(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系の幾何学的な軸を有し、対象のコノスコピック干渉図形を生成する線形コノスコープであり、そのコノスコピック干渉図形は前記幾何学的軸に対して直交する検出面において生じ、且つ前記幾何学的軸からの距離に実質的に線形に依存する振幅を有し、前記線形コノスコープは、
（ａ）法線軸を有する第１異方性光学素子であり、その法線軸と前記線形コノスコープの前記幾何学的軸とは非零の第１回動角及び基準面を規定すると共に、前記法線軸に対して垂直な面内に異常軸を有する第１異方性光学素子と、
（ｂ）法線軸を有する第２異方性光学素子であり、第１異方性光学素子に結合されて、第２異方性光学素子の法線軸が基準面内に角度をなすようにされ、その角度は前記非零の第１回動角に対して逆符号で且つ実質的に等しい値であると共に、第１異方性光学素子の異常軸に実質的に平行である異常軸を有する第２異方性光学素子と、
（ｃ）第２異方性光学素子と前記検出面との間に挿入された偏光アナライザとを備え、
（ｄ）第１異方性光学素子と第２異方性光学素子とは、透明結晶材料からなり、且つその材料は結晶の法線軸に関して異なる向きに偏光された光について、材料の屈折率が異なる特性を有する線形コノスコープ。
【請求項２】
請求項１の線形コノスコープにおいて、第１異方性光学素子と前記対象との間に挿入された偏光子を更に備える線形コノスコープ。
【請求項３】
請求項２の線形コノスコープにおいて、前記偏光子が、円形偏光子である線形コノスコープ。
【請求項４】
請求項１の線形コノスコープにおいて、前記対象を照明する線形偏光光源を更に備える線形コノスコープ。
【請求項５】
請求項１の線形コノスコープにおいて、検出面において前記干渉図形を受信する検出器アレイを更に備える線形コノスコープ。
【請求項６】
請求項５の線形コノスコープにおいて、前記線形コノスコープと前記対象との間の距離を前記干渉図形から導出する信号プロセッサを更に備える線形コノスコープ。
【請求項７】
請求項１の線形コノスコープにおいて、距離目盛を確立する場所参照を更に備え、この場所参照は第１異方性光学素子と前記対象との間に配置された物体参照点を更に備える線形コノスコープ。
【請求項８】
請求項１の線形コノスコープにおいて、前記信号プロセッサが、ディジタル信号プロセッサである線形コノスコープ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野 本発明は、光学的メトロロジーに関し、更に詳しくは単一ビームを採用する干渉応用メトロロジーに関する。
【０００２】
背景技術の説明 通常のホログラフィーにおいては、光源領域から発せられるコヒーレント光が、光源領域の３次元特性が符号化された干渉図形を構成するために、コヒーレント 参照ビームとの干渉を引き起こす。コノスコピーは、参照ビームを採用することなく対象体積内の１点への距離を決定する能力がある独特な干渉応用技術である。これに代わるものでは、光源領域から発せられる光が、偏光の規定状態で調整されてから異方性光学素子を通過し、この素子において１つの偏光が互いに位 相遅延を受ける。異方性光学素子から発せられる２つの偏光成分が互いに干渉して検出面に干渉図形を生成する。干渉図形は様々な手段を用いて記録でき、その 最も有用なものは電荷結合素子デバイス（ＣＣＤ）カメラのような電子的検出器アレイである。その干渉図形の電子的画像を解いて、光の起点の三次元座標を決 定できる。従ってコノスコピーは対象の輪郭を決定するために必要なカメラは一台のみですむ。更に照明光源はコヒーレントにする必要がない。
【０００３】
コノスコピーは、米国特許第４，６０２，８４４号、第４，９７６，５０４号、第５，０８１，５４０号、第５，０８１，５４１号を含む様々な特許の対象である。幾つかの実施例は、対象体積を照明する方法を異にして教示されている。光源から発する光は、例えば走査ビームにより実際に与えられて、この場合、特定 の時間における照明の位置に関する付加的な情報が、コノスコピック干渉図形から光源領域の正確な３次元プロファイルを導くために利用可能である。これに代えて、当技術分野で「コノスコピックホログラフィー」と称される受動的な技術があり、ここでは拡散光が用いられている。後者においては、付加的な情報は利 用できず、コンソコピック画像のデコンボルールション(deconvolution)は相当 に複雑な計算となる。光源領域は狭細なビームで照明でき、対象体積における基本的に点源によるコノスコピック干渉応用を与える。この操作モードを採用する 光学系はコノスコピック「プローブ」と称されている。これに代えて、光源領域は点の格子（または「クロウド(cloud)」）または線で照明できる。照明 の線を採用する光学系はコノスコピック「プロファイロメーター(profilometer)」と称される。
【０００４】
コノスコピーが採用されたモードに共通なのは一軸結晶であり、これは結晶の異常軸と称される特定の軸に対して平行又は垂直な方向に偏光した光の成分について、異なる屈折率（及び例えば復屈折）を示す。従来のコノスコピック技術は図１を参照することにより理解できる。図１に示されるように、対象領域における点Ｐから発せられる光は偏光子１６により円偏光されて、２つの偏光成分の間に９０°の位相シフトが導かれる。位相成分は 一軸結晶１４において差分遅延して、円形偏光子である偏光アナライザ１８によって解析される。当技術分野では他の実施例も公知であり、ここでは偏光子１６ と偏光アナライザ１８との一方又は双方が線形偏光子に置き換えられている。これらの実施例は米国特許第４，６０２，８４４号及び第４，９７６，５０４号に 開示されており、これらは引用により本明細書に組み込まれている。偏光成分の重畳は、ガボールゾーンレンズ(Gabor Zone Lens; GZL)として知られる円筒形対称パターンを生じさせる。検出面１４上の円筒形干渉パターンの投射はＧＺＬの中心からの距離に対して基本的に二乗関係にあり、その理由は次の文献に詳細に論じられており、この文献は引用により本明細書に組み込まれている。「G. Sirat, Conoscopic Holography：Part I, Basic Principles and Physical Basis, Journal of the Optical Society of America A, 9:84 (1992)」
Siratは検出面における記録手段の応答は入射光強度の絶対値に比例し、ここで光振幅は複素数値として表現される。量子光学の用語では、記録手段は「２ 乗」検波器と称されている。結果的に、干渉項、即ち干渉偏光成分の相対位相を感知する検出器応答の項は、ΔΦの余弦に比例し、ここでΔΦ対象体積における 単一点から発せられる偏光成分の間の光の位相差である。
【０００５】
従来技術と本発明との両方に関係する項は図１を参照して規定され、その図１は全体として符号１０で示される従来技術のコノスコープを単純化して示してある。高い度合いの回転対称性を有する異方性結晶１２の軸（図示せず）は、便宜的に結晶の「光軸」と称され、図１に おける単純化された「オンアキス(on-axis)」の場合には、光学系の幾何学的軸ｚと一致するものと見なす。光源領域の点Ｐから発せられる光は、点Ｑ において検出面１４に到達する光について、他の所定の偏光に関する一つの偏光の次式で示される位相差ΔΦで結晶１２を通過する。
【０００６】
ΔΦ＝（πκ０）ｒ２／ｚｃ４ 但し、 ｒ：検出面１４との交点がＱ’で示される幾何学的軸ｚからの点Ｑの検出面１４における側方変位、 κ０：Siratの式Ａ−１３において規定された無次元のコノソコピックパラメータ、 ｚｃ：Siratの式Ａ−８において規定されたコノスコピック補正距離（これは、Siratにより説明された光学系パラメータの知識により、或いは当技術分野で公知の較正手段により、コノスコープ１０と対象点Ｐとの間の実際の距離に変換できる）である。
【０００７】
更に、結晶１２の光学軸が、「オフアキス(off-axis)角度」と称されるθＯＦＦを採る角度だけ、光学系の幾何学的軸に関して、一般化を損なうことなく、ｘ軸方向へ変位するならば、位相差ΔΦは次式で与えられる。
【０００８】
ΔΦ＝（πκ０）（（ｘ−ｘ０―θＯＦＦｚｃ）２＋（ｙ−ｙ０）２／ｚｃ２ ここでｘ０及ｙ０は検出面１４における幾何学的軸の座標を示す。
【０００９】
オンアキス又はより一般的な場合においても、位相差ΔΦは幾何学的軸からの検出点Ｑの変位の２乗に依存し、更に詳しくは、検出面における特定の方向に沿う幾何学的軸からの検出点Ｑの変位の２乗に依存することが明らかである。この作用は「２乗縞」と称されており、図２に示された干渉図形により表される。環状干渉縞の合成パターンは、ガボールレンズゾーン(Gabor Lens Zone)干渉図形と称される。
【００１０】
正確な成分の生成における品位検査を含むコノスコピーの実際的適用においては、速度及び精度の必要性は、線形縞の基本的応答を有するＧＺＬの中心からの距 離における干渉パターンに依存する公知の２次又は放物状に替わる利点を示唆する。従来技術の２乗の場合においては、対象点の距離の決定は、放物線の軌跡と係数との二つのパラメータの同時決定を必要とする。従ってその測定は、所定の照射について、同様な測定が勾配のみの決定アルゴリズムを必要とする線形の場 合よりも正確さを欠いている。更に公知の２次の場合における干渉図形のデコンボルーションは、特殊化を要求し、より複雑で時間がかかる計算アルゴリズムを 必要とする。更に２次依存は、光学系の光軸を包含する二つの直交平面の各々における復屈折媒体の異常軸の向きに起因する収差をもたらす。この現象は光学系 の有効開口数を実際上低減させ、その結果、検出面で捕捉できる光束を制限し、測定精度の所定の水準について必要な時間を増長させる。
【００１１】
発明の概要 本発明は、一つの実施例においては、幾何学的軸を有して、対象のコノスコピック干渉図形を生成する線形コノスコープが与えられる。コノスコピック干渉図形 は幾何学的軸に対して直交する検出面において生じ、幾何学的軸からの変位に実質的に線形依存する振幅を有する。線形コノスコープは第１異方性光学素子を有し、この第１異方性光学素子は、その光学軸と線形コノスコープの幾何学的軸とが第１回転角を形成して基準面を規定するように光学軸を有する。第１異方性素子 は、その光学軸に対して直交する平面内に異常軸を有する。本発明は、光学軸を有する第２異方性光学素子も与える。第２異方性光学素子は第１異方性光学素子に結 合されて、第２異方性光学素子の光学軸が基準面内に角度をなすようにされており、この角度は第１回転角度に対する正弦における値と反対向きで実質的に等しい値と見なせる。第２異方性光学素子の異常軸は第１異方性光学素子の異常軸に実質的に平行である。線形コノスコープは、第２異方性光学素子と検出面との間に挿入された偏光アナライザも有する。
【００１２】
更なる実施例においては、偏光子（これは円形偏光子としてもよい）が第１光学素子と対象との間に挿入される。線形コノスコープは、他の実施例においては、 対象を照明する線形偏光光源を有してもよい。線形コノスコープが他の実施例で有してもよい更なる素子は、検出面における干渉図形を受信する検出器アレイ と、対象の面と装置上の基準位置との間の距離を干渉図形から導出する信号プロセッサ（これはディジタル信号プロセッサとすることができる）とを含む。
【００１３】
本発明の他の実施例は、大きなオフアキス角度を有する単一の異方性光学素子のみを有して、直交偏光に関する光の一つの偏光の位相シフトが線形項により支配されるようにされた線形コノスコープを提供する。
【００１４】
本発明の上述の特徴は添付図面を参照してなされる以下の詳細な説明を参照することにより一層容易に理解される。
【００１５】
好適実施例の詳細な説明 ここで本発明の好適実施例について図３を参照して説明する。この図３は、 全体として符号２０で示される線形コノスコープの光学的配置を示す。線形コノスコープ２０は対象２２と関連して、特に線形コノスコープ２０と対象２２上の 面における特定の対象点２６との間の距離２４を測定する目的のために用いられる。更に一般的には、対象２２は写景または任意の光学系を通じた写景の画像と することができる。第１異方性光学素子３０及び第２異方性光学素子３２は、対象２２に関して、対象２２の面から発する光が両方の異方性光学素子３０及び ３２を通過するように構成されている。
【００１６】
対象２２の面から発せられる光は偏光の規定状態において調整されねばならず、線形コノスコープ２０は、偏光の一つの成分が他の成分に関して遅延するように 操作される。偏光は、対象２２を偏光光で照明する手段により与えてもよく、或いはこれに代えて、対象２２と線形コノスコープ２０との間に、当技術分野で任 意の分類の偏光子を挿入することにより与えてもよい。双方の異方性光学素子３０及び３２は、透明結晶材料からなり、この材料は、結晶の法線軸に関して異な る向きに偏光された光について、材料の屈折率が異なる特性を有する。光学分野でよく知られているように、結晶材料は、例えば方解石、リチウムニオベイト、 ＹＶＯ４、β−ＢＢＯを含めて用いてもよい。異方性光学素子３０及び３２は異なる材料から構成してもよいが、高次の非線形光学効果に起因する収差を避けるために同一の材料を用いることが好ましい。引用により本明細書に組み込まれた米国特許第４，６０２，８４４号は、必要な光学的異方性を与えるように、復屈折率の代替例として光学活性の使用を説明している。或る状況においては、収差を打ち消す目的で多数の異方性素子を採用するのも有益である。
【００１７】
線形縞応答は、正味の位相差ΔΦについての上述の式における２次の項の相殺により達成される。好適実施例においては、これは２つの異方性光学素子３０及び ３２の復回動により達成される。この説明においては、ｚは光学系の幾何学な軸２８により規定された方向を示す。復回動は、ｚから離れる極角αだけの、次いで異方性光学素子の短主軸の長主軸の周りの方位角βだけの後続の回動による異方性光学素子の光学軸の変位を示す。第１異方性光学素子３０が回動する極角及び方位角 をα１及びβ１と称する。第２異方性光学素子３２が回動する極角及び方位角をα２及びβ２と称する。第１異方性光学素子３０の光学軸と光学系の幾何学軸は共に基準面を規定するように採られており、この基準面に関して第２異方性光学素子の第１の回動を規定できる。
【００１８】
２次位相シフト項の相殺を与えるために、異方性光学素子３０及び３２は各々が復回動し、その各々の第１回動は等しく且つ反対向き、即ち、α１＝―α２であり、一方、第２回動は互いに等しく、即ち｜β１｜＝｜β２｜である。従って第２異方性光学素子３２の通常または異常軸は第１異方性光学素子３０に関してπラジアンだけシフトする。αｉ（Ｉ＝１または２）の絶対振幅は代表的には０゜（オンアキス操作）と２０゜との間である。復回動は、上述のように、αが概ねβに等しいときに位相差ΔΦの式における２次項を相殺して、線形縞を生成するが、βは典型的にはαの半分と２倍との間の範囲をとり得る。
【００１９】
更に視野絞り４０が光路または補助光学素子に直接に設けられており、当業者によく知られているように、エテンデュ(etendue)に亘って線形コノス コープの操作が依然として線形に留まるようにエテンデュを規定する。光学系の開口数は代表的には０．１ｒａｄ程度である。
【００２０】
異方性光学素子３０、３２の対向面は、当業者によく知られているように、疑似反射光を防ぐ方式で互いに結合されている。このような結合を達成する手段は、 当技術分野でよく知られているように、光学素子の表面に施された非反射被覆を有する光学素子の空隙を含む。光学素子の結合の他の手段は、屈折率が整合する 接着剤による光学素子の接着と、対向面の更なる非反射処理を有する接着剤の使用とを含む。
【００２１】
線形モードにおける線形コノスコープ２０の操作は、上述したように検出面１４における縞を与えて、一般化を損なうことなくｘとして採った軸の一つに沿って 測定したときに、位相差ΔΦが光軸からの距離に線形に依存するようにされている。光学縞は検出器アレイ１５により後続の画像処理のための一連の電子的信号 に変換される。更に詳しくは、位相差ΔΦは次式で示される。
【００２２】
ΔΦ＝（πκ１）（２θＯＦＦ）（ｘ−ｘ０）／ｚｃ）＋θ２ＯＦＦ ここでκ１は光学系パラメータにより決定される線形コノスコピック定数であり、他の変数は上述のように規定されている。従って点光源対象に起因する干渉パターンは、ここでは図４に符号５０で示されるようにｘの余弦である。このスコピック距離ｚｃ、ひいては線形コノスコープ２０から照明点Ｐまでの実際の距離は、ここでは余弦５０の項からのみで決定される。余弦の項は通常使用されているアルゴリズムとディジタル信号プロセッサとを用いて容易に決定される。
【００２３】
再び図３を 参照すると、本発明の代替的実施例においては、場所(in-situ)参照点７０が与えられており、これは対象２２を照明するのと同様な照明源により照明 されている。場所参照点７０は視野の所定点で線形コノスコープに固定されており、この点の干渉図形が対象点２６に対応する干渉図形と同様な方式でシステム により記録されて、点７０への距離が計算されるようにされている。点７０の干渉図形は、検出器アレイ１５の別の部分に記録してもよく、或いは対象点２６から参照点７０のはっきりと区別できる深度分離により、対象干渉図形の空間周波数とは異なる検知性を示す空間周波数５２（図４に示す）で検出器アレイ１５の同一部分に記録してもよい。従って参照点７０と対象点２６とに起因する干渉図形は、当業者によく知られたアルゴリズムを用いる 適切な信号処理により互いに分離されるか、或いは連続的に記録される。何れの場合においても、参照点７０に起因する干渉図形は、線形コノスコープ２０のための較正手段としての役割を果たし、光学系較正における温度依存ドリフトまたは他の変化を後続の信号処理において補正できる。
【００２４】
図５を参照して説明する本発明の代替的実施例においては、異方性光学素子３０及び３２は、異方性光学素子３０のオフアキス角θＯＦＦが正になり、異方性光学素子３２のオフアキス角θＯＦＦが負になるように向き付けられている。２次項を相殺して線形項を付加的に寄与させる目的で、１／２波長板３３が異方性光学素子３０と３２との間で光路に導入されており、幾何学軸に関してθＯＦＦにより規定された方向に関する入射光の偏光における９０゜シフト及び逆正弦を与えるようにされている。
【００２５】
ここで図６を参照すると、更なる代替的実施例においては、位相差ΔΦへの線形寄与は、光学軸ｚ’が幾何学的軸ｚから大きなオフアキス角θＯＦＦだけ傾斜するように配置された単一の異方性光学素子３０を用いることにより、検出面１４において優勢となる。更に詳しくは、線形コノスコープの単一結晶実施例について、オフアキス角は典型的には、結晶内に範囲を定められた円錐と同じぐらいの大きさ（これは０．１ラジアンまたは〜７゜程度である）の少なくとも５倍である。
【００２６】
再び図３を参照すると、本発明は上述した実施例の何れにおいても、基準面を横切る対象面２２における線のレーザー照明に関連して検出面１４に領域検出器１５を採用してもよい。当業者によく知られているように補助光学素子（図示せず）が、照明された線を検出器アレイ１５上に投影して、検出器１５の各列が線の単一の点を 感知するように用いられている。領域検出器アレイは、対象面の全線の深さ又はプロファイルを与えるように読み出し及び解析される。
【００２７】
本発明の説明された実施例は単に例示を意図するものであり、様々な変形及び変更が当業者には明白である。そのような全ての変形及び変更は添付の請求の範囲に規定された本発明の目的の範囲内にあることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は２乗縞を有する従来技術のコノスコピック装置を模式的に示す図である。
【図２】図２は図１の従来技術のコノスコピック装置により与えられたガボールレンズゾーンの同心環状干渉縞を示す図である。
【図３】図３は本発明の好適実施例による線形コノスコープの光学的配置を示す図である。
【図４】図４は図３の線形コノスコープを用いて得られた干渉図形の強度パターンのプロットを示す図である。
【図５】図５は異方性素子の交替相対向きを有する本発明の代替的実施例の光学的配置を示す図である。
【図６】図６は大きなオフアキス角度を持つ異方性素子を有する本発明の代替的実施例の光学的配置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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