JP6648272B2 - 傾斜物体波を利用する、フィゾー干渉計対物レンズを有する干渉計 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載されている干渉計、及び独立の方法請求項に記載されている方法に関する。

このような干渉計は、傾斜波干渉計Ｔｉｌｔｅｄ Ｗａｖｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ（ＴＷＩ）とも呼ばれる。本発明の技術的基礎は、シュツットガルト大学技術光学研究所（ＩＴＯ）で発明された、非球面や自由形状面の表面を測定する方法にある。前記方法においては、最善に適合する球面に対する試験体の相違を局所的に補償するために、互いに傾斜した波面のアンサンブルを利用する。前記アンサンブルは、典型的には多数の（例えば４９の）互いに傾いた波面を有し、且つもう１つの干渉計によって例えば２つの直交する互いに分極した波面によって２つの傾斜波面を形成することに基づいている点で異なる。特許文献１を参照のこと。傾斜波干渉計の一例としての構成は、特許文献２に記載されている。この記載された傾斜干渉計は、点光源アレイ（ＰＬＱＡ）と、ＰＬＱＡから発せられる光の光路上においてＰＬＱＡの後に配置された、コリメータ、任意選択の干渉計対物レンズ、ビームスプリッタ、干渉計絞り、結像光学系、及びカメラからなる光学システムとを有しており、干渉計絞りは近似的に、フーリエ平面としても知られる結像光学系の物体側の焦点平面に配置される。

ＴＷＩの公知の実施形態は、傾斜物体波面の生成前に、試験体から反射された物体波面を、光源の光からのビーム分割によって生起される、すべての物体波面に対してコヒーレントな参照波と重ね合わせることで干渉図形を生成する。特許文献２から公知な例においては、この参照波は別個に案内されて、試験体で反射された物体波面が干渉計対物レンズとコリメータを通過した後で初めてビームスプリッタにより再び入力結合されて、分析可能な干渉縞がカメラで形成されるようになっており、これに基づいて特許文献２に記載されている方法で試験体の形状誤差を演繹することができる。

参照波面の別個の入力結合に基づき、参照波と物体波との光学系路に関して大きな相違が生じる。そのため、たとえば熱で誘導される構造の変化によって、あるいは空気の局所的な屈折率変動によって、参照波と物体波との間の位相差の不都合な不安定性が生じる。

１９世紀から知られる、安定性に基づいて非常に普及しているフィゾー干渉計は、ビーム分割をするフィゾー面によって参照波を生成し、その表面法線は、入射する波面の面法線に対して近似的に垂直である。このような部分鏡面化されたフィゾー面は、多くの場合、たとえばフィゾー対物レンズ（英語：「ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｈｅｒｅ」）において試験体の前の最後の面であり、ビームは多くの場合に使用される試験コンフィギュレーション、いわゆる「ゼロテスト」では、試験体に対して垂直に当たり、それに伴ってそれ自体の中に反射されるので、参照波面と物体波面は、フィゾー面と試験体との間の短い部分でのみ別々に分かれ、それ以外ではほぼ同一の経路で干渉計を通過する。したがってフィゾー干渉計は、英語では「ｃｏｍｍｏｎ−ｐａｔｈ」干渉計とも呼ばれる。干渉図形では参照波面と物体波面の間の差異しか結像されないので、共通する経路の特性は、測定結果の再現性に対してプラスの影響を及ぼす。

国際出願公開２００４／０５１１８３号パンフレット ドイツ特許第１０２００６０５７６０６Ｂ４号明細書 中国特許出願公開第１０３７５９６６８Ａ明細書 中国特許出願公開第１０２６０７４５４Ａ明細書

干渉図形の分析のために、特許文献２に開示の傾斜波干渉計では位相シフト法が用いられ、参照波が圧電アクチュエータにより複数の工程でシフトされて、画像スタックがシーケンシャルに記録される。位相シフトはシーケンシャルモードによるため測定時間が長くなる。さらに、このような方法は振動に対して影響を受けやすく、このことはたとえば製造業での干渉計の使用を難しくする。

ＴＷＩは、さらにＷ． Ｏｓｔｅｎ等の文献「Ｔｓｔｉｎｇ ａｓｐｈｅｒｉｃ ｌｅｎｓｅｓ： Ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ， Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｓ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂｄ．４６，Ｎｒ．４，ＸＰ０５５３３７０７７ ＵＳ ＩＳＳＮ：８７５６−６９９０，ＤＯＩ： １０．３１０３／３８７５６６９９０１００４００５９」（２０１０年８月刊）の３２９〜３３９頁」、特許文献３及び特許文献４から公知である。 特許文献４に記載の技術に対して、本発明は、その装置態様に関しては請求項１の特徴部の構成要件の故に相違し、方法態様に関しては独立の方法請求項の特徴部の構成要件の故に相違する。

選択を個別に行なうことにより、独自に選択された参照波の生成が避けられるため、複数のフィゾー反射よる波が消えることにより、これらの波が検出器において重なることが妨げられる。特許文献４のＴＷＩにおいては、フィゾー対物レンズが組み込まれていることにより、夫々の測定値記録において同じ参照波が使用されているから、好ましくない複数のフィゾー反射波の重なり合いが招来される。

前記干渉計は、このように構成されているために、光学的に平坦な表面が測定において種々の選択された物体波によって照射され、それによって参照波それ自体が個々に選択され、他の選択された波による照射がオフとされ、これらの邪魔となる反射という問題が解決される。これによって特許文献２とは反対に次の利点が齎される。それは、当該干渉計について個別的に製作される干渉計対物レンズを使用する必要がないということである。本発明で使用可能なフィゾー対物レンズは市場で広く普及しており、それに応じて、特別製造のものよりも低コストである。

フィゾー対物レンズが干渉計対物レンズとして使用されることで、部分的に反射をするフィゾー対物レンズの面で生じる物体波の反射を、参照波面の発生源として利用可能である。このように参照波が生成されるとき、本発明による干渉計の中を延びる物体波と参照波との光学経路は、フィゾー面から試験体までの経路を例外として互いに僅かしか相違しない（コモンパス設計）。その帰結として、キャリブレーションの安定性に関して利点がもたらされ、空気の屈折率変動や熱による構造の変形、振動などのその他の要因に対する干渉計の感受性に関しても利点がもたらされる。コモンパス設計により改善される物体波と参照波との間の位相差の安定性は、干渉図形の分析にとって新たな可能性を開く。

この干渉計の構造は全体としてコンパクトであり、特許文献２の干渉計と比較してより少ない光学コンポーネントからなる。

この干渉計では、位相を分析するために位相シフト法が依然として可能であるが、別案の選択としてキャリア周波数法を位相の決定のために適用することもでき、このことは特定の状況において好ましい。

公知の傾斜波干渉計法では、種々の選択された物体波Ａ_１・・・Ａ_Ｎにより試験体が照明されて、それぞれ干渉図形が記録される。傾斜波干渉計で適用される選択の個数Ｎについての典型的な規模は４つである。これら４つの選択の物体波面を用いた測定データ記録によって、検出器に当たるそれぞれの物体波面が重なり合い、そのために干渉図形が分析可能でなくなってしまうことが回避される。参照波は別個に供給されるので、参照波は異なる選択の物体波を用いたいずれの記録でも検出器を照明し、このようにして所望の干渉図形をもたらす。

特許文献２から公知の傾斜波干渉計で使用される特別な干渉計対物レンズをフィゾー光学系で置き換えることは、さしあたり、傾斜波干渉計の通常動作では参照波として利用できず、むしろ妨害となるはずの反射をフィゾー面が生成することにつながる。確かに、たとえば選択Ａ_１は参照波面として利用できるはずの反射をフィゾー面で生成する物体波を含むことになる。たとえばこのことは公知の実施形態では、点光源により光学軸上で生成されて傾斜せずに光学軸と平行に伝搬する物体波面になる。しかし、これ以外の選択Ａ_２・・・Ａ_Ｎへと切り換られるとただちにこの波面は原理上はオフになり、それに応じて参照波面を生成することができない。

この問題に対する本発明の解決法は、各々の選択が独自の参照波を生成することにある。物体波面の選択、及び干渉計絞りの位置と大きさは、１つの選択ごとにちょうど１つの物体波面がフィゾー面で参照波面を生成し、この参照波面が干渉計絞りを通過して検出器に、好ましくはカメラに到達するように選択される。選択のうち他の物体波面によって生成されるフィゾー面での反射は、干渉計絞りによって遮蔽される。

結像光学系のフーリエ平面にあるそれぞれ異なる点Ｐ１及びＰ２から発せられる球面波は、検出器でそれぞれ相違する伝搬方向を有する平面波を形成することが知られている。２つの平面波面が検出器で干渉しあい、それにより、それぞれの干渉縞パターンが２つのピクセル長の縞間隔を有するとき、干渉図形の検出は、信号処理から知られるナイキスト基準を満たす。このときフーリエ平面における付属の球面波中心Ｐ１−Ｐ２の間隔を、記号ａで表すものとする。この大きさａは、結像光学系及び使用される干渉計のピクセルサイズに依存して決まる。

好ましい設計においては、点光源の固定的な配置が規則的な格子を形成し、この規則的な格子と干渉計の光学軸との交差点には点光源が存在せず、ｎ＝３又はそれ以上の点光源が、前記交差点までの距離が対称となるように配置され、その物体波がフィゾー対物レンズ又はフィゾー板で参照波を生成するのも好ましい。

さらに、干渉計絞りは測定中に可動ではなく、複数の物体波面により生成される参照波面を検出器へと同時に到達させることになるように設計されており、干渉計は、測定値記録ごとに１つの物体波面だけが検出器に到達する参照波面を生成するように物体波面の選択を規定する適当な装置を有し、好ましくは可動の絞りアレイを有するのが好ましい。

検出器でのちょうど１つの参照波面を選択するために、これらの参照波面を生成する物体波面を選択するための絞りアレイが存在するのも好ましい。

干渉計絞りが可動であり、各々の測定値記録についてちょうど１つの参照波面の光が検出器へ到達するように位置決め可能であるのも好ましい。

さらに別の好ましい実施形態は、検出器において干渉図形で分析可能な縞を有する部分領域が生起されるべく、参照波の入射角と近似する入射角を有する物体波だけを検出器に向けて案内するように干渉計絞りが寸法決めされていることを特徴とする。

さらに干渉計は、異なる物体波から生じる分析可能な縞を有する干渉図形の部分領域が検出器で互いに重なり合うように設計されているのが好ましい。

さらに別の好ましい実施形態は、点光源アレイと、点光源アレイから発せられる光の光路で点光源アレイの後に配置されたコリメータ及び照明をする手段としての干渉計対物レンズからなる光学システムと、ビームスプリッタと、干渉計絞りと、重ね合わせをする手段としての結像光学系と、カメラ（Ｋ）とを有し、干渉計絞りは結像光学系のフーリエ平面で結像光学系とビームスプリッタとの間に配置され、光源は光源アレイで行と列とに規則的な相互間隔で配置され、干渉計の中心軸はｎ角形の法線を形成し、その角に互いに隣接するｎ個の点光源のうちのそれぞれ１つが位置し、法線はｎ角形の中心点にあることを特徴とする。

干渉計絞りがｎ角形又は円形の開口部を有するのも好ましい。

さらに、ｎ角形の開口部の辺の長さは、干渉計絞りによって勾配が制限されている波面が平坦な参照波と干渉したときに生じる干渉図形の縞密度が最大でカメラのナイキスト周波数の半分に達する辺の長さａと少なくとも同じ大きさであるのが好ましい。

さらに別の好ましい実施形態は、辺の長さａがさらに２掛けるεの追加の長さの分だけ大きくなっており、εはａ／１０よりも小さいことを特徴とする。

干渉計が、光学軸上に位置する中心の点光源を生成する追加の干渉計アームを有しているのも好ましい。

さらに別の好ましい実施形態は追加の干渉計アームがビームスプリッタと、ミラーと、顕微鏡対物レンズ及びレンズからなる望遠鏡と、レンズと、別のビームスプリッタとを有し、ビームスプリッタは干渉計のレーザの光を追加のミラーを介して望遠鏡へと方向転換させるためにセットアップされて配置され、望遠鏡はミラーから入射する光束を拡張して追加のレンズのほうへ向けるためにセットアップされ、この追加のレンズは、拡張された光束を集束させて別のビームスプリッタのほうへ向けるためにセットアップされて配置され、この別のビームスプリッタは干渉計の光路で干渉計絞りと干渉計のカメラアームの結像光学系との間に配置されるとともに、追加のレンズから入射してくる光を干渉計のカメラアームへ入力結合するためにセットアップされることを特徴とする。

干渉計が、フィゾー対物レンズを光学軸に沿ってスライドさせるためにセットアップされたフィゾー対物レンズアクチュエータを有しているのも好ましい。

さらに干渉計が、ビームスプリッタから発せられる光路をそれぞれ遮蔽し、又は遮蔽しないように制御するようにセットアップされて配置された第１のシャッタと第２のシャッタとを有するのが好ましい。

第１のシャッタはビームスプリッタと干渉計の顕微鏡対物レンズとの間に配置され、第２のシャッタはビームスプリッタと追加のミラーとの間に配置されるのも好ましい。

方法態様の観点からすると、１つの測定は複数の測定値記録で成り立っており、異なる測定値記録について互いに相違する物体波の異なる選択が適用され、それにより、異なる測定値記録によって表面の測定されるべき各々の点が少なくとも１回だけ物体波により照明されて、該物体波が検出器へと到達するようになっているのが好ましい。

さらに別の利点は従属請求項、発明の詳細な説明、及び添付の図面から明らかとなる。

以上に挙げた、及び以下にこれから説明する各構成要件は、それぞれ記載されている組合せとしてだけでなく、本発明の枠組みから外れることなく、それ以外の組合せや単独でも適用可能であることは自明である。

本発明の実施例が図面に示されており、以下の記述において詳しく説明する。その際に、異なる図面の同じ符号はそれぞれ同じ部材又は少なくとも機能の点からして同等の部材を表す。図面はそれぞれ模式的な形態で次のものを示す。

公知の傾斜波干渉計である。 従来技術における点光源アレイの光射出側の配置である。 物体光路とともに示す本発明による干渉計の実施例である。 本発明における点光源アレイの光射出側の配置である。 本発明の１つの実施例で使用される干渉計絞りの好ましい実施形態である。 参照光路とともに示す図３の実施例である。 １つの実施例で使用される干渉計絞りの好ましい実施形態である。 本発明の別の実施例である。

具体的には、図１は特許文献２に記載の干渉計にほぼ相当する公知の傾斜波干渉計を示している。

直線偏光型のコヒーレントなレーザ光源１のビームがλ／２板２を通過し、偏光をさせるビームスプリッタキューブ３により試験ビームと参照ビームとに分割される。試験ビームはビーム拡張手段によって、たとえば顕微鏡対物レンズ４と視準レンズ５とからなるケプラー望遠鏡によって拡張される。拡張されたビームは基板で構成される点光源アレイ６を照明し、顕微鏡対物レンズのほうを向く点光源アレイの前面にはマイクロレンズアレイが取り付けられ、前面と向かい合う裏面にはピンホール絞りアレイ７が取り付けられている。

ピンホール絞りアレイ７は点光源アレイに対して相対的にスライド可能であり、そのつど１つの位置で各々の行と列の２つ目ごとの点光源を不透明に覆い、その他の点光源については透明となる。このような点光源アレイは、冒頭に挙げたドイツ特許出願公開第１０２００６０５７６０６Ａ１号明細書に詳細に記載されている。

１つの行の隣接するそれぞれ２つの点光源の間隔に相当し、１つの列の隣接するそれぞれ２つの点光源のこれと等しい間隔にも相当する格子寸法の分だけピンホール絞りアレイがスライドすることで、４つの工程ですべての点光源を作動化させることができ、このとき、各々の工程後にそれぞれ４つ目の点光源がピンホール絞りアレイの付属の開口部を通して発光し、それ以外の点光源はすべて覆われる。ここで作動化した点光源とは、光放出をしてピンホール絞りアレイで覆われていない点光源を意味する。

アクティブな個々の点光源により生成される球面波面がビームスプリッタ８を通過し、引き続いて視準レンズ９により視準される。このことは、それぞれ異なる値だけ互いに傾斜した多くの波面を生成する。これらの波面は、試験体の球面状の基本形状を補償する干渉計対物レンズ１０を通って伝搬する。ここでの補償とは、反射をする測定されるべき試験体の表面１１と同じ球面状の基本形状を有する波面を干渉計が生成することを意味する。試験体で反射された後、光は伝搬して戻っていき、ビームスプリッタ８で光路のカメラアームへと反射される。そこで光は、干渉計のフーリエ平面にある干渉計絞り１２を通過する。引き続いて光は、試験体をカメラ１４に結像する結像光学系１３を通過する。参照アームでの光の偏光は、λ／２板１５によって９０°だけ回転する。この光は２つのミラー１６及び１７により方向転換し、これらのミラーのうちの一方は、位相シフトによって測定を記録できるようにするために、圧電アクチュエータ２１によって数μｍだけスライドさせることができる。引き続いてビームは、顕微鏡対物レンズ１８と視準レンズ１９からなるケプラー望遠鏡によって拡張される。次いで、参照波の光はレンズ２０により絞り１２の中心へ集束される。結像光学系１３を通過した後、この光はカメラ１４で、試験体で反射された物体波の光と干渉する。干渉計は、視準レンズの光学面の湾曲中心点を通る中心の光学軸２２を有する。

図２は、たとえば図１のコリメータ９の場所から点光源アレイ６を見る観察者に提示される点光源アレイ６の図を示している。

点光源アレイ６は、ここでは行と列で規則的な点光源２３の配置を含んでいる。この配置は、特に、上述した中心軸の上に位置し、それに伴って中心に配置された点光源２４をなす点光源２４を有している。中心軸は図２では点線で示す両方の直線の交点で、紙面に対して垂直に延びている。

図３は、本発明による干渉計３０の一実施例を物体光路とともに示している。コヒーレントなレーザ源Ｌの光ビームが、顕微鏡対物レンズＭ１と視準レンズＬ１とからなる望遠鏡によって拡張されて、従来の構造と同じく前面にマイクロレンズアレイ及び裏面にピンホールアレイ（ピンホール絞りアレイ）を有する基板からなる点光源アレイＰＬＱＡに当たる。前面は入射するレーザ光のほうを向く側であり、裏面はピンホール絞りのほうを向く側である。点光源アレイＰＬＱＡが図２に示す点光源アレイ６と相違するのは、特に、その点光源が干渉計の光学システムの中心軸に関して別様に配置されていることによる。

図４は、このような点光源アレイＰＬＱＡの図を、本発明と適合性のある配置で示している。ここで図４は、たとえばコリメータＬ２の場所から点光源アレイを眺めたときに観察者に提示される図面を示す。ここで使用される点光源アレイＰＬＱＡと図２に示す点光源アレイ６との主要な相違点は、図４に示す点光源アレイＰＬＱＡは干渉計での配置に関して中心の発生源を有さないことにある。ピンホールアレイＡＡの位置に応じて、中心の光学軸２２の周りに位置する４つの点光源２５，２６，２７，２８のうちの１つがアクティブとなる（そのつどアクティブな点光源との関連で、全体としてそれぞれ各々の４つ目の点光源がアクティブになる）。ここでも中心軸は、点線で示す両方の直線の交点で、図４の紙面に対して垂直に延びる。光学軸のもっとも近傍に配置される点光源２５，２６，２７及び２８は、同じ大きさの点として示す、さらに外側に位置する他の点と比べたとき、試験波面に加えてフィゾー反射を参照波として生成するという特徴がある。

以下において、図３の実施例の図面を再び参照する。光源Ｌとして、１つの好ましい実施形態では１０ｍＷの出力を有する波長λ＝６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザが使用される。この実施形態は、可視光について光学素子を測定するのに有意義である。用途に応じて、別の出力及び／又は別の波長を有する別の光源、たとえば５０ｍＷの出力を有する５３２ｎｍの波長のレーザが有意義であり得る。

点光源の光はさらにビームスプリッタＳＴ２を通って伝搬し、視準レンズＬ２によって視準される。アクティブな点光源から発せられる互いに傾斜した平面波面が、フィゾー対物レンズＦＯにより球面波面へと変換され、それにより試験体の球面上の基本形状を補償する。シュミット補正板又はこれに類する基本湾曲のない試験体が測定されるときは、平坦なフィゾー面が利用される。試験体ＳＵＴ（ｓｕｒｆａｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｅｓｔ）で反射された後、光はビームスプリッタＳＴ２へ戻るように伝搬して、光路の結像アーム／カメラアームへと反射される。

この構造のフーリエ平面には干渉計絞りＡがある。図５は、干渉計絞りが正方形の開口部３０を有する、１つの好ましい実施形態を示す。開口部の外部で開口部を取り囲んでいる絞りの領域は不透明である。

干渉図形の分析のためにキャリア周波数法が適用される場合、絞り開口部は少なくとも、絞りによって勾配が制限される波面が平面参照波と干渉したときに生じる干渉図形の縞密度が、最大でカメラのナイキスト周波数の半分に達する程度の大きさであるのが好ましい。

カメラのピクセルの密度は、ナイキストに基づき、干渉によってカメラで生成される縞密度との大きさの少なくとも２倍であるのがよく、それは、縞を十分に明瞭に区別して表現できるようにするためである。このとき縞密度はいわば空間的な縞繰返し周波数を含む信号であり、ピクセル密度は空間的なサンプリング周波数である。カメラでの空間的な縞繰返し周波数は、干渉計絞りの内のり幅とコリメータの焦点距離とに依存して決まる。

フーリエ平面に配置される絞りは光の空間周波数にとってローパスフィルタとなり、このようにして高い空間周波数（ｍｍあたりの線数で計測）をフィルタアウトする。それに伴い、正方形の絞り開口部の辺の長さａは、絞りを通過する空間周波数の限界を定義する。辺の長さが短いほど、空間周波数の限界は低くなる。正方形の絞り開口部の辺の長さのある特定の値がカメラのナイキスト周波数に相当する。

絞りが上記の大きさよりも大きいと、光学系により生成される縞パターンがカメラのピクセル解像度よりも細かくなり、その結果、カメラで解像することができなくなる。絞りが上記大きさよりも小さいと、光学系により生成される縞パターンがカメラのピクセル解像度よりも粗くなり、このことは位置解像度の損失を意味する。辺の長さは、カメラＫのナイキスト周波数に相当するのが好ましい。点Ｒ１〜Ｒ４は、図４の光源２５〜２７により最終的に発せられてフィゾー面で反射される４つの参照波の焦点を表す。辺の長さａの正方形の領域は、数学モデルにおける物体波の有効なビームの領域である。物理的に存在する絞りは、さらに追加の長さ（２掛けるε）だけ大きいのが好ましく、それにより縁部での回折効果が回避される。このとき、εはａ／１０よりも小さいのが好ましい。

ただし分析のために利用可能な、その意味において有効な物体波のビームは、ナイキスト周波数の半分の内部にのみ存在する（絞りの中心からａ／２の距離に相当）。絞りの後、光は結像光学系ＡＯを通過してカメラＫに当たる。

図６は、図３の干渉計を参照光路とともに示している。参照波面は、従来の傾斜波干渉計とは異なり、フィゾー面によって生成される。これは典型的には対物レンズＦＯの最後の面である。フィゾー面は、入射してくる試験波の一部を反射するという特徴がある。反射された部分は、たとえば入射してくる試験波のエネルギーの２％〜６％であり、この試験波について、又は物体波として試験体で反射される部分について、参照波となる。ピンホール絞りアレイＡＡの位置に応じて、中心の光学軸の周りに位置する４つの点光源のうちの１つがアクティブとなる。

アクティブな発生源の光はビームスプリッタＳＴ２を通って伝搬し、引き続いてレンズＬ２によって視準される。引き続きこの光が対物レンズＦＯのフィゾー面で反射され、ビームスプリッタＳＴ２へと戻るように伝搬し、そこでカメラアームの中に反射される。この光が正方形の絞り開口部の４つの角のうちの１つで絞りＡＯを通過し、このことはナイキスト周波数の半分に相当しており、結像光学系ＡＯの通過後に試験波とカメラＫで干渉する。

正方形を有する説明した実施形態は、ｎ角形の一般的なケースのｎ＝４についての特殊事例にすぎない。フーリエ平面を通る参照波面の通過の位置は、常に、絞りの４つの角のうちの１つに位置しているので、ビームは、フーリエ平面で参照波から最大の距離をもって、向かい合う角に位置する。それにより、物体波と参照波とから形成される干渉図形の縞密度は、ゼロ（縞なし）とナイキスト周波数（最大の縞密度）との間のインターバルに制限される。従来の傾斜波設計と比べて絞りが半分の内のり幅しか有していないので、ピクセル解像度が同じままであれば、点光源アレイＰＬＱＡにおける発生源の間隔も半分にしなければならない。

干渉計絞りは、参照波と類似する角度でカメラに入射する物体波だけを通過させるので、同時に、分析可能な縞をもたらすのでない反射された物体波をフェードアウトさせる。このようにして、１つの点光源から発せられる各々の物体波について、分析可能である少なくとも１つの限定された領域がカメラで生じる。ここで分析可能な領域とは、解像可能な縞を含んでいる縞パターンを意味する。別の物体波の１つ又は複数の領域は別のどこかに位置する。これらの領域の各々が、結果として、試験体の表面の別の部分に関する情報を含む。各領域の明確な区分に基づき、多くの物体波が同時にスイッチオンされるのが好ましい。

このように、傾斜した参照波によって常に１つのキャリア周波数が干渉図形に存在し、それにより、干渉図形で結像される位相差を決定するためにキャリア周波数法を適用することが可能である。

キャリア周波数法は、干渉計の設計と干渉図形の分析に携わる当業者にはよく知られており、したがってここで詳しくは説明しない。例として、刊行物「ニュー・ツァイス・干渉計」に記載されている、ツァイス社の干渉計Ｄｉｒｅｃｔ１００を援用する。冒頭に挙げた刊行物「Ｆｏｕｒｉｅｒ−ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｒｉｎｇｅ−ｐａｔｔｅｒｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｂａｓｅｄ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」に記載されている、干渉図形から位相を計算するための非常に計算効率のよい手法である武田方式も知られている。

キャリア周波数法を通じての分析の別案として、依然として位相シフト法も適用することができる。その場合の利点は、第１のバージョンのときにキャリア周波数のために必要であるナイキスト周波数の部分を試験波面のために利用できるようになり、それにより、干渉パターンごとに２倍の縞密度を利用できることにある。

フーリエ平面の絞りは、ここではキャリア周波数法の場合の２倍の大きさであり、各マイクロレンズの間隔も同じく２倍にすることができる。

参照波は依然として傾斜しているので、ここでは絞りＡもピンホール絞りアレイＡＡの位置に応じて同じくスライドさせなければならず、その様子は図６に示されている通りである。

図７は、フーリエ平面での正方形の干渉計絞りを、スライドした４つのスライド位置で詳細に示している。

辺の長さ２ａの正方形の領域は、数学モデルにおける物体波の有効なビームの領域である。物理的に存在する絞りは、追加の長さ（２掛けるε）の分だけさらに大きいのが好ましく、それにより縁部での回折効果が回避される。

両方の配置のいずれがより良く適しているかは、そのつどの測定課題及び／又は環境条件に依存して決まる。

試験体の表面の各々の点が少なくとも１つの物体波により分析されることを確実にするために、１つの好ましい実施形態は、異なる点光源からの異なる物体波の分析可能な領域が互いに重なり合う干渉計の設計を意図する。

重なり合う領域で干渉が乱れるのを回避するために、物体波の１つの選択だけが、たとえば４つ目ごとに、同時にスイッチオンされる。すなわち点光源アレイＰＬＱＡで、存在する点光源の４分の１だけが同時に作動化する。その次の測定では再び各々の４つ目の物体波、ただし別の物体波が利用され、以下同様となる。すなわち４回の測定後に、すべての物体波が１回だけ利用され、試験体の表面の各々の点が少なくとも１つの物体波によって分析可能に走査されたことになる。

コンピュータが点光源アレイの個々の点光源のアクティビティを制御し、試験体の各々の照明状態について、及びそれに伴って点光源アレイの点光源の切り換えられる各々の状態（透明／不透明）について、カメラで記録される干渉図形を保存し、保存された干渉図形の強度分布を分析することで試験体の表面の寸法を決定する。

すでに上で述べた通り、ここで提案される新規の構造の１つの欠点は、中心の発生源が存在しなくなることにある。中心の発生源の利点は、回転対称の非球面を測定するとき、調節を簡略化するために対称性を利用できることである。

図８は、本発明のさらに別の実施例を示している。この実施例は別の干渉計アームを有することを特徴としており、これによって中心の発生源が本発明による干渉計に付け加えられる。そのために、レーザの光が追加のビームスプリッタＳＴ１により追加のミラーＳ２を介して方向転換され、顕微鏡対物レンズＭ３とレンズＬ３とからなる追加の望遠鏡によって拡張される。追加のレンズＬ４によって光が再び集束されて、追加のビームスプリッタＳＴ３を用いて結像アームへ入力結合される。追加のビームスプリッタＳＴ３は干渉計の光路で、干渉計絞りＡと、干渉計のカメラアームの結像光学系ＡＯとの間にある。ここから光はビームスプリッタＳＴ２へと伝搬し、これ以降、点光源アレイＰＬＱＡからの試験波と同一の経路をとる。参照波は同じくフィゾー反射を通じて生成される。この波は中心にあるので、参照波は傾斜しておらず、キャリア周波数なしに干渉図形が生じる。

位相を分析するために、ここでもやはり位相シフト法を適用することができ、それは、フィゾー対物レンズＦＯがアクチュエータ４０によってスライドすることによる。したがって１つの好ましい実施形態は、フィゾー対物レンズＦＯを光学軸２２に沿ってスライドさせるフィゾーアクチュエータ４０を有することを特徴とする。別案として波長のシフトも可能である。両方の動作モード（キャリア周波数又は中心の発生源）の間で切換をできるようにするために、照明部に２つのシャッタＳＨ１，ＳＨ２が追加的に組み付けられ、これらがそのつど必要のない光路を遮蔽することを可能にする。したがって１つの好ましい実施形態は、第１のシャッタと第２のシャッタとを有することを特徴とする。第１のシャッタＳＨ１は、追加のビームスプリッタＳＴ１と顕微鏡対物レンズＭ１との間に配置される。第２のシャッタＳＨ２は、追加のビームスプリッタＳＴ１と追加のミラーＳ１との間に配置される。

Claims (18)

1. 光学的に平滑な表面を面状に測定するための干渉計であって、表面の測定されるべき表面領域を複数の物体波で異なる方向から照明するための手段と、前記表面で反射された物体波を、複数の物体波に対してコヒーレントな参照波と検出器で重ね合わせて、前記表面の寸法が結像された干渉図形にする手段と、を有し、前記干渉計は、前記表面を複数の物体波で同時に照明し、フィゾービームスプリッタ板又はフィゾー対物レンズによって、表面（１１）を照明する物体波のうちの１つからのビーム分割によって、参照波を生成するためにセットアップされており、前記干渉計は光路で前記検出器（１４）の前に配置された干渉計絞り（１２）と結像光学系とを有しており、前記干渉計絞りは前記結像光学系のフーリエ平面にあるか、又は若干その外にあり、前記表面で反射された物体波をフィルタリングする、干渉計において、前記干渉計は、照射手段としての切換可能な点光源の固定的な配置を有し、光学的に平坦な表面が測定において種々の選択された物体波によって照射され、それによって参照波それ自体が個々に選択され、他の選択された波による照射がオフとされるように構成されているとともに、これらの点光源と前記干渉計絞り（１２）は、各々の測定値記録のときに１つの参照波面だけが前記検出器（１４）に到達して、これを全面的に照明するように構成されていることを特徴とする干渉計。
2. 点光源の固定的な配置が規則的な格子を形成し、この規則的な格子と干渉計の光学軸との交差点（Ｄ）には点光源が存在せず、ｎ＝３又はそれ以上の点光源が前記交差点（Ｄ）を中心として対称に等間隔で配置され、その物体波がフィゾー対物レンズ又はフィゾー板で参照波を生成することを特徴とする、請求項１に記載の干渉計。
3. 前記干渉計絞り（１２）は測定中に可動ではなく、複数の物体波面により生成される参照波面を前記検出器へと同時に到達させることになるように設計されており、前記干渉計は、測定値記録ごとに１つの物体波面だけが前記検出器に到達する参照波面を生成するように物体波面の選択を規定する装置を有し、好ましくは可動の絞りアレイを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の干渉計。
4. 前記検出器でのちょうど１つの参照波面を選択するために、これらの参照波面を生成する物体波面を選択するための絞りアレイが存在することを特徴とする、請求項３に記載の干渉計。
5. 前記干渉計絞り（１２）は可動であり、各々の測定値記録についてちょうど１つの参照波面の光が前記検出器へ到達するように位置決め可能であることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の干渉計。
6. 検出器において干渉図形で分析可能な縞を有する部分領域が生起されるべく、参照波の入射角と近似する入射角を有する物体波だけを検出器に向けて案内するように干渉計絞りが寸法決めされている（１２）ことを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の干渉計。
7. 前記干渉計は、異なる物体波から生じる分析可能な縞を有する干渉図形の部分領域が前記検出器で互いに重なり合うように設計されていることを特徴とする、請求項６に記載の干渉計。
8. 点光源アレイ（ＰＬＱＡ）と、前記点光源アレイ（ＰＬＱＡ）から発せられる光の光路で前記点光源アレイ（ＰＬＱＡ）の後に配置されたコリメータ（Ｌ２）及び照明をする手段としての干渉計対物レンズ（ＦＯ）からなる光学システムと、ビームスプリッタ（ＳＴ２）と、干渉計絞り（Ａ）と、重ね合わせをする手段としての結像光学系（ＡＯ）と、カメラ（Ｋ）とを有し、前記干渉計絞り（Ａ）は前記結像光学系（ＡＯ）のフーリエ平面で前記結像光学系（ＡＯ）と前記ビームスプリッタとの間に配置され、前記光源（２５，２６，２７，２８）は前記光源アレイ（ＰＬＱＡ）で行と列とに規則的な相互間隔で配置され、前記干渉計の中心軸（２２）はｎ角形の法線を形成し、その角に互いに隣接するｎ個の点光源（２５，２６，２７，２８）のうちのそれぞれ１つが位置し、前記法線はｎ角形の中心点にあることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の干渉計（３０）。
9. 前記干渉計絞り（Ａ）がｎ角形又は円形の開口部を有することを特徴とする、請求項８に記載の干渉計（３０）。
10. ｎ角形の開口部の辺の長さは、前記干渉計絞り（Ａ）によって勾配が制限されている波面が平坦な参照波と干渉したときに生じる干渉図形の縞密度が最大で前記カメラ（Ｋ）のナイキスト周波数の半分に達する辺の長さａと少なくとも同じ大きさであることを特徴とする、請求項９に記載の干渉計（３０）。
11. 前記辺の長さａがさらに２掛けるεの追加の長さの分だけ大きくなっており、εはａ／１０よりも小さいことを特徴とする、請求項１０に記載の干渉計（３０）。
12. 前記干渉計が、光学軸上に位置する中心の点光源を生成する追加の干渉計アームを有することを特徴とする、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の干渉計（３０）。
13. 前記追加の干渉計アームがビームスプリッタ（ＳＴ１）と、ミラー（Ｓ１）と、顕微鏡対物レンズ（Ｍ２）及びレンズ（Ｌ３）からなる望遠鏡と、レンズ（Ｌ４）と、別のビームスプリッタ（ＳＴ３）とを有し、前記ビームスプリッタ（ＳＴ１）は前記干渉計（３０）のレーザ（Ｌ）の光を前記追加のミラー（Ｓ１）を介して前記望遠鏡へと方向転換させるためにセットアップされて配置され、前記望遠鏡は前記ミラー（Ｓ１）から入射する光束を拡張して前記追加のレンズ（Ｌ４）のほうへ向けるためにセットアップされ、この追加のレンズは、拡張された光束を集束させて前記別のビームスプリッタ（ＳＴ３）のほうへ向けるためにセットアップされて配置され、この別のビームスプリッタは前記干渉計（３０）の光路で前記干渉計絞り（Ａ）と前記干渉計（３０）のカメラアームの結像光学系（ＡＯ）との間に配置されるとともに、前記追加のレンズ（４）から入射してくる光を前記干渉計（３０）のカメラアームへ入力結合するためにセットアップされることを特徴とする、請求項１２に記載の干渉計（３０）。
14. 前記干渉計（３０）は、フィゾー対物レンズを光学軸（２２）に沿ってスライドさせるためにセットアップされたフィゾー対物レンズアクチュエータ（４０）を有することを特徴とする、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の干渉計（３０）。
15. 前記干渉計（３０）は、前記ビームスプリッタ（ＳＴ１）から発せられる光路をそれぞれ遮蔽し、又は遮蔽しないように制御するようにセットアップされて配置された第１のシャッタ（ＳＨ１）と第２のシャッタ（ＳＨ２）とを有することを特徴とする、請求項１４に記載の干渉計（３０）。
16. 前記第１のシャッタ（ＳＨ１）は前記ビームスプリッタ（ＳＴ１）と前記干渉計（３０）の前記顕微鏡対物レンズ（Ｍ１）との間に配置され、前記第２のシャッタ（ＳＨ２）は前記ビームスプリッタ（ＳＴ１）と前記追加のミラー（Ｓ１）との間に配置されることを特徴とする、請求項１５に記載の干渉計（３０）。
17. 光学的に平滑な表面を面状に測定する方法であって、表面の測定されるべき表面領域が複数の物体波で異なる方向から照明され、前記表面で反射された物体波が、複数の物体波に対してコヒーレントな参照波と検出器で重ね合わされて、前記表面の寸法が結像された干渉図形にされ、前記表面は複数の物体波で同時に照明され、参照波はフィゾービームスプリッタ板又はフィゾー対物レンズによって前記表面（１１）を照明する物体波のうちの１つからのビーム分割によって生成され、前記表面で反射された物体波は、結像光学系のフーリエ平面にあるか、又は若干その外にある、光路で前記検出器（１４）の前に配置された干渉計絞り（１２）によってフィルタリングされる方法において、物体波は点光源の固定的な格子状の配置によって生成され、光学的に平坦な表面が測定において種々の選択された物体波によって照射され、それによって参照波それ自体が個々に選択され、他の選択された波による照射がオフとされるとともに、各々の測定値記録のときに前記検出器に到達してそこで物体波と干渉する参照波はちょうど１つの点光源に由来しており、前記検出器を全面的に照明することを特徴とする方法。
18. １つの測定は複数の測定値記録で成り立っており、異なる測定値記録について互いに相違する物体波の異なる選択が適用され、それにより、異なる測定値記録によって前記表面（１１）の測定されるべき各々の点が少なくとも１回だけ物体波により照明されて、この物体波が検出器へと到達するようになっていることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
    

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