(57)【要約】【課題】試験対象物の第１及び第２表面を干渉法によってプロファイルすることに加えて、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係に基づき、試験対象物の幾何学的特性を測定する。【解決手段】本発明は、試験対象物の幾何学的特性を測定するための方法を特徴とする。この方法は、第１基準面に対して、試験対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルする工程と、第１基準面とは異なる第２基準面に対して、試験対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルする工程と、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を提供する工程と、干渉法によってプロファイルした表面、並びに第１基準面と第２基準面との間の空間的関係に基づいて、試験対象物の幾何学的特性を計算する工程とを含む。ある実施形態では、この空間的関係は、校正済みのゲージ・ブロックを使用することによって、または変位測定干渉計を使用することによって測定することができる。対応するシステムも説明される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験対象物の幾何学的特性を測定する方法であって、
第１基準面に対して、試験対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルする工程と、
第１基準面とは異なる第２基準面に対して、第２座標系で、試験対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルする工程と、
第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を付与する工程と、
前記干渉法によってプロファイルした第１及び第２表面、並びに第１基準面と第２基準面との間の空間的関係に基づいて、前記幾何学的特性を計算する工程とを備える方法。
【請求項２】
第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定する工程をさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定する工程が、
第１基準面に対して基準対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルする工程と、
第２座標系に対して基準対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルする工程と、
前記基準対象物について少なくとも１つの校正済寸法を提供する工程と、
プロファイルした第１及び第２表面と、前記少なくとも１つの校正済寸法とに基づいて、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を計算する工程とを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
試験対象物の幾何学的特性を測定する装置であって、
動作中に、第１基準面に対して、試験対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルし、かつ第１基準面とは異なる第２基準面に対して、試験対象物の第２表面を干渉法によってする干渉法によるプロファイリング・システムと、
干渉法によるプロファイリング・システムに連結された電子プロセッサであって、動作中に、干渉法によってプロファイルした第１及び第２表面、及び第１基準面と第２基準面との間の空間的関係に基づいて、前記幾何学的特性を計算する電子プロセッサとを備える装置。
【請求項５】
干渉法によるプロファイリング・システムが、試験対象物を支持するためのマウントを備え、前記マウントが、試験対象物の第１表面を露出し、かつ基準面を定義する第１位置と、試験対象物の第２表面を露出し、かつ第２基準面を定義する第２位置との間で調節可能である請求項４に記載の装置。
【請求項６】
干渉法によるプロファイリング・システムが、試験対象物の第１表面を見るための第１ビューイング・ポートと、試験対象物の第２表面を見るための第２ビューイング・ポートとを有する干渉光学プロファイラを備える請求項４に記載の装置。
【請求項７】
干渉法によるプロファイリング・システムが、第１基準面を定義する第１位置から、第２基準面を定義する第２位置まで調節可能な可動ステージを備える請求項４に記載の装置。
【請求項８】
第１表面および第２表面を有するゲージ・オブジェクトをさらに備え、前記第１表面は、第１基準面に対して干渉法によるプロファイリング・システムによってプロファイルされるように配置され、第２表面は、第２基準面に対して干渉法によるプロファイリング・システムによってプロファイルされるように配置される請求項４に記載の装置。
【請求項９】
電子プロセッサが、第１光学プロファイラおよび第２光学プロファイラによって供給されるゲージ・オブジェクトの第１表面および第２表面の干渉法によるプロファイリング測定値に基づいて、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定する請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
ゲージ・オブジェクトが、少なくとも１つの校正済寸法を有し、電子プロセッサが、第１光学プロファイラおよび第２光学プロファイラによって供給されるゲージ・オブジェクトの第１表面および第２表面の干渉法によるプロファイリング測定値と、前記少なくとも１つの校正済寸法とに基づいて、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定する請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
ゲージ・オブジェクトが、試験対象物の干渉法によるプロファイリング中に、干渉法によるプロファイリング・システムの視野内に配置される請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
電子プロセッサが、干渉法によるプロファイリング・システムおよび試験対象物のＰＣＯＲ分散を示す少なくとも１つの値を使用して、幾何学的特性を計算する請求項４に記載の装置。
【請求項１３】
試験対象物の幾何学的特性を測定する方法であって、
第１基準面に対して、試験対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルする工程と、
第１基準面とは異なる第２基準面に対して、試験対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルする工程と、
ＰＣＯＲ分散を考慮する、干渉法によってプロファイルした第１表面及び第２表面間の空間的関係を測定する工程と、
干渉法によってプロファイルした表面および空間的関係に基づいて、幾何学的特性を計算する工程とを備える方法。
【請求項１４】
広帯域源と、
動作中に、部分反射性の第１表面および反射性の第２表面を備える基準経路に沿う方向に第１波面を指向させ、測定対象物に接触する測定経路に沿う方向に第２波面を指向させ、第２波面が測定対象物に接触した後、各波面を合成して光干渉パターンを生成する走査干渉計と、
前記光干渉パターンに応答して干渉データを生成する検出器と、
前記干渉データを解析するための、検出器に連結された電子プロセッサと、
走査干渉計および電子プロセッサに連結された走査コントローラとを備え、該走査コントローラは、動作中に、走査干渉計に第１表面および第２表面の位置を調節する光プロファイリング・システム。
【請求項１５】
走査干渉計の部分反射性の第１表面が第１基準面を定義し、反射性の第２表面が第２基準面を定義し、動作中に、電子プロセッサが、干渉データ、並びに第１基準面と第２基準面との間の関係に基づいて、試験対象物の幾何学的特性を計算する請求項１４に記載の光プロファイリング・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密工業部品の幾何学的寸法を測定し、かつ／または検証するための光学的方法および手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密設計構成部品の製造は、幾何学的寸法および公差の測定（ＧＤ＆Ｔ）における標準的慣行に左右される。ＧＤ＆Ｔについての計測は、表面の形、並びに部品表面間の関係の正確な測定を必要とする。この計測は、正確で、かつ国際標準に適合しなければならず、測定時間が数秒以下であることが好ましい。当該の表面の形には、例えば反対向きの平面の平行表面、直交する平面の表面、分離した平面の表面、円筒形表面、および球形表面、並びにアセンブリの構成部品表面が含まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、試験部品上の潜在的に分離した表面上の点の、共通基準フレームに対する絶対位置を測定する光学系および光学的方法を特徴とする。このようなシステムおよび方法により、例えば部品フィーチャの位置、相対的向き、および形状が仕様に適合することをユーザが検証することが可能となる。
【０００４】
本発明は、異なる視点から試験部品を見るように適合された、１つまたは複数の光学プロファイラを有する光学系を含む。各プロファイラは、各プロファイラに局所的な座標系に対する、表面の点の３次元の絶対位置を測定することができる。本発明は、各プロファイラの座標系を他のプロファイラに関係付け、それによって、測定される各表面位置を他のすべてと関係付ける初期化手順および校正手順をさらに含む。このような手順では、例えば機械的標準アーチファクトまたは距離測定レーザ干渉計を利用して、２つの対応する光学プロファイラ座標系の分離および相対的向きに関する情報を提供することができる。適切な光学プロファイラには、三角測量システム、飛行時間システム、および光干渉計が含まれる。光干渉計は、表面に垂直な機械的スキャンまたは等価スキャンを利用して、各イメージピクセルについての局在化（例えばコヒーレンス限定）干渉パターンを得る高さ走査干渉計などである。以下により詳細に説明するように、比較的粗い表面を有する試験部品を扱うときは、赤外線源を利用する高さ走査干渉計が特に有利である。
【０００５】
一般に、一態様では、本発明は、試験対象物の幾何学的特性を測定するための方法を特徴とする。この方法は、第１基準面に対して、試験対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルする工程と、第１基準面とは異なる第２基準面に対して、第２座標系で、試験対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルする工程と、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を付与する工程と、干渉法によってプロファイルした表面、並びに第１基準面と第２基準面との間の空間的関係に基づいて、幾何学的特性を計算する工程とを備える。
【０００６】
この方法の諸実施形態は、以下の特徴のいずれも含み得る。
第１表面の干渉法によるプロファイリングは、第１表面上の複数の各点までの、第１基準面上の対応する点からの距離を与えることができる。同様に、第２表面の干渉法によるプロファイリングは、第１表面上の複数の各点までの、第１基準面上の対応する点からの距離を与えることができる。
【０００７】
前記基準面の一方または双方は、平面または曲面の一部でよく、あるいは構造を伴う面を有することができる。
試験対象物の第１表面は、第２表面と離間され得る。第１表面および第２表面は、試験対象物の反対向きの各面に対応することができる。第１表面および第２表面は、試験対象物の隣接する各面に対応し得る。第１表面および第２表面は、段差の高さだけ分離した、隣接する各面であり得る。第１表面および第２表面は、第１表面の干渉法によるプロファイリング範囲より長く、かつ第２表面の干渉法によるプロファイリング範囲より長い距離だけ互いに変位することができる。
【０００８】
第１表面の干渉法によるプロファイリングは、第１方向に沿って第１表面に電磁放射を指向させることと、第２表面の干渉法によるプロファイリングは、第１方向とは異なる第２方向に沿って第２表面に電磁放射を指向させることとを含み得る。第１表面の干渉法によるプロファイリングは、干渉計システムに対して試験対象物を位置決めすることと、第２表面の干渉法によるプロファイリングは、干渉計システムの少なくとも１つの構成部品に対して試験対象物を再配置することとを含む。例えば、干渉計システムに対して試験対象物を再配置することは、試験対象物を移動すること、または干渉計システムの少なくとも１つの構成部品を移動することを含み得る。後者の場合、この方法は、干渉計システムの少なくとも１つの構成部品の移動を測定し、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定することをさらに含む。
【０００９】
第１基準面と第２基準面との間の関係は、第１基準面および第２基準面上の対応する基準点間の距離と、第１基準面および第２基準面の相対的向きを定義する２つの角度とによって定義することができる。
【００１０】
この方法は、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定することをさらに含み得る。
例えば、第１座標系と第２座標系との間の関係を測定することは、第１基準面に対して基準対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルすることと、第２座標系に対して基準対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルすることと、基準対象物についての少なくとも１つの校正済寸法を提供することと、プロファイルした表面と、少なくとも１つの校正済寸法とに基づいて、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を計算することとを含み得る。基準対象物は、試験対象物の概寸に従って選択することができる。
【００１１】
この方法は、少なくとも１つの干渉変位測定に基づいて、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定することをさらに含み得る。例えば、この空間的関係は、少なくとも１つの干渉距離測定と、初期校正とに基づいて測定することができる。この方法は、第１基準面および第２基準面の少なくとも一方を調節して、試験対象物の第１表面および第２表面の干渉法によるプロファイリングに対処すること、第１基準面および第２基準面の少なくとも一方の調節を干渉法によって測定して、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定することをさらに含み得る。
【００１２】
この空間的関係は、第１基準面に対して初期化アーチファクトの第１表面を干渉法によってプロファイルする工程と、第２基準面に対して初期化アーチファクトの第２表面を干渉法によってプロファイルする工程と、少なくとも初期化アーチファクトのプロファイルした表面に基づいて、第１基準面と第２基準面との間の初期の空間的関係を計算する工程と、第１基準および第２基準面を調節して、試験対象物の第１表面および第２表面に適合させる工程と、第１基準面および第２基準面の調節に対応する少なくとも１つの変位を、干渉法によって測定する工程とによっても測定することができる。例えば、初期化アーチファクトの第１表面および第２表面は、共通界面の前面および背面とすることができる。さらに、この方法は、初期化アーチファクトについての少なくとも１つの校正済寸法を提供することができ、初期関係の計算は、初期化アーチファクトのプロファイルした表面と、少なくとも１つの校正済寸法とに基づくことができる。
【００１３】
幾何学的特性は、試験対象物の平面度、試験対象物の厚さ、試験対象物の平行度、段差の高さ、第２表面に対する第１表面の角度方向（例えば、第１表面と第２表面との直角度）、および試験対象物の真円度のいずれでもよい。しばしば、幾何学的特性は、第１表面上の複数の点と、第２表面上の複数の点の、共通座標系での位置によって定義される。
【００１４】
第１表面および第２表面の少なくとも一方の干渉法によるプロファイリングは、走査白色光干渉法の実行、赤外線走査干渉法の実行、走査ＭＥＳＡ干渉法の実行、走査斜入射干渉法の実行、多重波長干渉法の実行のいずれも含み得る。
【００１５】
試験対象物は、部分透過性にすることもでき、幾何学的特性を、この部分透過性の試験対象物の反対側の点の位置に関係付けることができる。試験対象物の第１表面および第２表面は、同じ側から干渉法によってプロファイルすることができ、第１基準面および第２基準面は、干渉法によるプロファイリング工程に対して使用される干渉計システムのプロファイリング範囲ηよりも長い距離だけ互いに離間されることができる。さらに、干渉法によるプロファイリング工程に対して使用される干渉計システムは、部分反射性の第１表面と、反射性の第２表面とを有する基準対象物であって、第１表面が第１基準面を定義し、第２表面が第２基準面を定義する基準対象物を含み得る。空間的関係は、基準対象物の第１表面と第２表面との間の空間的離間距離によって定義することができる。
【００１６】
一般に、別の態様では、本発明は、試験対象物の幾何学的特性を測定する装置を特徴とする。この装置は、第１基準面に対して、試験対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルする手段と、第１基準面とは異なる第２基準面に対して、試験対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルする手段と、干渉法によってプロファイルした表面、および第１基準面と第２基準面との間の空間的関係に基づいて、幾何学的特性を計算する手段とを含む。この装置は、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定する手段をさらに含む。
【００１７】
一般に、別の態様では、本発明は、試験対象物の幾何学的特性を測定する装置を特徴とする。この方法は、動作中に、第１基準面に対して、試験対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルし、第１基準面とは異なる第２基準面に対して、試験対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルする干渉法によるプロファイリング・システムと、干渉法によるプロファイリング・システムに連結された電子プロセッサであって、動作中に、干渉法によってプロファイルした表面、並びに第１基準面と第２基準面との間の空間的関係に基づいて、幾何学的特性を計算する電子プロセッサとを含む。
【００１８】
この装置の実施形態は、前記方法に関係する前述の特徴のいずれも含むことができ、以下の特徴のいずれも含むことできる。
この干渉法によるプロファイリング・システムは、試験対象物を支持するためのマウントを含み、このマウントは、試験対象物の第１表面を露出し、基準面を定義する第１位置と、試験対象物の第２表面を露出し、第２基準面を定義する第２位置との間で調節可能である。
【００１９】
この干渉法によるプロファイリング・システムは、試験対象物の第１表面を見るための第１ビューイング・ポートと、試験対象物の第２表面を見るための第２ビューイング・ポートとを有する干渉計式光学プロファイラを含み得る。例えば、この光学プロファイラは、第１ビューイング・ポートについての視野を記録するように配置された第１カメラと、第２ビューイング・ポートについての視野を記録するように配置された第２カメラとを含み得る。あるいは、この光学プロファイラは、第１ビューイング・ポートおよび第２ビューイング・ポートについての分割視野を記録するように配置されたカメラを含むこともできる。この光学プロファイラは、少なくとも１つの電磁放射源を含み得る。この光学プロファイラは、電磁放射の第１部分を第１ビューイング・ポートに向け、電磁放射の第２部分を第２ビューイング・ポートに向けるように配置された第１光学部品をさらに含み得る。例えば、第１光学部品は、電磁放射の第１部分を第１ビューイング・ポートに向けて反射させ、電磁放射の第２部分を第２ビューイング・ポートに向けて反射させ、入射電磁放射の少なくとも１つの付加的な部分をビーム分割光学部品を通じて送るように配置されたビーム分割光学部品とすることができる。この光学プロファイラは、ビーム分割光学部品を通じて透過される入射電磁放射の少なくとも１つの付加的な部分を受け取るように配置された反射基準面をさらに含み得る。さらに、この光学プロファイラは、反射基準面の位置を走査するための、反射基準面に連結された変換器を含み得る。
【００２０】
この光学プロファイラは、第１可動ステージによって支持される第１ビューイング・ポート光学部品をさらに含み得る。第１ビューイング・ポート光学部品は、電磁放射の第１部分の少なくとも一部を試験対象物の第１表面に向けるように配置され、第１可動ステージは、試験対象物の第１表面の干渉法によるプロファイリングに対処するように調節可能である。さらに、この光学プロファイラは、第２可動ステージによって支持される第２ビューイング・ポート光学部品を含み得る。第２ビューイング・ポート光学部品は、電磁放射の第２部分の少なくとも一部を試験対象物の第２表面に向けるように配置され、第２可動ステージは、試験対象物の第２表面の干渉法によるプロファイリングに対処するように調節可能である。例えば、第１反射光学部品はルーフ・ミラーとすることができる。この光学プロファイラは、電磁放射の第１部分の少なくとも一部を試験対象物の第１表面にさらに向ける第１フォウルド・ミラー（ｆｏｌｄ  ｍｉｒｒｏｒ）をさらに含み得る。この装置は、第１可動ステージに対する調節と、第２可動ステージに対する調節の少なくとも一方によって引き起こされる、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係の変化を測定するように配置された変位測定干渉計も含み得る。
【００２１】
この干渉法によるプロファイリング・システムは、試験対象物の第１表面を見るための第１干渉計式光学プロファイラと、試験対象物の第２表面を見るための第２干渉計式光学プロファイラとを含み得る。例えば、第１光学プロファイラは、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を調整するように、第２光学プロファイラに対して可動にすることができる。さらに、この装置は、第１光学プロファイラと第２光学プロファイラの相対移動によって引き起こされる、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係の変化を測定するように配置された変位測定干渉計を含み得る。
【００２２】
この干渉法によるプロファイリング・システムは、第１基準面を定義する第１位置から、第２基準面を定義する第２位置まで調節可能な可動ステージも含み得る。
この装置は、第１表面および第２表面を有するゲージ・オブジェクトをさらに含んでよく、前記第１表面は、第１基準面に対して干渉法によるプロファイリング・システムによってプロファイルされるように配置され、前記第２表面は、第２基準面に対して干渉法によるプロファイリング・システムによってプロファイルされるように配置される。このような実施形態では、電子プロセッサは、第１光学プロファイラおよび第２光学プロファイラによって供給されるゲージ・オブジェクトの第１表面および第２表面の干渉法によるプロファイリング測定と、必要であればゲージ・オブジェクトについての少なくとも１つの校正済寸法とに基づいて、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定することができる。さらに、ある実施形態では、ゲージ・オブジェクトは、試験対象物の干渉法によるプロファイリング中、干渉法によるプロファイリング・システムの視野内に配置することができる。
【００２３】
この装置は、第１基準面と第２基準面との間の空間的関係を測定するように配置された変位測定干渉計をさらに含み得る。
電子プロセッサは、干渉法によるプロファイリング・システムおよび試験対象物のＰＣＯＲ分散を示す少なくとも１つの値を使用して、幾何学的特性を計算することができる。
【００２４】
一般に、別の態様では、本発明は、試験対象物の幾何学的特性を測定するための装置を特徴とする。この装置は、動作中に、第１基準面に対して、試験対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルし、第２基準面に対して、試験対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルする干渉法によるプロファイリング・システムであって、第１基準面および第２基準面の位置を調節するための、少なくとも１つの可動ステージを含む干渉法によるプロファイリング・システムと、少なくとも１つの可動ステージに対する調節によって引き起こされた、第１基準面と第２基準面の相対位置の変化を測定するように配置された変位測定干渉計と、干渉法によるプロファイリング・システムおよび変位測定干渉計に連結された電子プロセッサであって、動作中に、干渉法によってプロファイルした表面、並びに第１基準面と第２基準面の相対位置に基づいて、幾何学的特性を計算する電子プロセッサとを含む。
【００２５】
この態様の実施形態は、以下の特徴のいずれも含み得る。
この干渉法によるプロファイリング・システムは、第２可動ステージを含むことができ、動作中、最初に述べた可動ステージが第１基準面の位置を調節し、第２可動ステージが第２基準面の位置を調節する。あるいは、この少なくとも１つの可動ステージは、第１基準面を定義する第１位置から、第２基準面を定義する第２位置まで調節可能な第１可動ステージを含むこともできる。
【００２６】
この変位測定干渉計は、複数の測定軸（例えば、２つまたは３つ）を提供することができる。この走査干渉法によるプロファイリング・システムは、赤外線波長または可視波長を使用することができる。
【００２７】
一般に、別の態様では、本発明は、試験対象物の幾何学的特性を測定する方法を特徴とする。この方法は、第１座標系で試験対象物の第１表面をプロファイルする工程と、第１座標系とは異なる第２座標系で、試験対象物の第２表面をプロファイルする工程と、少なくとも１つの干渉距離測定に基づいて、第１座標系と第２座標系との間の空間的関係を測定する工程と、プロファイルした表面、並びに第１座標系と第２座標系との関係に基づいて、幾何学的特性を計算する工程とを含む。
【００２８】
一般に、別の態様では、本発明は、試験対象物の幾何学的特性を測定する方法を特徴とする。この方法は、第１基準面に対して、試験対象物の第１表面を干渉法によってプロファイルする工程と、第１基準面とは異なる第２基準面に対して、試験対象物の第２表面を干渉法によってプロファイルする工程と、ＰＣＯＲ分散を考慮する、干渉法によってプロファイルした表面間の空間的関係を測定する工程と、干渉法によってプロファイルした表面および空間的関係に基づいて、幾何学的特性を計算する工程とを含む。
【００２９】
一般に、別の態様では、本発明は、広帯域源と、動作中に、部分反射性の第１表面および反射性の第２表面を含む基準経路に沿う方向に第１波面を向け、測定対象物に接触する測定経路に沿う方向に第２波面を向け、第２波面が測定対象物に接触した後、各波面を合成して光干渉パターンを生成する走査干渉計と、前記光干渉パターンに応答して干渉データを生成する検出器と、前記干渉データを解析するための、前記検出器に連結された電子プロセッサと、前記走査干渉計および電子プロセッサに連結された走査コントローラであって、動作中に、走査干渉計に第１表面および第２表面の位置を調節させる走査コントローラとを含む光プロファイリング・システムを特徴とする。ある実施形態では、走査干渉計の部分反射性の第１表面が第１基準面を定義し、反射性の第２表面が第２基準面を定義し、動作中に、電子プロセッサが、干渉データ、並びに第１基準面と第２基準面との間の関係に基づいて、試験対象物の幾何学的特性を計算する。
【００３０】
本発明の実施形態は多くの利点を含む。例えば、これらは共通ｘｙｚ座標系に対する、高データ密度の、試験部品の２つ以上の表面の絶対表面トポグラフィ・マップを提供することができる。このようなトポグラフィ・マップを使用して、精密工業部品の幾何学的寸法が指定の公差に適合することを検証することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】平面度および平行度に関する共通の定義を示す図。
【図２】部品厚測定を示す図。
【図３】部品の別の第３の厚さ測定を示す図。
【図４】段差の高さ測定を示す図。
【図５】両側全光ＦＴＰシステムの概略図。
【図６】部品基準をシミュレートするために定盤を使用する片側光ＦＴＰの概略図。
【図７】ゲージ・ブロックを使用する校正の概略図。
【図８】ゲージ・ブロックを使用して、同時に部品測定し、かつシステム校正する概略図。
【図９】変位測定干渉計を使用する校正の概略図。
【図１０】段差の高さを測定する際に使用するための、構造化光学プロファイラ基準の概略図。
【図１１】校正で使用するための構造化光学プロファイラ基準の概略図。
【図１２】曲面間の関係を測定するための構造化光学プロファイラ基準の概略図。
【図１３】段差の高さを測定する光プロファイリング・システムの概略図。
【図１４】段差の高さおよび厚さを測定する光プロファイリング・システムの概略図。
【図１５】平面度および直角度を測定する光プロファイリング・システムの概略図。
【図１６】図１５の光プロファイリング・システムの校正の概略図。
【図１７】平面度、厚さ、直角度、および直交性（ＦＴＰＯ）を測定する光プロファイリングの幾何形状の概略図。
【図１８】図１５の幾何形状についてのカメラ・イメージの概略図。
【図１９】直交性を測定するプロファイリング・システムの概略図。
【図２０】ＦＴＰＯプロファイリング・システムの概略図。
【図２１】赤外線走査高度測定干渉計の概略図。
【図２２】部分透過性の試験部品を測定するためのＦＴＰ光プロファイリング・システムの概略図。
【図２３】校正のためにゲージ・ブロックを使用する赤外線走査ＦＴＰシステムの斜視図。
【図２４】構造化プロファイラ基準を使用するＦＴＰシステムの概略図。
【図２５】校正のためにＤＭＩを使用するＩＲ走査ＦＴＰシステムの概略図。
【図２６】図２５のＩＲ走査ＦＴＰシステムの動作を記述するフローチャート。
【図２７】２ビーム・マイケルソン干渉計の概略図。
【図２８】干渉コヒーレンス・プロファイリングデータと、ＰＣＯＲおよびＰＣＯＲ分散の効果とを示すグラフ。
【図２９】ＰＣＯＲおよびＰＣＯＲ分散の効果を図示する、干渉位相の、波数の関数としてのグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の他の態様、利点、および特徴を以下に述べる。
本発明は、共通基準フレームに対する、試験部品上の潜在的に分離した表面上の点の絶対位置を測定する光学系および光学的方法を特徴とする。特に注目されるのは、反対向きの平面の平行面、直交する平面、分離した平面、円筒形表面、球形表面、並びにアセンブリの構成部品の表面である。以下では、まず、測定要件と、干渉計式プロファイラがこのような測定をどのように実行し、次いで、ゲージ・ブロックまたはレーザを使用して校正を処理し、厚さおよび平行度の尺度を確定するかを説明する。次いで、サンプル・システムを説明し、それに続いて追加の実施形態を論じる。
【００３３】
測定
機械加工部品が、設計図に関する国内規格および国際規格に従ってＧＤ＆Ｔ仕様に適合しているかを検証したいことがしばしばある。ＡＳＭＥ文書Ｙ１４．５Ｍ−１９９４（「ＡＳＭＥ規格」）は、米国でのＧＤ＆Ｔ慣行を定義している。ＡＳＭＥ標準に含まれる定義は、熟練した機械工が部品を製造し、検証し、組み上げる方法と密接に関係している。例えば反対向きの平面の平行面を有する部品の場合、当該の仕様には、平面度、厚さ、および平行度（ＦＴＰ: Flatness, Thickness, and Parallelism）が含まれる。以下、平面度、厚さ、および平行度をＦＴＰという。
【００３４】
例えば、平面度公差は通常、表面がその内側になければならない２つの平行な平面によって定義されるゾーンを特徴づける。データ点のすべてを包含する最小の離間距離を得るために、２つの平行な平面を反復的に合わせられる。
【００３５】
平行度公差はしばしば、表面がその内側にある、基準面に対してどちらも平行な２つの平面によって定義されるゾーンを特徴づける。図１に、２つの反対向きの表面Σ２およびΣ１を有する例示的部品に関する平面度（Ｆ： Flatness）および平行度（Ｐ: Parallelism）の概要を示す。基準面Ｑは、部品の下面、すなわち指定されたフィーチャ（造作）Σ１と接触する、理論的には完全な平面である。平行度は、部品の上面Σ２全体を含む、基準Ｑに平行な２つの平面の最小の離間距離である。明らかに、平行度公差は平面度公差以上である。
【００３６】
ＧＤ＆Ｔに適合する、いくつかの妥当な厚さの解釈が存在する。
厚さ１＝基準に対するプロファイル：１つの手法としては、図１の部品基準Ｑに対するプロファイルを許容することである。この基準−参照プロファイル公差は、表面Σ１から表面Σ２までの基本寸法を取り込む。部品を厚さに従って分類する目的のために、測定厚は、指定される表面Σ１に対する表面Σ２の平行度を検証するために使用される２つの平面の、基準Ｑからの平均距離とみなすことができる。
【００３７】
厚さ２＝局所実寸法：第２の可能性は、図２に示すような、フィーチャの任意の断面での個々の距離の値である局所実寸法、例えば局所寸法値Ｔ１，２．．．Ｎに厚さを関連付ける。局所実寸法は、基準に対する参照を使用しない。本発明者らは、最大局所実寸法と最小局所実寸法との平均を取り、これを測定厚と呼ぶことを提案する。この場合に限り、厚さ公差を平行度公差よりも小さくすることが可能となる。
【００３８】
厚さ３＝寸法：厚さの第３の解釈は、厚さを部品寸法に対する同義語とみなすことである。この場合も、部品寸法は、基準への参照を使用しない。むしろ、ＭＭＣ（最大材料条件）およびＬＭＣ（最小材料条件）の定義により、部品寸法が制御される。ＭＭＣは、部品を完全に含む２つの平行な平面の、可能な最大の離間距離に相当する。したがってこれは、部品全体に適用される平面度に類似したものである。ＬＭＣは、反対向きの表面Σ１およびΣ２上の２つの点の、可能な最小の離間距離に対応する。ＬＭＣとＭＭＣの平均が、厚さの第３の可能な定義である（図３）。
【００３９】
【表１】
2011107168.tif 000003
表１に示すように、これらの潜在的ＧＤ＆Ｔ定義のすべてを光ＦＴＰ測定システムに適応させるために、任意の一定オフセットを有し得る相対表面トポグラフィ測定と、このアンビギュイティを有さない絶対測定とを区別する。明らかに、厚さの定義３は、要件を決定する。部品寸法を計算するのに必要なデータのすべてを収集したとすれば、他のＧＤ＆Ｔ特性のすべてに対して必要な情報のすべてを有する。ＦＴＰの任意の他の有意な定義を事実上満たすのに必要なデータのすべても有する。したがって、共通座標系に対する、試験部品の両側の高データ密度の絶対表面トポグラフィ・マップを提供する計測ツールを有することが有利である。
【００４０】
同様に、他の応用例の場合には、共通座標系に対する、試験部品の分離した表面ΣＡ, ΣＢの高データ密度の絶対表面トポグラフィ・マップを提供する計測ツールを有することが有利である。例えば図４に示すように、前記分離した表面は、段差の高さだけ互いに離間し得る。部品に関する注目中の測定値は、その分離した表面の平面度、平行度、および段差の高さ（ＦＰ−Ｈ: Flatness, Parallelism, and step-Height）を含み得る。以下、平面度、平行度、および段差の高さをＦＰ−ＨまたはＦＰＨという。例えば表面のうちの１つ、例えば面ΣＡを基準面を定義する平面に合わせて、この基準に対して、くぼんだ表面ΣＢ上の最高点と最低点の平均として段差の高さを定義することができる。
【００４１】
以下にさらに説明するように、注目中の付加的な測定値には、異なる部品表面の直交性、またはより一般に、ある部品表面（例えば、平面、曲面、または構造化面）の、別の部品表面に対する幾何学的関係が含まれる。一般に、このような幾何学的特性は、第１表面上の複数の点と、第２表面上の複数の点の共通座標系中の測定位置によって測定することができる。
【００４２】
光ＦＴＰシステム
本発明の実施形態は、光学プロファイラを利用して、光学プロファイラ基準Ｈに対する、表面Σ上の任意の所与の点ｘ，ｙについての限定された範囲η内の高さｈＨΣを測定する。例えば、このような高さの測定値は、走査高度測定干渉計、例えばザイゴ  コーポレーション社（Ｚｙｇｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（米国コネチカット州ミドルタウン（Ｍｉｄｄｌｅｔｏｗｎ）所在）の製品ＮｅｗＶｉｅｗ（登録商標）  ５０００に特徴的なものである。この場合、ηはスキャン範囲１００ミクロンである。ＮｅｗＶｉｅｗ（登録商標）光学プロファイラ基準の位置および向きは、スキャンの開始点、並びにピーク縞コントラスト位置に影響を与えるすべての光構成部品の位置に関係する。２つの部品表面をプロファイルするためにこのような２つの光学プロファイラを使用し、そのプロファイリングに対してこの２つの対応する光学プロファイラ基準Ｈ１，Ｈ２を関係付けることにより、ＦＴＰ、ＦＰＨ、および他のこのような幾何学的部品特性に関する十分な情報が与えられる。
【００４３】
図５に、独立した複数の光学プロファイラ、または２つの反対向きのビューイング・ポートを有する１つのプロファイラによって得られる２つの表面高さプロファイル
【００４４】
【数１】
2011107168.tif 000004
に関係する全光ＦＴＰ測定を示す。（Ｈ１）と符号を付けられた２つの平面はＨ１に平行である。事前の校正によって２つの光学プロファイラ基準面Ｈ１，Ｈ２の間の関係を知ることにより、双方の表面プロファイルを共通平面、例えばＨ１に関係付けることができる。
【００４５】
【数２】
2011107168.tif 000005
上式中、
【００４６】
【数３】
2011107168.tif 000006
は、ｘ＝０、ｙ＝０でのＨ１からＨ２までの距離であり、
【００４７】
【数４】
2011107168.tif 000007
は、この２つの平面間のチップ角およびチルト角である。すべてのｘ，ｙに対して、
【００４８】
【数５】
2011107168.tif 000008
および
【００４９】
【数６】
2011107168.tif 000009
が分かれば、表１のＦＴＰ測定の要求を満たすのに十分である。
【００５０】
ＦＴＰ測定のために両側から部品を観察することに対する代替方法は、定盤（図６）などの機械的基準シミュレータを使用して一方の側からのみ部品を観察することである（図６）。これは、定盤との接触が反復可能であり、かつ信頼できることを条件として、表１に略述した平面度、平行度、および厚さ１の要件を満たす。固定は直接的となり、対象物は、平面度に関して両側を測定するために上下反対にされることになる。さらに、単一光学プロファイラを使用して、部品に対して光学プロファイラを並進させ、分離した表面を順次観察することによってＦＰＨ測定を行うことができる。さらに、諸実施形態としては、２つ以上の表面をプロファイラで順次観察することができるように、光学プロファイラに対して部品の校正された再配置を提供する調節可能なマウントによって部品が支持される、単一光学プロファイラ・システムがあり得る。さらに、諸実施形態には、光学プロファイラが異なる部品表面を同時に観察するための分割視野を提供する、単一光学プロファイラ・システムがあり得る。
【００５１】
一般に、光学プロファイラ・システムは、ｉ）共通電子制御および共通コンピュータ制御を共用してもよいし、共用しなくてもよい複数の（例えば２つ以上）光学プロファイラと、ｉｉ）それぞれが効率的に独立な光学プロファイラとして作用する複数のビューイング・ポートまたは複合ビューイング・ポートを有する単一光学プロファイラと、ｉｉｉ）部品または部品を支持するマウントに関して、プロファイラの異なる表面に順次調節可能に位置決めされる単一光学プロファイラとを含み得る。複数のビューイング・ポートを有する光プロファイリング・システムは、１つまたは複数の共通光学系、分割視野を有する共通カメラ、および／または別々のカメラを含み得る。単一光学プロファイラ・システムは、光学プロファイラまたはその構成部品を移動することによって、あるいは部品を支持する部品または調節可能マウントを移動することによって作動させることができる。
【００５２】
ゲージ・ブロックを使用する校正
光プロファイリング・システムは、２つの部品表面測定に対応する基準Ｈ１，Ｈ２の間の相対的な向きおよび距離を測定するために校正される。このような校正は、例えば変動する部品の厚さに適応するために部品をプロファイリング範囲η内に移動させることによって基準位置が調節される場合に必要となることがある。
【００５３】
校正の１タイプでは、保証されたゲージ・ブロックなどの標準アーチファクトが使用される。校正の目的は、２つの光学プロファイラ基準面Ｈ１，Ｈ２を関係付ける距離
【００５４】
【数７】
2011107168.tif 000010
および配向角
【００５５】
【数８】
2011107168.tif 000011
を確立することである。図７に示すように、校正のために機械的標準アーチファクトを使用するとき、最初の工程は、プロファイラを使用して下面および上面Ｇ１，Ｇ２を測定することである。次の工程は、平面Ｇ１’，Ｇ２’をプロファイラ・データにｒｍｓ（二乗平均平方根）フィットさせ、この情報を距離
【００５６】
【数９】
2011107168.tif 000012
と、配向角
【００５７】
【数１０】
2011107168.tif 000013
に変形することである。あらかじめどのようにＧ１’をＧ２’に関連付けるかが分かると（すなわち、ＮＩＳＴ追跡可能証明により）、
【００５８】
【数１１】
2011107168.tif 000014
が計算される。これを実施した後、部品の測定は、式（１）に従って続行する。図７に示すように、並進ステージ（例えばｚステージ）を使用して、光学プロファイラのプロファイリング範囲η内に平面Ｇ１’，Ｇ２’を位置決めすることができる。
【００５９】
機械的標準アーチファクトを使用する前述の校正は、測定システムの全体的な機械的および熱的安定性の特性を示している期間中は、依然として有効である。多くの工業部品の場合、厚さに関する計測公差は厳しく（６σ＜１μｍ）、非常に頻繁に校正することが必要であることが分かる。代替方法は、図８に示すように、試験部品の隣にアーチファクトを配置して、１回の測定で、校正および部品の特徴付けを同時に行なうことである。言い換えれば、このプロファイリング・システムは、ゲージ・ブロックを直接的に試験部品と比較する。
【００６０】
好都合なデータ分析手順は、各々の側のゲージ・ブロックと試験部品との間の段差の高さを測定し、
【００６１】
【数１２】
2011107168.tif 000015
を得ることである。平行度はこの角度から得られ、厚さは、
【００６２】
【数１３】
2011107168.tif 000016
値の差と、既知または仮定のアーチファクトの特性との和である。
【００６３】
【数１４】
2011107168.tif 000017
機械的標準アーチファクトによる校正は、同じタイプの部品を反復して測定するために、ＦＴＰおよび他の測定を実行する経済的な方法であり得る。この計器は、認定されたアーチファクトの厚さの周囲における、限定された厚さの範囲内で測定する。通例の機械的標準アーチファクトが各部品タイプに対して提供され、部品を基準面で完全に囲むことによって精度および繰返し精度を最大にするように設計される。
【００６４】
波長スケールを使用する校正
上記で指摘したように、変化する部品厚に対して光プロファイリング・システムを調節することは、基準Ｈ１，Ｈ２の一方または双方を調節して、対象物表面を測定値η内にもってくることを含む。この調節の後、校正により、基準Ｈ１，Ｈ２の新しい相対位置および相対向きが測定される。機械的標準アーチファクトを使用して、あらゆる厚さに対して再校正することに対する代替方法は、任意のｚステージ変位を監視し、結果として生じるチップおよびチルトにおける任意の変化に対して補償することである。例えば、レーザ・ベースの変位測定干渉計（ＤＭＩ）を使用して、ステージ移動、並びに校正に関係する任意の他のパラメータを測定することができる。この波長スケールは、複数のアーチファクトを維持する必要性を排除し、より柔軟となる。
【００６５】
ＤＭＩ測定は、初期化されて、ＤＭＩ測定とプロファイラとの間の関係が確立される。初期化は、薄く、完全に特徴付けられた、熱的に安定であることが好ましい初期化アーチファクトを、光学プロファイラの経路中に一時的に挿入することを含む。その名前が意味するように、初期化アーチファクトの機能の一部は、すべての厚さ測定に関する原点を確立することである。図９に、初期化（ａ）に関係する全校正シーケンスを示す。初期化（ａ）では、光学プロファイラが、２つの表面Ｚ１，Ｚ２の間に既知の関係を有する薄いブロックとして図示される初期化アーチファクトを測定し得る位置に移動させる。初期ゼロ設定シーケンスの結果は、光学プロファイラ基準Ｈ１０、Ｈ２０に対する高さデータに対する、ｒｍｓ平面フィットＺ１’、Ｚ２’から得られる４つの角度
【００６６】
【数１５】
2011107168.tif 000018
と、２つの高さ
【００６７】
【数１６】
2011107168.tif 000019
である。この情報に基づいて、かつあらかじめＺ１’とＺ２’の間の関係を知ることにより、２つの光学プロファイラ基準Ｈ１０、Ｈ２０の間の関係は、
【００６８】
【数１７】
2011107168.tif 000020
によって与えられる。同時に、ＤＭＩにより、ＤＭＩ内部参照基準Ｗ０に対する、プロファイラ２に取り付けられたＤＭＩミラーＭ０の初期相対位置および向きの測定から得られる角度
【００６９】
【数１８】
2011107168.tif 000021
および高さ
【００７０】
【数１９】
2011107168.tif 000022
が与えられる。これにより初期化プロセスが完了する。
【００７１】
今や光学プロファイラを任意の他の位置に並進させ、ＤＭＩによって、どれほど移動したかを正確に知ることができる（図９、工程（ｂ）を参照）。以下の式によって、新しい位置に対して計器が校正される。
【００７２】
【数２０】
2011107168.tif 000023
上式で、αＷＭ、βＷＭ、ＤＷＭは、新しいステージ位置に対して測定されるＤＭＩの角度および高さである。
【００７３】
この計算の基礎をなす仮定は、ＤＭＩ内部参照基準Ｗおよび光学プロファイラ基準Ｈ１との間の関係が常に同じであるということである。さらに、ＤＭＩミラーＭと光学プロファイラ基準Ｈ２との間の関係も一定であると仮定する。機械的ドリフトおよび熱ドリフトは、時間の経過につれてこの仮定を損ない、それによって再初期化を余儀なくされることがある。
【００７４】
これらの計算は、ＤＭＩと光学プロファイラについての座標系が同じであること、具体的には、距離測定「Ｄ」のすべての基準となるｘ，ｙ＝０，０横方向の原点が同じであることを仮定している。したがって、アッベ・オフセット誤差を最小化することは、角度αＷＭ、βＷＭがＤＷＭの計算に影響を及ぼす可能性が最も小さくなるような、ＤＭＩビームの位置決めを伴うことになる。
【００７５】
波長スケール初期化に関していくつかの実施形態が存在する。例えば、初期化アーチファクトを透過性にし、一面を部分反射性にすることができる。この場合、２つの表面Ｚ１，Ｚ２は、同じ表面の両側の面となり、角度
【００７６】
【数２１】
2011107168.tif 000024
および距離
【００７７】
【数２２】
2011107168.tif 000025
は、０に非常に近くなる。部分透過性のゼロ枠アーチファクトは、常に視野内に留まって、システム中に恒久的に固定され得ると考えられる。
【００７８】
付加的な校正作業は、平面度度量衡を低下させる可能性のある波面システムエラー（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｓｙｓｔｅｍ  ｅｒｒｏｒ）を差し引くことを含み得る。例えば、非常に高品質の基準平面を計器内に挿入し、波面システムエラーを決定し、その波面システムエラーを格納して、後続の測定での誤差を補正するために使用することができる。例えばこの基準平面が初期化アーチファクトと同一である場合、前記システムエラーの測定は、初期化と同時に行うことができる。
【００７９】
いくつかのタイプのレーザ干渉計は、波長スケール校正に必要なＤＭＩに対する最小要件を満たす。例えば、通常は距離および向きに対して３つのＤＭＩビームまたは軸が必要であるが、他のある機構では、角度を制御するために２つの軸、さらには１つの軸で十分である。他方では、ＤＭＩは数千の距離測定値を提供するレーザ・フィゾー干渉計でよい。この場合、ＤＭＩを光学プロファイラ内に直接的に一体化し、同じ結像システムを共用することができる。
【００８０】
一実施形態では、３．５〜５．０μｍで動作するＩＲ走査システム内に組み込まれた３．３９μｍ  Ｊｏｄｏｎ  ＨｅＮｅなどの、光学プロファイラと平行して動作するレーザ・ベースの干渉計を使用することができる。ＩＲ中のＨｅＮｅレーザは、必然的に安定な波長で、かつモード安定であり、光学系のすべては、波長スケールおよび光学プロファイラによって共用される。この波長帯で動作するＩＲカメラは、低ＭＴＢＦスターリング・サイクル冷却器を必要とし得る。これに代わって、市販のマイクロボロメータの信頼性が高いので、ＩＲ走査システムで８〜１２μｍの範囲の光源を使用することもできる。このような光源としては、１０．６μｍＣＯ２レーザがある。これに代わって、複数波長のＣＯ２レーザ干渉計を波長スケールとして使用してもよい。このような計器は、部品厚の予想される範囲全体（例えば０〜７５ｍｍ）を潜在的に含む、ずっと広い範囲ηにわたって絶対高さを測定することになる。
【００８１】
別の適切な波長スケールは、ザイゴ  コーポレーション社（Ｚｙｇｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（米国コネチカット州ミドルタウン（Ｍｉｄｄｌｅｔｏｗｎ）所在）の製品ＺＭＩ  ５１０などの、市販の０．６３μｍＨｅＮｅヘテロダインＤＭＩである。
【００８２】
複雑なフィーチャおよび構造化基準
ある部品タイプは、２つの反対向きの表面よりも若干、より複雑なフィーチャを有する。例えば、図１０に、３つの平行な表面、すなわち１つの上面と、２つのオフセットした下面を有する部品を示す。したがって、反対向きの表面に関係する厚さ測定に加えて、段差の高さの測定がある。段差の高さが光学プロファイラの測定範囲ηを超過すると、これにより問題が生じる。前述のように、これにより、２つのオフセット下面がそれぞれの座標系でプロファイルされ、座標系が互いに関係付けられて段差の高さが測定されるＦＰＨタイプの測定に対する動機づけが与えられる。
【００８３】
これに代わって、光学プロファイラに対して構造化光学プロファイラ基準を提供することができる。例えば、これは、干渉光学プロファイラにおいて、光学プロファイラの基準アーム内に構造化横方向プロファイルを有する対象物を位置決めすることによって実施され得る。例えば、前記プロファイラは、構造化基準ミラーを有し得る。図１０に示すケースでは、構造化光学プロファイラ基準は、段差の高さの公称オフセットと等しい公称オフセットを有する２つの平行な平面を有する。構造化プロファイラ基準内の平行な平面間のオフセットは、前述と同様の手順によって校正されてもよいし、または光学プロファイラの安定な、既知の内部特性であってもよい。この種の光学プロファイラは、片側からの平面度、段差の高さ、および平行度の測定と、両側からの平面度、段差の高さ、厚さ、および平行度の測定が可能である。
【００８４】
構造化プロファイラ基準の別の潜在的な使用法は、校正を単純化することである。図１１に、構造化プロファイラ基準が既知のオフセットを有すると仮定して、小さいゲージ・ブロックを使用して、より大きい試験部品を測定するためにシステムをどのように校正するかを示す。このタイプの校正は、本質的に、校正の負担を光学プロファイラ自体に移行する。これは、例えば、光学プロファイラが前述の付加的な校正工程を必要とすることなく、様々な校正済み構造化プロファイラ基準を提供するように構成される場合に有利であり得る。
【００８５】
別の例は、構造化基準により、ＦＴＰ測定の基礎となる概念が、非平面、例えば、球形または円筒形の対象物の形、直径、真円度、および／または直線性に対してどのように拡張されるかを示す。図１２に、湾曲した光学プロファイラ基準からの測定がどのように円筒の直線性、直径、および真円度を与えるかを概念的に示す。この場合、表面全体にわたって測定を完了するように、回転盤が部品を回転させ、さらに場合によっては並進させることが好ましい。
【００８６】
ＦＰＨ光プロファイリング・システム
図１３は、段差の高さを直接測定することに関する概略図である。このシステムは、ＤＭＩを波長スケールとして利用する片面段差の高さ測定ツール（例えばＦＰＨツール）である。ＩＲ走査光学プロファイラ（以下でさらに詳細に論じる）は、光学プロファイラ基準Ｈに対する、表面Σ上の任意の所与の点ｘ，ｙについての高さｈＨΣを測定する。段差の高さが範囲ηを超過している場合、光学プロファイラの並進（すなわちｚステージの並進）により、表面ΣＡ，ΣＢの双方を捕捉するための「拡張スキャン」が提供される。それにより、光学プロファイラ基準の向きおよび位置は２つの位置Ａと位置Ｂとの間で変化する。２つの対応する光学プロファイラ基準ＨＡ，ＨＢの間の関係がわかっている場合、段差の高さを測定する手段を有する。したがって上記製品ＺＭＩの役割は、ＨＢをＨＡに関係付けることである。
【００８７】
２つの位置Ａおよび位置Ｂについての光学プロファイラ基準面ＨＡ，ＨＢの間の関係が分かれば、双方の表面プロファイルを共通平面、例えばＨＡに関係付けることができる。
【００８８】
【数２３】
2011107168.tif 000026
上式で、
【００８９】
【数２４】
2011107168.tif 000027
はｘ＝０、ｙ＝０でのＨＡからＨＢまでの距離であり、
【００９０】
【数２５】
2011107168.tif 000028
は、この２つの平面間のチップ角およびチルト角である。すべてのｘ，ｙに対して
【００９１】
【数２６】
2011107168.tif 000029
および
【００９２】
【数２７】
2011107168.tif 000030
が分かれば、ＦＰ−Ｈ測定のために必要なすべての情報が得られる。図１０のシステムでは、試験部品は、直接的に、または機械的固定によってＤＭＩミラーＭに取り付けられ、それによって部品とミラーとの間の固定された関係が維持される。したがってこの実施形態では、ＤＭＩは部品に対する光学プロファイラの位置を直接的に監視する。ビームａおよびビームｂについてのＤＭＩデータは、以下の式により、距離Ｄおよび角度α，βに縮約される。
【００９３】
【数２８】
2011107168.tif 000031
上式で、ｗａＷＭ、ｗｂＷＭは、図１３に示す２つのビームａ，ｂによって測定される距離を指し、Ｌは、これらのビームの横方向の離間距離である。２つのＤＭＩビームだけしかないので、βすなわち「チップ」角は一定であると仮定し、追跡されないことに留意されたい。次いで、２つの光学的基準面位置Ａおよび位置Ｂに関する相対的向きおよび離間距離は、下記の通りである。
【００９４】
【数２９】
2011107168.tif 000032
実際には、
【００９５】
【数３０】
2011107168.tif 000033
および
【００９６】
【数３１】
2011107168.tif 000034
の双方を標準的手順として０に設定することは道理にかなっており、この場合、
【００９７】
【数３２】
2011107168.tif 000035
かつ
【００９８】
【数３３】
2011107168.tif 000036
となり、式（８）がさらに簡略化される。
【００９９】
図１４は、ＦＴＰ測定およびＦＰＨ測定のどちらも行うことができる光プロファイリング・システムの概略図である。この実施形態では、ＤＭＩミラーは、システム内の（ＩＲ走査プロファイラ２に取り付けられた）いくつかのフォウルド・ミラーからの反射によって得られる仮想的構成であり、フォウルド・ミラーのいずれも、実際には部品または部品取付具に取り付けられていない。したがって、この実施形態でのＤＭＩ読取り値は、厚さ測定に必要な、２つの光学プロファイラの間の見掛け離間距離または実効離間距離だけに感応し、実際の部品位置は報告しない。
【０１００】
図１４のシステムは図１３のシステムとは異なる幾何形状を有するが、それでもなお、代替拡張スキャン手順に従って段差の高さを測定することが可能である。この場合、システムは２つの連続するＦＴＰ測定を、その２つの間で移動するｚステージで実行する。図１４に示す、この場合の部品は、表面領域Σ１Ａ，Σ１Ｂに名目上平行な背面Σ２、または代替背面として働くミラーを有する取付具を有する。段差の高さ測定は以下のように行われる。まず、ＦＴＰ関数を使用して、背面Σ２へのｒｍｓ平面フィットΣ２’に対する、表面領域Σ１Ａの高さプロファイル
【０１０１】
【数３４】
2011107168.tif 000037
を得る。次いで、Σ２’に対するΣ１Ｂについてこの手順を繰り返す。次に、段差の高さ解析のために必要となるため、２つの表面領域Σ１Ａ，Σ１Ｂを、共通基準面Σ２’に関係付ける。
【０１０２】
傾斜した表面
ＦＴＰ光計測の概念は、名目上平行ではない表面を含む、表面間の他のタイプの関係測定に容易に変換される。図１５に、２つの表面の平面度および直角度の測定を示す。このタイプの測定の場合、厚さは、問題とされるパラメータではない。しかし、校正手順は、上記で論じた手順と同様である。図１６に、どちらも校正のために使用することのできる標準アーチファクトおよびＤＭＩ監視システムによる校正を示す。さらに、アーチファクトは部分透過性の要素であってよく、その場合、該要素は恒久的に視野内にあってよい。
【０１０３】
付加的な実施形態は、ＦＴＰ測定と角度測定、例えば平面度、厚さ、平行度、および直交性（ＦＴＰＯ: Flatness, Thickness, Parallelism, and Orthogonality）を組み合わせることができる。以下、平面度、厚さ、平行度、および直交性をＦＴＰＯという。例えば、図１７に、矩形の断面を有する対象物の、（１）〜（４）と符号をつけた４つの表面を同時に測定するための潜在的な幾何学的配置を示す。基本ＦＴＰ計器は、（Ａ）および（Ｂ）と符号をつけた２つの方向から対象物を照射する。この目的は、すべての表面の平面度と、表面（３）に対する（１）の厚さおよび平行度と、表面（４）に対する（２）の厚さおよび平行度と、すべての隣接する表面の直交性とを測定することである。
【０１０４】
図１７では、２つのミラー（直交性試験ミラー）が平行平面であるように固定されており、かつ既知の離間距離を有している。したがって、この測定の幾何学的配置により、全９０度反射が１８０度反転に変換される。この変換は、角度測定のすべてを単純な平行度チェックに変換する。したがって、表面（１）が表面（４）に直交する場合、計器では平行であるように見えることになる。このことは、対象物または直交性試験ミラー対が、図１７に対して直交する軸の周りに回転する場合であっても当てはまる。
【０１０５】
図１８に、図１７のシステムを撮像するカメラから見た部品の外観を示す。記号、
【０１０６】
【数３５】
2011107168.tif 000038
は、対象物の対向側面上の対応する表面点を示す。例えば、表面（１）と表面（３）の間の最小厚のＬＭＣ計算は、これらの各表面上の×で示した点からの距離を使用することになる。さらに、原点すなわち厚さゼロ位置は、２つの直交性試験ミラーの離間距離の大きさに等しい量Ｌだけ負方向にシフトされる。さらに、入射角４５°の角度で複光路反射するために、任意の２つの表面間の厚さＤは、幾何学的構造において√２だけ拡大される。
【０１０７】
隣接する表面の直交性を試験する別の配置を図１９に示す。この配置は、初期化位置を参照するための、付加的な直交性アーチファクトを含む。図１７のシステムと同様に、ミラーは、直交性測定を平行度測定に変換する。
【０１０８】
ＦＴＰＯのすべてを試験する、さらに別の配置を図２０に示す。この場合、矩形試験部品の４つの側面のプロファイリングに適応するために、２つの垂直ミラーがそれぞれ、２つの光学プロファイラのうちの一方からの視野を分割する。図２０のＦＴＰＯシステムは、表面（１）および表面（３）までの距離がそれぞれ表面（２）および（４）までの距離と等しくないことに対処するために、構造化基準も備えるか、またはｚステージ移動も利用する。
【０１０９】
光学プロファイラ
ＦＴＰ、ＦＴＰＯ、およびＦＰＨなどの関係測定の場合、光学プロファイラは、少なくとも限定された測定範囲ηにわたって、光学プロファイラ基準面に対する絶対表面高さを測定する。適切な光学プロファイラとしては、三角法を用い、かつ線形の光伝播を仮定して位置の幾何学的解釈を行なう三角測量システム、光パルスまたは振幅変調を利用して時間遅延を距離と関連付ける飛行時間システム、離散的波長解析と、それに続く部分縞解析または合成波長分析のシーケンスを使用する多重波長干渉計、位相シフト干渉計、並びに高さ走査干渉計（ｈｅｉｇｈｔ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）がある。多くの応用例の場合、光学プロファイラは、高さ走査干渉計であることが好ましい。高さ走査干渉計には、走査白色光干渉計（ＳＷＬＩ）、走査ＭＥＳＡ干渉計、走査斜入射干渉計、およびＩＲ走査干渉計が含まれる。
【０１１０】
ＳＷＬＩは、本願と同じ所有者の、米国特許第５，３９８，１１３号明細書および同第５，４０２，２３４号明細書に記載されており、内容を参照により本明細書に援用する。ザイゴ  コーポレーション社（Ｚｙｇｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（米国コネチカット州ミドルタウン（Ｍｉｄｄｌｅｔｏｗｎ）所在）の製品ＮｅｗＶｉｅｗ（登録商標）  ５０００は、絶対高さ測定を行うことができる市販のＳＷＬＩ計器である。ＳＷＬＩ計器をＳＷＬＩ源の可視波長と比べて粗い表面を有する部品に対して使用するとき、スペックル現象により、通常の干渉縞パターンの有意性が低下する。しかし、白色光コヒーレンス・ピークは、依然として距離情報を提供し得る。例えば、Ｔ．ドレセル（Ｔ．Ｄｒｅｓｅｌ）、Ｇ．ハイスラー（Ｇ．Ｈａｅｕｓｌｅｒ）、およびＨ．ベンズケ（Ｈ．Ｖｅｎｚｋｅ）「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｏｆ  ｒｏｕｇｈ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｂｙ  ｃｏｈｅｒａｎｃｅ  ｒａｄａｒ」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３１（７）、９１９〜９２５ページ（１９９２年）を参照されたい。
【０１１１】
走査ＭＥＳＡ干渉計は、本願と同じ所有者の、米国特許第５，５９８，２６５号明細書に記載されており、この内容を参照により本明細書に援用する。走査斜入射干渉計（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｇｒａｚｉｎｇ  ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）は、本願と同じ所有者の、「Ｇｒａｚｉｎｇ  Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」と題された１９９９年６月３日出願の米国特許出願第０９／３２５１７５号明細書に記載されており、この内容を参照により本明細書に援用する。
【０１１２】
ＩＲ走査干渉計は、白色光ではなく広帯域赤外線光を使用することを除き、ＳＷＬＩ計器に類似している。可視波長では粗く見え、スペックルを生成する表面は、より長波長、例えばＩＲでは全く異なる様相を呈する。したがって、ＩＲ走査干渉計は、粗面白色光干渉計に特徴的な厄介なスペックル現象をなくすように、十分長いＩＲ波長を使用する。したがって画像および干渉縞において、スペックルと、付随する制限および困難のすべてがなくなる。縞を局在化する広帯域源、適切な走査機構、およびコンピュータ制御によって、高精度かつ迅速な測定速度で、技術的な表面プロファイル、並びに広い領域にわたる表面間および点の間の関係の、明白な測定が達成される。ＩＲ走査干渉法システムは、本願と同じ所有者の、２０００年２月２５日出願の米国特許出願第０９／５１４２１５号明細書に記載されている。
【０１１３】
図２１に示すように、ＩＲ走査干渉計は一般に、ｉ）対象物の技術表面が鏡面に見える、すなわち、垂直入射の反射光にスペックルがない範囲のＩＲ波長を供給する広帯域源、ｉｉ）少なくとも１つの対象物表面または表面点から反射する少なくとも１つの測定ビームを含む干渉光学系、ｉｉｉ）ＩＲカメラで干渉データを収集しながら、干渉計の光路差を走査する手段（例えばＰＺＴ作動基準ミラー）、およびｉｖ）選択した技術表面をプロファイルし、かつ／または、縞アンビギュイティを有さずに、平行度、厚さ、および／または複数の表面の高さ離間距離を測定するように、干渉データを解釈するためのコンピュータ制御および処理機構を含む。
【０１１４】
図２１に、マイケルソン型干渉計１００に基づくが、視野内の対象物技術表面が鏡面に見えるように十分長い波長、例えば１〜２０μｍでのＩＲ内において完全に動作する本発明の実施形態を示す。ＩＲ源１１０は、限定されたコヒーレンス範囲、例えば数十μｍを提供するのに十分なだけ広帯域である。ディフューザ１１２およびコリメーティング・レンズ１１４は、ＩＲ源とビーム・スプリッタ１２０との間に配置される。ビーム・スプリッタは、広帯域放射の第１部分を基準レッグに沿って基準ミラー１３０に指向させ、第２部分を測定レッグに沿って測定対象物１４０に指向させる。結合光学部品１８０は、ビーム・スプリッタによって再結合された放射をＩＲカメラ１６０に指向させる。基準ミラー１３０に取り付けられた圧電変換器（ＰＺＴ）１７０によって測定レッグと基準レッグとの間の光路差を変化させるとともに、コンピュータ１５０は、ＩＲカメラ１６０から干渉データを収集する。ＰＺＴスキャンの効果は、（例えば測定面１９５に関して）測定面を水平にスキャンすることである。得られる干渉データは、広帯域源を有する干渉計に特徴的なゼロ光路差（ＯＰＤ）位置の周りに縞データの局在化をもたらす。この縞の局在化により、イメージピクセルに対応する対象点を平面が交差する厳密な瞬間を測定する手段が与えられる。ＰＺＴ運動は、正確に制御され、その結果、何時所与の対象点がゼロＯＰＤにあるかという情報を、通常は干渉計に関連するアンビギュイティを有さない局所表面高さに直接変換することができる。補償器板１７５は、ビーム・スプリッタによって引き起こされた分散を補償する。
【０１１５】
局在化した縞を使用した表面高さを測定するための様々な技法のいずれも適用することができる。例えば、一手法は、ピーク縞コントラストのスキャン位置を測定することである。例えば、第１ピクセルに関する干渉データが、スキャン位置０μｍにピーク縞コントラストを生成したと仮定する。第２ピクセルは、異なるスキャン位置、例えば１０μｍにピーク縞コントラストを有し得る。したがって、これらのイメージピクセルに対応する２つの対象点の間の絶対高度差は、１０μｍとなることになる。
【０１１６】
技術表面は、ＩＲ走査干渉計では滑らかであるように見えるので、従来技術の粗面白色干渉計では不可能な方式で、精度を向上するための干渉位相を補間することは意味のあることである。したがって、縞コントラストを使用して基本寸法を測定した後、縞アンビギュイティのない干渉位相によって、より高い精度を得ることができる。これに代わって、本願と同じ所有者の米国特許第５，３９８，１１３号明細書に開示されている周波数領域分析手順を使用して、完全に広帯域干渉位相によってデータを処理してもよい。
【０１１７】
ＩＲ走査干渉計の多くの他の実施形態が可能である。例えば、干渉計は、製造の研削段階の際に、レンズ、平坦でない表面、および光学的構成部品をプロファイルすることができるトワイマン−グリーン（Ｔｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ）干渉計であってよい。別の変形形態は、周期的コヒーレンス・ピークを提供するコーム・スペクトル源を有するフィゾー（Ｆｉｚｅａｕ）型干渉計である。別の変形形態では、ミラウ（Ｍｉｒａｕ）型干渉顕微鏡対物レンズが使用される。光源は、赤外線で動作する任意の広帯域源でよく、例えば、約１マイクロメートル〜２０マイクロメートル、またはより具体的には、例えば３〜１０マイクロメートルの範囲で動作する光源であり得る。広帯域ＩＲ源のコヒーレンス長は、例えば約１０〜５０マイクロメートルの範囲にすることができる。適切な光源としては、裸のフィラメント、ハロゲン電球、化学的光源、マルチモードＣＯ２レーザ、並びに、赤外線、赤外線ＬＥＤなどで動作するダイオード・レーザなどの他のレーザがある。検出器は、ＩＲ放射を測定するのに適する任意の検出器でよく、例えば、ＩｎＳｂアレイなどのピクセレーテッド・マイクロボロメータ（ｐｉｘｅｌｌａｔｅｄ  ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）であり得る。
【０１１８】
透過性試験対象物用のＦＴＰシステム
部分透過性の試験部品２１０の幾何学的特性（例えばＦＴＰ）を測定するための光プロファイリング・システム２００を図２２に示す。試験部品２１０は、部分透過性であるので、その前面および背面（それぞれ２１２および２１４）の双方の表面プロファイル測定を部分透過性の基準ミラー２２０を含む走査干渉計を使用して行うことができる。基準ミラー２２０は、試験部品２１０の前面２１２近くの第１光基準面Ｈを定義する、部分反射性の第１表面２２２と、試験部品２１０の背面２１４近くの第２光基準面Ｈを定義する第２表面２２４とを備える。
【０１１９】
システム２００の他の構成部品は、システムが任意の波長（例えば、紫外（ＵＶ）、可視、近赤外（ＮＩＲ）、および赤外（ＩＲ））で作動することができることを除き、図２１と同様に作動する。光源２３０は、ディフューザ２３２およびコリメータ２３４を通過する広帯域放射を供給する。コリメートされた放射は、ビーム・スプリッタ２４０によって分割され、放射の基準部分が基準ミラー２２０に指向される基準レッグと、放射の測定部分が試験部品２１０に指向される測定レッグとが定義される。次いでビーム・スプリッタ２４０は、基準ミラー２２０および試験部品２１０によって反射された放射を再合成して、結像光学部品２４５によってカメラ２５０上に集束される干渉図形を生成する。カメラ２５０は干渉データを記録し、それを解析するためにコンピュータ２６０に送る。基準ミラー２２０は、コンピュータ２６０に接続された走査機構２２５（圧電変換器または電動式ステージなど）上に装着される。動作中、コンピュータ２６０は、走査機構に基準ミラーの位置を調節し、干渉データをスキャン位置の関数として記憶する。さらに、ビーム・スプリッタによって引き起こされる分散を補償するために、補償器板２８３が基準レッグ内に配置される。
【０１２０】
光基準ミラー２２０に関する初期開始位置に対して基準面Ｈ１，Ｈ２が指定される。走査機構２２５（例えばＰＺＴ）が走査範囲ηにわたって基準ミラー２２０の位置を調節するとき、基準ミラーの表面２２１，２２２に対応するゼロＯＰＤ（光路長差）平面が、基準面Ｈ１，Ｈ２の位置からスキャンされる。スキャン中にどちらかのゼロＯＰＤ平面が試験部品の表面フィーチャと交差するとき、広帯域放射による干渉が最適化される（すなわち、干渉データにおいてコヒーレンス・ピークを有する）。実際には、試験対象物の表面間の離間距離が基準ミラーの表面間の離間距離と広帯域源のコヒーレンス長より大きく異なるとき、試験部品の前面および背面に対応する干渉データは、互いに区別することができる。したがって、このシステムは、異なる試験部品厚に対処するために、それぞれ走査機構に着脱可能な複数の部分反射性の基準ミラーを備え得る。
【０１２１】
このように、試験部品の前面２１１は、基準面Ｈ１に対してプロファイルされ、試験部品の背面２１２は、基準面Ｈ２に対してプロファイルされる。２つの基準面の間の関係は、基準ミラーの表面２２１，２２２の光学的離間距離によって定義される。基準ミラーを校正することにより、コンピュータ２６０は、基準面間の関係を記憶することができ、プロファイルした表面およびその関係に基づいて、透過性の試験対象物２１０に関するＦＴＰおよび他の幾何学的特性を計算することができる。このような計算は他の実施形態について上記で説明した計算と同様であるが、周囲の空気または気体よりも光学的により密になる、透過性基準ミラーおよび試験対象物内の光路長を考慮する必要がある。
【０１２２】
基準ミラーの各表面は光学的基準面を定義するので、該光プロファイリング・システム２００は、試験対象物のほぼ平行な表面を同じ側から監視する、２つの光学プロファイラを有するものと見なすことができる。したがって、光プロファイリング・システム２００を、段差の高さを定義する試験部品の表面をプロファイルするための基準面を与える基準ミラーを用いて、表面非透過性試験対象物のＦＰＨ測定（例えば段差の高さ測定）にも使用できることは明らかである。
【０１２３】
基準ミラーの表面間の離間距離を校正し、光学的基準面Ｈ１，Ｈ２の間の関係を測定するために、試験対象物２１０を、所定の厚さを有する部分透過性の校正対象物と置き換えることができる。この校正は、ゲージ・ブロックに関して先に説明した校正と同様に行われる。さらに、前述の実施形態と同様に、部分透過性の校正対象物は、校正に関するオンライン・データを供給するために、試験部品の測定中に視野内に留められ得る。これに代わって、基準ミラーを光プロファイリング・システム２００内に組み込む前に、基準ミラーの厚さを事前校正することもできる。例えば、基準ミラーは、他の試験対象物を比較する「マスタ」としてもよい。マスタの厚さは、例えば慎重な物理厚測定によって測定し、次いでその屈折率を乗じて光学的厚さを得ることによって測定され得る。これに代わって、機能特性のみによってマスタを限定してもよく、当該量は、マスタ自体の精密な実際の厚さに関係のない、マスタに対する絶対ＦＴＰ測定値である。
【０１２４】
ここでの測定値は、試験部品の公称厚さ（または段差の高さ）が走査範囲ηよりも大きいと仮定していることに留意されたい。これが当てはまらない場合、従来の走査干渉計（すなわち、基準レッグで１つの反射面だけを有する走査干渉計）は、単一基準面に対して前面および背面（または段差の高さ表面）を直接的に測定することもできる。
【０１２５】
一般に、表面２２１，２２２の表面プロファイルは、非常に平坦になるように選択され、それによって平面の基準表面が定義される。しかし、他の実施形態では、表面の片面または両面は、前述のように湾曲することも、構造を有することも可能である。
【０１２６】
さらに、付加的な実施形態では、基準ミラーは、（表面２２１と同等な表面を定義するために）部分反射性のビーム・スプリッタ、および（表面２２２に同等な表面を定義するために）独立した反射性要素と置き換えることができる。このような実施形態では、ビーム・スプリッタおよび独立した反射性要素の一方または双方を変換ステージ（例えばｚステージ）上に配置して、その離間距離を調節することができ、それによって基準面Ｈ１，Ｈ２の位置を調節して試験部品に適応させることができる。基準面間の関係の校正および監視は、ｚステージ上のＤＭＩミラーに対するＤＭＩ測定によって、前述と同様に実施することができる。
【０１２７】
さらに、他の実施形態では、図２２に示すマイケルソン・タイプの走査干渉計を、走査干渉計式測定に適した他の任意の干渉計装置（例えばトワイマン−グリーン、ミラウなど）と置き換えることができる。
【０１２８】
ＦＴＰおよびＦＰＨシステムの付加的な例
図２３に、ＩＲ走査技術に基づくＦＴＰシステム３００の実施形態を示すが、同様の構成を、他の波長（例えば、紫外、可視、近赤外など）の広帯域放射と共に使用することもできる。ビーム・スプリッタ３２０は、視野（ＦＯＶ）を分割して、共通光源３１０、共通カメラ３５０、および共通光学部品（例えばカメラ・レンズ３１２、ビーム・スプリッタ３１５、ビーム・スプリッタ３２０、走査ステージ３４０上に装着された基準ミラー３３０、および基準ゲージ・ブロック３５０）を共用する、実質上２つの光学プロファイラを提供する。この計器は、共通光学部品を共用する、２つのトワイマン−グリーン干渉計と見なすことができる。
【０１２９】
変換ステージ（例えばｚステージ）３６２，３７２上にそれぞれ装着されたフォウルド・ミラー３６０，３７０が存在する。ビーム・スプリッタ３２０は、２つの傾斜したビームスプリッティング面を含む。第１表面はフォウルド・ミラー３６０に向かって広帯域放射の第１部分を反射し、第２表面は、フォウルド・ミラー３７０に向かって広帯域放射の第２部分を反射し、どちらの表面も、残りの広帯域放射を共通基準ミラー３３０に透過する。フォウルド・ミラー３６０，３７０は、その広帯域放射のそれぞれの部分を、試験対象物３８０の反対向きの面と、中空の円筒形ゲージ・ブロック３９０とに指向させる。ゲージ・ブロック３９０は、試験対象物３８０を取り囲み、校正のために前面および背面を分割視野（ＦＯＶ）内に提供する。動作中、変換ステージ３６２，３７２は測定レッグの光路長を調節し、試験部品表面に対して公称光学プロファイラ基準Ｈ１，Ｈ２を効果的に調節する。基準ミラーは範囲ηにわたってスキャンし、高度マップを生成する。
【０１３０】
図２４に、走査ＦＴＰシステム４００の別の実施形態を示す。ＦＴＰシステム４００は、構造化基準対象物４３０を含み、構造化プロファイラ基準を提供する。このシステムは、より一般的な基準ミラーと置き換わる構造化基準対象物４３０によって連携する、２つの独立したトワイマン−グリーン干渉計４１０，４６０を備える。干渉計４１０は、広帯域源４１２、カメラ４１４、ビーム・スプリッタ４１６、およびフォウルド・ミラー４１８を有する。同様に、干渉計４６０は、広帯域源４６２、カメラ４６４、ビーム・スプリッタ４６６、およびフォウルド・ミラー４６８を有する。特に、この実施形態では、構造化基準対象物４３０は、初期化アーチファクト４４５および試験部品４５０に対して同時にマスタ基準面を提供するので、並進ステージすなわちｚステージは不要である。言い換えれば、この構造化基準により、初期化アーチファクト４４５および試験部品４５０を同時にプロファイルすることが可能となる。この幾何形状に対する走査機能は、基準対象物、試験部品、または任意の他の適切な光構成部品を変位することによって実施することができる。
【０１３１】
注目中の各試験部品に対して、専用の取外し可能な構造化基準が付加的に存在する場合、この計器は、大規模な機械的運動をすることなく、部品寸法の範囲に適応する。完全に特徴付けられ、安定な構造化基準によって、頻繁な再校正も不要となる。
【０１３２】
図２５は、ＩＲ走査プロファイラ技術と、その波長スケール用の２軸ＨｅＮｅベースのヘテロダインＤＭＩ（例えばザイゴ  コーポレーション社（Ｚｙｇｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の製品ＺＭＩ  ５１０）とに基づく両面光ＦＴＰシステム５００の図である。図２３の実施形態と同様に、表面プロファイリングのために他の波長（例えば可視、ＵＶ、ＮＩＲなど）の広帯域放射を供給する他の実施形態に、同様の配置を使用することができる。
【０１３３】
図２５を参照すると、広帯域ＩＲ放射が実線として示されており、ページの平面内の、対応する表面プロファイリング光学部品に沿う方向に位置する。一方、ＨｅＮｅ放射は点線として示されており、ページの平面の上部および下部（図示せず）の、ＤＭＩ構成部品に沿う方向に位置し、ＤＭＩ計測学の２つの軸が与えられる。
【０１３４】
システム５００での走査光プロファイリング・システムは、レンズ５１２によってコリメートされ、ＩＲビーム・スプリッタ５１４に対して入射する広帯域ＩＲ放射を供給する光源５１０を含む。ＩＲビーム・スプリッタ５１４は、ＩＲ放射の第１部分を第１ｚステージ５２０上のミラー５２１に反射し、ＩＲ放射の第２部分を第２ｚステージ５３０上のミラー５３１に反射し、残りのＩＲ放射を基準ミラー５４０に透過させることによって視野を分割する。基準ミラー５４０は、容量性フィードバックを有するＰＺＴ駆動屈曲ステージ５４２によって調節され、２００μｍ走査範囲ηが与えられる。スキャンは反復可能で、３秒未満で完了する。これは、いかなる光構成部品のドリフト速度と比べても短時間である。Ｚステージ５２０は、ＩＲ放射の第１部分をフォウルド・ミラー５２２に指向させ、フォウルド・ミラー５２２は、前記第１部分を試験部品５５０の第１表面に指向させて、第１ビューイング・ポートを定義する。同様に、Ｚステージ５３０は、ＩＲ放射の第２部分をフォウルド・ミラー５３２に指向させ、フォウルド・ミラー５３２は、前記第２部分を試験部品５５０の第２表面に指向させて、第２ビューイング・ポートを定義する。２つのｚステージはそれぞれ、光学プロファイラ基準Ｈ１，２の公称位置を調節して、試験部品の第１表面および第２表面に適応するように並進することができる。ＩＲビーム・スプリッタ５１４は、基準ミラーと、試験対象物の２つの表面とから反射された広帯域放射を再結合して、ビーム・スプリッタ５１６に指向させて、ビーム・スプリッタ５１６は、前記放射をＩＲ撮像カメラ（例えば１０マイクロメートル・マイクロボロメータ）に指向させる。
【０１３５】
初期化アーチファクト５４４として、片面に反射防止（ＡＲ）膜を有し、他方の面が〜５％の部分反射性のＺｎＳｅウィンドウが、フォウルド・ミラー５２２と試験部品５５０との間に、前記部分反射性の表面が試験部品に近くなるように配置される。計器を初期化するために、２つのビューイング・ポートのそれぞれについての走査範囲ηが部分反射性の表面と重なるように、ｚステージが移動する。試験部品５５０とフォウルド・ミラー５３２との間に配置されたウィンドウ５４６は、そのすべてがＡＲコーティングされた表面を有する。
【０１３６】
ＤＭＩシステムの幾何形状は、図９の実施形態の幾何形状とは幾分異なる。具体的には、図２５の基準ミラー５４０は、図９のＤＭＩミラーＭとほぼ同じ役割を果たす。
図２５を参照すると、垂直ビーム・ダブラ５６２は、ＤＭＩ源５６０（例えばヘリウム−ネオン・レーザ）からのビームを分割し、ページの平面の垂直方向上方と下方に変位したＤＭＩの２つの軸を供給する。前述のように、図には、平面の上方に変位したビームのみを（点線として）示してある。２つの軸は、２つのビューイング・ポートの間の光路差（ＯＰＤ）、並びに図の平面に平行な軸の周りの構成部品の回転を監視する。ＩＲビーム・スプリッタ５１４（ＰＢＳ）の上下に位置する偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）からの戻りビームは、信号検出用のファイバ光学ピックアップ（ＦＯＰ）５９５に進む。以下の光構成部品の様々な剛体回転の議論から理解され得るように、光学系において制約のない自由度を監視するのに必要なのは、２つの測定値、すなわち「軸」のみである。
【０１３７】
ｚステージ５２０，５３０上のミラー対５２１，５３１は、それぞれ固定ルーフ・ミラーを形成する。部品の近くの２つのフォウルド・ミラー５２２，５３２についても同様である。この２つの折れ（ｆｏｌｄ）は、非常に安定した直交関係（例えば、相対角度のずれ＜５μｒａｄ）を有するように機械的に拘束される。垂直軸の周りのルーフ・ミラー構造の回転は、部品の実測ＦＴＰに対して影響を及ぼさない。ＯＰＤのＤＭＩ測定が２つの基準経路についての対称中心線と交差する（例えば、Ａｂｂｅ誤差がない）と仮定すると、垂直軸の周りの基準ミラーまたはビーム・スプリッタの回転は、試験部品の見掛け縦方向位置のみを変更する。配向角のうちの１つが常に同じ、例えば、
【０１３８】
【数３６】
2011107168.tif 000039
であり、したがってこの角度を監視する必要がないと仮定することができる。しかし水平軸の周りの構成部品の回転は、部品の見掛けの平行度に直接的に結びつき、したがってこの回転は監視しなければならない。図の平面の上側と下側に対称的に投影される２つのＤＭＩビームは、水平軸の周り回転と、システムの全ＯＰＤの双方を考慮する。
【０１３９】
挿入図５７９に示すように、ＤＭＩ光学部品は、ＩＲビーム・スプリッタ５１４の上下に配置される、２つの高安定平面鏡干渉計（ＨＳＰＭＩ）５８０，５８２を含む。各ＤＭＩ軸について、測定経路内を同じ方向に循環する２つの直交して偏光されたビームが存在する。ＨＳＰＭＩ５８０は、ＰＢＳ５７０、コーナ・キューブ反射器５７２、１／４波長板５７４、および１／２サイズ半波長板５７６を含む。ＨＳＰＭＩ５８２は、ページの平面の下側に、同じ光学部品のセットを含む。ＨＳＰＭＩは、測定ビームのすべてが様々なフォウルド・ミラーから反射するときに線形に偏光するように、測定通常のフル・サイズ４分の１波長板の代わりに２分の１サイズ半波長板を使用して、測定ビームの偏光を回転する。他の実施形態では、２分の１サイズ半波長板がフル・サイズ４分の１波長板に置き換えられた、従来のＨＳＰＭＩを使用することができる。
【０１４０】
図２５の計器の他の実施形態は、例えば（１）構造化基準ミラーまたは（２）構造化ミラー、ウィンドウのいずれか、あるいは光構成部品の他の組合せを測定経路中に提供することによって、上述の構造化プロファイラ基準概念に対処することができる。
【０１４１】
図２６は、図２５のシステムについての測定手順のフローチャートである。
最初の列は初期化手順を記述する。まず、ゼロ平面初期化面Ｚ１，Ｚ２（すなわち、ゼロ平面アーチファクトの部分反射面からの内反射および外反射）を光学プロファイラ・ポートの双方の走査範囲η内に動かすようにｚステージを移動する。次いで、プロファイラは、光学プロファイラ基準Ｈ１０、Ｈ２０に対する、初期化表面Ｚ１，Ｚ２の表面高さプロファイル
【０１４２】
【数３７】
2011107168.tif 000040
を獲得するために、範囲ηにわたって精密なスキャンを行う。このデータに基づいて、システムに連結された電子プロセッサ（図示せず）は、表面プロファイル・データ
【０１４３】
【数３８】
2011107168.tif 000041
に対するアーチファクト平面Ｚ１’、Ｚ２’の最小２乗フィットを計算し、高度プロファイラ・データＺ１’、Ｚ２’から
【０１４４】
【数３９】
2011107168.tif 000042
および
【０１４５】
【数４０】
2011107168.tif 000043
を抽出する。
【０１４６】
次に、初期化に対応するｚステージ位置に関するＤＭＩ内部参照基準Ｗ０に対するＤＭＩミラーＭ０についてのＤＭＩデータを獲得する。このデータから、電子プロセッサは、Ｗ０に対する、Ｍ０の初期の向きおよび離間距離を抽出し、それを使用して２つの光学プロファイラ基準Ｈ１０、Ｈ２０の間の関係を、式４を用いて計算する。したがって、初期化では、電子プロセッサに以下の情報
【０１４７】
【数４１】
2011107168.tif 000044
および
【０１４８】
【数４２】
2011107168.tif 000045
が提供される。
【０１４９】
図２６の第２列は部品セットアップを記述する。まず、試験部品をマウントまたは支持取付具（図示せず）に配置し、次いでそれぞれの光学プロファイラの走査範囲η内で対象物表面を動かすようにＺステージを移動する。所望であれば、次いで部品位置をシステムＦＯＶに対して調節することができる。
【０１５０】
図２６の第３列はＤＭＩ校正を記述する。試験部品のｚステージ位置に従って、ＤＭＩ内部参照基準Ｗに対する、ＤＭＩミラーＭに関するＤＭＩデータを収集する。次いで電子プロセッサは、ＤＭＩデータからαＷＭ．βＷＭ、およびＤＷＭを抽出し、式（５）を使用して２つの光学プロファイラ基準Ｈ１，Ｈ２の間の関係を計算し、出力
【０１５１】
【数４３】
2011107168.tif 000046
を生成する。
【０１５２】
図２６の第４列は、試験部品に関するデータ獲得を記述する。光学プロファイラは、走査範囲ηにわたってスキャンし、光学プロファイラ基準Ｈ１，Ｈ２に対する、部品表面Σ１、Σ２の表面高さプロファイル
【０１５３】
【数４４】
2011107168.tif 000047
を測定する。次いで電子プロセッサは、式（１）を使用して、表面高および校正
データから
【０１５４】
【数４５】
2011107168.tif 000048
を計算する。
【０１５５】
図２６の最後の列は、獲得したデータに基づくＦＴＰ計算を記述する。例えば、電子プロセッサは、
【０１５６】
【数４６】
2011107168.tif 000049
に対するチェビシェフ・フィット（Ｃｈｅｂｙｃｈｅｖ  ｆｉｔ）の結果から平面度を計算することができる。局所部品寸法は、
【０１５７】
【数４７】
2011107168.tif 000050
に従って計算することができる。ＭＭＣは、全部品
【０１５８】
【数４８】
2011107168.tif 000051
に対するチェビシェフ・フィットの結果から計算することができ、ＬＭＣは、
【０１５９】
【数４９】
2011107168.tif 000052
の最小値によって与えられる。さらに、基準Ｑを表面Σ１に対するチェビシェフ平面度フィットから得られる最も外側の平面であると定義することによって、平行度は、基準Ｑに対する、表面Σ２上の高点から低点を引いた差として計算することができる。また、厚さ１は、Ｑに対する、Σ２上の高点と低点の平均として計算することができる。さらに、厚さ２は、
【０１６０】
【数５０】
2011107168.tif 000053
の平均値（最大−最小）として計算することができ、厚さ３は、ＭＭＣとＬＭＣの平均値として計算することができる。
【０１６１】
干渉絶対高測定
本明細書に記載の光プロファイリング・システムは、試験対象物２つ以上の表面を光学的にプロファイルし、対象物の１つまたは複数の幾何学的特性を測定する。各表面はそれぞれ、固定基準表面または座標系に対してプロファイルされ、次いでそれぞれの座標系は互いに関係付けられる。その結果、表面プロファイリングにより、各表面上の複数の点に関する共通座標系での絶対位置が提供される。これは、表面上のある点の高さがその表面の別の点に対して測定され、それによって表面テクスチャが測定される相対的表面プロファイル測定とは対照的である。したがって、本明細書に記載の光プロファイリングの場合、測定により、表面の形状およびテクスチャが与えられることに加えて、基準面（すなわち試験部品とは独立な基準面）に対する、対象物部品の全体位置（ピストン）、チップ、およびチルトが与えられる。
【０１６２】
このような干渉法による絶対表面プロファイリング測定の正確さは、試験部品の表面材料および干渉計システムの光学部品の反射に関する位相変化（ＰＣＯＲ）およびＰＣＯＲ分散（すなわち、ＰＣＯＲの周波数依存変動）を考慮することによって向上することができる。以下に示すように、走査干渉計式測定のＰＣＯＲ分散を考慮しないと、一様なＰＣＯＲ分散特性を有する試験部品であっても、基準表面から試験表面までの距離の、誤ったシフトが生み出される。さらに、試験表面が相異なる材料を含むために試験表面のＰＣＯＲ特性が変動するとき、ＰＣＯＲ分散を考慮しないと、試験表面上の相異なる点の相対的高さに誤差が導入される可能性がある。
【０１６３】
ＰＣＯＲおよびＰＣＯＲ分散の干渉法的寄与を、２ビーム走査マイケルソン干
渉計６００（図２７）を参照しながら説明する。走査干渉計６００は、前述の干渉計と同様に動作して、試験表面６７０の高さプロファイルを測定する。干渉計６００は、広帯域源６１０、ビーム・スプリッタ６２０、走査基準ミラー６３０、カメラ６４０、および分散補償器６５０を含む。この干渉計は、干渉位相情報を使用して、対象物部品表面上の各点ｘ，ｙでのｚ座標方向の高さｈを測定するように構成される。仮想表面Ｈは、すべての高さおよび干渉位相の測定において参照される光学プロファイラ基準である。角波数ｋ＝２π／λの１次に対して、Ｈに対する干渉位相φは、
【０１６４】
【数５１】
2011107168.tif 000054
上式で、ｋ０は公称波数であり、ζは基準ミラー・スキャン位置であり、γｐａｒｔは、部品の、反射に対する表面位相変化（ＰＣＯＲ）であり、γｓｙｓは、干渉計システムに起因する、Ｈに対するシステム位相オフセットである。値γｓｙｓは、干渉計光学部品からのＰＣＯＲの寄与と、例えばスキャンζの開始位置から生じる任意の一定オフセットとを含む。線形分散係数τｐａｒｔ，τｓｙｓは、それぞれ位相オフセットγｐａｒｔ，γｓｙｓに対応する。位相オフセットγｐａｒｔ，γｓｙｓは、公称波数ｋ０で求められる。当業者であれば、空気に対する屈折率ｎは、波数に無関係であると仮定する。材料屈折率の波数依存性を考慮に入れることによって、空気より密な透過性媒体に本発明の教示を拡張できることは理解されよう。式９中の項すべては、潜在的にフィールド位置ｘ，ｙの関数であるが、以下の説明では、変数ｎ、ζ、ｋ０が視野全体で一定であると仮定する。
【０１６５】
走査干渉計式測定では、光源は、基準レッグと測定レッグとの間の光路差（ＯＰＤ）が広帯域放射のコヒーレンス長内にあるときにだけ干渉縞が生成されるように広帯域放射を供給する。したがって、走査干渉計式測定は、干渉効果の広帯域の性質、例えば縞コントラストの局在化、すなわち波数に伴う干渉位相の変化率の測定を使用するという点で、「コヒーレンス・プロファイリング」モードと見なすことができる。
【０１６６】
図２８に、基準ミラー位置ζをスキャンするときのコヒーレンス・プロファイリング輝度信号の例を示す。式９によれば、広帯域源の様々な放射に関する重なった干渉縞により、
【０１６７】
【数５２】
2011107168.tif 000055
によって与えられる正規化輝度Ｉが得られる。上式で、Ｖは、縞コントラスト包絡線である。包絡線Ｖは、カメラによって検出された光の、カメラ自体のスペクトル感度を含む分光分布のフーリエ変換に比例する。図２８では、光源が、対称な、近似的にガウス形スペクトル放射を有すると仮定する。
【０１６８】
対称なコントラスト包絡線の場合、縞コントラスト包絡線のピーク値は、ｄφ／ｄｋ＝０となるスキャン位置によって与えられる。これは、干渉位相が波数と独立した同一のものであり、干渉パターンのすべてが構造的に強め合う静止位相位置である。より一般的には、静止位相条件ｄφ／ｄｋ＝０が、縞コントラスト包絡線Ｖの二乗の図心にほぼ対応することが分かる。静止位相位置と、最近位ゼロ位相点φ＝０との間の位相ギャップＧは、
【０１６９】
【数５３】
2011107168.tif 000056
によって与えられる。これは、波数ｋと独立であるが、システムおよび部品パラメータに依存する一定位相オフセットである。位相φ０は、（ζ＝０スキャン位置に対する）公称波数ｋ０での位相であり、例えば式（９）より、
【０１７０】
【数５４】
2011107168.tif 000057
を得る。
【０１７１】
式１０および図２８より、最大またはピークの縞コントラストは、スキャン位置ζ＝ｈ＋（τｓｙｓ＋τｐａｒｔ）／２ｎで生じる。したがって、１つのデー
タ処理実施形態では、システムは、例えばあらゆるカメラピクセルについての電子変換またはデジタル変換によって、縞コントラスト包絡線Ｖをζの関数として測定する。次いで、システムは、包絡線Ｖが特定の値、例えばその最大値またはピーク値に達するスキャン位置ζｍａｘを測定する。対応する高さｈは、このスキャン位置から分散オフセットを引いたものである。
【０１７２】
【数５５】
2011107168.tif 000058
別の信号処理方法では、コヒーレンス・プロファイリング輝度信号は、スキャン位置ζに関して周波数領域（すなわち、周波数波数ｋに関する領域）にフーリエ変換される。変換後データの位相は、式９の位相φ（ｋ）に直接的に対応する。この位相から、信号プロセッサは、位相導関数ｄφ／ｄｋを計算し、
【０１７３】
【数５６】
2011107168.tif 000059
に従って各カメラピクセルについての高さｈを測定する。上式で、導関数ｄφ／ｄｋは、ζ＝０について計算される。式１４は式９から直ちに得られる。
【０１７４】
式（１３）および式（１４）より、コヒーレンス・プロファイリング・データに基づく表面高さ測定は、例えば校正によって、干渉計システムおよび試験部品についてのＰＣＯＲ分散（例えば、それぞれτｓｙｓおよびτｐａｒｔ）を考慮することによってより正確に計算することができることが分かる。
【０１７５】
コヒーレンス・プロファイリングに加えて、表面プロファイル測定は、干渉位相φ（ｋ）が１つまたは複数の波数ｋに対して直接的に測定される干渉位相プロファイリング・データに基づいてもよい。例えば、このような測定のために位相シフト干渉法（ＰＳＩ）を使用することができる。式９より、直接干渉位相測定を使用するとともに、ＰＣＯＲ  γｐａｒｔ，γｓｙｓ（および公称波数ｋ０以外の波数に対するＰＣＯＲ分散γｐａｒｔ，γｓｙｓ）を考慮して、高さｈを測定する場合、高さ測定の正確さが向上する。
【０１７６】
一般に、コヒーレンス・プロファイリング測定に関する特定のノイズ源に対する感度は、位相プロファイリング測定に関するものとは異なる。したがって、特定の技法が特定の応用例に対して好ましかったり、またはそれらを互いに補うように使用したりすることがある。しかし、多くの位相プロファイリング測定の１つの不都合は、測定位相φ（ｋ）が２πの縞アンビギュイティを含むことである。比較的滑らかな表面の場合、表面全体の相対縞アンビギュイティは、標準的な縞アンラッピング手順（ｆｒｉｎｇｅ  ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ）を使用して、複数のカメラピクセルのデータから補間することができる。しかし、より一般的には、このような縞アンビギュイティを除去するために、コヒーレンス・プロファイリング・データなどの独立した測定を有することが好ましい。したがって、絶対表面プロファイル測定を得るために、コヒーレンス・プロファイリング高測定を単独で使用することができ、または位相プロファイリング測定から絶対縞アンビギュイティを除去するために使用することができる。これは、ある場合にはコヒーレンス測定よりも正確であることがある。
【０１７７】
１つのこのような実施形態では、コヒーレンス・プロファイリング測定から測定される高さｈを使用して、位相φ０＝φ（ｋ０）に対するプロファイリング・データに基づき、
【０１７８】
【数５７】
2011107168.tif 000060
に従って絶対位相プロファイリング高測定ｈ’を計算する。上式で、Ｉｎｔ［  ］は、その引数に最も近い整数を返す。式１５は、部品表面上のあらゆる点ｘ，ｙに対して独立に適用することができる。さらに、式１５から明らかな通り、ＰＣＯＲ  γｐａｒｔ，γｓｙｓを考慮することにより、絶対位相プロファイリング測定の正確さが向上する。さらに、式１５は、ｈのコヒーレンス・プロファイリング測定を通じて、ＰＣＯＲ分散値τｐａｒｔ，τｓｙｓに暗に依存する。
【０１７９】
図２９に、周波数変換後のコヒーレンス・プロファイリング・データφ（ｋ）により、位相プロファイリング測定から縞アンビギュイティがどのように除去されるかを図示する。位相の変化率を示す直線ｄφ／ｄｋは、φ０についてのいくつかの位相データ点を取ることによって求められる。この直線に対する位相軸交点Ｇが式１１に従って既知であることを条件として、この直線により、縞次数アンビギュイティが除去される。この評価は、基準スキャン位置ζ＝０に対するものであるが、位相データおよび位相導関数データを測定するための生データは、図２８に示すようなスキャンを必要する。このグラフでは、ギャップＧが位相軸交点、すなわちゼロ波数での位相であることに留意されたい。
【０１８０】
絶対高測定を計算するための上記の式を利用するために、ＰＣＯＲおよびＰＣＯＲ分散に関する値をシステムおよび部品に関して測定する。γｓｙｓ，τｓｙｓを確立する手順は、システム特性である。システム特性は、光学プロファイラ基準Ｈの位置および形状も暗に確立する。システム特性は、既知の光特性γａｒｔ，τａｒｔ、および表面形態ｈａｒｔを有する特性アーチファクトを含む。このアーチファクトは視野内に一時的に挿入され、ｘ，ｙ依存位相プロファイルφ０の測定により、システム位相オフセットγｓｙｓを測定するのに必要な情報が与えられる。
【０１８１】
【数５８】
2011107168.tif 000061
上式で、すべての値がｘ，ｙフィールド依存性を潜在的に有することを理解されたい。位相プロファイルφ０はアンラップされていなければならず、このことは、２πの縞ジャンプは、アーチファクトが連続的表面であるという仮定の下で除去しなければならないことを意味することに留意されたい。
【０１８２】
式（１６）によって定義される手順は、所定の表面プロファイル・マップｈａｒｔの基準面に対して、光学プロファイラ基準Ｈを効果的に位置付ける。したがって、例えば、アーチファクト完全に平坦であることが既知である場合、すべてのｘ，ｙに対してｈａｒｔ＝０と設定することができ、光学プロファイラ基準Ｈ
は、特性アーチファクトの表面と一致する平面として定義される。任意のチップ／チルト、または未補償の表面プロファイル情報はこの場合、システム位相オフセットγｓｙｓ内に取り込まれることになる。
【０１８３】
γｓｙｓが分かると、τｓｙｓの値は、
【０１８４】
【数５９】
2011107168.tif 000062
と測定され得る。上式で、Ｇｅｘは、実験的に観測した位相ギャップである（図２９を参照）。
【０１８５】
【数６０】
2011107168.tif 000063
ここでやはり、ｎおよびｋ０を除く値すべてが、色収差および球面収差などの光ひずみに関係するｘ，ｙフィールド依存性を有すると考えられる。部品のチップおよびチルトに対する依存性もあり得、それらがかなりの量である場合には、ｘ，ｙフィールド依存性の場合とほぼ同様に、その依存性を記録し、残りの計算で使用しなければならないことになる。
【０１８６】
特性アーチファクト自体の位置および向きの部分的に関数である、システム・パラメータγｓｙｓ，τｓｙｓのチップ、チルト、およびピストン全てを保持する必要はない。したがって、共通チップ、チルト、およびピストン項の間の関係を保持するように、γｓｙｓ，τｓｙｓの双方に対して全く同様に行う限り、フィールド依存γｓｙｓ，τｓｙｓデータから共通チップ、チルト、およびピストン項を減じることが可能である。このことは、まず、γｓｙｓからチップ／チルトを除去し、次いで式（１７）を使用してτｓｙｓを再計算することによって実施される。システム・パラメータのチップ、チルト、およびピストンの調節は、光学プロファイラ基準Ｈのチップ、チルト、およびピストンを調節することと同等である。
【０１８７】
あるいは、システム・パラメータγｓｙｓ，τｓｙｓのチップ、チルト、およびピストン全てを保持し、かつ初期化アーチファクトが特性アーチファクトと同じである場合、チップ、チルト、およびピストン・パラメータが既にγｓｙｓ，τｓｙｓ内に取り込まれていると理解して、１つまたは複数の初期幾何パラメータ、例えば
【０１８８】
【数６１】
2011107168.tif 000064
を０に設定することも可能である。
【０１８９】
特性アーチファクトに対していくつかの選択肢がある。最も単純なものは、被覆していないガラス部品または他の純粋誘電体である。この場合、確実に、すべてのｘ，ｙに対して、γａｒｔ＝０、かつ（チップおよびチルトを除き）τａｒｔ＝０である。次いで、アーチファクトが、確立したいと望む光学プロファイラ基準と全く同じ形状を有すると仮定すると、単純にγｓｙｓ＝φ０（平坦な誘電体アーチファクト）およびτｓｙｓ＝Ｇｅｘ（誘電体アーチファクト）を有する。前者の式は、誘電体アーチファクト自体の位置および表面形状と同じであるべき光基準Ｈの位置および形状を定義することに留意されたい。
【０１９０】
アーチファクトが十分透過性である場合、アーチファクトは、システムの恒久的部品として測定経路中にとどまることができる。システムを特徴付けるために、基準ミラーが、透過アーチファクトの部分表面反射が干渉を生成する位置までスキャンする。試験部品を測定するために、透過アーチファクトからの干渉効果がほぼゼロ・コントラストを有する位置まで基準ミラーがスキャンされる。この場合、特性表面に関する反射時の位相変化と、透過時の位相変化との間の差に対処するように注意しなければならない。
【０１９１】
部品ＰＣＯＲ値γｐａｒｔは、境界面からの反射を支配する、確立された物理的原理（例えばフレネルの式）と、部品材料の複素屈折率ｎ＋ｉｋに関する表にされた値から計算することができる。部品ＰＣＯＲ分散値τｐａｒｔは、実験的に観測された位相ギャップＧｅｘと、γｐａｒｔおよびτｓｙｓについての既知の値とを使用して、システム特性と同様に測定することができる。
【０１９２】
【数６２】
2011107168.tif 000065
ほとんどの純粋材料の場合、高さオフセットτｐａｒｔ／２ｎはγｐａｒｔ／２ｎｋ０と同程度の大きさであり、同じ符号を有すると考えられる。τｐａｒｔを測定するための代替方法は、ｎ＋ｉｋの表形式の値を波長の関数として使用して、計算ＰＣＯＲ値の分散を計算することである。
【０１９３】
電子プロセッサ
上述の実施形態のいずれに対しても、１つまたは複数のコントローラまたはコンピュータを使用して、様々な構成部品（走査ミラーおよびｚステージ）を制御し、データ（例えば、ＩＲカメラおよびＤＭＩ検出器からのデータ）を獲得し、かつ／または獲得したデータに基づいて計算（例えば、ＦＴＰ、ＦＴＰＯ、およびＦＰＨ）を行うことができる。前述の分析工程は、標準的なプログラミング技法を使用してコンピュータプログラム中で実施され得る。このようなプログラムは、電子プロセッサ、データ記憶システム（メモリおよび／または記憶素子を含む）、少なくとも１つの入力装置、並びにディスプレイまたはプリンタなどの少なくとも１つの出力装置をそれぞれ備える各プログラム可能なコンピュータ上で動作するように設計される。プログラムコードは、入力データ（例えばカメラからのイメージ）に適用され、本明細書で説明した機能が実行され、出力情報（例えば試験対象物の幾何学的特性）が生成され、この出力情報が１つまたは複数の出力装置に印加される。このような各コンピュータプログラムは、高レベル手続き型プログラミング言語、オブジェクト指向プログラミング言語、アセンブリ言語、または機械語で実施され得る。さらに、言語は、コンパイル型言語またはインタプリタ型言語とすることができる。このような各コンピュータプログラムは、コンピュータ可読記憶媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭまたは磁気ディスケット）上に格納することができる。該コンピュータ可読記憶媒体はコンピュータによって読み取られると、コンピュータ内のプロセッサに本明細書で説明した分析を実行させる。
【０１９４】
他の実施形態
他の実施形態も本発明の範囲内にある。例えば、ゲージ・ブロックまたは変位測定干渉計を使用することによって光学プロファイラの座標系を構成するのではなく、またはそれに加えて、他の実施形態は、光学プロファイラおよび試験部品によって定義される座標系を監視するために、容量性センサ、ＬＶＤＴ、および／または光エンコーダを備え得る。
【０１９５】
他の態様、利点、および修正形態も、頭記の特許請求の範囲内にある。
【図１】
2011107168.tif 000066
【図２】
2011107168.tif 000067
【図３】
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【図４】
2011107168.tif 000069
【図５】
2011107168.tif 000070
【図６】
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【図７】
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【図８】
2011107168.tif 000073
【図９】
2011107168.tif 000074
【図１０】
2011107168.tif 000075
【図１１】
2011107168.tif 000076
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2011107168.tif 000091
【図２７】
2011107168.tif 000092
【図２８】
2011107168.tif 000093
【図２９】
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