(57)【要約】【課題】被検面が粗面である場合の計測でも精度的に有利な干渉計測装置を提供する。【解決手段】異なる波長を有する複数の光を用いて被検面までの距離を計測する干渉計測装置であって、複数の光の各々を被検光と参照光とに分割する光分割部と、被検光が透過する対物レンズと、複数の光ごとの被検光と参照光とによる干渉光を受光し、干渉光を電気信号に変換して得られる干渉信号を出力する光電変換素子と、干渉信号を用いて、複数の光ごとに対物レンズの瞳位置での複素振幅の位相成分からデフォーカス波面を減算して得られる位相に基づいて距離を演算する演算部とを備える。【選択図】図２
2014115228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長を有する複数の光を用いて被検面までの距離を計測する干渉計測装置であって、
前記複数の光の各々を被検光と参照光とに分割する光分割部と、
前記被検光が透過する対物レンズと、
前記複数の光ごとの前記被検光と前記参照光とによる干渉光を受光し、前記干渉光を電気信号に変換して得られる干渉信号を出力する光電変換素子と、
前記干渉信号を用いて、前記複数の光ごとに前記対物レンズの瞳位置での複素振幅の位相成分からデフォーカス波面を減算して得られる位相に基づいて前記距離を演算する演算部と、
を備えることを特徴とする干渉計測装置。
【請求項２】
前記デフォーカス波面をＷとし、予め定められた基準位置からのデフォーカス量をΔｚとし、前記光の波長をλとし、前記対物レンズの焦点距離をｆとし、さらに瞳空間座標をｕ、ｖで表すと、
前記デフォーカス波面は、
【数１】
2014115228.tif 000014
の式から算出されることを特徴とする請求項１に記載の干渉計測装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記被検面での前記デフォーカス量が互いに異なる前記被検面の複数の領域のそれぞれについて、前記演算を実行することを特徴とする請求項２に記載の干渉計測装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記被検面での前記デフォーカス量が同一とみなせる領域ごとに、前記演算を実行することを特徴とする請求項２に記載の干渉計測装置。
【請求項５】
前記光電変換素子は、前記被検面と共役な位置に配置され、
前記演算部は、前記対物レンズの瞳面での複素振幅を、前記光電変換素子の検出面での光の複素振幅をフーリエ変換することにより求める、
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
【請求項６】
前記光電変換素子は、前記対物レンズの瞳位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
【請求項７】
前記演算部は、前記干渉信号を用いて仮の前記距離を演算し、
仮の前記距離と前記基準位置とに基づいて前記デフォーカス量を計算することを特徴とする請求項２に記載の干渉計測装置。
【請求項８】
異なる波長を有する複数の光を用いて被検面までの距離を計測する干渉計測方法であって、
前記複数の光をの各々を被検光と参照光とに分割し、前記複数の光ごとの前記被検光と前記参照光とによる干渉光を電気信号に変換して得られる干渉信号を得る工程と、
前記干渉信号を用いて、前記複数の光ごとに、前記被検光が透過する対物レンズの瞳位置での複素振幅の位相成分からデフォーカス波面を減算して得られる位相に基づいて前記距離を演算する工程と、
を有することを特徴とする干渉計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計測装置、および干渉計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の形状などを高精度に計測する装置として、光波を用いた干渉計（干渉計測装置）が知られている。このうち単波長の光を用いた干渉計では、物体の被検面が、ある程度の粗さ（表面粗さ）を持つと、スペックルパターンが２πよりも大きい標準偏差のランダム位相を有することで、計測誤差が大きくなる場合がある。そこで、複数の異なる波長の光を用いて粗面を計測する多波長干渉計が提案されている。非特許文献１は、干渉による計測結果から各波長の位相を合成する多波長干渉計について記載している。この非特許文献１によれば、２波長間のスペックルパターンに相関があるならば、その２つの波長の位相差から巨視的表面プロファイルと微視的表面粗さとに関する情報が得られるとしている。また、非特許文献２は、２波長間のスペックルパターンの相関は、２つの波長の合成波長に依存する旨を記載している。この非特許文献２によれば、合成波長Λが小さいほど、２波長間の相関が減少し、これとは反対に、合成波長Λが大きいほど、２波長間の相関が増加する。ここで、合成波長Λとは、２つの波長をλ１、λ２（λ１＞λ２）としたときに、Λ＝λ１×λ２／（λ１−λ２）で表わされる量である。このように、被検面が単波長干渉計では高精度な計測が難しい粗面である場合でも、多波長干渉計を用いて精度良く計測することができる。
【０００３】
一方、非特許文献３は、上記のような多波長干渉計において、被検面が対物レンズのピント位置からずれている場合には、２波長間のスペックルパターンの相関が低下する旨を記載している。この非特許文献３によれば、デフォーカスを考慮した２波長間のスペックルパターンのコヒーレント係数μは、（数１）で表される。
【０００４】
【数１】
2014115228.tif 000003
【０００５】
ここで、ζは、（数２）で表され、σｈは、被検面の表面粗さ（ＲＭＳ）、Ｃは、フレネル余弦積分、Ｓは、フレネル正弦積分、ｚは、デフォーカス量、Ｄは、焦点深度、ｋは、波数、さらにΔｋは、２波長間の波数差である。
【０００６】
【数２】
2014115228.tif 000004
【０００７】
また、非特許文献２によれば、コヒーレント係数μと位相計測誤差σφとの関係は、（数３）で表される。
【０００８】
【数３】
2014115228.tif 000005
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】A. F. Fercher, H. Z. Hu, and U. Vry, ” Rough surface interferometry with a two-wavelength heterodynespeckle interferometer ”, Applied Optics, Vol.24, No. 14, p. 2181-2188, 1985
【非特許文献２】U. Vry and F. Fercher, “ High-orderstatistical properties of speckle fields and their application rough-surfaceinterferometry ”, J. Opt. Soc. Am. A, Vol.3, No. 7, p. 988-1000, 1986
【非特許文献３】I.Yamaguchi, A. Yamamoto, and S. Kuwamura, “ Speckle decorrelation in surface profilometryby wavelength scanning interferometry ”, AppliedOptics, Vol. 37, No. 28, p. 6721-6728, 1998
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、（数１）〜（数３）において、２つの波長λ１、λ２をそれぞれ７８５ｎｍ、７９５ｎｍ（合成波長Λは６２μｍ）とし、表面粗さを０．１μｍと想定した場合について考える。このときのｚ／Ｄ（デフォーカス量／焦点深度）とコヒーレント係数|μ|との関係を図７に示す。同様に、ｚ／Ｄと計測誤差２σとの関係を図８に示す。特に図８からわかるとおり、デフォーカス量の増加に伴って計測精度が悪化し、例えば、計測誤差を１μｍ以下に抑えたい場合には、z／Ｄを２以下にする必要がある。このように、粗面計測に多波長干渉計を用いたとしても、被検面が対物レンズのピント位置から大きくずれている場合には、波長間の相関性の減少により精度良く計測することが難しくなる。
【００１１】
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、例えば、被検面が粗面である場合の計測でも精度的に有利な干渉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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、異なる波長を有する複数の光を用いて被検面までの距離を計測する干渉計測装置であって、複数の光の各々を被検光と参照光とに分割する光分割部と、被検光が透過する対物レンズと、複数の光ごとの被検光と参照光とによる干渉光を受光し、干渉光を電気信号に変換して得られる干渉信号を出力する光電変換素子と、干渉信号を用いて、複数の光ごとに対物レンズの瞳位置での複素振幅の位相成分からデフォーカス波面を減算して得られる位相に基づいて距離を演算する演算部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、例えば、被検面が粗面である場合の計測でも精度的に有利な干渉計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る干渉計測装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る形状算出の手順を示すフローチャートである。
【図３】計測対象物の形状を例示する図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る干渉計測装置の構成を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る干渉計測装置の構成の一部を示す図である。
【図６】第２実施形態に係る測長値算出の手順を示すフローチャートである。
【図７】デフォーカス量とコヒーレント係数との関係を示すグラフである。
【図８】デフォーカス量と計測誤差との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る干渉計測装置について説明する。図１は、本実施形態に係る干渉計測装置１の構成を示す概略図である。この干渉計測装置１は、複数の（本実施形態では一例として２つ）の異なる波長の光（光波）を用いて載置台２の上に配置された物体（計測対象物）３の被検面３ａの形状（複数点における距離）を計測する多波長干渉計である。干渉計測装置１は、まず、第１固定波長を有する第１光（第１レーザー）を出射する第１光源（第１レーザー光源）４と、第１固定波長とは異なる第２固定波長を有する第２光（第２レーザー）を出射する第２光源（第２レーザー光源）５とを含む。第１光源４および第２光源５としては、例えば、ＤＦＢ（分布帰還型）半導体レーザーを出射するものとし得る。なお、本実施形態では、第１光源４と第２光源５とは、それぞれ独立した別素子を用いるものとしているが、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ーを１つの素子に集積した構造としてもよい。この場合、コストおよび寸法の点で有利となる。さらに、第１光源４および第２光源５は、必ずしもＤＦＢレーザーを用いるものに限らず、干渉計測を可能とする他のスペクトル線幅の狭い光源としてもよい。
【００１７】
また、干渉計測装置１は、波長制御ユニット６と、干渉計ユニット７と、制御部８とを含む。第１光源４から出射された第１光の光束は、ミラー９で反射された後にビームスプリッター１０により分割（分岐）され、一方が波長制御ユニット６へ、他方が干渉計ユニット７へと導かれる。一方、第２光源５から出射された第２光の光束は、ビームスプリッター１０に入射して、光線軸が第１光と同軸になると同時に光束も分割され、ここでも、一方が波長制御ユニット６へ、他方が干渉計ユニット７へと導かれる。干渉計ユニット７は、以下で詳説するが、それぞれ複数の画素からなる第１検出器１１および第２検出器１２と、光束分割素子としての偏光ビームスプリッター（光分割部）１３とをさらに含む。第１検出器１１および第２検出器１２としては、例えば、ＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサーなどの光電変換素子（撮像素子）を採用し得る。第１光および第２光の光束は、偏光ビームスプリッター１３で被検光束（被検光）と参照光束（参照光）とに分離される。第１検出器１１は、被検面３ａからの被検光束と参照面１４からの参照光束とが干渉した第１光の干渉光を受光し、その干渉光を電気信号に変換して電気信号（干渉信号）を出力する。一方、第２検出器１２は、被検面３ａからの被検光束と参照面１４からの参照光束とが干渉した第２光の干渉光を受光し、その干渉光を電気信号に変換して得られる第２光の干渉信号を出力する。そして、制御部（演算部）８は、これら第１光および第２光の干渉信号に基づいて、以下で詳説するような演算を実行することで、被検面３ａの形状（被検面３ａまでの距離）を求める。
【００１８】
波長制御ユニット６は、波長の基準素子であるガスセル１５と、分光素子１６と、第３検出器１７および第４検出器１８とを含む。ビームスプリッター１０で分割され、さらにミラー１９で反射されて波長制御ユニット６内へ導かれた光束は、ガスセル１５を透過した後、分光素子１６にて第１光と第２光との光束それぞれに分離される。ガスセル１５を透過した後の光量は、第１光の光束に係るものについては第３検出器１７にて、一方、第２光の光束に係るものについては第４検出器１８にてそれぞれ検出される。そして、制御部８は、第３検出器１７から出力された信号に基づいて、第１光の波長をガスセル１５の吸収線である波長λ１に安定化するような制御を実行する。ここで、波長の安定化は、例えば、第３検出器１７の透過強度が一定となるように波長を調整することにより実施される。この波長を調整する方法としては、例えば、注入電流を変調する方法や温調による方法などがある。同様に、制御部８は、第４検出器１８から出力された信号に基づいて、第２光の波長をガスセル１５の吸収線である波長λ２に安定化するような制御を実行する。なお、本実施形態では、波長精度を保障するものとしてガスセルのみを用いているが、例えば、ガスセルに換えてエタロンを用いてもよく、または、ガスセルとエタロンとの両方を用いてもよい。
【００１９】
干渉計ユニット７は、上述した第１検出器１１および第２検出器１２と、偏光ビームスプリッター１３とに加え、各種の光学要素を含む。ビームスプリッター１０で分割され、干渉計ユニット７内へ導かれた光束は、ビームエキスパンダー２０により所望のビーム径に拡大され、偏光ビームスプリッター１３により、参照面１４に入射する参照光束と、被検面３ａに入射する被検光束とに分割される。このうち、参照光束は、第１のλ／４板２１を透過することで円偏光となり、参照面１４で反射されて逆周りの円偏光となる。そして、参照光束は、再度、第１のλ／４板２１を透過することで、入射時とは偏波面が９０度回転した直線偏光となり、偏光ビームスプリッター１３を透過する。なお、参照面１４は、圧電素子（光路長差変化素子）２２上に配置されており、干渉信号の計測時には、制御部８から圧電素子２２に電圧が印加されることにより、第１検出器１１および第２検出器１２の検出タイミングと同期した縞走査が可能となる。一方、被検光束は、第２のλ／４板２３を透過することで円偏光となり、載置台２の上に配置された物体３の被検面３ａで反射されて逆周りの円偏光となる。そして、被検光束は、再度、第２のλ／４板２３を透過することで、入射時とは偏波面が９０度回転した直線偏光となり、偏光ビームスプリッター１３で反射される。これら被検光束と参照光束とは、偏光ビームスプリッター１３により合成（合波）された後に、対物レンズ２４および絞り２５を透過する。なお、本実施形態にて補正効果を最大限に得るために、絞り２５のサイズは、第１検出器１１および第２検出器１２の各画素サイズで決まる計算上の瞳領域よりも小さく設定することが望ましい。絞り２５を透過した被検光束と参照光束とは、偏光子２６を通過することで共通偏光成分が抽出され、分光素子２７で第１光と第２光との光束にそれぞれ分離される。そして、第１光により生成される干渉信号は、第１検出器１１で、一方、第２光により生成される干渉信号は、第２検出器１２でそれぞれ検出される。ここで、第１検出器１１および第２検出器１２は、対物レンズ２４を介して被検面３ａと光学的に共役な位置に配置されているものとしている。また、第１検出器１１および第２検出器１２で高コントラストの干渉信号を得るために、参照面１４で反射した参照光束と、被検面３ａで反射した被検光束との強度を同じにすることが望ましい。そこで、偏光子２６を別途回転機構により回転させて強度の調整を可能とする構成としてもよく、または、不図示のＮＤフィルターなどで強度を調整してもよい。なお、本実施形態では、分光素子２７を用いて第１光と第２光との干渉信号に分離しているが、第１光と第２光との参照光束に異なる位相シフト量（または周波数シフト量）を与え、検出器で検出した干渉信号を周波数分離により分離してもよい。すなわち、この構成によれば、分光素子２７が不要となり、また、第１光と第２光との光束ごとに２つ設置されていた検出器も１つにすることができるので、装置構成を単純化させることが可能となる。
【００２０】
次に、干渉計測装置１における被検面３ａの形状算出について説明する。図２は、干渉計測方法としての形状算出の手順を示すフローチャートである。まず、制御部８は、第１検出器１１および第２検出器１２で検出したそれぞれの干渉信号から、被検面３ａの仮の形状Ｈ（ｘ、ｙ）を算出する（ステップＳ１０１）。このとき、形状Ｈ（ｘ、ｙ）は、４バケット法や離散フーリエ変換法などのアルゴリズムにより算出される２つの波長λ１、λ２の位相をそれぞれΦ１（ｘ、ｙ）、Φ２（ｘ、ｙ）とすると、波長間の位相差（Φ１−Φ２）を用いた（数４）から算出される。ここで、座標は、ｘ、ｙで表している。この（数４）において、合成波長Λは、Λ＝λ１×λ２／（λ１−λ２）で表される。
【００２１】
【数４】
2014115228.tif 000006
【００２２】
次に、制御部８は、デフォーカス補正を行う領域を設定する（ステップＳ１０２）。ここでのデフォーカス補正は、デフォーカス量がおおよそ同一とみなせる領域ごとに行う。すなわち、制御部８は、ステップＳ１０１にて算出された被検面３ａの形状Ｈ（ｘ、ｙ）に基づいて、被検面３ａの表面領域を、被検面３ａの高さがおおよそ同一とみなせる領域に分割する。図３は、物体３の形状の一例を示す概略斜視図である。物体３の形状が図３に示すような形状を有する場合、すなわち被検面３ａに２つの領域Ｒ１、Ｒ２が存在する場合には、被検面３ａの表面領域は、これらの領域Ｒ１、Ｒ２に分割される。
【００２３】
次に、制御部８は、ステップＳ１０２にて分割された領域（設定領域）ごとに、すべての設定領域に対して以下のステップＳ１０４〜Ｓ１０９の各計算を実行し終えるまで繰り返す。まず、制御部８は、設定領域のすべてに対してステップＳ１０４以下の計算を実行したかを判断する（ステップＳ１０３）。ここで、制御部８は、設定領域のすべてに対してステップＳ１０４以下の計算を実行していないと判定した場合には（ＹＥＳ）、以下のステップＳ１０４に移行する。一方、制御部８は、設定領域のすべてに対してステップＳ１０４以下の計算を実行したと判定した場合には（ＮＯ）、すべての計算を終了する。なお、デフォーカス量が小さい領域に対しては、デフォーカス補正を行う必要がないため、この場合、制御部８は、ステップＳ１０１にて算出された形状計測結果Ｈ（ｘ、ｙ）を最終結果とし、ステップＳ１０４以下の各計算を省略する。
【００２４】
次に、制御部８は、第１検出器１１と第２検出器１２とのそれぞれの検出面の複素振幅Ｅ１（ｘ、ｙ）、Ｅ２（ｘ、ｙ）を算出する（ステップＳ１０４）。このとき、まず、振幅成分Ａ１（ｘ、ｙ）、Ａ２（ｘ、ｙ）が、第１検出器１１と第２検出器１２とが検出した各干渉信号のバイアス成分Ｂ１（ｘ、ｙ）、Ｂ２（ｘ、ｙ）と、コントラストＣ１（ｘ、ｙ）、Ｃ２（ｘ、ｙ）とを用いて（数５）から算出される。なお、ここでは、簡単のために、参照光束の振幅分布が画面内で一様であるとしている。
【００２５】
【数５】
2014115228.tif 000007
【００２６】
そして、検出面の複素振幅Ｅ１（ｘ、ｙ）、Ｅ２（ｘ、ｙ）は、振幅成分Ａ１（ｘ、ｙ）、Ａ２（ｘ、ｙ）、およびステップＳ１０１にて算出されている位相成分Φ１（ｘ、ｙ）、Φ２（ｘ、ｙ）を用いて（数６）から算出される。
【００２７】
【数６】
2014115228.tif 000008
【００２８】
次に、制御部８は、対物レンズ２４の瞳面（瞳位置）の複素振幅ＰＥ１（ｕ、ｖ）、ＰＥ２（ｕ、ｖ）を算出する（ステップＳ１０５）。瞳面の複素振幅ＰＥ１（ｕ、ｖ）、ＰＥ２（ｕ、ｖ）は、ステップＳ１０４にて算出された複素振幅Ｅ１（ｘ、ｙ）、Ｅ２（ｘ、ｙ）を（数７）に基づいてフーリエ変換することで算出される。ここで、Ｍは、Ｘ方向の画素数であり、Ｎは、Ｙ方向の画素数であり、また、瞳空間座標は、ｕ、ｖで表している。
【００２９】
【数７】
2014115228.tif 000009
【００３０】
次に、制御部８は、デフォーカス波面Ｗ１（ｕ、ｖ）、Ｗ２（ｕ、ｖ）を算出する（ステップＳ１０６）。このとき、制御部８は、まず、ステップＳ１０１で算出された被検面３ａの形状Ｈ（ｘ、ｙ）と、予め定められた既知のベストフォーカス位置（基準位置）とに基づいてデフォーカス量Δｚを計算して決定する。その上で、デフォーカス波面Ｗ１（ｕ、ｖ）、Ｗ２（ｕ、ｖ）は、波長λｋおよび対物レンズ２４の焦点距離ｆを用いて（数８）から算出される。例えば、デフォーカス量Δｚは、被検面３ａの形状Ｈ（ｘ、ｙ）と、予め定められた既知のベストフォーカス位置（基準位置）との差分に基づいて計算される。
【００３１】
【数８】
2014115228.tif 000010
【００３２】
次に、制御部８は、（数９）を用いて瞳面の複素振幅ＰＥ１（ｕ、ｖ）、ＰＥ２（ｕ、ｖ）の位相成分の値からデフォーカス波面Ｗ１（ｕ、ｖ）、Ｗ２（ｕ、ｖ）の値をそれぞれ減算することによって補正を行う（ステップＳ１０７）。これにより、位相成分が補正された瞳面の複素振幅ＰＥ１´（ｕ、ｖ）、ＰＥ２´（ｕ、ｖ）が算出される。
【００３３】
【数９】
2014115228.tif 000011
【００３４】
次に、制御部８は、補正された検出面の複素振幅Ｅ１´（ｘ、ｙ）、Ｅ２´（ｘ、ｙ）を計算する（ステップＳ１０８）。このとき、複素振幅Ｅ１´（ｘ、ｙ）、Ｅ２´（ｘ、ｙ）は、ステップＳ１０７で補正された瞳面の複素振幅ＰＥ１´（ｕ、ｖ）、ＰＥ２´（ｕ、ｖ）を（数１０）に基づいて逆フーリエ変換することにより算出される。
【００３５】
【数１０】
2014115228.tif 000012
【００３６】
次に、制御部８は、補正された被検面３ａの形状Ｈ´（ｘ、ｙ）を再算出する（ステップＳ１０９）。このとき、制御部８は、まず、ステップＳ１０８で計算された検出面の複素振幅Ｅ１´（ｘ、ｙ）、Ｅ２´（ｘ、ｙ）から、位相成分Φ１´（ｘ、ｙ）、Φ２´（ｘ、ｙ）を算出する。そして、制御部８は、波長間の位相差（Φ１´−Φ２´）を用いた（数１１）により、被検面３ａの形状Ｈ´（ｘ、ｙ）を算出する。
【００３７】
【数１１】
2014115228.tif 000013
【００３８】
このように、干渉計測装置１は、デフォーカスに起因した２波長間のスペックルパターンの相関性の低下を補正できるため、被検面３ａが対物レンズ２４のピント位置からずれた位置にある場合でも高精度に粗面を計測することが可能となる。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、被検面が粗面である場合の計測でも精度的に有利な干渉計測装置を提供することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る干渉計測装置について説明する。図４は、本実施形態に係る干渉計測装置３０の構成を示す概略図である。この干渉計測装置３０の特徴は、第１実施形態に係る干渉計測装置１が被検面３ａの形状を一括して計測するものであったのに対して、１点の距離（測長距離）を高速に演算する点にある。なお、干渉計測装置３０は、不図示のステージ装置を設置し、物体３をこのステージ装置に載置して被検面３ａを平面方向（ＸＹ平面）で移動可能とすることで、第１実施形態と同様に被検面３ａの形状計測を行うことが可能である。さらに、干渉計測装置３０は、ステージ装置に換えてガルバノミラーを干渉計と被検面３ａとの間に設置し、測長点を適宜変化させることによっても、同様に被検面３ａの形状計測を行うことが可能である。本実施形態にて例示する干渉計測装置３０の構成は、第１光源４および第２光源５、ならびに波長制御ユニット６に関しては、第１実施形態と同一としている。そこで、以下、第１実施形態と同一構成の部分には、同一の符号を付して説明を省略し、第１光および第２光の各光束がビームスプリッター１０で分割された後の部分について説明する。特に、干渉計測装置３０は、第１実施形態に係る干渉計測装置１とは、波長シフター３１と、干渉計ユニット７に換わる干渉計ユニット３２と、干渉計ユニット３２と制御部８との間に設置される複数の分光素子および位相検出器とを有する点で異なる。
【００４１】
ビームスプリッター１０で分割され、干渉計ユニット３２に導かれる光束は、偏光ビームスプリッター３３により、さらに２つの光束に分割される。このうち、一方の光束は、ミラー５３で反射されて波長シフター３１に入射する。波長シフター３１では、第１光と第２光とのそれぞれから出力される光束について、不図示の音響光学素子が入射波長に対して一定量の周波数シフトを印加する。そして、波長シフター３１を出射した光束は、干渉計ユニット３２に入射する。一方、偏光ビームスプリッター３３により分割された他方の光束は、波長シフター３１を出射した光束とは別に干渉計ユニット３２に入射する。
【００４２】
波長シフター３１を通過して干渉計ユニット３２に入射した光束（参照光）は、第１コリメートレンズ３４ａにより平行光束となり、第１のλ／２板３５ａを透過した後、第１偏光ビームスプリッター３６に入射する。図５は、この第１偏光ビームスプリッター３６と、後述する第２偏光ビームスプリッター３８とを含む干渉計ユニット３２の構成の一部を示す概略図である。図５に示すように、平行光束は、第１偏光ビームスプリッター３６で第１反射光束と第１透過光束とに分割される。このうち、第１反射光束は、第３のλ／２板３７を透過することで偏光方向が９０度回転する。さらに、第１反射光束は、第２偏光ビームスプリッター３８および第１偏光子３９を通過して集光レンズ４０で集光された後、第１分光素子４１ａに入射する。
【００４３】
波長シフター３１を介さずに干渉計ユニット３２に入射した光束（信号光）は、第２コリメートレンズ３４ｂにより平行光束となり、第２のλ／２板３５ｂを通過した後、第２偏光ビームスプリッター３８で第２反射光束と第２透過光束とに分割される。このうち、第２反射光束は、第１偏光子３９を通過して集光レンズ４０で集光された後、第１分光素子４１ａに入射する。ここで、第１のλ／２板３５ａの光軸に対する回転方向は、第１反射光束と第１透過光束との光量比が所望の値となるように設定する。同様に、第２のλ／２板３５ｂの光軸に対する回転方向は、第２反射光束と第２透過光束との光量比が所望の値となるように設定する。このとき、第１反射光束と第２反射光束との干渉信号のコントラストを最大とするため、第１反射光束と第２反射光束との光量を同程度とすることが望ましい。第１分光素子４１ａは、同軸で入射した第１光と第２光との光束を分離する。さらに、第１位相検出器４２ａおよび第２位相検出器４２ｂは、偏光子３９により第１反射光束と第２反射光束との共通偏光成分を抽出し干渉信号を得る。具体的には、第１位相検出器４２ａは、第１分光素子４１ａを介した波長λ１の第１反射光束と第２反射光束との干渉信号として両光束の周波数差に相当するビート信号を検出する。同様に、第２位相検出器４２ｂは、第１分光素子４１ａを介した波長λ２の第１反射光束と第２反射光束との干渉信号として両光束の周波数差に相当するビート信号を検出する。以下、第１位相検出器４２ａおよび第２位相検出器４２ｂにより検出される干渉信号を「基準信号」という。
【００４４】
一方、第１偏光ビームスプリッター３６で分割された第１透過光束は、ミラー４３で反射され、第３偏光ビームスプリッター４４および第２偏光子４５を透過した後、マイクロレンズアレイ４６に入射する。また、第２偏光ビームスプリッター３８で分割された第２透過光束は、第３偏光ビームスプリッター４４を透過した後、λ／４板４７により円偏光とされ、対物レンズ４８で収束光束となり、被検面３ａに集光される。被検面３ａで反射されて逆周りの円偏光とされた第２透過光束は、λ／４板４７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り、第３偏光ビームスプリッター４４に再度入射する。そして、第２透過光束は、第３偏光ビームスプリッター４４で反射され、第２偏光子４５を通過した後、マイクロレンズアレイ４６に入射し、複数のピクセルに光束分割される。ここで、図４では、簡単のために、一方向に４ピクセルに光束分割したものを例示しているが、実際には２次元マトリックスのピクセルに分割している。マイクロレンズアレイ４６で分割された第２透過光束は、光ファイバーを介して個別に分光素子４１ｂ〜４１ｅに入射する。ここで使用される光ファイバーは、複数本のファイバーであってもよいし、バンドルファイバーでもよい。以下、第１偏光ビームスプリッター３６で分割された第１透過光束を「参照光束」といい、被検面３ａで反射した光束を「被検光束」という。なお、本実施形態においても、以下の検出器（第３検出器４９ａおよび第４検出器４９ｂなど）の組で高コントラストの干渉信号を得るために、参照光束と被検光束との強度を同じにすることが望ましい。そこで、第２偏光子４５を別途回転機構により回転させて強度の調整を可能とする構成としてもよく、または、不図示のＮＤフィルターなどで強度を調整してもよい。
【００４５】
各分光素子４１ｂ〜４１ｅに入射した波長λ１の参照光束と被検光束との干渉信号は、第３検出器４９ａ、第５検出器５０ａ、第７検出器５１ａ、および第９検出器５２ａでそれぞれ検出される。一方、各分光素子４１ｂ〜４１ｅに入射した波長λ２の参照光束と被検光束との干渉信号は、第４検出器４９ｂ、第６検出器５０ｂ、第８検出器５１ｂ、および第１０検出器５２ｂでそれぞれ検出される。以下、各検出器で検出される干渉信号を「計測信号」という。この計測信号は、第１透過光束と第２透過光束との干渉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が、被検光束と参照光束との光路長により干渉信号の位相が基準信号と異なる。そこで、本実施形態では、制御部８は、計測信号の位相と基準信号の位相との差を算出し、その位相差に基づいて、波長λ１、λ２に対応する位相Φ１、Φ２を算出して求める。
【００４６】
次に、干渉計測装置３０における被検面３ａの測長値算出について説明する。図６は、第１実施形態における図２に対応した、本実施形態における干渉計測方法としての測長値算出の手順を示すフローチャートである。以下、第１実施形態と同様の工程については説明を省略し、第１実施形態と異なる点について説明する。まず、１つ目の違いは、ステップＳ２０１およびＳ２０５における測長値Ｌの算出方法である。本実施形態では、制御部８は、測長値Ｌを瞳面上に配置された複数の検出器（第１検出器４２ａおよび第２検出器４２ｂ、第３検出器４９ａ〜第１０検出器５２ｂ）で測定された平均位相を用いて算出する。そして、２つ目の違いは、本実施形態では、第１実施形態におけるステップＳ１０４と、Ｓ１０５における瞳位置の複素振幅を算出するためのフーリエ変換が不要であり、さらに、Ｓ１０８の工程が不要となる点である。すなわち、第１実施形態では、被検面３ａと共役な位置に第１検出器１１および第２検出器１２を配置しているため、瞳位置の複素振幅を算出するにはフーリエ変換を行う必要があるが、本実施形態では、対物レンズ４８の瞳位置で計測を行っているため不要となる。
【００４７】
このように、干渉計測装置３０は、干渉計ユニット３２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ーを用いることで、参照光と信号光とを偏光により分離する。そして、干渉計測装置３０は、波長シフター３１を用いて、直交する２つの偏光間でわずかに周波数シフト差を加えることでヘテロダイン検出が可能となり、高精度な位相計測を実現することができる。本実施形態によれば、第１実施形態と同様にデフォーカスに起因する２波長間のスペックルパターンの相関性の低下を補正することができるため、被検面３ａが対物レンズ４８のピント位置からずれた位置にある場合でも、高精度に粗面を計測することが可能となる。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
１    干渉計測装置
３ａ  被検面
８    制御部
１１  第１検出器
１２  第２検出器
１３  偏光ビームスプリッター
２４  対物レンズ
【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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【図７】
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【図８】
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