(57)【要約】  スリット（ｍ）が、対象物の表面へと、基準点（Ｘ１）が水平軸（ｘ）において最良合焦位置（Ｐ）に最も近く位置するように投影される。前記基準点（Ｘ１）を含む視野領域（Ｆ）の１つの画像が、光の反射後に取得される。垂直軸（ｚ）における対象物（３００）の位置（Ｚ１）が割り出される。基準点（Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）を有するそれぞれの視野領域（Ｆ）の画像が、基準点（Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）を最良合焦位置（Ｐ）に最も近く維持するように軸（ｚ）に沿って対象物（３００）を同時に移動させることによって、光の反射後に取得される。画像が取得された位置（Ｚ２、Ｚ３、・・・、Ｚｎ）が割り出される。水平軸（ｘ）に沿った最良合焦位置（Ｐ）が、各々の画像について割り出される。最良合焦位置（Ｐ）と基準点（Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ）との間の補正差（Δ１、Δ２、・・・、Δｎ）が算出される。
2014515471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物（３００）の表面の非接触測定のための方法であって、
前記対象物の表面の少なくとも第１の軸（ｘ）における基準点（Ｘ１）が最良合焦位置（Ｐ）に最も近くなるように、光を前記対象物の表面の対象領域へ投影するステップと、
前記投影された光の、前記基準点（Ｘ１）を含む前記対象物の表面による反射後の視野領域（Ｆ）の１つの画像を取得するステップと、
第２の軸（ｚ）における前記対象物の位置（Ｚ１）を割り出すステップと、
前記第１の軸（ｘ）における前記対象物の表面のそれぞれの基準点（Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）が存在する一連の対象領域に、光を前記対象物の表面へ投影するステップと、
前記基準点（Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）を最良合焦位置（Ｐ）のできるだけ近くに維持するように、前記第２の軸（ｚ）に沿って前記対象物（３００）の位置を同時に変化させることによって、前記投影された光の、前記基準点（Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）を含む前記対象物の表面による反射後の前記それぞれの視野領域（Ｆ）のいくつかの画像を取得するステップと、
前記基準点（Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）を含む前記視野領域の前記画像の取得を行なった前記対象物（３００）のそれぞれの該当位置について、位置（Ｚ２、Ｚ３、・・・、Ｚｎ）を割り出すステップと
を含み、
前記光を対象物の表面の対象領域へ投影するステップが、少なくとも前記第１の軸（ｘ）に沿った光の分布を有する光のパターン（ｍ）を投影することによって実行され、
当該方法がさらに、
前記取得された画像の各々について、前記第１の軸（ｘ）に沿った最良合焦点（Ｐ）の位置を割り出すステップと、
それぞれの補正差（Δ１、Δ２、・・・、Δｎ）を、前記最良合焦点（Ｐ）と前記基準点（Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ）との間の前記第１の軸（ｘ）に沿った距離として算出するステップと、
前記補正差（Δ１、Δ２、・・・、Δｎ）を含む前記第１の軸（ｘ）における前記基準点（Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ）に関するパラメータと前記第２の軸（ｚ）における前記対象物の位置（Ｚ１、Ｚ２、・・・、Ｚｎ）に関するパラメータとを少なくとも含む前記対象物の表面の表現を得るステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記対象物の表面へ投影される前記光のパターンが、前記第１の軸（ｘ）に沿って顕微鏡対物レンズ（１５０）の焦点面に投影される測定スリット（ｍ）である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記対象物の表面の表現を得るステップが、測定対象の前記対象物の表面の輪郭を与える曲線が決定されるように、前記補正差（Δ１、Δ２、・・・、Δｎ）を含む前記第１の軸（ｘ）における前記基準点（Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ）に関するパラメータと、前記第２の軸（ｚ）における前記対象物の位置（Ｚ１、Ｚ２、・・・、Ｚｎ）に関するパラメータとを含む曲線［（Ｘ１＋Δ１，Ｚ１）、（Ｘ２＋Δ２，Ｚ２）、・・・、（Ｘｎ＋Δｎ，Ｚｎ）］を形成するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記対象物の表面の表現を得るステップが、測定される前記対象物の表面の三次元マップ［（Χｉ１＋Δｉ１，Ｙｉ，Ｚｉ１）、（Ｘｉ２＋Δｉ２，Ｙｉ，Ｚｉ２）、・・・、（Χｉｎ＋Δｉｎ，Ｙｉ，Ｚｉｎ）］（ｉ＝１、２、・・・、ｍ）を得るために、前記測定スリット（ｍ）を第３の軸（ｙ）の種々の位置（Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｍ）に投影することからなるラスター走査を実行するステップを含み、前記マップが、前記第３の軸（ｙ）の種々の位置（Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｍ）における前記補正差（Δｉ１、Δｉ２、・・・、Δｉｎ）を含む前記第１の軸（ｘ）における前記基準点（Ｘｉ１、Ｘｉ２、・・・、Ｘｉｎ）に関するパラメータと前記第２の軸（ｚ）における前記対象物の位置（Ｚ１、Ｚｉ２、・・・、Ｚｉｎ）に関するパラメータとを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記対象物の表面の表現を得るステップが、測定される前記対象物の表面の三次元マップ［（Χｉ１＋Δｉ１，θｉ，Ｚｉ１）、（Ｘｉ２＋Δｉ２，θｉ，Ｚｉ２）、・・・、（Χｉｎ＋Δｉｎ，θｉ，Ｚｉｎ）］（ｉ＝１、２、・・・、ｍ）を得るために、前記測定スリット（ｍ）が第４の軸（θ）の種々の角度位置（θ１、θ２、・・・、θｍ）に投影されるように、前記対象物の一点を通過する軸を中心にして前記対象物を回転させることからなる角度走査を実行するステップを含み、前記マップが、前記第４の軸（θ）の種々の角度位置（θ１、θ２、・・・、θｍ）における前記補正差（Δｉ１、Δｉ２、・・・、Δｉｎ）を含む前記第１の軸（ｘ）における前記基準点（Ｘｉ１、Ｘｉ２、・・・、Ｘｉｎ）に関するパラメータと、前記第２の軸（ｚ）における前記対象物の位置（Ｚｉ１、Ｚｉ２、・・・、Ｚｉｎ）に関するパラメータとを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項６】
前記測定スリット（ｍ）が前記対象物（３００）の頂点位置へと投影されるようなやり方で、測定される前記対象物（３００）を配置するための中心合わせステップをさらに含み、前記中心合わせステップが、
前記測定スリット（ｍ）に実質的に平行であり、前記測定スリット（ｍ）を間に挟むようにして前記測定スリット（ｍ）から第３の軸（ｙ）に沿った所与の距離だけ離れている少なくとも２つの横スリットを、前記顕微鏡対物レンズ（１５０）の焦点面へと投影するステップと、
前記測定スリット（ｍ）の両側に位置しており、前記測定スリット（ｍ）から両側に同じ距離だけ離れている２つの横スリットに沿った最良合焦位置の点（Ｐ）が、前記第１の軸（ｘ）において同じ座標にあることが明らかになるまで、前記第３の軸（ｙ）に沿って前記対象物（３００）の位置を変化させるステップと
を含む、請求項２または５に記載の方法。
【請求項７】
前記基準点（Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）を最良合焦位置（Ｐ）のできるだけ近くに維持するために前記第２の軸（ｚ）を同時に移動させるステップが、構造化された照明にもとづく焦点深度アルゴリズムを使用することによって実行される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
視野領域（Ｆ）の各々について、該視野領域（Ｆ）内の同じ所定の位置に位置する前記基準点（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）を決定するステップをさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
最良合焦位置（Ｐ）が、構造化された照明にもとづく焦点深度アルゴリズムの正面感度の最大値を有する視野内の点として決定される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記補正差（Δ１、Δ２、・・・、Δｎ）を画素単位から長さ単位へと変換するステップをさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記補正差（Δ１、Δ２、・・・、Δｎ）が１μｍ以下である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法によって前記対象物（３００）の表面を非接触で測定するための装置（１００）であって、
対象物の表面の第１の軸（ｘ）における基準点（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）が最良合焦位置（Ｐ）に最も近くなるように、光を前記対象物の表面の対象領域へ投影する投光手段（１１０）と、
前記投影された光の、前記対象物の表面による反射後の前記基準点（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）を含む視野領域（Ｆ）の１つの画像を取得するための撮像手段（１２０）と、
第２の軸（ｚ）におけるそれぞれの前記基準点（Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）の位置（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、・・・、Ｚｎ）を割り出すための手段と、
前記第１の軸（ｘ）に沿って前記対象物（３００）の位置を変化させるための手段と、
前記基準点（Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎ）が最良合焦位置（Ｐ）のできるだけ近くに維持されるように、第２の軸（ｚ）に沿って前記対象物（３００）の位置を同時に変化させるための手段と
を備え、
前記投光手段（１１０）が、前記第１の軸（ｘ）に沿った光の分布を有する光のパターン（ｍ）を投影するために適していることを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記対象物の表面へ投影される前記光のパターンが、前記第１の軸（ｘ）に沿って顕微鏡対物レンズ（１５０）の焦点面に投影される測定スリット（ｍ）である、請求項１２に記載の装置（１００）。
【請求項１４】
前記投光手段（１１０）と前記撮像手段（１２０）とを含む測定ヘッド（１６０）をさらに備える、請求項１２または１３に記載の装置（１００）。
【請求項１５】
前記投光手段（１１０）が、少なくとも１つのＬＥＤ（１１１）と、ダイアフラム（１１２）と、コリメーション光学系（１１３）と、ミラー（１１４）と、光学レンズ（１１５）と、ビームスプリッタ（１１６）と、前記顕微鏡対物レンズ（１５０）とを備える、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１６】
前記測定スリット（ｍ）が前記対象物（３００）の頂点位置へと投影されるようなやり方で、前記測定される対象物（３００）を配置するための中心合わせ手段をさらに備え、
前記中心合わせ手段が、
前記測定スリット（ｍ）が前記横スリットの間に位置するように、少なくとも２つの横スリットを、前記第１の軸（ｘ）に実質的に平行でありかつ第３の軸（ｙ）に沿って所与の距離だけ前記第１の軸（ｘ）から離れているそれぞれの側方軸（ｘ’）に沿って前記顕微鏡対物レンズ（１５０）の焦点面へ投影するための手段と、
前記測定スリット（ｍ）の両側に位置しており、前記測定スリット（ｍ）から両側に同じ距離だけ離れている２つの横スリットに沿った最良合焦位置の点（Ｐ）が、前記第１の軸において同じ座標にあることが明らかになるまで、前記第３の軸（ｙ）に沿って前記対象物の位置を変化させるための手段と
を備える、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１７】
前記対象物の表面の表現を得るために、ラスター走査を実行すべく前記第３の軸（ｙ）に沿って前記対象物の位置を変化させるための手段をさらに備える、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１８】
前記対象物の表面の表現を得るために、角度走査を実行すべく前記対象物（３００）の一点を通る第４の軸（θ）を中心にして前記対象物の角度位置を変化させるための手段をさらに備える、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２の軸（ｚ）における前記対象物の位置（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、・・・、Ｚｎ）を割り出すための手段が、高精度の位置センサ手段（１７０）を備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項２０】
前記撮像手段（１２０）が、顕微鏡対物レンズおよびカメラ（１２１）を含む、請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
非接触での表面計測方法が、本明細書において開示される。より詳しくは、表面を非接触にて測定するための請求項１の前提部分に記載のとおりの方法が提示される。
【０００２】
さらに、表面を非接触にて測定するための請求項１２の前提部分に記載のとおりの装置が開示される。
【背景技術】
【０００３】
平面および球面を有する光学部品は、製造および測定が比較的容易である。しかしながら、これらの光学部品は、収差によって制約される性能ゆえに、非球面および自由造形の表面などの複雑な表面を有する光学部品で置き換えられつつある。複雑な表面を有する光学部品は、収差の除去を可能にし、他の多数の利点ももたらす。これらの光学部品は、機械加工、研磨、および計測の技術を使用して得られる。
【０００４】
より近年では、さらに複雑な光学表面を機械加工するという需要ゆえに、そのような光学部品のための先進の製造技術が開発されてきている。したがって、そのような光学部品のための計測の要件が、ますます高くなってきている。
【０００５】
表面の特徴を明らかにするための表面計測は、現時点において、接触測定、走査プローブ測定、および非接触測定などの種々の技術によって実行されている。
【０００６】
接触測定は、試料を横切ってドラッグされる小さな針の先端の使用にもとづく。先端が、試料の表面の山および谷を通って移動する。先端の上下移動が信号へと変換され、この信号が、試料における位置−その位置における試料の高さに関する曲線を作り出すために有用なデジタルデータへと処理される。
【０００７】
試料の表面の形状を正確に辿るために、一定の力を先端によって試料の表面へと加えなければならない。したがって、接触にもとづく測定の主たる欠点は、測定用の先端が測定対象の試料に常に接触しているため、破壊的である点にある。接触測定技術のさらなる欠点は、現時点においてはマイクロメートル級の先端を製造することが可能であるが、先端そのものの寸法よりも小さい細部を測定できない点にある。
【０００８】
走査プローブ測定は、測定対象の表面の近傍で働くプローブを、プローブと表面との間に力が存在する距離において使用することにもとづく。原子間力顕微鏡法が、この技術において非球面を測定するために使用される。
【０００９】
非接触の測定を、干渉分光法、共焦点プロフィロメトリ、またはレーザオートフォーカス技術を通じて実行することができる。
【００１０】
干渉分光法の技術においては、参照ビームが、測定対象の表面についての情報を保持しているビームに観察面において重なるときの干渉縞が評価される。反射ビームにおける位相差が測定され、表面輪郭を得ることができるように高さ情報へと変換される。
【００１１】
干渉計を使用することによって、測定対象の試料の表面のトポグラフィについての情報が得られる。試料からの波面が、通常はカメラである検出器における重なり合いによって干渉パターンがもたらされ、この干渉パターンから測定面と基準面（通常は、平面鏡）との間の高さの差を評価できるように、基準波面と比較される。非球面を測定するために、基準波面を、測定波面に可能なかぎり類似するように修正しなければならない。これは、干渉法の信号の性質ゆえに、測定を実施するために必要である。２つの波面の間の位相差が大きい場合、干渉パターンにおける縞が、カメラで解像できないほどに圧縮され、一部の情報が失われてしまう。波面基準を波面測定に類似させるように修正する技術は、ヌル化と称される。球面または平面の試料については、球状または平面の基準波面を得ることが容易である。しかしながら、非球面については、非球面の基準波面が必要であるため、はるかに複雑である。
【００１２】
共焦点プロフィロメトリは、共焦点顕微鏡によって実施され、試料が、きわめて小さいピンホールを通して照明され、第２の小さなピンホールの後ろに配置された光検出器で観察される。このやり方で、正確に焦点面から到来する光だけが、光検出器に到達する。焦点外の光を阻止することによって、画像が対象物の薄いセクションから到来し（浅い被写界深度）、したがって対象物について多数の薄いセクションを走査することによって、対象物のきわめて明瞭な三次元画像を作り上げることができる。
【００１３】
共焦点深さのセクション化を、試料へと投影される光の構造化されたパターンおよび焦点深度アルゴリズムを使用して得ることもできる。
【００１４】
国際公開第９０／００７５４号パンフレットが、共焦点顕微鏡法へのアプローチを示している。共焦点顕微鏡は、光を検査の対象物へと焦点を合わせて対象物の表面または内部の点観察フィールドを照明するレンズへと光ビームを供給するための光源を備えている。照明された点フィールドからの反射光が、集光器によって集められ、検出器へと伝送される。走査手段が、照明される点フィールドを、対象物に対して走査パターンにて移動させる。光源から集光器へと通過する往路の光および復路の光は、光ファイバおよび戻りの光を検出器へと逸らすための分光器を介して伝送される。
【００１５】
レーザオートフォーカス技術は、接触測定技術の光学的な均等物と考えることが可能である。しかしながら、この場合には、針の先端が、光学的な先端、すなわち顕微鏡の対物レンズの焦点によって置き換えられる。レーザオートフォーカス技術の一例では、軸外レーザビームが、分析対象の試料へと顕微鏡の対物レンズを通って出力される。試料が焦点にある場合、レーザビームが反射され、検出器の中心に達する。試料が焦点外にある場合、レーザビームは、検出器の別の領域に達する。これが検出されるときに、対物レンズが、レーザビームが再び検出器の中心に衝突するように動かされる。測定を実施するために、この技術は、試料を横切ってレーザビームを呈する光学的な先端を移動させ、測定システムと試料との間の距離が常に一定に保たれるように各々の位置において試料へ焦点を再び合わせる（オートフォーカス）。このようにして、表面のトポグラフィについての情報が、試料を常に焦点に保つようにシステムによって実施される、試料に沿った移動から得られる。
【００１６】
上述の計測技術は、複雑な表面の形状およびテクスチャを正確に評価することを可能にする。取得されたデータが、研磨システムへと届けられる補正データを得るために、設計データと比較される。前記取得されたデータは、数十から数百ナノメートルの範囲で形状仕様に一致する。
【００１７】
非球面の形状は、以下の式によって与えられ、
【００１８】
【数１】
2014515471.tif 000003
ここで、Ｚが形状の座標（高さ）であり、Ｘが横座標である。ＲおよびＫは、それぞれ曲率半径およびコニック定数であり、パラメータＡ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、などは、非球面度係数である。Ｚ（ｘ）に関する計測の要件は、測定の再現性についてλ／２５（≒１０ｎｍ）程度であり、最大形状誤差（精度）についてλ／１０（≒５０ｎｍ）程度である。
【００１９】
しかしながら、これらの表面を非接触の技術で測定するという課題に対して、従来技術は、これまでのところ、有効な解決策を提供していない。これは、主として、測定が表面の頂点（Ｘ＝０）から遠い点Ｘにおいてはるかにクリティカルになる非球面の項Ｘ２ｎの強い非線形性ゆえである。測定の信頼性が高くなければならない点は、光学表面のより急峻な傾きの領域の点である。
【００２０】
急峻な傾きを有する研磨後の表面を有することと、ナノスケール級の必要な精度との組み合わせが、非接触の光学技術によるこれらの表面の計測を、最高の難しさの科学的および技術的課題にしている。
【００２１】
欧州特許出願公開第１５５５５６１号明細書が、レーザプローブに対して急峻な角度にある表面の正確な測定のための非接触表面形状測定方法を開示している。レーザプローブに対して最適な測定状態から±３０°またはそれ以上に傾いている部分を含む特定の領域が、これら特定の領域内の表面が±３０°未満となるように被加工物を回転させた後で測定される。したがって、これら特定の領域において正確に測定されたデータを、たとえ全体的な領域の座標系とは異なる座標系においても得ることができる。
【００２２】
上述のいずれの技術からも由来する関連の問題は、高い精度が所望される場合に動作の速度が遅いことにある。さらなる欠点は、これらの方法が非連続的なことにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】国際公開第９０／００７５４号パンフレット
【特許文献２】欧州特許出願公開第１５５５５６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本明細書において、公差が、機械装置がもたらす機械的な変位の限界を多くの場合に超えている非球面および自由造形の光学系の表面を非接触で測定するための方法が提示される。この方法の各ステップの少なくとも一部を実施することができる装置も開示される。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の方法および装置は、とくには、例えば、対称であっても、あるいは対称でなくても、非球面および自由造形などのレンズなど、複雑かつ小さな物体の設計、製造、表現、および計測に適用できる。また、本発明の方法および装置は、例えば上述のレンズのための金型など、射出成型用の金型の製造にも適用できる。しかしながら、本発明の装置および方法が、上述の用途に限定されず、測定が望まれる所与の形状を有する小さな部品の表面に広く向けられることを理解できるであろう。
【００２６】
本開示の全体を通して、測定されるべき対象物を、試料、被加工物、光学部品、などと称することもある。本明細書に開示の方法に従って本発明の装置によって測定されるべき対象物の１つの具体例は、光学レンズである。
【００２７】
この文脈における表面の測定の意味が、サイズ、形状、テクスチャ（粗さ）、などから選択されるパラメータのいずれかに関する測定対象の物体のトポグラフィ的な特徴に関係することも理解できるであろう。
【００２８】
対象物の表面を非接触で測定するための共焦点トラッキング法が、本明細書において開示される。この方法を、さらに後述される測定装置によって実行することができる。
【００２９】
本方法は、光を対象物の表面の対象領域へと投影することからなる。この対象領域は、対象物の表面の第１の軸に少なくとも位置する基準点を含んでいる。基準点は、最良合焦位置に最も近い点である。
【００３０】
本明細書において使用されるとき、最良合焦位置に最も近いという条件は、そのような基準点が、対象物の表面の撮像に使用される光学系の被写界深度の範囲内にあることを意味する。
【００３１】
最良合焦点を、例えば構造化された照明にもとづく焦点深度アルゴリズムの正面感度の最大値を有する視野内の点として決定することができる。
【００３２】
第１の軸は、水平軸に相当することができる。この第１の軸に沿って測定される対象物の位置が変更される。これは、対象物が、詳しくは後述される測定装置の固定のヘッドに対して変位させられ、あるいはその反対に、測定装置のヘッドが、この第１の軸に沿って不動の測定対象物に対して変位させられる。
【００３３】
上記に従い、投影された光の、前記基準点を含む対象物の表面による反射後の視野領域の１つの画像を取得することからなるさらなるステップが実行される。これは、例えば標準的なＣＣＤカメラによって実行することができる。次いで、この時点において、第２の軸における対象物の位置が割り出される。
【００３４】
第２の軸は、第１の軸に対して垂直な軸に相当することができる。したがって、測定されるべき対象物または測定装置のヘッドを、この第２の軸に沿って垂直方向に変位させることができる。
【００３５】
本明細書において使用されるとき、「画像」という用語は、空間内の特定の位置および向きにおける対象物の表面の視野領域のあらゆる複製（とりわけ、光学的な複製）の結果を指すように意図されている。「画像」は、本明細書において、写真、フレーム、ピクチャ、などと称されることもある。
【００３６】
光が対象物の表面へと第１の軸における対象物の表面のそれぞれの基準点が存在する一連の対象領域に投影されるなど、上述のステップが繰り返される。それぞれの視野領域のいくつかの画像が、投影された光の前記基準点を含む対象物の表面による反射の後で取得される。
【００３７】
この第１の軸に沿って測定される対象物の位置を変化させながら、同時に対象物の位置が第２の軸に沿って変化させられる。これは、さらに後述される共焦点トラッキングアルゴリズムの使用を通じて、基準点が最良合焦位置のできるだけ近くに常に維持されるやり方で実行される。
【００３８】
第１および第２の軸における対象物の位置が、例えば高精度の位置センサによって割り出される。位置センサは、基準点を含む視野の前記画像が取得された第２の軸における対象物の位置を測定することができる。
【００３９】
本方法の根底にある原理は、対象物の表面へと投影される光が、第１の軸に沿った光の分布を有する光のパターンである点にある。光のパターンという定義には、連続的な形態または不連続な形態のいずれかの幅広い範囲の形態が含まれるが、本方法においては、対象物の表面へと投影される測定スリットからなる構造化された光のパターンが投影されることが好ましい。本発明の意味において、測定スリットは、対象物の移動の方向（すなわち、第１の軸）に一致する線を実質的に形成する１組の光の点で形成された光の単一のスリットパターンであると理解されるべきである。
【００４０】
構造化された照明の使用が、本方法において有利である。構造化された光のパターンを投影することで、対象物における最良合焦点を視野内においてより正確に割り出すことができる。
【００４１】
本方法は、上述のように取得された画像の各々について、第１の軸に沿った最良合焦点の位置を割り出すステップをさらに含む。これは、対応する補正差を得ることを可能にする。この補正差を、最良合焦点と基準点との間の第１の軸に沿った距離と定義することができる。
【００４２】
前記補正差を含む第１の軸における基準点に関する上述パラメータと、第２の軸における対象物の位置とにより、対象物の表面の正確な表現を得ることができる。得られた対象物の表面の表現から、対象物の表面のきわめて正確な測定を得ることができる。いくつかの用途においては、この方法によって得られた対象物の表面の測定を、所定の設計データと比較することによって、補正データを得ることができ、次いで、この補正データを例えば自動機械加工装置などへ供給することができる。
【００４３】
本方法の第１の実施形態においては、測定される対象物の表面表現を、以下の形態
［（Χ１＋Δ１，Ｚｉ），（Χ２＋Δ２，Ｚ２）．．．（Χｎ＋Δｎ，Ｚｎ）］
を有する曲線を形成することによって得ることができ、ここで
（Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ）は、第１の軸における対象物の表面の基準点を指し、
（Ｚ１、Ｚ２、・・・、Ｚｎ）は、第２の軸における対象物のそれぞれの位置を指し、
（Δ１、Δ２、・・・、Δｎ）は、最良合焦点と基準点との間の第１の軸に沿った距離として定義される補正差または残余のトラッキング誤差を指す。この補正差を、画素単位から長さ単位へと変換することができる。補正差の値は、例えば最大１μｍ程度であってよい。
【００４４】
本方法の第２の実施形態においては、対象物の表面の表現が、ラスター走査の実行を含むことができる。ラスター走査は、測定スリットを第３の軸に沿って対象物の表面の種々の位置へと測定スリットを投影することからなる。第１の軸および第３の軸は、互いに垂直かつ第２の軸に対して垂直であってよい。第１および第３の軸は、例えば、測定装置が使用時に据えられる水平な平面を含むことができる。
【００４５】
これは、測定される対象物の表面について、以下の形態
［（Χｉ１＋Δｉ１，Ｙｉ，Ｚｉ１）、（Ｘｉ２＋Δｉ２，Ｙｉ，Ｚｉ２）、・・・、（Χｉｎ＋Δｉｎ，Ｙｉ，Ｚｉｎ）］
を有する三次元マップを得ることを可能にし、ここで
ｉ＝１、２、・・・、ｍであり、
（Ｘｉ１、Ｘｉ２、・・・、Ｘｉｎ）は、第１の軸における対象物の表面の基準点を指し、
（Ｚｉ１、Ｚｉ２、・・・、Ｚｉｎ）は、第２の軸における対象物のそれぞれの位置を指し、
（Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｍ）は、第３の軸における対象物のそれぞれの位置を指し、
（Δｉ１、Δｉ２、・・・、Δｉｎ）は、最良合焦点と基準点との間の第１の軸に沿った距離として定義される補正差または残余のトラッキング誤差を指す。やはり、この補正差を、対象物の表面の三次元マップを形成するために、画素単位から長さ単位へと変換することができる。補正差の値は、例えば最大１μｍであってよい。
【００４６】
本方法の第３の実施形態においては、角度走査を通じて対象物の表面の表現を得るために、対象物を回転させることによって三次元マップを得ることができる。角度走査は、対象物の一点（例えば、対象物の回転の中心など）を通過する第４の軸を中心にして対象物を回転させることからなる。対象物の表面の全体の表現は、対象物を第４の軸を中心にして３６０°回転させることを必要とする。角度走査が実施される本方法のこの実施形態においては、測定スリットが、第４の軸の種々の角度位置に投影される。測定される対象物の表面について、以下の形態
［（Χｉ１＋Δｉ１，θｉ，Ｚｉ１）、（Ｘｉ２＋Δｉ２，θｉ，Ｚｉ２）、・・・、（Χｉｎ＋Δｉｎ，θｉ，Ｚｉｎ）］
を有する三次元マップを得ることができ、ここで
ｉ＝１、２、・・・、ｍであり、
（Ｘｉ１、Ｘｉ２、・・・、Ｘｉｎ）は、第１の軸における対象物の表面の基準点を指し、
（Ｚｉ１、Ｚｉ２、・・・、Ｚｉｎ）は、第２の軸における対象物のそれぞれの位置を指し、
（θ１、θ２、・・・、θｍ）は、第４の軸（θ）における対象物のそれぞれの角度位置を指し、
（Δｉ１、Δｉ２、・・・、Δｉｎ）は、最良合焦点と基準点との間の第１の軸に沿った距離として定義される補正差または残余のトラッキング誤差を指す。やはり、この補正差を、対象物の表面の三次元マップを形成するために、画素単位から長さ単位へと変換することができる。補正差の値は、例えば最大１μｍであってよい。
【００４７】
上述の実施形態のいずれにおいても、開示されたトラッキング方法は、対象物の相対位置が同時に第１の軸（好ましくは、一定の速度で）および第２の軸に沿って変化させられる共焦点トラッキング技術にもとづく。いずれの場合も、測定される対象物の位置の変化を、測定装置に対する対象物の移動、または測定される対象物に対する測定装置（あるいは、測定ヘッドなどの測定装置の一部）の移動と理解すべきである。本方法は、投影された測定スリットに沿った最良合焦位置についての情報を好都合に取り出す。
【００４８】
上述のように、対象物の位置が、対象物の位置を第２の軸に沿って変化させつつ、第１の軸に沿って変化させられる。第２の軸に沿った対象物の位置のこの変化は、対象物の表面が常に焦点に位置するように実施される。これは、構造化された照明にもとづく焦点深度アルゴリズムによって実行される。このアルゴリズムは、例えば閉ループ制御にもとづくオートフォーカスアルゴリズムであってよく、より詳しくは、閉ループ比例積分微分コントローラ（ＰＩＤ）にもとづく制御アルゴリズムであってよい。
【００４９】
このアルゴリズムにより、ひとたび対象物の表面が焦点に位置すると、その第１の軸（例えば、横方向）に沿った位置が、常に焦点に位置するように第２の軸に沿った位置を変化させつつ、変化させられる。焦点は、対象物が第１の軸に沿って移動させられるとき、実質的に視野の中心に維持される。第１の軸に沿った対象物の位置の変化は、連続的に、一定の速度で実行されることが好ましい。
【００５０】
ＰＩＤにもとづく制御アルゴリズムが、第１の軸に沿った対象物の位置を変化させつつ、第２の軸に沿った対象物の位置を変化させることによって、測定される対象物を常に焦点に位置させる。いくつかの実施形態においては、ＰＩＤアルゴリズムが、産業用制御システムにおいて幅広く使用されている制御ループフィードバック機構である。ＰＩＤコントローラが、測定されるプロセス変数と所望の設定点との間の誤差を、プロセスを相応に調節することができる補正処置を計算して出力することによって、補正しようと試みる。ＰＩＤアルゴリズムは、比例、積分、および微分パラメータにて与えられる。比例パラメータが、現在の誤差への反応を決定する。積分パラメータが、最近の誤差の合計にもとづく反応を決定する。微分パラメータが、誤差の変化の速度に対する反応を決定する。ＰＩＤアルゴリズムのこれらのパラメータを調節することによって、個々のプロセスの要件に合わせて設計された制御作用を得ることができる。３つのパラメータのすべてを常に使用する必要があるわけではない。
【００５１】
本方法は、視野領域の各々について、前記視野領域内の同じ所定の位置に位置する基準点を定めるステップをさらに含むことができる。
【００５２】
上記開示の共焦点トラッキング法によれば、対象物の表面の２Ｄ輪郭および３Ｄマップの両方を、前記第１、第２、および第４の軸に対して対象物の位置を変化させることによって得ることができる。これを、さらに詳しく後述される測定装置内の駆動ユニットによって実行することができる。
【００５３】
本方法の上記開示の実施形態のいずれかとの組み合わせにおいて、中心合わせステップをさらに実施することができる。この中心合わせステップは、測定スリットが対象物の頂点位置へと投影されるやり方で、測定対象物を正確に配置するために有用である場合がある。このステップは、回転対称を有する対象物の表面についてとくに重要である場合がある。
【００５４】
この中心合わせステップは、少なくとも２つの横スリットを顕微鏡対物レンズの焦点面へと投影するステップを含むことができる。いくつかの実施形態においては、例えば２０〜４０本の横スリットからなる組を、例えば投影することができる。これらの横スリットは、測定スリットに平行であるように投影される。
【００５５】
横スリットは、互いに離れており、かつ測定スリットから離れているように投影される。このスリットの隔たりは、第３の軸に沿った距離によって与えられる。投影された個々の横スリットは、測定スリットが投影された横スリットの間に位置するやり方で、第３の軸に異なる点において交わる。測定スリットの両側に位置しており、測定スリットから両側に同じ距離だけ離れている２つの横スリットに沿った最良合焦位置の点が、第１の軸において同じ座標にあることが明らかになるまで、対象物の位置が、第３の軸に沿って変化させられる。その結果、投影された測定スリットが、対象物の頂点位置に一致する。
【００５６】
本方法のさらなる中心合わせステップにおいては、これに代え、あるいはこれに加えて、測定スリットが対象物の頂点位置へと投影されるように測定の対象物を配置するために、機械的な手段を使用することができる。
【００５７】
上述のように、本方法の諸ステップのうちの少なくとも一部を、以下に開示される非接触高精度高速測定装置によって実行することができる。この装置は、非球面から平面または自由造形の表面までの任意の光学的表面を測定することができる光学式プロファイラである。したがって、本発明の非接触測定装置は、光学式のデータストレージ、携帯電話機、デジタルカメラ、プロジェクタ、ならびに高精度の用途におけるレンズなどの幅広い範囲の用途において有用である。
【００５８】
本開示の装置は、投光手段を備える。この投光手段は、例えば、少なくとも１つのＬＥＤ、ダイアフラム、コリメーション光学系、ミラー、光学レンズ、ビームスプリッタ、ならびに顕微鏡対物レンズを含むことができる。
【００５９】
本装置の投光手段は、光学レンズなどの測定の対象物の表面の対象領域へと光を投影するように適切に設計されている。投光手段によって照明されるこの対象領域が、最良合焦位置に最も近い対象物の表面の第１の軸における上述の基準点を含んでいる。
【００６０】
本装置の投光手段は、第１の軸に沿った光の分布を有する光のパターンを測定される対象物の表面へと投影するという目的を果たす。そのような投光手段は、顕微鏡対物レンズを含むことができる。そのような対物レンズの一例は、超長作動距離（ＳＬＷＤ）無限補正Ｎｉｋｏｎ  １００ｘ  対物レンズであってよい。この対物レンズは、０．７という大きな開口数および６．５ｍｍの作動距離を特徴とする。最大３５°の局所的な傾きを有する表面の測定が、このような大きな開口数のレンズの使用によって保証される。他方で、このような長い作動距離により、対象物の表面に衝突する恐れなく、快適な動作が可能になり、これは本方法が製造現場の作業者によって使用される場合にきわめて需要である。この１００ｘのＳＬＷＤ対物レンズは、約１μｍの被写界深度を有し、したがって測定の対象物のうち、対物レンズの焦点面を中心とする１μｍの領域の範囲内の部分だけに、実質的に焦点が合う。そのような光のパターンは、幅広い範囲の形態を含むことができる。しかしながら、装置が投影することができる光のパターンは、好ましくは測定スリットである。上述のように、この測定スリットを、第１の軸に沿って顕微鏡対物レンズの焦点面へと画像化することができる。測定スリットは、この特定のパターンが顕微鏡対物レンズの焦点面へと正確に投影されるように、投光手段のダイアフラムから形成される。縮小の係数を、対物の倍率に応じて適用することができる。
【００６１】
開示の装置は、投影された光の、対象物の表面による反射後に前記基準点を含む視野領域の画像を取得する撮像手段をさらに備える。撮像手段は、顕微鏡対物レンズおよびカメラを含むことができる。撮像手段の１つの具体例では、撮像手段が、共焦点の構成を形成するＣＣＤカメラを含むことができる。そのような共焦点の構成においては、測定スリットが、投光手段によって、撮像手段によってＣＣＤカメラへと画像化される平面へと画像化される。ＣＣＤカメラが、投影された光の、対象物の表面による反射後に前記基準点を含む上述の視野の画像を取得するように意図されている。本装置のカメラは、所与の時間（フレームレート）においていくつかの連続した画像（フレーム）を得ることが可能であってよい。一例においては、使用されるカメラが、少なくとも毎秒５０フレーム（５０ｆｐｓ）を得ることができる。取得された画像の各々について、投影された測定スリットに沿った最良合焦点を、構造化された照明にもとづく焦点深度アルゴリズムの正面感度の最大値を有する点を割り出すことによって得ることができる。
【００６２】
開示の装置は、第１の軸に沿って対象物の位置を変化させるための手段をさらに備える。上記が、測定される対象物の位置の変化に関して、対象物が固定され、測定装置の１つ以上の部品が対象物に対して動かされる実施形態、測定装置の前記部品が固定され、対象物がこの部品に対して動かされる実施形態、およびこれらの実施形態の組み合わせに係る実施形態を含むことに、注意すべきである。
【００６３】
測定装置の１つ以上の部品が固定され、対象物がこの部品に対して移動させられる一実施形態においては、第１の軸に沿って対象物の位置を変化させるための手段が、磁気リニアモータと組み合わされた少なくとも１つの高精度空気軸受ステージを備えることができる。空気軸受ステージのおかげで、対象物と装置との間に、例えば３μｍ程度の小さな空隙がもたらされる。したがって、対象物の相対位置を変化させるための手段と対象物そのものとの間に接触が存在せず、結果として対象物と装置との連続的な一定の相対移動が保証される。特定の一実施形態においては、第１の軸に沿って対象物の相対位置を変化させるための手段が、例えばＡｅｒｏｔｅｃｈ社から入手することができるＡＢＬ−１５０１０という型式の行程１００ｍｍの駆動ユニットであってよい。そのような駆動ユニットの平坦さの誤差は、１００ｎｍ未満である。その完全に反復的な挙動ゆえに、平坦さの誤差を約１０ｎｍにできるような較正が可能であり、これは装置に期待される精度よりも小さい値である。
【００６４】
開示の装置は、基準点が最良合焦位置の可能なかぎり近くに維持されるという条件で、第１の軸に沿って対象物の位置を同時に変化させながら第２の軸に沿って対象物の位置を変化させる手段をさらに備える。第２の軸に沿って対象物の位置を同時に変化させるための前記手段は、少なくとも１つの交差ころ軸受ステージを備えることができる。この種の軸受を設けることは、直線性、平坦性、および線形性の測定誤差を減らすために重要である。
【００６５】
第２の軸に沿って対象物の位置を同時に変化させるための手段は、所望の測定長さに達するまで焦点が視野の中心に最後まで維持されるように協調した移動にて、上述の閉ループアルゴリズムに従って動作する。
【００６６】
さらに本装置は、前記投光手段および前記撮像手段が設けられる測定ヘッドを備える。測定ヘッドを、例えば花崗岩で作られた柱によって支持することができる。この材料は曲げ強度が高く、熱膨張がきわめて少なく、１０ｎｍ程度の高精度の測定に適している。
【００６７】
開示の装置は、第２の軸に沿ったそれぞれの基準点の位置を割り出すための手段をさらに備える。これらは、高精度の位置センサ手段であってよく、やはり測定ヘッドに備えることができる。それらは、第２の軸に沿った対象物の相対位置を正確に割り出すために適している。いくつかの実施形態においては、例えば高精度リニアエンコーダなど、高精度の位置エンコーダを、第１および第２の軸の両方における位置を割り出すために使用することができる。
【００６８】
本装置の好ましい実施形態においては、本装置は、測定スリットが対象物の頂点位置へと投影されるやり方にて、測定の対象物を配置するための中心合わせ手段をさらに備えることが考えられる。これを、中心合わせ手段を使用することによって行なうことができる。一実施形態においては、中心合わせ手段は、少なくとも２つの横スリットを、それぞれの側方軸に沿って顕微鏡対物レンズの焦点面へと投影するための手段を備えることができる。これらの側方軸は、第１の軸と平行であってよい。横スリットは、第３の軸に沿って所与の距離だけ互いに離れるようなやり方で顕微鏡対物レンズの焦点面へと投影される。横スリットは、測定スリットが横スリットの間に位置するように投影される。中心合わせ手段は、測定スリットの両側に位置して測定スリットから同じ距離だけ離れている２つの横スリットに沿った最良合焦位置の点が、第１の軸において同じ座標にあることが明らかになるまで、対象物の位置を第３の軸に沿って変化させるための手段をさらに備えることができる。
【００６９】
本装置によって、対象物の表面のラスター走査を、上述の方法に従って実行することができる。ラスター走査は、対象物の横並びの掃引を含み、すなわち第２の軸に沿って対象物の位置を変化させながら第３の軸に沿って対象物の位置を変化させることを含む。ラスター走査が、対象物の表面の表現を得ることを可能にする。この目的のため、第３の軸に沿って対象物の位置を変化させるための手段が、さらに設けられる。
【００７０】
本装置は、対象物の表面の表現を得るために、上述の方法に従って対象物（とくには、回転対称を有する対象物の表面）の角度走査を実施することができる。これは、対象物の一点（例えば、対象物の回転中心など）を通過する第４の軸を中心として対象物の角度位置を変化させることを含む。１つの特定の実施形態においては、対象物が、測定スリットが第４の軸の種々の角度位置に投影されるように回転させられる。したがって、装置は、第４の軸を中心にして対象物を回転させるための適切な手段を備える。ラスター走査と同様に、角度走査は、対象物の表面の三次元マップを得ることを可能にする。
【００７１】
開示の装置は、いくつかの利点を提供する。共焦点の構成の使用が、大きな開口数の対物レンズとの組み合わせにおいて、対物レンズに応じて２ｎｍよりも良好となりうる、対象物の表面のきわめて高い深さ区分能力を提供する。
【００７２】
本装置の中心合わせ手段は、２つの最良合焦点がそれぞれの横スリットに沿って同じ位置に位置していることを判断する以外にいかなる測定も実行する必要なく、対象物の頂点を自動的に割り出すことを可能にする。
【００７３】
一般に、本発明の非接触表面計測装置は、単一の点にもとづく方法ではなく、構造化された照明の全体パターンにもとづいた画像にもとづく方法である開示の方法を実行するために適しているということを活用する。構造化された照明の使用は、視野内の焦点に位置する点をはるかに正確に割り出すことを可能にする。
【００７４】
さらに、上述の方法のステップのうちの少なくとも一部を、本装置によって連続的なやり方で実行することができ、したがって使用時に停止することがない。１ｍｍ／ｓおよびさらに高速な測定速度を実現することができる。
【００７５】
開示の方法および装置は、たとえカメラに入射する反射光の強度がきわめて弱い急な局所的な傾きを有する領域においても、複雑な表面において、きわめて効果的であることが明らかになっている。試料の形状に応じて、最大６５°の傾きを測定することができる顕微鏡対物レンズを使用することができる。
【００７６】
本方法および装置のさらなる利点は、１０ｎｍ程度という測定の高い再現性、５０ｎｍ程度という形状精度における小さな誤差、約１ｍｍ／ｓを超える高速性、ならびに得られたデータを分析する能力である。
【００７７】
本方法および装置の実施形態のさらなる目的、利点、および特徴が、本明細書を検討することによって当業者にとって明らかになり、あるいは本発明を実施することによって学習可能である。
【００７８】
本方法および装置の特定の実施形態を、以下で本発明を限定するものではない例として、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】対象物の表面を非接触で測定するための装置の例示的な一実施形態の概略の側面図である。
【図２ａ】対象物の表面を非接触で測定するために実施される方法のある段階について示された図１の装置の概略図である。
【図２ｂ】対象物の表面を非接触で測定するために実施される方法の別の段階について示された図１の装置の概略図である。
【図３】図２ａの一部分を拡大した概略の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００８０】
諸図面が、非接触高精度高速測定装置の例示的な一実施形態を示している。図面の図１に示されている装置の例（ただし、これに限られるわけではない）の全体が、１００で指し示されている。装置は、任意の光学表面を測定することができる光学式プロファイラである。多数の用途において有用であるが、この例は、レンズの表面の非接触測定のための測定装置１００に関する。本明細書では、レンズの全体が、図面において３００で指し示されている。
【００８１】
測定装置１００は、１つまたは一連のＬＥＤ１１１を含む投光手段１１０を備えている。図示の装置１００のそのような投光手段１１０は、構造化された光のパターンｍを、ダイアフラム１１２を通ってレンズ３００の対象領域へと投影するために適している。図１に示されるとおり、投光手段１１０は、コリメーション光学系１１３、４５°ミラー１１４、光学レンズ１１５、ビームスプリッタ１１６、および顕微鏡対物レンズ１５０をさらに備えている。
【００８２】
レンズ３００の対象領域が、基準点Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎを含んでおり、そのうちの１つの基準点Ｘ１が、図面の図２ａおよび図２ｂに示されている。基準点Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎは、レンズ３００の水平軸ｘにある。基準点Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎは、図面にＰで示されている最良合焦位置に最も近い基準点であり、すなわちレンズ３００の表面の画像を得るために使用される光学系１５０の被写界深度の範囲内の基準点である。図示の装置１００の投光手段１１０によって投影される構造化された光の上述のパターンは、図面の図２ａ、図２ｂ、および図３に示されるとおりの測定スリットｍの形態の水平軸ｘに沿った光の分布を有する。
【００８３】
したがって、測定スリットｍは、水平軸ｘに沿った顕微鏡対物レンズ１５０の焦点面へと投影される。使用される対物レンズ１５０は、０．７という大きな開口数および６．５ｍｍの作動距離を有する超長作動距離（ＳＬＷＤ）無限補正Ｎｉｋｏｎ  １００ｘ  対物レンズである。この１００ｘ  ＳＬＷＤ対物レンズは、約１μｍの被写界深度を有し、したがって測定の対象物のうち、対物レンズ１５０の焦点面を中心とする１μｍの領域の範囲内の部分だけに、実質的に焦点が合う。
【００８４】
測定装置１００は、図示の特定の例では５０ｆｐｓ程度のフレームレートのＣＣＤカメラ１２１を備える撮像手段１２０をさらに備えている。取得される画像の各々について、投影された測定スリットｍに沿った最良合焦点Ｐを、構造化された照明にもとづく焦点深度アルゴリズムの正面感度の最大値を有する点を割り出すことによって、得ることができる。カメラ１２１は、投影された光の、レンズ３００の表面による反射後の基準点Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎを含む視野領域Ｆの画像を取得することができる。
【００８５】
撮像手段１２０は、上述の顕微鏡レンズ（投光手段１１０および撮像手段１２０の両者によって共有されている）と、ミラー１１７と、視野レンズ１１８とをさらに備えている。ビームスプリッタ１１６が、投光手段１１０を撮像手段１２０に結合させている。
【００８６】
測定装置１００は、水平軸ｘに沿ってレンズ３００の位置を変化させ、すなわちレンズ３００を横方向に変位させるための手段１３０をさらに備えている。
【００８７】
さらに測定装置１００は、測定ヘッド１６０を垂直軸ｚに沿って変位させ、すなわち基準点Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎが図２ａ、図２ｂ、および図３に示されるように最良合焦位置Ｐの可能なかぎり近くに保たれるように測定ヘッド１６０を垂直軸ｚに沿って垂直方向に変位させるための手段１４０を備えている。
【００８８】
水平軸ｘに沿ってレンズ３００の位置を変化させる手段１３０は、少なくとも１つの高精度空気軸受ステージを備える。使用されるステージは、Ａｅｒｏｔｅｃｈ社から入手することができるＡＢＬ−１５０１０という型式の行程１００ｍｍの駆動ユニットである。
【００８９】
垂直軸ｚに沿ったレンズ３００の位置を同時に変化させるための手段１４０については、図示の実施形態においては、１つ以上の交差ころ軸受ステージを備える。
【００９０】
両方の手段１３０、１４０を設けることで、閉ループのトラッキングアルゴリズムに従って、基準点Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎが最良合焦位置Ｐのできるだけ近くに保たれるように、測定ヘッド１６０を軸ｚに沿って垂直に移動させると同時に、レンズ３００を軸ｘに沿って水平に移動させることができる。
【００９１】
さらに装置１００は、垂直軸ｚにおける基準点Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎの位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、・・・、Ｚｎを割り出すための手段１７０を備えている。さらに、水平軸ｘにおけるレンズ３００の位置を割り出すための手段も備えている。レンズ３００の位置を割り出すための手段のすべてまたは一部は、高精度の線形アクチュエータを備えることができる。
【００９２】
垂直軸ｚにおける点Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、・・・、Ｚｎが、装置１００によって測定されているレンズ３００の点の垂直位置に関係していることに注意すべきである。この点に関し、垂直軸ｚに沿ってレンズ３００の位置を変化させるための手段１４０が、軸ｚに沿った、測定ヘッドの垂直変位を引き起こし、結果としてレンズ３００の点Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、・・・、Ｚｎ（上述のトラッキングアルゴリズムによって焦点に位置している点に相当する）を前記軸ｚに沿って変化させる。
【００９３】
投光手段１１０および撮像手段１２０の両者は、測定装置１００に設けられた測定ヘッド１６０に入れられている。この測定ヘッド１６０は、より高精度な測定のために、花崗岩の柱（図示されていない）によって支持されている。
【００９４】
上記開示の装置１００を、レンズ３００の非接触高精度高速測定を実行するために、以下のステップ、すなわち
・図面の図２ａに示されるように、測定スリットｍを、測定対象のレンズ３００の表面の対象領域へと、最良合焦位置Ｐに最も近い水平軸ｘにおける基準点Ｘ１が存在するように投影するステップ、
・投影された光の、前記基準点Ｘ１を含むレンズ３００の表面による反射後の視野領域Ｆに対応する１つの画像を取得するステップ、
・垂直軸ｚにおけるレンズ３００の垂直位置Ｚ１を割り出すステップ、
・測定スリットｍを、レンズ３００の表面へと、前記水平軸ｘにおけるレンズ３００のそれぞれの基準点Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎが存在する一連の対象領域に投影するステップ、
・図２ａまたは２ｂに示されるように、基準点Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎを最良合焦位置Ｐのできるだけ近くに維持しつつ、垂直軸ｚに沿って測定ヘッド１６０の垂直位置Ｚ２、Ｚ３、・・・、Ｚｎを同時に変化させることによって、投影された光の、基準点Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎを含むレンズ３００の表面による反射後のそれぞれの視野領域Ｆのいくつかの画像を取得するステップ、
・基準点Ｘ２、Ｘ３、・・・、Ｘｎを含む視野領域Ｆの画像の取得を行なったレンズ３００のそれぞれの該当位置について垂直位置Ｚ２、Ｚ３、・・・、Ｚｎを割り出すステップ、
・取得された画像の各々について水平軸ｘに沿った最良合焦点Ｐの位置を割り出すステップ、
・図面の図３に示されるように、それぞれの補正差Δ１、Δ２、・・・、Δｎを、最良合焦点Ｐと基準点Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎとの間の水平軸ｘに沿った距離として算出するステップ（その後に、補正差Δ１、Δ２、・・・、Δｎは、画素単位から最大１μｍ程度の長さ単位へと変換される）、および
・補正差Δ１、Δ２、・・・、Δｎを含む水平軸ｘにおける基準点Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎと、垂直軸ｚにおけるレンズ３００の垂直位置Ｚ１、Ｚ２、・・・、Ｚｎとによって、レンズ３００の表面の表現を得るステップ
を実行するように動作させることができる。
【００９５】
測定装置１００は、上述の方法のステップに従って動作させられるとき、レンズ３００の表面の２Ｄ輪郭をもたらすことができる。より具体的には、測定装置１００が、以下の曲線、すなわち［（Χ１＋Δ１，Ｚ１）、（Χ２＋Δ２，Ζ２）、・・・、（Χｎ＋Δｎ，Ζｎ）］によるレンズ３００の表面の正確な輪郭をもたらすことができる。
【００９６】
さらに、測定装置１００は、上述の方法のステップに従って動作させられるとき、レンズ３００の３Ｄマップをもたらすことができる。より具体的には、測定装置１００が、
・測定スリットが、第１の軸ｘに垂直な第３の軸ｙの種々の位置Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｍに投影されるラスター走査を実行することによって、レンズ３００の表面の三次元マップ［（Χｉ１＋Δｉ１，Ｙｉ，Ｚｉ１）、（Ｘｉ２＋Δｉ２，Ｙｉ，Ｚｉ２）、・・・、（Χｉｎ＋Δｉｎ，Ｙｉ，Ｚｉｎ）］（ｉ＝１、２、・・・、ｍ）によるレンズ３００の表面の正確な表現をもたらすことができ、
・測定スリットがレンズ３００を通過する第４の軸の種々の角度位置θ１、θ２、・・・、θｍに投影されるように、レンズ３００をレンズ３００の回転中心を通過する軸を中心にして回転させることからなる角度走査を実行することによって、レンズ３００の表面の三次元マップ［（Χｉ１＋Δｉ１，θｉ，Ｚｉ１）、（Ｘｉ２＋Δｉ２，θｉ，Ｚｉ２）、・・・、（Χｉｎ＋Δｉｎ，θｉ，Ｚｉｎ）］（ｉ＝１、２、・・・、ｍ）によるレンズ３００の表面の表現をもたらすことができる。
【００９７】
最良適合および／または公称形状比較分析などの適切な曲線分析ソフトウェアを、レンズ３００の２Ｄ輪郭および３Ｄマップを処理するために使用することができる。このソフトウェアは、装置１００の一部であってよく、遠方に位置するコンピュータシステムから動作されてもよい。
【００９８】
本発明の装置および方法について、いくつかの特定の実施形態および例だけを本明細書において開示したが、それらの実施形態および例について、他の代案の実施形態および／または使用、ならびに自明な変更および均等物が可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。
【００９９】
本発明は、本明細書に記載の個々の実施形態の可能なすべての組み合わせを包含し、したがって特定の実施形態によって限定されるものではなく、むしろ以下の特許請求の範囲の公正な解釈によってのみ決定されなければならない。
【図１】
2014515471.tif 000004
【図２ａ】
2014515471.tif 000005
【図２ｂ】
2014515471.tif 000006
【図３】
2014515471.tif 000007
【国際調査報告】
2014515471.tif 000008
2014515471.tif 000009