JP3784415B2 - 複合体光学素子を有する干渉計 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、被検面(test surface)を計測する干渉計における改良に関する。特に、被検面についての情報を集めるための光波面(optical wavefronts)の形状及び伝播に関する。
背景
干渉計は、面の凹凸の等高線マップ(coutor map)を表す干渉パターンの形での表面の画像を与える。この干渉パターンは、被検面で反射させた被検波面(test wavefronts)（即ち被検ビーム）と、その面からの理論的反射を表す参照波面(reference wavefronts)（即ち参照ビーム）とを併合することによって発生させる。被検面が高い反射性を有する面である場合には、通常、被検波面をその被検面へ垂直に入射させて計測を行う。一方、被検面の反射性が低いときには、グレージング入射方式で計測が行われる。
しかしながら、被検面の形状が、平面形状とも球面形状とも異なる形状である場合には、干渉計を使用した計測が行われることは殆どなく、その理由は、互いに重ね合わせることのできる２つの波面を発生させることが困難だからである。その場合でも、アナモルフィック光学素子(anamorphic optical elements)を用いれば、互いに重ね合わせることのできる波面を発生させることができる。しかしながらアナモルフィック光学素子は、高価であり、製作及び検査が容易でなく、精度的にも制約がある。より一般的な光学素子を用いて互いに重ね合わせることのできる波面を形成することのできる方法としては、球面形状ないし略々球面形状の波面の小部分どうしを併合するという方法がある。しかしながらその場合には、一般的な光学素子を用いて求めた多くの計測結果を併合せねばならないために時間がかかり、また、装置の移動が必要となる場合もあり、それによって精度が低下するおそれがある。
平面形状の面や円筒形状の面を計測するための干渉計測法の１つに、余り知られておらず、これまで殆ど改良も進んでいない方法ではあるが、回折性光学素子を使用して被検波面及び参照波面の相対的形状を然るべく形成するようにした方法がある。例えば、1973年に刊行された「Oblique Incidence Interferometry Applied to Non-Optical Surfaces（非光学面に適用する斜め入射干渉法）」という題名の論文（by K.G.Birch,Journal of Physics E:Scientific Instruments,Volume 6）には、一対の同一構成の回折格子を使用してグレージング入射方式で平面形状の面の計測を行うことについて報告がなされている。それによれば、第１の回折格子が、波面の分割によって被検波面と参照波面とを発生させ、その際に、それら波面を互いに異なった次数の回折光で形成する。被検波面は、平面形状の被検面で反射された後に、第２の回折格子で参照波面と併合される。
東独特許第１０６７６９号（Johannes Schwider、1974年）には、２つの同一構成の回折格子を使用してグレージング入射方式で円筒形状の面の計測を行うことが提案されている。それによれば、第１の回折格子で、平面形状の一次波面を被検波面と参照波面とに分割する。その際に、被検波面の方は、回折させてアクシコニック（axiconic）形状の波面にし、このアクシコニック形状の波面を、円筒形状の被検面へグレージング入射させて反射させる。また参照波面の方は、変形させずにそのまま透過させる。第２の回折格子では、被検波面の方は変形させずにそのまま透過させ、一方、参照波面の方は回折させて被検波面と同じアクシコニック形状の波面にし、それによってそれら２つの波面を併合する。
Schwiderは、さらに、円筒体の内面と外面とを同時に計測するために、複合体回折性光学素子の使用を提案している。第１の複合体光学素子の２つの回折ゾーンは、参照波面に対して２つの被検波面をそれぞれのアシコニック形状に回折し、円筒体の内面と外面とから反射させる。第２の同一構成の複合体光学素子の２つの回折ゾーンは、参照波面の部分を２つの被検波面に符合するアシコニック形態に別個に回折する。
これらのアイデアは、最近まで実際には殆ど利用されていない。平面形状の面を計測するのに利用可能な方法は他にも多数存在しているが、広範な様々な形状の面を高い精度をもって計測できるようにするためには、また特にその被検面の形状が被検波面の形状に影響を与えるようなものである場合には、更なる改良が必要である。また、ある特定の形状の被検体に適した構成、光の伝播効率を良好にする構成、それに画像のコントラストの制御を可能にする構成に関する実際上の多くの問題が、以前として未解決のまま残されている。
ごく最近、２つの共に譲渡された米国特許出願が、我々の共同発明者の一人によってなされた。上記米国特許出願は、被検波面を形成する回折性光学素子を用いることを提案している。該被検波面は、グレージング入射にて種々の複雑な面に符合するものである。１９９５年１月１９日に出願された米国特許出願第０８／３７５，４９９号及び１９９５年６月７日に出願された米国特許第０８／４８３，７３７号のいずれの出願も、本願に参照として組み込まれている。
発明の概要
１以上の実施形態における本発明は、複数の表面(multiple surfaces)の同時計測又は単一の複雑な表面の複数回の計測(multiple measurements)など、より複雑な計測を行う可能性を拡大する。回折性光学素子は、１以上の被検波面を伝播又は１回以上単一の被検波面を伝播するための複数のゾーン(multiple zones)を有する複合光学素子内に組み込まれる。複数のゾーンは、さらに光学素子の自己整合(self-align)のために用いられ得る。
一の被検体の複数の表面の同時計測用に配列された我々の新規な干渉計の第１の実施形態は、２つの被検波面と少なくとも１の参照波面とに分割される一次波面を発生させる光源を含んでいる。干渉計を貫通する第１の光路は、複数の表面の一つの表面に入射する一つの被検波面を伝播し、干渉計を貫通する第２の光路は、複数の表面の別の表面に入射する他の被検波面を伝播し、干渉計を貫通する第３の光路は、２つの被検波面との整合位置の間の複数の表面とは独立の参照波面を伝播する。光学系は、複数の表面における凹凸を示す２つの被検波面のそれぞれと参照波面との間の干渉パターンを発生させるための被検波面及び参照波面の両者に関する。
光学系は、２つの光波面を伝播するための異なるゾーンを有する第１の複合体光学素子を含む。第１のゾーンは、参照波面に対する被検波面の一つを相対的に変形する回折パターンを有する。第２のゾーンは、他の被検波面を回折なしに伝播するため、透過又は反射などの異なる光学特性を示す。第１の複合体光学素子は、さらに、２つの被検波面とは独立に参照波面を伝播する第３のゾーンを含み得る。第２の複合体光学素子は、２つの被検波面を参照波面と併合させ、２つの被検波面を互いに関連づけると共に、複数の表面の相対方向を比較するため、参照波面と関連づける。
被検面の複数回の計測を行うように配列された我々の新規な干渉計の第２の実施形態もまた、２つの被検波面と少なくとも１の参照波面とを発生させる光源を要求する。第１の光路は、被検面からの第１の被検波面を反射し、第２の光路は、同じ被検面からの第２の被検波面を反射し、第３の光路は、参照波面を被検面とは独立に２つの被検波面との整合位置に伝播する。２つの被検波面は、好ましくは、共通の基準点(common datum)に被検波面を関連づける少なくとも１の複合体光学素子の識別ゾーン(distinct zone)により伝播される。結果として得られる２つの干渉パターンは、相互に立証するため又は表面の凹凸及び表面の波状など表面の凹凸の相違(different of surface variation)を測定するために、比較することができる。
好ましくは、第１の複合体光学素子の第１及び第２のゾーンは、異なるグレージング角度にて被検面から反射する異なる形態に２つの被検波面を相対的に変形する(reshape)異なる回折パターンを有する。異なる回折パターンの識別ゾーンを有する第２の複合体光学素子もまた、好ましくは、同じ参照波面と共通の形態に、反射した２の被検波面をさらに相対的に変形する(reshape)ために用いられる。
我々の新規な干渉計の第３の実施例は、１回以上、被検波面を伝播する複合体光学素子を特徴とする。光源の通常の特性及び被検波面及び参照波面の必須光路に関連して、複合体光学素子は、被検波面を被検面に及び被検面から伝播する複数のゾーンを有する。複数のゾーンのうち第１のゾーンは、被検波面を被検面に伝播する第１の光学特性を示す。複数のゾーンのうち第２のゾーンは、被検波面を被検面から伝播する第２の光学特性を示す。少なくとも１のゾーンは、参照波面に関して被検波面を相対的に回折する回折パターンを有する。
複合体光学素子のゾーンの１つは、さらに、好ましくは少なくとも部分的な反射を示す。回折パターンは、被検面からの反射の前後に被検波面を変形するために並びに被検波面と参照波面とを分離又は併合させるために、用いられ得る。参照波面を被検波面とは独立に伝播するために又は他の被検波面を伝播するために、追加のゾーンを用いることもできる。
我々の新規な干渉計の第４の実施例は、少なくとも一対の回折性光学素子の形態であり、共通基準軸心に一対の回折性光学素子を整合する複合体光学素子である。第１の回折性光学素子は、グレージング角度にて、被検面からの被検波面を反射するため、参照波面に対して被検波面を相対的に変形する測定ゾーンを有する。第２の回折性光学素子は、被検面の凹凸を示す被検波面と参照波面との間の光学干渉パターンを作るため、参照波面に対して被検波面をさらに相対的に変形する測定ゾーンを有する。少なくとも１の回折性光学素子もまた、共通基準軸心に第１及び第２の回折性光学素子を整合させるため、同じ回折性光学素子の測定ゾーンとは異なる整合ゾーンを有する。
整合ゾーンは、好ましくは、同じ回折性光学素子の測定ゾーンに対して変化するピッチを有する回折ゾーンであり、該ピッチは他の回折性光学素子の測定ゾーンのピッチと符合する。このことは、ゼロ状態(null condition)における２つの光学素子を整合するために用いられるべき結果的に発生する干渉パターンを可能とする。あるいは、両方の回折性光学素子は、基準軸心（共通基準軸心）に沿って光学素子を離隔する合焦特性(focusing qualities)を有する整合ゾーンを含むこともできる。
図面の説明
図１は、２つの回折性光学素子を使用してシングルパス形の計測を行うようにした本発明にかかる新規な干渉計の構成を模式的に示した図である。
図２は、円筒内周面形状の被検面を計測する干渉計に使用される回折性光学素子を示した図である。
図３は、被検面の凹凸を表す干渉パターンを映し出している結像用光学素子を光軸方向から見た図である。
図４は、２つの回折性光学素子の一方を光軸方向から見た図である。
図５は、２つの回折性光学素子の破断面図である。
図６Ａ〜６Ｃは、円筒状被検体の側面及び端面を同時に計測する前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子(leading and following diffiractive optics)の配列を示した図である。
図７Ａは、図６Ａ〜６Ｃの前置回折性光学素子を光軸方向から見た図である。
図７Ｂは、図６Ａ〜６Ｃの後置回折性光学素子を光軸方向から見た図である。
図７Ｃは、円筒状被検体の２つの表面の測定から得られた例示的な干渉パターンを光軸方向から示す図である。
図８Ａ〜８Ｃは、円筒形及び円錐形の外面を同時に測定するための前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の配列を示す図である。
図９Ａ〜９Ｃは、２つの異なる被検波面を有する円筒形状の同じ表面を同時に測定するための前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の配列を示す図である。
図１０は、円筒形状の端面を測定する前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の両者の機能を果たす単一の複合体光学素子の構成を示した図である。
図１１Ａ〜１１Ｃは、被検面を測定し且つ前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子を整合させるための前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の配列を示す図である。
詳細な説明
本発明は、シングルパス又はダブルパス干渉計を含むほとんどの干渉計の配列に組み込むことができるが、特に入射角が垂直でない場合に少なくとも同時測定をなすために適する。ここで、「グレージング角度」とは、鏡面反射の範囲内で被検面から傾斜した垂直でない角度をいう。
本発明は、好ましくは、光波面（又はビーム）を操作するため、回折性光学素子を組み込む。図２〜５は、先願であり同時係属中の米国特許出願第０８／３７５，４９９号及び０８／４８３，７３７号に最初に開示したような追加の従来技術に関する情報を提供する。残りの図面は、本発明に従う光波面の取り扱いにおける種々の改良点を示す。
図１に、一般的なマッハ−ツェンダー干渉計の構成要素を備えている干渉計１０を示す。被検体１２は、図２にも示すように、エアベアリング部材１６上に載置されており、このエアベアリング部材１６は、ベース２０上の定盤１８によって担持されている。エアベアリング部材１６は、被検体１２の回転移動と平行移動との両方を制御することができ、これによって、様々な計測位置で複数回の計測（複数回の計測）を行えるようにしている。複数回の計測における計測結果を数学的に比較することで、計測システムに由来する誤差を分離して排除することができる。
光源２２は、例えばレーザ・ダイオードや、ヘリウム・ネオン・レーザ等であり、この光源２２から、コヒーレント光のビームが発生する。光ファイバ２４がベース２０の内部を貫通して、このビームをコリメータ２６へ導いている。コリメータ２６はこのビームを整形して、選択された複数の光線によって表示されている平面形状の一次波面２８を形成する。前置回折性光学素子３０は、例えば円板形の透過形回折格子ないしバイナリ光学素子等であり、この回折性光学素子３０が平面形状の一次波面２８を参照波面３２と被検波面３４とに分割する。この分割に際して、参照波面３２の形状は変形されず、平面形状のままに維持される。一方、被検波面３４の形状は、前置回折性光学素子３０によって変形されてアクシコニック形状とされ、このアクシコニック形状の波面は、基準軸心１１に対する傾斜角が一定の光線で構成されており、その傾斜角は第１回折角「μ」である。尚、この第１回折角「μ」は基準軸心１１を含む平面内で側った角度である。
エアベアリング部材１６に形成された貫通開口３６と定盤１８に形成された貫通開口３８とはいずれも、参照波面３２と被検波面３４とが基準軸心１１に沿って被検体１２の空洞の中央部を伝播することができるように、余裕のある大きさに形成されている。被検波面３４は、一定のグレージング角度(grazing angle)「θ」にて、円筒形状の被検面１４上の様々な位置で反射する。後置回折性光学素子４０は、さらに反射してきた被検波面３４を、第２回析角「ν」をもって回折させることにより、その被検波面３４の形状を再度変形させて平面形状の波面に戻す。公称形状が直円筒形状の面の計測を行う場合には、２つの回折角「μ」及び「ν」を互いに等しくすると共に、それら回折角を、一定の角度である上述のグレージング角「θ」に等しくする。
従って参照波面３２と被検波面３４とは、いずれも、後置回折性光学素子４０を透過して出射するときには、互いに干渉することのできる、平面形状の波面になっている。図３に示したのは、結像用光学素子４２であり、この結像用光学素子４２は、後置回折性光学素子４０の位置に発生している干渉パターン（インターフェログラムともいう）４４を、カメラ４６等の画像記録デバイス上に結像させるための光学素子である。結像した干渉パターン４４の画像は、被検面１４の画像に重なっており、この干渉パターン４４によって、被検面１４の、理論的円筒面からの変位量が表される。
干渉する被検波面３２及び参照波面３４は、さらに、図示された平面形態とは異なる共通の形態にて後置回折性光学素子４０から出射し得る。例えば、参照波面は、被検波面に符合するアクシコニック波面内に回折されてもよい。結像用光学素子４２は、カメラ４６に対して要求された像を呈するように適当に改造されてもよい。
カメラ４６は、ソリッド・ステート・デバイス、即ち電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を用いたものとすることが好ましく、このカメラ４６によって干渉パターンを記録し、その記録した干渉パターンに対してコンピュータ４８が処理を施す。上述の結像用光学素子は、カメラ４６に内蔵するようにしてもよく、或いは、カメラ４６とは別体の１個ないし複数個の部品として構成してもよい。ディスプレイ・デバイス５０は、例えばＣＲＴや、平面パネル・デバイスや、プリンタ等であり、このディスプレイ・デバイス５０が、円筒形状の被検面１４に関する情報を利用し易い形で表示する。形状そのものを表す情報のみならず、その情報から派生的に導出される様々な計測結果値である、例えば真円度(roundness)、直線度(straightness)、テーパ度(taper)、円筒度(cylindricity)等の値を併せてディスプレイするようにしてもよい。また別法として、その情報を、例えば生産活動にフィードバックさせる等の、更なる用途に利用するために、電子的に保存し或いは転送するようにしてもよい。
図３に示した環状の干渉パターン４４は、後置回折性光学素子４０の位置に発生する干渉パターンである。干渉パターン４４内の基準点５２は、基準軸心１１との交点に一致している。図に示した、円筒形状の被検面１４上の幾つかの反射点５４、５６、５８、及び６０は、それぞれが干渉パターン４４内の点５４’、５６’、５８’、及び６０’に対応している。
基準軸心１１を中心とした、円筒形状の被検面１４上の反射点５４、５６と反射点５８、６０との間の角度は、基準点５２を中心とした、点５４’、５６’と点５８、６０との間の同様の角度に対応している。一方、基準軸心１１に沿った反射点５４、５８と反射点５６、６０との間の軸方向距離は、基準点５２を中心とした点５４’、５８’と、点５６’、６０’との間の、半径方向距離に対して所定の関係を有する。例えば、円筒形状の被検面１４の一方の端部６２上に位置する反射点５４及び５８についていえば、干渉パターン４４内の、それら反射点５４及び５８に対応するそれぞれの点の位置の半径方向距離が、円筒形状の被検面１４の他方の端部６４上に位置する反射点５６及び６０のものと比べて短くなっている。
反射点５４、５６、５８、及び６０における、円筒形状の被検面１４の、理論的被検面からの高さ方向の変位量は、干渉パターン４４内のそれら反射点に対応する点５４’、５６’、５８’、及び６０’における位相差で示される。この位相差を正確に計測するには、一般的な位相変調法（位相シフト法）を用いればよく、この方法では、参照波面３２と被検波面３４との間の光路差を、波長の整数分の１の大きさずつ段階的に変化させる。そして各位相段階における強度情報を記録し、その情報に、所定のフーリエ級数法に従った計算処理を施すことによって、完全な位相マップが得られる。段階的変化を導入する方法には様々なものがあり、例えば、前置回折性光学素子３０と後置回折性光学素子４０とのいずれか一方を、光軸方向に平行移動させるようにしてもよく（この場合、前置回折性光学素子３０の方を移動させることが好ましい）、また、一次波面２８の波長を変化させるようにしてもよい。
干渉計１０の感度は、干渉パターン４４内の隣接する干渉縞で表される変位量の大きさを表す値であり、この値は、グレージング角「θ」が大きくなるほど小さくなる。従って、個々の測定点における測定精度の向上という観点からは、被検面１４からの反射が鏡面反射となる角度範囲内においてグレージング角「θ」をできるだけ大きくすることが好ましい。
しかしながら、グレージング角「θ」の大きさは回折性光学素子の寸法にも影響を及ぼし、干渉計１０の解像度にも影響を及ぼす。カメラ４６は、焦点調節可能に構成したものであることが好ましく、焦点調節を可能にしておけば、それによって、干渉パターン４４の内周縁６６上に結像する点の解像度と外周縁６８上に結像する点の解像度とを等しくすることができる。カメラ４６から見た画角(Imageing anagles)は、ある程度小さい角度とすることが望ましく、そうすれば、干渉パターンの内周縁６６上に結像する点の解像度と外周縁６８上に結像する点の解像度との差を小さく抑えることができる。
図４及び図５に、前置回折性光学素子３０及び後置回折性光学素子４０を更に詳しく示した。図４に示した前置回折性光学素子３０は、回折格子として構成されており、この回折格子の回折パターンは、同心円を成す多数の閉じた円形の溝７０によって形成されており、１本のビームを２つの異なった次数の回折光に分割するような回折パターンとされている。後置回折性光学素子４０も前置回折性光学素子３０と同一の構成の回折格子とし、それを図５の破断面図に示したような向きにして配置することが好ましい。０次の回折光の方向を基準軸心１１の方向と一致させた場合には、正の次数の回折光、即ち「＋」次数の回折光は、基準軸心１１に近付く方向へ回折する光線で構成されることになり、一方、負の次数の回折光、即ち「−」次数の回折光は、基準軸心１１から離れる方向へ回折する光線で構成されることになる。
参照波面３２には、回折性光学素子３０と４０のどちらも、０次の回折光として透過する（即ち回折される）波面を用いるようにすることが好ましく、一方、被検波面３４には、それら光学素子３０及び４０のどちらも、１次の回折光として透過する（即ち回折される）波面を用いるようにすることが好ましい。尚、前置回折性光学素子３０の向きは、１本のビームを参照波面３２と被検波面３４とに分割するのに適した向きにしてあり、後置回折性光学素子４０の向きは、それら２つの波面３２及び３４を併合するのに適した向きにしてある。
参照波面及び被検波面を分割又は併合させるために、異なる回折次元の回折光の組合せを用いることもできる。例えば、参照波面と被検波面とを相対的に変形するために、参照波面を正の１次の回折光に回折し、被検波面を負の１次の回折光に回折する。後置回折性光学素子もまた、基準軸心に対する傾斜角の大きい被検面用の前置回折性光学素子よりも高い回折次数にて用い得る。さらに、被検波面は、０次にて後置回折性光学素子により回折され得る。また、参照波面は、被検波面に符合するより高い次数にて同じ光学素子によって回折され得る。
どちらの回折格子も、その溝７０の間隔を一定ピッチ「ｐ」にしてあり、それによって、参照ビーム３２に対する被検ビーム３４の傾斜角が一定になるように、即ちその傾斜角が回折角「μ」ないし「ν」になるようにしてある。干渉縞１本あたりの単位数を表す値である感度の値は、被検波面を形成する１次回折光に関しては、このピッチ「ｐ」の２分の１の値になる。大きさは様々であるが、複数の溝７０によって形成される夫々の光路の形状は、円筒形状の被検面１４の夫々の位置における横断面形状に適合した形状となっている。例えば、内周の溝７２は、被検面１４の遠い側の端部６４における円形の断面形状に合わせてあり、外周の溝７４は、被検面１４の近い側の端部６２における円形の断面形状に合わせてある。更に、夫々の溝７０の形状及び間隔は被検面１４の数学的記述を表すものとなっている。
それら溝７０の断面形状を適当に定めることによって、０次の回折光、１次の回折光、及び更に高次の回折光の夫々の回折エネルギの大きさを制御することができる。例えば、溝７０にブレージング（blazing）を施すことによって（ブレージングとは、回折格子の溝の断面形状を適切な形状に形成することをいう）、回折によって参照波面３２及び被検波面３４を形成するために使用している２つの異なった次数の回折光だけに、回折エネルギを集中させることができる。また、夫々の溝７０の深さや幅を変化させることによって、互いに干渉させる参照波面３２と被検波面３４との間で回折エネルギを適切に分配して干渉パターン４４のコントラストを最大にすることができる。また、被検面１４の反射率を考慮に入れて、回折性光学素子３０及び４０の一方もしくは両方に変更を加えることで、以上を達成することができる。
回折性光学素子３０及び４０を製作する際には、コンピュータ制御のフォトリソグラフィ技法を用いてコーティングの露光及びエッチングを行うようにすれば、それら回折性光学素子を高い精度で製作することができる。また、この製作法を用いれば、被検面の数学的記述が複数なものである場合でも、その数学的記述を回折性光学素子に容易に組み込むことができる。別法として、ガラス製基板にエッチング加工を施すという方法で回折性光学素子３０及び４０を製作することもでき、この方法を用いれば耐久性を向上させることができる。また、それら回折性光学素子の母材となる基板そのものに加工を施すことによっても、上述したのと同様に回折光の振幅ないし位相を変化させることができる。
残りの図面は、本発明により達成され得る種々の改良例を示す。すべての実施例において、追加の機能を達成するために、回折性光学素子に対する改良を施している。ほとんどの例においては、異なる機能を達成する被検光線及び参照光線の光路が重複するので、別個の図面は、異なる機能を提供し、並びに組み合わされた機能を示す。
図６Ａ〜６Ｃと図７Ａ及び７Ｂは、円筒形状の被検体８８の２つの被検面８４及び８６を計測するための前置回折性光学素子８０及び後置回折性光学素子８２の複合体を示す。図６Ａは、被検体８８の側面８４の計測用の第１被検ビーム９０と第１参照ビーム９２とのそれぞれの光路を示す。図６Ｂは、被検体の端面８６の計測用の第２被検ビーム９４と第２参照ビーム９６とのそれぞれの光路を示す。図６Ｃは、被検体８８の側面８４と端面８６との両者を同時に計測するための２つの被検ビーム９０及び９４と２つの参照ビーム９２及び９６とを示す。
前置回折性光学素子８０及び後置回折性光学素子８２は、一般的な基準光軸９８に整合する。該基準光軸９８に沿って、一次ビーム１００が伝搬する。図７Ａにも示されている前置回折性光学素子８０は、一次ビーム１００の一部を第１被検ビーム９０と第１参照ビーム９２とに分割し、第１被検ビーム９０を第１の所定のグレージング角度にて、側面８４から反射するための異なる形態に変形する第１回折ゾーン１０２を有する複合体光学素子である。前置回折性光学素子８０の第２回折ゾーン１０４は、一次ビーム１００の別の部分を第２被検ビーム９４として通過させて、第２被検ビーム９４を第２の所定のグレージング角度にて端面８６から反射するための異なる形態に変形する。端面８６からの反射に応じて、第２被検ビーム９４は、異なる位置にて前置回折性光学素子８０に戻り、第２被検ビーム９４は反射ゾーン１０６によって再反射される。最後に、透過ゾーン１０８は、一次被検ビーム１００のさらに別の部分を第２参照波面９６として通過する。
図７Ｂにも示す後置回折性光学素子８２もまた複合体光学素子である。第１の回折ゾーン１１０は、さらに、第１の被検ビーム９０を第１の参照ビーム９２と共通する形態に変形し、側面８４内の凹凸を表す第１の干渉パターン１１２（図７Ｃ参照）を作り出すため、第１の被検ビーム９０及び第１の参照ビーム９２を併合させる。同様に、第２の回折ゾーン１１４は、さらに第２の被検ビーム９４を第２の参照ビーム９６と共通する形態に変形し、端面８６内の凹凸を表す第２の干渉パターン１１６を作り出すため、第２の被検ビーム９４と第２の参照ビーム９６とを併合させる。
被検ビーム９０及び９４は、同じ回折性光学素子８０及び８２によって伝播されるので、結像光学素子４２から明らかな結果として生じる干渉パターン１１２及び１１６は、互いに共通の基準点により関連づけられる。こうして、図１のコンピュータ４８に、側面８４及び端面８６の間の相対方向を比較させることができるようになる。好ましくは、それぞれの前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の多重（複数の）ゾーンは、共通の基板に形成されて、２つの被検ビーム９０及び９４を正確に関連付ける。
２つの表面の同時計測の他の実施例は、図８Ａ〜８Ｃに示されている。実施例としての被検体１２４は、前述の実施例と同様の円筒状表面１２６及び円錐状表面１２８を有する。前置回折性光学素子１３０及び後置回折性光学素子１３２は、それぞれ２つの表面１２６及び１２８を同時計測するためのゾーンに分割される。
前置回折性光学素子１３０は、一次ビーム１３６の一部を第１の被検ビーム１３８と第１の参照ビーム１４０とに分割し、第１の被検ビーム１３８を変形させて所定のグレージング角度にて円筒状表面１２６から反射させるための前述の実施例と同様の回折ゾーン１３４を有する。第１の透過ゾーン１４２は、第２の所定のグレージング角度にて円錐状表面１２８から反射する第２の被検ビーム１４４として、一時ビーム１３６の別の部分を通過する。第２の透過ゾーン１４６は、第２の参照ビーム１４８として、一次ビーム１３６のまた別の部分を通過する。あるいは、第１の透過ゾーン１４２は、円錐状表面１２８から反射する前に、第１の被検ビーム１３８を変形するための記述の実施例と同様の第２の回折ゾーンとして作ることもできる。
後置回折性光学素子１３２は、２つの回折ゾーン１５０及び１５２を有する。回折ゾーン１５０は、第１の被検ビーム１３８を第１の参照ビーム１４０と共通する形態に変形し、円筒状表面１２６内の凹凸の干渉パターンを作り出すため、第１の被検ビーム１３８及び第１の参照ビーム１４０を併合させる。回折ゾーン１５２は、第２の被検ビーム１４４を第２の参照ビーム１４８と共通する形態に変形し、円錐状表面１２８内の凹凸の干渉パターンを作り出すため、第２の被検ビーム１４４及び第２の参照ビーム１４８を併合させる。２つの干渉パターン（図示せず）は、第１及び第２の被検ビーム１３８及び１４４を伝播するため、回折性光学素子１３０及び１３２の複数のゾーンに関連づけられる。
複合体回折性光学素子での同じ表面の複数回の計測の実施例は、図９Ａ〜９Ｃに示されている。再び、複合体前置回折性光学素子１９０及び後置回折性光学素子１９２が用いられる。被検体１９４は、計測される単一の円筒状被検面１９６を有する。
前置回折性光学素子１９０は、２つの回折ゾーン１９８及び２００を有する。回折ゾーン１９８は、２つの前述の実施例の回折ゾーン１０２及び１３４と同様で、一次ビーム２０２の一部を第１の被検ビーム２０４と第１の参照ビーム２０６とに分割する。回折ゾーン２００は、一次ビーム２０２の別の部分を第１の被検ビーム２０８と第２の参照ビーム２１０とに分割する。２つの被検ビーム２０４及び２０８もまた、それぞれの回折ゾーン１９８及び２００によって変形させられて、異なるグレージング角度にて、同じ被検面１９６から反射する。
後置回折性光学素子１９２もまた、２つの回折ゾーン２１２及び２１４を含む。回折ゾーン２１２は、第１の被検ビーム２０４を変形させて、第１の参照ビーム２０６と併合させる。回折ゾーン２１４は、第２の被検ビーム２０８を変形させて、第２の参照ビーム２１０と併合させる。併合された被検ビーム２０４，２０６及び参照ビーム２０８，２１０の対は、被検面１９６内の凹凸のそれぞれの干渉パターンを作り出す。２つの干渉パターンは、互いに確認するため又は表面の凹凸（例えば、表面のでこぼこや表面の波状）の異なる次数を計測するために、比較される。
図１０は、前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の両者の機能を果たす単一の複合体光学素子２２０の実施例を示す。第１の回折ゾーン２２２は、一次ビーム２２４の一部を、比較的急勾配のグレージング角度にて被検体２３０の被検面２２８から反射する被検ビーム２２６に変形する。第２の回折ゾーン２３２は、一次ビーム２２４の別の部分を参照ビーム２３４として透過し、被検ビーム２２６を反射して、変形させて、参照ビーム２３４と併合させる。併合された被検ビーム２２６及び参照ビーム２３４は、被検面２２８内の凹凸を表す干渉パターンを作り出す。第１の回折ゾーン２２２は、単一の回折次数内のスペクトルエネルギを補償するため輝き得るが、第２の回折ゾーン２３３２は、透過される第１の回折次数及び反射される第２の回折次数を要求する。
あるいは、第２の回折ゾーン２３２は、一次ビーム２２４の一部を参照ビーム２３４として反射して、被検ビーム２２６を透過して、変形させて、参照ビームと併合させるように配列されてもよい。さらに、参照ビーム２３４の透過及び反射並びに被検ビーム２２６の変形及び参照ビーム２３４との併合に代えて、被検ビーム２２６をダブルパス干渉計形状の一部として逆反射させるように第２の回折ゾーンを配列することもできる。次いで第１の回折ゾーン２２２は、一次ビーム２２４の一部を参照ビーム２３４として反射し、並びに被検ビーム２２６と参照ビーム２３４とを併合させることが必要である。
一対の前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２を共通基準軸心２４４に対して整合させるための本発明の実施例は、図１１Ａ〜１１Ｃに示されている。前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２により計測される被検体２４６は、被検面２４８を有するテーパー付き円筒形すなわち円錐台である。
被検面２４８を計測するために、前置回折性光学素子２４０は、一次ビーム２５２の一部を第１の被検ビーム２５４及び第２の参照ビーム２５６に分割して、所定のグレージング角度にて第１の被検ビーム２５４を被検面２４８から反射させるための異なる形態に変形する回折性計測ゾーン２５０を有する。前置回折性光学素子２４２は、被検面２４８内の凹凸を表す干渉パターンを作り出すため第１の被検ビーム２５４を変形させて第２の参照ビーム２５６と併合させる回折性計測ゾーン２５８を有する。
２つの前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２を整合させるために、前置回折性光学素子は、一次ビーム２５２の別の部分を第２の被検ビーム２６２として透過して、被検面２４８から反射した後に、第１の被検ビーム２５４の全体の形態と符合する形態に第２の被検ビーム２６２を変形する整合ゾーン２６０を有する。前置回折性光学素子の計測ゾーン２５０は、一次ビーム２５２の別のまた一部を第２の参照ビーム２６２として透過する延長部分を有する。後置回折性光学素子の計測ゾーン２５８の同様の延長部分も、第２の被検ビーム２６２を変形させて第２の参照ビーム２６４と併合させて、前置回折性光学素子２４０と後置回折性光学素子２４２との基準軸心線２４４に対する整合位置内の凹凸を表す干渉パターンを作り出す。
好ましくは、前置回折性光学素子の整合ゾーン２６０は、前置回折性光学素子の計測ゾーン２５８の回折パターンと符合する回折パターンを有するが、前置回折性光学素子の計測ゾーン２５０とは異なる。例えば、整合ゾーン２６０及び計測ゾーン２５８の両者は、好ましくは、結果的に生じる干渉パターンによって記録されたいわゆるゼロ状態(null condition)において、２つの前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２を整合するための同一又は近似のピッチを有する。すなわち、所望の整合からのいかなる変化も結果的に生じる干渉パターンから明らかとなる。
あるいは、前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２の両者とも、同様の回折パターンを有するそれぞれの整合ゾーンを含み得る。２つの整合ゾーンはさらに、前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２の間の所望の分離を調整するための合焦特性(focusing qualities)を与えるため、ピッチを変えて作られてもよい。好ましくは、ゼロ状態(null condition)における第２の被検ビーム２６２及び第２の参照ビーム２６４を比較するために、合焦特性は、前置回折性光学素子２４０によって第２の被検ビーム２６２内に導入されるか、又は後置回折性光学素子２４２によって取り除かれる。
前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２の整合をモニタしながら、被検面２４８を同時計測することは可能であるけれども、計測機能と整合機能とは、好ましくは別々に行われる。被検面２６２の計測中に、空間フィルター２６８を用いて回折性光学素子の整合に用いる光をブロックし得る。空間フィルターは、調節可能な孔を含む種々の形態を取り得る。被検体２４６自身もまた、整合用の光をブロックするために用い得る。
本発明の好ましい形態を開示する前述の実施例の全ては、主として、被検波面及び参照波面の両者を伝播するために前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子を用いるシングルパス計測用に配列されている。しかしながら、同様のダブルパス計測用の反射性光学素子を組み込むことも、前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子とは独立して１以上の参照波面を伝播することも可能である。
本発明はまた、非円形筒形状及び円錐形の内側、外側及び端面を含むより複雑な３次元表面や他の表面並びにインボリュートプロファイルを計測するためにも用い得る。しかしながら、本発明は、円筒形ボア、ピストン、テーパー付きローラベアリング及びギア歯などの加工表面を計測するために特に適している。回折性光学素子の非線形光路は、被検面の非円形横断面に符合するように変えることができ、回折パターンのピッチスペースを被検面の軸断面内の湾曲に符合するように変えることもできる。回折性光学素子は、波面をさらに形作るため又は合焦特性を与えるために、段付けされてもよく又は湾曲されていてもよい。対称軸がない表面を計測するために、制限された格子の弧状断面を用い得る。干渉計の潜在的な感度は、好ましくは、一定に保持されるが、回折パターンのピッチを変化させることによって変えることもできる。
複合体光学素子の複数のゾーンは、好ましくは共通の基板内に形成される。しかしながら、マウント固定具(mounting fixture)などの基準点により相互に関連させられている別個の構造体内にゾーンを形成することもできる。同一の参照波面の現実の複数の部分である異なる参照ビームは、単一の参照ビーム又は参照波面として考えることもできる。より多くの表面の同時計測又は単一の表面のより多くの計測を行うために、追加のゾーンを用いることもできる。当業者であれば、さらに多くの機能を発揮する複合体光学素子を構築するために、種々の実施例の多くの機能を相互に変更することができ、併合させることができるものであることを理解するであろう。
本発明は、被検面(test surface)を計測する干渉計における改良に関する。特に、被検面についての情報を集めるための光波面(optical wavefronts)の形状及び伝播に関する。
背景
干渉計は、面の凹凸の等高線マップ(coutor map)を表す干渉パターンの形での表面の画像を与える。この干渉パターンは、被検面で反射させた被検波面(test wavefronts)（即ち被検ビーム）と、その面からの理論的反射を表す参照波面(reference wavefronts)（即ち参照ビーム）とを併合することによって発生させる。被検面が高い反射性を有する面である場合には、通常、被検波面をその被検面へ垂直に入射させて計測を行う。一方、被検面の反射性が低いときには、グレージング入射方式で計測が行われる。
しかしながら、被検面の形状が、平面形状とも球面形状とも異なる形状である場合には、干渉計を使用した計測が行われることは殆どなく、その理由は、互いに重ね合わせることのできる２つの波面を発生させることが困難だからである。その場合でも、アナモルフィック光学素子(anamorphic optical elements)を用いれば、互いに重ね合わせることのできる波面を発生させることができる。しかしながらアナモルフィック光学素子は、高価であり、製作及び検査が容易でなく、精度的にも制約がある。より一般的な光学素子を用いて互いに重ね合わせることのできる波面を形成することのできる方法としては、球面形状ないし略々球面形状の波面の小部分どうしを併合するという方法がある。しかしながらその場合には、一般的な光学素子を用いて求めた多くの計測結果を併合せねばならないために時間がかかり、また、装置の移動が必要となる場合もあり、それによって精度が低下するおそれがある。
平面形状の面や円筒形状の面を計測するための干渉計測法の１つに、余り知られておらず、これまで殆ど改良も進んでいない方法ではあるが、回折性光学素子を使用して被検波面及び参照波面の相対的形状を然るべく形成するようにした方法がある。例えば、1973年に刊行された「Oblique Incidence Interferometry Applied to Non-Optical Surfaces（非光学面に適用する斜め入射干渉法）」という題名の論文（by K.G.Birch,Journal of Physics E:Scientific Instruments,Volume 6）には、一対の同一構成の回折格子を使用してグレージング入射方式で平面形状の面の計測を行うことについて報告がなされている。それによれば、第１の回折格子が、波面の分割によって被検波面と参照波面とを発生させ、その際に、それら波面を互いに異なった次数の回折光で形成する。被検波面は、平面形状の被検面で反射された後に、第２の回折格子で参照波面と併合される。
東独特許第１０６７６９号（Johannes Schwider、1974年）には、２つの同一構成の回折格子を使用してグレージング入射方式で円筒形状の面の計測を行うことが提案されている。それによれば、第１の回折格子で、平面形状の一次波面を被検波面と参照波面とに分割する。その際に、被検波面の方は、回折させてアクシコニック（axiconic）形状の波面にし、このアクシコニック形状の波面を、円筒形状の被検面へグレージング入射させて反射させる。また参照波面の方は、変形させずにそのまま透過させる。第２の回折格子では、被検波面の方は変形させずにそのまま透過させ、一方、参照波面の方は回折させて被検波面と同じアクシコニック形状の波面にし、それによってそれら２つの波面を併合する。
Schwiderは、さらに、円筒体の内面と外面とを同時に計測するために、複合体回折性光学素子の使用を提案している。第１の複合体光学素子の２つの回折ゾーンは、参照波面に対して２つの被検波面をそれぞれのアシコニック形状に回折し、円筒体の内面と外面とから反射させる。第２の同一構成の複合体光学素子の２つの回折ゾーンは、参照波面の部分を２つの被検波面に符合するアシコニック形態に別個に回折する。
これらのアイデアは、最近まで実際には殆ど利用されていない。平面形状の面を計測するのに利用可能な方法は他にも多数存在しているが、広範な様々な形状の面を高い精度をもって計測できるようにするためには、また特にその被検面の形状が被検波面の形状に影響を与えるようなものである場合には、更なる改良が必要である。また、ある特定の形状の被検体に適した構成、光の伝播効率を良好にする構成、それに画像のコントラストの制御を可能にする構成に関する実際上の多くの問題が、以前として未解決のまま残されている。
ごく最近、２つの共に譲渡された米国特許出願が、我々の共同発明者の一人によってなされた。上記米国特許出願は、被検波面を形成する回折性光学素子を用いることを提案している。該被検波面は、グレージング入射にて種々の複雑な面に符合するものである。１９９５年１月１９日に出願された米国特許出願第０８／３７５，４９９号及び１９９５年６月７日に出願された米国特許第０８／４８３，７３７号のいずれの出願も、本願に参照として組み込まれている。
発明の概要
１以上の実施形態における本発明は、複数の表面(multiple surfaces)の同時計測又は単一の複雑な表面の複数回の計測(multiple measurements)など、より複雑な計測を行う可能性を拡大する。回折性光学素子は、１以上の被検波面を伝播又は１回以上単一の被検波面を伝播するための複数のゾーン(multiple zones)を有する複合光学素子内に組み込まれる。複数のゾーンは、さらに光学素子の自己整合(self-align)のために用いられ得る。
一の被検体の複数の表面の同時計測用に配列された我々の新規な干渉計の第１の実施形態は、２つの被検波面と少なくとも１の参照波面とに分割される一次波面を発生させる光源を含んでいる。干渉計を貫通する第１の光路は、複数の表面の一つの表面に入射する一つの被検波面を伝播し、干渉計を貫通する第２の光路は、複数の表面の別の表面に入射する他の被検波面を伝播し、干渉計を貫通する第３の光路は、２つの被検波面との整合位置の間の複数の表面とは独立の参照波面を伝播する。光学系は、複数の表面における凹凸を示す２つの被検波面のそれぞれと参照波面との間の干渉パターンを発生させるための被検波面及び参照波面の両者に関する。
光学系は、２つの光波面を伝播するための異なるゾーンを有する第１の複合体光学素子を含む。第１のゾーンは、参照波面に対する被検波面の一つを相対的に変形する回折パターンを有する。第２のゾーンは、他の被検波面を回折なしに伝播するため、透過又は反射などの異なる光学特性を示す。第１の複合体光学素子は、さらに、２つの被検波面とは独立に参照波面を伝播する第３のゾーンを含み得る。第２の複合体光学素子は、２つの被検波面を参照波面と併合させ、２つの被検波面を互いに関連づけると共に、複数の表面の相対方向を比較するため、参照波面と関連づける。
被検面の複数回の計測を行うように配列された我々の新規な干渉計の第２の実施形態もまた、２つの被検波面と少なくとも１の参照波面とを発生させる光源を要求する。第１の光路は、被検面からの第１の被検波面を反射し、第２の光路は、同じ被検面からの第２の被検波面を反射し、第３の光路は、参照波面を被検面とは独立に２つの被検波面との整合位置に伝播する。２つの被検波面は、好ましくは、共通の基準点(common datum)に被検波面を関連づける少なくとも１の複合体光学素子の識別ゾーン(distinct zone)により伝播される。結果として得られる２つの干渉パターンは、相互に立証するため又は表面の凹凸及び表面の波状など表面の凹凸の相違(different of surface variation)を測定するために、比較することができる。
好ましくは、第１の複合体光学素子の第１及び第２のゾーンは、異なるグレージング角度にて被検面から反射する異なる形態に２つの被検波面を相対的に変形する(reshape)異なる回折パターンを有する。異なる回折パターンの識別ゾーンを有する第２の複合体光学素子もまた、好ましくは、同じ参照波面と共通の形態に、反射した２の被検波面をさらに相対的に変形する(reshape)ために用いられる。
我々の新規な干渉計の第３の実施例は、１回以上、被検波面を伝播する複合体光学素子を特徴とする。光源の通常の特性及び被検波面及び参照波面の必須光路に関連して、複合体光学素子は、被検波面を被検面に及び被検面から伝播する複数のゾーンを有する。複数のゾーンのうち第１のゾーンは、被検波面を被検面に伝播する第１の光学特性を示す。複数のゾーンのうち第２のゾーンは、被検波面を被検面から伝播する第２の光学特性を示す。少なくとも１のゾーンは、参照波面に関して被検波面を相対的に回折する回折パターンを有する。
複合体光学素子のゾーンの１つは、さらに、好ましくは少なくとも部分的な反射を示す。回折パターンは、被検面からの反射の前後に被検波面を変形するために並びに被検波面と参照波面とを分離又は併合させるために、用いられ得る。参照波面を被検波面とは独立に伝播するために又は他の被検波面を伝播するために、追加のゾーンを用いることもできる。
我々の新規な干渉計の第４の実施例は、少なくとも一対の回折性光学素子の形態であり、共通基準軸心に一対の回折性光学素子を整合する複合体光学素子である。第１の回折性光学素子は、グレージング角度にて、被検面からの被検波面を反射するため、参照波面に対して被検波面を相対的に変形する測定ゾーンを有する。第２の回折性光学素子は、被検面の凹凸を示す被検波面と参照波面との間の光学干渉パターンを作るため、参照波面に対して被検波面をさらに相対的に変形する測定ゾーンを有する。少なくとも１の回折性光学素子もまた、共通基準軸心に第１及び第２の回折性光学素子を整合させるため、同じ回折性光学素子の測定ゾーンとは異なる整合ゾーンを有する。
整合ゾーンは、好ましくは、同じ回折性光学素子の測定ゾーンに対して変化するピッチを有する回折ゾーンであり、該ピッチは他の回折性光学素子の測定ゾーンのピッチと符合する。このことは、ゼロ状態(null condition)における２つの光学素子を整合するために用いられるべき結果的に発生する干渉パターンを可能とする。あるいは、両方の回折性光学素子は、基準軸心（共通基準軸心）に沿って光学素子を離隔する合焦特性(focusing qualities)を有する整合ゾーンを含むこともできる。
図面の説明
図１は、２つの回折性光学素子を使用してシングルパス形の計測を行うようにした本発明にかかる新規な干渉計の構成を模式的に示した図である。
図２は、円筒内周面形状の被検面を計測する干渉計に使用される回折性光学素子を示した図である。
図３は、被検面の凹凸を表す干渉パターンを映し出している結像用光学素子を光軸方向から見た図である。
図４は、２つの回折性光学素子の一方を光軸方向から見た図である。
図５は、２つの回折性光学素子の破断面図である。
図６Ａ〜６Ｃは、円筒状被検体の側面及び端面を同時に計測する前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子(leading and following diffiractive optics)の配列を示した図である。
図７Ａは、図６Ａ〜６Ｃの前置回折性光学素子を光軸方向から見た図である。
図７Ｂは、図６Ａ〜６Ｃの後置回折性光学素子を光軸方向から見た図である。
図７Ｃは、円筒状被検体の２つの表面の測定から得られた例示的な干渉パターンを光軸方向から示す図である。
図８Ａ〜８Ｃは、円筒形及び円錐形の外面を同時に測定するための前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の配列を示す図である。
図９Ａ〜９Ｃは、２つの異なる被検波面を有する円筒形状の同じ表面を同時に測定するための前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の配列を示す図である。
図１０は、円筒形状の端面を測定する前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の両者の機能を果たす単一の複合体光学素子の構成を示した図である。
図１１Ａ〜１１Ｃは、被検面を測定し且つ前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子を整合させるための前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の配列を示す図である。
詳細な説明
本発明は、シングルパス又はダブルパス干渉計を含むほとんどの干渉計の配列に組み込むことができるが、特に入射角が垂直でない場合に少なくとも同時測定をなすために適する。ここで、「グレージング角度」とは、鏡面反射の範囲内で被検面から傾斜した垂直でない角度をいう。
本発明は、好ましくは、光波面（又はビーム）を操作するため、回折性光学素子を組み込む。図２〜５は、先願であり同時係属中の米国特許出願第０８／３７５，４９９号及び０８／４８３，７３７号に最初に開示したような追加の従来技術に関する情報を提供する。残りの図面は、本発明に従う光波面の取り扱いにおける種々の改良点を示す。
図１に、一般的なマッハ−ツェンダー干渉計の構成要素を備えている干渉計１０を示す。被検体１２は、図２にも示すように、エアベアリング部材１６上に載置されており、このエアベアリング部材１６は、ベース２０上の定盤１８によって担持されている。エアベアリング部材１６は、被検体１２の回転移動と平行移動との両方を制御することができ、これによって、様々な計測位置で複数回の計測（複数回の計測）を行えるようにしている。複数回の計測における計測結果を数学的に比較することで、計測システムに由来する誤差を分離して排除することができる。
光源２２は、例えばレーザ・ダイオードや、ヘリウム・ネオン・レーザ等であり、この光源２２から、コヒーレント光のビームが発生する。光ファイバ２４がベース２０の内部を貫通して、このビームをコリメータ２６へ導いている。コリメータ２６はこのビームを整形して、選択された複数の光線によって表示されている平面形状の一次波面２８を形成する。前置回折性光学素子３０は、例えば円板形の透過形回折格子ないしバイナリ光学素子等であり、この回折性光学素子３０が平面形状の一次波面２８を参照波面３２と被検波面３４とに分割する。この分割に際して、参照波面３２の形状は変形されず、平面形状のままに維持される。一方、被検波面３４の形状は、前置回折性光学素子３０によって変形されてアクシコニック形状とされ、このアクシコニック形状の波面は、基準軸心１１に対する傾斜角が一定の光線で構成されており、その傾斜角は第１回折角「μ」である。尚、この第１回折角「μ」は基準軸心１１を含む平面内で側った角度である。
エアベアリング部材１６に形成された貫通開口３６と定盤１８に形成された貫通開口３８とはいずれも、参照波面３２と被検波面３４とが基準軸心１１に沿って被検体１２の空洞の中央部を伝播することができるように、余裕のある大きさに形成されている。被検波面３４は、一定のグレージング角度(grazing angle)「θ」にて、円筒形状の被検面１４上の様々な位置で反射する。後置回折性光学素子４０は、さらに反射してきた被検波面３４を、第２回析角「ν」をもって回折させることにより、その被検波面３４の形状を再度変形させて平面形状の波面に戻す。公称形状が直円筒形状の面の計測を行う場合には、２つの回折角「μ」及び「ν」を互いに等しくすると共に、それら回折角を、一定の角度である上述のグレージング角「θ」に等しくする。
従って参照波面３２と被検波面３４とは、いずれも、後置回折性光学素子４０を透過して出射するときには、互いに干渉することのできる、平面形状の波面になっている。図３に示したのは、結像用光学素子４２であり、この結像用光学素子４２は、後置回折性光学素子４０の位置に発生している干渉パターン（インターフェログラムともいう）４４を、カメラ４６等の画像記録デバイス上に結像させるための光学素子である。結像した干渉パターン４４の画像は、被検面１４の画像に重なっており、この干渉パターン４４によって、被検面１４の、理論的円筒面からの変位量が表される。
干渉する被検波面３２及び参照波面３４は、さらに、図示された平面形態とは異なる共通の形態にて後置回折性光学素子４０から出射し得る。例えば、参照波面は、被検波面に符合するアクシコニック波面内に回折されてもよい。結像用光学素子４２は、カメラ４６に対して要求された像を呈するように適当に改造されてもよい。
カメラ４６は、ソリッド・ステート・デバイス、即ち電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を用いたものとすることが好ましく、このカメラ４６によって干渉パターンを記録し、その記録した干渉パターンに対してコンピュータ４８が処理を施す。上述の結像用光学素子は、カメラ４６に内蔵するようにしてもよく、或いは、カメラ４６とは別体の１個ないし複数個の部品として構成してもよい。ディスプレイ・デバイス５０は、例えばＣＲＴや、平面パネル・デバイスや、プリンタ等であり、このディスプレイ・デバイス５０が、円筒形状の被検面１４に関する情報を利用し易い形で表示する。形状そのものを表す情報のみならず、その情報から派生的に導出される様々な計測結果値である、例えば真円度(roundness)、直線度(straightness)、テーパ度(taper)、円筒度(cylindricity)等の値を併せてディスプレイするようにしてもよい。また別法として、その情報を、例えば生産活動にフィードバックさせる等の、更なる用途に利用するために、電子的に保存し或いは転送するようにしてもよい。
図３に示した環状の干渉パターン４４は、後置回折性光学素子４０の位置に発生する干渉パターンである。干渉パターン４４内の基準点５２は、基準軸心１１との交点に一致している。図に示した、円筒形状の被検面１４上の幾つかの反射点５４、５６、５８、及び６０は、それぞれが干渉パターン４４内の点５４’、５６’、５８’、及び６０’に対応している。
基準軸心１１を中心とした、円筒形状の被検面１４上の反射点５４、５６と反射点５８、６０との間の角度は、基準点５２を中心とした、点５４’、５６’と点５８、６０との間の同様の角度に対応している。一方、基準軸心１１に沿った反射点５４、５８と反射点５６、６０との間の軸方向距離は、基準点５２を中心とした点５４’、５８’と、点５６’、６０’との間の、半径方向距離に対して所定の関係を有する。例えば、円筒形状の被検面１４の一方の端部６２上に位置する反射点５４及び５８についていえば、干渉パターン４４内の、それら反射点５４及び５８に対応するそれぞれの点の位置の半径方向距離が、円筒形状の被検面１４の他方の端部６４上に位置する反射点５６及び６０のものと比べて短くなっている。
反射点５４、５６、５８、及び６０における、円筒形状の被検面１４の、理論的被検面からの高さ方向の変位量は、干渉パターン４４内のそれら反射点に対応する点５４’、５６’、５８’、及び６０’における位相差で示される。この位相差を正確に計測するには、一般的な位相変調法（位相シフト法）を用いればよく、この方法では、参照波面３２と被検波面３４との間の光路差を、波長の整数分の１の大きさずつ段階的に変化させる。そして各位相段階における強度情報を記録し、その情報に、所定のフーリエ級数法に従った計算処理を施すことによって、完全な位相マップが得られる。段階的変化を導入する方法には様々なものがあり、例えば、前置回折性光学素子３０と後置回折性光学素子４０とのいずれか一方を、光軸方向に平行移動させるようにしてもよく（この場合、前置回折性光学素子３０の方を移動させることが好ましい）、また、一次波面２８の波長を変化させるようにしてもよい。
干渉計１０の感度は、干渉パターン４４内の隣接する干渉縞で表される変位量の大きさを表す値であり、この値は、グレージング角「θ」が大きくなるほど小さくなる。従って、個々の測定点における測定精度の向上という観点からは、被検面１４からの反射が鏡面反射となる角度範囲内においてグレージング角「θ」をできるだけ大きくすることが好ましい。
しかしながら、グレージング角「θ」の大きさは回折性光学素子の寸法にも影響を及ぼし、干渉計１０の解像度にも影響を及ぼす。カメラ４６は、焦点調節可能に構成したものであることが好ましく、焦点調節を可能にしておけば、それによって、干渉パターン４４の内周縁６６上に結像する点の解像度と外周縁６８上に結像する点の解像度とを等しくすることができる。カメラ４６から見た画角(Imageing anagles)は、ある程度小さい角度とすることが望ましく、そうすれば、干渉パターンの内周縁６６上に結像する点の解像度と外周縁６８上に結像する点の解像度との差を小さく抑えることができる。
図４及び図５に、前置回折性光学素子３０及び後置回折性光学素子４０を更に詳しく示した。図４に示した前置回折性光学素子３０は、回折格子として構成されており、この回折格子の回折パターンは、同心円を成す多数の閉じた円形の溝７０によって形成されており、１本のビームを２つの異なった次数の回折光に分割するような回折パターンとされている。後置回折性光学素子４０も前置回折性光学素子３０と同一の構成の回折格子とし、それを図５の破断面図に示したような向きにして配置することが好ましい。０次の回折光の方向を基準軸心１１の方向と一致させた場合には、正の次数の回折光、即ち「＋」次数の回折光は、基準軸心１１に近付く方向へ回折する光線で構成されることになり、一方、負の次数の回折光、即ち「−」次数の回折光は、基準軸心１１から離れる方向へ回折する光線で構成されることになる。
参照波面３２には、回折性光学素子３０と４０のどちらも、０次の回折光として透過する（即ち回折される）波面を用いるようにすることが好ましく、一方、被検波面３４には、それら光学素子３０及び４０のどちらも、１次の回折光として透過する（即ち回折される）波面を用いるようにすることが好ましい。尚、前置回折性光学素子３０の向きは、１本のビームを参照波面３２と被検波面３４とに分割するのに適した向きにしてあり、後置回折性光学素子４０の向きは、それら２つの波面３２及び３４を併合するのに適した向きにしてある。
参照波面及び被検波面を分割又は併合させるために、異なる回折次元の回折光の組合せを用いることもできる。例えば、参照波面と被検波面とを相対的に変形するために、参照波面を正の１次の回折光に回折し、被検波面を負の１次の回折光に回折する。後置回折性光学素子もまた、基準軸心に対する傾斜角の大きい被検面用の前置回折性光学素子よりも高い回折次数にて用い得る。さらに、被検波面は、０次にて後置回折性光学素子により回折され得る。また、参照波面は、被検波面に符合するより高い次数にて同じ光学素子によって回折され得る。
どちらの回折格子も、その溝７０の間隔を一定ピッチ「ｐ」にしてあり、それによって、参照ビーム３２に対する被検ビーム３４の傾斜角が一定になるように、即ちその傾斜角が回折角「μ」ないし「ν」になるようにしてある。干渉縞１本あたりの単位数を表す値である感度の値は、被検波面を形成する１次回折光に関しては、このピッチ「ｐ」の２分の１の値になる。大きさは様々であるが、複数の溝７０によって形成される夫々の光路の形状は、円筒形状の被検面１４の夫々の位置における横断面形状に適合した形状となっている。例えば、内周の溝７２は、被検面１４の遠い側の端部６４における円形の断面形状に合わせてあり、外周の溝７４は、被検面１４の近い側の端部６２における円形の断面形状に合わせてある。更に、夫々の溝７０の形状及び間隔は被検面１４の数学的記述を表すものとなっている。
それら溝７０の断面形状を適当に定めることによって、０次の回折光、１次の回折光、及び更に高次の回折光の夫々の回折エネルギの大きさを制御することができる。例えば、溝７０にブレージング（blazing）を施すことによって（ブレージングとは、回折格子の溝の断面形状を適切な形状に形成することをいう）、回折によって参照波面３２及び被検波面３４を形成するために使用している２つの異なった次数の回折光だけに、回折エネルギを集中させることができる。また、夫々の溝７０の深さや幅を変化させることによって、互いに干渉させる参照波面３２と被検波面３４との間で回折エネルギを適切に分配して干渉パターン４４のコントラストを最大にすることができる。また、被検面１４の反射率を考慮に入れて、回折性光学素子３０及び４０の一方もしくは両方に変更を加えることで、以上を達成することができる。
回折性光学素子３０及び４０を製作する際には、コンピュータ制御のフォトリソグラフィ技法を用いてコーティングの露光及びエッチングを行うようにすれば、それら回折性光学素子を高い精度で製作することができる。また、この製作法を用いれば、被検面の数学的記述が複数なものである場合でも、その数学的記述を回折性光学素子に容易に組み込むことができる。別法として、ガラス製基板にエッチング加工を施すという方法で回折性光学素子３０及び４０を製作することもでき、この方法を用いれば耐久性を向上させることができる。また、それら回折性光学素子の母材となる基板そのものに加工を施すことによっても、上述したのと同様に回折光の振幅ないし位相を変化させることができる。
残りの図面は、本発明により達成され得る種々の改良例を示す。すべての実施例において、追加の機能を達成するために、回折性光学素子に対する改良を施している。ほとんどの例においては、異なる機能を達成する被検光線及び参照光線の光路が重複するので、別個の図面は、異なる機能を提供し、並びに組み合わされた機能を示す。
図６Ａ〜６Ｃと図７Ａ及び７Ｂは、円筒形状の被検体８８の２つの被検面８４及び８６を計測するための前置回折性光学素子８０及び後置回折性光学素子８２の複合体を示す。図６Ａは、被検体８８の側面８４の計測用の第１被検ビーム９０と第１参照ビーム９２とのそれぞれの光路を示す。図６Ｂは、被検体の端面８６の計測用の第２被検ビーム９４と第２参照ビーム９６とのそれぞれの光路を示す。図６Ｃは、被検体８８の側面８４と端面８６との両者を同時に計測するための２つの被検ビーム９０及び９４と２つの参照ビーム９２及び９６とを示す。
前置回折性光学素子８０及び後置回折性光学素子８２は、一般的な基準光軸９８に整合する。該基準光軸９８に沿って、一次ビーム１００が伝搬する。図７Ａにも示されている前置回折性光学素子８０は、一次ビーム１００の一部を第１被検ビーム９０と第１参照ビーム９２とに分割し、第１被検ビーム９０を第１の所定のグレージング角度にて、側面８４から反射するための異なる形態に変形する第１回折ゾーン１０２を有する複合体光学素子である。前置回折性光学素子８０の第２回折ゾーン１０４は、一次ビーム１００の別の部分を第２被検ビーム９４として通過させて、第２被検ビーム９４を第２の所定のグレージング角度にて端面８６から反射するための異なる形態に変形する。端面８６からの反射に応じて、第２被検ビーム９４は、異なる位置にて前置回折性光学素子８０に戻り、第２被検ビーム９４は反射ゾーン１０６によって再反射される。最後に、透過ゾーン１０８は、一次被検ビーム１００のさらに別の部分を第２参照波面９６として通過する。
図７Ｂにも示す後置回折性光学素子８２もまた複合体光学素子である。第１の回折ゾーン１１０は、さらに、第１の被検ビーム９０を第１の参照ビーム９２と共通する形態に変形し、側面８４内の凹凸を表す第１の干渉パターン１１２（図７Ｃ参照）を作り出すため、第１の被検ビーム９０及び第１の参照ビーム９２を併合させる。同様に、第２の回折ゾーン１１４は、さらに第２の被検ビーム９４を第２の参照ビーム９６と共通する形態に変形し、端面８６内の凹凸を表す第２の干渉パターン１１６を作り出すため、第２の被検ビーム９４と第２の参照ビーム９６とを併合させる。
被検ビーム９０及び９４は、同じ回折性光学素子８０及び８２によって伝播されるので、結像光学素子４２から明らかな結果として生じる干渉パターン１１２及び１１６は、互いに共通の基準点により関連づけられる。こうして、図１のコンピュータ４８に、側面８４及び端面８６の間の相対方向を比較させることができるようになる。好ましくは、それぞれの前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の多重（複数の）ゾーンは、共通の基板に形成されて、２つの被検ビーム９０及び９４を正確に関連付ける。
２つの表面の同時計測の他の実施例は、図８Ａ〜８Ｃに示されている。実施例としての被検体１２４は、前述の実施例と同様の円筒状表面１２６及び円錐状表面１２８を有する。前置回折性光学素子１３０及び後置回折性光学素子１３２は、それぞれ２つの表面１２６及び１２８を同時計測するためのゾーンに分割される。
前置回折性光学素子１３０は、一次ビーム１３６の一部を第１の被検ビーム１３８と第１の参照ビーム１４０とに分割し、第１の被検ビーム１３８を変形させて所定のグレージング角度にて円筒状表面１２６から反射させるための前述の実施例と同様の回折ゾーン１３４を有する。第１の透過ゾーン１４２は、第２の所定のグレージング角度にて円錐状表面１２８から反射する第２の被検ビーム１４４として、一時ビーム１３６の別の部分を通過する。第２の透過ゾーン１４６は、第２の参照ビーム１４８として、一次ビーム１３６のまた別の部分を通過する。あるいは、第１の透過ゾーン１４２は、円錐状表面１２８から反射する前に、第１の被検ビーム１３８を変形するための記述の実施例と同様の第２の回折ゾーンとして作ることもできる。
後置回折性光学素子１３２は、２つの回折ゾーン１５０及び１５２を有する。回折ゾーン１５０は、第１の被検ビーム１３８を第１の参照ビーム１４０と共通する形態に変形し、円筒状表面１２６内の凹凸の干渉パターンを作り出すため、第１の被検ビーム１３８及び第１の参照ビーム１４０を併合させる。回折ゾーン１５２は、第２の被検ビーム１４４を第２の参照ビーム１４８と共通する形態に変形し、円錐状表面１２８内の凹凸の干渉パターンを作り出すため、第２の被検ビーム１４４及び第２の参照ビーム１４８を併合させる。２つの干渉パターン（図示せず）は、第１及び第２の被検ビーム１３８及び１４４を伝播するため、回折性光学素子１３０及び１３２の複数のゾーンに関連づけられる。
複合体回折性光学素子での同じ表面の複数回の計測の実施例は、図９Ａ〜９Ｃに示されている。再び、複合体前置回折性光学素子１９０及び後置回折性光学素子１９２が用いられる。被検体１９４は、計測される単一の円筒状被検面１９６を有する。
前置回折性光学素子１９０は、２つの回折ゾーン１９８及び２００を有する。回折ゾーン１９８は、２つの前述の実施例の回折ゾーン１０２及び１３４と同様で、一次ビーム２０２の一部を第１の被検ビーム２０４と第１の参照ビーム２０６とに分割する。回折ゾーン２００は、一次ビーム２０２の別の部分を第１の被検ビーム２０８と第２の参照ビーム２１０とに分割する。２つの被検ビーム２０４及び２０８もまた、それぞれの回折ゾーン１９８及び２００によって変形させられて、異なるグレージング角度にて、同じ被検面１９６から反射する。
後置回折性光学素子１９２もまた、２つの回折ゾーン２１２及び２１４を含む。回折ゾーン２１２は、第１の被検ビーム２０４を変形させて、第１の参照ビーム２０６と併合させる。回折ゾーン２１４は、第２の被検ビーム２０８を変形させて、第２の参照ビーム２１０と併合させる。併合された被検ビーム２０４，２０６及び参照ビーム２０８，２１０の対は、被検面１９６内の凹凸のそれぞれの干渉パターンを作り出す。２つの干渉パターンは、互いに確認するため又は表面の凹凸（例えば、表面のでこぼこや表面の波状）の異なる次数を計測するために、比較される。
図１０は、前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子の両者の機能を果たす単一の複合体光学素子２２０の実施例を示す。第１の回折ゾーン２２２は、一次ビーム２２４の一部を、比較的急勾配のグレージング角度にて被検体２３０の被検面２２８から反射する被検ビーム２２６に変形する。第２の回折ゾーン２３２は、一次ビーム２２４の別の部分を参照ビーム２３４として透過し、被検ビーム２２６を反射して、変形させて、参照ビーム２３４と併合させる。併合された被検ビーム２２６及び参照ビーム２３４は、被検面２２８内の凹凸を表す干渉パターンを作り出す。第１の回折ゾーン２２２は、単一の回折次数内のスペクトルエネルギを補償するため輝き得るが、第２の回折ゾーン２３３２は、透過される第１の回折次数及び反射される第２の回折次数を要求する。
あるいは、第２の回折ゾーン２３２は、一次ビーム２２４の一部を参照ビーム２３４として反射して、被検ビーム２２６を透過して、変形させて、参照ビームと併合させるように配列されてもよい。さらに、参照ビーム２３４の透過及び反射並びに被検ビーム２２６の変形及び参照ビーム２３４との併合に代えて、被検ビーム２２６をダブルパス干渉計形状の一部として逆反射させるように第２の回折ゾーンを配列することもできる。次いで第１の回折ゾーン２２２は、一次ビーム２２４の一部を参照ビーム２３４として反射し、並びに被検ビーム２２６と参照ビーム２３４とを併合させることが必要である。
一対の前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２を共通基準軸心２４４に対して整合させるための本発明の実施例は、図１１Ａ〜１１Ｃに示されている。前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２により計測される被検体２４６は、被検面２４８を有するテーパー付き円筒形すなわち円錐台である。
被検面２４８を計測するために、前置回折性光学素子２４０は、一次ビーム２５２の一部を第１の被検ビーム２５４及び第２の参照ビーム２５６に分割して、所定のグレージング角度にて第１の被検ビーム２５４を被検面２４８から反射させるための異なる形態に変形する回折性計測ゾーン２５０を有する。前置回折性光学素子２４２は、被検面２４８内の凹凸を表す干渉パターンを作り出すため第１の被検ビーム２５４を変形させて第２の参照ビーム２５６と併合させる回折性計測ゾーン２５８を有する。
２つの前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２を整合させるために、前置回折性光学素子は、一次ビーム２５２の別の部分を第２の被検ビーム２６２として透過して、被検面２４８から反射した後に、第１の被検ビーム２５４の全体の形態と符合する形態に第２の被検ビーム２６２を変形する整合ゾーン２６０を有する。前置回折性光学素子の計測ゾーン２５０は、一次ビーム２５２の別のまた一部を第２の参照ビーム２６２として透過する延長部分を有する。後置回折性光学素子の計測ゾーン２５８の同様の延長部分も、第２の被検ビーム２６２を変形させて第２の参照ビーム２６４と併合させて、前置回折性光学素子２４０と後置回折性光学素子２４２との基準軸心線２４４に対する整合位置内の凹凸を表す干渉パターンを作り出す。
好ましくは、前置回折性光学素子の整合ゾーン２６０は、前置回折性光学素子の計測ゾーン２５８の回折パターンと符合する回折パターンを有するが、前置回折性光学素子の計測ゾーン２５０とは異なる。例えば、整合ゾーン２６０及び計測ゾーン２５８の両者は、好ましくは、結果的に生じる干渉パターンによって記録されたいわゆるゼロ状態(null condition)において、２つの前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２を整合するための同一又は近似のピッチを有する。すなわち、所望の整合からのいかなる変化も結果的に生じる干渉パターンから明らかとなる。
あるいは、前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２の両者とも、同様の回折パターンを有するそれぞれの整合ゾーンを含み得る。２つの整合ゾーンはさらに、前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２の間の所望の分離を調整するための合焦特性(focusing qualities)を与えるため、ピッチを変えて作られてもよい。好ましくは、ゼロ状態(null condition)における第２の被検ビーム２６２及び第２の参照ビーム２６４を比較するために、合焦特性は、前置回折性光学素子２４０によって第２の被検ビーム２６２内に導入されるか、又は後置回折性光学素子２４２によって取り除かれる。
前置回折性光学素子２４０及び後置回折性光学素子２４２の整合をモニタしながら、被検面２４８を同時計測することは可能であるけれども、計測機能と整合機能とは、好ましくは別々に行われる。被検面２６２の計測中に、空間フィルター２６８を用いて回折性光学素子の整合に用いる光をブロックし得る。空間フィルターは、調節可能な孔を含む種々の形態を取り得る。被検体２４６自身もまた、整合用の光をブロックするために用い得る。
本発明の好ましい形態を開示する前述の実施例の全ては、主として、被検波面及び参照波面の両者を伝播するために前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子を用いるシングルパス計測用に配列されている。しかしながら、同様のダブルパス計測用の反射性光学素子を組み込むことも、前置回折性光学素子及び後置回折性光学素子とは独立して１以上の参照波面を伝播することも可能である。
本発明はまた、非円形筒形状及び円錐形の内側、外側及び端面を含むより複雑な３次元表面や他の表面並びにインボリュートプロファイルを計測するためにも用い得る。しかしながら、本発明は、円筒形ボア、ピストン、テーパー付きローラベアリング及びギア歯などの加工表面を計測するために特に適している。回折性光学素子の非線形光路は、被検面の非円形横断面に符合するように変えることができ、回折パターンのピッチスペースを被検面の軸断面内の湾曲に符合するように変えることもできる。回折性光学素子は、波面をさらに形作るため又は合焦特性を与えるために、段付けされてもよく又は湾曲されていてもよい。対称軸がない表面を計測するために、制限された格子の弧状断面を用い得る。干渉計の潜在的な感度は、好ましくは、一定に保持されるが、回折パターンのピッチを変化させることによって変えることもできる。
複合体光学素子の複数のゾーンは、好ましくは共通の基板内に形成される。しかしながら、マウント固定具(mounting fixture)などの基準点により相互に関連させられている別個の構造体内にゾーンを形成することもできる。同一の参照波面の現実の複数の部分である異なる参照ビームは、単一の参照ビーム又は参照波面として考えることもできる。より多くの表面の同時計測又は単一の表面のより多くの計測を行うために、追加のゾーンを用いることもできる。当業者であれば、さらに多くの機能を発揮する複合体光学素子を構築するために、種々の実施例の多くの機能を相互に変更することができ、併合させることができるものであることを理解するであろう。
Claims (68)
- 被検体の複数の表面を計測する干渉計であって、
２つの被検波面及び少なくとも１の参照波面を発生させる光源と、
上記複数の表面の一面を示す一方の被検波面を伝播する第１の光路と、
上記複数の表面の他の一面を示す他方の被検波面を伝播する第２の光路と、
上記２つの被検波面と整合する位置に、上記複数の表面とは独立の参照波面を伝播する第３の光路と、
上記２つの被検波面のそれぞれを上記参照波面に関連付けて、上記複数の表面の凹凸を示す上記２つの被検波面と上記参照波面との間の干渉パターンを作り出す光学系と、を備え、上記光学系は、
上記２つの被検波面を伝播する異なる第１及び第２のゾーンを有する複合体光学素子を含み、
上記第１のゾーンは、上記被検波面の一方を上記参照波面に対して相対的に変形させる回折ゾーンであり、
上記第２のゾーンは、回折なしに、上記被検波面の他方を伝播する異なる光学特性を示すことを特徴とする干渉計。 - 請求項１の干渉計であって、前記第２のゾーンは、前記被検波面の他方を伝播する透過ゾーンであることを特徴とする干渉計。
- 請求項２の干渉計であって、前記複合体光学素子は、前記２つの被検波面とは独立に前記参照波面を伝播する第３のゾーンを含むことを特徴とする干渉計。
- 請求項３の干渉計であって、前記第１の複合体光学素子は、前記被検反面の一方をさらに伝播する第４のゾーンを含むことを特徴とする干渉計。
- 請求項４の干渉計であって、前記第４のゾーンは、反射ゾーンであることを特徴とする干渉計。
- 被検体の複数回の計測を行う干渉計であって、
２つの被検波面及び少なくとも１の参照波面を発生させる光源と、
上記被検体からの上記被検面のうち第１の被検波面を反射する第１の光路と、
上記被検体からの上記被検面のうち第２の被検波面を反射する第２の光路と、
上記被検体とは独立に、上記２つの被検波面との整合位置に上記参照波面を伝播する第３の光路と、
上記２つの被検波面を基準点に光学的に関連づけるために複数の識別(distinct)ゾーンを含む第１の複合体光学素子と、を備え、
上記複数のゾーンのうち第１のゾーンは、上記参照波面に関する上記第１の被検波面を相対的に回折するための回折パターンを有し、
上記複数のゾーンのうち第２のゾーンは、上記参照波面に関する上記第２の被検波面を相対的に回折するための回折パターンを有し、
上記第１及び第２の光路は、上記第１及び第２の被検波面を上記被検体の共通の被検面に対する異なるグレージング角度にて伝播する、
ことを特徴とする干渉計。 - 請求項６の干渉計であって、さらに、第２の複合体光学素子を備え、該第２の複合体光学素子は、
前記参照波面に関する前記第１の被検波面をさらに相対的に回折する回折パターンを有する第１のゾーンと、
前記参照波面に関する前記第２の被検波面をさらに相対的に回折する異なる回折パターンを有する第２のゾーンと、
を有することを特徴とする干渉計。 - 請求項７の干渉計であって、
前記第１の複合体光学素子の第１及び第２のゾーンは、第１及び第２の被検波面を共通の形態からそれぞれ異なる形態に変形し、
前記第２の複合体光学素子の第１及び第２のゾーンは、第１及び第２の被検波面を上記異なる形態から前記参照波面と共通する形態にさらに変形する、
ことを特徴とする干渉計。 - 請求項８の干渉計であって、前記第２の複合体光学素子の第１及び第２のゾーンは、前記２つの被検波面を同じ参照波面と併合させることを特徴とする干渉計。
- 請求項９の干渉計であって、前記２つの被検波面は両者とも、前記第１の複合体光学素子の第１及び第２のゾーンのそれぞれにおいて異なる回折次数によって、前記参照波面と併合されることを特徴とする干渉計。
- 被検面を計測する干渉計であって、
被検波面と参照波面とに分割される一次波面を発生させる光源と、
上記被検面からの被検波面を反射する第１の光路と、
上記被検面とは独立に、上記被検波面との整合位置に上記参照波面を伝播する第２の光路と、
上記被検波面を上記被検面へ及び上記被検面から伝播する異なる複数のゾーンを有する複合体光学素子と、
上記複数のゾーンのうち第１のゾーンは、上記被検波面の上記被検面への伝播に影響する第１の光学特性を有し、
上記複数のゾーンのうち第２のゾーンは、上記被検波面の上記被検波面からの伝播に影響する第２の光学特性を有し、
上記第１及び第２のゾーンの少なくとも一方は、上記参照波面に関して上記被検波面を相対的に回折する回折パターンを有する
ことを特徴とする干渉計。 - 請求項１１の干渉計であって、前記第１及び第２のゾーンは、少なくとも部分的に反射性であることを特徴とする干渉計。
- 請求項１２の干渉計であって、前記複合体光学素子は、さらに、前記一次波面を被検波面と参照波面とに分割することを特徴とする干渉計。
- 請求項１３の干渉計であって、前記第２のゾーンは、前記被検波面と前記参照波面とを併合させることを特徴とする干渉計。
- 請求項１４の干渉計であって、前記第２のゾーンは、少なくとも部分的に反射性であることを特徴とする干渉計。
- 請求項１５の干渉計であって、前記第２のゾーンは、前記参照波面との整合位置に前記被検波面を相対的に回折する回折パターンを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項１３の干渉計であって、前記第１のゾーンは、グレージング角度にて前記被検面から反射するため、前記参照波面に関して前記被検波面を相対的に変形する回折パターンを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項１７の干渉計であって、前記複合体光学素子は、前記被検波面とは独立に前記参照波面を伝播する第３の光路を有することを特徴とする干渉計。
- 請求項１７の干渉計であって、さらに、前記被検波面と前記参照波面とを併合させる回折性光学素子を備えることを特徴とする干渉計。
- 請求項１１の干渉計であって、前記第１のゾーンの前記光学特性は、回折性を含むことを特徴とする干渉計。
- 請求項２０の干渉計であって、前記第２のゾーンの光学特性は、少なくとも部分的な反射性を含むことを特徴とする干渉計。
- 請求項２１の干渉計であって、前記第１のゾーンの光学特性は、さらに透過性を含むことを特徴とする干渉計。
- 請求項２１の干渉計であって、前記第２のゾーンの光学特性は、さらに回折性を含むことを特徴とする干渉計。
- 請求項２３の干渉計であって、前記第１及び第２のゾーンは、ピッチが異なる回折パターンを含むことを特徴とする干渉計。
- 被検面を計測する干渉計であって、
被検波面と参照波面とに分割される一次波面を発生させる光源と、
上記被検面から上記被検波面を反射する第１の光路と、
上記被検面とは独立に、上記被検波面との整合位置に上記参照波面を伝播する第２の光路と、
上記被検波面を上記被検面へ及び上記被検面から伝播する第１及び第２のゾーンを有する複合体光学素子と、
回折性光学素子と、を備え、
上記第１のゾーンは、上記被検波面を上記参照波面へ伝播するため透過性であり、
上記第２のゾーンは、上記被検面から上記被検波面を伝播する反射性であり、
上記回折性光学素子は、上記被検面の凹凸を表す干渉パターンを発生させるため、上記被検波面と上記参照波面とを併合させる回折パターンを有する
ことを特徴とする干渉計。 - 請求項２５の干渉計であって、前記複合体光学素子は、前記参照波面を伝播するため透過性である第３のゾーンを含むことを特徴とする干渉計。
- 請求項２６の干渉計であって、前記第２のゾーンは、前記第１及び第３のゾーンと分離していることを特徴とする干渉計。
- 請求項２７の干渉計であって、前記第１のゾーンは、さらに、前記被検波面を回折するための回折パターンを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項２８の干渉計であって、前記第１のゾーンは、グレージング角度にて前記被検面から反射するため、前記参照波面を変形することを特徴とする干渉計。
- 被検面を計測するために用いられる光学成分を整合させるための装置を組み込む干渉計であって、
被検波面と参照波面とに分割される一次波面を発生させる光源と、
共通の基準軸線を有する第１及び第２の回折性光学素子と、
を備え、
上記第１の回折性光学素子は、グレージング角度にて上記被検面から上記被検波面を反射するため、上記参照波面に関して上記被検波面を相対的に変形する計測ゾーンを有し、
上記第２の回折性光学素子は、上記被検面の凹凸を表す上記被検波面と上記参照波面との間の光干渉パターンを発生させるため、上記参照波面に関して上記被検波面をさらに相対的に変形する計測ゾーンを有し、
上記回折性光学素子の少なくとも一方は、上記共通の基準軸線に上記第１及び第２の回折性光学素子を整合させるため、上記少なくとも一方の回折性光学素子の計測ゾーンとは異なる整合ゾーンを有する、
ことを特徴とする干渉計。 - 請求項３０の干渉計であって、前記第１及び第２の回折性光学素子の計測ゾーンは、ピッチが異なる回折パターンを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項３１の干渉計であって、前記整合ゾーンは、上記回折性光学素子の計測ゾーンのピッチとは異なるピッチを有する回折パターンを有する回折ゾーンであることを特徴とする干渉計。
- 請求項３２の干渉計であって、前記回折性光学素子の整合ゾーンは、他方の回折性光学素子の計測ゾーンと同じピッチを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項３３の干渉計であって、前記整合ゾーンは、実質的にゼロ状態において、前記第１及び第２の回折性光学素子を整合させ得ることを特徴とする干渉計。
- 請求項３０の干渉計であって、前記第１及び第２の回折性光学素子の両者は、前記共通の基準軸線に前記第１及び第２の回折性光学素子を整合するための整合ゾーンを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項３５の干渉計であって、前記第１及び第２の回折性光学素子の整合ゾーンは、ピッチが符合する回折パターンを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項３６の干渉計であって、前記第１及び第２の回折性光学素子の計測ゾーンは、互いにピッチが異なり且つ前記整合ゾーンの回折パターンとも異なる回折パターンを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項３０の干渉計であって、前記整合ゾーンは、さらに、前記第１及び第２の回折性光学素子を前記共通の基準軸線に沿って所定距離に離隔するための合焦特性を含むことを特徴とする干渉計。
- 請求項３８の干渉計であって、前記整合ゾーンは、変化するピッチを有する回折パターンを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項３８の干渉計であって、前記第１及び第２の回折性光学素子の両者は、実質的にゼロ状態において、前記第１及び第２の回折性光学素子を離隔するための合焦特性を備える整合ゾーンを有することを特徴とする干渉計。
- 請求項３０の干渉計であって、
前記第１の回折性光学素子はさらに、前記一次波面を前記被検波面及び参照波面並びに整合波面に分割し、
前記第２の回折性光学素子はさらに、前記被検波面及び前記整合波面を両者を前記参照波面に併合させることを特徴とする干渉計。 - 請求項４１の干渉計であって、前記第１の回折性光学素子の整合ゾーンは、前記整合波面を前記参照波面に関して、前記被検面を示す前記被検波面とは異なる形態に相対的に変形することを特徴とする干渉計。
- 請求項４２の干渉計であって、前記整合波面は、前記第２の回折性光学素子を示す前記被検波面と同様に形状化されることを特徴とする干渉計。
- 請求項４１の干渉計であって、前記第２の回折性光学素子の整合ゾーンは、前記参照波面に関して、前記整合波面を前記反射した被検波面とは異なる形態から、前記参照波面と共通の形態に、相対的に変形することを特徴とする干渉計。
- 請求項３０の干渉計であって、さらに、前記被検面の計測中に、前記整合ゾーンにより透過される光をブロックするための空間フィルタを備えることを特徴とする干渉計。
- 請求項４５の干渉計であって、前記空間フィルタは、前記被検波面及び前記参照波面の少なくとも一方の一部をブロックするため、孔の寸法を調節することを特徴とする干渉計。
- 干渉計を用いて、被検体の複数回の計測を行う方法であって、
２つの被検波面と少なくとも１の参照波面とを発生させる段階と、
上記被検体から反射する第１の光路に沿って、上記被検波面のうち第１の被検波面を伝播する段階と、
上記被検体から反射する第２の光路に沿って、上記被検波面のうち第２の被検波面を伝播する段階と、
上記被検体とは独立に、第３の光路に沿って、上記参照波面を上記２つの被検波面との整合位置に伝播する段階と、
上記２つの被検波面を互いに、上記第１及び第２の光路に沿って、上記第１及び第２の波面を伝播するための複数の識別ゾーンを有する第１の複合体光学素子と関連づける段階と、
上記複数の識別ゾーンのうち第１のゾーンを用いて、上記参照波面に関して、上記第１の被検波面を相対的に回折する段階と、
上記複数の識別ゾーンのうち第２のゾーンを用いて、上記参照波面に関して、上記第２の被検波面を相対的に回折する段階と、
を備え、
上記第１及び第２の被検波面を伝播する段階は、上記第１及び第２の被検波面を異なるグレージング角度にて上記被検体の共通の被検面に伝播する段階を含むことを特徴とする複数回の計測方法。 - 請求項４７の複数回の計測方法であって、さらに、前記第１及び第２の被検波面を相対的に回折する段階を含むことを特徴とする複数回の計測方法。
- 請求項４８の複数回の計測方法であって、さらに、前記第１及び第２の被検波面を相対的に回折する段階は、反射された被検波面を異なる形態から前記参照波面と共通の形態に相対的に変形する段階を含むことを特徴とする複数回の計測方法。
- 請求項４９の複数回の計測方法であって、さらに、前記第１及び第２の被検波面を相対的に回折する段階は、上記第１及び第２の被検波面を前記参照波面と併合させるために異なる回折次数を用いる段階を含むことを特徴とする複数回の計測方法。
- 干渉計において複合体光学素子を用いる被検面の計測方法であって、
一次波面を２つの被検波面と参照波面とに分割する段階と、
上記被検面から反射する第１の光路に沿って上記被検波面を伝播する段階と、
上記被検面とは独立の第２の光路に沿って、上記参照波面を上記被検波面と整合する位置に伝播する段階と、
上記被検波面を上記被検面へ及び上記被検面から伝播するための異なる複数のゾーンを有する第１の光路に沿って、複合体光学素子を位置づける段階と、
異なる光学特性を現出させるため、上記複合体光学素子の第１及び第２のゾーンを配列する段階と、
上記参照波面に関して、上記被検波面を相対的に回折する段階と、
を備えることを特徴とする被検面の計測方法。 - 請求項５１の被検面の計測方法であって、前記第１及び第２のゾーンを配列する段階は、少なくとも部分的に反射性を現出させるように、前記第１及び第２のゾーンの一方を配列する段階を含むことを特徴とする被検面の計測方法。
- 請求項５２の被検面の計測方法であって、さらに、前記一次波面を前記被検波面及び参照波面に分割するための第２の光路に沿って前記複合体光学素子を位置づける段階を含むことを特徴とする被検面の計測方法。
- 請求項５３の被検面の計測方法であって、さらに、前記被検波面と参照波面とを併合させるための第２の光路に沿って前記複合体光学素子を位置づける段階を含むことを特徴とする被検面の計測方法。
- 請求項５１の被検面の計測方法であって、前記被検波面を伝播する段階は、前記複合体光学素子の第１のゾーンを用いて、前記被検体に前記被検波面を伝播する段階を含むことを特徴とする被検面の計測方法。
- 請求項５５の被検面の計測方法であって、前記第１のゾーンは、前記被検波面を前記参照波面に関して、グレージング角度にて前記被検面から反射させるための参照波面とは異なる形態に相対的に変形することを特徴とする被検面の計測方法。
- 請求項５５の被検面の計測方法であって、前記被検波面を伝播する段階は、前記複合体光学素子の第２のゾーンを用いて、前記被検体から前記被検波面を伝播する段階を含むことを特徴とする被検面の計測方法。
- 請求項５７の被検面の計測方法であって、前記第２のゾーンは、前記被検面を前記参照波面に関して、前記参照波面と共通の形態に変形することを特徴とする被検面の計測方法。
- 請求項５７の被検面の計測方法であって、さらに、前記複合体光学素子を、前記被検波面とは独立に前記参照波面を伝播する第３のゾーンと配列する段階を含むことを特徴とする被検面の計測方法。
- 請求項５１の被検面の計測方法であって、前記第１及び第２のゾーンを配列する段階は、前記第１及び第２のゾーンの一方が前記被検波面を透過し、他方が前記被検波面を反射するように配列する段階を含むことを特徴とする被検面の計測方法。
- 請求項６０の被検面の計測方法であって、前記第１及び第２のゾーンの両者は、前記被検波面を回折することを特徴とする被検面の計測方法。
- 被検面を計測するための干渉計において、第１及び第２の回折性光学素子を整合するための方法であって、
被検波面と参照波面とに分割される一次波面を発生させる段階と、
グレージング角度にて上記被検面から上記被検波面を反射させるため、上記参照波面に関して上記被検波面を相対的に変形する計測ゾーンを有するように、上記第１の回折性光学素子を配列する段階と、
上記被検面の凹凸を表す上記被検波面と上記参照波面との間の光学干渉パターンを発生させるために、上記参照波面に関して、上記被検波面をさらに相対的に変形する計測ゾーンを有するように、上記第２の回折性光学素子を配列する段階と、
上記第１及び第２の回折性光学素子を共通の基準軸線と整合するために、一方の回折性光学素子の計測ゾーンとは異なる整合ゾーンを含むように、上記第１及び第２の回折性光学素子の少なくとも一方を配列する段階と、
を備えることを特徴とする第１及び第２の回折性光学素子の整合方法。 - 請求項６２の第１及び第２の回折性光学素子の整合方法であって、前記第１及び第２の回折性光学素子を配列する段階は、異なる回折パターンを現出するように、前記第１及び第２の回折性光学素子の計測ゾーンをそれぞれ配列する段階を含むことを特徴とする第１及び第２の回折性光学素子の整合方法。
- 請求項６３の第１及び第２の回折性光学素子の整合方法であって、前記整合ゾーンを含むように第１及び第２の回折性光学素子の少なくとも一方を配列する段階は、該一方の回折性光学素子の前記計測ゾーンとは異なる回折パターンを有する回折ゾーンとして、前記整合ゾーンを配列する段階を含むことを特徴とする第１及び第２の回折性光学素子の整合方法。
- 請求項６４の第１及び第２の回折性光学素子の整合方法であって、前記一方の回折性光学素子の整合ゾーンの回折パターンは、実質的にゼロ状態における前記２つの回折性光学素子を整合するため、他方の回折性光学素子の計測ゾーンの回折パターンと符合するように配列されることを特徴とする第１及び第２の回折性光学素子の整合方法。
- 請求項６３の第１及び第２の回折性光学素子の整合方法であって、前記整合ゾーンを含むように第１及び第２の回折性光学素子の少なくとも一方を配列する段階は、それぞれの整合ゾーンを含むように、前記第１及び第２の回折性光学素子の両者を配列する段階を含むことを特徴とする第１及び第２の回折性光学素子の整合方法。
- 請求項６６の第１及び第２の回折性光学素子の整合方法であって、前記それぞれの整合ゾーンは、実質的にゼロ状態における２つの回折性光学素子を整合するための回折パターンを有するように配列されていることを特徴とする第１及び第２の回折性光学素子の整合方法。
- 請求項６６の第１及び第２の回折性光学素子の整合方法であって、前記それぞれの整合ゾーンは、実質的にゼロ状態における２つの回折性光学素子を離隔するため、合焦特性を有するように配列されていることを特徴とする第１及び第２の回折性光学素子の整合方法。
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