JP3242930B2 - 環状面の限界入射角での干渉計測法 - Google Patents
環状面の限界入射角での干渉計測法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 環状面の計測のために、すれすれの入射角（grazing
incidence;以下限界入射角という。）の干渉法が用いら
れる。環状面に入射する波面（wavefront）は、回折光
学手段によって形成される。
incidence;以下限界入射角という。）の干渉法が用いら
れる。環状面に入射する波面（wavefront）は、回折光
学手段によって形成される。
発明の背景 干渉法による検査面の計測は、一般に、平面または球
面に限定されていた。これらの面に適合する波面は、容
易に造り出すことができるからである。通常、二つの波
面が必要である。検査波面と参照波面とである。両者
は、同一の波面として始まる。しかし、検査波面と参照
波面とは、異なる光路上を進み、その後再結合する。検
査面は、検査波面の光路に沿って配置されている。検査
面におけるどのような誤差も、検査波面を参照波面に対
して変化させる。これらの波面間の相違は、再結合され
た波面によって作り出される干渉縞にはっきりと現われ
る。
面に限定されていた。これらの面に適合する波面は、容
易に造り出すことができるからである。通常、二つの波
面が必要である。検査波面と参照波面とである。両者
は、同一の波面として始まる。しかし、検査波面と参照
波面とは、異なる光路上を進み、その後再結合する。検
査面は、検査波面の光路に沿って配置されている。検査
面におけるどのような誤差も、検査波面を参照波面に対
して変化させる。これらの波面間の相違は、再結合され
た波面によって作り出される干渉縞にはっきりと現われ
る。
検査波面は、検査面を透過するか、検査面で反射さ
れ、比較のための関連情報をもたらす。非光学的な検査
面は、反射によって計測される。その反射は、通常、入
射角が垂直である。検査波面は、検査面の望ましい形態
に垂直な入射角で接近するように形成される。したがっ
て、検査面におけるどのような誤差も、検査波面の反射
後の形状を変化させる。平坦面は、しばしば限界入射角
で計測される。限界入射角では、検査面が平坦な検査波
形を対応する平坦な参照波面とは無関係に光路に沿って
折り返す。
れ、比較のための関連情報をもたらす。非光学的な検査
面は、反射によって計測される。その反射は、通常、入
射角が垂直である。検査波面は、検査面の望ましい形態
に垂直な入射角で接近するように形成される。したがっ
て、検査面におけるどのような誤差も、検査波面の反射
後の形状を変化させる。平坦面は、しばしば限界入射角
で計測される。限界入射角では、検査面が平坦な検査波
形を対応する平坦な参照波面とは無関係に光路に沿って
折り返す。
最近、この発明者は、検査波面を相対的に形成するた
めの回折光学手段、特に非平坦面を限界入射角で計測す
るための回折光学手段の使用法を開発している。この試
みは、Johannes Schwider博士によって先行されてい
る。彼は、1974年の東ドイツの特許番号106769におい
て、円筒面を限界入射角で計測するために二つの同一の
回折格子を用いることを最初に提案している。二つの回
折格子は、円筒面の軸と一列に並べられる。第１の回折
格子は、平坦な初期波面を検査波面と参照波面とに分割
するとともに、検査波面を円筒検査面において一定の限
界入射角で反射するアキシコニック（axiconic）な形態
に作り直す。参照波面は、変化することなく第２の回折
格子まで直接に通過する。検査波面および参照波面は、
第２の回折光学手段によって再結合されて、干渉縞を作
り出す。
めの回折光学手段、特に非平坦面を限界入射角で計測す
るための回折光学手段の使用法を開発している。この試
みは、Johannes Schwider博士によって先行されてい
る。彼は、1974年の東ドイツの特許番号106769におい
て、円筒面を限界入射角で計測するために二つの同一の
回折格子を用いることを最初に提案している。二つの回
折格子は、円筒面の軸と一列に並べられる。第１の回折
格子は、平坦な初期波面を検査波面と参照波面とに分割
するとともに、検査波面を円筒検査面において一定の限
界入射角で反射するアキシコニック（axiconic）な形態
に作り直す。参照波面は、変化することなく第２の回折
格子まで直接に通過する。検査波面および参照波面は、
第２の回折光学手段によって再結合されて、干渉縞を作
り出す。
その後の多年間、Schwider博士のアイデアは、実用的
な開発がほとんどなされていない。実際の検査物のため
の装備および他の検査面を計測するための回折格子の精
細度（definition）を含む各種の実用的な考慮すべき要
件が未解決のまま残されている。このような以前に放置
されていた領域の技術を発展させるためのこの発明者の
成果が、1995年１月19日に出願され、1995年６月７日の
米国特許出願番号08/483737によって置き換えられた米
国特許出願番号08/375499で始まる米国特許出願の一ま
とまりによって証明される。共同発明者である他の出願
が、1995年７月31日に米国特許出願番号08/809161とし
て提出されている。1996年４月12日に共同出願された米
国特許出願番号08/631071は、この技術をさらに発展さ
せるものである。これらの出願のすべての内容は、参照
としてここに取り入れられている。
な開発がほとんどなされていない。実際の検査物のため
の装備および他の検査面を計測するための回折格子の精
細度（definition）を含む各種の実用的な考慮すべき要
件が未解決のまま残されている。このような以前に放置
されていた領域の技術を発展させるためのこの発明者の
成果が、1995年１月19日に出願され、1995年６月７日の
米国特許出願番号08/483737によって置き換えられた米
国特許出願番号08/375499で始まる米国特許出願の一ま
とまりによって証明される。共同発明者である他の出願
が、1995年７月31日に米国特許出願番号08/809161とし
て提出されている。1996年４月12日に共同出願された米
国特許出願番号08/631071は、この技術をさらに発展さ
せるものである。これらの出願のすべての内容は、参照
としてここに取り入れられている。
発明の要約 この発明は、平面、円筒面および円錐面の計測に回折
光学手段を適合するというこれまでの研究の上に、その
ような回折光学手段の使用を環状面の計測にまで拡張す
ることによって構築されている。新規な回折光学手段
は、環状面において一定の限界入射角で反射するように
検査光路に沿う検査光束を作り直す。回折角は、回折光
学手段の各部で塩化する。それにより、限界入射角が環
状面の湾曲した部分に沿って一定に維持されるととも
に、検査光束をさらに作り直す１またはそれ以上の据付
要素に関する補償が行われる。
光学手段を適合するというこれまでの研究の上に、その
ような回折光学手段の使用を環状面の計測にまで拡張す
ることによって構築されている。新規な回折光学手段
は、環状面において一定の限界入射角で反射するように
検査光路に沿う検査光束を作り直す。回折角は、回折光
学手段の各部で塩化する。それにより、限界入射角が環
状面の湾曲した部分に沿って一定に維持されるととも
に、検査光束をさらに作り直す１またはそれ以上の据付
要素に関する補償が行われる。
環状面（toroid）とも称される環状面（toric surfac
e）は、中心軸の周りを回る弧状の母線を有する回転面
である。弧状の母線は、中心軸の一方の側から延びる円
または円のどのような一部であってもよい。球面は、中
心軸から延びる曲率半径を有する円弧母線によって創生
される環状面の特別な例であるとみなされる。
e）は、中心軸の周りを回る弧状の母線を有する回転面
である。弧状の母線は、中心軸の一方の側から延びる円
または円のどのような一部であってもよい。球面は、中
心軸から延びる曲率半径を有する円弧母線によって創生
される環状面の特別な例であるとみなされる。
新規な回折光学手段は、互いに関連するとともに、新
規な限界入射角干渉計における環状検査面に関連してい
る。一つの実施例は、二つの特に適合された回折光学手
段と、環状検査面のための透明な支持手段とを有する。
第１の回折光学手段は、初期光束を検査光束と参照光束
とに分割するとともに、検査光束が環状検査面の環状の
帯部分の各部において一定の限界入射角で反射するよ
う、検査光束を参照光束と異なる形態に作り直す。第２
の回折光学手段は、環状検査面で反射した検査光束を参
照光束と共通の形態にさらに作り直すとともに、検査光
束と参照光束とを再度結合させて結合光束にする。透明
な支持手段は、平面平行板であることが望ましく、環状
検査面を支持するとともに、検査光束を第１および第２
の回折光学手段の間で伝達する。
規な限界入射角干渉計における環状検査面に関連してい
る。一つの実施例は、二つの特に適合された回折光学手
段と、環状検査面のための透明な支持手段とを有する。
第１の回折光学手段は、初期光束を検査光束と参照光束
とに分割するとともに、検査光束が環状検査面の環状の
帯部分の各部において一定の限界入射角で反射するよ
う、検査光束を参照光束と異なる形態に作り直す。第２
の回折光学手段は、環状検査面で反射した検査光束を参
照光束と共通の形態にさらに作り直すとともに、検査光
束と参照光束とを再度結合させて結合光束にする。透明
な支持手段は、平面平行板であることが望ましく、環状
検査面を支持するとともに、検査光束を第１および第２
の回折光学手段の間で伝達する。
両方の回折光学手段は、それぞれの半径と環状の光路
によって形成されるそれぞれの表面形態とを有してい
る。環状の光路は、回折格子がその半径に伴って変化す
る回折角の分だけ検査光束を回折させるよう、回折格子
の半径に沿って不等間隔で配置されている。平坦面、円
筒面または円錐面を計測するための従来の技術において
は、全ての回折角が等しい。それ故、透明な支持手段を
通る検査光束の光路は、小さな軸方向の調節以上に検査
光束に影響を及ぼすことがほとんどない。しかしなが
ら、この発明の新規な回折光学手段の変化する回折角
は、環状検査面の軸方向の湾曲した部分全体において一
定の限界入射角を維持することが要求されるのである
が、透明な支持板内での様々な屈折量を作り出す。
によって形成されるそれぞれの表面形態とを有してい
る。環状の光路は、回折格子がその半径に伴って変化す
る回折角の分だけ検査光束を回折させるよう、回折格子
の半径に沿って不等間隔で配置されている。平坦面、円
筒面または円錐面を計測するための従来の技術において
は、全ての回折角が等しい。それ故、透明な支持手段を
通る検査光束の光路は、小さな軸方向の調節以上に検査
光束に影響を及ぼすことがほとんどない。しかしなが
ら、この発明の新規な回折光学手段の変化する回折角
は、環状検査面の軸方向の湾曲した部分全体において一
定の限界入射角を維持することが要求されるのである
が、透明な支持板内での様々な屈折量を作り出す。
二つの回折光学手段と支持板とが共通の光軸に対して
垂直な方向に向けられているものと仮定すると、検査光
束の各光線は、支持板を通過することにより、各光線が
回折された分の角度で変化する量だけオフセットされ
る。より大きい回折角は、より大きいオフセット量を生
じさせる。新規な回折光学手段の少なくとも一方の表面
形態は、検査光束の透明な支持板での屈折を補償する必
要上、環状の光路間のさらに変化した配置を含む。
垂直な方向に向けられているものと仮定すると、検査光
束の各光線は、支持板を通過することにより、各光線が
回折された分の角度で変化する量だけオフセットされ
る。より大きい回折角は、より大きいオフセット量を生
じさせる。新規な回折光学手段の少なくとも一方の表面
形態は、検査光束の透明な支持板での屈折を補償する必
要上、環状の光路間のさらに変化した配置を含む。
検査光束が参照光束に対して回折される回折角の範囲
も、いわゆる位相変更（phase shifting）という技術へ
の変化が要求される。この位相変更という技術は、計測
の精度を改良する。位相変更は、検査光束と参照光束と
の相対位相に関するより正確な情報を得るために、それ
らの光束間の光路長を調整することを含む。この発明の
新規な干渉計は、いずれかの回折光学手段の軸方向の位
置を調節することにより、または検査光束と参照光束と
の波長を調節することにより、位相変更を達成してい
る。調節量は、検査光束が相対的に回折される回折角を
補償するように変えられる。
も、いわゆる位相変更（phase shifting）という技術へ
の変化が要求される。この位相変更という技術は、計測
の精度を改良する。位相変更は、検査光束と参照光束と
の相対位相に関するより正確な情報を得るために、それ
らの光束間の光路長を調整することを含む。この発明の
新規な干渉計は、いずれかの回折光学手段の軸方向の位
置を調節することにより、または検査光束と参照光束と
の波長を調節することにより、位相変更を達成してい
る。調節量は、検査光束が相対的に回折される回折角を
補償するように変えられる。
図面の簡単な説明 図１は、環状面を計測するために構成された新規な干
渉計の概略側面図である。
渉計の概略側面図である。
図２は、環状面の赤道近傍に入射する検査光束の一つ
の光線を示す干渉計の一部の拡大図である。
の光線を示す干渉計の一部の拡大図である。
図３は、環状面の一端近傍に入射する検査光束の他の
光線を示す同様の拡大図である。
光線を示す同様の拡大図である。
図４は、回折光学手段におけるピッチの変化と光学手
段の中心から半径方向への距離との関係を示すグラフで
ある。
段の中心から半径方向への距離との関係を示すグラフで
ある。
図５は、一対の回折光学手段によって形成された検査
光束の光線の軌跡によって計測されるテーパローラーベ
アリングの環状面を示す図である。
光束の光線の軌跡によって計測されるテーパローラーベ
アリングの環状面を示す図である。
図６は、別の一対の回折光学手段によって形成された
検査光束の構成の軌跡によって計測されるボールベアリ
ングの球面を示す図である。
検査光束の構成の軌跡によって計測されるボールベアリ
ングの球面を示す図である。
図７は、他の一対の回折光学手段によって形成された
検査光束の光線の軌跡によって計測されるベアリングの
内輪の断面における環状外面を示す図である。
検査光束の光線の軌跡によって計測されるベアリングの
内輪の断面における環状外面を示す図である。
図８は、さらに他の一対の回折光学手段によって形成
された検査光束の光線の軌跡によって計測されるボール
ベアリングの外輪の断面における環状内面を示す図であ
る。
された検査光束の光線の軌跡によって計測されるボール
ベアリングの外輪の断面における環状内面を示す図であ
る。
発明の詳細な説明 この発明の新規な干渉計は、図１に概略的に描かれた
Mach−Zenderの配置構造に適用するのが望ましい。レー
ザーダイオードまたはヘリーム−ネオン（HeNe）レーザ
ーのような光源10は、干渉性を有する光の発散光束12を
作り出す。コリメータ14は、発散光束を参照光軸18に沿
って伝播する平坦な波面（wavefront）を有する平行な
初期光束16に作り直す。
Mach−Zenderの配置構造に適用するのが望ましい。レー
ザーダイオードまたはヘリーム−ネオン（HeNe）レーザ
ーのような光源10は、干渉性を有する光の発散光束12を
作り出す。コリメータ14は、発散光束を参照光軸18に沿
って伝播する平坦な波面（wavefront）を有する平行な
初期光束16に作り直す。
円形の光透過可能な回折格子または二値光学素子のよ
うな先行の回折光学手段20は、一次光束16を参照光束22
と検査光束24とに分割する。参照光束22は、平坦な波面
として平行に維持されている。検査光束24は、先行の回
折光学手段により各光線26からなる収束ビームに作り直
される。各光線は、参照光軸18に対して種々の回折角μ
でそれぞれ傾斜している。各回折角のうちの二つの回折
角μが図２および図３に示されている。
うな先行の回折光学手段20は、一次光束16を参照光束22
と検査光束24とに分割する。参照光束22は、平坦な波面
として平行に維持されている。検査光束24は、先行の回
折光学手段により各光線26からなる収束ビームに作り直
される。各光線は、参照光軸18に対して種々の回折角μ
でそれぞれ傾斜している。各回折角のうちの二つの回折
角μが図２および図３に示されている。
環状の検査面（toric test surface）34を有する検査
対象物32を支持する透明な平面平行板28は、角光線26を
回折角μに伴って増大する量だけ参照光軸からオフセッ
トする。このオフセットは、平面平行板での屈折によっ
て引き起こされる。屈折量は、各光線26が平面平行板28
に入射する入射角に伴って変化する。入射角は、この実
施例の場合、回折角μと同一である。板28が平面平行で
あるから、各光線26は、それが板に入射した角度と同一
の角度で、かぬ入射光路と平行である光路に沿って板28
から出射する。
対象物32を支持する透明な平面平行板28は、角光線26を
回折角μに伴って増大する量だけ参照光軸からオフセッ
トする。このオフセットは、平面平行板での屈折によっ
て引き起こされる。屈折量は、各光線26が平面平行板28
に入射する入射角に伴って変化する。入射角は、この実
施例の場合、回折角μと同一である。板28が平面平行で
あるから、各光線26は、それが板に入射した角度と同一
の角度で、かぬ入射光路と平行である光路に沿って板28
から出射する。
検査光束24の種々に傾斜した各光線26は、各光線26間
の計測反射性および計測感度が同一になるように、環状
検査面34から一定の限界入射角（grazing angle）θで
反射するのが望ましい。検査光束24は、環状検査面34で
反射した後、後続の回折光学手段30により、両方の回折
光学手段20,30を変化することなく通過した参照光束22
に適合する平坦な形態に作り直される。軸方向平面（す
なわち、図３および図３の描画平面）における環状検査
面34の曲率は、検査光束24の各光線26を平行な形態に戻
るように異なる回折角νで回折することが要求される。
の計測反射性および計測感度が同一になるように、環状
検査面34から一定の限界入射角（grazing angle）θで
反射するのが望ましい。検査光束24は、環状検査面34で
反射した後、後続の回折光学手段30により、両方の回折
光学手段20,30を変化することなく通過した参照光束22
に適合する平坦な形態に作り直される。軸方向平面（す
なわち、図３および図３の描画平面）における環状検査
面34の曲率は、検査光束24の各光線26を平行な形態に戻
るように異なる回折角νで回折することが要求される。
参照光束22および検査光束24は、後続の回線光学手段
から平行な結合光束36として出射する。結合光束は、拡
散板38に映し出される干渉平坦波面を含む。拡散板38に
形成される干渉縞は、ヌルパターン（null pattern）を
作り出すであろう理論的な環状面からの環状検査面34の
誤差を表す。
から平行な結合光束36として出射する。結合光束は、拡
散板38に映し出される干渉平坦波面を含む。拡散板38に
形成される干渉縞は、ヌルパターン（null pattern）を
作り出すであろう理論的な環状面からの環状検査面34の
誤差を表す。
干渉縞の各計測点での干渉波面間の位相差を変化させ
るために、後続の回折光学手段30は、慣用されている位
置調節システム40により参照光軸18に沿って位置調節可
能である。そのような位相変更は、計測の正確さを改良
するとともに、近接の計測値を互いに関係付け、かつ干
渉縞の残りの部分を関係付ける。位相変更の種々の増加
分Δｓが、回折光学手段30の半径方向の各位置に対応し
て要求される。しかし、この増加分は、次の不等式によ
って示すように、光路長差δλの１波長と２波長との間
のどのような有理数（rational fraction）としても選
択することができる。
るために、後続の回折光学手段30は、慣用されている位
置調節システム40により参照光軸18に沿って位置調節可
能である。そのような位相変更は、計測の正確さを改良
するとともに、近接の計測値を互いに関係付け、かつ干
渉縞の残りの部分を関係付ける。位相変更の種々の増加
分Δｓが、回折光学手段30の半径方向の各位置に対応し
て要求される。しかし、この増加分は、次の不等式によ
って示すように、光路長差δλの１波長と２波長との間
のどのような有理数（rational fraction）としても選
択することができる。
δλ≦Δｓ≦２δλ ここで、δλは、参照光束22および検査光束24の実際
の波長λに関連し、後続の回折光学手段30の回折角ν
は、次のとおりである。
の波長λに関連し、後続の回折光学手段30の回折角ν
は、次のとおりである。
δλ＝λ／（Secν−１） ズームレンズ44は、拡散板38における干渉図形の像を
カメラ46のような画像記録装置に中継する。この画像
は、通常、カメラ46の記録領域を最もよく満たすように
縮小される。カメラ46内において、固定撮像素子または
電荷結合素子（CCD）は、干渉縞をコンピュータ48が処
理可能なように記録するのが望ましい。陰極管、平面パ
ネル装置、またはプリンタのような表示装置50が、検査
面34に関する情報を有用な形態で表示する。形状的な情
報に加え、曲率および丸みのような誘導可能な計測値も
表示可能である。表示に代えて、情報は、製造過程への
フィードバックのような他の処理に有用なように電気的
に貯蔵し、または伝達することも可能である。
カメラ46のような画像記録装置に中継する。この画像
は、通常、カメラ46の記録領域を最もよく満たすように
縮小される。カメラ46内において、固定撮像素子または
電荷結合素子（CCD）は、干渉縞をコンピュータ48が処
理可能なように記録するのが望ましい。陰極管、平面パ
ネル装置、またはプリンタのような表示装置50が、検査
面34に関する情報を有用な形態で表示する。形状的な情
報に加え、曲率および丸みのような誘導可能な計測値も
表示可能である。表示に代えて、情報は、製造過程への
フィードバックのような他の処理に有用なように電気的
に貯蔵し、または伝達することも可能である。
環状検査面34のような回転面である検査面に関し、先
行および後続の回折光学手段20,30は、参照光軸18から
の半径方向の距離Ａ（μ）およびＡ（ν）の全範囲にお
いてそれらのある瞬間のピッチＰ（μ）およびＰ（ν）
によって決定される。変数Ｐ（μ）,P（ν）の組と変数
Ａ（μ）,A（ν）の組との両者は、それぞれの回折角
μ，νによりパラメトリカリー（parametrically）に決
定される。例えば、ある瞬間のピッチＰ（μ）,P（ν）
は、次のように決定される。
行および後続の回折光学手段20,30は、参照光軸18から
の半径方向の距離Ａ（μ）およびＡ（ν）の全範囲にお
いてそれらのある瞬間のピッチＰ（μ）およびＰ（ν）
によって決定される。変数Ｐ（μ）,P（ν）の組と変数
Ａ（μ）,A（ν）の組との両者は、それぞれの回折角
μ，νによりパラメトリカリー（parametrically）に決
定される。例えば、ある瞬間のピッチＰ（μ）,P（ν）
は、次のように決定される。
Ｐ（μ）＝λ/SinμまたはＰ（ν）＝λ/Sinν 演算のために好都合な最初の点は、検査対象物32の赤
道上の点である。そこでは、計測の感度を決定する限界
入射角θが両方の回折角μ，νと等しい。赤道52または
環状検査面34の他の箇所に入射する光線26が透過する回
折光学手段の対応する半径Ａ（μ）,A（ν）は、それぞ
れの回折角μ，νの関数として次のように決定される。
道上の点である。そこでは、計測の感度を決定する限界
入射角θが両方の回折角μ，νと等しい。赤道52または
環状検査面34の他の箇所に入射する光線26が透過する回
折光学手段の対応する半径Ａ（μ）,A（ν）は、それぞ
れの回折角μ，νの関数として次のように決定される。
Ａ（ν）＝ｒ−σ１σ2R（１−CosθSecν）＋σ2sTanν ここに、ｒは赤道52における検査対象物32の半径であ
り、Ｒは参照光軸18を含む平面上における環状検査面の
曲率半径であり、ｓは回折光学手段20,30から赤道まで
の距離であり、ｔは透明板28の厚さであり、ｎは板28の
屈折率であり、σ1,σ２は符号の取り決めである。σ１
は、検査凸面に関しては＋１であり、検査凹面に関して
は−１である。σ２は、外面計測の場合には＋１であ
り、内面計測の場合は−１である。
り、Ｒは参照光軸18を含む平面上における環状検査面の
曲率半径であり、ｓは回折光学手段20,30から赤道まで
の距離であり、ｔは透明板28の厚さであり、ｎは板28の
屈折率であり、σ1,σ２は符号の取り決めである。σ１
は、検査凸面に関しては＋１であり、検査凹面に関して
は−１である。σ２は、外面計測の場合には＋１であ
り、内面計測の場合は−１である。
検査面４のいずれの部分における回折角μ，νも、次
のように演算することができる。
のように演算することができる。
μ＝θ＋Sin-1（z/R）またはν＝θ−Sin-1（z/R） ここに、ｚは赤道52から検査面34の各点までの縦方向
の距離である。回折角μ，νの最大値および最小値は、
検査面の縦方向の全高さＨをｚに代入することによって
演算することができる。例えば、最小および最大回折角
μmin、νmaxは次のように演算することができる。
の距離である。回折角μ，νの最大値および最小値は、
検査面の縦方向の全高さＨをｚに代入することによって
演算することができる。例えば、最小および最大回折角
μmin、νmaxは次のように演算することができる。
μmin＝θ−Sin-1（H/2R）およびμmax＝θ＋Sin-1（H/2R） 検査面34に対して入射および出射する波面Ｗ（μ）,W
（ν）も、回折角μ，νの関数として次のように決定さ
れる。
（ν）も、回折角μ，νの関数として次のように決定さ
れる。
ピッチＰ（μ）,P（ν）および半径Ａ（μ）,A（ν）
は、計測の全範囲において波面の値をλ/2だけ増加させ
ることによって演算することができる。
は、計測の全範囲において波面の値をλ/2だけ増加させ
ることによって演算することができる。
回折角μ，νは、次の関係を代入することにより、上
記方程式から除去することができる。
記方程式から除去することができる。
Cosμ＝（rcAμ＋sDμ）／（Ａμ２＋s2） Cosν＝（rcAν＋sDν）／（Ａν２＋s2） ここに、上式における記号rc,DμおよびＤνは、前に
導かれた変数のいくつかと次のように関連している。
導かれた変数のいくつかと次のように関連している。
rc＝RCosθ Ｄμ＝（Ａμ２＋s2−rc2）1/2 Ｄν＝（Ａν２＋s2−rc2）1/2 これらの代入により、上記波長の方程式は、半径Ａ
（μ）,A（ν）の関数として書くことができる。Ａ
（μ）,A（ν）は、次の方程式においてＡμ,Aνとして
表されている。
（μ）,A（ν）の関数として書くことができる。Ａ
（μ）,A（ν）は、次の方程式においてＡμ,Aνとして
表されている。
球面を計測する際の半径Ａ（μ）に対するピッチＰ
（μ）の変化の例が図４に描かれている。ピッチＰ
（μ）は、半径Ａ（μ）が増大すると非直線的な割合で
減少する。
（μ）の変化の例が図４に描かれている。ピッチＰ
（μ）は、半径Ａ（μ）が増大すると非直線的な割合で
減少する。
回折角μによって記載された方程式は、回折角νに関
して記載された方程式と透明板28に起因するオフセット
に関する項だけ異なる。換言すれば、仮に透明板がなけ
れば、回折角μ，νで記載された各方程式は同一にな
る。
して記載された方程式と透明板28に起因するオフセット
に関する項だけ異なる。換言すれば、仮に透明板がなけ
れば、回折角μ，νで記載された各方程式は同一にな
る。
検査面34の赤道半径ｒおよび曲率半径Ｒが回折光学手
段20,30の設計に関与するので、環状面の絶対的な計測
は、初期検度（calibration）に基づいてなされる。初
期検度を得るために、既知の寸法を有するマスター環状
面が環状検査面34に代えて据え付けられる。球面の場合
において、検査面がより大きいか、より小さい場合に
は、屈折力項（power term）が導入される。この屈折力
項は、高い計測精度をもたらす最小二乗法（a least sq
uares polynomial fit）を用いて求めることができる。
段20,30の設計に関与するので、環状面の絶対的な計測
は、初期検度（calibration）に基づいてなされる。初
期検度を得るために、既知の寸法を有するマスター環状
面が環状検査面34に代えて据え付けられる。球面の場合
において、検査面がより大きいか、より小さい場合に
は、屈折力項（power term）が導入される。この屈折力
項は、高い計測精度をもたらす最小二乗法（a least sq
uares polynomial fit）を用いて求めることができる。
回折光学手段20,30は、感光性材料をレーザー写真術
的（holographically）に、または写真平版術的（photo
lithographically）に用いることを含む各種の方法で作
ることができる。同様に、個々の溝は、光学素子を光硬
化性樹脂で被覆したり、あるいは正確に収束されたレー
ザービームを照射しながら光学素子を回転させることに
よって形成することができる。
的（holographically）に、または写真平版術的（photo
lithographically）に用いることを含む各種の方法で作
ることができる。同様に、個々の溝は、光学素子を光硬
化性樹脂で被覆したり、あるいは正確に収束されたレー
ザービームを照射しながら光学素子を回転させることに
よって形成することができる。
参照光束22は、ゼロ次回折オーダー（zero diffracti
on order）で回折されるのが望ましく、検査光束24は、
一次回折オーダー（first diffraction order）で回折
されるのが望ましい。溝間に残っている表面の割合であ
るデューティーサイクル（duty cycle）と、波長の割合
としての溝の深さである位相変更は、干渉縞の明暗を改
良するために、二つのオーダー間のエネルギーがバラン
スするように調節される。すなわち、検査面34での反射
損失を補償するために、より多くのエネルギーが１次回
折オーダー（検査光束24）に向けられる。
on order）で回折されるのが望ましく、検査光束24は、
一次回折オーダー（first diffraction order）で回折
されるのが望ましい。溝間に残っている表面の割合であ
るデューティーサイクル（duty cycle）と、波長の割合
としての溝の深さである位相変更は、干渉縞の明暗を改
良するために、二つのオーダー間のエネルギーがバラン
スするように調節される。すなわち、検査面34での反射
損失を補償するために、より多くのエネルギーが１次回
折オーダー（検査光束24）に向けられる。
平面平行板28は、検査対象物を支持するための上面54
を有している。検査対象物は、その中心軸を参照軸18と
一致させるために平坦な底面56を有しているのがよい。
他の検査対象物では、板28上に固定することが必要であ
るかもしれないし、あるいは検査対象物の両端を固定す
るために第２の同様な板が必要であるかもしれない。中
心軸33を参照軸18と一致させるために、中心合わせ装置
（図示せず）を用いるのが望ましい。そのような中心合
わせ装置は、透明板を有する他の適切な据え付け機構と
同様に、1996年４月18に共同出願された米国特許出願番
号08/634218に開示されている。この出願は、この発明
において参照として取り入れられている。
を有している。検査対象物は、その中心軸を参照軸18と
一致させるために平坦な底面56を有しているのがよい。
他の検査対象物では、板28上に固定することが必要であ
るかもしれないし、あるいは検査対象物の両端を固定す
るために第２の同様な板が必要であるかもしれない。中
心軸33を参照軸18と一致させるために、中心合わせ装置
（図示せず）を用いるのが望ましい。そのような中心合
わせ装置は、透明板を有する他の適切な据え付け機構と
同様に、1996年４月18に共同出願された米国特許出願番
号08/634218に開示されている。この出願は、この発明
において参照として取り入れられている。
位相変更は、参照光束22と検査光束24との間の光路長
を調整することを含む他の各種の方法で達成することが
できる。例えば、先行の回折光学手段20は、位相変更を
達成するためにそれに対応した量だけ参照軸18に沿って
調節してもよい。同様に、光源10は、波長λを初期値λ
０から次の範囲内の増分Δλだけ変化させるために、可
変波長のダイオードレーザーであってもよい。
を調整することを含む他の各種の方法で達成することが
できる。例えば、先行の回折光学手段20は、位相変更を
達成するためにそれに対応した量だけ参照軸18に沿って
調節してもよい。同様に、光源10は、波長λを初期値λ
０から次の範囲内の増分Δλだけ変化させるために、可
変波長のダイオードレーザーであってもよい。
Δλ０≦Δλ≦２λ０ ここに、変数Δλ０は、次のように決定される。
Δλ０＝λ0 2/OPD そして、ここに変数OPDは、参照光束22と検査光束24
との間の光路差である。板28を無視し、かつ回折光学手
段20,30を等しい距離ｓで配置した場合、光路OPDのため
の単純化された方程式は、次のとおりである。
との間の光路差である。板28を無視し、かつ回折光学手
段20,30を等しい距離ｓで配置した場合、光路OPDのため
の単純化された方程式は、次のとおりである。
残りの図５〜図８は、この発明によって計測すること
ができる他の各種の環状面を示す。それぞれの図には、
二つの回折光学手段間を伝播する検査光束の光線が描か
れている。光線は、透明な支持板を通過し、環状面の環
状の帯部分全体に一定の限界角で入射する。
ができる他の各種の環状面を示す。それぞれの図には、
二つの回折光学手段間を伝播する検査光束の光線が描か
れている。光線は、透明な支持板を通過し、環状面の環
状の帯部分全体に一定の限界角で入射する。
例えば、図５には、中高のローラーベアリング58の計
測法が描かれている。この場合、中高の量は図示のため
に誇張されている。先行する回折光学手段60は、検査光
束64の各光線62を異なる回折角で回折させる。それ故、
各光線60は、透明な支持板66を通過した後、環状面68の
全域に一定の限界角で入射する。後続の回折光学手段70
は、各光線が参照光束の対応する光線と一致するよう
に、つまり二つの回折光学手段60,70の共通軸72に沿う
ように、各光線を回折させる。
測法が描かれている。この場合、中高の量は図示のため
に誇張されている。先行する回折光学手段60は、検査光
束64の各光線62を異なる回折角で回折させる。それ故、
各光線60は、透明な支持板66を通過した後、環状面68の
全域に一定の限界角で入射する。後続の回折光学手段70
は、各光線が参照光束の対応する光線と一致するよう
に、つまり二つの回折光学手段60,70の共通軸72に沿う
ように、各光線を回折させる。
図６において、ボールベアリング78の球面88が、その
計測のために透明な支持板86上に据え付けされている。
検査光束84の光線82は、球面88を一定の限界角で横切る
よう、先行する回折光学手段80および後続の回折光学手
段90によって回折される。その後、定められた方向に向
けられる。球面の配置に大きな誤差があると、計測領域
が球面88の赤道を含む環状の帯の部分に制限される。球
面88の約半分がこの方法で計測可能である。二つの回折
光学手段80,90の共通参照軸92に沿って球面の位置合わ
せを行うために、三点支持固定手段（図示せず）を板86
上に据え付えるのが望ましい。
計測のために透明な支持板86上に据え付けされている。
検査光束84の光線82は、球面88を一定の限界角で横切る
よう、先行する回折光学手段80および後続の回折光学手
段90によって回折される。その後、定められた方向に向
けられる。球面の配置に大きな誤差があると、計測領域
が球面88の赤道を含む環状の帯の部分に制限される。球
面88の約半分がこの方法で計測可能である。二つの回折
光学手段80,90の共通参照軸92に沿って球面の位置合わ
せを行うために、三点支持固定手段（図示せず）を板86
上に据え付えるのが望ましい。
図７および図８には、ボールベアリングの内輪98およ
び外輪118の計測法がそれぞれ描かれている。図７にお
いて、屈折光学手段100,110は、検査光束104の各光線10
2を参照軸112と一列に並んだ状態から外れるように回折
させ、環状外面108の環状の帯部分全体に一定の限界入
射角で入射させる。回折光学手段100は、支持板106での
屈折を補償するための回折光学手段110と異なる。
び外輪118の計測法がそれぞれ描かれている。図７にお
いて、屈折光学手段100,110は、検査光束104の各光線10
2を参照軸112と一列に並んだ状態から外れるように回折
させ、環状外面108の環状の帯部分全体に一定の限界入
射角で入射させる。回折光学手段100は、支持板106での
屈折を補償するための回折光学手段110と異なる。
ベアリングの外輪118の環状内面は、図８の検査光束1
24の光線122によって同様に計測される。回折光学手段1
20,130は、環状面128を計測すべき検査光束を、支持板1
26を所定の限界入射角で通るように作り直す。しかしな
がら、他の図に描かれたものと比較すると、光線122
は、二つの回折光学手段120,130の参照軸132に面する環
状内面に達することができるよう、逆符号の回折オーダ
ーで回折される。
24の光線122によって同様に計測される。回折光学手段1
20,130は、環状面128を計測すべき検査光束を、支持板1
26を所定の限界入射角で通るように作り直す。しかしな
がら、他の図に描かれたものと比較すると、光線122
は、二つの回折光学手段120,130の参照軸132に面する環
状内面に達することができるよう、逆符号の回折オーダ
ーで回折される。
先行する実施例の透明な支持板は、位相変更を単純化
するために、先行する回折光学手段と環状検査面との間
に配置するのが望ましい。それに代えて、透明な支持板
は、環状検査面と後続の回折光学素子との間に配置して
もよく、あるいは環状検査面の両端部にそれぞれ配置し
てもよい。前者の場合、同一の回折光学手段を用いるこ
とができる。ただし、光の進行方向が逆である。
するために、先行する回折光学手段と環状検査面との間
に配置するのが望ましい。それに代えて、透明な支持板
は、環状検査面と後続の回折光学素子との間に配置して
もよく、あるいは環状検査面の両端部にそれぞれ配置し
てもよい。前者の場合、同一の回折光学手段を用いるこ
とができる。ただし、光の進行方向が逆である。
この発明の望ましい実施例においては、参照光束が検
査光束と共に先行および後続の回折光学手段を通って伝
達される。しかしながら、参照光束は、回折光学手段と
は無関係に伝達し、後で半反射、半透過面を通って検査
光束と再結合させてもよい。後続の回折光学手段は、検
査光束および参照光束を共通の光路に沿って反射するよ
うな反射面で形成してもよい。
査光束と共に先行および後続の回折光学手段を通って伝
達される。しかしながら、参照光束は、回折光学手段と
は無関係に伝達し、後で半反射、半透過面を通って検査
光束と再結合させてもよい。後続の回折光学手段は、検
査光束および参照光束を共通の光路に沿って反射するよ
うな反射面で形成してもよい。
Claims (23)
- 【請求項１】初期光束を検査光束と参照光束とに分割す
るとともに、検査光束を、環状検査面の環状の帯部分に
おいて一定の限界入射角で反射するように、参照光束と
異なる形態に作り直す第１の回折光学手段と、 上記環状検査面で反射した上記検査光束を上記参照光束
と共通の形態にさらに作り直すとともに、上記検査光束
と上記参照光束を結合させて結合光線にする第２の回折
光学手段と、 上記環状検査面を支持するとともに、上記第１および第
２の回折光学手段間において上記検査光束を伝達する透
明な支持手段とを備え、 上記第１、第２の回折光学手段が、それぞれの半径と表
面形状とを有し、この表面形状が、上記検査光束を格子
の半径に伴って変化する回折角で回折させるよう、格子
の半径に沿って不等間隔で配置された環状の光路によっ
て形成され、 上記第１、第２の回折光学手段の少なくとも一方の上記
表面形状が、上記透明な支持手段での上記検査光束の屈
折を補償するのに必要なさらなる配置的変更を上記環状
の光路間に含む、環状面を限界入射角で計測するための
干渉計。 - 【請求項２】上記環状検査面が中心軸を有し、この中心
軸の周りに環状検査面が生成され、上記第１および第２
の回折光学手段もそれぞれ軸を有し、上記透明な支持手
段が、上記環状検査面の中心軸を上記回折光学手段の軸
の方向に向ける請求項１の干渉計。 - 【請求項３】上記透明な支持手段が平面平行板である請
求項２の干渉計。 - 【請求項４】上記検査光束が、上記透明な平面平行板で
の屈折によって上記環状検査面の中心に対してオフセッ
トさせられた個々の光線によって構成され、上記個々の
光線のオフセット量が、上記回折光学手段の一方の回折
角の関数として変化し、上記透明な支持手段での検査光
束の屈折を補償するために必要とされる、上記環状の光
路間の配置的変更により、上記第１、第２の回折光学手
段の表面形状が互いに相違させられている請求項２の干
渉計。 - 【請求項５】上記環状検査面が、その中心軸に対して垂
直な平面上において半径がｒである赤道と、その中心軸
を含む縦平面上における曲率半径Ｒとを有し、上記回折
光学手段の一方の回折角νが、この一方の回折光学手段
の半径Ａ（ν）と次の関係で関連している請求項２の干
渉計。 Ａ（ν）＝ｒ−σ１σ2R（１−CosθSecν）＋σ2sTanν ここに、θは検査光束の環状検査面についての限界入射
角であり、ｓは当該一方の回折光学手段から検査面の赤
道までの距離であり、σ１、σ２は異なる環状面に対す
る符号の取り決めである。 - 【請求項６】上記環状検査面が、その中心軸に対して垂
直な平面上において半径がｒである赤道と、その中心軸
を含む縦平面上における曲率半径Ｒとを有し、上記透明
な支持手段が、厚さｔおよび屈折率ｎを有する平面平行
板であり、上記透明な支持手段が、上記回折光学手段の
一方と上記環状検査面との間に配置され、当該一方の光
学回折手段の回折角μが、同回折光学手段の半径と次の
関係で関連している請求項２の干渉計。 ここに、θは検査光束の環状検査面についての限界入射
角であり、ｓは当該一方の回折光学手段から上記赤道ま
での距離であり、σ１、σ２は異なる環状面に対する符
号の取り決めである。 - 【請求項７】上記透明な支持手段が、上記検査光束を上
記環状検査面への光路上に屈折させるために、上記第１
の回折光学手段と上記環状検査面との間に配置されてお
り、上記第２の回折光学手段を上記環状検査面の中心軸
に沿って移動させて位相変更を達成する位置調節システ
ムをさらに備えている請求項２の干渉計。 - 【請求項８】上記初期光束を形成するための波長可変光
源をさらに備え、上記光源が、上記初期光束の波長を変
えることにより、位相変更を達成するための調節が可能
である請求項１の干渉計。 - 【請求項９】初期光束を検査光束と参照光束とに分割す
る工程と、 第１の回折光学手段により検査光束を参照光束に対し第
１の回折光学手段の半径に伴って変化する回折角のある
範囲だけ回折させる工程と、 環状検査面の環状の計測帯部分に上記検査光束を照射す
る工程と、 上記検査光束が上記環状検査面の環状計測帯部分全体に
一定の限界入射角で入射するよう、上記第１の回折光学
手段の回折角を調節する工程と、 第２の回折光学手段により検査光束を参照光束に対し上
記第２の回折光学手段の半径に伴って変化する回折角の
ある異なる範囲だけ再度回折させる工程と、 上記検査光束と上記参照光束とを再結合させて、上記環
状面のヌル状態からの誤差を示す干渉縞を作り出す工程
とを備えた環状面の計測法。 - 【請求項１０】上記環状面を透明板で支持する工程と、
上記透明板に上記検査光束を透過させる工程とをさらに
備え、上記環状面が中心軸を有し、上記透明板での屈折
が、上記検査光束の各部を上記回折光学手段のうちの一
方の回折角に伴って変化する量だけ上記中心軸から半径
方向にオフセットさせ、上記調節工程が、上記第１の回
折光学手段の回折角を調節して、上記透明板での屈折を
補償することを含む請求項９の計測法。 - 【請求項１１】上記環状面が中心軸を有し、上記第１お
よび第２の回折光学手段がそれぞれの軸を有し、上記環
状面の中心軸を上記第２の回折光学手段の軸と一列に並
べる工程と、上記第１および第２の回折光学手段の一方
を、位相変更を達成するためにその軸に沿って移動させ
る工程とをさらに備えた請求項９の計測法。 - 【請求項１２】上記第２の回折光学手段を、位相変更を
達成するためにその軸に沿って移動させる工程をさらに
含む請求項11の計測法。 - 【請求項１３】位相変更の各種の増分が、上記検査光束
の各種の回折角に応じて必要とされる請求項11の計測
法。 - 【請求項１４】初期光束の波長を変化させて、位相変更
を達成する工程をさらに備えた請求項９の計測法。 - 【請求項１５】中心軸を有する環状検査面を支持するた
めの透明板と、 検査波面を、上記環状検査面のある領域全体において限
界入射角で反射するよう、第１の形態から第２の形態に
作り直す第１の回折光学手段と、 上記検査波面を上記環状検査面での反射後に上記第１の
形態にさらに作り直す第２の回折光学手段とを備え、 上記第１および第２の回折光学手段が、それぞれの軸
と、それぞれの軸からの半径方向の距離に伴ってピッチ
が変化する表面形状とを有し、 上記第1,第２の回折光学手段の上記表面形状が、上記透
明板での上記検査光束の屈折を補償するのに必要とされ
るより一層のピッチの変更により、互いに相違してい
る、限界入射角干渉計におきれ環状面の計測のための据
付システム。 - 【請求項１６】上記第１、第２の回折光学手段が、それ
ぞれの軸からの半径方向の距離に伴って変化するそれぞ
れの回折角で上記検査光束を回折させる請求項15の据付
システム。 - 【請求項１７】上記透明板での屈折が、上記検査光束の
各部を、上記回折光学手段のうちの一方の回折角に伴っ
て変化する量だけ、上記環状検査面の中心軸から半径方
向へオフセットさせ、上記透明板が、上記第１の回折光
学手段と上記環状検査面との間に配置され、上記第１の
回折光学手段が、上記透明板での屈折を補償するのに必
要であるより一層のピッチの変化を含む請求項16の据付
システム。 - 【請求項１８】上記第２の回折光学手段に連結され、上
記第２の回折光学手段を、位相変更を達成するためにそ
の軸に沿って移動させる位置調節システムをさらに備え
た請求項16の据付システム。 - 【請求項１９】初期光束を検査光束と参照光束とに分割
する工程と、 上記検査光束を、上記参照光束との一列状態から外し
て、上記検査面のある領域に限界入射角で反射する光路
に沿う方向に向ける工程と、 上記参照光束を上記検査光束と無関係の光路に沿う方向
に向ける工程と、 上記検査光束が上記参照光束と再び一列に並ぶように、
上記検査光束を回折光学手段により上記回折光学手段の
半径に伴って変化する回折角のある範囲の分だけ回折さ
せる工程と、 上記検査光束と上記参照光束とを再度結合させ、上記環
状面と誤差を示す干渉縞を作り出す工程と、 位相変更を達成するために、上記検査光束と上記参照光
束との間の光路長差を、上記検査光束の回折角に伴って
変化する増分だけ調節する工程とを備えた環状面の計測
法。 - 【請求項２０】上記調節工程が、上記回折角に伴って変
化する増分Δｓだけ上記回折光学手段を移動させること
を含む請求項19の計測法。 - 【請求項２１】上記増分Δｓが、次の不等式で示すよう
に、光路差δλの１波長と２波長との間の値であり、 δλ≦Δｓ≦２δλ 光路差δλが、参照光束および検査光束の波長λと、回
折光学手段の変化する回折角νとに次のように関連して
いる請求項20の計測法。 δλ＝λ／（Secν−１） - 【請求項２２】上記調節工程が、上記参照光束および上
記検査光束の波長λを初期値λ０から上記回折角に伴っ
て変化する増分Δλの分だけ変化させる請求項19の計測
法。 - 【請求項２３】上記増分Δλが、次の範囲内から選択さ
れる請求項22の計測法。 Δλ０≦Δλ≦２Δλ０ ここに、変数Δλ０は、光路差OPDと初期波長λ０との
関数として次のように決定される。 Δλ０＝λ0 2/OPD
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