(57)【要約】モニタ装置は、構造化照明のための第１照明光路（ＬＳ１、Ｌ１、ＲＧ１、Ｃ５、Ｌ３、Ｃ１、２７）と、均等照明のための第２照明光路（ＬＳ２、Ｌ２、Ｃ２、Ｃ５、Ｌ３、Ｃ１、２７）と、軸外レーザ照明のための第３照明光路（ＬＳ３、ＲＧ２、Ｃ３、Ｃ２、Ｃ５、Ｌ３、Ｃ１、２７）を有する。全ての照明は、面外モアレ分析のために第３光路から軸が外れた対物レンズの後焦点面上に集光される。コントローラは、面外モアレ、面外モアレ及びイメージ相関分析のいずれかまたはそれらの組み合わせのために或る範囲のプログラムされた動作モードを有する。
2005534934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造化照明を生成するための光源と、
モニタされているサンプルから反射または散乱する光を感知するための光センサと、
（ａ）デジタルイメージ相関関係、及び、
（ｂ）モアレ効果処理、
を実行して、サンプルの変形データを測定するイメージ処理機能を有するコントローラとを備え、
前記コントローラが、サンプルの照明及び／または使用するイメージ処理機能の点で異なる複数のモードから選択したモードで動作することを特徴とするモニタ装置。
【請求項２】
光学部品を移動させるためのアクチュエータを備え、前記コントローラが動作モードに従って前記部品の移動を管理するための機能を有することを特徴とする請求項１に記載のモニタ装置。
【請求項３】
複数の光源と関連する照明光路とを備え、前記コントローラが前記光路の活性化を制御するための機能を有することを特徴とする請求項２に記載のモニタ装置。
【請求項４】
前記照明光路が、１つまたは複数の光路から対物レンズを通してサンプル上に光を向けるための共通のビームスプリッタを有することを特徴とする請求項３に記載のモニタ装置。
【請求項５】
複数の照明光路についてサンプルに照明を向けるため、及びサンプルから反射または散乱する光を向けるためのビームスプリッタを有することを特徴とする請求項４に記載のモニタ装置。
【請求項６】
第１照明光路が光源、コリメートレンズ、構造に組み付ける格子集光レンズ、及び対物レンズを有することを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項７】
前記集光レンズが、前記対物レンズの後焦点面上に光を集束させるように取り付けられている特徴とする請求項６に記載のモニタ装置。
【請求項８】
第２照明光路が光源、コリメートレンズ、集光レンズ、及び対物レンズを有することを特徴とする請求項６又は７に記載のモニタ装置。
【請求項９】
前記第２照明光路が前記第１照明光路の前記光源と光学部品とを有し、かつ前記コントローラが前記格子を動かして前記第２照明光路を提供するための機能を有することを特徴とする請求項８に記載のモニタ装置。
【請求項１０】
照明光路で軸方向にサンプルを動かすためのアクチュエータを有するサンプル用マウントを備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項１１】
前記コントローラが、前記サンプル用マウントを焦点に近づくようにステップ上に動かすため及び、サブイメージを合成して合成イメージを提供するためのイメージ相関機能を有することを特徴とする請求項１０に記載のモニタ装置。
【請求項１２】
前記コントローラが、自動焦点調整のために前記第１照明光路の使用を管理し、かつイメージの相関関係のために前記第１または第２照明光路の使用を管理することを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項１３】
前記第１イメージ光路がイメージの相関関係のために使用され、前記コントローラが前記照明光路の横断方向に前記格子のステップ上の移動を管理し、かつ該ステップの大きさが格子周期の一部分であることを特徴とする請求項１２に記載のモニタ装置。
【請求項１４】
第３照明光路を更に有し、前記光路が、前記対物レンズを通して光の軸外伝送をさせるためのコヒーレント光源及び光学部品を有することを特徴とする請求項３乃至１３のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項１５】
前記光学部品が、前記対物レンズの後焦点面上に光を集束させることを特徴とする請求項１４に記載のモニタ装置。
【請求項１６】
前記第３照明光路がレーザ光源を有することを特徴とする請求項１４またはは１５に記載のモニタ装置。
【請求項１７】
前記コントローラが、前記第１及び第３照明光路からの照明を用いて、前記サンプルの面外での変形を測定するべく、モアレイメージ処理を実行するための機能を有することを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項１８】
前記コントローラが、前記第３照明光路を支持して構造化照明を行うことを特徴とする請求項１７に記載のモニタ装置。
【請求項１９】
前記コントローラが、捕らえたイメージからより高い周波数で投影された縞を取り除くことを特徴とする請求項１７または１８に記載のモニタ装置。
【請求項２０】
結像レンズ、波長フィルタ、及び前記センサに隣接され周辺光シールドを有するイメージング光路を備えることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項２１】
前記センサがＣＣＤカメラを有することを特徴とする請求項１乃至２０のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項２２】
サンプルの移動を制御するサンプル用マウントを更に有することを特徴とする請求項１乃至２１のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項２３】
前記サンプル用マウントが、サンプルに機械的、電気的、光学的または熱応力的条件を加えて、該サンプルの変形を生じさせるための手段を有することを特徴とする請求項２２に記載のモニタ装置。
【請求項２４】
前記コントローラが、前記第１または第２照明光路からの照明を用いて、プログラムされたイメージ相関関係動作モードを有することを特徴とする請求項１４乃至２３のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項２５】
前記コントローラが、前記第１照明光路のみからの照明を用いて、プログラムされた面内モアレモードを有することを特徴とする請求項１４乃至２４のいずれかに記載のモニタ装置。
【請求項２６】
添付図面に関連して本明細書中に実質的に記載されるモニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物または物の構造の変形、歪み、機械的な動き、熱膨張または寸法を測定するための光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロニクス、光電子工学、及びマイクロシステム、並びにそれらの部品における直接的な熱機械的歪みの測定のための高度な分析方法及び装置が要求されている。歪みの測定には、非接触または非破壊方法及び装置を用いることが好ましい。
【０００３】
マイクロエンジニアリングの製品に特有の歪み測定条件の例には、次のものがある。
（ａ）マイクロエレクトロニクス装置：高度な大面積単チップパッケージの面外及び面内双方の局所的変形の変形マップに加えて、断面での集積回路パッケージの面内変形マップ。
（ｂ）電子ハイブリッド製品及び部品：マルチチップモジュール（ＭＣＭ）部品の面外及び面内双方の局所的変形の変形マップ。
（ｃ）マイクロシステム：センサ及びマイクロシステムの部品に加えて、これら装置のパッケージ、及び微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）並びに微細光電気機械システム（ＭＯＥＭ）の部品及び完成品における歪み及び変形の測定。
【０００４】
歪みは、応力の結果生じる部分的な変形として定義され、従って変形の測定には歪みを直接測定することが必要である。歪みを測定する他の間接的方法は、歪みによって生じる効果を測定すること、例えばそのパラメータや機能が歪みに依存する電子集積回路の使用に基づいて使用されて、集積回路パッケージにおける歪みを測定する。マイクロシステム及びマイクロエレクトロニクスパッケージにおける過度の熱機械的変形の歪みが、これらの製品の故障までの平均時間または利用可能な寿命を短くする故障メカニズムの発達につながることが知られている。
【０００５】
特に重要なことは、物体の様々な部分間の相対的な動きの測定のための光学的度量衡技術であり、それによって、その強度、又はその部分、又は保護膜及び光学的被膜並びに塗料、表面処理、ワニスまたはラッカーを含む物体上の被覆の劣化を示すことができる。
【０００６】
クリープ変形及び弾性変形を含む材料における変形の別の形は、材料研究及びエンジニアリングの双方において測定する必要がある。
【０００７】
また、ナノメートルからマイクロメートルまでのスケールで変形、歪み及び動きを測定することは、ナノ技術の一般的な分野の範囲内で重要な分野である。次のものが例示される。
−ねじれ、寸法または大きさの測定。
−ナノ技術における粒子サイズ、形状及び粒子サイズの分布の測定。
−金属ワイヤ及び接続部におけるエレクトロマイグレーションの損傷の測定。これは、マイクロエレクトロニクス集積回路とマイクロシステムとの相互接続について使用される金属ワイヤ及び接続部における電子的に誘導される損傷の特徴付けにおいて重要である。
−部品の変形、歪み無し動作または作動があるかどうかの機械的動作及び作動の測定。
−熱膨張係数（ＣＴＥ）の測定。例えば、ＣＴＥ値における１ｐｐｍ／Ｋの誤差は、はんだ接合部の疲労寿命を４６％も過大評価する場合がある。
【０００８】
ジオメトリックモアレ効果及びモアレインターフェロメトリ（双方とも「モアレ」と集約的に呼ぶこととする）及び電子スペックルパターン干渉法（ＥＳＰＩ）は、広範な寸法に亘る構造上の変形及び歪みの測定のための公知の光学的方法である。これら技術の特徴は、そこからあらゆる相対的動作を引き出さすことができるサンプル表面上に基準位置を必要とすることである。ＥＳＰＩでは、表面の固有の粗さによってスペックルパターンが提供され、その動きが、サンプルの歪み状態における変化をモニタする。既存のモアレに基づいた方法では、格子構造をサンプル上に置いて、参照構造を提供する。
【０００９】
米国特許第６，１３４，０１３号明細書、発明の名称「Optical ball grid array inspection system」は、コリメートされたレーザ光を用いて３Ｄ構造を検査するための方法を記載している。この技術は、光学検出機能アレイ上に表面から散乱する光のホログラフィまたはモアレ分析に依存している。
【００１０】
米国特許第６，０７８，３９６号明細書、発明の名称「Non-contact deformation measurement」は、サンプル上に基準格子を投影しかつカラーカメラの個々のカラーチャネルに関連する情報を記録し、想像上（ソフトウェア）の基準格子を提供することによって、負荷をかけた材料における平面の歪みを分析する方法を記載している。これによって、モアレ縞分析を測定することができる。
【００１１】
米国特許第５，８９８，４８６号明細書、発明の名称「Portable Moire interferometer and corresponding Moire interferometric method」は、携帯可能でありかつ環境から遮断されたモアレ干渉計を記載している。
【００１２】
コヒーレントビームが粗い面から散乱する場合に光学的スペックルの生成による面内及び面外の対象物の変形を測定するために、電子スペックルパターン干渉法（ＥＳＰＩ）及びスペックル干渉法及びスペックル写真法における変形が１９７０年代初期から報告されている。サンプルの変形は、スペックルの位相値を変化させる。スペックルパターンの無相関を生じさせないように変形量が小さい場合には、スペックルの位相値を変形の前後で測定することができ、変形量に関連させることができる。
【００１３】
電子スペックルパターン写真法（ＥＳＰＰ）は、真にインターフェロメトリックでない点において、上述した方法とは異なる。単一のビームがカメラにより撮像される対象物を照明する。負荷をかけると第２のイメージが記録される。次に、小さいサブイメージを変形されたイメージと変形されていないイメージとの間で空間的に相互相関させ、最大の相関関係の位置を用いてスペックの変位を測定し、それから物体の変位を計算する。
【００１４】
相関関係（ＭＤＡＣ）による二次元微小変形分析が２つの従来技術文献に記載されている。ＤＥ１９６１４８９６公報は、デジタルイメージの比較を用いて、表面上の局所位置における変位ベクトルを測定する方法を記載している。ＤＥ１９６１４８９７公報は、デジタルイメージの比較を用いて、変位ベクトルの場分布及び変位の関数を表す材料の特性値を測定する方法を記載している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、変形をより汎用的にモニタするためのシステム及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、構造化照明を生成するための光源と、
モニタされているサンプルから反射または散乱する光を感知するための光センサと、
（ａ）デジタルイメージ相関関係、及び、
（ｂ）モアレ効果処理、
を実行して、サンプルの変形データを測定するイメージ処理機能を有するコントローラとを備え、
前記コントローラが、サンプルの照明及び／または使用するイメージ処理機能の点で異なる複数のモードから選択したモードで動作するモニタ装置が提供される。
【００１７】
ある実施例では、前記モニタ装置が、光学部品を移動させるためのアクチュエータを備え、前記コントローラが動作モードに従って前記部品の移動を管理するための機能を有する。
【００１８】
別の実施例では、前記モニタ装置が、複数の光源と関連する照明光路とを備え、前記コントローラが前記光路の活性化を制御するための機能を有する。
【００１９】
更に別の実施例では、前記照明光路が、１つまたは複数の光路から対物レンズを通してサンプル上に光を向けるための共通のビームスプリッタを有する。
【００２０】
ある実施例では、前記モニタ装置が、複数の照明光路についてサンプルに照明を向けるため、及びサンプルから反射または散乱する光を向けるためのビームスプリッタを有する。
【００２１】
別の実施例では、第１照明光路が光源、コリメートレンズ、構造に組み付ける格子集光レンズ、及び対物レンズを有する。
【００２２】
更に別の実施例では、前記集光レンズが、前記対物レンズの後焦点面上に光を集束させるように取り付けられている。
【００２３】
ある実施例では、第２照明光路が光源、コリメートレンズ、集光レンズ、及び対物レンズを有する。
【００２４】
別の実施例では、前記第２照明光路が前記第１照明光路の前記光源と光学部品とを有し、かつ前記コントローラが前記格子を動かして前記第２照明光路を提供するための機能を有する。
【００２５】
更に別の実施例では、前記モニタ装置が、照明光路で軸方向にサンプルを動かすためのアクチュエータを有するサンプル用マウントを備える。
【００２６】
ある実施例では、前記コントローラが、前記サンプル用マウントを焦点に近づくようにステップ上に動かすため及び、サブイメージを合成して合成イメージを提供するためのイメージ相関機能を有する。
【００２７】
別の実施例では、前記コントローラが、自動焦点調整のために前記第１照明光路の使用を管理し、かつイメージの相関関係のために前記第１または第２照明光路の使用を管理する。
【００２８】
更に別の実施例では、前記第１イメージ光路がイメージの相関関係のために使用され、前記コントローラが前記照明光路の横断方向に前記格子のステップ上の移動を管理し、かつ該ステップの大きさが格子周期の一部分である。
【００２９】
ある実施例では、前記モニタ装置が、第３照明光路を更に有し、前記光路が、前記対物レンズを通して光の軸外伝送をさせるためのコヒーレント光源及び光学部品を有する。
【００３０】
別の実施例では、前記光学部品が、前記対物レンズの後焦点面上に光を集束させる。
【００３１】
更に別の実施例では、前記第３照明光路がレーザ光源を有する。
【００３２】
ある実施例では、前記コントローラが、前記第１及び第３照明光路からの照明を用いて、前記サンプルの面外での変形を測定するべく、モアレイメージ処理を実行するための機能を有する。
【００３３】
別の実施例では、前記コントローラが、前記第３照明光路を支持して構造化照明を行う。
【００３４】
更に別の実施例では、前記コントローラが、捕らえたイメージからより高い周波数で投影された縞を取り除く。
【００３５】
ある実施例では、前記モニタ装置が、結像レンズ、波長フィルタ、及び前記センサに隣接され周辺光シールドを有するイメージング光路を備える。
【００３６】
別の実施例では、前記センサがＣＣＤカメラを有する。
【００３７】
更に別の実施例では、前記モニタ装置が、サンプルの移動を制御するサンプル用マウントを更に有する。
【００３８】
ある実施例では、前記サンプル用マウントが、サンプルに機械的、電気的、光学的または熱応力的条件を加えて、該サンプルの変形を生じさせるための手段を有する。
【００３９】
別の実施例では、前記コントローラが、前記第１または第２照明光路からの照明を用いて、プログラムされたイメージ相関関係動作モードを有する。
【００４０】
更に別の実施例では、前記コントローラが、前記第１照明光路のみからの照明を用いて、プログラムされた面内モアレモードを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
本発明は、添付図面を参照しつつ、その単なる実施例として以下に記載されるいくつかの実施態様の詳細な説明からより明確に理解することができる。
【００４２】
図１に関し、モニタシステム１は次の構成を有する。
２：光学検出器。
３：第１光源。
４：第２光源。
５：対物レンズ。
６：サンプルＳを支持するサンプル用マウント。
８：初期検査、サンプルの位置決めのための動作モードの選択、並びにイメージの捕捉及び分析を行うためのコンピュータ利用のコントローラ。
【００４３】
第１光源３は、対物レンズ５を通してコリメートされかつ面内（ＸＹ）モアレ分析のためのラインパターンで構成された光ビームを発生する。この構造化照明は、前記サンプル全体に亘って完全に当たるように前記サンプルの全幅に亘って拡がっている。
【００４４】
第２光源４は、コヒーレント光を生成するレーザを有する。この光ビームはレンズ５をその中心を外れて通過し、それにより法線方向に対して或る角度で前記サンプルに当たるように光軸に向けて偏向される。従って、前記第２光ビームは、面外モアレ分析に適している。図２は前記光ビームがどのようにレンズ５を通過しかつ前記サンプルに当たるかを示している。Ｂ１は第１光源３のＬＥＤにより生成されて、対物レンズの中心を通る軸上で対物レンズ５の後焦点面上に集束する。Ｂ２は第２光源４の前記レーザにより生成されて、前記中心から或る距離の位置で前記対物レンズの後焦点面上に集束する。これによって、前記コヒーレントレーザビームは法線方向に対して或る角度で対物レンズを出ることができる。
【００４５】
図３に関し、モニタ装置２０は、サンプルＳを支持する２つの直交するマウント６と、コンピュータコントローラ８とを有する。しかしながら、この実施例では、第１、第２及び第３光源ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３と光学検出器ＣＣＤカメラＣＣＤ１とが設けられている。光源ＬＳ１及びその照明光路のために後に続く光学系は、装置１の光源３と等価であり、かつ光源Ｌ３及びその照明光路は装置１の光源４と等価である。
【００４６】
光源ＬＳ１からの照明光路は、
光をコリメートするためのレンズＬ１と、
ロンキ格子ＲＧ１と、
ビームスプリッタＣ５と、
集光するためのレンズＬ３と、
ビームスプリッタＣ１と、
スプリッタＣ１の制御に依存する対物レンズ２７又は２８とを有する。
【００４７】
光源ＬＳ２からの光はコリメートレンズＬ２及びビームスプリッタＣ２と、それに続いてＣ５−Ｌ３−Ｃ１−２７／２８を通る。光源ＬＳ３からの光は、ロンキ格子ＲＧ２とミラーＣ３と、それに続いてＣ２−Ｃ５−Ｌ３−Ｃ１−２７／２８を通る。
【００４８】
サンプルＳからの反射光は、対物レンズ２７／２８、ビームスプリッタＣ１、結像レンズＬ４、ビームステアリングミラーＣ４、色付きガラス波長フィルターＦ１、及び周辺光を遮断するチューブＴ１を介してカメラＣＣＤ１（電荷結合素子）へと送られる。光シールドＴ１は、開口を介してエンクロージュアに入ってくる迷光をトラップする一連の不透明パネルからなるバッフル装置を有する。
【００４９】
光源ＬＳ１及びＬＳ３は均等な光を生成し、それからは格子ＲＧ１及びＲＧ２によって縞が生成される。第２光源ＬＳ２は、均一なサンプル照明のために非構造化照明源を提供する。
【００５０】
前記装置は、３つの前記光源、光学系及び前記検出器の適当な制御によって、
面内モアレ分析、
面外モアレ分析、及び
イメージ相関関係（ＭＤＡＣ）
を実行する。
【００５１】
本明細書において、「面内」はサンプルのＸ−Ｙ面を意味し、かつ「面外」は前記Ｘ−Ｙ面に垂直なＺ方向を意味するものである。
【００５２】
コンピュータコントローラ８は、電気機械駆動装置として前記デバイスを制御し、いくつかを関連する光路内で又は光路外へ動かし、かつ光源の強度／波長を変更して所望の明暗パターンを生成する。コントローラ８は、サンプルの位置を図３に示す２つから選択することができる。
【００５３】
装置１及び２０双方において、前記コントローラは、第１光源を管理して、前記サンプルの横方向に亘って周期的に強度が変化するプロファイルＢ１を生成する。この光源は、周期的に変化する照明を用いてイメージの記録が実行される動作モード、及びモアレ効果の測定又はイメージングが実行されるモードで使用される。
【００５４】
第２光源（装置２０の場合のみ）は、前記サンプルの位置におけるビームの横断方向に概ね均一な強度のプロファイルを生成する。これは、目的のもの又は部品の全体について周期的に強度が変化しない概ね均一な強度の照明を用いてイメージの記録が行われるモードで使用する。この光源は、イメージ相関関係の測定に使用される。
【００５５】
第３光源ＬＳ３（及びそれと装置１において等価な光源４）は、モアレ効果面外モードの場合に使用されて、目的とする物又は部品上に第２の周期的に変化する照明パターンを投影する。これは、図２に示すように中心を外れたレーザＢ２である。
【００５６】
光源ＬＳ１及びＬＳ３には、横方向（即ち、ビームの伝搬方向に対して直交する）構造化照明のパターンを変換するため、及び前記構造がそのようなパターンを有する場合にその周期的に繰り返すパターンの部分を変化させるために前記コントローラによって操作される位相シフトを備える。これは、前記格子の１周期の部分によって横方向に前記格子を動かすことによって実行される。或る実施例では、格子周期が１／６００ｍｍであり、前記変換は一般に前記周期の２０％乃至６０％の範囲内である。
【００５７】
顕微鏡対物レンズ２７又は２８は、無限遠補正対物レンズであり、光軸に関してテレセントリックであるようにアライメントされ、かつ対物レンズの焦点付近に配置されたワーク表面がケーラー照明の方法で照明領域全体に亘って高度に均一な強度で照明されるようになっている。
【００５８】
前記装置の光学部品は、単一の小さいハウジング内に収容された光学取付板上に取り付けられている。光学取付板は、様々なサイズのボルトによって光学部品用マウントを取り付けるための一連の平行な溝を有する。結果的に得られる装置の小型化は、使いやすさにおいて重要なだけでなく、システムの安定性及び従って測定の正確さを向上させる。前記光学取付板は、本発明の好適な実施例において、機器のハウジング内に容易に挿入するためのハンドルを備えることができる。
【００５９】
前記サンプルの位置は、前記装置の光学的部分に関して、かつコンピュータ制御された電気機械的マウント６によって１つ又は複数の寸法において変更することができる。サンプル用マウント６は、サンプルの温度を上昇させるための加温装置及び／又は前記サンプルの温度を低下させるための低温手段を備えることができる。また、前記サンプルの各領域の温度を変更することができ、または前記サンプルの部分を動かすことができる電力を前記サンプルに送給するための回路を備えることができる。また、前記マウントは、前記サンプルに機械的変更を加えるための機械的システム、サンプルの一部分を形成するはんだ又は他の金属合金を液状にして流動させる加熱装置、液体又はガス容器、サンプル又はその環境のいくつかの特性又は条件に応答して色を変化させる色変更手段を備えることができる。コントローラ８は、前記サンプルの条件状態データ及びタイムスタンプを自動的に捕らえるようにプログラムされる。マウント６は、熱電気素子及びそれに結合されたチャックを有する。前記チャックは抵抗温度計を有する。前記サンプルは、前記チャックと良好に熱接触した状態で取り付けられる。熱は、前記熱電気装置に適当な電流及び電圧を印加することによって、前記チャックを通して伝達され又は抽出される。加熱／冷却は、各ステップの開始及び終了温度並びにイメージを記録する前の安定状態の温度に前記チャックを維持しなければならない時間を特定するコントローラ機能によって制御される。一般的なプログラムには次のものが含まれる。
（ａ）初期参照温度に加熱又は冷却し、図６に関連して以下に記載するように自動焦点及びイメージの積み重ねを実行して、イメージ（単一又は合成）を得ること、及び
（ｂ）この過程をより高い温度又は低い温度で繰り返すこと、
並びに上記ステップ（ｂ）を所望の回数のステップだけ繰り返し行うことである。
【００６０】
前記コントローラはイメージを入手するためのフレームグラバーを有する。温度は、前記チャックの抵抗温度計とのＡ／Ｄインターフェースを介して獲得される。
【００６１】
或る実施例では、前記装置は携帯可能であり、サンプルを動かすことに不都合がある場合に現場でサンプルに整合させることができる。
【００６２】
運転時、半導体発光ダイオードＬＳ１からの光は、レンズＬ１によりコリメートされ、それによりその後の光ビームがＬ４の焦点位置でロンキ格子ＲＧ１を照射し、かつ更に対物レンズ２７を通過するようになっている。対物レンズ２７の機能は、ロンキ格子ＲＧ１のスペクトルを形成し、かつ該ビームから好ましくないオーダーを除去して、前記サンプルの位置におけるビームの横方向に亘って周期的に強度が変化する（制限的に変化することができる）プロファイルを形成することである。
【００６３】
ビームスプリッタＣ５は、考えられる３つの照明光路の組合せを可能にする。ビームスプリッタＣ１によって、対物レンズ２７または２８を通る単一の光路を照明及びイメージングの双方に用いることができる。
【００６４】
ＬＳ２は、コントローラ８によるイメージ相関処理に適した、前記サンプルの全体に亘る均一な非構造化照明を提供する。
【００６５】
第３光源ＬＳ３は、その所望のビーム幅まで広げられたレーザ源を有する。これは、レンズＬ３の焦点位置に配置されたロンキ格子（ＲＧ２）を通過する。この光ビームは、ＲＧ２、Ｃ３、Ｃ２、Ｃ５、Ｃ１及び対物レンズ２７／２８からなる光路に沿って前記サンプル上に照射される。
【００６６】
各対物レンズ２７、２８は無限遠補正された顕微鏡対物レンズであり、前記レンズの光軸に関して整合し、Ｌ１及びＬ４との整合がテレセントリックであって、前記顕微鏡対物レンズの焦点付近に配置されたワーク表面がケーラー照明の手法で、照明領域に亘って高度に均一な強度で照明されることになっている。
【００６７】
図１及び図３の装置のコントローラの動作は、図４に詳細に示されている。主要な機能は、検査／決定機能、光学部品の動作、サンプルの移動及び自動焦点である。前記装置は、フレキシブルな操作を可能にする利点を有し、変形及び歪みの測定の目的で、またはイメージの記録後にその処理の際に他の情報を抽出するために、４つのいずれかのモードで動作させることができる。これらのモードは次のとおりである。
【００６８】
モード１。構造化または非構造化照明の条件下でのイメージの記録であり、異なるサンプル条件下での多数のイメージの組を記録すること、及び周期的な照明を用いたイメージ相関関係（ＭＤＡＣ、イメージの相関関係による微細変形分析）の実行を含んでいる。
【００６９】
モード２。概ね均一な照明を使用し、対物レンズの焦点面を通してまたは他の方法で顕微鏡対物レンズに関してサンプル表面の位置を動かす関数として、イメージの組みまたは積み重ねを記録すること。
【００７０】
モード３。面内ジオメトリックモアレ効果のイメージング。
【００７１】
モード４。面外ジオメトリックモアレ効果のイメージング。
【００７２】
本明細書において、「モアレ効果」の用語の使い方は、「ジオメトリック」または「インタフェロメトリ／インタフェロメトリック」のいずれかにより制限されていない場合、いずれかのタイプのモアレ効果を意味するものと解することができる。
【００７３】
ターゲットの特性に最も適しており、かつ必要とするサンプルの準備が最小である動作モードを選択することができる。図５に関し、モード選択機能をもつ前記装置の動作全体が示されている。
【００７４】
ステップ１。前記サンプルを検査する。事前検査を実行してサンプルの特性を決定する。目的の物または部品は、その表面の各部分において異なる光学現象を呈する周期的または他の構造を有することができ、またはその表面のいずれか１つまたは複数が研磨され、丸く加工され、または粗く加工することができる。
【００７５】
コントローラ８は、デジタルイメージ相関法の実行のためにそれにより検査される材料ワーク上に十分なテクスチュアが存在するかどうかを決定する。これらの機能が捉えたイメージを処理して、多数のサブイメージ内でグレースケールのレベルの変化を分析することによって、テクスチュアの程度を決定する。高度に研磨されたサンプルのようにテクスチュアがあまりない場合には、構造化照明源を使用することになる。
【００７６】
サンプルは、その構造または様々な物質の組成による場合が多い固有のテクスチャまたはイメージ視野内の光学的コントラストを有する場合に、モード１及び２での検査に適している。固有のテクスチャを欠くが、格子構造を有する、または必要な場合に格子構造を適用することができるサンプルは、好ましくはモアレ効果モード３または４を用いて測定する。
【００７７】
ステップ２及び３。前記装置の最適の動作モードを選択する。前記装置の最適の動作モードを手作業でまたはプログラムで選択することが可能である。
【００７８】
サンプルの移動及び光学部品の移動の制御によってフレキシビリティが与えられ、表面の品質の準備及びテクスチュアに従って動作モードをシステム内にプログラムすることができる。また、これによって、サンプルは前記顕微鏡対物レンズに関して最適の焦点位置を通して動かされるので、一連の多数のイメージを前記顕微鏡対物レンズから様々な距離の位置で前記サンプルについて作ることができる。また、一連の多数のイメージは、前記顕微鏡対物レンズの視野より大きい前記サンプルのイメージを作り上げるために、同じサンプル条件下でかつ前記サンプルが常に前記顕微鏡対物レンズの焦点の位置にあるかまたはそれが一定の位置にある場合に前記サンプルについて作ることができる。
【００７９】
ステップ４。最適なサンプルの位置及び要求されるサンプルの移動の決定。最良の状態で集光されたイメージを決定するために、イメージのＦＦＴ及びイメージに存在する周波数分布の分析に基づいた自動焦点ルーチンを実行する。また、顕微鏡対物レンズから様々な距離の位置にあるサンプルの一連のスルーフォーカスイメージが得られかつ前記一連のイメージの中心のイメージが良好に集光される多数積み重ねイメージング法を実行することができる。
【００８０】
ステップ５。前記サンプルのイメージを作り上げる。これらのイメージは、様々なサンプル条件下ではあるが、同じ光学照明及び前記装置のイメージングモードの記録を用いて記録される。例えば、前記装置を用いて様々な温度を有するまたは機械的にもしくは別の方法で引き起こされた局所的な変形を生じているサンプルのイメージを入手することができ、それにより、後に続くステップにおいて記載されるような以下の方法のいずれかまたは全てによって変形を決定することができる。前記装置を用いて、前記顕微鏡対物レンズの焦点から様々な距離の位置にあるサンプルのイメージを得ることができる。
【００８１】
ステップ６。イメージはデジタル電子形式で与えられる。前記サンプルの様々な領域から記録されたイメージは、より大きなイメージを与えるように結合することができる。前記顕微鏡対物レンズから様々な距離の位置で記録された前記サンプルのイメージの各部分を選択的に結合して、その全ての位置が前記顕微鏡対物レンズと焦点が合っている単一のイメージを与えることができる。
【００８２】
ステップ７。変形、歪み、熱膨張の測定は、記録された、またはそれに続いてステップ６で与えられた２つまたはそれ以上のイメージの比較によって、次の方法のいずれかにより行われる。
（ｉ）デジタル記録フォーマットで作られまたは与えられたイメージの相関関係。
（ii）前記イメージに観察される幾何学的モアレ縞または縞パターンの分析。
（iii）前記イメージに観察されるモアレ干渉パターンの分析。
（iv）合成イメージを作るために前記イメージから抽出されたデータを合成すること。
【００８３】
より多くの場合には、モアレ効果はインターフェロメトリックというよりはむしろジオメトリックである。しかしながら、いくつかのモードは、より大きな感度を有するので、インターフェロメトリックモアレ効果を利用する。照明の特性によって、ジオメトリックモアレ効果またはモアレインターフェロメトリのいずれかによる分析のために、モアレ縞を、サンプル面において応力により誘導される面内変形後にサンプル面に生じさせる。面内変形は、後のイメージにおけるモアレ縞の変位をそれらの最初の参照イメージのそれから計算することによって決定することができる。
【００８４】
自動焦点については、コントロール８は、最も近い焦点のイメージを決定するために、イメージのフーリエ変換及びイメージに存在する周波数分布の分析に基づいて自動焦点法を実行する。ソフトウエア機能がワークの実時間イメージの高速フーリエ変換を実行してデジタルイメージに存在する周波数の分析を行う。ワークは、イメージが最も先鋭である場合に最良の焦点位置にあり、それは数学的な言い方において、デジタルイメージの中に存在する高周波数の割合が最も高い場合である。
【００８５】
また、コントローラ８は、熱フィルタガラス板、即ちワークと対物レンズとの間に、または対物レンズと前記光路の他の要素との間に配置された不透明なシャッタを制御して熱応力印加装置または熱応力を受けたワークからの過度の熱が光学部品に到達することを防止する。これを達成するために、コントローラ８は、作動装置上に取り付けられたガラスフィルタ板を制御する。前記サンプルが側方から見える場合には、大部分の熱は、前記光学アセンブリの横方向に放射されるよりはむしろ上方へ対流することになる。
【００８６】
以下に、モード１乃至４のそれぞれについて前記装置（図３）がどのように動作するかを簡単な言葉でより詳細に説明する。
【００８７】
モード１
ＬＳ１またはＬＳ２を活性化、イメージの相関関係。
モード１で動作している時、前記装置は、印加される応力の関数としてテクスチュアをイメージングすることによって、大部分の産業用及びマイクロエンジニアリング用の物質及び構造の表面に存在する固有のテクスチュアまたはイメージのコントラストを利用する。これらイメージにおける画素のブロックのデジタル／イメージ相関関係を実行して、局所的な領域の動作を、そのテクスチュアに関連する局所的なイメージの詳細部分の動作を追跡することによって決定する。
【００８８】
イメージの入手後、コントローラの機能が、サブイメージとして知られるイメージの変形されてない領域と変形された領域間の最大の相互相関関係の位置を見つけることによって、応力による変形を計算する。次に、視野全体に亘って変形マップを作り上げる。このモードに関する１つのオプションでは、ＬＳ１を自動焦点のために使用し、かつ次にＬＳ２をイメージの相関関係について使用する。
【００８９】
構造化照明（ＬＳ１）の使用は、自動焦点ルーチンにおいて補助することである。測定されているサンプル上の縞の存在は、イメージの焦点におけるより小さな変化に対する自動焦点ルーチンの感度を向上させる。
【００９０】
別のオプションでは、ＬＳ１からの構造化照明を、自動焦点及びイメージの相関関係双方について使用する。ＬＳ１は、特にサンプルが多くの表面テクスチュアを持たない場合にイメージの相関関係について使用する。ＲＧ１を短い時間で前記ビームの横方向に段階的に移動させ、フェーズステップモアレの各ステップについてイメージを入手する。フェーズステップモアレがモアレ縞毎の変位の感度を向上させる。
【００９１】
モード２
ＬＳ１またはＬＳ２、イメージの相関関係。
このモードでは、一連のイメージを、焦点位置の近くにある、前記顕微鏡対物レンズからサンプルが様々な距離の位置にある場合に記録する。いずれのイメージにおいても、視野内の前記サンプルの全体が焦点位置にある必要はない。様々なサンプル位置におけるイメージの焦点の合った様々なサブイメージを結合して、一連の焦点の合ったサブイメージで作られた合成イメージを与える。この技術は、サンプルが平坦でなかったり傾斜している場合に有用である。図６は、積み重ねたイメージが光学システムの焦点の領域を通じて作られる様子、及び焦点位置にあるイメージを選択しまたは合成する方法を示している。焦点機能は、合成処理において重要であり、イメージの各部分について評価することができる。イメージの３Ｄ積み重ねが得られかつ高速フーリエ変換関数により処理されて、様々な積み重ねイメージの最良の焦点領域が自動的に選択され、かつそれらが焦点の合った合成イメージとして与えられる。
【００９２】
モード３
ＬＳ１のみ、面内モアレ。
前記サンプルは、その表面に配置された色強度格子（位相格子に対するもの）を有する。対物レンズ及び格子線に配置されたそれらを通してサンプル上に投影されている縞の組み合わせによって、サンプルが変形した時にモアレ縞が生じる。前記サンプルのイメージは、応力を印加する前後において捕捉される。面内変形は、最初の参照イメージにおけるモアレ縞から後のイメージにおけるモアレ縞の変位を、イメージのデジタルフィルタリングにより投影された縞及び格子線の高次の周波数を除去した後に計算することによって決定される。本発明の１つのモアレ効果モードでは、サンプル及び照明光学系が、サンプルに応力を加える前にイメージにモアレ縞が見えないように調整される。
【００９３】
モード４
ＬＳ１及びＬＳ３、面外モアレ。
このモードは、サンプル表面上に格子構造または周期的構造を用いることを必要としない。ＬＳ３を用いて、ＬＳ１によって生成されるそれと同じ周波数の、第２の周期的に変化する照明パターンを、図２に示すようにサンプル上に投影する。別言すれば、前記装置によって、顕微鏡対物レンズを通したオフノーマル軸投影と組み合わせたサンプル上への法線方向の縞投影の組み合わせを用いるモアレ効果法による面外歪み測定が可能である。試験中のサンプルが面外方向の応力により変形した時、軸上または軸外の縞の組み合わせによって、変形の量に関連するモアレ縞が生成される。より高い周波数で投影される縞は、イメージから取り除かれる。
【００９４】
面外変位Ｗは次の式で与えられる。
【数１】
2005534934.tif 000003
ここで、ｇ及びｆは投影された格子のピッチ及び周波数であり、Ｎは面外測定における縞次数である。
【００９５】
装置２０の動作の追加の側面
モード１又は２は、連続する多数の重複したサンプル領域において実行することができる。これは、サンプル用マウント６の制御によって実現される。イメージは、変形を測定するイメージの相関関係のためにより大きな高解像度イメージに合成することができる。
【００９６】
また、コントローラ８は、熱膨張が材料の変形であるので、材料の熱膨張の係数を測定するのに用いることができる。
【００９７】
前記装置を用いて、照明及びイメージング光学系並びにそれらの制御を適当に選択することによって、顕微鏡のスケールで又はより大きな面積のスケールで局所的な顕微鏡視野を検査することができる。解像度が大き過ぎて微細変形を測定できないように面積のスケールが大きくなった場合には、前記ＭＤＡＣ技術を相関関係による変形分析（ＤＡＣ）として実行する。
【００９８】
前記装置によって、様々な種類の応力による変形を測定することができる。それは、はんだのリフロー工程や金属の合金化又はクリープにおけるような遷移熱処理においてサンプルを検査することができる。また、歪みのイメージを電気的又は電子的又はマイクロ電気電子システムに電力又は信号を印加して、そのような装置の通常の機能に固有の応力及び変形を誘導させたときに記録することができる。
【００９９】
前記装置は、実時間出力に対して十分高速の歪み又は変形測定に用いることができる。これは、物又は部品上で処理を実行する際に行われる。その例として、パッケージ化されているかどうかに拘わらず、微小電子、光電子又はマイクロシステム部品もしくは装置において、それらの部品又は装置に別の材料、部品、装置又はシステムを取付けもしくは結合する処理の際に変化する変形又は歪みを測定することである。
【０１００】
前記装置を用いて、脆弱な性質を有する対象物の変形又は歪みを測定することができる。そのような例は、歴史的な工芸品、考古学的構造物、壁画、及び歴史的構造物のような対象物である。絵画、壁画、フレスコ画、天井画、床に描かれた絵、モザイク画及びパターンや考古学的工芸品及び構造物を含む芸術の物理的に存在する作品の損傷した領域の測定を行うことができる。
【０１０１】
本発明は、上述した実施例に限定されるものでなく、その構成及び詳細な部分において様々に変形・変更を加えることができる。例えば、光源ＬＳ１及びＬＳ２は、それに代えてファイババンドルの中に光を照射し、その出力が関連する光路上に向けられた発光装置で構成することができる。又、ＬＳ１よりＬＳ２の双方に対応した単一の光路を設けて、格子を光路上及び光路外で変更できるように移動可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の装置の全体図。
【図２】サンプル上に照射される光を示す図。
【図３】本発明の別の装置を示す図。
【図４】装置のコントローラの制御ステップを示すフロー図。
【図５】装置のコントローラの制御ステップを示すフロー図。
【図６】イメージの積重ねを用いた焦点調節を示す図。
【図１】
2005534934.tif 000004
【図２】
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【図３】
2005534934.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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