(57)【要約】【課題】測定対象物の移動機構を使用せずに高さ方向のダイナミックレンジを拡大可能とする。【解決手段】本発明の干渉測定装置は、可干渉距離が有限の光束を生成する生成手段（９、２０）と、光束を２つの光束に分岐し、それら２つの光束の一方を測定対象面（２５ａ）へ照射すると共に他方を参照面（２４ａ）へ照射する分岐手段（２２）と、測定対象面を経由した測定光束と参照面を経由した参照光束とを同一光路に統合して統合光束を生成する統合手段（２２、２１）と、分岐手段により分岐される光束の可干渉距離を走査する走査手段（２０）と、可干渉距離の走査位置と統合光束の強度との関係を示す関係情報を取得する測定手段（２７、３０）と、関係情報に基づき、測定光束と参照光束とが干渉する走査範囲と、測定光束と参照光束とが干渉しない走査範囲との境界を、測定対象面の高さ情報として取得する演算手段（３０）とを備える。【選択図】    図１
2011127966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉距離が有限の光束を生成する生成手段と、
前記光束を２つの光束に分岐し、それら２つの光束の一方を測定対象面へ照射すると共に他方を参照面へ照射する分岐手段と、
前記測定対象面を経由した測定光束と前記参照面を経由した参照光束とを同一光路に統合して統合光束を生成する統合手段と、
前記分岐手段により分岐される光束の可干渉距離を走査する走査手段と、
前記可干渉距離の走査位置と前記統合光束の強度との関係を示す関係情報を取得する測定手段と、
前記関係情報に基づき、前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲と、前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界を、前記測定対象面の高さ情報として取得する演算手段と、
を備えることを特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の干渉測定装置において、
前記走査手段は、
前記光束の可干渉距離を走査するために、その光束の中心波長及び波長幅の少なくとも一方を変化させる
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の何れか一項に記載の干渉測定装置において、
前記演算手段は、
前記強度の走査方向に亘るコントラストが閾値以上となるような走査範囲を前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲とみなし、前記強度の走査方向に亘るコントラストが閾値未満となるような走査範囲を前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲とみなして前記高さ情報を取得する
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の干渉測定装置において、
前記測定手段は、
前記関係情報を前記測定対象面の位置毎に取得し、
前記演算手段は、
前記高さ情報を前記測定対象面の位置毎に取得する
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の干渉測定装置において、
前記演算手段は、
前記強度の空間方向に亘るコントラストが閾値以上となるような走査範囲を前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲とみなし、前記強度の空間方向に亘るコントラストが閾値未満となるような走査範囲を前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲とみなして前記高さ情報を取得する
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の干渉測定装置において、
前記測定光束のうち前記参照光束との光路長差がゼロとなる基準面は、前記測定対象面から外れた面に位置しており、
前記測定手段による前記強度の検出面は、前記基準面と共役な面に位置している
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項７】
可干渉距離が有限の光束を生成する生成手順と、
前記光束を２つの光束に分岐し、それら２つの光束の一方を測定対象面へ照射すると共に他方を参照面へ照射する分岐手順と、
前記測定対象面を経由した測定光束と前記参照面を経由した参照光束とを同一光路に統合して統合光束を生成する統合手順と、
前記分岐手順で分岐される光束の可干渉距離を走査する走査手順と、
前記可干渉距離の走査位置と前記統合光束の強度との関係を示す関係情報を取得する測定手順と、
前記関係情報に基づき、前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲と、前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界を、前記測定対象面の高さ情報として取得する演算手順と、
を含むことを特徴とする干渉測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象面の高さや形状を測定する干渉測定装置及び干渉測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、波長走査型干渉計の原理を使用した面形状測定装置が開示されている。この装置では、波長に対する干渉信号の変化カーブが測定対象面の高さに依って異なることを利用しており、具体的には、波長可変光源により光の波長を走査しながら干渉縞画像を繰り返し取得することにより、測定対象面の各位置に関する干渉信号の変化カーブを測定し、様々な高さについての変化カーブの理論値（理論カーブ）の中から、測定された変化カーブに近いものをパターンマッチングにより見出すことにより、その位置の高さを求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８６１６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、測定対象面の高低差が光の可干渉距離によって決まる所定値より大きい場合には、一部の位置については有意な干渉信号が得られなくなるため、その面形状を一括して測定することはできない（特許文献１の段落［００１１］を参照。）。よって、この場合は、測定対象物を光軸方向へ移動させて測定を繰り返す必要があり、測定対象物の移動誤差が形状測定誤差に重畳することを許容せざるを得なかった。
【０００５】
そこで本発明は、測定対象物の移動機構を使用せずとも高さ方向のダイナミックレンジを拡大することが可能な干渉測定装置及び干渉測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明を例示する干渉測定装置の一態様は、可干渉距離が有限の光束を生成する生成手段と、前記光束を２つの光束に分岐し、それら２つの光束の一方を測定対象面へ照射すると共に他方を参照面へ照射する分岐手段と、前記測定対象面を経由した測定光束と前記参照面を経由した参照光束とを同一光路に統合して統合光束を生成する統合手段と、前記分岐手段により分岐される光束の可干渉距離を走査する走査手段と、前記可干渉距離の走査位置と前記統合光束の強度との関係を示す関係情報を取得する測定手段と、前記関係情報に基づき、前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲と、前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界を、前記測定対象面の高さ情報として取得する演算手段とを備える。
【０００７】
本発明を例示する干渉測定方法の一態様は、可干渉距離が有限の光束を生成する生成手順と、前記光束を２つの光束に分岐し、それら２つの光束の一方を測定対象面へ照射すると共に他方を参照面へ照射する分岐手順と、前記測定対象面を経由した測定光束と前記参照面を経由した参照光束とを同一光路に統合して統合光束を生成する統合手順と、前記分岐手順で分岐される光束の可干渉距離を走査する走査手順と、前記可干渉距離の走査位置と前記統合光束の強度との関係を示す関係情報を取得する測定手順と、前記関係情報に基づき、前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲と、前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界を、前記測定対象面の高さ情報として取得する演算手順とを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、測定対象物の移動機構を使用せずとも高さ方向のダイナミックレンジを拡大することが可能な干渉測定装置及び干渉測定方法が実現する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の面形状測定装置の構成配置図である。
【図２】波長選択素子２０によって抽出される光束のスペクトルを説明する図である。
【図３】波長選択素子２０によって抽出される光束の干渉性の変化を説明する模式図である。
【図４】中心波長λと可干渉距離ＺＣとの関係（ＺＣ＝λ２／｜Δλ｜）をグラフにしたものである。
【図５】中心波長λと、可干渉距離ＺＣの走査ピッチとの関係をグラフにしたものである。
【図６】チューナブルフィルタの例を示す図である。
【図７】コントロールユニット３０による測定処理のフローチャートである。
【図８】シミュレーションで仮定した測定対象面２５ａの形状を示す図である。
【図９】１５１番目のサンプリングで取得された画像Ｉ１５１である（中心波長λがλ１５１＝０．５５μｍに設定され、可干渉距離ＺＣがＺＣ１５１＝３．０２５μｍに設定されたとき。）。
【図１０】６５１番目のサンプリングで取得された画像Ｉ６５１である（中心波長λがλ６５１＝１．０５μｍに設定され、可干渉距離ＺＣがＺＣ６５１＝１１．０２５μｍに設定されたとき。）。
【図１１】１１５１番目のサンプリングで取得された画像Ｉ１１５１である（中心波長λがλ１１５１＝１．５５μｍに設定され、可干渉距離ＺＣがＺＣ１１５１＝２４．０２５μｍに設定されたとき。）。
【図１２】コントロールユニット３０による解析処理のフローチャートである。
【図１３】ステップＳ２３を説明する図である。
【図１４】ステップＳ２６を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態として、面形状測定装置を説明する。
【００１１】
図１は、面形状測定装置の構成配置図である。図１に示すとおり面形状測定装置には、白色光源部９、波長選択素子２０、ビームスプリッタ２１、２２、補正板２３、参照ミラー２４、結像光学系２６、撮像素子２７、コントロールユニット３０などが備えられる。このうち、ビームスプリッタ２１、２２、結像光学系２６、撮像素子２７が干渉計を構成している。なお、ここでは、干渉計のタイプをマイケルソン型と仮定するが、他のタイプ（マッハツェンダー型、ミラウ型など）に変更することも可能である。
【００１２】
白色光源部９は、ハロゲンランプなどの白色光源９Ａと、ビームエキスパンダ９Ｂとを備え、適当な径の平行光束からなる白色光束を出射する。
【００１３】
波長選択素子２０は、白色光源部９から射出した白色光束のうち、一部の波長帯域の成分のみを抽出する。波長選択素子２０が抽出する波長帯域の中心波長と、その波長帯域の幅（波長幅）と、その波長帯域における各波長の強度とは、それぞれコントロールユニット３０によって制御可能である。
【００１４】
波長選択素子２０によって抽出された光束は、ビームスプリッタ２１を透過した後、ビームスプリッタ２２の分離面２２ａを反射する光束（参照光束）と、ビームスプリッタ２２の分離面２２ａを透過する光束（測定光束）とに分岐する。
【００１５】
分離面２２ａを反射した参照光束は、補正板２３を通過した後、参照ミラー２４の参照面２４ａへ正面から入射する。その参照光束は、参照面２４ａを反射することで光路を折り返し、補正板２３を再通過した後、ビームスプリッタ２２へ戻る。
【００１６】
分離面２２ａを透過した測定光束は、測定対象物２５の測定対象面２５ａへ正面から入射する。その測定光束は、測定対象面２５ａを反射することで光路を折り返し、ビームスプリッタ２２へ戻る。
【００１７】
ビームスプリッタ２２へ戻った参照光束と測定光束とは分離面２２ａにて統合され、統合光束となってビームスプリッタ２１の側へ向かう。その統合光束は、ビームスプリッタ２１を反射し、結像光学系２６を介して撮像素子２７の撮像面２７ａへ入射する。
【００１８】
撮像素子２７は、撮像面２７ａ上の輝度分布を示す画像、すなわち統合光束の強度分布を示す画像を生成する。なお、撮像素子２７による画像生成（撮像）のタイミングはコントロールユニット３０によって制御される。
【００１９】
ここで、参照面２４ａで反射した参照光束の波面の複素振幅をＲｒ・ｕ（ｔ）とし、測定対象面２５ａで反射した測定光束の波面の複素振幅をＲｓ・ｕ（ｔ‐τ）とすると、統合光束の波面（合成波面）の複素振幅は、以下のとおり表される。
【００２０】
【数１】
2011127966.tif 000003
【００２１】
但し、ｕ（ｔ）は白色光源９Ａからの光束の波面（基本波面）を規格化したものの複素振幅であり、Ｒｒは参照面２４ａの反射率、Ｒｓは測定対象面２５ａの反射率である。τは、参照光束と測定光束との間の光路長差Ｌに起因して生じる、両者の波面の到達時間差を表しており、τ＝Ｌ／ ｃで表される（但し、ｃは光速である。）。
【００２２】
このとき、撮像素子２７で検出される統合光束の強度Ｉは、以下のとおり表される。
【００２３】
【数２】
2011127966.tif 000004
【００２４】
この式の中で、第３項が干渉効果を表している。但し、第３項における関数Ｒｅ［Ｘ］は、Ｘの複素関数の実部を意味している。
【００２５】
以下、第３項に着目し、これをＩｉｎｔ(τ)とする。第３項におけるＲｅ［Ｘ］のＸは自己相関関数なので、ウィーナー・ヒンチンの定理を使って、Ｉｉｎｔ(τ)は、以下のとおり表される。
【００２６】
【数３】
2011127966.tif 000005
【００２７】
つまり、Ｉｉｎｔ(τ)は、下記のエネルギースペクトルを、逆フーリエ変換したものに相当する。
【００２８】
【数４】
2011127966.tif 000006
【００２９】
但し、Ｕ(ω)は、以下のとおりｕ（ｔ）のフーリエ変換である。
【００３０】
【数５】
2011127966.tif 000007
【００３１】
この場合、逆フーリエ変換の関係から、以下の式も成り立つ。
【００３２】
【数６】
2011127966.tif 000008
【００３３】
ここで、本実施形態の波長選択素子２０は、抽出する光束のスペクトルを任意のスペクトルに設定できる。よって、波長選択素子２０は、上述したＡ（ω）を以下のとおり設定するものと仮定する。
【００３４】
【数７】
2011127966.tif 000009
【００３５】
この場合、Ｉｉｎｔ(τ)は、以下のとおり表される。
【００３６】
【数８】
2011127966.tif 000010
【００３７】
したがって、撮像素子２７で検出される統合光束の強度Ｉは、以下のとおり表される。
【００３８】
【数９】
2011127966.tif 000011
【００３９】
この中の干渉項が最初にゼロになるのは、｜Δω｜τ／２＝πのときなので、本件においてはτ＝２π／｜Δω｜を可干渉時間と定義すると、以下の関係が成り立つ。
【００４０】
【数１０】
2011127966.tif 000012
【００４１】
【数１１】
2011127966.tif 000013
【００４２】
但し、λは、波長選択素子２０によって抽出される光束の中心波長であり、｜Δλ｜は、その光束の波長幅である。
【００４３】
したがって、波長選択素子２０によって抽出される光束の可干渉距離Ｚｃは、以下のとおり表される。
【００４４】
【数１２】
2011127966.tif 000014
【００４５】
そして、本実施形態では、図２に示すとおり、波長選択素子２０によって抽出される光束の中心波長λは、予め決められた波長範囲内（ここでは４００ｎｍ〜２０００ｎｍとする。）を微小単位（ここでは１ｎｍとする。）で変更することが可能であり、また、その光束の波長幅｜Δλ｜は、その波長範囲よりも狭い所定値（ここでは１００ｎｍとする。）に固定されているものと仮定する（上述したＡ（ω）の定義を参照）。また、その光束に含まれる各波長成分の強度は、予め決められた値に揃えられているものと仮定する。
【００４６】
このように、光束の中心波長λを４００ｎｍから２０００ｎｍに向けて徐々に変化させると、その光束の干渉性は、図３に模式的に示すように徐々に高まり、その光束の可干渉距離ＺＣ（ＺＣ＝λ２／｜Δλ｜）は、１．６μｍから４０μｍへと走査されることになる。なお、図４は、中心波長λと可干渉距離ＺＣとの関係（ＺＣ＝λ２／｜Δλ｜）をグラフにしたものである。
【００４７】
また、上述したとおり中心波長λの変化ピッチを一定（ここでは１ｎｍ）にした場合、可干渉距離ＺＣ（＝λ２／｜Δλ｜）の走査ピッチは、中心波長λが短いときほど細かくなる。なお、図５は、中心波長λと走査ピッチとの関係をグラフにしたものである。
【００４８】
以上の機能を有する波長選択素子２０としては、例えば、液晶チューナブルフィルタと色変換フィルタを組み合わせたリオフィルタ、或いは、図６に示すようなチューナブルフィルタを適用することが可能である。なお、図６に示すチューナブルフィルタの詳細は、後述する。
【００４９】
撮像素子２７は、本装置の使用波長帯域内（ここでは３５０ｎｍ〜２０５０ｎｍ）の各光に感度を有しており、本装置の他の光学素子（ビームエキスパンダ９Ｂ、ビームスプリッタ２１、２２、補正板２３、結像光学系２６など）の硝材には、その使用波長帯域内の各光を導光できるものが選定されている。また、参照光束と測定光束との干渉強度をより高めるために、参照ミラー２４ａの反射率は、測定対象物の反射率となるべく近い値に設定されていることが望ましい。
【００５０】
また、参照光束の単独光路へ配置された補正板２３の光学的特性（分散、屈折率など）は、補正板２３から参照光束の波面に与えられる変形が、ビームスプリッタ２２から測定光束の波面に与えられる変形と同じになるよう予め設定されている。これによって、参照光束の単独光路の条件と測定光束の単独光路の条件とが共通化される。
【００５１】
また、測定対象物２５の近傍において、撮像面２７ａと光学的に共役な基準面２５ｂは、次の条件を満たす。すなわち、基準面２５ｂからビームスプリッタ２２の分離面２２ａまでの距離は、参照面２４ａからビームスプリッタ２２の分離面２２ａまでの距離と一致している。
【００５２】
また、測定対象面２５ａの各位置は、基準面２５ｂの上方又は下方に存在する。ここでは、測定対象面２５ａの各位置は、基準面２５ｂの上方（ビームスプリッタ２２に近い側）に存在しているものと仮定する。
【００５３】
ここで、測定対象面２５ａ上の或る位置に着目する（以下、この位置を「着目位置」と称す。）。撮像面２７ａ上で着目位置に対応する画素（着目画素）へ入射する統合光束は、前述したとおり参照光束と測定光束とからなるが、それら光束の光路長差Ｚは、基準面２５ｂを基準とした着目位置の高さＺ’に応じた値（Ｚ＝２Ｚ’）をとる。
【００５４】
仮に、可干渉距離ＺＣの走査位置が前述した走査範囲の下端値（１．６μｍ）の近傍であって、可干渉距離ＺＣより光路長差Ｚの方が長いとき（つまりＺ’＞ＺＣ／２が成り立つとき）には、それらの参照光束及び測定光束は互いに干渉しないので、可干渉距離ＺＣの走査中に着目画素が生成する信号の強度のコントラストはゼロとなる。
【００５５】
一方、可干渉距離ＺＣの走査位置が前述した走査範囲の上端値（４０μｍ）の近傍であって、可干渉距離ＺＣより光路長差Ｚの方が短いとき（つまりＺ’＜ＺＣ／２が成り立つとき）には、それらの参照光束及び測定光束は互いに干渉するので、可干渉距離ＺＣの走査中に着目画素が生成する信号の強度のコントラストはゼロでは無くなる。
【００５６】
したがって、本装置では、可干渉距離ＺＣを前述した走査範囲の下端値（１．６μｍ）から上端値（４０μｍ）に向けて走査すると共に、その走査中に着目画素が生成する信号の強度のコントラストを監視し、コントラストが変化する走査範囲とコントラストが変化しない走査範囲との境界に相当する走査位置（境界位置Ｚｂ）を見出せば、着目位置の高さＺ’をＺ’＝Ｚｂ／２の式によって既知とすることができる。このことは、測定対象面２５ａの各位置について成り立つ。
【００５７】
なお、可干渉距離ＺＣの走査範囲（１．６μｍ〜４０μｍ）を高さＺ’の単位で表すと、０．８μｍ〜２０μｍの範囲となる。よって、本装置の高さ方向の測定範囲は、０．８μｍ〜２０μｍの範囲である。
【００５８】
よって、後述する測定処理の開始に当たり、測定対象物２５の光軸方向の位置は、測定対象面２５ａの各位置の高さＺ’が０．８μｍ〜２０μｍの範囲内に収まるように調整される。
【００５９】
本装置のコントロールユニット３０は、制御装置としての機能と演算装置としての機能とを有する。
【００６０】
制御装置としてのコントロールユニット３０は、光源部９、波長選択素子２０、撮像素子２７を駆動制御することにより、測定対象面２５ａの各位置の高さ情報を含んだ画像群を取得する（測定処理）。また、演算装置としてのコントロールユニット３０は、その画像群に対して演算を施すことにより、測定対象面２５ａの高さ分布を求める（解析処理）。
【００６１】
次に、コントロールユニット３０による測定処理を説明する。図７は、コントロールユニット３０による測定処理のフローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。
【００６２】
ステップＳ１０：コントロールユニット３０は、サンプリング番号ｉを初期値（１）に設定する。
【００６３】
ステップＳ１１：コントロールユニット３０は、光源部９及び波長選択素子２０をオンする。
【００６４】
ステップＳ１２：コントロールユニット３０は、波長選択素子２０に対して、抽出する光束の中心波長λをｉ番目の波長λｉに設定するよう指示を与える。なお、ｉ番目の波長λｉ（ｎｍ）は、λｉ＝４００＋（ｉ−１）で表される。これによって、可干渉距離ＺＣの走査位置は、ｉ番目の走査位置ＺＣｉに設定される。なお、ｉ番目の走査位置ＺＣｉ（ｎｍ）は、ＺＣｉ＝λｉ２／１００で表される。
【００６５】
ステップＳ１３：コントロールユニット３０は、撮像素子１７を駆動して１フレーム分の画像をサンプリングする。以下、ｉ番目のサンプリングでサンプリングされた画像を「画像Ｉｉ」とおく。
【００６６】
ステップＳ１４：コントロールユニット３０は、サンプリング番号ｉが最終値（ここでは１６００）に達したか否かを判別し、最終値に達していなければステップＳ１５へ移行し、最終値に達していればステップＳ１６へ移行する。
【００６７】
ステップＳ１５：コントロールユニット３０は、サンプリング番号ｉをインクリメントしてからステップＳ１２へ戻る。したがって、コントロールユニット３０は、可干渉距離ＺＣを走査しながら画像Ｉｉの取得を１６００回繰り返す。
【００６８】
ステップＳ１６：コントロールユニット３０は、光源部９及び波長選択素子２０をオフする。
【００６９】
ステップＳ１７：コントロールユニット３０は、以上のステップで取得した一連の画像Ｉ１、…、Ｉ１６００をコントロールユニット３０内の保存用メモリに格納し、フローを終了する。
【００７０】
次に、測定処理で得られる画像Ｉ１、…、Ｉ１６００の一部を説明する。図８〜図１１に示す画像は、シミュレーションによって取得されたものである。
【００７１】
シミュレーションでは、測定対象面２５ａの形状を、図８に示すようにＺ’＝Ａ・｜ｃｏｓ（Ｘ）・ｃｏｓ（Ｙ）｜とした。なお、図８では、高さが共通の領域を互いに同じ濃度で表している。
【００７２】
また、シミュレーションでは、測定対象面２５ａのピーク値を決めるＡは、１０μｍとおいた。また、シミュレーションでは、測定対象面２５ａの反射率は、参照面２４ａの反射率と同じと仮定した。
【００７３】
図９は、１５１番目のサンプリングで取得された画像Ｉ１５１である。なお、１５１番目のサンプリングでは、中心波長λはλ１５１＝０．５５μｍに設定され、可干渉距離ＺＣはＺＣ１５１＝３．０２５μｍに設定された。
【００７４】
図９から明らかなとおり、画像Ｉ１５１において、可干渉距離ＺＣ１５１に相当する高さ（Ｚ’＝ＺＣ１５１／２＝１．５１２５μｍ）より低い領域では干渉効果が高く、干渉がない場合の平均強度（図では強度２）からの差異の大きな出力を示しているが、それより高い領域では、干渉がない場合の平均強度に近い。
【００７５】
図１０は、６５１番目のサンプリングで取得された画像Ｉ６５１である。なお、６５１番目のサンプリングでは、中心波長λはλ６５１＝１．０５μｍに設定され、可干渉距離ＺＣはＺＣ６５１＝１１．０２５μｍに設定された。
【００７６】
図１０から明らかなとおり、画像Ｉ６５１において、可干渉距離ＺＣ６５１に相当する高さ（Ｚ’＝ＺＣ６５１／２＝５．５１２５μｍ）より低い領域では干渉効果が現れており、干渉のない場合の平均強度（図では強度２）からの差異が大きい強度となっているが、それより高い領域では、強度は平均強度に近く、干渉効果が現れていない。
【００７７】
図１１は、１１５１番目のサンプリングで取得された画像Ｉ１１５１である。なお、１１５１番目のサンプリングでは、中心波長λはλ１１５１＝１．５５μｍに設定され、可干渉距離ＺＣはＺＣ１１５１＝２４．０２５μｍに設定された。
【００７８】
図１１から明らかなとおり、画像Ｉ１１５１において、可干渉距離ＺＣ１１５１に相当する高さ（Ｚ’＝ＺＣ１１５１／２＝１２．０１２５μｍ）より低い領域（すなわち全ての領域）では強度は平均値（図では強度２）からの差異が大きく、干渉効果が現れている。
【００７９】
次に、コントロールユニット３０による解析処理を説明する。図１２は、コントロールユニット３０による解析処理のフローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。
なお、解析処理の開始時点では、測定処理は実行済みであり、コントロールユニット３０内の保存用メモリには一連の画像Ｉ１、…、Ｉ１６００が格納されているものと仮定する。
【００８０】
ステップＳ２１：コントロールユニット３０は、保存用メモリに格納されている一連の画像Ｉ１、…、Ｉ１６００を、コントロールユニット３０の作業用メモリ上へ読み出すと共に、画素番号ｊを初期値（１）に設定する。
【００８１】
ステップＳ２２：コントロールユニット３０は、サンプリング番号ｉを初期値（１）に設定する。
【００８２】
ステップＳ２３：コントロールユニット３０は、画素番号ｊ及びサンプリング番号ｉに関するコントラスト値Ｃｉｊを次の手順（ａ）〜（ｄ）により算出する。
【００８３】
（ａ）コントロールユニット３０は、一連の画像Ｉ１、…、Ｉ１６００のうち、ｊ番目の画素に関する一連の信号Ｓ１ｊ、…、Ｓ１６００ｊを参照し、図１３に模式的に示すとおりそれらの信号Ｓ１ｊ、…、Ｓ１６００ｊを「可干渉距離ＺＣの走査位置と信号強度との関係を示す座標空間」上に写像する。この座標空間に写像された信号の走査方向に亘る配列ピッチは、不等間隔である（なぜなら、可干渉距離ＺＣの走査ピッチは不均一であったため。）。なお、図１３は模式図なので、データ数やデータ間隔は実際のそれとは異なる可能性がある。
【００８４】
（ｂ）コントロールユニット３０は、その座標空間上に、サンプリング番号ｉに対応する走査位置ＺＣｉを中心とし、かつ走査方向に所定サイズの広がり持った参照範囲Ａｉを想定する。
【００８５】
（ｃ）コントロールユニット３０は、一連の信号Ｓ１ｊ、…、Ｓ１６００ｊのうち、参照範囲Ａｉに属する複数の信号の強度を参照する。なお、一連の信号Ｓ１ｊ、…、Ｓ１６００ｊの走査方向の配列ピッチは不均一であるため、参照範囲Ａｉに属する信号の個数は、サンプリング番号ｉによって異なる可能性がある。
【００８６】
（ｄ）コントロールユニット３０は、手順（ｃ）で参照した複数の信号の強度の中から最大値Ｉｍａｘｉｊ及び最小値Ｉｍｉｎｉｊを見出し、その最大値Ｉｍａｘｉｊ及び最小値Ｉｍｉｎｉｊを、Ｃｉｊ＝（Ｉｍａｘｉｊ−Ｉｍｉｎｉｊ）／（Ｉｍａｘｉｊ＋Ｉｍｉｎｉｊ）の式へ当てはめることによりコントラスト値Ｃｉｊを求める。
【００８７】
ステップＳ２４：コントロールユニット３０は、サンプリング番号ｉが最終値（ここでは１６００）に達したか否かを判別し、最終値に達していなければステップＳ２５へ移行し、最終値に達していればステップＳ２６へ移行する。
【００８８】
ステップＳ２５：コントロールユニット３０は、サンプリング番号ｉをインクリメントしてからステップＳ２３へ戻る。したがって、コントロールユニット３０は、ｊ番目の画素の全てのサンプリング番号ｉに関するコントラスト値Ｃｉｊ（ｉ＝１〜１６００）を順次に取得する。図１４に模式的に示すのは、取得されたコントラスト値Ｃｊ１〜Ｃｊ１６００の例である。なお、図１４は模式図なので、データ数やデータ間隔は実際のそれとは異なる可能性がある。
【００８９】
ステップＳ２６：コントロールユニット３０は、ｊ番目の画素に関する一連のコントラスト値Ｃ１ｊ〜Ｃ１６００ｊに基づき、図１４に曲線で示すように、走査方向に亘るコントラスト値の変化カーブを作成する。この変化カーブは、一連のコントラスト値Ｃ１ｊ〜Ｃ１６００ｊに対して補間処理を施すことによって求めることができる。或いは、この変化カーブは、一連のコントラスト値Ｃ１ｊ〜Ｃ１６００ｊに対して関数をフィッティングすることによって求めることができる。そして、コントロールユニット３０は、作成した変化カーブから、コントラストが激しく変動する走査範囲と、コントラストが殆ど変動しない走査範囲（コントラストが減衰する走査範囲）との境界に相当するサンプリング番号ｉを見出し、それを可干渉距離に換算することで、境界位置Ｚｂｊを求める。この境界位置Ｚｂｊは、測定対象面２５ａ上でｊ番目の画素に対応する光路長差を示す。
【００９０】
ステップＳ２７：コントロールユニット３０は、ｊ番目の画素に関する境界位置ＺｂｊをＺｊ’＝Ｚｂｊ／２  の式に当てはめることにより、測定対象面２５ａ上でｊ番目の画素に対応する位置の高さＺｊ’を算出する。
【００９１】
ステップＳ２８：コントロールユニット３０は、画素番号ｊが最終値（ここでは、５１２×５１２＝２６２１４４とする。）に達したか否かを判別し、達していなければステップＳ２９へ移行し、達していればステップＳ３０へ移行する。
【００９２】
ステップＳ２９：コントロールユニット３０は、画素番号ｊをインクリメントしてからステップＳ２２に戻る。したがって、コントロールユニット３０は、全ての画素番号ｊに関する高さＺｊ’（ｊ＝１〜２６２１４４）を順次に取得する。
【００９３】
ステップＳ３０：コントロールユニット３０は、以上のステップで取得した高さＺｊ’（ｊ＝１〜２６２１４４）を画素番号ｊの順に配列することにより、測定対象面２５ａの高さ分布データを取得する。そしてコントロールユニット３０は、その高さ分布データを不図示のモニタ上に可視化すると共に、必要に応じて保存用メモリへ格納し、フローを終了する。
【００９４】
以上、本装置のコントロールユニット３０は、可干渉距離ＺＣの走査位置と統合光束の強度との関係（図１３）を測定すると共に、その関係（図１３）に基づき、測定光束と参照光束とが干渉する走査範囲と、測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界位置Ｚｂを算出し（図１４）、それを高さＺｊ’に換算する。
【００９５】
したがって、本装置の高さ方向の測定範囲は、可干渉距離ＺＣの長さ自体によって決まるのではなく、可干渉距離ＺＣの走査範囲の広さによって決まる。具体的には、高さ方向の測定範囲の広さは、可干渉距離ＺＣの走査範囲の広さの１／２倍となる。
【００９６】
したがって、本装置では、可干渉距離ＺＣの走査範囲を拡張するだけで、高さ方向の測定範囲を拡張することができる。実際、本装置では、可干渉距離ＺＣの走査範囲を１．６μｍ〜４０μｍに設定することで、高さ方向の測定範囲を０．８μｍ〜４０μｍに設定した。これによって、高さ方向のダイナミックレンジは、２０−０．８＝１９．２μｍとなった。
【００９７】
なお、本装置のコントロールユニット３０は、可干渉距離ＺＣを走査するために光束の波長λのみを変更したが、波長幅｜Δλ｜のみを変更してもよく、また、波長λと波長幅｜Δλ｜との双方を変更してもよい。
【００９８】
例えば、本装置のコントロールユニット３０は、波長λのみを４００ｎｍから２０００ｎｍに向かって徐々に変化させ、２０００ｎｍになった時点で、波長幅｜Δλ｜をゼロに向かって徐々に狭め始めてもよい。このようにして２つのパラメータにより可干渉距離ＺＣを走査すれば、装置の使用波長範囲を広げることなく可干渉距離ＺＣの走査範囲を広げることができる。
【００９９】
また、本装置のコントロールユニット３０は、可干渉距離ＺＣを走査するために光束の波長λのみを変更し、しかもその変更ピッチを均一としたので、可干渉距離ＺＣの走査ピッチが不均一になったが、可干渉距離ＺＣの走査ピッチが均一となるよう波長λ及び波長幅｜Δλ｜の組み合わせの変更パターンを設定してもよい。
【０１００】
［チューナブルフィルタの例］
以下、図６に示したチューナブルフィルタを詳しく説明する。図６において、符号２０で示すのがチューナブルフィルタである。
【０１０１】
光源部９から入射する光は、第１光学系１に入射し、光軸に平行な光束に変換される。この光は、第１ウォラストンプリズム２に垂直入射し、Ｐ偏光とＳ偏光の進行方向が分離される。偏光分離素子として第１ウォラストンプリズム２を使用しているため、薄膜型偏光ビームスプリッタや偏光フィルタに比して高い消光比が得られる。図６においては、光の進行方向を矢印で示すと共に、ウォラストンプリズム入出力面を基準として、Ｐ偏光を矢印で、Ｓ偏光を○印（振動方向を示す）で表している。
【０１０２】
第１ウォラストンプリズム２を出射したＰ偏光とＳ偏光は平行光となり、それぞれ第２光学系３に入射し、主光線が光軸に平行な収束光に変換される。第２光学系３を出射した光は、プレチルト補正波長板４に入射し、ここで、後述する反射型液晶素子アレイデバイス６のプレチルト位相を半分補償される。このようなプレチルト補正波長板４の使用方法は、反射型液晶素子アレイデバイス６を使用する場合に周知なものである。
【０１０３】
第２光学系３は、出側テレセントリックな光学系となっており、第２光学系３を出射した光の主光線は、プレチルト補正波長板４に垂直に入射する。これにより、プレチルト補正波長板４によるリターデーション量が光束通過角度によって変動しないようにされている。このような光学系とするために、第１ウォラストンプリズム２による偏光分離点と第２光学系３の前側焦点がほぼ一致するようにされている。
【０１０４】
プレチルト補正波長板４を出射した光は、波長分散型分光器５のスリット５１に収束する。スリット５１は第２光学系３の後側焦点位置に配置されている。スリット５１は、波長分散型分光器５のグレーティング５３の分光方向に細く、それと直角な方向に長くされている。スリット５１を透過した光は、分光器コリメータ５２により、スリット５１の像を波長分散型分光器５のグレーティング５３上に結像する。すなわち、スリット５１とグレーティング５３は、それぞれ分光器コリメータ５２の前側焦点、後側焦点位置に配置されている。
【０１０５】
グレーティング５３により分光された光は、分光器カメラ光学系５４によって、Ｐ偏光とＳ偏光の偏光分離入力光ビームの２つのスペクトラム像を、それぞれ、反射型液晶素子アレイデバイス６の第１液晶素子アレイ６１、第２液晶素子アレイ６２上に結像する。すなわち、グレーティング５３と、第１液晶素子アレイ６１、第２液晶素子アレイ６２とは、それぞれ、分光器カメラ光学系５４の前側焦点位置、後側焦点位置に配置されている。これにより、第１液晶素子アレイ６１上には、Ｓ偏光のスペクトラム像がそのアレイ方向に結像され、第２液晶素子アレイ６２上には、Ｐ偏光のスペクトラム像がそのアレイ方向に結像される。第１液晶素子アレイ６１と第２液晶素子アレイ６２は、互いに独立して動作するので、光学系に偏光特性が存在する場合、これを補償することも可能である。
【０１０６】
また、この光学系を見ると分かるように、分光器カメラ光学系５４は出側テレセントリックとなっており、主光線は、第１液晶素子アレイ６１、第２液晶素子アレイ６２に対してそれぞれ垂直に入射する。又、波長に応じた入射角度の変動もないので、液晶素子により与えられるリターデーションが、光束通過角度によって変動しないようにされ、正確なものとなる。
【０１０７】
反射型液晶素子アレイドライバ１３により、第１液晶素子アレイ６１、第２液晶素子アレイ６２の各単位液晶素子（アレイとなって配列されているものの一つ一つ）に印加する電圧を調整することにより、各単位液晶素子のリターデーションを調節する。これによって、第１液晶素子アレイ６１、第２液晶素子アレイ６２から反射して、入射してきた経路を逆にたどって戻っていく光束の、偏光の状態（一般には楕円偏光になっている）を、各単位液晶素子毎、すなわち入射した光の波長毎に変えることができる。
【０１０８】
第１液晶素子アレイ６１、第２液晶素子アレイ６２で変調されて反射された光は、分光器カメラ光学系５４によりグレーティング５３上に集光され、ここで、波長毎に分散していた光が２つの光束（Ｐ偏光とＳ偏光）に集められる。集められた光束は、分光器コリメータ５２によりスリット５１上に集光され、スリット５１を透過して、プレチルト補正波長板４を通り、ここで、Ｐ偏光とＳ偏光が、第１ウォラストンプリズム２に集光される。
【０１０９】
第１ウォラストンプリズム２に集光されたＰ偏光とＳ偏光は、３つの光束となって出射する。すなわち、第１液晶素子アレイ６１、第２液晶素子アレイ６２によりリターデーションを受けていないＰ偏光とＳ偏光は、第１ウォラストンプリズム２によって一つの光束にまとめられ、入射してきた方に戻っていく。Ｐ偏光のうちリターデーションを受けてＳ偏光に変換された成分、Ｓ偏光のうちリターデーションを受けてＰ偏光に変換された成分は、第１ウォラストンプリズム２によって、さらに光路を曲げられ、図６に示すように外側に広がって進行する。そして、第１光学系１により集光された後、第３光学系７により平行光に変えられ、第２ウォラストンプリズム８に入射する。第２ウォラストンプリズム８は、このＰ偏光とＳ偏光を一つの光にまとめて出力する。図６に示す例では、第１光学系１と第３光学系７とでアフォーカルな光学系が構成されている。
【０１１０】
また、第１ウォラストンプリズム２による偏光分離点と、波長分散型分光器５に用いられているグレーティング５３における波長分解点、および第２ウォラストンプリズム８による偏光合波点がほぼ共役関係にあるようにされている。これにより、グレーティング５３と第１ウォラストンプリズム２、第２ウォラストンプリズム８を通過する光束断面積を最小にして高価な素子の大きさを小さくすることができる。
【０１１１】
以上述べたような光学系において、第２ウォラストンプリズム８から出射する光のスペクトラムは、第１液晶素子アレイ６１、第２液晶素子アレイ６２によって受けたリターデーションによって変化するので、反射型液晶素子アレイドライバ１３の出力により、このスペクトル分布を変化させることができ、チューナブルフィルタとしての作用を果たしている。
【符号の説明】
【０１１２】
９…白色光源部、２０…波長選択素子、２１、２２…ビームスプリッタ、２３…補正板、２４…参照ミラー、２６…結像光学系、２７…撮像素子、３０…コントロールユニット
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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