JPH11514086A - 回折格子を用いる干渉計用縞パターン弁別器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 対象縞パターンは、テストビームと参照ビームとを分離し再度組み合わせる一対の回折格子を用いる干渉計により作られるインターフェログラム内の他の縞パターンから識別される。テストビームがグレージング的に入射する対象は、干渉計の光軸に直交する平面内でＸ方向及びＹ方向に移動して、対象縞パターンの明るい領域を変化させる。コンピュータは、対象の移動に対応して変化する放射照度を有するピクセルを同定し、次いで、同定されたピクセルからの放射照度データのみを用いてインターフェログラムを分析して、対象表面の計測値を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】 回折格子を用いる干渉計用縞パターン弁別器 技術分野 対象の表面を計測するため、テストビームと参照ビームとを分離して再度組み 合わせる一対の回折格子を用いる干渉計において生じるインターフェログラムを 分析する。 背景 干渉計は、参照ビームとテストビームとを分離し再度組み合わせるための整合 された回折格子を用いることができる。干渉計は、回折格子の間に配置された対 象の全表面を計測することができる。回折格子の形状と対象の表面とに依存して 、格子を貫通する正次元、負次元及び０次元のビームは、いくつかの干渉パター ンを作る。インターフェログラムにおける他のパターンの中で、対象表面から反 射したテストビームと対象表面の空間を通過する参照ビームとにより形成された 対象縞パターンが存在するであろう。ある方法は、計測目的に有用な対象を含む 干渉縞パターンと、回折格子の整合の結果生じて対象の情報をまったく含まない 他の干渉縞パターンと、の間で弁別することを必要とする。アライメント縞パタ ーンは、容易には排除できないので、このことは特に重要である。 回折格子、対象及びイメージングシステムの位置づけ及び特性の正確な知識を 用いて、対象の情報を含む干渉パターンを計算することは、理論的には可能であ る。実際にはかような正確な情報を得ることは困難で費用がかかる。我々の縞パ ターン弁別器は、非常に低コストで効果的に対象縞パターンを同定する別の方法 を提供する。 発明の概要 一対の回折格子により引き起こされたアライメント縞パターンから 対象縞パターンを弁別する我々の方法は、アライメント縞を静的なまま残し、対 象縞を移動させるように、対象を移動させる工程を含む。回折格子の光軸に垂直 な平面内のＸ方向及びＹ方向に、対象を移動させると、回折格子自身により引き 起こされる他の縞パターンは変化せずに残り、対象縞パターンに変化を生じさせ ることを見出した。対象が移動している間、インターフェログラムがイメージさ れる列におけるピクセルの放射照度の変化をモニターすることにより、この利点 を得る。このことから、対象情報を含む縞パターンによって、ピクセルは照射さ れることを我々は測定した。この測定が為されると、対象表面は、対象縞パター ンにより照射されているものとして同定されたピクセルだけからのデータを訂正 しながら、インターフェログラムを位相変調することによって、対象表面は計測 可能である。次いで、データは分析されて、計測されている対象表面に関する情 報を表示する。 他の縞パターンから対象の縞パターンを弁別する我々の方法は、対象の縞パタ ーンにおける領域の明るさを変化させるに十分な距離だけ、対象がＸ方向及びＹ 方向に移動するように、対象を載せたステージを移動する工程を含む。かような 移動は、インターフェログラムがイメージされるピクセル列を含むイメージング システムからの入力を受信するコンピュータにより制御され得る。対象を支持す るステージすなわちプラットフォームは、好ましくは、回折格子間を通過する照 明を対象表面を計測するために必要な最小直径まで制限する可変アパチャを含む 。好ましくは干渉計を操作するために用いられるコンピュータは、対象が移動し た後、対象縞パターンにより、照射されるピクセルを同定することができる。コ ンピュータはイメージングシステムからの入力に対応して、ステージ移動を制御 して、この目的のために満足する移動を確実に生じさせることができる。コンピ ュータは、さらに、対象表面の計測のためにデーターが収集されて分析されてい る間、好ましくは光軸に沿って回折格子の一つを移動することにより、インター フェログラムの位相を変調することができる。 図面 図１は、本発明の縞パターン弁別器に組み込まれた干渉計の該略図である。 図２は、本発明により、対象縞パターンを弁別するために、Ｘ方向及びＹ方向 に移動されたステージの該略図である。 図３は、本発明により、弁別のために対象縞パターンを含むインターフェログ ラムがイメージされたピクセル列の該略図である。 図４は、整合された回折格子間を通過するビームの該略図であって、一つのビ ームが対象表面に入射して、図３のインターフェログラムを作る状態を示す。 詳細な説明 図１に概略的に示されている干渉計１０は、一対の整合された回折格子１１及 び１２を含む。回折格子１１及び１２は、破線により示されている光軸１３上に 整合されている。好ましくは視準された単一光である光源１４は、回折格子１１ 及び１２を貫通するように方向づけられている。回折格子がどのように構成され るかにより、分割されたビームは、回折されないビームの０次及び回折されたビ ームの正次元及び負次元を含むことができる。０次のビームは、しばしば参照目 的のために有用である。回折されたビームは、回折格子間に位置づけられている 対象１５の表面にグレージング的に入射する。 種々の分割されたビームは、回折格子１２により再度組み合わされてイメージ ングシステム１６内にインターフェログラムを作る。インターフェログラムの一 部は、参照ビームと再度組み合わされている対象表面上に入射するテストビーム からの対象縞を含む。インターフェログラムの他の部分は、対象表面上に入射せ ず対象情報を含まないビームを再度組み合わせることによって生じる。これらの 縞パターンは、回折格子１１及び１２の形状及び整合の結果として生じる。 実際には、回折格子１１及び１２は、０次透過を抑制するように設計されても よく、正次元又は負次元ビームを強調するように輝かせることもできる。回折格 子１１及び１２は、特に回転の対象表面を計測するために、しばしば光軸１３と 同心の円形ラインで形成される。しかし、他の格子形状も可能である。回折格子 設計と対象１５表面との間の満足する符合は、対象表面から反射したビームから の情報を含む対象縞パターンと一緒に格子アライメントから、望ましくない干渉 縞を作り出す。所望の対象縞パターンと所望でないアライメント縞パターンとの 間の弁別は、次いで、対象表面を信頼性よく計測するために必要となる。 これを達成する方法は、対象１５をわずかに移動させることである。これは、 アライメント干渉パターンの縞を移動させずに、対象の干渉パターンの縞を変化 する。このことから、我々は、イメージングシステム１６内に整列されたピクセ ルが対象縞パターンにより照射されていることを決定することができる。次いで 、これらのピクセルからのデータを対象１５の表面を計測して分析するために収 集することができる。 もし、対象１５が一方向にだけ移動されるのであれば、対象縞は、一つの軸に 沿って変化しないまま維持される。よって、対象縞パターンは、完全には移動し ない。これは、好ましくは光軸１３に垂直な平面内で互いに直交する２つのＸ方 向及びＹ方向に対象１５を移動することによって、改善され得る。 アジャスターすなわちモーター２１及び２２によって移動されるステージ２０ は、対象１５に対する必要なＸ方向移動及びＹ方向移動を与える。コンピュータ ２５は、好ましくは、イメージングシステム１６からの情報に対応して、ステー ジ２０の移動を制御する。プラットフォーム１９は、ステージ２０上に対象１５ を載せ、対象１５を支持し且つ回折格子間を通過する光を透過する窓１８を含む 。光軸１３の垂直方向は、窓１８上に対象１５を支持するために利便であるが、 必 要ではない。なぜなら、光軸１３は、水平方向に又は垂直のほかの他の方向に方 向づけられ得るからである。 プラットフォーム１９は更に、好ましくは、調節可能なアパチャ２３を含む。 アパチャ２３は、回折格子間を通過する光を対象１５を計測するために必要な最 小直径まで収縮する。アパチャ２３は、好ましくは、透過された光の外周を調節 可能にマスクする虹彩である。 イメージングシステム１６は、ピクセル３１の列３０を含む。ピクセル３１の 列３０上には、図３に示すように、インターフェログラムの例がイメージされる 。インターフェログラムは、対象縞パターン３５とアライメント縞パターン３２ 及び３３とを含む。かようなインターフェログラムは、計測されている円筒状内 径３６を有する対象１５を含む図４に概略的に示されている状況から結果的に生 じ得る。２本の回折されたビームは、表面３６に入射せずに、対象１５の中空内 部を通過して、図示されてはいないが０次ビームで干渉される。０次ビームは回 折されておらず、アライメント光軸と平行な回折格子１１及び１２の間を通過す る。これは、図３に示すように、アライメント縞パターン３２及び３３を作る。 対象表面３６上にグレージング的に入射するテストビームは、図３に示すよう に、表面３６から反射されて、回折されていない０次ビームと再度組み合わされ て、対象縞パターン３５を作る。縞パターンの環状形状は、対象１５が格子軸上 に中心決めされた回転表面から形成されていることに起因する。類似の対象及び アライメント縞パターンは、対象外部表面を計測するインターフェログラムから 結果的に生じる。大半の対象計測セットアップは、ビームを対象表面上に入射し ないようにして、対象表面に入射するテストビームからの重要な対象縞パターン を含むインターフェログラムに縞を与える。 インターフェログラムからの所望しない縞パターンを減少するための一つの方 法は、アパチャ２３を収縮して、対象計測に必要な最小直径の光を透過させるこ とである。アパチャ２３を収縮させることは、 対象１５の外側の周りに透過する光を排除することによって、図３及び図４に示 す例において、外側の縞パターン３３を排除することができる。多くの場合、ア パチャ２３を収縮することによって、すべての所望しない縞パターンを排除する ことは不可能である。これは、図３及び図４において、アパチャサイズに関わら ず現れる縞パターン３２及び３５により示されている。アパチャ２３によって成 されることは何もなく、対象１５の表面３６を計測するためには、対象縞パター ン３５は、アライメント縞パターン３２から弁別されるべきである。 これは、対象１５がＸ方向及びＹ方向に移動する際に、ピクセル３１の放射強 度をモニタリングすることによって達成される。かような移動は、好ましくは、 ピクセル３１からの入力を受信するコンピュータ２５により制御されて、明と暗 との間の対象縞の放射強度値を変化させるに十分なほど遠くに対象１５を移動可 能とする。対象縞が対象の移動により変調される際に、対象縞パターン３５によ って照射されている列３０のピクセル３１は、大幅に変えることができる放射照 度を回折する。このことから、コンピュータ２５は、対象縞パターン３５により 照らされているピクセル３１を同定する。この決定が為されると、次いで、決定 されたピクセルだけからのデータが対象表面を計測するために用いられる。 計測は、好ましくはモータ２６を用いて、光軸に沿って回折格子１２を移動さ せることによるインターフェログラムの位相変調を含む。コンピュータ２５は、 対象縞パターン３５により照らされているように同定されたピクセルからのデー タを受信しながら、好ましくは、回折格子１２の位相変調移動を制御する。次い で、コンピュータ２５は、データを分析して、対象表面に対する情報を記録し且 つ表示する。 コンピュータ２５が対象縞パターン３５により照らされているピクセル１３１ を同定することができるいくつかの方法がある。これらの方法は、以下の工程を 含む。 １． 先行するフレームのピクセル強度から、あるフレーム内の 各ピクセルの強度を減じ、各ピクセルについての差の絶対値を合計する。 ２． 各ピクセルについての差の二乗を合計する。 ３． 第１のフレーム内のピクセル強度から、あるフレーム内の各ピクセル の強度を減じ、ピクセルについての最大強度差の絶対値を保持する。 ４． フレーム内の各ピクセルについて、ピクセルの最大強度及び最小強度 を保持する。すべてのフレームが取得されると、最大強度から最小強度を減じ、 変調を得る。 上述の方法のいずれも、対象１５が移動するにつれ、たぶん対象縞パターン３ ５により照らされていることから、ピクセルの変調が所定のすなわちデータ依存 性閾値を超えるようなピクセルを決定することができる。次いで、測定データが 同定されたピクセルから収集されてせる間、同定されたピクセルは、列３０の他 のピクセルを除外するマスクとして機能する。 対象の移動は、対象縞パターンにより照らされているピクセルを同定するため に正確に制御される必要はない。一つの縞により縞パターンの位相を変化するに 十分な移動が望ましい。追加的な移動も可能である。一つの直交する転移軸に沿 っての対象の移動は、極を残す。極に沿って、対象縞パターンに位相変化は生じ ない。極において、縞変化が生じない場合であっても、環状縞パターンにとって 、同定されたピクセルの完全な環を単一方向への移動から計算できることは予想 できることである。したがって、より実際的には、対象縞パターンの全体の周り に位相変化が生じるように、対象を両方の直交する転移軸に沿って移動させるこ とが好ましい。かような移動は、連続的になされても同時になされてもよい。 イメージングシステム１６内のＣＣＤカメラ内の列３０にあってもよいピクセ ル３１を見る対象縞を同定するために好ましい方法は、後述する。該方法は、対 象縞パターン３５を見る際に考慮されるべきピ クセルについて対象が移動する際に、ピクセルが記録しなければならない放射照 度の強度変化の程度を設定する変調閾値を確立させる外部のあらかじめ決められ ている入力を用いる。同定工程の結果、２次元のマスク列が生じる。各マスク列 の各要素は、ピクセル３１の一つに対応する。マスク列の各要素は、２つの値の うちの一方、対象縞データ又は他のデータを含むであろう。結果として起こるデ ータ取得及び計算において、位相値は、対応するマスク値が対象縞データである それらのイメージピクセル３１のためにのみ、コンピュータ処理されるであろう 。対応するマスク値が他のデータであるイメージピクセルは、無視される。 各ピクセルにおける放射照度変調の増幅は、対象が移動する際に、ピクセルに より見られる最大強度と最小強度との差として計算される。これは、下記式によ り計算される。 このポイントにて、「未処理」マスク列は、コンピュータ処理されている。干渉 計の電気―光成分におけるノイズ及び機械的要素における変動は、一般に、結果 として、誤って含まれている対象縞パターンの部分でないあるピクセル、及び誤 って出されている対象縞パターンの部分である他のピクセルになる。未処理のマ スクは、対象縞パターンを見るピクセルと、対象縞パターンを見ないピクセルと の間に、より信頼性のある識別を作る計算によって改良され得る。 測定されるべき回転表面を有する対象にとって、望ましい対象縞パターンは、 環状形状である。未処理マスク列に、公知のイメージ処理エッジファインディン グ及び最小二乗法を行うことにより、対象縞パターンの重心、内半径、外半径を 概算することができる。この対象縞パターンの位置及び範囲の概算で、以後の位 相データ取得に用いるべきフィルターがかけられたマスク列を生じさせることが できる。フィルターがかけられた又は改良されたマスク列は、他のピクセルから 縞ピクセルを見せる対象をより容易に弁別する。これは、以下の式により達成さ れる。 今や、リファインされたマスク列は、対象縞パターンの概算された内半径と外 半径との間のすべてのピクセルに対する対象縞データ値と、他のすべての他のデ ータ値と、を含む。 未処理マスクが完了したとき、対象を転移する工程及び評価する工程は、コン ピュータの自動制御下、オペレータの手動により行われ得る。オペレータの手に よりなされるとき、対象の転移及びシンクロナイズされるべきフレームグラッビ ングは特に必要ではなく、対象が転移されるべき回数や各移動にて転移されるべ き距離などの正確性は必要ではない。オペレータは、縞の応答性の数倍の範囲で 、対象を連続的に且つ緩やかに移動することができるかもしれない。コンピュー タは、フレームをつかみ、変調閾値を超えて変調されているピクセルを表示する 。オペレータは、表示されたマスクが閉鎖環の予想されたパターンにほぼ符合す るまで、対象移動を進めるであろう。 マスクに対する対象縞データを同定する際に、対象縞パターンでの各ポイント における強度は、以下の式で与えられる。 強度＝Ａ・Ｂ・Ｃｏｓ（Θ） ここで、Ａは、フィールドの照明のＤＣレベルである。 Ｂは、干渉計のコントラストである。 Θは、干渉計の相対位相である。 対象がＸ軸及びＹ軸に関して移動する際に、対象縞パターンにおける各ポイン トにて、干渉のそれぞれの位相は、以下の式により与えられる。 ここで、Ｘは、Ｘ軸位置である。 Ｙは、Ｙ軸位置である。 Φは、Ｘ軸に関するＸＹ平面における対象表面に対して垂直な角度である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． テストビームと参照ビームとを分離して再度組み合わせるための一対の回 折格子を用いる干渉計により作られたインターフェログラムにおいて、対象縞パ ターンを他の縞パターンから弁別するための方法であって、 ａ．インターフェログラム内での対象縞パターンの領域の明るさを変化させるに 十分な距離だけ、干渉計の光軸に直交する平面内においてＸ方向及びＹ方向に、 計測されるべき対象を移動させる工程と、 ｂ．対象の移動に応答して放射照度に変化を示すイメージングシステムのピクセ ルを同定する工程と、 ｃ．インターフェログラムを分析する際に、弁別されたピクセルからだけの放射 照度データを用いて、対象表面の計測を行う工程と、 を備えることを特徴とする弁別方法。 ２． 請求項１の弁別方法であって、データを集める間に、インターフェログラ ムを位相シフトする工程を含むことを特徴とする弁別方法。 ３． 請求項２の弁別方法であって、前記位相シフトを達成するために、光軸に 沿って、回折格子の一方を移動する工程を含むことを特徴とする弁別方法。 ４． 請求項１の弁別方法であって、同定されたピクセルに嵌合するマスクの中 心、内半径及び外半径を決定する工程と、回転の対象表面を計測するために、マ スク内のピクセルからだけの放射照度データを用いる工程と、を含むことを特徴 とする弁別方法。 ５． 請求項１の弁別方法であって、回折格子の間を通過する光を対象を計測す るために最小限必要な程度まで収縮するアパチャを調節する工程を含むことを特 徴とする弁別方法。 ６． 請求項１の弁別方法であって、Ｘ方向移動及びＹ方向移動を達成するため に、対象を載置するステージの移動をコンピュータ制御する工程を含むことを特 徴とする弁別方法。 ７． テストビームが回折格子間に配置されている対象の表面に入射するように 、テストビームと参照ビームとを分離し再度組み合わせるための一対の回折格子 を用いる干渉計であって、 ａ．対象縞パターン及び他の縞パターンを含むインターフェログラムがイメージ されるピクセル列を含むイメージングシステムと、 ｂ．回折格子の光軸に直交する平面内におけるＸ方向及びＹ方向に、対象を移動 するためのステージと、 ｃ．対象のＸ方向移動及びＹ方向移動に対応して放射照度が変化するピクセルの 弁別手段と、 ｄ．対象表面の計測をするために、弁別されたピクセルだけに応答するインター フェログラム分析装置と、 を備えることを特徴とする干渉計。 ８． 請求項７の干渉計であって、対象表面を計測するために必要な最小直径ま で、回折格子間を通過する照明をリミットする可変アパチャを含むことを特徴と する干渉計。 ９． 請求項８の干渉計であって、前記可変アパチャは、対象と一緒に移動する ために載置されている虹彩絞りであることを特徴とする干渉計。 １０．請求項７〜請求項９のいずれか１の干渉計であって、Ｘ方向及びＹ方向に おける前記ステージの移動を制御するために配置されているコンピュータを含む ことを特徴とする干渉計。 １１．請求項１０の干渉計であって、対象の移動に応答してピクセル放射照度に おける変化を示すため、コンピュータに対するピクセル放射照度入力を含むこと を特徴とする干渉計。 １２．請求項１０の干渉計であって、データ収集の間、インターフェログラムを 位相シフトするためにコンピュータの制御下で、光軸の方向における回折格子の 一方の移動を含むことを特徴とする干渉計。 １３．請求項７の干渉計であって、ピクセル同定手段が回転表面を有する対象と して同定されたピクセルに環状マスクをかぶせ、放射照 度計測データを作るためマスク内でピクセルを同定する、ことを特徴とする干渉 計。