(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
減感された干渉縞を用いて実用的な作業距離で物体表面の表面形状を測定する方法であって、
回折光学アセンブリを光源で照明し、
回折光学アセンブリを照明する光源の光を回折光学アセンブリを介して２つの異なる方向に進む２つのビームに分割して、回折光学アセンブリを出たビームを、２つの異なる入射角で実質的に同じ位置で物体表面に衝突させることによって、適当な作業距離をおいて物体表面で実質的に重なり合せ、
物体表面からの衝突光を回折光学アセンブリの方へ反射させて、反射ビームを異なる方向で回折光学アセンブリを逆方向に通過させ、そして、
回折光学アセンブリを逆方向に通過した反射ビームを再結合して物体表面の表面形状を表わす、表面歪みと表面粗さに対して低減された感度を有する干渉パターンを形成し、それによって、前記物体表面が比較的長い仕事距離に設置され得る方法。
【請求項２】
前記照明工程が、広帯域で部分的に非コヒーレントな光源で回折光学アセンブリを照明する工程からなる請求項１記載の方法。
【請求項３】
広帯域で部分的に非コヒーレントな光源が白色光源からなる請求項２記載の方法。
【請求項４】
白色光源が放散白色光源からなる請求項３記載の方法。
【請求項５】
物体表面が、部分的に透明で平面状の平行物体からなる請求項２記載の方法。
【請求項６】
光源が白熱電球からなる請求項２記載の方法。
【請求項７】
光源が、光放射ダイオードからなる請求項２記載の方法。
【請求項８】
前記照明工程が、広帯域で部分的にコヒーレントな光源で回折光学アセンブリを照明する工程からなる請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記照明工程が、狭帯域で部分的に非コヒーレントな光源で回折光学アセンブリを照明する工程からなる請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記照明工程が、狭帯域で部分的にコヒーレントな光源で回折光学アセンブリを照明する工程からなる請求項１記載の方法。
【請求項１１】
狭帯域で部分的にコヒーレントな光源がレーザからなる請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記再結合工程が、再結合されたビームを感光変換して干渉パターンに対応する電子画像を生成する工程からなる請求項１記載の方法。
【請求項１３】
電子画像を処理して物体表面の画像を提供する工程をさらに備えてなる請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
干渉パターンに結びつくデータから表面高さを決定する工程をさらに備えてなる請求項１記載の方法。
【請求項１５】
光源の光が連合照明波長を有し、干渉パターンが照明波長より大きい連合等価波長を有し、有効波長が物体表面上の入射角に依存する請求項１記載の方法。
【請求項１６】
所望の最大有効波長を提供するために入射角を変化させる工程をさらに備える請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
有効な波長が、次式
【数１】
0003568297.tif 000011
で表わされ、ここで、Λが有効波長、ｄψが物体から回折光学アセンブリまでの距離ｈにおける微小変化ｄｈに対応する干渉位相の微小変化、ψは物体表面に衝突する２ビーム間の位相差であると共に、ψはλを平均照明波長とし、ＯＰＤを２ビームが通る光路の差とするとき、次式
【数２】
0003568297.tif 000012
で表わされる請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
回折光学アセンブリが、一対の回折格子からなり、前記２ビームが通る光路の差が、次式
【数３】
0003568297.tif 000013
で表わされ、θが物体表面に関して出射するビームの入射角であり、φは物体表面に関して回折光学アセンブリを介して通過するビームの一つの入射角であり、ｈは物体表面から物体表面に最も近い回折格子までの距離であり、ｈ’は回折光学アセンブリを構成する回折格子間の距離であり、前記作業距離が、物体表面に最も近い回折格子の厚さよりも小さい距離ｈからなる請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
有効波長が、次式
【数４】
0003568297.tif 000014
で表わされ、ここでθが物体表面に関して出射ビームの入射角であり、φは物体表面に関し回折光学アセンブリを介して通過するビームの１つの入射角であり、それによっていずれの有効波長Λ≧λも、適当な角度θ、φを適当に選択することにより生成される請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
物体表面が、部分的に透明な平面状の平行物体の前面からなり、前記物体が前後面を有し、前記部分的透明平面状平行物体の前後面を独立して測定する工程をさらに備える請求項５記載の方法。
【請求項２１】
回折光学アセンブリが、一対の回折格子からなり、前記２ビームが通る光路の差が、次式
【数５】
0003568297.tif 000015
で表わされ、θが物体表面に関して出射するビームの入射角であり、φは物体表面に関して回折光学アセンブリを介して通過するビームの一つの入射角であり、ｈは物体表面から物体表面に最も近い回折格子までの距離であり、ｈ’は回折光学アセンブリを構成する回折格子間の距離であり、前記作業距離が、物体表面に最も近い回折格子の厚さを距離ｈからひいたものである請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
形状を測定する物体表面を、回折光学アセンブリに関して距離ｈに設置する工程をさらに備えてなる請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
光源が連合照明波長を有し、干渉パターンが照明波長より大きい連合等価波長を有し、有効波長が物体表面上の入射角に依存する請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
有効波長が、次式
【数６】
0003568297.tif 000016
で表わされ、ここでθが物体表面に関して出射ビームの入射角であり、φは物体表面に関し回折光学アセンブリを介して通過するビームの１つの入射角であり、それによっていずれの有効波長Λ≧λも、適当な角度θ、φを適当に選択することにより生成される請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記干渉パターン中で制御される位相シフトを生成する工程をさらに備える請求項１記載の方法。
【請求項２６】
制御される位相シフトを生成する工程が、物体表面に関して回折光学アセンブリの少くとも一部を移す工程からなる請求項２３記載の方法。
【請求項２７】
回折光学アセンブリが、ホログラフィックの要素を備えてなる請求項１記載の方法。
【請求項２８】
減感された干渉縞を用いて実用的な作業距離で物体表面の表面形状を測定する光学的表面形状測定器であって、
照明光源と、照明光源と物体表面との間に光学的に配列された回折光学アセンブリを備え、照明光源は回折光学アセンブリを照明し、回折光学アセンブリは、回折光学アセンブリを照明する光を回折光学アセンブリを介して２つの異なる方向に進む２つのビームに分割する手段を備え、前記ビームは回折光学アセンブリを出て２つの異なる入射角で実質的に同じ位置で物体表面に衝突し、物体表面は物体表面からの衝突ビームを回折光学アセンブリの方へ反射させ、反射ビームを異なる方向で回折光学アセンブリを逆方向に通過させ、前記反射ビームを再結合して物体表面の表面形状を表わす干渉パターンを形成する手段を備え、それによって前記回折光学アセンブリと前記物体表面との間に比較的大きい仕事距離が、表面歪みと粗さに対して低減された感度を有する干渉パターンによって得られる測定器。
【請求項２９】
前記照明光源が、広帯域で部分的に非コヒーレントな光源からなる請求項２８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３０】
広帯域で部分的に非コヒーレントな光源が白色光源からなる請求項２９記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３１】
白色光源が放散白色光源からなる請求項３０記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３２】
物体表面が、部分的に透明で平面状の平行物体からなる請求項２９記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３３】
前記物体表面が、前記部分的に透明な平面状の平行物体の前面からなり、前記物体が前後面を有し、前記物体を選択的に移動して後面又は前面を１つの共通平面に設置し他方の物体表面を共通平面から離す手段をさらに備え、その平面に選択的に設置された物体表面上の同じ場所に２つの異なる入射角で前記ビームが入射し、それによって、前記部分的に透明な平面状の平行物体の前後面が独立的に測定できる請求項３２記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３４】
回折光学アセンブリが、一対の回折格子からなり、前記２ビームが通る光路の差が、次式
【数７】
0003568297.tif 000017
で表わされ、ここで、θが物体表面に関して出射するビームの入射角であり、φは物体表面に関して回折光学アセンブリを介して通過するビームの一つの入射角であり、ｈは物体表面から物体表面に最も近い回折格子までの距離であり、ｈ’は回折光学アセンブリを構成する回折格子間の距離であり、前記作業距離が、物体表面に最も近い回折格子の厚さを距離ｈからひいたものである請求項３３記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３５】
前記移動手段は、形状測定する物体表面を回折光学アセンブリに関して距離ｈに設置し、距離ｈが共通平面内に配置される請求項３４記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３６】
前記光源の光が連合照明波長を有し、前記干渉パターンが前記照明波長より大きい連合等価波長を有し、前記有効波長が前記物体表面上の入射角に依存する請求項３４記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３７】
有効波長が、次式
【数８】
0003568297.tif 000018
で表わされ、ここでθが物体表面に関して出射ビームの入射角であり、φは物体表面に関し回折光学アセンブリを介して通過するビームの１つの入射角であり、それによっていずれの有効波長Λ≧λも、適当な角度θ、φを適当に選択することにより生成される請求項３６記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３８】
照明光源が、白熱電球からなる請求項２９記載の光学的表面形状測定器。
【請求項３９】
前記照明光源が、広帯域で部分的にコヒーレントな光源からなる請求項２８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４０】
前記照明光源が、狭帯域で部分的に非コヒーレントな光源からなる請求項２８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４１】
前記照明光源が、狭帯域で部分的にコヒーレントな光源からなる請求項２８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４２】
狭帯域で部分的にコヒーレントな光源がレーザからなる請求項４１記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４３】
照明光源が、光放射ダイオードからなる請求項２９記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４４】
光源からの光が連合照明波長を有し、干渉パターンが照明波長より大きい連合等価波長を有し、有効波長が物体表面上の入射角に依存する請求項２８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４５】
有効な波長が、次式
【数９】
0003568297.tif 000019
で表わされ、Λが有効波長、ｄψが物体から回折光学アセンブリまでの距離ｈにおける微小変化ｄｈに対応する干渉位相の微小変化、ψは物体表面に衝突する２ビーム間の位相差であると共に、ψはλを平均照明波長とし、ＯＰＤを２ビームが通る光路の差とするとき、次式
【数１０】
0003568297.tif 000020
で表わされる請求項４４記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４６】
回折光学アセンブリが、一対の回折格子からなり、前記２ビームが通る光路の差が、次式
【数１１】
0003568297.tif 000021
で表わされ、θが物体表面に関して出射するビームの入射角であり、φは物体表面に関して回折光学アセンブリを介して通過するビームの一つの入射角であり、ｈは物体表面から物体表面に最も近い回折格子までの距離であり、ｈ’は回折光学アセンブリを構成する回折格子間の距離であり、前記作業距離が、物体表面に最も近い回折格子の厚さを距離ｈからひいたものである請求項４５記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４７】
有効波長が、次式
【数１２】
0003568297.tif 000022
で表わされ、ここでθが物体表面に関して出射ビームの入射角であり、φは物体表面に関し回折光学アセンブリを介して通過するビームの１つの入射角であり、それによっていずれの有効波長Λ≧λも、適当な角度θ、φを適当に選択することにより生成される請求項４４記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４８】
前記干渉パターン中で制御される位相シフトを生成する手段をさらに備える請求項２８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項４９】
位相シフト生成手段が、物体表面に関して回折光学アセンブリを移動する手段からなる請求項４８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項５０】
回折光学アセンブリが、少なくとも２つの間隔を有して設けられた回折格子からなり、前記移動手段が、前記回折格子の少くとも１つを他方に対して移動させる手段からなる請求項４９記載の光学的表面形状測定器。
【請求項５１】
回折光学アセンブリが、ホログラフィックの要素を備えてなる請求項２８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項５２】
回折光学アセンブリが、複数の回折格子からなる請求項２８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項５３】
前記再結合手段が、前記干渉パターンに対応する電子画像を、前記再結合ビームから生成する感光変換器をさらに備えてなる請求項２８記載の光学的表面形状測定器。
【請求項５４】
前記電子画像を処理して前記物体表面の画像を提供するデータ処理手段をさらに備えてなる請求項５３記載の光学的表面形状測定器。
【請求項５５】
前記入射角を変化させて所望の最大有効波長を提供する手段をさらに備えてなる請求項４４記載の光学的表面形状測定器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に表面の描像および解析のための精密光学計測機器に関し、より詳細には表面形状測定のための干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
広範囲に用いられている、表面形状を測定するための装置の１つとして干渉計があり、光の波としての性質を用いて高精度で表面高さの変化の地図を描くことができる。一般の干渉計の例が例えば書籍の「光学ショップ試験」第２版、ダニエル  マラカラ著（ワイリ、ニューヨーク、１９９２）の第１、２および３章に出ている。
【０００３】
これらの従来型干渉計手段の多くは、光源光の波長の４分の１を越える不連続な高さ変化や表面粗さをもつ表面特徴をうまく捉えることができない。そのような表面特徴は、解釈することが困難あるいは不可能な干渉計測的位相の曖昧さをもたらす。表面勾配が大きすぎ干渉縞を解像することがむずかしい時さらに困難さが生じる。
【０００４】
従来の干渉計の適用範囲が限られているため、先行技術は、測定感度を低減させるようにする代替的方法と手段を提供している。明らかな１つの方法は、普通でない光源を用いて光の波長を増加させることである。例示的方法と装置が、Ｃ．Ｒ．マンナリンとＭ．ラッタによる論文「二酸化炭素レーザー光源を用いた粗面干渉測定」（応用光学７（９）１８５８−１８５９（１９６８））に開示されている。しかしながら、そのような方法は、特別な光源、光学素子および検知子を必要とし、一般的に非常に高価で厄介である。
【０００５】
従来の干渉計の限られた範囲を克服するための別の先行技術からのアプローチとして、Ｒ．ルネ  ブヌワによって論文「計測学的定量法における、干渉現象の応用」物理学雑誌３（７）、５７−６８（１８９８）において初めて記述されたような、多重波長の使用があげられる。２つ以上の波長における一連の測定により、非常に大きい等価波長が得られ、従来の単一波長干渉計の曖昧さの問題のいくつかを克服できる。
【０００６】
表面計測学にこの技術を応用する方法が、Ｔ．Ａ．ナスマイアに許可された米国特許第４，３５５，８９９号に開示されている。しかしながらこれらの多重波長技術であっても、表面勾配が大きすぎて干渉縞を解像することが困難になるような場合、正しく機能しない。Ｋ．ヘインズとＢ．Ｐ．ヒルデブランドによる論文「波面再構成による輪郭線生成」物理学書簡、１９（１）、１０−１１（１９６５）に記載の、先行技術の２波長ホログラフィー法において、ホログラフィ−像の２波長再構成の正味の結果は、強め合う干渉の輪郭線間隔の出現である。しかしながらこの方法は、実際に用いるには困難をともなう。
【０００７】
走査白色光干渉計を用いた表面形状を測定する（描く）先行技術の方法が、Ｎ．バラスブラメイニアンに許可された米国特許第４，３４０，３０６号に開示されている。この特許は、機械的に走査した参照鏡と、２次元検知アレイとコンピュータ制御装置を備えた白色光干渉計について記載している。開示されたその方法は、参照鏡または物体のどちらかを離散処理方法で走査し、各走査位置ごとに像の各点の縞コントラストを測定し、このようにして各表面点に対して最大縞コントラストの位置を決定することを含む。コントラストが最大である走査位置は、特定の表面点の相対高さの尺度である。しかしながら、この先行技術は非常に遅く、干渉縞を解像する困難さのため、大きく粗い表面に対してうまく機能しない。
【０００８】
先行技術によれば、表面粗さ、表面勾配および多重反射に対する測定感度を低減することを企図したいくつかの代替的測定方法が提供されている。この観点からの代表的先行技術が、Ｒ．Ｃ．ムーアに許可された米国特許第４，３２５，６３７号およびＣ．ジョーナサン、Ｂ．フランツェとＨ．Ｊ．ティツィアーニによる論文「斜め入射と観測電子スペックルパターン干渉計」（応用光学３３（３１）、７３０７−７３１１、（１９９４）に記載されている。
【０００９】
これらのいわゆるかすめ入射干渉計において、照明と観測の角度が斜めであることによって、よりありふれた形態の干渉計に比べて、物体表面における縞密度を低減できる。この低減された縞密度は、光の実際の波長λより何倍も長い等価波長Λに対応する。等価波長Λが大きければ大きいほど、測定機器によって捉えることのできる表面粗さの程度が大きくなる。
【００１０】
しかしながら、これらの先行技術のアプローチにおいておこる感度の有意な低減は、法線方向入射に対して大きい照明角度を必要とする。そのような大きな角度によって、物体の適切な照明と結像に関して問題が生じる。また、段差あるいは溝などの表面特徴による望ましくない陰影の問題もありえる。そのような先行技術のシステムにおいては、様々の表面反射率を補償するため干渉計の参照ビームと物体ビームの適切なバランスをとる必要性による新たな複雑性が生じる。
【００１１】
長い等価波長をもつ干渉パターンを生成する別の構造的アプローチが、Ｆ．Ｈ．スミスに対する米国特許第３，９５８，８８４号に教示されている。その装置は、表面の点に対し違った入射角で同時に２つの互いにコヒーレントな光線束を導波する光学アセンブリを含む。これらの光線束が再結合すると得られる干渉パターンは、表面の形状の変化に対してずっと低い感度を有する。この低減された縞密度はまた、等価波長Λ＞λによって特徴づけられる。しかしながらこの方法は、照明の際の極端な角度を必ずしも必要としない。
【００１２】
スミスは、屈折成分と偏光成分の組合せを用いた光源光の分割および再結合の方法をいくつか教示している。これらの方法はジャマン干渉計、複屈折ダブレット、複屈折ダブレットプリズムまたはサバールダブレットプレートの使用を含む。しかしながら、これらの先行技術の方法はいずれも大きな表面領域に対して適切ではない。それは厄介で高価な光学素子と構造のせいであり、光線束を規定し分離するために用いられる様々の開口絞りのせいである。示された構造はまた非常に光の無駄になる。
【００１３】
異なった入射角で作動する先行技術の干渉計の別の形態がＧ．マコッシュに許可された米国特許第４，４９８，７７１号に開示されている。その開示された装置は、ウォラットソンプリズムのような複屈折結晶と鏡系を用い光ビームを物体に導く。米国特許第４，４９８，７７１号の図２ａにおいて、２つの違った角度の２つのビームによって物体を照明し干渉パターンの実効縞間隔を大きく増大させることを企図した実施例が示され、その特許の第３列と第４列に記載がある。
【００１４】
しかしながら、そのような複屈折結晶の使用は、観測する物体の大きさを最大でたった数センチメートルに制限する。さらにその装置は極端な照明角度（＞４５度）を用い、したがって先行技術のかすめ入射干渉計と同じ短所がある。またその装置は複雑で位置合わせが困難であるように見受けられる。
【００１５】
別の構造によって光学干渉計の感度を低減化する、さらに別の先行技術によるアプローチが、Ｗ．イェーリッシュとＧ．マコッシュにより論文「表面の光学輪郭線マッピング」（応用光学１２（７）、１５５２ー１５５７（１９７３））に記載されている。この論文は試験表面にほとんど接するようにおかれた回折光学素子（この場合回折格子）を用いる先行技術の方法を記載している。単色の平面波による格子の照明により、２つの異なる回折次数のビーム成分の間で干渉パターンが生じる。このパターンが物体表面から反射されて戻り、格子の上で重ね合わされて、物体表面の表面輪郭線に似た縞パターンが得られる。
【００１６】
これらの輪郭線は光源光の波長よりもずっと大きい。減感した縞を生成する同様の先行技術のアプローチが、論文「平坦性試験のための共通路干渉計」、Ｐ．ジャコ、Ｘ．コロンナ  ド  レガおよびＰ．Ｍ．ブーン（ＳＰＩＥ  ２２４８、製造における生産性のための光学、論文１８（１９９４））に記載されている。
【００１７】
その装置もまた回折光学素子の２つの回折次数の相互作用により作動するが、今の場合素子は球状波面のホログラフィー記録である。イェーリッシュとマコッシュによる先行技術方法およびジャコその他の先行技術方法は両方とも、物体表面にほとんど接触するように回折素子を載置することを必要とする。
【００１８】
これは、これら両方の先行技術の方法において単一の回折素子が光源光を２つのビームに分け、それらの２つのビームが違った方向に伝幡して物体表面で完全に重ならないからである。したがって２つのビームは、特に粗い表面においてうまく所期の干渉効果を生成できない。更なる困難点として、物体が回折素子から遠く移動すると２つのビームの光路差がだんだん大きくなる反面、所期の干渉効果はこの光路差が小さいときに最も容易に得られることがあげられる。
【００１９】
これらの先行技術の光学的表面形状測定器におけるこのような問題を回避するただ１つの方法は、回折素子の表面のすぐ近くに物体をもってくることである。しかしながらこの非常に近い作業距離は望ましくなく、しばしば非実用的である。素子との実接触はひどい損傷をもたらし、作業距離が近いことは特に産業的環境においてパーツ操作およびオートメーションを複雑なものとする。
【００２０】
物体が部分的に透明（又は半透明）であるとき、干渉計測定における先行技術の困難点がさらに現れる。それは得られた干渉パターンがしばしば、プレートの前面と後面の両方からの反射によって生成された縞の複雑な混合物であるからである。そのような物体に対して意味のある測定を行うため通常とられる方法は高反射性材料によって前面を薄くコーティングするかあるいはある種の指標マッチング被覆の適用によって後面反射を阻止することである。
【００２１】
これらの種類の表面処理は、日常の検査や試験において、特に生産環境における処理制御において非常に望ましくない。共係属中の共通に所有する「透明物体の表面形状を描く方法と装置」という題の米国特許出願（連続番号第０８／１５３，１４６号、１９９３年１１月１５日出願）には、２つの測定の後、２つの表面を数学的分離する方法について開示しているが、このアプローチは複雑な装置と手順を必要とする。
【００２２】
様々の重要な応用のため干渉計を用いる大きな困難性の結果として、先行技術は光の波としての性質に依存しない光学的表面形状測定技術をいくつか提供している。その代表的な例がモアレ縞解析である。この先行技術が書籍の「光学ショップ試験」第２版、ダニエル  マラカラ著（ワイリ、ニューヨーク、１９９２）の第１６章に詳細に記載されている。その先行技術のモアレ法はロンキー罫線あるいは同様の周期的構造の投影と描像を含み、幾何学的三角分割に等価である。
【００２３】
この原理に基づいた市販品がスピードファム−スピットファイア生産グループ（デ  プレーン、ＩＬ６００１６）によって製造されたチェックフラットである。この製品は粗い面の形状を測ることができるが、光学的干渉計測定法に比べると非常に低い精度であり鏡面に対してはまったく機能しない。
【００２４】
このように先行技術は、有用な作業距離で減感した干渉縞を用いて粗い面と平滑な面の両方の形状を正確に測る装置と方法や、部分的に透明な面平行物体の表面形状測定の方法と手段を満足に提供していない。先行技術のこれらの短所は本発明によって克服される。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、減感された干渉縞を用いて実用的な作業距離で物体表面の表面形状を測定する方法であって、回折光学アセンブリを光源で照明し、回折光学アセンブリを照明する光源の光を回折光学アセンブリを介して２つの異なる方向に進む２つのビームに分割して、回折光学アセンブリを出たビームを、適当な作業距離をおいて物体表面で実質的に重なり合せると共に、そのビームを２つの異なる入射角で実質的に同じ位置で物体表面に衝突させ、物体表面からの衝突光を回折光学アセンブリの方へ反射させて、反射ビームを異なる方向で回折光学アセンブリを逆方向に通過させ、そして、回折光学アセンブリを逆方向に通過した反射ビームを再結合して物体表面の表面形状を表わす干渉パターンを形成し、前記干渉パターンが表面歪みと表面粗さに対して低減された感度を有し、前記物体表面が比較的長い仕事距離に設置され得る方法を提供するものである。
【００２６】
本発明の望ましい方法と装置によれば、回折光学アセンブリが光源によって照明され、それらの光源は例えば広帯域で部分的にコヒーレントまたは非コヒーレントな光源あるいは、狭帯域で部分的にコヒーレントあるいは非コヒーレントな光源である。アセンブリは、回折格子、ホログラムなどのような２つ以上の回折光学素子からなる。回折光学アセンブリは、光源光を２つのビームに分け、それらビームはアセンブリを通って２つの異なった方向に伝幡する。
【００２７】
これらのビームはアセンブリから出ると、適当な作業距離で物体上に重なるように導波される。物体表面から反射した後、ビームは別の方向に再び回折光学アセンブリを通って進み、その後再結合されて表面形状を表す干渉パターンを形成する。次に干渉パターンは電子的にあるいは目視によって評価される。本発明によって生成される干渉パターンの基本的特色は、それが表面歪や表面粗さに対する感度を低減したことにある。
【００２８】
この感度の低減は作業距離を都合の良いように大きくとって物体を載置して達成される。本発明のさらなる長所は、白熱電球、発光ダイオード、レーザーおよび放散白色光源を含むほとんどどのような光源にでも用いることができ、部分的に透明な面平行物体の表面を区別することができることである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図面において、同じ参照符号は、いくつかの図を通じて同様の素子を表すものとする。また、表面プロフィラー（ｐｒｏｆｉｌｅｒ）を表面形状測定器と称する。
さて詳細に図を参照すると、まず図１において、図１は物体２０の表面形状を測定するために組み立てた本発明の光学的表面形状測定器の望ましい実施例を示す図である。照明は光源３０によって供給され、光源は例えば広帯域あるいは狭帯域の部分的にコヒーレントあるいは非コヒーレントな光源である。例として、広帯域の部分的に非コヒーレントな光源には白色光源、白熱電球あるいは発光ダイオード、あるいはダイオードがあげられ、広帯域の部分的にコヒーレントな光源にはピンホールを通した白色光あるいは発光ダイオードがあげられ、狭帯域の部分的に非コヒーレントな光源には回転するピントグラスとともに用いる発光ダイオードあるいはレーザーがあげられ、部分的にコヒーレントな光源にはレーザーがあげられる。
【００３０】
レンズ４０は光源３０から光を集め、開口部５０を通って光を導き、その後レンズ６０によってコリメートされて略平行な光ビーム６１を生成する。図２にさらに詳細に示す回折光学アセンブリ７０は、光源光を２つのビームに分けそれらの伝幡方向を規定して物体表面上に同じ場所でしかも２つの違った入射角で衝突するようにすることが望ましい。物体２０の表面から反射した後、ビームは回折光学アセンブリ７０を通って戻り、再結合して出射ビーム７６となる。レンズ８０と絞り９０を通った後、出射ビームはレンズ１００により集光される。レンズ１００を調節して表面２０が光検知子あるいは感光変換器１１０の上に結像するようにすることが望ましい。その素子は例として、固体（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ）２次元アレイ、線形アレイ、単一光センサあるいは同様の素子を備えた、電子的画像を生成する従来型カメラである。次にコンピュータ１０が従来通りに画像を表示し、望ましくは画像中のすべての点について高さを計算し、物体表面の３次元的画像を得る。
【００３１】
干渉効果は２つのビームの相対的位相変移（ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔ）によって生じ、この位相変移は表面形状に比例する。位相変移の物理的原因は図２を参照することにより明らかになる。図２では回折光学アセンブリ７０の目下の望ましい実施例によるビーム経路がよりはっきりと表されている。照明ビーム１４０が、まず最初に格子１２０に衝突し、格子１２０は、（例えばＦ．Ａ．ジェンキンスとＨ．Ｅ．ホワイトによる著書「光学の基礎」（マグローヒル、ニューヨーク、１９７６）に教示されているような）この技術分野でよく知られた光学的原理に従って、ビーム１４０をビーム１５０とビーム１６０に分割する。その次の段階で、ビーム１５０と１６０は第２の回折格子１３０によって回折され、次に物体２０の表面１７０に衝突する。反射した後、２つのビームは格子１３０に向かって戻り、回折されて格子１２０の表面で再結合する。再結合したビームは次に、回折されて共通の出射ビーム１８０となる。
【００３２】
光線ビームが２つの部分に分割され再結合されるとき、干渉効果が起こって再結合したビームの強度ｇを変化させることが当該技術分野でよく知られている。この変化に対する公式は次の式になる。
【数１３】
0003568297.tif 000002
ここでＶは干渉コントラストで、ψは２つのビーム間の干渉計測的位相差であり、ｇ０は定数である。この位相差ψはそれ自身照明の平均波長λと２つのビームが通過する光路長の差ＯＰＤに関係する。
【数１４】
0003568297.tif 000003
図２から、次の式が成り立つ。
【数１５】
0003568297.tif 000004
ここでθは物体２０の表面１７０に対するビーム１６０の入射角であり、φは物体２０の表面１７０に対するビーム１５０の入射角であり、ｈは表面１７０から回折格子１３０への距離で、ｈ’  は格子１２０と格子１３０の距離であり、Ｗは作業距離である。等式３において、透明格子基板の屈折効果は、簡単のため無視している。これら２つの距離ｈとｈ’がほぼ同じである時、光路長差ＯＰＤが零に近いことがこの等式から明らかである。この同じ場合には、２つのビームは表面上で完全に重なり合う。これらが、コントラストＶを最大にし、よって最高品質の干渉パターンを得るための必要条件である。距離ｈ’  を適当に選ぶことにより、ほとんどどのような作業距離Ｗでも得ることができ、制限としては格子の物理的寸法と、付随する登載ハードウェアだけである。
【００３３】
表面変形に対する本発明の光学的表面形状測定器の感度は、次の式で定義される実効波長Λによって表されるであろう。
【数１６】
0003568297.tif 000005
ここでｄψは距離ｈの微小変化ｄｈに対応する干渉位相の微小変化である。この計算は図２に示す望ましい実施例に対して容易に実行できる。次の関係を用いて
【数１７】
0003568297.tif 000006
次の式を示すことができる。
【数１８】
0003568297.tif 000007
図２に示す望ましい実施例において、角度θとφは、入射角αと、波長λと、１ｍｍ当たりの溝の数を単位として共通に測った格子１２０と１３０の度数Ｎ１とＮ２によって決定される。Ｎ２のＮ１に対する比は２に等しいことが望ましい。その場合、次の式が成り立つ。
【数１９】
0003568297.tif 000008
【数２０】
0003568297.tif 000009
これらのθとφに対する値を上記の式に代入することにより、等価波長は光源波長に対してほぼ独立であることがわかる。
【数２１】
0003568297.tif 000010
原理的には入射角αを適当に選ぶことによりどのような実効波長Λ≧λでも生成可能であることがわかる。
【００３４】
これらの考察は次の例によってより明らかになる。
図２に示された望ましい実施例において２つの格子を、第一の格子１２０が１ｍｍ当たり３００個の溝（ｇｐｍ）を有し、第２の格子１３０が６００ｇｐｍになるように選んだと仮定する。この例においては、入射ビーム１４０は格子１２０に１０．９５度の角  α  で衝突する。したがって図２において、回折次数＋１はビーム１５０であり、回折次数−１はビーム１６０である。
【００３５】
次に格子１３０によってビーム１５０は２２．３度に等しい角度φで−１次に回折される。ビーム１６０は格子１４０によって＋１次に回折される。これは、今の場合物体表面に対し実質的に法線方向の入射であり、従ってθ＝０である。表面１７０からの反射の後、ビーム１５０は格子１３０によって−１次に回折され、次に格子１２０によって＋１次に回折される。したがってビーム１５０はαに等しい角度で格子１２２を出る。一方、ビーム１６０は表面１７０から反射され、格子１３０によって＋１次に回折される。次にビーム１６０は格子１２０により−１次に回折され、その結果ビーム１５０と再結合して出射ビーム１８０になる。
【００３６】
この例における等価波長Λは約８．６ミクロンである。作業距離Ｗは、距離ｈから格子１３０の厚みを引いたものに等しい。例えば格子が４ｃｍ離して置かれており、それぞれ１ｃｍの厚さを有する時、作業距離は３ｃｍである。
等価波長Λは入射角の関数であるから、入射角α１、α２、・・・・の所に複数の光源と検知子を対称に配置することにより、２つ以上同時に等価波長Λ１、Λ２、・・・・を得ることができる。もう１つの可能性は、入射角αを変えられるように装置に調節作用を持たせ、使用者が特定の適用に際し、どの等価波長Λがもっとも適しているか選ぶことができるようにすることである。
【００３７】
図２に示された望ましい構造は、ふつうの白熱電球光源などによって生成される拡散白色照明と、完全に両立できる。ここで「白色光」という用語は、レーザー、低圧アーク灯やそれと同様な実質的に単色光の放射に比して（ＨＶ）大きなスペクトル分布を持つことを特徴とする、広帯域で部分的に非コヒーレントな光源などのあらゆる照明を意味し、例えばレーザーに比べて大きなスペクトル分布をもつ発光ダイオードによって実現できる。
【００３８】
図２において、ビーム１５０と１６０は、両方とも等しい量のガラスを通過し、実質的に等しい光路長を進み、表面上において水平ずれなしに重なり合うことが明らかである。これらがいわゆる白色光干渉計測の必須条件である。さらに等価波長Λがほぼ波長と独立であることから、白色光による干渉縞は、固定したｈ’  の値に対し、広い範囲の測定距離ｈにわたって明瞭である。白色光源の使用により、発明の装置は実質的に簡単になりコストも低減される。それは白色光が広く入手可能で、レーザー光源よりも安くつき、望ましくない疑似（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）干渉効果を発生しないからである。
【００３９】
等価波長が光源波長にほぼ独立であることから、図２に示した実施例は色無し（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ）と呼ばれる。色無し干渉縞は、１９０５年初版でアメリカ光学学会（ワシントン、Ｄ．Ｃ．、１９８８）により最近リプリントされたロバート  Ｗ．ウッド著の本「物理光学」の１８１と１８２ページに定義されている。回折格子を用いた従来の色無し干渉計のいくつかの例がＢ．Ｊ．チャンと、Ｒ．アルファネスおよびＥ．Ｎ．リースによる論文「空間不変の色無し格子干渉計。理論」（応用光学１４（７）、１５９２−１６００（１９７５）に記載されているが、それらの例の何れも大きい等価波長を用いていない。
【００４０】
従って本発明に関連して用いられる時、光源３０は空間的にあるいはスペクトル的にコヒーレントである必要がない。そして、非コヒーレントな光源を用いることが有利である場合もある。しかしながら、このことはレーザーのような空間的あるいはスペクトル的にコヒーレントな光源の使用を除外するものではない。さらに光源３０は単一光源である必要はなく、いくつかの光源を組み合わせて、共同して動作させあるいは選択的に点灯してもよく、本発明の使用に弾力性を与えるものとなっている。このように前述したように光源３０は本発明に関連して用いられる時、空間的にコヒーレントあるいは非コヒーレントであるとともに広帯域あるいは狭帯域である。
【００４１】
本発明のさらなる利点は、先行技術のフィゾー干渉計に特有の多重反射の問題を生じることなく、部分的に透明な面平行物体の全面と後面を独立に測定することができることである。この目的のため、本発明の装置は、白熱電球、発光ダイオード、または空間的コヒーレンスを減らすように企図された追加の光学素子をもつレーザーのような空間的に広がったあるいは拡散した光源を含むことが望ましい。
【００４２】
図３において、距離ｈを変化させる方向に物体２６を平行移動させることのできる載物台２０２によって支持された部分的に透明な面平行物体２６が示されている。空間的に非コヒーレントな光源の場合、距離ｈが実質的に格子間隔ｈ’  に等しい場合にのみ干渉が起こるので、物体２６の前面１７６だけが干渉パターンに寄与する。図３の物体２６の後面１７７からの反射光は縞パターンに寄与しない。
【００４３】
しかしながら、図４に示すように物体２６の後面１７７が距離ｈの所に来るように物体２６を載物台２０２によって平行移動させた時、前面１７６はもはや干渉効果に寄与しない。このように本発明の装置と方法は部分的に透明な物体の前面と後面の形状を独立に測定することができる。
【００４４】
本発明のさらにもう１つの長所はこの発明により生成された干渉画像が、表面形状を測定する先行技術の方法の短所を克服する一方、低減された感度という利点以外は、従来技術の干渉計によって生成された画像と実質的に同じ性質を有しているということである。
【００４５】
このように干渉縞解析のいくつかの公知の方法は依然として本発明と両立でき、必要であれば用いることができる。これらの従来の方法は「光学ショップ試験」の本に教示がある。例えばコンピュータ１０のモニタ上に投影された干渉画像は視覚的に解釈してもよく、干渉縞パターン解析によって処理してもよい。干渉画像はザイゴ（Ｚｙｇｏ）コーポレーション（ミドルフィールド、ＣＴ）によって販売されているザップ（ＺＡＰＰ）縞解析ソフトウェアのようないくつかの市販のコンピュータソフトウェアパッケージと両立できることが望ましい。
【００４６】
高精度測定のため回折光学アセンブリ７０、あるいはその要素の１つ、あるいは物体そのものを正確に変位させて、当該技術分野で位相変移干渉計測として知られる従来の方法（例えば「光学ショップ試験」の本の第２章を参照）にしたがって、干渉パターンにおける位相変移を制御する機械的手段を備えることが望ましい。図５はそのような機械的手段が位相変移を導き出すかを示す図である。図中の格子１２０は、格子間隔ｈ’  を変えられる機械的載物台２０１によって支持されている。上記の等式（３）によれば、格子間隔ｈ’  を変化させる効果は光路長差ＯＰＤを変え、それにより干渉計測的位相ψを変えることにある。
【００４７】
このことは等式（２）を参照することによりわかるであろう。本願発明の望ましい方法によれば、干渉パターンは機械的載物台２０１によって格子間隔ｈ’  を変えることにより生成される一連の等間隔の位相変移に対して記録される。これらの干渉パターンは処理されて、透明な物体から反射された波面を表す正確な位相画像を生成する。パターンを検知し記憶し処理する装置は図１に示されているものと実質的に同じであることが望ましく、カメラ１１０とコンピュータ１０からなる。
【００４８】
本発明の光学的表面形状測定器のさらなる利点は、位置合わせが非常に簡単であることにある。大きな等価波長Λのおかげで、干渉縞パターンを得ることがたやすい。さらに物体の位置が適切でない時、コンピュータ１０（図１）のモニタ上で２つの画像を区別することができる。このように概略の位置合わせをする方法の１つは、これらの２つの画像が重なるまで物体を調節することである。この手順は、位置合わせ前の画像を示す図６（ａ）と位置合わせ後の画像を示す図６（ｂ）を参照することで、より明瞭になる。干渉計位置合わせの公知の技術のいくつかは、本発明とも両立できる。これらの多くは前述した「光学ショップ試験」の本に教示がある。
【００４９】
図２に示す回折光学アセンブリの望ましい形態に加えて、いくつかの代替的実施例が可能である。例えば、回折格子の組み合わせを変えることにより、回折光学アセンブリ７０を通るビーム１５０と１６０の光路を変え、しかも同時にビーム１５０と１６０を導波して表面１７０上の同じ場所において２つの違った入射角で物体表面１７０に衝突するようにすることができる。これらの代替的実施例をこれから図７〜図１１に従っていくつか考察する。
【００５０】
図７で示される代替例において、照明ビーム６２と反射ビーム７７は共通のコリメータ１６０を共有する。反射ビームはビーム分離器６９によりカメラ１１０に導かれる。図８は、この配置のための適切な回折光学アセンブリ７２を示す。回折光学アセンブリ７２は、１ｍｍ当たり実質的に同数の溝を有する２つの格子１２２と１３２からなる。
【００５１】
例えば、６００ｇｐｍの２つの格子１２２と１３２を選んだと仮定する。この例においては、入射ビーム１４２は実質的に法線方向から格子１２２に衝突する。したがって、ゼロ次の回折次数はビーム１５２であり、−１次の回折次数はビーム１６２である。つぎに格子１３２はビーム１５２を２２．３度に等しい角度φで−１次に回折させる。ビーム１６２は格子１３２によって＋１次に回折される。これはこの場合、物体表面に対し実質的に法線方向入射となり、θ＝０である。
【００５２】
表面１７０から反射した後、ビーム１５２は格子１３２によって−１次に回折され、さらに格子１２２によって＋１次に回折される。したがってビーム１５２は格子１２２からその表面に略垂直に出射する。一方ビーム１６２は表面１７０から反射し格子１３２によって＋１次に回折される。ビーム１６２はさらに格子１２２を通過しビーム１５２と結合して出射ビーム１８２となる。
【００５３】
さらにまた別の可能性としては、回折格子の代わりとして、実質的にそれと同じ結果を得ることができ、さらに光学的デザインを簡素化し、疑似（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）回折の効果を低減するという新たな利益を得る可能性をもつホログラムを用いることがあげられる。図９はホログラフィー素子からなる回折光学アセンブリ７３を用いた実施例のための適当な光学構造を示す図である。
【００５４】
この例におけるホログラフィー素子は、それらが光をビーム１５３および１６３の形の様々の回折次数に分割し、最後に表面１７０で反射させるだけでなく、レンズと類似の仕様で光をコリメートし焦点を結ばせるという点において、普通の回折格子と異なる。このように、図１に示されるコリメーターレンズ６０と８０は、図９に示されるホログラフィーによる実施例にとっては必要ではない。図１０は回折光学アセンブリ７３における２つのホログラフィー素子１２３と１３３の配置の可能性の１つを示す図である。
【００５５】
前述の図２と図８における２つの実施例では、回折次数はトータルでゼロになるが、図１０に示すホログラフィーの実施例では、出射ビーム１８３はホログラム１２３の補償されない＋１次の回折に相当する。この回折次数が光の焦点を結ぶので、コリメータ光学素子を追加する必要がない。ホログラム１２３は、当該技術分野において公知のホログラフィーの原理（例えばＲ．Ｊ．コリエル、Ｃ．Ｂ．バークハルトおよびＬ．Ｈ．リンによる書籍「光学ホログラフィー」（アカデミックプレス社、ニューヨーク、１９７１）を参照）に従って、それを２つの発散波面に露出させることにより写真術的に生成することができる。この実施例のもう１つの利点は、疑似（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）回折次数が正しく焦点を結ばないので所期の画像から除去することが容易であることにある。
【００５６】
図１１は本発明のさらにもう１つ別の代替的実施例で、図１に示したここでの望ましい実施例と実質的に同じであるがその装置を商業化するにあたって有利になる様々の光学素子を追加したものを示す図である。図１１においてビーム３９を出射するレーザー光源３４が示されている。ビーム３９はレンズ４４によって焦点を結び発散ビーム３９を生成する。ビーム３９は、物体２０の反射率によって光の強度レベルを最適化するために用いる可変中性（ｎｅｕｔｒａｌ）密度フィルタ５４を通過する。
【００５７】
図１１には照明ビームの大きさを制御し疑似ビームがカメラ１１０に到達するのを阻止する２つの絞り９４と８１も示されている。図１１には、カメラ信号を連続的に見るための画像モニタ１１も示されている。また図１１には、図５に示した配列に従って干渉パターンの位相変移を制御するための手段２５０も示されている。当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、ここに開示する方法と装置の形あるいは中味に対して更に置き換えや削除や変更をなすことができることを理解するであろう。
【００５８】
ここに述べた回折光学アセンブリはまた、公知の光学および電子手段を改変して物体を照明し撮像して大きい等価波長で干渉パターンを生成するために用いることができる。例えばこの回折光学アセンブリは顕微鏡的物体を観察し特性を調べるための従来型の顕微鏡対物レンズと光学システムに関連して用いることができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の方法と装置を利用することにより、粗面を測定でき、大きい変形や大きい勾配を持つ表面を測定でき、発散白色光を含む殆どどのような光源であっても表面を測定でき、面平行表面をもつ部分的に透明の物体を測定でき、干渉縞解析の公知の方法と両立でき、位置合わせが簡単で、干渉ビームが両方とも物体表面からの反射光であるためすぐれた縞コントラストをもち、高い光効率を有し、振動に対して感度が低く、反射力の高い表面と低い表面のどちらに対しても測定を行うことができ、同時に測定のための実用的作業距離をとることができて、高価あるいは厄介な要素あるいは装置にたよらなくてもよい、光学的形状（測定器）が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の望ましい実施形態を示す図で、物体と光源と回折素子と電子カメラと、物体を照明し干渉パターンを操作するのに必要なその他の光学素子を示すものである。
【図２】回折光学アセンブリを用いた図１の実施形態のビーム経路を詳細に示す図である。
【図３】透明面平行物体の前面の形状測定のため配置された図１の望ましい装置の一部分を示す図である。
【図４】透明面平行物体の後面の形状測定のため配置された図１の望ましい装置の一部分を示す図である。
【図５】移相（ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇ）干渉計測定を実行するための追加手段を備えた図１の装置の代替的実施形態を示す図である。
【図６】２つのカメラ画像の重ね合わせに基づいた物体配列の方法を示す図である。
【図７】照明ビームと反射ビームが共通のコリメーターレンズを共有している、図１に示す本発明の代替的実施形態を示す図である。
【図８】回折光学アセンブリを用いた図７の代替的実施形態のビーム経路を詳細に示す図である。
【図９】回折光学アセンブリが、コリメータレンズに取って替わるホログラフィー素子を備える図１の本発明のもう１つ別の代替的実施形態を示す図である。
【図１０】ホログラフィー光学素子を使う回折光学アセンブリを用いた図９の代替的実施形態のビーム経路を詳細に示す図である。
【図１１】図１の本発明のさらにもう１つ別の代替的実施形態を示す図である。
【符号の説明】
２０  物体
３０  光源
４０  レンズ
５０  開口部
６０  レンズ
６１  光ビーム
７０  回折光学アセンブリ
７６  出射ビーム
８０  レンズ
９０  絞り
１００  レンズ
１１０  感光変換器
【図１】
0003568297.tif 000023
【図２】
0003568297.tif 000024
【図３】
0003568297.tif 000025
【図４】
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【図５】
0003568297.tif 000027
【図６】
0003568297.tif 000028
【図７】
0003568297.tif 000029
【図８】
0003568297.tif 000030
【図９】
0003568297.tif 000031
【図１０】
0003568297.tif 000032
【図１１】
0003568297.tif 000033