JP2019525194A - クロマティック共焦点センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、クロマティック共焦点センサを用いて技術的表面を光学的に測定するための方法および装置に関し、光源（２）からの光は、所定の色収差を有する光学系（４、１４）を介して測定されるサンプルの表面（５）に誘導される。本発明に従って、光源（２）は、放出される波長に関して調整できる。サンプル表面（５）から反射して戻る光は、少なくとも１つの光センサ（７）に誘導され、センサ信号は検出システム（８）を用いて経時で測定され、信号極大の時間が特定される。検出システム（８）は、信号極大の時点における光源（２）の波長から表面（５）の高さＺを得る。

Description

本発明は、クロマティック共焦点センサによる技術的表面の光学的測定のための方法であって、少なくとも１つの光源からの光が、所定の色収差を有する光学系を介して測定されるサンプルの表面に誘導される、方法に関する。

さらに、本発明は、上記の方法を実施するためのクロマティック共焦点センサであって、少なくとも１つの光源を有し、そこからの光が、所定の色収差を有する光学系を介して測定されるサンプルの表面に誘導される、クロマティック共焦点センサに関する。

共焦点測定技術において、通常、共焦点フィルタ、ビームスプリッタおよびレンズを介して測定される表面上に光源からの光の焦点を合わせる。従来、これには、サンプルが配置される測定ステージまたはレンズをＺ方向で上下に移動させる工程、および、焦点が測定される表面に当たる際の正確な瞬間を測定する工程が含まれていた。この光は、共焦点フィルタ（例えばピンホール開口）を介して適切なセンサへ移動される。センサは、表面に正確に焦点が合う際の極大信号を示す。これによって、表面の正確なＺ高さの測定が可能となる。

移動される質量の慣性により、このバージョンの方法ではより高い測定速度を供給することは不可能である。

したがって、走査方法がさらに開発されているが、開発が進むにつれて、機械的要素が依然として含まれるという事実は、これらの方法には限界があるということも意味する。

これらの機械的要素を必要としない方法は、クロマティック共焦点センサを使用する。光源（例えば白色光）のブロードバンドスペクトルは、所定の波長分散を有する光学システムを介してサンプル表面へ移動される。波長分散によって、縦色収差が得られ、それによって、サンプル表面上の所定のＺ位置が、各「光の色」に割り当てられ、したがってサンプルの位相（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）が特定される。したがって、Ｚ方向における機械的走査は最早必要ではない。

クロマティック共焦点センサにおいて、サンプル表面の正確なＺ位置、すなわち位相は、従来はスペクトロメータにより特定される。サンプルにより反射される光がスペクトル的に分析され、主波長がサンプルのＺ位置に対応する。使用されるスペクトロメータラインは、数ｋＨｚのデータ転送速度で読み取られ、高速クロマティック共焦点センサが作製できる。しかしながら、スペクトロメータラインの読出し速度は数ｋＨｚの領域で限界に達し、容易に増大できない。

したがって、本発明は、非常に高速の測定速度が可能となるように、上記のタイプの方法を開発するという目的に基づいたものである。

本発明は、光源が放出される波長に関して調整され、サンプル表面から反射されて戻る光が少なくとも１つの光センサに誘導されるという事実を用いて、センサ信号が経時で測定され、信号極大の強度が特定および評価され、表面の高さＺは信号極大の時点における光源の波長から得られる、上記のタイプの方法を根幹として、上記の目的を達成する。

所定の色収差を有する光学系と組み合わせて光源として用いられる「波長掃引光源（ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ）」の波長を変えることにより、光学系とサンプル表面との間でＺ方向において純粋に光学的な「走査（ｓｃａｎｎｉｎｇ）」が生じる。サンプル表面上に当たる光は、Ｚ領域を介して焦点を合わせられて反射し、最も単純な場合には、信号極大を特定するために使用される光センサとしての高速光ダイオードに当たり、調整可能な光源が、波長の時間依存性の点で使用される検出システムと同期され、信号極大における反射光の波長が、信号曲線の時間ベースの直線から特定され、したがって、サンプルの高さＺが推測される。

光センサは、ポイントセンサの形態を取ってもよい。しかしながら、本発明に従って、光源からの光が複数のビームレットに分けられ、例えば光ダイオードの（直線またはマトリクス）の配列であるマルチチャネルセンサが検出器として使用されることも考えられる。

同様に、複数の光源を用いてもよく、反射して戻る光源からの個々の光が、適切なマルチチャネル光センサによって同時に検出される。

このタイプの同時化により、個々のビームが互いに間隔をあけてサンプル表面上の複数の点を同時に走査するという事実によって、同じ位相の検出がさらに促進されることが可能となる。

本発明に従った方法の可能な実施形態において、光センサの経時変化する信号の分析に用いられる検出システムは、各場合において信号の極値に達するまで経時変化する信号を観察する極値記憶を有し、極値に達すると各場合においてピークインジケータ信号が生成され、これによって、極値の時間が確立されしたがって信号極大に関する光源の波長が確立される。信号の時間ベースの直線が複数の（局所的）極値を有する場合、（絶対的）信号極大は、光源の同調サイクル中に、最も新しく生成されたピークインジケータ信号と関連付けられる。複数の（局所的）信号極大の検出もまた、この方法を用いて可能であり、例えば、本発明に従った方法を用いてサンプル表面上のコーティングの層厚さ分布を特定できる。

光源が放出された波長に関して調整でき、サンプル表面から反射されて戻る光が少なくとも１つの光センサに誘導されるという事実により、センサ信号が検出システムを用いて経時で測定され信号極大の時間が特定され、検出システムは信号極大の時点における光源の波長から表面の高さＺを得るよう構成される、上記のタイプのクロマティック共焦点センサを根幹とする、本発明により上記の目的を達成する。

光源からの光は、例えば、半透明ミラーまたはビームスプリッタとしてのビームスプリッタキューブを介して、所定の色収差を有する光学系に誘導される。光学系を通って反射して戻る光は、光センサまで半透明ミラーを通過し、測定に必須の光のみが、センサの上流に取り付けられる共焦点フィルタ（ピンホール）を通過してよい。そのような配置を用いて、光源がレンズの縦収差のためにサンプルの表面上に焦点を合わせられる波長を発する場合に、センサ上の光は極大となる。周期的にスペクトル的に調整された光源が用いられる場合、センサ信号は、通常の信号ピーク（共焦点ピーク）を示す。レンズの波長およびスペクトル特性が既知の場合、それぞれの測定位置におけるサンプルの高さは、この信号極大が起こる時点から特定できる。

別の可能性が、光ファイバを用いる統合態様の装置の設計にある。この場合、光源、光センサおよび光学系は、光ファイバを用いて互いに連結される。

本発明に特に有利には、レーザを光源として使用する。これらの波長調整可能な波長掃引光源（例えば、ＯｐｔｏＲｅｓ社からのＦＤＭＬ−１３１０）は、１００ｎｍ超のバンド幅で最大１．５ＭＨｚの掃引速度を提供する。しかしながら、原理的には、任意の他の波長調整可能な光源が本発明の方法に適切である。

これらの掃引された光源は、例えば、「Ｈａｎｄｈｅｌｄ ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ａ ＭＥＭＳ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ」Ｃｈｅｎ Ｄ．Ｌｕ，Ｍａｒｔｉｎ Ｆ． Ｋｒａｕｓ，Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ｐｏｔｓａｉｄ，Ｊｏｎａｔｈａｎ Ｊ．Ｌｉｕ， ＷｏｏＪｈｏｎ Ｃｈｏｉ、Ｖｉｊａｙｓｅｋｈａｒ Ｊａｙａｒａｍａｎ，Ａｌｅｘ Ｅ．Ｃａｂｌｅ，Ｊｏａｃｈｉｍ Ｈｏｒｎｅｇｇｅｒ，Ｊａｙ Ｓ．Ｄｕｋｅｒ ａｎｄ Ｊａｍｅｓ Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬ ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ ２９３，２０．１２．２０１３の論文に見られるように、光干渉断層法（ＯＣＴ）において特に医療部門においてすでに使用されている。

上述のように掃引されたレーザがクロマティック共焦点センサと組み合わせて使用される場合、非常に高い測定速度が可能である。測定チャネルごとに毎秒１，０００，０００（３Ｄ）超の測定点が達成される。位相測定中、調査されるサンプルは、光学系に関してＸ／Ｙ方向に、すなわちサンプル表面に向かって光ビームの方向に横に移動され、表面がラスタパターンで走査される。この動きのために、それ自体既知のタイプのＸ／Ｙ位置決め装置が使用できる。

この非常に高い測定データ速度および相応して高速で評価される関連信号のために、センサ信号を電気的に分析する上述のタイプの検出システムが好ましくは使用され、この検出システムは、各ケースで信号の極大に達するまで経時変化する信号を観察する極大値記憶要素を有し、極大に達すると各ケースでピークインジケータ信号が生成され、これを用いて、極大の時間およびしたがって信号極大に関する光源の波長が確立される。信号極大の特定において検出システムが作用する態様は、全体が引用される、独国特許出願第１０ ２０１６ １００ ２６１．６号明細書に記載される。

したがって、複数の信号評価を並行して同時に行うことができ、それぞれの時間信号はマルチチャネル態様で検出でき、検出された極大はマルチチャネル態様で評価される。

達成できる高い測定速度によって、共焦点クロマティック測定技術に新しい領域の用途を展開する。例えば、サンプルが高い供給速度で移動する（シートメタルの圧延、フィルムの延伸）製造工程において、表面検査が可能となる。

測定技術の従来の使用と同様に、本発明に従った高速バージョンもまた、フィルム／層の頂部および底部がセンサの測定範囲内であれば、薄い、透明のサンプルまたは透明のコーティングの厚さのチェックに用いることができる。この場合、サンプルにおいて反射する光は、２つの異なる波長において極大を示す。層厚さは、光極大の間のスペクトル距離から推測できる。

当然ながら、用途の領域のリストは完全ではない。

本発明の例示的な実施形態が、図面を参照してより詳細に以下に説明される。

フリービーム構成における本発明に従ったセンサ配置の略図 ファイバベース構成における本発明に従ったセンサ配置の略図

図１は、一般参照番号１を付されたクロマティック共焦点センサを示す。このクロマティック共焦点センサ１の重要な構成要素は、一方では、参照番号２を付された調整可能な光源、好ましくは適切なレーザ（波長掃引レーザ源）である。調整可能なレーザ２は、この実施例では半透明ミラーであるビームスプリッタ３を介し共焦点フィルタ（ピンホール）６を通してさまざまの波長を有する光を、所定の縦色収差を有するレンズで構成される光学系４へ発する。波長に依存して、光はＺ方向において異なる高さで焦点を合わされ、表示されるだけであるサンプル５へ誘導される。光源の波長は、好ましくは循環的に変動され、焦点は急速シークエンスでＺ方向に走査できる。

レーザが調整されると、所定の波長の光がサンプルの表面に焦点を合わされる。光は、光学系４、半透明ミラー３を介して表面から反射して戻り、さらなる共焦点フィルタ（ピンホール）６を介して光センサ７へ通過し、光センサ７は、経時で測定される信号（ｌ（ｔ））が８で示されるように強度分布を与える個々の光ダイオードでもよい。

レーザ２は、参照番号９で示されるように、光センサ７のセンサ信号を分析する検出システム８と同期され、検出された信号極大は、各ケースにおいてその瞬間にレーザ２の対応波長と関連付けられてもよい。レーザ２と検出システム８との間の同期の結果として、強度曲線の信号極大に属する正確な波長（λ_Ｆ）が特定される。これによって、有色レンズの前方の焦点の位置が波長の関数として知られる場合に、サンプル表面の高さが与えられる。正確性を増大し直線性を改良するために、波長と焦点距離との間の伝達関数をさらに校正してもよい。

図２は、本発明に従ったセンサ配置のファイバベース改良型１０を示す。互いに対応する構成要素は、図１と同じ参照番号でラベルされる。調整可能な光源２は、その出口において光ファイバ１１を介してファイバカプラ１３と連結される。これは次に、さらなるファイバセクション１１を介して、所定の色収差を有するレンズを含む測定ヘッド１４と連結される。さらなるファイバセクション１１を介して、ファイバカプラ１３は光センサ７に連結し、したがってサンプル５において反射される光を受ける。

Claims (14)

1. クロマティック共焦点センサにより技術的表面の光学的測定をする方法であって、少なくとも１つの光源からの光が、所定の色収差を有する光学系を介して測定されるサンプルの表面に誘導される方法において、
   前記光源は、放出される波長に関して調整され、前記サンプル表面から反射して戻る光が、少なくとも１つの光センサに誘導され、前記センサ信号が経時で測定され、信号極大の強度が特定および評価され、前記表面の高さＺは前記信号極大の時点における前記光源の前記波長から得られる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記光源からの光が、複数のビームレットに分けられ、反射して戻る前記ビームレットが、マルチチャネル光センサを用いて同時に検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 複数の光源が使用され、反射して戻る前記光源の個々のビームが、マルチチャネル光センサを用いて同時に検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記光センサの経時変化する信号が検出システムを用いて電気的に分析されて前記信号極大を特定し、前記検出システムが、各ケースで前記信号の極値に達するまで前記経時変化する信号を観察し、該極値に達すると各ケースでピークインジケータ信号が生成され、それによって、前記極値の時間が確立され、前記信号極大に関連する前記光源の波長が確立されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 少なくとも１つの光源（２）を有し、そこからの光が所定の色収差を有する光学系（４、１４）を介して測定されるサンプル（５）の表面に誘導され、
   前記光源（２）は、放出される波長に関して調整でき、前記サンプル表面（５）から反射して戻る光は、少なくとも１つの光センサ（７）に誘導され、前記センサ信号が検出システム（８）を用いて経時で測定され、信号極大の時間が特定され、前記検出システム（８）が、前記信号極大の時点における前記光源（２）の波長から前記表面（５）の高さＺを得るよう構成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法を実施するためのクロマティック共焦点センサ。
6. 前記光センサ（７）が光ダイオードであることを特徴とする、請求項５に記載のクロマティック共焦点センサ。
7. 前記光源（２）からの光が、ビームスプリッタを用いて複数のビームレットに分けられ、反射して戻る前記ビームレットが、マルチチャネル光センサ（７）を用いて同時に検出されることを特徴とする、請求項５または６に記載のクロマティック共焦点センサ。
8. 複数の光源（２）が提供され、反射して戻る前記光源（２）からの個々のビームが、マルチチャネル光センサ（７）を用いて同時に検出されることを特徴とする、請求項５または６に記載のクロマティック共焦点センサ。
9. 前記光源（２）からの光が、ビームスプリッタ（３）を介して所定の色収差を有する光学系（４、１４）へ誘導されることを特徴とする、請求項５から８のいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサ。
10. 前記ビームスプリッタ（３）が半透明ミラーであることを特徴とする、請求項９に記載のクロマティック共焦点センサ。
11. 前記ビームスプリッタ（３）がビームスプリッタキューブであることを特徴とする、請求項９に記載のクロマティック共焦点センサ。
12. 共焦点フィルタ（６）が光センサ（７）の上流に配置されるおよび／または共焦点フィルタ（６）が前記光源（２）の下流に配置されることを特徴とする、請求項５から１１のいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサ。
13. 前記光源（２）、前記光センサ（７）および前記光学系（１４）が、光ファイバ（１１）を介してファイバカプラ（１３）により互いに連結されることを特徴とする、請求項５から１２のいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサ。
14. 前記光源（２）がレーザであることを特徴とする、請求項５から１３のいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサ。

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