、最後に測定された要素のZ位置の前方でも後方でも、機器の任意の場所に配置できることに留意することも重要である。各アラインメントステップは、コンピューターのアルゴリズムによって初期コレログラムが解析され、フィードバック信号を用いて、位置調整機構を駆動して、最後のコレログラムが所定のアライメントパラメータを満たすブルズアイパターンとなるまで要素を再配置する従来の自動化処理を適用することによって自動的に実行することができる。また、対象となる要素によって生成されたブルズアイパターンの形状をモニター上で見ている熟練したオペレーターによって視覚的に実行することも可能である。 Additionally, SCI allows the formation of selective interference fringes on the two surfaces at any practical location along the optical axis of the instrument measured for element alignment, so It is also important to note that each new element taken can be placed anywhere on the instrument, either in front of or behind the Z position of the last measured element. Each alignment step involves a computer algorithm analyzing the initial correlogram and using feedback signals to drive a positioning mechanism to reposition the elements until the final correlogram is a bull's eye pattern that meets the predetermined alignment parameters. This can be done automatically by applying conventional automated processes. It can also be performed visually by a skilled operator viewing the shape of the bull's eye pattern generated by the elements of interest on a monitor.

本発明の別の利点は、図3を参照して説明した狭いビームの代わりに、適切な光学系を使用して拡張ビームを生成するためSCI光源によって提供されるオプションにある。そうすることにより、位置合わせされた表面の高解像度の干渉画像をキャプチャし、光学系のアライメントに影響する収差の存在など、光学系に関するより多くの情報を提供できる。さらに、これらの条件下では、ブルズアイパターンに加えて、他の方法を使用して、各光学要素の正しいアライメント位置を見つけることができる。たとえば、波面の変調内容は、システム内の要素の位置に関する追加情報を提供できる。 Another advantage of the invention lies in the option provided by the SCI light source to generate an expanded beam using suitable optics instead of the narrow beam described with reference to FIG. By doing so, high-resolution interferometric images of the aligned surfaces can be captured and provide more information about the optical system, such as the presence of aberrations that affect the alignment of the optical system. Furthermore, under these conditions, other methods in addition to the bull's eye pattern can be used to find the correct alignment position of each optical element. For example, the modulation content of the wavefront can provide additional information regarding the location of elements within the system.

このように、X、Yおよびチップ/チルトのアライメントと同様に、Z位置について、光学系の要素を位置合わせするための新しい方法が開示された。この方法には、従来の手法に比べて2つの重要な利点がある。1つは、スペクトル変調の周期を適切に選択することにより、一度に2つのビームだけが選択的に干渉する能力であり、もう1つは、干渉縞に位相シフトを導入する能力である。これらにより、自動化された解析方法が可能となる。したがって、アライメントプロセスにおける干渉縞の解析および自動化が大幅に簡素化される。図4は、本発明の実施に含まれる重要なステップのフローチャートの概要である。実際の解決策は、特定の問題に対応するため、より複雑な形で最適化される可能性が高いが、本明細書で記載されている説明は、当業者が本発明の重要な態様を理解し構築することを可能にするための十分な基礎を提供している。 Thus, a new method has been disclosed for aligning elements of an optical system in terms of Z position as well as X, Y and tip/tilt alignment. This method has two important advantages over traditional approaches. One is the ability to selectively interfere with only two beams at a time by appropriately choosing the period of the spectral modulation, and the other is the ability to introduce phase shifts in the interference fringes. These enable automated analysis methods. Therefore, the analysis and automation of interference fringes in the alignment process is greatly simplified. FIG. 4 is a flowchart overview of the important steps involved in implementing the invention. Although actual solutions will likely be optimized in a more complex manner to address a particular problem, the description provided herein will help those skilled in the art to understand the important aspects of the invention. It provides a sufficient foundation to be able to understand and build upon.

本明細書では、最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるもので本発明を示し説明したが、そこからの逸脱が可能であることが認識される。例えば、基準面は、本開示全体にわたって、本発明に従って位置合わせされる1つの光学要素における表面の1つとして説明されているが、測定中に干渉波面の光軸に沿って配置される他の表面も同等の方法で使用できる。同様に、光学要素の正しいZ位置決めは、最大コントラストに対応する位置を特定するため、SCI光源の変調周期を変更することにより好適に実行される旨記載されている。しかしながら、当業者は、特許文献4に教示されている方法のような、テスト表面の正しいZ位置を識別するための他の技術も同様に使用できることを容易に理解するだろう。したがって、本発明は、開示された詳細に限定されるものではなく、あらゆる均等な装置および方法を含めて、請求項の全範囲が許可されるべきである。 Although the invention has been shown and described herein in what is considered to be the most practical and preferred embodiment, it will be recognized that deviations therefrom are possible. For example, although a reference surface is described throughout this disclosure as one of the surfaces on one optical element that is aligned according to the invention, other surfaces that are located along the optical axis of the interfering wavefront during measurement are Surfaces can also be used in an equivalent manner. Similarly, it is stated that correct Z positioning of the optical element is preferably carried out by changing the modulation period of the SCI light source in order to identify the position corresponding to maximum contrast. However, those skilled in the art will readily appreciate that other techniques for identifying the correct Z position of a test surface can be used as well, such as the method taught in US Pat. Therefore, the invention is not to be limited to the details disclosed, but is to be accorded the full scope of the appended claims, including all equivalent apparatus and methods.

12,32・・・ビーム、16・・・光軸、30・・・光源、38,40・・・光学要素、42,44・・・反射 12, 32... Beam, 16... Optical axis, 30... Light source, 38, 40... Optical element, 42, 44... Reflection

Claims (15)

光軸に沿って光学要素を位置合わせするためのスペクトル制御干渉法であって、
スペクトル分布が変化する光ビームであって、干渉縞が前記光軸に沿った測定空間内で検出可能な時間的コヒーレンスを有する前記ビームを生成するスペクトル変調可能な光源を提供するステップと、
基準面および前記光軸に沿って所定の場所に配置された光学要素の表面からの反射によって形成されるコレログラムを生成するように前記光源を変調するステップと、
前記コレログラムが前記光学要素の光学アライメントを示す所定の構成を満たすように、前記光学要素の位置を調整するステップと、
を含む方法。
Spectral control interferometry for aligning optical elements along an optical axis, the method comprising:
providing a spectrally modulated light source that produces a light beam with a varying spectral distribution, the interference fringes having detectable temporal coherence in a measurement space along the optical axis;
modulating the light source to produce a correlogram formed by reflections from a reference surface and a surface of an optical element located at a predetermined location along the optical axis;
adjusting the position of the optical element such that the correlogram satisfies a predetermined configuration indicative of optical alignment of the optical element;
method including.
前記光軸に沿った前記所定の場所が、前記光源の変調周期の変化により決定される、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the predetermined location along the optical axis is determined by a change in the modulation period of the light source. 前記光学要素が前記所定の場所に位置している場合に最大コントラストのコレログラムを形成するように、前記光源の前記変調周期を変更する、請求項2に記載の方法。 3. The method of claim 2, wherein the modulation period of the light source is varied so as to form a correlogram of maximum contrast when the optical element is located at the predetermined location. 前記コレログラムが、光源の変調の位相の変化により生成される、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the correlogram is generated by changing the phase of modulation of a light source. 前記コレログラムが、光源の正弦波スペクトル変調によって生成される、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the correlogram is generated by sinusoidal spectral modulation of a light source. 前記所定の構成がブルズアイ構成である、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the predetermined configuration is a bull's eye configuration. 前記基準面は前記光学要素の他の表面である、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the reference surface is another surface of the optical element. 前記変調するステップおよび調整するステップを、前記光軸に沿った対応する追加の所定の場所に配置された追加の光学要素のそれぞれについて繰り返すことをさらに含む、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, further comprising repeating the modulating and adjusting steps for each additional optical element positioned at corresponding additional predetermined locations along the optical axis. 前記光軸に沿った前記対応する追加の所定の場所は、前記光源の変調周期の変化により決定される、請求項8に記載の方法。 9. The method of claim 8, wherein the corresponding additional predetermined location along the optical axis is determined by a change in the modulation period of the light source. 前記追加の光学要素の各々が前記対応する追加の所定の場所に位置している場合に、最大コントラストのコレログラムを形成するように、前記光源の前記変調周期が変更される、請求項9に記載の方法。 10. The modulation period of the light source is modified so as to form a correlogram of maximum contrast when each of the additional optical elements is located at the corresponding additional predetermined location. Method described. 前記コレログラムは、前記光源の変調の位相を変更することにより生成される、請求項9に記載の方法。 10. The method of claim 9, wherein the correlogram is generated by changing the phase of modulation of the light source. 前記コレログラムが、前記光源の正弦波スペクトル変調によって生成される、請求項9に記載の方法。 10. The method of claim 9, wherein the correlogram is generated by sinusoidal spectral modulation of the light source. 前記所定の構成がブルズアイ構成である、請求項9に記載の方法。 10. The method of claim 9, wherein the predetermined configuration is a bull's eye configuration. 前記基準面が、前記追加の光学要素それぞれの他の表面である、請求項9に記載の方法。 10. The method of claim 9, wherein the reference surface is the other surface of each of the additional optical elements. 光軸に沿って光学要素を位置合わせするためのスペクトル制御干渉法であって、
スペクトル分布が変化する光ビームであって、干渉縞が前記光軸に沿った測定空間内で検出可能な時間的コヒーレンスを有する前記ビームを生成するスペクトル変調可能な光源を提供するステップと、
前記光軸に沿った所定の場所に光学要素を配置するステップと、
前記光学要素が所定の場所に位置している場合に最大コントラストのコレログラムを形成するように、光源の変調周期を変更するステップと、
検査面および前記光学要素の表面からの反射によって形成されるコレログラムを生成するために、正弦波状に光源の位相を変調するステップと、
前記コレログラムが、前記光学要素の光学アライメントを示す所定のブルズアイ構成を満たすように、前記光学要素の位置を調整するステップと、
前記光軸に沿った追加の所定の場所に追加の光学要素を配置するステップと、そして、
前記追加の光学要素を使用して、前記変更するステップ、変調するステップ、および調整するステップを繰り返すこと、
を含む方法。
Spectral control interferometry for aligning optical elements along an optical axis, the method comprising:
providing a spectrally modulated light source that produces a light beam with a varying spectral distribution, the interference fringes having detectable temporal coherence in a measurement space along the optical axis;
placing an optical element at a predetermined location along the optical axis;
changing the modulation period of the light source so as to form a correlogram of maximum contrast when the optical element is in place;
sinusoidally modulating the phase of the light source to generate a correlogram formed by reflections from the test surface and the surface of the optical element;
adjusting the position of the optical element such that the correlogram satisfies a predetermined bull's eye configuration indicative of optical alignment of the optical element;
placing additional optical elements at additional predetermined locations along the optical axis; and
repeating the modifying, modulating, and adjusting steps using the additional optical element;
method including.
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