(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームに分離するための手段と、
前記２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームの間で位相を推移させる手段と、
前記２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームを２本の平行な、空間的に分離された、同一に偏光されたコヒーレントな光ビームに向けるための偏光器と、
前記２本の平行な、空間的に分離された、同一に偏光されたコヒーレントな光ビームを焦点に集束するための手段と、
干渉計板と、
集束手段と、
を備え、前記干渉計板は、
ガラス基板と、
このガラス基板に付着された高反射金属膜と、
前記ガラス基板と前記高反射金属膜とを貫通する少なくとも１つの円形アパーチャであって、前記焦点に置かれ、ほぼ前記コヒーレントな光ビームの波長と同じ寸法の直径を持つ前記少なくとも１つの円形アパーチャと、
を有し、
前記干渉計板は、前記焦点において前記２本の平行な、空間的に分離された、同一に偏光されたコヒーレントな光ビームを回折させて、測定ビームと基準ビームを生じ、
前記集束手段は前記測定ビームを前記アパーチャと前記高反射金属膜との上に集束させ、前記測定ビームと前記基準ビームとが組合わさって干渉パターンを形成することを特徴とする移相回折干渉計。
【請求項２】
直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを生ずるための光源と、
第１の端部と第２の端部を有する単一モードファイバと、
前記コヒーレントな光ビームを前記単一モードファイバの第１の端部上に集束させるための手段と、
測定ビームを送るための第１の光ファイバ光学素子と、基準ビームを送るための第２の光ファイバ光学素子とを備え、前記単一モードファイバの第２の端部に固定されて、かつ光学的に連結された可変光ファイバ分割器と、
前記第２の光ファイバ光学素子が周囲に巻かれた圧電（ＰＺＴ）シリンダーと、集束手段と、
を備え、前記第１の光ファイバ光学素子と前記第２の光ファイバ光学素子とは、短くした直径部を有する出口端部を備え、前記短くした直径部はほぼ前記コヒーレントな光ビームの波長の直径のコアを含み、前記第２のファイバ光学素子の前記出口端部は高反射金属膜を含み、
前記第２の光ファイバ光学素子は、電圧が印加されて前記ＰＺＴシリンダーを膨脹させた時に膨脹して、前記第２の光ファイバ光学素子の屈折率を変化させることにより、前記第１の光ファイバ光学素子内を進む光と前記第２の光ファイバ光学素子内を進む光との間に位相推移を導入し、
前記集束手段は、前記コアと、前記第２の光ファイバ光学素子の前記短くした直径部の高反射金属膜との上に前記基準ビームを集束させ、
前記測定ビームと前記基準ビームとは組合わさって干渉パターンを形成することを特徴とする移相回折干渉計。
【請求項３】
直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを生ずるための手段と、
前記直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを、２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームに分離する手段と、
前記２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームから測定ビームと基準ビームを生ずるための手段と、
前記測定ビームと前記基準ビームとの間に位相推移を導入するための手段と、
前記測定ビームを高反射金属膜上に集束させるための手段と、
を備え、前記測定ビームと前記基準ビームとは組合わさって干渉パターンを形成することを特徴とする移相回折干渉計。
【請求項４】
直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを生ずるステップと、
前記直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを、２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームに分離するステップと、
前記平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビーム間に位相推移を導入するステップと、
前記位相推移された平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームから測定ビームと基準ビームを生ずるステップと、
前記測定ビームを高反射金属膜上に集束させるステップと、
を備え、前記測定ビームと前記基準ビームとは組合わさって干渉パターンを形成することを特徴とする干渉パターンを生ずる方法。
【請求項５】
請求の範囲１記載の移相回折干渉計であって、直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームに分離するための前記手段は、
直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを生ずるための光源と、
前記直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを制御するための可変ニュートラルフィルタと、
前記直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビーム内に、垂直成分と水平成分を有する２つの直交して偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを生ずるための半波遅延板と、
前記水平成分を透過させて第１の透過させられた水平偏光させられた成分を生ずるために光学的に配置され、かつ前記垂直成分を反射して第１の反射された垂直に偏光された成分を生ずるために光学的に配置された偏光ビーム分割器と、
前記第１の透過させられた水平偏光させられた成分を横に反射して前記偏光ビーム分割器内に戻して、その偏光ビーム分割器を透過させて水平に偏光させられたビームを生ずるために光学的に配置された第１の再帰反射器と、
前記第１の反射させられた垂直偏光させられた成分を横に反射して前記偏光ビーム分割器内に戻して、その偏光ビーム分割器から反射させて垂直に偏光させられたビームを生ずるために光学的に配置された第２の再帰反射器と、
を備え、前記半波遅延板の角度の向きを用いて前記垂直成分と前記水平成分との間の相対的な強さを調整するために使用し、
前記垂直偏光されたビームと前記水平偏光されたビームとは、一緒に２つの平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームを構成することを特徴とする移相回折干渉計。
【請求項６】
請求の範囲５記載の移相回折干渉計であって、前記２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームの間で位相を推移させる前記手段は、前記第１の再帰反射器と前記第２の再帰反射器とで構成された群から選択した再帰反射器上に装着された圧電トランスレータ（ＰＺＴ）を含み、前記ＰＺＴは、電圧が前記ＰＺＴに印加された時に前記再帰反射器を並進運動させ、これにより、前記２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光されたコヒーレントな光ビームの間で相対的な位相を推移させる移相回折干渉計。
【請求項７】
請求の範囲６記載の移相回折干渉計であって、前記干渉計板は前記高反射金属膜に付着された部分反射金属膜を更に備え、その部分反射金属膜は前記高反射金属膜と前記アパーチャとを被覆する移相回折干渉計。
【請求項８】
請求の範囲７記載の移相回折干渉計であって、前記測定ビームを前記アパーチャと前記高反射金属膜との上に集束させる前記手段は試験すべき光学素子を含む移相回折干渉計。
【請求項９】
請求の範囲８記載の移相回折干渉計であって、前記干渉パターンの画像を形成するための画像形成装置を更に備え、その画像形成装置は、第１のレンズと、アパーチャと、第２のレンズとを含む空間フィルタを備え、その空間フィルタは前記干渉パターンを送るために配置され、前記アパーチャは前記干渉パターンを回折させないほど十分大きい移相回折干渉計。
【請求項１０】
請求の範囲９記載の位相回折干渉計であって、前記画像形成装置は、前記空間フィルタを通された後の前記干渉パターンを表示するためのスクリーンを更に備える移相回折干渉計。
【請求項１１】
請求の範囲９記載の移相回折干渉計であって、前記画像形成装置は、前記空間フィルタを通された後の前記干渉パターンを表示するための電荷結合表示カメラとモニタとを更に備える移相回折干渉計。
【請求項１２】
請求の範囲１１記載の移相回折干渉計であって、中央処理装置と、メモリと、前記干渉パターンを前記電荷結合表示カメラから読取るため、前記干渉パターンの輝度とコントラストを制御するため、前記ＰＺＴを並進運動させるため、各画素における位相を計算するため、およびその結果の位相マップを表示するためのソフトウエアとを有するコンピュータ装置を更に備える移相回折干渉計。
【請求項１３】
請求の範囲８記載の移相回折干渉計であって、前記２本の平行な、空間的に分離された、同一に偏光されたコヒーレントな光ビームを焦点に集束させる前記手段は、前記２本のビームの各ビーム中にプリズムを含み、それらのプリズムは前記２本のビームを相互に隔てるように屈折させ、前記２本の平行な、空間的に分離された、同一に偏光されたコヒーレントな光ビームを焦点に集束させる前記手段はレンズを更に含む移相回折干渉計。
【請求項１４】
請求の範囲１記載の移相回折干渉計であって、前記少なくとも１つの円形アパーチャは２つのアパーチャを含み、前記レンズは前記２本の平行な、空間的に分離された、同一に偏光されたコヒーレントな光ビームを２つのアパーチャの別々のアパーチャ上に集束させる移相回折干渉計。
【請求項１５】
直線偏光およびコリメートされた空間的にコヒーレントな光ビームを、２本の直交して偏光された空間的にコヒーレントな光成分に分離するための手段と、
前記２本の直交して偏光された空間的にコヒーレントな光ビームの間で位相を推移させる手段と、
前記２本の直交して偏光された空間的にコヒーレントな光ビームを、２本の同一に偏光されたコヒーレントな光成分にするための偏光器と、
前記２本の同一に偏光されたコヒーレントな光ビームを焦点に集束するための手段と、
干渉計板と、
集束手段と、
を備え、前記干渉計板は、
ガラス基板と、
このガラス基板に付着された高反射金属膜と、
前記ガラス基板と前記高反射金属膜とを貫通する少なくとも１つの円形アパーチャであって、前記焦点に置かれ、ほぼ前記直線偏光およびコリメートされた空間的にコヒーレントな光ビームの波長と同じ寸法の直径を持つ前記少なくとも１つの円形アパーチャと、
を有し、
前記干渉計板は、前記焦点において前記２本の同一に偏光された、空間的に分離された、コヒーレントな光成分を回折させて、測定ビームと基準ビームを生じ、前記集束手段は前記測定ビームを前記アパーチャと前記高反射金属膜との上に集束させ、前記測定ビームと前記基準ビームとが組合わさって干渉パターンを形成することを特徴とする移相回折干渉計。
【請求項１６】
請求の範囲１５記載の移相回折干渉計であって、前記分離手段は、
前記光ビームを生ずるための空間的にコヒーレントで、時間的にコヒーレントでない光源と、
前記光ビームの強度を制御するための可変ニュートラルフィルタと、
前記光ビーム中に垂直成分と水平成分を発生するための半波遅延板と、
前記水平成分を透過して第１の透過させられた成分を生ずるために光学的に配置され、かつ前記垂直成分を反射して第１の反射された成分を生ずるために光学的に配置された偏光ビーム分割器と、
前記第１の透過させられた成分を横に反射して前記ビーム分割器に戻し、そのビーム分割器を透過させて水平に偏光されたビームを生ずるために光学的に配置された第１の再帰反射器と、
前記第１の反射された成分を横に反射して前記ビーム分割器に戻し、そのビーム分割器から反射させて垂直に偏光されたビームを生ずるために光学的に配置された第２の再帰反射器と、
を備え、前記板の角度の向きを用いて、前記垂直成分と前記水平成分との間の相対的な強度を調整し、
前記垂直偏光されたビームと前記水平偏光されたビームとはコリニアーである、移相回折干渉計。
【請求項１７】
請求の範囲１６記載の移相回折干渉計であって、前記第１の反射成分から前記試験中の光学素子まで、および前記アパーチャへ戻るまでのビーム路が、前記第１の透過させられた成分から前記干渉計板の前記アパーチャまでのビーム路に等しいように、前記打第１の再帰反射器および前記第２の再帰反射器とで構成された群から選択した再帰反射器が光学的に配置される移相回折干渉計。
【請求項１８】
コリメートされた空間的にコヒーレントな光ビーム内に、垂直成分と水平成分を含む２つの直交して偏光された光成分を生ずる手段と、
前記垂直成分と前記水平成分との間に位相推移を導入して移相されたビームを生ずる手段と、
前記移相されたビームから測定ビームと基準ビームを生ずる手段と、
前記測定ビームと前記基準ビームから球面波面を生ずる手段と、
前記測定ビームと前記基準ビームを組合わせて干渉パターンを形成する手段と、を備える移相回折干渉計。
【請求項１９】
請求の範囲１８記載の移相回折干渉計であって、コリメートされた空間的にコヒーレントな光ビーム内に、垂直成分と水平成分を含む２つの直交して偏光された光成分を生ずる前記手段は、
直線偏光およびコリメートされた空間的にコヒーレントな光ビームを生ずる光源と、
前記直線偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビーム内に、垂直成分と水平成分を有する２つの直交して偏光およびコリメートされたコヒーレントな光ビームを生ずるための半波遅延板と、
を備え、この半波遅延板の角度の向きを用いて前記垂直成分と前記水平成分との間の相対的な強度を調整する、移相回折干渉計。
【請求項２０】
請求の範囲１９記載の移相回折干渉計であって、前記垂直成分と前記水平成分との間に位相推移を導入する前記手段は、
前記垂直成分を反射して第１の反射された垂直に偏光された成分を生ずるために光学的に配置され、かつ前記水平成分を透過させて第１の透過させられた水平偏光させられた成分を生ずるために光学的に配置された偏光ビーム分割器と、
前記第１の透過させられた水平偏光させられた成分を横に反射して前記偏光ビーム分割器内に戻して、その偏光ビーム分割器を透過させて水平に偏光させられたビームを生ずるために光学的に配置された第１の再帰反射器と、
前記第１の反射させられた垂直偏光させられた成分を横に反射して前記偏光ビーム分割器内に戻して、その偏光ビーム分割器から反射させて垂直に偏光させられたビームを生ずるために光学的に配置された第２の再帰反射器と、
を備え、前記垂直偏光されたビームと前記水平偏光されたビームとはコリニアーであり、
前記位相推移を導入する前記手段は、前記第１の再帰反射器と前記第２の再帰反射器とで構成された群から選択したＰＺＴ反射器上に装着された圧電トランスレータ（ＰＺＴ）を備える移相回折干渉計。
【請求項２１】
請求の範囲２０記載の移相回折干渉計であって、測定ビームと基準ビームとを前記移相されたビームから生ずる前記手段は、
入口端部と、基板中に埋め込まれて、薄い反射金属層を備える出口端部とを有する単一モードファイバと、
前記移相されたビームを前記単一モードファイバの前記入口端部内に集束させる手段と、
を備え、前記第１の再帰反射器と前記第２の再帰反射器との間の往復ビーム路が、前記単一モードファイバの前記出口端部と試験中の光学素子との間の往復ビーム路に等しいように、前記第１の再帰反射器と前記第２の再帰反射器とが配置される、移相回折干渉計。
【請求項２２】
直線偏光およびコリメートされた空間的にコヒーレントな光ビームを、垂直に偏光されたビームと水平に偏光されたビームとを含む、２本の平行な、空間的に分離された、直交して偏光された空間的にコヒーレントな光ビームに分離するための手段と、
前記垂直に偏光されたビームと前記水平に偏光されたビームとの間で位相を推移させる手段と、
第１の入口端部と、基板中に埋め込まれて、薄い反射金属層を備える第１の出口端部とを有する第１の単一モードファイバと、
第２の入口端部と第２の出口端部とを有し、前記第１の単一モードファイバの長さと同じ長さの第２の単一モードファイバと、
前記水平に偏光されたビームを前記第１の単一モードファイバ内に集束させ、それにより前記第１の出口端部から基準ビームを発散させる手段と、
前記垂直に偏光されたビームを前記第２の単一モードファイバ内に集束させ、それにより前記第２の出口端部から信号ビームを発散させる手段と、
前記測定ビームと前記基準ビームを組合わせて干渉パターンを形成する手段と、を備える移相回折干渉計。
【請求項２３】
請求の範囲２２記載の移相回折干渉計であって、前記垂直に偏光されたビームと前記水平に偏光されたビームとの間で位相を推移させる前記手段は、前記第１の再帰反射器と前記第２の再帰反射器とで構成された群から選択した圧電トランスレータ（ＰＺＴ）反射器に装着されたＰＺＴを備え、前記ＰＺＴに電圧が印加された時に前記ＰＺＴ反射器を並進運動させて、前記垂直に偏光されたビームと前記水平に偏光されたビームとの間の相対的な位相を推移させる移相回折干渉計。
【請求項２４】
２つの直交して偏光された光成分を生ずる手段と、
前記２つの直交して偏光された光成分の１つの偏光成分を移相させる手段と、
基準ビームと測定ビームとを含む球面波面を前記２つの直交して偏光された光成分から生ずる手段と、
前記基準ビームと前記測定ビームとを組合わせ干渉パターンを生ずる手段と、を備える移相回折干渉計。
【請求項２５】
前記垂直偏光されたビームと前記水平偏光されたビームに方向性を与えるために光学的に配置された反射鏡を更に備えたことを特徴とする請求項６記載の移相回折干渉計。
【請求項２６】
前記偏光器は、４５度に方向を合わせられていることを特徴とする請求項２５記載の移相回折干渉計。
【請求項２７】
前記２本の平行な、空間的に分離された、同一に偏光されたコヒーレントな光ビームを焦点に集束させるための手段は、顕微鏡の対物レンズを備えていることを特徴とする請求項２６記載の移相回折干渉計。
【請求項２８】
前記ガラス基板に付着された前記高反射金属膜は、厚さが６５ナノメートルのアルミニュームであることを特徴とする請求項２７記載の移相回折干渉計。
【請求項２９】
前記ガラス基板に付着された前記高反射金属膜は、アルミニューム、クロム、金、ニッケル、シリコン、および銀で構成されることを特徴とする請求項２７記載の移相回折干渉計。
【請求項３０】
前記部分反射金属膜は、アルミニューム、クロム、金、ニッケル、シリコン、および銀からなる群から選択されることを特徴とする請求項７記載の移相回折干渉計。
【請求項３１】
前記空間的にコヒーレントで、時間的にコヒーレントでない光源は、白色光源、発光ダイオード、タングステンランプ、およびマルチモードレーザからなる群から選択されることを特徴とする請求項１７記載の移相回折干渉計。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は干渉測定法に関するものであり、更に詳しくいえば、高精度回折干渉測定法に関するものである。
関連技術についての説明
干渉測定法は光学素子および光学装置の性能を測定するための好適な方法である。この方法では、試験すべき光学機器から反射された光の波面、または試験すべき光学機器を透過した光の波面が、基準面からの波面と干渉させられて、干渉縞パターンを生ずる。その後でそれらの干渉縞を解析して光学機器の性能を確認する。集積回路の製造に使用するリソグラフィック・ステッパーにおいて見出されるような高性能画像形成装置では、この干渉計による測定の精度を絶えず向上しなければならない。しかし、精度は基準面をどのように良く特徴付けるかによって制限される。基準面は通常はλ／５０より良くはない。ここにλは可視光の波長であるから、基準面はより高性能の光学装置を製造する際の制限要因である。したがって、λ／１０００の精度を要する極紫外線投射リソグラフィーに必要とするような高精度光学装置の製造は、既存の干渉測定法を用いて自信をもって適合させることは不可能である。
発明の概要
本発明の目的は精度がλ／１０００である移相回折干渉計を得ることである。
λを可視光の波長として、λ／１０００の精度で光学素子および光学装置を測定できる干渉計を開示する。現在の干渉計は基準面を用いており、その基準面は測定精度を約λ／５０に本質的に制限するが、この干渉計は基本回折過程により発生されたほぼ完全な球面波面を用いる。縞が均一に見えると信号対雑音比が最高になるから、縞が均一に見えるようにするためにこの干渉計を調整できる。また、この干渉計は、基準波面と試験中の光学素子からの波面との間で指定した相対的移相を制御しつつ行えるようにするための手段を有する。そうすることにより、標準位相抽出アルゴリズムを用いて干渉縞パターンを解析できる。
この開示で説明する干渉計は、基準面を無くし、基本回折過程により発生されたほぼ完全な球面波面で置き換えることにより、この極めて高い精度を達成する性能を持つ。現在の干渉計は、試験すべき光学素子に収差を生じさせられている波面を照射する。その収差を生じさせられている波面も測定精度を制限する。この干渉計は基本回折過程により発生されたほぼ完全な球面波面を用いる。本発明は信号対雑音比を最高にし、かつ標準位相抽出アルゴリズムを用いて干渉縞パターンを解析できるようにする。
【図面の簡単な説明】
図１は移相回折干渉計の実施例を示す。
図２Ａは図１に示す干渉計板の具体例を示す。
図２Ｂは図１に示す干渉計板の具体例を示す。
図３は図１に示す干渉計板の具体例を示す。
図４は移相回折干渉計の実施例を示す。
図５は図４に示すファイバ端部の拡大図を示す。
図６は図４に示すファイバの引き伸ばした端部を示す。
図７はコヒーレンス長さを使用する移相回折干渉計の実施例を示す。
図８は単一モードファイバを用いた発明の実施例を示す。
図９は図８の単一モードファイバの遠方の端部の詳細を示す。
図１０は２つの光ファイバを用いた実施例を示す。
発明の詳細な説明
本発明の概念の本質を最も容易に示す実施例の干渉計を図１に示すが、この実施例は必ずしも好適な実施例または唯一の実施例ではない。それは４つの主な部分、すなわち、ビーム調整光学装置、干渉計、検出装置、およびコンピュータ装置、で構成される。
ビーム調整光学装置の主な部品は光源と、輝度およびコントラスト制御器と、移相モジュールとである。図１を参照して、直線偏光されて、コリメートされたビーム１０が光源１２（たとえば、レーザ）から、干渉計までの光レベルを制御するために使用する可変ニュートラルフィルタ１４を透過する。その後でビーム１０は半波遅延板１６を通る。その半波遅延板１６は互いに直交して偏光された２本のビーム、すなわち、（平面から）垂直偏光されたビーム１８と水平（平面内）偏光されたビーム２０、を生ずる。両方のビームはビーム１０内にある。半波遅延板１６の角度の向きを用いて偏光の垂直成分と水平成分の間の相対輝度を調整する。その後で、それら２つの偏光成分を持つビーム１８と２０を偏光ビーム分割器２２で分割して、水平偏光（ビーム２０）は透過させられるが、垂直偏光（ビーム１８）は反射させられるようにする。その後で、透過させられたビーム２０は固定されている再帰反射器２４により反射されて偏光ビーム分割器２２を通って反射鏡２６に達する。反射されたビーム１８は、圧電トランスレータ（ＰＺＴ）３０に装着されている再帰反射器２８により反射され、偏光ビーム分割器２２を通って同じ反射鏡２６に達して、そのビームが他のビームと平行であるが、そのビームから横にずらされているようにする。ＰＺＴ３０に電圧を加えると再帰反射器２８が並進運動して、相互に直交して偏光されている２本のビームの間の相対位相を推移させる。２本のビームは偏光器３２（軸線が４５度）を通ってそれらのビームを同じだけ偏光させ、顕微鏡の対物レンズ３４で干渉計板３６上に焦点を結ばせる。
図２Ａを参照して、干渉計板３６はガラス基板３８を有する。この基板に高反射率、低透過率の金属膜４０が被覆される。その金属膜に円形アパーチャ４２がエッチングされている。アパーチャ４２の直径は光源１２の波長程度である。金属膜４０は厚さが６５ナノメートルであるアルミニュームで通常構成できる。図２Ｂに示す実施例では、干渉計板３６には高反射率、低透過率の金属膜４０が被覆されているガラス基板３８を有する。その金属膜に円形アパーチャ４２がエッチングされている。金属膜の上にアパーチャ無しの第２の部分透過金属膜４４が被覆されている。アパーチャ４２の直径は光源１２の波長程度である。金属膜４０は厚さが６５ナノメートルであるアルミニュームで通常構成でき、金属膜４４は厚さが２６ナノメートルであるアルミニュームで通常構成できる。干渉計板３６の両方の具体例では、金属膜４０と第２の金属膜４４はアルミニューム以外の材料、たとえば、クロム、金、ニッケル、シリコンおよび銀で構成できる。膜の厚さは使用する材料に応じて変化する。この板は、板に焦点を合わされるビームの１本を用いて、試験中の光学素子を照射する点光源測定ビームを発生するように動作する。同時に、それは、焦点を合わされる他のビームを用いて、点光源基準ビームを発生するように動作する。測定ビームと基準ビームは回折により発生されるから、それらはある有限の立体角にわたって完全な球面波面を有する。
ビーム１８と２０が金属膜４０のアパーチャ４２に入射するように、それらのビームは干渉計板３６上に焦点を結ばされる。両方のビームはアパーチャ４２により回折されて、２つの球面波面を生ずる。それらの波面はアパーチャを出るにつれて発散する。各波面は、ビームが顕微鏡の対物レンズの中に入った時のビームの横方向分離により定められる照明方向を中心とする、ある有限の立体角（波長に対するアパーチャの直径により定められる）にわたって完全に球面状である。図１に示すように、測定ビーム４６は試験中の光学素子５０を照明する。この光学素子は凹面鏡で通常構成され、測定ビーム４６を干渉計板３６の上に焦点を結ばせるために配置される。光学素子５０の大きさが有限であり、かつその光学素子に収差が存在するために、焦点を結ばされた測定ビーム４６は金属膜４０のアパーチャ４２よりはるかに大きく、図２Ａに示す干渉計板３６の具体例では、焦点を結ばされた測定ビーム４６のほとんど全ては膜４０により反射される。図２Ｂに示す干渉計板３６の具体例では、焦点を結ばされた測定ビーム４６は膜４４により反射される。それは発散して、アパーチャ４２により回折された基準ビーム４８と一致する。測定ビーム４６と基準ビーム４８は干渉して、光学素子５０からの波面と完全な球面波面との間の光路差の輪郭マップを表す縞パターンを生ずる。
検出装置は、試験中の光学素子の画像をＣＣＤアレイカメラ上に結ばせるための画像形成装置で構成される。画像形成装置はレンズ５２と、干渉ビームを空間的にろ過するためのアパーチャ５４と、レンズ５６とを備える。アパーチャ５４がそれを通って焦点を結ばされるビームを回折しないように、そのアパーチャは十分に大きい。典型的な寸法は２５０ミクロンである。レンズ５２、５６の寸法は試験中の光学素子の寸法に依存する。
干渉計板から発散する、一致する測定ビーム４６と基準ビーム４８は、試験中の光学素子５０の表面の画像をスクリーン（図示せず）または電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ５８の上に形成する空間フィルタ画像形成装置によって集められる。これにより、ＣＣＤカメラ５８中の各画素における干渉する波面の位相が光学素子５０上の独特の点に対して１対１の対応を持つ。またそれによって光学素子からの縁部回折の効果が最小にされる。干渉計板３６中のアパーチャ５４の周囲のすぐ近くの領域から来ないどのような光もろ過するために、干渉ビームの中間焦点において、アパーチャを用いる。ＣＣＤカメラ５８は一連の干渉パターンを捕らえ、それらをコンピュータ装置６０へ転送する。
そのコンピュータ装置はモニタと、干渉パターンの光レベルとコントラストを制御するためのソフトウエアと、ＰＺＴを並進運動させるため、したがって、測定ビームと基準ビームとの間の相対的な位相を推移させるためのソフトウエアと、転送された干渉パターンを用いて各画素における位相を計算するためのソフトウエアと、結果としての位相マップを表示するためのソフトウエアとを有するコンピュータで構成される。コンピュータに読み込まれた干渉パターンを解析するためのこのソフトウエアは、現在はいくつかの会社により供給できる。Ｚｙｇｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは「Ｍｅｔｒｏ  Ｐｒｏ」ソフトウエアを制作している。Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙは「Ｏｐｔｉｃ  Ｃｏｄｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ」を制作している。ＷＹＫＯ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは「ＷＩＳＰ」ソフトウエアを制作している。
コンピュータへ転送される干渉パターン列は、ＰＺＴが干渉ビームの相対位相を２πラジアン推移させた時に捕らえられる。干渉パターンを解析して干渉縞の光レベルとコントラストとの適切な設定を決定する。この情報をコンピュータが使用してニュートラルフィルタ１４と半波遅延板１６との位置を調整する。その後で第２の干渉パターン列を捕らえ、解析して各画素における位相を決定する。これは通常は位相の輪郭または３次元プロットとして表示される。この位相マップは光学素子の表面の完全な球面からのずれに対応する。
この干渉計は、以下の点で独特のものである。
ａ．測定ビームは回折により発生され、かつある有限の立体角にわたって完全な球面波である。その立体角は、光源からの光の波長に対する干渉計板のアパーチャの寸法により定められる。アパーチャが小さいと立体角は大きくなる。
ｂ．基準ビームは回折により発生され、かつ、測定ビームと同じ立体角にわたって完全な球面波である。
ｃ．この干渉計には基準面は不要である。基準面は干渉測定法における大きな誤差源であって、達成できる精度を最終的に制限する。
ｄ．試験中の光学素子から反射された測定ビームは干渉計板のアパーチャに戻って画像を結び、基準ビームと正確に一致させる。これは最高の精度を達成するために理想的な状態である。
ｅ．測定ビームと基準ビームとの間の相対的な位相を制御しつつ推移できる。これにより干渉パターンの列を解析して各画素位置における位相を最高の精度で決定できる。
ｆ．可能な最高のコントラストを与えるために、測定ビームと基準ビームとの間の相対的な強さを調整できる（半波遅延板で）。これにより、最高の精度を達成するために必要な、最高の信号対雑音比が生ずる。
図３を参照すると、試験中の光学素子に応じたある状況においては干渉計板３７は有用なことがある。ここで、ビーム１８と２０はプリズム１７、１９をそれぞれ通り、干渉計板３７の金属膜４５の２つの異なるアパーチャ４１と４３にレンズ３４により焦点を結ばされる。それらのプリズムによりビーム２０と１８とは平行でなくされる。使用できる金属膜は干渉計板３６のために説明したものと同じである。アパーチャ４１と４３は相互に１０ないし５００ミクロンだけ通常隔てられる。集束された２本のビームの間の典型的な角度は１０度ないし６０度の範囲内である。図３に示す実施例では、ビーム１８はプリズム１７を通り、レンズ３４により干渉計板３７のアパーチャ４３の上に焦点を結ばされる。その結果としての回折された測定ビーム４７はその後で試験中の光学素子５１から、干渉計板３７のアパーチャ４１を囲む周囲の領域へ反射される。このビームは基準ビーム４９の光路と同じ光路に沿って反射され、それとの間に干渉パターンを生ずる。この実施例を用いて、干渉計板３７に関して凹である光学素子の表面を試験する。
この干渉計装置の、光ファイバ技術を基にしている、他の独特の態様は上記原理を基にして動作する。図４を参照すると、光源１２がレンズ６２により単一モードファイバ６４の端部上に集束させられる。可変ファイバ結合器６６がビームをファイバ６８とファイバ７２との２本のファイバに分割する。各ファイバに分割される光の比は縞のコントラストを最高にするために選択される。測定ビーム７０に対してファイバ６８が用いられる。基準ビーム７４を送るファイバ７２はＰＺＴシリンダー７６の周囲に巻かれる。そのシリンダーは電圧が印加されると膨脹する。そのためにファイバ７２に応力が加えられてそれの屈折率を変化させ、ファイバ６８からの測定ビーム７０に対して位相を推移させる。ファイバの端部を出た測定ビーム７０は回折させられて、ある有限の立体角にわたって完全な球面波面を生ずる。立体角は、光源１２からの光の波長に対するファイバコアの寸法によって定められる。この球面測定ビーム７０は試験中の光学素子７８を照明する。その光学素子はそのビームを基準ビームのためのファイバの端部上に集束させる。図５はファイバ７２の出口部の拡大図を示す。測定ビーム７０はファイバ７２の端部上で反射性金属膜７３上に集束され、基準ビーム７４の光路と同じ光路に沿って反射される。この装置の残りは図１におけるものと同じである。この実施例は正のレンズを試験するために使用する。
図６を参照すると、ファイバ６８と７２のコアの直径を短くして、干渉計のためのアパーチャの寸法に合わせる必要があるかもしれない。これは、ファイバを加熱して、引っ張ることにより行われる。たとえば、外被８４とコア８０を有するファイバ７２を加熱し、引っ張って、延ばされていないコア部分８０の直径より短い直径のコア８１を持つ延ばされた部分８２を生ずる。加熱および引っ張りの後で金属膜７３を被覆する。金属膜は上記膜のいずれでも構成できる。金属膜の一具体例は厚さが２６ナノメートルのアルミニュームである。単一モードファイバのコアの典型的な直径は約４ミクロンである。測定ビームはファイバの端部から反射され、基準ビームは膜を透過させられ、回折されて、測定波面と同じ有限立体角にわたって完全な球面波面を与える。立体角は光源１２からの光の波長に対するファイバコアの寸法により定められる。画像形成と、コンピュータ装置と、データ獲得と、解析とは上記した所と同じである。光ファイバを用いるこのやり方は、上記装置の利点の全てと、干渉計を用いる測定技法に都合がいい任意の位置に測定ファイバと基準ファイバを独立に動かすための融通性とを有する。光源１２が短いコヒーレンスな長さを持つものとすると、測定ビーム７０と基準ビーム７４との両方に対する、可変ファイバ結合器６６からファイバ７２の端部までの光路長が等しくなるように、ファイバ６８と７２の長さを調整しなければならない。
本発明の他の実施例を図７に示す。この実施例では、光源１２が短いコヒーレンスな長さを持ち、ビーム１８と２０は偏光ビーム分割器を通じて反射されるから、それらのビームは一致して、コリニアーである。光路長ＡＣＤが光路長ＡＢＤＥＤに等しいように再帰反射器２４が配置される。いいかえると、２つの再帰反射器の間の往復ビーム路差が、干渉計板と試験中の光学素子との間の往復路に等しいような位置に再帰反射器２４が動かされる。そうすると、干渉する測定ビームと基準ビームとの光路長が同じである。図１に示すように、ＰＺＴ３０をいずれかの再帰反射器に取り付けることができる。この状態で干渉パターン中に高いコントラストのしまが生じ、基準ビーム中に拡散する測定ビームからの光に起因する余分な干渉を無くす。この構成により、測定ビーム中に拡散する基準ビームからの光に起因する余分な干渉も無くす。
本発明の他の実施例を図８に示す。この実施例は、干渉計板３６の代わりに単一モード光ファイバ８６を用いることを除き、図７に示す実施例と同じである。単一モード光ファイバ８６の遠端部は干渉計板３６の目的と同じ目的を果たす。単一モード光ファイバ８６を詳細に図９に示す。この実施例は、たとえば、凹面鏡をそれの曲率中心で測定する時のように、光学素子の共役光学素子が一致するように光学素子を測定する時に最も有用である。
図９は単一モード光ファイバ８６の遠端部における詳細を示す。それは基板８８中に埋め込まれる。この構造の表面を平滑に研磨し、薄い反射金属総９０を被覆する。その金属層は単一モード光ファイバ８６からの光の約４０％を反射および透過させる。
本発明の他の実施例を図１０に示す。この実施例は、ビーム１８と２０が相互に平行および変位させられるようにそれらのビームが偏光ビーム分割器２２を通って反射されることを除き、図８に類似する。反射されたビーム１８は、今は反射鏡２７から反射され、偏光器３３を通って、顕微鏡の対物レンズ３５により第２の単一モード光ファイバ８７の上に集束させられる。単一モード光ファイバ８７の端部を出た測定ビーム８９は回折されて、ある有限立体角にわたって完全な球面波面を生ずる。試験中の光学素子９２を通った後で、測定ビーム８９に収差が生ずる。集束させられた測定ビーム８９は単一モード光ファイバ８７の表面上の反射金属層９０により反射される。それは発散し、回折させられた基準ビーム４８に一致して、ある有限立体角にわたって完全な球面波面を生ずる。干渉を前記したようにして起こさせるために、単一モード光ファイバ８６と８７の長さを等しくし、光路長ＡＣＤが光路長ＡＢＦ＋ＧＨに等しいように再帰反射器２４を配置する。干渉を起こさせるための他の要求は、基準ビーム４８と測定ビーム８９との偏光が同一であることである。これは、各ビームの偏光状態を決定し、その後で測定ビーム８９と基準ビーム４８が同一の偏光状態を持つまで、ファイバを物理的に操作することである。この実施例は、光学素子の共役光学素子が、たとえば、画像形成装置を測定する場合のように、空間的に異なるように、光学素子を測定する時に最も有用である。
凹面鏡および正のレンズを測定するための実施例についてのみ説明したが、凸面鏡および負のレンズを測定するための他の実施例も存在する。
とくに説明した実施例の変更および修正を、本発明の範囲から逸脱することなしに行うことができる。その範囲は添付した請求の範囲によって限定することを意図するものである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図９】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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