KR100398666B1 - 회절광학장치를이용한표면윤곽묘사방법및묘사기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광원(30), 2개 이상의 회절격자로 이루어진 회절 광학조립체(70,72,73), 홀로그램 또는 기타의 회절 광학장치(120,130; 122,132; 123,133), 전자 검출수단 및 간섭 데이타로 부터 표면 높이를 결정하는 디지탈 신호처리수단(10,110)을 구비하는 표면 윤곽 측정용 광학 시스템에 관한 것이다.
회절 광학 조립체(70,72,73)는 입사광을 2개의 광선(150,160;152,162; 153,163)으로 분할하며, 그 광선들은 계속해서 대상물(20) 표면(70)상의 같은 위치에 다른 입사각으로 부딪힌다. 그 광선들은 대상물 표면으로 부터 반사된 후 뒤로 분리하여 회절 광학 조립체를 통과하며, 그후, 그 광선들이 다시 한번 조합하여 표면윤곽을 나타내는 간섭 패턴을 형성한다. 결과적으로 간섭 패턴의 등가 파장은 조명 파장보다 훨씬 더 길다.

Description

회절 광학장치를 이용한 표면 윤곽 묘사방법 및 묘사기
본 발명은 일반적으로 말하면 표면의 화상 형성 및 분석을 위한 정밀 광학 도량형 기구(precision optical metrology instrumentation), 보다 구체적으로는 표면 윤곽 묘사용 간섭계에 관한 것이다.
표면 윤곽측정을 위해 널리 사용되는 기구중에는 높은 정밀도로서 표면 높이의 변동을 나타내기 위하여 빛의 파동 특성을 이용하는 간섭계가있다. 일반적인 간섭계는 예를들면 다니엘 말라카라(Daniel malscara)가 편집한 옵티칼 샵 테스팅 (Optical shop testing)이라는 서적(1992년 뉴욕소재 윌리사발행)의 1장, 2장 및 3장에 소개되어있다. 통상적인 대부분의 간섭 수단은 표면거칠기 또는 불연속한 높이 변동이 광원 빛 파장의 1/4을 초과하는 표면특징부를 수용할 수 없다. 그러한 표면특징부는 해석하기가 어렵거나 불가능한 간섭상의 모호성을 초래하며 표면경사가 커서 간섭 줄무늬를 분해하기가 어려워지는 경우에 또다른 어려움이 발생한다.
통상적인 간섭계의 제한된 적용범위 때문에 선행기술은 측정 민감도를 감소시키고자 하는 몇가지 선택적인 방법 및 수단을 제공하고있다. 한가지 명백한 방법은 색다른 광원을 이용하여 빛의 파장을 증대시키는 것이다.
예가 되는 방법 및 장치가 씨.알.문널린(C.R.Munnerlyn) 및 엠. 라타(M.Latta)의 논문 "CO2레이저 광원을 이용한 거친 표면 간섭"((Appl. Opt.) 7 (9) 1858-1858(1968))에 게재되어 있다. 그러나, 그러한 방법은 일반적으로 매우 비용이 많이 들고 부담이 되는데 왜냐하면, 그것들은 특수한 광원ㆍ광학장치 및 검출기를 필요로 하기 때문이다.
통상적인 간섭계의 제한된 범위를 극복하기 위한 대한 선행기술의 다른 한 가지 해결책은 처음에 알.레네 베노라(R.Rene Benoil)가 그의 논문 "측정 도량형에서의 간섭 현상의 응용(Application des phenomenes d' interference a des determinations metralogigues" (J. de Phys. 3(7), 57-68 (1989))에서 기술한 바와 같이 복수의 파장을 이용하는것을 포함한다. 2개이상의 파장에서 순차적으로 측정함으로써 종래의 단일 파장 간섭계의 모호성 문제중 몇가지를 극복하는 훨씬 큰 등가파장(equivalent wavelength)을 제공한다. 이 기술을 표면 도량형에 적용하는 방법이 티.에이.너스메이어에게 허여된 미국특허 제4,355,899호에 기재되어있다. 그러나 이 복수의 파장 기술은 간섭 줄무늬를 분해하기가 어려워질만큼 표면 경사가 큰 경우에는 정확한 기능을 하지 못한다. 케이.헤인스(K.Haines) 및 비.피.힐데프란드(B.P.Hildebrand)가 "파전면 재구성에 의한 등고선 형성" 라는 논문(Physics Letters, 19(1), 10-11(1965))에서 발표한 선행기술의 2파장 홀로그래픽법에 있어서, 2홀로그래픽 화상의 2파장 재구성의 정미 결과는 구조적인 간섭의 등고선 간격 형태이다. 그러나 이 방법은 실제로 이용하기가 어렵다.
백색광 간섭 주사를 이용하는 선행기술의 윤곽 묘사법이 엔.발라수브라마니안(N.Balasubramanian)에게 허여된 미국 특허 제4,340,306호에 기재되어 있다. 이 특허는 기계적으로 주사되는 기준 반사경, 2차원 검출기 어레이 및 컴퓨터 제어장치를 구비하는 백색광 간섭계를 개시하고 있다. 이 선행기술의 방법은 불연속 단계로서 기준 반사경이나 대상물중 어느것을 주사하고, 각각의 주사위치에 대하여 화상내의 각각의 지점에 대한 줄무늬 콘트라스트(fringe contrast)를 측정하고, 이러한 방법으로 각각의 표면 지점에 대하여 최대의 줄무늬 콘트라스트의 위치를 결정하는것을 포함한다. 콘트라스트가 최대인 주사 위치가 특정 표면 지점의 상대적 측정 정도이다. 그러나 이 선행기술은 간섭 줄무늬를 분해함에 있어서의 어려움 때문에 매우 느리고 또, 크고 거친 표면에는 양호하게 적용할 수 없다.
선행기술은 또한 표면 거칠기, 표면 경사 및 복수의 반사에 대한 측정 민감도를 감소시키고자한 몇가지 선택적인 측정 기하학을 제공하고 있다. 이와 관련한 대표적인 선행기술이 알.씨.무어(R.C.Moore)에게 허여된 미국 특허 제4,325,637호 및 씨.죠나단(C.Joenathan), 비.프란쯔(B.Franze) 및 에이치.제이 티지아니(H.J.Tiziani)가 집필한 논문 " 경사 입사 및 관찰 전자 스페클-패턴 간섭(Oblique incidence and Observation electronic speckle-pattern interferometry)" (Applied Optics 33(31), 7307-7311, (1994))에 기재되어있다. 소위 그레이징 입사 간섭계(grazing incidence interferometer)에서는 보다 일반적인 간섭계의 형태와 비교했을때 조명 및 관찰 경사각들이 대상물 표면상의 줄무늬 밀도를 감소시킨다. 이 감소된 줄무늬 밀도는 등가파장∧에 대응하는데 그 파장을 빛의 실제 파장 λ보다 수배 더 클수도 있다. 등가파장 ∧가 클수륵 기구가 수용 할 수 있는 표면 거칠기의 정도는 더 커진다. 그러나 이들 선행 기술의 해결책에서 발생하는 민감도의 현저한 감도는 수직 입사에 대하여 큰 조명 각도를 필요로한다. 그렇게 큰 각도는 대상물의 적절한 조명 및 화상형성과 관련하여 문제를 야기한다. 또한 계단이나 채널과 같은 표면특징부로부터 바람직하지 못한 음영이 있을 수도 있다. 그러한 선행기술 시스템에 있어서는 표면 대상물 광선을 적절히 평형시켜야하기 때문에 복잡해진다.
긴 등가파장을 이용하여 간섭패턴을 발생시키는데 대한 다른 한가지 해결책이 에프.에이치.스미스(F.H.Smith)명의의 미국특허 제3,958,884호에 개시되어 있다. 그 장치는 2개의 상호 밀착한 광펜슬(two mutually coherent light pencils)을 다른 개별적인 입사각으로서 표면의 일지점을 향하여 동시에 지향시키는 광학 조립체를 구비한다. 이들 펜슬이 재조합되면, 결과적인 간섭 패턴은 표면 지형의 변화에 대한 민감도가 훨씬 더 감소된다. 이 감소된 줄무늬 밀도는 또한 등가 파장 ∧＞ λ 에 의해 특징 지워질 수 있으나, 이 방법은 필수적으로 극한 조명각을 포함하지 않는다. 스미스는 반사 및 분극소자의 조합을 이용하여 광원의 빛을 분할 및 재조합하는 몇가지 방법을 가르치고 있다. 이들 방법은 자민(Jamin) 간섭계ㆍ 겹반사 더블릿(hi-refringent doublet)ㆍ 겹반사 더블릿 프리즘 또는 사바르-더블릿 판(savart-doublet plate)를 이용한다. 그러나 선행기술의 방법 중 어느것도 번잡하고 비싼 광학소자 및 기하학적구조 때문에 그리고 펜슬을 형성하고 분리하는데 이용된 여러가지 구경 스톱(aperture stop)때문에 넓은 표면적에는 적절하지 못하다.
다른 입사각들에서 작동하는 다른 한 형태의 선행기술 간섭계가 지.매코쉬(G.Makosch)에개 허여된 미국 특허 제4,498,771호에 기재되어 있는데 그 장치는 블라스톤 프리즘(Wollaston prism)같은 겹반사 크리스탈 및 광선을 대상물로 지향시키는 반사경 시스템을 이요한다. 미국 특허 제 4,498,771호의 제2a도에는 2개의 광선을 2가지 다른 각도로 대상물에 조명함으로써 간섭 패턴의 유효 회절무늬 간격을 현저히 증대시키고자 한 실시예가 도시되어 있는데, 이 실시예는 그 특허 명세서 3열 및 4열에 기재되어 있다. 그러나 그러한 겹반사 크리스탈을 이용하면 대상물의 치수가 제한되어 기껏해야 몇 센티메타에 대해서만 관찰될 수도 있다. 더우기 그 장치는 극한 조명각(＞45도)을 이용하며 따라서 선행기술의 그레이징 입사 간섭계와 같은 단점을 가진다. 그 장치도 또한 정렬하기가 복잡하고 어려울 것으로 생각된다.
선택적인 기하학적 구조를 통해서 광간섭계의 민감도를 감소시키고자한 또다른 한 선행기술의 해결책이 더블유.제리쉬(W.Jaerisch) 및 지.매코쉬(G.Makosh)가 집필한 "표면의 광학적 등고선 묘사"라는 제목의 논문(Applled Optics 12(7), 1552-1557(1973)에 기재되어 있다. 이 논문은 시험표면과 거의 접촉하게 위치하는 회절 광학 요소, 이 경우에는 회절 격자를 채용하는 선행기술 방법을 설명하고 있다. 단일 파장 평면파에 의한 격자의 조명은 2가지 다른 회절차수의 광선 성분간의 간섭패턴을 발생시킨다. 이 패턴은 대상물 표면으로부터 반사되어 역으로 격자상에 중첩되어 대상물 표면의 표면 등고선과 유사한 줄 무늬 패턴을 발생시킨다. 이들 등고선들은 광원빛의 파장보다 훨씬 더 클수도 있다. 둔감한 줄무늬 형성에 대한 선행기술의 유사한 해결책이 피.쟈루오트(P.Jacguot), 엑스.콜로나 드르가(X.Colonna de Lega) 및 피.엠.분(P.M.Boone)이 집필한 "평탄도 시험용 공통경로 간섭계(Common-Path interferometer for flatness testing)"이라는 제목의 논문(SPIE 2248, Optics for productivity in manufactoring, paper 18(1994))에 설명되어 있다. 그 기구를 또한 회절 광한 요소의 2개의 회절 차수의 상호 작용에 의해 작동하지만, 이 경우 그 요소는 구면파 전면(Spherical Wavefront)의 홀로그래픽 기록장치이다. 제리쉬 및 마르코쉬의 방법 및 쟈쿠오트의 방법 모두는 회절요소를 거의 대상물 표면과 접촉하게 위치시켜야한다. 이는 이들 방법모두에 있어서 단일의 회절요소가 광원의 빛을 다른 방향으로 전파하여 대상물 표면상에 완벽하게 중첩하지는 않는 2개의 광선으로 나누기 때문이다. 그러므로 이 2개의 광선은 특히 거친 표면상에는 원하는 간섭효과를 발생시키도록 적절히 배향되지 않는다. 또다른 어려움은 대상물이 회절요소로부터 이동됨에 따라 2개의 광선이 점차 큰 광로차를 갖는 반면에 원하는 간섭효과는 이 광로차가 작을때 가장 쉽게 얻어진다는 점이다. 이 선행기술의 광학적인 윤곽 묘사기에 있어서의 이러한 문제점들을 회피하기 위한 단 한가지 방법은 대상물을 회절요소의 표면에 매우 근접하게 이동시키는 것이다. 그러나 매우 근접한 작동거리는 바람직하지 못하며 종종 비실용적이다. 그 요소와의 실질적인 접촉으로 그 요소가 심각하게 손상될 수 있으며, 근접한 작동거리는 특히 산업환경에서 부품의 취급 및 자동화를 복잡화한다.
간섭 도량형(묘사)에 있어서의 선행기술의 또다른 문제점은 대상물이 부분적으로 투명한 경우에 발생하는데, 왜냐하면 결과적인 간섭 패턴이 종종 판의 전후표면 모두로부터의 반사에 의해 발생된 복잡한 혼합 줄무늬이기 때문이다. 그러한 대상물에 대한 의미있는 묘사를 수행하기 위해서 일반적으로 실시하는 것은 전방표면에 높은 반사율의 물질을 얇게 도포하거나, 몇가지 종류의 지수 정합 피막(index-mating coating)을 도포함으로써 후방표면의 반사를 막는것이다. 이러한 종류의 표면 처리법은 정규의 검사 시험, 특히 생산 환경에서의 공정관리를 위해서는 매우바람직하지 못하다. 본 출원인 명의로 공동 계류중인 "투명한 대상물의 표면을 묘사하는 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 특허 출원(1993년 11월 5일자 특허 출원 제 08/153,146호)에는 2회의 측정후에 2개의 표면들이 수학적으로 격리될 수 있는 방법이 개시되어 있으나 이 해결책은 복잡한 장치 및 절차를 필요로 한다.
다양하고 중요한 용도에 간섭을 이용함에 있어서의 큰 어려움 때문에 선행기술은 빛의 파동 특성을 기초로 하지 않는 몇가지 광학적인 윤곽 묘사 기술을 제공하고 있다. 대표적인 예는 물결모양의 줄무늬 분석이다. 이 실행기술은 다니엘 말라카라가 편집한 옵티칼 숍 테스팅(1992년, 뉴욕. '윌리)이라는 책의 16장에 상세히 기재되어있다. 이 물결무늬법은 론치 롤링(ronchi ruling) 또는 유사한 주기적 구조의 투사 및 화상형성을 포함하며, 기하학적 삼각 측량법과 같다. 이 원리를 기초로한 상업적인 제품은 스피드팜-스피트파이어 프로젝트 그룹(일리노이60016, 데스 플레인스 소재)이 생산하는 체크-플랫(Chek-Flat)이다. 비록 이 제품은 거친 표면의 윤곽을 묘사할 수 있지만 광학적 간섭과 비교하여 일반적으로 매우 정밀도가 낮고, 따라서 검정 표면에 대해서는 전혀 이용되지 않는다.
그러므로 선행기술은 유용한 작동거리에서 둔감한 간섭 줄무늬를 이용하여 거친 표면과 매끈한 표면을 모두 정밀하게 윤곽 묘사하는 장치 및 방법, 또는 부분적으로 투명한 평면 평행형 대상물들의 윤곽 묘사 방법 및 수단을 만족스럽게 제공하지 못하고 있다. 선행기술들의 단점은 본 발명에 의해 극복된다.
본 발명의 바람직한 방법 및 장치에 따르면 회절 광학 조립체는 예를들면, 광대역의(broad band) 공간적으로 밀착 혹은 비밀착된 광원 또는 협대역의 공간적으로 밀착 혹은 비밀착된 광원일 수도 있는 광원에 의해 조명된다. 그 조립체는 회절 격자, 홀로그램등과 같은 2가지 이상의 회절 광학 장치로 이루어진다. 회절 광학 조립체는 광원의 빛을 2개의 광선으로 분할하는데 그 광선들은 그 조립체를 통해서 2가지 다른 방향으로 전파한다. 이들 광선이 조립체를 나올때 그 광선들은 적절한 작동 거리에서 대상물 표면상에 중첩하도록 배향된다. 그 광선들은 대상물 표면으로부터 반사된 후 뒤로 회절 광학 조립체를 다른 방향으로 통과하며 그 후에 표면 윤곽을 나타내는 간섭 패턴을 형성하도록 재조합된다. 그 간섭 패턴은 그후에 전기적으로 또는 육안검사에 의해 평가된다. 본 발명에 의해 생성된 간섭 패턴의 기본적 특징은 표면 변형 및 표면 거칠기에 대한 민감도가 낮다는 것이다. 이러한 민감도의 감소는 대상물이 편리하게 먼 작동거리에 위치됨으로써 성취된다. 본 발명의 추가적인 장점은, 백열전구ㆍ 발광 다이오드ㆍ 레이저 및 확산 백색광원을 포함하는 거의 모든 광원과 함께 이용될 수 있고 부분적으로 투명한 평면 평행형 대상물들의 표면을 구분할 수 있다는 점이다.
첨부도면에서는 유사한 구성 요소에 대해 같은 도면 부호를 도시한다.
이제 도면들을 참고로 상세히 설명하면, 제1도는 대상물(20)의 표면 윤곽을 측정하기 위해 설치된 본 발명의 광학적 표면 윤곽묘사기(optical surface profiler)의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 조명은 예를들면, 광대역 혹은 협대역의 공간적으로 밀착 또는 비밀착된 광원일 수도 있는 광원(30)에 의해 제공된다. 예로써, 광대역의 공간적으로 비밀착된 광원은 백색광원ㆍ백열등 또는 발광 다이오드나 다이오드들을 포함할 수 있으며 광대역의 공간적으로 밀착된 광원은 핀홀을 통한 발광다이오드나 백색광을 포함할 수 있고, 협대역의 공간적으로 밀착한 광원은 회전하는 연마된 유리와 함께 발광 다이오드나 레이저를 포함할 수 있으며 공간적으로 밀착한 광원은 레이저를 포함 할 수도있다. 렌즈(40)가 광원(30)으로부터의 빛을 모아서 그것을 개구(50)를 통해서 지향시키며 그후, 빛은 렌즈(60)에 의해 시준되어 실질적으로 평행한 광선(61)을 발생시킨다. 제2도에 더욱 상세히 예시된 회절 광학 조립체(70)는 광원빛을 바람직하게 2개의 광선으로 분할하고 그들이 같은 위치에, 그러나 2가지의 다른 입사각으로 대상물 표면에 충돌하도록 그 광선들의 전파 방향을 배향시킨다. 그 광선들은 대상물(20) 표면으로부터 반사된 후 뒤로 회절 광학 조립체(70)를 통과하여 방출광선(76)으로 재조합된다. 그 방출광선은 렌즈(80)와 다이어프램(90)을 통과한 후 렌즈(100)에 의해 모아진다. 그 렌즈(100)는 대상물(20)의 표면이 예컨대 고체상태의 2차원 어레이ㆍ선형 어레이ㆍ단일의 포토 감지기 또는 전자 화상을 발생시키는 기타의 장치를 구비하는 통상의 카메라일 수 있는 광검출기 또는 감광성 변환기(110)상에 촛점이 맞춰지도록 조정되는것이 바람직하다. 그후에 컴퓨터(10)가 통상의 방법으로 화상을 표시하고, 바람직하게는 화상내의 모든점의 높이를 계산하여 대상물 표면의 3차원 화상을 형성한다.
간섭효과는 2개의 광선간의 상대적인 이상(移相)에 의해 발생되는데, 이 이상은 표면 윤곽에 비례한다. 그 이상의 물리적 원인은 제2도를 참고하면 명확해지는바, 제2도에서는 회절 광학 조립체(70)의 현재 바람직한 실시예를 통과한 광선 경로가 보다 명확하게 도시되어있다. 조명 광선(140)은 우선 격자(120)에 부딪히며 그 격자는 광선(140)을 당해 기술분야에서 잘 알려진 광학적 원리(예를들면 에프.에이.젠킨스 및 에이치. 이. 화이트 저서인 광학의 기초(Fundamentals of optics) (1976년 뉴욕소재 맥그로우힐)에 설명된)에 따라서 광선(150)과 광선(160)으로 분할한다. 다음단계에서, 광선(150, 160)은 제2의 회절격자(130)에 의해 회절되어, 결국 대상물(20)의 표면상에 충돌한다. 그 광선들은 반사되면 뒤로 격자(130)를 향해서 전파하고, 그 격자는 광선들이 격자(120)의 표면에서 재조합하도록 그 광선들을 회절시킨다. 그 조합된 광선들은 그 후에 공통 방출 광선(180)으로 회절된다.
당해 기술분야에서는 광선이 2개의 부분으로 분할되고 재조합되어 재조합된 광선의 강도 g를 조절하는 간섭효과를 초래한다는 것이 잘 알려져있다. 그 조절공식은 다음과 같다.
식중, V는 간섭 콘트라스트이고,는 2개의 광선간의 간섭 위상차이며, g0는 상수이다. 위상차는 그 자체가 2개의 광선이 횡단하는 광로차 OPD 및 조명의 평균 파장 λ와 관련되어 있다.
제2도로부터,
임을 알수있는바, 식중 θ는 대상물(20) 표면(170)에 대한 광선(160)의 입사각이고,는 대상물(20)의 표면(170)에 대한 광선(150)의 입사각이며, h는 표면(170)에서 회절격자(130)까지의 거리이고, h'는 격자(120,130)간 거리이며, W는 작동거리이다.
식(3)에서 투명한 격자 기판의 반사 효과는 단순화를 위하여 무시했으며, 이 식으로부터 광로차 OPD는 2개의 거리 h와 h'가 거의 같은 경우에는 거의 0임이 분명하다. 이와같은 상태에서 2개의 광선은 표면상에서 완벽하게 중첩하는데 이는 콘트라스트 V를 최대화하고 최고 품질의 간섭 패턴을 얻기 위한 필수적인 조건이다. 적절한 거리 h'를 선택함으로써 단지 격자 및 관련된 장착 하드웨어의 물리적 치수에 의해서만 한정되는 거의 모든 작동거리 W를 확보할 수 있다.
표면 변형에 대한 광학 본 발명의 광학적 표면 윤곽 묘사기의 민감도는 다음식으로 정해진 유효파장 ∧으로 표현될 수 있다.
식중 d는 거리h에 있어서의 작은 변화dh에 상응하는 간섭위상의 작은변화이다. 이 계산은 제 2도에 도시된 바람직한 실시예에 대하여 쉽게 수행된다.
관계를 이용하면,
임을 알 수 있다.
제2도에 도시된 바람직한 실시예에 있어서 각도θ 및는 입사각 α, 파장λ 및 주파수와 보통단위 mm당의 홈들의 갯수(grooves)로 측정된 격자들(120,130)의 N2로서 결정된다. N2대 N1의 비는 2인것이 바람직하다. 그렇다면 다음식이 성립함을 알수있다.
이들 θ 및값을 상기식에 대입하면 등가 파장이 광원 파장에 거의 독립됨을 알 수 있다.
원리상, 어떤 유효파장 ∧(≥λ)도 입사각의 적절한 선택에 의해 발생될 수 있다.
이러한 사항은 후술되는 실시예에 의해 보다 명확해질 것이다.
우리가 제2도에 도시된 바람직한 실시예에 대해 2개의 격자, 즉, 300gpm(grooves per. mm; mm당의 홈수)의 제1격자와 600gpm을 갖는 제2격자를 선택한다고 하자. 이 실시예에서, 입사광선(140)은 격자(120)에 10.95도의 각도 α로서 부딪힌다. 그러므로, +1의 회절차수는 광선(150)인 반면에 -1회절차수는 제2도의 광선(160)이다. 그후에, 격자(130)는 광선(150)을 22.3도의 각도에서 -1차수로 회절시킨다. 광선(130)은 격자 (140)에 의해 +1차수로 회절되는데, 이경우의 차수는 대상물 표면에 대한 실질적으로 수직의 입사로서 따라서 θ=0이다. 광선(150)은 표면(170)으로 부터 반사된 후에 격자(130)에 의해 -1차수로 회절되며, 그후 격자(120)에 의해 +1차수로 회절되며, 따라서 그 광선은 격자(122)를 각도 α로서나온다. 한편, 광선(160)은 표면(170)으로부터 반사하여 격자(130)에 의해 +1차수로 회절된다. 광선(160)은 결국 격자(120)에 의해 -1차수로 회절되며, 이러한 방법으로 광선(150)과 함께 방출광선(160)으로 조합된다. 이 실시예의 등가파장 Λ는 약 8.6미크론이다. 작동거리 W 는 격자(130)의 두께보다 작은 거리 h와 같다. 예를들면, 격자들이 4cm 이격 배치되고 각기 두께가 1cm 라면 작동거리는 3cm이다.
등가파장 Λ은 입사각의 함수이기 때문에, 복수의 광원 및 검출기를 입사각 α1,α2‥‥‥로 대칭으로 배치함으로써 2개 이상의 동시적인 등가파장 Λ1,Λ2, ‥‥‥를 제공할 수 있다. 다른 가능성은 장치에 대한 조정인데, 이는 입사각 α가 가변될 수 있게 하여 사용자로 하여금 특정용레에 어느 등가 파장 Λ가 적합한지를 선택할 수 있게 한다.
제2도에 도시된 바람직한 기하학적 구조는 보통의 백열 광원 등에 의해 발생되는 것과 같은 확산 백색광 조명과 전체적으로 양립 가능하다. 여기서 "백색광"이라 함은 레이저, 저압 아크 램프 및 가령 광대역의 공간적 비밀착 광원으로 부터의 조명과 같은 실질적으로 단색인 방사광원과 비교했을 때 큰 스펙트럼 분포에 의해 특정지워지며, 예컨대, 레이저와 비교했을때 큰 스펙트럼 분포를 갖는 발광 다이오드에 의해 만족될 수 있다. 제2도에서, 광선(150,160) 모두가 같은 양의 유리를 통과하고, 실질적으로 같은 광로 길이를 횡단하며 표면상에서 측방 전단없이 중첩한다는 것은 명백하다. 이들은 이른바 백색광 간섭을 위해 필수적인 조건이다. 또한, 등가파장 Λ가 파장에 거의 독립되기 때문에, 백색광중의 간섭 줄무늬는 일정값 h'에 대하여 넓은 측정 거리 h에 걸쳐서 뚜렷하다. 백색광원을 사용하면, 그 백색광원이 레이저광원보다 저렴하게 널리 구입가능하고, 또, 바람직하지 못한 의사 간섭 효과를 발생하지 않기 때문에 본 발명의 장치가 단순화 되고 가격이 절감된다.
등가파장이 광원파장에 거의 독립되기 때문에, 제2도에 도시된 실시예는 수색성(收色性)이라 불린다. 수색성 간섭 줄무늬에 대해서는 1905년 최초로 간행되어 미국 광학 협회(1988. 워싱톤 디.씨.)에 의해 재발행된 로버트 더블유.우드 저서 "물리적 광학(Physical optics)"의 181면과 182면에 정의되어 있다. 회절격자를 이용하는 통상의 수색성 간섭계의 몇가지 실례가 비.제이.창, 알.알페르네스 및 이.엔.레이스의 논문 "공간-불변 수색성 격자 간섭계들 : 이론(Space-invariant achromatic grating interferometers : theory)(Appl.Opt. 14(71, 1592-1600(1975))"에 기재되어 있는바, 이들 실례중 어느것도 큰 등가파장을 채택하지 않는다.
그러므로 광원(30)은 본 발명과 함께 이용되는 경우 공간적으로나 스펙트럼적으로 밀착할 필요는 없으며, 몇몇 경우에는 비밀착 광원을 이용하는 것이 유리하다. 그러나, 이 사실은 공간적으로 그리고 스펙트럼적으로 밀착하는 레이저 같은 광원을 사용하는 것을 배제하는 것은 아니다. 더우기, 광원(30)은 단일 광원일 필요는 없으며, 본 발명을 이용함에 있어서 융통성을 제공하기 위하여, 함께 작동하거나 혹은 선택적으로 여기되는 몇개의 광원의 조합일 수 있다. 그러므로, 이미 주지된 바와같이, 광원(30)은 본 발명과 함께 이용되는 경우 공간적으로 밀착 혹은 비밀착되고 광대역 혹은 협대역일 수 있다.
본 발명의 추가적인 장점을 부분적으로 투명한 평행평면 대상물의 전후 표면을 선행기술의 피조 간섭계(Fizeau interferometers)의 복반사 문제없이 독립적으로 측정할 수 있다는 점이다. 이러한 목적을 위하여, 본 발명의 장치는 백열 전구, 발광다이오드 혹은 레이저의 공간적 밀착성을 감소시키도록 설계된 추가의 광학 요소를 구비하는 레이저와 같은 공간적 확장 혹은 확산 광원을 포함하는 것이 바람직하다. 제3도에는, 거리 h를 수정하도록하는 방법으로 대상물(26)을 병진이동시킬 수 있는 스테이지(202)에 의해 제위치에 유지된 부분적으로 투명한 평형평면형 대상물(26)이 도시되어 있다. 간섭이 단지 격자 간격 h'와 실질적으로 같은 거리 h에 대하여 공간적 비밀착 광원을 이용해야 발생할 수 있다는 점에서, 대상물(26)의 전방 표면(176)이 간섭 표면에 기여한다. 제3도에서 대상물(26)의 후방표면(177)으로 부터 반사된 빛은 줄무늬 패턴에 기여하지 않는다. 그러나, 대상물(26)이 스테이지(202)에 의해 병진되어 대상물(26)의 후방표면(177)이 제4도에 도시된 바와같이, 거리 h에 있을때, 전방표면(176)은 더이상 간섭 효과에 기여하지 못한다. 그러므로, 본 발명의 장치 및 방법은 부분적으로 투명한 대상물의 전후방 표면 윤곽을 독립적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 또다른 장점은 본 발명에 의해 발생된 간섭 화상은 민감도 감소의 장점외에 종래의 간섭계에 의해 발생된 화상과 실질적으로 같은 특성을 가지는 한편 종래의 표면 윤곽 측정방법의 단점을 극복한다는 점이다. 몇가지 공지된 간섭 줄무늬 분석법은 여전히 본 발명과 양립가능하고, 필요하다면, 채택될 수도 있다. 이들 종래의 방법중 많은 것이 옵티칼 숍 테스팅이라는 책에 기재되어 있다. 예를들면, 컴퓨터(10)의 모니터상에 투사된 간섭 화상은 시각적으로 해석되거나 혹은 간섭 줄무늬패턴의 분석에 의해 처리된다. 그 간섭화상은 지고 코오포레이션(코네티컷, 미들필드 소재)에 의해 배포된 ZAPP 줄무늬 분석 소프트웨어와 같은 몇가지의 상업적으로 구입가능한 컴퓨터 소프트웨어 패키지와 양립가능한 것이 바람직하다.
고정밀 측정을 위해서는, 회절 광학조립체(70), 그것의 요소들중 하나, 혹은 대상물 자체를 정밀하게 배치하여 이상 간섭과 같은 당해 기술 분야에서 알려진 종래의 방법[예를들면, 서적"옵티칼 숍 테스팅" 12장 참조)에 따라서 간섭 패턴에 제어된 이상을 발생시키도록 하는 기계적인 수단을 제공하는 것이 바람직하다. 제5도는 그러한 기계적 수단이 어떻게 이상을 유도하는지를 보여준다. 격자(120)는 격자 간격 h'을 수정할 수 있는 기계적 스테이지(201)에 지지된 상태로 도시되어 있다. 위의 식(3)에 따르면, 격자 간격 h'의 변경 효과는 식(2)를 참조하면 알 수 있는 바와같이, 광로차 OPD, 따라서 간섭 위상 을 수정하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 기계적 스테이지(2010에 의한 격자 간격 h'의 변경에 의해 발생된 일련의 등간격 이상(equally-spaced phase shifts)에 대해서 간섭 패턴이 기록된다. 간섭 패턴들이 처리되어 투명한 대상물로 부터 반사된 파전면을 나타내는 정밀한 위상의 화상을 발생시킨다. 패턴을 검출, 저장 및 처리하는 장치는 제1도에 도시된 것과 실질적으로 같은 것이 바람직하며 카메라(110)와 컴퓨터(10)로 구성된다.
본 발명의 광학적 표면 윤곽 묘사기의 또다른 장점은 정렬하기가 매우 쉽다는 것이다. 간섭 줄무늬패턴은 큰 등가파장 Λ때문에 얻기가 매우 쉽다. 또한, 대상물이 적절히 정렬되지 않은 경우 컴퓨터(10)의 모니터상에 있는 2개의 화상을 구별할 수 있다(제1도). 그러므로, 적절한 정렬을 확보하는 한가지 방법은 이들 두개의 화상이 중첩될 때까지 대상물을 조정하는 것이다. 그 절차는 정렬전의 화상을 보여주는 제6(a)도와 정렬후의 화상을 보여주는 제6(b)도를 참고하면 보다 명확해진다. 간섭계 정렬을 위한 몇가지 공지된 기술도 또한 본 발명과 양립가능하다. 이들 중 많은 것이 전술된 서적 옵티칼 숍 테스팅에 설명되어 있다.
제2도에 도시된 회절 광학 조립체의 현재 바람직한 형태에 추가하여, 몇가지 변형예가 가능하다. 예를들면, 회절광학 조립체(70)를 통한 광선(150,160)의 다른 경로를 제공함과 동시에 그 두 광선(150,160)이 표면(170)상의 같은 위치에, 그러나, 다른 입사각으로서 충돌하도록 선택적으로 회절 격자들을 다르게 조합할 수 있다. 이들 변형예들 중 몇가지가 제7도 내지 제11도를 참고로 고려된다.
제7도에는 조명광선(62)과 반사광선(77)이 공통의 시준기(160)를 공유하는 변형예를 도시하고 있다. 반사 광선은 분광기(beam splitter:69)에 의해 카메라(110)로 지향된다. 제8도는 이 구조를 위한 적절한 회절광학 조립체(72)를 도시하고 있다. 회절 광학 조립체(72)는 밀리미터당 실질적으로 같은 gpm을 갖는 2개의 격자(122,132)로 구성된다. 예를들면, 우리가 600gpm의 2개의 격자(122,133)를 선택한다고 하자. 이경우, 입사광선(142)은 실질적으로 수직 입사각으로서 격자(122)에 충돌한다. 따라서 광선(152)은 0차의 회절차수인 반면에 -1회절 차수는 광선(162)이다. 그후, 격자(132)는 광선(152)을 22.3도와 같은 각도 φ에서 -1차수로서 회절시킨다. 광선(162)은, 격자(132)에 의해 +1차수로 회절되는데, 이 경우에는 대상을 표면에 대하여 실질적으로 직각으로 입사하므로 θ=0이다. 광선(152)은 표면(170)으로부터 반사된 후에 격자(132)에 의해 -1차수로 회절되고, 그 후에 격자(122)에 의해 -1 차수로 회절되며, 따라서, 그것은 격자(122)의 표면에 대해 거의 수직으로 그 격자를 나온다. 한편, 광선(162)은 표면(170)으로부터 반사하여 격자(132)에 의해 +1차수로 회절된다. 광선(132)은 결국 격자(122)를 통과하여 광선(152)과 함께 방출 광선(182)에 조합된다.
실질적으로 동일한 그러나, 광학적 설계를 단순화하고 의사 회절 효과를 감소시킨다고하는 가능한 추가적 장점을 갖는 결과를 얻기 위하여, 회절 격자 대신에 홀로그램을 이용하는 것도 또한 가능하다. 제9도는 홀로그래픽 요소들로 구성된 회절 광학조립체(73)를 채택하는 실시예를 위한 적절한 광학 구조를 도시하고 있다. 본 실시예에서의 홀로크래픽 요소는, 궁극적으로 표면(170)으로 부터 역반사되는 광선(153,163) 형태의 여러가지 회절 차수로 분할할 뿐 아니라 그 빛을 렌즈와 유사한 방법으로 시준하고 촛점을 맞춘다는 점에서 보통의 회절 격자와는 다르다. 그러므로, 제13도에 도시된 시준 렌즈(60,80)는 제9도에 도시된 홀로그래픽 실시예에 대해서는 필수적인 것은 아니다. 제10도는 회절 광학 조립체(73)내의 2개의 홀로그래픽 요소(123,133)의 가능한 배열을 도시한다. 제2도 및 제8도에 도시된 선행의 두가지 실시예에서는 정미 회절숫자(the net number of diffractions)가 0과, 같은 반면에, 제10도에 도시된 홀로그래픽 실시예의 경우, 방출광선(183)이 홀로그램(123)의 비보상 +1 회절에 해당한다. 이 회절차수가 빛의 촛점을 맞추므로, 추가적인 시준 광학장치가 불필요하다. 홀로그램(123)은 그것을 당해 기술분야에 공지된 홀로그래픽원리(예를들면, 알.제이.콜리어, 씨.비.버크하르트 및 엘.에이치.린 저서"광학적 홀로그래피(Optical Holography)(1971년 뉴욕 소재, 아카데믹 프레스 인코오포레이션)참조)에 따라서, 2개의 발산파 전면에 노출시킴으로써 사진으로 형성될 수 있다. 이 실시예의 추가적인 장점은 의사 회절 차수가 적절히 촛점이 맞춰지지 않으며, 따라서, 원하는 화상으로부터 보다 용이하게 거부된다는 것이다.
제11도는 제1도에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예와 실질적으로 같지만 그 기구를 상품화하기에 유리한 것으로 입증될 수 있는 여러가지 광학요소를 추가한 본 발명의 다른 한 변형예를 도시하고 있다. 제11도를 참고하면, 그 도면에는 발산 광선(39)을 발생시키기 위하여 렌즈(44)에 의해 촛점이 맞춰지는 광선(39)은 대상물(20)의 반사율에 따라 빛의 강도를 최적화하기 위하여 이용되는 가변 중간 밀도 필터(variable neutral-density filter;54)를 통과한다. 또한 제11도에는 조명 광선의 차수를 제어하고 의사 광선이 카메라(110)에 도달하는 것을 봉쇄하는 2개의 다이어프램(94,81)이 도시되어 있다. 제11도는 또한, 카메라 신호를 연속해서 투시하도록 하는 화상 모니터(11)를 도시하고 있다. 제11도에는 또한 제5도에 도시된 배열에 따라서 간섭 패턴에 제어된 이상을 도입하는 수단(250)이 도시되어 있다. 당해 기술분야의 숙련자라면, 본 발명의 사상 및 범위로 부터 벗어나지 않고 전술된 방법 및 장치의 형태 및 세부에 있어서 추가적인 치환, 삭제 및 변화가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
여기에서 설명된 회절 광학 조립체는 또한 큰 등가파장을 갖는 간섭 패턴을발생시키기 위하여 대상물을 조명하고 화상을 형성하는 공지의 광학 및 전자 수단을 개선하는데 이용될 수도 있다. 예를들면, 회절 광학조립체는 미세한 대상물을 투시하고 측정하기 위한 현미경의 대물 및 광학시스템과 함께 이용될 수도 있다.
본 발명의 방법 및 장치를 이용함으로써, 거친 표면을 측정하고, 큰 변형 및 큰 경사를 갖는 표면을 측정하며 확산 백색광을 포함한 거의 모든 광원을 이용하여 표면을 측정하며, 평행평면형 표면을 갖는 부분적으로 투명한 대상물을 측정할 능력을 갖는 광학적 윤곽이 제공되는바, 그 윤곽은 공지의 간섭 줄무늬 분석법과 양립가능하고 정렬하기 용이하며, 두 간섭광선이 대상물로부터 반사하기 때문에 탁월한 줄무늬 콘트라스트를 가지며, 높은 광효율을 가지고, 진동에 대하여 낮은 민감도를 가지며, 높은 반사율의 표면 및 낮은 반사율의 표면 모두를 측정하는 한편, 비싸거와 번거로운 요소나 장치에 의존하지 않고 측정을 위한 실질적인 작동 거리를 제공한다.
제1도는 대상물, 광원, 회절요소, 전자 카메라, 그리고 대상물을 조명하고 간섭패턴을 조정하는데 필요한 추가의 광학요소들을 보여주는 본 발명의 바람직한 실시예의 도면.
제2도는 회절 광학조립체를 채택한 제1도의 실시예를 통과하는 광선경로를 상세히 보여주는 도면.
제3도는 투명한 평면 평행형 대상물(transparent plane-parallel object)의 전방 표면윤곽 측정을 위해 배치된 제도의 바람직한 장치의 일부를 보여주는 도면.
제4도는 투명한 평행면의 배면의 윤곽측정을 위해 배치된 제1도의 바람직한 장치의 일부를 보여주는 도면.
제5도는 이상(移相)간섭을 수행하는 추가적인 수단을 포함하는 제1도의 장치의 변형예를 보여주는 도면.
제6도는 2개의 카메라 화상의 중첩을 기초로한 대상물 정렬법을 보여주는 도면.
제7도는 조명광선과 반사광선이 공통의 시준렌즈를 공유하는, 제1도에 예시된 본 발명의 변형예를 보여주는 도면.
제8도는 회절광학 조립체를 채택하는 제7도의 변형예를 통과하는 광선을 상세히 보여주는 도면.
제9도는 회절 광학조립체가 시준렌즈를 대체하는 홀로그래픽 요소들로 구성되는, 제1도의 본 발명의 다른 한 변형예를 보여 주는 도면.
제10도는 홀로그래피 광학 요소들을 이용하는 회절 광학조립체를 채택하는, 제9도의 변형예를 통과하는 광선의 경로를 상세히 보여주는 도면.
제11도는 1도의 본 발명의 또다른 한 변형예를 보여주는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
20, 26 : 대상물
120, 122, 130, 140 : 회절 격자
50 : 개구
60,80 : 렌즈
70 : 광학 조립체
72 : 회절 광학 조립체
90 : 다이어 프램
110 : 감광성 변환기(카메라)
170 : (대상물의) 표면
202 : 스테이지

Claims (55)

  1. 광원을 이용하여 회절 광학 조립체를 조명하는 것인 조명 단계;
    상기 회절 광학 조립체를 조명하는 광원을 상기 회절 광학 조립체를 통해서 2개의 다른 방향으로 전파되는 2개의 광선으로 분할하는 단계로서, 상기 광선은 상기 회절 광학 조립체에서 방출되어 적절한 작동 거리에 있는 상기 대상물 표면에서 실질적으로 중첩함과 아울러 2개의 다른 입사각으로 실질적으로 같은 위치에서 상기 대상물 표면상에 충돌하는 것인, 광원 분할단계;
    상기 충돌하는 광선을 상기 대상물 표면으로부터 상기 회절 광학 조립체로 다시 반사시키는 단계로서 상기 반사 광선은 다른 방향으로 회절 광학 조립체를 통하여 다시 통과하는 것인, 반사 단계; 및
    상기 대상물 표면의 표면 윤곽을 나타내는 간섭 패턴을 형성하기 위하여 상기 회절 광학 조립체를 통해서 다시 통과하는 상기 반사 광선을 재조합하는 단계로서, 상기 간섭 패턴은 표면 변형 및 표면 거칠기에 대하여 낮은 민감도를 가지며, 상기 대상물 표면은 비교적 먼 작동 거리에 위치시킬 수 있는 것인, 반사 광선 재조합 단계;
    를 포함하는, 둔감한 간섭 줄무늬를 이용하여 유용한 작동 거리에 있는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조명 단계가 광대역의 공간적 비밀착 광원을 이용하여상기 회절 광학 조립체를 조명하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광대역의 비밀착광원의 백색광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 백색 광원이 확산 백색 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 대상물 표면이 부분적으로 투명한 평면평행형 대상물의 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 광원이 백열 전구를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 광원이 발광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 조명 단계가 광대역의 공간적 밀착 광원을 이용하여 상기 회절 광학 조립체를 조명하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 조명 단계가 협대역의 공간적 비밀착 광원을 이용하여 상기 회절 광학 조립체를 조명하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 조명 단계가 협대역의 공간적 밀착 광원을 이용하여 상기 회절 광학 조립체를 조명하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 협대역의 공간적 밀착 광원이 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 재조합 단계가 상기 간섭 패턴에 대응하는 전자 화상을 발생시키도록 상기 재조합된 광선을 감광 변환하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대상을 표면 윤곽 묘사 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 대상물 표면의 화상을 제공하기 위하여 상기 전자 화상을 데이타 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 간섭 패턴과 관련된 데이타로부터 표면 윤곽을 결정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 광원이 관련 조명 파장을 가지며, 상기 간섭 패턴은 상기 조명 파장보다 더 긴 관련 등가파장을 가지며, 상기 등가파장은 상기 대상물 표면상의 상기 입사각에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  16. 제15항에 있어서, 원하는 최적의 유효파장을 제공하기 위하여 상기 입사각을 변화시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 유효파장이 다음식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
    (식 중, Λ는 유효파장이고,는 대상물로부터 상기 회절 광학 조립체까지의 거리 h에 있어서의 작은 변화 dh에 대응하는 간섭 위상의 작은 변화이며,는 상기 대상물 표면상에 충돌하는 상기 2개의 광선간의 간섭 위상차로서 식
    로 표현되고, 이 식에서 λ는 평균 조명 파장이고 OPD는 2개의 광선이 횡단하는 광로차이다.)
  18. 제17항에 있어서, 상기 회절 광학 조립체가 한쌍의 회절 격자를 포함하고, 상기 2개의 광선이 횡단하는 광로차가 다음식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
    (식 중, θ는 방출 광선의 대상물 표면에 대한 입사각이고, φ는 상기 회절 광학 조립체를 통과하는 상기 광선들 중 하나의 상기 대상물 표면에 대한 입사각이며, h는 대상물 표면으로부터 그 표면에 가장 근접한 회절 격자까지의 거리이고, h' 는 상기 회절 광학 조립체를 구성하는 회절격자간 거리이며, 상기 작동거리는 상기 대상물 표면에 가장 근접한 회절 격자의 두께보다 작은 거리 h를 포함한다.)
  19. 제15항에 있어서, 상기 유효파장이 다음식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤과 묘사 방법.
    (식 중, θ는 방출광선의 대상물 표면에 대한 입사각이고, φ는 상기 회절광학 조립체를 통과하는 상기 광선중 하나의 상기 대상물 표면에 대한 입사각이며, 이로써, 어떤 유효파장 Λ(≥λ)도 상기 각도 θ 및 φ를 적절히 선택함에 의해 발생될 수 있다.)
  20. 제5항에 있어서, 상기 대상물 표면이 전방표면 및 후방표면을 갖는 부분적으로 투명한 평면평행형 대상물의 전방표면을 포함하며, 상기 방법은 상기 부분적으로 투명한 평면평행형 대상물의 전방표면과 후방표면을 독립적으로 측정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 회절 광학 조립체가 한쌍의 회절격자를 포함하며, 2개의 광선이 횡단하는 광로차는 다음식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
    (식 중, θ는 방출 광선의 대상물 표면에 대한 입사각이고, φ는 상기 회절 광학 조립체를 통과하는 상기 광선들 중 하나의 상기 대상물 표면에 대한 입사각이며, h는 대상물 표면으로 부터 그 표면에 가장 근접한 회절 격자까지의 거리이고, h' 는 상기 회절 광학 조립체를 구성하는 회전격자간 거리이며, 상기 작동거리는 상기 대상물 표면에 가장 근접한 회절 격자의 두께보다 작은 거리 h를 포함한다.)
  22. 제21항에 있어서, 윤곽이 묘사될 대상물 표면을 상기 회절 광학 조립체에 대하여 상기 거리 h에 위치시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 광원이 관련 조명 파장을 가지며, 상기 간섭 패턴은 상기 조명 파장보다 더 긴 관련 등가 파장을 가지며, 상기 유효파장은 상기 대상물 표면상의 상기 입사각에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 유효파장이 다음식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤과 묘사 방법.
    (식 중, θ는 방출 광선의 대상물 표면에 대한 입사각이고, φ는 상기 회절 광학 조립체를 통과하는 상기 광선 중 하나의 상기 대상물 표면에 대한 입사각이며, 이로써, 어떤 유효파장 Λ(≥λ)도 상기 각도 θ 및 φ를 적절히 선택함에 의해 발생될 수 있다.)
  25. 제1항에 있어서, 상기 간섭 패턴에 제어된 위상 이동을 발생시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  26. 제23항에 있어서, 상기 제어된 위상 이동을 발생시키는 단계는 상기 대상물 표면에 대하여 상기 회절 광학 조립체의 적어도 일부를 변위시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  27. 제1항에 있어서, 상기 회절 광학 조립체가 홀로그래픽 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 표면 윤곽 묘사 방법.
  28. 조명 광원;
    상기 조명 광원은 회절 광학 조립체를 조명하고, 상기 회절 광학 조립체는 상기 회절 광학 조립체를 조명하는 광원을 상기 회절 광학 조립체를 통해서 2개의 다른 방향으로 전파하는 2개의 광선으로 분할하는 수단을 포함하고, 상기 광원은 상기 회절 광학 조립체에서 방출되어 상기 대상물 표면상에서 실질적으로 같은 위치에 2개의 다른 입사각으로서 충돌하며, 상기 대상물 표면은 상기 충돌하는 광선을 그 표면으로부터 후방으로 상기 회절 광학 조립체를 향하여 반사하며, 상기 반사 광선은 다른 방향으로 상기 회절 광학 조립체를 통하여 다시 통과하는 것인, 조명 광원과 대상물 표면 사이에서 광학적으로 정렬된 회절 광학 조립체; 및
    상기 대상물 표면의 표면 윤곽을 나타내는 간섭 패턴을 형성하도록 상기 반사된 광선을 재조합하는 수단을 포함하며, 이로써, 표면 변형 및 거칠기에 대하여 민감성이 낮은 간섭 패턴을 이용하여 상기 회절 광학 조립체와 상기 대상물 표면간의 비교적 먼 작동 거리가 확보 되는 것을 특징으로 하는, 유용한 작동 거리에서 둔감한 간섭 줄무늬를 이용하여 대상물 표면의 윤곽을 묘사하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  29. 제28항에 있어서, 상기 조명 광원이 광대역의 공간적 비밀착 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  30. 제29항에 있어서, 상기 광대역의 비밀착 광원이 백색 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  31. 제30항에 있어서, 상기 백색 광원이 확산 백색광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  32. 제29항에 있어서, 상기 대상물 표면이 부분적으로 투명한 평면평행형 대상물의 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  33. 제32항에 있어서, 상기 대상물 표면이 전방 및 후방 표면을 구비하는 상기 부분적으로 투명한 평면 평행형 대상물의 전방 표면을 포함하며, 상기 윤곽 묘사기는 상기 후방 표면이나 상기 전방 표면을 공통 평면상에 선택적으로 배치하기 위하여 상기 대상물을 병진 이동시키는 수단을 추가로 포함하며, 상기 광선들은 상기공통 평면에 선택적으로 배치된 대상물 표면상의 같은 위치에 2개의 다른 입사각으로 충돌하는 한편, 다른 대상물 표면은 상기 공통 평면으로부터 이격됨으로써, 상기 부분적으로 투명한 평면평행형 대상물의 전후방 표면들이 독립적으로 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  34. 제33항에 있어서, 상기 회절 광학 조립체가 한쌍의 회절 격자를 포함하고, 상기 2개의 광선이 횡단하는 광로차가 다음식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
    (식 중, θ는 방출 광선의 대상물 표면에 대한 입사각이고, φ는 상기 회절 광학 조립체를 통과하는 상기 광선들 중 하나의 상기 대상물 표면에 대한 입사각이며, h는 대상물 표면으로부터 그 표면에 가장 근접한 회절 격자까지의 거리이고, h' 는 상기 회절 광학 조립체를 구성하는 회절격자간 거리이며, 상기 작동거리는 상기 대상물 표면에 가장 근접한 회절 격자의 두께보다 작은 거리 h를 포함한다.)
  35. 제34항에 있어서, 상기 병진 이동 수단이 윤곽이 묘사될 상기 대상물 표면을 상기 회절 광학 조립체에 대하여 상기 거리 h에 위치시키는 수단을 포함하며, 상기 거리 h는 상기 공통 평면에 배치되는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  36. 제34항에 있어서, 상기 광원이 관련 조명 파장을 가지며, 상기 간섭 패턴은 상기 조명 파장보다 더 긴 관련 등가 파장을 가지며, 상기 유효 파장은 상기 대상물 표면상의 상기 입사각에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  37. 제36항에 있어서, 상기 유효파장이 다음식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
    (식 중, θ는 방출광선의 대상물 표면에 대한 입사각이고, φ는 상기 회절 광학 조립체를 통과하는 상기 광선 중 하나의 상기 대상물 표면에 대한 입사각이며, 이로써, 어떤 유효파장 Λ(≥λ)도 상기 각도 θ 및 φ를 적절히 선택함에 의해 발생될 수 있다.)
  38. 제29항에 있어서, 상기 광원이 백열 전구를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  39. 제28항에 있어서, 상기 조명 광원이 광대역의 공간적 밀착 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  40. 제28항에 있어서, 상기 조명 광원이 협대역의 공간적 비밀착 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  41. 제28항에 있어서, 상기 조명 광원이 협대역의 공간적 밀착 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  42. 제41항에 있어서, 상기 협대역의 공간적 밀착 광원이 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  43. 제29항에 있어서, 상기 조명 광원이 발광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  44. 제28항에 있어서, 상기 광원이 관련 조명 파장을 가지며, 상기 간섭 패턴은 상기 조명 파장보다 더 긴 관련 등가 파장을 가지며, 상기 유효 파장은 상기 대상물 표면상의 상기 입사각에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  45. 제44항에 있어서, 상기 유효파장이 다음 식으로 표현된 것을 특징으로 하는광학적 표면 윤곽 묘사기.
    (식 중, Λ는 유효파장이고,는 대상물로부터 상기 회절 광학 조립체까지의 거리 h에 있어서의 작은 변화 dh에 대응하는 간섭 위상의 작은 변화이며,는 상기 대상물 표면상에 충돌하는 상기 2개의 광선간의 간섭 위상차로서 식
    로 표현되고, 이 식에서 λ는 평균 조명 파장이고 OPD는 2개의 광선이 횡단하는 광로차이다.)
  46. 제45항에 있어서, 상기 회절 광학 조립체가 한 쌍의 회절 격자를 포함하고, 상기 2개의 광선이 횡단하는 광로차가 다음식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
    (식 중, θ는 방출 광선의 대상물 표면에 대한 입사각이고, φ는 상기 회절 광학 조립체를 통과하는 상기 광선들 중 하나의 상기 대상물 표면에 대한 입사각이며, h는 대상물 표면으로부터 그 표면에 가장 근접한 회절 격자까지의 거리이고, h' 는 상기 회절 광학 조립체를 구성하는 회절 격자간 거리이며, 상기 작동거리는 상기 대상물 표면에 가장 근접한 회절 격자의 두께보다 작은 거리 h를 포함한다.)
  47. 제44항에 있어서, 상기 유효파장이 다음식으로 표현되는 것을 특징으로 하는광학적 표면 윤곽 묘사기.
    (식 중, θ는 방출광선의 대상물 표면에 대한 입사각이고, φ는 상기 회절 광학 조립체를 통과하는 상기 광선 중 하나의 상기 대상물 표면에 대한 입사각이며, 이로써, 어떤 유효파장 Λ(≥λ)도 상기 각도 θ 및 φ를 적절히 선택함에 의해 발생될 수 있다.)
  48. 제28항에 있어서, 상기 간섭 패턴에 제어된 위상 이동을 발생시키기 위한 위상 이동 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  49. 제48항에 있어서, 상기 위상 이동 발생 수단이 상기 대상물 표면에 대해 상기 회절 격자 조립체를 변위시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  50. 제49항에 있어서, 상기 회절 광학 조립체가 적어도 2개의 이격된 회절 격자를 포함하며, 상기 변위 수단이 상기 회절 격자 중 적어도 하나를 다른 격자들에 대하여 변위시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽묘사기.
  51. 제28항에 있어서, 상기 회절 광학 조립체가 홀로그래픽 요소들을 포함하는것을 특징으로 하는 광학적 표면윤곽 묘사기.
  52. 제28항에 있어서, 상기 회절 광학 조립체가 복수의 회절 격자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  53. 제28항에 있어서, 상기 재조합 수단이 상기 재조합된 광선들로부터 상기 간섭 패턴에 해당하는 전자 화상을 발생시키는 감광성 변환 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  54. 제53항에 있어서, 상기 대상물 표면의 화상을 제공하기 위하여 상기 전자 화상을 데이타 처리하기 위한 데이터 처리 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
  55. 제44항에 있어서, 원하는 최적의 유효파장을 제공하기 위하여 상기 입사각을 변화시키는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 표면 윤곽 묘사기.
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