JP2005326402A - 球形及び近似球形光学表面の形状の計測 - Google Patents
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Abstract
【課題】 近似球形光学表面の形状を高度に正確に計測する。
【解決手段】 変位計測プローブ30を2つの回転軸の周りに動かして、変位計測プローブを光学テスト表面14に略垂直に維持する。第1回転軸34の周りを相対的に回転することができて空間に円をトレースし、第2回転軸22の周りを回転することにより空間に球形表面を形成する。変位計測プローブと光学テスト表面との間の回転運動は、プローブの計測値が取得される対象となる球形または近似球形データ表面を画定する。
【選択図】図1
【解決手段】 変位計測プローブ30を2つの回転軸の周りに動かして、変位計測プローブを光学テスト表面14に略垂直に維持する。第1回転軸34の周りを相対的に回転することができて空間に円をトレースし、第2回転軸22の周りを回転することにより空間に球形表面を形成する。変位計測プローブと光学テスト表面との間の回転運動は、プローブの計測値が取得される対象となる球形または近似球形データ表面を画定する。
【選択図】図1
Description
度量衡学の分野において、本発明は表面走査系装置を用いる球形及び近似球形光学表面の計測を考察する。
高精度光学表面の製造では、表面形状を高度に正確に計測する必要がある。一般的に反射及び屈折の両方に関して高精度な光学表面は球形形状を有する。しかしながら、マイクロリソグラフィーの用途に利用される現代の光学システムの多くは、より高度な次元の光学操作を提供する球形形状からいくらか偏移した非球形光学表面を含む。
そのような近似球形光学表面を要求される精度で計測するために多くのシステムが開発された。それらの中には光学及び非光学システムの両者が含まれる。光学システムは典型的に干渉技術を使用し、その技術には光学テスト表面の公称形状を有する参照波面を、光学テスト表面で反射された、同様な形状を有する調査波面と比較することが含まれる。調査波面は、参照波面と共に形成される干渉パターンにおいて示される光学テスト表面の特性を取得する。2つの波面を正確に生成すること及び垂直入射で光学テスト表面にアプローチするように調査波面を配置することには困難が伴う。球形の参照及び調査波面を使用する非球形テスト表面の計測は、入射調査波面の局部形状と光学テスト表面の間の不整合の結果もたらされる縞模様密度の問題により制限される。結果として、エイリアシング及びコントラスト損のような問題が検出装置において起こる。参照及びテスト波面を非球形テスト表面により良好に整合させるために、付加的な光学素子を使用することができる。しかしながら、このような無効要素に対して要求される正確度を達成することは問題であり得る。無効要素の性能は実際に計測されるのではなく推測されるものであるために、正確度は制限される。
二波長干渉もまた高密度の縞模様に起因する不鮮明さを解決するために使用されてきた。しかしながら、これらの技術は一般的にその範囲の分解能を犠牲にする。波面をつなぎ合わせることは、限られた計測領域を組み合わせることにより光学テスト表面上のより広い範囲を計測するために使用でき、例えば、超半球のような拡張形状は、表面の部分的に重なりあった干渉パターンを取得するためにはテスト表面が異なる位置から照明されることを典型的に要求し、その干渉パターンを全表面のマップを形成するためにつなぎ合わせなければならない。これらの手順は時間がかかり、集中的な計算を必要とし、位置エラーを起こしやすい。
点間面計測もまた表面全体に渡ってのプローブの変位を追尾することによる光学テスト表面の計測に使用される。2つの問題により、このアプローチの効果が減少する。まず第1に、機械的運動によりトレースされるデータ表面の忠実度はエラーを引き起こしやすい。第2に、プローブはテスト表面に対する垂直方向から偏移するにつれてその性能が減少する。
我々の発明は変位計測プローブを2つの回転軸の周りに動かして正確なデータ表面を生成し、変位計測プローブを光学表面に略垂直に維持してデータ表面に対する比較計測を行うことにより球形及び近似球形光学表面の高精度な計測を提供する。回転軸は高度に正確な運動を与え、残留エラーは頻繁に繰り返され易い。更に回転軸は変位計測プローブをほぼ垂直方向に維持し、それによってより多くの種類のプローブが使用できる。凸型及び凹型両者の表面を計測でき、1つの設定において超半球のような表面のより広い角度領域がカバーされて計測可能となる。
変位計測プローブは2つの回転軸のうち、第1回転軸の周りを相対的に回転することができて空間に円をトレースし、変位計測プローブは第1回転軸と共に2つの回転軸のうち、第2回転軸の周りを回転することができて空間に球形表面を生成する。生成された球形表面は変位計測プローブの計測値を参照するためのデータ表面として使用できる。変位計測プローブは好ましくは、第1回転軸の周りを回転されるとよく、光学テスト表面は好ましくは、第2回転軸の周りを回転されるとよく、その2つの回転を組み合わせることにより変位計測プローブは球形データ表面を生成する。
変位計測プローブの計測軸は好ましくは、球形データ表面に対して略垂直に維持されるとよい。これは変位計測プローブの計測軸を第1回転軸に関して、第1及び第2回転軸がそれぞれに対して傾斜しているのと同じ傾斜角度でもって傾斜することによって達成できる。
光学テスト表面は好ましくは、その曲率中心が2つの回転軸の交点に位置するように取り付けるとよい。計測軸の第1回転軸の周りの回転は、その頂点をテスト表面の曲率中心に有する円錐を掃引するとよい。円錐の表面上の円をトレースするのは変位計測プローブの計測端部または先端である。第2回転軸の周りの第1回転軸の相対的な回転は、テスト表面の曲率中心と一致する曲率中心を有する球形データ表面を生成する。最もよく整合する球形データ表面は一般的に、変位計測プローブによって要求される計測範囲を限定する非球形テスト表面の十分な近似を提供する。垂直入射からの小さな偏移(つまり、表面の垂直線に対する計測軸の傾斜)は計測軸に沿う変位計測値の制限された範囲と共に、変位計測プローブの選択により対処することができる。付加的な運動軸はより複雑なデータ表面を生成することができる。
本発明は特に公称対称軸を持つ表面を有する光学素子の計測に適応される。本発明の1つの実施形態は、公称対称軸を持つ光学テスト表面を有する光学素子を取り付けるための固定部を含む装置を提供する。計測軸を有する変位計測プローブはテスト表面に略垂直な変位を計測するために方向付けられる。第1回転駆動部は、テスト表面の公称対称軸と交差するように方向付けられた第1回転軸の周りを固定部に関して変位計測プローブを相対的に回転させる。第2回転駆動部は、テスト表面の公称対称軸に沿って方向付けられた第2回転軸の周りを変位計測プローブに関して固定部を相対的に回転させる。変位計測プローブの計測軸は掃引半径の分、第1回転軸からオフセットされ、それにより変位計測プローブの第1回転軸の周りの相対的な回転が固定部に関して変位計測プローブに直線運動及び角度方向の運動の両者を与える。制御装置は、固定部に関する変位計測プローブの相対的な運動が、変位計測プローブが計測軸に沿うテスト表面の偏移を計測する対象となるデータ表面をトレースするように、第1及び第2回転駆動部の運動を参照する。
回転エンコーダまたは他の角度計測装置を、データ表面をマッピングするための回転軸の角度位置を監視するために使用できる。プローブによる変位計測値は、それぞれが表面上の特別な位置におけるデータ表面からの偏移としてデータ表面の座標に対して参照される。
テスト表面の計測の正確度は部分的には、変位計測プローブの先端により空間においてトレースされるデータ表面の正確度に基づく。本発明は種々の方法でデータ表面の正確度の向上を提供する。第1に、直線軸の対応する対よりもより正確で反復性のある回転軸を使用して正確度を高める。第2に、回転軸のエラーは頻繁に起こる傾向にあり、そのようなシステムエラーはより正確にデータ表面を画定するために計測し、使用できる。第3に、更にデータ表面を画定するための動的エラー検出のために使用中の回転軸にセンサーを取り付けることができる。第4に、テスト表面のセントレーション及び他の取り付けに関する問題は監視することができ、回転軸の異なる角度位置からのテスト表面の重なる領域の冗長計測値を取得することにより対応する補正が可能である。例えば、テスト表面上の同一点の計測値は取り付け固定部の反対側から取得することもできる。
第1回転駆動部は第1回転軸の周りに変位計測プローブを回転させるプローブスピンドルを含み、第2回転駆動部は第2回転軸の周りに固定部を回転させる作業スピンドルを含むことが好ましい。多くの設定調整を、異なる大きさ及び形状のテスト表面の範囲に対処するために行うことができる。例えば、第1角度調整器は第1及び第2回転軸の間の角度方向をヘッド角度分変える。第2角度調整器は第1回転軸に関する計測軸の角度方向をプローブ角度分変える。ヘッド角度とプローブ角度は同じ角度であり、それにより計測軸がテスト表面の公称曲率中心において第1及び第2回転軸と交差することが好ましい。ヘッド角度は、凸凹両者の曲率を有するテスト表面の範囲を計測するために鋭角であるとよい。
他の設定軸は三つの直線調整器を含む。第1直線調整器は、第2回転軸の方向に実質的成分を有する第1調整軸に沿う変位計測プローブに関して固定部の位置を相対的に変える。第2直線調整器は、第1回転軸に垂直な実質的成分を有する第2調整軸に沿う変位計測プローブに関して固定部の位置を相対的に変える。第1及び第2直線調整軸は、生成されたデータ表面に関する光学テスト表面の近似位置決めを提供する。第3直線調整器(オフセット調整器)は掃引半径分、計測軸と第1回転軸の間のオフセット間隔を変え、それにより変位計測プローブの先端によりトレースされる円のサイズが設定される。
他のテスト表面の曲率半径は、回転軸間のヘッド角度と第1回転軸からの変位計測プローブの掃引半径のいずれかまたは両者を変えることにより対処される。例えば、テスト表面の曲率半径の増加はヘッド角度を減少または掃引半径を増加することにより対処できる。テスト表面に対して公称のように垂直に維持するために計測軸をヘッド角度と共に調整するとよい。
制御装置は角度または時間調整された相対位置または速度の関係を介する同期の第1及び第2回転駆動部の動作を提供することができる。例えば、第2回転駆動部(作業スピンドル)はテスト表面をその対称軸の周りに回転させるために一定の速度で回転することができ、一方、第1回転駆動部(プローブスピンドル)は第2回転駆動部と時間調整された関係において回転されてデータ表面の系統的な生成を引き起こす。変位計測プローブは全円形掃引分、または限定された角度量分回転できる。
両者の回転軸が同期して完全回転動作中であるときは、作業及びプローブスピンドルの数回の回転により一般的にテスト表面が完全にカバーされる。冗長データを持つ大量データセットはこのようにして得られる。これらの大量データセットの平均は、回転軸のエラー運動及び角度位置エラーを含む計測における統計的偏差及びシステムエラーを減少するために使用できる。2つの回転軸は、プローブスピンドルの全回転未満の回転の場合のように、異なる方法で共に時間調整することができる。例えば、第1回転軸(プローブスピンドル)は、第2回転軸(作業スピンドル)の1回転またはそれ以上の回転ごとに所定量の角度増加分、断続的に調整できる。プローブスピンドルが停止している間の作業スピンドルの複数回転に対して冗長データを要求することができる。データセットはテスト表面の一連の同心円形状から組み立てられる。また、第1回転軸(プローブスピンドル)は第2回転軸(作業スピンドル)の回転よりかなり低い速度で連続的に調整でき、それによって変位計測プローブはテスト表面上で螺旋をトレースする。このように全テスト表面は変位計測プローブの第1回転軸(プローブスピンドル)の周りの1回転未満の回転により計測することができる。両回転軸はヘッド角度を90度に設定したりテスト表面上の変位計測プローブの子午線掃引を行うなどにより断続的に調整できる。
球形及び非球形表面を計測する我々の良好な装置は、変位計測プローブを光学テスト表面に関して相対的に回転して変位計測プローブと光学テスト表面との間の変位計測値が参照される対象であるデータ表面を生成する2つの相対的に傾斜した回転軸を有する生成装置を含む。変位計測プローブは、データ表面を生成中に光学テスト表面に略垂直に変位計測プローブの計測軸を維持するための回転軸の1つに関して、直線的にオフセットされ角度方向に傾斜した計測軸を有する。好ましくは、変位計測プローブはテスト表面に対する垂線からの外れる方向付けの制限された範囲に対処することができる非接触プローブであるとよい。そのような方向付けには所望するデータ表面からのデータ表面の偏移と所望するテスト表面からの実際のテスト表面の偏移の両者が含まれる。
公称対称軸を有する光学テスト表面を計測する良好な方法には、変位計測プローブの相対的運動が、光学テスト表面が計測される対象であるデータ表面をトレースするように変位計測プローブを2つの相対的に傾斜した回転軸の周りを光学テスト表面に関して相対的に回転させることが含まれる。変位計測プローブの計測軸は、データ表面をトレース中に計測軸が光学テスト表面に略垂直に維持されるように2つの回転軸の1つに関して方向付けられる。2つの回転軸がテスト表面の公称曲率中心において交差するように2つの相対的に傾斜した回転軸はそれぞれ及びテスト光学表面に関して方向付けられるとよい。2つの回転軸のうちの1つは、テスト表面の公称対称軸に沿って方向付けられるとよい。他の回転軸はテスト表面の曲率中心において公称対称軸と交差する。異なる曲率半径を有するテスト表面の範囲は変位計測プローブの計測軸を1つの回転軸から掃引半径分オフセットするかまたは、2つの回転軸をヘッド角度分、直交調整軸の周りをそれぞれに関して角度調整することにより対処できる。回転軸の角度位置はデータ表面のマッピング及びデータ表面に対して変位計測プローブの変位計測値を参照するために計測される。
本発明を実施する例としての装置10を、球形及び非球形光学表面を計測するための種々の構成及び動作モードにおける図に示す。図1において凸型光学テスト表面14を有する光学素子12は、作業スピンドル18の一端において固定部16上に取り付けられる。作業スピンドル18は、光学素子12を回転軸22の周りに回転させる回転駆動部20の一部である。光学テスト表面14はその曲率中心Cが回転軸22に沿って位置し、その公称対称軸24が回転軸22と一致するように取り付けられる。
テスト表面14を搭載する固定部16は、光学素子12のセントレーション及び角度方向付け調整を作業スピンドル18の回転軸22に関して可能にするような真空または機械的チャックであるとよい。更に、光学素子12は、作業スピンドル18のエラーを取り除くための従来の逆技術の導入を可能にするように固定部16内で回転可能であるとよい。
調整固定部28は変位計測プローブ30を、回転軸34の周りをプローブスピンドル32と共に変位計測プローブ30を回転させる回転駆動部26の一部であるプローブスピンドル32上に支持する。回転軸34は回転軸22と同一平面に位置し、光学テスト表面14の曲率中心Cで回転軸22と交差する。
変位計測プローブ30は計測軸36に沿って計測を行うための計測軸36とプローブ先端38を有する。機械的な変位プローブとして表現されているが、種々の接触及び非接触変位計測プローブを本発明の実施のために使用できる。接触プローブはスタイラス及び走査プローブ装置を含み、非接触プローブは光学プローブ(干渉型及び共焦点型の両者)及び容量、渦電流及び他の変位計測可能な特徴に基づくものを含んで差支えない。プローブの選択は表面の仕上げ処理、要素の材質、範囲、解像度及び計測の不確定性等を考慮することに基づいて行うことができる。機械的変位を、干渉を利用して計測するプローブのように機械的及び光学的または他の種類の計測方法を組み合わせた変位計測プローブを使用することができる。直線可変差分トランスはまたその目的のために考慮される。
調整固定部28は回転軸34に関して変位計測プローブ30の計測軸36の直線的及び角度的調整を提供する。プローブ先端38は走査半径Rs分、回転軸34から直線的にオフセットされ、計測軸36はプローブ角度α分、回転軸34に対して傾斜している。計測軸36が傾斜しているプローブ角度αは回転軸34が回転軸22関して傾斜しているヘッド角度φに等しく、そのことによって計測軸36もまた光学テスト表面14の曲率中心Cを通過するようになることが好ましい。このようにして計測軸36の、回転軸34の周りの回転はテスト表面14の曲率中心Cにその頂点を有する円錐状表面を掃引する。プローブ先端38は円錐上の円をトレースする。
変位計測プローブ30に関して回転軸22の周りに光学テスト表面14を回転させることは、テスト表面14に関して回転軸34の周りにプローブスピンドル32と共に計測プローブ30を回転させることと運動学的に同値である。その結果としてのプローブ先端38とテスト表面14の間の相対的運動は、テスト光学表面14の曲率中心Cと一致する中心を有する球状データ表面をトレースする。データ表面上のプローブ先端38の瞬間的位置は、回転駆動部20と26の回転エンコーダ42と44によって行われる角度の計測によって参照できる。
ここにおいてrは凸型表面に対しては正であり、凹型表面に対しては負である。
図2は光学生成モードにおける凸型光学テスト表面48を計測するために特に配置された付加的設定軸を示す。例えば、プローブ調整固定部28は掃引半径Rsを設定する直線調整軸50とプローブ角度αを設定する角度調整軸52を有して示されている。角度調整器54はヘッド角度φ分のプローブスピンドル32の回転軸34の傾斜を提供する。また、作業スピンドル18の回転軸22を、同様な運動学的効果を得るために反対ヘッド角度φ分、プローブスピンドル32の回転軸34に向けて傾斜することができる。
光学テスト表面48に直接接触している変位計測プローブ30の位置を計測するために2つの直線設定軸が提供される。これらには回転軸22及び34との共通面にある直交軸Z及びXを有する2つの直線調整器56及び58が含まれる。直線調整器56は作業スピンドル18の回転軸22と一致する軸Zに沿って、作業スピンドル18に関してプローブスピンドル32の回転軸34を移動する。直線調整器58は同一参照XZ平面内における直交軸Xに沿って、プローブスピンドル32に関して作業スピンドル18の回転軸22を移動する。
生成モードにおける動作において、作業スピンドル18とプローブスピンドル32の回転駆動部20と26は同期して駆動される。作業スピンドル18とプローブスピンドル32の回転速度は同一球形データ表面を画定しながらお互いに関して変化可能である。しかしながら、所定の順番に沿ってデータを収集するように速度が最適化されているとよい。1つのスピンドル32または18の複数の回転と組み合わされた他のスピンドル18または32のたった1回転(または部分的回転でもよい)は、計測のために参照されるデータ表面の点を画定するのに使用することができる。両スピンドル18と32の複数の回転は、テスト表面48におけるエラーばかりでなく光学生成装置のシステムエラーをも計測するための冗長データを収集するために使用することができる。
変位計測プローブ30は、変位計測プローブ30とテスト表面14の相対的運動により生成されたデータ表面に関してテスト表面14の局部的変位を計測する。計測された変位によって、所望の参照表面からのテスト表面14のずればかりでなく、所望の参照表面からの生成されたデータ表面のずれをも計測される。生成されたデータ表面の所望の参照表面からの予定外のずれはシステムエラーを含む。そのようなシステムエラーを最小限に抑えるために、本発明は回転軸を利用して、かつ要求される運動を与えるために必要な軸の数を最小限に抑えることによるデータ表面の生成を提供する。要求される運動を与える良好な回転駆動部は、適切にデカップリングされたモータ駆動部を含む。そのような回転駆動部は、その正確度の高さと反復性の高さのために好ましい。回転駆動部におけるシステムエラーは計測可能であり、データ表面に対する予測される影響は補償される。
付加的センサー(図示せず)もまた動的変動を監視するために2つのスピンドル18と32に結合することができる。動的センサー(ゲージ)は2つのスピンドル18と32のそれぞれによって示される自由度に関するエラーを計測するために配置可能である。つまり2つの半径方向のエラー動作、1つの軸方向のエラー動作及び2つの傾斜に関するエラー動作に関するエラー計測する。各スピンドル18と32によって示されるこれらの自由度をすべて監視するには最低5つのセンサーが必要とされる。しかしながら、可能であればデータ表面の生成にほとんど直接的な影響を与えられると判明した自由度を監視するのが望ましい。例えばデータ表面に垂直なエラーは、データ表面上にあるエラーよりももっと重要であると予想される。
テスト要素62の凹型光学表面64を計測するための計測装置10の構成を図3に示す。図から明白のようにプローブスピンドル32の回転軸34はX軸方向にシフトされ、テスト要素62の反対側で回転軸22と交差する。同様な効果は、テスト光学面64の同一曲率中心Cにおいて回転軸22と34が交差するような適切な並行移動と共に回転軸34を回転させることによって達成できる。対応する角度調整は、計測軸36もまた曲率中心Cと交差するように計測軸36に対してなされる。上述した実施形態と同様に、テスト表面62は作業スピンドル18の固定部16に取り付けられ、これによりその公称対称軸は作業スピンドル18の回転軸22に揃えられる。図3に示される変位計測プローブ30の回転位置において、計測軸36は回転軸22と凹型テスト表面64の公称対称軸の両者と一致する。変位計測プローブ30の回転軸34の周りの回転は、光学テスト表面64の回転軸22の周りの回転と共に、変位計測プローブ30の計測値が参照される対象である球形データ表面を変位計測プローブ30の先端38に画定する。計測軸36をデータ表面に垂直に維持するために、回転軸22がヘッド角度φ分、回転軸34に対して傾けられるのと同様に、計測軸36は回転軸34に関して同じ角度α分、傾けられる。
計測装置10はテスト要素72の平坦光学表面74を計測するために図4のように設定することもできる。ここにおいて回転軸22と34の両者はお互い平行に延在する。計測軸36は2つの回転軸22と34に平行に延在して円筒形表面を掃引する。回転軸34の周りのプローブ先端38の回転は円をトレースする。作業スピンドル18の回転軸22はこの円に対して垂直に延在し、テスト表面14に相対的なスペースにおける円の掃引は平面または無限大の曲率半径を有する球形をトレースする。このように生成装置はその2つの回転によって、平面的なデータ表面を無限大の曲率半径を有する球形データ表面の例として画定できる。
上述した実施形態と同様に、作業スピンドル18とプローブスピンドル32間の相対的回転の速度はテスト光学表面74上のデータ取得パターンを最適化するように選択することができる。良好な生成モードにおいて速度は異なるが、両者の回転軸22と34は同期して駆動される。作業スピンドル18はプローブスピンドル32が回転される速度よりはるかに高い一定速度において回転するとよい。秩序立った方法にてデータを取得するために、プローブスピンドル軸32の回転駆動部26をマスター/スレイブ関係における作業スピンドル18の一定速度の駆動部20に結合することができる。しかしながらこの実施形態またはここで記述された他のいかなる実施形態においても、1つまたは他の作業スピンドル18または32を所定の調整された連続した位置からデータを集めるために断続的な方法で駆動することができる。例えばプローブスピンドル34は作業スピンドル18の1回転またはそれ以上の回転に従う所定量によって調整することができる。テスト表面74に関するデータはこのように均一に配置された連続弧として収集することができる。
スイングアームプロファイラーモードと称せられる他の動作モードを図5Aと図5Bに示す。ここにおいてプローブスピンドル32の回転軸34は作業スピンドル18の回転軸22に対して90度に方向付けられている。計測軸36はまたプローブスピンドル32の回転軸34に関して90度傾斜している。上述の実施形態と同様に、角度調整器54は回転軸22と34の間の角度調整を行い、ヘッド角度φを90°に設定する。
スイングアームモードにおいては、プローブスピンドル32の回転軸34の周りの変位計測プローブ30の全回転は、変位計測プローブ30と作業スピンドル18の間の干渉効果により不可能である。しかしながら、スイングアームモードは変位計測プローブが計測動作中、ここで凸型テスト表面84として示される光学テスト表面と直接接触した状態に留まることを可能にする。データは全テスト表面84から単一の子午線に沿って変位計測プローブを掃引することによって収集できる。変位計測プローブ30の断続または連続調整はデータ収集のためのテスト表面84の回転と一緒に使用できる。断続調整は所定の緯度に沿ってデータを収集し、連続調整はテスト表面84での途切れることのない螺旋をトレースする。または、変位計測プローブ30はテスト表面84の連続または断続調整と一緒に子午線のシリーズに沿って掃引しても差支えない。
スイングアームプロファイラーモードはまた、特に作業及びツールスピンドル18と32の異なる角度位置からの冗長データによく適合する。例えば、変位計測プローブ30は極緯度から始めてデータの1セットを収集するために第1方向に回転でき、冗長データセットを収集するために極緯度から反対の方向に回転できる。もちろん、対応する角度範囲は固定部16の1つの側から開始して極緯度を通過して固定部16の他の側までのプローブの回転と同じ方向で計測できる。これにより機械設定中の回転軸22と34の整列が容易になり、またエラー分離のための逆技術の使用も容易になる。
生成器モードにおける超半球光学表面の計測を図6に示す。プローブスピンドル32の回転軸34は超半球光学表面94の角度範囲の少なくとも1/4をカバーするヘッド角度φ分、作業スピンドル18の回転軸22に対して傾斜している。しかしながら、回転軸34の周りの変位計測プローブ30の全回転を維持する間に対処できるヘッド角度φの傾斜量(つまりEとE’により示される位置の分)は、作業スピンドル18との干渉により制限される。より広い角度範囲にまたがる超半球テスト表面を計測するために、図7Aと図7Bに示されるスイングアームプロファイラーモードを使用できる。2つの回転軸22と34はお互いに対して直角に方向付けられ、変位計測プローブ30が作業スピンドル18に接触することなく超半球テスト表面98の拡張された角度範囲を掃引することを可能にしている。
球形及び公称球形の非球形光学体を計測するためには、適切なデータ表面を生成するための2つの運動軸しか要求されない。しかしながら、本発明は公称対称軸を有するが球形形状から偏移している非球形光学体についても考察する。データ表面の、テスト表面の所望の形状からのずれは2つの重要な点、つまり空間的(つまり半径方向の偏移)と角度に関する点において明白である。空間的偏移は変位計測プローブ30の要求される計測範囲を増大させる。これは一般的にはプローブタイプを適切に選択することにより対処できる。角度偏移は計測軸36を表面の垂線から傾斜させる。そのような傾斜は計測の規模及びその分解能を変え、より大きなずれは変位計測プローブ30の許容範囲を超える。例えば、その収集のために光の逆反射を要求する光学プローブも存在する。計測軸36に対して大きく傾斜した垂線を有する表面は光を異なる方向へ反射する。同種の制限は機械的プローブにも影響を与え、その場合はプローブの変位は計測方向ではない成分を含む。
本発明は通常は光学テスト表面の公称曲率中心Cを介する計測軸36の方向付けを提供するが、計測軸36は全データ表面上における計測軸36の最大角度偏移を最小限に抑えるために選択された他のプローブ角度α分、傾斜することもできる。テスト表面における変動に対処するためのこのまたは他の設定軸の調整に加えて、運動の付加的軸を使用することができる。例えば、角度調整軸54は回転軸22と34と同期して動作してテスト表面により適切に整合する、より複雑なデータ表面を生成する。更に、2つ以上の異なる設定を使用して同じテスト表面を計測するために計測軸自体の角度調整も含めて、断続的調整をいかなる設定軸に対しても行うことができる。
本発明に従って計測中に付加的な運動を与え、または暫定的な調整をすることは可能であるが、最高の正確度は計測軸の数を最小限に抑え、所望の運動に影響する高い性能の回転軸を利用することにより達成される。たった2つの運動軸を使用するだけで、装置は凸型または凹型形状のいずれにおいても無限大から数ミリメートルの範囲にまたがる基本曲率半径のテスト表面を計測できる。広い空間の角度範囲をカバーする超半球のようなテスト表面は単一の設定により計測できる。装置はまた、そのようなプローブの非正規動作から生じる不確定要素を減少することにより広い範囲のプローブに対処する。
本発明の種々の構成及び動作モードは、計測データ中に現れるシステムエラーを識別し除去するための冗長データの蓄積を提供する。生成モードは特に大量の冗長データの蓄積に適している。スイングアームモードは特にテスト表面の同じ点、しかし回転軸の異なる角度位置からのデータの収集に適している。成長スピンドルのような効果のために生じる計測中のドリフトのようなエラーもまた計測を通じての光学テスト表面の頂点を繰り返し計測することにより除去できる。他の点において収集された冗長データは、改良された正確度及び信頼性を持ってテスト光学表面を計測するために、回転軸のエラー運動及び角度の位置決めエラーを含む他の種類のエラーを除去するために解釈することができる。冗長データはまた統計的変動を最小限に抑えるためにも役立つ。
Claims (10)
- 公称対称軸を有する光学素子の表面を計測する装置であって、
公称対称軸を持つ光学表面を有する光学素子を取り付ける固定部と、
前記光学素子の表面に略垂直な変位を計測するために方向付けられた計測軸を有する変位計測プローブと、
前記光学表面の前記公称対称軸と交差するように方向付けられた第1回転軸の周りを、前記変位計測プローブを前記固定部に関して相対的に回転させる第1回転駆動部と、
前記光学表面の前記公称対称軸に沿って方向付けられた第2回転軸の周りを、前記固定部を前記変位計測プローブに関して相対的に回転させる第2回転駆動部とを具備し、
前記変位計測プローブの前記計測軸は、前記変位計測プローブの前記第1軸の周りの相対的回転が、前記固定部に関して前記変位計測プローブに直線及び回転運動を与えるように掃引半径分、前記第1回転軸からオフセットされており、更に、
前記固定部に関する前記変位計測プローブの相対的運動が、前記変位計測プローブが前記計測軸に沿う前記光学表面の偏移を計測する対象となるデータ表面をトレースするように前記第1及び第2回転駆動部の運動を参照する制御装置を具備することを特徴とする装置。 - 凸型及び凹型光学表面の両方を計測するために前記第1及び第2回転軸をヘッド角の範囲で調整可能なように、角度方向の方向付けを前記第1及び第2回転軸の間でヘッド角度分、変えるための第1角度調整器を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記回転軸の角度方向の方向付けを前記第1回転軸に関してプローブ角度分、変えるための第2角度調整器を更に具備することを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 前記第2回転軸に沿って実質成分を有する第1直線調整軸に沿って、前記変位計測プローブに関して前記固定部を相対的に調整する第1直線調整器と、
前記第2回転軸に垂直な実質成分を有する第2直線調整軸に沿って、前記変位計測プローブに関して前記固定部を相対的に調整する第2直線調整器とを更に具備することを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記計測軸と前記第1回転軸間の半径方向の距離を調整するオフセット調整器を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記制御装置は、前記第1及び第2回転駆動部の同期動作と、前記第1回転軸の周りに完全回転する前記変位計測プローブの回転とを提供することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記制御装置は、前記第2回転軸の周りを前記変位計測プローブに関して前記固定部を連続して相対的に回転させる間、前記第1回転軸の周りに前記固定部に関して前記変位計測プローブを相対的に調整することを提供することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 公称対称軸を有する光学テスト表面を計測する方法であって、
変位計測プローブの相対運動が、前記光学テスト表面が計測される対象となるデータ表面をトレースするように2つの相対的に傾斜した回転軸の周りを前記光学テスト表面に関して前記変位計測プローブを相対的に回転させる工程と、
計測軸が前記データ表面をトレースする間、前記光学テスト表面に略垂直に維持されるように前記2つの回転軸の1つに関して前記変位計測プローブの前記計測軸の方向付けを行う工程とを有してなることを特徴とする方法。 - 前記2つの回転軸が前記光学テスト表面の公称曲率中心において交差するように前記2つの相対的に傾斜した回転軸をそれぞれに関して、及び前記光学テスト表面に関して方向付けする工程と、
異なる公称曲率半径を有する光学テスト表面の範囲を計測するための直交調整軸の周りにおいて前記2つの回転軸をそれぞれに関して角度調整する工程とを更に有することを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 光学テスト表面の範囲に略垂直な前記計測軸を方向付けるための前記1つの回転軸に関して前記変位計測プローブの前記計測軸の角度調整を行う工程と、
前記変位計測プローブの相対的な回転が、
前記2つの回転軸をお互いの所定の関係において駆動し、
前記データ表面を画定するための前記2つの回転軸の回転位置を計測する、
前記光学表面に関する直線及び角度変位の両者を含むように、前記変位計測プローブの前記計測軸を前記1つの回転軸からオフセットする工程とを更に具備することを特徴とする請求項8に記載の方法。
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