KR20240060616A

KR20240060616A - 재료 제거의 차동 계측을 위한 편향 측정 장치(deflectometry device for differential metrology of material removal)

Info

Publication number: KR20240060616A
Application number: KR1020247009715A
Authority: KR
Inventors: 조나단 데이비스; 크리스토퍼 수프라노비츠; 윌리엄 메스너; 매튜 시다레; 브라이언 라샹스; 앤드류 존스
Original assignee: 퀘드 테크놀러지즈 인터내셔날, 엘엘씨
Priority date: 2021-09-19
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2024-05-08
Also published as: JP2024534422A; CN118140115A; US20230089973A1; WO2023044054A1; EP4402430A1

Abstract

운동학적 스폿 파트 홀더; 디스플레이; 이미징 광학 기기; 스톱; 및 카메라 렌즈 및 검출기를 갖는 카메라를 포함하는 카메라 이미징 조립체를 포함하는 편향 측정 장치가 제공된다. 또한, 디스플레이; 이미징 광학 기기; 스톱; 및 카메라 렌즈와 카메라를 포함하는 카메라 이미징 조립체를 포함하는 결정형 마감 기계의 일부인 편향 측정 장치가 설명된다. 또한, 결정형 마감 기계에 의해서 생성된 재료 제거를 특성화하는 방법이 제공된다.

Description

재료 제거의 차동 계측을 위한 편향 측정 장치(DEFLECTOMETRY DEVICE FOR DIFFERENTIAL METROLOGY OF MATERIAL REMOVAL)

본 개시 내용은, 차동 계측을 통해, 자기 유변 유체(magnetorheological fluid: MRF) 마감 스폿(finishing spot)과 같은 결정형 마감 기계(deterministic finishing machine)로부터 재료 제거를 특성화하도록 설계된 편향 측정 장치를 사용하는 시스템, 방법 및 기기에 관한 것이다.

광학 제조 분야에서 표면의 지형을 측정하는 데에는 여러 이유가 있다. 아마도 가장 일반적인 것은 품질 보증으로, 각 제조 단계 후에 광학 기기를 측정하고, 광학 기기가 요구되는 표면 공차를 충족시키는지 여부를 평가하는 것이다. 광학 제조의 경우, 허용 공차 내에서 원하는 형상을 달성하는 데 있어서 임의의 추가적인 처리가 필요한지 여부, 그리고 제조 단계 중에 임의의 예상치 못한 문제가 발생되었는지 여부를 결정하는 경우에, 광학 기기의 현재 상태를 알아야 한다. 최종적인 광학 기기 품질 검증에서, 광학 기기가 완전한 것으로 품질 검증을 받기 위해서는 총 측정 불확실성이 해당 광학 기기 공차보다 상당히 작아야 한다. 완화될 수 있는 측정 불확실성의 하나의 원인은 광학 기기를 측정하는 기구의 시스템적 오류이다. 시스템적 오류를 특성화하는 것은 여러 가지 방식으로 수행될 수 있고, 그 하나의 예는 알려진 보정 표준을 측정하는 것이다. 보정 표준의 알려진 형상 및 지형과, 보정되는 기구로 수행된 보정 표준의 측정 사이의 차이를 이용하여 기구의 시스템적 오류를 추정할 수 있다.

다양한 불확실성의 원인을 줄이기 위해 사용되는 방법과 관계없이, 공차가 엄격한 광학 표면의 품질을 검증하기 위해서는 결과적인 절대적 측정 정확도가 가장 중요하다.

덜 일반적인 것으로서, 측정 사이에서 광학 기기 표면이 어떻게 변화했는지 알아야 하는 것이 있다. 이러한 경우, 표면 변화를 결정하는 데 초기 측정 및 후속 측정 모두가 필요하다. 이러한 변화를 추정하기 위해서 사용되는 방법을 차동 계측이라고 하며, 여기서 측정 대상은 하나의 측정과 다른 측정 사이의 광학 표면의 변화이다. 차동 계측이 유용할 수 있는 하나의 예는, 열적 또는 기계적 영향과 같은 일부 외부 영향으로 인해 형상이 변화되는 광학 기기를 측정하는 것이다. 예를 들어, 문헌[R. Briguglio, "Optical calibration and performance of the adaptive seconda1y mirror at the Magellan telescope", Nature, Sci Rep 8, 1083 5 (201 8)]를 참조하고, 여기서 적응형 광학 기기의 2차의 보정은, 광학 기기의 형상에 대한 액추에이터의 영향을 결정하기 위해서 초기 측정 및 후속 측정을 필요로 한다.

차동 계측을 위한 다른 적용예로서, 일부 프로세스에 의해서 생성된 재료 제거를 측정하는 것이 있다. 이러한 경우, 초기 측정이 수행된 후에, 일부 기계 실행 프로세스에 의해서 재료가 표면으로부터 제거되고, 이어서 후속 측정이 이루어진다. 초기 측정과 후속 측정 사이의 변화는, 측정 기구가 충분한 정확도 및 캡처 범위를 갖는다고 가정할 경우, 제거된 재료를 추정하기 위해서 사용된다. 이러한 정보는 제거 프로세스 중에 사용된 기계의 알려진 매개변수와 함께 사용될 수 있고, 그에 따라 기계 툴 영향 함수(TIF)라고 일반적으로 지칭되는 것을 생성할 수 있다.

본 개시 내용에서, 결정형 마감 기계라는 용어는, 제어되는 매개변수를 기초로 광학 기기 또는 기재 재료의 표면에 예측 가능하게 영향을 미칠 수 있는 임의의 기계를 설명하기 위해서 사용될 것이다. 처리되는 광학 기기의 최적의 컨버전스(convergence)를 제공하기 위해서, 결정형 기계의 TIF가 정확하게 특성화되어야 한다. 자기 유동 마감(MRF) 기계는, 나노미터의 정확도로 광학 표면 내의 오류를 정확하게 교정할 수 있는 능력으로 인해서, 결정형 마감 기계로 간주된다. 이러한 과제를 달성하기 위해서, MRF 기계는 정확하게 특성화된 TIF에 의존한다. 결정형 마감 기계의 다른 예는 이온 빔 피규어링(ion beam figuring)(IBF) 및 컴퓨터 제어형 서브-개구 폴리싱 기계(computer controlled sub-aperture polishing machine)를 포함하고, 이들 모두는 최적의 결과를 달성하는 데 있어서 TIF의 정확한 특성화를 통해 이점을 얻을 수 있다.

본 개시 내용의 나머지 부분에서, "스폿"이라는 용어는 결정형 마감 기계에 의해서 제거된 재료를 특정하기 위해서 일반적인 의미로 사용될 것이다. "MRF 스폿"이라는 용어는 MRF 기계에 의해서 제거된 재료를 특정하기 위해서 사용될 것이다. 재료 제거가 발생되는 물체 및 연관된 표면을 각각 "스폿 파트" 및 "스폿 파트 표면"으로 지칭할 것이다. 스폿의 형태로, 스폿 파트로부터 재료를 제거하는 작용을 "스폿 테이킹(spot taking)"으로 지칭할 것이다. "스폿 맵"이라는 용어는, 스폿 테이킹 중에 발생되는 재료 제거를 추정하기 위해서 차동 계측이 사용될 때 생성되는 측정 결과를 특정하기 위해서 사용될 것이다. 이러한 정의를 고려할 때, 스폿 맵은, 기계 TIF를 특성화하기 위해서, 제거 프로세스 중에 사용되는 결정형 마감 기계의 알려진 매개변수와 함께 사용될 수 있다고 말할 수 있다.

대부분의 상용 간섭계는 나노미터의 감도, 공간 해상도, 및 경사 캡처 범위의 측면에서 MRF 스폿 테이킹의 계측 요건을 충족시킨다. 그러나, 이들이 다른 양태에서 반드시 최적화되는 것은 아니다. 광학 기기 공장에서 간섭계의 주요 용도는 프로세스에서 광학 기기의 표면 계측을 제공하는 것이다. 간섭계에 의해서 제공되는 절대적인 측정 정확도는 광학 기기의 성공적인 완성에 있어서 중요하다. 따라서, 간섭계는 이러한 절대 정확도 기준을 충족시키도록 엄격하게 설계된다. 이러한 설계의 엄격성, 연관된 복잡성, 및 기구 구성요소의 품질은 그에 상응하는 비용으로 이어진다. 차동 계측과 함께 하는 스폿 테이싱의 경우, 초기 측정과 후속 측정에 존재하는 재현 가능한 시스템적 오류가 무효화되기 때문에, 절대 측정 정확도는 덜 중요하다. 이러한 방식으로, 차동 계측은, 절대적인 형상이 아닌, 스폿 파트의 표면의 변화를 정확하게 분리하는 데 사용된다. 시스템적 오류가 측정 사이에서 재현 가능하다고 가정하면, 시스템적 오류와 같은 측정 불확실성 원인을 줄이기 위한 단계는 더 이상 필요하지 않다. 측정 사이에서 발생되는 비-반복성 또한, 시스템적이든 또는 그렇지 않든 간에, 최소화되어야 한다.

다른 고려 사항은, 대부분의 간섭계가 측정의 반복성에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 진동 및 공기 난류와 같은 환경 조건에 민감하다는 것이다. 이러한 환경적으로 유도되는 비-반복성은 스폿 특성화 프로세스의 정확도를 저하시킬 수 있다. 이러한 문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은, MRF 기계가 통상적인 폴리싱 기계 및 그라인더와 같은 다른 장비와 공간을 공유하는 광학 제조 시설에 종종 위치된다는 사실이다. 이러한 환경적 조건은 MRF 폴리싱 기계에는 적합할 수 있지만, 이들은 종종 간섭계와 같은 민감한 기구에는 이상적이지 않다. 결과적으로, MRF 스폿 테이킹을 지원하는 계측 기구는 일반적으로 보다 양호한 환경적 제어가 가능한 다른 위치에 있거나, 고가의 진동 차단 테이블 및/또는 인클로저(enclosure)를 통해서 작업장 환경에 대해서 둔감화된다. 모든 간섭계가 광학 제조 환경의 이상적이지 않은 조건에 영향을 받는 것은 아니다. 일부 간섭 기구는 진동에 덜 민감하고 그에 따라 작업장 바닥에서의 측정에 더 적합하지만, 비용이 더 많이 들고, 복잡하며/하거나 공간 해상도가 감소될 수 있다. MRF 스폿을 측정하는 데 이상적인 해결책은 이러한 환경적 조건과 양립 가능하면서도 최소한의 공간을 차지하여, 간섭계 해결책과 관련된 비효율성 및 높은 비용을 줄일 수 있을 것이다.

미국 특허 9,068,904는 놀랍게도 단순한 몇 개의 편향 측정 시스템을 보여준다. 이러한 단순성은 비용의 핵심 동인으로 작용하여, 대부분의 편향 측정 시스템을 간섭계보다 저렴하게 구축할 수 있게 한다. 제안된 구성 중 하나에서, 편향 측정 시스템은 CPU, 디스플레이, 테스트 대상 광학 기기, 카메라 렌즈, 및 카메라로 구성된다. 이러한 예에서, 알려진 패턴이 디스플레이에 의해 투영되고, 이어서 이는 테스트 광학 기기에 의해 카메라 렌즈 조립체로 반사된다. 이러한 구성에서, 테스트 광학 기기에 관한 기울기 정보는, 알고 있는 투영된 패턴을, 디스플레이로부터의 광이 테스트 광학 기기에서 반사된 후에 카메라에 의해서 이미지화된 것과 비교함으로써 학습될 수 있다. 이러한 설계의 단순성이 바람직할 수 있지만, 이는, 디스플레이 및 카메라가 테스트 대상 광학 기기의 곡률 중심에 대략적으로 배치되는 오목 광학 기기의 테스트로 제한된다. 테스트 기하형태와 스폿 파트 형상의 이러한 제한은, 스폿이 종종 평평한 표면에서 취해지는 MRF 스폿 테이킹에는 이상적이지 않다. 이러한 테스트 구성과 관련된 다른 해결 과제는, 테스트 광학 기기의 정확한 절대적 측정을 달성하기 위해서는 테스트의 기하형태를 매우 정밀하게 알아야 한다는 것이다. 테스트 기하형태를 정확하게 특성화하지 못하면, 테스트의 절대 정확도를 저하시키는 시스템적 오류로 이어질 수 있다.

논문 ["Deflectometry for measuring mount-induced mirror surface deformations" Proc. SPIE 10373, Applied Optical Metrology II, 1037301 (23 August 201 7), E. Frater]에는, 장착 유도 표면 변형을 측정하는 데 사용되는 편향 측정 시스템이 설명되어 있다. 이러한 예는, 하나의 측정과 다른 측정 사이의 변화를 분리하여 테스트의 시스템적 오류를 관리하는, 차동 계측을 위한 편향 측정 시스템의 유용성을 보여준다. 이러한 시스템이 시스템적 오류를 성공적으로 관리하지만, 이는 (미국 특허 9,068,904와 같이) 오목 표면에 최적화되어 있고, 그에 따라 그 스폿 측정의 유용성을 제한한다. 훨씬 더 큰 디스플레이의 필요성, 라디오메트릭 비효율성(radiometric inefficiency), 및 추가적인 측정 불확실성이라는 관련 단점과 함께, 평편한 광학 기기 및 볼록 광학 기기의 테스트가 간략히 설명되어 있다. 또한, 테스트 대상 광학 기기만이 변형되고, 그에 따라 측정들 사이에서 광학 기기의 정렬은 방해 받지않는다. 스폿 테이킹을 위해서, 측정들 사이에서, 스폿 파트를 측정 장치로부터 제거하여야 한다. 따라서, 측정들 사이에서 시스템적 오류의 양호한 재현성을 달성하기 위해서는, 측정 사이에서 스폿 파트의 정밀한 재-정렬이 필요한 데, 이는 전술한 설계로는 해결되지 않는다.

논문 ["Development of a portable deflectometry system for high spatial resolution surface measurements," A. V. Maldonado, P. Su, and J. H. Burge, Appl. Opt., AO 53(18), 4023-4032 (2014), Maldonado]에는, "보조" 렌즈를 활용하여 1대 1 곡률 중심 이미징 기하형태가 없이도 디스플레이로부터 테스트 광학 기기로의 광을 카메라에 전달하고, 그에 따라 볼록으로부터, 플라노(plano), 오목 광학 기기까지 모든 것을 테스트할 수 있게 하는 편향 측정 시스템이 제시되어 있다. 곡률 중심 기반 시스템을 사용할 때보다 유리한 특정 장점(예를 들어, 상이한 곡률의 광학 기기를 측정할 수 있는 유연성; 콤팩트하고 가벼운 디자인(10kg 미만); 우수한 공간 해상도; 우수한 기울기 범위; 간섭계에 비해 저렴한 구축 비용)을 제공하지만, Maldonado가 설명하는 편향 측정 설계는 여전히 표면의 절대적인 측정을 위한 것이다. 따라서, 이러한 시스템은 여전히 테스트 기하형태에 관한 정확한 지식을 필요로 하고, 나노미터 수준의 절대 측정 정확도를 달성하는 데 필요한 몇 가지 보정 처리 단계를 사용한다.

당업계에서 필요한 것은, 종래 기술에 존재하는 복잡한 보정 없이, 스폿 파트 표면의 정확한 측정을 위해서, 비용, 진동에 대한 둔감성, 그리고 사용 편의성 관점에서 최적화된 측정 장치이다.

본 발명은 편향 측정 장치를 제공하고, 이러한 편향 측정 장치는 운동학적 스폿 파트 홀더(kinematic spot part holder); 디스플레이; 이미징 광학 기기; 스톱(stop); 및 카메라 렌즈와 카메라를 포함하는 카메라 이미징 조립체를 포함하고; 운동학적 스폿 파트 홀더는 측정되는 스폿 파트 표면을 유지하고 배치하도록 구성되고; 이미징 광학 기기는 스폿 파트 표면 규정(spot part surface prescription)의 기하형태를 기초로 설계되며; 디스플레이는, 운동학적 스폿 파트 홀더에 근접하여 배치되는 이미징 광학 기기에 근접하여 배치되며, 디스플레이 및 이미징 광학 기기는, 스폿 파트 표면이 운동학적 스폿 파트 홀더 내에 배치될 때, 디스플레이 광을 측정되는 스폿 파트 표면을 향해서 지향시키고, 스폿 파트 표면으로부터 반사된 디스플레이 광을 이미징 광학 기기로 다시 재지향시키고, 이어서 이미징 광학 기기에서 광을 스톱으로 지향시키도록 구성되고, 스톱은 카메라 이미징 조립체에 근접하여 배치되고 카메라 렌즈에 진입하는 스폿 파트 표면에 의해서 반사된 광을 기하형태적으로 제어하고, 진입 광은 이어서 카메라 렌즈에 의해서 굴절되고 카메라 검출기 상으로 포커스되며; 데이터 분석기는 스폿 파트 표면의 형상을 추정할 수 있다.

본 발명은 또한 결정형 마감 기계에 의해서 생성된 재료 제거를 특성화하기 위한 방법을 제공하고, 이러한 방법은 (i) 스폿 파트 표면을 초기 측정하는 단계; (ii) 결정형 마감 기계로 재료를 스폿 파트 표면으로부터 제거하는 단계; (iii) 재료의 제거 후에 스폿 파트 표면을 후속 측정을 하는 단계; 및 (iv) 초기 측정과 후속 측정 사이의 변화를 기초로 제거된 재료의 깊이 및 공간적 품질을 결정하는 단계를 포함하고; 스폿 파트 표면의 초기 측정 및 후속 측정은 편향 측정 장치로 획득되고, 편향 측정 장치는 디스플레이; 이미징 광학 기기; 스톱; 그리고 카메라 렌즈 및 카메라를 포함하는 카메라 이미징 조립체를 포함한다.

본 발명은 또한 결정형 마감 기계의 일부인 편향 측정 장치를 설명하고, 이러한 편향 측정 장치는 디스플레이; 이미징 광학 기기; 스톱; 및 카메라 렌즈와 카메라를 포함하는 카메라 이미징 조립체를 포함하며; 이미징 광학 기기는 스폿 파트 표면 규정의 기하형태를 기초로 설계되며; 디스플레이 및 이미징 광학 기기는, 테스트 파트가 측정 위치에서 결정형 마감 기계에 의해서 유지될 때, 디스플레이 광을 테스트 파트 표면을 향해서 지향시키고, 테스트 파트 표면으로부터 반사된 디스플레이 광을 이미징 광학 기기로 다시 재지향시키고, 이어서 이미징 광학 기기에서 광을 스톱으로 지향시키도록 구성되고, 스톱은 카메라 이미징 조립체에 근접하여 배치되는 반면, 스톱은 카메라 렌즈에 진입하고 카메라 검출기 상으로 포커스되는 테스트 파트 표면에 의해서 반사된 광을 기하형태적으로 제어하고; 데이터 분석기는 카메라 이미지로부터 테스트 파트 표면의 형상을 추정할 수 있고; 결정형 마감 기계는 측정되는 스폿 파트 표면을 정확한 위치에서 유지하기 위한 수단을 가지고, 이는 별도의 운동학적 파트 홀더의 필요성을 제거한다.

도 1은 편평한 표면을 측정하기 위한 본 발명의 개념적 레이아웃이다.
도 2는 볼록 표면을 측정하기 위한 본 발명의 개념적 레이아웃이다.
도 3은 기존의 최적의 사례를 이용하여, 스폿 맵을 생성하기 위한 방법을 보여주는 블록도이다.
도 4a는 편평한 표면 상의 MRF 스폿을 측정하기 위해서 최적화된 본 발명의 등각도이다.
도 4b는 편평한 표면 상의 MRF 스폿을 측정하기 위해서 최적화된 본 발명의 평면도이다.
도 5는 세기 이미지를 본 발명을 위한 표면 맵으로 변환하기 위한 소프트웨어 처리의 기능적 블록도이다.
도 6은 MRF 스폿을 측정하도록 최적화된 편향 측정 장치를 위한 예시적인 요건에 관한 표이다.
도 7은, 하위 도면 7a 및 7b를 포함하고, 부품의 재현 가능한 장착을 용이하게 하기 위해 운동학적 네스트(kinematic nest)를 사용하는 본 발명의 부품 홀더의 실시형태의 등각도를 도시한다.

본 개시 내용은, 고가의 간섭 측정 기기 또는 복잡한 테스트 셋업을 필요로 하지 않고, TIF를 정확하게 특성화하는 중요 구성요소인, 스폿을 정확하게 측정하기 위한 요건을 충족시키는 새로운 접근 방식을 설명한다.

본 개시 내용에 따라, 차동 계측이, 광학 기기의 최종 테스팅 및 품질 검증이 아니라, 예측적 및 결정형 마감 프로세스를 지원하기 위해서 특히 향상된 가치를 제공하는 것이 제시된다. 최적의 작업을 위해서 기계를 위한 차동 계측에 의존하는 결정형 마감 기계와 함께 이용하는 데 있어서, 개시된 편향 측정 장치가 고유한 가치를 지닌 것으로 확인되었다.

보다 구체적으로, 광학 제조 환경에서 편향 측정의 고유한 강점과 스폿 테이킹의 요건은 상호 보완적이다. 본 개시 내용은 제거가 이루어지기 전에 그리고 후에 스폿 파트의 표면을 측정하여 정확한 TIF 특성화를 돕는 편향 측정 장치에 대해 설명한다. 결과는 현재 기술 수준의 간섭계 기반 시스템(예를 들어, QED Technologies의 QIS 간섭계 제품)과 비슷하지만, 다음과 같은 대표적인 개선 사항을 달성할 수 있다: 구축 비용의 상당한 감소; 크기 및 중량 감소 및 그에 따른 개선된 휴대성; 일반적인 테이블 상판 위에서 시스템을 사용할 수 있게 하는 진동 둔감성; 증가된 기울기 캡처 범위; 증가된 공간 해상도.

본 개시 내용에서, 도 1은 스폿 파트 표면을 측정하기 위해서 사용되는 편향 측정 시스템(100)을 위한 전반적인 레이아웃을 나타낸다. 광이 알려진 공간적 가변 세기 패턴으로, 바람직하게는 정현파 형태로 디스플레이(101)로부터 방출된다. 광은 이미징 광학 기기(102)를 향해서 이동한다. 이러한 실시형태에서, 광은 이미징 광학 기기(102)에 의해서 대략적으로 시준되고, 이는 광이 플라노 스폿 파트 표면(103) 상으로 공칭적으로 수직으로 입사되게 한다. 이어서, 광은 스폿 파트 표면(103)에 의해서 반사되어, 반사 법칙에 의해서 스폿 파트 표면 내에 존재하는 임의의 기울기 정보를 인코딩하고, 여기서 입사각은 반사각과 동일하다. 이어서, 광은 이미징 광학 기기에 의해서 스톱(104)을 향해서 재지향되고, 여기서 광은 최종적으로 스톱(104) 상으로 포커스된다. 이러한 광학적 설계에서, 스톱(104)은 디스플레이와 짝을 이룬다고 할 수 있다. 스톱(104)은 스폿 파트 표면 반사로부터 허용될 수 있는 광을 기하형태적으로 제어한다. 이어서, 스톱(104)에 의해서 입사된 광은 카메라 렌즈(105)에 의해서 굴절되고, 이는 스폿 파트 표면(103) 상으로 포커스된다. 마지막으로, 카메라 렌즈(105)에 의해서 굴절된 광은 카메라(106)의 검출기 상으로 입사된다.

이러한 실시형태에서 X 또는 Y 방향으로 정현파 패턴인 초기 광 패턴은 원하는 위상 변이 알고리즘에 따라 위상 변이된다. 검출기에 의해서 캡처된 광은 세기 이미지로 전환되고, 이러한 세기 이미지는 이어서 컴퓨터와 같은 디지털 분석기에 의해서 해석될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 비-플라노 스폿 파트 표면의 측정이 가능하다. 도 2에서, 시스템(200)은 이러한 시스템(100)의 수정을 나타내고, 여기서 이미징 광학 기기(202)의 목적은 디스플레이(201)로부터의 광을 굴절시켜 (이러한 경우에 볼록한) 스폿 파트 표면(203)에 대략 직각으로 도달하게 하는 것이다. 이어서, 스폿 파트 표면(203)에 의해서 반사된 광은 이미징 광학 기기(202)에 의해서 재지향되고, 이어서 스톱(204) 상으로 포커스된다. 이러한 시점으로부터, 시스템(200)의 기능은 시스템(100)과 동일하다. 디스플레이(201), 스톱(204), 및 스폿 파트 표면(203)에 대한 렌즈(202)의 간격을 조정하는 것, 및/또는 이미징 광학 기기(202)의 광학적 설계를 변경하는 것과 같이, 여러 가지 방식으로 이러한 대안적인 구성을 달성할 수 있다.

당업자는, 굴절 설계 이외의 광학적 구성이 이미징 광학 기기(102 또는 202)를 위해서 사용될 수 있다는 것을 명확하게 이해할 것이다. 예를 들어, 다른 실시형태에서, 반사 거울이 이미징 광학 기기를 위해서 사용된다. 이러한 경우, 거울은 반사 렌즈와 동일한 목적을 위한 역할을 하고, 이는 디스플레이로부터 오는 광을 스폿 파트의 표면 상으로 정규화(normalize)하고, 이어서 디스플레이 광을 다시 디스플레이 쌍(conjugate), 즉 스톱으로 아래쪽으로 재지향시킨다. 축-외 포물선(off-axis parabola)이 플라노 스폿 파트 표면에 바람직하지만, 고려되는 이미징 쌍을 위한 교정이 이루어지게 다른 거울 구성이 설계될 수 있다. 이러한 접근 방식은 다른 정도의 설계 자유를 제공하고, 이는 가능한 많은 스폿 파트 표면 형상을 고려할 때 유리할 수 있다. 이러한 설계의 하나의 장점은 이미징 렌즈 설계와 관련된 고스트 반사(ghost reflection)의 제거에 있다. 고스트 반사의 제거가 중요한 적용예 및/또는 스폿 부품의 중심에서의 표면 정보가 중요한 적용예에서는, 거울 설계가 이상적이다. 그러나, 거울 설계는 자체적인 단점을 갖는다. 거울을 향해서 디스플레이에 의해서 방출되는 광이 막히는 것을 방지하기 위해서, 스폿 파트는 시스템(100)의 굴절 설계에서 필요로 하는 것보다 더 먼 거리에서 거울에 대해서 배치되어야 한다. 따라서, 스폿 파트 표면으로부터 다시 거울 표면까지의 부가적인 전파 거리가, 스폿 파트 표면 상의 기울기의 급격함에 따라, 측정 불확실성, 기울기 캡처 범위의 손실, 및 비네팅(vignetting)로 이어질 수 있다.

도 1 및 도 2에서 설명된 편향 측정 장치는 스폿 맵을 위한 필요 측정을 획득하고 그에 따라 정확한 TIF 특성화를 획득하기 위해서 사용된다. 차동 계측, 결정형 기계, 및 편향 측정 장치를 이용하여 스폿 맵을 생성하기 위한 프로세스가 도 3에서 블록도의 형태로 도시되어 있다. 일반적으로, 스폿 파트는 최종적으로 폴리싱될 광학 기기 또는 물체와 동일한 유형의 재료로 제조될 것이다. 예를 들어, 폴리싱되는 광학 기기가 N-BK7 유리인 경우, 스폿 파트는 또한 N-BK7일 것이다. 이러한 방법은, 마감 프로세스의 제거 속도 메커니즘에 영향을 미칠 수도 있는, 경도 또는 다른 특성의 기재 특정 차이에서 발생되는 제거 속도의 변동을 방지한다. 초기 스폿 파트 측정이 편향 측정 장치에 의해서 수행되어(301), 스폿 파트 표면의 형상을 결정한다. 이어서, 스폿 파트는 결정형 마감 기계 상에 설치되고 정렬되며(302), 여기서 스폿 파트는 정렬될 수 있고 기계의 소프트웨어에서 정의될 수 있다. 이어서, TIF에 영향을 미치는 것으로 알려진 기계 매개변수가 셋팅된다(303). 이러한 매개변수는 이상적인 TIF 특성, 예를 들어 체적 제거 속도, 피크 제거 속도, 또는 전반적인 형상을 달성하도록 최적화될 수 있다. 이어서, 스폿 테이킹 프로세스를 실행하여(304) 재료를 상기 스폿 파트로부터 제거한다. 이어서, 스폿 파트는 단계(301)에서 사용되었던 것과 동일한 편향 측정 장치에 의해서 다시 측정된다(305). 이어서, 차동 계측 방법은 초기 스폿 파트 측정 결과를 사용하고(306) 그 후에 스폿 파트 측정 결과(307)를 사용하여 스폿 파트 표면에서 생성된 재료 제거를 계산하여(308) 스폿 맵을 생성한다(309). 이어서, 알고 있는 기계 매개변수와 함께 스폿 맵을 이용하여, 기계의 TIF를 계산할 수 있다. 계산된 스폿 맵 내의 임의의 오류가 TIF 계산의 정확도에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. TIF를 정확하게 특성화하지 못하는 것은 결정형 마감 프로세스의 효율성에 영향을 미칠 것이고, 그에 따라 최소화되어야 한다. 이러한 이유로, 측정되는 재료의 유형을 위해서 최적화되도록 편향 측정 장치를 설계하는 것이 이상적이다. MRF 기계에서, 이러한 설계 최적화는 컴퓨터 제어되는 서브-개구 폴리싱 기계 또는 IBF 기계에 대한 설계 최적화와 상이할 수 있다.

도 4a 및 도 4b의 시스템(400)은 MRF 스폿을 측정하도록 최적화된 편향 측정 장치의 실시형태를 도시하고, 이러한 편향 측정 장치의 실시형태는 소프트웨어 제어, 데이터 수집 및 데이터 처리를 위한 컴퓨터(미도시); 컴퓨터 소프트웨어에 의해서 생성된 패턴을 투영하는 디스플레이(401)(바람직하게는, 종래 기술에서 사용되는 디스플레이에 비해서 우수한 세기, 콘트라스트, 및 콤팩트한 특성으로 인해서, 마이크로-Micro-OLEO); 디스플레이로부터의 광을 대략적으로 시준하는 이미징 광학 기기(402); 교환 가능하고, 시스템적 오류 비-재현성을 최소화하는 데 있어서 중요한 양태인, 스폿 파트 표면의 정렬이 측정들 사이에서 반복될 수 있도록 보장하는 운동학적 파트 홀더(404)에 의해서 지지되는 스폿 파트(403); 스폿 파트 표면 반사로부터 허용될 수 있는 광을 기하형태적으로 제어하는 스톱(405); 스폿 파트 표면으로부터의 광을 검출기, 예를 들어, 콤팩트한 CMOS 카메라를 갖는 카메라(407) 상으로 포커스하는 카메라 렌즈(406); 카메라 및 디스플레이를 지지하는 받침대(408); 받침대(408)와 이미징 광학 기기(402) 사이의 위치적 관계를 엄격하게 제어하는 계량 막대(metering rod)(409)로서, 열적 영향에 대한 민감성을 줄이기 위해서 탄소 섬유와 같은 저-열팽창 재료로 바람직하게 제조되는, 계량 막대(409); 카메라 온도를 조절하여 긴 노출 시간 동안 암전류를 최소화하는 냉각 시스템(410)(바람직하게는, 콤팩트함 및 용이한 구현으로 인한, 열-전기 냉각기)을 포함한다.

미광이 시스템에 침투하여 측정의 품질에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해서 사용되는 인클로저 패널은 도면에 도시되어 있지 않다. 대안적인 해결책은, 카메라 노출 시간이 충분히 짧도록 디스플레이의 밝기를 높이는 것이다. 이러한, 완화 전략은 사용 가능한 디스플레이 기술에 의해 실질적으로 제한되고; 예를 들어, 마이크로-OLED 디스플레이가 프로그래밍 가능한 밝기를 가지지만, 그 수명은 디스플레이 밝기 레벨과 반비례하고, 그에 따라 노출 시간이 짧아질수록 장치 수명이 줄어드는 대가를 치러야 한다.

적절한 소프트웨어를 갖는 컴퓨터가 바람직하게는 장치의 제어, 데이터 획득, 및 소프트웨어의 데이터 분석기에 의해서 수행되는 데이터 처리를 위해서 사용된다. 데이터 획득 프로세스는 원하는 위상 변이 방법을 기초로 다수의 패턴 이미지를 생성하는 것, 및 이어서 이들을 디스플레이 상에서 하나씩 디스플레이하는 것을 포함한다. 이미지가 디스플레이된 후에, 세기 이미지가 카메라 검출기에 의해서 수집된다. 컴퓨터 제어되는 디스플레이는, 제어 가능한 주파수로, 정현파 패턴의 시퀀스와 같은 이미지를 디스플레이하도록 프로그래밍될 수 있고, 각각의 이미지는 X 및 Y 배향 모두에 대해서, 각각 4개씩, TT/2 라디안 위상 변이(radian phase shift)를 나타낸다. 각각의 위상 변이된 이미지가 적절한 길이의 시간 동안 디스플레이될 수 있고, 그에 따라 스폿 파트 표면에 의해서 방사되는 광 패턴의 이미지가 카메라에 의해서 수집될 수 있다.

원하는 스폿 맵에 도달하기 위해, 획득된 이미지 파일을 처리하기 위해서 소프트웨어 데이터 분석기에 의해서 사용되는 시퀀스가 도 5에 도시되어 있다. 첫 번째로, 각각의 위상 변이에 대한 세기 이미지가 수집된다(501). 위상 변이된 이미지의 전체 수가 위상 변이 알고리즘에 의해서 도시되어 있고, 예를 들어 4-버킷 위상 변이 알고리즘(4-bucket phase shift algorithm)이 8개의 이미지, 즉 (4개의) X위상 변이 이미지 및 (4개의) Y-위상 변이 이미지로 구성될 수 있다. 위상-변이된 세기 이미지에 대해서 랩핑된 위상 맵 변환(wrapped phase map conversion)(502)이 수행되고, 이어서 위상 언랩핑(phase unwrapping)(503)으로 X 및 Y 기울기 맵(504)을 계산한다.

기울기를 표면 높이로 변환하기 위해서, 주어진 x 및 y 기울기 맵(각각, sx 및 SY)에서, 기울기 맵(505)을 적분함으로써 표면 높이 맵의 샘플(<p)이 계산되며, 이는, 이하와 같이, 선형 수학식의 시스템을 풀이함으로써 달성된다.

행(i) 및 열(J)에서 각각의 기울기 맵 샘플에 대해서 이하를 수행한다.

g^Li, j, g^Ri, j g^Ui, j, 및 g^Di,j 중 적어도 하나가 0이 아닌 각각의 샘플에서, 이하의 수학식이 시스템에 부가된다:

이러한 수학식의 시스템은 Shack-Hartmann 테스팅에서 기울기로부터 위상을 계산하기 위해서 종종 사용되는 Southwell 알고리즘의 시스템과 유사하다; 예를 들어, [Section 10.4.3 in OpticalShop Testing, D. Malacara (ed.), 3rd ed. (2007)] 참조.

이러한 수학식의 시스템은 충분하지 않다(sparse)(수학식의 수는 유효 샘플의 수와 동일한 반면, 각각의 수학식 내의 0이 아닌 계수의 수는 기껏해야 5개이다). 이러한 해결책은 Intel® Math Kernel Library의 Direct Sparse Solver를 이용하여 계산될 수 있고, 이는 기울기-대-위상 문제에 일반적으로 적용되는 Successive Over-relaxation (SOR) 알고리즘보다 훨씬 더 효율적이다.

이어서, 결과적인 미가공(raw) 표면 맵(506)을 의도된 적용예에서 요구되는 바에 따라 사후-처리할 수 있고(507), 예를 들어 스케일링(scaling), 마스킹, 또는 필터링할 수 있고, 그에 따라 최종 표면 맵(508)이 생성된다. Z-스케일링으로도 지칭되는 표면 맵의 높이 스케일링이 시스템에 관한 기하형태적 지식을 이용하여 또는 알고 있는 보정 표준을 통해서 보정될 수 있다. 초기 및 후속 최종 표면 맵은, 차동 계측을 통해서, 스폿 맵을 계산하기 위해서 사용되고, 그에 따라 MRF 기계 TIF가 계산될 수 있다.

편향 측정의 강점을 취하고 스폿 측정의 적용예에 대한 간섭 측정의 최적에 미치지 못하는 품질을 극복하기 위해서, 편향 측정 시스템의 설계가 스폿의 알고 있는 특성에 따라 이루어져야 한다. MRF 스폿에서, 기울기 캡처 범위, 공간 해상도, 스폿 파트 표면 개구, 및 측정 반복 가능성을 평가하는 데 특히 주의를 기울여야 한다. 약 1 mm 너비 및 2 mm 길이의 가장 작은 MRF의 스폿에 의해서 최대 기울기 캡처 범위 및 공간 해상도 요건이 달성되는 한편, 더 큰 스폿에 의해서 측정 반복 가능성 및 스폿 파트 표면 개구가 달성된다. 이러한 요건들은 스폿 깊이 및 공간적 치수와 같은 변수를 기초로 다시 최적화될 수 있으며, 이러한 두 가지 변수는 여러 프로세스들 및 결정형 마감 기계 유형들에 따라 달라질 것이다. 이렇게 다시 최적화하는 것은 설명된 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해서 이루어질 수 있을 것이다.

MRF 스폿을 측정하도록 최적화된 편향 측정 장치를 위한 요건을 도출하는 프로세스를 설명하기 위해서, 도 6은 1차 광학적 요건 및 그 연관된 구동 특성에 관한 표를 도시한다. 이러한 예에 대해서 제공된 전반적인 설계 가이드라인은, MRF 기계에 의해서 만들어진 스폿을 측정하도록 최적화된 편향 측정 장치를 설계하기 위한 바람직한 실시형태이다.

기울기 캡처 범위는 제거 프로세스에 의해서 생성된 가장 가파른 기울기에 의해서 얻어진이다. 예를 들어, 연성 재료 및 강력한 연마 유체의 경우, 깊이가 0.5 ㎛인 작은 1 mm X 2 mm MRF 스폿도 획득할 수 있다. 이러한 깊이의 스폿은 2 밀리라디안 보다 큰 기울기를 가질 수 있다. 시스템이 측정하고자 하는 합리적인 목표는 이러한 양의 적어도 두 배인 기울기 캡처 범위이다. Maldanado에 의해서 도출된, 관련된 편향 측정 장치의 기울기 캡처 범위를 추정하기 위한 표현식은 다음과 같다:

여기서, θ_max는 측정될 수 있는 기울기 범위이고, D5는 밀리미터 단위의 디스플레이의 크기이고(최소 횡단면을 가정), S는 밀리미터 단위의 스톱 직경이다. 시스템(400)에서, 디스플레이의 최소 횡단면은 픽셀 피치에 픽셀의 수를 곱한 것이다. 스톱 크기는 원하는 기울기 캡처 범위, 공간 해상도, 및 측정 반복 가능성을 기초로 선택된다. 이미징 광학 기기의 유효 초점 거리(EFL)는 여러 가지 요인에 따라 달라진다. 시스템(400)에서, 광을 시준하는 이미징 광학 기기는, 플라노 스폿 파트 표면이 측정될 수 있도록 선택되었고, 여기서 디스플레이는 이미징 광학 기기로부터 약 1 초점 거리에 위치된다. 시스템을 비교적 콤팩트하게 유지하기 위해서, 짧은 초점 거리를 선택하였다. 플라노 파트를 측정하도록 최적화된 구성에서, 시스템의 공간 해상도는 고정된 스폿 파트 표면 개구에 대한 이미징 광학 기기 초점 거리에 반비례한다. 따라서, 이미징 광학 기기를 선택할 때 공간 해상도 요건도 고려해야 한다.

또한, 기구의 기울기 민감도는 초점 거리에 직접적으로 비례하는 반면, 기울기 캡처 범위는 반비례한다. 이는, 기구 설계자가 원하는 기울기 캡처 범위와, 측정 반복성과 직접적으로 연관된 경사 민감도 사이에서 균형을 맞출 것을 요구한다. 이미징 광학 기기가 디스플레이로부터의 광을 시준하지 않을 수 있는 플라노 이외의 스폿 파트 표면에서, 최적의 성능을 위해서 다른 초점 거리, 렌즈 간격, 및 광학적 설계가 필요할 수 있다. 공간 해상도와 같은 인자에 대한 이미징 광학 기기 초점 거리의 관계가 그에 따라 재평가되어야 한다.

원하는 공간 해상도를 달성하기 위해서는 몇 가지 인자를 고려해야 한다. 합리적인 첫 번째 단계는 이미징 광학 기기와 디스플레이 사이의 간격, 및 스폿 파트 표면 개구의 직경을 고려하는 것이다. 이러한 기하형태적 관계는 편향 측정 장치의 F/#로서 지칭될 수 있다. 시스템(400)에서, F/#는 테스트 개구 직경으로 나눈 시준기의 초점 거리로서 정의된다. 이어서, 편향 측정 장치의 F/#를 고려하면서, 원하는 공간 해상도를 제공하도록 카메라 렌즈 및 카메라를 선택할 수 있다. 공간 해상도는 또한 스톱 직경에 의해서 영향을 받으며, 스톱 크기의 감소는 카메라 및 카메라 렌즈 조립체의 회절-제한 이미징 성능에 부정적인 영향을 미친다. 전술한 바와 같이, 스톱 직경은 기울기 캡처 범위 및 측정 반복성에도 영향을 미친다. 따라서, 스톱 직경은 전술한 연관된 요건 모두를 고려하여 최적화되어야 한다.

측정 반복성은 또한 이론적 설계 특성과 다른 많은 인자의 복합적인 결과이다. 이론적 설계와 관련하여, 시스템(400)의 경우, 측정 반복성은, 디스플레이 픽셀 피치에 비례하고 이미징 광학 기기의 초점 거리에 반비례하는, 시스템의 기울기 민감도와 직접적으로 관련된다. 이러한 관계를 통해서, 설계자는 원하는 디스플레이 폼 팩터(display form factor)에서 가능한 한 가장 높은 해상도를 갖는 디스플레이를 찾는다. 최신 마이크로-OLED 디스플레이 기술은 매우 콤팩트하지만 해상도가 매우 큰 디스플레이를 제공하고, 결과적으로 매우 미세한 픽셀 피치를 제공한다. 이는 나노미터 민감도로 광학 표면을 측정해야 하는 콤팩트한 편향 측정 장치를 위한 이상적인 특성이다. 고해상도 Micro-OLEO 디스플레이(도 4a의 401)를 채택한 시스템(400)의 구현예는 5회 연속 측정 시 1 nm RMS 미만의 측정 반복성 결과를 생성하였으며, 이는 스폿 파트 표면 상의 재료 제거를 측정하는 데 일상적으로 사용되는 간섭계의 성능과 비슷한 수준이다. 실제로, 카메라 암전류와 같은 다른 인자가 또한 측정 반복성에서 중요한 역할을 한다.

시스템(400)을 이용한 테스트는 측정 반복성에 영향을 미치는 몇 가지 인자를 특성화할 수 있게 한다. 카메라 암전류는 측정 반복성에 매우 큰 영향을 미치는 인자인 것으로 확인되었다. 이는, 암전류의 상당한 축적을 초래하는 노출 시간을 필요로 하는 시스템의 라디오메트릭 특성(radiometric property)에 기인할 수 있다. 카메라 노출 시간과 암전류 사이의 관계는 잘 알려져 있으며, 노출 시간이 길수록 암전류가 더 많이 발생할 수 있다. 편향 측정 장치의 경우, 암전류는, 노이즈 플로어(noise floor)를 본질적으로 상승시킴으로써, 측정 반복성에 영향을 미칠 수 있다. 시스템(400)과 유사하지만 냉각기(410)를 가지지 않는 편향 측정 장치를 초기에 테스트하였고, 원하는 사양을 충족시키지 못하는 측정 반복성을 생성한다는 것을 확인하였다. 이러한 문제는 카메라의 열적 특성에 기인하였다. 카메라에 냉각 시스템을 추가함으로써, 측정 반복성이 1 자릿수(an order of magnitude) 만큼 개선되었고, 그에 따라 서브-나노미터 결과를 얻을 수 있었다.

수동 냉각, 열 전기 냉각, 그리고 심지어 수냉을 포함한 임의의 적합한 냉각 수단이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 작은 패키지, 낮은 전력 소비, 및 적절한 비용으로 냉각 성능을 제공하기 때문에, 열 전기 냉각이 사용된다.

일부 카메라 장치가 다른 카메라 장치보다 낮은 암전류를 나타낼 수 있고 전자 기기들의 열 생성이 다양할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 임의의 특정 실시형태를 위한 최적의 냉각이 다를 수 있다. 그러나, 냉각 방법의 구현은, 본 발명에 사용되는 카메라뿐만 아니라 다른 구성요소를 선택할 때 설계 유연성을 허용한다.

미광, 디스플레이 패턴 생성 성능, 및 소프트웨어 매개변수 선택과 같은 다른 인자들이 측정 반복성에 영향을 미치는 것으로 확인되었는데, 이는 본질적으로 명백하거나 최소한의 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 따라서, 이러한 인자의 영향을 더 구체적으로 설명하지 않는다.

시스템의 측정 재현성은 스폿 부품 표면의 재료 제거를 측정하기 위한 편향 측정 장치의 유용성에 영향을 미치는 다른 핵심 인자이다. 결정형 마감 기계의 TIF를 계산하는 데 사용되는 스폿 맵을 생성하는 프로세스는, 일반적으로 스폿 부품 표면을 측정 장치에서 제거하고, 제거 프로세스가 수행되는 결정형 마감 기계에 배치하고, 이어서 스폿 부품 표면을 재측정하는 측정 장치에 다시 설치하는 것을 필요로 한다. 프로세스 또는 구성과 관계없이, 가장 중요한 것은 편향 측정 장치에 대한 스폿 파트 표면의 반복 가능한 배치이다.

스폿 파트 표면 상의 재료 제거를 측정하기 위해서 간섭계를 사용하는 현재 기술 수준에서, 기구에 대한 스폿 파트 표면의 위치는 일반적으로 팁/틸트/굴절력(tip/tilt/power)을 최소화하도록 정렬되어야 한다. 플라노 스폿 파트 표면에서, 환경적 영향을 최소화하기 위해서, 공동이 가능한 한 작은 것이 이상적이다. 이러한 정렬 및 최적화를 달성하지 못하면, 광학적 리트레이스(optical retrace) 그리고 난기류 및 진동과 같은 환경 영향으로 인해서 측정 재현성이 떨어질 수 있다. 또한, 간섭계는 또한 스폿 파트 표면 상으로 포커스되어야 한다.

본 발명에서, 기구에 대한 테스트 표면 정렬에 대한 지식은 다른 방식으로 관리된다. 스폿 부품은, 편향 측정 장치에 대해 스폿 파트 표면을 매우 반복 가능하게 배치할 수 있게 하는 운동학적 파트 홀더에 의해 유지된다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 운동학적 파트 홀더는, 필요한 파트 위치 반복성을 제공하는 것으로 테스트되고 확인된 운동학적 네스트를 포함한다. 원뿔(701), 편평부(702), 및 V-홈(703)으로 구성된 총 3개의 운동학적 네스트가 서로에 대해 1 20도로 그리고 동일한 반경방향 거리에 배치에 배치된다. 이러한 네스트는, 시준기 근처의 편향 측정 장치의 상단부에 위치되는, 네스트 기하형태에 대해서 동일한 클록킹(clocking) 및 반경 간격을 갖는, 3개 볼에 레지스터(register)된다. 이러한 구성은, 편향 측정 장치에 대한 운동학적 파트 홀더에 대해서, 6의 자유도, 즉 X, Y, Z, Z를 중심으로 하는 회전, 팁/틸트)를 제어한다. 파트가 설치되는 도 7b에 도시된 파트 인터페이스는 운동학적 마운트의 대향 측면 상에 위치되고 편평한 표면(plano surface)을 갖는 원통형 형상의 스폿 파트를 위해서 설계되며, 여기서 직경 대 두께의 비율은 이상적으로 4:1 내지 6:1(예를 들어, 두께가 12.5 mm인 직경 50 mm의 파트)이다. 파트 인터페이스는, 스폿 파트 표면의 Z 및 팁/틸트 위치를 제어하는 3개의 축 방향 접촉점(704), 파트의 X 및 Y 위치를 제어하는 2개의 반경방향 접촉점(705), 및 파트를 회전 배향하기 위해서 사용되는 클록킹 기점 마크(706)로 구성된다. 중력 또는 자기적 프리로드(preload)를 사용하여 운동학적 네스트를 보장하고, 축방향 접촉점들이 적절히 결합된다. (예를 들어, 스프링-로딩형 세트 스크류 또는 굴곡부로) 적절한 레지스트레이션을 보장하기 위해서 반경방향 접촉점에 대향되는 스폿 파트의 외경에 힘을 인가한다.

운동학적 파트 홀더가 없는 경우, 초기 및 후속 스폿 파트 측정들 사이의, 스폿 파트 표면의 반복-불가능한 배치는 측정들 사이의 재현-불가능한 시스템적 오류로 이어지고, 이는 스폿 맵에서 비점수차(astigmatism) 및 코마(coma) 같은 저-차 잔류 수차(low order residual aberration)로 이어질 수 있다. 운동학적 파트 홀더는, 측정할 때마다 편향 측정 장치와 스폿 파트 표면 사이의 광학적 기하형태를 정확하게 재현함으로써, 이러한 잔류 수차를 방지하며, 이는 종래 기술에서 보조 측정을 통해 종종 관리되었고, 이러한 보조 측정은 복잡성과 추가적인 비용을 부가하였다. 또한, 스폿 파트 표면의 길이방향 위치가 반복될 수 있기 때문에, 편향 측정 장치의 재-포커싱은 요구되지 않는다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 편향 측정 장치는, 차동 계측을 필요로 하지 않고, 표면을 측정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 경우, 측정되는 표면은 "테스트 파트 표면"으로 지칭될 것이며, 편향 측정 장치로 측정될 수 있고 또한 편향 측정 장치의 기울기 캡처 범위 내에서 측정될 수 있도록 적절히 반사적인 임의의 표면으로 정의될 것이다. 차동 계측 없이 테스트 파트 표면을 정확하게 측정하기 위해서는, 편향 측정 장치의 시스템적 오류를 특성화하여야 한다. 이는, 편향 측정 장치를 이용하여 테스트 표면과 형상이 유사한 알려진 형상의 표면 보정 표준을 측정한 다음, 시스템적 오류 보정 맵을 생성하는 데 사용함으로써 달성될 수 있다. 시스템적 오류 보정 맵은 기울기 형태, 또는 표면 높이 형태일 수 있다. 시스템적 오류 보정 맵을 사용하여, 제조 또는 품질 검증 프로세스에서 광학 기기와 같은, 스폿 테이킹 이외의 적용예에서 테스트 파트를 측정하기 위한 편향 측정 장치의 적용 가능성을 범위를 넓힐 수 있다. 운동학적 파트 홀더는, 시스템 보정 오류 맵을 획득하기 위해서 사용되었던 테스트 기하형태가 테스트 파트 표면의 측정을 위해서 재현되는 것으로 인해서 이러한 단순한 보정 방법을 가능하게 하는 핵심 구성요소이다. 편향 측정 장치의 시스템적 오류가 시간에 걸쳐 안정적이라고 가정하면, 시스템적 오류 보정 오류 맵을 다수의 테스트 표면 측정에 걸쳐 계속 사용할 수 있다. 시스템(400) 시스템적 오류 안정성을 평가하였고, 24시간 동안 5 nm 미만의 RMS 드리프트(drift)가 발생하는 것으로 확인되었다. 이러한 시스템적 오류 드리프트는 테스트 파트 표면의 측정 불확실성의 일부로서 간주될 수 있다. 일반적으로, 시간에 걸친 시스템적 오류가 안정적일수록 수행하여야 하는 보정의 빈도가 줄어든다. 테스트 파트 표면 재장착 및 시간에 따른 시스템적 오류의 우수한 안정성은 보정 프로세스를 용이하게 만들고 덜 빈번하게 이루어질 수 있게 한다. 이러한 품질이 시스템(400)에서 확인되었다.

다른 실시형태는 결정형 마감 기계에 통합된 편향 측정 장치이다. 이러한 실시형태에서, 스폿 파트 표면을 편향 측정 장치에 대해서 반복 가능하게 배치하는 운동학적 파트 홀더의 기능은, 편향 측정 장치에 대한 스폿 파트 표면의 기계의 위치적 지식에 의해서 대체될 수 있다. 이러한 설계를 위해서는, 기계의 위치 정확도가 운동학적 스폿 파트 홀더의 위치적 반복성과 유사하여야 한다. 오늘날의 많은 결정형 마감 기계가 미크론 레벨의 위치 정확도를 가지기 때문에, 이는 비합리적인 제안이 아니다. 편향 측정 장치에 대한 스폿 파트 표면의 위치 관계를 결정하는 데 필요한 초기 정렬 단계는 MRF 기계 또는 다른 결정형 마감 기계 상에서 광학 표면을 정렬시키고 폴리싱하는 데 필요한 현재 단계와 매우 유사하다. 이러한 시스템은 스폿 테이킹 및 측정 프로세스를 자동화해야 하는 상황에 이상적일 것이며, 이는 이어서 일반적으로 광학 기기의 결정형 마감 프로세스를 자동화하는 데 도움이 될 것이다.

본 발명의 이미징 광학 기기의 설계는, 스폿 파트 표면 위치 반복성을 고려할 때, 측정 재현성에도 영향을 미칠 수 있다. 장치 기울기 캡처 범위 및 디스플레이 스펙트럼 특성을 또한 고려하면서 수차가 광학적 쌍에 대해서 최소화되도록 광학적 설계가 최적화되어야 한다. 이러한 설계 기준의 최적화는 여러 가지 방식으로 수행될 수 있으며, 한 가지 예로 렌즈 설계 소프트웨어가 있다. 시스템(400)의 하나의 실시형태는 이미징 광학 기기(402)를 위해서 싱글렛 렌즈(singlet lens)를 사용하였다. 이러한 설계와 관련된 구면 수차로 인해서 편향 측정 장치가 스폿 파트 표면 위치 반복성 오류에 더 민감해진다는 것을 발견하였다. 이러한 민감도를 줄이기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시형태는 이미징 광학 기기(402)를 위해서 색지움 접합(achromatic doublet)을 사용한다. 색지움 접합은 무한 쌍 이미징(infinity conjugate imaging)을 위한 우수한 수차 교정 및 바람직한 마이크로-OLEO 디스플레이 기술의 스펙트럼 특성을 갖는다.

운동학적 파트 홀더(404) 및 이미징 광학 기기(402)로서의 색지움 접합 렌즈로, 시스템(400)의 측정 재현성은 5번의 연속적인 파트 표면 재-장착 측정에서 5 nm RMS 미만이었다. 주된 오류, 비점수차, 난시, 굴절력, 및 코마는 충분히 작은 크기였고, 이들이 재료 제거의 측정 및 연관된 TIF 특성화에 미치는 영향은 무시할 수 있는 것으로 간주되었다.

진동 민감도를 시스템(400) 및 MRF 스폿 측정에서 일반적으로 사용되는 상용 간섭계에 대해서 비교하였다. MRF 스폿 측정을 수행하기 위해서 간섭 시스템이 진동 격리 테이블을 필요로 하는 조건에서, 편향 측정 장치는 그러한 진동 격리를 필요로 하지 않고도 유사한 측정 결과를 생성하였다.

개시된 발명은, 결정형 마감 기계에 의한 재료 제거 특성화를 위한 차동 계측과 편향 측정 장치의 고도로 반복 가능하고 재현 가능한 측정 특성을 결합한 것을 특징으로 한다. 재료 제거 프로세스에서 발생하는 스폿 파트 표면의 변화가 정확하게 캡처되기만 한다면, 스폿 파트 표면을 절대적인 의미로 정확하게 특성화할 필요는 없다. MRF 스폿 측정의 예에서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 시스템(400)은 종래 기술과 유사한 결과를 생성하였고, 그에 따라 비용, 복잡성, 및 환경 민감도를 줄이는 적절한 대안이 되게 하였다.

본 발명의 유연성을 입증하기 위해서 다수의 실시형태를 제안하였다. 따라서, 새로운 실시형태를 도출하기 위한 수많은 변경이 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위는 이하의 청구범위에 의해 정의될 것이며, 본원에서 설명된 특정 실시형태로 한정되지 않는 다는 것을 이해하여야 한다.

Claims

결정형 마감 기계에 의해서 생성된 재료 제거를 특성화하기 위한 방법으로서,
(i) 스폿 파트(spot part) 표면의 초기 측정을 수행하는 단계;
(ii) 상기 결정형 마감 기계로 재료를 상기 스폿 파트 표면으로부터 제거하는 단계;
(iii) 재료를 제거한 후에 상기 스폿 파트 표면의 후속 측정을 수행하는 단계; 및
(iv) 상기 초기 측정과 상기 후속 측정 사이의 변화를 기초로 상기 제거된 재료의 깊이 및 공간적 품질을 결정하는 단계
를 포함하고,
상기 스폿 파트 표면의 초기 측정 및 후속 측정은 편향 측정 장치로 획득되고,
상기 편향 측정 장치는, 디스플레이; 이미징 광학 기기; 상기 초기 측정 및 상기 후속 측정에서 상기 스폿 파트 표면을 반복적으로 정렬할 수 있는 운동학적 파트 홀더; 스톱; 그리고 카메라 렌즈 및 카메라를 포함하는 카메라 이미징 조립체를 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 편향 측정 장치로 획득된 상기 스폿 파트 표면의 초기 측정 및 후속 측정을 수행하는 단계들은 디스플레이로부터 광을 공간적 가변 세기 패턴 형태로 방출하는 단계를 포함하고, 상기 광은 상기 이미징 광학 기기에 의해서 굴절 또는 반사되고, 이어서 상기 광은 상기 스폿 파트 표면에서 반사되고, 이어서 상기 반사된 광은 다시 상기 이미징 광학 기기로 재지향되며(redirecting), 상기 광은 상기 이미징 광학 기기에 의해서 반사 또는 굴절되고, 이어서 상기 스폿 파트 표면에 의해서 반사된, 상기 카메라 렌즈에 입사된 광을 기하형태적으로 제어하는 스톱에서 상기 디스플레이로부터의 광의 이미지가 형성되고, 이어서 상기 입사된 광은 상기 카메라 렌즈에 의해서 상기 카메라의 검출기 상으로 굴절되고, 상기 카메라 검출기에서 포커스되며(focused); 상기 세기 변동의 프로그래밍된 변화가 상기 카메라에 의해서 동시에 캡처되도록 상기 디스플레이 및 카메라가 동기화되고, 이어서 데이터 분석기로 획득 이미지에 대해서 데이터 분석을 수행하여 상기 초기 측정 및 상기 후속 측정의 각각에 대한 테스트(test) 표면의 지형적 맵(topographical map)을 재구성하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 초기 측정과 상기 후속 측정 사이의 변화를 기초로 상기 제거된 재료의 깊이 및 공간적 품질을 결정하는 단계(iv)는, 차동 계측으로, 상기 초기 측정과 상기 후속 측정 사이의 상기 스폿 파트 표면의 표면 지형의 변화를 결정하여 스폿 맵을 생성하는 단계를 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 결정형 마감 기계는 MRF 기계를 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 디스플레이는 마이크로-OLEO 디스플레이를 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 플라노(plano) 스폿 파트 표면을 위한 이미징 렌즈를 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는 색지움 접합(achromatic doublet) 시준 렌즈를 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 비-플라노 스폿 파트 표면을 위한 이미징 렌즈를 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 플라노 스폿 파트 표면을 측정하기 위한 이미징 거울을 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 비-플라노 스폿 파트 표면을 위한 이미징 거울을 포함하는,
방법.
제1항에 있어서,
상기 편향 측정 장치로 획득된 상기 스폿 파트 표면의 상기 초기 측정 및 상기 후속 측정을 수행하는 단계는 상기 카메라의 온도를 능동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제11항에 있어서,
상기 카메라의 온도를 능동적으로 제어하는 단계는 상기 카메라 이미징 조립체의 카메라를 냉각하는 단계를 포함하는,
방법.
운동학적 스폿 파트 홀더; 디스플레이; 이미징 광학 기기; 스톱; 그리고 카메라 렌즈 및 검출기를 갖는 카메라를 포함하는 카메라 이미징 조립체를 포함하는 편향 측정 장치로서,
상기 운동학적 스폿 파트 홀더는 측정되는 스폿 파트 표면을 유지하고 배치하도록 구성되고;
상기 이미징 광학 기기는 스폿 파트 표면 규정의 기하형태를 기초로 설계되며;
상기 디스플레이는 상기 운동학적 스폿 파트 홀더에 근접하여 배치되는 상기 이미징 광학 기기에 근접하여 배치되며, 상기 디스플레이 및 상기 이미징 광학 기기는, 스폿 파트 표면이 상기 운동학적 스폿 파트 홀더 내에 배치될 때, 상기 디스플레이 광을 상기 측정되는 스폿 파트 표면을 향해서 지향시키고, 상기 스폿 파트 표면으로부터 반사된 디스플레이 광을 상기 이미징 광학 기기로 다시 재지향시키고, 이어서 상기 이미징 광학 기기에서 상기 광을 상기 스톱으로 지향시키도록 구성되고;
상기 스톱은 상기 카메라 이미징 조립체에 근접하여 배치되고, 상기 카메라 렌즈에 입사되며 상기 스폿 파트 표면에 의해서 반사된 광을 기하형태적으로 제어하고, 상기 입사된 광은 이어서 상기 카메라 렌즈에 의해서 굴절되고 상기 카메라 검출기 상으로 포커스되며;
데이터 분석기는 상기 스폿 파트 표면의 형상을 추정할 수 있는,
장치.
제13항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 플라노 스폿 파트 표면을 위한 이미징 렌즈를 포함하는,
장치.
제13항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는 색지움 접합 시준 렌즈를 포함하는,
장치.
제13항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 비-플라노 스폿 파트 표면을 위한 이미징 렌즈를 포함하는,
장치.
제13항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 플라노 스폿 파트 표면을 측정하기 위한 이미징 거울을 포함하는,
장치.
제13항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 비-플라노 스폿 파트 표면을 위한 이미징 거울을 포함하는,
장치.
제13항에 있어서,
상기 카메라의 온도를 제어하기 위한 수단을 더 포함하는,
장치.
제13항에 있어서,
상기 장치는 결정형 마감 기계와 함께 사용되는,
장치.
제20항에 있어서,
상기 결정형 마감 기계는 MRF 기계를 포함하는,
장치.
디스플레이; 이미징 광학 기기; 스톱; 및 카메라 렌즈와 카메라를 포함하는 카메라 이미징 조립체를 포함하는 결정형 마감 기계의 일부인 편향 측정 장치로서,
상기 이미징 광학 기기는 테스트 파트 표면 규정의 기하형태를 기초로 설계되며;
상기 디스플레이는, 상기 테스트 파트 표면 측정 중에 상기 결정형 마감 기계에 의해서 유지되는, 상기 테스트 파트 표면에 근접하여 배치되는 상기 이미징 광학 기기에 근접하여 배치되며, 상기 디스플레이 및 상기 이미징 광학 기기는 상기 테스트 파트가 상기 결정형 마감 기계에 의해서 측정 위치에서 유지될 때 상기 디스플레이 광을 상기 테스트 파트 표면을 향해서 지향시키고, 상기 테스트 파트 표면으로부터 반사된 디스플레이 광을 상기 이미징 광학 기기로 다시 재지향시키고, 이어서 상기 이미징 광학 기기에서 상기 광을 상기 스톱으로 지향시키도록 구성되고;
상기 스톱은 상기 카메라 이미징 조립체에 근접하여 배치되고 상기 카메라 렌즈에 입사되며 상기 테스트 파트 표면에 의해서 반사된 광을 기하형태적으로 제어하고, 상기 입사된 광은 이어서 상기 카메라 렌즈에 의해서 굴절되고 상기 카메라의 검출기 상으로 포커스되며;
상기 결정형 마감 기계는 측정되는 스폿 파트 표면을 정확한 위치에서 유지하기 위한 수단을 가지므로, 별도의 운동학적 파트 홀더가 필요하지 않게 되고,
데이터 분석기는 상기 카메라의 이미지로부터 상기 테스트 파트 표면의 형상을 추정하기 위해서 사용되는,
장치.
제22항에 있어서,
상기 장치는 MRF 기계에 의해서 생성된 재료 제거를 평가하기 위해서 사용되는,
장치.
제22항에 있어서,
상기 디스플레이는 마이크로-OLEO 디스플레이를 포함하는,
장치.
제22항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 플라노 테스트 파트 표면을 위한 이미징 렌즈를 포함하는,
장치.
제22항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는 색지움 접합 시준 렌즈를 포함하는,
장치.
제22항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 비-플라노 테스트 파트 표면을 위한 이미징 렌즈를 포함하는,
장치.
제22항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 플라노 테스트 파트 표면을 측정하기 위한 이미징 거울을 포함하는,
장치.
제22항에 있어서,
상기 이미징 광학 기기는, 비-플라노 테스트 파트 표면을 위한 이미징 거울을 포함하는,
장치.
제22항에 있어서,
상기 카메라의 온도를 제어하기 위한 수단을 더 포함하는,
장치.