(57)【要約】      （修正有）【課題】スペックルパターンのシフト量の差の補正を行っても波長間の収差分布が変わらないようにする計測装置を提供する。【解決手段】計測装置は、複数の波長を含む光束を参照光と被検光とに分割し干渉させる光学部材と、生成された干渉光を波面分割する分割部と、波面分割された干渉光のそれぞれを波長毎に検出する検出部と、検出部の出力に基づいて被検面の位置又は形状を求める処理部と、を備える。処理部は、スペックルパターンのシフト量の差の補正を目的に波長間で瞳共役面を相対的にシフトさせる前に、被検面から光学部材までの被検光路に配置された光学要素によって発生する第１収差と参照光路に配置された光学要素によって発生する第２収差との差に相当する位相だけ波長毎に補正する。これらの処理の後、各波長の複素振幅を用いて前記波面分割された各干渉光の波長間の位相差を求め、該位相差から前記被検面の位置又は形状を求める。【選択図】図４
2014074620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検面の位置又は形状を計測する計測装置であって、
複数の波長を含む光束を参照光と被検光とに分割する第１分割部と、
前記参照光と前記被検面で反射された被検光とを干渉させる光学部材と、
前記被検面に対してフーリエ変換の関係を有するフーリエ変換面に配置され、前記光学部材で生成された干渉光を波面分割する第２分割部と、
前記第２分割部により波面分割された干渉光のそれぞれを波長毎に検出する検出部と、
前記検出部の出力に基づいて前記被検面の位置又は形状を求める処理部と、
を備え、
前記処理部は、
波面分割された各干渉光について前記検出部から出力された波長毎の信号から複素振幅を求め、
該複素振幅を、前記被検面から前記光学部材までの被検光路に配置された光学要素によって発生する第１収差と前記第１分割部から前記光学部材までの参照光路に配置された光学要素によって発生する第２収差との差に相当する位相だけ波長毎に補正し、
該補正された各波長の複素振幅を用いて前記波面分割された各干渉光の波長間の位相差を求め、
該位相差から前記被検面の位置又は形状を求める、
ことを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記処理部は、
前記補正された各波長の複素振幅の複素相関を求め、
前記複素相関に応じて前記波面分割された各干渉光の位相を算出するための前記フーリエ変換面における位置を波長毎に求め、
各波長の前記フーリエ変換面における位置における位相から前記波面分割された各干渉光の波長間の位相差を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記処理部は、前記複素相関が最大となる前記フーリエ変換面における位置を波長毎に求めることを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記処理部は、
前記被検面の傾きの情報を予め取得し、
前記傾きの情報から前記波面分割された各干渉光の位相を算出するための前記フーリエ変換面における位置を波長毎に求め、
各波長の前記フーリエ変換面における位置における位相から前記波面分割された各干渉光の波長間の位相差を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項５】
前記計測装置は、前記被検光を前記被検面上で走査する走査部をさらに備え、
前記処理部は、
前記第１収差と前記第２収差との差に相当する位相を前記走査部の姿勢に応じて決定し、
前記複素振幅を、前記決定された位相だけ波長毎に補正する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記処理部は、
前記波面分割された各干渉光について前記検出部から出力された波長毎の信号から複素振幅を求め、
該複素振幅を、前記第１収差と前記第２収差との差に相当する位相だけ波長毎に補正し、
該補正された各波長の複素振幅を用いて前記波面分割された各干渉光の波長間の位相差を求め、
該位相差から前記被検面の位置又は形状の暫定値を求め、
前記暫定値を用いて前記第１収差と前記第２収差との差に相当する位相を補正し、
該補正された位相を用いて前記複素振幅を波長毎に再度補正し、
該再度補正された各波長の複素振幅を用いて前記波面分割された各干渉光の波長間の位相差を再度求め、
該再度求められた位相差から前記被検面の位置又は形状を決定する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
被検面の位置又は形状を計測する計測方法であって、
第１分割部によって複数の波長を含む光束を参照光と被検光とに分割し、前記参照光と前記被検面で反射された被検光とを光学部材により干渉させる工程と、
前記工程で生成された干渉光を波面分割し、波面分割された干渉光のそれぞれを波長毎に検出する工程と、
波面分割された各干渉光について前記検出された波長毎の信号から複素振幅を求める工程と、
該複素振幅を、前記被検面から前記光学部材までの被検光路に配置された光学要素によって発生する第１収差と前記第１分割部から前記光学部材までの参照光路に配置された光学要素によって発生する第２収差との差に相当する位相だけ波長毎に補正する工程と、
該補正された各波長の複素振幅を用いて前記波面分割された各干渉光の波長間の位相差を求め、該位相差から前記被検面の位置又は形状を求める工程と、
を含むことを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多波長干渉計を用いて被検面の形状等の計測を行う計測装置及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検面の形状等を高精度に測定する装置として一般的に干渉計が知られている。被検面がレンズのような鏡面の形状を計測する場合には単波長干渉計が用いられる。特許文献１には、単波長ヘテロダイン干渉計を用いた被検面の形状の計測が開示されている。しかし、被検面が鏡面ではなく粗面を含む場合には、表面粗さに起因するスペックルパターンが２πより大きい標準偏差のランダム位相を有する。そのため、単波長干渉計では計測の不確実性が大きくなってしまい正確な計測が困難となる。この問題を解決する為に、スペックルパターンのランダム位相をインコヒーレント平均することが提案されている。例えば、特許文献２には、レーザ光を被検面に投射しその反射光を撮像系によって撮像する撮像装置において、撮像系の結像レンズの絞り位置を変化させることによりスペックルパターンのランダム位相のインコヒーレント平均化を行うことが提案されている。
【０００３】
また、別の解決手段として、複数の異なる波長の干渉計測結果から各波長の位相を合成する多波長干渉計が非特許文献１に開示されている。非特許文献１によると、２つの波長のスペックルパターンに相関があるならば、その２つの波長の位相差は巨視的表面プロファイルと微視的表面粗さに関する情報が得られる。また、非特許文献２には、２つの波長間のスペックルパターンの相関度は２つの波長の合成波長に依存することが開示されている。非特許文献２によると合成波長Λが小さい程、２波長間のスペックルパターンの相関度は減少し、逆に合成波長Λが大きい程、２波長間のスペックルパターンの相関度は増加する。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、Λ=λ１×λ２／（λ１−λ２）で表わされる量である。このように、単波長干渉計では困難である粗い被検面に対しても多波長干渉計では精度良く計測することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１８５５２９号公報
【特許文献２】特開平５−７１９１８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】A. F. Fercher等、「Rough-surface interferometry with a two-wavelength heterodyne speckleinterferometer」、Applied Optics、1985、vol.24、p2181-2188
【非特許文献２】U. Vry, F. Fercher著、「High-order statistical properties of speckle fields and theirapplication to rough-surface interferometry」、Ｊ. Opt. Soc. Am. A、1986、Vol.3、issue7、p988-1000
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２のようにスペックルパターンのランダム位相のインコヒーレント平均化によるスペックルに対する影響の低減方法では、空間的或いは時間的なスペックルの変化を平均化する必要がある。このため、被検面上の１点の計測を行う場合であっても多くのデータを取得する必要があるので時間がかかってしまう。また、非特許文献２によると、２つの波長間のスペックルパターンの相関は、下式１に示されるように、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。
μ＝ｅｘｐ｛（４πｉ／Λ）ｈ０｝×ｅｘｐ［−（４π２／Λ２）（２σ２ｈ＋ｓ２ａ２）］・・・（１）
【０００７】
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。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パターンの相関度は減少する。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パターンの相関度は減少する。特に被検面の傾きによる２つの波長間のスペックルパターンの相関度の減少への影響が大きい。図１に被検面の傾きと測長誤差との関係の例を示す。
【０００８】
図１は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．４μｍの被検面を６５μｍのスポットサイズで照明しかつＮＡが０．０２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の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サンプルの被検面の測長誤差の２σをとった値である。図１によると、被検面の傾きが０°のときには測長誤差は０．６μｍと小さいが、被検面の傾きが１０°の場合には測長誤差は８．１μｍと大幅に低下することがわかる。通常、粗面の被検面が傾いている場合の被検面の瞳共役面（フーリエ変換の関係となる面）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共役面内にシフト（横ずれ）させたようなパターンとして形成される。また、粗面の被検面が傾いた場合、被検面の瞳共役面に形成されるλ１とλ２の異なる波長間の瞳共役面内のスペックルパターンのシフト量に差が生じるため、２波長間のスペックルパターンの相関度が減少し測長精度が低下してしまう。更に、被検面の傾き角度が大きくなると、波長間の瞳共役面内のスペックルパターンのシフト量の差が大きくなるため、２波長間のスペックルパターンの相関度も更に減少し、大幅な測長精度の低下を招く。
【０００９】
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には、波長間の相関性の減少により良い精度での計測が困難であることがわかる。また、特許文献２のように、絞りやピンホールを駆動させ被検面からの正反射光に相当する位置を選択して検出させても波長間のスペックルパターンの相関性を改善できるとは限らない。また、被検面が大きく傾いている場合は干渉計が大型化してしまう。一方、鏡面の計測時には被検光路の収差は被検面の反射前後で保存されるため、参照光路と被検光路の収差の差を補正することで計測精度を向上させることができる。しかし、傾斜した粗面の被検面から散乱光を計測する場合は、参照光路との分岐点から被検面までの被検光路の収差は散乱光に保存されないため、正しく収差補正ができない。
【００１０】
本発明の目的は、粗面の被検面が傾いていても精度を低下させることなく計測可能な計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの側面は、被検面の位置又は形状を計測する計測装置であって、複数の波長を含む光束を参照光と被検光とに分割する第１分割部と、前記参照光と前記被検面で反射された被検光とを干渉させる光学部材と、前記被検面に対してフーリエ変換の関係を有するフーリエ変換面に配置され、前記光学部材で生成された干渉光を波面分割する第２分割部と、前記第２分割部により波面分割された干渉光のそれぞれを波長毎に検出する検出部と、前記検出部の出力に基づいて前記被検面の位置又は形状を求める処理部と、を備え、前記処理部は、波面分割された各干渉光について前記検出部から出力された波長毎の信号から複素振幅を求め、該複素振幅を、前記被検面から前記光学部材までの被検光路に配置された光学要素によって発生する第１収差と前記第１分割部から前記光学部材までの参照光路に配置された光学要素によって発生する第２収差との差に相当する位相だけ波長毎に補正し、該補正された各波長の複素振幅を用いて前記波面分割された各干渉光の波長間の位相差を求め、該位相差から前記被検面の位置又は形状を求める、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、粗面の被検面が傾いていても精度を低下させることなく計測可能な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】被検面の傾きと測長誤差との関係を示す図
【図２】第１〜第３実施形態の計測装置を示す図
【図３】偏光ビームスプリッタにおける光束の分離の様子を示す図
【図４】第１実施形態の測長値の算出フローを示す図
【図５】検出器、複素振幅、光束の瞳共役面における中心座標間の関係を示す図
【図６】干渉計の受光収差に相当する位相を説明する図
【図７】ピクセルシフト量と複素相関との関係を示す図
【図８】ピクセルシフトされた複素振幅データから元の検出位置での複素振幅データの算出を説明する図
【図９】第２実施形態の測長値の算出フローを示す図
【図１０】第３実施形態の測長値の算出フローを示す図
【図１１】第４実施形態の計測装置を示す図
【図１２】ガルバノミラーを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、多波長干渉計を用いて、傾いた粗面の被検面の位置又は形状を計測するときに発生する瞳共役面内の波長間でのスペックルパターンのシフト量の差を、波長間で瞳共役面の位置を相対的にシフトさせることにより補正することで測長精度を向上させる。多波長干渉計は、波長間の位相差から被検面の位置又は形状を算出するため、干渉計の色収差以外の収差分布の影響は、位相を差し引いた時点で測長精度には影響しなくなる。しかし、スペックルパターンのシフト量の差の補正を目的に波長間で瞳共役面の位置を相対的にシフトさせるため、波長間で干渉計の収差分布が同じでも瞳共役面の位置を相対的にシフト補正した後は波長間で収差分布が異なってしまい、測長精度が低下してしまう。そこで、波長間で瞳共役面の位置を相対的にシフトさせる前に、干渉計の収差の影響を差し引くことでこの課題を解決する。
【００１５】
粗面を計測するときの干渉計の収差について説明する。被検面が鏡面の場合、参照光と被検光との分割位置から合成位置までの参照光路の光学要素によって発生する収差と、分割位置から被検面での反射を通して合成位置までの被検光路の光学要素によって発生する収差との差が測長誤差に影響する。しかし、被検面が粗面の場合、参照光と被検光との分割位置から被検面までの被検光路に配置された光学部材によって発生した収差は、被検光が粗面の被検面で散乱されることにより保存されない。つまり、粗面の被検面で反射した散乱光の位相は、被検面の粗さに依存して異なる。このため、収差を補正するときに被検面が鏡面である場合と同じように干渉計の収差の影響を補正しても測長精度は改善されない。本発明では、被検面の反射位置から合成位置までの被検光路で発生する収差（第１収差）と、被検面が粗面の場合、分割位置から合成位置までの参照光路で発生する収差（第２収差）との差を「干渉計受光収差」と定義する。本発明では、この干渉計受光収差の影響を補正することで測長精度を改善することを特徴としている。
【００１６】
〔第1実施形態〕
図２に基づいて第１実施形態の複数の波長を含む光束を使用する多波長干渉計を用いた計測装置について説明する。本実施形態の計測装置は、図２に示すように、複数の固定波長レーザ１，２と、多波長の被検光及び参照光を干渉させる干渉計１００と、干渉信号から被検面の位置又は形状を求める処理部２３とを有する。固定波長レーザ１は、波長λ１の光を射出し、固定波長レーザ２は、波長λ１とは異なる波長λ２の光を射出する。固定波長レーザ１から射出された光と固定波長レーザ２から射出された光はビームスプリッタ４に入射し、同軸になると同時に分割される（振幅分割）。
【００１７】
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。また、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、固定波長レーザ1と固定波長レーザ２は、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。
【００１８】
ビームスプリッタ４で分割された光は、波長の基準素子であるガスセル３を透過後、分光素子５で固定波長レーザ１から射出された光と固定波長レーザ２から射出された光のそれぞれに分離される。ガスセル３を透過後の光量は、固定波長レーザ１からの光については検出器６ａにより、固定波長レーザ２からの光については検出器６ｂにより、それぞれ検出される。レーザ制御部７は、検出器６ａの信号を用いて固定波長レーザ１の波長をガスセル３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の透過強度が一定となるように、レーザ制御部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を用いる。同様に、レーザ制御部７は、検出器６ｂの信号を用いて固定波長レーザ２の波長をガスセル３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３のみを用いて波長精度を保障しているが、ガスセル３の代わりにエタロンを用いても構わない。また、ガスセル３とエタロンの両方を用いても構わない。
【００１９】
ビームスプリッタ４で分割されたもう一方の光は、偏光ビームスプリッタ（第１分割部）８によって、更に参照光（第１光束）と被検光（第２光束）とに分割される。第１光束は周波数（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について、音響光学素子により入射光の周波数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から射出された光は、ファイバの入射端２４ａで結合される。ファイバ射出端２５ａから射出された光は、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、ファイバの入射端２４ｂで結合され、ファイバの射出端２５ｂから干渉計１００に入射する。
【００２０】
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、分光素子２１ａに入射する。また、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、分光素子２１ａに入射する。ここで、λ／２板１１ａの光軸に対する回転方向は、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。このとき、反射光束と反射光束４１の干渉信号のコントラストが最大となるようにするため、反射光束３１と反射光束４１の光量が同程度になることが好ましい。
【００２１】
分光素子２１ａ〜２１ｅは、同軸で入射した固定波長レーザ１と固定波長レーザ２からの光を分離する。分光素子２１ａから出力された波長λ１の光に周波数シフトが印加された反射光束３１と波長λ１の反射光束４１との干渉光を位相検出器２２１ａで検出し、両光束の周波数差に相当するビート信号（干渉信号）が位相検出器２２１ａから出力される。また、波長λ２の光に周波数シフトが印加された反射光束３１と波長λ２の反射光束４１との干渉光を位相検出器２２１ｂで検出し、両光束の周波数差に相当するビート信号（干渉信号）が位相検出器２２１ｂから出力される。以下、分光素子２１ａを介して位相検出器２２１ａ，２２１ｂで取得される干渉信号を基準信号と称す。
【００２２】
一方、偏光ビームスプリッタ１２で分割された透過光束（参照光）３２は、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１３で分割された透過光束（被検光）４２は、偏光ビームスプリッタ１６を透過後、λ／４板１９により円偏光とされ、集光レンズ２０で収束光となって被検面に集光される。透過光束（被検光）４２は、被検面で反射されて逆周りの円偏光とされた後、λ／４板１９を再度透過することにより、前に偏光ビームスプリッタ１６に入射した時とは偏波面が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。透過光束（被検光）４２は、その後、偏光ビームスプリッタ１６で反射される。偏光ビームスプリッタ（光学部材）１６は、偏光ビームスプリッタ１６に入射した透過光束（参照光）３２と、偏光ビームスプリッタ１６で反射した透過光束（被検光）４２とを合成して干渉光を生成する。そして、参照光と被検光の干渉光は、偏光子１７を通過後、被検面に対してフーリエ変換の関係を有するフーリエ変換面（瞳共役面）に配置されたマイクロレンズアレイ（複数の受光素子）１８に入射する。
【００２３】
マイクロレンズアレイ（第２分割部）１８は、そこを通過する干渉光を複数の光束（ピクセル）に波面分割する。図２では説明を簡単にするために、１次元方向（ｘ方向）に並んだ４つのレンズを有するマイクロレンズアレイ１８により、１次元方向（ｘ方向）にφ１ｍｍの４ピクセルに波面分割した例を示している。１次元方向のみのピクセルで波面分割を行った場合には、被検面がその１次元方向に対応する特定方向に傾いた場合にのみ効果が得られる。このため、被検面の任意方向の傾きに対応するためには、実際には２次元マトリックスのピクセルに干渉光を波面分割する必要がある。
【００２４】
マイクロレンズアレイ１８でピクセルに分割された光束は、ファイバで個別に分光素子２１ｂ〜２１eに伝送される。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。このように被検面の瞳共役面に配置したマイクロレンズアレイ１８からの光束をファイバで伝送することで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。検出器で高コントラストの干渉信号を得るために、偏光ビームスプリッタ１６を通過した参照光と、被検面で反射し偏光ビームスプリッタ１６で反射した被検光と、の強度を同じにすることが好ましい。このため、回転機構（不図示）によって偏光子１７を回転させて強度の調整を可能にしても良い。また、ＮＤフィルタ等（不図示）で参照光もしくは被検光の強度調整をしても構わない。
【００２５】
分光素子２１ｂ〜２１ｅで分光された、波長λ１の光に周波数シフトが印加された参照光と波長λ１の被検光との干渉光は、検出器（検出部）２２２ａ〜２２５ａで検出される。また、分光素子２１ｂ〜２１ｅで分光された、波長λ２の光に周波数シフトが印加された参照光と波長λ２の被検光との干渉光は、検出器２２２ｂ〜２２５ｂでそれぞれ検出される。
【００２６】
波面分割された各干渉光について検出器２２２ａ〜２２５ａ及び２２２ｂ〜２２５ｂから出力された波長毎の信号を計測信号と称す。計測信号は、透過光束３２と透過光束４２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点は基準信号と同一であるが、被検光束と参照光束の光路長により干渉信号の位相が基準信号と異なる。したがって、計測信号の位相の計測値として基準信号に対する位相を求めてもよい。なお、計測信号の位相は、被検光と参照光の光路長差に応じて変化する。
【００２７】
本実施形態では、分光素子２１ａ〜２１ｅを用いて波長毎の信号に分離する構成を示したが、波長λ１と波長λ２の参照光に異なる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。この場合の構成では分光素子が不要となる。また、マイクロレンズアレイ１８で分割された光束毎に２つ構成されていた検出器も1つの検出器とすることが可能となり装置構成が単純になる。処理部２３は、干渉計受光収差の情報を保存し、計測された複素振幅から格納された干渉計受光収差を差し引き、各波長の位相差を算出する。
【００２８】
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、参照光と信号光を偏光により分離すること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光と参照光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。
【００２９】
図４は、処理部２３内での測長値算出フローＳ１００を示す。Ｓ１０１で、処理部２３は、検出器２２２ａ〜２２５ａ及び検出器２２２ｂ〜２２５ｂで検出したそれぞれの干渉信号から複素振幅（振幅及び位相）の情報（データ）を得る。例えば、図５に示すように、被検面の瞳共役面で分割された光を検出器２２２ａ〜２２５ａで検出した干渉信号から得られた複素振幅をそれぞれＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４とする。ここで、検出器２２２ａ〜２５ａそれぞれで検出する瞳共役面のピクセル（レンズ）の番号をｐ１１、ｐ１２、ｐ１３、ｐ１４とする。同様に、被検面の瞳共役面で分割された光を検出器２２２ｂ〜２２５ｂで検出した干渉信号から得られた複素振幅をそれぞれＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４とする。ここで、検出器２２２ｂ〜２２５ｂそれぞれで検出する瞳共役面のピクセル（レンズ）の番号をｐ２１、ｐ２２、ｐ２３、ｐ２４とする。処理部２３内にはマイクロレンズアレイ１８で分割された光束の中心（各レンズの中心）の瞳共役面における位置の座標ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４の情報が予め記憶されている。
【００３０】
Ｓ１０２で、処理部２３は、Ｓ１０１で得られた各波長の複素振幅データＡ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４の位相から各検出器２２２ａ〜２２５ａ，２２２ｂ〜２２５ｂの各波長λ１，λ２の干渉計受光収差に相当する位相を差し引いて補正する。図６に、各検出器２２２ａ〜２２５ａ，２２２ｂ〜２２５ｂの各波長λ１，λ２における干渉計受光収差の例を示す。図６の（Ａ）は波長λ１の干渉計受光収差の例を示し、（Ｂ）は波長λ２の干渉計受光収差の例である。図６では、説明の簡便化のために干渉計の瞳共役面の断面のみが図示してあり、実際は２次元データである。図６の実線が干渉計受光収差を表す。図６の点線が干渉計受光収差を検出器２２２ａ〜２２５ａ及び検出器２２２ｂ〜２２５ｂで検出した結果を表し、実線の干渉計受光収差の各検出器範囲の平均値に相当する。Ｓ１０２では各検出器の各波長の複素振幅データの位相から図６の点線に相当する位相を差し引いて補正する。
【００３１】
本実施形態での干渉計受光収差は、偏光ビームスプリッタ８から偏光ビームスプリッタ１６までの参照光路に配置された光学要素により発生した収差と被検面から偏光ビームスプリッタ１６までの被検光路に配置された光学要素により発生した収差との差になる。また、図２のファイバ入射端２４ａとファイバ入射端２４ｂの間のファイバのコア径が使用波長の回折限界より小さい場合には、偏光ビームスプリッタ８からファイバ入射端２４ｂまでの収差はファイバ射出時にリセットされる。この為、干渉計受光収差はファイバ射出端２５ａから偏光ビームスプリッタ１６までの参照光路の収差と被検面から偏光ビームスプリッタ１６までの被検光路の収差との差と同じになる。干渉計受光収差の情報（データ）は事前に計測しておき、処理部２３内に格納しておく。このとき干渉計受光収差の情報は、瞳共役面内の収差を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く。或いは、各検出器における各波長の位相情報として記憶していても良い。
【００３２】
Ｓ１０３で、処理部２３は、Ｓ１０２で求めた複素振幅データを用いて検出器２２２ａ〜２２５ａと検出器２２２ｂ〜２２５ｂで得られた信号の互いの検出ピクセルの相対関係を１つずつシフトさせながら複素相関（相関度又は相関関数）を算出する。具体的には式２で複素相関Ｕ（ｌ）を算出する。
【数１】
2014074620.tif 000003
ここで、ｌはピクセルシフト量、pはマイクロレンズアレイで分割した分割数である。
【００３３】
μｎｍは次の式３で表わされる。
μｎｍ＝Ｒｅ｛＜Ａｎ＊Ｂｍ＞／（＜Ａｎ＊Ｂｎ＞＜Ａｍ＊Ｂｍ＞）０．５｝・・・（３）
【００３４】
図７にピクセルシフト量と複素相関の関係図の例を示す。Ｓ１０４で、処理部２３は、Ｓ１０３で求めた図７のような複素相関Ｕ（ｌ）を関数でフィッティングし、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は計測条件で適宜設定する。本実施形態では一例とし複素相関Ｕ（ｌ）を４次関数でフィッティングし、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を＋０．６ｍｍが算出されたとしてこの先の説明を行う。Ｓ１０５で、処理部２３は、Ｓ１０４で算出され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（瞳共役面の位置ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４）における複素振幅Ｂ’１〜Ｂ’４を算出する。
【００３５】
図５の例の場合、検出器２２２ｂ〜２２５ｂで検出した干渉信号から得られた複素振幅Ｂ１〜Ｂ４のデータをＸ方向に−０．６ｍｍずらしたときのデータを用いて、元のピクセル位置の複素振幅Ｂ’１〜Ｂ’４を算出する（図８）。処理部２３は、まずＳ１０１で算出した複素振幅を検出器毎に実部、虚部に分離する。次いで、処理部２３は、実部、虚部を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。処理部２３は、求めたピクセルシフト量に基づいてシフトさせた実部、虚部の情報を複素振幅に戻しＢ’１〜Ｂ’４とする。ただし、シフトさせた時に近傍に２点が無い場合には、そのピクセルのデータは無効とする。
【００３６】
今回の例では図８に示すように、Ｂ１をｘ方向に−０．６ｍｍずらしたデータ（ｘ１−０．６、Ｂ１）とＢ２をｘ方向に−０．６ｍｍずらしたデータ（ｘ２−０．６、Ｂ２）との２データの直線内挿から位置ｘ1での複素振幅Ｂ’１の実部、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位置ｘ３での複素振幅Ｂ’３の実部、虚部をそれぞれ求める。
【００３７】
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、λ２の検出器２２２ｂ〜２２５ｂから求めた複素振幅データＢ１〜Ｂ４を−０．６ｍｍだけシフトさせたが、λ１の検出器２２２ａ〜２２５ａから求めた複素振幅データＡ１〜Ａ４をｘ方向に＋０．６ｍｍシフトさせても良い。また、検出器２２２ａ〜２２５ａで求めた複素振幅データＡ１〜Ａ４を＋０．３ｍｍシフトさせ、かつ検出器２２２ｂ〜２２５ｂのデータＢ１〜Ｂ４を−０．３ｍｍ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共役面における位置をシフトさせ、波長間のスペックルシフト差を補正する。
【００３８】
Ｓ１０６で、処理部２３は、複素振幅データＡ１〜Ａ４とシフトされた複素振幅データＢ’１〜Ｂ’４とからそれぞれ位相を算出し、ＡｉとＢ’ｉ（ｉ＝１〜４）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のどちから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。今回の具体例では番号ｐ１４、ｐ２４のピクセルのデータが無効なデータとなる。Ｓ１０７で、処理部２３は、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。Ｓ１０８で、処理部２３は、Ｓ１０７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、参照光と被検光との光路長差又は被検面までの測長値（距離）又は被検面の形状を求める。ここで、合成波長Λは、２つの波長をλ１、λ２（λ１＞λ２）としたとき、Λ＝λ１×λ２／（λ１−λ２）で表わされる量である。
【００３９】
多波長干渉計を用いて傾いた粗面の被検面の計測を行う場合、被検面の瞳共役面で波長間のスペックルパターンのシフト量の差が発生する。このため、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低化してしまう。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波長間の瞳共役面内のスペックルパターンの複素相関が最大となる瞳共役面内の位置を求めて波長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量の差を補正する。一方、２波長間のスペックルパターンのシフト量の差を補正すると、干渉計受光収差により測長精度が低化してしまう。この課題に対して、本実施形態は、スペックルパターンのシフト量の補正を行う前に、干渉計受光収差に相当する位相を計測した複素振幅から差し引くことで解決する。
【００４０】
本実施形態の別構成としては、マイクロレンズアレイ１８および光束分割された光を入射するファイバを干渉計の光軸に対して垂直な面内に移動（駆動）させる移動（駆動）部を追加した形態もとり得る。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マイクロレンズアレイ１８を駆動させる。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マイクロレンズアレイ１８の位置を検出することで被検面の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〜２１ｅまでは不要となり、検出器も波長毎に用意する必要も無くなる。
【００４１】
さらに、別構成として、被検面の瞳共役面近傍に絞りを配置し、絞りを移動可能にして、干渉計の光軸に対して垂直な面内に移動（駆動）させる移動（駆動）部を追加した形態もとり得る。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が最大となる絞り位置を検出することで被検面の傾きによる波長間スペックルシフト差の補正ができる。この場合、瞳共役面でマイクロレンズアレイ１８により光束を分割する機構を取り除き、被検面と瞳共役面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。
【００４２】
本実施形態では説明を簡単にするために、被検面の瞳共役面の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の傾きが任意方向の場合は、被検面の瞳共役面の位置近傍でマトリックス的に二次元に光束を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。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。
【００４３】
〔第２実施形態〕
多波長干渉計を用いた第２実施形態の計測装置の構成は、図２に示される第１実施形態の計測装置と同じである。本実施形態では、被検面の光軸方向の位置が、干渉計からのビームのスポットサイズが最小となるベストフォーカス位置からずれている場合を考える。ベストフォーカス位置から被検面の位置がずれているということは、干渉計受光収差のフォーカス成分波面が発生することになる。そこで、本実施形態では、各計測時における被検面と偏光ビームスプリッタ１６までの距離情報に基づき干渉計受光収差を計測点毎に補正することで、干渉計受光収差のフォーカス波面成分に起因する測長精度の低化を防ぐ。
【００４４】
図９は第２実施形態の処理部２３による位相差の算出フローを示す。Ｓ１０１からＳ１０８までは第１実施形態と同じである。Ｓ２０1で、処理部２３は、Ｓ１０８で求められた測長値（暫定値）から被検面と偏光ビームスプリッタ１６との間の距離に相当するフォーカス波面成分を算出する。Ｓ２０２で、処理部２３は、Ｓ２０１で求めた干渉計受光収差のフォーカス波面成分と干渉計受光収差に相当する位相をＳ１０１で求めた各波長の複素振幅データから差し引いて複素振幅データを再度補正する。その後、Ｓ２０３〜Ｓ２０７で、処理部２３は、Ｓ２０２にて再度補正された複素振幅データを用いて波長間の位相差を再度求める。Ｓ２０８で、処理部２３は、再度求められた位相差から被検面の測長値を決定する。Ｓ２０３〜Ｓ２０８は、Ｓ１０３〜Ｓ１０８とそれぞれ同じである。
【００４５】
干渉計に対する被検面の位置情報が事前に大まかにでもわかっている場合は、その被検面の位置情報から干渉計受光収差のフォーカス波面成分を求めてＳ１０２において差し引いておくことができる。ここで、被検面の位置情報は、任意の基準点と被検面上に設定した基準点の位置関係とＣＡＤデータのような被検面の形状データから算出しても良い。このように、まず干渉計受光収差を差し引いて補正した複素振幅データからスペックルパターンのシフト量の差を補正して測長値を算出し、その測長値から干渉計受光収差のフォーカス波面成分を求める。算出した干渉計受光収差のフォーカス波面を複素振幅データから追加して補正し、再度スペックルパターンのシフト量の差を補正して測長値を求めることにより、より高精度な測長が可能となる。
【００４６】
〔第３実施形態〕
多波長干渉計を用いた第３実施形態の計測装置の構成は、図２に示される第１実施形態の計測装置と同じである。図１０は、第３実施形態の処理部２３による位相差の算出フローを示す。第１実施形態及び第２実施形態における位相差の算出フローでは、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、第３実施形態では、事前に得た被検面の傾きの情報（データ）からピクセルシフト量を求める。被検面の傾きの事前情報とは、例えば被検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、別の計測を行って被検面の傾きの情報を得るのでも構わない。被検面の傾きの事前情報は処理部２３内に格納される。
【００４７】
まず、第１実施形態と同様に、Ｓ１０１で、処理部２３は、検出器２２２ａ〜２２５ａ及び検出器２２２ｂ〜２２５ｂで検出したそれぞれの干渉信号から複素振幅の情報を得る。Ｓ１０２で、処理部２３は、干渉計受光収差に相当する位相をＳ１０１で得られた複素振幅から差し引く。Ｓ３０３で、処理部２３は、格納されてい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。処理部２３は、具体的には、次の式４によってピクセルシフト量ΔＬｘを算出する。
ΔＬｘ＝２ｆ×ｔａｎ（θ）×｛（λ１／λ２）−１｝・・・（４）
ここで、ｆは被検面からの反射光を受光する受光光学系の焦点距離、θは被検面の傾きである。
【００４８】
Ｓ３０３でピクセルシフト量を算出した後、処理部２３は、第１実施形態のＳ１０５〜Ｓ１０８までと同じ手順で波長間の位相差を算出し測長値を求める。Ｓ２０１で、処理部２３は、Ｓ１０８で求められた測長値から被検面と偏光ビームスプリッタ１６との間の距離に相当するフォーカス波面成分を算出する。Ｓ２０２で、処理部２３は、Ｓ２０１で求めた干渉計受光収差のフォーカス波面成分と干渉計受光収差に相当する位相をＳ１０１で求めた各波長の複素振幅データから差し引き補正する。その後、Ｓ２０５〜Ｓ２０８で、処理部２３は、Ｓ３０３で算出したピクセルシフト量ΔＬｘとＳ２０２にて補正した複素振幅データとを用いて測長値を算出する。
【００４９】
本実施形態でも第１実施形態と同様に、被検面の傾きが任意方向の場合は、被検面位置の共役位置近傍でマトリックス的に二次元に光束を分離する。この場合、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は、式５を用いて算出される。
ΔＬｘ＝２ｆ×ｔａｎ（θｘ）×｛（λ１／λ２）−１｝ΔＬｙ＝２ｆ×ｔａｎ（θｙ）×｛（λ１／λ２）−１｝・・・（５）
ここで、ｆは被検面からの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。θｙは被検面のｙ方向の傾き。
【００５０】
〔第４実施形態〕
図１１に基づいて第４実施形態の計測装置２００について説明する。第４実施形態の計測装置は、図２に示される第１実施形態の計測装置における干渉計１００と被検面の間にビーム走査部３００が追加されている。干渉計１００は、第１実施形態と同じ構成である。ビーム走査部３００は、図１２に示すように２枚の反射鏡が互いに直交した回転軸を持つモータに搭載されており被検面上のビーム走査を可能としている。
【００５１】
ビーム走査部３００に搭載された２枚の反射鏡（ガルバノミラー）は、理想的には平面が望ましいが、実際は製造誤差等により平面からずれた面誤差をもってしまう。ガルバノミラーは被検面から偏光ビームスプリッタ１６までの被検光路中に配置されているため、ガルバノミラーの面誤差は干渉計受光収差に影響を及ぼす。また、被検面上をビーム走査するためにガルバノミラーは回転駆動される。そのため、ガルバノミラーの面誤差が干渉計受光収差に及ぼす影響は時間と共に変化する。更に、ビーム走査部３００でガルバノミラーを駆動して被検面上を走査する場合、干渉計受光収差のフォーカス波面が変化する場合がある。例えば、平面形状の面をビーム走査するような場合、被検面のある一点でベストフォーカスに合わせた場合を考える。フォーカスを合わせた点からガルバノミラーを駆動させビーム走査すると徐々にフォーカスがずれる。このため、ビーム走査部３００でビームを走査すると干渉受光収差のフォーカス波面成分も時間と共に変化し得る。
【００５２】
そこで、本実施形態では、ガルバノミラーの駆動に伴う干渉計受光収差の変動を補正することにより測長精度の低化を防ぐ。計測フローは、第２実施形態或いは第３実施形態の計測フローと同じである。被検物の位置情報とビーム走査部３００の各計測時点でのガルバノミラーの姿勢情報を得て処理部２３に渡す。処理部２３は、更に、ガルバノミラーの姿勢と被検体の測定点の位置情報から被検体の計測点と偏光ビームスプリッタ１６との間の距離を算出する。処理部２３は、算出された被検体の計測点と偏光ビームスプリッタ１６との間の距離から干渉受光収差のフォーカス波面を算出する。一方、処理部２３は、各計測時のガルバノミラーの姿勢情報より干渉計受光収差を決定する。処理部２３は、事前計測で得たガルバノミラーの姿勢毎の干渉受光収差を数値として持っておく。或いは、処理部２３は、事前計測で得たガルバノミラーの姿勢毎の干渉受光収差を各ガルバノミラーの姿勢をパラメータとした関数として保持していても構わない。或いは、処理部２３は、各ガルバノミラーの面誤差データを保持しておき、ガルバノミラーの姿勢情報と、事前に取得したビーム走査部が無い状態での干渉受光収差のデータから干渉計全系の干渉受光収差を算出しても構わない。処理部２３は、これら求められた干渉計受光収差のフォーカス波面と干渉計受光収差をＳ２０２において用いることで、ビーム走査部を起因とする各計測時における干渉計受光収差の影響を補正することが可能となる。結果として、測長精度の低化を抑えることが可能となる。
【００５３】
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、実施形態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粗面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検出することで、第１実施形態又は第２実施形態の位相差の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高速から精度良い傾いた粗面被検面の計測が可能となる。例えば、本実施形態では２波長干渉計に限定して説明したが、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。
【図１】
2014074620.tif 000004
【図２】
2014074620.tif 000005
【図３】
2014074620.tif 000006
【図４】
2014074620.tif 000007
【図５】
2014074620.tif 000008
【図６】
2014074620.tif 000009
【図７】
2014074620.tif 000010
【図８】
2014074620.tif 000011
【図９】
2014074620.tif 000012
【図１０】
2014074620.tif 000013
【図１１】
2014074620.tif 000014
【図１２】
2014074620.tif 000015