KR101643113B1 - 통합된 파면 센서 및 프로파일로미터 - Google Patents

통합된 파면 센서 및 프로파일로미터 Download PDF

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Abstract

광학 파면 센서와 단일점 프로파일로미터 둘 다를 포함하는 광학 비구면을 측정하는 기구이다. 광학 파면 센서는 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들 전체에 걸쳐 표면 높이 변화를 측정한다. 단일점 프로파일로미터는 테스트 비구면 상의 한 개 이상의 트레이스들을 따라서 표면 높이 변화를 측정한다. 트레이스들 중 한 개 이상은 구역들 중 한 개 이상과 교차하며, 이 구역들 및 트레이스들에 대한 각각의 공간적 기준 프레임은 이 구역들 및 트레이스들 사이의 명목상 일치하는 점들 사이의 차이를 최소화함으로써 서로에 대해 상대적으로 적응된다.

Description

통합된 파면 센서 및 프로파일로미터{INTEGRATED WAVEFRONT SENSOR AND PROFILOMETER}
본 발명은, 광학 계측 분야에서, 광학 측정 기법들의 조합을 사용한 비구면의 측정, 특히 광학 파면 검출 및 단일점 표면형상측정(profilometry)과 그와 같은 기법들에 의해 취해진 측정의 통합에 관한 것이다.
평면, 실린더, 및 구체로부터 출발하는 표면들로서 일반적으로 정의될 수 있는 비구면(aspheric surfaces)은 그것의 측정에 있어서 더 단순한 형태를 가진 표면들보다 많은 난제를 제시한다. 그것들의 측정상의 어려움이 증가했지만, 비구면들은 더 단순한 형태의 표면들이 측정되는 정확도에 유사한 정확도까지 종종 측정되어야 한다. 비구면의 측정을 위한 특별한 문제는 비구면의 국부적인 곡률 및 기울기에서의 큰 변화이며, 그것은 캡처하기도 어렵고 데이텀(datum)과 비교하기도 어렵다.
종래의 표면 측정 기법들 중에서, 광학 파면 검출(optical wavefront sensing)은 일반적으로 테스트 표면의 한정된 크기의 구역들(즉, 서브애퍼처(subapertures))을 높은 정확도로 측정한다. 상기 테스트 표면의 전체를 측정하기 위해서는 복수의 그와 같은 서브애퍼처 측정이 종종 필요하다. 상기 테스트 표면들의 복합 측정을 형성하기 위해 상기 서브애퍼처 측정을 함께 "스티칭 (stitching)"함으로써 상기 측정들 사이의 위치설정 불확실성 및 다른 차이들을 보상하기 위해, 인접하는 서브애퍼처 측정들 사이의 중첩 구역들 내의 중복 데이터(redundant data)가 사용될 수 있다.
그러나, 종래의 파면 검출 기법에 의해 수용될 수 있는 표면 변화의 범위는 제한된다. 일반적으로, 측정 파면은 그것이 향하는 테스트 표면의 예상되는 형상과 닮은, 예컨대 구형과 같은, 기준 형상으로 생성된다. 테스트 표면을 조우할 때(예컨대, 테스트 표면으로부터 반사됨), 상기 측정 파면의 형상은 테스트 표면의 실제 형상과 상기 측정 파면의 원래 형상 사이의 어떤 차이에 따라 수차가 발생된다. 파면 센서는 돌아오는 측정 파면 내의 수차들을 기록한다. 다수의 비구면들의 곡률 및 기울기 변화는, 상기 다수의 파면 센서들의 범위를 초과하거나 상기 측정 파면들을 상기 센서들에 전달하는 광학기기들의 애퍼처들(apertures)을 초과하는 그와 같은 측정 파면들 내에 수차들을 생성할 수 있다.
종래의 파면 검출 기법에 의해 수용될 수 있는 표면 변화의 범위를 확대하기 위한 접근법은, 서브애퍼처의 크기를 감소시키는 것과, 테스트 중인 개개의 서브애퍼처 표면 구역들의 의도된 형상과 더욱 잘 정합하도록 상기 측정 파면의 기준 형상을 조정하는 것을 포함한다. 서브애퍼처 측정의 크기를 감소시키는 것은 서브애퍼처 측정의 수를 증가시키며, 이것은 통상적으로 서브애퍼처들을 함께 스티칭하기 위한 부수적인 처리량을 증가시킨다. 상기 형상 조정 자체는, 측정 파면 내의 수차들이 비교될 수 있는 데이텀으로서 상기 기준 형상이 사용될 수 있도록 측정되거나 아니면 결정되어야 하기 때문에, 측정 파면의 기준 형상을 조정하는 것은 오류 및 측정 모호성의 원천을 증가시킨다.
또 다른 종래의 표면 측정 기법인 단일점 표면형상측정은 일 회에 테스트 표면 위의 하나의 점을 측정하기 위한 프로브(예컨대, 기계식 또는 광학 프로브)를 사용한다. 상기 프로브 자체는 일반적으로 단일의 차원을 따라 측정하지만, 프로브의 상이한 측정들을 서로에 및 테스트 표면의 의도된 형상에 관련시키기 위해, 프로브와 테스트 표면 사이의 상대적 이동 역시 다른 상대적 차원들에서 측정되어야만 한다. 특히 광학 프로브를 가지고 비구면을 측정하는 경우, 비구면 위의 상이한 측정된 점들에 실질적으로 수직하게 프로브를 위치 설정하기 위해 회전축 및 병진축(translational axis)과 관련한 이동이 일반적으로 요구된다. 상기 복수 축들의 측정은 요구되는 정확도까지 달성하는 것이 어려우며, 충분한 해상도로 상기 테스트 표면을 커버하기 위한 다수의 개별 점들의 측정은 시간이 소요된다.
본 발명은, 바람직한 실시예들에서, 더 넓은 범위의 비구면들, 특히 종래 생성된 파면들에 의해 쉽게 표현될 수 없는 기울기 또는 곡률의 변화를 포함하는 그런 표면들을 측정하기 위해 광학 파면 검출 및 단일점 표면형상측정 둘 다의 기법을 결합한다. 그와 같은 비구면의 한 개 이상의 한정된 영역이 광학 파면 센서에 의해 측정되고, 동일한 비구면의 확대된 영역이 단일점 프로파일로미터(표면형상측정기)에 의해 측정된다. 광학 파면 센서에 의해 측정된 비구면의 각각의 한정된 영역은 바람직하게는 더 한정된 기울기 또는 곡률 변화를 가지는 것이며 이것은 상기 한정된 영역들의 각각의 내부의 한 개 이상의 중첩하는 서브애퍼처들이 관례대로 생성된 광학 파면들에 의해 쉽게 어림하는 것을 가능하게 한다. 단일점 프로파일로미터에 의해 측정된 비구면의 확대된 영역은 종래의 광학 파면들에 의해 그렇게 쉽게 어림할 수 없는 기울기 또는 곡률을 포함할 수 있다. 상기 확대된 영역이 전체 비구면을 포괄할 수 있지만, 확대된 영역은 광학 파면 센서에 의해 측정된 상기 한정된 영역의 적어도 일부와 중첩하며 나머지 비구면의 적어도 일부를 측정하기 위해 상기 확대된 영역을 넘어서 확대된다. 공통의 공간적 기준 프레임 내에서 상기 두 구역들의 통합된 측정을 생성하기 위해 상기 2개의 측정 기법들에 대한 공간적 기준 프레임을 상대적으로 조정함으로써, 상기 중첩 측정들 사이의 임의의 차이는 촤소화될 수 있다.
상기 광학 파면 센서는 한정된 영역의 한 개 이상의 구역들(즉, 서브애퍼처)의 각각 내부의 점들의 어레이를 측정하도록 정렬될 수 있다. 상기 단일점 프로파일로미터는 상기 확대된 영역 내부의 한 개 이상의 트레이스들의 각각을 따르는 일련의 점들(a succession of points)을 측정하도록 정렬될 수 있다. 상기 트레이스들 중 한 개 이상은 상기 확대된 영역 내로 연장되며, 그리하여 상기 트레이스를 따르는 특정 개수의 점들은 상기 한정된 영역의 한 개 이상의 구역들 내부의 동일한 개수의 점들과 일치한다. 상기 일치하는 점들은 그것들의 공간적 기준 프레임의 연산정의(operational definitions)와 함께 공통의 공간적 기준 프레임 내에서 상기 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터의 측정을 통합하기 위한 기반을 제공한다.
광학 파면 센서는 비구면들의 한정된 영역들만을 측정할 수 있지만, 비구면들의 전체 구역들은 한번에 측정될 수 있다. 단일점 프로파일로미터는 일 회에 하나의 점만을 측정할 수 있지만, 더 복잡한 형상을 가진 비구면들의 나머지 영역들도 측정될 수 있다. 공동으로, 상기 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터는 광학 파면 센서 단독으로 쉽게 측정될 수 있는 것보다 더 넓은 범위의 비구면을 측정할 수 있으며 상기 비구면들은 단일점 프로파일로미터 단독으로 쉽게 측정될 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 점들에서 측정될 수 있다.
광학 파면 센서들의 한정된 시야는 단순한 또는 평탄한 형태를 가진 측정 파면들이 상기 테스트 비구면들의 마찬가지로 한정된 크기의 구역들을 어림하는 것을 가능하게 한다. 테스트 비구면들의 더 큰 구역들 또는 더 복잡한 형상을 가진 구역들을 어림하기 위해 더 복잡한 측정 파면들이 형성될 수 있지만, 다른 오류 및 측정 모호성의 소스를 도입할 수 있는 상기 측정 파면들 자체의 형상들이 결정되어야 한다. 따라서, 가능한 경우, 측정 파면들의 더 간단한 형태가 일반적으로 선호된다.
광학 파면 센서의 한정된 시야 내의 측정 파면들이 상기 테스트 비구면의 한정된 구역들의 형상을 어림할 수 있는 정도까지, 상기 비구면의 부분적으로 중첩하는 복수의 구역들을 측정하기 위해 상기 광학 파면 센서가 사용될 수 있다. 상기 복수의 구역들을 측정하기 위해 광학 파면 센서와 테스트 비구면 사이의 상대 이동이 일반적으로 요구된다. 상기 구역들 사이의 중첩 범위들은, 공통의 공간적 기준 프레임에 대한 그것들의 차이가 종래의 스티칭 알고리즘에 의해 최소화될 수 있는 중복 데이터를 포함한다. 구체적으로 만일 측정 파면들이 간단한 형태, 예를 들면 구형 또는 평탄 형상이면, 상기 중첩 범위들 내에서 연장하는 광학 파면 센서들에 의해 측정된 높은 밀도의 점들은 상기 중첩하는 구역들의 개개의 측정들이 높은 정밀도로 공통의 공간적 기준 프레임 내에 조립되는 것을 가능하게 한다. 즉, 상이한 공간적 기준 프레임들 내에서 취해진 측정들을 높은 정밀도로 병합하기 위하여, 상기 스티칭 알고리즘들에 의한 처리에 이용할 수 있는 대량의 일치하는 점들이 사용될 수 있다.
단일점 프로파일로미터는, 그 이름이 시사하는 바와 같이, 일 회에 테스트 비구면 상의 하나의 점을 측정한다. 테스트 비구면 상의 연속 점들을 측정하기 위해 단일점 프로파일로미터와 테스트 비구면들 사이의 상대 이동이 일반적으로 요구된다. 상대 이동의 충분한 축들 및 범위가 주어지면, 비구면들의 기울기 또는 곡률의 큰 변화가 측정될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하면, 단일점 프로파일로미터에 의해 측정되는 확대된 영역은 광학 파면 센서에 의해 측정되는 한 개 이상의 한정된 영역들을 넘어서 확대된다.
단일점 프로파일로미터들의 상기 상대 이동들이 결정될 수 있는 정확도는, 상기 축들 자체의 정밀도와 그것들의 이동의 크기가 측정될 수 있는 정확도에 달려있다. 다중-축에 의해 부여된 이동은 높은 정확도로 확인하는 것은 특히 어렵다. 본 발명의 특별한 목적을 위해서, 테스트 비구면 상의 개개의 트레이스를 따르는 연속 점들 사이의 상대 이동은, 축 자체가 바람직하게는 높은 정밀도(예컨대, 반복성 및 정확성)를 나타내고 그 위치가 바람직하게는 높은 정확도로 측정될 수 있는 단일의 이동 축에 제한되는 것이 바람직하다. 그와 같은 높은 정밀도의 축들에 의해 부여된 이동은 상기 축들의 의도된 방향들에서의 이동에 제한되는 것이 바람직하다. 따라서, 그와 같은 개개의 트레이스를 따라서 측정된 상기 연속 점들 모두는 단일의 공간적 기준 프레임으로 정확히 참조될 수 있다. 확대된 영역을 측정하기 위한 점들의 개수를 증가시키기 위해 테스트 비구면의 상기 확대된 영역 내에서 그와 같은 2개 이상의 트레이스를 캡처할 수 있다.
바람직하게는, 상기 테스트 비구면의 확대된 영역 내의 그와 같은 한 개 이상의 트레이스는 광학 파면 센서에 의해 측정되는 비구면의 상기 확대된 영역 내의 한 개 이상의 구역과 교차하는 것이다. 교차하는 선들은 테스트 비구면 상의 복수의 점들에 관한 중복 데이터를 포함한다. 따라서, 상기 교차하는 트레이스의 공간적 기준 프레임은, 상기 결합된 측정들을 공통의 기준 프레임에 관련시키기 위해, 상기 확대된 영역 내의 교차된 구역의 공간적 기준 프레임에 상대적으로 적응될 수 있다. 광학 파면 센서에 의해 측정되는 한정된 영역과 교차하지 않는, 단일점 프로파일로미터에 의해 측정되는 확대된 영역 내의 임의의 나머지 트레이스들은 바람직하게는 서로 교차하는 것이다. 2개의 트레이스들 사이의 교차점들에서 중복 측정의 개수는 제한될 수 있지만, 공통의 기준 프레임은 여전히 상기 2개의 트레이스에 대해서 도출될 수 있다.
안타깝게도, 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터 양자에 의해 측정이 이루어지는 공간적 기준 프레임들 모두는 글로벌 기준 프레임에 적응된다. 공간적 기준 프레임들이 글로벌 기준 프레임에 적응되는 접근법은 상이한 공간적 기준 프레임들 내에서 취해진 측정들 사이의 중복점들의 개수 및 이 점들이 알려지는 상대적 확실성(relative certainty)에 의해 일반적으로 영향을 받는다. 광학 파면 센서에 의해 측정된 중첩하는 구역들 사이의 일반적으로 더 큰 수의 중복점들 때문에, 상기 중첩하는 구역들은 단일점 프로파일로미터에 의해 측정된 교차하는 트레이스들 사이의 일반적으로 더 적은 중복점들보다 더 상기 글로벌 기준 프레임에 대한 적응에 일반적으로 영향을 준다. 중간 개수의 중복점들은 단일점 프로파일로미터에 의해 측정된 트레이스들 및 광학 파면 센서에 의해 측정된 구역들의 교차와 일반적으로 관련되며, 상기 중간 개수의 중복점들의 상기 글로벌 기준 프레임에의 적응에 대한 영향은 대체로 비례한다. 즉, 중첩하는 구역들 사이의 중복점들보다 작지만 교차하는 트레이스들 사이의 중복점들보다 많다. 그러나, 그것들의 공간적 기준 프레임들 내의 중복점들의 인정된 불확실성(qualified uncertainties) 및 각각의 기준 프레임들이 정의되는 추가의 인정된 불확실성에 기초하여 허용이 이루어질 수 있다.
광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터 양자의 측정은 공간적 기준 프레임 내에서 정의된 데이텀에 대해서 비구면의 국부적인 상대 높이 변화를 높은 정밀도로 측정한다. 그러나, 상기 공간적 기준 프레임들 자체는 일반적으로 덜 정확히 알려진다. 예를 들면, 측정 파면의 곡률 반경과 단일 프로파일로미터의 공간적 장소 및 방위(orientation)는 정밀하게 알려지지 않을 수 있다. 또한, 단일점 프로파일로미터의 프로브의 임의의 한 점에 대한 광학 파면 센서의 상대적 위치 및 방위는 정밀하게 알려지지 않을 수 있다. 그러나, 상기 2개의 기구를 결합하고 그것들의 측정 영역들의 중첩하는 부분들 내의 중복 데이터를 처리함으로써, 각 기구의 측정 모호성은 감소될 수 있으며 두 기구에 의한 복합 측정은 공통의 데이텀에 대해서 높은 정밀도로 측정될 수 있다.
바람직한 실시예에 의하면, 광학 파면 센서와 단일점 프로파일로미터는 공통의 광축을 공유하며, 테스트 비구면의 상이한 부분들을 측정하기 위해 필요한 임의의 상대 이동이 상기 테스트 비구면에 제공될 수 있다. 사실, 광학 파면 센서와 단일점 프로파일로미터 양자는, (a) 상기 광학 파면 센서에 의해 요구될 수 있는 수렴 또는 발산하는 측정 파면을 형성하고 및 (b) 상기 단일점 프로파일로미터에 의해 요구될 수 있는 테스트 비구면 상에 집속된 광 빔을 형성하기 위해 동일한 오브젝티브 렌즈(objective lens)를 공유할 수 있다. 상기 광학 파면 센서에 의한 측정에 있어서, 상기 테스트 비구면은, 다른 구형 파면에서의 수차로서 표면 변화를 측정하기 위해, 측정 파면이 테스트 비구면으로부터 거의 수직 입사로 반사하는 공초점 위치(confocal position)에 상기 광축을 따라 상대적으로 위치될 수 있다. 상기 단일점 프로파일로미터에 의한 측정에 있어서, 상기 비구면은, 상기 오브젝티브 렌즈의 초점에 대한 상기 비구면 상의 점들의 상대 변위를 측정하기 위해, 고양이 눈 위치(cat's eye position), 즉 구형 파면의 곡률중심에 상기 광축을 따라서 상대적으로 위치될 수 있다. 상기 공초점 측정 위치와 고양이 눈 측정 위치 사이의 변위는 상기 공초점 위치에서 측정 파면의 곡률반경을 결정하기 위해 측정될 수 있다. 구체적으로 만일 공통의 광축을 공유한다면, 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터는 상기 2개의 기구를 서로에 대해 및 상기 테스트 비구면에 대해 교정하기 위한 것뿐만 아니라 (예컨대 측정 파면의 곡률 반경과 같은) 측정 모호성을 해결하기 위해 함께 사용될 수 있다.
테스트 비구면을 측정하는 장치로서 본 발명의 일 실시예는 (a) 상기 테스트 비구면의 한정된 영역 내 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들에 전체에 걸쳐 표면 높이 변화를 측정하는 광학 파면 센서 및 (b) 상기 테스트 비구면의 확대된 영역 내 상기 테스트 비구면 위의 한 개 이상의 트레이스를 따라 표면 높이 변화를 측정하는 단일점 프로파일로미터를 포함한다. 상기 확대된 영역은 상기 한정된 영역의 적어도 일부 및 상기 한정된 영역의 어느 부분과도 중첩하지 않는 부분 둘 다를 포함한다. 프로세서는, 상기 두 영역의 중첩하는 부분들 내에서 상기 광학 파면 센서 및 프로파일로미터 측정들 사이의 차이를 최소화함으로써 적어도 부분적으로 상기 한정된 영역 내에서 상기 광학 파면 센서의 표면 높이 측정치를 상기 확대된 영역 내에서 상기 단일점 프로파일로미터의 표면 높이 측정치와 결합한다. 그것에 의해 상기 한정된 영역 및 확대된 영역의 중첩하는 부분과 상기 확대된 영역의 중첩하지 않는 부분 둘 다를 포함하는 테스트 비구면의 결합된 영역에 대한 표면 높이 측정치들의 통합된 어레이가 생성된다.
바람직하게는, 상기 광학 파면 센서는 한 개 이상의 측정 파면들을 생성하는 파면 성형기, 및 상기 한 개 이상의 측정 파면들의 각각의 형상을 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들 각각의 형상과 비교하는 검출기에 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들의 각각을 이미징하는 이미징 시스템을 포함하고, 상기 한 개 이상의 측정 파면들 각각은 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들의 형상을 닮은 형상을 가진다. 한 개 이상의 이동 스테이지들은 바람직하게는 상기 한정된 영역 내 테스트 비구면의 상기 한 개 이상의 구역들 및 상기 확대된 영역 내 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 트레이스들 양자를 측정하기 위해, 상기 테스트 비구면을 위한 탑재설비에 대해서 상기 광학 파면 센서 및 상기 단일점 프로파일로미터를 상대적으로 이동시킨다. 바람직하게는, 상기 광학 파면 센서 및 상기 단일점 프로파일로미터는 공통의 광축을 가진 광학시스템의 한 개 이상의 광학기기를 공유하는 것이며, 상기 공통의 광축을 따라서, (a) 상기 광학 파면 센서의 측정이 상기 광학시스템의 공초점 위치에서 이루어지고 (b) 상기 단일점 프로파일로미터의 측정이 동일한 광학시스템의 고양이 눈 위치에서 이루어진다.
테스트 비구면을 측정하는 방법으로서 본 발명의 또 다른 실시예는 파면 성형기로 한 개 이상의 측정 파면을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 한 개 이상의 측정 파면들 각각은 상기 테스트 비구면의 한정된 영역 내 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들 각각의 굽은 형상과 닮은 굽은 형상을 갖는다. 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들로부터 반사된 상기 한 개 이상의 측정 파면들은 검출기 위에 이미징되고, 상기 한 개 이상의 이미징된 측정 파면들은 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들 각각의 전체에 걸쳐 표면 높이 변화의 측정치를 얻기 위해, 파면 센서의 기준 파면 또는 기준 평면과 같은, 데이텀에 비교된다. 단일점 프로파일로미터는 상기 테스트 비구면의 확대된 영역 내 테스트 비구면 상의 한 개 이상의 트레이스들을 따라는 일련의 점들의 각각에 광을 집속한다. 상기 확대된 영역은 상기 한정된 영역의 적어도 일부와 중첩하는 부분 및 상기 한정된 영역의 어느 부분과도 중첩하지 않는 부분 둘 다를 포함한다. 상기 단일점 프로파일로미터로부터의 신호는 상기 테스트 비구면 상의 한 개 이상의 트레이스들을 따라는 일련의 점들 사이의 표면 높이 변화의 측정치를 얻기 위해 모니터링된다. 상기 한정된 영역 내에서의 광학 파면 센서의 표면 높이 측정치는, 상기 2개 영역의 중첩하는 부분들 내에서의 상기 광학 파면 센서 및 상기 단일점 프로파일로미터의 표면 높이 측정치 사이의 차이를 최소화함으로써, 상기 확대된 영역 내에서의 단일점 프로파일로미터의 표면 높이 측정치와 결합된다. 상기 한정된 영역 및 확대된 영역의 중첩하는 부분과 상기 확대된 영역의 중첩하지 않는 부분 둘 다를 포함하는 테스트 비구면의 결합된 영역에 대해 표면 높이 측정치들의 통합된 어레이가 생성된다.
바람직하게는, 광학 파면 센서는 한 개 이상의 구역들 각각의 전체에 걸쳐 점들의 어레이를 측정하고, 단일점 프로파일로미터는 테스트 비구면 상의 한 개 이상의 트레이스들의 각각을 따르는 일련의 점들을 측정한다. 각각의 트레이스를 따라 측정치를 얻기 위한 단일점 프로파일로미터와 테스트 비구면 사이의 상대 이동은 바람직하게는 한정된 개수의 이동 축들에 의해 제공되는 것이며 더욱 바람직하게는 단일의 이동 축에 의해 제공되는 것이다. 각각의 구역은 각각의 구역 전체에 걸쳐 측정된 점들의 어레이에 대해 공간적 기준 프레임을 가지며, 각각의 트레이스는 각각의 트레이스를 따르는 일련의 점들에 대해 공간적 기준 프레임을 가진다. 상기 한 개 이상의 트레이스들은 테스트 비구면 상의 명목상 일치하는 점들에서 상기 구역들 중 한 개 이상과 교차한다. 각각의 교차된 구역 및 각각의 교차하는 트레이스의 공간적 기준 프레임들은, 각각의 구역 전체에 걸쳐 측정된 점들의 어레이 및 각각의 트레이스를 따르는 상기 일련의 점들 둘 다에 대한 공통의 기준 프레임 내에서 상기 명목상 일치하는 점들 사이의 차이를 최소화함으로써, 상기 공통의 기준 프레임에 상대적으로 적응될 수 있다.
예를 들면, 상기 한 개 이상의 구역들은 제1 기준 프레임을 가진 제1 구역을 포함하고, 상기 한 개 이상의 트레이스들은 제2 기준 프레임을 가진 제1 트레이스 및 제3 기준 프레임을 가진 제2 트레이스를 포함할 수 있다. 상기 제1 트레이스 및 제2 트레이스는 상기 테스트 비구면 위의 제1 세트 및 제2 세트의 명목상 일치하는 점들에서 상기 제1 구역과 교차한다. 상기 제1 기준 프레임, 제2 기준 프레임 및 제3 기준 프레임은 상기 제1 세트 및 제2 세트의 각각의 내부의 명목상 일치하는 점들 사이의 차이가 상기 제1 구역, 상기 제1 트레이스 및 제2 트레이스에 대한 공통의 기준 프레임 내에서 최소화되도록, 상기 공통의 기준 프레임에 상대적으로 적응된다.
대안으로, 상기 한 개 이상의 구역들은 제1 기준 프레임을 가진 제1 구역 및 제2 기준 프레임을 가진 제2 구역을 포함할 수 있다. 상기 한 개 이상의 트레이스들은 제3 기준 프레임을 가진 제1 트레이스 및 제4 기준 프레임을 가진 제2 트레이스를 포함할 수 있다. 상기 제2 구역은 테스트 비구면 상의 명목상 일치하는 점들의 제1 어레이에서 상기 제1 구역의 일부와 중첩하고, 상기 제1 트레이스 및 제2 트레이스는 테스트 비구면 상의 명목상 일치하는 점들의 제1 세트 및 제2 세트에서 제1 구역 및 제2 구역들 중 한 개 이상과 교차한다. 4개의 기준 프레임들 모두는, 상기 제1 어레이 내부 그리고 제1 세트 및 제2 세트 각각의 내부의 명목상 일치하는 점들 사이의 차이를 순차적으로 또는 집합적으로 최소화함으로써, 공통의 기준 프레임에 상대적으로 적응된다.
단일점 프로파일로미터의 측정 축은 바람직하게는, 상기 확대된 영역 내 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 트레이스들을 따르는 일련의 점들 사이의 표면 높이 변화를 측정하기 위해, 상기 테스트 비구면을 위한 탑재설비에 대해서 상대적으로 이동되는 것이다. 광학 파면 센서의 측정 축은, 상기 한정된 영역 내 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들 각각의 내부의 점들의 어레이 사이에서 표면 높이 변화를 측정하기 위해, 상기 테스트 비구면을 위한 탑재설비에 대해서 상대적으로 이동되는 것이다. 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터의 측정 축들의 상대적 이동은 바람직하게는 한 개 이상의 공통 이동 축에 의해 제공되는 것이다. 상기 테스트 비구면 상의 개개의 트레이스들을 측정하기 위한 단일점 프로파일로미터의 상대 이동은 단일의 이동 축에 관련하여 한정되는 것이 바람직하다.
도 1은 광학 파면 센서로 테스트 비구면의 측정치를 얻기 위한 제1 설정에 따른 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터의 다이어그램이다.
도 2는 단일점 프로파일로미터로 테스트 비구면의 측정치를 얻기 위한 제2 설정에 따른 동일한 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터의 다이어그램이다.
도 3은 테스트 비구면 상의 원형 트레이스를 따라 측정치를 얻기 위해 단일점 프로파일로미터의 광축에 대해 기울어진 테스트 비구면을 도시한 분리된 다이어그램이다.
도 4는 (a) 제1 공간적 기준 프레임으로 참조된(referenced to) 광학 파면 센서에 의한 단일의 측정 구역 및 (b) 제2 공간적 기준 프레임으로 참조된 단일점 프로파일로미터의 단일의 측정 트레이스의 조합을 도시하는 테스트 비구면의 사시도로서, 2개의 공간적 기준 프레임들은 설명을 위해서 과장되게 서로 변위되어 있다.
도 5a 내지 도 5l은 광학 파면 센서에 의한 한 개 이상의 측정 구역들과 단일점 프로파일로미터의 한 개 이상의 측정 트레이스들의 조합을 도시하는 테스트 비구면의 유사한 축 도시이다.
도 6은 두 축에 대해서 테스트 비구면을 상대적으로 위치시키는 다중-축 스테이지를 공유하는 상이하지만 평행한 광축들을 따라 동작하는 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터에 대한 대안의 정렬을 도시하는 다이어그램을 도시한다.
통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)로서 본 발명의 일 실시예가 도 1 및 도 2에 도시되어 있으며, 각 도면은 2개의 상이한 동작 설정 상태에 대한 것이다. 도 1에서, 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)는 광학 파면 측정센서(12)로서 측정하기 위해 정렬되어 있다. 도 2에서, 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)는 단일점 프로파일로미터(14)로서 측정하기 위해 정렬되어 있다. 광학 파면 센서(12) 및 단일점 프로파일로미터(14)는 공통 광축(16)과 이 광축(16)을 따라 정렬된 다수의 광학기기를 공유하며, 상기 광학기기는 공통 광원(18)으로부터 테스트 비구면(20)까지 광을 전달한다.
공통 광원(18)은 광의 발산하는 측정 빔(22)을 방출하며 상기 빔(22)은 빔스플리터(24)에 의해 반사되어 광축(16)을 따라 전파한다. 광원(18)은, 예컨대 필요한 빔 발산을 생성하는 빔-성형 광학기기를 구비한 레이저와 같은, 종래의 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터 양자에 공통인 임의의 알려진 광원일 수 있다. 바람직하게는, 광원(18)은 광학 파면 센서(12) 및 단일점 프로파일로미터(14)의 공간 및 시간 코히런스(coherence) 요구사항에 대해서 최적화된다. 광학 파면 센서(12) 및 단일점 프로파일로미터(14)의 독립적인 조명 요구사항을 충족시키기 위해 별도의 광원들이 역시 사용될 수도 있다.
시준 광학기기(collimating optics)(26)는 발산하는 측정 빔(22)을 평탄한 파면을 가진 시준된 측정 빔(28)으로 변환한다. 오브젝티브(objective)(30)는 구형의 테스트 파면(36)을 가진 수렴하는 테스트 빔(34)을 생성하는 한 개 이상의 빔-성형 광학기기를 포함하는 파면 성형기(32)를 포함한다. 다른 형상을 가진 테스트 빔을 생성하기 위해 파면 성형기(32) 내에 대안의 또는 조정 가능한 빔 성형 광학기기가 사용될 수 있다. 테스트 파면(36)의 형상은 바람직하게는 그것이 향하는 테스트 비구면(20)의 구역(38)의 예상된 형상에 가깝다. 광학 파면 센서(12)가 간섭계(interferometer)로서 정렬될 때, 오브젝티브(30)는 시준된 측정 빔(28)의 일부를 평탄한 기준 파면(44)을 가진 기준 빔(42)으로서 역 반사시키는 피조(Fizeau) 기준면(40)을 추가로 포함한다.
테스트 비구면(20)은 3개의 직교하는 병진축(axes of translation)(X, Y, Z)과 2개의 직교하는 회전축(α,β)을 가진 다중-축 스테이지(50) 위에 탑재되는 테스트 부품(46)의 표면이다. 도시된 설정에서, 회전축(α)은 Z 병진축과 평행하게 연장되고 회전축(β)은 Y 병진축과 평행하게 연장된다. 회전축(α,β)은 회전축(α,β)의 어느 하나에 대해 회전 시 서로에 대해 직교 상태로 유지되지만, 회전축(β)에 대한 회전은 X 및 Z 병진축에 대한 회전축(α)의 방위를 변경한다. 테스트 비구면(20)과 광학 파면 센서(12) 또는 단일점 프로파일로미터(14) 사이의 완전한 6 자유도(six degrees of freedom)를 제공하기 위go 필요시 제3의 직교 회전축이 제공될 수 있다. 상기 다양한 병진축 및 회전축은 원하는 상대적 이동(motion)을 달성하기 위해 필요한 다수의 이동 축들을 제한하는 것과 같은 목적을 위해 다른 방법으로 구성될 수 있다. 회전축(α,β)은, 특히 반복성과 최소 오류 이동의 목적을 위해서, 높은 정밀도를 가진 공기 베어링으로서 형성되는 것이 바람직하다. 센서들은 3개의 병진축(X, Y, Z)을 따른 이동과 2개의 회전축(α,β)에 대한 이동의 모니터링을 제공한다.
테스트 비구면(20)의 구역(38)이 구형 테스트 파면(36)의 형상과 그것의 입사점들에서 정합하는 정도까지, 테스트 파면(36)은 자신의 원래 형태로 자신의 원래 경로를 따라 오브젝티브(30)까지 역 반사된다. 따라서, 테스트 비구면(20)은 광축(16)을 따라서 광학 파면 센서(12)의 공초점(confocal) 위치에 위치된다. 조명된 구역(38)의 형상과 구형 테스트 파면(36)의 형상 사이의 그것의 입사점들에서의 어떤 차이는 구역(38)에서 반사된 변조된(aberrated) 테스트 파면(52)에 기록되는 변화를 테스트 빔(34)에 생성한다.
오브젝티브(30) 통과 시, 상기 변조된 테스트 파면(52)은 변조된 평탄 테스트 파면(54)으로 변환된다. (광학 파면 센서(12)가 간섭계로서 정렬된다고 가정할 때) 피조 기준면(40)에서, 변조된 평탄 테스트 파면(54)은 상기 반사된 평탄 기준 파면(44)과 재결합된다. 시준렌즈(26)는, 또 하나의 시준렌즈(56)와 함께, 변조된 평탄 테스트 파면(54)을 평탄 기준 파면(44)과 함께 검출기(60)까지 전달하며, 검출기(60)는 간섭 측정을 목적으로 정렬되는 경우 결과로서 생성된 간섭 패턴을 캡처한다. 오브젝티브(30)는, 검출기 표면(62)의 픽셀들을 구역(38) 내의 대응하는 점들에 관련시키기 위해, 중계 광학기기(26, 56)와 함께 테스트 비구면(20)의 구역(38)의 이미지를 검출기(60)의 검출기 표면(62) 위에 전달한다. 예를 들면, 테스트 파면(36)의 원래 구 형상에 대해서 구역(38) 내 대응하는 점들의 어레이의 높이 변화를 측정하기 위해, 검출기 표면(62)의 픽셀들에 의해 캡처된 상기 간섭 패턴의 다양한 측정된 강도들이 종래 관례에 따라 분석될 수 있다. 구형 테스트 파면(36)의 형상과 구역(38)의 의도된 또는 이상적인 형상 사이의 모든 차이는, 테스트 비구면(20)에서의 오류 측정치(measure of errors)로서 구역(38)의 의도된 형상에 대해서 상기 측정된 높이 변화를 참고하기 위해 역시 고려되어야 한다. 구 형상으로부터 출발한, 파면 성형기(32)에 의해 생성된 테스트 파면들에 대해 유사한 변환이 필요하다.
광학 파면 센서(12)는 간섭계로 동작하는 것으로 설명되었지만, 광학 파면 센서(12)를 파형-측정 기구로서 동작시키기 위해 동일한 기본 구성의 컴포넌트들이 사용될 수 있다. 그와 같은 구성에서, 오브젝티브(30)는 기준 파면(44)을 역 반사시키기 위한 피조 기준면(40)을 포함하지 않는다. 단지 변조된 평탄 테스트 파면(54)만이 검출기(60)에 전달되며, 검출기(60)는 평탄한 형태로부터 변조된 평탄 테스트 파면(54) 내 변화를 측정하는 샤크-하트만(Shack-Hartman) 파면 센서로서 정렬될 수 있다. 검출기 표면(62)의 픽셀들에 의해 기록된 국부적인 변화는 구형 테스트 파면(36)의 원래 형상에 대해서 구역(38) 전체에 걸친 점들의 어레이의 높이 변화를 측정하기 위해 종래 관례에 따라 마찬가지로 분석된다.
일반적으로, 상기 변조된 테스트 파면(54) 내 상기 측정된 수차는 의도된 또는 이상적인 형상으로부터 테스트 비구면(20)의 형상 내 편차(deviation)에 직접 대응하지 않는다. 대신에, 변조된 테스트 파면(54)의 수차는 테스트 파면(36)의 원래 형상에 대하여 측정되며, 이것은, 변조되지 않으면, 평탄한 형태로 검출기(60)에 복귀한다. 그러나, 테스트 파면(36)의 원래 형상은 단지 구역(38)의 이상적인 또는 의도된 형상에 가까워질 수 있다. 따라서, 구역(38)의 형상에서의 오류로서 높이 변화를 측정하기 위해서는, 원래 테스트 파면(36)의 형상과 구역(38)의 의도된 또는 이상적인 형상 사이의 어떤 차이라도 결정되거나 아니면 알려져야 한다. 테스트 파면(36)의 원래 형상을 결정하기 위한 다양한 기법들이 알려져 있으며, 구형 테스트 파면에 대해, 아직 결정되어야 할 것은 테스트 비구면(20) 위의 입사점에서 구형 테스트 파면들의 곡률 반경이다. 이하에 추가로 설명되는 바와 같이, 통합된 단일점 프로파일로미터(14)는 그와 같은 곡률 반경의 직접 측정을 제공한다.
수렴하는 테스트 빔(34)이 테스트 비구면(20)에 입사하는 광학 파면 센서(12)가 도 1에 도시되어 있지만, 테스트 비구면(20)은 다중-축 스테이지(50)의 Z축을 따라 교차점(도 2의 초점(66) 참조)을 지나 병진 이동될 수 있으며 수렴하는 테스트 빔(34)은 상기 교차점에서 오목한 표면 프로파일을 가진 테스트 비구면의 구역들을 유사하게 측정하기 위해 발산하는 테스트 빔이 된다. 대안으로, 발산하는 테스트 빔이 직접 생성될 수 있다. 상기 테스트 비구면(20)의 다른 구역들을 측정하기 위해 상기 다중-축 스테이지(50)의 한 개 이상의 상대 이동이 제공될 수도 있다.
도 2에 도시한 것과 같이, 동일한 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)는 단일점 프로파일로미터(14)로서 측정을 위해 정렬될 수도 있다. 그러나, 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)를 공초점 측정 위치에 상대적으로 위치 설정하는 대신에, 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)는 고양이 눈 측정 위치에 상대적으로 위치 설정될 수 있으며, 상기 고양이 눈 측정 위치에서, 수렴하는 테스트 빔(34)의 초점(66)은 테스트 비구면(20)에 입사한다. 상기 광학기기의 전부 또는 대부분은 광학 파면 센서(14)로서 사용을 위해 정렬된 것과 동일한 것일 수 있다. 그러나, 측정의 편의를 위해, 단일점 프로파일로미터(14)는 수렴하는 테스트 빔(34)의 초점(66)에서 테스트 비구면(20)의 높이 변화를 측정하기 위해 빔스플리터(68)를 가지고 복귀하는 측정 빔(22)의 일부를 초점 검출기(70)에 전환시킨다. 초점 검출기(70)는 강도 검출(intensity detection), 초점 변화(focus variation), 차동 검출(differential detection), 비점수차 방법(astigmatic methods), 푸코 방법(focault methods), 공초점 현미경검사(confocal microscopy), 또는 위상 측정 및 줄무늬 계수 방법(fringe counting methods)과 같은 다양한 종래의 기법들을 사용하여 높이 변화를 해석하는 다양한 종래의 형태를 취할 수 있다.
단일점 프로파일로미터(14)는 테스트 비구면(20) 위의 개개의 점들의 상대적인 높이를 측정하기 위해 선택된 초점 검출 기법의 유형에 따라 최적화될 수 있다. 예를 들면, 광원(18)의 공간적 특성 또는 시간적 특성은, 단일점 프로파일로미터(14)를 위한 제2 광원의 사용을 필요로 할 수 있는 측정 기법에 적응될 수 있다. 상기 제2 광원은 빔스플리터(24)와 유사한 추가의 빔스플리터를 사용하여 상기 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)에 첨부될 수 있다.
초점 검출기(70) 대신에 또는 추가로, 위상 측정 및 줄무늬 계수 간섭 측정법과 같은 측정 기법들을 사용하여 초점(66)에서 높이 변화를 측정하기 위해 검출기(60)가 사용될 수도 있다. 사실, 초점들에서 각도 반전(즉, 반사)에 의해 발생된 간섭 패턴들의 전체적인 외관은 그와 같은 측정 위치들에 대한 고양이 눈 이름이 되었다.
다중-축 스테이지(50)의 Z축을 따라 제공될 때, 광학 파면 센서(12)의 공초점 위치와 단일점 프로파일로미터(14)의 고양이 눈 위치 사이에서 광축(16)을 따라 테스트 비구면(20)에 대한 상기 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)의 상대적인 병진의 양은 테스트 비구면(20) 위의 입사점에서 테스트 파면(36)의 곡률 반경의 측정치(measure)로서(즉, 구역(38)의 국부적인 반경으로서) 모니터링될 수 있다.
테스트 파면(36)과 같은 구형 테스트 파면들은 수렴하는 또는 발산하는 테스트 빔들 내에서 전파하는 내내 구형을 유지하지만, 상기 구형 테스트 파면들의 곡률 반경은 상기 빔의 수렴 및 발산과 함께 변한다. 구형 테스트 표면(20) 위의 입사점에서 원래 테스트 파면(36)의 곡률 반경은 상기 변조된 테스트 파면(52) 내 높이 변화가 측정되는 데이텀으로서 사용을 위해 결정되거나 아니면 알려져야 한다. 따라서, 단일점 프로파일로미터(14)는, 테스트 파면(36)의 곡률 반경을 측정하여 상기 변조된 테스트 파면(52) 내에 내장된 높이 변화가 측정될 수 있는 필요한 데이텀을 제공하기 위해, 광학 파면 센서(12)와 함께 사용될 수 있다. 상기 광학 파면 센서(12) 및 단일점 프로파일로미터(14)는 공통 광축(16)뿐만 아니라 다중-축 스테이지(50)의 병진축(X, Y, Z) 및 회전축(α, β)을 공유하기 때문에, 상이한 축 위치들에서의 중복 측정은 상기 광학 파면 센서(12) 및 단일점 프로파일로미터(14)를 서로에 대해서 및 테스트 비구면(20) 또는 알려진 기준 표면에 대해서 추가로 교정하기 위해 사용될 수 있다.
상기 테스트 비구면(20) 상의 추가의 구역들 또는 점들을 측정하기 위해 상기 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)와 테스트 비구면(20) 사이의 상대적인 이동이 요구된다. 단일점 프로파일로미터(14)의 상대적인 이동은, 상기 이동에 관한 추가 데이터의 수집을 요구하지만, 광학 파면 센서(12)에 의한 측정에서 현실적인 것보다 기울기 또는 곡률에서의 더 큰 변화를 가진 비구면들의 측정을 허용한다.
테스트 비구면 위의 일련의 점들에서 높이 변화를 측정하기 위해, 상기 단일점 측정이 이루어지는 상대적 위치들에서의 변화는 상기 측정된 높이 변화를 상기 비구면 상의 위치들에 관련시키기 위해 역시 기록되어야 한다. 다중-축 스테이지(50)에 의해 제공될 수 있는, 광축(16) 상의 초점(66)의 상대적 병진 및 회전은 상기 높이 변화들이 참조되는 데이텀으로서 표면을 정의한다. 복수의 이동 축들은 위치 설정 오류들을 혼합하고 상기 측정 데이텀이 정의될 수 있는 정확도를 손상시키는 경향이 있다. 따라서, 상기 단일점 프로파일로미터 측정은 단일의 병진축(X, Y 또는 Z) 또는 회전축(α 또는 β)과 관련한 상대 이동에 의해 생성된 개별 트레이스들을 따라 테스트 비구면(20) 상의 일련의 점들로서 얻어지는 것이 바람직하다.
도 3에서, 회전 대칭으로 가정되는 테스트 비구면(20)은 회전축(β)에 대해서 고정된 각도(β1)로 경사를 이루고, 초점(66)이 테스트 비구면(20) 위의 원형 트레이스(76)를 따라 이동되는 일련의 측정 위치들을 거쳐 회전축(α)에 대해서 회전된다. 회전축(α)에 대한 회전이동은 바람직하게는 연속적이고 상기 일련의 측정 위치들에서 개별 측정들은 바람직하게는 주어진 샘플링 레이트 또는 통합 간격으로 수집된다. 3개의 병진축(X, Y, Z) 뿐만 아니라 회전축(β)은 상기 측정들 모두에 대해서 고정된다. 바람직하게는 높은 정확도, 반복성 및 해상도를 가진 축인 회전축(α)에 대해서만 이동이 일어난다. 트레이스(76)를 따르는 측정된 점들 사이에서 캡처되어야 하는 유일한 위치 데이터는 α축에 대한 각도 위치의 변화이다. 상기 측정의 확실성을 평가하기 위해 또는 상기 측정들의 정확성을 향상시키기 위해 반복된 측정이 동일한 트레이스(76)를 따라 취해질 수 있다. 테스트 비구면(20)의 다른 부분들에 대해서 정보를 수집하기 위해 다중-축 스테이지(50)의 상이한 설정에서 높은 정확도로 유사한 트레이스들이 측정될 수 있다. 개별 트레이스들을 따르는 점들이 측정될 수 있는 높은 상대 위치 정확도는 개별 트레이스를 따르는 측정된 점들이 공통의 공간적 기준 프레임을 공유하는 것을 가능하게 한다. 상기 트레이스들의 각각과 관련된 공간적 기준 프레임(즉, 상기 트레이스의 상대 방위 및 위치)은 상기 개개의 트레이스들 동안에 고정되는 축들(예컨대, X, Y, Z, β)의 상대 위치들의 측정들로부터 어림잡을 수 있다. 그러나, 상기 공간적 기준 프레임들이 개개의 프레임들에 대해 알려지는 정확도는 일반적으로 상기 점들이 측정될 필요가 있는 정확도보다 낮다. 2개 이상의 축과 관련한 이동은 회전대칭 또는 병진대칭이 부족한 비구면 상의 트레이스들을 따르는 일련의 점들을 측정하기 위해 필요할 수 있지만, 이동 축들의 개수는 각각의 트레이스 내 측정된 점들 사이의 오류 근원을 감소시키기 위해 최소화되는 것이 바람직하다.
도 4에 예시한 바와 같이, 광학 파면 센서(12)는 한정된 영역(84) 전체에서 인접한 측정된 점들(81)의 어레이를 획득하고 단일점 프로파일로미터(14)는 테스트 비구면(20)의 확대된 영역(86) 내 자오선 트레이스(meridional trace)(82)를 따르는 일련의 측정된 점들(83)을 획득한다. 이 실시예에서, 달리 복수의 중첩하는 측정 구역들을 포함할 수 있는, 광학 파면 센서(12)에 의해 측정된 한정된 영역(84)은 단일의 중심 구역(80)을 포함하며, 이 구역(80) 내에서 상기 측정된 점들(81)은 광학 파면 센서(12)의 단일 설정에서 획득된다. 마찬가지로, 달리 확대된 영역(86)을 더욱 철저히 규정하는 복수의 트레이스를 포함할 수 있는 확대된 영역(86)은, 상기 측정된 점들(83)이 단일점 프로파일로미터(14)의 단일 설정에서 획득되는 단일의 자오선 트레이스(82)를 포함한다.
자오선 트레이스(82)는 테스트 비구면(20)에 대한 회전대칭의 가정이 없으면 확대된 영역(86)을 다소 모호하게 만들지만, 확대된 영역(86)은 한정된 영역(84)을 넘어 연장되는 동시에 한정된 영역(84)과 명백히 중첩한다. 따라서, 한정된 영역(84)은 테스트 비구면(20) 내 상대적으로 한정된 공간의 측정을 제공하는 반면 확대된 영역(86)은 전체 테스트 비구면(20)의 속성의 측정을 제공한다.
상기 한정된 영역(84)의 중심 구역(80) 내 측정된 점들(81)의 어레이는 다중-축 스테이지(50)의 축들(X, Y, Z, α, β)의 측정된 위치들에 기초하여 제1 공간적 기준 프레임(R1)으로 참조되며, 상기 축들은 광학 파면 센서(12)에 의해 중심 구역(80)의 획득 동안에 고정된다. 중심 구역(80) 내 측정된 점들(81) 모두는 동일한 제1 공간적 기준 프레임(R1)을 공유하지만, 검출기 표면(62)으로부터 외삽된(extrpolated) 중심 구역(80) 내 그것들 각각의 높이 측정치 및 그것들의 위치만큼 제1 공간적 기준 프레임(R1) 내에서 상이하다. 또한, 자오선 트레이스(82)를 따르는 상기 일련의 측정된 점들(82)은 단일점 프로파일로미터(14)에 의한 자오선 트레이스(82)의 획득 동안 다중-축 스테이지(50)의 고정된 축들(X, Y, Z, α)의 측정된 위치들에 기초하여 제2 공간적 기준 프레임(R2)으로 참조된다. 자오선 트레이스(82)를 따라서 측정된 점들(83) 모두는 동일한 제2 공간적 기준 프레임(R2)을 공유하지만, 그것들 각각의 높이 측정치 및 다중-축 스테이지(50)의 회전축(β)에 대해서 측정된 그것들의 상대적 변위만큼 제2 공간적 기준 프레임(R2) 내에서 상이하다. 공간적 기준 프레임들(R1, R2)은 직각 좌표 또는 다른 좌표로 정의될 수 있다.
단일의 자오선 트레이스(82)를 따르는 특정 수의 측정된 점들(83)은 중심 구역(80) 내 동일한 수의 측정된 점들(81)과 명목상 일치하며, 한 세트의 쌍을 이룬 명목상 일치하는 점들(85, 87)을 정의한다. 좌표 축(X, Y, Z, α, β)을 통해 2개의 공간적 기준 프레임들(R1, R2)의 측정된 방위들에 기초하여, 측정된 점들(81, 83)은 명목상 일치하는 점들(85, 87)을 식별하기 위해 공통의 글로벌 그리드 위에 투사될 수 있다. 중심 구역(80)의 측정된 점들(85)과 자오선 트레이스(82)의 측정된 점들(87) 사이의 정확한 일대일 대응이 항상 발견되는 것은 아니지만, 필요한 일치는, 테스트 비구면(20)의 인접한 구역 전체에 분산된, 중심 구역(80)의 측정된 점들(81) 사이를 내삽하여(interpolation) 쉽게 달성될 수 있다. 본질적으로, 한 구역과 교차하는 선을 따르는 점들 모두는 그 구역 내의 대응하는 점들을 가진다. 따라서, 상기 측정된 점들은, 그것들의 측정치가 상이한 기준 프레임들 때문에 또는 점들의 밀도 또는 그것들이 측정되는 정확도에 대한 한계와 같은 다른 이유 때문에 다를지라도, 명목상 일치하는 점들로서 일치하는 것으로 간주될 수 있다.
자오선 트레이스(82)가 중심 구역(80)과 중첩하는 점들(85, 87) 사이에서 명목상 공간적 일치가 발견될 수 있지만, 일치하는 점들(85, 87)의 측정된 상대 높이는 더욱 미세한 스케일에서 종종 서로 다르다. 광학 파면 센서(12)와 단일점 프로파일로미터(14) 양자는 일반적으로 그것들의 공간적 기준 프레임들(R1, R2)에 대해서 높이 변화를, 그것들의 대응하는 공간적 기준 프레임들(R1, R2)의 위치 및 방위가 알려지는 정확도보다 더 높은 매우 높은 정확도까지, 측정하는 것이 가능하다. 상기 측정된 높이 차이들은 그것들의 대응하는 공간적 기준 프레임들(R1, R2)의 상대적인 위치 및 방위에서의 작은 오차에 기인할 수 있다고 가정함으로써, 상기 2개의 공간적 기준 프레임들(R1, R2)을 그것들의 오차 마진 내에서 상대적으로 조정하여(예컨대, 좌표 변환에 의해), (이 예에서 공간적 기준 프레임들(R1, R2) 중 어느 하나일 수 있는) 공통의 공간적 기준 프레임에 대한 일치하는 점들(85, 87) 사이의 측정된 높이 차이를 전체적으로 최소화하기 위해, 수렴 알고리즘이 사용될 수 있다. 상기 중심 구역(80) 내의 나머지 점들(81)과 자오선 트레이스(82)를 따르는 나머지 점들(83) 모두는 동일한 2개의 공간적 기준 프레임들(R1, R2)에 대해서 측정되기 때문에, 상기 수렴 알고리즘은 중심 구역(80) 내의 및 자오선 트레이스(82)를 따르는 모든 측정된 점들(81, 83)을 테스트 비구면(20)의 한정된 영역(84) 및 확장된 구역(86)의 복합 측정으로서 상기 공통의 공간적 기준 프레임에 관련시킨다.
광학 파면 센서들의 중첩하는 구역들을 함께 스티칭(stitching)하기 위한 이 종류의 알고리즘들은 이미 잘 알려져 있다. 그와 같은 알고리즘의 예들은 Golini 등의 미국 특허 제6,956,657호, Murphy 등의 미국 특허 제7,433,057호 및 제8,203,719호에서 찾을 수 있으며, 이것들의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 이 알고리즘들은, 자오선 트레이스(82)를 따르는 측정된 점들(83)의 모두가 공통의 공간적 기준 프레임(R2)을 공유한다는 가정에 기초하여 단일점 프로파일로미터(14)의 트레이스들(예컨대, 82)과 광학 파면 센서(12)의 구역들(예컨대, 80)을 함께 스티칭하기 위해 마찬가지로 사용될 수 있다. 트레이스들(예컨대, 82)을 따라서 측정 데이터가 캡처되는, 단일점 프로파일로미터(14)의 상대 이동들을 제한함으로써 그리고 이 이동들(예컨대, 회전축(β)에 대하여 제한된 이동과 같은)을 실행하기 위한, 공기 베어링과 같은, 높은 정밀도 축들을 사용함으로써, 개별 트레이스들(예컨대, 82)을 따르는 측정된 점들(예컨대, 83)에 대해 단일의 기준 프레임들(예컨대, R2)이 가정될 수 있다.
상기 수렴 알고리즘들은, 다중-축 스테이지(50)로부터 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)에 대한 테스트 비구면(20)의 상대 위치들의 측정치뿐만 아니라 광학 파면 센서(12)의 검출기(60) 및 단일점 프로파일로미터(14)의 검출기(70) 양자로부터 높이 측정치(또는 그렇게 해석될 수 있는 정보)를 수신하는 프로세서(72)(도 1 및 도 2 참조)에 액세스 가능한 컴퓨터 메모리 내에, 프로그램될 수 있다. 일반적으로, 공간적 기준 프레임들(예컨대, R1, R2)은 주어진 구역(예컨대, 80) 또는 트레이스(예컨대, 82)에 대한 데이터의 수집 동안에 고정되는 다중-축 스테이지(50)의 축들의 위치들로부터 도출된다. 그러나, 상기 공간적 기준 프레임들 내의 측정된 점들(예컨대, 81, 83)의 위치들은 광학 파면 센서(12) 및 단일점 프로파일로미터(14)에 대해 다르게 도출된다. 예를 들면, 중심 구역(80) 내 측정된 점들(81)의 위치들은 테스트 비구면(20)의 중심 구역(80)을 주어진 배율에서 검출기 표면(62) 위에 재생성하기 위한 광학 파면 센서(12)의 이미징 특성에 기초할 수 있다. 자오선 트레이스(82)를 따르는 측정된 점들(83)의 위치들은, 높은 정확도까지 측정될 수 있는, 바람직하게는 단일의 축(예컨대, β)과 관련하여 측정된 점들(83) 사이의 측정된 이동들에 기초할 수 있다. 개별 트레이스들(예컨대, 82)을 따르는 측정에 있어서 상기 축(예컨대, β)의 높은 정밀도는 전달된 이동이 의도된 축(예컨대, β)에 대한 이동으로 제한되고 궁극적인 측정의 원하는 정확도 내의 다른 것에 전혀 제한되지 않는 것을 보장한다.
예를 들면, 상기 한 개 이상의 구역들 각각의 공간적 기준 프레임은 한 세트의 파면 센서 보상기들에 의해 정의될 수 있으며, 이것들 각각은 상기 구역 공간적 기준 프레임에 대해 알려진 변수의 영향을 나타내는 기능적 형태 및 진폭을 가진다. 마찬가지로, 상기 한 개 이상의 트레이스들의 각각의 공간적 기준 프레임은 한 세트의 프로파일로미터 보상기들에 의해 정의될 수 있으며, 이것들 각각은 상기 트레이스 공간적 기준 프레임에 대해 알려진 변수의 영향을 나타내는 기능적 형태 및 진폭을 가진다. 상기 보상기들 각각은, 예를 들면, 공간적 기준 프레임에 대한 이동 축의 효과를 정의하도록 정렬될 수 있다. 매핑 왜곡, 측정 바이어스(예컨대, 기준 파(reference wave), 빔 처짐(beam sag)), 기구 전달함수(instrument transfer function), 및 노이즈 특성을 정의하는 것과 같은 목적을 위해 추가의 보상기들이 사용될 수 있다.
상기 테스트 비구면 상의 한 개 이상의 구역들의 한 개 이상과 중첩하는 한 개 이상의 트레이스들은 한 세트의 중첩하는 표면 높이 측정치를 정의한다. 상기 프로세서는 상기 파면 센서 보상기들 및 상기 단일점 프로파일로미터 보상기들의 진폭을 식별함으로써 상기 광학 파면 센서의 표면 높이 측정치와 상기 단일점 프로파일로미터의 표면 높이 측정치를 결합하며, 그것에 의해 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터의 중첩하는 표면 높이 측정치 사이의 차이는 공통의 기준 프레임 내에서 최소화된다.
도 5a 내지 도 5l은 광학 파면 센서(12)에 의해 캡처된 구역들 및 단일점 프로파일로미터(14)에 의해 캡처된 트레이스들의 다양한 조합을 도시하며, 광학 파면 센서(12) 및 단일점 프로파일로미터(14)의 측정들이 테스트 비구면(20)의 상이한 구역들에 대해 복합 측정을 생성하기 위해 결합될 수 있는 상이한 방법들을 예시하고 있다.
평면도와 비교를 위해, 도 4의 단일 중심 구역(80) 및 자오선 트레이스(82)가 도 5a에 다시 도시되어 있다. 도 5a 및 전형적인 시퀀스의 다른 도면들(도 5b 내지 도 5j)에는 도시하고 있지 않지만, 구역들(예컨대, 80) 각각의 내부의 점들(예컨대, 81)의 어레이 및 트레이스들(예컨대, 82)의 각각을 따르는 일련의 점들(예컨대, 83)은 좌표 변환에 의해 상대적으로 적응 가능한 개별적인 공간적 기준 프레임들(예컨대, R1, R2)에 대해서 측정된다. 구역들(예컨대, 80)에 의해 점유된 인접한 구역들은 광학 파면 센서(12)에 의해 측정된 한정된 영역들로서 간주되며 측정 값들이 상기 트레이스들로부터 외삽될 수 있는 구역들은 단일점 프로파일로미터(14)에 의해 측정된 확대된 영역들로서 간주된다. 단일점 프로파일로미터(14)에 의해 측정된 상기 확대된 영역들은 테스트 비구면(20)의 일부 또는 전체를 대표하는 측정치를 포함할 수 있지만, 일반적으로 점들의 밀도는 훨씬 더 낮다.
도 5b에서, 광학 파면 센서(12)의 단일 중심 구역(100)은 단일점 프로파일로미터(14)의 2개의 트레이스(102, 104)에 의해 교차되며 이것들은 단일 중심 구역(100)을 지나서 연장하여 테스트 비구면(20)의 측정을 단일 중심 구역(100) 넘어 확대한다. 상기 단일 중심 구역(100) 전체에 걸친 높이 측정은 제1 공간적 기준 프레임을 갖고, 제1 트레이스(102)를 따르는 높이 측정은 제2 공간적 기준 프레임을 가지며, 제2 트레이스(104)를 따르는 높이 측정은 제3 공간적 기준 프레임을 가진다. 상기 2개의 트레이스(102, 104)는 제1 및 제2의 일치하는 점들(105, 107)에서 단일 중심 구역(100)과 교차한다. 상기 수렴 알고리즘은, 상기 제1 및 제2 세트의 일치하는 점들(105, 107) 사이의 차이가 중심 구역(100)과 제1 및 제2 트레이스들(102, 104)에 대한 공통의 기준 프레임 내에서 최소화되도록, 상기 제2 및 제3 기준 프레임들 각각을 제1 기준 프레임에 적응시키기 위해 사용될 수 있다.
앞의 실시예와 유사하게, 도 5c는 광학 파면 센서(12)에 의해 획득된 단일 구역(110)과 단일점 프로파일로미터(14)에 의해 획득된 제1 및 제2 트레이스들(112, 114)을 도시한다. 앞의 실시예와 달리, 2개의 트레이스(112, 114) 중 오직 하나, 즉 제1 트레이스(112)만 제1 세트의 명목상 일치하는 점들(115)을 따라 단일 중심 구역(110)과 교차한다. 그러나, 2개의 트레이스(112, 114)는 단지 2쌍의 명목상 일치하는 점들(117, 119)을 포함하는 제2 세트의 명목상 일치하는 점들에서 서로 교차한다. 상기 단일의 중심 구역(110) 내의 측정된 점들의 어레이는 제1 기준 프레임을 공유하고, 제1 및 제2 트레이스(112, 114)를 따르는 일련의 점들은 각각 제2 및 제3 기준 프레임들을 공유한다. 프로세서(72)에 의해 수행된 알고리즘은, 제1 세트 내의 명목상 일치하는 점들(115) 사이의 차이 및 상기 2쌍의 명목상 일치하는 점들(117, 119) 사이의 차이가 공통의 기준 프레임 내에서 총체적으로 최소화되도록, 제1, 제2 및 제3 기준 프레임들을 서로에 대해서 상대적으로 적응시키는 것이 바람직하다. 상기 적응들은 또한 예컨대, 제2 및 제3 기준 프레임을 제1 및 제2 트레이스(112, 114)에 대한 중간 기준 프레임에 적응시키고 그 다음에 상기 중간 기준 프레임을 상기 제1 기준 프레임에 상대적으로 적응시킴으로써, 순차적으로 일어나는 것이 가능하다. 대안으로, 프로세서(72)에 의해 수행된 알고리즘은 맨 먼저, 중간 기준 프레임 내에서 제1 세트(115) 내의 명목상 일치하는 점들 사이의 차이를 최소화시키기 위해 상기 제1 및 제2 기준 프레임을 서로에 대해 상대적으로 적응시키고, 다음으로 상기 공통의 기준 프레임 내에서 상기 2쌍의 명목상 일치하는 점들(117, 119) 사이의 차이를 최소화시키기 위해 상기 중간 기준 프레임을 제3 기준 프레임에 상대적으로 적응시킬 수도 있다.
도 5d는 단일 중심 구역(120)과 제1 및 제2 자오선 트레이스(122, 124)의 또 다른 실시예를 도시한다. 그러나, 자오선 트레이스들(122, 124)은 단일 중심 구역(120)과 교차하고 단일 중심 구역(120) 내에서 서로 교차한다. 제1 및 제2 자오선 트레이들(122, 124) 사이의 교차는 단일 쌍의 명목상 일치하는 점들(125)에서 일어난다. 그러나 자오선 트레이스들(122, 124)의 각각은 두 세트의 명목상 일치하는 점들(127, 129)을 따라 단일 중심 구역(120)과 교차한다. 제1 및 제2 자오선 트레이스들(122, 124)의 2개의 기준 프레임들 각각을 단일 중심 구역(110)의 기준 프레임에 적응시키기 위해 이용할 수 있는 점들이 훨씬 더 많기 때문에, 자오선 트레이스들(122, 124)의 2개의 기준 프레임을 서로에 대해 상대적으로 적응시키는 것보다 자오선 트레이스들(122, 124)의 2개의 기준 프레임을 단일 중심 구역(120)의 기준 프레임에 상대적으로 적응시키는데 더 많은 가중치가 주어진다. 그러나, 만일 제1 및 제2 자오선 트레이스들(122, 124)의 2개의 기준 프레임이 중간 기준 프레임에 더 높은 정밀도로(예컨대, 사전-교정에 의해) 관련된 것으로 이미 알려졌다면, 상기 중간 기준 프레임은 단일 중심 구역(120)의 기준 프레임에 상대적으로 적응될 수 있을 것이다. 상기 다양한 가중치부여 스킴들은 3개의 기준 프레임들을 서로에 대해 총체적으로 적응시키는 수렴 알고리즘 내에서 점 단위(point-by-point basis)로 적용될 수도 있다.
도 5e는 광학 파면 센서(12)에 의해 획득된 2개의 구역(130, 132)이 단일점 프로파일로미터(14)에 의해 획득된 단일 자오선 트레이스(134)에 의해 둘 다 교차되는 실시예를 도시한다. 각 구역 내의 측정된 점들이 상이한 공간적 기준 프레임을 갖도록 2개의 구역(130, 132)을 캡처하기 위해, 다중-축 스테이지(50)에 의해 제공될 수 있는, 테스트 비구면(20)에 대한 광학 파면 센서(12)의 상대 이동이 요구된다. 상기 2개 구역(130, 132)의 각각의 기준 프레임들은 명목상 일치하는 점들(135, 137)의 그것들 각각의 세트를 최소화시키기 위해 자오선 트레이스(134)의 기준 프레임에 상대적으로 별도로 적응될 수 있다. 그러나, 만일 2개 구역들(130, 132)의 기준 프레임들이 서로에 대해 사전-교정된다면(예컨대, 단일의 이동 축에 의해), 2개 구역들(130, 132)의 공통의 중간 기준 프레임은 자오선 트레이스(134)의 기준 프레임에 상대적으로 적응될 수 있을 것이다.
도 5f는 제1 및 제2 트레이스(144, 146)에 의해 각각 교차되는 제1 및 제2 구역(140, 142)이 중첩하는 실시예를 도시한다. 제1 트레이스(144)의 기준 프레임은 대응하는 점들(145)을 최소화시키기 위해 제1 구역(140)의 기준 프레임에 상대적으로 적응될 수 있고, 제2 트레이스(146)의 기준 프레임은 대응하는 점들(147)을 최소화시키기 위해 제2 구역(142)의 기준 프레임에 상대적으로 적응될 수 있으며, 제1 및 제2 구역(140, 142)의 기준 프레임들은 대응하는 점들(149)을 최소화시키기 위해 서로에 대해 상대적으로 적응될 수 있다. 상기 다양한 적응들은 총체적으로 또는 조금씩 단계적으로(in stages)(즉, 동시에 또는 순차적으로) 수행될 수 있다. 예컨대, 상이한 기준 프레임 데이터의 묶음들의 동시 스티칭 후 쌍으로 스티칭되는 것과 같은 혼합 접근법이 사용될 수도 있다.
도 5g는 단일 중심 구역(150), 복수의 동심원 트레이스(152a~152f), 및 한 세트의 명목상 일치하는 점들(153)을 따라 단일 중심 구역(150)과 교차하고 복수의 동심원 트레이스(152a ~ 152f)의 각각과 2개의 명목상 일치하는 점들(155a ~ 155f, 157a ~ 157f)에서 교차하는 단일의 자오선 트레이스(154)를 도시한다. 또한, 전체 동심원(152a)은 한 세트의 명목상 일치하는 점들(159)을 따라 중심 구역(150)과 교차한다. 동심원 트레이스들(152a ~ 152f)에 대한 각각의 기준 프레임들은 공통의 중간 기준 프레임 내에서 명목상 일치하는 점들(155a ~ 155f, 157a ~ 157f) 사이의 차이를 최소화시킴으로써 단일 자오선 트레이스(154)의 기준 프레임에 상대적으로 적응될 수 있으며, 상기 중간 기준 프레임은 단일 중심 구역(150), 상기 복수의 동심원 트레이스들(152a ~ 152f), 및 단일 자오선 트레이스(154)에 대한 글로벌 기준 프레임 내에서 상기 2 세트의 명목상 일치하는 점들(153, 159) 사이의 차이를 최소화시킴으로써 단일 중심 구역(150)의 기준 프레임에 상대적으로 적응될 수 있다. 물론, 상기 적응들이 상기 기준 프레임들 사이에서 만들어지는 순서는 변경될 수 있지만, 만일 동심원 트레이스(152a) 및 자오선 트레이스(154)가 단일 중심 구역(150)의 기준 프레임에 총체적으로 적응된다면, 2개의 트레이스(152a, 154)의 기준 프레임들은 바람직하게는 서로에 대해 먼저 적응된다. 이전 실시예에서와 같이, 상기 기준 프레임들이 적응되는 순서는 상기 적응들이 만들어지는 상대적 가중치의 이해를 돕기 위해 주로 제공되며, 그와 같은 고려사항은 공통의 글로벌 기준 프레임에 상기 기준 프레임들 모두를 동시에 적응시키기 위한 알고리즘에 쉽게 포함될 수 있다.
도 5h는 유사한 단일 중심 구역(160)과 유사한 복수의 동심원 트레이스들(162a ~ 162f)을 포함하지만, 복수의 자오선 트레이스들(164a ~ 164d)을 추가로 포함한다. 상기 명목상 일치하는 점들의 세트들은 중첩하는 점들 및 선들로부터 명백하다. 자오선 트레이스들(164a ~ 164d)은 단일점에서 서로 중첩하고, 2개의 점에서 동심원 트레이스들(162a ~ 162f)의 각각에 중첩하며, 점들의 세트들을 따라 중심 구역(160)과 중첩한다. 동심원 트레이스들 중 하나(162a)는 전체 원주에 해당하는 한 세트의 점들을 따라 중심 구역(160)과 중첩한다. 중심 구역(160) 및 복수의 동심원 트레이스들(162a ~ 162f) 및 복수의 자오선 트레이스들(164a ~ 164d)에 대한 기준 프레임들이 비교할만한 정확도까지 알려진 것으로 가정하면, 상기 기준 프레임들의 서로에 대한 상대적 적응은 상기 기준 프레임들에 의해 공유된 명목상 일치하는 점들의 개수에 따라 가중치 부여되는 것이 바람직하다.
도 5i는 중심 구역(170), 동심원 트레이스들(172a ~ 172f), 및 도 5h의 자오선 트레이스들(170a ~170d)을 포함하지만, 중심 구역(170)과 중첩하는 일단의 추가 구역들(170a ~ 170h)도 포함한다. 따라서, 광학 파면 센서(12)에 의해 측정된 한정된 영역(176)은 중심 구역(170) 및 주변의 중첩하는 구역들(170a ~ 170h)에 의해 덮인 인접한 구역에 의해 정의된다. 단일점 프로파일로미터(14)에 의해 측정된 확대된 영역(178)은 전체 비구면(20)을 덮는다. 구역들(170, 170a ~ 170h) 사이의 더 많은 수의 명목상 일치하는 점들 때문에, 각각의 구역들(170, 170a ~ 170h)의 기준 프레임들을 상기 글로벌 기준 프레임에 상대적으로 적응시키는데 더 많은 가중치가 일반적으로 주어진다. 더 적은 수의 명목상 일치하는 점들 때문에, 동심원 트레이스들(172a ~ 172c) 및 자오선 트레이스들(174a ~ 174d)의 기준 프레임들을 상기 글로벌 기준 프레임에 적응시키는데 더 적은 양의 가중치가 일반적으로 주어진다. 최소 개수의 명목상 일치하는 점들 때문에, 단지 자오선 트레이스(174a ~ 174d)와 교차하는 나머지 동심원 트레이스들(172d ~ 172f)의 기준 프레임들을 적응시키는데 최소 양의 가중치가 일반적으로 주어진다.
도 5j는 복수의 동심원 트레이스들(182a ~ 182f)과 총체적으로 중첩하는 일련의 측 방향 구역들(180a ~ 180f) 사이에 놓여 있는 중심 구역(180)을 포함한다. 모든 구역들(180, 180a ~ 180f)은 광학 파면 센서(12)에 의해 측정된 한정된 영역(186)을 함께 정의한다. 단일점 프로파일로미터(14)에 의해 측정되는 동심원 트레이스들(182a ~ 182f)은 비구면(20)과 같은 넓이를 가지는(coextensive) 확대된 영역(188)을 정의한다. 도 5i의 이전 실시예와 유사하게, 모든 구역들(180, 180a ~ 180h) 및 모든 트레이스들(182a ~ 182f)의 기준 프레임들은 다른 구역들 또는 트레이스들 내의 명목상 일치하는 점들을 최소화시킴으로써 서로에 대해 상대적으로 적응되며 그에 의해 모든 구역들(180, 180a ~ 180h) 및 모든 트레이스들(182a ~ 182f)에 대한 글로벌 기준 프레임을 정의한다.
도 5k는, 2개의 별도의 한정된 영역들(196, 197)이 광학 파면 센서(12)에 의해 측정되고 전체 비구면(20)을 덮는 확대된 영역(198)이 단일점 프로파일로미터(14)에 의해 측정되는 실시예를 도시한다. 제1 한정된 영역(196)은 단일 중심 구역(190)에 의해 정의되고, 제2 한정된 영역(197)은 둘레에 위치하는 일련의 중첩 구역들(190a ~ 190p)에 의해 정의된다. 광학 파면 센서(12)에 의해 측정된 상기 2개의 한정된 영역들(196, 197)은 4개의 자오선 트레이스들(194a ~ 194d)에 의해 상호접속된다. 복수의 동심원 트레이스들(192a ~ 192f) 중에서, 동심원 트레이스(192a)는 전체가 제1 한정된 영역(196) 내에 위치하고 동심원 트레이스들(192d ~ 192f)은 전체가 제2 한정된 영역(197) 내에 위치한다. 상기 구역들(190, 190a ~ 190p) 및 트레이스들(192a ~ 192f, 194a ~ 194d)과 관련된 다양한 기준 프레임들은 그것들의 명목상 일치하는 점들에 따라 서로 상대적으로 적응될 수 있다. 상기 각각의 기준 프레임들이 관련되는 순서 또는 상기 순서에 의해 표시된 상대적 가중치부여의 어느 하나는 명목상 일치하는 점들의 각각의 개수 및 상기 측정이 이루어지는 상대적 확실성에 따라 변경될 수 있다.
도 5l은 광학 파면 센서(12)에 의해 측정되는 5개의 별도의 한정된 측정 구역들과 단일점 프로파일로미터(14)에 의해 측정되는 제6의 확대된 측정 구역을 도시한다. 제1 한정된 영역은 중심 구역(200)에 해당하고, 제2 내지 제5 한정된 영역들은 각각 주변 구역들(200a ~ 200d)에 해당한다. 비구면(20)과 같은 넓이를 가진 제6의 확대된 영역은 동심원 트레이스들(202a ~ 220f) 및 자오선 트레이스들(204a ~ 204b)에 의해 정의된다. 상기 구역들(200, 200a ~ 200d) 및 트레이스들(202a ~ 202f, 204a, 204b)과 관련된 다양한 기준 프레임들은 일반적으로 그것들의 명목상 일치하는 점들의 개수에 따라 글로벌 기준 프레임에서 서로에 대해 상대적으로 적응될 수 있다. 또한, 순서 또는 가중치 부여는 상기 시스템의 정확도에 따라 변경될 수 있다.
도 5a 내지 도 5l의 다양한 구역들 및 트레이스들은 반지름 및 축 대칭으로 그리고 심지어는 이격되어 배치된 것으로 도시되어 있으며 이것은 종종 바람직하기도 하지만, 상기 다양한 트레이스들 및 구역들은, 예컨대 유사한 대칭이 부족한 테스트 표면들 또는, 관심 있는, 불연속의, 또는 특이한 특징을 가진 특별한 구역들을 포함하는 테스트 표면들을 수용하기 위한 것과 같이, 측정의 목표를 수용하기 위해 비대칭적으로 및 고르지 않게 배치될 수 있다. 광학 파면 센서에 의한 측정 구역들은 또한, 충분한 개수의 명목상 일치하는 점들이 상기 트레이스들을 공통의 기준 프레임에 완전히 관련시키기 위해 이용될 수 있도록, 상기 단일점 프로파일로미터에 의해 측정된 트레이스들의 교차점들에 위치될 수 있다. 그러나, 가능한 경우, 상기 구역들 또는 개별 트레이스를 따르는 점들 사이의 이동 축들의 개수는 최소화되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 다양한 구역들 및 트레이스들은 광학 파면 센서(12) 및 단일점 프로파일로미터(14)를 개별적으로 또는 서로 관련하여 교정하기 위해 결합될 수 있다.
광학 파면 센서(212) 및 단일점 프로파일로미터(214)가 병렬로 정렬되는 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(210)의 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 광학 파면 센서(212)는 제1 광축(216)을 따라 동작하고, 단일점 프로파일로미터(214)는 제2 평행 광축(276)을 따라 동작한다. 도 1 ~ 도 3의 다중-축 스테이지(50)와 유사한 공통 다중-축 스테이지(250)는, 광학 파면 센서(212) 또는 단일점 프로파일로미터(214)를 가지고 테스트 비구면(20)을 번갈아 측정하기 위해 광축(216, 276)의 어느 하나를 따르는 측정을 위해 테스트 비구면(20)을 위치 설정하기 위해, 그것의 X축을 따르는 증가된 이동에 적응된다.
광학 파면 센서(212)의 구성요소들은 광학 파면 센서(12)에 대해 미리 설명된 구성요소들과 유사할 수 있다. 그러나, 상기 구성요소들은 파면 검출을 위해 최적화될 수 있다. 예를 들면, 광원(218)은 광학 파면 센서(212)의 공간 및 시간 코히런스 요구사항에 대해서 최적화되는 것이 바람직하다. 시준 광학기기(226)는 광원(218)에 의해 방출된 발산하는 측정 빔(222)을 평탄한 파면을 가진 시준된(collimated) 측정 빔(228)으로 변환한다. 오브젝티브(230)는 구형 테스트 파면(236)을 가진 수렴하는 테스트 빔(234)을 생성하는 한 개 이상의 빔-성형 광학기기를 포함하는 파면 성형기(232)를 포함하며, 구형 테스트 파면(236)의 크기는 테스트 비구면(20)상의 구역(238)의 곡률에 대략 일치한다. 광학 파면 센서(212)를 추가로 최적화하여 테스트 비구면(20)의 더 큰 변화를 수용하기 위해, 파면 성형기(232) 내에 대안의 또는 조정 가능한 빔 성형 광학기기는 다른 형상을 가진 테스트 빔을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
테스트 비구면(20)을 가진 테스트 부품(46)은 다중-축 스테이지(250) 위에 탑재되며, 상기 다중-축 스테이지(250)는 다중-축 스테이지(50)과 유사하지만, 광학 파면 센서(212) 또는 단일점 프로파일로미터(214)의 어느 하나에 의한 측정 위치들 사이에서 테스트 비구면(20)을 이동하기 위한 X축을 따르는 확대된 이동 범위를 포함한다.
테스트 비구면(20)은, 테스트 비구면(20)으로부터의 역 반사된 테스트 파면(252)에서의 임의의 변화, 즉 수차들이 구역(38)의 형상과 테스트 파면(236)의 원래 형상 사이의 차이에 대응하도록, 광학 파면 센서(212)의 공초점 위치에 광축(216)을 따라서 위치된다.
오브젝티브(230)는 돌아오는 변조된 테스트 파면(252)을 변조된 평탄 테스트 파면(254)으로 변환한다. 시준렌즈(226)는 또 다른 이미징 광학기기(256)와 함께 상기 변조된 평탄 테스트 파면(254)을 검출기(260)까지 전달한다. 또한, 오브젝티브(230)는, 전달 광학기기(226, 256)와 함께, 테스트 비구면(20)의 구역(38)을 검출기(260)의 검출기 표면(262) 위에 이미징하여 상기 검출기 표면(262)의 픽셀들을 구역(238) 내의 대응하는 점들에 관련시킨다. 검출기(260)는 테스트 비구면(20) 내 대응하는 국부적 높이 변화의 측정치로서 원래의 평탄한 형태로부터 상기 변조된 평탄 테스트 파면(254)의 형상 내 국부적인 변화를 측정한다. 실제 높이 변화는, 원래 테스트 파면(236)이 반사 중에 테스트 비구면(20)을 만나기 때문에, 상기 테스트 파면(254) 내 국부적 수차의 대략 절반이다.
지금까지 설명한 바와 같이, 검출기(260)는 파면 센서 자체에 의해 정의된 평탄한 또는 유사한 데이텀과 상기 변조된 평탄 테스트 파면(254)을 비교하는 샤크-하트만 파면 센서와 같은 파면 센서일 수 있다. 그러나, 광학 파면 센서(212)는 또한, 상기 변조된 평탄 테스트 파면(254)과 공동으로 다수의 광학기기를 통해 전송되는 기준 파면에 대하여 상기 변조된 평탄 테스트 파면(254)을 비교하기 위해, 도 1의 실시예에 대해 설명된 것과 같은 간섭계, 예를 들면 피조(Fizeau) 간섭계로서 정렬될 수도 있다. 일반적으로, 간섭계로서 정렬된 광학 파면 센서(212)의 비교 테스트 및 기준 파면 측정은 기준 데이텀에 대응해서 직접 이루어진 파면 측정보다 더 높은 정확도까지 이루어질 수 있다.
테스트 비구면(20)의 개별 구역(예컨대, 38) 내에서 측정된 점들 모두는 다중-축 스테이지(250)의 설정으로부터 도출된 공통의 공간적 기준 프레임을 공유할 수 있지만, 광학 파면 센서(212)에 대해서 테스트 비구면(20)의 상이한 상대 위치 및 방위에서 캡처된 상이한 구역들은 상이한 공간적 기준 프레임들과 관련된다. 상이한 측정 위치들 사이에 테스트 파면들(236)의 형상에서의 임의의 차이는 상이한 공간적 기준 프레임들 내에서 역시 참조된다.
단일점 프로파일로미터(214)는 자체 광원(278)을 가지며, 이것은 바람직한 측정 기법에 적응될 수 있고, 광학 파면 센서(212)로 측정하는데 효과적이지 않을 수 있는 광원들을 포함한다. 광원(278)으로부터 발산하는 측정 빔(282)은 빔스플리터(284)에 의해 광축(276)을 따라 집속 광학기기(286)으로 방향 전환되며 상기 광학기기(286)는 측정 빔(282)을 테스트 비구면(20) 상의 초점(266)에 수렴시킨다. 수렴하는 측정 빔(282)을 구성하는 개별 광선들은 그것들 각각의 입사 각도에 따라 테스트 비구면(20)으로부터 반사 시 반전되며, 반사된 측정 빔(282)의 전체적인 형태는 초점(266) 위치에서 반사에 의해 변하지 않고 유지된다. 그러나, 테스트 비구면(20)에서 초점(266)으로부터의 임의의 편향은 반사된 측정 빔(288) 내 광선들의 상대 방위 및 분포를 변경시킨다. 예를 들면, 초점(266)에 의해 조명된 테스트 비구면(20)의 미세한 구역에서 위치 또는 기울기의 작은 변동이라도 반사된 측정 빔(288)의 변화를 초래한다. 집속 광학기기(286)는 반사된 측정 빔(288)을 검출기(270) 위에 다시 수렴시키며, 검출기(270)는 상기 반사된 측정 빔(288)에서의 임의의 변화를 테스트 비구면(20)에서의 국부적인 편향의 측정치로서 분석한다. 상기 반사된 측정 빔(288)에서의 변화는 표면 높이 변화의 측정치로 직접 변환되거나, 더 나은 초점 위치에 도달하기 위해 테스트 비구면(20)의 측정된 상대 변위를 가이드함으로써 간접으로 변환될 수 있다.
테스트 비구면(20) 위의 복수의 점들을 측정하기 위한 도 1 내지 도 3의 단일점 프로파일로미터(14)의 정렬과 유사하게, 테스트 비구면(20)은 미리 정의된 트레이스들을 따르는 점들을 캡처하기 위해 단일점 프로파일로미터(214)와 관련하여 이동된다. 바람직하게는, 최소 개수의 이동 축, 더 바람직하게는 단일의 이동 축이 개별 트레이스들을 따르는 점들을 캡처하기 위해 사용된다. 각각의 그와 같은 이동 축은, 축의 위치가 테스트 비구면(20) 상의 점들을 구별하기 위해 필요한 수평 해상도(lateral resolution) 내에서 정확하게 모니터링될 수 있는 고정밀도 축인 것이 바람직하다. 각각의 그와 같은 트레이스를 따르는 점들은 바람직하게는 공통의 공간적 기준 프레임을 공유하며, 각각의 그와 같은 트레이스는 상기 트레이스 내내 고정되는 이동 축들과 관련된 상이한 기준 프레임을 가질 수 있다.
상기 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)와 같이, 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(210)는 높은 정확도로 측정될 수 있는 비구면의 범위를 확대하는데 특히 유용하다. 테스트 비구면(20)의 한정된 영역은 측정 범위가 단일점 프로파일로미터(214)보다 더욱 제한되는 광학 파면 센서(212)에 의해 측정된다. 상기 한정된 영역과 중첩하지만 그것을 넘어 연장되는 확대된 구역은 단일점 프로파일로미터(214)에 의해 측정된다. 따라서, 단일점 프로파일로미터(214)에 의해 측정된 한 개 이상의 트레이스는 광학 파면 센서(212)에 의해 측정된 한 개 이상의 구역과 중첩한다. 상기 구역과 트레이스 사이의 명목상 일치하는 점들 사이의 차이는 상기 구역 내 점들의 어레이와 상기 트레이스를 따르는 일련의 점들과 관련된 각각의 기준 프레임들을 상기 구역 내 및 상기 트레이스를 따르는 점들 모두에 대한 공통의 기준 프레임에 상대적으로 적응시키기 위해 사용될 수 있다. 도 5a 내지 도 5l은 구역들 및 트레이스들의 다른 조합을 도시하며, 이것들의 측정은 테스트 비구면(20)의 복합 측정을 생성하기 위해 통합될 수 있다.
상기 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(10)와 같이, 광학 파면 센서(212) 및 단일점 프로파일로미터(214)는 통합형 광학 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터(210)를 테스트 비구면(20)에 교정하거나, 광학 파면 센서(212)의 테스트 파면의 곡률 반경을 결정하거나, 광학 파면 센서(212) 또는 단일점 프로파일로미터(214)의 어느 하나에 의해 취해진 측정의 정확도 또는 신뢰도를 향상시키기는 것과 같은 추가의 목적을 위해 함께 사용될 수 있다.
광학 파면 센서(212)의 광축(216) 및 단일점 프로파일로미터(214)의 광축(276)은 평행하게 정렬된 것으로 도시되어 있지만, 2개의 광축(216, 276)은, 2개의 측정의 기준 프레임들 사이의 차이가 알려지거나 결정될 수 있다면 다른(평행이 아닌) 방향으로 방위 설정될 수 있다. 또한, 상기 단일점 프로파일로미터는 바람직하게는 광학 프로브를 포함하지만, 단일점 프로파일로미터는 기계적 프로브를 대안으로 포함하거나 또 다른 종류의 점 단위 측정을 수행할 수 있다. 그 형태에 관계없이, 상기 단일점 프로파일로미터는 더 큰 범위의 비구면을 측정하거나 그와 같은 표면을 더 높은 정확도로 측정하기 위해 상기 광학 파면 센서와 가변 각도로 통합될 수 있다.
광학 파면 센서 단독에 의해 측정될 수 없는 구역들을 포함하는 더 큰 범위의 비구면들을 측정하는 것에 더하여, 광학 파면 센서와 단일점 프로파일로미터 양자를 가지고 공통 구역들 또는 전체 비구면들을 측정하여 상기 비구면들을 더 높은 정확도로 측정하기 위해, 상기 통합형 파면 센서 및 단일점 프로파일로미터가 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 단일점 프로파일로미터의 트레이스 측정은 구면수차에서 낮은 불확실성과 저급한 수평 해상도를 가질 수 있지만, 상기 광학 파면 센서의 구역 측정은 구면수차에서 높은 불확실성과 우수한 수평 해상도를 가질 수도 있다.

Claims (31)

  1. 테스트 비구면을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 테스트 비구면의 한정된 영역 내 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들에 대해서 표면 높이 변화를 측정하는 광학 파면 센서,
    상기 비구면의 확대된 영역 내 상기 테스트 비구면 위의 한 개 이상의 트레이스를 따라 표면 높이 변화를 측정하는 단일점 프로파일로미터,
    한 세트의 중첩하는 표면 높이 측정을 정의하는 상기 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 구역들의 적어도 하나와 중첩하는 상기 한 개 이상의 트레이스, 및
    공통의 기준 프레임 내에서 상기 한정된 영역 및 확대된 영역의 통합된 측정을 생성하기 위해 중첩하는 표면 높이 측정들의 세트 내의 차이를 최소화함으로써, 상기 한정된 영역 내 상기 광학 파면 센서의 표면 높이 측정들을 상기 확대된 영역 내 상기 단일점 프로파일로미터의 표면 높이 측정들과 결합하는 프로세서를 포함하고,
    상기 확대된 영역은 상기 한정된 영역의 일부 또는 전부와 중첩하고 상기 한정된 영역을 넘어 연장되는, 장치,
  2. 제 1 항에 있어서,
    (a) 상기 광학 파면 센서는 상기 한 개 이상의 구역들 각각의 내부의 점들의 어레이를 측정하고,
    (b) 상기 단일점 프로파일로미터는 상기 한 개 이상의 트레이스들의 각각을 따라서 상기 테스트 비구면 위의 일련의 점들을 측정하고,
    (c) 상기 한 개 이상의 트레이스들은 상기 테스트 비구면 위의 명목상 일치하는 점들에서 상기 구역들의 한 개 이상과 교차하는, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 한 개 이상의 트레이스의 각각을 따라서 측정치를 얻기 위한 상기 테스트 비구면과 상기 단일점 프로파일로미터 사이의 상대 이동은 단일의 이동 축에 의해 부여되는, 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 명목상 일치하는 점들 사이의 차이가 상기 한 개 이상의 구역 전체에서 측정된 상기 점들의 어레이 및 상기 한 개 이상의 트레이스를 따르는 상기 측정된 일련의 점들 양자에 대한 공통의 기준 프레임 내에서 최소화되도록, 상기 한 개 이상의 트레이스의 상기 일련의 측정된 점들의 공간적 기준 프레임을 상기 한 개 이상의 구역 내의 상기 측정된 점들의 어레이의 공간적 기준 프레임에 상대적으로 적응시키는 알고리즘을 수행하는, 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    (a) 상기 한 개 이상의 구역들은 제1 기준 프레임을 가진 제1 구역을 포함하고,
    (b) 상기 한 개 이상의 트레이스들은 제2 기준 프레임을 가진 제1 트레이스 및 제3 기준 프레임을 가진 제2 트레이스를 포함하고,
    (c) 상기 제1 트레이스 및 제2 트레이스는 상기 테스트 비구면 위의 제1 세트 및 제2 세트의 명목상 일치하는 점들에서 상기 제1 구역과 교차하고, 및
    (d) 상기 프로세서에 의해 수행된 알고리즘은, 상기 제1 세트 및 제2 세트의 각각의 명목상 일치하는 점들 사이의 차이가 상기 제1 구역, 상기 제1 트레이스 및 제2 트레이스에 대한 공통의 기준 프레임 내에서 최소화되도록, 상기 제2 기준 프레임 및 제3 기준 프레임의 각각을 상기 제1 기준 프레임에 상대적으로 적응시키는, 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    (a) 상기 한 개 이상의 구역들은 제1 기준 프레임을 가진 제1 구역 및 제2 기준 프레임을 가진 제2 구역을 포함하고,
    (b) 상기 한 개 이상의 트레이스들은 제3 기준 프레임을 가진 제1 트레이스를 포함하고,
    (c) 상기 제1 트레이스는 상기 테스트 비구면 위의 제1 세트 및 제2 세트의 명목상 일치하는 점들에서 상기 제1 구역 및 제2 구역과 교차하고, 및
    (d) 상기 프로세서에 의해 수행된 알고리즘은, 상기 제1 세트 및 제2 세트의 명목상 일치하는 점들 내 상기 명목상 일치하는 점들 사이의 차이가 상기 제1 구역, 상기 제2 구역 및 제1 트레이스에 대한 공통의 기준 프레임 내에서 최소화되도록, 상기 제1 기준 프레임 및 제2 기준 프레임을 상기 제3 기준 프레임에 상대적으로 적응시키는, 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 파면 센서는,
    한 개 이상의 측정 파면들을 생성하는 파면 성형기를 포함하고, 상기 한 개 이상의 측정 파면들 각각은 상기 테스트 비구면의 상기 한 개 이상의 구역들의 형상과 닮은 형상을 가지며,
    상기 한 개 이상의 측정 파면들의 각각의 형상을 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들 각각의 형상과 비교하는 검출기에 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들의 각각을 이미징하는 이미징 시스템을 추가로 포함하는, 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 파면 성형기는 구형의 측정 파면을 형성하고 상기 단일점 프로파일로미터는 광을 상기 파면 성형기를 통해서 상기 테스트 비구면 위에 집속하는, 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 한정된 영역 내 테스트 비구면의 상기 한 개 이상의 구역들 및 상기 확대된 영역 내 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 트레이스들 양자를 측정하기 위해, 상기 테스트 비구면을 위한 탑재설비에 대해서 상기 광학 파면 센서 및 상기 단일점 프로파일로미터를 상대적으로 이동시키는 한 개 이상의 이동 스테이지들을 추가로 포함하는, 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 한 개 이상의 이동 스테이지들은 또한 상기 한정된 영역 내 상기 테스트 비구면 위의 점들의 표면 높이 변화를 측정하기 위해 상기 테스트 비구면을 위한 탑재설비에 대해서 상기 단일점 프로파일로미터를 상대적으로 이동시키고, 상기 프로세서는 또한 상기 한정된 영역 내 상기 테스트 비구면 위의 점들의 표면 높이 측정을 상기 한정된 영역 내 상기 테스트 비구면의 상기 한 개 이상의 구역들의 명목상 일치하는 점들의 표면 높이 측정에 관련시키는, 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 한 개 이상의 이동 스테이지들은 상기 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 트레이스들의 각각을 따르는 일련의 점들을 측정하기 위해 상기 단일점 프로파일로미터를 상대적으로 이동시키고, 상기 한 개 이상의 트레이스들 중 한 개 이상은 상기 테스트 비구면의 상기 한정된 영역과 교차하는, 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는 또한 상기 한정된 영역 내 상기 테스트 비구면의 상기 한 개 이상의 구역들의 명목상 일치하는 점들의 표면 높이 측정의 치수를 사용하여 서로에 대해 복수의 트레이스들의 표면 높이 측정을 관련시키는, 방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학 파면 센서는 간섭계를 포함하는, 장치.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학 파면 센서는 샤크-하트만(Shack-Hartman) 파면 센서를 포함하는, 장치.
  15. 제 7 항에 있어서,
    한 개 이상의 이동 스테이지들은 테스트 비구면의 상기 한 개 이상의 구역들에 대해 거의 수직 입사로 상기 측정 파면들을 역 반사시키는 제1 위치로 상기 테스트 비구면을 상기 파면 성형기에 대해서 상대적으로 조정하고, 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 트레이스들의 각각을 따르는 일련의 점들의 각각의 위에 광을 집속시키는 제2 위치로 상기 비구면을 상기 파면 성형기에 대해서 상대적으로 조정하는, 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 파면 센서 및 상기 단일점 프로파일로미터를 위한 공통 광원을 추가로 포함하는, 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 위치 및 제2 위치 사이의 차이를 측정하는 거리 측정 게이지를 추가로 포함하는, 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 프로세서는 또한 상기 제1 위치 및 제2 위치 사이의 상기 측정된 거리를 상기 측정 파면의 곡률 반경으로 변환시키는, 장치.
  19. 제 7 항에 있어서,
    파면 성형기는 상기 측정 파면들을 기준 표면으로부터 반사되는 기준 파면들 및 상기 테스트 비구면에 전송되어 반사되는 테스트 파면들로 분할하는 상기 기준 표면을 가진 피조(Fizeau) 간섭계의 일부인, 장치.
  20. 테스트 비구면을 측정하는 방법에 있어서,
    파면 성형기로 한 개 이상의 측정 파면을 발생시키는 단계;
    상기 테스트 비구면의 상기 한 개 이상의 구역들로부터 반사된 상기 한 개 이상의 측정 파면들을 검출기 위에 이미징하는 단계;
    상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들의 각각에 대해 표면 높이 변화의 측정치를 얻기 위한 데이텀(datum)과 상기 한 개 이상의 이미징된 측정 파면들을 비교하는 단계;
    상기 테스트 비구면의 확대된 영역 내 상기 테스트 비구면 위의 한 개 이상의 트레이스들을 따르는 일련의 점들의 각각에 단일점 프로파일로미터로 광을 집속하는 단계;
    상기 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 트레이스들을 따르는 상기 일련의 점들 사이에서 표면 높이 변화의 측정치를 얻기 위해 상기 단일점 프로파일로미터로부터의 신호를 모니터링하는 단계; 및
    한정된 영역 및 확대된 영역의 중첩 부분들 및 상기 확대된 영역의 중첩하지 않는 부분을 둘 다 포함하는 상기 테스트 비구면의 결합된 구역에 대해 표면 높이 측정치들의 통합된 어레이를 생성하기 위해, 상기 한정된 영역 및 확대된 영역의 중첩 부분들 내 상기 광학 파면 센서 및 상기 단일점 프로파일로미터의 표면 높이 측정치들 사이의 차이를 최소화함으로써, 상기 한정된 영역 내 상기 광학 파면 센서의 표면 높이 측정치와 상기 확대된 영역 내 상기 단일점 프로파일로미터의 표면 높이 측정치를 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 한 개 이상의 측정 파면들 각각은 상기 테스트 비구면의 한정된 영역 내 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들 각각의 굽은 형상과 닮은 굽은 형상을 갖고,
    상기 확대된 영역은 상기 한정된 영역의 일부 또는 전부와 중첩하는 부분 및 상기 한정된 영역과 중첩하지 않는 부분을 둘 다 포함하는, 테스트 비구면 측정 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    (a) 상기 광학 파면 센서는 상기 한 개 이상의 구역들 각각의 전체에 걸친 점들의 어레이를 측정하고,
    (b) 상기 트레이스들의 한 개 이상은 상기 테스트 비구면 위의 명목상 일치하는 점들에서 상기 구역들의 한 개 이상과 교차하는, 테스트 비구면 측정 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 단일점 프로파일로미터는 상기 트레이스들의 한 개 이상을 따르는 단일의 상대 이동 축을 통해 상기 테스트 비구면에 대해서 상대적으로 이동되는, 테스트 비구면 측정 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 결합하는 단계는, 상기 명목상 일치하는 점들 사이의 차이가 상기 한 개 이상의 구역의 전체에 걸친 상기 측정된 점들의 어레이 및 상기 한 개 이상의 트레이스를 따르는 상기 일련의 측정된 점들의 양자에 대한 공통의 기준 프레임 내에서 최소화되도록, 상기 한 개 이상의 구역의 전체에 걸친 상기 측정된 점들의 어레이의 공간적 기준 프레임을 상기 한 개 이상의 트레이스를 따르는 상기 일련의 측정된 점들의 공간적 기준 프레임에 상대적으로 적응시키는, 테스트 비구면 측정 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    (a) 상기 한 개 이상의 구역들은 제1 기준 프레임을 가진 제1 구역을 포함하고,
    (b) 상기 한 개 이상의 트레이스들은 제2 기준 프레임을 가진 제1 트레이스 및 제3 기준 프레임을 가진 제2 트레이스를 포함하고,
    (c) 상기 제1 트레이스 및 제2 트레이스는 상기 테스트 비구면 위의 제1 세트 및 제2 세트의 명목상 일치하는 점들과 교차하고, 및
    (d) 상기 결합하는 단계는, 상기 제1 세트 및 제2 세트의 각각의 내부의 상기 명목상 일치하는 점들 사이의 차이가 상기 제1 구역, 상기 제1 트레이스 및 제2 트레이스에 대한 공통의 기준 프레임 내에서 최소화되도록, 상기 제2 기준 프레임 및 제3 기준 프레임의 각각을 상기 제1 기준 프레임에 상대적으로 적응시키는, 테스트 비구면 측정 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    (a) 상기 한 개 이상의 구역들은 제1 기준 프레임을 가진 제1 구역 및 제2 기준 프레임을 가진 제2 구역을 포함하고,
    (b) 상기 한 개 이상의 트레이스들은 제3 기준 프레임을 가진 제1 트레이스를 포함하고,
    (c) 상기 제1 트레이스는 상기 테스트 비구면 위의 제1 세트 및 제2 세트의 명목상 일치하는 점들과 교차하고, 및
    (d) 상기 결합하는 단계는, 상기 제1 세트 및 제2 세트의 명목상 일치하는 점들 사이의 차이가 상기 제1 구역, 제2 구역 및 상기 제1 트레이스에 대한 공통의 기준 프레임 내에서 최소화되도록, 상기 제1 기준 프레임 및 제2 기준 프레임을 상기 제3 기준 프레임에 상대적으로 적응시키는, 테스트 비구면 측정 방법.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 확대된 영역 내 상기 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 트레이스들의 각각을 따르는 상기 일련의 점들 사이에서 표면 높이 변화를 측정하기 위해 상기 테스트 비구면을 위한 탑재설비에 대하여 상기 단일점 프로파일로미터를 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
    상기 확대된 영역 내의 하나 이상의 트레이스를 따르는 일련의 점들의 전부 또는 일부는 상기 한정된 영역 내에 존재하는, 테스트 비구면 측정 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 결합하는 단계는, 상기 한정된 영역 및 확대된 영역 내 상기 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 트레이스들을 따르는 상기 일련의 점들의 표면 높이 측정치를 상기 한정된 영역 내 상기 테스트 비구면의 상기 한 개 이상의 구역들의 명목상 일치하는 점들의 상기 표면 높이 측정치에 관련시키는, 테스트 비구면 측정 방법.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 상대적으로 이동시키는 단계는, 테스트 비구면의 상기 한 개 이상의 구역들에 대해 거의 수직 입사로 상기 측정 파면들을 역 반사시키는 제1 위치로, 및 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 트레이스들을 따르는 상기 일련의 점들의 각각의 위에 광을 집속시키는 제2 위치로, 상기 테스트 비구면을 상대적으로 조정하는 단계를 포함하는, 테스트 비구면 측정 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제1 위치와 제2 위치 사이의 거리를 측정하는 단계, 및
    상기 제1 위치와 제2 위치 사이의 측정된 거리를 상기 테스트 비구면의 국부적인 곡률 반경으로 변환하는 단계를 포함하는, 테스트 비구면 측정 방법.
  30. 제 20 항에 있어서,
    (a) 상기 한 개 이상의 측정 파면들을, 상기 기준 표면으로부터 반사되는 기준 파면 및 상기 테스트 비구면에 전송되어 반사되는 테스트 파면으로 분할하는 단계, 및
    (b) 상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들 각각의 형상과 닮은 진화 형태로 상기 테스트 비구면과 거의 수직 입사하는 위치들에 상기 테스트 파면을 전파하는 단계를 포함하는, 테스트 비구면 측정 방법.
  31. 테스트 비구면을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 테스트 비구면의 한 개 이상의 구역들에 대해서 표면 높이 변화를 측정하는 광학 파면 센서,
    상기 테스트 비구면 위의 한 개 이상의 트레이스들을 따라 표면 높이 변화를 측정하는 단일점 프로파일로미터,
    한 세트의 중첩하는 표면 높이 측정을 정의하는 상기 테스트 비구면 위의 상기 한 개 이상의 구역들의 적어도 하나와 중첩하는 상기 한 개 이상의 트레이스, 및
    상기 광학 파면 센서 및 상기 단일점 프로파일로미터의 중첩하는 표면 높이 측정치들 사이의 차이가 최소화되도록 파면 센서 보상기들 및 프로파일로미터 보상기들의 진폭을 식별함으로써, 상기 광학 파면 센서의 상기 표면 높이 측정치들을 상기 단일점 프로파일로미터의 상기 표면 높이 측정치들과 결합하는 프로세서를 포함하고,
    상기 한 개 이상의 구역들의 각각에 대한 상기 표면 높이 측정치들은 한 세트의 파면 센서 보상기들에 의해 정의된 공통 구역 공간적 기준 프레임을 갖고, 상기 파면 센서 보상기들의 각각은 상기 공통 구역 공간적 기준 프레임에 대한 알려진 변수의 영향을 나타내는 함수 형태 및 진폭을 가지며,
    상기 한 개 이상의 트레이스들의 각각을 따른 상기 표면 높이 측정치들은 한 세트의 프로파일로미터 보상기들에 의해 정의된 공통 트레이스 공간적 기준 프레임을 갖고, 상기 프로파일로미터 보상기들의 각각은 상기 공통 트레이스 공간적 기준 프레임에 대한 알려진 변수의 영향을 나타내는 함수 형태 및 진폭을 가지는, 테스트 비구면 측정 장치.
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