(57)【要約】光学走査システムの動作を検査するための装置が提供される。この装置は、対象を走査するための１以上の走査照明ビーム（６）と、走査する対象に散乱された光を含む１以上の観察ビームとを含み、これは照明ビーム（６）の経路に反対方向で従う。この装置はさらに、上記照明ビームおよび上記観察ビームの両方を各々の走査のうち一部分の間反射するように配置された反射構造物（９）を含む（たとえば走査は円形走査システムの場合３６０°の走査であり得る）。この発明はさらに、各々の走査のうちの上記一部分の間上記反射構造物（９）により反射された照明ビーム（６）で走査されるように配置された基準標的（１０）を含む。基準標的（１０）で散乱された光は観察ビームとして受取られ、その光学特性を連続的に監視することによって光学走査システムの適正な動作を検査する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学走査システムの動作を検査する装置であって、
対象を走査するための１以上の走査照明ビームと、
前記１以上の照明ビームにより走査されている前記対象により散乱された光を含む１以上の観察ビームと、
前記１以上の照明ビームおよび前記１以上の観察ビームの両方を、前記走査システムにより実行される各々の走査のうち一部分の間反射するように配置された反射構造物と、
各々の走査のうちの前記一部分の間前記反射構造物により反射された前記１以上の照明ビームにより走査されるように配置された基準標的とを備え、
前記基準標的により散乱される光は繰返し可能な態様で測定可能である、装置。
【請求項２】
前記光学走査システムの光学経路上に光学窓が配され、前記窓は前記１以上の照明ビームおよび前記１以上の観察ビームの両方を横切る、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記窓は、走査されるべき前記対象が前記窓の外側表面に隣接するように、前記光学走査システムの光学経路上に配され、前記外側表面は、前記１以上の照明ビームの光源の方を向く前記窓の内側表面とは反対側の表面として定義される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記窓は、光学的厚みが等しく互いに隣接してある２つの個々の窓を含み、前記個々の窓の間に前記反射構造物が配置され、前記基準標的は前記窓の内側表面上に配置される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記基準標的は線上でありかつ前記光学走査システムの走査方向に実質的に直交するように配置される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記２つの個々の窓は同じ材料から形成されかつ物理的な厚みが等しい、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記２つの個々の窓の間に屈折率整合液が位置付けられる、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記基準標的の寸法は予め定められる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記基準標的は、既知の分光特性の材料から形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記反射構造物は金属構造物である、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記反射構造物は誘電体構造物である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記反射構造物は格子構造物である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
さらに、検査モードと測定モードとの間での切換をするための手段を備え、
前記検査モードの間には、前記１以上の照明ビームの光源が各々の走査のうちの前記一部分の間だけ動作させられ、前記測定モードの間には、前記光源は各々の走査のうちの前記一部分を除いて動作させられる、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
光学走査システムの動作を検査する方法であって、
反射構造物を前記光学走査システムの光学経路上で装着する工程を備え、こうして前記光学走査システムの照明ビームおよび観察ビームの両方が、前記走査システムにより実行される各々の走査のうち一部分の間反射され、前記方法はさらに、
各々の走査のうちの前記一部分の間前記反射構造物で反射された照明ビームを受けて前記観察ビームとして前記反射構造物の方へ散乱させるための基準標的を装着する工程と、
前記基準標的で散乱され前記反射構造物により反射された観察ビームの特性値を検出する工程と、
検出された前記特性値を予め定められた名目の特性値と比較する工程とを備える、方法。
【請求項１５】
前記光学走査システムの光学経路上に光学窓が配され、前記窓は前記照明ビームおよび前記観察ビームの両方を横切る、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記窓は、走査されるべき対象が前記窓の外側表面に隣接するように、前記光学走査システムの光学経路上に配され、前記外側表面は、前記照明ビームの光源の方を向く前記窓の内側表面とは反対側の表面として定義される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記窓は、光学的厚みが等しく互いに隣接する２つの個々の窓を含み、前記個々の窓の間に前記反射構造物が配置され、前記基準標的は前記照明ビームの光源の方を向く前記窓の内側表面上に配置される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記基準標的は線上でありかつ前記光学走査システムの走査方向に実質的に直交するように配置される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記２つの個々の窓は同じ材料から形成されかつ物理的厚みが等しい、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記２つの個々の窓の間に屈折率整合液が位置付けられる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記基準標的の寸法は予め定められる、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記基準標的は既知の分光特性の材料から形成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記反射構造物は金属構造物である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
前記反射構造物は誘電体構造物である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２５】
前記反射構造物は格子構造物である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
前記観察ビームの前記特性値は、検出された前記散乱光のピーク強度を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２７】
前記観察ビームの前記特性値は、検出された前記散乱光の期間を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２８】
前記観察ビームの前記特性値は、検出された前記散乱光の分光組成を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２９】
検出された前記特性値を予め定められた名目の特性値と比較する前記工程はコンピュータデータ収集システムを使用する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項３０】
前記名目の特性値は、前記光学走査システムの較正後に確立されて比較のために前記コンピュータデータ収集システムに蓄積される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
検出された前記特性値は前記名目の特性値と連続的に比較され、前記比較の結果が表示され分析される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
検出された前記特性値と前記名目の特性値との間での予め定められた差異が検査アラームを引起こす、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
光学走査システムの動作を検査するための装置であって、
対象を走査するための１以上の走査照明ビームと、
前記１以上の照明ビームにより走査されている前記対象により散乱された光を含む１以上の観察ビームと、
前記１以上の照明ビームおよび前記１以上の観察ビームの両方を、前記走査システムにより実行される各々の走査のうち一部分の間反射するための反射手段と、
各々の走査のうちの前記一部分の間前記反射手段で反射された前記１以上の照明ビームを受けて前記１以上の照明ビームのうち少なくとも一部を散乱させるための基準手段と、
前記基準手段で散乱され前記反射手段により反射された光を受取るための検出手段と、
前記散乱され反射された検出光の特性値を予め定められた名目の特性値と比較するための比較手段とを備える、装置。
【請求項３４】
前記比較手段はコンピュータを含む、請求項３３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、合衆国法典第３５巻１１９条に基づき、２００２年２月２２日出願の米国仮特許出願連続番号第６０／３５９，４５９号の利益を主張する。
【０００２】
発明の分野
この発明は、走査機器の使用中にその動作を検査するための手段を提供することに関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
工業上の環境下で用いられる光学器械においては、器械をプロセスから外す必要なしに器械がもたらす結果を検査することが極めて重要である。これは静的強度信号を用いた器械たとえば濁度計においては、可動の鏡またはその他の動く光学機器を用い光経路を定期的に切換えて、既知の光学特性を有する「標準の」標的を観察することによって行なわれることが一般的である。このような標準から頻繁にとられた読取値が較正後の標準についての最初の測定値と同一に留まれば、光学器械により得られる測定結果がなお有効であると想定することができる。
【０００４】
この手順は器械をプロセス環境の中に置いたままで実行可能ではあるが、動く光学要素を設ける必要があり、さらには標準の基準測定を行なう段取りが必要である。動く要素を追加する必要がなく、基準測定を自動的に行なうことができればより好ましいであろう。
【０００５】
走査光学機器については好適な検査システムは存在しない（走査光学機器としては、たとえば米国特許第４，８７１，２５１号に開示された収束ビーム反射測定法（ＦＢＲＭ）に基づくものがあり、これはここに明示的に引用により援用されるが、これに限定はされない）。この発明は、ＦＢＲＭに基づく走査機器を含む走査機器を検査するための方法および装置について記述するものである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の概要
この発明の一局面に従うと、光学走査システムの動作を検査するための装置が提供される。この装置は、対象を走査するための１以上の走査照明ビームと、上記１以上の照明ビームにより走査されている上記対象により散乱された光を含む１以上の観察ビームとを含む。この装置はさらに、上記１以上の照明ビームおよび上記１以上の観察ビームの両方を、各々の走査のうち一部分の間反射するように配置された反射構造物を含む（各々の走査はたとえば円形走査システムの場合には３６０°の走査であり得る）。この装置はさらに、各々の走査のうちの上記一部分の間上記反射構造物により反射された上記１以上の照明ビームにより走査されるように配置された基準標的を含む。
【０００７】
動作においては、通常、上記１以上の走査照明ビームは観察する対象を走査し、この対象で散乱された光は１以上の観察ビームとして受取られ、次にこの観察ビームを分析することで走査される対象についての情報を得る。しかし、各々の走査のうち一部分の間、上記１以上の照明ビームを上記反射構造物で遮り、上記基準標的の方へ反射させる。基準標的はこの反射されたビームを受けて光を散乱させ、この光が上記１以上の観察ビームとなる。次に、観察ビームは反射構造物で反射されて分析され、こうして基準標的についての
情報が得られる。ここで重要なことは、照明ビームの光源から観察する対象までの光学距離と、同じ光源から上記反射構造物を経て上記基準標的までの光学距離とが同じにされることである。したがって、各々の走査ごとに基準標的で散乱される光の光学特性を監視すれば、これは光学走査システムの適正な動作中には一定であるべきことから光学走査システムの適正な動作について検査することが可能である。
【０００８】
一実施例では、光学走査システムの光学経路上に光学窓が配される。この窓は、上記１以上の照明ビームと上記１以上の観察ビームとの両方を横切るように配置される。上記窓はまた、観察されるべき対象が窓の外側表面に隣接するように配置される。外側表面とは、上記１以上の照明ビームの光源の方を向いた内側表面とは反対側にある表面として定義される。上記窓は、光学的厚みが等しく互いに隣接してある２つの個々の窓から形成することができ、これら個々の窓は間に上記反射構造物を挟み込み、さらに窓の内側表面上に基準標的を含む。
【０００９】
この発明はさらに、光学走査システムの動作を検査する方法を提供する。この方法は一般的に４つのステップを含む。第１のステップは、反射構造物を光学走査システムの光学経路上で装着することに関するものであり、これによって上記光学走査システムの照明ビームおよび観察ビームの両方が、上記走査システムにより実行される各々の走査のうち一部分の間反射される。第２のステップは基準標的を装着することに関するものであり、この基準標的は、各々の走査のうちの上記一部分の間上記反射構造物で反射された照明ビームを受け、このビームを散乱させて観察ビームにし、この観察ビームは次に反射構造物で反射される。第３のステップは、基準標的で散乱され反射構造物で反射された観察ビームの特性値を検出することに関するものである。そして第４のステップは、上記観察ビームについて検出された特性値を予め定められた名目の特性値と比較することに関する。
【００１０】
検出されて予め定められた名目値と比較される特性値としてはたとえば、基準標的からの検出した散乱光のピーク強度や、基準標的からの検出した散乱光の期間や、または基準標的からの検出した散乱光の分光組成が挙げられ得る。好ましくは、名目の特性値は、光学走査システムの較正後に予め確立されて比較のためコンピュータシステムに蓄積される。コンピュータシステムは、検出された特性値を蓄積された名目値と連続的に比較し、このような比較の結果を分析し表示することができる。一実施例では、検出した特性値と名目値との間における予め定められた差異に基づいてコンピュータシステムが検査アラームを引起こすことが企図される。
【００１１】
この発明はさらに、光学走査システムの動作を検査するための装置を提供し、この装置は、対象を走査するための１以上の走査照明ビームと、上記１以上の照明ビームにより走査されている上記対象により散乱された光を含む１以上の観察ビームとを含む。この装置はさらに、上記１以上の照明ビームおよび上記１以上の観察ビームの両方を、上記走査システムにより実行される各々の走査のうち一部分の間反射するための反射手段と、各々の走査のうちの上記一部分の間上記反射手段で反射された上記１以上の照明ビームを受けてこのビームのうち少なくとも一部を散乱させるための基準手段とを含む。この装置はさらに、上記基準手段で散乱され上記反射手段で反射された光を受取るための検出手段と、検出された散乱光の特性値を予め定められた名目の特性値と比較するための比較手段とを含む。
【００１２】
以上により、この発明は、光学走査システムそれ自体で既に用いられている以外に動く要素を必要とすることなしに、光学走査システムの適正な動作を検査するための方法および装置を提供する。さらに、この発明に従う方法および装置は、検査を目的とした標準の基準測定を自動的および定期的に（各走査ごとに）行なうため、光学走査システムの通常の動作を中断させることがない。
【００１３】
この発明についての上述の局面およびこれに伴う利点の多くが、添付の図面を関連付けながら以下の詳細な説明を参照することでより容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
好ましい実施例の詳細な説明
この発明の説明上、ＦＢＲＭシステムでの使用に好適な一実施例を示す。しかし、その他の走査光学機器にも同じ原理が適用可能であることは明らかである。図１Ａは、光学スキャナ１と、光学スキャナ１が中に装着されたプローブチューブ２と、これを取囲む媒体３と、媒体３から光学スキャナ１を隔てる窓４とを示す図である。スキャナ１は機械軸ａまわりで或る既知の角速度で回転する。光源（図示せず）からの視準された光ビーム５がスキャナ１に入る。この光は光学窓４を通り、上記窓の外側表面上の小さなスポット「Ａ」に対して合焦される。さらに図１Ｂも参照して、スキャナ１が回転する結果として走査スポット（たとえば「Ａ」）は窓４の外側の円経路ｂに従って動く。液体のスラリー媒体３中の粒子などの対象が窓４に隣接しかつ走査経路ｂ上にあれば、合焦されたビーム６は或る既知の速度でこの対象を走査し、光はこの相互作用の期間中対象で散乱される。光の一部は光学スキャナ１で観察され得る立体角へと戻る。観察光は上記光学スキャナ１で実質的に視準され、照明ビーム５と同じ経路を反対方向に進む。この後ビームスプリッタ（図示せず）を光学経路上で用いて照明光経路と観察光経路とを分離する。散乱された光パルスの期間が測定され、粒子など観察される対象の寸法に関する情報が得られる。ＦＢＲＭ器械の動作についてのより詳細な説明に関しては、先に引用により援用した米国特許第４，８７１，２５１号を参照されたい。
【００１５】
この発明は、走査システムを検査するまたはそこからの読取値を較正するための方法および装置を提供するものである。そして、これを行なうために、完全な走査を行なうために用いる時間のごく一部の間だけ光源からの光を基準標的に対して反射させる。この基準標的が光学スキャナ１から隔てられて位置付けられる距離は、光学スキャナ１から窓４の外側表面までの距離と実質的に等しい。窓４はこの発明の重要な構成要素であり、以下検査窓と呼ぶ。検査窓は図２Ａおよび図２Ｂに例示する二片からなる組立体である。検査窓は、光学的厚みが実質的に等しい外側窓７と内側窓８とからなる。光学的厚みという用語はここでこれら２つの窓を互いに異なる材料で製造することを許容するために用いられ、たとえば外側窓にはサファイアを、内側窓にはＢＫ７光学ガラスを用いることができる。各々の窓の物理的な厚みをそれぞれの窓材料の屈折率と整合させて同じ光学性能およびこれに伴い等しい光学的厚みを達成する必要がある。屈折率整合液を内側窓と外側窓との間に配してもよい。また、外側窓７および内側窓８を同じ材料から作製し、かつ物理的な厚みを等しくしてもよいことは言うまでもない。走査経路の一部を暗くするように構造化された反射層９が内側窓８の表面上に位置付けられ、図２Ａに示すように外側窓７の方へ配向付けられる。図２Ａに示す反射層９の形状はこの発明の説明上の一例であり、反射層または構造体についてはその他の形状および寸法が可能であることは明らかである。考えられ得る反射層の一例としては構造化されたクロム層があるが、その他の材料（金属、誘電体、混成物）もまた可能である。また、別の例として、反射構造物に格子構造物を用いてもよい。
【００１６】
図２Ｂに示すように内側窓８と外側窓７とを接触させて、図１Ａに示す光学走査機器に組込むと、図３Ａおよび図４Ａでそれぞれ示される２つの光学経路の長さは実質的に等しくなる。具体的には、光学スキャナ１を合焦させてその合焦スポットがほぼ外側窓７の外側表面上またはそのすぐ近くにある（図３Ａ）場合、走査ビーム６が両方の窓間の反射構造物９に当たっている間中合焦スポットは内側窓８の内側表面上またはそのすぐ近くに生じる（図４Ａ）。図３Ｂおよび図４Ｂはこれら２つの例における反射構造物９のそれぞれの位置を示す。換言すると、完全な走査のうち一部分の間、合焦スポットは検査窓の外側
の代わりに内側の領域を走査する。図２Ｃの線１０などの基準対象が、検査窓の内側表面上で、反射構造９により反射されるビームで走査される領域に置かれる場合、上記基準対象１０の寸法の測定は各々すべての走査で行なわれる。具体的に、反射構造物９により反射されて基準対象１０に達した光は基準対象１０で散乱され、散乱された光の一部は再び反射構造物９で反射されて、光学スキャナ１で観察され得る立体角へ戻る。限定的でない例として、上記基準対象１０は、薄い色素の塗料などの拡散散乱材料を鋭い輪郭をもって上記検査窓の内側表面上に堆積させることで作製され得る。
【００１７】
上記検査窓を備えた光学走査器械の光学的および電子的システムの特性（たとえばレーザ電力、ファイバ結合および曲げ損失、光検出器反応、電子増幅、信号処理、およびその他対象の測定に直接影響を与えるもの）がすべて時間の経過を伴っても一定であれば、上記基準対象１０についての各々すべての走査で測定される寸法は一定に留まることになる。基準対象１０の測定値が時間を経ても変化しなければ、走査ビームが検査窓を通過する期間中に測定される他の対象の寸法は繰返し可能で較正された態様で測定されていると想定しても問題はない。一実施例では、基準対象１０の寸法測定は、基準対象１０で散乱された検出光の期間を測定することで実行されているが、その他基準標的１０で散乱された光に関連したさまざまな光学特性、たとえば検出した散乱光のピーク強度を測定してもよいことが当業者には明らかであろう。基準対象１０からのこれら測定値を、光学走査器械の適正な動作を示す名目値と比較することができる。名目値は光学スキャナ器械の較正後に確立されコンピュータシステム１１（図４Ａ）に蓄積されるのが好ましい。一実施例では、コンピュータシステム１１は、基準対象１０からの検出した散乱光の測定した特性値を、予め蓄積された名目値と連続的に比較して、この比較の結果を分析および表示する。
【００１８】
基準対象１０の測定寸法に変化があれば、それは対象の測定に直接影響を及ぼす光学的および電気的システムの特性に変化があったことが示している。したがって、器械は測定を繰返し可能な較正された態様では行なっていないと結論付けることができる。一実施例では、コンピュータシステム１１は、検出された特性値と予め蓄積された名目値との間に予め定められた差異があるとわかった場合に検査アラームを発するように構成される。
【００１９】
正確には、基準対象１０の測定寸法における変化は、上記光学的および電子的システムのどの特性が変化したのかを明確に示すわけではない。しかしながら、器械の検査という目的からは、基準（標準）測定値が元の較正と比較して変化していないということが示されれば、測定が繰返し可能で較正された態様で実行されていることを確かめるには十分である。
【００２０】
好ましい一実施例では、「検査モード」と「測定モード」との間で切換を行なう電子手段が設けられる。検査モードでは、走査ビームが反射構造物９で完全に遮られているときにのみ光源を動作させる。したがって、各々すべての走査につきただ一つの測定のみが行なわれることになり、これは基準対象１０に由来するものである。このモードを図４Ａおよび図４Ｂに示す。これとは対照的に、測定（通常）モードでは、走査ビームのどの部分も反射構造物９で遮られていないときにのみ光源を動作させる。したがってこのモードでは、検査窓の外側（すなわち媒体３の中）にある対象の測定値のみが収集され、その結果が検査窓を備えていない器械で入手した結果と直接比較可能である。このモードを図３Ａおよび図３Ｂで示す。上記モード間での切換を可能にするために、反射構造物９に対するスキャナの回転位置を示すタコメータなどの検知装置を設ける必要がある。
【００２１】
この開示では、特定的に、散乱して戻ってきた光パルスの期間を測定するように設計された走査光学器械のための検査システムの構成および使用を説明してあるが、窓を通じて動作する他の走査光学器械の走査経路の一部に反射構造物を配する類似の方策もまた実行可能であることが当業者には明らかである。たとえば、上記走査光学器械で収集された情
報が分光器によるデータの場合、検査窓の内側に置かれる基準構造物は、繰返し可能な基準スペクトルをもたらすための既知の組成の材料から形成されることが明らかである。この例では、観察する検出散乱光の特性は散乱光の分光組成となる。
【００２２】
以上、この発明の好ましい実施例を例示し記載したが、この発明の意味および範囲を逸脱することなくさまざまな変更が可能であることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】この発明の検査システムを組込むのに好適な光学走査機器の概略的な断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの光学走査機器の概略的な端面図であって円形の走査経路を示す図である。
【図２Ａ】この発明に従い形成された検査窓の一実施例の分解図である。
【図２Ｂ】図２Ａの検査窓を組立てた図である。
【図２Ｃ】図２Ｂの検査窓を逆転した（上下を逆にした）図であって、検査窓の内側表面上に与えられた線の形をとる基準標的を示す図である。
【図３Ａ】この発明の検査窓を組込んだ光学走査機器の概略的な断面図であって、検査窓の外側まで延びる照明ビーム経路を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの光学走査機器の概略的な端面図である。
【図４Ａ】この発明の検査窓を組込んだ光学走査機器の概略的な断面図（図３Ａと同じ）であって、照明ビーム経路が検査窓の中の反射構造物まで延びてから検査窓の内側表面上に設けられた基準標的まで延びる様を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａの光学走査機器の概略的な端面図であって、反射構造物の位置を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際調査報告】
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2005518539.tif 000013
2005518539.tif 000014