KR20210048528A - 표면 형상 계측 장치 및 표면 형상 계측 방법 - Google Patents

표면 형상 계측 장치 및 표면 형상 계측 방법 Download PDF

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KR20210048528A
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쿠니히로 사토
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코우리츠다이가쿠호우징 효고켄리츠다이가쿠
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Abstract

본 발명은, 물질적인 참조 평면을 필요로 하지 않고, 기계적인 조정 기구에 의하지 않고 측정 정밀도를 향상할 수 있는 표면 형상 계측 장치 및 표면 형상 계측 방법을 제공한다. 가상 평면(VP)에 대해, 조명광 집광점(PQ)과 참조광 집광점(PL)이 서로 경상 배치로 되어 있고, 구면파 조명광(Q)의 반사광인 물체광(O)과 인라인 구면파 참조광(L)의 각 데이터가 홀로그램에 기록된다. 가상 평면(VP)에 있어서, 계측용 재생 물체광 홀로그램(hV)이 생성되고, 참조광 집광점(PL)으로부터 방사되는 구면파광을 나타내는 구면파광 홀로그램(sV)이 해석적으로 생성된다. 재생 물체광 홀로그램(hV)을 구면파광 홀로그램(sV)으로 제산하여 얻어지는 위상 분포로부터 물체(4)의 피측정면에 있어서의 높이 분포가 얻어진다. 피측정면으로부터의 반사광의 위상 데이터를 취득하고, 해석적으로 얻어지는 구면파의 평면 절단면에 있어서의 위상 분포와 비교하여, 유리 기판 등의 참조 평면을 필요로 하지 않고, 고정밀도의 표면 형상 계측이 실현된다.

Description

표면 형상 계측 장치 및 표면 형상 계측 방법
본 발명은, 디지털 홀로그래피에 있어서의 표면 형상 계측 장치 및 표면 형상 계측 방법에 관한 것이다.
종래로부터, 반사광이나 투과광 등의 광파를 해석하는 기술에, 광의 강도와 위상의 데이터를 아울러 홀로그램이라고 불리는 사진 건판 등의 기록 매체에 기록해 해석하는 홀로그래피가 있다. 최근의 홀로그래피는, 수광 소자와 반도체 메모리 등을 이용하여, 광파의 강도와 위상을 디지털 데이터로서 취득하거나 계산기상에서 홀로그램을 생성하거나 하여 해석하는 것이 행해지고 있다. 이러한 홀로그래피는 디지털 홀로그래피라고 불린다.
디지털 홀로그래피에 있어서, 홀로그램 데이터의 취득이나 처리의 고속화와 고정밀화를 달성하기 위한 다양한 기술이 제안되어 촬상에 응용되고 있다. 예를 들면, 원샷(one shot)으로 기록한 홀로그램 데이터에 공간 주파수 필터링과 공간 헤테로다인 변조를 적용하여, 물체상(物體像, object image) 재생용의 복소 진폭 인라인 홀로그램을 고속으로 정확하게 생성하는 디지털 홀로그래피가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
종래의 광학 현미경의 문제를 해결하기 위하여, 홀로그래피를 이용하는 것에 의해, 결상(結像) 렌즈를 이용하지 않고 대개구수(大開口數)의 물체광(物體光, object light)을 정확하게 원샷 기록하는 방법, 및 기록된 물체광(object light)을 평면파 전개에 의해 고분해능 3차원상을 정확하게 계산기 재생하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 이 방법에 의하면, 무왜곡의 고분해능 3차원 동영상을 기록하여 재생할 수 있는 렌즈리스 3차원 현미경이 실현된다. 이러한 현미경은, 결상 렌즈를 이용하지 않기 때문에, 종래의 광학 현미경이 갖는, 매질(媒質)이나 결상 렌즈의 영향을 받는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 배양액 중의 세포나 생체 조직의 내부 구조를 고분해능으로 계측하기 위해서, 반사형 렌즈리스 홀로그래픽 현미경과 파장 소인(掃引) 레이저광을 이용하는 고분해능 단층 촬상법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).
또, 입사 방향이 다른 조명광을 조사한 물체로부터 방사되는 대개구수의 물체광을, 조명광의 입사 방향마다 홀로그램 데이터로서 기록하고, 이들 복수의 대개구수 홀로그램을 하나의 홀로그램에 합성하여, 1을 넘는 합성 개구수에 근거하여 물체광을 재생하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 4 참조). 이 방법에 의하면, 통상의 회절 한계를 넘는 분해능을 갖는 초고분해능 3차원 현미경을 실현할 수 있다.
또한, 원샷 디지털 홀로그래피에 의한 광파의 정확한 기록과 기록광파의 평면파 전개를 이용하는 홀로그래픽 엘립소메트리 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 5 참조). 이 엘립소메트리 장치에 의하면, 비평행 조명광이 포함하는 다수의 입사각을 갖는 입사광에 의한 반사광의 데이터를 일괄하여 홀로그램에 기록할 수 있으므로, 입사각에 대응하는 다수의 파수 벡터별로 엘립소메트리각 Ψ, Δ를 구할 수 있어, 측정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상 소자, 2개의 결상용 렌즈, 큐브형 빔 스플리터, 피조(Fizeau) 참조 평면을 갖는 소자 및 피측정물을 직렬로 배치하고, 참조 평면(reference plane)과 피측정부로부터의 반사광의 간섭무늬를 기록해 형상 계측을 행하는 간섭 측정 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 6 참조).
특허문헌 1: 국제공개 제2011/089820호 특허문헌 2: 국제공개 제2012/005315호 특허문헌 3: 국제공개 제2014/054776호 특허문헌 4: 국제공개 제2015/064088호 특허문헌 5: 국제공개 제2018/038064호 특허문헌 6: 미국특허 제8269981호 명세서
그러나 상기 설명한 특허문헌 1 내지 5에 나타나는 것과 같은 홀로그래피는, 현미 관찰이나 비교적 좁은 면적의 형상 계측 등에 적용되지만, 예를 들면, 대면적화가 진행되는 반도체 웨이퍼 등의 평면도 측정이나 표면 형상의 계측에 대한 대응이 요구되고 있다. 또한, 상기 설명한 특허문헌 6에 나타나는 간섭 측정 장치는, 평면도의 일반적인 측정 방법인 피조 간섭을 이용하는 것이지만, 참조 평면을 이용하는 것에 기인하여, 이 방법을 이용하는 피조 간섭계에 내재된 하기와 같은 문제를 갖고 있다.
피조 간섭계는, 가장 고정밀도로 고속의 평면도 측정을 할 수 있는 장치의 하나로 여겨지고 있으며, 각국의 표준기 연구소에 있어서의 평면도 측정 장치로서 채용되고 있다. 피조 간섭 측정에서는, 기준이 되는 투명 유리판의 참조 평면에서 반사된 광과 피측정면에서 반사된 광이 만드는 간섭무늬를 기록한다. 측정 정밀도를 높이기 위하여, 참조 평면을 약간 수선(垂線) 방향으로 이동하여 간섭무늬의 위상을 시프트시켜, 위상이 다른 복수 매의 간섭무늬를 기록하고, 기록한 복수 매의 간섭무늬를 사용하여 피측정면의 평면 형상을 해석한다. 이렇게 하여 측정한 결과는, 어디까지나 참조 평면과 피측정면의 비교이며, 평면도의 절대값을 측정하기 위해서는 참조 평면의 절대 형상 보정이 필요하다. 절대 형상 보정에는 3매 정렬법이 이용되고 있다.
또한, 피조 간섭계의 광학계는, 광학 부품 수가 비교적 적고 구조도 심플하게 할 수 있지만, 측정의 기준이 되는 참조 평면이나 콜리메이트 렌즈 외에, 피측정기물의 경사 조절 기구나 수직 이동 기구 및 절대 형상 보정을 위한 회전대 등이 필요하다. 측정의 정밀도는, 참조 평면 형상 보정에 있어서의 부정확성에 더해, 위상 시프트의 부정확성, 환경 움직임에 의한 부정확성 등의 영향을 받는다. 이들을 합한 측정의 부정확성을 10㎚ 이하로 억제하는 것은 어렵다. 다른 문제점으로서, 참조 평면이나 콜리메이트 렌즈를 사용하고 있기 때문에, 측정 가능한 기물의 직경은 대략 300mm 이하로 제한되며, 그 이상의 대구경화는 어렵다. 또한, 유리제의 참조 평면에 비해 반사율이 크게 다른 피측정면에 대해서는, 간섭무늬의 콘트라스트가 저하되어, 고정밀의 측정이 어려워진다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 과제를 해소하는 것으로서, 간단한 구성에 의해, 형상 측정의 비교 대상으로서의 물질적인 참조 평면을 필요로 하지 않고, 기계적인 조정 기구에 의존하지 않고 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 표면 형상 계측 장치 및 표면 형상 계측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 표면 형상 계측 장치는, 홀로그래피를 이용하는 표면 형상 계측 장치에 있어서, 피측정면을 조명하는 구면파 조명광(Q)의 반사광인 물체광(O)과 물체광(O)에 대해서 인라인(inline)이 되는 인라인 구면파 참조광(L)의 2개의 광의 데이터를 각각 물체광 오프액시스(off-axis, 비축) 홀로그램(IOR) 및 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)으로서 이미지 센서를 이용하여 취득하는 데이터 취득부와, 데이터 취득부에 의해 취득된 데이터로부터 피측정면의 화상을 재생하여 표면 형상의 데이터를 취득하는 화상 재생부를 구비하고, 데이터 취득부는, 피측정면에 접하도록 가상적으로 설정한 가상 평면(VP)에 대해서 구면파 조명광(Q)의 집광점인 조명광 집광점(PQ)과 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점인 참조광 집광점(PL)이 서로 경상(鏡像) 배치가 되고, 인라인 구면파 참조광(L)이 가상 평면(VP)을 비스듬하게 통과하여 이미지 센서에 입사하도록 구성된 광학계를 구비하고, 화상 재생부는, 2종류의 오프액시스 홀로그램(IOR, ILR)의 데이터, 참조광 집광점(PL)의 위치 정보, 및 참조광 집광점(PL)으로부터 방사되는 광이 구면파인 것을 이용하는 계산 처리에 의해, 물체광(O)의 광파를 나타내는 물체광 홀로그램(g)을 생성하는 물체광 홀로그램 생성부와, 물체광 홀로그램(g)을 광 전파 변환 및 회전 변환하여, 가상 평면(VP)에 있어서의 재생 물체광 홀로그램(hV)을 생성하는 재생 물체광 홀로그램 생성부와, 계산 처리에 의해, 물체광 홀로그램(g)에 광 전파 변환을 행하여 물체광(O)이 집광하는 위치를 검출하여, 그 위치를, 참조광 집광점(PL)의 위치 정보를 고정밀화한 정보를 갖는, 형상 계측용 참조점(S1)으로서 설정하는 참조점 검출부와, 참조점(S1)으로부터 방사된 구면파광의 가상 평면(VP)에 있어서의 홀로그램인 구면파광 홀로그램(sV)을 해석적으로 생성하는 해석광 홀로그램 생성부와, 재생 물체광 홀로그램(hV)을 구면파광 홀로그램(sV)으로 제산하여 계측용 홀로그램(JV OS=hV/sV)을 생성하고, 계측용 홀로그램(JV OS)의 위상 분포로부터 물체의 피측정면에 있어서의 높이 분포를 구하는 형상 계측부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 표면 형상 계측 방법은, 물체의 피측정면의 형상을 홀로그래피를 이용하여 계측하는 표면 형상 계측 방법에 있어서, 이미지 센서의 광축상에 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점인 참조광 집광점(PL)을 배치하고, 광축으로부터 벗어난 위치에 구면파 조명광(Q)의 집광점인 조명광 집광점(PQ)을 배치하고, 참조광 집광점(PL)과 조명광 집광점(PQ)을 잇는 선분을 수직으로 2등분하는 평면인 가상 평면(VP)을 설정하여, 피측정면이 가상 평면(VP)에 접하도록 물체를 배치하고, 피측정면으로부터 반사되는 구면파 조명광(Q)의 반사광인 물체광(O)의 데이터를, 이미지 센서를 이용하여 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)으로서 취득하고, 물체가 배치되어 있지 않은 상태에서, 가상 평면(VP)을 통과하여 이미지 센서에 입사하는 인라인 구면파 참조광(L)의 데이터를, 이미지 센서를 이용하여 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)으로서 취득하고, 2종류의 오프액시스 홀로그램(IOR, ILR)의 데이터로부터, 물체광(O)과 인라인 구면파 참조광(L)의 모든 정보를 포함하는 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)을 생성하고, 인라인 구면파 참조광(L)이 구면파광인 것을 이용하는 계산 처리에 의해, 이미지 센서의 수광면인 홀로그램면에 있어서의 인라인 구면파 참조광(L)의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(jL)을 생성하고, 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)과 인라인 참조광 홀로그램(jL)을 이용하여, 물체광(O)의 광파를 나타내는 물체광 홀로그램(g)을 생성하고, 물체광 홀로그램(g)을 광 전파(傳播) 변환 및 회전 변환하여, 가상 평면(VP)에 있어서의 재생 물체광 홀로그램(hV)을 생성하고, 계산 처리에 의해, 물체광 홀로그램(g)에 광 전파 변환을 행하여 물체광(O)이 집광하는 위치를 검출하여, 그 위치를, 참조광 집광점(PL)의 위치 정보를 고정밀화한 정보를 갖는, 형상 계측용 참조점(S1)으로서 설정하여, 참조점(S1)으로부터 방사된 구면파광의 가상 평면(VP)에 있어서의 홀로그램인 구면파광 홀로그램(sV)을 해석적으로 생성하고, 재생 물체광 홀로그램(hV)을 구면파광 홀로그램(sV)으로 제산(除算)하여 계측용 홀로그램(JV OS=hV/sV)을 생성하고, 계측용 홀로그램(JV OS)의 위상 분포로부터 물체의 피측정면에 있어서의 높이 분포를 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 표면 형상 계측 장치 및 표면 형상 계측 방법에 의하면, 피측정면으로부터의 구면파 조명광의 반사광의 위상 데이터를 취득하여, 해석적으로 얻어지는 구면파의 평면 절단면에 있어서의 위상 분포와 비교해 형상 계측을 행하므로, 유리 기판 등의 물질적인 참조 평면을 필요로 하지 않고, 고정밀도의 표면 형상 계측을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 동 계측 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 동 계측 방법에 있어서의 가상 평면의 고정밀 결정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 제2의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치에 의해 물체광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도이다.
도 5는 동 장치에 의해 참조광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도이다.
도 6은 제3의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치에 의해 물체광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도이다.
도 7은 제4의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치에 의해 물체광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도이다.
도 8은 제5의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치의 이미지 센서 주변의 구성도이다.
도 9는 제6의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치의 블록 구성도이다.
도 10은 본 발명에 관한 표면 형상 계측 장치를 이용하여 구한, 평면 미러 시료의 표면에 있어서의, 복소 진폭 홀로그램의 위상 분포를 나타내는 화상이다(실시예 1).
도 11은 도 10의 위상 분포를 이용하여 구한 표면 높이 분포를 나타내는 화상.
도 12의 (a)는 도 11의 x방향의 직선상에 있어서의 높이 분포의 도면, (b)는 동 도면의 y방향의 직선상에 있어서의 높이 분포의 도면이다.
도 13은 다른 평면 미러 시료에 대해 구한 표면 높이 분포를 나타내는 화상이다(실시예 2).
도 14의 (a)는 도 13의 x방향의 직선상에 있어서의 높이 분포의 도면, (b)는 동 도면의 y방향의 직선상에 있어서의 높이 분포의 도면이다.
도 15는 또 다른 평면 미러 시료에 대해 구한 표면 높이 분포를 나타내는 화상이다(실시예 3).
도 16의 (a)는 도 15의 x방향의 직선상에 있어서의 높이 분포의 도면, (b)는 동 도면의 y방향의 직선상에 있어서의 높이 분포의 도면이다.
도 17은 네거티브 패턴 USAF 테스트 타겟에 대해 구한 표면 높이 분포를 나타내는 화상이다(실시예 4).
도 18의 (a)는 도 17의 x방향의 직선상에 있어서의 높이 분포의 도면, (b)는 동 도면의 y방향의 직선상에 있어서의 높이 분포의 도면이다.
도 19는 본 발명에 관한 표면 형상 계측 장치를 이용하여 측정된 액정 디스플레이용 필터의 높이 분포를 나타내는 화상이다(실시예 5).
도 20은 도 19의 사각으로 둘러싼 부분의 확대 화상이다.
도 21은, 도 20의 화상에 있어서의 측정선(i)상에 있어서의 측정한 결과를 나타내는 높이 분포의 도면이다.
도 22는, 도 20의 화상에 있어서의 측정선(ii)상에 있어서의 측정한 결과를 나타내는 높이 분포의 도면이다.
도 23은, 도 19의 측정 대상에 대해 얻어진 스페이서의 높이 측정값 분포의 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치 및 표면 형상 계측 방법에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
(제1의 실시형태: 표면 형상 계측 방법)
도 1 내지 도 4를 참조하여, 제1의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 방법을 설명한다. 도 1, 도 2에 나타내듯이, 본 표면 형상 계측 방법은, 물체(4)의 피측정면의 형상을 홀로그래피를 이용하여 계측하는 방법으로서, 광학계 설정 공정(#1)부터 표면 형상 계측 공정(#8)까지의 공정을 구비하고 있다.
광학계 설정 공정(#1)에서는, 가상적으로 설정한 가상 평면(VP)에 관해서 서로 경상 배치가 되도록, 구면파 조명광(Q)의 집광점인 조명광 집광점(PQ)과 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점인 참조광 집광점(PL)이 설정된다. 또한, 참조광 집광점(PL)으로부터 가상 평면(VP)을 비스듬하게 통과하는 직선상에 이미지 센서(5)를 배치하고, 직선과 가상 평면(VP)의 교점 위치에 물체(4)의 위치를 나타내는 기준점(PO)이 설정된다. 이러한 구성하에서, 이미지 센서(5)에 의해, 각 구면파광(Q, L)의 홀로그램이 오프액시스 참조광(R)을 이용하여 취득되어, 컴퓨터상에서 각 광원의 홀로그램을 재생하여 확인하는 것에 의해, 물체(4)를 고정한다. 그 후, 시료대(7)의 위치와 자세 및 광학계의 전체가 조정된다. 각 구면파광(Q, L), 및 오프액시스 참조광(R)은, 하나의 광원으로부터 방사된 서로 코히렌트(coherent)한 레이저광이다.
각 집광점(PQ, PL), 즉 각 구면파광(Q, L)의 광원의 위치는, 예를 들면, 핀홀판의 핀홀 위치에 따라 설정된다. 또한, 가상 평면(VP)의 위치에, 참조 평면을 갖는 참조 평면 기판(70)을 배치하여, 구면파 조명광(Q)의 반사광의 홀로그램이 취득된다. 이러한 확인, 조정 및 설정에 요구되는 정밀도는, 나사 등으로 기계적인 조작에 의해 조정할 수 있는 수 10㎛ 정도이다. 측정 정밀도를 ㎚(나노미터) 오더로 고정밀화하는 처리는, 압전 소자 등을 이용하지 않고, 화상 재생 시에 컴퓨터 내의 후처리로 행해진다.
물체광 홀로그램 취득 공정(#2)에서는, 피측정면이 가상 평면(VP)에 접하도록 물체(4)가 기준점(PO)의 위치에 배치된다. 물체(4)의 배치는, 미리 조정된 시료대(7)에 고정하는 것에 의해 행해진다. 물체(4)의 피측정면이, 구면파 조명광(Q)에 의해 경사 조명되어, 그 물체(4)로부터 방사되어 이미지 센서(5)에 입사하는 반사광 즉 물체광(O)의 데이터가, 오프액시스 참조광(R)을 이용하여 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)으로서 취득된다.
참조광 홀로그램 취득 공정(#3)에서는, 참조 평면 기판(70)과 물체(4)가 모두 배치되지 않은 상태에서, 가상 평면(VP)을 비스듬하게 통과하여 이미지 센서(5)에 입사하는 인라인 구면파 참조광(L)의 데이터가, 오프액시스 참조광(R)을 이용하여 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)으로서 취득된다. 이들 2종류의 오프액시스 홀로그램(IOR, ILR)의 데이터는 동시에는 취득되지 않는다. 따라서, 오프액시스 참조광(R)의 조사 조건 등은, 각 데이터의 취득 시에 동일하게 유지할 필요가 있다.
물체광 홀로그램 생성 공정(#4)에서는, 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)과 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR), 및 인라인 구면파 참조광(L)이 구면파광인 것을 이용하여, 이미지 센서(5)의 수광면(z=0)인 홀로그램면(50)에 있어서의 물체광(O)의 광파를 나타내는 물체광 홀로그램(g)이 컴퓨터 내의 데이터 처리로 생성된다.
계측용 물체광 홀로그램 생성 공정(#5)에서는, 물체광 홀로그램(g)이 광 전파 계산에 의해 기준점(PO)의 위치에 있어서의 홀로그램으로 변환된다. 홀로그램을 광 전파 계산에 의해 다른 위치에 있어서의 홀로그램으로 변환하는 것을 광 전파 변환이라고 한다. 변환된 홀로그램은, 홀로그램면(50)에 대한 가상 평면(VP)의 경각(傾角)인 가상면 경각(αO)에 따라 회전 변환되어, 가상 평면(VP)에 있어서의 계측용 재생 물체광 홀로그램(hV)이 생성된다.
참조점 검출 공정(#6)에서는, 계산 처리에 의해, 물체광 홀로그램(g)에 광 전파 변환을 행하여 물체광(O)이 집광하는 위치가 검출되고, 그 위치가 형상 계측용 참조점(S1)이 된다. 참조점(S1)의 위치 정보는, 참조광 집광점(PL)의 위치 정보를 고정밀화한 정보이다. 이 참조점(S1)의 위치 정보를 이용하는 것에 의해, 피측정면의 고정밀의 측정이 가능하게 된다.
구면파광 홀로그램 생성 공정(#7)에서는, 형상 계측용 참조점(S1)으로부터 방사된 구면파광의 홀로그램이, 가상 평면(VP)에 있어서, 구면파광 홀로그램(sV)으로서, 해석적으로 생성된다. 구면파광 홀로그램(sV)은, 피조 간섭계 등에 있어서 기준 평면이 되는 종래의 물리적인 참조 기판에 있어서의 참조 평면을, 컴퓨터 내에서 실현한다.
표면 형상 계측 공정(#8)에서는, 재생 물체광 홀로그램(hV)을 구면파광 홀로그램(sV)으로 제산하는 것에 의해, 물체광(O)과 구면파광 홀로그램(sV)에 관한, 계측용 복소 진폭 인라인 홀로그램인 계측용 홀로그램(JV OS)이 생성된다. 그 계측용 홀로그램(JV OS)의 위상 분포로부터, 물체(4)의 피측정면에 있어서의 높이 분포, 즉, 물체(4)의 표면 형상이 구해진다.
(가상 평면의 설정의 상세)
도 2에 나타내는 시료대(7) 및 광학계의 최초 설정은, 예를 들면, 다음과 같이 행해진다. 또한, 시료대(7)의 위치와 자세의 설정은, 가상 평면(VP)의 위치와 자세의 설정과 같은 의미가 된다. 이미지 센서(5)의 광축상에 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점인 참조광 집광점(PL)을 배치하고, 광축으로부터 벗어난 위치에 구면파 조명광(Q)의 집광점인 조명광 집광점(PQ)을 배치한다. 이들의, 각 광원(PQ, PL)과 이미지 센서(5)의 배치 설정은 이후 고정된다.
가상 평면(VP)은, 참조광 집광점(PL)과 조명광 집광점(PQ)을 잇는 선분을 수직으로 2등분하는 평면이다. 가상 평면(VP)과 광축의 교점 위치에 물체(4)의 위치를 나타내는 기준점(PO)이 설정된다. 기준점(PO)의 위치에, 시료대(7)가 조정된 상태로 설치된다. 시료대(7)는, 물체(4)를 시료대(7)에 고정했을 때에, 물체(4)의 피측정면이 가상 평면(VP)에 접하도록 조정된다. 이 시료대(7)의 조정은, 이하와 같이 행해진다.
참조 평면을 갖는 참조 평면 기판(70)을 시료대(7)에 고정하여 구면파 조명광(Q)에 의해 조명하고, 그 참조 평면으로부터의 반사광의 데이터를, 오프액시스 참조광(R)을 이용하여 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)으로서 취득한다. 참조 평면 기판(70)이 배치되어 있지 않은 상태에서, 가상 평면(VP)을 통과하여 이미지 센서(5)에 입사하는 인라인 구면파 참조광(L)의 데이터를, 오프액시스 참조광(R)을 이용하여 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)으로서 취득한다. 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)의 실상(實像) 성분을 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)의 실상 성분으로 제산하여 얻어지는 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)의 위상 분포의 변화가 저감하도록, 시료대(7)의 위치와 경사, 즉 자세를 변경하는 것에 의해, 시료대(7)의 조정을 행한다.
보다 구체적으로 설명한다. 인라인 구면파 참조광(L)과 구면파 조명광(Q)의 각 집광점을 배치하고, 먼저, 물체(4)가 없는 상태로 하여, 인라인 구면파 참조광(L)과 오프액시스 참조광(R)이 만드는 간섭무늬(ILR)를 기록한다. 다음으로, 옵티컬 플랫과 같은 높은 평면도의 참조 평면을 갖는 참조 평면 기판(70)을, 물체(4)로서 시료대(7)에 고정하고, 구면파 조명광(Q)으로 조명한다. 조명광 집광점(PQ)의, 참조 평면 기판(70)의 참조 평면에 관한 대칭점이, 참조광 집광점(PL)에 가까워지도록, 바꾸어 말하면, 참조 평면 기판(70)의 참조 평면이, 참조광 집광점(PL)과 조명광 집광점(PQ)을 잇는 선분을 수직으로 2등분하는 평면과 일치하도록, 시료대(7)의 거리(zO)와 경각(αO)을 기계적으로 조정하여, 참조 평면으로부터의 반사광인 물체광(O)과 오프액시스 참조광(R)이 만드는 간섭무늬(IOR)를 원샷 기록한다.
공간 주파수 필터링을 행하여, 각 간섭무늬(IOR과 ILR)로부터, 각각의 실상 성분을 나타내는 복소 진폭 오프액시스 홀로그램(JOR과 JLR)을 취출하고, JOR을 JLR로 제산하여 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)을 얻는다. 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)의 위상(θO-θL)은, 홀로그램면(50)에 있어서의 인라인 구면파 참조광(L)과 (구면파라고 간주되는)물체광(O)의 위상차를 나타낸다. 조명광 집광점(PQ)의 대칭점이 참조광 집광점(PL)에 가까워지면, JOL의 위상 성분 exp[i(θO-θL)]가 홀로그램면(50)상에서 일정값의 분포에 가까워진다. 또한, 점(PQ)의 대칭점이 점(PL)으로부터 멀어지면, 위상 성분 exp[i(θO-θL)]는 값이 변화하는 분포가 된다.
점(PQ)의 대칭점과 참조광 집광점(PL)의 거리가, z축과 수직인 방향으로 분해능 δ=λ/(2NA) 이상, 또는 z축방향으로 초점심도 DOF=λ/(2NA2) 이상, 떨어지면, 위상 성분 exp[i(θO-θL)]의 분포는, 홀로그램면상에서 진동적으로 변화한다. 여기에, NA는 기록 홀로그램의 개구수이다.
복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)의 위상 성분 exp[i(θO-θL)]의 변화가 충분히 작아지도록 거리(zO)와 경각(αO)을 조정하여, 참조 평면 기판(70)의 참조 평면에 접하는 평면을 가상 평면(VP)으로서 결정하여, 시료대(7)의 조정을 완료한다. 참조광(L)과 조명광(Q)은, 결정된 가상 평면(VP)을 사이에 두고 대칭이 되며, 가상 평면(VP)에 있어서의 조명광(Q)과 참조광(L)의 위상차(θO-θL)의 면분포는, 변화가 작은 거의 일정한 값이 된다.
그런데 표면 형상의 요철 높이 t의 측정을, 정밀도 Δt로 행하는 경우, 가상 평면(VP)의 결정 단계에서 위상 변화 Δ(θO-θL)가 4πΔt/λ보다 작고, Δ(θO-θL)<4πΔt/λ가 되도록 기계적으로 조정할 필요가 있다. 이러한 조정은, PZT 등의 압전 구동 소자 등을 사용하지 않고 나사만으로 기계적으로 행하는 것은 곤란하며, ㎚오더의 측정 정밀도 Δt는 바랄 수 없지만, 화상 재생 시의 컴퓨터 내의 후처리에 의해, 측정 정밀도 Δt의 향상이 가능하다.
(홀로그램 데이터와 그 처리)
홀로그램 데이터와 그 처리를 수식 표현에 근거하여 설명한다. 홀로그램에는, 오프액시스 참조광(R), 인라인 구면파 참조광(L), 물체광(O) 등이 관여한다. 여기에서, xyz 오른손 직교좌표계의 원점이 홀로그램면(50)(이미지 센서(5)의 수광면)의 중앙에 설정된다(가상 평면(VP)에 관한 좌표계는 x'y'z', 도 2 참조). 홀로그램면(50)으로부터 물체광(O)의 광원을 향하는 방향이 z축의 정(正)의 방향이다. 위치 좌표(x, y)를 이용하여, 물체광(O(x, y, t)), 오프액시스 참조광(R(x, y, t)), 및 인라인 구면파 참조광(L((x, y, t))을, 각각 일반적인 형태로, 하기 식 (1)(2)(3)으로 나타낸다. 이들 광은 서로 코히렌트한 각주파수 ω의 광이다. 각 식 중의 계수, 인수, 첨자 등은 일반적인 표현과 의미로 해석된다. 이하의 각 식에 있어서, 위치 좌표(x, y, z), 공간 주파수(u, v, w)의 명시 등은 적절히 생략된다.
Figure pct00001
상기 식에 있어서의 O(x, y, t)와 R(x, y, t)이 만드는 합성광의 광강도 IOR(x, y), 및 L(x, y, t)과 R(x, y, t)이 만드는 합성광의 광강도 ILR(x, y)는, 각각 하기 식 (4)(5)로 나타난다. 이들 광강도 IOR, ILR이, 이미지 센서(5)를 통하여, 홀로그램의 데이터로서 취득된다.
Figure pct00002
상기 식 (4)(5)에 있어서, 우변의 제1항은 물체광(O) 또는 인라인 구면파 참조광(L)의 광강도 성분, 제2항은 오프액시스 참조광(R)의 광강도 성분이다. 또한, 각 식의 제3항과 제4항은, 각각 물체광(O) 또는 인라인 구면파 참조광(L)이 오프액시스 참조광(R)에 의해 변조되어 만들어지는, 직접상 성분과 공액상 성분이다.
상기 제3항의 직접상 성분(실상 성분)이, 본 데이터 처리 방법에 있어 필요한 물체광(O) 또는 참조광(L)의 정보, 즉 상기 식 (1)(3)의 O0exp(iφO)와 L0exp(iφL)를 포함하는 항이다. 이 제3항의 직접상 성분은, 그 물체광(O) 또는 참조광(L)의 위상 부분 [iφO], [iφL]이, 이들 광을 정의하고 있는 상기 식 (1)(3)의 위상 부분 [iφO], [iφL]과 같다. 한편, 제4항의 물체광(O) 또는 참조광(L)의 위상 부분 [-iφO], [-iφL]은, 이들 광을 정의하고 있는 상기 식 (1)(3)의 위상 부분 [iφO], [iφL]의 복소 공액으로 되어 있으며, 제4항이 공액상 성분이라고 불린다.
오프액시스 참조광(R)을 이용하는 것에 의해, 그 오프액시스의 효과에 의해, 홀로그램을 공간 주파수 공간에 있어서 표현했을 때에 직접상 성분(제3항)이 광강도 성분(제1, 2항) 및 공액상 성분(제4항)으로부터 분리된 홀로그램을 취득할 수 있다. 공간 주파수 필터링을 적용해 상기 식 (4)(5)의 제3항만을 취출하는 것에 의해, 물체광(O)을 기록한 물체광 복소 진폭 홀로그램(JOR)과, 인라인 구면파 참조광(L)을 기록한 복소 진폭 홀로그램(JLR)이, 각각 하기 식 (6)(7)과 같이 얻어진다. 이들의 복소 진폭 홀로그램은, 오프액시스 참조광(R)의 성분을 포함하는 홀로그램이다.
Figure pct00003
공간 주파수 필터링은, 상기 식 (4)(5)를 공간 주파수 공간에 있어서의 표현으로 변환하는 푸리에 변환과, 밴드 패스 필터에 의한 필터링과, 그 후의 역푸리에 변환에 의해 행해진다. 또한, 수광 소자에 있어서의 화소가 화소 피치 d로 2차원 배열되어 있다고 하면, 수광 소자를 이용하여 기록 가능한 홀로그램의 최고 공간 주파수는, 공간 주파수 fs=1/d가 된다.
상기의 식 (6)을 식 (7)로 나누는 제산 처리를 행하면, 식 (6)으로부터 오프액시스 참조광(R)의 진폭(R0)으로 위상(φR)을 제거할 수 있다. 이 처리는, 위상의 감산을 수행하는 처리, 즉 주파수 변환을 행하는 처리이며, 헤테로다인 변조의 처리이다. 이로써, 인라인 구면파 참조광(L)에 대한 물체광(O)의 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)을 하기 식 (8)과 같이 얻을 수 있다.
Figure pct00004
인라인 구면파 참조광(L)은, 참조광(R)의 데이터를 오프액시스 홀로그램인 참조광 홀로그램(ILR)으로서 취득해 보존하기 위한 참조광이며, 또한, 홀로그램 데이터의 디지털 처리에 있어서의 기준광으로서의 역할을 갖는다. 인라인 구면파 참조광(L)은, 참조광(R)의 데이터를 포함하지 않는 홀로그램인 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)을 생성하기 위해서 이용된다. 참조광 홀로그램(ILR)은, 오프액시스 참조광(R)이 같은 조건하에 유지되어 복수의 물체광 홀로그램(Ij OR)이 취득되는 경우, 1매의 오프액시스 홀로그램(ILR)을 취득하고, 1매의 복소 진폭 홀로그램(JLR)을 작성해 두면 된다.
(인라인 구면파 참조광(L)의 성분과 승산 인자)
다음으로, 식 (8)에 있어서, 양변에 승산 인자 L0(x, y)exp(i(φL(x, y))를 곱하는 것에 의해, 진폭 인자 L0(x, y)에 의한 진폭 변조와, 위상 인자 exp(i(φL(x, y))에 의한 헤테로다인 변조가 실행되어, 이미지 센서(5)의 표면(홀로그램면, xy평면, 또는 면 z=0)에 있어서의 물체광(O)의 광파를 나타내는 물체광 홀로그램(g(x, y))이 하기 식 (9)와 같이 얻어진다. 물체광 홀로그램(g(x, y))을 생성하는 공정은, 물체광(O)을 재생하는 공정이다. 물체광 홀로그램(g(x, y))의 절대값의 2승|g(x, y)|2를 디스플레이에 표시하여, 홀로그램면(50)에 있어서의 물체광(O)의 광강도 분포를 화상으로서 볼 수 있다.
Figure pct00005
이 승산의 처리는, 상기 식 (8)로부터 인라인 구면파 참조광(L)의 성분을 제거하는 처리이며, 물체광(O)의 광파 O0(x, y)exp(i(φO(x, y))만을 포함하고 있는 홀로그램(g)을 생성한다. 이 홀로그램의 용어는, 광파를 재생하기 위해서 필요한 데이터를 모두 포함하고 있다는 의미로 이용되고 있으며, 이하에 있어서도 동일한 의미로 이용된다. 인라인 구면파 참조광(L)의 진폭(L0(x, y))은, 완만하게 변화해 무시할 수 있는 경우, 남겨 두어도 된다.
상기 설명한 승산 인자 L0(x, y)exp(i(φL(x, y))는, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(PL)으로부터 방사된 구면파가, 공기 중을 전파하여, 이미지 센서(5), 즉 홀로그램면(50)에 도달한 광파를 나타내는 홀로그램이며, 이것을 인라인 참조광 홀로그램(jL)이라고 부르기로 한다. 인라인 참조광 홀로그램(jL)은, 공기 중을 전파하여 홀로그램면(50)에 전파되는 경우, 구면파로서 홀로그램면(50)에 도달한다. 따라서, 승산 인자는, 집광점(PL)의 위치 정보를 이용하여 해석적으로 얻어진다.
또한, 후술하는 도 4에 있어서의 광학계와 같이, 인라인 구면파 참조광(L)이 빔 결합기(3) 등을 통과하는 경우, 홀로그램면(50)에 있어서의 파면은, 구면파로부터 변형한 파면이 된다. 이 경우는, 홀로그램(jL)은, 해석적으로는 구해지지 않지만, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(PL)으로부터 홀로그램면(50)까지의 거리(ρ)와, 빔 결합기(3)의 두께 치수 A가 주어지는 것에 의해, 평면파 전개를 이용하는 광 전파 계산에 의해 산출된다(후술).
(거리(ρ와 zO), 및 경각(傾角)(αO)의 측정)
표면 형상을 측정하기 위해서는 피측정면에 있어서의 반사광을, 피측정면, 즉 가상 평면과 평행한 위치에서 재생할 필요가 있다. 따라서, 복소 진폭 인라인 홀로그램을 사용하여 반사광을 재생하기 위해서는, 이미지 센서(5), 즉 홀로그램면(50)으로부터 피측정면, 즉 가상 평면(VP)까지의 거리(zO)와, 홀로그램면(50)에 대한 가상 평면(VP)의 경각(αO), 및 홀로그램면(50)으로부터 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점인 참조광 집광점(PL)까지의 거리(ρ)가 필요하게 된다. 이들 값은 다른 측정 수단에 의해서도 측정할 수 있지만, 홀로그래피를 사용한 타겟 화상의 기록과 재생에 의해 높은 정밀도로 구할 수 있다.
도 2에 나타내는 광학계에 있어서, 투명한 평면 유리 기판에 치수를 정확하게 알고 있는 패턴을 기재하여 형성된 평면 타겟을 조정 완료 시료대(4)에, 패턴이 가상 평면(VP)에 접하도록 고정한다. 다음으로, 인라인 구면파 참조광(L)으로 조명하여, 타겟을 투과한 인라인 구면파 참조광(L)인 물체광(O)과 오프액시스 참조광(R)이 만드는 간섭무늬(IOR)를 기록한다. 기록한 간섭무늬(IOR과 ILR)로부터, 홀로그램면(50)에 있어서의 물체광(g)을 구해, 하기와 같이 물체광(g)의 평면파 전개와 광 전파 계산, 및 회전 변환을 행하여, 타겟면 상의 합초점(合焦点) 화상을 재생한다.
(평면파 전개와 광 전파 계산)
전자파에 관한 헬름홀츠 방정식의 엄밀해(嚴密解)로서 평면파가 있다. 이 엄밀해인 평면파를 이용하여 물체광(O)의 광파를 전개할 수 있다. 이 평면파 전개는, 상기 식 (9)의 물체광 홀로그램(g(x, y))을 푸리에 변환하는 것에 의해 실행된다. 즉, 푸리에 변환이 평면파 전개이다. 평면파 전개의 결과, 물체광(O)에 대한 공간 주파수 스펙트럼 G(u, v)가, 하기 식 (10)과 같이 얻어진다. 공간 주파수 스펙트럼 G(u, v)는, 파수 벡터(u, v)를 갖는 평면파의 복소 진폭이며, 복소 진폭 G(u, v)라고도 불린다. 홀로그램면(50)으로부터 거리(zO) 평행 이동한 위치에 있어서의 물체광(O)의 공간 주파수 스펙트럼 H(u, v)는 하기 식 (11)이 되며, 물체광 h(x, y, zO)는 하기 식 (12)에 의해 얻어진다.
Figure pct00006
(회전 변환)
경각(αO)에 의한 회전 변환 후의 공간 주파수 스펙트럼 HV(u', v')는 하기 식 (13)이 되며, 회전 변환의 야코비안 J(u', v')는 하기 식 (14)가 된다. 따라서, 회전 변환 후의 재생 물체광 hV(x', y', zO)는 하기 식 (15)가 된다.
Figure pct00007
기준점(PO)에 있어서, 회전 변환 전의 홀로그램면(50)과 평행한 재생 화상은 |h|2, 회전 변환 후의 가상 평면(VP)과 평행한 재생 화상은 |hV|2에 의해 얻어진다. 재생 물체광 hV는, 파라미터로서 거리(zO)와 거리(ρ)를 포함하고 있다. 적어도 기준점(PO)에 있어서 합초점 재생 화상이 얻어지는 재생면의 z좌표값으로서 거리(zO)가 구해지며, 합초점 재생 화상의 치수가 타겟의 실치수와 일치했을 때의 파라미터값으로서 거리(ρ)가 구해진다. 또한, 재생 물체광 hV는, 파라미터로서 거리(zO)와 거리(ρ) 외에 경각(αO)을 포함하고 있다. 전면에서 합초점 재생 화상이 얻어질 때, 그 회전 변환각의 값으로서 경각(αO)이 구해진다.
(상관 함수를 이용한 형상 계측용 참조점과 가상 평면의 고정밀 결정)
다음으로, 가상 평면(VP)의 고정밀 결정을 설명한다. 여기에서 거리와 측정 정밀도에 대해 설명한다. 인라인 구면파 참조광(L)은, 홀로그램을 재생하기 위해서만 이용되는 광이며, 참조광 집광점(PL)까지의 거리(ρ)는 mm단위로 측정되는 거리이다. 형상 계측에는, 참조광 집광점(PL)은 이용하지 않고, 참조광 집광점(PL)의 근방에서 탐색되어 새롭게 설정되는 형상 계측용 참조점 및 거기에 설정되는 참조점 광원을 이용한다. 이 참조점은, 조명광 집광점(PQ)의 본래의 경상점이다. 참조점은, 실질적으로 조명광 집광점(PQ)의 본래의 경상점의 위치에 오도록, 상관 함수 계산을 이용한, 계산기상의 후처리에 의해 설정된다.
필요한 측정 정밀도를 확보하기 위해서는, 기준점(PO)과 조명광 집광점(PQ) 간의 거리(DQ)와, 기준점(PO)과 형상 계측용 참조점 광원 사이의 거리(DS)의 차 ΔDQS=|DQ-DS|를, 필요한 측정 정밀도보다 작게 하는 것이 필요하다. 이것은 계산기상의 후처리로 실현된다. 이 후처리는, 유효 자리수를 늘리는 처리이다.
상기 설명한 참조 평면 기판을 이용한 가상 평면(VP)의 결정에서는, 참조 평면의 거리(zO)와 경각(αO)을 기계적으로 조정했다. 여기에서는, 점광원과 재생 물체광의 상관 함수를 이용한 계산에 의해, 형상 계측용 참조점 광원을 높은 정밀도로 결정하는 방법을 설명한다. 참조점 광원을 고정밀도로 결정하는 것은, 형상 계측용 참조점 광원을 조명광 집광점(PQ)의 대칭점(P1)과 일치시키는 것이다. 이것을 행하기 위하여, 참조광 집광점(PL)의 바로 근처에 있다고 생각되는 점(P1)의 위치를 광의 상관 함수를 이용한 수치계산에 의해 구한다.
도 3의 흐름도에 나타내듯이, 조명광(Q)의 반사광인 물체광(O)에 대한 물체광 홀로그램(g)을, 광 전파 계산에 의해 참조광 집광점(PL)의 위치(z=ρ)에 전파시켜, 생성되는 홀로그램을 평가 홀로그램(h0=h(x, y, ρ))으로 한다(#61). 다음으로, 점광원을 나타내는 프로브 함수 fp와 평가 홀로그램(h0)의 상관 함수 계산에 의해, 평가 홀로그램(h0)의 면 내에 있어서, 물체광(O)(조명광(Q)의 반사광)이 집광하고 있는 집광점의 위치 좌표(x1, y1, ρ)를 검출하여 가집광점(P1(x1, y1, ρ))으로 한다(#62).
평가 홀로그램(h0=h(x, y, ρ))을 광 전파 계산에 의해 광축방향으로 시험 전파시켜, 가집광점(P1)의 광축 직교면 내의 위치(x1, y1)를 고정하여 상관 함수 계산을 행하고, 광축방향에 있어서의 물체광(O)의 집광점을 검출하여, 그 집광점(P1)의 위치 좌표(x1, y1, z1), z1=ρ+Δρ를 검출한다(#63). 검출된 집광점(P1(x1, y1, z1))을, 형상 계측용 참조점(S1)으로 설정하여, 거기에 참조광 점광원을 설정한다(#64).
상기의 처리를, 수식을 이용하여 구체적으로 설명한다. 평가 홀로그램(h0=h(x, y, ρ))은 하기 식 (16)으로 주어진다(#61). 프로브 함수 fp는 좌표(x1, y1, ρ)에 둔 가상점 광원(fp=δ(x-x1)δ(y-y1))이다. 상관 함수 C는 하기 식 (17)로 주어진다.
Figure pct00008
상관 함수 C(x1, y1, ρ)는, 파라미터로서 평면상의 가상점 광원의 좌표(x1, y1)를 포함하고 있다. 상관 함수의 절대값|C(x1, y1, ρ)|이 최대가 되는 파라미터값으로서 좌표(x1, y1)가 수치계산에 의해 구해진다(#62).
다음으로, 상기 식 (16)에 있어서 (x1, y1)의 값을 고정하고, ρ를 파라미터 z1로 바꾸어, 절대값|C(x1, y1, z1)|이 최대가 될 때의 z1의 값을 구한다. 이로써, 경상점(P1)의 위치 좌표(x1, y1, z1)가 검출된다(#63). 이러한 상관 함수를 이용한 계산에 의해, 분해능 δ=λ/(2NA)보다 훨씬 높은 정밀도로 좌표(x1, y1)가 구해지고, 초점심도 DOF=(2NA2)보다 훨씬 높은 정밀도로 z1의 값이 구해진다. 이상의 계산에 의해, 참조광 집광점(PL)의 위치 또는 그 근방에 있어서, 참조점(S1)이 되는 점(P1)의 좌표(x1, y1, z1)를, 수치계산에 의해 정밀도 좋게 결정할 수 있다(#64).
상기와 같이, 상관 함수 C를 이용하여, 위상 성분이 ξ=C/|C|가 되는 형상 계측용 참조점(S1)을 새롭게 점(P1)에 배치하고, 이 참조점(S1)에 설정한 점광원(이하, 참조점 광원(S1))이 만드는 광(구면파광이다)을 인라인 구면파 참조광(L1)이라고 한다. 참조점 광원(S1)이 만드는 참조광(L1)의 위상은, 구면파의 해석해를 이용하여 정확하게 계산할 수 있다. 가상 평면(VP)에 있어서, 조명광(Q)의 위상과 참조광(L1)의 위상은, 가상 평면(VP) 전역에 걸쳐 서로 일치하게 된다.
재생 물체광 홀로그램(hV(x', y'))을 구면파광 홀로그램(sV(x', y'))으로 제산하면, 피측정면을 계측하기 위한 계측용 홀로그램(JV OS(x', y'))이 구해진다. 피측정면의 높이 분포 t(x', y')는 피측정면에서 반사되는 조명광(Q)과 가상 평면(VP)에서 반사되는 조명광(Q)의 광로차로 구해진다. 참조점(S1)을 광원으로 하는 인라인 구면파 참조광(L1)의 위상은, 가상 평면(VP)상에서 조명광(Q)의 위상과 일치한다. 따라서, 높이 분포 t(x', y')는, 계측용 홀로그램(JV OS)의 위상(θO-θL1)을 이용하여, 하기 식 (18)로 얻을 수 있다. 여기에, 위상 θO은 재생 물체광 홀로그램(hV)으로부터 얻어지는 재생 물체광의 위상, 위상 θL1은 참조점 광원(S1)이 만드는 참조광(L1)의 위상, 각도 α(x', y')는 좌표(x', y')에 있어서의 조명광(Q)의 입사각이다.
Figure pct00009
(제2의 실시형태: 표면 형상 계측 장치)
도 4, 도 5를 참조하여, 제2의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치(1)를 설명한다. 표면 형상 계측 장치(1)는, 물체(4)의 피측정면의 형상을 홀로그래피를 이용하여 계측하는 장치이며, 물체(4)의 피측정면의 홀로그램을 취득하는 데이터 취득부(10)와, 데이터 취득부(10)에 의해 취득된 홀로그램으로부터 피측정면에 있어서의 화상을 재생하는 화상 재생부(12)를 구비하고 있다.
데이터 취득부(10)는, 광강도를 전기신호로 변환하여 홀로그램 데이터로서 출력하는 이미지 센서(5)와, 물체(4)의 피측정면이 가상적으로 설정한 가상 평면(VP)에 접하도록 물체(4)를 고정하는 시료대(7)와, 각 광을 전파시키는 광학계(2)를 구비하고 있다. 이미지 센서(5)는, 제어부 및 메모리로서의 컴퓨터(11)에 접속되어 있다.
광학계(2)는, 가상적으로 설정된 가상 평면(VP)의 양측에 대칭으로 배치된, 구면파 조명광(Q)용 및 인라인 구면파 참조광(L)용의 2개의 광학계와, 이미지 센서(5)의 직전에 배치된, 큐브형 빔 스플리터로 이루어지는 빔 결합기(3)와, 오프액시스 참조광(R)용의 광학계를 구비하고 있다.
구면파 조명광(Q)은, 물체(4)의 피측정면을 경사 방향으로부터 조명하여, 물체(4)의 표면 형상의 정보를 포함하는 반사광, 즉 물체광(O)을, 이미지 센서(5)에 기록시키는 광이다. 조명광(Q)의 광로에는, 평행광을 집광하는 렌즈(21)와, 그 집광 위치에 핀홀을 갖는 핀홀판(22)이 구비되어 있다. 그 핀홀의 위치가, 조명광(Q)의 집광점, 즉 조명광 집광점(PQ)이며, 구면파광의 점광원의 위치가 된다.
인라인 구면파광(L)은, 조명광(Q)과 마찬가지로, 그 광로에는, 평행광을 집광하는 렌즈(25)와, 그 집광 위치에 핀홀을 갖는 핀홀판(26)이 구비되어 있다. 핀홀판(26)의 핀홀의 위치가, 인라인 참조광(L)의 집광점, 즉 참조광 집광점(PL)이며, 구면파광의 점광원의 위치가 된다. 인라인 구면파광(L)은, 조명광(Q)의 반사광으로 이루어지는 물체광(O)에 대해서 인라인 광이 된다. 참조광(L과 R)의 기록은, 물체광의 기록 홀로그램에 있어서의 오프액시스 참조광(R)의 성분을, 인라인 구면파광(L)의 성분으로 치환하여 제거해, 기록 홀로그램을 인라인화하기 위하여 이용된다.
물체광(O)과 인라인 구면파 참조광(L)은, 빔 결합기(3)를 통과하여 이미지 센서(5)에 정면으로부터 입사한다. 즉, 이미지 센서(5)의 수광면의 중심 수선 방향으로, 조명광 집광점(PQ)과 참조광 집광점(PL)이, 광학적으로 인라인이 되며, 또한 광학적으로 같은 위치에 존재한다.
오프액시스 참조광(R)은, 빔 결합기(3)에, 그 측방으로부터 입사되어, 내부 반사경(30)에서 반사되어 이미지 센서(5)에 입사한다. 그 광로에는, 확경용의 소경 렌즈(23)와, 콜리메이트용의 대경 렌즈(24)를 구비하고, 구면파형으로 형성된 오프액시스 참조광(R)을 생성한다.
광학계(2)는, 가상 평면(VP)에 대해서 구면파 조명광(Q)의 집광점인 조명광 집광점(PQ)과 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점인 참조광 집광점(PL)이 서로 경상 배치가 되도록 설정되어 있다. 또한, 광학계(2)는, 조명광(Q)이 피측정면을 비스듬하게 조명하여, 그 반사광인 물체광(O)이 이미지 센서(5)에 입사하고, 인라인 구면파 참조광(L)이 가상 평면(VP)을 비스듬하게 통과하여 이미지 센서(5)에 입사하도록, 각 광을 전파시킨다.
빔 결합기(3)는, 물체광(O) 또는 인라인 구면파 참조광(L)과 오프액시스 참조광(R)을 합파하여 이미지 센서에 입사시킨다. 빔 결합기(3)로서 큐브형 빔 스플리터를 이용할 수 있다.
화상 재생부(12)는, 데이터 보존부(6)와 함께 컴퓨터(11)에 구비되어 있다. 화상 재생부(12)는, 제1의 실시형태에서 설명한 표면 형상 계측 방법을 실행하는 소프트웨어군과 메모리를 구비하여 구성되어 있다.
물체(4)의 피측정면의 표면 형상 계측에서는, 도 4에 나타내듯이, 물체(4)가 배치된 상태에서, 구면파 조명광(Q)과 오프액시스 참조광(R)을 이용하여, 반사광인 물체광(O)의 기록 홀로그램(IOR)이 취득된다. 또한, 도 5에 나타내듯이, 물체가 제거된 상태에서, 인라인 참조광(L)을 이용하여, 오프액시스 참조광(R)의 기록 홀로그램(ILR)이 취득된다.
취득된 오프액시스 홀로그램(IOR, ILR)이, 제1의 실시형태에서 설명한 표면 형상 계측 방법에 따라 처리되어, 표면 형상의 계측값이 얻어진다. 그런데 본 실시형태의 표면 형상 계측 장치(1)는, 큐브형의 빔 결합기(3)를 구비하고 있으므로, 빔 결합기(3)의 굴절률을 고려한 평면파 전개법에 따라 빔 결합기(3)를 통과하는 광의 광 전파 계산을 행할 필요가 있다. 이하에서는, 빔 결합기(3)에 관한 처리를 설명한다.
(빔 결합기 통과 후의 구면파의 산출)
홀로그램면(50)에 있어서, 복소 진폭 홀로그램(JOL)으로부터, 물체광 홀로그램(g)을 생성하기 위해서는, 빔 결합기(3)를 통과하여 홀로그램면(50)에 도달한 인라인 구면파 참조광(L)의 광파(인라인 참조광 홀로그램(jL))가 필요하다. 인라인 참조광 홀로그램(jL)은, 빔 결합기(3)를 통과한 것에 의해, 구면파가 아니다. 따라서, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(PL)의 위치로부터 이미지 센서(5)의 입사면인 홀로그램면(50)에 이르는 광파의 광 전파 계산을 행하여, 홀로그램면(50)에 있어서의 인라인 구면파 참조광(L), 즉 인라인 참조광 홀로그램(jL)을 생성한다.
광 전파 계산은 평면파 전개를 사용하여 행한다. 집광점(PL)에 있어서 참조광(L)을 평면파 전개하고, 공기 중 및 빔 결합기(3) 내를 전파시켜 홀로그램면(50)에 있어서의 각 평면파 성분을 계산하여, 계산한 평면파 성분을 합계하여 인라인 참조광 홀로그램(jL)을 구한다. 집광점(PL)의 위치(z=ρ)의 xy평면에, 인라인 구면파 참조광(L)의 점광원 b0δ(x)δ(y)가 존재한다. 이 점광원의 공간 주파수 스펙트럼 B(u, v)는, 일정값 b0, 즉 B(u, v)=b0이다. 따라서, 평면파의 전파에 의해, z=0의 홀로그램면(50)에 있어서의 인라인 구면파 참조광(L), 즉 인라인 참조광 홀로그램( jL)은, 하기 식 (19)가 된다.
Figure pct00010
상기 식에 있어서의 n은, 빔 결합기(3)의 굴절률이다. 상기 식 (19)는, 원점(z=0)으로부터 집광점(PL)까지의 거리(ρ)와 빔 결합기(3)의 치수 A의 함수가 되지만, 원점으로부터 빔 결합기(3)까지의 거리와는 무관계하게 된다. 즉, 빔 결합기(3)를 어느 위치에 두어도 같은 식이 된다. 상기 식 (19)는, 원리적인 계산식으로서, 실제 계산에는, 샘플링 정리(Sampling theorem)를 충족시키는 계산 점수로 광 전파 계산을 행할 필요가 있다.
(홀로그램면에 있어서의 물체광 g(x, y))
상기 설명한 순서로 얻어지는, 상기 식 (19)의 인라인 참조광 홀로그램(jL)은, 빔 결합기(3)를 통과하여 홀로그램면(50)에 도달한 인라인 구면파 참조광(L)의 광파이다. 이 홀로그램(jL)으로 이루어지는 승산 인자 jL=L0(x, y)exp(i(φL(x, y))를 상기 식 (8)에 곱하는 것에 의해, 이미지 센서(5)의 표면(홀로그램면, xy평면, 또는 면 z=0)에 있어서의 물체광(O)의 광파를 나타내는 물체광 홀로그램(g(x, y))이 상기 식 (9)와 마찬가지로 얻어진다.
(광 전파 계산)
홀로그램면에 있어서의 물체광 홀로그램(g(x, y))을 푸리에 변환하는 평면파 전개의 결과, 물체광(O)에 대한 공간 주파수 스펙트럼 G(u, v)가 하기 식 (20)과 같이 얻어진다. 표현상, 상기 식 (10)과 동일하게 된다. 평면파의 광 전파 계산에 의해, 물체(4)의 피측정면의 위치(z=z0)에 있어서, 홀로그램면(50)과 평행한 면에 있어서의 물체광 h(x, y)가, 하기 식 (21)에 의해 얻어진다.
Figure pct00011
상기 식 (20) 중의 u, v는, 각각 x방향과 y방향의 푸리에 공간 주파수이다. z방향의 푸리에 공간 주파수 w, wn은, 상기 식 (21)과 같이, 평면파의 분산식(파수와 파장의 관계식)으로부터 구해진다. 분산식은, (n/λ)2의 형태로 굴절률 n을 포함한다. 상기 식 (20)(21)은, 광로상에 존재하는 빔 결합기(3)의 크기 A와 굴절률 n을 고려한 계산식으로 되어 있다.
상기 식 (21)에 의해, 물체(4)의 피측정면의 위치(z=z0)에 있어서의 홀로그램면(50)과 평행한 물체광 h(x, y)이 얻어졌으므로, 상기 식 (13)~(18)의 회전 변환, 상관 함수를 이용한 가상 평면의 고정밀 결정, 높이 분포의 산출의 처리에 의해, 표면 형상 계측을 실행해 측정 결과를 얻을 수 있다. 상기 식 (13)~(18)의 처리는, 공기 중의 사상(事象)의 처리이며, 빔 결합기(3) 등의 굴절률 n의 영향을 고려할 필요는 없다.
(제3의 실시형태)
도 6을 참조하여, 제3의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치(1)를 설명한다. 본 실시형태의 표면 형상 계측 장치(1)는, 제2의 실시형태의 표면 형상 계측 장치(1)에 있어서, 광학계(2)가, 물체광(O)과 인라인 구면파 참조광(L)을 집광하는 집광 렌즈(27)와, 집광 렌즈(27)에 의한 집광 위치에 배치되어 통과 광량을 제한하는 동공판(瞳孔板, pupil plate)(27a)과, 동공판(27a)에 조합하여 배치된 결상 렌즈(27b)를 구비하고 있는 것이다. 동공판(27a)의 전후에 구비된 2개의 렌즈는, 물체광(O)과 인라인 구면파 참조광(L)을 이미지 센서(5)에 결상시키는 렌즈이다.
큰 구경의 홀로그램을 기록할 수 있으면, 큰 기물의 표면 형상 계측이 가능하게 된다. 대구경 홀로그램을 기록하는 방법으로서, 평면상에 다수의 이미지 센서를 나열하는 방법이나 평면상에서 이미지 센서를 이동시키는 방법 등도 생각할 수 있지만, 본 실시형태와 같이, 렌즈를 사용하여 반사광을 집광시키면, 1개의 이미지 센서(5)로 대구경 홀로그램을 기록할 수 있다. 집광용 렌즈를 이용하여 인라인 구면파 참조광(L) 또는 물체광(O)을 이미지 센서(5)의 수광면에 투사하여, 오프액시스 참조광(R)에 의해 만들어지는 간섭무늬를 기록한다. 기록 홀로그램의 공간 주파수 대역의 폭은, 동공판(27a)의 동공을 개폐하는 것에 의해 조정할 수 있다. 피측정면이 매끄러워 평면도가 높은 경우에는, 공간 주파수 대역폭은 좁아지고, 피측정면에 미세한 요철이 있는 경우에는 대역폭은 넓어진다.
집광 렌즈(27)와 결상 렌즈(27b)의 2개의 렌즈는, 피측정면상의 광을 이미지 센서(5)의 수광면 상에 결상하므로, 물체광의 재생을 행하지 않아도, 피측정면의 형상 관찰이나 형상 측정이 가능하게 된다.
(제4의 실시형태)
도 7을 참조하여, 제4의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치(1)를 설명한다. 본 실시형태의 표면 형상 계측 장치(1)는, 제3의 실시형태의 표면 형상 계측 장치(1)에 있어서의 집광 렌즈(27)와 동공판(27a)과 결상 렌즈(27b) 대신에, 요면경(凹面鏡, concave mirror)(28)과 동공판(28a)과 결상 렌즈(28b)를 구비하는 것이다. 요면경(28)은, 예를 들어, 집광용 타원면 미러가 이용된다. 본 표면 형상 계측 장치(1)에 있어서도, 요면경(28)과 결상 렌즈(28b)가, 물체광(O)과 인라인 구면파 참조광(L)을 이미지 센서(5)에 결상시킨다.
본 표면 형상 계측 장치(1)에 있어서도, 작은 이미지 센서에 의해 큰 구경의 홀로그램을 기록할 수 있고, 또한, 물체광의 재생을 행하지 않아도, 피측정면의 형상 관찰이나 형상 측정이 가능하게 된다.
(제5의 실시형태)
도 8을 참조하여, 제5의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치(1) 및 표면 형상 계측 방법을 설명한다. 본 실시형태의 장치 및 방법은, 측정 가능한 높이의 범위를 확장하는 것이며, 그 확장을 실현하기 위하여, 상이한 파장(λj, j=1, 2)의 광을 이용한다. 본 실시형태의 표면 형상 계측 장치(1)의 광학계(2)는, 상기 설명한 제2의 실시형태(도 4)의 광학계(2)에 있어서, 빔 결합기(3)와 이미지 센서(5)의 사이에 파장 필터를 삽입하며, 그러한 파장 필터와 이미지 센서의 조를 2쌍 구비한 것이다.
즉, 한쪽의 파장(λ1)을 통과시키는 파장 필터 F1과 이미지 센서(51)의 조가, 빔 결합기(3)에 있어서의 물체광(O)의 입사면(31)에 대향하는 면측에 배치되어 있다. 다른쪽의 파장(λ2)을 통과시키는 파장 필터 F2와 이미지 센서(52)의 조는, 빔 결합기(3)에 있어서의 오프액시스 참조광(R)이 입사하는 면에 대향하는 면측에 배치되어 있다.
(파장이 상이한 광파 간의 위상차를 이용한 표면 형상 계측)
본 실시형태의 표면 형상 계측 방법에 있어서, 이하의 처리가 이루어진다. 상이한 파장(λj, j=1, 2)의 광에 의해, 물체광(O) 및 인라인 구면파 참조광(L)의 데이터가 각 파장(λ1, λ2)마다, 2종류의 오프액시스 홀로그램(Ij OR, Ij LR, j=1, 2)으로서 취득된다. 다음으로, 각 파장(λ1, λ2)마다, 계측용 홀로그램(Jj V OS=hj V/sj V, j=1, 2)이 생성되고, 생성된 2개의 계측용 홀로그램(Jj V OS, j=1, 2)의 비를 구하는 헤테로다인 변환이 실행된다. 헤테로다인 변환의 결과, 변조파(HW=J1 V OS/J2 V OS)가 생성된다. 이 변조파(HW)에 포함되는 변조파장(λB=λ1λ2/(λ2-λ1)) 및 변조 위상 분포(θB(x', y')=θ1-θ2)를 이용하여, 물체의 피측정면에 있어서의 높이 분포가 구해진다.
상기 설명한 처리의 배경과 효과를 설명한다. 예를 들면, 제2의 실시형태에 나타낸 단색 레이저광의 위상을 이용하는 표면 형상 계측에서는, 광파장(λ)을 크게 넘는 높이를 계측하는 것은 어렵다. 또한, λ/2를 넘는 단차에 대해서는 높이의 측정값에 λ/2의 정수배의 불확실성이 발생한다. 그런데 전파 방향이 일치하는 광파장이 상이한 2개의 광파에 대해서 연산 처리를 행하면, 긴 파장을 갖는 파를 작성할 수 있다. 이 파의 위상을 이용하면, 계측 가능한 높이의 범위를 큰 폭으로 넓힐 수 있다.
동일한 점광원으로부터 방사되는 광파장(λ1과 λ2)의 구면파 조명광(Q)은 공간의 모든 점에 있어서 광의 전파 방향이 일치하고, 위상 성분은 각각 exp(2πr/λ1-θ1) 및 exp(2πr/λ2-θ2)로 나타난다. 광파장(λ1)의 구면파 조명광(Q)을 광파장(λ2)의 구면파 조명광(Q)으로 제산하면, 위상 성분이 exp(2πr/λB-θB)인 파를 작성할 수 있다. 여기에, λB 및 θB는, 하기 식 (22)로 주어진다. 파장(λB)은 2개의 조명광이 만드는 비트파의 파장과 일치한다.
Figure pct00012
피측정면을 광원의 위치가 같고 상이한 파장을 갖는 2개의 구면파로 조명하면, 측정면상의 각 점으로부터 방사되는 2개의 반사광의 전파 방향은 일치한다. 또한, 표면 가까이의 광의 간섭이나 회절을 무시할 수 있는 측정면상의 미소면으로부터 방사되는 2개의 반사광의 전파 방향도 일치한다. 따라서, 광파장(λ1)의 반사광을 광파장(λ2)의 반사광으로 제산하면, 조명광(Q)의 경우와 마찬가지로 기능하며, 또한 파장이 커진, 파장(λB)의 광파를 작성할 수 있다. 이것은, 작성한 파장(λB)의 파를 사용하는 것에 의해, 제2의 실시형태 등에 나타낸 계측법에 따라 표면 형상 계측이 가능하게 되는 것을 나타낸다. 피측정면과 가상 평면(VP)에 있어서의 파장(λB)의 2개의 파의 위상차를 ΔθB(x', y')로 나타내면, 피측정 표면의 높이 t(x', y')는, 하기 식 (23)으로 주어진다. 이 식 (23)은, 단일 파장인 경우의 식 (18)과 동등하다.
Figure pct00013
상기 식 (23)은, 기본적으로, 단일 파장의 경우의 식 (18)과 동등한 식이다. 본 실시형태의 표면 형상 계측 장치(1) 및 표면 형상 계측 방법은, 2파장에 대해 기록한 홀로그램의 모든 데이터를 이용할지, 어느 한쪽의 데이터를 이용할지를, 후처리 시에 임의로 결정할 수 있다. 양 파장의 데이터를 이용하는 경우, 식 (23)을 이용하면 되고, 단파장의 데이터를 이용하는 경우, 식 (18)을 이용하면 된다.
상이한 파장의 홀로그램은, 도 8의 광학계를 이용하여, 원샷 기록할 수 있다. 이 경우, 광파장(λ1)에 대한 오프액시스 참조광(R1) 외에, 광파장(λ2)에 대한 오프액시스 참조광(R2)을 준비한다. 이 광학계에서는, 각각의 광파장 성분을 분리하기 위해서 광파장(λ1)의 광을 투과시키고 광파장(λ2)의 광을 차단하는 파장 필터 F1과, 광파장(λ2)의 광을 투과시키고 광파장(λ1)의 광을 차단하는 파장 필터 F2를 이용하고 있다.
본 실시형태의 계측 방법을 위한 다른 광학계(2)로서, 예를 들면, 파장 필터를 구비하지 않고, 1개의 이미지 센서(5)만을 구비하고 있는 도 4의 광학계를 이용하여, 2종류의 오프액시스 홀로그램(Ij OR, Ij LR)을, 각 파장마다 다른 시간으로 취득해도 된다.
또 다른 광학계(2)로서, 도 4의 광학계에 있어서, 오프액시스 참조광(R)의 광학계를 각 파장마다 마련해도 된다. 이 경우, 2개의 오프액시스 참조광(R1, R2)을, 서로 오프액시스의 배치로 하여, 파장이 상이한 홀로그램을 원샷 기록할 수 있다. 파장별 홀로그램으로의 분리는, 오프액시스 배치의 효과에 의해, 후처리로 행할 수 있다. 원샷 기록한 홀로그램으로부터, 공간 주파수 영역에 있어서, 필터링 처리를 행하는 것에 의해, 광파장(λ1)의 복소 진폭 성분과 광파장(λ2)의 복소 진폭 성분을 분리해 취출할 수 있다.
또한, 오프액시스 참조광(R)용으로, 서로 오프액시스 배치로 되어 있는 2개의 광학계를 이용하는 경우, 기록 가능한 측정면이, 도 8의 광학계를 이용하는 경우보다 좁아진다. 반대로, 도 8의 광학계의 경우, 기록 가능한 측정면을 크게 할 수 있지만, 2개의 홀로그램을 각각 다른 이미지 센서(51, 52)로 기록하므로, 물체광(O)의 재생 시에, 2개의 재생광의 위치 조정이 필요하게 된다.
본 실시형태의 표면 형상 계측 장치(1) 및 표면 형상 계측 방법에 의하면, 합성된 파장(λB=(λ1λ2)/(λ2-λ1))이, 원래의 어느 파장(λ1, λ2)보다 길어지므로, 측정 가능한 높이 영역을 확장할 수 있다. 이러한 상이한 파장의 광을 이용하는 표면 형상 계측 장치(1) 및 표면 형상 계측 방법은, 2파장에 한정하지 않고, 3파장 이상의 복수 파장을 이용하는 장치 및 방법으로 확장할 수 있다. 본 방법은, 기록된 홀로그램 데이터를 후처리하는 것에 의해, 계측을 실시할 수 있으며, 이 점은 종래의 비트파를 이용하는 방법과는 크게 다르다. 따라서, 예를 들면, 3파장 λ1, λ2, λ3의 경우, 후처리에 의해 2파장을 선택하여, 예를 들면 차(1/λ1-1/λ2) 등의 조합을 복수 만들거나, 3파장을 전부 사용하여, 예를 들면 합과 차(1/λ1+1/λ2-1/λ3) 등의 조합을 복수 만들거나 하여, 각 조합에 의해 측정 영역을 서로 보간하여 계측을 실시할 수 있다.
(제6의 실시형태)
도 9를 참조하여, 제6의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치(1)를 설명한다. 본 실시형태의 표면 형상 계측 장치(1)는, 예를 들면, 도 5, 도 6에 나타낸 표면 형상 계측 장치(1)에 의해 구현화할 수 있기 때문에, 이들 도면도 아울러 참조한다. 표면 형상 계측 장치(1)는, 피측정면의 홀로그램을 취득하는 데이터 취득부(10)와, 데이터 취득부(10)에 의해 취득된 홀로그램으로부터 피측정면에 있어서의 화상을 재생하는 화상 재생부(12)를 구비하고 있다. 표면 형상 계측 장치(1)는, 또, 데이터 취득부(10) 및 화상 재생부(12)를 제어하는 컴퓨터로 이루어지는 제어부(11)와, FFT 등의 계산용 프로그램, 제어용 데이터 등을 기억하는 메모리(11a)를 구비하고 있다.
데이터 취득부(10)는, 광을 생성하여 전파시키는 광학계(2)와, 빔 결합기로서 이용되는 큐브형 빔 스플리터인 빔 결합기(3)와, 광강도를 전기신호로 변환해 홀로그램 데이터로서 출력하는 이미지 센서(5)와, 이미지 센서(5)로 취득된 데이터를 보존하는 데이터 보존부(6)를 갖는다. 데이터 보존부(6)는, 화상 재생부(12)와 함께, 제어부(11)에 구비되어 있다. 또한, 데이터 취득부(10)는, 광학계(2)와 이미지 센서(5)의 배치 구성에 관련해 위치나 자세의 조정이 가능한 시료대(7)를 구비하고 있다.
화상 재생부(12)는, 도 1, 도 3에 나타낸 각 공정의 처리를 행하기 위하여, 각 홀로그램 생성부(13~16, 18), 참조점 검출부(17), 형상 계측부(19), 및 표시부(20)를 갖고 있다.
복소 진폭 홀로그램 생성부(13)는, 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)과 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)으로부터 오프액시스 참조광(R)의 성분을 제거하여, 물체광(O)과 인라인 구면파 참조광(L)에 관한 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)을 생성한다.
계산 참조광 홀로그램 생성부(14)는, 참조광 집광점(PL)으로부터 방사되는 광이 구면파인 것에 근거하여, 이미지 센서의 수광면인 홀로그램면(50)에 있어서의 인라인 구면파 참조광(L)의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(jL)을 생성한다.
물체광 홀로그램 생성부(15)는, 인라인 참조광 홀로그램(jL)을 이용하여, 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)으로부터, 홀로그램면(50)에 있어서의 물체광(O)의 광파를 나타내는 물체광 홀로그램(g)을 생성한다.
재생 물체광 홀로그램 생성부(16)는, 물체광 홀로그램(g)을 광 전파 계산에 의해 가상 평면(VP)의 위치에 있어서의 홀로그램으로 변환하여, 변환된 홀로그램을 홀로그램면(50)에 대한 가상 평면(VP)의 경각인 가상면 경각(αO)에 의해 회전 변환하여, 가상 평면(VP)에 있어서의 계측용 재생 물체광 홀로그램(hV)를 생성한다.
참조점 검출부(17)는, 물체광 홀로그램(g)의 광 전파 계산을 행하여, 상관 함수 계산에 의해, 물체광의 집광점을 검출하고, 그 점을 형상 계측용 참조점(S1)으로 설정한다.
해석광 홀로그램 생성부(18)는, 참조광 집광점(PL)으로부터 방사되는 인라인 구면파 참조광(L)에 대응하는 구면파의 가상 평면(VP)에 있어서의 홀로그램인 구면파광 홀로그램(sV)을 해석적으로 생성한다.
형상 계측부(19)는, 재생 물체광 홀로그램(hV)을 구면파광 홀로그램(sV)으로 제산하는 것에 의해, 물체광(O)과 구면파광 홀로그램(sV)에 관한 계측용 홀로그램(JV OS)을 생성하고, 계측용 복소 진폭 인라인 홀로그램(JV OS)의 위상 분포로부터 물체(4)의 피측정면에 있어서의 높이 분포를 구한다.
표시부(20)는, 이미지 센서(5)에 의해 얻어지는 화상, 각 홀로그램의 강도 화상이나 위상 분포 화상 등을 표시한다. 데이터 보존부(6)에 보존된 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)과 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)의 데이터는, 화상 재생부(12)에 의해 처리되어, 표시부(20)에 표시된다. 표시부(20)는, 액정 표시 장치 등의 FPD이며, 화상 이외의 데이터를 표시하여, 유저 인터페이스가 된다. 화상 재생부(12)의 각부는, 표시부(20)를 제외하고, 컴퓨터상에서 동작하는 프로그램과 그 서브루틴군을 포함하는 소프트웨어를 이용하여 구성된다.
(실시예 1)
도 10, 도 11, 도 12를 참조하여, 실시예 1의 평면도 측정을 설명한다. 평면도 사양이 4λ~5λ인 플로트 유리 기판의 평면 미러를 평면도 측정의 시료로 하여, 도 4, 도 5에 나타내는 광학계를 이용하여 형상 계측용 복소 진폭 인라인 홀로그램을 얻었다. 광원은 녹색 반도체 여기 고체 레이저(파장 532㎚, 출력 50mW)를 이용하고, 이미지 센서는 모노크롬 카메라 링크 CCD 카메라(화소수 6600×4400, 화소 피치 5.5㎛)를 이용했다. 인라인 구면파 참조광 및 구면파 조명광에 이용하는 각 구면파광은, 개구수 NA=0.1의 대물 렌즈와 개구경 3㎛의 핀홀을 사용하여 발생시켰다. 이미지 센서면으로부터 567mm 떨어진 위치에 핀홀을 두고, 13.9mm 떨어진 위치에 피측정면을 설치했다. 기록 홀로그램(화소수 4096Х4096)의 개구수는 NA=0.02이다.
도 10은, 평면도 사양 4~5λ의 평면 미러의 미러 표면에 있어서의 복소 진폭 인라인 홀로그램의 위상 분포를 나타낸다. 도 11은, 도 10의 위상 분포를 사용하여 구한 표면 높이의 2차원 분포를 나타낸다. 측정 범위는 15mm×15mm이며, 표면 높이의 최대치와 최저치의 차 PV=431.7㎚, 높이의 표준 편차 RMS=69.0㎚가 얻어졌다. 측정 범위에 있어서 PV값은 λ보다 작고, 평면도의 사양 4λ~5λ를 충족시키고 있다. 도 12(a)(b)는, 도 11에 나타낸 x축방향 및 y축방향 각각의 직선상의 높이 분포를 나타낸다. 도 12(a)에 나타내는 x축방향의 곡률 반경으로서 대략 160m가 얻어졌다.
(실시예 2)
도 13, 도 14를 참조하여, 실시예 2의 평면도 측정을 설명한다. 평면도 사양이 λ/4인 평면 미러를 평면도 측정의 시료로 하여, 실시예 1에서 이용한 장치를 이용하여 형상 계측용 복소 진폭 인라인 홀로그램을 얻었다. 도 13은 평면도 사양 λ/4의 평면 미러의 표면 높이의 2차원 분포를 나타낸다. 표면 높이의 최대치와 최저치의 차 PV=81.3㎚, 높이의 표준 편차 RMS=15.3㎚가 얻어졌다. 측정 범위에 있어서 PV값은 λ/4보다 작고, 평면도의 사양 λ/4를 충족시키고 있다. 도 14는, 도 13에 나타낸 x축방향 및 y축방향의 직선상의 높이 분포를 나타낸다. 도 14(b)에 나타내는 y축방향의 곡률 반경으로서 대략 750m가 얻어졌다. 표면 형상 계측의 분해능은, 재생 물체광에 대해서 실시한 공간 주파수 필터링의 대역폭으로부터 정해진다. 실시예 2, 3에 있어서의 화상의 분해능은 대략 78㎛이다.
(실시예 3)
도 15, 도 16을 참조하여, 실시예 3의 평면도 측정을 설명한다. 평면도 사양이 λ/20인 정밀 옵티컬 플랫 미러를 평면도 측정의 시료로 하여, 실시예 1에서 이용한 장치를 이용하여, 형상 계측용 복소 진폭 인라인 홀로그램을 얻었다. 도 15는 평면도 사양 λ/4의 평면 미러의 표면 높이의 2차원 분포를 나타낸다. 표면 높이의 최대치와 최저치의 차 PV=19.6㎚, 높이의 표준 편차 RMS=2.5㎚가 얻어졌다. 측정 범위에 있어서 PV값은 λ/20보다 작아, 평면도의 사양 λ/20을 충족시키고 있다. 도 16(a)(b)는, 도 15에 나타내는 x축방향 및 y축방향 각각의 직선상의 높이 분포를 나타낸다.
기록한 물체광에는, 큐브형 빔 스플리터(빔 결합기)의 표면 및 이미지 센서 전면에 고정한 커버 유리의 표면에서 발생한 미약한 다중 반사광이 가해지고 있다. 빔 스플리터와 커버 유리의 표면을 이미지 센서면으로부터 약간 기울이는 것에 의해, 이들 다중 반사광의 전파 방향과 피측정면으로부터의 반사광의 전파 방향을, 비켜 놓을 수 있다. 본 실시예에서는, 이것을 이용하여, 실공간에서 공간 필터링을 행하는 것에 의해, 기록 홀로그램으로부터 다중 반사광의 영향을 제거했다.
표면 형상 계측의 분해능은, 재생 물체광에 대해서 행하는 공간 주파수 필터링의 대역폭으로 정해진다. 도 16(a)의 측정 결과는, 고분해능 δ=33㎛와 저분해능 δ=530㎛의 2종류의 분해능으로 구한 높이 분포이다. 도 16(b)의 측정 결과도 마찬가지이다.
높이 분포의 고주파 성분에는, 피측정면의 표면 조도에 의한 산란광 외에, 큐브형의 빔 스플리터 표면 및 이미지 센서의 커버 유리 표면에서 발생하는 산란광, 및 이미지 센서에서 발생하는 잡음이 더해지고 있다고 생각된다. 표면 형상 계측이나 표면 조도 계측의 고정밀화를 달성하기 위해서는, 빔 스플리터 표면이나 커버 유리 표면에서 발생하는 산란광을 없앨 필요가 있다.
(실시예 4)
도 17, 도 18을 참조하여, 실시예 4의 평면도 측정을 설명한다. 네거티브 패턴 USAF 테스트 타겟을 표면 형상 계측의 시료로 하여, 실시예 1에서 이용한 장치를 이용하여, 형상 계측용 복소 진폭 인라인 홀로그램을 얻었다. 도 17은, 타겟 표면에 있어서의 높이의 2차원 분포를 나타낸다. 측정 범위는 15mm×15mm이며, 높이가 높은 부분이 크롬 표면을 나타내고, 낮은 부분이 유리 기판의 면을 나타낸다. 표면 형상 계측의 분해능은 재생 물체광에 대해서 실시한 공간 주파수 필터링의 대역폭으로부터 정해진다. 도 17에 나타내는 화상의 분해능은 대략 24㎛이다.
도 18(a)(b)는, 도 17에 나타내는 x축방향 및 y축방향 각각의 직선상의 높이 분포를 나타낸다. 유리면과 크롬면을 분명히 구별할 수 있다. 크롬 두께는 측정 범위 전체에 걸쳐 일정하고, 그 값은 대략 60㎚로 되어 있다. 또한, 도 17과 도 18의 결과는, 유리 기판이 완만한 안장 형상으로 만곡하고 있는 것을 나타낸다. 각 x축방향 및 y축방향의 곡률 반경으로서 대략 500m가 얻어진다.
(실시예 5)
도 19 내지 도 23을 참조하여, 실시예 5의 평면도 측정을 설명한다. 본 실시예 5는, 제5의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치(1)를 이용하여, 액정 디스플레이용 컬러 필터의 표면 형상 계측을 행했다. 이 표면 형상 계측 장치(1)는, 단일 파장광 및 2파장광에 의한 원샷 기록과 계측이 가능한 장치이다. 계측 대상의 컬러 필터는, 블랙 매트릭스에 RGB 필터를 장착한 구조로 되어 있고, 컬러 필터상에는 높이 약 4㎛, 직경 약 16㎛의 기둥형의 포토 스페이서가 등간격으로 엇갈림 배치되어 있다.
본 실시예에 있어서, 기둥형의 포토 스페이서의 높이를 계측하기 위한 파장 λ=756㎚ 및 786㎚의 2파장 레이저광에 의한 계측과, 낮은 부분의 높이를 계측하기 위한 파장 λ=632.8㎚의 He-Ne 레이저광에 의한 단일 파장에 의한 계측의 2방법의 계측을 행했다.
도 19는, 직경 4mm의 범위의 컬러 필터의 높이 분포의 계측 결과를 나타내고, 도 20은, 도 19 중의 사각 부분의 확대도를 나타낸다. 이들 화상에 있어서, 컬러 필터의 높이가 낮은 곳이 검게, 높은 곳이 희게 되어 있지만, 기둥형의 포토 스페이서 a의 부분은, 보기 쉽게 하기 위하여 흑점으로 나타나 있다. 이들 화상에 나타나는 바와 같이, 일그러짐이 없는 화상이 얻어져, 컬러 필터의 세세한 구조나 각부의 높이 분포를 분명히 식별할 수 있다. 또한, 계측 결과로부터, 필터의 평탄함은 매우 높은 정밀도로 유지되고 있는 것을 알 수 있다.
도 21은, 도 20에 있어서의 x축방향의 직선(i)을 따르는 계측 결과를 나타내고, 도 22는, 도 20에 있어서의 y축방향의 직선(ii)을 따르는 계측 결과를 나타낸다. 각 직선 (i)(ii) 상에, 기둥형의 포토 스페이서 a가 2개씩 포함되어 있다.
도 21, 도 22에 있어서, 필터 부분 b, c(주기가 짧은 낮은 산)는, 파장 λ=632.8㎚의 레이저광을 이용하여 계측한 결과이며, 포토 스페이서 a(주기가 긴 높은 산)는 파장이 λ=756㎚와 786㎚인 레이저광을 이용하여 계측한 결과이다. 후자의 2개의 레이저광이 만드는 비트 파장 λB는, λB=19.8㎛이며, 이로써, 높이 약 4㎛의 기둥형의 포토 스페이서 a의 계측이 가능하게 된다. 포토 스페이서 a의 피크로부터 하방을 향하는 파선은, 재생광의 광강도가 작아 정확하게 계측할 수 없었던 부분을 나타낸다. 이것은, 포토 스페이서의 측부로부터의 반사광이 이미지 센서(CCD)에 도달하지 않았던 것을 나타낸다.
도 23은, 기록 범위에 있어서의 각 포토 스페이서에 번호를 붙여, 계측 결과를 나열하여 나타내고 있다. 이 측정 결과로부터, 일정한 높이 4㎛의 포토 스페이서가 높은 정밀도로 형성되어 있는 것을 알 수 있어, 유용한 계측인 것을 알 수 있다. 본 실시예의 결과로부터, 제5의 실시형태에 관한 표면 형상 계측 장치(1) 및 방법에 의해, ㎚부터 수 십㎛까지의 넓은 레인지에 걸쳐, 고정밀의 높이 분포 계측이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한, 본 실시예는, 물체광을 원샷 기록하여 컴퓨터 내의 후처리로 계측 결과를 얻은 것이며, 고속으로 고정밀의 형상 계측을 실현할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 구성에 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 설명한 각 실시형태의 구성을 서로 조합한 구성으로 할 수 있다.
종래 기술에 대한 본 발명의 신규성과 우위성으로서 하기를 들 수 있다: (1) 광파의 원샷 기록에 의해 고속 측정이 가능하고, (2) 피측정면의 고정밀의 절대 평면도 측정이 가능하고, (3) 참조 평면이나 콜리메이트 렌즈를 사용하지 않기 때문에 평면도 측정의 대구경화가 가능하고, (4) 광범위의 반사 계수를 갖는 피측정면에 대해서 평면도 측정이 가능하고, (5) 피측정면에 있어서의 재생 반사광을 이용하여 고분해능의 표면 형상이나 표면 조도의 측정이 가능하고, (6) 이동이나 회전 등의 조정 기구가 불필요하여, 기록용 광학계의 구성이 매우 간단하게 된다.
상기 우위성으로부터, 본 발명은, 광학이나 디지털 홀로그래피, 광계측, 간섭 계측, 미세 형상 측정의 분야에 있어서 이들의 이점을 살린 넓은 용도에 적용할 수 있다. 또한, 기술 응용의 관점에서는, 정밀 계측이나 나노테크놀로지, 기반 형상 계측, 반도체 기판 검사, 광학 부품 검사 등의 분야에 있어서의 사용을 생각할 수 있다. 구체적인 사용예로서는, 얇은 유리 기판, 포토마스크, 대형 웨이퍼 등의 표면 형상 계측, 광학 부품의 표면 형상 계측, 공업용 기준 평면의 계측 등을 들 수 있다.
1 표면 형상 계측 장치
10 데이터 취득부
12 화상 재생부
13 복소 진폭 홀로그램 생성부
14 계산 참조광 홀로그램 생성부
15 물체광 홀로그램 생성부
16 재생 물체광 홀로그램 생성부
17 참조점 검출부
18 해석광 홀로그램 생성부
19 형상 계측부
2 광학계
27 집광 렌즈
27a 동공판
27b 결상 렌즈
28 요면경
28a 동공판
28b 결상 렌즈
3 빔 결합기(큐브형 빔 스플리터)
4 물체
5 이미지 센서
50 홀로그램면
6 데이터 보존부
7 시료대
C 상관 함수
HW 변조파
ILR, Ij LR 참조광 오프액시스 홀로그램
IOR, Ij OR 물체광 오프액시스 홀로그램
JOL 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램
JV OS, Jj V OS 계측용 홀로그램(계측용 복소 진폭 인라인 홀로그램)
L 인라인 구면파 참조광
O 물체광
PL 인라인 구면파 참조광의 집광점
PO 기준점
PR 오프액시스 참조광의 집광점
Q 조명광
R 오프액시스 참조광
S1 형상 계측용 참조점(참조점 광원)
VP 가상 평면
fp 가상점 광원(프로브 함수)
g 물체광 홀로그램
h0 평가 홀로그램
hV 재생 물체광 홀로그램
jL 인라인 참조광 홀로그램
sV 구면파광 홀로그램
αO 경각
ρ 이미지 센서로부터 인라인 구면파 참조광의 집광점까지의 거리
λB 변조파장
λj, λ1, λ2 파장
θB 변조 위상

Claims (8)

  1. 홀로그래피를 이용하는 표면 형상 계측 장치에 있어서,
    피측정면을 조명하는 구면파 조명광(Q)의 반사광인 물체광(object light)(O)과 상기 물체광(O)에 대해서 인라인이 되는 인라인 구면파 참조광(reference light)(L)의 2개의 광의 데이터를 각각 물체광 오프액시스(off-axis, 비축) 홀로그램(IOR) 및 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)으로서 이미지 센서를 이용하여 취득하는 데이터 취득부와,
    상기 데이터 취득부에 의해 취득된 데이터로부터 상기 피측정면의 화상을 재생하여 표면 형상의 데이터를 취득하는 화상 재생부를 구비하고,
    상기 데이터 취득부는,
    상기 피측정면에 접하도록 가상적으로 설정한 가상 평면(VP)에 대해서 상기 구면파 조명광(Q)의 집광점인 조명광 집광점(PQ)과 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점인 참조광 집광점(PL)이 서로 경상(鏡像) 배치가 되어, 상기 인라인 구면파 참조광(L)이 상기 가상 평면(VP)을 비스듬하게 통과하여 상기 이미지 센서에 입사하도록 구성된 광학계를 구비하고,
    상기 화상 재생부는,
    상기 2종류의 오프액시스 홀로그램(IOR, ILR)의 데이터, 상기 참조광 집광점(PL)의 위치 정보, 및 상기 참조광 집광점(PL)으로부터 방사되는 광이 구면파인 것을 이용하는 계산 처리에 의해, 상기 물체광(O)의 광파를 나타내는 물체광 홀로그램(g)을 생성하는 물체광 홀로그램 생성부와,
    상기 물체광 홀로그램(g)을 광 전파 변환 및 회전 변환하여, 상기 가상 평면(VP)에 있어서의 재생 물체광 홀로그램(hV)을 생성하는 재생 물체광 홀로그램 생성부와,
    계산 처리에 의해, 상기 물체광 홀로그램(g)에 광 전파 변환을 행하여 상기 물체광(O)이 집광하는 위치를 검출하여, 그 위치를, 상기 참조광 집광점(PL)의 위치 정보를 고정밀화한 정보를 갖는, 형상 계측용 참조점(S1)으로서 설정하는 참조점 검출부와,
    상기 참조점(S1)으로부터 방사된 구면파광의 상기 가상 평면(VP)에 있어서의 홀로그램인 구면파광 홀로그램(sV)을 해석적으로 생성하는 해석광 홀로그램 생성부와,
    상기 재생 물체광 홀로그램(hV)을 상기 구면파광 홀로그램(sV)으로 제산하여 계측용 홀로그램(JV OS=hV/sV)을 생성하고, 상기 계측용 홀로그램(JV OS)의 위상 분포로부터 상기 물체의 피측정면에 있어서의 높이 분포를 구하는 형상 계측부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 표면 형상 계측 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 데이터 취득부는, 상기 이미지 센서의 직전에 배치되고, 상기 물체광(O) 또는 상기 인라인 구면파 참조광(L)과, 상기 2종류의 오프액시스 홀로그램(IOR, ILR)을 취득하기 위해서 이용되는 오프액시스 참조광(R)을 합파(合波)하여 상기 이미지 센서에 입사시키기 위한, 큐브형 빔 스플리터로 이루어지는 빔 결합기를 구비하고,
    상기 화상 재생부는, 상기 빔 결합기의 굴절률을 고려한 평면파 전개법에 따라 상기 빔 결합기를 통과하는 광의 광 전파 계산을 행하는 것에 의해, 상기 참조광 집광점(PL)으로부터 방사되어 상기 빔 결합기를 통과해, 상기 이미지 센서의 수광면인 홀로그램면에 이르는 광파로서, 상기 인라인 구면파 참조광(L)에 상당하는 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(jL)을 계산 처리에 의해 생성하는 것을 특징으로 하는, 표면 형상 계측 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광학계는, 상기 물체광(O)과 상기 인라인 구면파 참조광(L)을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈에 의한 집광 위치에 배치되어 통과 광량을 제한하는 동공판과, 상기 동공판에 조합하여 배치된 결상 렌즈를 구비하여, 상기 물체광(O)과 상기 인라인 구면파 참조광(L)을 상기 이미지 센서에 결상시키는 것을 특징으로 하는, 표면 형상 계측 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광학계는, 상기 물체광(O)과 상기 인라인 구면파 참조광(L)을 집광하는 요면경과, 상기 요면경에 의한 집광 위치에 배치되어 통과 광량을 제한하는 동공판과, 상기 동공판에 조합하여 배치된 결상 렌즈를 구비하여, 상기 물체광(O)과 상기 인라인 구면파 참조광(L)을 상기 이미지 센서에 결상시키는 것을 특징으로 하는, 표면 형상 계측 장치.
  5. 물체의 피측정면의 형상을 홀로그래피를 이용하여 계측하는 표면 형상 계측 방법에 있어서,
    이미지 센서의 광축상에 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점인 참조광 집광점(PL)을 배치하고, 상기 광축으로부터 벗어난 위치에 구면파 조명광(Q)의 집광점인 조명광 집광점(PQ)을 배치하고, 상기 참조광 집광점(PL)과 조명광 집광점(PQ)을 잇는 선분을 수직으로 2등분하는 평면인 가상 평면(VP)을 설정하고,
    상기 피측정면이 상기 가상 평면(VP)에 접하도록 상기 물체를 배치하고, 상기 피측정면으로부터 반사되는 상기 구면파 조명광(Q)의 반사광인 물체광(O)의 데이터를, 상기 이미지 센서를 이용하여 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)으로서 취득하고,
    상기 물체가 배치되어 있지 않은 상태에서, 상기 가상 평면(VP)을 통과하여 상기 이미지 센서에 입사하는 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 데이터를, 상기 이미지 센서를 이용하여 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)으로서 취득하고,
    상기 2종류의 오프액시스 홀로그램(IOR, ILR)의 데이터로부터, 상기 물체광(O)과 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 모든 정보를 포함하는 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)을 생성하고,
    상기 인라인 구면파 참조광(L)이 구면파광인 것을 이용하는 계산 처리에 의해, 상기 이미지 센서의 수광면인 홀로그램면에 있어서의 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(jL)을 생성하고,
    상기 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)과 상기 인라인 참조광 홀로그램(jL)을 이용하여, 상기 물체광(O)의 광파를 나타내는 물체광 홀로그램(g)을 생성하고,
    상기 물체광 홀로그램(g)을 광 전파 변환 및 회전 변환하여, 상기 가상 평면(VP)에 있어서의 재생 물체광 홀로그램(hV)을 생성하고,
    계산 처리에 의해, 상기 물체광 홀로그램(g)에 광 전파 변환을 행하여 상기 물체광(O)이 집광하는 위치를 검출하여, 그 위치를, 상기 참조광 집광점(PL)의 위치 정보를 고정밀화한 정보를 갖는, 형상 계측용 참조점(S1)으로서 설정하고,
    상기 참조점(S1)으로부터 방사된 구면파광의 상기 가상 평면(VP)에 있어서의 홀로그램인 구면파광 홀로그램(sV)을 해석적으로 생성하고,
    상기 재생 물체광 홀로그램(hV)을 상기 구면파광 홀로그램(sV)으로 제산하여 계측용 홀로그램(JV OS=hV/sV)을 생성하고, 상기 계측용 홀로그램(JV OS)의 위상 분포로부터 상기 물체의 피측정면에 있어서의 높이 분포를 구하는 것을 특징으로 하는, 표면 형상 계측 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상이한 파장(λj, j=1, 2)의 광에 의해, 상기 물체광(O) 및 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 데이터를 상기 각 파장(λ1, λ2)마다, 상기 2종류의 오프액시스 홀로그램(Ij OR, Ij LR, j=1, 2)으로서 취득하고,
    상기 각 파장(λ1, λ2) 마다, 상기 계측용 홀로그램(Jj V OS=hj V/sj V, j=1, 2)을 생성하고,
    상기 2개의 계측용 홀로그램(Jj V OS, j=1, 2)의 비를 구하는 헤테로다인 변환의 결과인 변조파(HW=J1 V OS/J2 V OS)를 생성하고, 상기 변조파(HW)에 포함되는 변조파장(λB=λ1λ2/(λ2-λ1)) 및 변조 위상 분포(θB(x', y')=θ1-θ2)를 이용하여, 상기 물체의 피측정면에 있어서의 높이 분포를 구하는 것을 특징으로 하는, 표면 형상 계측 방법.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 피측정면이 상기 가상 평면(VP)에 접하도록 상기 물체를 배치하기 위해서 시료대가 이용되고,
    상기 시료대의 조정은,
    상기 시료대에, 참조 평면을 갖는 참조 평면 기판을 고정하여 상기 참조 평면 기판으로부터의 반사광의 데이터를 상기 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)으로서 취득하고,
    상기 물체광 오프액시스 홀로그램(IOR)과 상기 참조광 오프액시스 홀로그램(ILR)을 이용하여 상기 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)을 생성하고,
    상기 복소 진폭 인라인 홀로그램(JOL)의 위상 분포의 변화가 저감하도록 상기 시료대의 위치와 경사를 변경하는 것에 의해 행하는 것을 특징으로 하는, 표면 형상 계측 방법.
  8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    광 전파 계산에 의해, 상기 물체광 홀로그램(g)을 상기 참조광 집광점(PL)의 위치(z=ρ)에 전파시켜 이루어지는 평가 홀로그램(h0)을 생성하고,
    점광원을 나타내는 프로브 함수(fp)와 상기 평가 홀로그램(h0)의 상관 함수 계산에 의해, 상기 평가 홀로그램(h0)의 면 내에 있어서, 상기 물체광(O)이 집광한 위치(x1, y1, ρ)를 검출하여 가집광점(P1)으로 하고,
    상기 평가 홀로그램(h0)을 광 전파 계산에 의해 상기 광축방향으로 시험 전파시켜, 상기 평가 홀로그램(h0)의 면 내에 있어서의 상기 가집광점(P1)의 위치를 고정하여 상기 상관 함수 계산을 행하고, 상기 광축방향에 있어서 상기 물체광(O)이 집광한 위치(x1, y1, z1)를 검출하여, 그 위치를, 상기 형상 계측용 참조점(S1)으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 표면 형상 계측 방법.
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