(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低減された感度を有する減感干渉計手段から生成される減感干渉縞を用いて物体に対し適切な作業距離から物体表面の形状を測定する方法であって、
関連波長と関連等価コヒーレンス長とを有する光源によってその光源関連波長より長い関連等価波長を有し前記減感干渉縞を生成する減感干渉計手段を照明する工程と、
減感干渉計手段に対し物体を変位させることにより減感干渉計手段の視野内の少なくとも１つの画素に対応する測定データを生成する工程であって、走査位置の関数として強度の変量を提供し、この強度の変量がいかなる干渉効果も前記等価コヒーレンス長の範囲内に制限する等価コヒーレンス信号包絡線によって変調された前記等価波長に関する信号を含み、この信号が前記干渉縞を示し、前記等価コヒーレンス包絡線が前記干渉縞の縞コントラストを示す測定データを生成する工程と、
各画素に対応する表面高さを決定するために測定データを解析する工程とからなり、
前記測定データを生成する工程が干渉模様を空間周波数領域に変換する工程をさらに含み、前記測定データを解析する工程が物体表面上の各点に対する表面高さを得るため空間周波数の関数として変換干渉模様の位相を調べる工程を含むことを特徴とする物体表面形状測定方法。
【請求項２】
前記測定データ生成工程は干渉模様を画素アレイに対し変換する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項３】
前記変換工程は光検知アレイからなるカメラ手段で干渉模様を変換する工程を含むことを特徴とする請求項２記載の物体表面形状測定方法。
【請求項４】
前記解析工程はコンピュータ手段により測定データを解析する工程を含むことを特徴とする請求項２記載の物体表面形状測定方法。
【請求項５】
前記解析工程がコンピュータ手段により測定データを解析する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項６】
前記測定データ生成工程は物体表面のある表面点の相対的高さの尺度を提供するため前記縞コントラストが最小になる既知の走査位置を提供する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項７】
前記変換工程は干渉模様をフーリエ解析によって空間周波数帯域に変換する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項８】
前記照明工程はレーザー光源で減感干渉計手段を照明する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項９】
前記照明工程は白熱電球光源で減感干渉計手段を照明する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１０】
前記照明工程は発光ダイオード光源で減感干渉計手段を照明する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１１】
前記照明工程は等価コヒーレンス長からなる深さ範囲内の高コントラスト減感干渉縞を提供する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１２】
前記測定データ生成工程は走査位置の関数としての強度の変量を提供するために物体の深さ走査をする工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１３】
前記深さ走査工程は減感干渉手段によって照明された表面に実質的に垂直な方向に物体を変位させる工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１４】
前記測定データ生成手段は各画素の１つに対しインターフェログラムアレイを提供するため物体の連続した深さ走査の間に複数の強度測定を実行する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１５】
前記測定データ生成手段は各画素の１つに対しインターフェログラムアレイを提供するため物体の連続した深さ走査の間に複数の強度測定を実行する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１６】
前記等価コヒーレンス長の範囲が、次式
｜ｐ＋ｚ−ｚ0｜≦Ｌ／２……（１）
（式中、Ｌは等価コヒーレンス長、ｐは物体表面上の局所表面高さ、ｚは走査位置、ｚ0は定数、ｐは物体表面上の位置で変化し、物体表面形状の尺度を含む）で決定される深さ範囲であることを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１７】
前記測定データ生成工程は減感干渉計手段に対して物体を既知の量だけ変位させ、ほぼ同時に電子記憶手段により光検知データを記録する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１８】
前記測定データ生成工程は前記光検知データを供給するため画素アレイに対し干渉模様を変換する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１７記載の物体表面形状測定方法。
【請求項１９】
前記適切な作業距離が物体表面上の構造の深さより大きいことを特徴とする請求項１７記載の物体表面形状測定方法。
【請求項２０】
前記信号が略振動信号からなることを特徴とする請求項１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項２１】
前記信号が略振動信号からなることを特徴とする請求項１７記載の物体表面形状測定方法。
【請求項２２】
物体の表面形状を測定するための光学的形状測定システムであって、
関連波長と関連等価コヒーレンス長とを有する照明手段と、
前記照明手段によって照明されるよう照明手段に対して設置され、複数の光線で物体をほぼ同じ場所でしかも異なる入射角で照明し、照明手段の関連波長より長い関連等価波長を有し、前記等価コヒーレンス長により定義される範囲以内に高コントラストの干渉縞を生み出すことができる減感干渉計手段と、
前記減感干渉計手段に対して設置され干渉模様を検知する検知手段と、
物体を載せ、この物体の深さ走査を行うべく前記減感干渉計手段により照明された表面に関してその物体を変位させるために設置された走査手段であって、走査位置の関数として強度の変量を提供し、この強度の変量がいかなる干渉効果も前記等価コヒーレンス長の範囲内に制限する等価コヒーレンス信号包絡線によって変調された前記等価波長に関する信号を含み、この信号が前記干渉縞を示し、前記等価コヒーレンス包絡線が前記干渉縞の縞コントラストを示し、前記強度の変量が形状測定の視野内の少なくとも１つの画素についてインターフェログラムを提供するため前記検知手段によって検知される走査手段と、
少なくとも１つの画素に対応する物体表面の表面高さを提供する手段と
を備え、
前記照明手段がレーザーからなることを特徴とする物体表面形状測定システム。
【請求項２３】
前記検知手段は視野内の各画素についての一つのインターフェログラムを提供する手段を備え、前記表面高さ提供手段が各画素についての表面高さを提供する手段を備えたことを特徴とする請求項２２記載の物体表面形状測定システム。
【請求項２４】
前記走査手段は物体の連続した深さ走査を行う手段を備え、前記検知手段が物体の連続深さ走査を行う間に複数の強度測定を行うことを特徴とする請求項２２記載の物体表面形状測定システム。
【請求項２５】
前記検知手段は検知したインターフェログラムを記憶するための記憶手段をさらに備え、前記表面高さ提供手段が記憶されたインターフェログラムから表面高さを提供することを特徴とする請求項２４記載の物体表面形状測定システム。
【請求項２６】
前記等価コヒーレンス長の範囲が、次式
｜ｐ＋ｚ−ｚ0｜≦Ｌ／２……（１）
（式中、Ｌは等価コヒーレンス長、ｐは物体表面上の局所表面高さ、ｚは走査位置、ｚ0は定数、これによりｐは物体表面上の位置により変化し、物体表面形状の尺度を含む）
により決まることを特徴とする請求項２２記載の物体表面形状測定システム。
【請求項２７】
前記信号が略振動信号からなることを特徴とする請求項２２記載の物体表面形状測定システム。
【請求項２８】
前記検知手段は光検知手段を備え、前記走査手段が干渉計手段に対し物体を既知の量だけ変位させ、ほぼ同時に光検知手段によって強度変量を検知する手段を備えたことを特徴とする請求項２２記載の物体表面形状測定システム。
【請求項２９】
低減された感度を有する減感干渉計手段から生成される減感干渉縞を用いて物体に対し適切な作業距離から物体表面の形状を測定する方法であって、
関連波長と関連等価コヒーレンス長とを有する光源によってその光源関連波長より長い関連等価波長を有し前記減感干渉縞を生成する減感干渉計手段を照明する工程と、
減感干渉計手段に対し物体を変位させることにより減感干渉計手段の視野内の少なくとも１つの画素に対応する測定データを生成する工程であって、走査位置の関数として強度の変量を提供し、この強度の変量がいかなる干渉効果も前記等価コヒーレンス長の範囲内に制限する等価コヒーレンス信号包絡線によって変調された前記等価波長に関する信号を含み、この信号が前記干渉縞を示し、前記等価コヒーレンス包絡線が前記干渉縞の縞コントラストを示す測定データを生成する工程と、
各画素に対応する表面高さを決定するために測定データを解析する工程とからなり、
前記照明する工程が、レーザー光源で減感干渉計手段を照明する工程を含むことを特徴とする物体表面形状測定方法。
【請求項３０】
低減された感度を有する減感干渉計手段から生成される減感干渉縞を用いて物体に対し適切な作業距離から物体表面の形状を測定する方法であって、
関連波長と関連等価コヒーレンス長とを有する光源によってその光源関連波長より長い関連等価波長を有し前記減感干渉縞を生成する減感干渉計手段を照明する工程と、
減感干渉計手段に対し物体を変位させることにより減感干渉計手段の視野内の少なくとも１つの画素に対応する測定データを生成する工程であって、走査位置の関数として強度の変量を提供し、この強度の変量がいかなる干渉効果も前記等価コヒーレンス長の範囲内に制限する等価コヒーレンス信号包絡線によって変調された前記等価波長に関する信号を含み、この信号が前記干渉縞を示し、前記等価コヒーレンス包絡線が前記干渉縞の縞コントラストを示す測定データを生成する工程と、
各画素に対応する表面高さを決定するために測定データを解析する工程とからなり、
前記照明工程が、発光ダイオード光源で減感干渉計手段を照明する工程を含むことを特徴とする物体表面形状測定方法。
【請求項３１】
前記測定データ生成工程は干渉模様を空間周波数領域に変換する工程をさらに含み、前記解析工程は物体表面上の各点に対する表面高さを得るため空間周波数の関数として変換干渉模様の位相を調べる工程を含むことを特徴とする請求項２９または３０記載の物体表面形状測定方法。
【請求項３２】
前記変換工程は干渉模様をフーリエ解析によって空間周波数帯域に変換する工程を含むことを特徴とする請求項３１記載の物体表面形状測定方法。
【請求項３３】
低減された感度を有する減感干渉計手段から生成される減感干渉縞を用いて物体に対し適切な作業距離から物体表面の形状を測定する方法であって、
関連波長と関連等価コヒーレンス長とを有する光源によってその光源関連波長より長い関連等価波長を有し前記減感干渉縞を生成する減感干渉計手段を照明する工程と、
減感干渉計手段に対し物体を変位させることにより減感干渉計手段の視野内の少なくとも１つの画素に対応する測定データを生成する工程であって、走査位置の関数として強度の変量を提供し、この強度の変量がいかなる干渉効果も前記等価コヒーレンス長の範囲内に制限する等価コヒーレンス信号包絡線によって変調された前記等価波長に関する信号を含み、この信号が前記干渉縞を示し、前記等価コヒーレンス包絡線が前記干渉縞の縞コントラストを示す測定データを生成する工程と、
各画素に対応する表面高さを決定するために測定データを解析する工程とからなることを特徴とする物体表面形状測定方法。
【請求項３４】
物体の表面形状を測定するための光学的形状測定システムであって、
関連波長と関連等価コヒーレンス長とを有する照明手段と、
前記照明手段によって照明されるよう照明手段に対して設置され、複数の光線で物体をほぼ同じ場所でしかも異なる入射角で照明し、照明手段の関連波長より長い関連等価波長を有し、前記等価コヒーレンス長により定義される範囲以内に高コントラストの干渉縞を生み出すことができる減感干渉計手段と、
前記減感干渉計手段に対して設置され干渉模様を検知する検知手段と、
物体を載せ、この物体の深さ走査を行うべく前記減感干渉計手段により照明された表面に関してその物体を変位させるために設置された走査手段であって、走査位置の関数として強度の変量を提供し、この強度の変量がいかなる干渉効果も前記等価コヒーレンス長の範囲内に制限する等価コヒーレンス信号包絡線によって変調された前記等価波長に関する信号を含み、この信号が前記干渉縞を示し、前記等価コヒーレンス包絡線が前記干渉縞の縞コントラストを示し、前記強度の変量が形状測定の視野内の少なくとも１つの画素についてインターフェログラムを提供するため前記検知手段によって検知される走査手段と、
少なくとも１つの画素に対応する物体表面の表面高さを提供する手段と
を備えてなることを特徴とする物体表面形状測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は全体として表面の撮像と解析のための精密計測学に関し、特に、表面形状の光学的非接触測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しょうとする課題】
加工における共通の問題は表面形状の精密な測定である。計測学を必要とする製造品の項目の例としては、エンジンパーツ、磁気記憶装置の素子、フラットパネルディスプレイ、模様付成形をしたプラスチック表面、機械ポンプ表面とシール、および鋳造した硬貨があげられる。効率的な生産のためには、工業的環境において高速で自動化された品質管理が求められる。
【０００３】
表面形状測定のための最も普通の測定道具は、機械的スタイラス（styli）であるが、それは非常に低速で限られた情報しか得られず、物体表面を損傷する恐れがある。座標測定機械として通常知られる自動化システムは、高価で低速であり、普通は連続した作業ライン上（in-line）の品質管理としてよりも作業ライン外（off line）の品質管理のために用いられる。マイクロメータやキャリパーのような機械的ゲージは、精度が低く表面形状のプロフィールを得ることはできない。
従って、精密な加工には作業ライン上においても作業ライン外においても用いることのできる高速で非接触の光学的物体形状測定手段を提供することが非常に望まれている。そのような手段は、様々の物体サイズ、表面形状おとび表面組織に適用可能であるべきである。また、そのような手段は、工業的環境における自動化部品操作と協働可能で、振動に影響を受けないものであるべきである。
【０００４】
先行技術によれば、幾何光学による光学的測定技術がいくつかが提供されている。代表的な例はモアレ縞解析である。この技術は書籍の「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。そのモアレ法はロンキー格子（ronchi ruling）あるいは同様の周期構造の投影と撮像を含み、幾何学的三角分割に等価である。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（Speedfam-Spitfire）製品グループ（デプレーン、ＩＬ）によって製造されたチェックフラット（Chek-flat）である。モアレは粗い面の形状を測ることができるが、機械的スタイラスゲージに比べると一般的に非常に低い精度であり、ある場合には鏡面に対してはまったく機能しない。さらに困難なことには、モアレを幾何学的誤差に対し較正しなければならない。このことは物体表面の深さの変化が大きいとき非常に厄介である。
【０００５】
また、先行技術には光学干渉計測を用いた計測学的方法がいくつかあり、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章に出ている。これらの従来型干渉計手段の多くは、光源の波長（市販の装置では通常0.63μｍ）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性をうまく捉えることができない。従って、0.16μｍよりも大きい不連続な表面特性は、解釈することが困難あるいは不可能な干渉位相の曖昧さをもたらす。表面勾配が大きすぎたりして干渉縞を解像あるいは区別することはさらに困難さが生じる。その結果、干渉計は多くの加工計測学的問題に対して適切ではないと考えられている。
【０００６】
従来の干渉計は適用範囲が限られているため、先行技術で、粗面および表面形状における大きな変化に対応できるいくつかの代替的な干渉計測方法と手段を提供されている。明らかな１つの方法は、特別な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、光学部および検知部を必要とし、一般的に非常に高価で厄介である。さらに、例えこのような高価な長波長干渉計であっても、その長い波長の４分の１を越える表面形状の不連続的変化の下では機能しない。
【０００７】
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。表面計測学にこの技術を応用する方法が、Ｔ．Ａ．ナスマイアへの米国特許第4,355,899号「干渉計測的距離測定方法」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たり粗さが大きすぎたりし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。多重波長干渉計はまた振動によって非常に影響を受ける。
【０００８】
先行技術によれば、普通使用しない測定構造を使用することにより表面粗さおよび表面勾配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干渉計測方法が提供されている。代表的先行技術の減感干渉計は、Ｒ．Ｃ．ムーアの米国特許第4,325,637号「かすめ入射の位相調整」およびＣ．ジョナサン、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）に開示されているような斜角照明を用いている。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、測定装置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。しかしながら、感度の有意な低減により、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性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があって、新たな複雑性が生じる。さらにかすめ入射干渉計は等価波長Λの４分の１を越える不連続な高さ変化を有する表面特性を捉えることができない。
【０００９】
長い等価波長をもつ干渉パターンを生成する別の幾何学的アプローチは、光源光を２つのビームに分け、同じ表面部分を異なった入射角で照明することである。  これらのビーム（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、この方法は照明する際の極端な角度を必ずしも必要とせず、干渉ビームの強度のバランスがとれているという利点をも有する。長い等価波長を実現するため異なった照明と観測の角度を利用する装置は、本開示において減感干渉計という名称で表す。
【００１０】
先行技術は減感干渉計のいくつかの実例を提供している。Ｗ．イェーリッシュとＧ．マコッシュによる論文「表面の光学輪郭線マッピング」（応用光学１２（７）、1552-1557（1973））において、試験表面にほとんど接するようにおかれた回折格子を用いる減感干渉計が記載されている。単色の平面波による格子の照明により、異なる回折次数に対応するいくつかのビームが生じる。これらのビームが物体表面から反射され、格子によって再結合されて、物体表面の表面輪郭線に似た縞パターンが得られる。さらに、照明における異なった角度の光ビームを利用する別の先行技術が、Ｐ．ジャコ、Ｘ．コロンナ  ド  レガおよびＰ．Ｍ．ブーンによる論文「平坦性試験のための共通路干渉計」、（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。この装置は球状波面のホログラフィー記録の２つの回折次数の相互作用により作動する。
【００１１】
イェーリッシュとマコッシュの方法およびジャコその他の方法はいくつかの利点を有するが、適切な作業距離を設定しないので自動光学検査用には適当でない。  これらの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。これは、これら両方の方法において単一の回折素子が光源光を複数のビームに分け、それらの複数のビームが違った方向に伝幡して物体表面の同じ部分を照明しないからである。従って、その２つのビームは、特に粗い表面において、所望の干渉効果を生成するよう適切に方向付けられていない。この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。物体と干渉計の何れかの要素との距離として定義される作業距離は、これらのシステムにおいて通常100μｍより小さい。これは多くの製造工程における検査ニーズにおいて小さすぎる距離である。
【００１２】
２つの角度からの照明を用いるいくつかの先行技術型の減感干渉計によれば、物体を干渉計の要素とほとんど接触させるという必要性はない。代表的実例がＦ．Ｈ．スミスへの米国特許第3,958,884号に教示されている。スミスは、作業距離が大きくなるように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。大きな作業距離を有する減感干渉計のさらに別の実例がＧ．マコッシュへの米国特許第４，４９８，７７１号「表面形状の干渉計測的方法と手段」（3:37-4:16）により提供されている。マコッシュにより開示された装置は、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。
【００１３】
広帯域照明あるいは拡散照明と共に用いた時の減感干渉計の短所は、有用な測定深度が光のコヒーレンスによって制限されることである。端的に説明すると、ここでいう「コヒーレンス」とは光が２つの部分に分けられ再結合するとき干渉縞を生成する光源の能力を指す。一般に、縞の品質あるいはコントラストは２つのビームの通過する光路差に応じて減少する。非コヒーレントな光源が高コントラストの縞を生成するのは、干渉するビームの光路差がおおよそゼロに等しいように物体の位置を精密に決めたときだけである。非コヒーレントな光源を有する減感干渉計の動作は、ミラウ顕微対物鏡のような従来型の白色光干渉計の動作に類似しており、相違点は干渉効果の大きさが拡大されていることである。ここで「白色光」という用語は、レーザー、低圧アーク灯その他の実質的に単色光放射の光源と比べた時、大きなスペクトル分布を有することを特徴とする照明の何れかを指す。その実際的な結果は、光源が非コヒーレントである時、干渉計の光軸にそった深さが小さい範囲内に入る物体の部分だけに縞模様が現れるということである。この深さの範囲は等価波長の数倍程度であり、種々の製造された大きな物体に対して小さすぎる深さである。
【００１４】
２つの角度からの照明を用いるいくつかの先行技術型の減感干渉計は、光源の波長に影響されず、従って白色光でうまく機能する。そのようなシステムの１つが、1994年11月7日および1994年12月28日にそれぞれ出願された同時係属米国特許出願第08/334 939号および第08/365 589号の「回折光学を用いた物体形状測定方法及び装置」に開示されている。２つ以上の回折要素の組み合わせを用いることにより、上述の同時係属特許出願（その内容はここに引用によりその全部を特定的に本発明の一部として取り入れる）に記載された装置は、測定面を適切な作業距離に投影する。これらの出願により教示された望ましい実施態様は、光源波長λに実質的に依存しない等価波長Λを有する。従って、白色光源を含む様々の光源を用いることができる。しかしながら、もし光源が拡大されているとき、すなわち大きな出射面積を有し、したがって空間的に非コヒーレントなビームを出射する時、干渉計の光軸に沿った深さが小さい範囲内に入る物体の部分だけに縞模様が現れる。この深さの範囲もまた等価波長の数倍程度であり、同じく種々の製造された大きな物体に対して小さすぎる深さである。
【００１５】
もし物体表面が粗ければ、異なった入射角のビームを利用する減感干渉計の全てについて一般的な困難点が存在する。粗い表面において良品質の縞模様は、例え光源光が完全にコヒーレントである場合でも、２つのビームが実質的に同じ場所で表面に衝突する時にのみ得られる。従って物体表面が粗い時、干渉計の光軸に沿った小さい深さの範囲においてのみ計測を行うことができる。全ての幾何学的に減感した干渉計のこの特性は、その有用性を厳しく制限する。
【００１６】
これらの観察から、先行技術の減感干渉計は長い等価波長により容易になるある測定作業に対し多くの利点を有することが結論できる。しかしながら、表面形状において大きな変化を有する製造パーツを捉える能力において多くの制限がある。さらに、ここで述べた減感干渉計の何れも、等価波長の４分の１を越える不連続表面特徴あるいは平均表面粗さをもつ物体を測定する能力がない。
【００１７】
表面形状測定のための、ある１つの全く異なる干渉計測定技術として、機械的走査機構（mechanical scanning mechanism）と白色光で動作する従来の干渉計に基づくものがあげられる。この技術は本発明の開示において走査白色光干渉計あるいはＳＷＬＩとして参照する。ＳＷＬＩを用いる表面形状の３次元測定のための代表的な方法が、Ｎ．バラスブラメイニアンへの米国特許第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次元検知子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、各走査位置ごとに各画素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。バラスブラメイニアンにより教示されたＳＷＬＩの方法は、光学素子のようないくつかの鏡面に適している。
【００１８】
もう１つ別の先行技術のＳＷＬＩ技術が、1994年９月９日に出願された米国第08/014 707号の「インターフェログラムの空間周波数解析による表面形状測定のための方法と装置」という名称の同時係属米国特許出願に教示されている。この開示による物体の形状を測定するための光学システムは、多色光源あるいは白色光源と、機械的走査装置と、２次元検知子アレイと、干渉データから表面高さを測定するデジタル信号処理手段とを備えた干渉計からなる。干渉計によって照明された表面におおよそ垂直な方向に物体を走査することにより、視野内の各画像点に対するインターフェログラムが同時に生成され、その際検知子データがデジタルメモリに記録される。これらのインターフェログラムは次にフーリエ解析により空間周波数領域に変換され、各点の表面高さが空間周波数の関数として複素位相を調べることにより得られる。最終段階は、高さデータと対応する画像平面座標から構成された完全な３次元画像の生成である。
【００１９】
様々の先行技術のＳＷＬＩの方法と手段は、ある種の物体および表面に対して有用であるが、それらは重要でかつ基本的な短所を有する。例えば、視野が狭いことや、物体反射率の変動に対する鋭敏性が高いことや、他の多くの光学表面計測の形態に比して測定時間が遅いことや、振動に対する鋭敏性が高いことなどがあげられる。これらの制限は、光の波長および対応する縞密度に関連している。
【００２０】
先行技術のＳＷＬＩのもっとも重要で基本的な短所の１つとして、一般的に視野が、標準顕微鏡対物レンズによって捉えられる程度の大きさであることがあげられる。正しく機能するためには、ＳＷＬＩ装置において干渉データを電子的に記録する検知子は、干渉縞密度と比較して十分に高い解像度を持たなければならない。先行技術のＳＷＬＩ装置の視野が増大した時、縞密度は解像するには高すぎる値になり易い。これは粗面を扱うときに顕著である。鏡面に対する勾配許容性は視野サイズとともに直線的に減少し、粗面測定のために必要なスペックル効果は、対物レンズの開口数（ＮＡ）が視野の増大とともに直線的に減少する時にのみ解像性がある。集光量はＮＡの平方で減少するので、粗面からスペックルパターンを解像する必要があることは非常に期待はずれである。光の損失があることは表面積が大きくなるとそれだけ強力な照明器が必要になることを意味する。さらに悪いことには、縞コントラストが非常に変動し易いパラメータであり、測定品質が、参照ビームと物体ビーム強度との間のバランスに決定的に依存することである。
【００２１】
大きな表面領域を測定することが困難なため、ＳＷＬＩに基づく唯一の市販装置は顕微鏡であり、通常直径が５ｍｍより小さい円形視野を取り込むことができる。その装置としては、例えばザイゴ（Zygo）コーポレーションによるニュービュー（NewView）１００や、ＷＹＫＯコーポレーション（ツーソン、アリゾナ）によるＲＳＴや、フェーズシフトテクノロジー社（ツーソン、アリゾナ）によるマイクロキサム（MICROXAM）−ＥＸや、マイクロマップ（MicroMap）（ツーソン、アリゾナ）による５１２光学形状測定器などがあげられる。したがって、製造のための測定道具を実質的に必要とするにもかかわらず、先行技術は顕微鏡部品（Microscopic parts）以外のものに用いるＳＷＬＩ装置を提供しない。
【００２２】
先行技術にあるＳＷＬＩ技術のさらに別の基本的な欠点は、データ取得が極めて遅いことである。例えばＷＹＫＯコーポレーションによって製造されたＲＳＴは、表面深さ毎秒0.5ミクロンの割合でデータを取得する。したがって１ｍｍの表面特徴を有する表面は走査するため３０分以上かかる。速度が遅いことは、走査位置の関数として高速に変動する干渉効果の結果である。正確な測定を行うためには、これらの変動を詳細に記録することが必要になる。通常これは１画素当たり走査動作７５ｎｍ毎に１回測定するという割合になる。速度が遅いことは、測定中、振動に対する高い鋭敏性や熱的変形や機械的歪などの問題をさらにもたらす。
【００２３】
ＳＷＬＩのさらに別の基本的欠点は振動に対する高い鋭敏性であり、これは１つにはデータ取得速度が遅いこと、１つには干渉縞パターンの鋭敏性が極めて高くほんの少量の振動でもたやすく壊れてしまうことに起因する。ＳＷＬＩ装置は通常大きな取付具と高価な振動遮断器を必要とする。これだけの予防措置をとっても、ＳＷＬＩ装置は普通の生産環境に比べて相対的に静かな環境に制限される。
【００２４】
生産された部品を高速に大面積で測定する必要に迫られているため、ＳＷＬＩの適用範囲を広げる努力が先行技術において幾つか払われてきた。例えば、P.de GrootおよびL.Deckによる「白色光インターフェログラムのサブナイキスト標本化（sampling）による３次元撮像」（光学通信１８（１７）、1462-1464（1993））という題の論文に教示されている方法は、データ取得の速度を改善しそれにより装置の深さ領域を改善するために、まばらな（sparse）データ標本化を用いている。それにもかかわらず、このまばらなデータ標本化をもってしても、高密度の干渉縞パターンを正確に標本化する必要性のため、ＳＷＬＩによるアプローチは基本的に低速である。ＳＷＬＩ顕微鏡における測定速度を増加させるもう１つの先行技術の試みが、Ｌ．デックによる1995年3月28日発行の共通に所有される米国特許第5,402,234号「コヒーレンス走査干渉計測におけるデータの高速取得のための方法と装置」に開示されている。デックにより記載されたシステムは、各画素についてインターフェログラムのもっとも有用な部分を選び出し記憶する特別のアルゴリズムとデータバッファを用いる。この方法によれば３次元画像を生成するのに必要なデータ処理の量が実質的に少なくなる。デックにより教示された原理はザイゴ（Zygo）コーポレーション（コネチカット州、ミドルフィールド）により製造されたニュービュー（NewView）１００の製品に取り入れられている。しかしながらニュービュー１００も依然として高密度干渉縞模様の正確なデータサンプルを必要とする。従って、測定速度は依然として非常に遅く、たった毎秒表面深さ２ミクロンの割合でデータを取得する。
【００２５】
ＳＷＬＩの有用な応用を増加させるもう１つの先行技術の試みがＴ．ドレゼル、Ｇ．ホイスラーおよびＨ．ベンツケによる論文「コヒーレンスレーダによる粗面の３次元感知」（応用光学３１（７）、919−925（1992））に記載されている。この開示の光学システムは、大きく粗い表面からの平均スペックルサイズを増大させるための調節可能な開口数（ＮＡ）と、２つの機械的アクチュエータの特別の組み合わせを用いる。そのアクチュエータの１つは小さな範囲で参照ミラーを変位させるためのもので、もう１つは離散ステップにより物体を走査するためのものである。その論文の図面のいくつかには直径が５ｍｍより大きい物体を含む３次元物体の画像（graphical images）が示されている。しかしながら、大きな物体に対する低レベルの光と、大量のデータを処理する必要性のため、装置の実用的価値がきびしく制限される。しかもデータ取得手順はとりわけ遅く高速光学検査に適していない。
【００２６】
このように、ＳＷＬＩの有用な応用を増加させる先行技術の試みは次のようにまとめられる。機械的スタイラスはある種の表面特徴を測定するのに有用であるが、非常に遅く、限られた情報しか得られず、物体表面を損なう恐れがある。幾何光学に基づく先行技術の光学装置は、機械的スタイラスにより提供される装置より一般的に精度が劣り、またどのタイプの表面に対しても機能するというわけではない。従来型の干渉計は、光学素子の非常に高精度の測定に対し有用であるが、多くの製造上の検査作業に適していない。多重波長干渉計は、鏡面上の段差や溝によるいくつかの不明瞭さの問題を解決できるが、表面勾配と粗さについて、単一波長干渉計とほとんど同じ制限をともなう。減感干渉計は大きな等価波長で非常にたやすく見ることのできる表面に対して有利であるが、等価波長に比較して大きな深さの変動をともなう表面の場合や、等価波長の４分の１よりも大きい不連続の特徴をともなう表面の場合うまく機能しない。したがってＳＷＬＩの方法は視野が狭く、表面反射率の変動に対して敏感であり、非常に遅く、振動に対して極めて敏感である。
【００２７】
従って、精密な製造のための物体表面を計測する非接触光学手段に対する必要性が極めて高いにもかかわらず、先行技術はそのような手段を提供していない。光学的表面形状測定の公知の方法は工業的環境に適さず、表面の大きさや形状や状態に対する柔軟性（flexibility）が十分でなく、自動化された（automated）部品操作に適さない。従って、表面形状の精密な測定のための正確で高速で柔軟（flexible）な方法と装置が求められているが、いまだに実現していない。
【００２８】
この出願は同時係属米国出願「回折光学を用いた表面形状を測定する方法と装置」（1994年11月7日出願第08/334 939号および1994年12月28日出願第08/365 589号）に関連しており、それらの出願の内容は特定的にここに引用によって本発明の一部とするが、それらに対する改良になっている。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低減された感度を有する減感干渉計手段から生成される減感干渉縞を用いて物体に対し適切な作業距離から物体表面の形状を測定する方法であって、
関連波長と関連等価コヒーレンス長とを有する光源によってその光源関連波長より長い関連等価波長を有し前記減感干渉縞を生成する減感干渉計手段を照明する工程と、
減感干渉計手段に対し物体を変位させることにより減感干渉計手段の視野内の少なくとも１つの画素に対応する測定データを生成する工程であって、走査位置の関数として強度の変量を提供し、この強度の変量がいかなる干渉効果も前記等価コヒーレンス長の範囲内に制限する等価コヒーレンス信号包絡線によって変調された前記等価波長に関する信号を含み、この信号が前記干渉縞を示し、前記等価コヒーレンス包絡線が前記干渉縞の縞コントラストを示す測定データを生成する工程と、
各画素に対応する表面高さを決定するために測定データを解析する工程とからなり、
前記測定データを生成する工程が干渉模様を空間周波数領域に変換する工程をさらに含み、前記測定データを解析する工程が物体表面上の各点に対する表面高さを得るため空間周波数の関数として変換干渉模様の位相を調べる工程を含むことを特徴とする物体表面形状測定方法を提供するものである。
【００３０】
他の発明は、物体の表面形状を測定するための光学的形状測定システムであって、
関連波長と関連等価コヒーレンス長とを有する照明手段と、
前記照明手段によって照明されるよう照明手段に対して設置され、複数の光線で物体をほぼ同じ場所でしかも異なる入射角で照明し、照明手段の関連波長より長い関連等価波長を有し、前記等価コヒーレンス長により定義される範囲以内に高コントラストの干渉縞を生み出すことができる減感干渉計手段と、
前記減感干渉計手段に対して設置され干渉模様を検知する検知手段と、
物体を載せ、この物体の深さ走査を行うべく前記減感干渉計手段により照明された表面に関してその物体を変位させるために設置された走査手段であって、走査位置の関数として強度の変量を提供し、この強度の変量がいかなる干渉効果も前記等価コヒーレンス長の範囲内に制限する等価コヒーレンス信号包絡線によって変調された前記等価波長に関する信号を含み、この信号が前記干渉縞を示し、前記等価コヒーレンス包絡線が前記干渉縞の縞コントラストを示し、前記強度の変量が形状測定の視野内の少なくとも１つの画素についてインターフェログラムを提供するため前記検知手段によって検知される走査手段と、
少なくとも１つの画素に対応する物体表面の表面高さを提供する手段と
を備え、
前記照明手段がレーザーからなることを特徴とする物体表面形状測定システムを提供するものである。
【００３１】
本発明は、減感干渉画像を用いて物体の表面形状を物体に対する適切な作業距離から測定する方法とシステムであり、この光学的形状測定システムは、白熱電球や発光ダイオードやレーザーからなる光源（照明手段）と、光源光の波長よりはるかに長い等価波長という特徴をもつ減感干渉計と、光学ステージからなる機械的走査システム（走査手段）と、ＣＣＤやフォトアレイを備えたカメラからなる電子的検知手段と、コンピュータからなるデータ処理手段で構成される。
【００３２】
本発明によって、例えば、白熱電球や発光ダイオードやレーザーのような光源により照明された減感干渉計からなる光学的表面形状測定装置を提供することができる。減感干渉計は光源波長λより大きい等価波長Λと、物体に対する適切な作業距離（例えば１ｍｍより大きい）と、等価コヒーレンス長として定義される深さ範囲Ｌの中で高コントラストの干渉縞を生成する能力とによって特徴づけられる。フォト検知子のアレイを備えたカメラにより、画素のアレイに対し、干渉縞が電気信号に変換される。
【００３３】
減感干渉計の視野内の１つ以上の画点すなわち画素に対する測定データは、コンピュータにより、ある既知の距離だけ物体を減感干渉計に対し変位させた際の走査位置の関数としての強度変動である。この強度変動を測定データとして電子的検知手段（カメラ）で検知し、かつ同時に検知した測定データ（フォト検知子データ）を電子メモリにを記録することにより生成することができる。走査位置の関数としての強度変動は、干渉効果を等価コヒーレンス長Ｌ以内の範囲に制限する信号包絡線（envelope）により変調した、等価波長Λに関する振動信号として表される。振動信号は干渉縞に対応し、振動信号の包絡線は縞コントラストである。
【００３４】
次に、測定データはコンピュータによって解析され、各画素に対応する表面高さが計算される。例えば、本発明の方法においては、縞コントラストが最大になる走査位置は、ある表面点の相対高さの尺度である。あるいはまた、本発明のもう１つ別の方法によれば、フーリエ解析によりインターフェログラムが空間周波数領域に変換され、空間周波数の関数としての複素位相を調べることにより、各画素点に対する表面高さが得られ、表面形状が測定される。
【００３５】
本発明は、先行技術による減感干渉計の範囲制限を克服し、かつ同時にどの先行技術による走査白色光干渉計よりもはるかに広い視野と高い走査速度を提供するものである。
本発明のこれらおよび他の特徴は、次の発明の詳細な説明と添付の図面をあわせて読むことにより、いっそう明らかになるであろう。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施例に基づいて本発明を詳述する。なお、本発明はこれによって限定されるものでない。
本発明は、減感干渉縞を用いて、物体に対して適切な作業距離から物体表面形状を光学的に測定する方法とシステムであり、このシステムは、光源と、光源光の波長よりはるかに長い等価波長を有する減感干渉縞を生成する減感干渉計と、物体を減感干渉計に対して変位させる機械的走査機構と、減感干渉縞を１つ以上の画素の測定データとして検知する電子的検知手段と、検知した測定データをメモリに記憶し解析した後各画素の表面高さに変換するコンピュータからなるデータ処理手段で構成される。
干渉計の視野内の１つ以上の画点すなわち画素についての測定データとしては、機械的走査機構で物体を干渉計に対して変位させ、走査位置の関数としての強度変動を電子的検知手段で検知し、コンピュータの電子記憶装置（メモリ）に記録することによって生成される。走査位置の関数としての強度変動は、等価コヒーレンス長以内の範囲に干渉効果を制限する信号包絡線により変調し、等価波長に関するほぼ振動する信号として表すことができる。この振動性の信号は干渉縞に対応し、包絡線は縞コントラストである。次のステップでインターフェログラム（干渉光強度の変化、縞コントラスト）のアレイ（パターン）はコンピュータによって解析され、各画素に対応する表面高さが計算される。このとき、インターフェログラムはフーリエ解析によって空間周波数領域に変換され、空間周波数の関数としての複素位相を調べることにより各画素点の表面高さを決定し物体の表面形状を測定する。
【００３７】
図１は本発明の方法とシステムにおける基本構成を示す説明図であり、物体２０の表面形状を測定するために組み立てられた発明の光学表面形状測定システムの望ましい実施態様を示す。図１において、照明光は光源３０により供給され、光源としては例えば白熱電球や、発光ダイオードや、拡散素子をもつレーザーや、同様の空間的に非コヒーレントな照明用光源があげられる。光ビーム４０は干渉計５０に導かれるが、干渉計５０は減感した干渉計であることが望ましい。干渉計５０は物体をビーム６０で照明するが、このビームは物体を実質的に同一の場所で異なった入射角で照明する２つ以上のビーム（図示せず）からなっていてもよい。干渉計５０の望ましい特色としては、光源波長λより大きい等価波長Λ、物体２０との適切な作業距離（例えば１ｍｍより大きい）および等価コヒーレンス長としてここで定義される範囲Ｌの中で高コントラストの干渉縞を生成する能力があげられる。干渉計５０は、物体表面を表す干渉縞をビーム７０によって電子検知器８０上に投影することが望ましい。ここで電子検知器としては、例えば閉回路テレビカメラや、直線状検知子アレイや、単一素子検知子などがあげられる。
【００３８】
干渉計によって照明される表面と実質的に垂直な方向に物体２０を変位させるために配置された機械的走査載物台９０の上に物体２０を載置することが望ましい。載物台９０による物体２０の変位は、ここでは深さ走査（垂直走査）と呼ぶ。載物台９０はコンピュータ１００により制御されることが望ましい。本発明の望ましい方法においては、物体２０を連続的に深さ走査する際に電子検知器８０により、複数の強度測定が行われる。これらの測定結果はコンピュータ１００のダイナミックメモリ（図示せず）のなかに記憶させることが望ましい。このようにして得られたデータは、インターフェログラムのアレイとしてデジタルフォーマットで記憶させることが望ましく、走査位置の関数としての強度の変動を表すものとして、装置の視野内の各画点あるいは画素に対して１つずつのインターフェログラムが対応する。
【００３９】
図２に１つの画素に対する深さの関数としての測定強度の典型的変動が示されている。通常干渉縞と呼ばれる周期的振動は、次式で表される深さ範囲内に収まることが望ましい。
｜ｐ＋ｚ−ｚ0｜≦Ｌ／２……（１）
ここで，Ｌは等価コヒーレンス長で、ｐは局所表面高さであり、ｚは走査位置であり、ｚ0は定数である。ｐの値は通常、物体表面上の位置により変化することが望ましく、物体表面形状（object surface topography）の尺度である。広い範囲にわたって物体を走査することにより、全ての表面点についてインターフェログラムを収集することが望ましい。
【００４０】
例えば、図２に示されるようなインターフェログラムの解析方法がいくつか、この技術分野において公知である。その最も簡単な方法は走査位置の関数としてのインターフェログラムにおける振動信号の強度を測定することによる。
ｐ＝ｚ0−ｚのとき、信号は最も強い。従って、信号強度は各画素に対する表面高さｐを指示する。
この方法によって、有効なコヒーレンス長Ｌの範囲を越えた変動であっても物体表面形状における非常に大きな変動を測定することが可能になる。また、同時係属中の1994年９月９日出願の米国特許出願第08/014,707号「インターフェログラムの空間周波数解析による表面形状測定のための方法と装置」に教示されている原理に従い周波数解析により解析を進めることもできる。この出願の内容は引用によって本発明の一部とする。
【００４１】
従って、これらの創意に富むデータ取得と解析方法は先行のＳＷＬＩ方法に用いられた手順に類似している。しかしながら、この創意に富む装置のインターフェログラムは光源波長λよりむしろ等価波長Λによって特徴づけられているので、所定の走査長のため必要なデータ点の数は、先行技術に比べ要因λ／Λだけ少なくなっている。さらに電子的検出手段は光学的波長λにより特徴づけられた干渉模様で可能なよりはるかに簡単に干渉縞を解析することができる。従って、先行技術に比べ測定面積を実質的に増やすことができる。
【００４２】
ここに開示している様々な実施例は非コヒーレントな光源を用いて動作するものを示しているが、物体表面が反射光の空間的コヒーレンスを実質的に弱めるのに充分な粗面であれば、空間的にコヒーレントな光を用いても本発明の目的を達することができる。最も必要なことは干渉計が大きすぎない等価コヒーレンス長Ｌという特徴を有することである。現在、公知のデータ解析方法では、有益な等価コヒーレンス長の典型的な範囲は次式によって決定される：
３Λ≦Ｌ≦３０Λ……（２）
ただし、本発明の意図を逸脱しないこれ以外のＬの値も可能である。
【００４３】
図３に特別な形の減感型干渉計を組み込んだ現在好ましい本発明の一実施例が示されているが、これは1994年11月7日付け出願の第08/334 939号および1994年12月28日付け出願の第08/365 589号の私の同時係属米国特許出願「回析光学を用いた表面形状を測定する方法と装置」の教示に基づいている。この装置を用いた本発明の方法によれば、光源３０からの光はレンズ３５によって照明光線１４０にコリメートされる。光線１４０はまず回析格子１２０に当たる。回析格子は光線１４０を光線１５０と光線１６０に分ける。次のステップで光線１５０と１６０は第二回析格子１３０によって回析され、次に物体２０に当たる。反射するとこれらの光線は回析格子１３０に再び伝わる。回析格子１３０はこれらの光線が回析格子１２０の表面で再合成されるように回析する。再合成された光線は次に共通の射出光線１８０に回析され、カメラ５０上に焦点が合わせられる。カメラ上で光線１５０と１６０の光学的パス長の差を表す干渉模様が検出される。
【００４４】
光線１５０と１６０の入射角の相違の結果、物体２０の垂直変位は深さの関数として測定強度の変動を生じる。走査位置の関数として画像の１画素について測定された強度の変動は図２に示したものとはぼ同じであり、従って等価波長Λと等価コヒーレンス長Ｌによって特徴づけられる。等価波長は次の式によって計算することができる：
Λ＝λ／（ｃｏｓ（θ）−ｃｏｓ（φ））……（３）
（式中、θは物体２０の表面１７０に対する光線１６０の入射角、φは物体２０の表面１７０に対する光線１５０の入射角である）。
原則的に、いかなる有な波長Λ≧λも適切な角度θ、φを選択することにより作り出すことができることが分かる。例えば、φ＝２０度、θ＝０度であれば、Λ≒１６.６λである。
【００４５】
図３の好ましい実施例のための等価コヒーレンス長Ｌは、数多くの要因で決まるが、主に物体２０の表面のでこぼこの程度と光源３０の照射面積に関係している。従って、照射面積が調整可能であるか、一般に光源の空間的コヒーレンスの程度が変更できれば、等価コヒーレンス長Ｌの大きさを適用に応じて調整することができる。
【００４６】
図４に別の形の減感型干渉計を用いた本発明の一実施例が示されている。図４に示された実施例において、光線２３０からの光はレンズ２３５によって光線２００にコリメートされる。光線２００は反射鏡２０５によって反射する。ビームスプリッター２１０はこの光を光線２４０と光線２４５に分ける。光線２４０は鏡２５０から反射し、物体２０に入射角φで向けられる。光線２４５は鏡２５５から反射し、物体２０に入射角θで向けられる。物体２０からの反射後、光線２４５および２５５はそれぞれ鏡２６０および２６５から反射し、次にビームスプリッター２７０によってビーム２７５に再合成される。レンズ２８５は物体２０の像をカメラ２９０上に結ぶ。適切に調整した場合、図４に示した実施例における様々なビームパスにより干渉模様が生じるが、等式３により決定される等価波長Λは減少する。適切に調整した場合、非コヒーレントな光源を用いてもこの干渉計は動作する。しかしながら、非コヒーレントな光源をこの実施例と共に用いた場合、高い縞コントラストの領域は等価コヒーレンス長Ｌに限られる。等価コヒーレンス長は光源のスペクトルのバンド幅および光源の大きさの双方に関連している。図４に示した実施例のその他の特徴、例えばデータ取得、解析方法は、前述の本発明実施例と実質的に同じである。
【００４７】
図５に別の形の減感型干渉計を用いた本発明のもう一つの実施例が示されている。図５に示された実施例において、光源３３０からの光はレンズ３３５によって光線３００にコリメートされる。光線３００は複屈折素子３１０によって互いに直角な２つの光線３４０と光線３４５に分けられる。この複屈折素子はウォラストンプリズムまたは光線の２つの偏光を空間的に分離する光学的構成要素のようなものであってもよい。レンズ３５０は物体２０上に光線３４０と３４５の焦点を共に結ぶ。物体２０からの反射後、光線３４０と３４５は、これらの光線の焦点を再び結ぶレンズ３６０によって集められるまで発散する。複屈折素子３７０は光線３４０と３４５を再合成して光線３７５にする。偏光子３８０は光線３４０と３４５の偏光の投影を合成して共通の偏光にし、干渉効果を生み出すような方向に置かれる。レンズ３８５は次に物体の像をカメラ３９０上に結ぶ。適切に調整した場合、図５に示した実施例における様々な光線パスは物体形状を表す干渉模様を生み出すが、等式３により決定される等価波長Λは減少する。適切に調整すれば、非コヒーレントの光源を用いてもこの干渉計は動作する。しかしながら、非コヒーレントな光源をこの実施例と共に用いた場合、高い縞コントラストの領域は等価コヒーレンス長Ｌに限られる。等価コヒーレンス長は光源のスペクトルのバンド幅および光源の大きさの双方に関連している。図５に示した実施例は物体２０の単一点または線形の像に最も適している。単一点または線形の像の場合、物体２０の完全な３次元形状の構成を容易にするために水平走査機構（図示しない）を載物台９０に組み込むことに利点があると分かるだろう。図５に示した実施例のその他の特徴、例えば、データ取得、解析方法は、前述の本発明実施例と実質的に同じである。
【００４８】
当業者であれば、本発明の意図を逸脱する事なく開示した方法および装置の形または細部を代用、省略、変更できることが理解できるだろう。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、この創意に富む干渉計を利用した物体表面形状測定方法及びシステムは以下に示す効果を奏する。
粗い表面および鏡のような表面のいずれも測定できる。
大きな歪みや勾配のある表面を測定することができる。
従来のＳＷＬＩ技術より広い視野が可能になる。
従来のＳＷＬＩ技術より高速度走査が可能になる。
従来の減感型干渉計より深さ走査（垂直走査）の範囲が大きい。
大方の従来の減感型干渉計より作業距離が大きい。
大方の従来の減感型干渉計に比べ振動の影響が少ない。
双方の干渉光線が物体表面から反射することから優れた縞コントラスト得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法とシステムにおける基本構成（components）を示す図である。
【図２】視野内の１つの画素に対する走査位置の関数としての測定強度の変動を示すグラフである。
【図３】本発明の望ましい実施態様を示す図である。
【図４】本発明の別の実施態様を示す図である。
【図５】本発明のさらに別の実施態様を示す図である。
【符号の説明】
２０  物体
３０  光源
４０  光ビーム
５０  干渉計
６０  光ビーム
７０  光ビーム
８０  光電検知器
９０  ステージ
１００  コンピュータ
【図１】
0003741472.tif 000002
【図２】
0003741472.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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