(57)【要約】【課題】  干渉計に動的な収差が生じても、高精度に被検面を計測することができる計測装置を提供する。【解決手段】  参照光と被検面で反射された被検光とを干渉させる干渉計と、干渉光を検出して検出信号を出力する検出部と、干渉光の検出信号を用いて被検面の位置を算出する算出部とを有する計測装置であって、干渉計は、被検面に入射する前の被検光の波面の一部を反射する反射面と波面の他の一部を通過させる通過面とを含み、反射面と通過面により波面を分割する波面分割部を有し、検出部は、通過面を通過して被検面で反射された光と参照光との干渉光の第１検出信号と、反射面の複数の位置で反射された光と参照光との干渉光の第２検出信号を出力し、算出部は、第２検出信号を用いて第１検出信号に含まれる誤差成分を推定し、推定された誤差成分を用いて第１検出信号を補正し、補正された信号を用いて被検面の位置を算出する。【選択図】  図１
2014206505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を参照光と被検光に分割し、前記参照光と被検面で反射された前記被検光とを干渉させる干渉計と、
前記被検光と前記参照光との干渉光を検出して検出信号を出力する検出部と、
前記干渉光の検出信号を用いて前記被検面の位置を算出する算出部とを有する計測装置であって、
前記干渉計は、前記被検面に入射する前の前記被検光の波面の一部を反射する反射面と前記波面の他の一部を通過させる通過面とを含み、前記反射面と前記通過面により前記波面を分割する波面分割部を有し、
前記検出部は、前記通過面を通過して前記被検面で反射された光と参照光との干渉光の第１検出信号と、前記反射面の複数の位置で反射された光と参照光との干渉光の第２検出信号を出力し、
前記算出部は、前記第２検出信号を用いて前記第１検出信号に含まれる誤差成分を推定し、推定された誤差成分を用いて前記第１検出信号を補正し、補正された信号を用いて前記被検面の位置を算出すること特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記干渉計によって干渉した前記被検光と前記参照光との干渉光を複数の光束に分割する分割部を有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記光源は複数の波長を出射し、前記干渉計は多波長干渉計であ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】
前記検出部は、前記分割部により分割された前記複数の光束を前記複数の波長の各々について検出することを特徴とする請求項２を引用する請求項３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記算出部は、前記検出部によって検出された前記第１検出信号から複素振幅を求め、推定された誤差成分を前記複素振幅から除き、前記複数の光束の各々における波長毎の前記複素振幅の複素相関を求め、前記複素相関に応じて位相を算出するための瞳位置を波長毎に求め、該求められた各波長の瞳位置における位相の情報から、各波長間の位相差を求めることを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記分割部が移動可能であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記波面分割部は、前記通過面の周囲に配置された複数の前記反射面を有し、前記複数の反射面は、前記通過面の中心を挟んで配置されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記複数の反射面は、前記通過面の中心を通る１つの直線上に前記通過面の中心を挟んで配置されていることを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
【請求項９】
前記複数の反射面は、前記通過面の中心を通る第１直線上に前記通過面の中心を挟んで配置された２つの反射面と、前記通過面の中心を通り前記第１直線に対して垂直な第２直線上に前記通過面の中心を挟んで配置された２つの反射面とを有することを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記第１検出信号に含まれる誤差成分は、前記干渉計における前記参照光の光路における収差と前記被検光の光路における収差との差に起因する誤差成分であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項１１】
前記干渉計における前記参照光の光路における収差と前記被検光の光路における収差との差に起因する誤差成分は、前記被検面の計測中に変動する動的成分を含むことを特徴とする請求項１０に記載の計測装置。
【請求項１２】
前記動的成分は、前記干渉計の反射面の振動または変形により生じることを特徴とする請求項１１に記載の計測装置。
【請求項１３】
前記干渉計における前記参照光の光路における収差と前記被検光の光路における収差との差に起因する誤差成分のうち、前記被検面の計測中に変動しない静的成分のデータを予め記憶する記憶部を有することを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項１４】
前記算出部は、前記第２検出信号から前記静的成分を除き、前記静的成分を取り除いた信号を用いて直線近似することにより前記動的成分を推定すること特徴とする請求項１１を引用する請求項１３に記載の計測装置。
【請求項１５】
前記検出部は、前記通過面を通過して前記被検面で反射された光と参照光との干渉光と、前記反射面の複数の位置で反射された光と参照光との干渉光を同時に検出することを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項１６】
前記被検光は、前記干渉計において反射面で反射されずに前記被検面に入射することを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項１７】
前記干渉計は光ファイバを有し、前記光ファイバから前記波面分割部までの被検光路に反射光学素子がないことを特徴とする請求項１６に記載の計測装置。
【請求項１８】
請求項１乃至１７に記載の計測装置を用いて物品の被検面の形状を計測する工程と、
計測された形状に基づいて前記被検面を加工する工程とを有することを特徴とする物品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は干渉計を用いた計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉計を用いて被検面の位置や形状を高精度に計測する装置が知られている。特許文献１、２には、干渉計を用いた計測装置において、干渉計の収差に起因する計測誤差を低減する技術が記載されている。
【０００３】
特許文献１には、被検面の計測前に予め、干渉計を構成する光学素子の特性や配置に基づいて干渉計の収差を求めたり、既知の基準面を用いた計測をして干渉計の収差を求めることが記載されている。さらに、求めた収差を用いて可変鏡の形状を補正して、被検面を計測することが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、干渉計の誤差を含む補正用の位相分布データをシミュレーションにより予め求め、そのデータを、実際に計測された位相分布データから減算することにより計測値を補正することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１８９８０６公報
【特許文献２】特開２０１０−１２２００４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、大きな被検面に沿って干渉計を移動させて計測すると、干渉計の光学素子が計測中に振動したり変形したりして、干渉計に動的な収差が生じうる。
【０００７】
特許文献１や２のように予め見積もった干渉計の収差に起因する計測誤差は、計測前に得られた静的な誤差であって、被検面の計測中に生じる干渉計の動的な収差の影響が含まれていない。
【０００８】
そのため、特許文献１や２に記載の計測装置では、被検面の計測中に生じた干渉計の動的な収差による計測誤差を低減することができず、被検面の計測精度が低下する。
【０００９】
そこで、本発明は、干渉計に動的な収差が生じても、高精度に被検面を計測することができる計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の一側面としての計測装置は、光源からの光を参照光と被検光に分割し、前記参照光と被検面で反射された前記被検光とを干渉させる干渉計と、前記被検光と前記参照光との干渉光を検出して検出信号を出力する検出部と、前記干渉光の検出信号を用いて前記被検面の位置を算出する算出部とを有する計測装置であって、前記干渉計は、前記被検面に入射する前の前記被検光の波面の一部を反射する反射面と前記波面の他の一部を通過させる通過面とを含み、前記反射面と前記通過面により前記波面を分割する波面分割部を有し、前記検出部は、前記通過面を通過して前記被検面で反射された光と参照光との干渉光の第１検出信号と、前記反射面の複数の位置で反射された光と参照光との干渉光の第２検出信号を出力し、前記算出部は、前記第２検出信号を用いて前記第１検出信号に含まれる誤差成分を推定し、推定された誤差成分を用いて前記第１検出信号を補正し、補正された信号を用いて前記被検面の位置を算出すること特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、干渉計に動的な収差が生じても、高精度に被検面を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態における計測装置の概要図である。
【図２】被検面の傾き角度と測長誤差の関係の例を示す図である。
【図３】偏光ビームスプリッタによる光束分離の様子を示す図である。
【図４】波面分割部２１を説明するための図である。
【図５】実施形態１における測長値の算出フローを示す図である。
【図６】検出器、ピクセル、複素振幅、光束瞳中心座標との関係を示す図である。
【図７】干渉計の静的収差および動的収差の例を示す図である。
【図８】ピクセルシフト量と複素相関との関係を示す図である。
【図９】ピクセルシフトされた複素振幅データを用いた、元の検出位置における複素振幅データの算出を説明するための図である。
【図１０】波面分割部２１の変形例を説明するための図である。
【図１１】実施形態２における測長値の算出フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
図１に基づいて干渉計を用いた光波干渉計測装置について説明する。図１は第１実施形態の光波干渉計測装置の概要を示した図である。本実施形態の光波干渉計測装置は、固定波長レーザ１と固定波長レーザ２と、波長の基準素子としてのガスセル３を構成している。更に、第１の光束分割素子として偏光ビームスプリッタ８で各波長を被検光束と参照光束に分割し、参照光束の周波数をシフトする手段を有している。更に、被検光束を被検面に照射し、被検面からの反射光束と、参照光束とを偏光ビームスプリッタ１６により合波させ干渉させる干渉計１００において干渉光束を複数の光束に分割し、各光束の干渉光の信号を得る手段を有している。
【００１４】
光波干渉計測装置は、更に、被検面に照射される前の被検光束の一部を動的収差計測用光束として波面分割する波面分割部２１を有する。また、複数の干渉信号から測長値（被検面の位置や形状）を算出する算出部２３を有する。なお、被検面の複数の位置を計測することにより、被検面の形状が計測される。さらに、算出部２３は、被検面の計測中に生じる干渉計の動的収差の影響を低減する機能も有する。
【００１５】
本実施形態における干渉計の収差は、本実施形態の干渉計を用いた計測装置による計測誤差の要因となる収差であって、参照光路で生じる収差と被検光路で生じる収差との差となる。このうち、干渉計の動的収差は、被検面の計測期間中に変動する収差成分のことである。被検面の計測期間中に変動しない収差成分を静的収差とする。
【００１６】
非特許文献（Ｕ．Ｖｒｙ、Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ著、「Ｈｉｇｈ−ｏｒｄｅｒ  ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｓｐｅｃｋｌｅ  ｆｉｅｌｄｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｒｏｕｇｈ−ｓｕｒｆａｃｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ、１９８６、ｖｏｌ．３、ｉｓｓｕｅ７、ｐｐ９８８−１０００）によると、下記数式１のように、２つの波長間のスペックルパターンの相関は合成波長の大きさと同時に、被検面の粗さ及び被検面の傾きに依存する。
【００１７】
【数１】
2014206505.tif 000003
【００１８】
ここで、μは２つの波長間の複素相関関数を表わし、ｈ０は被検面の高さ、Λは２波長の合成波長を表わす。σｈは被検面の粗さを表し、ｓは被検面の傾き、ａは被検面をガウスビームで照射したときの直径を表わす。ここで、合成波長Λとは２つ波長をλ１、λ２（λ１＞λ２）としたとき、Λ＝λ１×λ２／（λ１−λ２）で表わされる量である。合成波長Λが小さい程２波長間の相関は減少し、逆に合成波長Λが大きいと２波長間の相関は増加する。
【００１９】
式１によると被検面が粗くなると２波長間のスペックルの相関性は減少する。また、被検面の傾きが大きくなると２波長間のスペックル相関は減少する。特に被検面の傾きによる２つの波長間のスペックルの相関性の減少への影響が大きい。図２に被検面の傾き角度と測長誤差の関係の例を示す。図２はＲａ０．４ｕｍの粗さをもつ被検面を６５μｍのスポットサイズで照明し、かつＮＡ０．０２の範囲を受光する合成波長３００μｍの２波長干渉計で計測したときの測長誤差シミュレーションを行った結果である。ここで測長誤差とは１００サンプル被検面の測長誤差の２σをとった値である。図２によると被検面傾きが０°のときは０．６μｍと測長誤差は小さいが、被検面傾きが１０°の場合８．１μｍと大幅に測長誤差が悪化することがわかる。通常、粗面の被検面が傾いている場合の被検面位置の瞳共役面におけるスペックルパターンは、被検面が傾いていないスペックルパターンを瞳面内にシフトさせたようなパターンとして形成される。また、粗面被検面が傾いた場合、被検面位置の瞳共役面に形成されるλ１とλ２の異なる波長間の瞳面内のスペックルパターンシフトに差が生じる為、２波長間のスペックルパターン相関が減少し測長精度が悪化してしまう。更に、被検面の傾き角度が大きくなると２波長間の瞳面内スペックルシフト差が大きくなる為、２波長間のスペックルパターン相関も更に減少し、大幅な測長精度悪化を招く。このように、粗面計測に多波長干渉計を適用したとしても被検面が傾いている場合、波長間の相関性の減少により精度良い測定が困難であることがわかる。そこで、本実施形態では後述の瞳シフト法を用いている。
【００２０】
以下、本実施形態の光波干渉計測装置の構成について詳述する。固定波長レーザ１を射出した光束はビームスプリッタ４で分割される。また、固定波長レーザ１の波長と異なる波長を射出する固定波長レーザ２を射出した光束はビームスプリッタ４に入射し、光線軸が固定波長レーザ１と同軸になると同時に光束も分割される。ここで、固定波長レーザ１と固定波長レーザ２は同様のＤＦＢ半導体レーザを用いる。本実施形態では固定波長レーザ１と固定波長レーザ２は別素子のレーザとしているが、光通信に用いられる多波長光源と同様に複数の半導体レーザを１つの素子に集積した構造としても構わない。この場合にはコストおよび寸法の観点で有利である。また、必ずしもＤＦＢレーザに制約するものでは無く、ＨｅＮｅレーザ等でも構わない。
【００２１】
ビームスプリッタ４で分割された一方の光束はガスセル３を透過後、分光素子５で固定波長レーザ１と固定波長レーザ２の光束それぞれに分離される。ガスセル３を透過後、固定波長レーザ１の光束は検出器６ａ、固定波長レーザ２の光束は検出器６ｂでそれぞれ検出される。レーザ制御ユニット７では、検出器６ａの出力信号を用いて固定波長レーザ１の波長をガスセルの吸収線である波長λ１に安定化するように制御を行う。波長の安定化は、例えば検出器６ａで検出される光強度が一定となるように、レーザ制御ユニット７により固定波長レーザ１の波長を調整することにより行う。波長を調整する手段としては、例えば注入電流を変調する方法や温調による方法を用いる。同様に、レーザ制御ユニット７で検出器６ｂの出力信号を用いて固定波長レーザ２の波長をガスセルの吸収線である波長λ２に安定化するように制御を行う。ここで、本実施形態ではガスセルのみを用いて波長精度を保証しているが、ガスセルの代わりにエタロンを用いても構わない。また、ガスセルとエタロンの両方を用いても構わない。
【００２２】
ビームスプリッタ４で分割されたもう一方の光束は偏光ビームスプリッタ８によって、更に第１光束（参照光）と第２光束（被検光）に分割される。第１光束は周波数シフタ（波長シフタ）９に入射する。周波数シフタ９では固定波長レーザ１と固定波長レーザ２のそれぞれから出力される光束について、音響光学素子により入射波長に対して一定量の周波数シフトを印加する。周波数シフタ９を射出した光束は偏波保持ファイバ２４ａに結合される。ファイバ伝送後、ファイバ射出端２５ａから出射して干渉計１００に入射する。偏光ビームスプリッタ８によって分割された第２光束は偏波保持ファイバ２４ｂに結合され、ファイバ伝送後、ファイバ射出端２５ｂから出射して干渉計１００に入射する。
【００２３】
干渉計１００に入射した第１光束は、コリメートレンズ１０ａで平行光束とされ、λ／２板１１ａを通過後、図３に示すように偏光ビームスプリッタ１２で反射光束３１及び透過光束３２に分割される。偏光ビームスプリッタ１２で分割された反射光束３１は、λ／２板２４を透過することで偏光方向が９０度回転させられる。更に、反射光束３１は偏光ビームスプリッタ１３及び偏光子１４を透過し、更に集光レンズ１５で集光された後、位相検出器（検出部）２２１に入射する。
【００２４】
干渉計１００に入射した第２光束は、コリメートレンズ１０ｂで平行光束とされ、λ／２板１１ｂを通過後、図３に示すように偏光ビームスプリッタ１３で反射光束４１及び透過光束４２に分割される。偏光ビームスプリッタ１３で分割された反射光束４１は偏光子１４を通過し、更に集光レンズ１５で集光された後、位相検出器２２１に入射する。ここで、λ／２板１１ａの光軸に対する偏光光の回転方向は反射光束３１と透過光束３２の光量比が所望となるように設定する。同様に、λ／２板１１ｂの光軸に対する回転方向は反射光束４１と透過光束４２の光量比が所望となるように設定する。
【００２５】
位相検出器２２１は分光素子と受光素子を有し、同軸で入射した固定波長レーザ１（波長λ１）と固定波長レーザ２（波長λ２）の光束を分光した後、それぞれ受光する。周波数シフタ９により、波長λ１と波長λ２の光を含む第１光束はそれぞれ周波数シフトされ、波長λ１と波長λ２とは微小に異なる波長となる。ただし、それぞれの周波数シフト量は波長λ１と波長λ２の波長差と比較して微小であるため、上記分光素子では分光されないものとする。
【００２６】
位相検出器２２１では、波長λ１から微小にシフトした反射光束３１と、波長λ１の反射光束４１との干渉光の信号として両光束の周波数差に相当するビート信号が検出される。また、波長λ２から微小にシフトした反射光束３１と波長λ２の反射光束４１との干渉光の信号として両光束の周波数差に相当するビート信号も検出される。位相検出器２２１内部では、偏光子１４により反射光束３１と反射光束４１の共通偏光成分を抽出することで干渉光の信号を得るものとする。以下、位相検出器２２１で検出される干渉光の信号を基準信号と称す。
【００２７】
偏光ビームスプリッタ１２で分割された透過光束３２は、ミラー２５で反射された後、偏光ビームスプリッタ１６に入射する。偏光ビームスプリッタ１６及び偏光子１７を通過した光は、被検面に対して瞳共役面（被検面の位置に対するフーリエ変換面）の位置に配置されたレンズアレイ（分割部）１８に入射する。レンズアレイ１８に入射した光束は複数のアレイにより波面分割され、それぞれファイバに結合される。ファイバに入射した光束は個別に位相検出器（検出部）２２２〜２２７で検出される。ここで使用するファイバは複数本のファイバであってもよいし、バンドルファイバでも構わない。また、各検出器２２２〜２２７は、波長λ１と波長λ２に分光して波長毎の干渉光の信号を得られる構成としている。このように被検面の瞳共役面に配置したレンズアレイからの光束をファイバ伝送することで実質的に瞳共役面に配置された受光素子で受光した場合と同じ効果が得られる。なお、レンズアレイ１８の代わりに、被検面の瞳共役面に複数の受光素子を配置して干渉光を直接検出してもよい。
【００２８】
また、偏光ビームスプリッタ１３で分割された透過光束４２は偏光ビームスプリッタ１６を透過後、λ／４板１９により円偏光とさる。λ／４板１９を通過した後、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、波面分割部２１によって、被検面に入射する前の被検光を波面分割し、動的収差計測用光束を生成する。波面分割部２１は、被検面に入射する前の被検光の波面の一部を反射する反射面２１１、２１２と、被検面に入射する前の被検光の波面の一部を通過させる通過面２１５とを有する光学素子である。複数の反射面２１１、２１２は通過面２１５の周囲に通過面２１５の中心２１６を挟んで配置されている。後述する直線近似のために、複数の反射面２１１、２１２は、通過面２１５の中心を通る１つの直線２１７上に通過面２１５の中心を挟んで配置されていることが望ましい。これにより、被検信号に含まれる、その直線上における誤差成分を推定することができる。
【００２９】
波面分割部２１は、反射面の複数の位置（反射面２１１、２１２）で被検光束の一部を反射して動的収差計測用光束２１３および２１４を生成する。通過面２１５は反射面２１１、２１２に入射しない被検光を通過させ、例えば通過面２１５の中心は干渉計の光軸上に設けられている。波面分割部２１の通過面を光透過部材の面としているが、これに限らず、波面分割部として、中心に開口を設け、開口の周囲に反射面を設けた部材であってもよく、その場合、開口が通過面となる。
【００３０】
動的収差計測用光束は、λ／４板１９を再度透過することにより入射時とは偏波面が９０度回転した直線偏光となって偏光ビームスプリッタ１６に再度入射する。通過面２１５を通過した被検光束は、集光レンズ２０で収束光となって被検面に集光される。その後、被検面で反射され、波面分割部２１の通過面２１５とλ／４板１９を再度透過することにより入射時とは偏波面が９０度回転した直線偏光となって偏光ビームスプリッタ１６に再度入射する。その後、偏光ビームスプリッタ１６で反射され、偏光子１７を通過後、レンズアレイ１８に入射し、レンズアレイ１８により複数の光束に波面分割された後、複数の検出器２２２〜２２５で波長λ１と波長λ２に分光された後に受光される。なお、通過面２１５を通過して被検面で反射された被検光束を被検面計測用光束と呼ぶ。
【００３１】
複数の検出器２２２〜２２７では、偏光ビームスプリッタ１６を透過した参照光と、偏光ビームスプリッタ１６で反射された被検光と、の干渉光を検出して検出信号を出力する。動的収差計測用光束は、偏光ビームスプリッタ１６を透過した参照光と干渉し、その干渉光が位相検出器２２６、２２７で受光される。動的収差計測用光束２１３に関しては位相検出器２２７で受光され、動的収差計測用光束２１４に関しては位相検出器２２６で受光される。被検面で反射された被検面計測用光束は、偏光ビームスプリッタ１６を透過した参照光と干渉し、その干渉光は位相検出器２２２〜２２５で受光される。
【００３２】
図１では説明を簡単にする為に、レンズアレイによって被検面計測用光束を一次元方向にφ１ｍｍの４ピクセルに波面分割した例を示している。また、動的収差計測用光束についても一次元方向の位相分布（収差分布）を計測するため、４分割される被検光束の両端外側の２つを用いるものとする。ただし、波面分割数や動的収差計測用光束の計測位置はこれに限らない。
【００３３】
以下、検出器２２２〜２２５で検出される各波長における干渉光の信号を被検信号（第１検出信号）と称す。被検信号は、被検面計測用光束と参照光束の干渉光の信号として両光束の周波数差に相当するビート信号となる点は基準信号とは同じである。しかし、被検面計測用光束と参照光束の光路長差により干渉信号の位相が基準信号と異なる。また、検出器２２６、２２７で検出される、動的収差計測用光束と参照光束の干渉信号を動的収差計測信号（第２検出信号）と称す。動的収差計測信号も被検信号と同様のビート信号となり、同様の方法で位相検出することが可能となる。また、２つの動的収差計測用光束から生成されるそれぞれの動的収差計測信号の位相は、干渉計の動的収差を反映している。動的収差計測用光束は、被検光束とは異なり被検面を経由しておらず、スペックルパターンが発生していないため、動的収差計測信号の位相は、偏光ビームスプリッタ８からの動的収差計測用光束の光路長情報を含んでいる。
【００３４】
例えば干渉計を被検面の形状に沿って移動し、被検面の複数の位置に干渉計からの光を照射して計測する場合などに、干渉計内の光学素子が振動したり変形したりする。主に、干渉計の偏光ビームスプリッタ１２、１３、１６や、ミラー２５などの反射光学素子の振動や変形による影響が大きく、干渉計の動的収差が生じてしまう。動的収差の主成分は、反射光学素子の変形や振動による波面チルトである。そのため、被検光束の外側複数点で反射した動的収差計測用光による干渉光の信号の位相を計測することにより、被検面で反射され通過面２１５（有効領域）を通過した被検光束による干渉光に含まれる動的収差（波面チルト）を内挿により推定可能である。
【００３５】
算出部２３は、干渉計の静的収差に関する情報を記憶する記憶部２３１と、動的収差計測信号から動的収差に関する情報を求める演算部２３４を有する。また、計測された複素振幅から動的収差に起因する位相を差し引く演算器２３２と、各波長の位相差を算出する演算器２３３を備えている。なお、これらの演算部は１つのデバイスで構成されてもよいし、複数のデバイスで構成されてもよい。
【００３６】
図５は算出部２３による測長値（位相差）の算出フローを示す。Ｓ１０１では検出器２２２〜２２７で検出したそれぞれの干渉光の信号から複素振幅の情報を得る。ここで、説明のため図６に示すように、各検出器２２２〜２２７で検出された干渉光の信号から得られる波長λ１の複素振幅をそれぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，とする。ここで、検出器２２２〜２２７それぞれで検出される波長λ１の瞳面ピクセルの番号をｐ１０、ｐ１１、ｐ１２、ｐ１３、ｐ１４、ｐ１５とする。同様に、検出器２２２〜２２７で検出された波長λ２の干渉信号から得られる複素振幅をそれぞれＢ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５とする。ここで、検出器２２２〜２２７それぞれで検出される波長λ２の瞳面ピクセルの番号をｐ２０、ｐ２１、ｐ２２、ｐ２３、ｐ２４、ｐ２５とする。なお、算出部２３は、レンズアレイ１８で分割された光束中心瞳面座標ｘ０、ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４、ｘ５の情報を事前に持っている。
【００３７】
Ｓ１０２では、検出器２２６、２２７で検出された干渉光の信号（動的収差計測信号）から、被検信号に含まれる動的収差に起因する誤差成分を求める。本実施形態において、干渉計の収差は、参照光路の収差と被検光路の収差との差である。ここで、参照光路は、偏光ビームスプリッタ８で分岐され周波数シフタ９を通過して偏光ビームスプリッタ１６に至る光路である。被検光路は、偏光ビームスプリッタ８で分岐され集光レンズ２０まで、および、被検面からの反射光が通過する集光レンズ２０から偏光ビームスプリッタ１６までの光路である。なお、図１の偏波保持ファイバ（光ファイバ）２４ａ、２４ｂのコア径が使用波長の回折限界より小さい場合は、偏光ビームスプリッタ８からファイバ射出端２４ｂまでの収差はファイバ射出時にリセットされる。この場合、干渉計の収差には、偏光ビームスプリッタ８からファイバ射出端までの収差は含まれない。
【００３８】
被検面の計測と同時に検出器２２６、２２７で検出された干渉光の第２検出信号には、干渉計の静的収差および動的収差に起因する誤差が含まれている。そこで、干渉計の動的収差に起因する誤差（動的成分）を含まず、静的収差に起因する誤差（静的成分）を含む干渉光の信号情報を予め取得し、記憶部２３１に記憶させておく。そして、検出器２２６、２２７で検出された干渉光の第２検出信号から、事前に記憶部２３１に記憶されている静的収差に起因する誤差成分を含む干渉光の信号情報分を減算するなどして取り除く。取り除かれたデータは、動的収差に起因する誤差成分であるから、その誤差成分を用いて、内挿などによって被検信号（第１検出信号）に含まれる動的収差に起因する誤差成分を推定する。そして、推定された誤差成分を用いて第１検出信号を補正する。
【００３９】
静的収差に関する情報は各検出器における各波長の位相情報として記憶部２３１に記憶させておく。或いは、瞳内の収差として、直交関数系のフリンジＺｅｒｎｉｋｅ円筒関数でフィティングした係数として記憶しておいても良い。
【００４０】
図７に干渉計の収差の例を示す。図７（ａ）は干渉計の静的収差の例を示し、図７（ｂ）はある時刻の動的収差の例である。図７（ｃ）は静的収差と動的収差を合計した干渉計の収差の例を示している。図７は説明の簡便化の為に干渉計の瞳断面における１方向の収差分布のみ図示してあるが、実際には２次元データを有する。また、波長λ１と波長λ２では同じ収差を持つ、すなわち色収差が発生しないとしているが、実際の干渉計で色収差が発生する場合には波長λ１と波長λ２で異なる収差量となる。図７の実線が干渉計の実際の収差を表し、点線が各検出器の範囲における実線の収差の平均値に相当する。
【００４１】
動的収差は波面チルトが主成分であるため、瞳面座標に対して図７（ｂ）のように線形となる。従って、動的収差は、少なくとも２つの動的収差計測信号から推定することができる。本実施形態で計測される動的収差計測用光束と参照光との干渉光の信号は、瞳面座標ｘ０およびｘ５の２点の位相情報であるため、２点の位相情報から直線近似によって、他の座標での動的収差を内挿すればよい。検出器２２６で検出された位相と、検出器２２７で検出された位相を結ぶ直線を求め、動的収差に起因する被検信号の位相分を推定する。推定された被検信号の位相は、通過面２１５で被検光が反射されると仮定した場合に、通過面２１５で反射された被検光と参照光との干渉光の信号に含まれる動的収差に起因する位相である。反射面２１１、２１２が配置されている直線上の座標において、誤差成分（位相）が得られる。動的収差計測信号と被検信号は実質的に同時刻に検出することができるため、動的収差に起因する誤差を遅れなくリアルタイムに取得することが可能である。
【００４２】
そして、Ｓ１０２で推定された動的収差に起因する誤差成分と、記憶部に記憶されている被検信号に含まれる静的収差に起因する誤差成分とを用いて、被検信号からこれらの誤差を取り除くように被検信号を補正する（Ｓ１０３）。これにより、被検信号から干渉計の収差に起因する誤差を取り除くことができる。Ｓ１０３では、Ｓ１０１で得られた各波長の複素振幅（位相）Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４及びＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４から、Ｓ１０２で推定された動的収差に起因する位相と、記憶部に記憶されている被検信号に含まれる静的収差に起因する位相とを差し引く。これにより、収差に起因する誤差成分が除かれ、補正された複素振幅が得られる。以下、補正された複素振幅についても同じ記号を用いている。
【００４３】
次に、Ｓ１０４〜Ｓ１０６において瞳シフト法を実行する。Ｓ１０４では、Ｓ１０３で補正された複素振幅からピクセル番号Ｐ１１〜Ｐ１４とピクセル番号Ｐ２１〜Ｐ２４の互いの検出ピクセル関係を１つずつシフトさせながら複素相関を算出する。具体的には、下記数式２を用いて複素相関Ｕ（ｌ）を算出する。
【００４４】
【数２】
2014206505.tif 000004
【００４５】
ここで、ｌがピクセルシフト量、ｐはレンズアレイで分割した分割数である。μｎｍは次の数式３で表わされる。
【００４６】
【数３】
2014206505.tif 000005
【００４７】
図８にピクセルシフト量と複素相関の関係図の例を示す。Ｓ１０５ではＳ１０４で求めた複素相関Ｕ（ｌ）を関数フィッティングし、その結果から複素相関Ｕ（ｌ）が最大となるピクセルシフト量ΔＬを算出する。ここで、フィッティングに使用する関数系は計測条件で適宜設定する。本実施例では一例として、複素相関Ｕ（ｌ）を４次関数フィッティングし、そのフィッティング関数から複素相関が最大となるピクセルシフト量ΔＬとして＋０．６ｍｍが算出されたとして、この先の説明を行う。
【００４８】
Ｓ１０６では、Ｓ１０５で算出した複素相関が最大となるピクセルシフト量ΔＬだけ複素振幅データをシフトさせたときの元のピクセル位置（瞳面座標ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４）における複素振幅を算出する。図９の例の場合、検出器２２２〜２２５で検出した波長λ２の干渉信号から得られた複素振幅Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４のデータをＸ方向に−０．６ｍｍずらしたときのデータから元のピクセル位置の複素振幅Ｂ’１，Ｂ’２，Ｂ’３，Ｂ’４を算出する。具体的な算出については、まずＳ１０３で補正された複素振幅毎に実部、虚部に分離する。実部、虚部それぞれピクセルシフトさせたときの近傍２点データの直線内挿データから各点のデータを求める。求めたシフト量だけシフトさせた実部、虚部の情報を複素振幅に戻しＢ’１，Ｂ’２，Ｂ’３，Ｂ’４とする。ただし、シフトさせた時に近傍に２点無い場合はそのピクセルのデータは無効とする。
【００４９】
本実施形態の例では図９のように、Ｂ１をｘ方向に−０．６ｍｍずらしたデータ（ｘ１−０．６、Ｂ１）、Ｂ２をｘ方向に−０．６ｍｍずらしたデータ（ｘ２−０．６、Ｂ２）の直線内挿から瞳位置ｘ１での複素振幅Ｂ’１の実部と虚部を求める。同様に、（ｘ２−０．６、Ｂ２）、（ｘ３−０．６、Ｂ３）の２データの直線内挿から瞳位置ｘ２での複素振幅Ｂ’２を、（ｘ３−０．６、Ｂ３）、（ｘ４−０．６、Ｂ４）の２データの直線内挿から瞳位置ｘ３での複素振幅Ｂ’３の実部、虚部それぞれ求める。瞳位置ｘ４の複素振幅Ｂ’４に関しては（ｘ４−０．６、Ｂ４）ともう一点のデータが無いことから無効なデータとなる。なお、本実施形態では、複素振幅データＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を−０．６ｍｍピクセルシフトさせたが、複素振幅データＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を逆方向に＋０．６ｍｍピクセルシフトさせても良い。また、複素振幅データＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を＋０．３ｍｍピクセルシフトさせ、かつ、複素振幅データＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を−０．３ｍｍピクセルシフトさせても良い。つまり、波長毎に干渉信号を検出する瞳位置をシフトさせ、波長間のスペックルシフト差を補正する。
【００５０】
Ｓ１０７ではＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４、Ｂ’１，Ｂ’２，Ｂ’３，Ｂ’４の複素振幅データからそれぞれ位相を算出し、ＡｉとＢ’ｉ（ｉ＝１，２，３，４）の位相差（λ１λ２波長間位相差）をそれぞれ算出する。このときＡｉもしくはＢ’ｉのどちらかが無効なデータの場合、位相差データも無効なデータとして扱う。本実施形態の具体例ではｐ１４、ｐ２４番号のピクセルのデータが無効なデータとなる。
【００５１】
Ｓ１０８で無効なデータを除いた有効なデータの波長間位相差の平均値（ピクセル平均）を求める。
【００５２】
Ｓ１０９で、Ｓ１０８で求めた位相差平均情報及び合成波長から測長値を求める。つまり、Ｓ１０８で求めた波長間位相差の平均値のデータ及び２波長の値（合成波長）に基づいて、被検面の位置（測長値、距離）や参照光と被検光との光路長差を求める。ここで、合成波長Λとは２つ波長をλ１、λ２（λ１＞λ２）としたとき、Λ＝λ１×λ２／（λ１−λ２）で表わされる量である。
【００５３】
さらに、計測信号の位相、あるいは、その位相から参照光と被検光との光路長差または測長値（距離）に基づいて他の物理量を求めても良い。例えば、被検面をＸＹ平面内に移動（駆動）可能なステージに載せることで、被検面の各点における上記測長値から被検面の面形状の情報を得るような形状計測にも適用可能である。また、移動ステージの代わりにガルバノミラーを干渉計と被検面の間に配置しても構わない。なお、位相から光路長差、測長値（距離）または形状を算出する方法には公知の方法を適用できる。
【００５４】
このように、固定した瞳位置でレンズアレイ（分割部）により光束分割されたλ１、λ２それぞれの干渉光の信号から計算処理のみで波長毎に干渉信号を検出する瞳位置をシフト（被検面の瞳共役面内でシフト）させたような効果を得ることができる。このことにより波長間のスペックルシフト差の補正が可能となり、高速かつ精度良い計測が可能となる。
【００５５】
また、同様の効果を得る別の手段として、レンズアレイを移動可能にして、干渉計光軸に対して垂直な面内に移動させる移動部を追加する。波長λ１の干渉信号を取得後、波長λ２の干渉信号を取得しながらレンズアレイを移動させる。波長λ２の複素振幅と取得済みの波長λ１の複素振幅との複素相関が最大となるレンズアレイの位置をサーチ（検出）することで被検面傾きによる波長間スペックルシフト差の補正ができる。この構成の場合、光源１と光源２を切り替える機構を追加することで分光素子２１ａから２１ｅまでは不要となり、検出器も波長毎に用意する必要は無い。
【００５６】
更に、別手段としては、被検面位置の瞳共役面近傍に絞りを配置し、絞りを移動可能にして、干渉計光軸に対して垂直な面に移動させる機構を追加してもよい。波長λ１の干渉信号を取得後、波長λ２の干渉信号を取得しながら絞り位置（絞りの開口の位置）を移動させる。波長λ２の複素振幅と取得した波長λ１の複素振幅との複素相関に基づいて、例えば複素相関が最大となる絞り位置をサーチ（検出）することで被検面傾きによる波長間スペックルシフト差の補正が達成できる。この構成の場合、瞳面でレンズアレイにより光束を分割する機構を取り除き、被検面位置を瞳共役の位置の干渉信号を単一の検出器で検出することも可能である。この構成の場合も、光源１と光源２を切り替える機構を追加することで分光素子が不要となり、検出器も波長毎に用意する必要は無い。
【００５７】
なお、特開平５−７１９１８号公報にインコヒーレント平均化によるスペックル影響の低減方法が記載されている。しかし、この低減方法では、１点を測定する場合であっても多くのデータを取得し、空間的或いは時間的なスペックルパターンの変化を平均化する処理時間が必要であるため計測時間が長くなってしまう。
【００５８】
以上では説明を簡単にする為に、被検面位置の瞳共役位置近傍での光束分離を一次元とした。実際には、先に述べたように被検面傾きが任意方向の場合は、被検面位置の瞳共役位置近傍でマトリックス的に二次元に光束分離する必要がある。この場合、当然ピクセルシフトも二次元的に処理する必要がある。図１０（ａ）に二次元に構想分離する場合のレイアウト例を示す。図１０（ａ）では被検信号を検出する１６個のピクセル１８ａ（検出器、レンズアレイ）と、二次元の動的収差情報を得るための４個の動的収差計測信号を検出する４個のピクセル１８ｂ（検出器、レンズアレイ）に分割している。その場合、動的収差の二次元情報を得る場合、図１０（ｂ）に示すような４つの反射面２１１ｂを備えた波面分割部２１ｂを用いて、４つの動的収差計測用光束を分割生成する。図１０（ｂ）では、複数の反射面２１１ｂは、通過面２１５ｂの中心２１６ｂを通る第１直線２１７ｂ上に通過面の中心を挟んで配置された２つの反射面を有する。さらに、通過面の中心を通り第１直線に対して垂直な第２直線２１８ｂ上に通過面の中心を挟んで配置された２つの反射面とを有する。複数の反射面２１１ｂで反射された被検光と参照光との干渉光をピクセル１８ｂにより検出する。これにより、被検信号に含まれる第１直線上および第２直線上における誤差成分を求めることができる。なお、動的収差の二次元情報を得るためには、少なくとも３つの動的収差計測用光束があればよく、波面分割部に少なくとも３つの反射面を設ければよい。
【００５９】
また、本実施形態では複素振幅を実部、虚部に分離してピクセルシフトの処理を行ったが、複素振幅の代わりに位相データを用いても構わない。位相データの場合は、２波長間のスペックル位相の相関が最大となるピクセルシフトの補正をすることとなる。
【００６０】
多波長干渉計で傾いた粗面被検面の計測を行う場合、被検面位置の瞳共役面で波長間のスペックルパターンシフト差が発生する。この為、２波長間のスペックルパターンの相関が減少し測長精度が悪化してしまう。本実施形態では、波長λ１の干渉信号の検出結果に対して、２波長間の瞳面内のスペックルパターンの複素相関が最大となる瞳面内の位置をサーチして波長λ２の干渉信号を検出することで、２波長間のスペックルパターンのシフト差を補正することが可能となる。一方、２波長間のスペックルパターンのシフト差を補正すると、干渉計収差がずれてしまうため、シフトされた２波長間のスペックルパターンがずれてしまい、測長精度が悪化してしまう。この問題に対して本実施形態では、スペックルパターンのシフト補正を行う前に、干渉計収差に起因する位相（誤差成分）を、計測した複素振幅から差し引くことで解決している。
【００６１】
なお、本実施形態では、分光素子を含む位相検出器を用いて波長毎の信号に分離する構成を示したが、分光素子を用いなくてもよい。例えば、参照光と被検光との周波数を異ならせるために与える周波数シフト量を、波長λ１と波長λ２のそれぞれに対して、異なる周波数シフト量を与える。そして、受光素子で検出した干渉信号を周波数分離することで波長毎の干渉信号に分離しても良い。この場合の構成は各検出器における分光が不要となり装置構成が単純になる。
【００６２】
干渉計１００の光束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、参照光束と被検光束を偏光により分離する事が可能となる点にある。以上の効果を利用すれば、直交する２つの偏光間で僅かに周波数シフト差を加えることで被検面と参照面間のヘテロダイン検出が構成可能となり、高精度な位相計測が実現する。
【００６３】
なお、本実施形態では、被検面が鏡面でもよく、計測できる被検面の粗さの程度に制限はないが、被検面が粗面である場合に、被検光が粗面で反射されるときに、反射前まで被検光に含まれた収差がリセットされる。そのため、被検信号に含まれる干渉計の収差には、偏光ビームスプリッタ８から集光レンズ２０までの収差分が含まれない。一方、動的収差計測光は被検面を経由しないため、被検面による収差のリセットが行われない。したがって、動的収差計測用信号についても、偏光ビームスプリッタ８から波面分割部２１の前までに生じる動的収差分が含まれないようにした方が望ましい。そのために、被検光は、干渉計において反射面で反射されずに被検面に入射することが望ましい。構成としては、偏光ビームスプリッタ８または光ファイバから波面分割部２１の前までの被検光路に反射光学素子が含まれない構成とした方が望ましい。
【００６４】
（実施形態２）
図１１に本実施形態における測長値の算出フローを示す。本実施形態の計測装置の構成物は、実施形態１の計測装置と同じである。
【００６５】
実施形態１における位相差算出フロー（図５）では各波長の複素振幅から相関が最大となるピクセルシフトを算出するのに対し、本実施形態の位相差算出フローでは事前に得た被検面傾きの情報からピクセルシフト量を求める。被検面の傾きの情報とは、例えば、被検対象物の図面と被検面の設置姿勢等の情報から得ることができる。また、別の計測装置を用いて被検面の傾き情報を得るのでも構わない。被検面の傾きの情報は記憶部２３１に記憶される。
【００６６】
本実施形態における測長値算出フローを説明する。まず、実施形態１と同様にＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３を行う。次に、Ｓ２０４で、記憶部２３１に記憶された被検面の傾きの情報からピクセルシフト量ΔＬｘを算出する。具体的には、次の数式４によってピクセルシフト量ΔＬｘを算出する。
【００６７】
【数４】
2014206505.tif 000006
【００６８】
ここで、ｆは被検面から反射光を受光する受光光学系（被検面から瞳共役の位置までの間の光学系）の焦点距離、θは被検面の傾き情報である。
【００６９】
Ｓ２０４でピクセルシフト量ΔＬｘを算出した後は、実施形態１の位相差算出フローのＳ１０６〜Ｓ１０９までと同じ手順で波長間の位相差を算出して測長値を求める。本実施形態でも実施形態１と同様に、被検面の傾きが任意方向の場合は、被検面位置の瞳共役位置近傍でマトリックス的に二次元に光束分離する。この場合、ピクセルシフト量は式５によって、Ｘ方向のピクセルシフト量ΔＬｘ、Ｙ方向のピクセルシフト量ΔＬｙを算出する。
【００７０】
【数５】
2014206505.tif 000007
【００７１】
ここで、ｆは被検面から反射光を受光する受光光学系の焦点距離、θｘは被検面のｘ方向の傾き情報、θｙは被検面のｙ方向の傾き情報である。ピクセルシフトもΔＬｘ、ΔＬｙに基づいて二次元的に処理する必要がある。
【００７２】
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ず、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。例えば、上記実施形態ではすべてヘテロダイン干渉計について述べたが、多波長ホモダイン干渉計で計測を行う場合でも適用できる。多波長ホモダイン干渉計の場合も干渉信号を被検面位置の瞳共役面で光束分割して各波長の複素振幅或いは位相を求めることで、上記位相差算出フローを適用できる。この場合、多波長ホモダイン干渉計でも傾いた粗い被検面を高速かつ高精度に計測することが可能となる。
【００７３】
上記実施形態では２波長干渉計に限定して説明したが、単一の波長を射出する光源を用いて単一波長の干渉計を構成した形態にも適用することができる。また、異なる３波長以上の多波長干渉計でも構わない。又は、複数波長の一つを波長走査することで絶対測長を可能とする多波長走査干渉計に適用しても構わない。
【００７４】
また、干渉計の瞳面において光束を分割して検出する例を説明したが、これに限らず、瞳面において光束を分割しないで干渉光を検出する干渉計でも構わない。また、干渉光の検出器を複数用いたが、検出器として複数の画素を有する撮像素子を用いて干渉光の画像を取得し、各検出器に対応する位置の画像に分割してもよい。
【００７５】
＜物品の製造方法の実施形態＞
本実施形態における物品の製造方法は、例えば、ギアなどの金属部品や光学素子等の物品を加工する際に用いられる。本実施形態の物品の製造方法は、上記の計測装置を用いて、上記物品の被検面の形状を計測する工程と、かかる工程における計測結果に基づいて被検面を加工する工程とを含む。例えば、被検面の形状を計測装置を用いて計測し、その計測結果に基づいて、被検面の形状が設計値など所望の形状になるように当該被検面を加工する。上記計測装置により高精度に被検面の形状を計測できるため、本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、少なくとも物品の加工精度の点で有利である。
【図１】
2014206505.tif 000008
【図２】
2014206505.tif 000009
【図３】
2014206505.tif 000010
【図４】
2014206505.tif 000011
【図５】
2014206505.tif 000012
【図６】
2014206505.tif 000013
【図７】
2014206505.tif 000014
【図８】
2014206505.tif 000015
【図９】
2014206505.tif 000016
【図１０】
2014206505.tif 000017
【図１１】
2014206505.tif 000018