KR101458257B1 - 근제로화 부분 구경 측정의 스티칭 방법 - Google Patents

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Abstract

부분 구경 스티칭에 의한 비구면 테스트 물체를 측정하기 위한 계측 시스템이다. 파면 형상의 제한된 캡처 범위를 갖는 파면-측정 게이지가 테스트 물체 상에서 부분적으로 중첩되는 부분 구경 측정을 수집한다. 가변 광학 수차기가, 파면-측정 게이지의 캡처 범위 내에 측정 파면을 유지하기 위해 제한된 수의 측정으로, 측정 파면을 재성형한다. 다양한 오류 보정수단이 가변 광학 수차기의 사용과 연관되는 잔류 오류를 관리하기 위해 스티칭 작업으로 통합된다.

Description

근제로화 부분 구경 측정의 스티칭 방법{STITCHING OF NEAR-NULLED SUBAPERTURE MEASUREMENTS}
파면(Wavefront) 측정은, 특히 고품질 광학계의 표면 형상 또는 투과 특성(transmission characteristic)의 정확한 측정을 제공한다. 본 발명은, 비구면 형상(aspheric form)을 측정하기 위한 근제로(near-nulled) 조건 하에서의 부분 구경(subaperture) 파면 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
많은 광학 시스템이, 성능을 향상시키거나 시스템의 광학 요소의 크기 또는 수를 줄이기 위해 비구면 광학 요소(aspheric optical element)를 포함한다. 대부분의 그러한 비구면 광학 요소는, 서로로부터 변하거나 위치함수로서 변하는, 직교 방향에서의 유한 곡률(finite curvatures)을 갖는 표면을 포함한다. 다른 비구면 광학 요소는 위치함수로서 변하지만 단지 한 방향에서의 유한 곡률을 포함한다. 그러한 것으로서, 이러한 비구면 광학 요소의 표면은 구체(sphere), 원통, 평면 등 전통적인 광학 형상으로부터 벗어난다. 또 다른 비구면 광학 요소는 위치에 따라 유사하게 변하는 굴절률(refractive indices)을 포함한다.
파면 측정에 기초한 부분 구경 스티칭 기술(subaperture stitching techniques)은, 많은 그러한 비구면 광학 요소 또는 유사한 테스트 물체를 측정하기 위해 효과적으로 사용되어 왔다. 부분 구경(subaperture)은, 부분 구경 측정을 소망되는 전체 구경 측정으로 취합하기 위한 비교가능한 기초(basis)를 제공하기 위해 부분적으로 서로 중첩시키면서, 측정될 테스트 물체의 전체 영역을 총체적으로 커버한다.
전형적으로, 각 부분 구경은, 테스트 물체의 국부 영역으로부터 구면 테스트 파면을 반사시키고, 반사된 파면을 본래의 구면 파면에 대비하여 비교하는 방식으로, 테스트 물체의 제한된 국부 영역을 구체(sphere)와 비교한다. 테스트 물체의 국부 영역의 기준 구면 형상에 대한 어떠한 벗어남(departure)은 반사된 테스트 파면의 형상으로 편입된다. 간섭 패턴(interference patterns)을 형성함에 의해, 테스트 파면의 형상을 본래의 기준 파면(reference wavefront)에 대비하여 비교하기 위한 다양한 기술들이 이용가능하지만, 그러한 비교를 효과적으로 하기 위한 측정 범위는 제한된다. 예를 들어, 간섭 패턴의 줄무늬 밀도(fringe densities)가 해석가능한 한도(resolvable limits)를 넘어 증가할 수 있다. 그 결과, 부분 구경의 크기가 제한되어, 국부 영역이 구체와 비교가능하도록 남게 되고, 부분 구경의 수가 테스트 표면의 요구되는 영역을 커버하도록 증가하게 된다. 국부적으로 구면 형상으로부터 더욱 상당히 벗어난 형상을 갖는 테스트 물체는, 측정 시간, 계산 복잡성, 노이즈, 및 다른 오류 원인(source)을 증가시킬 수 있는, 더욱 많은 수의 부분 구경 측정들을 필요로 할 수 있다.
회전 대칭의 테스트 물체를 측정하기 위한 특정 축 상의 파면 측정은, 동심의 환상 구역의 형상을 갖는 다수의 부분 구경으로 스티칭한다. 초점 거리 또는 다른 조절이, 서로 다른 환형 구역의 예상되는 곡률과 맞추기 위해, 테스트 파면의 국부 곡률을 변화시키기 위하여 수행된다. 서로 다른 환형 구역의 공칭 곡률(nominal curvatures)과 맞추기 위해 테스트 물체의 축을 따르는 거리와 함께 기준 구체(reference sphere)의 곡률을 증가하도록 변화시키는데 더하여, 테스트 파면에 대한 4차 이상의 차수의 회전 대칭 변경이 테스트 물체의 더 큰 환형 영역 내에서의 곡률 변화와 맞추기 위해 제안된 바 있다.
비록 테스트 파면에 대한 더 높은 차수의 회전 대칭 변경은 테스트 물체의 요구되는 영역을 커버하는데 필요한 측정의 수를 감소시키지만, 이러한 축 상의 측정(on-axis measurements)을 수행하기 위해 필요한 광학계들은, 다른 축 상의 측정과 마찬가지로, 여전히 가장 큰 환형 영역의 측정과 관련하여 크기가 정해져야만 한다. 측정 광학계의 비용은 일반적으로 크기 및 개구수(numerical aperture)와 함께 증가하며, 큰 측정 광학계는 요구되는 정밀도로 제작하기 어려울 수 있다. 부가적으로, 테스트 물체에 부여되는 것을 넘어서는 테스트 파면의 형상에 대한 어떠한 상대적인 변화는, 테스트 물체를 본래의 기준 파면과 비교하기 위해 정확하게 알려져야만 한다. 테스트 파면에 변화를 부여하기 위해 요구되는 광학계들 사이의 상대적인 이동에 따라 파면 수정 광학계(wavefront modifying optics)를 정확하게 측정하도록 제안된 가운데, 출원인은 파면 수정 광학계의 실제 성능과 예상 성능 간의 차이가 테스트 파면에 시스템 오류(systematic error)를 유도할 수 있다는 것을 확인하였다. 즉, 파면 수정 광학계의 조정(calibration)에 관한 지나친 신뢰가, 파면 수정 광학계의 그들의 예상되는 형상으로부터의 벗어남에 관한 오류가 테스트 물체의 그의 예상되는 형상으로부터 벗어남에 관한 오류와 구별할 수 없는, 그럴듯한 측정 결과를 생성할 수 있다.
비구면 파면을 맞추는 것을 사용하는, 비구면 테스트 물체의 전체 구경 측정이 또한 제안된 바 있다. 그러나, 유사한 문제점이, 특히 비구면 파면이 서로 다른 비구면 테스트 물체를 측정하는데 적용가능해야 하는 경우에는, 측정 광학계의 요구되는 크기 및 원하는 비구면 파면을 정확하게 재현하는 것에 대한 어려움에 관하여는, 명백하다. 공간적 광 모듈레이터(spatial light modulators), 변형가능한 거울, 또는 조절가능한 렌즈 어셈블리 등의 형상을 취할 수 있는, 그러한 파면 수정 광학계는, 측정하고자 하는 비구면 테스트 물체보다 더욱 복잡해지는 경향이 있으며, 파면 수정 광학계의 특정 차원에 대한 정밀한 모니터링은, 파면 수정 광학계의 실제 성능이 시스템 오류, 특히 테스트 물체의 그럴듯한 측정결과(artifact)로 표현되는 높은 차원의 오류에서 자유롭다는 것을, 보장하지 못한다.
본 발명은, 바람직한 몇몇의 실시예를 통해, 비구면 광학계 또는 다른 테스트 물체의 부분 구경 측정용 시스템 및 방법을 제공한다. 부분 구경 측정들은 테스트 물체 전체 크기에 의존하지 않는 크기의 광학계에 의해 수집될 수 있으며, 부수적인 시스템 오류를 보정하는 가운데 부분 구경의 크기를 증가시키는 선택적인 파면 형상에 기초를 둘 수 있다. 유사하게 크기가 정해진 부분 구경 측정은 개별적인 테스트 물체에 대한 서로 다른 각도 위치(angular positions)에서 수집될 수 있다. 가변 광학 수차기(variable optical aberrator)가, 서로 다른 부분 구경 내에서의 테스트 물체의 의도된 형상에 대략 맞추기 위해, 측정 파면 형상을 상대적으로 수정한다.
가변 광학 수차기는, 측정 파면의 형상에서 개별적인 조절의 영향을 산정하기 위해 현장에서 모델화되고 측정되는 것이 바람직한 가운데, 측정 파면의 형상에서의 가변 광학 수차기의 산정된 영향은 주로, 근제로화(near nulling), 예를 들어 테스트 물체의 의도된 비구면 특성을 대략 맞추기 위한 목적으로 사용되며, 가변 광학 수차기의 산정된 영향과 가변 광학 수차기의 실제 영향 사이의 어떠한 남아있는 차이는 스티칭 작업(stitching operation) 내에서 해결된다. 예를 들어, 가변 광학 수차기의 모델 내에서의 변수와 관련되며 부분 구경 측정 내에서의 시스템 오류의 측정을 표현하는 보정수단(compensators)은, 테스트 물체의 중첩된 측정으로 해결될 수 있다. 가변 광학 수차기가 테스트 물체를 측정하기 위해 요구되는 부분 구경 측정의 수 감소를 허용하는 가운데, 부분 구경의 크기는, 부분 구경 측정들 간의 충분한 중첩 영역이 가변 광학 수차기에 기인하는 시스템 오류 및 계측 시스템(metrology system) 내에서의 어떠한 다른 확인된 원인을 해결하는데 이용가능하도록, 제한되는 것이 바람직하다. 고정밀 파면 측정은, 비구면 파면 형상과 연관되는 불확실성을 감소시키는 가운데, 넓은 범위의 비구면 테스트 물체에 걸쳐 수행될 수 있다.
가변 광학 수차기의 사용과 연관되는 시스템 오류를 해결하기 위하여, 가변 광학 수차기는 다수의 부분 구경 측정을 위해 동일한 설정(setting)으로 남아있는 것이 바람직하다. 따라서, 시스템 오류 세트는 가변 광학 수차기의 주어진 설정에서 부분 구경 측정의 각 소집합(subset)과 연관될 수 있다. 특별한 종류의 스티칭 보정수단(stitching compensator)이, 테스트 물체의 측정에서 오류의 영향을 감소시키기 위해 그러한 시스템 오류를 특징짓기 위하여 한정될 수 있다. 대개, 보정수단은 자유형 보정수단(free compensators)으로 불리는, 각 부분 구경 측정에 대한 서로 다른 값을 추측하도록 하는데 자유로운 유형이거나, 또는 보정수단은 연동형 보정수단(interlocked compensators)으로 불리는, 모든 부분 구경 측정에 대한 단일 값을 추측하도록 제한되는 유형이다.
가변 광학 수차기의 몇몇 개별적인 설정과 연관될 수 있는, 특별한 보정수단은, 가변 광학 수차기의 주어진 설정과 연관되는 부분 구경의 각 소집합 내의 실질적으로 동일한 값을 추측하는데 제한되지만, 가변 광학 수차기의 서로 다른 설정과 연관되는 부분 구경의 서로 다른 소집합들 사이의 서로 다른 값들을 추측하는데 자유로우며, 그러한 보정수단은 이하에서 부분적 연동형 보정수단(partially interlocked compensators)으로 불린다. 가변 광학 수차기의 다른 시스템 오류가 연동형 또는 자유형 보정수단에 의해 나타나게 될 수 있다. 유사하게, 전체 계측 시스템의 다른 시스템 오류가, 자유형 보정수단, 부분적 연동형 보정수단 및 연동형 보정수단의 다양한 조합에 의해 나타나게 될 수 있다.
본 발명을 실행하는 한 방법은 비구면 테스트 물체를 측정하는 계측 시스템의 작동 범위를 유익하게 확장하는 것을 수반한다. 파면 전파기(wavefront propagator)가 다수의 다른 관계에서 물리적 테스트 물체와 연관된다. 테스트 물체의 부분적으로 중첩되는 파면 측정은, 파면 형상의 제한된 캡처 범위를 갖는 파면-측정 게이지(wavefront-measuring gauge)로 측정 파면의 형상을 측정함에 의해 각각의 다른 관계에서 취득된다. 가변 광학 수차기는, 파면-측정 게이지의 캡처 범위 내에 측정 파면을 유지하기 위해, 다른 관계의 제한된 수의 측정들 사이에서 측정 파면을 재성형한다. 부분적으로 중첩되는 측정을 복합 측정(composite measurement)으로 취합하기 위한 작업은, 적어도 부분적으로 가변 광학 수차기에 의한 측정 파면의 재성형에 기인하는, 측정의 중첩되는 부분들 사이의 차이를 감소시키기 위한 작업에서 값을 취득하는, 보정수단을 통합한다.
바람직하게, 가변 광학 수차기는 측정 파면을 재성형하기 위한 설정의 범위에서 조절가능하다. 보정수단은 진폭 및, 진폭에 의해 측정할 수 있는 측정 파면 형상의 변화를 한정하는, 함수 형태(functional form)를 모두 구비할 수 있다. 보정수단 중에, 가변 광학 수차기의 동일한 설정에서 취해지는 측정 세트 상에서 실질적인 공통의 진폭을 취득하도록 제한되는 것이 바람직한, 부분적 연동형 보정수단이 있다. 그러나, 부분적 연동형 보정수단은, 가변 광학 수차기의 서로 다른 설정에서 취해지는 측정의 서로 다른 세트 상에서 서로 다른 실질적인 공통의 진폭을 취득하는데 자유로운 것이 바람직하다.
부분적 연동형 보정수단은 적어도 부분적으로, 가변 광학 수차기의 특정한 설정에서 생성되는 측정 파면 형상의 산정한 변화 및 가변 광학 수차기의 특정한 설정에서 생성되는 측정 파면 형상의 실제 변화 사이의 차이를 밝힐 수 있다. 가변 광학 수차기의 각 설정에서 생성되는 측정 파면 형상의 산정한 변화는, 가변 광학 수차기의 모델에 기초할 수 있다. 그러한 것으로서, 적어도 하나의 부분적 연동형 보정수단의 함수 형태는, 가변 광학 수차기의 모델 내의 변수를 진폭에 의해 측정할 수 있는 측정 파면 형상의 변화와 관련시키는 것이 바람직하다. 가변 광학 수차기는 설정들 사이에서 재구성될 수 있고, 적어도 하나의 부분적 연동형 보정수단은 가변 광학 수차기의 재구성에 연관될 수 있다.
파면-측정 게이지는 간섭계(interferometer)일 수 있으며, 그러한 것으로서, 측정 파면은 테스트 파면과 기준 파면을 모두 포함할 수 있다. 테스트 파면은 테스트 물체와 마주침 상태로 전파되며, 테스트 파면의 결과적인 형상은 기준 파면과 비교된다. 테스트 파면의 결과적인 형상이 적절히 분석가능한 한도 너머로 줄무늬 밀도를 증가시키는 상황에서, 가변 광학 수차기는 테스트 파면과 기준 파면 사이의 차이를 시스템적으로 감소시키기 위하여, 적어도 하나의 테스트 파면의 형상 및 기준 파면을 변화시킨다.
선택적으로, 파면-측정 게이지는 제한된 범위의 파면 형상을 측정하기 위한 파면 센서일 수 있다. 파면 발생기는 파면 센서에 의해 측정가능한 파면 형상의 제한된 범위 내에 있는 형상으로, 측정 파면을 발생시킨다. 측정 파면은, 테스트 물체의 물리적 특성에 따라 측정 파면 형상을 변화시키기 위해 테스트 물체와의 마주침 상태로 전파된다. 가변 광학 수차기는 측정 파면의 형상을 변화시켜, 테스트 물체와의 마주침에 의해 초래되는 측정 파면 형상에서의 변화의 결합된 영향 및 가변 광학 수차기에 의한 측정 파면의 재성형이, 측정 파면의 형상을 파면 센서에 의해 측정가능한 파면 형상의 제한된 범위 내에 유지하도록 한다.
본 발명을 실행하는 다른 방법은, 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩된 측정으로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 것을 수반한다. 테스트 물체의 물리적 특성을 측정하는 다수의 부분적으로 중첩된 데이터 맵(data maps)은 테스트 물체와 마주치는 테스트 파면으로부터 취득된다. 각 데이터 맵은 데이터(datum)에 대비하여 기준되는 테스트 파면의 형상으로부터 추출된다. 테스트 파면의 형상은, 테스트 물체 및 데이터 사이의 차이를 감소시키기 위하여, 제한된 수의 데이터 맵의 취득 사이에서 테스트 물체에 무관하게 데이터에 관하여 상대적으로 변화된다. 데이터 맵의 중첩되는 구역이, 데이터 맵의 취득 사이에서 파면 형상의 상대적인 변화를 특징짓기 위해 평가된다. 데이터 맵은, 부분적으로 중첩된 데이터 맵을 복합 데이터 맵으로 취합하기 위한 측정들 사이의 파면 형상의 상대적인 변화에 대한 평가에 따라 수정된다. 복합 데이터 맵은 테스트 물체의 외부 표현으로서 디스플레이되거나 다른 방법으로 출력될 수 있다.
바람직하게, 테스트 물체와 테스트 파면의 마주침에 의해 초래되는 테스트 파면의 변화가 산정되며, 테스트 파면 형상의 산정한 변화의 적어도 일부는 테스트 파면의 형상과 데이터 사이의 차이를 감소시키기 위해 시정된다. 부가적으로, 데이터에 관한 테스트 파면의 상대적인 형상의 변화 또한 산정되며, 데이터에 관한 테스트 파면의 상대적인 형상의 산정된 변화는, 데이터 맵의 시스템 오류를 특징짓기 위해, 데이터에 관한 테스트 파면의 상대적인 형상의 실제 변화와 구별된다. 부분적으로 중첩된 데이터 맵은, 데이터에 관한 테스트 파면 형상의 상대적인 변화에 연관되는 데이터 맵의 시스템 오류의 영향을 억제하는 가운데, 복합 데이터 맵으로 취합된다.
보정수단은 데이터에 관한 테스트 파면의 상대적인 형상의 산정된 변화와 데이터에 관한 테스트 파면의 상대적인 형상의 실제 변화 사이의 차이를 적어도 부분적으로 고려하도록 한정되는 것이 바람직하다. 보정수단은, 데이터에 관한 테스트 파면의 형상을 유지하는 가운데, 취득되는 데이터 맵 세트 상에서 실질적으로 공통의 값을 취득하도록 제한되는 부분적 연동형 보정수단을 포함할 수 있다.
본 발명을 실행하는 관련된 방법은, 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정으로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 것을 수반한다. 측정 파면이 생성되고, 측정 파면이, 파면 형상의 제한된 캡처 범위를 갖는 파면-측정 게이지로 가는 도중에, 가변 광학 수차기 및 물리적 테스트 물체 모두와 마주침을 통해 전파된다. 파면 전파기의 축이, 파면 전파기와 테스트 물체 사이의 일련의 축에서 벗어난 위치들(off-axis positions)을 통해 물리적 테스트 물체의 축에 대해 단계적으로 위치하게 된다. 파면 전파기는 테스트 물체로 측정 파면을 이송하도록 배열된다. 가변 광학 수차기는, 측정 파면의 형상을 파면-측정 게이지의 캡처 범위 내에 유지하도록, 제한된 수의 축에서 벗어난 위치들 사이에서 조절된다. 테스트 물체의 부분적으로 중첩된 부분 구경 측정은 일련의 축에서 벗어난 위치들에서 파면-측정 게이지로 수집된다. 부분 구경 측정의 중첩된 부분 내에서의 잘못 맞춰진 측정은, 부분 구경 측정에서 가변 광학 수차기의 영향을 특징짓기 위해 평가된다. 부분 구경 측정에서 가변 광학 수차기의 특징지어진 영향을 차감하는 가운데, 테스트 물체의 부분 구경 측정들은 복합 측정으로 함께 스티칭된다.
부분 구경 측정에서의 가변 광학 수차기의 영향이 모델링(modeling)될 수 있으며, 모델 내의 변수 값이 부분 구경 측정의 중첩되는 부분 내에서 잘못 맞춰진 측정을 감소시키기 위해 변화될 수 있다. 파면 전파기의 축은, 가변 광학 수차기가 고정된 설정에 유지되는 가운데, 한 세트의 테스트 물체의 방사형 부분 구경 측정을 수집하도록, 테스트 물체의 축에 대해 단계적으로 위치하게 될 수 있다. 모델 내의 적어도 일부의 변수는, 각각의 공통적인 방사형 부분 구경 측정에 대한 실질적인 공통 값을 포함하도록 제한될 수 있다.
본 발명을 실행하는 또 다른 관련된 방법은 테스트 표면의 다수의 중첩되는 부분 구경 데이터 맵으로부터 물리적 물체의 테스트 표면의 복합 데이터 맵을 합성하는 것을 수반한다. 테스트 표면의 다수의 부분 구경 수치 데이터 맵은, 계측 시스템과 함께 테스트 표면의 다수의 영역으로부터 수집된다. 각각의 그러한 맵의 적어도 일부분은, 중첩 데이터 영역을 생성하기 위해 적어도 하나의 인접한 맵과 중첩된다. 부분적 연동형 보정수단은 데이터 맵의 어떤 시스템 오류와 연관되며, 그러한 오류는 부분 구경 데이터 맵의 그룹들 내부에서 공통적이지만 부분 구경 데이터 맵의 그룹들 사이에서는 다를 것으로 예상된다. 각각의 부분적 연동형 보정수단은 진폭 및, 진폭에 의해 측정가능한 부분 구경 데이터 맵의 변화를 한정하는, 함수 형태를 갖는다. 부분적 연동형 보정수단은, 부분 구경 데이터 맵의 그룹들 사이에서 서로 다른 진폭을 취득하는 것이 자유로운 가운데, 부분 구경 데이터 맵의 각각의 그룹 내에서는 실질적인 공통의 진폭을 취득하도록 제한된다. 상기 중첩된 영역의 각각의 상기 데이터 맵으로부터의 잘못 맞춰진 데이터를 최소화하는, 부분적 연동형 보정수단의 진폭이, 데이터 맵 내의 시스템 오류를 격리하기 위해 확인된다. 데이터 맵은, 격리된 시스템 오류의 영향을 억제하는 테스트 표면의 표현으로서, 복합 데이터 맵으로 합성된다.
부분적 연동형 보정수단에 더하여, 본 발명의 방법의 실행은 또한, (a) 자유 진폭 범위를 갖는 자유형 보정수단을 모든 부분 구경 데이터 맵 사이에서 서로 다를 것으로 예상되는 데이터 맵 내의 시스템 오류와 연관시키는 것, 및 (b) 모든 부분 구경 데이터 맵에 대해 실질적인 공통의 진폭을 취득하도록 제한되는, 연동형 보정수단을 모든 부분 구경 데이터 맵 사이에서 공통적일 것으로 예상되는 데이터 내의 시스템 오류와 연관시키는 것을 포함할 수 있다. 각각의 자유형 및 연동형 보정수단은 또한 진폭 및, 진폭에 의해 측정가능한 부분 구경 데이터 맵의 변화를 한정하는, 함수 형태를 갖는다. 상기 중첩하는 영역에서의 상기 데이터 맵 각각에서 잘못 맞춰진 데이터를 최소화하는, 자유형 및 연동형 보정수단의 진폭은 데이터 맵의 부가적인 시스템 오류를 격리하기 위해 확인된다.
본 발명은 또한 테스트 물체를 측정하기 위한 파면-측정 시스템으로 표현될 수 있다. 지지대(support)는 테스트 물체를 장착하기 위한 장착 축(mounting axis)을 포함한다. 파면 전파기는 장착 축을 따라 테스트 물체로 및 테스트 물체로부터 측정 파면을 이송한다. 파면-측정 게이지는 데이터에 대한 측정 파면의 형상을 측정한다. 조절가능한 기계 축(adjustable machine axes)이, 테스트 물체의 다수의 중첩하는 영역을 커버하는 다수의 부분 구경 측정을 캡처하기 위해, 지지대의 장착 축 및 파면 전파기의 측정 축 사이에서 축에서 벗어난 이동(off-axis motion)을 제공한다. 가변 광학 수차기가 데이터에 관한 측정 파면의 형상을 상대적으로 변화시킨다. 컴퓨터-판독가능한 매체(computer-readable medium)에 구체화되는 데이터 구조는, 가변의 진폭 및, 진폭에 의해 측정가능한 측정 파면 형상의 변화를 한정하는, 함수 형태를 갖는 보정수단을 각각 포함한다. 프로세서가, 가변 광학 수차기에 의한 측정 파면 형상의 상대적인 변화에 기인하는 차이를 포함하는 부분 구경 측정의 중첩되는 부분들 사이에서의 차이를 최소화하는 보정수단의 진폭을 결정함에 의해, 부분 구경 측정을 복합 측정으로 취합하기 위한 작업에서의 보정수단의 진폭을 계산한다. 데이터 구조는, 가변 광학 수차기에 의해 초래되는 측정 파면 형상의 상대적 변화를 산정하기 위한 프로세서에 접속가능한 가변 광학 수차기의 모델을 포함할 수 있다. 보정수단은, 가변 광학 수차기에 의해 초래되는 측정 파면 형상의 산정된 변화와 가변 광학 수차기에 의해 초래되는 측정 파면 형상의 실제 변화 사이의 차이를 적어도 부분적으로 밝히는 것이 바람직하다.
가변 광학 수차기는, 비점 수차(astigmatism), 혜성형 수차(coma) 및 삼엽형 수차(trefoil) 중 적어도 하나를 측정 파면 형상으로 편입시키도록 재구성가능한 재구성가능형 광학계를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가변 광학 수차기는, 서로에 관해 각도 조절가능한 둘 이상의 상대적으로 이동가능한 광학계를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 가변 광학 수차기는 둘 이상의 상대적으로 조절가능한 프리즘을 갖는 조절가능형 프리즘 기기일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다축 계측 시스템(multi-axis metrology system)을 도시한 등각투상도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 기기에서 구체화되는 6개의 축을 도시한 등각 개념도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 기기의 회전 축들 사이의 치우침(offsets)을 도시한 등각 개념도이다.
도 3은 3개의 다른 테스트 광학계가 측정을 위해 나란하게 배열되는 출력 광선(output beam)을 도시하는 파면-측정 게이지의 표본 내부도면이다.
도 4는 파면-측정 게이지와 비구면 테스트 물체를 장착하기 위한 지지대 사이에 부가되는 가변 광학 수차기를 갖는 다축 계측 시스템의 일부를 도시한 도면이다.
도 5는 테스트 물체의 표면을 커버하는 부분적으로 중첩되는 부분 구경의 격자를 도시한, 또한 기준용 윤곽으로 도시된, 도면이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 가변 광학 수차기의 영향을 예시하기 위한 파면을 포함하는, 다양한 측정 파면을 그린 그래프들이다.
도 7 및 도 8은 서로 다른 구경 각도(aperture angles)에서 부분 구경 측정들을 수집하기 위한 서로 다른 설정에서의 가변 광학 수차기의 사용을 묘사한 도면이다.
도 9는 수차기의 다양한 설정을 예시하는 가변 광학 수차기의 일 예에 대한 더욱 상세한 설명도이다.
도 10a 및 도 10b는 가변 광학 수차기의 서로 다른 2가지 설정에서 보정수단-기준 시스템 오류의 예상되는 영향을 그린 그래프들이다.
도 11a 및 도 11b는 선택적인 파면-측정 게이지의 도면으로서, 도 11a는 도 3의 도면과 유사하지만 피조 간섭계(Fizeau interferometer) 배열을, 도 11b의 확대도에 도시된, 대응하는 샥-하트만 파면 센서(Shack-Hartman wavefront sensor) 배열로 교체한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 계측 시스템 및 그 사용 방법에 관한 것으로서, 특히 부분 구경 측정을 복합 측정으로 합성하거나 취합하는 그러한 시스템 및, 비구면 테스트 물체를 측정하기 위한 그러한 시스템과 방법의 개선에 관한 것이다. 또한, 본 실시예는 측정 정밀도 개선과 더불어 시간과 비용을 절약하는 잠재력을 갖는, 부분 구경 측정의 유효 범위 증가를 제공한다.
그러한 계측 시스템의 일 예가 도 1에 도시된다. 도시된 계측 시스템(10)은 파면-측정 게이지(12), 예를 들어, 그 측정 도중에 테스트 물체를 받아서 이동시키기 위한 척 또는 스테이지(18)를 구비하는 워크스테이션(work station)을 한정하는, 다축 기계(14)에 장착된(둘러싸인) 간섭계를 포함한다. 다축 기계(14)는 파면-측정 게이지(12)와 테스트 물체를 지지하는 척 또는 스테이지(18) 사이에 6개의 이동축을 제공한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 6개의 이동축은 병진을 제공하기 위한 3개의 기계 축(X, Y, Z) 및 회전을 제공하기 위한 3개의 기계 축(A, B, C)을 포함한다. 논의의 목적으로, X, Y 및 Z 병진축은 상호 직교하는 것으로 고려되고, B 회전축은 Y 병진축과 평행한 것으로 고려되며, B 및 C 회전축은 서로 직교하는 것으로 고려되고, A 및 C 회전축 또한 서로 직교하는 것으로 고려된다. CNC 기계에 사용되는 바와 같은 고품질 기계 플랫폼에서, 이러한 가정은 일반적으로, 미크론-범위 표면 위상(micron-range surface topology)에 필연적인 오류의 범위 내에서, 타당하다. 여기서 사용되는 바와 같은 관행으로서, B 및 C 회전축이 0 으로 설정될 때, A 회전축은 Z 병진축을 따른 방향을 향한다. Z 병진축은 B 및 C 회전축의 (물론, 180°회전은 제외하고) 어떠한 다른 위치에서도 A 회전축과 평행하지 않다.
이러한 6개의 기계 축을 따르는 또는 둘레에서의 이동은, 전통적인 장비 및 구동 커플링(예를 들어, 기어 장비)을 구비하는 스텝 모터(stepper motor) 등과 같은, 개별적인 액추에이터(10)에 의해 독립적으로 제어되는 것이 바람직하다. 개개의 기계 축은 자동 또는 수동 제어 중 어느 하나의 제어하에 있을 수 있다. 제어의 유형은 프로세스의 본질적인 부분은 아니다. 서로 다른 수의 기계 축이, 바람직한 상대적인 위치의 범위를 관통하는 척 또는 스테이지(18)에 관한 파면-측정 게이지의 상대적인 이동에 적합할 수 있음에 따라, 서로 다른 방향 및 기계 축 사이의 치우침을 갖는 상태에서 사용될 수 있다. 기계 축의 어떠한 잘못된 정렬(misalignments)은, 본 명세서에 참조로 편입된, 본 출원인과 동일 출원인의 미합중국 특허 제7,173,691호 "다축 계측 시스템의 기하학적 배열 조정 방법"에 나타난 바와 같은, 부분 구경 스티칭 작업 또는 계측 시스템(10)의 조정(calibration) 중 어느 하나에 수용될 수 있다.
파면-측정 게이지(12)는 간섭계 이외의, 샥-하트만 파면 센서를 포함하는 다양한 형태를 취할 수 있다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 파면-측정 게이지는 피조 간섭계로 도시된다. 광원(12a)이, 확장하는 광선(beam of light)을 형성하기 위해 초점(focal point)을 통과하도록 렌즈(12b)에 의해 초점이 맞춰지는, 간섭성 광선(beam of coherent light)을 방출한다. 빔 스플리터(12c: beamsplitter)가 확장하는 광선을 받아서, 게이지(12)의 내부 광학 축(31)을 따라 광선의 일부를 반사한다. 평행화 렌즈(12d: collimating lens)가, 평행화된 광선(30)을 더 성형하고 성형된 광선을 테스트 광선과 기준 광선으로 나누는, 투과 구체(28: transmission sphere)의 앞에서 광선을 평행화한다. 투과 구체(28)의 마지막 표면을 형성하는 기준 표면(29)은, 기준 표면(29)으로 투사하는 더 성형된 광선의 파면 형상을 맞추는 구면 표면 형태를 구비한다. 투과 평면, 투과 원통 또는 다른 투과 형상이, 다른 기준 표면 형상을 제공하기 위해 투과 구체(28)를 대신할 수 있다.
투사하는 광선의 일부는 기준 파면 형태의 기준 표면(29)에 의해 재귀반사되며, 광선의 나머지 부분은 테스트 파면 형태의 기준 표면(29)을 통해 투과된다. 바람직하게, 게이지(12)의 내부 광학 축(31)은, 게이지(12)의 외부 광학 축(34) 및 Z 축 이동 방향 모두에 평행하게 연장된다. 도시된 구면 형태에서, 테스트 파면은, 오목형태와 볼록형태 사이에서의 변환을 위해 초점(36)을 통하여 수렴하는, 외부 광학 축(34)을 따라 전파된다. 상호보완적인 볼록 및 오목 표면 형태를 갖는 선택적인 테스트 물체들(42, 46a, 46b)이 외부 광학 축(34)을 따라 서로 다른 위치에 보인다.
테스트 파면은 마주치게 되는 테스트 표면들(43, 47a, 47b) 중 어느 하나에서 반사되며, 투과 구체(28)를 통해 게이지(12)로 재진입하고 반사된 기준 파면과 함께 평행화 렌즈(12d)를 통해 빔 스플리터(12c)로 전파된다. 복귀하는 광의 일부는 빔 스플리터(12c)를 통하여, 그리고 마주치게 되는 테스트 물체의 이미지를 감지기(12g: detector) 상에 초점이 모이도록 하기 위해, 렌즈(12e)를 통해 투과된다. 렌즈(12e)는 (시스템을 이미지 공간의 중심에서 멀리 있도록 만드는) 광을 평행화하도록 선택되는 것이 바람직하다. 평면(12i)은 모든 광학계를 통과한 후의 마주치게 되는 테스트 표면(43, 47a 또는 47b)과 명목적으로 짝을 이루게 된다. 초점맞춤 축(F: focusing axis)이 짝 평면(12i: conjugate plane)과 일치하는 위치까지 광학 축(31)을 따르는 감지기(12g)의 이동을 제공하여, 그로 인해 특정 테스트 파면(43, 47a 또는 47b)을 위한 최적 초점을 획득할 수 있도록 한다. 바람직하게, 감지기(12g)는 (패키지(12h)에 다른 비디오 전자 기기를 포함할 수 있는) CCD(전하 결합 소자: charge coupled device) 센서 배열을 포함하지만, (패키지(12h)에 부가적인 릴레이 이미징 광학계(relay imaging optics)를 포함하는) 확산 디스크(diffuser disks)를 또한 포함할 수 있다.
일반적으로, 파면-측정 게이지의 광학계는, 파면을 (파면의 세기 및/또는 상(phase)이 기록되는) 감지 평면상에 비춘다. 그러한 게이지는 보통, 도 3에 도시한 바와 같이, 게이지로부터 특정 거리에 테스트 중의 표면(또는 광학 시스템)을 위치시킬 필요가 있다. 최적 거리는, 테스트 표면의 곡률 반경뿐만 아니라 게이지의 광학계 모두에 의존하며, 일반적으로, 테스트 표면의 공칭 곡률 중심(nominal center of curvature)을 게이지 초점(36)과 일치하도록 위치시키는, 초점을 공유하는 배열(confocal arrangement)에 대응한다. 따라서, 표면들(43, 47a, 47b)과 같은, 서로 다른 반경을 갖는 서로 다른 테스트 표면들은 게이지로부터 서로 다른 거리에 위치하게 된다(그리고, 서로 다른 물체 짝(object conjugates)을 갖는다). 게이지 감지 평면(12g는 이미지 짝 12i와 일치함)의 최적 위치는, 통상적으로 다음 식에 따라, 결과적으로 변화하며,
1/obj + 1/img = 1/f (1)
여기서, "obj"는 테스트 표면으로부터 게이지의 제1 주평면(12P1: principal plane)까지의 변위이며, "img"는 게이지의 후방 주평면(12P2)으로부터 이미지 평면(즉, 감지 평면의 최적 위치)까지의 변위이고, "f"는 게이지 광학 시스템의 초점거리이다.
게이지 조작자는 주어진 테스트 배치형태에 대한 가장 선명한 이미지를 획득하기 위해, 감지 평면(및 따라서 "img")을 수동으로(및 시각적으로) 조절할 수 있다(12g는 테스트 표면 이미지 짝 12i과 일치함). 이것은 전형적으로, 최고의 초점이 획득되었을 때 조작자가 인지하도록, 물리적 가장자리 또는 어떤 다른 하이콘트라스트 특색(high-contrast feature)(예를 들어, 부품 가장자리, 또는 초점에 모이도록 가장자리를 일시적으로 제공하기 위해 게이지 파면으로 삽입되는 종이 조각)을 요구한다. 그러나, 자동 초점맞춤이, 본 명세서에 참조로 편입된, 본 출원인과 동일 출원인의 미합중국 특허 제7,433,057호 "비구면 표면의 정밀한 고해상도 측정 방법"에 나타난 바와 같이, 또한 사용될 수 있다.
측정될 테스트 표면(43, 47a 또는 47b)에 관한 파면-측정 게이지의 최적 초점 위치의 획득은 두 가지 이유에서 중요할 수 있다. 첫째, 최적 초점맞춤은 개개의 측정 지점을 테스트 표면(43, 47a 또는 47b) 상의 그에 상응하는 지점에 배치하는 것이 중요하다. 둘째, 최적 초점맞춤은, ("제로" 조건("null" condition)으로 불리는) 테스트 표면(43, 47a 또는 47b)의 예상되는 곡률에 테스트 파면의 곡률을 맞춰, 테스트 표면(43, 47a 또는 47b)이 기준 표면(29)과 맞춰질 때, 복귀하는 테스트 파면이 기준 파면과 정확하게 맞춰지도록 한다.
그러나, 구면 형상에서 벗어나는 비구면 테스트 표면을 측정하기 위해서는, 근제로 조건(near null condition)이 일반적으로, 구면 기준 파면을 사용하여 획득될 수 있는 최상의 것이다.
말하자면, 비구면 테스트 표면이 정확하게 설계 명세서 대로 만들어진다 하더라도, 복귀 테스트 및 기준 파면 사이의 다소간의 벗어남(즉, 제로 조건으로부터의 벗어남)이 구면 기준 표면으로부터의 비구면 표면의 의도된 벗어남을 밝히기 위해 요구된다. 간섭계 및 다른 파면-측정 게이지는 일반적으로, 기준 표면 또는 다른 데이터로부터 벗어나는 테스트 파면이 측정될 수 있도록 하는, 제한된 캡처 범위를 갖는다. 간섭계에서, 결과적인 간섭 패턴 내의 줄무늬 밀도가 분석가능한 한도를 넘어 증가할 수 있다. 따라서, 기준 형태로부터의 비구면 표면의 벗어남은, 파면-측정 게이지(12)의 측정 범위의 적어도 일부에서 없어진다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 가변 광학 수차기(50)를 파면-측정 게이지(12)의 투과 구체(28)와 다축 기계(14)의 척 또는 스테이지(18) 사이에 놓는다. 척 또는 스테이지(18)는 비구면 테스트 물체(52)를 장착하고 위치를 정하는 지지대와 같은 기능을 수행한다. 비구면 테스트의 비구면 테스트 표면(54)은 다축 기계(14)의 회전축(A)과 일치하는 방향으로 향하는 회전대칭축을 구비하는 것이 바람직하다.
가변 광학 수차기(50)는 파면-측정 게이지(12)의 외부 광학 축(34)을 따라 전파하는 측정 파면(60)(예를 들어, 피조 간섭계의 테스트 파면)을, 필요하다면 비구면 테스트 표면(54)의 예상되는 국부적 형상을 더욱 근접하게 맞추기 위해 재성형 측정 파면(62)으로, 재성형한다. 가변 광학 수차기(50)에 의해 실행되는 재성형의 양은, (a) 예를 들어 비구면 테스트 표면(54)의 설계 명세서로부터 취해지는 측정 영역 상의 비구면 테스트 표면의 산정된 형상 및 (b) 기준 표면 형상 또는 그에 대비하여 비구면 테스트 표면이 비교되는 다른 데이터, 사이의 차이에 맞춰질 수 있다. 선택적으로, 비구면 테스트 표면(54)의 예상되는 형상에 대한 정보가 이용가능하지 않을 때와 같이, 가변 광학 수차기(50)는, 근제로 조건에 도달될 때까지, 명백한 줄무늬 간격(apparent fringe spacing)과 같은 측정 품질의 측정에 대비되도록 테스트 되는 측정 파면(60)까지, 조절 순서를 따라 반복적으로 순환될 수 있다. 어떻게든, 가변 광학 수차기(50)는 계측 시스템(10)을 파면-측정 게이지(12)의 캡처 범위(12) 내에서 적어도 근제로 조건까지 복원시킨다.
부분 구경 파면 측정과 같은 파면-측정 게이지(12)에 의해 수집되는 이미지 데이터는, 표면 윤곽과 같은 테스트 물체(52)의 물리적 특징을 수치적으로 표면할 수 있는 부분 구경 데이터 맵으로, 컴퓨터 프로세서(56) 내부에서 변환된다. 데이터는 또한, 가변 광학 수차기(50)의 설정을 모니터하기 위한 컴퓨터 프로세서(56) 내부에 수집되는 것이 바람직하다.
부가적으로, 가변 광학 수차기(50) 및 테스트 물체(52) 둘 모두를 설명하는 정보는, 측정 파면 상에서의 가변 광학 수차기(50) 및 테스트 물체(52) 둘 모두의 영향을 산정하기 위해 컴퓨터 프로세서(56)에 접속가능한 데이터 구조(예를 들어, 컴퓨터 판독가능 매개체)에 저장되는 것이 바람직하다. 테스트 물체(52)에 관계하는 정보는, 테스트 물체(52)의 테스트 표면(54)과, 근제로 조건을 획득하기 위해 요구되는 측정 파면 재성형의 양을 결정하기 위한 기준 파면(29)과 같은, 기준 데이터 사이의 국부적 차이를 예상하기 위해 사용될 수 있다. 가변 광학 수차기(50)에 관계하는 정보는, 근제로 조건을 획득하기 위해 요구되는 바와 같은 측정 파면을 재성형하기 위해 요구되는 설정으로 광학 수차기를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 부가적으로, 측정 파면 상에서의 가변 광학 수차기(50)의 영향에 관계하는 산정(estimates)은, 부분 구경 데이터 맵의 처리 또는 가변 광학 수차기(50)에 기인하는 파면 영향에서 테스트 물체(52)에 기인하는 파면 영향을 구별하는 것과 통합될 수 있다. 컴퓨터 프로세서(56)는 또한 부분 구경 데이터 맵을, 이하에서 더욱 충분하게 설명될 것으로서, 가변 광학 수차기(50)의 잔류 파면 영향을 추가적으로 밝히는 복합 맵으로 취합하도록 제공된다. 디스플레이나 다른 통신 또는 데이터 표현 기기 등과 같은 출력 기기(58)가, 테스트 물체(52)의 검사(inspection), 인증(qualification) 또는 추가적인 생산에서와 같은 실제 사용을 위한 테스트 물체(52)의 물리적 표현으로서 복합 맵을 드러내기 위해 사용될 수 있다.
측정 파면 재성형의 가능성이 전체 테스트 표면상에 측정 파면을 맞춤에 의한 부분 구경 스티칭에 대한 필요성을 없앨 수 있는 가운데, 부분 구경 스티칭은 부가적인 장점을 제공한다. 제한된 구경 크기 내에서의 근제로화(Near-nulling)는 비구면 테스트 물체를 측정하기 위해 요구되는 파면 재성형의 범위를 감소시킨다. 더 단순하고, 더욱 용이하게 제어되며, 더욱 예상가능한 가변 광학 수차기가 사용될 수 있다. 역으로, 가변 광학 수차기에 의한 파면 조정의 주어진 범위는 더 넓은 범위의 비구면 테스트 표면의 측정을 허용할 수 있다. 비록 스티칭된 복합 측정에 의해 커버되는 측정 영역이, 복합 측정으로 취합되는, 개개의 부분 구경 측정에 의해 커버되는 측정 영역보다 더 넓을 필요는 없지만, 복합 측정은 확실히 더 넓은 영역의 측정을 커버할 수 있고, 일반적으로 그렇다. 따라서, 부분 구경 스티칭의 가능성은 가변 광학 수차기의 크기를 포함하는 테스트 표면을 측정하기 위해 요구되는 광학계의 크기를 제한한다. 아마도, 더욱더 중요하게도, 설명될 것으로서, 부분 구경 스티칭과 연관되는 측정 처리는, 가변 광학 수차기의 가장 주의 깊은 모델링 및 측정에도 불구하고, 가변 광학 수차기와 연관된 잔류 시스템 오류를 확인하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 가변 광학 수차기와 결합된 부분 구경 스티칭은 비구면 테스트 물체의 더욱 정밀한 측정을 허용한다.
도 5는 테스트 물체(70)의 비구면 표면(68)을 커버하는 부분적으로 중첩하는 원형 부분 구경 측정(66)의 격자(64)를 도시한다. 각각의 부분 구경 측정(66)은 구경각(α: aperture angle) 및 방위각(θ: azimuthal angle)의 고유의 조합에서 캡처하게 된다. 비구면 표면(68)의 대칭축(72)에 대한 파면-측정 게이지(12)의 외부 광학 축(34)의 기울기로 기준되는 것으로 도시되는, 구경각(α)은 일반적으로 회전축(B)에 대응한다. 대칭축(72)에 대한 각 위치를 기준하는, 방위각(θ)은 일반적으로 다축 기계(14)의 척 또는 스테이지(18)를 관통하는 회전축(A)에 대응한다. 다른 부분 구경 형상 및 격자 배치형태가, 계측 시스템의 광학계와 다른 특성 또는 계측 시스템에 의해 취득되는 데이터를 처리하는데 선호되는 것에 따라, 유사한 또는 서로 다른 테스트 표면을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
예시된 격자(64) 내에서, 부분 구경 측정(66)은, 제1의 구경각(α)은 일반적으로 대칭축(72)을 따라 정렬되는 축 상에 있으며, 제2 및 제3의 구경각(α)은 대칭축(72)에 점진적으로 경사지게 되는, 단지 3개의 서로 다른 구경각(α)에서 취해진다. 단지 하나의 부분 구경 측정(66)은, 여러 부분 구경 측정(66)이 서로 다른 방위각(θ)을 관통하는 제2 및 제3의 구경각(α) 각각에 기준되는 가운데, (비록 복수의 측정이 특히 조정 목적으로 취해질 수 있지만) 제1의 구경각(α)에 기준된다. 그러한 것으로서, 제2 및 제3의 구경각(α)에서의 부분 구경 측정은 동심 링(74, 76: concentric rings)으로 배열된다. 테스트 물체(70)가 회전 대칭이라는 것을 고려하면, 비구면 표면(68)은 각각의 동심 링(74, 76)을 따르는 부분 구경 측정(66) 내부에 유사하게 형성될 것으로 예상된다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c의 그래프는, 하나의 축 상의 부분 구경 측정(66) 및 동심 링(74, 76)을 따라 취해진 두 개의 대표적인 부분 구경 측정(66)에 대응하는, 3개의 구경각(α)에서 비구면 표면으로부터 복귀하는 (가변 광학 수차기에 의해 수정되지 않는 것과 같은) 예상되는 측정 파면 윤곽을 실선(68a, 68b, 68c)으로 나타낸다. "0"에 경계가 표시된 수평축(가로축)은 (예를 들어, 구면 기준 표면(29)으로부터 반사되는 바와 같은) 기준 파면 또는, 그에 대비하여 비구면 표면(68)이 파면-측정 게이지(12) 내부에서 측정되는, 다른 데이터에 대응한다. (예시 목적의) 괄호(78: brackets)는 파면-측정 게이지(12)의 캡처 범위를 나타낸다. (간섭계의 실제 캡처 범위는 일반적으로 더욱 복잡한 함수이다.) 비록 축 상의 부분 구경 측정(66)의 측정 파면 윤곽(68a)은 파면-측정 게이지(12)의 캡처 범위 내에 잘 있다 하더라도, 동심 링(74, 76)을 따라 위치하게 되는 부분 구경 측정의 측정 파면 윤곽(68b, 68c)은 파면-측정 게이지(12)의 캡처 범위 너머로 잘 연장된다.
도 7 및 도 8은, 동심 링(74, 76)을 따라 위치하는 부분 구경으로부터 복귀하는 측정 파면 윤곽이 파면-측정 게이지(12)의 캡처 범위(78) 내부에 있도록, 바람직하게는 파면-측정 게이지(12)의 캡처 범위(78) 내부의 중심에 위치하도록 하는, 측정 파면(60)을 재성형하기 위한 가변 광학 수차기(50)의 개입을 개념적으로 도시한다. 파선으로 도시되는 재성형된 측정 파면 윤곽(80b, 80c)은, 가변 광학 수차기 설계의 제한 내에서 본래의 측정 파면 윤곽(68b, 68c) 상에 가변 광학 수차기(50)의 의도된 영향을 나타낸다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 프리즘 쌍(90: prism pair) 형태로 도시되는 가변 광학 수차기(50)는, 2개의 동심 링(74, 76)을 따르는 부분 구경 측정(66)을 수집하기 위해, 제2 및 제3의 구경각(α)을 관통하는 경사들 사이에서 조절된다. 조절은 프리즘 쌍(90)의 전체 웨지각("ω": wedge angle) 및 프리즘 쌍(90)의 전체 지향각("υ": orientation angle) 모두의 변화를 포함한다.
기준용으로, 도 7 및 도 8은, 회전 대칭의 테스트 표면(68)의 대칭축(72), 프리즘 쌍(90)으로부터 비구면 표면(68) 상의 부분 구경 측정(66)의 중심까지의 변화된 광선 경로(92)를 따르는, 파면-측정 게이지(12)의 외부 광학 축(34)을 예시한다. 구경각(α)은 대칭축(72)과, 부분 구경 측정(66)의 중심으로 연장되는, 변화된 광선 경로(92) 사이에서 측정되는 것이 바람직하다. 유사하게, 프리즘 쌍(90)의 전체 지향각(υ)은, 프리즘 쌍(90)의 뒷 표면(96) 및 변화된 광선 경로(92)에 대한 수직선 사이를 기준하게 된다. 도 7 및 도 8로부터 기준되는 바와 같이, 프리즘 쌍(90)의 설정은, 더 많은 양의 파면 보정을 제공하기 위해, 프리즘 쌍(90)의 전체 웨지각(ω) 및 프리즘 쌍(90)의 전체 지향각(υ) 모두에 대한 증가에 의해 변화한다.
도 9는, 다축 기계(14)에 관한 회전축(T) 및 수평 병진축(H)과 수직 병진축(V)에 대해 총체적으로 조절가능한, 한 쌍의 상대적으로 각도 조절가능한 프리즘(102, 104)을 포함하는 가변 광학 수차기의 한층 더한 상세도를 도시한다. 프리즘(102, 104)은, 서보-구동기(servo-drives) 등과 같은 액추에이터(110, 112)에 의해 동력을 공급받는 개개의 회전 마운팅(106, 108) 내에서, 회전축(S, W)에 대해 각도 조절가능하다. 그 회전축(S,W)에 대한 프리즘(102, 104)의 회전은, 결합된 프리즘의 전체 웨지각(ω)을 조절하는 것을 제공한다.
회전 프리즘 마운팅(106, 108)을 지지하는 플랜지(114: flange)가, 회전축(T)에 대한 회전을 위한, 일반적으로 파면-측정 게이지(12)의 외부 광학 축(34) 및 지향각(υ)을 관통하는 테스트 물체의 대칭축(72) 모두에 관한 프리즘(102, 104)의 총체적인 지향방향을 조절하기 위한, 수평 운동 스테이지(118)의 캐리어(116: carrier)에 순환적으로 장착된다. 수평 스테이지(118)는 또한 수직 스테이지(120)용 캐리어와 같은 기능을 수행한다. 또한 수동 또는 자동 액추에이터(미도시)에 의해 제어될 수 있는, 수평 및 수직 스테이지(118, 120)는 함께, 파면-측정 게이지(12) 및 (예를 들어, 파면-측정 게이지(12)의 외부 광학 축(34)에 대해 중심에 위치되는 것이 바람직한) 테스트 물체(70) 모두에 대해 프리즘(102, 104)의 위치를 결정하기 위해 병진축(H, V)을 따라 프리즘(102, 104)을 총체적으로 병진이동시키도록 제공된다. 인코더(encoder)와 같은 측정 게이지(미도시)가, 액추에이터에 대한 피드백으로서 및 가변 광학 수차기(100)의 예상되는 성능의 표시자(indicator)로서, 3개의 회전축(S, W, T) 모두 및 병진축(H, V) 모두와 연관될 수 있다. 서로 다른 수, 지향방향, 및 쌓아올린 관계(stacking relationships)가 또한, 다축 기계(14)에 관해 가변 광학 수차기를 상대적으로 조정하는 것 및 가변 광학 수차기를 재배치하는 것 모두를 가능하게 한다.
비록, 가변 광학 수차기(100)를 주의 깊게 조정함에 의해, 그리고 가변 광학 수차기(100)의 조절을 주의 깊게 측정함에 의해, 측정 파면(60)에서의 가변 광학 수차기의 조절의 영향이 어느 정도의 정확성까지 산정될 수 있지만, 비구면 테스트 표면(68)이 측정될 수 있는 정확성에 상당히 영향을 미칠 수 있는, 어느 정도 양의 잔류 오류가 남는다. 도 6b 및 도 6c의 그래프를 기준하면, 파선(80b, 80c)은 이상적인 비구면 테스트 물체를 측정하기 위한 결과적인 측정 파면 상에서의 가변 광학 수차기(100)의 주어진 세팅에 대한 산정되고 예상되는 영향을 나타낸다. 그러나, 가변 광학 수차기(100)의 실제 성능은, 점선형의 파면 형태(82b, 82c)로 나타나는 바와 같이, 그 산정된 영향과는 다르다. 차이는 테스트 물체의 측정을 상당히 한쪽으로 치우치게 할 수 있다.
그러나, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 중첩되는 부분 구경 측정(66)의 추가적인 처리가, 가변 광학 수차기(100)의 사용에 동반하는 잔류 오류를 보정할 수 있다. 부분적으로 중첩되는 부분 구경 측정(66)은, 테스트 물체 상의 서로 다른 위치에 연관된 파면 변화의 측정을 포함하는 데이터 맵과 같이 기록될 수 있다. 기준 구체 등과 같은 데이터에 대비하여 측정되는 파면 차이는, 가변 광학 수차기(100)의 영향에 의해 축소되는 것과 같은, 테스트 물체의 데이터에 대한 차이를 나타낸다. 선택적으로, 파면 차이가 대비되어 측정되는 데이터는, 파면-측정 게이지(예를 들어, 구면 기준 표면)의 본래의 데이터와 가변 광학 수차기(100)의 조합이다. 어느 방식이든, 가변 광학 수차기(100)의 기여에 관한 가정은, 파면-측정 게이지(12)에 의해 측정되는 파면 차이의 해석에 직접적으로 영향을 미친다.
부가적으로, 전형적인 데이터 맵은 테스트 물체의 파면 측정을 테스트 표면 상의 대응하는 지점들과 동등한 것으로 나타낸다. 예상되는 왜곡(distortion)을 수용하기 위해, 중첩되는 데이터 맵은, 공칭 왜곡 맵(nominal distortion map)을 갖는, 전역좌표계(global coordinate system)(예를 들어, 테스트 물체의 적도 평면) 상에 투영될 수 있다. 전역평면(global plane) 상의 좌표가 (X,Y) 또는 더욱 단순하게 X 와 같이 기록되면, 편리하게 순서가 정해진 후, 격자 지점(grid points)은 ℓ=1,2,...L 에 대하여 X ℓ 과 같이 기록될 수 있다. 이들의 밀도는 각 부분 구경 데이터 세트 상의 연관된 지점들이 그 해상도를 대략 맞추도록 선택될 수 있으며; 이보다 더 크게 이들의 밀도를 선택하는 것은 유용하지 않으나, 더 작게 하는 것이 편리할 수는 있다. 전역평면 상의 격자 지점에서의 j번째 부분 구경 데이터 세트의 값을 확인하기 위해 보간법(interpolation)을 실행함으로써, 함수 ∫j (X)에 대한 값이 확인된다. 유사하게, 이러한 데이터를 위한 비율조정된 전통적인 보정수단(scaled conventional compensators)이 k= 1,2,...K 에 대한 함수 gjk (X)를 생성하기 위해 사용될 수 있으며, 여기서 K 는 사용되는 이러한 보정수단의 수(전형적으로 7개: 4개의 기본적 보정수단에 3개의 데이터 위치 재결정용을 더한 것)이다. 부가적으로, 비율조정된 연동형 보정수단이 γ= 1,2,...Γ 에 대한 함수 Gjγ (X) 로 나타날 수 있게 되며, 여기서 Γ 는 왜곡 및 기준 파면 오류 등과 같은 오류를 바로잡기 위해 사용되는 보정수단의 수이다.
보정된 데이터 세트는 지금 다음 식과 같이 기록될 수 있으며,
Figure 112014067547828-pct00021
여기서 ajk 및 αγ 는 스티칭 계수(stitching coefficients)이다. 이상에서 논의된 비율조정(scaling)은, 이러한 계수의 제곱의 합이 1 보다 작을 것을 요구하게 된다는 것을 의미한다. 이상의 방정식에서, 연동(interlocking)은, Gjγ (X) 에서의 계수가 모든 부분 구경에 대한 것과 동일한 값을 가지며, 즉 이러한 계수 αγ 는 j에 독립적이라는 것을, 의미한다. 스티칭의 기본적인 역할은, 단위 구체 내부에 놓이며 어떠한 중첩되는 값들 사이의 평균 제곱 차(mean square difference)를 최소화하는, 이러한 계수에 대한 값을 확인하는 것이다. 스티칭 작업에서 자유형 및 연동형 보정수단 모두의 사용에 관한 부가적인 상세사항 및 예들이, 본 명세서에 참조로 편입된, 본 출원인과 동일 출원인의 미합중국 특허 제6,956,657호 "표면 형상 측정을 위한 자기-보정 부분 구경 스티칭 방법"에 개시된다.
전체적 연동형 보정수단은 주로 모든 부분 구경 데이터 세트에 공통적인 시스템 오류에 관해 밝힌다. 부분적 연동형 보정수단은 다양한 형태를 취할 수 있고, 인자(factors)의 수에 초점을 맞추지만, 모든 데이터 세트가 이러한 인자에 의해 영향을 받을 필요는 없다. 예를 들어, 회전 대칭의 테스트 물체의 경우에, 데이터 세트는 대칭축(72) 둘레의 동심 링(74, 76)에 배열되는 부분 구경들의 취합을 포함한다. 어떤 특정한 동심 링(74, 76) 상의 서로 다른 부분 구경들은 A 축에 대한 회전을 제외하고는 표면상 동일하도록 선택될 수 있으며, 계측 시스템은 따라서 그들 모두에 대해 실질적으로 동일한 방식으로 구성될 수 있다. 그러한 경우에, 보정이 각각의 그러한 동심 링에서, 광학기계적 시스템(optomechanical system)에서의 중력의 충격 또는 계측 시스템 내에서의 어떤 다른 세트의 특정한 잘못된 배치형태와 같은 그러한 영향을 밝히도록, 요구될 수 있다. 연관된 부분적 연동형 보정수단은 따라서, 단지 특정한 동심 링(74, 76) 둘레에서 측정되는 그러한 데이터 세트 상에서 충격을 가질 것이다. 부가적으로, 데이터 세트는 바로 이러한 동심 링과는 다른 종류(classes)로 분할될 수 있으며, 연동형 보정수단은 단지 이러한 종류에 대응하는 부분 구경의 특정한 소집합 내에서 작용할 것이다. 예를 들어, 어떤 부분 구경은, 전혀 수차기가 없이 취해질 수 있고, 또는 동일한 부분 구경 위치의 수차기와 더불어 취해지는 것 및 없이 취해지는 것 모두 가능하다. 수차기의 시스템 오류는 수차기를 사용하지 않는 부분 구경용 보정수단으로는 포함되지는 않을 것이다.
부분적 연동형 보정수단 또한 방정식 (2) 내에서 설명될 수 있을 것이다. 이렇게 하기 위해, 어떤 γ 값은 특정한 소집합 상에서 부분적 연동형 보정수단과 연관되며, 이때 Gjγ (X) 는, 그 소집합에서 없는 부분 구경에 대응하는, j 값에 대해 동등하게 0 으로 취해진다. 그러한 프로세스는, 각 연동형 보정수단에 대해, 즉 각각의 γ 값에 대해 효력 있는 j 값의 소집합을 결정함으로써 수행될 수 있다. 결과는, j 가 γ 와 연관되는 소집합 내에 있지 않은 한 소멸되며 그 밖의 경우 1과 동일한, δjγ 로 불리는 것으로 표시될 수 있다. 방정식 (2)로 그러한 인자를 명시적으로 도입함으로써, Gjγ (X) 는 더 이상 그러한 그룹화와 연관될 필요가 없는 대신, 전적으로 시스템의 특정한 혼동(perturbation)에 집중할 수 있다. 말하자면, 방정식 (2)는 다음과 같이 다시 기록될 수 있다:
Figure 112014067547828-pct00022
전체적 연동형 보정수단과 연관되는 어떤 γ 값에 대하여, δjγ 은 모든 j에대해 단순히 1 이다. 반면에 부분적 연동형 보정수단은, δjγ 이 어떤 j 값에 대해 0 이 되도록 하는, γ 값과 연관된다. 연동이 단지 2진법적 스티칭(binary switch)만을 수반하는 것이 아닌, 반면에 j 와 γ 사이의 어떤 다른 상호의존성을 수반하는 경우를 착상하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 하나의 소집합과 다른 소집합 사이에서 특정한 방식으로 성장하는 시스템 혼동이 있을 수 있다. 그러한 것은 δjγ 가 j 및 γ 에 대한 더욱 일반적인 의존성을 갖도록 허용함으로써 밝혀질 수 있다. 모든 그러한 경우가 있는 그대로 방정식 (2)에 의해 정확하게 설명될 수 있는 가운데, 방정식 (3) 에 주어진 동등한 형태에서 명백한 것과 같이, 때때로 더욱 명백한 연동의 다양한 변종(flavors)을 만드는데 도움이 될 수 있다. 지금 보정수단의 어떤 양태가 인자 δjγ 에 의해 취급되기 때문에, 그러한 수정은 단지 Gjγ (X) 의 해석을 단순화하는 역할을 한다.
전역좌표계에 나타나는 바와 같이, 보정된 데이터 세트는, 본래 데이터 맵의 중첩되는 부분들 사이의 차이를 최소화하는 가운데, 부분 구경 측정들을 서로 스티칭함에 의해 형성되는 복합 데이터 맵을 포함한다. 스티칭 작업으로 통합되는 보정수단은 또한, 다른 방식으로 측정을 훼손할 수 있는 시스템 오류의 영향을 최소화한다. 특정적으로 가변 광학 수차기(100)에 기인하는 시스템 오류를 나타내는 보정수단을 통합함에 의해, 부분 구경 측정에서 가변 광학 수차기(100)의 산정된 영향 및 가변 광학 수차기(100)의 실제 영향 사이의 어떠한 차이는 보정된 데이타 세트에서 최소화될 수 있다.
바람직하게, 가변 광학 수차기(100)의 그 다양한 설정에서의 파면 영향은 가능한 한 근접하게 산정되어, 적어도 가변 광학 수차기(100)에 의해 부과되는 파면 보정이, 파면-측정 게이지(12)의 캡처 범위(78) 내에 있도록 그리고 바람직하게 캡처 범위(78) 내의 중심에 있도록, 측정 파면(68b, 68c)을 재성형한다. 부가적으로, 일련의 측정으로부터 관련된 보정수단에 의해 취득되는 값은, 가변 광학 수차기(100)의 파면 영향을 산정하기 위해 사용되는 가정을 수정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 어떤 대응하는 연동형 보정수단의 값은, 프리즘(102, 104)의 굴절률 또는 물리적 차원에 관한 가정을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 부분적 연동형 보정수단의 값은, 서로 다른 구경각(α)에서 취해진 측정들 사이에서 가변 광학 수차기의 서로 다른 설정에 관한 가정을 보정하기 위해 사용될 수 있다.
가변 광학 수차기에 기인하는 부분 구경 측정에서의 각각의 잠재적 오류는 보정수단에 할당될 수 있다. 이들은 (전형적으로, 연동형 보정수단과 같이) 웨지에 대한 설계 명세서 및 (전형적으로, 부분적 연동형 보정수단과 같이) 설정 값들 사이의 위치 재결정 매개변수를 포함한다. 더욱 구체적으로, 보정수단은, (a) 프리즘에서의 형상 오류(figure error), 프리즘 각도 오류, 굴절률 및 두께 등과 같은 광학적 오류, (b) 그 마운팅 내에서 프리즘 오정렬 등과 같은 광학기계적 오류, 및 (c) 운동 축의 상대적인 오정렬 등과 같은 기계적 정렬 오류를 나타내도록 배열될 수 있다. 각각의 그러한 보정수단은, 이상에 기준되는 계수에 대응하는 가변의 진폭 및 측정 파면 형상 상에 예상되는 영향에 대한 진폭 변화와 관련되는 함수 형태를 포함한다. 예를 들어, 도 10a 및 도 10b는 2개의 서로 다른 구경각(α)에서 회전축(T)에 대한 프리즘의 작은 기울기 오류에 대한 측정 파면(122, 124) 상의 예상되는 영향을 보여준다. 도시된 바와 같이, 동일한 진폭의 기울기 오류는 가변 광학 수차기의 서로 다른 설정에 대응하는 2개의 구경 내에 서로 다르게 표현된다.
가변 광학 수차기의 요구되는 바람직한 파면 영향은, 비점 수차, 혜성형 수차, 및 삼엽형 수차 등과 같은 수차를 보정하는 성분(components)을 사용하여, 데이터에 측정 파면을 맞추도록 제공되는 것이 바람직하다. 3차까지의 한 지점에 대한 일반적인 파면의 2차원 테일러 급수('taylor series' or 'series expansion')가 아래에 주어진다:
파면(x,y) =
A00 + A10 x + A01 y + {DC(이하, 직접) and 1차}
A20 x2 + A11 xy + A02 y2 + {2차}
A30 x3 + A21 x2y +A12 xy2 + A03 y3 + {3차} (4)
여기서, Amn 은 x 에서 "m"차 및 y 에서 "n"차의 다항 전개 계수(polynomial expansion coefficients)이다(전체 차수는 m 과 n의 합).
이러한 계수들은 (예를 들어, 비구면 테스트 물체의 파면을 반사시킴에 의해 생성되는) 관심의 파면에 의해서 뿐만 아니라 동일한 파면 상의 부분 구경 위치에 의해서도 변하며, 따라서 근제로화 시스템은 가능한 한 잘 이러한 계수를 보정하도록 그 매개변수를 자유롭게 조절할 수 있도록 하는데 도움을 준다는 것을, 알아야 한다. 직접(DC) 및 1차 항은 계측 시스템의 적당한 정렬에 의해 소거될 수 있으며(즉, 이 항들은 직접 이동(DC shift), x 기울기 및 y 기울기를 가리킨다), 따라서 근제로화 시스템은 이러한 항을 보정할 책임이 없다. 2차에서, 3개의 항이 있으나, 이들 항 중 하나는 조절가능한 구면 파면을 사용함에 의해 소거될 수 있다(예를 들어, 도 3 기준). 이는, 2차에서 2개의 항(즉, 2 자유도(degrees of freedom))을, 그리고 3차에서 4개의 항(4 자유도)을 남긴다.
(회전 대칭 비구면, 가장 통상적인 비구면의 종류에 대한 경우에서와 같은) 테스트 물체의 거울 대칭 가정이, 전개(및 따라서 보정을 위한 근제로화 시스템용으로 유용한 것)를 더욱 단순화할 수 있다. 결과로서, 단지 x 에 대칭(또는 수평)인 공칭 파면이 보정용 표적(target)으로 남는다. 구체적으로, 관심의 공칭 파면이 (비구면 광학 표면 및 광학 시스템 사이에서 평범한) 회전 대칭이라면, 어떠한 x-홀수 항(x-odd term)이 보정을 위해 표적이 될 필요는 없다. 따라서, (3차까지의 급수 근사(series approximation)를 위한 모두 3개의 남아있는 항에 대한) 단지 하나의 2 자유도(x2 - y2) 및 2개의 3 자유도를 남기도록, A11 xy, A30 x3 및 A12 xy2 항이 소거될 수 있다. 파면-측정 게이지의 대부분의 광학 시스템은 원형 구경을 구비하기 때문에, 3 개의 남아있는 자유도는, 이하에 나타나는 바와 같이, 편리하게 제르니케 다항식(Zernike polynomials)의 항으로 표현될 수 있다:
Z5(x,y) = (x2 - y2),
Z8(x,y) = (3(x2 + y2) -2)y,
Z11(x,y) = (3x2 - y2)y (5)
비구면 테스트 물체가 서로 다른 방식으로 폭넓게 변할 수 있는 가운데, 자유도의 부족에 따라 가변 광학 수차기가 2개의 3차 항 중 단지 하나에만 초점을 맞출 수 있다면, Z8로부터 Z11을 보정하기 위한 능력(capacity)이 일반적으로 바람직하게 된다. 제르니케 항인 Z5 및 Z8 은 일반적으로, 축에서 벗어난 부분 구경 측정을 위한 파면 보정의 바람직한 유형들 중에 있는, 비점 수차 및 혜성형 수차의 개별적인 예에 대응한다.
바람직한 가변 광학 수차기(100)는, 바람직한 파면 보정을 성취하기 위한 상대적인 회전 및 위치 제어를 구비하는 리슬리 프리즘(Risley prism) 쌍이 특징을 이룬다. 설계는, 예상가능한 파면 영향을 생성하도록 쉽게 생산되고 모델링되는 그 단순한 구조 때문에, 회전 대칭의 비구면 테스트 물체의 축에서 벗어난 부분 구경 측정에 특히 적절하게 되는 것이, 바람직하다. 그러나, 가변 광학 수차기는, 다른 비구면 물체를 측정하거나 또는 더 높은 차수의 보정을 더 하는데 더욱 적합하게 될 수도 있는, 다양한 다른 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 가변 광학 수차기는, 플레이트와 역회전 실린더(counter-rotating cylinders)의 조합, 역방향 병진 피아노 렌즈(counter translating piano lenses)와 역회전 실린더의 조합, 및 기울어진 반사 구체(tilted reflecting spheres)의 쌍을 포함할 수 있다. 본 발명의 목적 중 적어도 일부를 위해 가변 광학 수차기로서 사용될 수 있는 다른 조절가능한 파면 수차기는, 변형가능한 거울, 공간적 광 모듈레이터, 및 알바레즈 렌즈 쌍(Alvarez lens pairs)을 포함한다. 가변 광학 수차기의 선택은 측정 파면을 근제로화하는데 필요한 수차의 유형에 연계될 수 있다. 회전 대칭의 비구면을 측정하기 위해, 비점 수차, 혜성형 수차 및 삼엽형 수차 등과 같은 수차를 나타내기 위한 성분의 조합의 다양한 조합이 바람직하다.
비록 가변 광학 수차기(50, 100)가 피조 간섭계의 측정 공동(measurement cavity) 내부에 위치되는 것으로 도시되지만, 가변 광학 수차기는, 간섭계 내부의 어떤 다른 곳 뿐만 아니라, 전단(shearing) 간섭계 또는 트위맨-그린 간섭계(Twyman-Green interferometer) 등과 같은 다른 유형의 간섭계에 사용될 수 있다. 예를 들어, 가변 광학 수차기는 트위맨-그린 간섭계의 기준 암(reference arm)에 위치하게 될 수 있다. 예를 들어, 기준 부호 42, 52 및 70 과 같은 테스트 물체는 모두, 반사 상태 하에서 측정되는 것으로 나타나는 가운데, 이러한 또는 다른 테스트 물체는 또한, 하나 이상의 테스트 물체의 다수의 표면 또는 테스트 물체 내부에서의 굴절율 변화가 측정가능한 비구면 파면의 형성에 기여하는 상태를 포함하는, 투과 조건 하에서 측정될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명에 따라 측정가능한 비구면 파면은 투과에서, 구면의 피아노 요소(piano element)에 의해 생성될 수 있다.
파면 측정 기기는 또한, 유사한 중간 광학계가 테스트 물체 표면으로부터의 반사에 대한 측정 파면을 성형하는, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같은 샥-하트만 파면 센서 시스템의 형태를 취할 수 있다. 도 3의 피조 간섭계와 함께할 용도로 설명되는 바와 같은 동일한 광학계 중 많은 수는 샥-하트만 파면 센서 시스템에 사용될 수 있으며, 유사한 광학계들에 동일한 기준 부호를 부여한다. 2개의 주요한 차이가 명백하다. (CCD) 감지기(12g) 및 연관되는 전자기기(12h)가 샥-하트만 패키지(12HS)로 교체되며, 그의 전체 구성요소가 도 11b의 확대도로 도시된다. 샥-하트만 패키지(12HS)에서, 작은 렌즈 배열(HS1)이, 또한 CCD 감지기일 수도 있는, 감지기(HS3)의 전방에 위치하게 되며, 따라서 작은 렌즈 배열(HS1)의 초점들(HS2: focal spots)이 감지기(HS3) 상에 나타나게 된다. 샥-하트만 패키지(12HS)는, 측정 파면의 더욱 충만한 묘사로 결합될 수 있는, 파면 경사의 국부적 변화를 측정하도록 배열될 수 있다. 또한, 피조 간섭계와 대조적으로 투과 구체(28)가, 평행화된 광선(30)을 구면 측정 파면과 함께 수렴 광선으로 변환하지만 기준 파면과 같이 광선의 일부를 역반사시키지 않는, 수렴 렌즈(28HS)로 교체된다. 샥-하트만 패키지(12HS)의 조정된 감지기(HS3)는, 그에 대비되어 측정 파면이 측정되는, 데이터(예를 들어, 기준 평면)를 제공한다.
본 발명은 제한된 수의 실시예에 대하여 설명되었지만, 본 발명은 많은 다른 실시예로 표현될 수 있으며, 본 발명의 전체적인 가르침 내에서 당업자에게 명백하게 될, 다양한 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (40)

  1. 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법에 있어서,
    상기 테스트 물체로 광학 측정 파면들을 이송하기 위해 광학 파면 전파기를 다수의 서로 다른 관계에서 물리적 테스트 물체와 연관시키는 단계;
    파면 형상들에 대한 제한된 캡처 범위를 갖는 광학 파면-측정 게이지로, 측정 파면들의 형상을 측정함에 의해 각각의 서로 다른 관계에서 상기 테스트 물체의 부분적으로 중첩되는 파면 측정들을 취득하는 단계;
    상기 파면-측정 게이지의 상기 캡처 범위 내에 상기 측정 파면을 유지하도록 상기 서로 다른 관계들에서의 제한된 수의 측정들 사이에서 가변 광학 수차기로 상기 측정 파면을 비구면 형태로 재성형하는 단계;
    부분적으로 중첩되는 측정들을 복합 측정으로 취합하는 작업에서 보정수단들을 통합하는 단계; 및
    적어도 부분적으로 상기 가변 광학 수차기에 의한 상기 측정 파면의 재성형에 기인하는 상기 측정의 중첩되는 부분들 사이의 차이들을 감소시키기 위해 상기 작업에서의 상기 보정수단에 대한 값들을 취득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    (a) 상기 가변 광학 수차기는 상기 측정 파면을 재성형하기 위한 세팅들의 범위를 통해 조절가능하며,
    (b) 상기 보정수단은 진폭 및, 상기 진폭에 의해 측정할 수 있는 상기 측정 파면 형상의 변화를 한정하는, 함수 형태를 모두 구비하며,
    (c) 상기 보정수단은 부분적 연동형 보정수단들을 포함하며, 그리고
    (d) 상기 보정수단에 대한 값을 취득하는 단계는, 상기 가변 광학 수차기의 동일한 설정에서 취해지는 상기 측정 세트 상에서 실질적인 공통의 진폭을 갖는 상기 부분적 연동형 보정수단들에 대한 값을 취득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 부분적 연동형 보정수단들에 대한 값을 취득하는 단계는, 상기 가변 광학 수차기의 서로 다른 설정에서 취해지는 상기 측정들의 서로 다른 세트 상에서 서로 다른 실질적인 공통의 진폭을 갖는 상기 부분적 연동형 보정수단들에 대한 값을 취득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가변 광학 수차기의 특정한 설정에서 생성되는 상기 측정 파면 형상의 산정한 변화 및 상기 가변 광학 수차기의 상기 특정한 설정에서 생성되는 상기 측정 파면 형상의 실제 변화 사이의 차이들을 한정하기 위해 상기 부분적 연동형 보정수단들을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 가변 광학 수차기의 각 설정에서 생성되는 상기 측정 파면 형상의 상기 산정한 변화를 상기 가변 광학 수차기의 모델에 기초하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 가변 광학 수차기의 모델 내의 변수를 상기 진폭에 의해 측정할 수 있는 상기 측정 파면 형상의 변화와 관련시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 가변 광학 수차기의 재구성에 기초한 상기 적어도 하나의 부분적 연동형 보정수단에 대한 값을 설정하고 취득하는 단계들 사이에서 상기 가변 광학 수차기를 재구성하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 파면-측정 게이지는 간섭계를 포함하고,
    상기 측정 파면은 테스트 파면 및 기준 파면을 포함하고,
    상기 테스트 물체의 부분적으로 중첩되는 파면 측정들을 취득하는 상기 단계는, 상기 테스트 파면을 전파시켜 상기 테스트 물체와 마주치게 하는 단계, 및 상기 테스트 물체와의 마주침에 의해 초래되는 상기 테스트 파면의 형상 변화를 상기 기준 파면에 대비하여 비교하는 단계를 포함하며, 그리고
    상기 광학 가변 수차기로 상기 측정 파면을 비구면 형태로 재성형하는 상기 단계는, 상기 테스트 파면들과 상기 기준 파면들 사이의 차이를 감소시키기 위해, 상기 테스트 파면 및 상기 기준 파면 중 적어도 하나의 상기 형상을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 파면-측정 게이지는,
    상기 파면-측정 게이지의 캡처 범위 내에서 제한된 범위의 파면 형상들을 측정하기 위한 파면 센서, 및
    상기 파면 센서에 의해 측정가능한 파면 형상의 상기 제한된 범위 내에 있는 형상들로 상기 측정 파면을 발생시키는 파면 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 테스트 물체의 부분적으로 중첩되는 파면 측정들을 취득하는 상기 단계는, 상기 테스트 물체의 물리적 특성에 따라 상기 측정 파면 형상을 변화시키기 위해 상기 측정 파면을 전파시켜 상기 테스트 물체와 마주치게 하는 단계를 포함하며, 그리고
    상기 가변 광학 수차기로 상기 측정 파면을 재성형하는 상기 단계는, 상기 테스트 물체와의 마주침 및 상기 측정 파면의 상기 재성형에 의해 초래되는 상기 측정 파면의 형상 변화에 대한 결합된 영향이, 상기 파면 센서에 의해 측정가능한 파면 형상들의 상기 제한된 범위 내에 상기 측정 파면 형상을 유지하도록, 상기 측정 파면 형상을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 가변 광학 수차기로 상기 측정 파면을 비구면 형태로 재성형하는 상기 단계는, 상기 측정 파면이 상기 파면-측정 게이지의 상기 캡처 범위 내에 있는지를 평가하는 단계, 그리고 상기 파면-측정 게이지의 상기 캡처 범위 내에서 상기 측정 파면을 복원하도록 상기 측정 파면을 재성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    파면 전파기를 다수의 서로 다른 관계에서 물리적 테스트 물체와 연관시키는 상기 단계는, 상기 파면 전파기의 축을 다수의 축에서 벗어난 위치들을 통해 상기 물리적 테스트 물체의 축에 대해 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 가변 광학 수차기로 상기 측정 파면을 재성형하는 상기 단계는, 비점 수차, 혜성형 수차 및 삼엽형 수차 중 적어도 하나를 포함하도록 상기 측정 파면을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 테스트 물체들을 측정하기 위한 계측 시스템의 작동 범위를 확장하는 방법.
  14. 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법에 있어서,
    상기 테스트 물체와 마주치는 테스트 파면으로부터 상기 테스트 물체의 물리적 특성을 측정하며, 데이터에 대하여 기준이 되는 상기 테스트 파면의 형상으로부터 각각 추출되는, 다수의 부분적으로 중첩되는 데이터 맵들을 취득하는 단계:
    상기 테스트 파면의 상기 형상과 상기 데이터 사이의 차이를 감소시키기 위해 상기 데이터 맵의 제한된 수의 취득들 사이에서, 상기 테스트 물체에 독립적으로 상기 데이터에 대해 상기 테스트 파면의 상기 형상을 비구면 형태로 상대적으로 변화시키고, 비점 수차, 혜성형 수차 및 삼엽형 수차 중 적어도 하나를 포함하도록 상기 측정 파면의 형상을 상대적으로 변화시키는 단계;
    상기 데이터 맵의 취득들 사이에서 상기 파면 형상의 상기 상대적인 변화를 특징짓기 위해 상기 데이터 맵들의 중첩되는 영역을 평가하는 단계; 및
    부분적으로 중첩되는 데이터 맵들을 복합 데이터 맵으로 취합하기 위한 측정들 사이에서 상기 파면 형상의 상기 상대적인 변화에 대한 상기 특징에 따라 상기 데이터 맵들을 수정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 부분적으로 중첩되는 데이터 맵들을 상기 복합 데이터 맵으로 취합하고, 상기 테스트 물체의 외부적 표현으로서 상기 복합 데이터 맵을 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 테스트 물체와 상기 테스트 파면의 마주침에 의해 초래되는 상기 테스트 파면의 상기 형상의 변화를 산정하는 단계를 포함하며,
    상기 데이터에 대해 상기 테스트 파면의 상기 형상을 비구면 형태로 상대적으로 변화시키는 상기 단계는, 상기 테스트 파면의 상기 형상과 상기 데이터 사이의 상기 차이를 감소시키기 위해 상기 테스트 파면의 상기 형상의 상기 산정된 변화의 적어도 일부가 상호 대항하도록 작용시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 데이터에 대해 상기 테스트 파면의 상기 형상을 비구면 형태로 상대적으로 변화시키는 단계에 의해 초래되는 상기 데이터에 대한 상기 테스트 파면의 상대적인 형상에서의 변화를 산정하는 단계를 포함하며,
    상기 데이터 맵들의 중첩되는 영역들을 평가하는 상기 단계는, 상기 데이터 맵들의 시스템 오류를 특징짓기 위해, 상기 데이터에 관한 상기 테스트 파면의 상기 상대적인 형상의 상기 산정된 변화와 상기 데이터에 관한 상기 테스트 파면의 상기 상대적인 형상의 실제 변화 사이를 구별시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 복합 데이터 맵 상의 상기 데이터에 대한 상기 테스트 파면의 상기 형상의 상기 상대적인 변화에 연관되는 상기 데이터 맵들의 상기 시스템 오류의 영향을 억제하는 가운데, 상기 부분적으로 중첩되는 데이터 맵들을 상기 복합 데이터 맵으로 취합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 평가하는 단계는, 상기 데이터에 관한 상기 테스트 파면의 상기 상대적인 형상의 상기 산정된 변화와 상기 데이터에 관한 상기 테스트 파면의 상기 상대적인 형상의 상기 실제 변화 사이의 차이를 적어도 부분적으로 고려하도록 보정수단들을 한정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 보정수단은 부분적 연동형 보정수단을 포함하며,
    상기 데이터 맵들의 제한된 수의 취득들 사이에서, 상기 데이터에 관한 상기 테스트 파면의 상기 형상을 유지하는 단계를 포함하며,
    상기 데이터에 관한 상기 테스트 파면의 상기 형상을 유지하는 가운데 취득되는 데이터 맵들의 세트 상에서 실질적인 공통의 값을 취득하도록 상기 부분적 연동형 보정수단을 제한시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 보정수단은 부분적 연동형 보정수단을 포함하며,
    상기 평가하는 단계는, 상기 데이터에 관한 상기 테스트 파면의 상기 형상의 상기 상대적인 변화에 대해 적어도 부분적으로 고려하도록 상기 부분적 연동형 보정수단들을 한정하는 단계를 포함하며,
    상기 데이터에 관한 상기 테스트 파면 형상의 주어진 상대적인 변화에 대해 실질적인 공통의 값을 취득하도록 상기 부분적 연동형 보정수단을 제한시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 부분적으로 중첩되는 데이터 맵들을 복합 데이터 맵으로 취합하기 위한 작업에 보정수단들을 통합하는 단계,
    상기 부분적으로 중첩되는 데이터 맵들을 상기 복합 데이터 맵으로 취합하는 단계, 및
    상기 테스트 물체의 외부적 표현으로서 상기 복합 데이터 맵을 디스플레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분적으로 중첩되는 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  23. 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법에 있어서,
    광학 측정 파면을 생성하는 단계,
    파면 형상의 제한된 캡처 범위를 갖는 파면-측정 게이지로 가는 도중에, 가변 광학 수차기 및 상기 물리적 테스트 물체 모두와의 마주침을 통해 상기 측정 파면을 전파하는 단계;
    상기 측정 파면을 상기 테스트 물체까지 이송하기 위해 배열되는 광학 파면 전파기의 축을 상기 물리적 테스트 물체의 축에 관하여, 상기 파면 전파기와 상기 테스트 물체 사이의 일련의 축에서 벗어난 위치들을 통해, 단계적으로 위치시키는 단계;
    상기 파면-측정 게이지의 상기 캡처 범위 내에 상기 측정 파면의 형상을 유지하기 위해, 제한된 수의 상기 축에서 벗어난 위치들 사이에서 상기 가변 광학 수차기를 조절하는 단계;
    상기 일련의 축에서 벗어난 위치들에서 상기 파면-측정 게이지로 상기 테스트 물체에 대한 부분적으로 중첩되는 부분 구경 측정들을 수집하는 단계;
    상기 부분 구경 측정들 상에 상기 가변 광학 수차기의 영향을 모델링하는 단계;
    상기 부분 구경 측정들 상에서 상기 가변 광학 수차기의 영향을 특징짓기 위해 부분 구경 측정들의 중첩되는 부분들 내의 잘못 맞춰진 측정들을 평가하고, 상기 부분 구경 측정들의 상기 중첩되는 부분들 내의 상기 잘못 맞춰진 측정들을 감소시키도록 상기 모델 내에서 변수의 값들을 변화시키는 단계를 포함하며; 그리고
    상기 부분 구경 측정들 상에서 상기 가변 광학 수차기의 상기 특징지어진 영향을 차감하는 가운데, 상기 테스트 물체의 상기 부분 구경 측정들을 복합 측정으로 함께 스티칭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 광학 파면 전파기의 축을 단계적으로 위치시키는 단계는, 상기 테스트 물체에 대한 한 세트의 방사형 부분 구경 측정들을 수집하기 위해 상기 테스트 물체의 축에 대해 상기 파면 전파기의 축을 상대적으로 회전시키는 단계를 포함하며, 그리고
    상기 가변 광학 수차기를 공통의 방사형 부분 구경 측정들 사이의 고정된 설정에 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 평가하는 단계는 공통의 방사형 부분 구경 측정 각각에 대한 실질적인 공통의 값을 포함하도록 상기 모델 내에서 적어도 일부의 변수를 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  26. 제 23항에 있어서,
    상기 평가하는 단계 및 상기 스티칭하는 단계는, 상기 부분적으로 중첩되는 측정을 상기 복합 측정으로 취합하기 위한 작업에 보정수단들을 통합하는 단계를 포함하며,
    적어도 부분적으로 상기 가변 광학 수차기에 기인하는 상기 부분 구경 측정들의 상기 중첩되는 부분들 사이의 차이를 감소시키기 위한 작업에서 값들을 취득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  27. 제 26항에 있어서,
    (a) 상기 가변 광학 수차기는 상기 측정 파면을 재성형하기 위한 설정의 범위를 통하여 조절가능하며,
    (b) 상기 보정수단은 진폭 및, 상기 진폭에 의해 측정할 수 있는 상기 측정 파면 형상의 변화를 한정하는, 함수 형태를 모두 구비하고,
    (c) 상기 보정수단은 부분적 연동형 보정수단을 포함하고, 그리고
    (d) 작업 중에 값들을 취득하는 상기 단계는, 상기 가변 광학 수차기의 동일한 설정에서 취해지는 측정의 세트 상에서 실질적인 공통의 진폭을 갖는 상기 부분적 연동형 보정수단에 대한 값들을 취득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    작업 중에 값들을 취득하는 상기 단계는, 상기 가변 광학 수차기의 서로 다른 설정에서 취해지는 상기 측정의 서로 다른 세트 상에서 서로 다른 실질적인 공통의 진폭을 갖는 상기 부분적 연동형 보정수단에 대한 값들을 취득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  29. 제 23항에 있어서,
    상기 파면-측정 게이지는 간섭계를 포함하고,
    상기 측정 파면은 테스트 파면과 기준 파면을 포함하고,
    상기 테스트 물체의 부분적으로 중첩되는 부분 구경 측정들을 수집하는 상기 단계는, 상기 테스트 파면을 전파시켜 상기 테스트 물체와 마주치게 하는 단계, 및 상기 테스트 물체와의 마주침에 의해 초래되는 상기 테스트 파면의 형상 변화를 상기 기준 파면에 대비하여 비교하는 단계를 포함하며, 그리고
    상기 가변 광학 수차기를 조절하는 상기 단계는, 상기 테스트 파면 및 상기 기준 파면 사이의 차이를 감소시키기 위해 상기 테스트 파면 및 상기 기준 파면 중 적어도 하나의 상기 형상을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
  30. 제 23항에 있어서,
    상기 파면-측정 게이지는,
    상기 파면-측정 게이지의 캡처 범위 내에서 제한된 범위의 파면 형상을 측정하기 위한 파면 센서, 및
    상기 파면 센서에 의해 측정가능한 파면 형상의 상기 제한된 범위 내에 있는 형상으로 상기 측정 파면을 발생시키는 파면 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 테스트 물체의 다수의 부분 구경 측정들로부터 물리적 테스트 물체의 복합 측정을 취합하는 방법.
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