(57)【要約】【課題】複数の撮像素子から得られる干渉縞の干渉縞強度のバイアス及び振幅のバラツキ、並びに位相の設計値からの偏差を、定期的に又は測定の前にユーザが容易に計測することを可能とし、測定の高精度化を達成すると共に、使用環境を選ばない干渉計を提供する。【解決手段】波長可変レーザ３０１からのレーザ光の波長を、波長シフト量Δλを少なくとも３通りに変化させて、その異なる少なくとも３通りの波長シフト量Δλの場合に関し、１つのＣＣＤカメラ３１６、３１８、又は３２０で異なる干渉縞を撮像し、その干渉縞強度を取得する。これにより、バイアスＢｉ（ｘ、ｙ）、振幅Ａｉ（ｘ、ｙ）、及び位相Ｆｉ（ｘ、ｙ）を計算することができる。【選択図】図１
2006329975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射される出射光の波長を変更可能に構成された波長可変光源と、
該出射光を測定光と参照光とに分割すると共に、参照面で反射した前記参照光及び測定対象物で反射した前記測定光を合成して合成光とする光分割合成部材と、
前記合成光を複数の分割光に分割する光分割手段と、
前記複数の分割光の各々の間に所定の位相差を与える複数の位相シフト光学部材と、
位相をシフトさせられた前記複数の分割光の各々により形成される複数の干渉縞画像を撮像する撮像部と、
前記波長可変光源を制御して前記出射光の波長を複数通りに変化させる波長制御部と、
前記測定対象物の一部か、または、前記測定対象物に代えて校正用基板を設置して前記波長制御部により前記出射光の波長を複数通りに変化させた場合に前記複数の分割光のそれぞれにより得られる複数通りの干渉縞の画像を各前記撮像部により撮像させ、撮像された複数通りの干渉縞の干渉縞強度に基づき、前記複数の分割光のそれぞれによる干渉縞の干渉縞強度のバイアス、振幅及び位相シフト量を演算する演算部と
を備えたことを特徴とする干渉計。
【請求項２】
前記波長制御部は、前記複数の分割光のそれぞれの位相が１周期（２π）をＮ分割（Ｎ≧３）した大きさに変化するよう、前記出射光の波長をＮ通りに変化させるものである請求項１記載の干渉計。
【請求項３】
前記演算部は、Ｎ通りの波長の各々において、前記複数の分割光のそれぞれによる干渉縞の干渉縞強度Ｉｉｊ（ｊ＝１〜Ｎ）を取得し、これらの干渉縞強度のデータに基づいて前記バイアス、振幅及び位相を計算する請求項２記載の干渉計。
【請求項４】
前記位相シフト光学部材は、１枚の複屈折材料を複数の部分に分割し、その複数の部分毎に前記複屈折材料の厚さが異なるように前記複屈折材料が形成されていることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
【請求項５】
前記波長制御部は、前記出射光の波長を、複数通りの基準波長を基準として、前記撮像部の露光時間内において所定の波長走査幅で変動させる制御を実行するものであり、
前記撮像部は、前記露光時間内における前記出射光の波長の変動によって得られる干渉縞画像を撮像するように構成された
ことを特徴とする請求項１記載の干渉計。
【請求項６】
前記波長走査幅は、前記測定対象物の裏面からの反射光と前記参照光との間の光路差が可干渉距離よりも大きく、且つ前記測定光と前記参照光との間の光路差が可干渉距離よりも小さくなるように設定されることを特徴とする請求項５記載の干渉計。
【請求項７】
光源から出射された出射光を測定光と参照光とに分割し、参照面で反射した前記参照光及び測定対象物で反射した前記反射光を再び合成して合成光とし、この合成光を複数の分割光に分割して前記複数の分割光の各々の間に所定の位相差を与えて得られた複数の干渉縞画像を解析することにより測定対象物の形状を測定する干渉計の校正方法において、
前記測定対象物の一部か、または、前記測定対象物に代えて校正用基板を設置するステップと、
前記出射光の波長を複数通りに変化させるステップと、
前記出射光の波長の変化に基づいて前記複数の分割光のそれぞれにより得られる複数通りの干渉縞を撮像するステップと、
その撮像された干渉縞の干渉縞強度を取得して、前記複数の分割光の各々のバイアス、振幅及び位相シフト量を演算するステップと
を備えたことを特徴とする干渉計の校正方法。
【請求項８】
前記校正用基板は既知の形状を有するものであり、
前記干渉縞を解析して校正用基板の形状を算出し、その算出値と前記校正用基板の形状の真値との差に基づいて干渉計で系統的に発生する系統誤差を把握するステップと、
前記系統誤差に基づいて前記測定対象物の測定結果を補正するステップと
を更に備えたことを特徴とする請求項７に記載の干渉計の校正方法。
【請求項９】
前記出射光の波長を複数通りに変化させるステップは、複数通りの基準波長を基準として、撮像のための露光時間内において前記波長を所定の波長走査幅で変化させ、
前記撮像するステップは、前記露光時間内における前記出射光の波長の変動によって得られる干渉縞画像を撮像する
ことを特徴とする請求項７に記載の干渉計の校正方法。
【請求項１０】
前記波長走査幅は、前記測定対象物の裏面からの反射光と前記参照光との間の光路差が可干渉距離よりも大きく、且つ前記測定光と前記参照光との間の光路差が可干渉距離よりも小さくなるように設定されることを特徴とする請求項９記載の干渉計の校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計及び干渉計の校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉計により得られた干渉縞の解析方法として、位相シフト法がある。位相シフト法は、参照面を光軸方向に変位させるなどの手法により、干渉縞の位相をシフトさせて、複数枚の干渉縞画像を取得し、測定対象物の形状を算出する方法である。高い精度が得られるため、現在では、多くの干渉計に適用されている。
【０００３】
しかし、この位相シフト法は、参照面を変位させながら干渉縞を取得するため、測定に時間を要する。また、干渉縞を取得する間、測定対象物を静定している必要があるため、振動などの揺らぎを排除した特別な環境下でしか使用することができなかった。
【０００４】
これに対し、複数の撮像素子を用いて、光学的に位相をシフトさせた干渉縞を同時に撮像する方法が、例えば特許文献１、特許文献２により知られている。この文献では、参照光と物体光とを合成した合成光をビームスプリッタで３つに分割し、この３つの分割光をそれぞれ偏光方向の異なる３つの偏光板を通過させて３つの撮像素子に投影する位相シフト法を開示している。この方法によれば、位相シフト法で演算処理するのに必要な枚数の干渉縞画像を瞬時に取り込むことができるため測定の高速化が図れる。また、振動条件下での測定も可能になる。
【０００５】
しかし、この特許文献１、２の方法で測定対象物を高精度に測定するためには、位相シフトされた３枚の干渉縞画像の対応点のバイアス、振幅が等しいことが前提となる。ところが、ビームスプリッタにおける分割強度誤差やλ／４板の進相軸、遅相軸の設置誤差の影響により、３枚の干渉縞画像間のバイアスと振幅を等しくすることは困難であり、これが測定精度の低下を招いている。
【０００６】
また、３つの偏光板の偏光軸の設置誤差が生じれば、３枚の干渉縞画像間の位相シフト量が設計値と異なってしまうので、測定対象物面によって発生した干渉縞に対して、測定原理に即した設計値通りの位相シフト量を得ることはできず、やはり測定精度が低下する。
【０００７】
測定精度の向上のためには、干渉計を構成する光学部品を高精度に製作すると共に、高精度な調整機構を利用して干渉計を調整する必要がある。しかし、干渉計筐体の経時変化や温度変動などによる幾何学的な寸法変化や光学部品の性能の変化などにより、干渉計の製作直後に値付けされたバイアス値、振幅値、及び位相は変化してしまう。従って、ユーザが干渉計を使用する環境において、定期的に、あるいは測定の前において、ユーザがこれらの値を容易に値付けできるようにすることが好ましい。これにより、高速、高精度で使用環境を選ばない干渉計による測定が実現するからである。
【特許文献１】特開平２−２８７１０７号公報
【特許文献２】特開平１１−１３６８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、位相をシフトさせた干渉縞を光学的手法により同時に取得する干渉計において、複数の撮像素子から得られる干渉縞の干渉縞強度のバイアス及び振幅のバラツキ、並びに位相の設計値からの偏差を、定期的に又は測定の前にユーザが容易に計測することを可能とし、測定の高精度化を達成すると共に、使用環境を選ばない干渉計及び干渉計の校正方法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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る干渉計は、出射される出射光の波長を変更可能に構成された波長可変光源と、該出射光を測定光と参照光とに分割すると共に、参照面で反射した前記参照光及び測定対象物で反射した前記測定光を合成して合成光とする光分割合成部材と、前記合成光を複数の分割光に分割する光分割手段と、前記複数の分割光の各々の間に所定の位相差を与える複数の位相シフト光学部材と、位相をシフトさせられた前記複数の分割光の各々により形成される複数の干渉縞画像を撮像する撮像部と、前記波長可変光源を制御して前記出射光の波長を複数通りに変化させる波長制御部と、前記測定対象物の一部を使用するか、あるいは、前記測定対象物に代えて校正用基板を設置して前記波長制御部により前記出射光の波長を複数通りに変化させた場合に前記複数の分割光のそれぞれにより得られる複数通りの干渉縞の画像を各前記撮像部により撮像させ、撮像された複数通りの干渉縞の干渉縞強度に基づき、前記複数の分割光のそれぞれによる干渉縞の干渉縞強度のバイアス、振幅及び位相シフト量を演算する演算部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る干渉計の校正方法は、光源から出射された出射光を測定光と参照光とに分割し、参照面で反射した前記参照光及び測定対象物で反射した前記反射光を再び合成して合成光とし、この合成光を複数の分割光に分割して前記複数の分割光の各々の間に所定の位相差を与えて得られた複数の干渉縞画像を解析することにより測定対象物の形状を測定する干渉計の校正方法において、前記測定対象物の一部を使用するか、あるいは、前記測定対象物に代えて校正用基板を設置するステップと、前記出射光の波長を複数通りに変化させるステップと、前記出射光の波長の変化に基づいて前記複数の分割光のそれぞれにより得られる複数通りの干渉縞を撮像するステップと、その撮像された干渉縞の干渉縞強度を取得して、前記複数の分割光の各々のバイアス、振幅及び位相シフト量を演算するステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、複数の干渉縞画像の干渉縞強度のバイアス及び振幅のバラツキ、並びに位相の設計値からの偏差を、定期的に又は測定の前にユーザが容易に計測することが可能となり、これにより測定の高精度化が達成されると共に、使用環境を選ばない干渉計及び干渉計の校正方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る干渉計の全体構成を示している。この実施の形態の干渉計は、波長可変レーザ３０１と、集光レンズ３０２と、ピンホール３０３と、コリメータレンズ３０４とからなる投光系を備えている。波長可変レーザ３０１は、出射光の波長を複数通りに変化させることができるように構成されており、その波長の制御は、コンピュータ４０１により、波長コントローラ４０２を介して行われる。コンピュータ４０１は、撮像された干渉縞画像を解析し、測定対象物の形状を演算するためのソフトウエアをインストールされたものである。また、コンピュータ４０１は、干渉計の校正動作の実行時において、波長可変レーザ３０１の出射光の波長を制御する制御信号を出力する。波長コントローラ４０２は、この制御信号に基づき、波長可変レーザ３０１の波長を制御する。
【００１４】
この投光系から射出された出射光は、光分割合成部材としての偏光ビームスプリッタ３０５により、直交する直線偏光である測定光と参照光とに分割される。測定光と参照光はそれぞれ、１／４波長板３０８、１／４波長板３０６により直線偏光から円偏光に変換された後、治具３２１に固定された測定対象物５０１及び参照面３０７で反射する。反射した測定光と参照光とは、それぞれ１／４波長板３０８、３０６により、入射時とは９０度振動方向が異なる互いに直交する直線偏光に変換された後、偏光ビームスプリッタ３０５により合成される。合成された合成光は、１／４波長板３１０により、左回り円偏光、右回り円偏光の合成光に変換される。
【００１５】
またこの干渉計は、結像レンズ３１１と、ビームスプリッタ３１２、３１３及び反射プリズム３１４からなる光分割部材とを備えている。この光分割部材により分割された３つの分割光は、偏光板３１５、３１７、３１９を介して、ＣＣＤカメラ３１６、３１８、３２０にそれぞれ投影される。
【００１６】
偏光板３１５、３１７、３１９は、透過軸方向が４５度ずつ異なっており、これらを通過した３つの分割光の位相を９０度ずつ異ならせるようにするものである。
【００１７】
前記３つの分割光による干渉縞の各対応点同士でバイアス、振幅が等しければ、次のような演算手順により、測定対象物の形状を測定することができる。すなわち、３つの分割光による干渉縞画像の画像信号の差を求め、その余弦信号Ｓ、正弦信号Ｃを得る。そして、Ｓ／Ｃの逆正接ａｒｃｔａｎ（Ｓ／Ｃ）を計算する。これにより、参照光と測定光の位相差が特定され、これにより測定対象物の形状を測定することができる。この測定方法の詳細な説明は特許文献１にもなされているので、ここでは省略する。
【００１８】
しかし、干渉計を構成する光学部材の出荷当時からの各種誤差や、経時変化等による事後的な誤差により、各干渉縞画像の対応点間でバイアス、振幅が等しくならない場合が生じる。バイアス、振幅が等しくない場合、画像信号の差を演算してもバイアス成分が消去されず、また逆正接の演算時に振幅成分が消去されない。また、各干渉縞画像間に相対的に付与される位相シフト量においても、同様の理由により、設計値どおりの正確な量を与えられるものではない。そのため、上記の演算手順では高精度に参照光と測定光の位相差を特定することができない。
【００１９】
そこで、本実施の形態の干渉計では、次の方法により、各ＣＣＤカメラ３１６、３１８、３２０の干渉縞の干渉縞強度のバイアス、振幅、及び位相シフト量を測定し、干渉計の校正を実行する。まず、治具３２１に測定対象物５０１に代えて、校正用基板５０２を固定する。校正用基板５０２は、干渉縞強度のバイアス、振幅、及び位相シフト量を測定する限りにおいては、形状が既知のものである必要はない。
【００２０】
ただし、形状既知の校正用基板５０２を用い、干渉縞を解析して校正用基板５０２の形状を算出し、その算出値と校正用基板５０２の形状の真値との差を算出することにより、干渉計で系統的に発生する系統誤差を把握することができる。把握された系統誤差に基づいて測定対象物Ｗの測定結果を補正することが可能になる。
【００２１】
そしてこの校正用基板５０２に、波長可変レーザ３０１の出射光を、その波長を複数通りに変化させて照射し、その異なる波長毎に各ＣＣＤカメラ３１６、３１８、３２０で干渉縞画像を撮影する。
【００２２】
一般的に、１つのＣＣＤカメラ３１６、３１８又は３２０により得られる干渉縞の干渉縞強度Ｉｉ（ｉ＝１、２、３。ｉ＝１はＣＣＤカメラ３１６を、ｉ＝２はＣＣＤカメラ３１８を、ｉ＝３はＣＣＤカメラ３２０をそれぞれ表している）は、次の［数１］により表現することができる。
【００２３】
【数１】
2006329975.tif 000003
【００２４】
ここで、Ｂｉ（ｘ、ｙ）はバイアス、Ａｉ（ｘ、ｙ）は振幅を示しており、（ｘ、ｙ）は、各対応点の座標を示している。また、ΔＬ（ｘ、ｙ）は、偏光ビームスプリッタ３０５により分割され、再び合成されるまでの参照光の光路長Ｌ１（ｘ、ｙ）と、測定光の光路長Ｌ２（ｘ、ｙ）の差である。また、δΦｉ（ｘ、ｙ）は、干渉縞強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の位相であり、偏光板３１５、３１７、３１９により９０°刻みで異なる値を与えられている。
【００２５】
波長可変レーザ３１０の出射光の波長λを波長シフト量Δλだけ変化させた場合、この干渉縞強度Ｉｉは、次の［数２］により表される。
【００２６】
【数２】
2006329975.tif 000004
【００２７】
この［数２］は、更に次のように変形して表現することができる。
【００２８】
【数３】
2006329975.tif 000005
【００２９】
すなわち、波長をλから波長シフト量Δλだけ異ならせた場合においてＣＣＤカメラ３１６、３１８、又は３２０のそれぞれで撮像される異なる干渉縞画像は、［数３］に示すように、Ｇ・Δλ（Ｇ＝−２π／λ２）だけ位相が異なる波形として表現することができる。
【００３０】
従って、この波長シフト量Δλを、例えば少なくとも３通りに変化させて、その異なる少なくとも３通りの波長シフト量Δλの場合に関し、１つのＣＣＤカメラ３１６、３１８、又は３２０で異なる干渉縞を撮像し、その干渉縞強度を取得することにより、バイアスＢｉ（ｘ、ｙ）、振幅Ａｉ（ｘ、ｙ）、及び位相Ｆｉ（ｘ、ｙ）を計算することができる。計算された位相Ｆｉ（ｘ、ｙ）から、各分割光の位相シフト量δφi（ｘ、ｙ）も計算することができる。こうして計算されたバイアスＢｉ（ｘ、ｙ）等の値は記憶部４０３に記憶され、後述するように、測定対象物５０１の形状測定において、形状を高精度に算出するために用いられる。
【００３１】
Ｎ通り（Ｎ≧３）の波長は、互いに異なる値を有するものであればその大きさ及び間隔は不問であるが、一例として、［数４］のように、Ｎ通りの波長シフト量Δλｊを、１周期（２π）をＮ等分した値に設定することができる。
【００３２】
【数４】
2006329975.tif 000006
【００３３】
この条件の下、以下の［数５］の計算を行うことにより、バイアスＢｉ（ｘ、ｙ）、振幅Ａｉ（ｘ、ｙ）及び位相Ｆｉ（ｘ、ｙ）が算出される。
【００３４】
【数５】
2006329975.tif 000007
【００３５】
Ｆｉ（ｘ、ｙ）から、位相δφｉ（ｘ、ｙ）も算出することができる。なお、この実施の形態では、δφｉ（ｘ、ｙ）を算出する代わりに、ＣＣＤカメラ３１６（ｉ＝１）により撮像された干渉縞の干渉縞強度の位相を基準位相とし、次の［数６］で表現される、基準位相に対する相対的位相シフト量α（ｘ、ｙ）、β（ｘ、ｙ）を演算し記憶する。参照面に対する測定対象物の相対形状を測定する場合には、この相対的位相シフト量α（ｘ、ｙ）、β（ｘ、ｙ）から演算する方が、以降の説明から明らかなように演算を簡便にすることができる。
【００３６】
【数６】
2006329975.tif 000008
【００３７】
次に、こうして校正用基板５０２を測定して得られたバイアスＢｉ（ｘ、ｙ）、振幅Ａｉ（ｘ、ｙ）、及び位相シフト量α（ｘ、ｙ）、β（ｘ、ｙ）を用いて補正を行い、測定対象物５０１の測定を高精度化する方法について説明する。
【００３８】
まず、測定対象物５０１、又は校正用基板５０２を測定した場合において生じる各種の光の強度を図２、３に示すように定義する。参照面３０７で反射する参照光の強度をａ（ｘ、ｙ）、ビームスプリッタ３１２、ビームスプリッタ３１３、反射プリズム３１４でそれぞれ反射する参照光の強度をａ１（ｘ、ｙ）、ａ２（ｘ、ｙ）、ａ３（ｘ、ｙ）と定義する。これらは、測定対象物５０１を測定する場合と、校正用基板５０２を測定する場合とで同一である。
【００３９】
また、校正用基板５０２を測定する場合において校正用基板５０２で反射する測定光の強度をｂ（ｘ、ｙ）、ビームスプリッタ３１２、ビームスプリッタ３１３、反射プリズム３１４でそれぞれ反射する測定光の強度をｂ１（ｘ、ｙ）、ｂ２（ｘ、ｙ）、ｂ３（ｘ、ｙ）と定義する。ａｉ（ｘ、ｙ）、ｂｉ（ｘ、ｙ）は、バイアスＢｉ（ｘ、ｙ）、振幅Ａｉ（ｘ、ｙ）と、次の［数７］に示すような関係にある。
【００４０】
【数７】
2006329975.tif 000009
【００４１】
校正用基板５０２の測定によりバイアスＢｉ（ｘ、ｙ）、振幅Ａｉ（ｘ、ｙ）の値が得られているので、この［数７］の２式から、ａｉ（ｘ、ｙ）、ｂｉ（ｘ、ｙ）も特定することができる。
【００４２】
また、測定対象物５０１を測定する場合において測定対象物５０１で反射する測定光の強度をｂ’（ｘ、ｙ）、ビームスプリッタ３１２、ビームスプリッタ３１３、反射プリズム３１４でそれぞれ反射する測定光の強度をｂ１’（ｘ、ｙ）、ｂ２’（ｘ、ｙ）、ｂ３’（ｘ、ｙ）と定義する。この測定光ｂ’（ｘ、ｙ）の測定光ｂ（ｘ、ｙ）に対する強度比を反射率比γ（ｘ、ｙ）として下記の［数８］のように定義する。
【００４３】
【数８】
2006329975.tif 000010
【００４４】
また、光分割後の測定光の強度ｂ１’（ｘ、ｙ）についても、同様に下記［数９］に示す関係が成り立つ。
【００４５】
【数９】
2006329975.tif 000011
【００４６】
測定対象物５０１を測定する場合のバイアスＢｉ’（ｘ、ｙ）、振幅Ａｉ’（ｘ、ｙ）は、上記ｂｉ（ｘ、ｙ）と反射率比γ（ｘ、ｙ）を用いて、次の［数１０］のように表される。
【００４７】
【数１０】
2006329975.tif 000012
【００４８】
このため、測定対象物５０１を測定する場合に各ＣＣＤカメラ３１６，３１８，３２０で得られる干渉縞の強度Ｉｉ（ｘ、ｙ）は、次の［数１１］で表される。
【００４９】
【数１１】
2006329975.tif 000013
【００５０】
Ｉｉ’（ｘ、ｙ）をＣＣＤカメラ３１６，３１８、３２０の画像信号から取得し、このＩｉ’（ｘ、ｙ）を用いて、φ（ｘ、ｙ）を、例えば次のようにして代数的に求めることができる。
【００５１】
まず、上記［数１１］を変形して、Ｉｉ’（ｘ、ｙ）−ａｉ（ｘ、ｙ）を左辺とした下記［数１２］とする。
【００５２】
【数１２】
2006329975.tif 000014
【００５３】
γ（ｘ、ｙ）、（γ（ｘ、ｙ））１／２・ｓｉｎφ、（γ（ｘ、ｙ））１／２・ｃｏｓφについてこの［数１２］を解く。
【００５４】
【数１３】
2006329975.tif 000015
【００５５】
下記の［数１４］に示す行列式が０にならないα、βであれば、［数１３］をγ（ｘ、ｙ）、（γ（ｘ、ｙ））１／２・ｓｉｎφ、（γ（ｘ、ｙ））１／２・ｃｏｓφについて解くことができる。
【００５６】
【数１４】
2006329975.tif 000016
【００５７】
（γ（ｘ、ｙ））１／２・ｓｉｎφ、（γ（ｘ、ｙ））１／２・ｃｏｓφが得られたら、両者の比の逆正接を、下記［数１５］のようにとることにより、φを求めることができる。
【００５８】
【数１５】
2006329975.tif 000017
【００５９】
この［数１５］は反射率比γの大きさに無関係に恒等的に成立するため、γ≠１、すなわち、校正用基板５０２として、測定対象物５０１と反射率が異なるものを用いても、その影響を受けることなく測定値の校正を行うことができる。また、γの数値を求めることなく、測定値の校正を行うことができる。ちなみに、反射率比γ（ｘ、ｙ）は次の式から求めることが可能である。
【００６０】
【数１６】
2006329975.tif 000018
【００６１】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る干渉計の全体構成を示している。この実施の形態の干渉計は、図４に示すように、ビームスプリッタ３１２、３１３、及び反射プリズム３１４により３分割した測定光及び参照光による干渉縞画像を、１つのＣＣＤカメラ３２２により撮像するように干渉計を構成するものである。
【００６２】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る干渉計の構成のうち、レンズ３１１以降の部分のみを示している。その他の部分は上記の実施の形態と同一であるので、詳細な説明は省略する。この実施の形態の干渉計は、ビームスプリッタ３１２、３１３、及び反射プリズム３１４に代えて回折格子３２３により測定光及び参照光を分割し、偏光板３１５，３１７、３１９、３２４で位相差を与える形式を採用している。撮像素子は、図５のような１つのＣＣＤカメラ３２５でも良いし、図１のような分割光毎に設けられたＣＣＤカメラであっても良い。
【００６３】
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る干渉計の全体構成を示している。この実施の形態の干渉計は、図６に示すように、高密度位相アレイ素子４６０により測定光及び参照光を複数に分割し、その分割された光に位相差を与える形式を採用している。この高密度位相アレイ素子４６０は、本願の出願人が出願した特開２００４−１３８６１７号公報に開示のものと同一であり、以下にその構成を簡単に説明する。高密度位相アレイ素子４６０は、低次数のクォーツ波長板などの複屈折基板４６２を備えている。複屈折基板４６２は、表面４６９および速軸４６８を有する。遅軸は、この速軸４６８と直交する方向を向いている。
【００６４】
複屈折基板４６２は、対応する画素群毎に例えば矩形状に形成されたパターン４６１（部分４６６ａ〜ｄ）の厚さが４通り（Ｔ０、Ｔ９０、Ｔ１８０、Ｔ２７０）に異なるように形成され、これにより、４つの異なる相対位相変位（Ｐ０、Ｐ９０、Ｐ１８０、Ｐ２７０）を有する干渉縞画像を生成するものである。なお、複屈折基板４６１は、厚さ依存性の位相を与えない平面層４６２により覆われている。
【００６５】
この構造においても、各光学素子を誤差無く製作し配置することは極めて困難であり、複数の干渉縞画像管のバイアス、振幅のバラツキや位相シフト量の設計値に対する偏差が発生することが予想される。そのため、上記のような校正法が、この第４の実施の形態においても適用され得る。
【００６６】
次に、本発明の第５の実施の形態を、図８を参照して説明する。上記の第１乃至第４の実施の形態は、測定対象物５０１が、その裏面からの反射が無いか、或いは無視できるもの（例えば、測定対象物５０１が（１）金属鏡面、（２）表面と裏面との間に相対的に傾斜加工を施したウェッジ型のガラス基板、（３）裏面が粗面加工されたガラス基板、などである）である場合に、適用可能である。裏面からの反射が無視できない場合、その反射光はノイズ光となり、干渉縞のバイアス、振幅、位相シフト量等の正確な測定が困難又は不可能になる。
【００６７】
これに対しこの第５の実施の形態の干渉計及びその校正方法は、測定対象物の裏面からの反射光（ノイズ光）が無視できない測定対象物に対しても干渉縞信号のバイアス、振幅等の測定が可能に構成されている点で、上記の実施の形態と異なっている。
【００６８】
図８は、本実施の形態に係る干渉計の構成例を示している。ここで、測定対象物に対応する校正用基板５０２Ａが干渉計に設置され、測定対象面である表面５０２Ｓからの測定光だけでなく、裏面５０２Ｒからのノイズ光が無視できないものと考える。なお、この図８に示す干渉計は、光学系の構造自体は第１の実施の形態（図１）と同様である。また、波長可変コントローラ４０２により波長可変レーザ３０１の波長が可変とされている点も同様である。
【００６９】
ただし、本実施の形態では、測定対象物の裏面からのノイズ光による影響を低減するため、少なくとも３通りに波長が変化させられるだけでなく、その各波長がある程度の波長幅（波長走査幅）を与えられている点で、上記の実施の形態と異なっている。以下では、図９に示すように、波長可変レーザ３１０の出射光の波長λを、λ０、λ０＋Δλ１、λ０＋Δλ２の少なくとも３通りを中心波長として、±Δｐ／２の範囲（波長走査幅Δｐ）で変動させることができるよう、波長コントローラ４０２が構成されているものとして説明する。ただし、中心波長を中心として均等幅で波長が変化する必要はなく、ある波長（基準波長）を基準として所定の波長走査幅をもって波長が変動すれば十分である。基準波長を中心とした変動量が、＋側と−側で異なっていてもよいし、また基準波長から＋側、−側の一方にのみ変動させるのでも構わない。
【００７０】
そして、各ＣＣＤカメラ３１６、３１８、３２０の各々において、その波長の変動による光を積分受光する。ここで積分受光とは、ＣＣＤカメラの露光時間Ｔｅ内に波長λをある波長幅に亘り変化させて受光することを意味する。これにより、裏面５０２Ｒからのノイズ光の影響を受けることなく、干渉縞のバイアス、振幅及び位相シフト量を測定することができる。以下、この積分受光の原理を詳しく説明する。
【００７１】
裏面５０２Ｒからのノイズ光が無視できない場合、参照光、測定光、及びノイズ光の合成光の、１つのＣＣＤカメラ３１６、３１８、又は３２０のいずれかで得られる干渉縞強度Ｉｉ´は、次の式で表される。なお、参照光、測定光及びノイズ光を複素振幅で表した場合の振幅を１とし、簡略化して示している。また、干渉縞画像は２次元の光強度分布を有するが、次の式以降では、ある１点の光強度を１次元で簡略化して示している。
【００７２】
【数１７】
2006329975.tif 000019
ここで、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、それぞれ参照光、測定光、対象物の裏面からの反射光の光路長を表す。また、ｋは波数（＝２π／λ）を表している。
Ｌ２とＬ１の差、Ｌ３とＬ１の差をそれぞれΔＬ２１、ΔＬ３１とすると、［数１７］は次式のように表現することができる。
【００７３】
【数１８】
2006329975.tif 000020
ＣＣＤカメラの露光時間Ｔｅ内において中心波長λを中心として波長走査幅Δｐで波長を変化させた場合に、各波長により発生する干渉縞画像の積分強度としての積分干渉縞強度Ｉｉが得られる。積分干渉縞強度Ｉｉは、次の式で表される。
【００７４】
【数１９】
2006329975.tif 000021
なお、波長走査幅Δｐは、次の式で表される範囲で設定されるのが好適である。
【００７５】
【数２０】
2006329975.tif 000022
波長走査幅Δｐは、可干渉距離Δｌと関連がある。上記［数２０］を満たすようにΔｐが設定されることにより、可干渉距離Δｌよりも光路差ΔＬ３１を大きくし、かつ可干渉距離Δｌよりも光路差ΔＬ２１を小さくすることができる。これにより、裏面５０２Ｒからの反射光であるノイズ光の影響は低減又は除去される一方、表面５０２Ｓからの反射光（測定光）は、消えることなく干渉縞画像を得ることができる。
【００７６】
ここで、参照光の光路長Ｌ１と測定光の光路長Ｌ２が略等しくなるように測定対象物Ｗの位置調整がなされていると考える。この場合、［数１９］の各項のうち、第２項のようにΔＬ２１のみを含む項は、波長に関係なく略一定の強度となり、測定対象物Ｗの形状によって変化する強度となる。
【００７７】
一方、第３項のようにΔＬ３１のみを含む項は、波長が走査されることで強度が変動するが、積分されると平均強度となり、ΔＬ３１とは無関係の強度となる。従ってこの第３項は、干渉縞強度Ｉにおいて、バイアスを表す項となる。第１項の定数項も、バイアスを表す項となる。第４項、第５項は、測定対象物Ｗの形状に応じて変化する強度にバイアス成分が積算された強度となる。従って、［数１９］は、次式のように簡略化して表現することができる。
【００７８】
【数２１】
2006329975.tif 000023
ただし、Ｂｉはバイアス、Ａｉは振幅を表している。従って、裏面反射のノイズ光が存在する場合であっても、中心波長λを中心として波長走査幅Δｐに亘って波長走査を行うことにより、積分された干渉縞画像が得られ、裏面反射の影響を除いて計測を行うことができる。
【００７９】
さらに、このような計測を、３通り以上の中心波長λ０、λ０＋Δλ１、・・・λ０＋Δλｊ各々において実行し、ＣＣＤカメラ３１６、３１８、３２０で干渉縞を撮像して実行することにより、測定対象物５０１の裏面からのノイズ光による影響を低減させつつ、干渉縞のバイアス、振幅及び位相シフト量を測定することができる。このバイアス、振幅及び位相シフト量の測定の方法を、以下において詳細に説明する。
【００８０】
各ＣＣＤカメラ３１６、３１８及び３２０で得られる積分干渉縞強度Ｉｉｊは、位相シフト量Δφｉの違いを考慮して、
【００８１】
【数２２】
2006329975.tif 000024
と表される。波長λｊをλ０からΔλｊだけ変化させた場合において、λ０に比べΔλｊが十分小さい場合には、次式で近似できる。
【００８２】
【数２３】
2006329975.tif 000025
この式は、更に次のように変形することができる。
【００８３】
【数２４】
2006329975.tif 000026
【００８４】
すなわち、中心波長λをλ０、λ０＋Δλ１、・・・、λ０＋Δλｊとシフトさせた場合に１つのＣＣＤカメラ３１６、３１８又は３２０で得られる積分干渉強度Ｉｉｊは、位相がＧΔλｊだけ位相が異なる波形として表現することができる。従って、波長シフト量Δλｊを少なくとも３通りに変化させ、その異なる少なくとも３通りの波長シフト量それぞれについて、３つのＣＣＤカメラ３１６、３１８及び３２０で撮像を行い、上記の実施の形態と同様に、バイアスＢｉ、振幅Ａｉ、及び位相シフト量δφｉ等を演算することができる。また、第１の実施の形態で説明した［数４］のように位相シフト量を演算し、［数５］のようにしてバイアスＢｉ、振幅Ａｉ、及び位相シフト量δφｉ等を演算することもできる。
一例として、１つの中心波長をλ０＝１μｍとし、厚さ４ｍｍで屈折率１．５程度のガラス基板を測定対象物及び校正用基板とする場合、Δp＝０．１ｎｍ、Δλ１＝０．２ｎｍとなるように波長をコントロールすればよく、市販の波長可変レーザで容易に実施可能である。
【００８５】
以上干渉計の校正方法の実施例は、測定対象に代えて校正用基板を設置することで示した。複数の対象物を測定する場合に、校正用基板を設置して校正する変わりに、そのうちの１つまたはいくつかを使って、干渉計の校正を行っても良い。また、干渉計の観測領域よりも大きな対象物の形状を走査測定する場合には、対象物の一部の領域を使って校正を行い、そのときに得られた校正値を使って、他の領域を走査測定しても良い。いずれの場合にも、校正用基板を別途用いなくても良いこと以外は、解決すべき課題と手法はまったく同じである。
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る干渉計の構成を示している。
【図２】図１の干渉計において、校正用基板５０２を測定した場合において生じる各種の光の強度を定義するものである。
【図３】図１の干渉計において、測定対象物５０１を測定した場合において生じる各種の光の強度を定義するものである。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る干渉計の構成を示している。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る干渉計の構成を示している。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る干渉計の構成を示している。
【図７】図６の高密度位相アレイ素子４６０の構造を示す。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る干渉計の構成を示している。
【図９】第５の実施の形態の波長可変レーザ３０１から出射される波長の範囲を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
３０１・・・波長可変レーザ、  ３０２・・・集光レンズ、  ３０３・・・ピンホール、  ３０４・・・コリメータレンズ、  ３０５・・・偏光ビームスプリッタ、  ３０６、３０８、３１０・・・１／４波長板、  ３０７・・・参照面、  ３１１・・・結像レンズ、  ３１２、３１３・・・ビームスプリッタ、  ３１４・・・反射プリズム、  ３１５、３１７、３１９、３２４・・・偏光板、  ３１６、３１８、３２０、３２２、３２５・・・ＣＣＤカメラ、  ３２１・・・治具、  ３２３・・・回折格子、５０１・・・測定対象物、  ４０１・・・コンピュータ、  ４０２・・・波長コントローラ、  ４０３・・・記憶部、  ５０１・・・測定対象物、  ５０２・・・校正用基板。
【図１】
2006329975.tif 000027
【図２】
2006329975.tif 000028
【図３】
2006329975.tif 000029
【図４】
2006329975.tif 000030
【図５】
2006329975.tif 000031
【図６】
2006329975.tif 000032
【図７】
2006329975.tif 000033
【図８】
2006329975.tif 000034
【図９】
2006329975.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成18年4月26日(2006.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
測定精度の向上のためには、干渉計を構成する光学部品を高精度に製作すると共に、高精度な調整機構を利用して干渉計を調整する必要がある。しかし、干渉計筐体の経時変化や温度変動などによる幾何学的な寸法変化や光学部品の性能の変化などにより、干渉計の製作直後に値付けされたバイアス値、振幅値、及び位相は変化してしまう。従って、ユーザが干渉計を使用する環境において、定期的に、あるいは測定の前において、ユーザがこれらの値を容易に値付けできるようにすることが好ましい。これにより、高速、高精度で使用環境を選ばない干渉計による測定が実現するからである。
【特許文献１】特開平２−２８７１０７号公報
【特許文献２】特開２０００−３２９５３５号公報
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
【数２０】
2006329975.tif 000036
波長走査幅Δｐは、可干渉距離Δｌと関連がある。上記［数２０］を満たすようにΔｐが設定されることにより、可干渉距離Δｌよりも光路差ΔＬ３１を大きくし、かつ可干渉距離Δｌよりも光路差ΔＬ２１を小さくすることができる。これにより、裏面５０２Ｒからの反射光であるノイズ光の影響は低減又は除去される一方、表面５０２Ｓからの反射光（測定光）は、消えることなく干渉縞画像を得ることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
【数２４】
2006329975.tif 000037
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2006329975.tif 000038