(57)【要約】      （修正有）【課題】被検面の位置を高速かつ高精度に計測する上で有利な技術を提供する。【解決手段】被検面４の位置を計測する計測装置１００は、互いに異なる波長の光をそれぞれ射出する複数の光源１，２，３と、複数の光源１，２，３から射出された光のうち少なくとも１つの光を選択する選択部２５と、選択部２５で選択された光を含む光を被検面４と参照面５とに照射し、被検面４で反射された光と参照面５で反射された光とによって干渉信号を生成する計測部２７と、干渉信号を用いて被検面４の位置を決定する処理部２６と、を含む。【選択図】図１
2014174120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検面の位置を計測する計測装置であって、
互いに異なる波長の光をそれぞれ射出する複数の光源と、
前記複数の光源から射出された光のうち少なくとも１つの光を選択する選択部と、
前記選択部で選択された光を含む光を前記被検面と参照面とに照射し、前記被検面で反射された光と前記参照面で反射された光とによって干渉信号を生成する計測部と、
前記干渉信号を用いて前記被検面の位置を決定する処理部と、
を含む、ことを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記複数の光源から射出される光の波長とは異なる波長を有する光を射出する第２光源を更に含み、
前記被検面と前記参照面とに照射される光は、前記選択部で選択された光と、前記第２光源から射出された光とを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記複数の光源は、１つの波長基準素子を用いて波長が安定化されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
射出される光の波長が変わるように前記複数の光源をそれぞれ制御する光源制御部と、
前記複数の光源から射出された光における、前記波長基準素子を透過した後の光量をそれぞれ検出する複数の検出器と、
を更に含み、
前記光源制御部は、前記複数の検出器で検出された光量がそれぞれ許容範囲に収まるように前記複数の光源をそれぞれ制御する、ことを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記複数の光源および前記第２光源は、１つの波長基準素子を用いて波長が安定化されている、ことを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
【請求項６】
前記波長基準素子は、ガスセルである、ことを特徴とする請求項３乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記選択部は、導波路型の光スイッチを含む、ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記選択部は、ＭＥＭＳ型の光スイッチを含む、ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記選択部は、機械式の光スイッチを含む、ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検面の位置を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検面の位置を計測する計測装置では、被検面における大きな変位も計測できるように計測レンジの拡大が求められており、計測レンジの拡大が可能な計測装置として多波長干渉計（合成波長干渉計）が知られている。多波長干渉では、複数の波長による合成波長を用いて計測が行われるため、波長λａと波長λｂとによる合成波長Λａｂを示す式（１）からも分かるように、単一波長（λａ又はλｂ）で計測するより計測レンジを拡大させることができる。
【０００３】
【数１】
2014174120.tif 000003
【０００４】
このような多波長干渉計において、光源の電流変調によって波長を切り換える方法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された方法では、電流変調によって光源から射出される光の波長を切り換え、各波長において取得された干渉信号を用いて被検面の位置が計測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−３３１３１４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｕ．Ｖｒｙ  ａｎｄ  Ａ．Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ，“Ｈｉｇｈｅｒ−ｏｒｄｅｒ  ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｓｐｅｃｋｌｅ  ｆｉｅｌｄｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｒｏｕｇｈ−ｓｕｒｆａｃｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ”，Ｊ．Ｏｐｔｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，ＵＳＡ，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，１９８６年７月，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．７，ｐ．９８８−１０００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、波長の切り換えが光源の電流変調によって行われているため、波長を切り換えてから、当該波長が安定するまでに時間がかかってしまう。即ち、特許文献１に記載された方法では、短時間で波長の安定性を保証することができず、高速かつ高精度に被検面の位置を計測することが困難となってしまいうる。例えば、光源に分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを用い、電流変調により波長を１０ＧＨｚで切り換える場合、波長の安定化には１０ｍ秒以上かかってしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、被検面の位置を高速かつ高精度に計測する上で有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、被検面の位置を計測する計測装置であって、互いに異なる波長の光をそれぞれ射出する複数の光源と、前記複数の光源から射出された光のうち少なくとも１つの光を選択する選択部と、前記選択部で選択された光を含む光を前記被検面と参照面とに照射し、前記被検面で反射された光と前記参照面で反射された光とによって干渉信号を生成する計測部と、前記干渉信号を用いて前記被検面の位置を決定する処理部と、を含む、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、例えば、被検面の位置を高速かつ高精度に計測する上で有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の計測装置を示す図である。
【図２】第１実施形態の計測装置において、複数の波長の切り換えを示す図である。
【図３】第１実施形態の計測装置において、被検面の位置を決定する方法を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態の計測装置を示す図である。
【図５】第２実施形態の計測装置における位相検出部の構成を示す図である。
【図６】従来の計測装置における各波長の関係と計測方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態の計測装置１００について、図１を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態の計測装置１００を示す図である。第１実施形態の計測装置１００は、複数の波長を用いて被検面の位置を計測する多波長干渉計（合成波長干渉計）であり、光源部５０と、選択部２５と、合波部２４と、処理部２６とを含む。そして、計測装置１００は、複数の波長による合成波長を用いて、被検面と参照面との間の距離（被検面と参照面との間における光の経路の長さ）を求めることにより、被検面の位置を高精度に計測することができる。まず、第１実施形態の計測装置１００の構成について説明する。
【００１４】
光源１から射出された光束は、ビームスプリッタ６で分割され、分割された一方の光束は偏波面保持ファイバ２０に入射し、他方の光束はビームスプリッタ９を介して、波長基準素子としてのガスセル１４に入射する。光源２から射出された光束は、ビームスプリッタ７で分割され、分割された一方の光束は偏波面保持ファイバ２１に入射し、他方の光束は偏光子１２で０度方向に偏光した直線偏光とされた後、ビームスプリッタ１０および９を介してガスセル１４に入射する。光源３から射出された光束は、ビームスプリッタ８で分割され、分割された一方の光束は偏波面保持ファイバ２２に入射する。また、分割された他方の光束は偏光子１３で９０度方向に偏光した直線偏光とされた後、ミラー１１で反射され、ビームスプリッタ１０および９を介してガスセル１４に入射する。ここで、第１実施形態の光源１、２および３としては、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ；Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザがそれぞれ用いられる。そして、第１実施形態では、光源１から射出される光の波長λ１を１４９０ｎｍ、光源２から射出される光の波長λ２を１５００ｎｍ、光源３から射出される光の波長λ３を１５００．１ｎｍとする。このような光源の組み合わせは一つの例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１５】
光源１、２および３から射出された各光束は、ガスセル１４を透過した後、波長フィルター１５によって、光源１からの光束と、光源２および３からの光束とに分割され、光源１からの光束は検出器１７によって光量が検出される。また、光源２および３からの光束は、偏光ビームスプリッタ１６で分割され、光源２からの光束は検出器１８によって、光源３からの光束は検出器１９によって光量がそれぞれ検出される。光源制御部２３は、検出器１７、１８および１９から出力された信号（各光束の光量を示す信号）を用いて、各検出器で検出された光量が許容範囲に収まるように、光源１、２および３から射出される光の波長を制御する。これにより、各光源から射出される光の波長を、ガスセル１４の吸収線である各基準波長にそれぞれ安定化することができる。第１実施形態におけるガスセル１４は、例えば、複数の吸収線を有する混合ガスセルであるものとする。
【００１６】
光源２からの光束および光源３からの光束は、偏波面保持ファイバ２２および２３を介して選択部２５にそれぞれ入射する。選択部２５は、複数の光源の各々から射出された光束のうち、１つの光束を選択する。即ち、第１実施形態において、選択部２５は、光源２からの光束と光源３からの光束との切り換えを行うことができる光スイッチを含んでおり、光源２からの光束および光源３からの光束のうち一方が選択部２５から射出されるように構成されている。光スイッチは、例えば、導波路型、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）型、機械式の３タイプがある。導波路型の光スイッチは、平面光波回路技術によって作製された光導波路において、電気などの外部入力により光導波路内の屈折率を変化させてスイッチングを行う方式であり、最大スイッチング速度は数ナノ秒程度である。ＭＥＭＳ型の光スイッチは、空間を伝搬する光ビームの光路に、マイクロマシン技術を用いて作製されたミクロンサイズのミラーやシャッターを挿入して当該光路を変えてスイッチングを行う方式であり、最大スイッチング速度は数十マイクロ秒程度である。機械式の光スイッチは、プリズムやミラーを動作によって光ビームの光路を変えてスイッチングを行う方式であり、最大スイッチング速度は数ミリ秒程度である。本発明で用いられる光スイッチは、導波路型、ＭＥＭＳ型および機械式のいずれの方式でもよいが、高速にスイッチングすることができる導波路型が最適である。
【００１７】
ここで、波長の切り換え（選択）における本発明の特徴について、従来の課題を示しながら説明する。複数の波長による合成波長を用いる多波長干渉計では、計測レンジを拡大させるために、合成波長を長くすることが必要となる。合成波長を長くするための１つの手段（原理）としては、上述した式（１）における波長λａと波長λｂとの差を小さくするために、波長差の小さい２つの光源を用いることが挙げられる。例えば、図６（ａ）に示すように、波長λ１の光を射出する光源と、波長λ２（＞λ１）の光を射出する光源と、波長λ３（＞λ２）の光を射出する光源とが用いられ、波長λ２と波長λ３との波長差を小さくする構成を想定する。そして、このような構成において、１０ｍｍの計測レンジ（被検光と参照光との光路長差は２０ｍｍとなる）を確保しつつ、波長λ１の干渉次数を決定する。この場合、例えば、各光源における波長をλ１＝１４９０ｎｍ、λ２＝１５００ｎｍ、λ３＝１５００．１ｎｍと設定することにより、波長λ２と波長λ３とによる合成波長Λ２３を２０ｍｍ以上にすることができる。しかしながら、この手法では、波長λ２と波長λ３との波長差は１００ｐｍと非常に小さく、波長λ２と波長λ３との波長分離が困難となるため、実際の装置構成を考慮すると非現実的である。
【００１８】
また、光源間の波長差を小さくせずに合成波長を長くするための手段（原理）としては、波長差の小さい２つの合成波長を用いることが挙げられる。例えば、図６（ｂ）に示すように、波長λ１の光を射出する光源と、波長λ２（＞λ１）の光を射出する光源と、波長λ３（＞λ２）の光を射出する光源とが用いられる構成を想定する。そして、このような構成において、図６（ａ）と同様に、１０ｍｍの計測レンジ（被検光と参照光との光路長差は２０ｍｍとなる）を確保しつつ、波長λ１の干渉次数を決定する。この場合、例えば、各光源における波長をλ１＝１４９０ｎｍ、λ２＝１５００ｎｍ、λ３＝１５１０．０３ｎｍとほぼ等間隔に設定することにより、λ１とλ２との合成波長Λ１２と、λ２とλ３との合成波長Λ２３との波長差を小さくすることができる。これにより、合成波長Λ１２と合成波長Λ２３とにより生成される合成波長を２０ｍｍ以上にすることができる。この手法では、３つの光源における波長は、それぞれ１０ｎｍ程度離れているため、波長分離の観点では問題ない。しかしながら、非特許文献１に記載されている通り、被検面が粗面である場合には、光源間における波長差が大きくなるにつれてスペックルの影響が大きくなってしまうため、計測精度が低下するといった問題が生じてしまう。
【００１９】
上述した問題を解決するための方法としては、例えば、波長差の小さい波長λ２と波長λ３とを時間的に切り換える方法がある。波長差の小さい波長λ２と波長λ３とを時間的に切り換える方法において、従来の技術（特許文献１に開示された技術）では、波長λ２と波長λ３とをそれぞれ別の光源ではなく、１つの光源の電流変調によって切り換えていた。そのため、従来の技術では、波長を切り換えてから、切り換えた波長が安定するまでに時間がかかってしまい、短時間で波長の安定性を保証することが困難となっていた。そこで、本発明の計測装置１００は、波長差の小さい波長λ２と波長λ３とを光源の電流変調によって切り換えるのではなく、安定化された波長λ２を有する光と、安定化された波長λ３を有する光とを選択部２５（光スイッチ）によって切り換えている。これにより、切り換えた波長が安定するまでにかかる時間を短縮し、短時間で波長の安定性を保証することができる。
【００２０】
図２は、選択部２５で光源２からの光束と光源３からの光束とを切り換えることにより、選択部２５から射出された光の波長が切り換えられている様子を示す図である。また、図２には、光源１から射出された光束の波長である波長λ１を併せて示している。選択部２５から射出された光の波長は、図２に示すように、光源２から射出された光の波長である波長λ２と、光源３から射出された光の波長である波長λ３とが時間的に、かつ交互に切り換えられている。このように光スイッチを含む選択部２５によって、ガスセル１４を用いて波長が安定化された各光源からの光束を切り換えることで、電流変調によって波長を切り換える従来の方式に比べて、高速かつ高精度に波長の切り換えができる。即ち、第１実施形態の計測装置１００では、切り換えた波長の安定性が高く、波長の切り換え時間も短縮できるため、高速かつ高精度に被検面の位置を計測することができる。
【００２１】
選択部２５からの光束（光源２からの光束、又は光源３からの光束）は、合波部２４によって光源１（第２光源）からの光束と合波され、偏波面保持ファイバ２８を介して計測部２７に入射する。合波部２４は、異なる２つの光源からの光束を一つの光路に合わせる機能を有する。計測部２７に入射した光束は、コリメータレンズ２９により平行光束とされ、偏光ビームスプリッタ３０により２つの光束に分割される。偏光ビームスプリッタ３０を透過した光束（以下、第１光束）は、偏光ビームスプリッタ３２に入射する。一方で、偏光ビームスプリッタ３０で反射された光束（以下、第２光束）は、音響光学素子３１により、入射波長に対して一定の周波数シフトｄνを印加されて偏光ビームスプリッタ３２に入射する。そして、第１光束および第２光束は、偏光ビームスプリッタ３２により合波され、ビームスプリッタ３３に入射する。
【００２２】
偏光ビームスプリッタ３２で合波された光束は、ビームスプリッタ３３で２つの光束に分割される。ビームスプリッタ３３で反射された光束は、偏光子３４を透過した後、波長フィルタ３７により、光源１からの光束と選択部２５からの光束（光源２からの光束、又は光源３からの光束）とに分離される。波長フィルタ３７により分離された光源１からの光束は検出器３８に入射し、検出器３８によって、光源１からの光束における第１光束と第２光束との干渉信号（ビート信号）が検出される。また、波長フィルタ３７により分離された選択部２５からの光束は検出器３９に入射し、検出器３９によって、選択部２５からの光束における第１光束と第２光束との干渉信号（ビート信号）が検出される。以下では、検出器３８および３９によって検出された干渉信号を基準信号と称する。ここで、高いコントラストの干渉信号（基準信号）を取得するためには、第１光束と第２光束とにおける光強度の差を小さくする必要がある。そのため、図１には記載されていないが、偏波面保持ファイバ２０、２１および２２へ入射する光を、偏光子やλ／４板などを用いて４５度方向の直線偏光、もしくは円偏光にしておくとよい。
【００２３】
ビームスプリッタ３３を透過した光束は、偏光ビームスプリッタ４０に入射し、第１光束と第２光束とに分離される。第１光束は、偏光ビームスプリッタ４０を透過し、λ／４板４２により円偏光とされた後、集光レンズ４３によって被検面４に集光され、照射される。そして、被検面４で反射されて逆周りの円偏光とされた後に、再びλ／４板４２を透過することによって、偏光ビームスプリッタ４０から射出されたときの光束と比較して９０度回転した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ４０で反射される。ここで、被検面で反射された光を、以下では、被検光と称する。一方で、第２光束は、偏光ビームスプリッタ４０で反射され、λ／４板４１により円偏光とされた後、参照面（コーナーキューブ５）に照射される。そして、参照面（コーナーキューブ５）で反射されて逆周りの円偏光とされた後に、再びλ／４板４１を透過することによって、偏光ビームスプリッタから射出されたときの光束と比較して９０度回転した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ４０を透過する。ここで、参照面（コーナーキューブ５）で反射された光を、以下では、参照光と称する。
【００２４】
被検光および参照光は、偏光ビームスプリッタ４０で合波されて、偏光子４４を透過した後、波長フィルタ４７により、光源１からの光束と選択部２５からの光束（光源２からの光束、又は光源３からの光束）とに分離される。波長フィルタ４７により分離された光源１からの光束は検出器４８に入射し、検出器４８によって、光源１からの光束における被検光と参照光との干渉信号（ビート信号）が検出される。また、波長フィルタ４７により分離された選択部２５からの光束は検出器４９に入射し、検出器４９によって、選択部２５からの光束における被検光と参照光との干渉信号（ビート信号）が検出される。以下では、検出器３８および３９によって検出された干渉信号を計測信号と称する。ここで、計測信号は、第１光束と第２光束との周波数差に相当する干渉信号となる点では基準信号と同じであるが、被検光と参照光との光路長差によって干渉信号の位相が基準信号と異なる。また、高いコントラストの干渉信号（計測信号）を取得するためには、被検光と参照光とにおける光強度の差を小さくする必要がある。そのため、図１には記載されていないが、被検光の光強度または参照光の光強度を、減光（ＮＤ；Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタなどによって調整できるように構成するとよい。なお、第１実施形態の計測装置１００において、光束の分割素子として、偏光成分で分割可能な偏光ビームスプリッタを用いることによる効果は、参照光と被検光とを偏光により分離することができる点である。上述の効果を利用することにより、直交する２つの偏光間で僅かな周波数シフトｄνを印加して、被検面と参照面との間におけるヘテロダイン検出を行うことができ、高精度な位相計測が実現する。
【００２５】
処理部２６は、検出器３８および３９によって検出された基準信号と、検出器４８および４９によって検出された計測信号とを取得し、基準信号と計測信号とに基づいて被検面と参照面との間の距離（被検面と参照面との間における光の経路の長さ）を求める。これにより、被検面の位置を決定することができる。また、処理部２６は、光源制御部２３と選択部２５とにも接続されている。処理部２６は、選択部２５において光を選択する（切り換える）タイミングと同期して、計測部２７から干渉信号（基準信号および計測信号）を取得する。そして、処理部２６は、選択部２５と光源制御部２３とにより、計測部２７から取得された干渉信号において用いられた光が射出された光源と、当該光源から射出される光の波長とを特定することができる。例えば、検出器３９で検出された干渉信号（基準信号）、および検出器４９で検出された干渉信号（計測信号）は、波長λ２および波長λ３のうちどちらの波長を用いて検出されたものかが不明である。そのため、処理部２６は、選択部２５において光を切り換えるタイミングと同期して、検出器３９および４９から干渉信号を取得する。例えば、時刻Ｔ１では、図２に示すように、波長λ２を有する光が選択部２５から射出されているため、当該干渉信号は、波長λ２によって生成されていることとなる。この後、選択部２５において光を波長λ２から波長λ３に切り換えたら、時刻Ｔ２において検出器３９および４９から干渉信号を取得する。この時刻Ｔ２では、図２に示すように、波長λ３を有する光が選択部２５から射出されているため、当該干渉信号は、波長λ３によって生成されていることとなる。
【００２６】
次に、処理部２６において被検面の位置を決定する方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、処理部２６において被検面の位置を決定する方法を示すフローチャートである。ここで、第１実施形態では、上述したように、光源１からの光の波長λ１が１４９０ｎｍ、光源２からの光の波長λ２が１５００ｎｍ、光源３からの光の波長λ３が１５００．１ｎｍであるものとする。
【００２７】
Ｓ３１では、処理部２６は、光源１、２および３のそれぞれから射出された光の各波長（λ１、λ２およびλ３）における基準信号Ｉｒｅｆおよび計測信号Ｉｔｅｓｔを用いて、各位相φ１、φ２およびφ３を算出する。第１実施形態の計測装置１００において取得される、各波長λｋ（ｋ＝１、２又は３）の基準信号ＩｒｅｆおよびＩｔｅｓｔは、式（２）によってそれぞれ表される。ここで、Ｌ１は、各光源から偏光ビームスプリッタ３２までにおける第１光束と第２光束との光路長差、Ｄは、偏光ビームスプリッタ３２から検出器４８又は４９までにおける被検光と参照光との光路長差の半分（以下、被検面と参照面との間の距離と称する）とする。また、空気の屈折率は１と近似する。
【００２８】
【数２】
2014174120.tif 000004
【００２９】
式（２）で表される基準信号Ｉｒｅｆおよび計測信号Ｉｔｅｓｔにより、各波長λｋ（ｋ＝１、２又は３）の位相φｋは、式（３）によって表される。
【００３０】
【数３】
2014174120.tif 000005
【００３１】
Ｓ３２では、処理部２６は、波長λ２と波長λ３の合成波長Λ２３により、被検面と参照面との間の距離Ｄ１を算出する。Ｓ３１において式（３）により算出した位相φ２およびφ３と、合成波長Λ２３とを用いると、距離Ｄ１は式（４）によって表される。ここで、波長λ２と波長λ３との合成波長Λ２３は約２０ｍｍであるため、合成波長の半分の１０ｍｍが計測レンジとなる。
【００３２】
【数４】
2014174120.tif 000006
【００３３】
Ｓ３３では、処理部２６は、波長λ１と波長λ３との合成波長Λ１３における干渉次数Ｍ１３を算出する。Ｓ３２において式（４）により算出した距離Ｄ１と、Ｓ３１において式（３）により算出した位相φ１およびφ３と、合成波長Λ１３を用いると、合成波長Λ１３における干渉次数Ｍ１３は、式（５）によって表される。ここで、ｒｏｕｎｄ関数は、引数を整数に丸める関数を表す。
【００３４】
【数５】
2014174120.tif 000007
【００３５】
Ｓ３４では、処理部２６は、波長λ１と波長λ３との合成波長Λ１３により、被検面と参照面との間の距離Ｄ２を算出する。Ｓ３３において式（５）により算出した干渉次数Ｍ１３と、位相φ１およびφ３と、合成波長Λ１３とを用いると、距離Ｄ２は式（６）によって表される。ここで、Ｓ３４において算出される距離Ｄ２は、合成波長Λ１３（＝０．２２ｍｍ）＜合成波長Λ２３（＝２２ｍｍ）であるため、Ｓ３２において算出された距離Ｄ１よりも高精度となる。
【００３６】
【数６】
2014174120.tif 000008
【００３７】
Ｓ３５では、処理部２６は、波長λ１における干渉次数Ｎ１を算出する。Ｓ３４において式（６）により算出された距離Ｄ２と、波長λ１と、位相φ１とを用いると、波長λ１における干渉次数Ｎ１は、式（７）によって表される。
【００３８】
【数７】
2014174120.tif 000009
【００３９】
Ｓ３６では、処理部２６は、波長λ１により、被検面と参照面との間の距離Ｄを算出する。Ｓ３５において式（７）により算出された干渉次数Ｎ１と、波長λ１と、位相φ１とを用いると、距離Ｄは式（８）によって表される。ここで、Ｓ３６において算出される距離Ｄは、λ１（＝１．４９μｍ）＜Λ１３（２２０μｍ）であるため、Ｓ３４において算出された距離Ｄ２よりも高精度となる。
【００４０】
【数８】
2014174120.tif 000010
【００４１】
Ｓ３７では、処理部２６は、Ｓ３６において式（８）により算出された距離Ｄを用いて、被検面の位置を決定する。上述したように、距離Ｄは被検光と参照光との光路長差の半分のことであり、被検面は計測装置１００において一定の位置に固定されているため、距離Ｄにより被検面の位置を決定することができる。
【００４２】
上述したように、第１実施形態の計測装置１００では、ガスセル１４によって安定化された、波長差の小さい複数（２つ）の波長を、選択部２５（光スイッチ）によって切り換えている。これにより、光源の電流変調によって波長を切り換える従来の方法と比較して、波長を切り換えてから、切り換えた波長が安定するまでにかかる時間を短縮、即ち、短時間で波長の安定性を保証することができる。したがって、第１実施形態の計測装置１００は、高速かつ高精度に被検面の位置を計測することができる。また、第１実施形態の計測装置は、波長差の小さい複数の波長を用いているため、被検面が粗面であっても高精度に被検面の位置を計測することができる。
【００４３】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態の計測装置２００について、図４を参照しながら説明する。図４は、第２実施形態の計測装置２００を示す図である。第２実施形態の計測装置２００ではホモダイン方式を採用しており、ヘテロダイン方式を採用する第１実施形態の計測装置１００と計測方式の点で異なっている。まず、第２実施形態の計測装置２００の構成について説明する。なお、光源部５０、選択部２５および合波部２４に関しては、第１実施形態の計測装置１００と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００４４】
選択部２５からの光束（光源２からの光束、又は光源３からの光束）は、合波部２４によって光源１からの光束と合波され、偏波面保持ファイバ２８を介して計測部２７に入射する。計測部２７に入射した光束は、コリメータレンズ２９により平行光束とされ、偏光ビームスプリッタ４０により２つの光束に分割される。偏光ビームスプリッタ４０を透過した光束は、λ／４板４２により円偏光とされた後、集光レンズ４３によって被検面に集光され、照射される。そして、被検面４で反射されて逆周りの円偏光とされた後に、再びλ／４板４２を透過することによって、偏光ビームスプリッタ４０から射出したときの光束と比較して９０度回転した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ４０で反射される。ここで、被検面４で反射された光を、以下では、被検光と称する。一方で、偏光ビームスプリッタ４０で反射された光束は、λ／４板４１により円偏光とされた後、参照面（コーナーキューブ５）に照射される。そして、参照面で反射されて逆周りの円偏光とされた後に、再びλ／４板４１を透過することによって、偏光ビームスプリッタ４０から射出したときの光束と比較して９０度回転した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ４０を透過する。ここで、参照面で反射された光を、以下では、参照光と称する。
【００４５】
被検光および参照光は、偏光ビームスプリッタ４０で合波されて、波長フィルタ４７により、光源１からの光束と選択部２５からの光束（光源２からの光束、又は光源３からの光束）とに分離される。波長フィルタ４７により分離された光源１からの光束は位相検出部５１に入射し、光源１からの光束における被検光と参照光との位相差（被検光と参照光との光路長差に伴う干渉信号の位相）が検出される。また、波長フィルタ４７により分離された選択部２５からの光束は位相検出部５２に入射し、選択部２５からの光束における被検光と参照光との位相差が検出される。ここで、位相検出部５１について、図５を参照しながら詳細に説明する。位相検出部５２については、位相検出部５１と同様の構成である。
【００４６】
図５は、位相検出部５１の構成を示す図である。位相検出部５１では、被検光および参照光の偏光軸に対して４５度の角度となる進相軸を有するλ／４板５３により、被検光の偏光と参照光の偏光とが、右回り円偏光と左回り円偏光とにそれぞれ変換される。偏光が変換された後の光束は、グレーティングビームスプリッタ５４により、０次および±１次回折光の３つの光束に、等しい光量で分割される。分割された３つの光束は、透過軸の角度が互いに異なる複数（３つ）の偏光子５５ａ〜５５ｃが配列された偏光子アレイ５５に入射する。そして、各光束が、対応する偏光子５５ａ〜５５ｃを透過することにより、透過した各光束の偏光方位における干渉信号の光量が検出器５６ａ〜５６ｃによってそれぞれ検出される。例えば、＋１次回折光である光束５７ａは、偏光子５５ａを透過して検出器５６ａに入射する。このとき、検出器５６ａにより、偏光子５５ａを透過した光束５７ａの偏光方位における干渉信号の光量が検出される。同様に、０次回折光である光束５７ｂは、偏光子５５ｂを透過して検出器５６ｂに入射し、検出器５６ｂにより、偏光子５５ｂを透過した光束５７ｂの偏光方位における干渉信号の光量が検出される。−１次回折光である光束５７ｃは、偏光子５５ｃを透過して検出器５６ｃに入射し、検出器５６ｃにより、偏光子５５ｃを透過した光束５７ｃの偏光方位における干渉信号の光量が検出される。
【００４７】
位相検出部５１（５２）における検出器５６ａ〜５６ｃの信号（干渉信号の光量を示す信号）は、処理部２６に供給される。そして、処理部２６は、以下に示す式により、波長λ１〜λ３における被検光と参照光との位相差（被検光と参照光との光路長差に伴う干渉信号の位相）を算出する。偏光子アレイ５５の偏光子５５ａ〜５５ｃにおける偏光軸の角度を１２０度ピッチとすると、検出器５６ａ〜５６ｃにおいて検出される光量Ｉａ〜Ｉｃは、それぞれ式（９）によって表される。ここで、φは、被検光と参照光との位相差（被検光と参照光との光路長差に伴う干渉信号の位相）である。そして、式（９）に基づいて、位相差φは、式（１０）によって表される。ここで、第２実施形態において被検面と参照面との間の距離Ｄを算出する方法は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４８】
【数９】
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【００４９】
【数１０】
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【００５０】
上述したように、第２実施形態の計測装置２００は、第１実施形態の計測装置１００と計測方式は異なるものの、第１実施形態と同様に、ガスセルによって安定化された、波長差の小さい複数（２つ）の波長を、選択部２５（光スイッチ）によって切り換えている。これにより、光源の電流変調によって波長を切り換える従来の方法と比較して、波長を切り換えてから、切り換えた波長が安定するまでにかかる時間を短縮、即ち、短時間で波長の安定性を保証することができる。したがって、第２実施形態の計測装置１００は、第１実施形態の計測装置１００と同様に、被検面が粗面であっても、高速かつ高精度に被検面の位置を計測することができる。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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