(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉測定方法であって、
光源と、検査面が基準面に対して空間内の所定の位置に置かれたときに、対象の表面から反射された光が前記基準面から反射された光と干渉して、湾曲し局在化した干渉縞を生成するように適合される検査波面を放射する干渉プローブとを準備するステップと、
前記検査面上の単一の特定の点が前記湾曲し局在化した干渉縞と交差するときに、干渉縞分析により、基準座標システムに対する前記検査面上の前記特定の点の３次元空間における位置を一度で判断するステップと、
前記３次元空間の各方向に実行される所定の走査パターンに沿って、前記特定の点の複数について前記判断するステップを繰り返すステップと、を含み、
前記走査パターンは、前記湾曲し局在化した干渉縞と交差する前記単一の点の各々が連続する位置によって決定され、前記走査パターンは前記局在化した干渉縞のコヒーレンス包絡線を介する走査を含まない干渉測定方法。
【請求項２】
前記湾曲し局在化した干渉縞は凸状である、請求項１に記載の干渉測定方法。
【請求項３】
前記凸状の局在化した干渉縞は球形である、請求項２に記載の干渉測定方法。
【請求項４】
前記判断するステップは、前記検査面上の前記特定の点が前記局在化した干渉縞と交差するように前記プローブを動かすことにより実行される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の干渉測定方法。
【請求項５】
前記光源はスペクトル制御可能な光源であって、
前記判断するステップは、前記光源のスペクトル正弦波変調を行うことで前記検査面の位置に略対応する複数の局在化した干渉縞を生成して、前記干渉縞を分析して前記複数の局在化した干渉縞のうちのいずれが前記検査面上の前記特定の点と交差するかを判断することにより実行される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の干渉測定方法。
【請求項６】
前記光源はヘテロダイン方式による信号を発生し、
前記判断するステップは、前記信号の複数の位相に対応する複数の局在化した干渉縞を分析することにより実行される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の干渉測定方法。
【請求項７】
前記光源は多重波長光源である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の干渉測定方法。
【請求項８】
前記プローブは座標測定機に搭載される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の干渉測定方法。
【請求項９】
干渉測定システムであって、
検査プローブに連結された光源であって、前記プローブは、検査面が前記干渉測定システムの基準面に対して空間内の所定の位置に置かれたときに、対象の表面から反射された光が前記基準面から反射された光と干渉して、湾曲し局在化した干渉縞を生成するように適合される検査波面を放射するものである、光源と、
前記検査面上の単一の点を、一度で空間内の前記所定の位置に置く３次元走査機構と、
干渉縞分析を行うことにより、前記検査面上の単一の点が空間内の前記所定の位置にある時を検出するようにプログラムされたコンピュータであって、前記干渉縞分析は前記検査面上の単一の特定の点の検出に限定される、コンピュータと、を含み、
前記コンピュータは、ぞれぞれ前記湾曲し局在化した干渉縞と交差する前記単一の点が連続する位置によって決定される走査パターンを前記走査機構が追従するように、更にプログラムされている干渉測定システム。
【請求項１０】
前記基準面は凹状である、請求項９に記載の干渉測定システム。
【請求項１１】
前記凹状の基準面は球形である、請求項９に記載の干渉測定システム。
【請求項１２】
前記光源はスペクトル制御可能な光源である、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の干渉測定システム。
【請求項１３】
前記コンピュータはさらに、前記光源のスペクトル変調を行うことにより前記基準面に対する空間内の前記所定の位置に前記湾曲し局在化した干渉縞を生成するようにプログラムされる、請求項１２に記載の干渉測定システム。
【請求項１４】
前記コンピュータはさらに、前記光源の正弦波変調を行うことで前記検査面の位置に略対応する複数の局在化した干渉縞を生成して、干渉縞分析により前記干渉縞を処理して前記複数の局在化した干渉縞のうちのいずれが前記検査面上の単一の前記特定の点と交差するかを判断するようにプログラムされる、請求項１２に記載の干渉測定システム。
【請求項１５】
前記光源はヘテロダイン方式による信号を発生し、
前記コンピュータはさらに、前記信号の複数の位相に対応する複数の局在化した干渉縞の干渉縞分析を実行するようにプログラムされる、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の干渉測定システム。
【請求項１６】
前記光源は多重波長光源である、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の干渉測定システム。
【請求項１７】
前記プローブは座標測定機に搭載される、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の干渉測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１４年１２月４日に出願された米国仮特許出願第６２／０８７，６７７号に基づく優先権を主張するものであり、２０１５年８月２５日に出願された米国特許出願第１４／８３４，７２７号の一部継続出願であり、当該米国特許出願は２０１４年８月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／０４４，００９号に基づく優先権を主張するものであり、米国特許出願第１４／８３２，０５２号の一部継続出願である。以上の出願に係る内容の全てを参照により本明細書に取り込むものとする。
【０００２】
本発明は、一般に光プローブの分野に関し、とりわけ、座標測定機（ＣＭＭｓ：coordinate measuring machines）に特に適した新規な非接触干渉光プローブに関する。
【背景技術】
【０００３】
座標測定機は、対象の物理的幾何学的な特性を測定するために用いられ、典型的には、製造および組立の工程における品質管理の目的で使用される。典型的な装置は、従来の３次元座標系において互いに直交する３つの軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に沿った測定を行う。第１水平軸（典型的にはＹ軸）は、静的な支持テーブルに連結された２本の垂直な脚に支持されたブリッジまたはガントリーによって定義される。第２の軸（Ｘ）は、第１軸に直交する方向における支持テーブルに沿ったブリッジの水平移動により定義される（これにより、ＸＹ平面を定義する）。第３のＺ軸は、ブリッジに取り付けられたクィルまたはスピンドルの垂直運動によって定義される。プローブは、対象に点接触をするため、または、各軸に沿うプローブの位置を示す寸法系に基づき対象の光学的な測定を行うため、クィルに取り付けられる。操作においては、プローブが部分の様々な点をトレースするに従って、装置はプローブからの入力を読み込み、これらの点のＸ、Ｙ、Ｚ座標は、マイクロメートルの正確さでサイズおよび形状を判断するために使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プローブは、対象の表面に接触することで位置を確定する機械的なものであってもよい。あるいは、表面の存在を反射光や磁界などの特定の物理量の変化を観察することにより計測する非接触式のものであってもよい。機械的なプローブは表面との接触を必要とするが、これは多くの場合、特に精密な光学部品の測定の場合には、望ましくないものである。
【０００５】
非接触プローブの多くは光学式である。それらは一般的には良い感度を提供するが、検査対象表面により反射される光の量による制限を受け、最適な測定条件を達成するために表面に対して正しく位置決めをする必要がある。実際上、このことは、表面勾配の限られた範囲のみが確実に検出できることを意味し、検査対象表面に対してプローブを実質的に垂直とするためにプローブの向きを繰り返し調整し直す必要があり、それは測定システムをより不正確かつより複雑にしてしまう作業である。更に、回転によってプローブの向きを変更する機能は、座標測定機の操作における追加的な重大なパラメーターの較正を必要とするものであり、付随する不確実性および潜在的な誤差を伴う。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、高い精度および感度で広範囲の検出角を受容する新しいタイプのプローブを構築することが望ましい。本開示においては、広い受容角を有し、それにより、従来の光プローブよりも広い範囲の表面勾配を測定でき、従来の光プローブにおける制限を克服できる、光学表面測定プローブの新しい設計が記述される。本発明は、米国特許第８，４２２，０２６号、第８，８１０，８８４号および第８，６７５，２０５号に開示された概念および教唆に基づくものであり、それら特許の開示内容のすべてを参照によって本明細書に取り込むものとし、実際的な実施形態を可能とするプローブ構造と組み合わされる。
【０００７】
基準面に対して局在化した干渉縞を、検査面の位置の検出のために用いる。本明細書において、「局在化した干渉縞」の語は、低コヒーレント性の光源の場合には、検査光線と基準光線の間の光路長差（ＯＰＤ）が、０の近傍である位置の周囲の限られた領域（すなわち、基準光線と検査光線の間の遅れが非常に小さい領域）で生成した干渉縞を意味することを意図する。スペクトル制御された光源、もしくは複数波長の光源の場合には、「局在化した干渉縞」は、基準面から所定の距離に生成する明白に識別可能な干渉縞のパターンを意味することを意図する。本開示の全体にわたって、「局在化した」なる用語およびそれと関連する用語は、干渉計の基準鏡に対する干渉縞の空間内の位置を記述する際の便宜のために使用されるが、そのような干渉縞は単に仮想的な干渉縞であって、現実の干渉縞は、実際のところ、検査面が空間内のそのような「局在化した」位置に存在する時にだけ、装置の検出器に形成されることが理解される。
【０００８】
本発明の非接触光プローブは、好ましくは球状の光学基準面を用い、基準面は検査面に対して湾曲した検査波面を照射する。そして、基準面の前方の空間に局在化した干渉縞を生成し、検査面を検出する。測定される検査面が干渉縞の位置と交差する場合、その条件がプローブによって検出される。干渉縞が空間内の既知の位置で局在化するため、表面（基準システムに対する表面の座標）の正確な位置を、測定の遂行のために確立できる。
【０００９】
そのような局在化した干渉縞は様々な方法で生成できる。例えば、（従来の白色光干渉計ＷＬＩのように）プローブがアームの一つである干渉計内の光路長差をバランスさせることによって行い得る。ただし、ＣＭＭに対してＷＬＩアプローチを適用するための機械的な必要条件は、設計を非常に複雑で非実用的なものにする。従って、本発明の好ましい実施形態は、（米国特許第８，４２２，０２６号に最近開示されたような）スペクトル制御可能な光源と、発散または収束するフィゾー干渉計の構成を備えたプローブを使用することに基づく。それらの組み合わせはコンパクトかつ安価な設計に特に役立つためである。ただし、本発明を実行するために他の構成を同様に用いることができるため、これを限定要素として解釈するべきではない。
【００１０】
上述の通り、現在の最先端技術は球形のボール状先端を有する接触プローブ、収束型またはコリメート型の光プローブ、および、様々なデータ収集アプローチを含む。接触プローブは、表面に対して垂直な方向からずれた測定アングルで表面を測定できるという長所を持ち、それにより、様々な表面の測定を可能にする。欠点は、繊細で接触により影響を受け得る部分と接触する必要があることである。一方、光プローブは、非接触で繊細な部分の測定を可能とする。欠点は、測定表面に対して垂直に近い角度を維持しなければならないことにあり、そのため測定可能な表面の範囲が限られ、装置の複雑さおよび測定の不確実性が増す。
【００１１】
本発明によれば、高い非接触感受性を有し、広範囲のプローブ位置からの様々なタイプの表面の正確な測定が可能な新しいタイプの光プローブが得られる。プローブは、基準面から所定の距離に局在化した干渉縞を生成するように設計された照射条件の下で対象表面により反射された光を感知および分析することに基づく。干渉縞を生成する光学部品は、表面勾配の大きな位置で生成される干渉縞をプローブが捕らえるための十分に大きな受容角（すなわち、大きな数値の開口）を保証する。例えば、スペクトル制御可能な光源を、検査面が局在化した干渉縞と交差するようにプローブが配置されるとき（すなわち、検査面と基準面の間の距離が光源のスペクトル変調によって設定されたＯＰＤと等しいとき）に、変調波のピークを生じるように調整する。その後、そのような変調波のピークに対応する表面の点の正確な座標を測定し、検査面に沿ってプロセスを繰り返し、検査対象全体の座標を測定する。上述のように、また、当該技術分野においてよく理解されているように、表面から特定の距離（あるいは局在化した干渉縞と交差する対象の表面）において生成された局在化した干渉縞について本開示の全体において便宜上言及する場合、正確かつ意図された意味は、その表面位置において、対象の表面から反射された光が基準面から反射された光と干渉し、適切な装置によって検出できる干渉縞を生成するということである。
【００１２】
座標測定機に加え、本発明のプローブは、広い傾斜公差を有する光学的表面の正確な測定から、機械加工がされた要素または工学的に作り出された表面の粗さと表面の輪郭の測定に及ぶ適用に適している。収束又は発散する波面を有する様々なタイプのプローブおよびそれらの使用の例を、以下に詳細に記述する。
【００１３】
他の様々な利点は、以下に続く明細書中の発明の記述、および添付の特許請求の範囲で特に指摘された新規な特徴から明らかになるだろう。したがって、本発明は、図面に示され、好ましい実施形態の詳細な説明に詳細に記載され、特許請求の範囲で特に指摘された特徴を含む。ただし、そのような図面および記載は、発明を実行し得る様々な方法のうちのいくつかのみを開示するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、凸球面状の基準面から広がる（プローブに対して）発散する波面を用いた、本発明による干渉測定用プローブの基本的な概略説明図である。プローブの基準の光学部品は、基準面から所定の距離に干渉縞が局在化するように、発散する波面を形成する。
【図２】図２は、凹球面状の基準面から広がる（プローブに対して）収束する波面を有する干渉測定用プローブの説明図である。プローブの基準の光学部品は、基準面から所定の距離だけ離れた位置に干渉縞が局在化するように、波面を形成する。
【図３】図３は、平面状の基準面から広がる（プローブに対して）発散する波面を有する干渉測定用プローブの説明図である。プローブの基準の光学部品は、基準面から所定の距離だけ離れた位置に干渉縞が局在化するように、波面を形成する。
【図４】図４は発散する光プローブを用いる表面測定システムを示す概略図であり、プローブを移動させて表面上の異なる位置でその位置を検出することで対象を測定することを説明する図である。プローブは、座標測定機の計測用フレームなどの計測フレームに取り付けることができる。
【図５】図５は、光源を調整して干渉縞の局在性を変更する本発明の適用を説明する図であり、サンプル表面の高さを走査し、表面上の単一の点の座標を決定するものであり、走査の効果を説明するため、干渉縞はサンプル表面に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示において用いられるように、「白色光」とは、白色光干渉計の技術分野において用いられるタイプの任意の広帯域の光を指し、典型的には多くのナノメーターのオーダーの帯域幅を有する。そのような帯域幅は連続的であるか、あるいは帯域幅上の１組の離散的な波長であってもよい。光に関して、「周波数」および「波長」という用語は、良く知られた逆比例の関係のために、当該技術分野にもいて一般に行われるように、代替的に用いられてもよい。「ＯＰＤ」および「時間遅れ」（τ）は、干渉法におけるそれらの空間と時間の関係のために、代替的に用いてもよい。光源に関し「変調する」との語、または、「変調」の語は、最も広い意味において、光源によって生み出されるエネルギーの周波数分布、振幅分布、あるいは位相分布のどのような変更も含意するものとし、また、所望の周波数、振幅および位相の分布を有する光信号を任意の手段によって合成することを含意する。干渉縞と関連して用いる場合、「変調波」との用語は干渉縞の包絡線を指称する。局在化した干渉縞は、それらの干渉縞が生成する元の表面に位置するものとして記述され、それにより、干渉縞が、表面および干渉縞が生成する元の表面の形状にどのように関連付けられるかを説明する。しかしながら、局在化した干渉縞は、物理的には検出器の表面の測定領域内に存在することが理解される。また、「空間内の所定の位置に局在化した干渉縞を生成する」という文章および関連する表現が便宜のために用いられるものの、意図している正確な意味は、基準面に対して「干渉測定の環境を生成し、それにより、検査面が空間内の所定の位置となるときに、明確に識別可能な干渉縞パターンを生成する」ことであることが理解される。「干渉縞」、「干渉縞パターン」という語は、当該技術分野において通常用いられる意味と一致する範囲内において、互換可能に用いられる。
【００１６】
収束および発散ビーム式のレーザー・フィゾー干渉計は、反射面の全体を一度に測定するためによく用いられる。そのような装置はレーザーの使用により非局在化した干渉縞を生成するため、干渉計は光路長差が釣り合わない装置構成においても作動可能である。そのような装置構成は干渉縞の周期的で非局在化した性質のため、空間内の対象の位置を特定するために使用することはできない。空間内における干渉縞の位置を特定するために、広帯域幅あるいは多重波長の光源が必要である。通常は、そのような干渉縞は、基準ビームと対象ビームの間の光路長差が正確に釣り合わされた位置の近傍で生成する。そのような装置構成は、数十年にわたり、様々な形状測定システムの基礎として成功裡に使用されてきた（コヒーレンス走査干渉計、すなわちＣＳＩ、コーエンらの粗面プロファイラおよび方法、米国特許第５，１３３，６０１号参照）。ＣＳＩの動作は測定対象を走査することにより生成する干渉縞の包絡線の分析に依存し、表面上の各点につき干渉縞パターンを得て分析する。対象の形状は、干渉縞の包絡線のピークの位置を見つけること（あるいは他の従来の方法）により決定される。実践的理由のため、ＣＳＩ装置は干渉縞の単一の平面を形成するため、もっぱら平らな波面を利用する。
【００１７】
本開示は、局在化した干渉縞の所定の分布を空間内に生じることによって、所定の基準面に対する対象表面の位置を特定することを可能にするプローブについて記載する。ＣＳＩとは対照的に、このプローブは、従来の光プローブによっては検出し得ないほどに急な斜面あるいは高い粗さを有する表面の位置で生成する干渉縞パターンを検出するのに必要な程度にプローブの受容角を広くするために、湾曲した波面を利用する。プローブは、測定システムによって与えられる精度で、検査面上の一点の位置を確定するのに用いられる。典型的には、対象は干渉縞の包絡線を介しては走査されず、その位置は、例えば、その表面から反射された信号を見て基準面からの対象のリアルタイムの距離を提供し、あるいは空間における干渉縞の位置を変化させるなどの、他の手段によって直接検出される。
【００１８】
局在化した干渉縞を生成する好ましい方法は、スペクトル制御干渉（ＳＣＩ）技術を用いることである。当該技術は、米国特許第８，４２２，０２６号に記載されているように、０でないＯＰＤ条件において局在化した干渉縞の生成を可能とするため、この応用には特に適しており、それによりＣＭＭ適用のための動作の高い柔軟性を与える。ただし、そのような局在化した干渉縞は、他の方法によっても確立することが可能であり、ＳＣＩの使用は限定的要件として理解されるべきではない。
【００１９】
本発明の測定方法は次の一般的なステップを含む。
１．基準面に対する空間内の所定位置に局在化した干渉縞を生成する。これらの干渉縞は、好ましくは基準面から所定距離だけ遠ざけられた位置に生成されるが、基準面自体に生成してもよい。
２．検査面上の特定の一つの興味対象の点が、表面から反射された光が局在化した干渉縞を生成する位置と交差するように、本発明のプローブを位置させる。
３．検査面からの検査波面の反射により生成される干渉縞の分析によって検査面上の当該点の座標を判断する。
その後、検査面上の異なる点についてステップ２および３を繰り返して、基準面に対してステップ１で設定された空間内の所定の位置で、対応する局在化した干渉縞を生成することで、検査面の座標の測定（すなわち、輪郭描画またはマップ化）を遂行してもよい。あるいは、光源を調整して検査面上の異なる点についてステップ１および３を繰り返して、検査面の輪郭に対応する基準面に対する空間内の様々な位置で局在化した干渉縞を生成して、座標の測定を遂行してもよい。
【００２０】
（干渉縞の局在化）
適切な湾曲した干渉縞の生成を可能とするプローブに加えて、干渉縞の局在化はプローブ操作の重要な要素である。干渉縞は多くの手段によって空間内で局在化することができるが、最も実際的で好まれる方法はスペクトル制御型の光源を使用した方法である（米国特許第８，４２２，０２６号を参照）。そのような構成では、光源は基準面（平坦面、凸球面、凹球面、またはその他の形状の面でもよい）から特定の距離に干渉縞を生成するように調整される。こうして、物理的接触プローブと光学的に等価な構成として使用可能な、ナノメーターオーダーの測定の正確性をもって空間内で検出することができる所定の位置が作り出される。
【００２１】
一般に、いかなる適切な基準面の形状も装置構成において使用可能であるが、実際的見地から、球面は最も実際的なものである（特に既存の測定ハードウェアと一致するため）。本発明による発散波面を用いるプローブ１０の基本的な概略図を図１に示す。光源１２（好ましくはＳＣＩタイプ）はフィゾー干渉計などの光学系１４に光照射を行い、光学系１４は、基準面１８から所定の距離に局在化した干渉縞１６を生成するために用いられ、基準面１８は凸球面として本実施形態においては説明される。検査対象２０は、その表面Ｓからの反射光が光学系によって集められ、検出器２２へ送られるように配置される。検出器からの信号は、視覚的相互作用のためのモニター２６に接続されたプロセッサーまたはコンピュータ２４と、キーボードやジョイスティックなどの対話型の装置２８を介したオペレーターによるコントロールとによる、従来の干渉縞分析によって分析される。コンピュータ２４は、任意の従来方式により干渉縞分析を行なって、光源１２によって生成された局在化した干渉縞に対する検査面上の興味対象の点の位置を検出するようにプログラムされる。プローブ１０（または対象２０）が走査機構３０によって測定空間内で干渉縞が視認可能となる所定の位置に移動されると、検出器は光強度の変化を登録し、変調波などの干渉縞パターンのパラメーターに対応する信号を、例えば、既知の評価基準系に対する対象表面の正確な位置の検出のために使用することができる。ＣＭＭの場合には、評価基準系は装置が較正によって関連付けられる座標系である。
【００２２】
この種のプローブは発散する球状の波面を生じ、干渉縞は、好ましくは基準面１８から比較的短い距離で局在化する。図１の構成は、プローブ（すなわち、検査面によって反射された光に対する受容角が広いプローブ）の光学部品によって生成された湾曲した干渉縞のために、反射光の収集が容易となり広範囲の表面勾配が検出できるという特長を有する。さらに、表面またはその組織の反射率が良質の光信号を生成しない状況における機械的な接触プローブとして同じ基準面１８を使用してもよい。
【００２３】
図２は同様のプローブ構成３２を示し、そこでは局在化した干渉縞１６は、収束光線を放射する凹球面３４を基準とする。凸球面状の干渉縞を生成するために、このアプローチは、基準面３４から、より長い距離（収束する波面の焦点を過ぎた位置）で干渉縞が生成することを必要とする。ただし、局在化した干渉縞の半径（すなわち、焦点からの干渉縞の包絡線の距離）は基準面の大きさとは関係なく、それは単にシステムの基準面からの局在化した干渉縞の距離の関数である。したがって、表面勾配の範囲が広い、小さな特徴を検出する能力は、単純に光源を調節して収束光線の焦点により近づけて干渉縞を局在化することで、向上させることができる。
【００２４】
図３に示すプローブ３６においては、平面３８により発信された発散波面によって局在化した干渉縞１６が生成される。基準平面の前方の空間に凸球面状の干渉縞を生成するため、このアプローチは、所望の発散曲率を有する検査波面を生じる干渉計の対象内に適切な光学部品（図示せず）を必要とする。この構成では、基準面は非常に狭い領域となり、一つの点に近づく。そのため、ほぼ完全な真球度を有する干渉縞の生成を可能とする。
【００２５】
（プローブの位置決め）
座標の位置決めまたは形状の測定を行なうために、プローブは計測フレームに搭載されて空間内を移動可能とされ、その位置がモニターされ記録される。そのような計測フレームの一例として、座標測定機に使用される１セットのステージであってもよく、上述のとおり、そこではプローブは適切なガントリーに取り付けられる。干渉信号が検出され、表面の位置が確立するまで、プローブを検査面の方へ移動させて一度に一つの点を測定する。同じプロセスを複数の点のグリッドごとに繰り返してもよく、あるいは、一旦、プローブが表面の点によって生成された局在化した干渉縞を検出することで表面上に「ロックされる」と、プローブは特定のラインまたは興味のある輪郭上の局在化した干渉縞の連続的な点に沿って表面の座標を追跡し測定することができる。その後、計測フレームおよびプローブのデータの組み合わせを用いてその部分の三次元の表面のマップを作成する。
【００２６】
そのような構成が図４に概略的に示され、そこでは、プローブ（概略的に説明した図１のプローブ１０など）は、検査中の部分２０の表面上にロックされた局在化した干渉縞を有する２つの異なる空間位置における２つの測定位置に示される。静的な計測フレーム（ＣＭＭの計測フレームなど）のアーム４０がプローブに連結されるものとして示される。説明のため、フレームに対する位置４２、４４で対象表面Ｓを検出するプローブ１０の２つの位置を概略的に示す。検査面Ｓの輪郭を描く所定の走査パターンを追跡するのに必要な、検査対象２０に対する横方向の運動を生じるプローブ１０の運動のため横方向平行移動機構４６を概略的に示す。プローブは、干渉縞を使用して、あるいは、複数の点の離散的なグリッド上の測定を繰り返すことで「ロック」を維持しながら、移動させることができる。
【００２７】
あるいは、図５に示すように、単純に各測定点で光源を調整することで、表面を垂直方向に沿って走査しながらプローブを座標軸に沿って静的に保ってもよい。例えば、本発明によるスペクトル制御可能な光源に連結された光プローブの平らな基準面３８から所定距離の位置にサンプル表面Ｓが位置すると仮定する。米国特許第８，４２２，０２６号に教示されるように、スペクトル分布はまず正弦曲線状に変調され、対象表面の位置にほぼ対応するピークを有する干渉縞を生成する（図において従来の方法で示される）。正弦波変調の期間を変更することによって、干渉縞が生成される時間遅れτの値が変更され、これは従来のＷＬＩ走査によって生み出されるＯＰＤ変化と等価である。基準光線Ｒと検査光線Ｔにより生成された干渉縞であって、図示する様に空間内で局在化し、検出器で各ステップ（すなわち、図中、干渉縞位置１〜８として示す、変調期間の各変更の後）において検出された干渉縞は、対象上の特定の点から反射された光のＯＰＤに一致し、そのため、その点における対象の座標位置を計算するための手段として従来の方法において使用することができる。図５に示すように、各測定点において、一連のイメージフレームを得るためにτが次第に変更される間に、対象を見るカメラによって連続するイメージを得る。各イメージフレームは、ＯＰＤの特定の値を有する。対象の形状を再構築するためのそのようなデータの分析は、白色光干渉法で用いられる任意の標準的な方法によって行うことができる。ただし、このアプローチは、干渉縞の検出を用いて表面上で「ロック」を維持することに基づくアプローチと比較した場合に、処理時間についての要求が高くなるため、好まれない。
【００２８】
（干渉信号の分析）
検出プロセスの重要な部分は検査面から反射された信号の分析である。多くの分析アプローチが当該技術分野においてよく知られている。いくつかの好ましい方法を以下に説明する。ただし、プローブによって生成される干渉縞パターンに対する検査面の位置の測定を可能とするいかなる方法も本発明の実施に適している。
【００２９】
ＣＳＩ手法で従来行われているように、第１の例は、空間内の局在化した干渉縞を移動させることと、結果として生じる信号を分析することに基づく。干渉縞包絡線（または同様のパラメーター）のピークの位置は、表面の位置に関する情報を提供する。そこで、制御された所定の走査パターン（直線状、ラスター状、螺旋状、あるいは他の走査パターンであってもよい）に従ってプローブを横方向に移動させ、各点における干渉縞包絡線の位置を見出すことで、表面をマップ化する。このことは、上に参考文献として掲載した様々なＳＣＩ特許において教示されるように、照射源のスペクトル特性を制御することにより達成できる。この方法は、分析に先立って完全に可干渉性の包絡線が得られていることを要するという不利な点があり、そのことは検出手続を遅らせる。
【００３０】
別の方法として、米国特許出願第１４／８３４，７２７号に示すようにヘテロダイン方式による信号を用いる方法があり、当該出願の内容を参照により本明細書に取り込むこととする。ヘテロダイン方式による信号は、例えば、光の周波数の正弦波変調の位相をシフトさせることで導入できる。そのような検出方法は非常に高精度で、結果として正確な測定を行うことができる。包絡線回収法と組み合わせた干渉縞の位相の測定は、分析に先立って完全に可干渉性の包絡線を得ることを必要とせずに、検査面の位置に関する情報を提供することができる。
【００３１】
さらに別の方法は、異なるスペクトル帯で得た干渉縞強度の比に依存する。例えば、２００ｎｍにわたる光源の広い帯域幅を備えた装置構成では、局在化した干渉縞の強度を同時に４つのスペクトル帯（各々５０ｎｍの帯域幅を有する）を用いて検出することができる。これらのスペクトル帯で登録された信号を比較することによって、絶対的な表面の位置に関する情報を、一度の検出器読み取りで回収することができる。これは、スペクトル帯の各々が異なる干渉縞期間の包絡線に相当するため可能である。これらの包絡線は、スペクトル変調の期間に対応する見かけの距離でのみ同じ位相を有する。この点からさらに遠方では、異なるスペクトル帯の強度の読み取り値は発散し、この情報は表面の位置を確定するために用いることができる。
【００３２】
本発明のプローブの典型的な実施形態では、計測する表面の存在を感知するために単一点検出器が用いられる。ただし、十分な品質の画像システムを装備したプローブを使用して、カメラのようなイメージング検出器上に局在化した干渉縞の位置を撮像することも考えられる。そのようなカメラからの画像の分析は、対象の位置に関する追加的な情報を提供することができる。特に、局在化した干渉縞包絡線上のどこで対象が検出されたかを正確に確定することができる。そのような情報は、さらに測定の正確さを向上させて、かつ対象の形状のより精巧な分析を可能にするために用いることができる。
【００３３】
以上、本明細書では，本発明を、最も実際的で好ましい実施形態と考えられる態様で記述したが、そこからの逸脱は本発明の範囲内で可能であることが認識される。例えば、表面の輪郭を描くプロセスは、反復的なステップの各ステップにおいてプローブを移動させ、検査面上の測定点を局在化した干渉縞に交差させるものとして記述したが、固定されたプローブに対して検査面を移動させることで等価の測定を行ない得ることは明らかである。ただし、このアプローチは、ＣＭＭ応用には実際的ではないだろう。等価な態様でプローブと対象の運動を組み合わせることも可能であろう。したがって、本発明は開示された詳細な内容に限定されず、特許請求の範囲およびその全ての均等物を含む全ての範囲を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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