JP4988577B2 - 鏡面域を有する基準面を備えた干渉系 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、干渉系であって、照明ビーム路を形成するための、光源と照明光学系とを備えた照明岐路が設けられており、結像ビーム路を形成するための、測定しようとする測定対象面を備えた測定対象を測定するための基準エレメントを有する測定対象岐路が設けられており、測定しようとする測定対象が、照明の直接到達しない測定対象面を有しており、基準エレメントを有する基準岐路が設けられており、検出器を有する検出岐路が設けられており、ビームスプリッタが設けられている形式のものに関する。

また本発明は、干渉系を運転する方法に関する。

精密部品の製作では、適当な部品の品質を確保するために、部品の性質および幾何学形状を検出するための測定法が要求される。主に光学測定法、たとえば画像検出および画像評価、干渉、特に白色光干渉が役立つ。

白色光干渉計の原理は、結像系の照明のためにショートコヒーレントな光源が使用されることに起因する。結像系は、通常の結像光学系に対して追加的に、基準岐路を備えており、基準岐路を、入射される光の一部が進行する。測定対象岐路における光路Λ_Oと、基準岐路Λ_Rにおける光路とが、光のコヒーレント長ｌ_Cよりも小さな光路長差を有していると、つまり、
｜Λ_R−Λ_O｜＜ｌ_C （１）
であると、再びまとめられる光のフィールドは、測定可能な干渉を有することができる。このことは、測定中、光のフィールドの光路長差が測定対象または基準エレメントの移動に起因して光軸に沿って変化されると、適用される。同時に再びまとめられる光のフィールドの強度は、面状に測定を行う検出器、一般的にはＣＣＤカメラで測定される。建設的または破壊的な干渉は白色光源のコヒーレント長の内側でしか行われないので、干渉によって生じる強度変調の画素評価、強度コレログラムによって、各画素に関する一義的な高さ情報が送られる。このことは、画素全体に行われ、測定対象の完全な高さ情報が得られる。

商業上の白色光干渉計は、次の典型的な性質を有している。

高さ分解能Δｚは、用いられる光の平均的な波長λ_mとコヒーレンス長ｌ_Cとある種のコレログラム評価アルゴリズムとによって与えられる。典型的なパラメータ、たとえばλ_m＝６００ｎｍ，ｌ_C＝２μｍで、Δｚ＝１ｎｍの値が得られる。

潜在的な分解能δは、従来慣用の結像系の分解能に等しく、原則的にλ_mと結像光学系の開口角ＮＡとによって制限されている。
δ≧０．６１λ_ｍ／ＮＡ （２）

測定可能な最大全高差ｚ_maxは、区間全体にわたって正確にガイドされる基準岐路および測定対象岐路における光路長差を生じさせる技術的な実現性から特定される。調整された圧電系は、今日ではｚ_max≦４００μｍの値を実現する。

測定しようとする箇所が容易に到達可能であり、かつ有利には平らな幾何学形状を有している場合、従来慣用の干渉計、特に白色光干渉計は、前述の目的のために使用することができる。その他の場合、測定しようとする測定対象に適合する特殊光学系を有する干渉計が使用される。しかしながらこのような干渉計の欠点によれば、測定対象に設けられたアンダカットが照明の影範囲に位置して、したがって検出することができない。このような面を測定するために、測定対象を取り外して、第２の測定過程で検出する必要がある。

本発明の課題は、干渉系を改良して、到達の困難な面を有する測定対象の３次元式の測定を一度の記録で実現するようなものを提供することである。

発明の利点
この課題を解決するための本発明の装置によれば、基準エレメントが、単数または複数の鏡面域を有している。これによって光ビームがアンダカットされた面に到達し、したがって残りの面と同じ測定過程で測定を行うことができる。特にアンダカットされた面の位置は、残りの面に対して相対的に特定することができる。

鏡面域が、測定対象に適合されていて、鏡面域が、測定対象面の、測定しようとする部分面と同様に、結像ビーム路の光軸に対する垂線に対して半分の角度で形成されていると、各形状のアンダカット（平らでない面も含む）を測定することができる。

周辺影響、たとえば温度影響に対してあまり影響を受けない実施形態では、鏡面域は、基準エレメントと一体的に結合されている。

鏡面域が、分離したユニットとして形成されていて、かつたとえば接着またはねじ止めによって基準エレメントと機械的に結合されている場合、鏡面域は、別の加工ステップで測定対象面の形状に適合させ、場合によっては測定対象が同種の場合に別の基準エレメントに再び使用することができる。

有利な実施形態によれば、基準エレメントにおいて、鏡面域の傍に、測定対象面を測定するための第２の基準面が形成されている。これによって一般的な測定法で到達可能な対象物表面と一般的に到達不能な面との相対位置を特定することができる。

基準エレメントにおいて、鏡面域の傍に、少なくとも１つの第２の測定対象面を測定するための少なくとも１つの第２の基準面が形成されている場合、１深さ走査で、基準エレメントに関して該当する測定対象面全体の長さを特定することができる。

この課題を解決するための本発明の方法によれば、測定対象面から反射される光ビームを、所属の基準面から反射される光ビームと干渉させ、照明の直接届かない測定対象面から反射される光ビームを、追加的に鏡面域を介して反射させ、所属の基準面から反射される光ビームと干渉させる。これによってアンダカットを有する構成部材を、１測定過程で測定することができ、特に残りの面に対するアンダカットの相対位置を特定することができる。

実施例の説明
次に図面につき本発明の実施例を詳しく説明する。

図１に概略的に示した、従来技術による白色光干渉計構造の干渉系１は、測定対象岐路（Objektarm）４０を備えており、測定対象岐路４０に、測定対象４１の、測定しようとする表面が位置しており、また干渉系１は、照明岐路（Beleuchtungsarm）２０を備えており、照明岐路２０は、光源２１と、単数または複数のレンズから成る照明光学系２２を備えており、照明光学系２２は、照明ビーム路６０を形成する。照明岐路２０および測定対象岐路４０に直行するように、干渉系１は、基準エレメント１１を有する基準岐路（Referenzarm）１０を備えており、基準エレメント１１は、調節エレメント１２、一般的には圧電系と連結されている。基準岐路１０とは反対側に検出岐路（Detektorarm）３０が位置しており、検出岐路３０は、検出器３１、一般的には面状に測定する検出器３１、たとえばＣＣＤカメラを備えており、ならびに結像ビーム路７０に、評価しようとする強度分布を結像するためのレンズ３２を備えている。評価のために、評価装置（図示していない）が設けられている。

この場合ビームスプリッタ５０は、様々な光ビームを分けるか、もしくは再びまとめるかするので、基準岐路１０からの光ビームおよび測定対象４０からの光ビームは、検出岐路３０において検出器３１にて前述の形式で干渉させることができる。

この場合測定対象の走査は、調節エレメント１２による基準エレメント１１の移動によって、または選択的に同種の調節エレメントによる測定対象４１の移動によって行うことができる。

従来技術による干渉系１の構造は、照明の直接到達する測定対象４１の面の測定しか許容しない。アンダカットを有する測定対象４１が要求されると、測定対象は取り外されて、第２の過程でこの面ならびに別の測定対象面が測定され、これによって第１の過程で測定された測定対象面に対するアンダカットの長さが特定される。

これに対して図２に概略的に示した干渉系１では、本発明に基づいて、測定対象４１における、照明の直接到達しない測定対象面４５が測定される。このために測定対象４１は、基準エレメント４２と結合されており、基準エレメント４２は、少なくとも１つの鏡面域４６を有している。

レンズ４８を通って、ここでは図示していない照明岐路２０から光が測定対象４１に向かって出射される。鏡面域４６に到達する成分は、直接的に照明の到達しない測定対象面４５に向かって反射される。鏡面域４６に到達する成分は、そこから反射して鏡面域４６を介して、レンズ４８を通って、図示していないビームスプリッタ５０を介して、同様に図示していない検出器３１に送られる。測定対象面４５の基準として基準面４７が役立ち、基準面４７の反射光は、測定対象面４５から反射された光と同じ光路長さで進行して、したがって同じ干渉パターンを形成する。

図３には、アンダカットを有する測定対象４１全体の測定を実現する、干渉系１の実施例を示した。このために測定対象岐路４０において、レンズ４８が、少なくとも第２の位置にもたらされ、ここではレンズ４９によって示した。このことによって測定対象４１にわたる深さの走査が及ぼされる。レンズ４８の位置で、測定対象面４３および所属の基準面４４が干渉し、これに対してレンズ４９の位置で、鏡面域４６によって測定対象面４５が測定され、また所属の基準面４７が測定される。このようにして測定対象４１の対象面全体を相対的に測定することができる。鏡面域４６を有する基準エレメント４２が適当な構造を有していると、測定対象の全ての対象面全体が到達可能である。図３の構成によれば、第２の測定対象面４３から反射される光ビームを、所属の第２の基準面４４から反射される光ビームと干渉させ、照明の直接届かない第１の測定対象面４５から反射される光ビームを、第１の基準面４７に対して追加的に、鏡面域４６を介して反射させ、所属の基準面４７から反射される光ビームと干渉させる。

従来技術による白色光干渉計構造を概略的に示す図である。 本発明の実施例による干渉系を概略的に示す図である。 測定対象に向いた側およびこれとは反対側の面を同時に測定するのに適した干渉系を概略的に示す図である。

Claims (6)

1. 干渉系であって、
   照明ビーム路（６０）を形成するための照明岐路（２０）が設けられており、基準岐路（１０）が設けられており、結像ビーム路（７０）を形成するための測定対象岐路（４０）が設けられており、検出岐路（３０）が設けられており、照明岐路（２０）は、光源（２１）と照明光学系（２２）とを備えており、基準岐路（１０）は、測定対象（４１）を測定するための第１の基準面を備えた第１の基準エレメント（１１）を有しており、検出岐路（３０）は、検出器（３１）を有しており、ビームスプリッタ（５０）が設けられており、測定対象（４１）は、照明の直接到達しない第１の測定対象面（４５）を有している形式のものにおいて、
   測定対象岐路（４０）に、第２の基準面（４７）と、照明ビーム路（６０）から単数または複数の鏡面域（４６）に到達する光ビームの成分を照明の直接到達しない第１の測定対象面（４５）に向かって反射するための単数または複数の鏡面域（４６）とを備えた第２の基準エレメント（４２）が設けられており、単数または複数の鏡面域（４６）で反射される光ビームの成分と、第２の基準面（４７）で反射される光ビームの成分とが、第1の基準面で反射される光ビームと干渉されることを特徴とする、干渉系。
2. 測定対象岐路（４０）における光ビームの垂線に対する前記鏡面域（４６）の傾斜が、測定対象岐路（４０）における光ビームの垂線に対する前記第1の測定対象面（４５）の、測定しようとする部分面の傾斜に対して半分の角度で形成されている、請求項１記載の干渉系。
3. 鏡面域（４６）が、前記測定対象（４１）を測定するための第２の基準エレメント（４２）と一体的に結合されている、請求項１または２記載の干渉系。
4. 鏡面域（４６）が、分離したユニットとして形成されていて、かつたとえば接着またはねじ止めによって、前記測定対象（４１）を測定するための第２の基準エレメント（４２）と機械的に結合されている、請求項１または２記載の干渉系。
5. 前記測定対象（４１）を測定するための第２の基準エレメント（４２）において、鏡面域（４６）の傍に、少なくとも１つの第２の測定対象面（４３）を測定するための少なくとも１つの第３の基準面（４４）が形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の干渉系。
6. 照明ビーム路（６０）を形成するための、光源（２１）と照明光学系（２２）とを備えた照明岐路（２０）が設けられており、結像ビーム路（７０）を形成するための、測定しようとする第１の測定対象面（４５）を備えた測定対象（４１）を測定するための第２の基準エレメント（４２）を有する測定対象岐路（４０）が設けられており、測定しようとする測定対象（４１）が、第２の測定対象面（４３）と照明の直接到達しない第１の測定対象面（４５）とを有しており、前記第２の基準エレメント（４２）とは別の、測定対象（４１）を測定するための第１の基準面を備えた第１の基準エレメント（１１）を有する基準岐路（１０）が設けられており、検出器（３１）を有する検出岐路（３０）が設けられており、ビームスプリッタ（５０）が設けられている、干渉系（１）を運転する方法において、
   前記測定対象（４１）を測定するための第２の基準エレメント（４２）が、第２の基準面（４７）と、第３の基準面（４４）と、照明ビーム路（６０）から単数または複数の鏡面域（４６）に到達する光ビームの成分を照明の直接到達しない第１の測定対象面（４５）に向かって反射するための単数または複数の鏡面域（４６）とを備えており、
   測定対象岐路（４０）に設けられたレンズ（４８）の第１の位置では、第２の測定対象面（４３）から反射される光ビームと、第３の基準面（４４）から反射される光ビームとを、第１の基準面で反射される光ビームと干渉させ、レンズ（４８）の第２の位置では、単数または複数の鏡面域（４６）で反射される光ビームと、第２の基準面（４７）で反射される光ビームとを、第１の基準面で反射される光ビームと干渉させることを特徴とする、干渉系を運転する方法。

Images