(57)【要約】【課題】コヒーレンス走査干渉計及びこのコヒーレンス走査干渉計を用いた物体の高さ形状測定するための方法に対して、測定精度や測定特性の再現性に関する改良を行なうことである。【解決手段】光源２と、干渉計と、経路長変更ユニットと、検出面を有するカメラ３とが備えられている。経路長変更ユニットは、測定ビームと基準ビームの光路長を変更するように構成されている。経路長変更ユニットは、経路目盛１１と経路検出器１２とを有しており、経路目盛１１と経路検出器１２とは、経路長変更ユニットによる測定ビームの光路長変更または基準ビームの光路長変更あるいはその両方の光路長変更の際に、経路検出器１２の同期的な動きが経路目盛１１に対して相対的に行なわれるように構成されている。【選択図】図１
2013083649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定するためのコヒーレンス走査干渉計であって、
光源（２）と、干渉計と、経路長変更ユニットと、検出面を有するカメラ（３）とが備えられ、前記検出面は互いの位置が異なっている多数のフォトセンサを有しており、
その際、前記干渉計は、前記光源（２）と前記カメラ（３）とに対して、前記光源（２）から出た出発ビームが測定ビームと基準ビーム（８）とに分割されて、前記測定ビーム（７）が面的に前記物体（１）を照射し、前記物体（１）から少なくとも部分的に反射した前記測定ビーム（７）または散乱した前記測定ビーム（７）あるいは反射及び散乱した前記測定ビーム（７）が、前記カメラ（３）の検出面上で前記干渉計の光路に再び入ることで前記基準ビーム（８）に重畳され、重畳された前記測定ビームと前記基準ビーム（８）とが前記多数のフォトセンサを面的に捉えるように構成されており、
かつ前記経路長変更ユニットは、前記測定ビームと前記基準ビームの光路長を変更するように構成されており、
前記経路長変更ユニットは、経路目盛（１１）と経路検出器（１２）とを有しており、前記経路目盛（１１）と前記経路検出器（１２）とは、前記経路長変更ユニットによる前記測定ビームの光路長変更または前記基準ビームの光路長変更あるいはその両方の光路長変更の際に、前記経路検出器（１２）の同期的な動きが前記経路目盛（１１）に対して相対的に行なわれるように構成されていることを特徴とするコヒーレンス走査干渉計。
【請求項２】
前記経路目盛（１１）は、直線的な目盛として構成されていることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレンス走査干渉計。
【請求項３】
前記経路長変更ユニットは、前記物体（１）に対して相対的にコヒーレンス走査干渉計を線形移動するように、あるいは前記測定ビーム（７）または前記基準ビーム（８）の光路内で、光学的ミラーを線形移動するように構成され、かつ
前記経路目盛（１１）は、線形移動の方向に沿って配置されている請求項１または２に記載のコヒーレンス走査干渉計。
【請求項４】
前記測定ビーム（７）と前記基準ビーム（８）の光路が一平面内に位置し、かつ前記経路目盛（１１）は前記平面に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のコヒーレンス走査干渉計。
【請求項５】
前記経路目盛（１１）は、前記測定ビーム（７）の光軸に対して平行で、前記干渉計と前記物体（１）との間に配置されており、前記測定ビーム（７）の光軸と長手方向に延びる前記経路目盛（１１）は１ｃｍより小さい、好ましくは２ｍｍよりも小さい間隔を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のコヒーレンス走査干渉計。
【請求項６】
前記コヒーレンス走査干渉計が評価ユニットを備え、前記評価ユニットは前記カメラおよび前記経路検出器（１２）と電気的に接続され、かつ、前記経路検出器の測定信号が、前記カメラ（３）の測定信号と同期するように、複数の所定の経路位置に対して生成される前記経路検出器の複数の信号に基づいて、測定画像の撮影が前記カメラ（３）により行なわれる第１の構成、または
前記評価ユニットが、トリガー信号を、測定画像の撮影のために前記カメラ（３）に与えるとともに同時に、経路位置を、前記経路検出器の測定信号を用いて検出する第２の構成、あるいはその両方の構成を採用することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のコヒーレンス走査干渉計。
【請求項７】
前記経路長変更ユニットは、連続的な経路長変更のための一定の速度を設定可能な速度制御装置を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のコヒーレンス走査干渉計。
【請求項８】
前記干渉計は、測定ビームの出口において、前記物体側に、０．１より小さい、好ましくは０．０２５より小さく、さらに好ましくは０．０１３よりも小さい開口数を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のコヒーレンス走査干渉計。
【請求項９】
前記干渉計は、平らな基準ミラー（５）を備え、前記基準ミラー（５）は前記基準ビームの光路内に配置されており、
前記経路長変更ユニットは、前記基準ミラーの範囲内の前記基準ビームの光軸に対して平行に前記基準ミラーが線形移動するように構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のコヒーレンス走査干渉計。
【請求項１０】
前記光源（２）は、２０μｍよりも小さく、好ましくは１０μｍよりも小さいコヒーレンス長さを有する光ビームを発生するように構成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のコヒーレンス走査干渉計。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載のコヒーレンス走査干渉計により、物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定する方法であって、
光源（２）から発生した出発ビームを、測定ビームと基準ビーム（８）とに分割し、その際、該基準ビーム（８）は面的に前記物体（１）を照射し、少なくとも部分的に反射した測定ビーム（７）または散乱した測定ビーム（７）あるいは反射及び散乱した測定ビーム（７）は、前記基準ビーム（８）と面的に、カメラ（３）の検出面上で重ねられて、前記検出面は多数の位置の異なる測定センサを有しているステップＡと、
前記測定ビーム（７）または前記基準ビーム（８）あるいはそれら両方のビーム（７）（８）の複数の異なる光路長のために、前記測定ビーム（７）または前記基準ビーム（８）あるいはそれら両方のビーム（７）、（８）の光路長を変更し、前記カメラ（３）により、測定画像を撮影するステップＢと、
前記複数の測定画像のための検出器の測定信号による物体の断面高さを決定するステップＣとを含む方法であって、
前記ステップＢにおいて、光路長の変化と同期して、経路検出器（１２）を経路目盛（１１）に対して相対的に移動し、かつ前記経路検出器の測定信号により、各測定画像に経路情報を割り当てることを特徴とする物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定する方法。
【請求項１２】
前記経路目盛（１１）として、直線状の経路目盛を使用することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
所定の経路位置に対応して生成される前記経路検出器の測定信号に基づいて、それぞれ１つの測定画像を撮影することを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
所定の周波数で、測定画像を前記カメラ（３）により撮影して、測定画像の撮影と同期し、経路位置を前記経路検出器の測定信号により検出し、所定の周波数は、前記カメラ（３）のフォトセンサの最大トリガー周波数の８０％から１００％の範囲、好ましくは９０％から９９％の範囲にあることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
ステップＢにおける光路長変更を、連続して所定の速度で行い、前記所定の速度は、所定の等間隔の経路位置ごとに、測定画像を撮影しかつ撮影周波数を、前記カメラ（３）の所定の最大撮影周波数よりも小さくするように選択されることを特徴とする請求項１１から１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
以下の条件式を満たす、
【数１】
2013083649.tif 000006
ここで、Ｋｒ［１／ｓ］は最大に可能なカメラ結像データ、νｓ［ｍ／ｓ］はｚ軸の目標速度、△ｚｓ［ｍ］は２つのカメラ撮影間の目標−ｚ−経路、νｐ［％］はパーセンテージでの最大ｚ軸速度変動である請求項１１から１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定（空間解像度ともって高さ形状データを取得する測定）するためのコヒーレンス走査干渉計及びコヒーレンス走査干渉計による物体の表面形状を空間解像可能に光学的に測定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コヒーレンス走査干渉計による物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定すること自体は知られている。
【０００３】
その際、光源により発生した光ビームは、干渉計により、測定ビームと基準ビームに分割され、測定ビームは、平面状に被測定物体に導かれ、物体から少なくとも部分的に反射されおよび／または散乱された測定ビームは、カメラの検出面上で、基準ビームに重畳される。カメラは、多数のフォトセンサ、典型的には、ＣＣＤチップを備えているので、各フォトセンサ、例えばＣＣＤチップの各画素に、物体上の測定点が割り当てられている。
【０００４】
光の経路長変更ユニットにより、測定ビームまたは基準ビームの経路長は変更される。典型的なタイプでは、この経路長変更は、物体に対して相対的に、コヒーレンス走査干渉計を移動することにより行なわれる。
【０００５】
コヒーレンス走査干渉計は、インコヒーレントな光源を有しているので、基準ビームの光路と測定ビームの光路が合致すると、干渉信号がカメラのフォトセンサに発生する。各フォトセンサのための最大の干渉コントラストが存在する、干渉計の位置を検出することにより、各フォトセンサに、高さ情報が割り振られ、従って物体の高さ形状が検出される。
【０００６】
コヒーレンス走査干渉計は、従って、顕微鏡構造形式よりも、特に多数のフォトセンサに大面積の測定範囲を結像できる点で優れている。コヒーレンス走査干渉計は、例えば特許文献１（ドイツ特許公開公報１０２００５０２３２１２号）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ドイツ特許公開公報１０２００５０２３２１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、公知のコヒーレンス走査干渉計、及びこのコヒーレンス走査干渉計を用いた物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定するための方法を、測定精度または測定特性の再現性あるいはその両方に関して改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定するためのコヒーレンス走査干渉計に関して上記課題を解決するために、本発明によるコヒーレンス走査干渉計では、光源と、干渉計と、経路長変更ユニットと、検出面を有するカメラとが備えられ、前記検出面は互いの位置が異なっている多数のフォトセンサを有しており、その際、前記干渉計は、前記光源と前記カメラとに対して、前記光源から出た出発ビームが測定ビームと基準ビームとに分割されて、前記測定ビームが面的に前記物体を照射し、前記物体から少なくとも部分的に反射した前記測定ビームまたは散乱した前記測定ビームあるいは反射及び散乱した前記測定ビームが、前記カメラの検出面上で前記干渉計の光路に再び入ることで前記基準ビームに重畳され、重畳された前記測定ビームと前記基準ビームとが前記多数のフォトセンサを面的に捉えるように構成されており、かつ前記経路長変更ユニットは、前記測定ビームと前記基準ビームの光路長を変更するように構成されている。前記経路長変更ユニットは、経路目盛と経路検出器とを有しており、前記経路目盛と前記経路検出器とは、前記経路長変更ユニットによる前記測定ビームの光路長変更または前記基準ビームの光路長変更あるいはその両方の光路長変更の際に、前記経路検出器の同期的な動きが前記経路目盛に対して相対的に行なわれるように構成されている。
また、コヒーレンス走査干渉計を用いて体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定する方法に関して上記課題を解決するために、本発明による方法は、
光源から発生した出発ビームを、測定ビームと基準ビームとに分割し、その際、該基準ビームは面的に前記物体を照射し、少なくとも部分的に反射した測定ビームまたは散乱した測定ビームあるいは反射及び散乱した測定ビームは、前記基準ビームと面的に、カメラの検出面上で重ねられて、前記検出面は多数の位置の異なる測定センサを有しているステップＡと、
前記測定ビームまたは前記基準ビームあるいはそれら両方のビームの複数の異なる光路長のために、前記測定ビームまたは前記基準ビームあるいはそれら両方のビームの光路長を変更し、前記カメラにより、測定画像を撮影するステップＢと、
前記複数の測定画像のための検出器の測定信号による物体の断面高さを決定するステップＣとを含む。さらに、前記ステップＢにおいて、光路長の変化と同期して、経路検出器を経路目盛に対して相対的に移動し、かつ前記経路検出器の測定信号により、各測定画像に経路情報を割り当てることを特徴とする物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定する。
【００１０】
本発明の物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定するためのコヒーレンス走査干渉計は、光源と、干渉計と、経路長変更ユニットと検出面を有するカメラとを含んでいる。カメラの検出面は、互いの位置が異なっている多数のフォトセンサを有している。
【００１１】
干渉計は、光源とカメラと協働して、光源から出た出発ビームが、測定ビームと基準ビームとに分割されるように構成されている。測定ビームが面的に物体を照射し、物体から少なくとも部分的に反射および／または散乱した測定ビームが、再び干渉計の光路に入り、カメラの検出面上の基準ビームに重畳される。重畳された測定ビームと基準ビームとにより前記多数のフォトセンサが面的に捉えられる。このように構成されることにより、レンズにより、好ましくはビームスプリッタを介して測定物体と基準面とが、カメラのフォトからなるフィールド上に結像される。
【００１２】
物体上の、測定ビームによって覆われた測定面が、基準ビームと、カメラの検出面上で重なるので、カメラの各フォトセンサに、物体上の測定面内のそれぞれ位置が異なる測定点が割り当てられる、コヒーレンス走査干渉計の構造自体は公知のものである。
【００１３】
さらに、経路長変更ユニットは、測定ビームおよび／または基準ビームの光路長変更のために構成されている。同様に、光の経路長変更ユニットにより、測定ビームと基準ビームの間の経路長さの比率を変更することができる。特に、各フォトセンサの最大の干渉コントラストが可能で、測定面内の物体上の各測定点における経路長さの合致が可能になる構造自体も公知のものである。
【００１４】
本発明のコヒーレンス走査干渉計の経路長変更ユニットは、経路目盛と経路検出器とを有していることが不可欠である。経路目盛と経路検出器とは、経路長変更ユニットによる測定ビームおよび／または基準ビームの光路長変更の際に、経路検出器の同期的な動きが、経路目盛に対して相対的に行なわれるよう構成されている。
【００１５】
本発明は、公知のコヒーレンス走査干渉計の場合、光路長の決定における不正確さ、もしくは所定のフォトセンサと物体上の割り当てられた測定点とを規定するための測定ビームと基準ビームの間の経路長さを一致させるための光路長変更における不正確さは、測定の総合的な正確さ及び時間の節約のための測定方法のスピードアップに大きな影響を与えるという出願人の知見に基づいている。従来、コヒーレンス走査干渉計の別のパラメータまたは要素が、測定精度の向上のために最善とみなされていた。驚くべきことに、光路長を変更の際の測定精度の向上が、全体の測定精度を著しく改善することが明らかになったのである。
【００１６】
従来のコヒーレンス走査干渉計の場合、光路長変更は、典型的な形式では、スピンドルのモータ駆動によりおこなわれていた。スピンドルにより、コヒーレンス走査干渉計は、物体に対して相対的に線形に移動していた。この場合、そこから、光路長変更を推定するためにスピンドルの回転数が検出されていた。
【００１７】
本発明のコヒーレンス走査干渉計の場合、経路長変更ユニットはそれに対して、機械的駆動要素から分離した経路目盛と経路検出器とを有している。これにより、市販の目盛と配属された検出器の使用により、経路長変更の決定の正確さの著しい改良が既に可能になる。
【００１８】
本発明のコヒーレンス走査干渉計では、構造的に有利でかつ安価な形式で経路目盛および経路検出器を付加的に設けることにより、その測定精度が著しく向上している。
【００１９】
本発明の、コヒーレンス走査干渉計による物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定するための方法は、好ましくは本発明によるコヒーレンス走査干渉計もしくは本発明のコヒーレンス走査干渉計の好適な実施態様を採用したコヒーレンス走査干渉計を用いて実施される。言い換えれば、本発明のコヒーレンス走査干渉計は、好ましくは、本発明による方法もしくは本発明の方法の好適な実施態様による方法を実施するように構成されている。
【００２０】
本発明による方法は、以下のステップＡ，Ｂ、Ｃを含んでいる：
ステップＡにおいて、光源から発生した出発ビームを、測定ビームと基準ビームとに分割し、その際、基準ビームは面的に物体を照射し、少なくとも部分的に反射および／または散乱した測定ビームは、基準ビームと面的に、カメラの検出面上で重畳される。この検出面はそれぞれの位置が異なる（面的に分布している）多数の測定センサ素子を備えている。
【００２１】
ステップＢにおいて、測定ビームおよび／または基準ビームの複数の異なる光路長のために、測定ビームおよび／または基準ビームの光路長を変更し、カメラによってその測定画像を撮影する。
【００２２】
ステップＣにおいて、複数の測定画像のための検出器の測定信号を用いて物体の高さ形状が決定される。
【００２３】
これは、測定ビームと基準ビームの間の光路長の異なる比率のために測定画像をカメラにより撮影し、その結果、フォトセンサ毎におよびそれにより物体上に規定された測定点のために最大の干渉コントラストをもった撮影データが得られ、光路長の相応する変更の割り当てにより物体の高さ形状データを生成することができる公知の方法に相当する。
【００２４】
本発明の方法の場合、ステップＢにおいて、光路長変更と同期して、経路検出器を経路目盛に対して相対的に移動し、かつ経路検出器の測定信号により、各測定画像に経路情報を割り当てることが重要な特徴である。
【００２５】
これにより、経路目盛およびそれに連係する経路検出器による光路長さ変動の別個の測定のおかげで、光路長変更の精度と測定の著しい向上が得られるという、既に述べられた利点が得られる。
【００２６】
好ましくは、経路目盛として、直線的な目盛が使用されている。このことは、一方では、このような目盛は既に市販されていて入手しやすく、構造的に簡単な構成で、直線的な目盛に対して相対的な経路検出器の移動を割り当てること、及びその際に生じる経路長さの変動が求められるという利点を有している。特に高精度の直線的なガラススケールは、市販されており入手しやすい。経路目盛に対して相対的な経路検出器の移動の検出は、公知の方法で可能であり、特に光学を用いて、電気容量技術を用いてまたは電磁技術を用いて行うことができる。
【００２７】
特に、温度に影響されにくい直線的な目盛の使用が好適である。即ち、温度変動の際に、熱膨張を全くしないかわずかしかしない目盛が好適である。この点からも、ガラススケールは好都合である。
【００２８】
経路長変更ユニットは、公知の構成を採用することができる。特に、経路長変更ユニットにより、ミラーが、基準ビームまたは測定ビームの光路内で移動されるので、それぞれのビームの光路長が変動することは、本発明の範囲内である。特に好ましくは、経路長変更ユニットは、物体に対してコヒーレンス走査干渉計をに線形的に相対移動するように構成されている。この場合、定置のコヒーレンス走査干渉計において、物体を移動すること、及び、逆に定置の物体においてコヒーレンス走査干渉計を移動することの両者が、本発明の範囲内である。特に定置の物体において、コヒーレンス走査干渉計が線形に移動させることは公知である。その際、物体の保持部材の特に可撓的でかつ多面的な構成が可能になる。特に、交換可能な物体保持部材を使用することができる。それに対し、コヒーレンス走査干渉計は、経路長変更ユニットにおける定置の線形移動ユニットに固定されている。
【００２９】
出願人の研究によると、物体に対して相対的にコヒーレンス走査干渉計を線形移動するようにに、または測定ビームおよび基準ビームの光路内で光学的ミラーを線形移動するように経路長変更ユニットを構成する場合、経路目盛は、線形移動の方向に沿って配置されていると好適である。光路長変更の際、経路目盛または経路検出器における、物体、コヒーレンス走査干渉計または光学的なミラーの線形の移動に対して平行な移動は、測定ビームおよび／または基準ビームの光路から出発する。
【００３０】
これにより、精度の追加的な向上が得られる。１つには、例えば、スピンドル駆動装置における遊びによる、線形の移動のためのユニットにおける、万一の不正確さは、測定の精度に関係しないからである。また、実際に行なわれる線形の移動は、この線形の移動が機構的に制限される不正確さにより変わるかどうかとは関係なく、経路目盛および経路検出器により検出されるからである。
【００３１】
さらに、線形の移動に対する構成要素による垂直方向の万一の移動は、通常は、光路長変更にほとんど影響しない。線形の移動の方向に対して平行に、経路目盛を上述した好都合な配置により、線形の移動方向に対して垂直、結果的に同様に長手方向に延びる経路目盛に対して垂直な移動も、光路長変更の測定に全く影響しないか非常に僅かしか影響を持たない。
【００３２】
好適な実施形態の１つとして、本発明のコヒーレンス走査干渉計は、測定ビームと基準ビームの光路が、一平面内に位置するように構成されている。これにより、好都合にも、経路目盛をこの平面に配置することが可能になる。その結果、測定速度の向上が得られる。なぜなら、運動、特に光路の平面内の線形の運動が経路目盛により検出され、かつ光路長変更に僅かしか影響しない、光路の平面外の運動は、相応して、経路目盛と経路検出器による光路長変更の測定に僅かしか影響を持たないからである。
【００３３】
好適な実施形態の１つでは、経路目盛が、測定ビームの光軸に対して平行に、干渉計と物体の間に配置されている。または測定ビームの光軸に対して平行に、干渉計と、物体上で測定ビームを方向転換させる方向転換ミラーの間に配置されている。また、測定ビームの光軸と長手方向に延びる経路目盛は、１ｃｍより小さい、好ましくは２ｍｍよりも小さい、さらに好ましくは１ｍｍより小さい間隔を有している。これによっても、上述した理由から、良好な測定精度が得られる。測定ビームの経路長さに関するこれらの変更は、経路測定のこのような構成の場合、経路目盛および経路検出器により検出される。これに対して、光路長変更に全く作用しないか、あるいは僅かだけしか作用しないこれらの運動は、それゆえに、光路長変更の測定に全く作用しないか、あるいは僅かだけしか作用しない。上述したように限定した間隔は、数学的意味において、平行な２線間の間隔とみなされる、即ち、２線の間のこれらの線に対して垂直に延びる最短の直線により形成される間隔である。この場合、一方の線は、測定ビームの光軸により規定され、他方の線は、長手方向に延びる経路目盛により規定される。
【００３４】
好適な実施形態の１つでは、経路長変更ユニットは、光路長変更のための、少なくとも重要な光学構成要素の線形の移動のために役立つリニアガイドを有している。これら光学的な構成要素は、例えば、以前に記載したように、測定ビームまたは基準ビームの光路内に配置されており、かつこの好適な実施形態において、リニアガイドを用いて移動可能であるミラーを含むことができる。同様に、好適な実施形態として、干渉計または干渉計の主要な構成要素がリニアガイドにより、物体に対して相対的に移動させられることも本発明の範囲内である。
【００３５】
リニアガイドを使用の際に、リニアガイドが測定ビームと基準ビームの光路の上記平面内に位置するような構成、および／または経路目盛がリニアガイドの移動方向に対して平行に配置される構成が好ましい。
【００３６】
好適な実施形態の１つでは、コヒーレンス走査干渉計が、評価ユニットを備え、評価ユニットは、検出器および経路検出器と電気的に接続され、かつ経路検出器の測定信号が、カメラの測定信号と同期するように構成されている。特に有利なのは、複数の所定の経路位置に対して生成される前記経路検出器の複数の信号に基づいて、測定画像の撮影がカメラによりおこなわれこと、および／または評価ユニットが、トリガー信号を、測定画像の撮影のためにカメラに与えかつトリガー信号の発信と同時に、経路位置を、経路検出器の測定信号を用いて検出することである。本発明の好ましい方法では、所定の経路位置に対して生成される前記経路検出器の測定信号を用いて、それぞれ１つの測定画像が撮影される。
【００３７】
この好適な実施形態において、経路位置は、光路長変更に関して設定可能であり、これら経路位置ごとに、それぞれ１つの測定画像が撮影されている。これにより、測定ステップの実施の際に大きな柔軟性が生まれる。なぜなら、物体上の側方の高さプロフィール面に相当する経路位置は、任意に設定可能であるからである。例えば多分重要な範囲内で、カメラ画像を決定するための連続する経路位置をより密度を高く設定することも可能であるので、より高精度で測定され、あまり重要でない高さ位置では間隔を大きくして撮影できることにより、測定方法のスピードアップが実現する。
【００３８】
出願人の研究によると、光路長変更とカメラ画像の撮影との同期は、公知のコヒーレンス走査干渉計の場合しばしば問題となることが認められた。光路長変更のための、駆動システムの速度と、特に、カメラの最大の撮影比率もしくはカメラの、例えば相応する評価ユニットを有するＣＣＤ−チップのようなフォトセンサにより制限される、カメラ画像の駆動システムの速度と「同期された」撮影は、公知のシステムの場合、保証されないことが多い。
【００３９】
このことは、連続的な測定の場合に特に生じる。即ち、経路長変更ユニットにより、光路長の少なくともほぼ連続的な変更がおこなわれかつ連続的な変更中に、多数の測定がおこなわれている。光路長変更は、この場合、その変更がほぼ一定の速度でおこなわれており、それは１０％より小さい、好ましくは５％より小さい、特に１％より小さい速度変動で行われる。好適には、連続的な経路長さの変更において、少なくとも１５の、好ましくは少なくとも３０、さらに好ましくは少なくとも１００の測定が行なわれる。
【００４０】
好適な実施形態において、本発明のコヒーレンス走査干渉計は、経路長さ変更のための少なくとも一定な速度が選択的に設定可能である速度制御装置を備えている。この好適な実施態様において、速度は所望の測定状況に適合させることができる。特に、速度を、測定画像の撮影のための所定の経路位置ごとに、特に等間隔で設けられた経路位置ごとに、カメラ画像の撮影のために必要な周波数を、最大可能な撮影周波数を上回らないように選択することが可能である。さらに、好適な実施態様においては、経路長さ変更の速度の検出が、経路検出器の測定信号の評価により行われる。なぜなら、経路目盛及び経路検出器により、経路長さ変更の高精度な決定ひいては経路長さ変更速度の高精度な決定が簡単な形式で可能になるからである。最大可能なカメラ結像データＫｒ［１／ｓ］は、好ましくは、経路長変更ユニットの目標速度νｓ［ｍ／ｓ］、２つのカメラ撮影間のｚ軸目標経路△ｚｓ［ｍ］および最大の、パーセンテージでのＺ軸速度変動νｐ［％］は以下の式１で関係付けられる：
【数１】
2013083649.tif 000003
【００４１】
出願人の研究によれば、νｐは好ましくは５％乃至１５％の範囲内で選択されるとよい。
この場合、通常の座標定義に基づいて、測定物体は、ほぼｘｙ面に延び、かつこの面に対して垂直なｚ方向において、高さ形状データの決定のための高さ情報が検出される。
【００４２】
この好適な実施態様では、本発明の方法の場合では、経路長さ変更は、一定の速度で連続しておこなわれ、カメラ画像は、所定の周波数で、カメラ画像ごとの経路位置を同期的に決定しながらおこなうことができる。同様に、一定の速度の走行の場合、経路位置、特に、それぞれカメラ画像が撮影される等間隔の経路位置を設定することが可能である。
【００４３】
露出時間は、この場合、出来るだけ短い時間を選択しなければならない。なぜなら、露光時間が長すぎると、カメラ画像の強度コントラストが悪くなるからである。露光時間は、カメラのダイナミックレンジ（好ましくは８から１２ｂｉｔ）が利用されるような長さをもちろん選択しなければならない。好ましくは、露光時間ｔｉｎｔは以下の式２の条件を満たさなければならない：
【数２】
2013083649.tif 000004
ここで、λ０は光源の平均波長に相当し、ｖｓは経路長変更ユニットの目標―送り速度に相当する。
【００４４】
典型的な光源は、可視可能な範囲の波長を有している。可視可能な範囲内の平均波長、特に５２０ｎｍ乃至５４０ｎｍの範囲の平均波長を有する光源の使用は、本発明の範囲内である。
【００４５】
光源のパルス駆動は、十分に短いカメラ露光時間が選択できないときに、好適な実施態様として択一的に露光時間の決定のために使用される。特にこの場合、光源のパルス駆動を光の経路長変更ユニットと同期し、所定の測定位置に到達する際に光源の光パルスが発生するようにすると好都合である。
【００４６】
好ましくは、本発明の方法において、所定の周波数で、測定画像をカメラにより撮影して、測定画像の撮影と同期して、経路位置を経路検出器の測定信号により検出する。特にこの場合、所定の周波数は、カメラのフォトセンサの最大トリガー周波数の８０％から１００％の範囲、好ましくは９０％から９９％の範囲にあると好適である。この好適な実施形態において、従って、測定速度の最適化が得られる。なぜなら、一方では、カメラ画像はほぼ最大の周波数で、僅かな安全マージンも持って撮影され、しかも、カメラの最大の撮影周波数は超えないように確保されるからである。
【００４７】
本発明の方法の好適な実施態様において、前記したように、択一的に、ステップＢにおける光路長の変化が、連続して所定の速度で行なわれる。所定の速度は、所定の等間隔の経路位置ごとに、測定画像を撮影しかつ撮影周波数を、カメラの所定の最大撮影周波数よりも小さくしている。
【００４８】
本発明の方法のコヒーレンス走査干渉計は、前述したように、測定範囲の面（実質的には平面）的な結像のために、カメラの検出面上に基準ビームと重なるように構成されている。このために、本発明のコヒーレンス走査干渉計は、好ましくは、測定ビームの出口において、物体側に、０．１より小さい、好ましくは０．０２５より小さく、さらに好ましくは０．０１３よりも小さい開口数を有している。
【００４９】
他の好適な実施態様では、本発明のコヒーレンス走査干渉計は、公知の形式で平らな基準ミラーを備え、基準ミラーは、基準ビームの光路内に配置されている。特に好ましい経路長変更ユニットは、基準ミラーの範囲内の基準ビームの光軸に対して平行に基準ミラーの線形移動のために構成されている。これにより、構造的に簡単な形式で、基準ビームの光路長変更が得られる。
【００５０】
光の経路長変更ユニットは、好ましくは、電気モータを含んでいる。この場合、正確な駆動の可能性に基づいてステップモータの使用が有利である。しかしながら、ステップモータは、電位的に発生するフラッタが欠点として生じる。従って、良好な同期を確保するために、粘弾性のダンパを有するステップモータを設けている。さらに、ステップモータ制御装置を良好な同期のための電流曲線に関して構成することが有利である。同様に、電気直流モータを使用することも本発明の範囲内である。
【００５１】
光源は、公知のコヒーレンス走査干渉計と同様に構成されている。特に、光源は、２０μｍよりも小さく、好ましくは１０μｍよりも小さいコヒーレンス長さを有している。
【００５２】
本発明のコヒーレンス走査干渉計は、物体上の測定範囲、即ち、物体上で測定ビームによって影響を及ぼされる範囲であって、カメラの検出面に結像され、かつ基準ビームに重ねられる範囲は、少なくとも（１６ｘ１２）ｍｍ２、好ましくは少なくとも（２０ｘ１４）ｍｍ２、さらに好ましくは少なくとも（３５ｘ２５）ｍｍ２の長方形の面をカバーしている。コヒーレンス走査干渉計は、少なくとも１５０μｍ、好ましくは少なくとも５ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも５０ｍｍ、より好ましくは少なくとも１００ｍｍのｚ方向の高さの相違が少なくとも測定可能なように構成されている。これにより、高さ点における相応する高い帯幅を有する物体の測定が可能になる。特に、光の経路長変更ユニットは、少なくとも１５０μｍ、好ましくは少なくとも５ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも５０ｍｍ、より好ましくは少なくとも１００ｍｍの光路長変更が、実施可能であるように構成されている。
【００５３】
物体上の測定範囲と基準面は、好ましくはテレセントリックレンズにより、カメラのフォトセンサからなるフィールドに結像されるように配置される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のコヒーレンス走査干渉計の略示平面図である。
【図２】図１において破線で示す切断線に沿って断面した図１の断面図であり、その断面は図１の図平面に対して垂直に延びている。
【図３】コヒーレンス走査干渉計の制御の第一実施形態の略示した機能線図である。
【図４】本発明のコヒーレンス走査干渉計の制御の第二実施形態の略示した機能線図である。
【図５】本発明のコヒーレンス走査干渉計の制御の第三実施形態の略示した機能線図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本発明のコヒーレンス走査干渉計及び本発明の方法における他の好適な構成要件および実施形態は、以下の、図面を用いた実施形態の説明で示される。図面において、符号を付した要素は、同一要素または同一作用の要素を示している。
本発明によるコヒーレンス走査干渉計の図１と図２に示した実施形態は、物体１の高さ形状の空間的に解像された光学的な測定に適用される。
【００５６】
コヒーレンス走査干渉計は、光源２とカメラ３とを備えている。カメラ３は好ましくはＣＣＤ−カメラとして構成されており、検出面として多数の画素を有するＣＣＤチップを有している。多数の画素は、多数のフォトセンサとして機能する。
【００５７】
コヒーレンス走査干渉計は、さらに、ビームスプリッタ４と、基準ミラー５及びピンホール絞り６ａを有するテレセントリック結像レンズ６とを有する干渉計ユニット（以下単に干渉計と称する）を備えている。
【００５８】
干渉計は、光源２とカメラ３と協働するように構成されている。即ち、光源のレンズ装置により平面状に拡散された、光源から発生したビームは、ビームスプリッタ４により測定ビーム７と基準ビーム８とに分割される。基準ビームは、このように測定される物体１上を面的に照射し、少なくとも部分的に物体１から反射された測定ビーム７は、干渉計の経路内に再び入り、ビームスプリッタと結像レンズ６を介してカメラ３の検出面に結像される。基準ビーム８は、基準ミラー５に衝突し、ビームスプリッタ４を通過し、同様に結像レンズ６により、カメラ３上に結像するので、カメラ３の検出面上で、測定ビームと基準ビームとが重畳する。
【００５９】
コヒーレンス走査干渉計は、さらに、モータ９と、図示されていないスピンドル駆動装置とを有する経路長変更ユニットを有している。
【００６０】
光源２と、カメラ３と、干渉計の構成要素とは、共通のキャリッジ上に配置されている。キャリッジは、図１の平面図における両側に配置されたリニアガイド１０ａと１０ｂとを有している。モータ９によるスピンドルの回転により、上記キャリッジ、結果的には光源、カメラおよび干渉計の構成要素が、物体に対して相対的に走行することができる。この場合、直線運動の案内つまり移動の安定は、リニアガイド１０ａ、１０ｂにより確保される。走行により、コヒーレンス走査干渉計の光学的構成要素と、物体１との間隔を拡大および縮小することができる。これにより、測定ビーム７の経路長変更が行なわれる。モータ９と、図示されていないスピンドル駆動装置とは、光の経路長変更ユニットの構成部分である。
【００６１】
特に安定した形態は、キャリッジが水平に走行されることで、被移動構成要素の重力が、移動方向に対して垂直になることにより得られる。それ形態でも、測定ビームは、反射鏡を介して、任意の方向から測定物体を照射する。特に、反射鏡により、測定ビームを上方から物体を照射することが、種々のケースで好都合となる。
【００６２】
図１および図２には、少なくともモータ９とカメラ３とに接続している評価・制御ユニットは図示されていない。この評価・制御ユニットは、コヒーレンス走査干渉計を使って物体１の高さ形状を決定するためにそれ自体公知の制御パターンに基づいてモータ９やカメラ３を制御する。
【００６３】
コヒーレンス走査干渉計の光学的構成要素と物体１との間で複数の垂直な間隔をとって撮影するにより、それぞれ１つのカメラ画像が取得される。従って、カメラの検出面の各画素、つまりは物体１上の、それぞれの画素の属する測定点に、最大の干渉コントラスト（コヒーレンス最大値）とのそれぞれの間隔を算定することが可能になり、これらのデータにより、物体１の表面高さを示す図表が作成可能となる。
【００６４】
本発明のコヒーレンス走査干渉計における図１と図２に示した実施形態の経路長変更ユニットが、さらに、経路目盛り１１と経路検出器１２とを有している。このことは重要である。
【００６５】
経路目盛１１は、ここでは定置されているのに対して、経路検出器１２は、干渉計の光学構成要素とカメラのキャリッジに配置されている。モータ９により垂直方向に線形に移動すると、これに同期して経路検出器１２の移動が経路目盛１１に対して相対的に生じる。
【００６６】
経路目盛１１は、線形の直線状の目盛として構成されている。経路目盛１１は、好ましくは、ガラススケールとして構成することができる。経路検出器１２は、この実施形態においては、線状の経路目盛１１上の光学的なマークとの相互作用により測定信号を発生させる光学的な経路検出器として構成されている。
【００６７】
評価・制御ユニットは、さらに、経路検出器１２と接続されているので、経路検出器１２の信号により、コヒーレンス走査干渉計と物体１との間隔が正確に算定される。
【００６８】
モータ９と、図示されていないスピンドル駆動装置により、干渉計の光学的な構成要素、光源２、カメラ３および経路検出器１２は垂直方向に線形に移動する。上記構成要素は、共通の、剛性のキャリッジに配置されているので、このような線形の移動の際に、構成要素は互いに相対的に移動しない。このキャリッジは、キャリッジ上に配置された構成要素と共に、位置決めユニットでもある。
【００６９】
図１と図２に示された実施形態の干渉計は、マイケルソン干渉計として構成されている。従って、基準ミラー５によって形成された、平らな基準面と、物体１上の測定表面とが、特に結像レンズ６を有するレンズ系により、カメラ３の検出面上に重ね合わせられる。前述したように、モータ９の動きによりつまりスピンドル駆動装置の動きに対応して、干渉計、光源およびカメラ３の、物体１に対する垂直な移動が生じる。線形の移動は、この場合、ビームスプリッタ４と物体１の間の測定ビーム７の経過に対して平行に生じる。
【００７０】
光源２は、約８μｍのコヒーレンス長さを有している。
【００７１】
本発明のコヒーレンスレスター干渉計の図１と図２に示した実施形態の場合、経路目盛１１および経路検出器１２による経路測定が高い精度で行われるので、物体１の高さ形状の決定の際に非常に高い精度を得ることができる。
【００７２】
前述したように、物体に対して相対的に、特に、干渉計の光学的な構成要素の正確な所定の位置のために、カメラによる干渉信号の検出が行なわれることが、測定精度に関係するコヒーレンス走査干渉計の測定原理にとって決定的な特徴である。このために、干渉計の光学的の構成要素の所定の目標位置に到達したときにトリガー信号が出力され、カメラの画像撮影がトリガーされるように構成することが好適である。この場合、２つのトリガー信号の間隔は、カメラが少なくとも２つの撮影の間に必要とする時間であることを考慮しておかなければならない。さもなければ、画像情報が消えてしまう可能性があるからである。
【００７３】
本発明の範囲内には、カメラは、最大フレームレートでトリガーされて、トリガー毎に、位置が、経路検出器１２により測定され、撮影されたカメラ画像に対応して、評価・制御ユニットにより割り当てられる。同様に、所定の経路位置のために、カメラ画像の撮影を実施するためのトリガー信号がそれぞれ出力されることで、走行速度が、カメラの最大フレームレートを超えないように選択されるように構成することも可能である。
【００７４】
本発明のコヒーレンス走査干渉計の図１と図２に示された実施形態では、図示はされていないが、モータ９のための速度制御装置が備えられている。これにより、一方では走行の際にできるだけ高速が、必要な測定時間を減らすために利用でき、かつ同時に、カメラの最大フレームレートは超えないことが保証される。
【００７５】
このために、速度制御装置は、経路検出とは関係しないように構成されるか、あるいは目標速度からの万一のずれを検出しかつ速度制御装置へのフィードバック装置を介して補償するべく経路検出を利用するように構成される。
【００７６】
制御は、万一の位置ずれ誤差を修復しないように行なわれることが好ましい。なぜなら、このような修復は、早過ぎるトリガー信号が再度出力されてしまう速度ピークをもたらすからである。
【００７７】
本発明の干渉計の図１と図２に示された実施形態の場合、長手方向に延びる経路目盛１１は、測定ビーム７の光路長変更のための線形移動の方向に対して平行である光軸上に正確に配置されている。これにより、例えば、リニアガイド１０ａ、１０ｂの機械的な許容誤差に基づくピッチ角による誤差原因は取り除かれるか、または少なくとも最小限に抑えられる。
【００７８】
さらに、リニアガイドも、光軸の高さ位置に位置している。これは、上述したようなピッチングに基づく誤差に対する付加的な対策となる。
【００７９】
さらに、干渉計の光路は、図２において垂直に位置し、かつ図の平面に対して垂直である一平面に位置していることは図２から明らかである。長手方向に延びる経路目盛１１は、この平面内に配置されているので、これによっても、機構的な許容誤差によって規定され、場合によっては生じてしまう傾き角に基づく測定ミスは取り除かれるか、または少なくとも最小限に抑えられる。
【００８０】
図３乃至図５には、図１と図２によるコヒーレンス走査干渉計による、物体の高さ形状を空間解像可能に測定するための本発明の方法の３つの実施形態が略示部分図で示されている。
【００８１】
本発明の方法の３つの実施形態は全て、上記記載のように、方法段階Ａ，Ｂ，Ｃが実現され、かつそのうえ、ここでは測定ビームの光路長変更の測定が、経路目盛１１と経路検出器１２により行なわれることが共通している。
【００８２】
図３に示す第１の実施形態では、カメラ画像が撮影されることになる複数の経路位置が設けられている。経路位置とは、ビームスプリッタ４と物体１との異なる間隔を表している。
【００８３】
まず、最高速度が決定されるので、それぞれ２つの隣接する経路位置の到達時間の相違は、カメラ３が２つの撮影の間に必要とする最少の時間に相当する。位置決めユニットの速度変動を許容しうるために、この最高速度が、安全係数分だけ減らされる。典型的な構成では、目標走行速度は次の式により算定される（ここでは、νｓに関して解法されている）。
【数３】
2013083649.tif 000005
この実施形態では、νｐ＝１０％、△ｚｓ＝８７ｎｍおよびＫｒ＝３０.１Ｈｚである。このように決定された走行速度は、モータ９の制御のために用いられる。つまり、ｚ軸、即ち、測定ビーム７の光路長変更のための線形の垂直移動をおこなうスピンドルの駆動ための速度制御装置を介して用いられる。これに伴って、干渉計のための位置決めユニットの移動が生じる。同時に、経路検出器１２と経路目盛１１とにより、位置測定が行なわれる。経路検出器１２の測定信号に基づいて、所定の経路位置に達すると、トリガー信号が、測定画像の撮影のためにカメラ３に対応して送信される。
【００８４】
本発明の方法の第２の実施形態としての、図４に示す択一的な実施態様では、図３に示した制御略示図と反対に、位置測定から速度制御へのフィードバックが行なわれる。この実施形態では、従って、測定の間に、カメラ画像の撮影のための次の経路位置が、２つの撮影の間のカメラの、最少必要な時間よりも短い時間で到達されるかどうかチェックされる。到達されていれば、速度制御へのフィードバックにより走行速度の減速は、カメラ画像の撮影のための次の経路位置が、２つのカメラ画像の間のカメラの上記最少時間の経過後に初めて得られるように実施される。
【００８５】
図５に示す、本発明の方法の第３の実施形態では、前述したように位置決めユニットの走行は、ｚ軸のための駆動を制御する速度制御装置による所定の速度に基づいて行なわれる。この実施形態では、しかしながら、カメラ画像の撮影のための経路位置は設けられていない。その代わりに、カメラの最大撮影周波数より当然大きくすることは許されない、所定の撮影周波数で、カメラはトリガーされる。所定の撮影周波数は、できるだけ短い測定時間を達成するために、カメラの最大撮影周波数にほぼ相当することが好ましい。測定画像の撮影のために、カメラをトリガーすると同時に、経路検出器の測定信号を読み出すための、つまり目下の位置を決定するためのトリガー信号が発生するので、カメラ画像に、それぞれ現在の経路情報が割り当てられる。
【００８６】
以下に、本発明によるコヒーレンス走査干渉計の好適な実施形態の代表例を、まとめて以下に列挙する：
（１）経路目盛１１は、直線的な目盛として構成されている。
（２）経路長変更ユニットは、物体１に対して相対的にコヒーレンス走査干渉計を線形移動するように、あるいは前記測定ビームまたは前記基準ビームの光路内で、光学的ミラーを線形移動するように構成され、かつ経路目盛１１は、線形移動の方向に沿って配置されている。
（３）測定ビーム７と基準ビーム８の光路が一平面内に位置し、かつ前記経路目盛１１は前記平面に配置されている。
（４）経路目盛１１は、測定ビームの光軸に対して平行で、前記干渉計と前記物体１との間に配置されており、測定ビームの光軸と長手方向に延びる前記経路目盛１１は１ｃｍより小さい、好ましくは２ｍｍよりも小さい間隔を有している。
（５）コヒーレンス走査干渉計が評価ユニットを備え、この評価ユニットはカメラおよび経路検出器１２と電気的に接続され、かつ、経路検出器の測定信号が、カメラ３の測定信号と同期するように、複数の所定の経路位置に対して生成される前記経路検出器の複数の信号に基づいて、測定画像の撮影がカメラ３により行なわれる第１の構成、または
評価ユニットが、トリガー信号を、測定画像の撮影のためにカメラ３に与えるとともに同時に、経路位置を、前記経路検出器の測定信号を用いて検出する第２の構成、あるいはその両方の構成を採用する。
（６）経路長変更ユニットは、連続的な経路長変更のための一定の速度を設定可能な速度制御装置を有している。
（７）干渉計は、測定ビームの出口において、前記物体側に、０．１より小さい、好ましくは０．０２５より小さく、さらに好ましくは０．０１３よりも小さい開口数を有している。
（８）干渉計は、平らな基準ミラー５を備え、前記基準ミラー５は基準ビームの光路内に配置されており、経路長変更ユニットは、基準ミラー５の範囲内の前記基準ビームの光軸に対して平行に基準ミラー５が線形移動するように構成されている。
（９）光源２は、２０μｍよりも小さく、好ましくは１０μｍよりも小さいコヒーレンス長さを有する光ビームを発生するように構成されている。
【００８７】
以下に、本発明によるコヒーレンス走査干渉計を用いた、物体の高さ形状を空間解像可能に光学的に測定する方法の好適な実施形態の代表例を、まとめて以下に列挙する：
（１）経路目盛１１として、直線状の経路目盛を使用すること。
（２）所定の経路位置に対応して生成される前記経路検出器の測定信号に基づいて、それぞれ１つの測定画像を撮影する。
（３）所定の周波数で、測定画像をカメラ３により撮影して、測定画像の撮影と同期し、経路位置を前記経路検出器の測定信号により検出し、所定の周波数は、カメラ３のフォトセンサの最大トリガー周波数の８０％から１００％の範囲、好ましくは９０％から９９％の範囲にある。
（４）光路長変更が、連続して所定の速度で行われ、所定の速度は、所定の等間隔の経路位置ごとに、測定画像を撮影しかつ撮影周波数を、カメラ３の所定の最大撮影周波数よりも小さくするように選択される。
【００８８】
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８９】
１              物体
２              光源
３              カメラ
４              ビームスプリッタ
５              基準ミラー
６              結像レンズ
６ａ            ピンホール絞り
７              測定ビーム
８              基準ビーム
９              モータ
１０ａ、１０ｂ  リニアガイド
１１            経路目盛
１２            経路検出器
【図１】
2013083649.tif 000007
【図２】
2013083649.tif 000008
【図３】
2013083649.tif 000009
【図４】
2013083649.tif 000010
【図５】
2013083649.tif 000011