JP4672255B2 - ワークピース表面を研磨する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークピース表面の加工対象領域が研磨作業の影響下で加工されるワークピース表面の加工方法に関する。

このような方法は、広く知られており、しばしば、例えば、ガラス製のレンズまたは窓ガラス、クォーツまたはＢＫ７などの屈折型光学部品、および、金属またはセラミック製の、鏡のような反射型光学部品のような光学部品の表面を研磨するため使用される。従来の研磨方法は、研削テンプレートおよび研削ペーストを用いる研磨の他に、一般的に、ＳＰＤＴ（シングルポイントダイヤモンド旋削）、ＣＣＰ（コンピュータ制御研磨）、ＭＲＦ（磁気レオロジー仕上げ加工）、ＦＪＰ（流体ジェット研磨）およびＥＥＭ（弾性放射加工）、ＩＢＦ（イオンビーム加工）およびＩＢＰ（イオンビーム研磨）のような材料除去技術である。

従来の作業に伴って生じる問題は、表面が非常に優れた形状精度をもつワークピースを製造するためには、かなりの時間を費やすということである。その主な原因は、多くの場合に、加工中にワークピースの形状を測定することができないことにある。特に、非球面光学表面を製造するとき、反復プロセスにおける研磨作業は、毎回、別個の測定作業においてワークピースを測定するために中断しなければならない。しばしば、測定作業は別個の測定環境で行われるので、そのたびに、ワークピースをクランプし直さなければならない。ドイツ国１９８５５４５５号に、請求項１および１２の前提部分が開示されている。

本発明は、上記の利点を維持しながら上記の欠点を回避する、ワークピース表面、特に、光学ワークピース表面を加工する方法を企図する。

そのため、本発明は、ワークピース表面を加工する方法を提供し、この方法によれば、研磨作業の影響下で、ワークピース表面の加工対象領域が加工され、加工中に、加工対象領域のワークピース表面にしっかりと連結された基準領域に対する変位は、時間に亘って、測定ビームと基準ビームの間の位相差を追跡し、それを基準領域に対する変位に変換することによって監視され、その際に、間隔（−π、π）に収まるように測定間の位相差の変化を選択することにより、総変位が加算によって獲得できる。加工中に、干渉分光によって、ワークピース表面にしっかりと連結された基準領域に対する加工対象領域の変位を監視することによって、ワークピースの形状変化は加工中に監視可能であり、別個の測定作業のためにワークピースのクランプとアンクランプを頻繁に行うことなく、非常に高い表面形状精度が実現できる。加工対象領域と基準領域との間の堅い結合によって干渉分光による信頼できる測定が可能になり、同時に、加工対象領域の基準領域に対する相対移動だけを監視することによって干渉分光の使用法が簡単になる。

有利には、基準領域はワークピース表面の一部を形成する。しかし、基準領域は、クランピング装置のようにワークピース表面にしっかりと連結された異なる物体の一部でもよい。

加工対象領域の変位は、ワークピース表面の１点を追跡することにより監視できるが、加工対象領域の数点を追跡することによって監視してもよい。勿論、加工対象領域の外側にあるワークピース表面の部分を走査し、例えば、ワークピース全体の変形を監視してもよい。本発明の有利な一実施形態によれば、ワークピースは、加工中に、固定式に配置され、加工対象領域は、ワークピース表面の比較的小さい部分であり、加工中に、ワークピース表面に対して実質的に横方向に動く。このような作業は、固定式に配置されたワークピースを、流体ジェット研磨を用いて局部的に加工し、ワークピース表面上の流体ジェット入射に対応した加工対象領域の幅と少なくとも同じ大きさの幅を有するレーザー光のビームを、加工対象領域を介して、反射ビームの幅に対応した幅を有するＣＣＤのような感光画素アレイの上に反射することによって、非常に巧く実行される。勿論、加工中に、加工対象領域が、回転またはミリング作業中のように、ワークピース表面上を移動してもよい。このようなケースでは、例えば、ワークピースの回転毎に、加工対象領域の基準領域に対する動きを測定することができる。

有利には、二つのコヒーレント光ビームの干渉分光を使用するとき、第１の光ビームは加工対象領域で反射され、第２の光ビームは基準領域で反射される。

しかし、本発明の状況では、基準領域は測定領域の一部を形成してもよい。それに加えて、或いは、それに代えて、この状況では、ビームは、加工対象領域および加工対象領域に隣接した基準領域に部分的に入射するような幅を有する方が有利であり、その結果として、加工対象領域の変位は、測定ビームに位相の変化を生じさせる。このような位相変化は、例えば、反射ビームをシフトすることによって、または、反射された部分ビームから零位相ビームを作成することによって検出できる。

有利には、反射後、ビームは混合され、干渉するビーム間の位相差が測定され、連続した測定から、連続した測定の干渉するビーム間の位相差の変化が決定され、それに基づいて、加工対象領域の基準領域に対する変位が決定される。

極めて有利には、連続した測定間の時間間隔は、干渉するビーム間の位相差の変化が−πとπの間に収まるように選択される。このようにして、ビーム間の位相差の変化は、いわゆる２πのあいまいさを伴うことなく、時間に応じて追跡できるので、加工対象領域の変位は、位相差から直接導出可能である。２回の連続した測定の間で決定された、加工対象領域の変位を合算することにより、加工対象領域の基準領域に対する総相対移動量が正確に監視され得る。

研磨作業は、好ましくは、ＳＰＤＴ、ＣＣＰ、ＭＲＦ、ＦＪＰ、ＩＢＦおよびＩＢＰのような金属除去作業である。

有利には、干渉分光の目的のため、測定前に、ワークピース表面は、少なくとも加工対象領域付近で、切り屑または研磨液のような偽の反射を誘起する汚染物が取り除かれる。有利には、ワークピース表面は、少なくとも加工対象領域付近で、圧縮空気を用いてブロー清掃される。

有利には、ワークピースが透明であるとき、少なくとも第１の光ビームは、ワークピースに隣接している加工対象領域の両側で、ワークピースを通過して、反射され得る。このようにして実現できることは、ワークピース表面の変位の監視が研磨ツールによって妨げられず、したがって、連続した方法で実行できるということだけではなく、簡単な方法で、干渉分光に関連した部品が、加工対象領域付近のワークピース表面に近接しているスクリーンを用いて、加工を行う領域から保護されることである。

有利には、少なくとも一つのビームは、ワークピース表面に隣接し、ワークピース材料の屈折率と実質的に同等の屈折率を有する流体によって、ワークピースに隣接しているワークピース表面側に案内される。このような適合している流体を用いることによって、ビームは流体からワークピースへ実質的に真っ直ぐ入射させられる。好ましくは、第１の光ビームは、ワークピースに隣接している加工対象領域側に、全反射に対する臨界角よりも大きい角度αで入射する。このようにして、加工対象領域で反射される光の量を最大にすることが可能であり、ワークピース表面を通過する光が、反射して干渉を生じることは阻止できる。

本発明は、更に、研磨ツールおよび測定ツールを有する加工装置に関し、測定ツールは、干渉分光計を含み、更に、請求項１２に記載された特徴に従って構成されている。研磨ツールは、ＳＰＤＴ用のダイヤモンドツール、または、ＣＣＰ用の研磨パッドのように実質的に形状を維持するものでもよいが、ＭＲＦおよびＦＪＰの場合のように流体でもよい。

本発明の更なる有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
尚、本出願との関連において、研磨作業は、少なくとも当然に、材料を取り除く、または、取り除かない表面作業を意味し、表面の初期状態は、光が干渉分光に適した様態で、表面上で反射されるような状態である。

更に、この関連では、加工中に、加工対象領域の変位を（連続して）監視することには、ワークピース表面が加工されている間に変位を監視することだけではなく、ワークピースが機械にクランプされたままの状態である間に、表面を加工する期間と期間の間に変位を（断続的に）監視することも当然に含まれることに注意すべきである。

更に注意すべきことは、この関連では、互いにコヒーレントな関係にある光ビームとは、それらの波面に関して、加工対象領域または基準領域での反射前の光ビームの間に既知の一定の関係があり、かつ、時間に応じた位相に関して、ジャンプは生じない、ということを当然に意味することである。このような、互いにコヒーレントな関係にある光ビームは、振幅または波面スプリットにより単一コヒーレント光ビームを分割することによって簡単に実現できる。

更なる好ましい一実施形態では、上記方法は、
測定領域に光ビームを照射し、ビームを反射または透過させるステップと
透過または反射したビームを分割するステップと、
差分位相が２πの範囲内に保たれるように、分割されたビームの相対的な位相を変化させるステップと、
分割されたビームを相互に混合し、分割されたビーム間の差分位相を示すフリンジパターンを観測するステップと、
差分位相から光路長差を計算するステップと、
光路長差を対象物の輪郭変化に関連付けるステップと、
を含む。

上記の方法は、反射または透過したビームに含まれる位相情報が、測定領域の場所に基準ビームを生成するために必要な別個の補助光学系を用いることなく、反射または透過したビームから回収される点が有利である。即ち、再混合されたビームのフリンジパターンを解析することにより、輪郭変化の結果としてのビームの位相変化を、加工ステップ、または、測定領域の場所におけるその他の影響から生じる外部要因を干渉させることによって殆ど乱されない低振動環境内で決定できる。なぜならば、これらの要因は、両方のビームに同等に組み込まれ、位相減算の際に取り除かれるからである。その結果として、環境外乱は測定に殆ど影響を与えない。かくして、より簡単な方法で、より高品質の測定を実行することが可能である。

この技術は、例えば、Ｈ． ｖａｎ Ｂｒｕｇ著の“Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｈｅａｒｏｇｒａｐｈｙ ｓｙｓｔｅｍｓ"， Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ．３７（２８）， ｐｐ．６７０１−６７０６， １９９８に記載されているように、時間的な位相アンラップ技術（ＴＰＵ）を利用する。この技術は、毎回、２πの範囲内に収まる位相変化に一致するインクリメンタル位相測定を実行し、これらを時間に亘って合算することにより、位相像を、時間に亘って分解した状態に保つことができる。

好ましい一実施形態では、分割されたスプリットビームの位相は、測定領域の形状が変化するように、ビームと測定領域の相対運動を行うことにより変えられる。測定領域の形状を変化させることにより、ビームの位相像が変化する。走査運動を用いて本発明の方法に従って位相変化を検出することにより、例えば、対象物を固定し、ビームに走査運動をさせることにより、および／または、逆に、光ビームを固定し、対象物が少し移動することにより、ビームの位相変化が実現され、毎回、零位置から、その零位置に対する輪郭変化を位置合わせすることができる。ＴＰＵを用いて、毎回、位相を時間的に分解された状態に保つことによって、対象物の外形は、走査を行うことにより、任意の広さの走査平面に亘って解析することができる。

更なる一実施形態では、所定の位相面を生成する光学位相フィルタをスプリットビームの一方に置くことにより、位相を変化させることができる。この位相フィルタは回折スポットのサイズのピンホールでもよく、その結果、位相面は零フロントである。勿論、この零フロントは、特定の輪郭に対応した許容可能な分解能を有するフリンジパターンを得るための、ホログラム、または、異なる位相光学によって変更可能である。例えば、一実施形態では、零フロントは、望ましい所定の輪郭を検出するため、フリンジパターンを用いて、正確に零に調整することができる位相光学系によって形成される。ピンホールは、光軸上で、ビームの小さい一部分を通過させる。その結果として、実質的に平坦な位相フロントを有する点光源がシミュレーションされる。したがって、位相フィルタによって、零位相ビームが送出され、その零位相ビーム自体は、光学系によって導入された外乱および光路長差を正確に伝える。これらの外乱は、反射または透過ビームとの干渉によって除去されるので、正確に、輪郭変化の結果による光路差変化によって生じた位相外乱が検出される。

好ましい一実施形態では、ビームは、測定領域内の高さが異なる少なくとも二つの場所が照射されるような径を有し、上記方法は、シフトさせられたビーム間の差分位相が２πの範囲内に収まるように、上記の場所の間の接続線に沿って測定ビームをそれ自体に対してシフトするステップと、差分位相の積分によって、対象物の輪郭変化に関連付けられた光路長差を計算するステップと、を更に有する。シフト技術自体は、特に、当業者に「シアリング」として公知であることに注意する必要がある。

このシアリングの適用の有利な実施形態では、上記方法は、回転ミラーを用いてスプリットビームを回転させるステップと、回転の結果として、互いに対してある角度で伝わるスプリットビームをレンズに投射するステップと、回転ミラーの角度変位に対応したビームのシフトの結果として、レンズの焦点面内のフリンジパターンを観測するステップと、を含む。ミラーの回転を制御することにより、位相シフトの１次微分に対応するフリンジパターンが形成される。位相角を調べることにより、この１次成分は位相像に分解可能であり、この位相像は、上記の実施形態を参照することにより、対象物の輪郭変化に関連付けられる。

好ましくは、測定ビームは、かなり小径の平行光ビームであり、測定領域は、この測定ビームの径よりも小さい寸法を有する。

他の実施形態では、反射した測定ビームは散光ビームでもよい。一変形例では、測定ビームは均一な平行ビームでもよく、一方、測定表面はマット層が設けられ、反射ビームは散光ビームになる。別の変形例では、測定ビームは滑らかな表面で反射させてもよく、一方、測定ビームは散光ビームである。散光ビームとは、所定の方向の範囲内で、垂直方向でランダムな向きに分布するビームである。このような範囲は、一つの中央の主方向、特に、観測光学系へ向かう方向を有する。このような散光源を使用することは、スペックル技術として当業者に既知である。本発明の枠組みでは、この技術は、形状変化がかなり大きい比較的大型の表面を解析できる、という効果を奏する。特に、位相の増分測定により、ランダムな分布の消滅した像が獲得される。なぜならば、位相差像は、通常の均一ビームの場合と同様に、輪郭変化から生じた位相差だけに関連付けられる。

本発明は、対象物上の測定領域の輪郭変化を測定する装置に更に関係する。本発明による装置は、測定領域を照射する光ビームを提供する光源と、光源に対して対象物を位置決めするホルダーと、透過または反射ビームを分割するビームスプリッティング部材と、スプリットビーム間の位相差をセットする位相影響性部材と、スプリットビームを混合するビーム混合部材と、スプリットビーム間の差分位相を示すフリンジパターンを観測する観測部材と、差分位相から光路長差を計算し、光路長差を対象物の輪郭変化に関連付けるプロセッサと、を含む。

以下、図面に示された典型的な実施形態を参照して本発明を更に説明する。

図面は、単に本発明の好ましい実施形態を概略的に表している。図面中、同一または対応する部品は、同じ参照番号によって示される。

以下の例において、研磨作業は流体ジェット研磨装置を用いて行われるが、当業者に明らかであるように、本発明は、様々な材料除去または材料非除去研磨作業と組み合わせても同様に実行することができる。

流体ジェット研磨の技術は一般に知られ、特に、Ｎｅｄｅｒｌａｎｄｓｅ Ｏｒｇａｎｉｓａｔｉｅ ｖｏｏｒ Ｔｏｅｇｅｐａｓｔ Ｎａｔｕｕｒｗｅｔｅｎｓｃｈａｐｐｅｌｉｊｋ Ｏｎｄｅｒｚｏｅｋ−ＴＮＯ ｏｆ Ｄｅｌｆｔ名義のオランダ国特許出願第１００７５８９号明細書よって公知にされ説明されている。その典型的な実施形態に記載されている干渉技術は、ＴＰＵ（時間的な位相アンラップ）として当業者に公知である。

図１から図３を参照すると、流体ジェット研磨装置２として設計された研磨ツールと、レーザー干渉計３として設計された測定ツールと、を有する加工装置１が示されている。この加工装置１は、ワークピース台４を更に含み、そのワークピース台４には、ＢＫ７製のワークピース５がクランプされ、ワークピース５は、流体ジェット研磨装置２のノズルから出る研磨流体のジェット６によって加工可能である。研磨流体は、例えば、９０体積パーセントの水と、各粒子の径が約２０μｍである１０体積パーセントの炭化珪素粒子とのスラリーにより構成され、直径が約１ミリメートルで長さが約１５ミリメートルの円筒形の噴出ノズルによって、約５バールの圧力で、約１０ｃｍの距離から、鋭角的に、ワークピース５に噴出させられ、その結果として、楕円形の加工対象領域７がワークピース表面８に形成される。ワークピース台４および流体ジェット装置２は、中央処理ユニット９により数値制御された台および／またはノズル制御機構（図示せず）によって相対的に移動できるように配置され、これにより、加工対象領域７をワークピース表面８の上で移動させることができる。更に、中央処理ユニット９はレーザー干渉計３に接続される。

レーザー干渉計３はレーザー源（図示されない）を含み、レーザー源の光ビームは光ガイド１０によってスプリッティングキューブ１０Ａへ案内され、スプリッティングキューブ１０Ａでレーザービームは二つの相互にコヒーレントな光ビーム、即ち、ワークピース表面の加工対象領域７で測定ビームとして反射される第１のビーム１１と、ミラー１０Ｂによってワークピース表面８の基準領域へ基準ビームとして反射される第２の光ビーム１２と、に分割される。スプリッティングキューブ１０Ａおよびミラー１０Ｂは、それぞれ、第１のビーム１１および第２のビーム１２を放出する手段を形成する。ワークピースは剛性材料（ＢＫ７）から設計されるので、加工対象領域７は基準領域１３にしっかりと連結されている。

レーザー干渉計３の部品はクランプ装置１４にしっかりと連結され、クランプ装置１４にはワークピース５がしっかりと固定されている。測定ビーム１１を放出する手段１０Ａは、クランプ装置１４に対して並進および／または回転し得るように配置することができるので、加工領域対象がワークピース表面上で移動するときに加工対象領域７を測定ビーム１１で追跡することが可能である。明瞭にする目的のため、これは図面には示されていない。レーザー干渉計３は、更に、反射された測定ビーム１１および反射された基準ビーム１２をフォーカスするための２個の焦点レンズ１６および１７を含む。

更に、反射測定ビーム１１Ｂのパスには、１／２λリターデーションプレートが設けられ、反射測定ビーム１１Ｂの光の偏光を、反射基準ビーム１２Ｂの光に対して９０°回転させる。更に、反射測定ビーム１１Ｂのパスには、ミラー１８が配置され、反射測定ビーム１１Ｂは、このミラー１８によって、スプリットビームを混合する混合素子１９へ案内される。

混合キューブ１９から、互いにコヒーレントな関係にある二つの混合された光ビーム１１Ｃおよび１１Ｃ'が発せられ、偏光子２１および２２を介して、各々がＣＣＤチップ２３および２４の画素アレイに当たる。偏光子２１に到達する前に、第１の混合光ビームは、１／４λリターデーションプレート２５を通過し、１／４λリターデーションプレート２５は第１の混合光ビームを第２の混合光ビームに対して４分の１波長だけ遅らせるので、中央処理ユニット９において、ＣＣＤ２３および２４によって放出される画像信号は、例えば、どちらかの画像をソフトウェア的に鏡映させた後、連続した測定の干渉ビームの間の位相差の変化を決定するため、一方から他方がそのまま減算される。

ＣＣＤの読み出し周波数は、連続した測定と測定の間の干渉ビーム間の位相差の変化が、毎回、−πからπの間であるように、即ち、πと−πを含まないように選択される。

クランプ装置１４は透明流体２５Ａを格納する流体容器２５が設けられ、その透明流体２５Ａの屈折率はワークピース５の材料の屈折率と一致するので、ワークピース表面と隣接した液体との間の境界面上で、光ビーム１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは実質的に真っ直ぐ伝わる。ワークピース５は、裏面でワークピース５が流体２５と隣接するように、クランプ装置１４にクランプされる。図２に示されるように、流体容器２５の壁２６は、光ビーム１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを通すための窓が設けられる。壁２６は、ワークピース台４上で、法線方向に対して僅かに傾けて配置されているので、光ビームは、クランプ装置１４にクランプされたワークピース５のワークピース表面８の加工対象領域に、法線に対して全反射の臨界角よりも大きい角度αで、比較的容易に入射することができる。

クランプ装置には、ワークピース表面８と協働するスクリーン（図示されず）を設けることができ、このスクリーンは、使用中に、加工が行われる領域から干渉計３を保護する。

研磨作業は、中央処理装置９に、例えば、ワークピース５の測定バンクに基づいて判定された実際の外形と比較されるべき、ＣＡＤモデルに規定された外形の、差分外形を入力することにより実行可能である。差分外形に基づいて、多数の加工体積Ｖが定められ、この加工体積は、連続的に、ジェット研磨手段６を用いて、除去加工される。干渉計３を用いることにより、ワークピースの内側付近の加工対象領域側での反射によって、加工対象領域の変位は、ビームが伝搬した経路長の変化から生ずる測定ビーム１１と基準ビーム１２の間の位相差を時間に亘って追跡し、それらを変位に変換することにより、加工方向に沿って、即ち、加工対象領域自体に対して実質的に横方向に監視され得る。測定間の位相差の変化を間隔（−π、π）内で選択することにより、総変位は加算によって明確に獲得できる。

研磨動作の結果として加工対象領域７の変位Δｘが加工体積Ｖを減少させるために必要な変位ΔＸと実質的に対応するとき、研磨剤のジェット６を中断し、次の加工対象領域７を加工することが可能である。差分形状の補正のために必要な変位ΔＸは、測定された外形のワークピース表面と望ましい外形の表面との間での加工の開始方向Ａにおける局所的な距離に一致する。

更に、加工対象領域７の表面状態を検証するため、加工対象領域７で反射されるレーザービームの強度がレーザー粗さ計で測定され、これにより、ワークピース表面８の下側に存在すると考えられる粗さと傷の画像を形成することができる。この技術は、とりわけｉＴＩＲＭとして既知である。この技術において、反射光の強度の増加は、表面の粗さの減少を表す。

このような粗さ測定は、測定ビーム１１および／または基準ビーム１２を用いて実行できるが、干渉計のビーム１１、１２の補助の有無にかかわらず、強度計を備えた別個のレーザー粗さ計からのビームを用いても実行可能である。

尚、この典型的な実施形態では、測定ビーム１１および基準ビーム１２は、ワークピース表面５のワークピースに近接している側で反射し、即ち、内面で反射することに注意する必要がある。しかし、ビーム１１、１２を外面で、即ち、ワークピース表面５のワークピースから遠い方の側で反射させる可能性も非常にある。研磨剤の膜、および、ワークピース材料の遊離した断片のような反射を邪魔する汚染物がワークピース表面５上に存在しないようにするため、加工装置１は、測定前に、ワークピース表面をブロー清掃するエアスプレー（図示せず）を少なくとも加工領域の近くに設けてもよい。

図５を参照すると、レンズのような光学素子として、例えば、反射対象物３０のような対象物の基本セットアップが示され、この対象物は、走査ビーム３２によって測定された特定の輪郭３１を有する。好ましくは、走査ビーム３２は、コヒーレント光ビームであり、それは、対象物３０上での反射のため、一定位相面３３を有し、便宜的に平坦であるとする。その点に関しては、明らかなように、図１１に関して説明されているようなある種のケースでは、平坦ではない位相面に対しても、表面の輪郭はビームの位相像から縮小可能である。図５では、第１の光ビーム３４に関して、第１の高さにある対象物の点で反射するビームの光路が示されている。同図において、この高さは、太線で示された座標系３５の高さゼロによって表現されている。更に、第２の光ビーム３６に関して、第１の点からｄだけ離れている第２の高さにある対象物の点で反射するビームの光路が示されている。最後に、完全性のため、第３のビームの光路３７が示され、この第３のビームも、高さゼロにある点で反射する。図５から明らかであるように、ビーム３２内の異なる光ビームは、表面３１に照射され、対象物３０の輪郭変化によって、ビームの位相変化を実現し、この位相変化は、

によって輪郭変化に関連付けられる。式中、Δφは、零位相に対する位相変化であり（斜線３８で示されている）、λは使用された光波長であり、αは測定が行われた角度を法線に対して表した角度であり、ｄは輪郭変化を表す。

図７を参照すると、反射ビームが零位相ビームと混合されるならば、類似した位相パターン３９（対称的な外乱の場合）がどのように観測されるかがわかる。（この干渉は図１１を参照して更に説明される。）位相変位は、ＴＰＵ技術を用いない場合、本来、モジュロー２πで観測されるので、２πの変わり目に多数の不連続性を有する位相像が形成される。このような変わり目が実際の測定結果で識別することは非常に困難であることは明らかであり、測定された位相図３９の、例えば、図５に示された３８と同様に、輪郭変化によって生じた位相変化に対応した「本当の」位相像への「アンラッピング」は、測定像の干渉、および、位相ジャンプの個数に高く依存する。

図８は、「アンラップ状態」のこのような位相像をＴＰＵ技術によって決定する方法の説明図である。本質的に、この技術は、局所的または一時的に測定された位相変化を２πの範囲内に制限することになるので、事実上、位相ジャンプが現れない。これは、測定を迅速に次々と行なうこと、減少を十分に緩やかに進行させること、または、測定システムに適用される変化を十分に小さくすることを通じて、２回の測定間の表面の変化を十分に小さくすることによって実現される。

その結果として、局所的または時間的位相変化を零位相に対して固定することにより、次の位相を測定するための開始点を選択できる。このようにして、位相像４０は、時間および場所に関して分解されたままであり、測定結果に位相ジャンプが出現しない。図中、これは、位相平面に沿って移動する矢印の方向に輪郭を走査し、同時に、毎回、２πの範囲内に収まる位相変化を決定することを意味する。検出された位相変化は、次の決定を行うための開始点として選択される。位相の増分は、時間に亘って場所毎に合算されるので、位相変化の合計は本質的に分解されたままである。

位相変化を計算する実施形態は、各時点で、位相を計算するため位相ステップ状の像を位置合わせし、続いて、二つの連続した像に対する位相分布を減算する。したがって、位相を分解するため、一事例当たりに最低限の３個の位相ステップ状の像を使用する必要がある。なぜならば、３個の未知量：背景強度、変調強度、および、位相が位相ステップ状の像を決定するからである。

別のアプローチは、相互に分割されたビームを混合し、第２の光ビームは第１のビームよりも４分の１波長だけ遅らせられる。このようにして獲得された像は、例えば、ソフトウェア的な鏡映処理後に、連続した測定の干渉ビーム間の位相差の変化を決定するため、そのまま一方からもう一方が減算される。
このアプローチの場合、最低限の４個の位相ステップ状の像が必要である。

かくして、各時点ｔで、位相階段状の像が位置合わせされる。
Ｉ_０（ｔ）＝Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｍ ｃｏｓ（φ（ｔ）） （２）
Ｉ_π／２（ｔ）＝Ｉ_Ｂ−Ｉ_Ｍ ｓｉｎ（φ（ｔ）） （３）
式中、Ｉ_ＢおよびＩ_Ｍは、それぞれ、背景強度および変調強度である。量φ（ｔ）は、対象物と基準位相の位相差を表す。位相変化は、ｔおよびｔ＋Ｔの一連の取得量の間で、

によって獲得できる。ここで、添字０およびπ／２は、二つの干渉ビームの間の位相ステップを示す。位置合わせされた位相変化は、

によって加算できる。

尚、図７に示された位相は、レンジが２０であり、したがって、実質的に７πである。明らかに、この位相像は、直接観測できないが、例えば、ＴＰＵによる分解によってはじめて計算することができる。

図８は想像上の測定ビームの位相パターンを示す図であり、位相パターンは、例えば、図７に示されるような輪郭変化４０を用いてそれ自体に対して僅かにシフトさせられ、連続線４１と破線４２で表現されている。この技術は、シアリングまたはシフティングとして当業者に既知である。ここで、ビームは、図１２を参照して説明するように零位相ビームと混合されていないので、輪郭、例えば、図７の輪郭４０のような輪郭を獲得できるが、シフト版の反射ビームが伴う。これらのビームが、例えば、カメラの検出面で混合されたとき、図７を参照して説明した零位相ビームとの干渉と同じように、ビーム間の差分位相を表現するフリンジパターンが観測される。差分位相は、位相輪郭の数学的微分として表せる。差分位相が２πのレンジに収まるように位相をシフトすることにより、この差分位相はＴＰＵを用いて分解可能であり、その結果として、図９に関して示されるような位相輪郭４３が得られる。図９の位相輪郭の正の左半分は、図８の連続線４１がシフトしたビームの破線４２よりも上を通る部分を表し、負の部分は、連続線４１が破線４２の下を通る右半分を表す。本当の位相輪郭を獲得するため、位相輪郭が図８の連続線４１または破線４２のように通るとき、ＴＰＵによって獲得された位相は、シアリングの方向に統合しなければならない。本発明が材料添加または材料除去作業に使用されるならば、即ち、輪郭が局所的に変化する作業に使用されるならば、変化が生じていないゾーンから統合を開始することが有利であり、このゾーンは基準ゾーンとしての機能を果たし、輪郭変化はこのような一定基準に基づいて明確に決定できる。このような基準ゾーンを利用できない場合、変化は局所的に特定されるだけであり、輪郭は一定数を除いて決定される。シアリングの程度は輪郭変化の勾配によって決定され、かなり大きい勾配が検出された場合、シアリングは、位相を曖昧さなく分解するため、かなり制限される筈であり、逆に、かなり小さい勾配が検出された場合、シアリングはかなりの大きさになり得る。シアリングを検出された勾配に調整することにより、毎回、最大の分解能で、増分的な位相変化を検出することができるので、この方法はかなり広い感度を有する。

最後に、図１０は、位相を時間的に分解した状態に保つことなく測定された、即ち、２πよりも大きい位相変化が生ずるという条件で測定された差分位相像４４の具体例を示す。特に、システム本来の不正確性および干渉の影響を受ける実際的なセットアップの場合に、このような様相は、図８に示された位相図まで縮小し得ないことが明らかである。

図１１は本発明による装置の第１のセットアップを示す図であり、対象物上の測定領域の輪郭変化を測定する装置が利用されている。図１１の装置４５は、測定領域４６を照射する光源（図示せず）を含み、同時に位置４７から反射ビーム４８が生成される。測定領域は、概略的に示され、対象物の輪郭の一部を形成し、対象物は、ホルダー（図示せず）によって、光源および測定光学系４５に対して相対的に設置される。測定光学系は、ある角度で取り付けられ、反射ビーム４８を分離する半透明ミラー（ビームスプリッティング部材）４９を含む。したがって、ミラー４９は、二つの相互に分離された、相互に直交するビーム５０および５１を生成する。ビーム５０および５１は、測定光学系４５の中で別個の光路を伝わり、その後、第２の半透明ミラー（ビーム混合部材）５２で混合される。回転可能ミラー（位相影響性部材）５３によって、ビーム５１のビーム５２に対する相対角度が調整可能である。その結果として、ビーム５１は、回転によって変位した角度でミラー５２に投射される。半透明ミラー５２は、ビームを２本のブランチ５４（観測部材）へ投射し、各ブランチには、レンズ５５およびカメラ５６が設けられている。位相部材（図示せず）を用いることにより、ブランチは、相対的に遅れを生じさせられ、その結果として、式（２）乃至（３）に関して説明したように、相互に位相が９０°回転させられた二つの位相ステップ状の像が観測される。カメラ５６は、共に、プロセッサ（図示せず）に接続され、プロセッサは、両方の像を引き算することにより、式（３）に従って、位相増分を直接決定することができる。ビーム５１は角度変位の結果としてレンズ５５へ投射され、レンズ５５の焦点面に配置されたカメラ５６は、回転ミラーの角度変位に対応したビーム５０、５１のシフトから生じたフリンジパターンを観測する。その後、プロセッサは、式（１）から光路長差を計算し、光路長差を対象物の輪郭変化に関連付ける。

図１２は本発明による第２のセットアップを示す図であり、対象物の測定領域の輪郭変化を測定する装置が利用されている。図１１に示されているように、図１２の装置５７は、測定領域４６を照射する光源（図示せず）を含み、同時に反射ビーム４８が生成される。

図１１のセットアップと同様に、測定光学系５７は、ある角度で取り付けられ、反射ビーム４８を分離する半透明ミラー４９を含む。したがって、ミラー４９は、二つの相互に分離された、相互に直交するビーム５０および５１を生成する。ビーム５０および５１は、測定光学系５７の中で別個の光路を伝わり、その後、第２の半透明ミラー５２で混合される。しかし、図１１の回転可能ミラー５３は固定ミラー５８によって置き換えられ、固定ミラー５８は、スプリットビーム５１を連続ビーム５０に対して平行に伝える。スプリットビームは、半透明ミラー５２の上にそのまま投射され、半透明ミラー５２は、そのビームを２本のブランチ５４へ投射し、各ブランチには、レンズ５５およびカメラ５６が設けられている。ブランチは図１１に関して説明したように設計される。図１１の場合のように、ビームをそのビーム自体のシフトさせられたものと混合する代わりに、ここでは、スプリットビーム５０の一方に、光学位相フィルタが配置される。この位相フィルタは、二つのレンズ５９の間に配置されたピンホール（位相影響性部材）６０を含み、このピンホール６０は、ビームの小さい一部分だけを通過させる。その結果として、点拡がり光源が実質的に平坦な位相面によってシミュレーションされる。したがって、この位相面を用いることにより、零位相ビームが放出され、更に、分割された方の光学系によって導入された外乱および光路長差を、その零位相ビーム自体で正確に伝える。対称性を高めるために、スプリットビーム５１には、全く同じレンズ配置５９を設けてもよい。零位相ビーム５０'とスプリットビーム５１を混合することにより、フリンジ像が作成され、そのフリンジ像から、図６および図７を参照して説明したように、位相変化が取り出され、その位相変化が測定領域４６の輪郭変化に関連付けられる。

本発明は図面に表された典型的な実施形態に関して説明されているが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、それらのあらゆる種類の変形および変更を含む。例えば、上記の典型的な実施形態に対して、光透過対象物における透過ビームを解析する可能性も十分にある。これは、例えば、材料添加または材料除去作業が行われているときのように、対象物の上面をアクセスすることが困難である場合には有利でさえある。更に、位相変化は、散光ビームを用いて解析することができる。なぜならば、この技術は、差分位相測定だけを利用するからである。本当の位相は、したがって、差分像が十分な解像度を備えている限り、「粗く」、解析することの難しい像を生ずる。散光ビームを利用することにより、例えば、解析対象の対象物に拡散ビームを照射し、または、対象物に比較的コヒーレントなビームを照射し、しかし、これによって、対象物にマット層を設けることによって、かなり制限された観測角度で、かなり大きい輪郭変化のあるかなり広い表面に関する情報を伝達する位相像および関連付けられた位相変化が観測できる。従って、これらの拡散ビーム技術やスペックル技術は、かなり大きい輪郭変化のあるかなり広い測定領域の解析に非常に好都合と考えられる。

更に、典型的な実施形態に従って説明された技術は、材料添加または材料除去作業によって形状を変える表面という状況で設定されている。しかし、本発明の方法および装置は、形状を変えない表面を走査する場合であるが、しかし、測定領域に対する測定ビームの走査運動から生ずる輪郭変化だけによって位相変化が現れる場合にも好適である。

このような変形は、特許請求の範囲によって外延が示されている本発明の権利範囲内に属することが認められる。

本発明による加工装置の概略図である。 図１のワークピース台の概略側面図である。 図２のワークピース台の概略底面図である。 加工対象領域を含むワークピースの概略断面図である。 輪郭変化を走査する測定ビームのセットアップの概略図である。 フリンジパターンから導出できるような位相像を表す図である。 ＴＰＵ技術による分解位相を表す図である。 相互に僅かにシフトした二つのビームの位相像を概略的に表す図である。 フリンジパターンから導出できるような合成位相像を概略的に表す図である。 位相が時間によって分解されていない位相像を概略的に表す図である。 輪郭変化を測定する本発明による第１のセットアップを表す図である。 輪郭変化を測定する本発明による第２のセットアップを表す図である。

Claims (20)

1. ワークピース表面の加工対象領域は研磨加工され、加工中に、前記ワークピース表面に対して固定的に配置された基準領域に対する前記加工対象領域の変位は、測定ビームと基準ビームの間の位相差の経時変化を測定し、測定された前記位相差を前記基準領域に対する前記加工対象領域の変位に変換することによって監視される、ワークピース表面を加工する方法であって、
   前記位相差についての連続した測定間の時間間隔を、前記連続した測定間の前記位相差の変化が間隔（−π、π）に収まるように選択することにより、前記加工対象領域の総変位が、各測定時における前記加工対象領域の各変位を加算することによって獲得できることを特徴とする、方法。
2. 二つの互いに干渉可能な光ビームの干渉分光のために、第１の光ビームは前記加工対象領域で反射され、第２の光ビームは前記基準領域で反射される、請求項１に記載の方法。
3. 前記位相変化はシアリング干渉を利用して検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 反射後、前記ビームは混合され、干渉ビーム間の位相差が測定され、連続した測定から、前記連続した測定の前記干渉ビーム間の前記位相差の変化、前記加工対象領域の基準領域に対する変位が決定され、２回の連続した測定の間で決定された前記加工対象領域の前記基準領域に対する変位は合算される、請求項１に記載の方法。
5. 前記連続した測定間の時間間隔は、前記干渉ビーム間の前記位相差の変化が−πとπとの間に収まるように選択される、請求項４に記載の方法。
6. 研磨加工は、望ましい外形、および、研磨加工前に決定された測定外形に基づいて、前記ワークピース表面に対する差分外形を決定することにより実行され、前記差分外形に基づいて前記ワークピース表面上に、多数の加工体積が定められ、前記加工体積は前記加工対象領域の研磨加工により除去され、加工は、毎回、前記加工対象領域の変位が前記加工体積を除去するために必要な変位と実質的に対応することが監視によって認められたとき停止させられる、請求項１に記載の方法。
7. 前記ワークピース表面は、少なくとも前記加工対象領域付近で、測定前に、偽の反射を生じ得る汚染物が取り除かれる、請求項１項に記載の方法。
8. 前記基準領域は前記ワークピース表面の一部を形成する、請求項１に記載の方法。
9. 前記ワークピースは透明であり、少なくとも前記第１のビームは、前記ワークピースに隣接している方の作業対象領域側で前記ワークピースを通して反射される、請求項１に記載の方法。
10. 前記ビームの少なくとも一つは、流体を介して前記ワークピースに隣接している方の前記ワークピース表面側へ案内され、前記流体は、前記ワークピース表面と隣接し、ワークピース材料と実質的に一致する屈折率を有する、請求項９に記載の方法。
11. 少なくとも前記第１のビームは、前記ワークピースと隣接している方の前記加工対象領域側へ、内面に対する全反射の臨界角よりも大きい角度で入射する、請求項９または１０に記載の方法。
12. 測定領域を照射する光ビームを提供するための光源と、
    前記光源に対してワークピースを位置決めするためのホルダーと、
    を有する測定ツールであって、
    透過または反射ビームを分割するためのビームスプリッティング部材と、
    前記分割されたビーム間の位相差をセットするための位相影響性部材と、
    前記分割されたビームを混合するためのビーム混合部材と、
    前記分割されたビーム間の差分位相を示すフリンジパターンを観測するための観測部材と、
    前記差分位相から光路長差を計算し、前記光路長差を前記対象物の輪郭変化に関連付けるプロセッサと、
    を更に含むことを特徴とする、測定ツール。
13. 前記位相影響性部材は、所定の位相平面を生成する光学位相フィルタを含む、請求項１２に記載の測定ツール。
14. 前記位相フィルタはピンホールであり、そのため、前記位相平面は零フロントであることを特徴とする、請求項１３に記載の測定ツール。
15. 前記位相影響性部材は、前記分割されたビームをある角度で変位させる回転ミラーを含み、前記ビーム混合部材は、前記分割されたビームを混合し、相互にある角度で伝わる前記分割されたビームをレンズに投射し、前記観測部材は、前記レンズの焦点面に配置され、それにより、前記回転ミラーの角度変位に対応したビームのシフトから生じたフリンジパターンが観測される、ことを特徴とする、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の測定ツール。
16. 研磨装置および、請求項１２に記載の測定ツールを備えた、加工装置。
17. 前記測定ツールには、互いに干渉可能な第１および第２の光ビームを放出する手段が設けられ、少なくとも前記第１の光ビームを放出する手段は前記ホルダーに対して並進可能および／または回転可能であるように配置されている、請求項１６に記載の加工装置。
18. 前記測定ツールは、ワークピースを収容できるクランプ装置に固定的に連結されている、請求項１６に記載の加工装置。
19. 前記クランプ装置は透明流体を格納する流体容器が設けられている、請求項１８に記載の加工装置。
20. 前記ワークピース表面の粗さを測定する手段、好ましくは、ｉＴＩＲＭレーザー粗さ計が設けられている、請求項１６に記載の加工装置。

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