(57)【要約】本発明は、光源（１）からの光を入力光路を介して受光し、測定光路と参照光路に分割するビームスプリッタ（２）と、測定対象（４）と参照（６）から反射されて干渉の生じた光が出力光路を介して電気的な信号に変換されるために供給される画像記録装置（９）と、前記信号から表面形状を検出するための評価回路と、光強度または干渉光から得られた信号を適合するための適応装置（３，５）とを用いて、測定対象を三次元的に形状測定するための干渉測定装置に関する。測定精度を高めるために、測定装置の少なくとも横方向の解像度を超えて広がる表面の平面状の領域を測定するための測定装置が構成されており、光および／またはこの光から得られる信号の強度を、測定光学系に関して表面の局所的に異なる反射特性に依存して適合させるために適応装置（３，５）が構成されている措置が寄与する。
2006514303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源（１）からの光を入力光路を介して受光し、測定光路と参照光路に分割するビームスプリッタ（２）と、測定対象（４）と参照（６）から反射されて干渉の生じた光が出力光路を介して電気的な信号に変換されるために供給される画像記録装置（９）と、前記信号から表面形状を検出するための評価回路と、光強度または干渉光から得られた信号を適合するための適応装置（３，５）とを用いて、測定対象を三次元的に形状測定するための干渉測定装置において、
前記測定装置は該測定装置の少なくとも横方向の解像度を超えて広がる表面の平面状の領域を測定するために構成されており、前記適応装置（３，５）は光および／または該光から得られる信号の強度を、測定光学系に関して前記表面の局所的に異なる反射特性に依存して適合させるために構成されていることを特徴とする、干渉測定装置。
【請求項２】
前記適応装置（３，５）は前記光源（１）を時間的に可変に駆動制御するために構成されており、さらに制御または調整ユニット（２０）を有し、該ユニット（２０）は前記光源（１）から放射された光量を、前記表面から測定光学系の開口への反射光の入射が少ない測定箇所を考察する際には増加させる、および／または、反射光の入射が比較的多い測定箇所を考察する際には低減するように構成されている、請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記適応装置（３，５）が少なくとも１つの電気的で時間的に可変に制御可能なフィルタを有し、さらに必要に応じて付加的な制御または調整ユニット（４０）が設けられており、該制御または調整ユニット（４０）は、少なくとも１つのフィルタが入力光路、測定光路および／または出力光路に配置されている場合には、１つまたは複数のフィルタの光透過性は表面から測定光学系の開口への反射光の入射が少ない測定箇所を考察する際には増加され、また必要に応じて付加的に、参照光路に制御可能な１つまたは複数のフィルタが配置されている場合には、該フィルタの光透過性は開口への入射が少ない測定箇所を考察する際に弱められる、および／または、開口への入射が比較的多い測定箇所を考察する際には高められるように構成されている、請求項１または２記載の測定装置。
【請求項４】
前記画像記録装置（９）に対応付けられている制御または調整ユニット（３０）は、前記表面から前記測定光学系の開口への反射光の入射が比較的少ない測定箇所を考察する際には前記画像記録装置（９）の感度が上げられ、前記開口への入射が比較的多い測定箇所を考察する際には前記画像記録装置（９）の感度が下げられるように構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定装置。
【請求項５】
前記適応装置（３，５）は入力光路、測定光路、参照光路および／または出力光路に配置されている少なくとも１つの静的なフィルタを有し、該フィルタの局所的な光透過性経過が表面から測定光学系の開口への入射の局所的な強度経過に適合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の測定装置。
【請求項６】
前記測定光路および前記参照光路における前記表面からの反射光の光強度の局所的な経過が実質的に相互に適合されている、請求項５記載の測定装置。
【請求項７】
前記光源（１）は短コヒーレンスな光を放射するために構成されており、深度走査を実施し且つ白色光干渉法を用いて評価するために構成されている測定装置が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の測定装置。
【請求項８】
測定装置は測定光路内に内視鏡光学系を有する、請求項７記載の測定装置。
【請求項９】
測定装置は前記測定光路内に平坦な中間像を形成する光学装置を有する、請求項７または８記載の測定装置。
【請求項１０】
前記測定光路において対象側に全方向型の光学系が配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光を入光路を介して受光し、測定光路と参照光路に分割するビームスプリッタと、測定対象および参照から反射されて干渉が生じた光が出力光路を介して電気信号に変換するために供給される画像記録装置と、信号から表面形状を検出するための評価回路と、光強度または干渉光から得られた信号を適合するための適応装置とを用いて、測定対象を三次元的に形状測定するための干渉測定装置に関する。
【０００２】
従来技術
測定対象を三次元的に形状測定するためのこの種の干渉測定装置が種々の実施形態で公知である。例えばそのような古典的な干渉計（例えばA. Donges, R. Nollの"Lasermesstechnik", Huethig Verlag、１９９３年を参照されたい）は、コヒーレンス長が短い光源（例えば発光ダイオード、スーパー発光ダイオード）が使用される白色光干渉計（P. de Groot, L. Deck, "Surface profiling by analysis of whitelight interferograms in the spatial frequency domain" J. Mod. Opt., 第４２巻第２号第３８９〜４０１ページ、１９９５年 ; Th. Dresel, G. Hausier, H. Venzke, "Threedimensional sensing of tough surfaces by coherence radar", Appl. Opt., 第３１巻第７号９１９〜９２５頁、１９９２年 ; DE 199 48 813.4およびDE 100 15 878.1を参照されたい)とヘテロダイン干渉計（例えばDE 197 21 842 C2 ; H. J. Tiziani, "Optical methods for precision measurements", Optical and Quantum Electronics, 第２１巻２５３〜２８２頁、１９８９年 ; K. Creath, "Temporal phase measurement method" in d. W. Robinson, T. G. Reid : Interferogram Analysis IOP Publishing Bristol １９９３年; R. Onodera. Y. Ishii, "Two-wavelength interferometry that uses a Fourietransform method", Appl. Opt. 第３７巻第３４号第７９８８〜７９９４頁、１９９８年を参照されたい）を区別する。
【０００３】
殊に三次元的な形状測定のために、白色光干渉法が測定方法として定着している。その構造は典型的にはマイケルソン干渉計によって実現されている。対象は対象光路内に設けられている対物レンズを介して画像記録装置、例えばＣＣＤカメラに結像され、平坦な参照波と重畳される。深度走査（ｚ方向、深度スキャン）を参照光路内に設けられている参照ミラーのスキャンまたは対象のスキャンとして実施することができる。対象をスキャンする場合、対物レンズの像平面および参照平面は同一の平面にある。対象は深度軸においてのみ参照平面に相対的に移動される。参照ミラーをスキャンする場合には参照ミラーのみが移動される。
【０００４】
対象は対物レンズに対して不動のままである。この場合、深度測定範囲は対物レンズの焦点深度によって制限されている。この測定方法を用いて有利には、技術的な表面を数ｎｍ（１〜１０ｎｍ）の深度解像度でもって測定することができる。
【０００５】
白色光干渉計の有利な実施形態がDE 101 15 524 A1に記載されており、そこでは測定光路内に平坦な中間像を発生させるための光学装置、例えば内視鏡光学系が配置されている。深度スキャンを参照のスキャンまたは中間像スキャンとして実現することができる。対象の中間像形成ないし内視鏡を用いる白色光干渉計はDE 100 47 495 A1にも記載されている。この白色光干渉計を用いて同様に、数ｎｍの技術的な表面の深度解像度が達成され、さらには狭くて深い孔の測定も可能である。
【０００６】
DE 101 31 778 A1に記載されている光学三次元測定装置、例えばやはり白色光干渉計では、別の実施形態として対象光路に対物レンズ光学系が配置されており、この対物レンズ光学系を用いて湾曲している表面領域または放射状に対称的な環状の表面領域、例えば弁座を測定することができ、この場合にもやはり数ｎｍの深度解像度が達成され、狭くて深い孔においても測定を実現することができる。
【０００７】
DE 101 62 180 A1には、干渉測定装置において測定アームおよび／または参照アーム内に電気的に制御可能なフィルタを配置し、参照ビームの強度と測定ビームの強度を相互に調整することが記載されている。
【０００８】
もっとも冒頭で述べたような干渉測定装置を用いて実際の技術的な表面を測定する場合には、正確で確実な測定が頻繁に所与の表面特性によって困難になり、このことは殊に、測定を特別な表面形状において行うために別個の光学系が使用される場合に困難になる。
【０００９】
本発明の課題は、表面が光学的に好適でない場合であっても光の干渉パターンのより正確な評価を実現する、冒頭で述べたような干渉測定装置を提供することである。
【００１０】
発明の利点
この課題は請求項１の特徴によって解決される。この解決手段においては、測定装置がこの測定装置の少なくとも横方向の解像度を超えて（有利にはこの解像度の倍数）広がる表面の平面状の領域を測定するために構成されており、適応装置が光および／またはこの光から得られる信号の強度を、測定光学系に関して表面の局所的に異なる反射特性に依存して適合させるために構成されている。
【００１１】
この措置によって、深度スキャンの間に干渉計および／または対象アームならびに参照アームにおける光比率が相対的に、表面の種々の領域ないしゾーンから効率的に開口に逆反射される光強度に応じて適合され、その結果その都度考察される測定個所に依存して、対象光と参照光との間の干渉によって得られる情報を最適に検知して評価することができる。これによって正確な測定は、表面にわたって異なる反射率を有する対象表面、またはこの表面の異なるゾーンが照明比率に基づいて深度スキャンにわたり異なる光強度を開口に逆反射させる対象表面においても維持される。これによって、従来技術によれば個々のゾーンが過度に暗いか、過剰に照明されているので不正確または一部しか測定が可能でなかった対象表面の完全な測定が可能となる。例えば円錐形の弁座を照明する全方向型の光学系（Rundsichtoptik）では、例えば中心から外れる照明部分内において生じている湾曲したないし球欠状の波面前線によって、多かれ少なかれ束状の反射光の主反射方向が測定光学系の開口の外側の領域に配向される可能性があり、その結果対象表面のこの領域ないしこのゾーンからは相対的に少ない光が開口に逆反射されるので、したがって本発明による措置が行われなければこの領域の光は参照平面の相応の領域の反射光よりも劣勢になり、相応に弱い干渉コントラストが生じることにもなりかねず、これは評価を困難なものにする。これに対して本発明による措置を用いることにより、測定精度はそのような暗く現れるゾーンにおいても実質的に高められる。反対に、対象表面の過度に明るいゾーンによって測定精度が低減されることも回避される。開口に関する対象表面の反射率の相応の作用を、本発明による措置を用いることにより、湾曲した表面ゾーンまたは異なる強さで同一方向に反射する表面ゾーンにおいても十分に補償することができる。
【００１２】
測定装置の有利な実施形態においては、適応装置が光源を時間的に可変に駆動制御するために構成されており、さらには制御または調整ユニットを有し、このユニットは光源から放射された光量を、表面から測定光学系の開口への反射光の入射が少ない測定箇所を考察する際には増加させる、および／または、反射光の入射が比較的多い測定箇所を考察する際には低減するように構成されている。これによって、対象表面の照明光は光源の制御ないし調整によって今まさに考察されている測定箇所について最適に調整される。
【００１３】
別の有利な実施形態では、適応装置が少なくとも１つの電気的で時間的に可変に制御可能なフィルタを有し、このために必要に応じて付加的な制御または調整ユニットが設けられており、この制御または調整ユニットは、少なくとも１つのフィルタが入力光路、測定光路および／または出力光路に配置されている場合には、１つまたは複数のフィルタの光透過性は表面から測定光学系の開口への反射光の入射が少ない測定箇所を考察する際には増加され、開口への入射が比較的多い測定箇所を考察する際には低減され、また（必要に応じて付加的に）参照光路に制御可能な１つまたは複数のフィルタが配置されている場合には、その光透過性は開口への入射が少ない測定箇所を考察する際には弱められる、および／または、開口への入射が比較的多い測定箇所を考察する際には高められるように構成されている。この措置を用いることによっても、時間的に調整される光強度の制御によって、対象表面の考察される測定箇所についての調整を行い可能な限り強くて良好に評価可能な干渉コントラストが得られる。
【００１４】
開口に関して異なる反射率のゾーンを有する表面において正確な測定結果を得るためのさらなる可能性または付加的な可能性では、画像記録装置に対応付けられている制御または調整ユニットは、表面から測定光学系の開口への反射光の入射が比較的少ない測定箇所を考察する際には画像記録装置の感度が上げられ、開口への入射が比較的多い測定箇所を考察する際には画像記録装置の感度が下げられるように構成されている。これによって、例えば露出過度または露出不足を、電子機構が後置接続されている画像記録装置の動作範囲を最適に選択することによって回避することができる。
【００１５】
適応装置が入力光路、測定光路、参照光路および／または出力光路に配置されている少なくとも１つの静的なフィルタを有し、このフィルタの局所的な光透過性経過が表面から測定光学系の開口への入射の局所的な強度経過に適合されている場合には、時間的に並行して、開口に関して表面の異なる反射率を適合させることができ、その結果最適な干渉コントラストが得られる。１つまたは複数のフィルタの適合は、例えば対象表面の参照パターンおよび／または測定光学系、例えば全方向型の光学系の特性に基づき行われる。
【００１６】
有利な実施形態では、測定光路および参照光路における表面からの反射光の光強度の局所的な経過が実質的に相互に適合されており、これによって同時に検知される全ての測定箇所における可能な限り良好な干渉コントラストが得られる。
【００１７】
測定装置の有利な構造では、光源が短コヒーレンスな光を放射するために構成されており、また深度走査を実施し且つ白色光干渉法を用いて評価するために構成されている測定装置が設けられている。簡単な操作で狭い空間を測定するために、測定装置が測定光路内に内視鏡光学系を有する措置は有利である。
【００１８】
到達が困難な箇所の測定は、測定装置が測定光路内に平坦な中間像を形成する光学装置を有することによってさらに有利となる。
【００１９】
比較的大きく且つ特別な形状の表面の領域ないしゾーンを検知して正確に測定するためのさらに有利な実施形態では、測定光路において対象側に全方向型の光学系が配置されている。
【００２０】
図面
本発明を以下では図面を参照する実施例に基づき詳細に説明する。ここで、
図１は適応装置を用いて測定対象を三次元的に形状測定するための干渉測定装置の第１の実施例を概略的に示したものであり、
図２は適応装置を用いて測定対象を三次元的に形状測定するための干渉測定装置に関する別の実施例を概略的に示したものである。
【００２１】
実施例
図1に示されている、深度走査（ｚ方向、深度スキャン）を使用して対象４の表面を三次元的に形状測定するための干渉測定装置は光源１を有し、この光源１から光が入射光路を介してビームスプリッタ２に供給される。このビームスプリッタ２は光を分割して、測定光路を介して対象表面に供給し、また参照光路を介して反射性の平面、殊にミラーを有する参照６に供給する。測定光路には対象側のフィルタ３が配置されており、参照光路には参照側のフィルタ５が配置されている。対象４から反射された光と参照６から反射された光は重畳され、ビームスプリッタ２から出力光路を介して対物レンズ７および接眼レンズ８を用いて画像記録装置９に供給され、この画像記録装置９においては光信号がこの光信号内に含まれる干渉と共に電気信号に変換され、続いて表面形状を識別するために評価装置において処理される。光源１、対象側のフィルタ３、参照側のフィルタ５および／または画像記録装置９にはそれぞれ制御または調整ユニット２０、４０ないし３０を対応付けることができ、これらのユニットはマイクロコントローラを備えた共通の制御装置で実現することができる。
【００２２】
図１に示されているように、対象４の表面は測定光学系ないし測定光学系の開口に関して異なる反射率のゾーンを有する。例えば測定過程において対象表面の比較的暗い領域ないし比較的暗いゾーンにおける測定個所を考察する際に、参照平面、殊に参照ミラーが一様に反射するならば、この測定個所に比較的高い強度の参照光が重畳され、その結果画像記録装置９での干渉コントラストは比較的弱いものであり、評価装置による評価は困難である。したがって干渉測定装置には適応装置が設けられており、この適応装置を用いて対象４の表面ゾーンの異なる反射率が補償調整される。適応装置は対象側のフィルタ３および／または参照側のフィルタ５を包含し、さらに光源の制御または調整ユニット２０および／または画像記録装置９の制御または調整ユニット３０ないしこれらの駆動制御装置を有する。さらには、対象側のフィルタ３および／または参照側のフィルタ５をその光透過性が電気的に制御可能であるように構成することができ、このために１つまたは複数のフィルタ３，５のための制御ユニットまたは調整ユニットも設けられている。
【００２３】
例えば測定において、測定光学系の開口に関して反射率の低い対象表面のゾーンが考察される際には、比較的多くの光量を出力するために、光源１の制御または調整ユニット２０を用いてこの光源１を駆動制御することができる。これによって、評価に使用される光量は全体として増加され、その結果評価を改善することができる。もっともこの場合には、参照６から反射される光も強まることになるので、重畳された対象光と参照光においては参照光の成分が優勢となり、干渉コントラストは比較的弱くなる。この理由から、さらなる改善のために、参照６自体が対象４の表面に応じて局所的に反射率が異なるゾーンを有することができるか、参照側のフィルタ５を用いて参照光の対象光への適応が行われ、その結果２つの光成分を可能な限り良好に相互に補償調整することができ、考察されるあらゆる測定個所において可能な限り強い干渉コントラストが得られる。
【００２４】
択一的に、例えば光源１の光量を一定に設定することができ、可能な限り強い干渉コントラストに関して測定光路ないし参照光路におけるフィルタ３および５の相互的な調整を行うことができる。対象側のフィルタ３は省略して、参照側のフィルタ５のみを用いて対象表面の異なる反射率のゾーンについての調整を行うことも考えられる。対象４のそれぞれ考察される測定個所についての調整を時間的に連続して、対象側のフィルタ３および／または参照側のフィルタ５を制御しながら行うことができる。開口に関して比較的低い反射率を有する、ないし比較的暗い対象表面のゾーンが考察される際には、考察される測定個所に依存して画像記録装置９の感度が最適に調節されることによって、生じた干渉の評価を改善することができる。必要に応じて設けられているフィルタ３および／またはフィルタ５ないし調節された感度の駆動制御部と考察される測定個所との間の同期は有利には上位の制御装置によって行うことができる。
【００２５】
さらには有利な実施形態では、どちらか一方を省略することもできる対象側のフィルタ３および／または参照側のフィルタ５は、測定すべき表面が実質的に既知である場合には、全ての測定個所に関して事前に光透過性を静的に対象表面の反射率に適合させることができる。またこれによって参照光の光成分と対象光の光成分はその強度が相互に適合され、その結果所定の測定条件の下で最適な干渉コントラストが得られる。同様に、参照光の成分と測定光の成分を相互に補償調整するために、参照６の反射率自体を測定光学系の開口に関して対象表面の反射率に適合させることができ、この措置も前述の措置と部分的にまたは完全に組み合わせることが可能である。
【００２６】
開口に関する対象表面の種々の反射率ないし対象表面の異なる明るさのゾーンを補償調整するために対象側のフィルタ３が使用される場合には、この対象側のフィルタ３は比較的暗い対象表面に関しては比較的明るい対象表面に関する場合よりも比較的高い光透過性を有する。反対に参照側のフィルタ５が使用される場合には、この参照側のフィルタ５の光透過性は対象表面の比較的暗いゾーンに関しては低くなり、対象表面の比較的明るいゾーンに関しては高くなり、その結果参照光の成分と対象光の成分との所望の適合が達成される。
【００２７】
図２に示されている実施例においては、対象光路に別の光学素子が設けられており、この光学素子を用いて例えば円錐形に成形されている対象表面の平坦化された中間像が得られる。ここでは中間像自体を走査することができ、例えば冒頭で言及したDE 101 15 524 A1においてはこれに関する詳細が記載されている。さらに対象光路内には、弁座の簡単な測定に関して環状の対象表面領域を検知するために全方向型の光学系が配置されており、このような全方向型の光学系は例えばDE 101 31 778 A1に詳細に記載されている。この種の全方向型の光学系においては、対象表面を照明する波長前面の領域内に例えば球欠状の湾曲部が生じ、これによって照明の端部領域における反射光は測定光学系の開口の外に位置する方向に部分的に反射され、その結果これらのゾーンは測定光学系を介して比較的暗く現れる。同様に測定表面の反射率によって測定光学系の開口に関してより暗いそのようなゾーンを補償調整するためにも、前述の図１と関連させて説明した適応装置が有利である。例えば、好適には参照側のフィルタ５を静的に設計し、上述の実施形態を考慮して全方向型の光学系１０の特性に適合させることができる。参照光学系１１も有利には全方向型の光学系１０に適合されており、対象光路内に配置されている光学素子による光への影響をさらに補償することができる。
【００２８】
さらに干渉測定装置の前述の構造においては、深度スキャンの間に対象は対物レンズ対して不動のままである。深度スキャンは例えば、（図示していない）能動的な光学変調器による、または同様にそれ自体は公知であるような別個の変調干渉計における参照ミラー６の走査、干渉計のスキャンによって行われる。深度走査自体は従来技術に従い実施される。
【００２９】
光源１から放出される光量を前述のように適合する場合には、スキャン過程の間に光強度が以下のように調整される。すなわち関連する測定領域、つまり干渉現象の発生する領域（実質的に焦点領域に相当）は、干渉現象が強いコントラストを示す、すなわちスキャンの間に画像記録装置９ないしカメラにおいて大きな明暗強度変動を有するように照明される。この光調整はスキャンの間に、適切な調整（コントラストの最適化）によって動的に行うことができるか、参照対象が事前にスキャンされ、理想的な強度経過が時間と共に記録されることによって静的に行うことができる。このことは例えば球に基づき説明することができる：干渉計の焦点領域が球の上側の端部に位置する場合には、そこでは顕著な干渉現象および生じる光の良好な逆反射が期待される。したがってこの場合、光源１の光強度を比較的弱く調節することができる。スキャンはさらに球の側方において下方に向かって実施され、そこでは球の側面の勾配が急になる。これによって開口に逆反射する光は少なくなり、光源の強度を高めることが必要とされる。
【００３０】
時間的に変調可能な対象側および／または参照側のフィルタ３，５は、表面走査を実施するスキャンユニットと結合されており、スキャン中は透過性が適合されるフィルタである。このことは、干渉計のカメラの制御装置を介して光強度が記録され、適切な制御部を介して評価されて調整されることによって行われる。制御にとって重要な指標は、例えば、可能な限り大きくあるべき、すなわち干渉現象の最大限のコントラストが生じるべき、画素（ピクセル）の強度変動である。同様にして、例えば参照対象によって求められる静的な調整法も可能である。さらには事前に参照対象が走査され、該当するフィルタの透過性が相応に適合され、その結果干渉縞の最大限良好なコントラストが保証されている。前述したように、透過性のこの最適化は干渉測定装置の焦点領域（ないし焦点領域の近傍）に位置する対象４上の領域に該当する。
【００３１】
空間的に不均質な透過性を有する静的なフィルタを使用する場合、対象が種々のトポグラフィおよび／または表面特性によって光を種々の強さで反射する可能性のあることが考慮されている。本発明において使用される１つまたは複数のフィルタ３，５は対象４または参照対象に適合されているので、理想的には各対象点が干渉現象の最適なコントラストを有する。フィルタ３，５の理想的な透過性分布は例えば事前に対象４の幾何学的なモデルによって算出することができる、もしくは経験的に参照対象の測定によって決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】適応装置を用いて測定対象を三次元的に形状測定するための干渉測定装置の第１の実施例の概略図。
【図２】適応装置を用いて測定対象を三次元的に形状測定するための干渉測定装置に関する別の実施例の概略図。
【図１】
2006514303.tif 000003
【図２】
2006514303.tif 000004
【国際調査報告】
2006514303.tif 000005
2006514303.tif 000006
2006514303.tif 000007
2006514303.tif 000008
2006514303.tif 000009