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KR20070062527A - 측정 대상물의 다수의 면들을 측정하기 위한 광학 측정장치 - Google Patents

측정 대상물의 다수의 면들을 측정하기 위한 광학 측정장치 Download PDF

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KR20070062527A
KR20070062527A KR1020077006584A KR20077006584A KR20070062527A KR 20070062527 A KR20070062527 A KR 20070062527A KR 1020077006584 A KR1020077006584 A KR 1020077006584A KR 20077006584 A KR20077006584 A KR 20077006584A KR 20070062527 A KR20070062527 A KR 20070062527A
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KR
South Korea
Prior art keywords
measuring device
optical
beam splitter
lens
optical measuring
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020077006584A
Other languages
English (en)
Inventor
요헨 슈트레래
Original Assignee
로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 로베르트 보쉬 게엠베하 filed Critical 로베르트 보쉬 게엠베하
Publication of KR20070062527A publication Critical patent/KR20070062527A/ko
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Abstract

본 발명은 광학 소자 장치를 이용하여 측정 대상물(5)의 다수의 면들을 측정하기 위한 광학 측정 장치에 관한 것이다. 측정될 제 1 면(5)은 예컨대 좁은 가이드 보어의 내벽일 수 있는 한편, 측정될 제 2 면(10)은 가이드 보어의 단부에 위치 설정된, 밸브 시트의 쐐기형 섹션으로 형성될 수 있다. 측정 장치(1)로서 적어도 하나의 빔 스플리터(20;20a) 및 렌즈 장치(25)는, 빔 스플리터(20;20a)에 입사하는 광 빔(35)의 제 1 부분(30)이 측정 대상물(10)의 제 1 표면(5)에 수직으로 향하고, 빔 스플리터(20;20a)에 입사하는 광 빔(35)의 제 2 부분(40)은 빔 스플리터(20;20a)의 하부에 위치한 렌즈 장치(25)에 부딪히고 렌즈 장치(25)를 통해 제 2 표면(40)에 대해 수직으로 항한다.
측정 대상물, 측정 장치, 빔 스플리터, 광 빔, 렌즈 장치

Description

측정 대상물의 다수의 면들을 측정하기 위한 광학 측정 장치{Optical measuring device for measuring several surfaces of a measuring object}
본 발명은 광학 소자 장치를 이용하여 측정 대상물의 다수의 면들을 측정하기 위한 광학 측정 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 측정 대상물용 렌즈로서 광학 측정 장치의 용도에 관한 것이다.
간섭 장치는 다양한 측정 대상물의 표면을 무접촉으로 조사하는데 특히 적합하다. 조사될 대상물의 표면 윤곽을 검출하기 위해 간섭계의 광원으로부터 나온 대상물 빔은 측정될 영역의 표면에 부딪힌다. 표면으로부터 반사된 대상물 빔은 간섭계의 검출기에 제공되고, 기준 빔과 함께 간섭 패턴을 형성하고, 상기 간섭 패턴으로부터 2개의 빔의 광로 길이 차가 유도된다. 2개의 빔의 상기 측정된 광로 길이 차이는 표면의 토포그래피 변화에 상응한다.
특히 광원이 짧은 가간섭성 방사선을 방출하는 백색광 간섭계에 의해, 깊이 스캐닝을 이용하여 측정 대상물을 스캐닝하는 것이 가능하다. 예컨대 비공개 특허 명세서 DE 103 25 443.9에 기술된 바와 같이, 짧은 가간섭성 방사선은 광 분배기를 통해 대상물 빔 및 기준 빔으로 나뉜다. 측정될 대상물 표면은 렌즈를 통해 이미지 기록 장치, 예컨대 CCD 카메라(charge coupled device - camera)에 이미지화되 고 기준 빔에 의해 형성된 기준파에 의해 중첩된다. 깊이 스캐닝은 측정 장치에 대한 기준 빔을 반사하는 기준 거울 또는 렌즈의 이동에 의해 실행될 수 있다. 대상물의 이동시 대상물의 이미지 평면과 기준 평면은 동일한 평면에 있다. 깊이 스캐닝 동안 대상물이 CCD 카메라의 시야에 머무르고, 대상물은 깊이 축선 내에서만 기준 평면에 대해서 이동된다. 이러한 방식으로, 깊이 분해능을 갖는 기술적 표면 측정은 몇 나노미터 범위로 측정될 수 있다. 상기 측정 방법에 대한 기술적 근거는 논문 "간섭 레이더에 의한 거친 표면의 3차원 감지, Three-dimensional sensing of rough surface by coherence radar" (T. Dresel, G.Haeusler, H. Venzke, Appl. Opt. 31(7), p.919-925, 1992)에 제시된다.
측정 대상물의 측정될 표면이 하나의 편평한 평면이 아니면, 측정 대상물의 측정을 위한 특수 렌즈가 필요하다. 그 이유는 각각의 측정 과정에서, 빔은 스캐닝시 측정될 표면에 대해 가급적 수직으로 부딪혀야 하기 때문이다. DE 101 31 778 A1에 예컨대 만곡된 표면도 측정할 수 있는 광학 소자 장치가 공지되어 있다. 예컨대 상기 간행물의 도 1c는 거기에 제안된 파노라마 렌즈에 의해 실린더 또는 보어의 내부면과 같은 접근이 어려운 측정 표면이 어떻게 측정될 수 있는지를 도시한다. 파노라마 렌즈 내의 편향 프리즘에 의해 빔은 보어의 내부면에 수직으로 편향된다. 다른 실시예에서 파노라마 렌즈는, 상기 간행물의 도 1d에 도시된 바와 같이 보어의 이행 영역에서 내부 쐐기면에 대해 설계될 수 있다. 특수 렌즈에 의해, 렌즈에 부딪히는 평행한 빔이 대상물 측면에서 쐐기면에 대해 수직인 빔으로 변환되는데, 즉 빔이 펼쳐진다. 실제로, 2개의 표면, 즉 보어의 내부면 및 보어 가 더 좁아짐으로써 나타나는 내부 쐐기면이 동시에 측정될 수 있는 것이 바람직하다. 상기의 요구 조건은 예컨대 쐐기형 밸브 시트에 대한 가이드 보어의 위치가 측정될 때 발생한다. 선행기술에 따라 2개 또는 다수의 파노라마 렌즈는, 동시에 표면 영역의 외부에서 적어도 하나의 다른 표면 영역에 의해 평평한 이미지가 형성될 수 있도록 배치되고 설계된다. 또한, 기준광 경로에서 상이한 광학 경로 길이를 형성하기 위한 다른 표면 영역의 개수에 상응하게 적어도 하나의 다른 기준 평면이 배치될 수 있다. 따라서, 공간적으로 분리된 밸브 시트에 대한 가이드 보어의 위치가 측정될 수 있다.
하나의 렌즈에 의해서 2개의 표면의 측정은 불가능하다. 선행기술에 따라 편향 거울(도 1c) 및 빔을 펼치는 렌즈(도 1d)를 포함하는 2개의 실시예들의 간단한 조합은 효과가 없는데, 그 이유는 2개의 광학 소자를 조립하는 순서에 따라 빔이 보어의 내부면 및 내부 쐐기면만을 측정할 것이기 때문이다.
청구범위 제 1 항에 제시된 특징을 갖는 본 발명에 따른 광학 측정 장치는 선행기술과 달리, 측정 대상물의, 접근이 어려운 다수의 면의 측정이 가능하다는 장점을 갖는다. 특히 바람직하게 보어의 쐐기면 및 내부면과 같은 상이한 측정면이 신속하고 측정 장치의 변경없이 측정될 수 있다. 광학 측정 장치는 측정 대상물을 위한 특수 렌즈로서 공지된 간섭계의 측정 구조에 또는 자동 포커스 센서에 사용될 수 있다.
간섭 측정 장치의 바람직한 개선이 종속 청구항에 제시되고 상세한 설명에서 설명된다.
본 발명의 실시예들은 도면 및 하기 설명부에 의해 상세히 설명된다.
도 1은 측정 장치 내의 광학 소자의 장치의 제 1 실시예.
도 2는 측정 장치 내의 광학 소자의 장치의 제 2 실시예.
도 3은 특수 렌즈로서 본 발명에 따른 측정 장치를 포함하는 간섭 측정 구조.
도 4는 2중 자기 상관 함수 도표(correlogram)를 위한 평가 소프트웨어를 포함하는 이미지 기록 장치.
광학 소자 장치를 포함하는 본 발명에 따른 측정 장치(1)의 제 1 실시예가 도 1에 도시된다. 상기 실시예에서 측정 대상물(15)로서 가이드 보어가 도시되고, 상기 보어의 직경은 이행 영역에 걸쳐 일정하게 더 높은 값에서 일정하게 더 낮은 값으로 변경된다. 이행 영역 자체는 보어의 일정한 협소부를 포함하고, 따라서 내부 쐐기면의 섹션의 면 형태가 형성된다. 상기의 디자인은 쐐기 형태, 즉 원추형으로 형성된 밸브 시트를 포함하는 가이드 보어의 디자인에 상응한다. 내벽은 제 1 면(5)에 상응하고 쐐기형 밸브 시트는 측정될 측정 대상물(15)의 제 2 면(10)에 상응한다. 가이드 보어 및 쐐기형 밸브 시트의 내벽을 측정하기 위해 본 발명에 따라 광학 소자로서 적어도 하나의 빔 스플리터(20) 및 렌즈 장치(25)가 제공되고, 빔 스플리터(20)에 입사하는 광 빔(35)의 제 1 부분(30)은 측정 대상물(15)의 제 1 면(5)에 수직으로 향하고, 빔 스플리터(20)에 입사하는 광 빔(35)의 제 2 부분(40)은 빔 스플리터(20) 하부에 위치한 렌즈 장치(25)에 부딪히고, 렌즈 장치(25)를 통해 제 2 면(10)에 수직으로 향한다. 빔 스플리터(20)는 빔 스플리터(20)에 입사하는 광 빔(35)의 제 1 부분을 바람직하게 입사 방향에 대해 수직으로 편향시킨다. 빔 스플리터(20)에 입사하는 광 빔(35)의 제 2 부분(40)은 편향되지 않고 렌즈 장치(25)를 향한다.
광 빔(35)이 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(40)으로 나뉠 수 있도록 하기 위해, 빔 스플리터(20)는 반투명이다. 즉, 광 빔(35)의 제 1 부분(30)은 빔 스플리터(20)에서 반사되는 한편, 제 2 부분(40)은 빔 스플리터(20)를 투과한다. 도 1에서 빔 스플리터(20)는 반투명 프리즘이다. 측정 대상물(15)의 축대칭 형태에 따라 빔 스플리터(20), 이 경우 프리즘 및/또는 렌즈 장치(25)도 축대칭 형태를 갖는다. 렌즈 장치(25)는 광 빔(35)의 제 2 부분(40)을 원추형으로 펼치므로, 상기 빔은 모든 위치에서 쐐기형 밸브 시트에 수직으로 부딪힌다. 빔 스플리터(20)에 의해 나뉘어진 광 빔(35)의 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(40)은 측정 대상물(15)의 제 1 면(5) 또는 제 2 면(10)에서 측정 장치(1)의, 광 빔이 입사하는 대상물로부터 먼 측면을 향해 재반사된다.
광학 소자들은 일반적으로 망원경(45), 특히 망원경(45)의 방출 영역 내에 배치된다. 광 빔(35)의 제 1 부분(30) 또는 제 2 부분(40)이 망원경으로부터 방출되거나 또는 각각의 반사 후에 다시 망원경 내로 들어가는 지점에서, 망원경은 광 투과성 재료로 이루어지거나 또는 홈 형성을 위해 완전히 생략된다. 명확함을 위 해 광 투과성 재료 또는 홈은 도면에 도시되지 않는다.
도 2에 측정 장치(1)의 제 2 실시예가 도시된다. 상기 실시예는, 빔 스플리터(20a)가 중공 콘으로 형성되는 점이, 제 1 실시예와 다르다. 즉 빔 스플리터(20a)는 축대칭 프리즘 형태의 홈을 갖는 반투명 디스크이다.
측정 장치(1)는 공지된 간섭계, 특히 백색광 간섭계의 측정 구조에서 측정 대상물(15)용 특수 렌즈로서 사용하기에 적합하다. 마이켈슨에 따른 측정 구조는 도 3에 도시되고 그 측정 원리는 공지되어 있다. 즉, 백색광 간섭 측정법(짧은 가간섭성 간섭 측정법)에서 광원(50)은 짧은 가간섭성 방사선을 방출한다. 광은 간섭계의 빔 스플리터(55)에 의해 기준 빔(60) 및 대상물 빔(65)으로 나뉜다. 간섭계의 빔 스플리터(55)는 측정 장치(1)의 빔 스플리터(20a)와 다르다. 기준 빔(60)은 기준 광 경로에 배치된 기준 거울(70)에 의해 계속 반사되고 빔 스플리터(55)를 통해 다시 이미지 기록 장치(75), 바람직하게 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라(complementary metal oxide semiconductor camera)에 도달한다. 거기에서 기준 빔(60)의 광파는 대상물 광 경로에 배치된, 본 발명에 따른 특수 렌즈를 통해 측정 대상물(15)의 제 1 면(5) 및 제 2 면(10)으로 편향되어 반사된 대상물 빔(65)의 광 파와 중첩된다. 전술한 바와 같이, 2개의 면의 측정을 가능하게 하기 위해, 대상물 빔(65) 또는 측정 장치(1)의 빔 스플리터(20, 20a)에 입사하는 광 빔(35)은 본 발명에 따라 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(40)으로 나뉜다. 물론, 자동 포커스 센서 또는 레이저-, 헤테로다인- 또는 그 밖의 간섭계의 측정 구조 내에서도 특수 렌즈로서 측정 장치(1)를 사용하는 것이 가능하다.
측정시 측정 대상물(5)에 대한 측정 장치(1)의 상대 이동 또는 그 반대 이동이 바람직하게 방지된다. 따라서, 측정 장치(1)는 중간 이미지를 갖는 간섭계의 특수 렌즈로서 특히 적합하다. 중간 이미지를 형성할 수 있는 가능성을 가진 이러한 간섭계는 선행기술에 공지되어 있다.
또한, 측정 대상물(15)의 제 1 면(5) 및 제 2 면(10)의 측정시 2개의 면들(5, 10)이 이미지 기록 장치(75)에 동시에 포커싱되지 않는 것이 중요하다. 2개의 면들(5, 10)로부터 반사되고 이미지 기록 장치(75) 내로 전환된 빔들은 공통의 간섭 이미지로 중첩되어 측정값을 왜곡시킬 수 있다. 따라서, 제 2 면(10)이 간섭 영역 내로 들어가서 스캐닝 되기 전에, 제 1 면이 간섭 영역으로부터 나올 때까지 먼저 제 1 면(5)이 스캐닝된다. 면들(5, 10)은 물론 반대 순서로도 스캐닝될 수 있다. 이미지 기록 장치(75) 내에서 광 빔(35)의 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(40)이 중첩되는 것을 방지하기 위해, 광 빔(35)의 가간섭성 길이에 대한 측정 장치(1)의 광학 소자의 배치에 주의해야 한다. 파열(wave train)의 가간섭성 길이란, 간섭에 필요한 중첩부에 대한 연결 길이이다. 따라서, 측정 장치(1)의 광학 소자들은 상기 중첩 조건을 고려하여, 입사하는 광 빔(35)의 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(40)의 광학 경로가 적어도 광 빔(35)의 가간섭성 길이의 크기에 있어서 상이하도록 배치된다. 백색광 간섭계의 경우 가간섭성 길이의 전형적인 값의 범위는 약 2 내지 14 ㎛ 인 한편, 약 1570 ㎛ 의 파장을 갖는 헤테로다인-간섭계의 경우에 약 80 ㎛ 의 가간섭성 길이가 주어진다.
광 빔(35)의 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(40)에 대해 상이한 파장을 갖는 측 정 장치(1)의 배치에 대한 대안으로 또는 추가적으로, 이미지 기록 장치(75) 내에서 2개의 부분 빔(30, 40)의 중첩은, 투과- 및 반사 특성을 의도적으로 변경시키기 위해 빔 스플리터(20, 20a)가 전기 또는 자기적으로 제어될 수 있음으로써 방지될 수 있다. 따라서, 광 빔(35)의 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(40)의 광 경로가 일시적으로 사라진다.
이와 관련하여, 2중 자기 상관 함수 도표(80)에 대한 평가 소프트웨어를 갖는 이미지 기록 장치(75)를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 광학 측정 장치(1)는 측정 대상물(15)의 다수의 면들(5, 10)의 측정을 가능하게 하기 때문에, 이미지 기록 장치(75)는 상이한 면에 의해 반사된 부분 빔이 상응하게 분리되어 평가되어야 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이미지 기록 장치(75)에 형성된 간섭 패턴은 그 강도(85) 및 위치(90)에 따라 별도로 평가되므로, 평가 소프트웨어에 의해 2개의 연속하는 자기 상관 함수 도표(95, 100)가 형성된다.
요약하면, 측정 장치(1) 내에서 광 빔(35)을 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(40)으로 분할함으로써 측정 대상물(15)의 다수의 면들(5, 10)의 측정이 가능해진다. 광학 소자 장치는 특히 단 하나의 측정 장치(1)로 실린더의 내부면의 측정 및 원추형 면의 측정을 가능하게 한다.

Claims (10)

  1. 광학 소자 장치에 의해 측정 대상물(15)의 제 1 면(5) 및 제 2 면(10)을 측정하기 위한 광학 측정 장치(1)에 있어서,
    광학 소자로서 적어도 하나의 빔 스플리터(20;20a) 및 렌즈 장치(25)는, 상기 빔 스플리터(20;20a)에 입사하는 광 빔(35)의 제 1 부분(30)이 측정 대상물(10)의 제 1 면(5)에 수직으로 향하고, 상기 빔 스플리터(20;20a)에 입사하는 광 빔(35)의 제 2 부분(40)은 상기 빔 스플리터(20;20a) 하부에 위치한 상기 렌즈 장치(25)에 부딪히고 상기 렌즈 장치(25)를 통해 제 2 면(10)에 수직으로 향하게, 배치되는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 다수의 표면을 측정하기 위한 광학 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 스플리터(20;20a)는 상기 빔 스플리터(20;20a)에 입사하는 광 빔(35)의 제 1 부분(30)을 입사 방향에 대해 직각으로 편향시키고 및/또는 상기 빔 스플리터(20;20a)에 입사하는 상기 광 빔(35)의 제 2 부분(40)을 편향 없이 상기 렌즈 장치(25)로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 다수의 표면을 측정하기 위한 광학 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 빔 스플리터(20;20a)의 투과 및 반사는 전기 또는 자기적 제어에 의해 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 측정 대상물 의 다수의 표면을 측정하기 위한 광학 측정 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 스플리터(20;20a)는 프리즘 또는 중공 콘인 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 다수의 표면을 측정하기 위한 광학 측정 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 스플리터(20;20a) 및/또는 상기 렌즈 장치(25)는 축대칭 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 다수의 표면을 측정하기 위한 광학 측정 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈 장치(25)는 입사 광 빔(35)의 제 2 부분(40)을 원추형으로 펼치는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 다수의 표면을 측정하기 위한 광학 측정 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 소자들은 망원경(45) 내에, 특히 상기 망원경(45)의 방출 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 다수의 표면을 측정하기 위한 광학 측정 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 소자들은, 상기 입사 광 빔(35)의 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(40)의 광 경로가 적어도 상기 광 빔(35) 가간섭성 길이의 크기에 있어서 상이한 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 다수의 표면을 측정하기 위한 광학 측정 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 광학 측정 장치(1)의 용도로서,
    상기 광학 측정 장치(1)는 공지된 간섭계, 특히 레이저-, 헤테로다인-, 또는 백색광 간섭계의 자동 포커스 센서의 측정 구조에서 측정 대상물(15)용 특수 렌즈로서 사용되는 것을 특징으로 하는 광학 측정 장치의 용도.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 광학 측정 장치(1)는 2중 자기 상관 함수 도표(80)를 위한 평가 소프트웨어를 갖는 이미지 기록 장치(75)와 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 광학 측정 장치의 용도.
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