(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用する光の波長を超える高低差を含みうる、物体の表面形状を測定する物体形状測定方法であって、
物体の表面形状に由来する第１位相分布を含む第１波長の第１物体光と、前記第１波長の第１参照光とから、互いに位相差が異なる第１干渉縞および第２干渉縞を生成し、前記第１干渉縞の強度分布および前記第２干渉縞の強度分布を検出する工程と、
前記第１物体光と前記第１参照光とから生成されうる、前記第１干渉縞および前記第２干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布を算出する工程と、
前記第１干渉縞の強度分布、前記第２干渉縞の強度分布、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布から、前記第１物体光に含まれる前記第１位相分布を算出する工程と、
前記物体の表面形状に由来する第２位相分布を含む、前記第１波長とは異なる第２波長の第２物体光と、前記第２波長の参照光とから、互いに位相差が異なる第５干渉縞および第６干渉縞を生成し、前記第５干渉縞の強度分布および前記第６干渉縞の強度分布を検出する工程と、
前記第２物体光と前記第２参照光とから生成されうる、前記第５干渉縞および前記第６干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第７干渉縞および第８干渉縞を仮想的に生成し、前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布を算出する工程と、
前記第５干渉縞の強度分布、前記第６干渉縞の強度分布、前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布から、前記第２物体光に含まれる前記第２位相分布を算出する工程と、
算出された前記第１位相分布および前記第２位相分布から、前記第１波長および前記第２波長を超える高低差を含みうる、前記物体の表面形状を表す深さ分布を算出する工程と、
を含み、
前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布は、前記第１干渉縞の強度分布と、前記第２干渉縞の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度の比の分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度の比の分布とから算出され、
前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布は、前記第５干渉縞の強度分布と、前記第６干渉縞の強度分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度の比の分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度の比の分布とから算出される、
物体形状測定方法。
【請求項２】
前記第３干渉縞の強度分布、前記第４干渉縞の強度分布、前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布は、それぞれ以下の式（１）、式（２）、式（３）および式（４）により算出される、請求項１に記載の物体形状測定方法。
【数１】
0006592796.tif 000035
【数２】
0006592796.tif 000036
（式（１）および式（２）において、Ｈ１は前記第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は前記第２干渉縞の強度分布であり、Ｈ３は前記第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は前記第４干渉縞の強度分布であり、Ａｏ２は前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度分布であり、Ａｒ２は前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度分布であり、αは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度の比の分布であり、βは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度の比の分布である。）
【数３】
0006592796.tif 000037
【数４】
0006592796.tif 000038
（式（３）および式（４）において、Ｈ５は前記第５干渉縞の強度分布であり、Ｈ６は前記第６干渉縞の強度分布であり、Ｈ７は前記第７干渉縞の強度分布であり、Ｈ８は前記第８干渉縞の強度分布であり、Ａｏ’２は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度分布であり、Ａｒ’２は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度分布であり、α’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度の比の分布であり、β’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度の比の分布である。）
【請求項３】
前記第１位相分布および前記第２位相分布は、それぞれ以下の式（５）および式（６）により算出される複素振幅の分布である、請求項２に記載の物体形状測定方法。
【数５】
0006592796.tif 000039
（式（５）において、Ａｏｅｘｐ（ｉφ）は前記第１位相分布であり、Ｈ１は前記第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は前記第２干渉縞の強度分布であり、Ｈ３は前記第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は前記第４干渉縞の強度分布であり、Ａｒは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度の平方根の分布であり、αは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度の比の分布であり、βは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度の比の分布であり、γは前記第１干渉縞と前記第２干渉縞との位相差である。）
【数６】
0006592796.tif 000040
（式（６）において、Ａｏ’ｅｘｐ（ｉφ）は前記第２位相分布であり、Ｈ５は前記第５干渉縞の強度分布であり、Ｈ６は前記第６干渉縞の強度分布であり、Ｈ７は前記第７干渉縞の強度分布であり、Ｈ８は前記第８干渉縞の強度分布であり、Ａｒ’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度の平方根の分布であり、α’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度の比の分布であり、β’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度の比の分布であり、γ’は前記第５干渉縞と前記第６干渉縞との位相差である。）
【請求項４】
前記深さ分布は、以下の式（７）および式（８）を用いてＬ１＝Ｌ２となるときのｍおよびｎの値を算出し、算出されたｍおよびｎの値を代入した式（７）および式（８）により算出される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の物体形状測定方法。
【数７】
0006592796.tif 000041
（式（７）において、Ｌ１は前記物体の表面の任意の点における深さであり、φ１は前記物体の表面の任意の点に対応する前記第１位相分布の点における位相の算出値（−π≦φ１≦π）であり、λ１は第１波長であり、ｍは正の整数である。）
【数８】
0006592796.tif 000042
（式（８）において、Ｌ２は前記物体の表面の任意の点における深さであり、φ２は前記物体の表面の任意の点に対応する前記第２位相分布の点における位相の算出値（−π≦φ２≦π）であり、λ２は第２波長であり、ｎは正の整数である。）
【請求項５】
使用する光の波長を超える高低差を含みうる、物体の表面形状を測定する物体形状測定装置であって、
第１波長のレーザー光と、前記第１波長とは異なる第２波長のレーザー光とを同一光軸上に出射する光源部と、
前記光源部から出射されたレーザー光を、物体光および参照光に分離する光分離部と、
物体に対して透過または反射させた、前記物体の表面形状に由来する位相分布を含む前記物体光と、前記参照光とを合波して干渉波を生成する干渉波生成部と、
前記干渉波から互いに位相差が異なる２つの干渉縞を生成し、前記２つの干渉縞の強度分布を検出する検出部と、
前記光源部が前記第１波長のレーザー光を出射したときに前記検出部が検出した２つの干渉縞の強度分布と、前記光源部が前記第２波長のレーザー光を出射したときに前記検出部が検出した２つの干渉縞の強度分布とから、前記第１波長および前記第２波長を超える高低差を含みうる、前記物体の表面形状を表す深さ分布を算出する処理部と、
を有し、
前記検出部は、前記第１波長のレーザー光に由来する前記物体光としての第１物体光と、前記第１波長のレーザー光に由来する前記参照光としての第１参照光とから、前記２つの干渉縞として第１干渉縞および第２干渉縞を生成し、前記第１干渉縞の強度分布および前記第２干渉縞の強度分布を検出し、
前記処理部は、前記第１干渉縞の強度分布と、前記第２干渉縞の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度の比の分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度の比の分布とから、前記第１干渉縞および前記第２干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布を算出し、
前記検出部は、前記第２波長のレーザー光に由来する前記物体光としての第２物体光と、前記第２波長のレーザー光に由来する前記参照光としての第２参照光とから、前記２つの干渉縞として第５干渉縞および第６干渉縞を生成し、前記第５干渉縞の強度分布および前記第６干渉縞の強度分布を検出し、
前記処理部は、前記第５干渉縞の強度分布と、前記第６干渉縞の強度分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度の比の分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度の比の分布とから、前記第５干渉縞および前記第６干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第７干渉縞および第８干渉縞を仮想的に生成し、前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布を算出し、
前記処理部は、前記第１干渉縞の強度分布、前記第２干渉縞の強度分布、前記第３干渉縞の強度分布、前記第４干渉縞の強度分布、前記第５干渉縞の強度分布、前記第６干渉縞の強度分布、前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布から、前記第１波長および前記第２波長を超える高低差を含みうる、前記物体の表面形状を表す深さ分布を算出する、
物体形状測定装置。
【請求項６】
位相分布を含む物体光と、前記物体光と同一波長の参照光とから、互いに位相差が異なる第１干渉縞および第２干渉縞を生成し、前記第１干渉縞の強度分布および前記第２干渉縞の強度分布を検出する工程と、
前記物体光と前記参照光とから生成されうる、前記第１干渉縞および前記第２干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布を算出する工程と、
前記第１干渉縞の強度分布、前記第２干渉縞の強度分布、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布から、前記物体光に含まれる前記位相分布を算出する工程と、
を含み、
前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布は、前記第１干渉縞の強度分布と、前記第２干渉縞の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度の比の分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度の比の分布とから算出される、
光位相測定方法。
【請求項７】
前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布は、それぞれ以下の式（１）および式（２）により算出される、請求項６に記載の光位相測定方法。
【数９】
0006592796.tif 000043
【数１０】
0006592796.tif 000044
（式（１）および式（２）において、Ｈ１は前記第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は前記第２干渉縞の強度分布であり、Ｈ３は前記第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は前記第４干渉縞の強度分布であり、Ａｏ２は前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度分布であり、Ａｒ２は前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度分布であり、αは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度の比の分布であり、βは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度の比の分布である。）
【請求項８】
前記位相分布は、以下の式（５）により算出される複素振幅の分布である、請求項７に記載の光位相測定方法。
【数１１】
0006592796.tif 000045
（式（５）において、Ａｏｅｘｐ（ｉφ）は前記位相分布であり、Ｈ１は前記第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は前記第２干渉縞の強度分布であり、Ｈ３は前記第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は前記第４干渉縞の強度分布であり、Ａｒは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度の平方根の分布であり、αは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度の比の分布であり、βは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度の比の分布であり、γは前記第１干渉縞と前記第２干渉縞との位相差である。）
【請求項９】
位相分布を含む物体光と、前記物体光と同一波長の参照光とを合波して干渉波を生成する干渉波生成部と、
前記干渉波から互いに位相差が異なる第１の干渉縞および第２の干渉縞を生成し、前記第１の干渉縞の強度分布および前記第２の干渉縞の強度分布を検出する検出部と、
前記第１の干渉縞の強度分布および前記第２の干渉縞の強度分布から前記位相分布を算出する処理部と、
を有し、
前記処理部は、前記第１の干渉縞の強度分布と、前記第２の干渉縞の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度の比の分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度の比の分布とから、前記第１干渉縞および前記第２干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布を算出し、前記第１干渉縞の強度分布、前記第２干渉縞の強度分布、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布から、前記位相分布を算出する、
光位相測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体形状測定方法、物体形状測定装置、光位相測定方法および光位相測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光の位相分布を測定できる技術は、光学分野においてきわめて重要な役割を担っている。この光位相測定において高解像度に位相分布を測定できる有力な技術として、位相シフトデジタルホログラフィが提案されている（非特許文献１参照）。この手法では、物体光（信号光）と参照光との干渉縞を複数生成し、これらの強度分布から光の位相分布を算出する。このような位相測定技術を用いて得られる位相情報は、被測定物体の深さ方向（奥行きｚ）の情報を有しているため、物体の３次元情報の測定に極めて有用である（非特許文献２参照）。しかし、位相の最大値は２πであるため、深さ方向の測定可能域は制限される。たとえば、波長５３２ｎｍの光を用いて物体からの透過光によって物体の厚さを測定する場合、厚さ方向の測定可能域は波長と等しい５３２ｎｍに制限される。また、波長５３２ｎｍの光を用いて物体からの反射光によって物体表面の凹部の深さを測定する場合、深さ方向の測定可能域は波長の半分の２６６ｎｍに制限される。
【０００３】
このため、従来技術においては、物体の面方向（ｘ，ｙ）の複数の位置の位相情報から２πを超える位相差を推定する「位相接続」と呼ばれる方法により、使用する光の波長を超える深さ分布を取得している（非特許文献３参照）。位相接続では、測定された位相分布の不連続点を検出し、その不連続点を繋ぎ合わせることで物体の位相分布を深さ分布へと変換する。このことから、位相分布の不連続点を正確に検出するために、被測定物体の測定面の変化が一定であること、および測定された位相分布のノイズが十分に抑制されていることが求められる。このため、従来技術には、被測定物体の形状がある程度緩やかに変化するものに限定されたり、実際の測定可能域が波長の数倍程度までに制限されたりするなどの課題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ichirou Yamaguchi and Tong Zhang, "Phase-shifting digital holography", Optics Letters, Vol. 22, No. 16, pp. 1268-1270.
【非特許文献２】Bahram Javidi and Daesuk Kim, “Three-dimensional-object recognition by use of single-exposure on-axis digital holography”, Optics Letters, Vol. 30, No. 3 , pp. 236-238.
【非特許文献３】Pietro Ferraro, Sergio De Nicola, Andrea Finizio, Giuseppe Coppola, Simonetta Grilli, Carlo Magro, and Giobanni Peerattini, “Compensation of the inherent wave front curvature in digital holographic coherent microscopy for quantitative phase-contrast imaging”, Applied Optics, Vol. 42, No. 11, pp. 1938-1946.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、位相接続を用いた従来の物体形状測定方法では、被測定物体の測定面の変化が一定であること、および測定された位相分布のノイズが十分に抑制されていることが求められる。したがって、従来の測定方法では、平面鏡やレンズなどの単純な形状を有する物体の形状を測定することはできるが、複雑な構造を有する物体の形状を測定することは難しい。また、フィルタリング処理などのノイズ除去を行うと、ノイズと共に位相分布の不連続点も同時に除去してしまう可能性があるため、ノイズ除去および位相接続の両方を行うことは難しい。すなわち、位相接続を用いた従来の物体形状測定方法には、形状が予測できる物体しか形状を測定することができない点、およびノイズ除去により位相接続の精度が低下する点の２つの欠点がある。このため、従来の測定方法は、その適用範囲が著しく狭かった。
【０００６】
そこで、本発明は、位相接続をすることなく、使用する光の波長を超える高低差を含みうる物体の表面形状を測定できる物体形状測定方法および物体形状測定装置を提供することを目的とする。また、本発明は、２枚の干渉縞を用いて、物体光と参照光の強度比に依存せずに位相分布を測定することができる光位相測定方法および光位相測定装置を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下の物体形状測定方法および物体形状測定装置に関する。
［１］使用する光の波長を超える高低差を含みうる、物体の表面形状を測定する物体形状測定方法であって、物体の表面形状に由来する第１位相分布を含む第１波長の第１物体光と、前記第１波長の第１参照光とから、互いに位相差が異なる第１干渉縞および第２干渉縞を生成し、前記第１干渉縞の強度分布および前記第２干渉縞の強度分布を検出する工程と、前記第１物体光と前記第１参照光とから生成されうる、前記第１干渉縞および前記第２干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布を算出する工程と、前記第１干渉縞の強度分布、前記第２干渉縞の強度分布、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布から、前記第１物体光に含まれる前記第１位相分布を算出する工程と、前記物体の表面形状に由来する第２位相分布を含む、前記第１波長とは異なる第２波長の第２物体光と、前記第２波長の参照光とから、互いに位相差が異なる第５干渉縞および第６干渉縞を生成し、前記第５干渉縞の強度分布および前記第６干渉縞の強度分布を検出する工程と、前記第２物体光と前記第２参照光とから生成されうる、前記第５干渉縞および前記第６干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第７干渉縞および第８干渉縞を仮想的に生成し、前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布を算出する工程と、前記第５干渉縞の強度分布、前記第６干渉縞の強度分布、前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布から、前記第２物体光に含まれる前記第２位相分布を算出する工程と、算出された前記第１位相分布および前記第２位相分布から、前記第１波長および前記第２波長を超える高低差を含みうる、前記物体の表面形状を表す深さ分布を算出する工程と、を含み、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布は、前記第１干渉縞の強度分布と、前記第２干渉縞の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度の比の分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度の比の分布とから算出され、前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布は、前記第５干渉縞の強度分布と、前記第６干渉縞の強度分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度の比の分布と、前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度の比の分布とから算出される、
物体形状測定方法。
［２］前記第３干渉縞の強度分布、前記第４干渉縞の強度分布、前記第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布は、それぞれ以下の式（１）、式（２）、式（３）および式（４）により算出される、［１］に記載の物体形状測定方法。
【数１】
0006592796.tif 000002
【数２】
0006592796.tif 000003
（式（１）および式（２）において、Ｈ１は前記第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は前記第２干渉縞の強度分布であり、Ｈ３は前記第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は前記第４干渉縞の強度分布であり、Ａｏ２は前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度分布であり、Ａｒ２は前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度分布であり、αは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度の比の分布であり、βは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度の比の分布である。）
【数３】
0006592796.tif 000004
【数４】
0006592796.tif 000005
（式（３）および式（４）において、Ｈ５は前記第５干渉縞の強度分布であり、Ｈ６は前記第６干渉縞の強度分布であり、Ｈ７は前記第７干渉縞の強度分布であり、Ｈ８は前記第８干渉縞の強度分布であり、Ａｏ’２は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度分布であり、Ａｒ’２は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度分布であり、α’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度の比の分布であり、β’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度の比の分布である。）
［３］前記第１位相分布および前記第２位相分布は、それぞれ以下の式（５）および式（６）により算出される複素振幅の分布である、［２］に記載の物体形状測定方法。
【数５】
0006592796.tif 000006
（式（５）において、Ａｏｅｘｐ（ｉφ）は前記第１位相分布であり、Ｈ１は前記第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は前記第２干渉縞の強度分布であり、Ｈ３は前記第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は前記第４干渉縞の強度分布であり、Ａｒは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度の平方根の分布であり、αは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１物体光の強度の比の分布であり、βは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記第１参照光の強度の比の分布であり、γは前記第１干渉縞と前記第２干渉縞との位相差である。）
【数６】
0006592796.tif 000007
（式（６）において、Ａｏ’ｅｘｐ（ｉφ）は前記第２位相分布であり、Ｈ５は前記第５干渉縞の強度分布であり、Ｈ６は前記第６干渉縞の強度分布であり、Ｈ７は前記第７干渉縞の強度分布であり、Ｈ８は前記第８干渉縞の強度分布であり、Ａｒ’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度の平方根の分布であり、α’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２物体光の強度の比の分布であり、β’は前記第５干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度に対する前記第６干渉縞の生成に用いられた前記第２参照光の強度の比の分布であり、γ’は前記第５干渉縞と前記第６干渉縞との位相差である。）
［４］前記深さ分布は、以下の式（７）および式（８）を用いてＬ１＝Ｌ２となるときのｍおよびｎの値を算出し、算出されたｍおよびｎの値を代入した式（７）および式（８）により算出される、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の物体形状測定方法。
【数７】
0006592796.tif 000008
（式（７）において、Ｌ１は前記物体の表面の任意の点における深さであり、φ１は前記物体の表面の任意の点に対応する前記第１位相分布の点における位相の算出値（−π≦φ１≦π）であり、λ１は第１波長であり、ｍは正の整数である。）
【数８】
0006592796.tif 000009
（式（８）において、Ｌ２は前記物体の表面の任意の点における深さであり、φ２は前記物体の表面の任意の点に対応する前記第２位相分布の点における位相の算出値（−π≦φ２≦π）であり、λ２は第２波長であり、ｎは正の整数である。）
［５］使用する光の波長を超える高低差を含みうる、物体の表面形状を測定する物体形状測定装置であって、第１波長のレーザー光と、前記第１波長とは異なる第２波長のレーザー光とを同一光軸上に出射する光源部と、前記光源部から出射されたレーザー光を、物体光および参照光に分離する光分離部と、物体に対して透過または反射させた、前記物体の表面形状に由来する位相分布を含む前記物体光と、前記参照光とを合波して干渉波を生成する干渉波生成部と、前記干渉波から互いに位相差が異なる２つの干渉縞を生成し、前記２つの干渉縞の強度分布を検出する検出部と、前記光源部が前記第１波長のレーザー光を出射したときに前記検出部が検出した２つの干渉縞の強度分布と、前記光源部が前記第２波長のレーザー光を出射したときに前記検出部が検出した２つの干渉縞の強度分布とから、前記第１波長および前記第２波長を超える高低差を含みうる、前記物体の表面形状を表す深さ分布を算出する処理部と、を有する、物体形状測定装置。
【０００８】
また、本発明は、以下の光位相測定方法および光位相測定装置に関する。
［６］位相分布を含む物体光と、前記物体光と同一波長の参照光とから、互いに位相差が異なる第１干渉縞および第２干渉縞を生成し、前記第１干渉縞の強度分布および前記第２干渉縞の強度分布を検出する工程と、前記物体光と前記参照光とから生成されうる、前記第１干渉縞および前記第２干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布を算出する工程と、前記第１干渉縞の強度分布、前記第２干渉縞の強度分布、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布から、前記物体光に含まれる前記位相分布を算出する工程と、を含み、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布は、前記第１干渉縞の強度分布と、前記第２干渉縞の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度の比の分布と、前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度の比の分布とから算出される、光位相測定方法。
［７］前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布は、それぞれ以下の式（１）および式（２）により算出される、［６］に記載の光位相測定方法。
【数９】
0006592796.tif 000010
【数１０】
0006592796.tif 000011
（式（１）および式（２）において、Ｈ１は前記第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は前記第２干渉縞の強度分布であり、Ｈ３は前記第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は前記第４干渉縞の強度分布であり、Ａｏ２は前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度分布であり、Ａｒ２は前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度分布であり、αは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度の比の分布であり、βは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度の比の分布である。）
［８］前記位相分布は、以下の式（５）により算出される複素振幅の分布である、［７］に記載の光位相測定方法。
【数１１】
0006592796.tif 000012
（式（５）において、Ａｏｅｘｐ（ｉφ）は前記位相分布であり、Ｈ１は前記第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は前記第２干渉縞の強度分布であり、Ｈ３は前記第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は前記第４干渉縞の強度分布であり、Ａｒは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度の平方根の分布であり、αは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記物体光の強度の比の分布であり、βは前記第１干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度に対する前記第２干渉縞の生成に用いられた前記参照光の強度の比の分布であり、γは前記第１干渉縞と前記第２干渉縞との位相差である。）
［９］位相分布を含む物体光と、参照光とを合波して干渉波を生成する干渉波生成部と、前記干渉波から互いに位相差が異なる第１の干渉縞および第２の干渉縞を生成し、前記第１の干渉縞の強度分布および前記第２の干渉縞の強度分布を検出する検出部と、前記第１の干渉縞の強度分布および前記第２の干渉縞の強度分布から前記位相分布を算出する処理部と、を有し、前記処理部は、前記第１の干渉縞の強度分布および前記第２の干渉縞の強度分布から、前記第１干渉縞および前記第２干渉縞のいずれとも位相差が異なり、かつ互いに位相差が異なる第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布を算出し、前記第１干渉縞の強度分布、前記第２干渉縞の強度分布、前記第３干渉縞の強度分布および前記第４干渉縞の強度分布から、前記位相分布を算出する、光位相測定装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る物体形状測定方法および物体形状測定装置によれば、位相接続をすることなく、使用する光の波長を超える高低差を含みうる物体の表面形状を測定することができる。したがって、本発明に係る物体形状測定方法および物体形状測定装置によれば、複雑な形状の物体表面の形状を測定ノイズを除去しなくても高精度に測定することができる。また、本発明に係る光位相測定方法および光位相測定装置によれば、２枚の干渉縞を用いて、物体光と参照光の強度の比の分布に依存せずに位相分布を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る物体形状測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、２枚の干渉縞から別の２枚の干渉縞を仮想的に生成する方法を説明するための概念図である。
【図３】図３は、４枚の干渉縞の強度分布を用いて、物体光に含まれる位相情報を算出する方法を説明するための概念図である。
【図４】図４は、位相の測定値をそのまま深さに変換した値と、物体表面の実際の深さとの関係を示すグラフである。
【図５】図５は、ｍおよびｎを決定する手順の一例を示すフローチャートである
【図６】図６は、物体形状測定装置の変形例の構成を示す模式図である。
【図７】図７Ａ〜Ｄは、本発明に係る物体形状測定方法のシミュレーション結果である。
【図８】図８は、本発明に係る方法および従来の方法における、位相の算出値の誤差を示すグラフである。
【図９】図９Ａ〜Ｃは、本発明に係る方法と従来の方法とを用いて位相変調信号を測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
１．物体形状測定方法および物体形状測定装置
［物体形状測定方法］
本発明に係る物体形状測定方法は、使用する光の波長を超える高低差を含んでいても位相接続をすることなく物体の表面形状を測定することができる方法である。以下、本発明に係る物体形状測定方法の内容について説明する。
【００１２】
本発明に係る物体形状測定方法では、第１工程として、測定対象の物体に対して第１波長の光を反射または透過して得られる第１波長の第１物体光と、第１波長の第１参照光とを干渉させて得られる、２枚の干渉縞の強度分布を測定する。そして、これらの２枚の干渉縞の強度分布を用いて、第１物体光に含まれる第１位相分布を算出する。この第１位相分布は、第１波長λ１で測定されたときの位相φ１（−π≦φ１≦π）という形態で物体の表面形状の情報を含む。
【００１３】
また、第２工程として、測定対象の物体に対して第１波長とは異なる第２波長の光を反射または透過して得られる第２波長の第２物体光と、第２波長の第２参照光とを干渉させて得られる、２枚の干渉縞の強度分布を測定する。そして、これらの２枚の干渉縞の強度分布を用いて、第２物体光に含まれる第２位相分布を算出する。この第２位相分布は、第２波長λ２で測定されたときの位相φ２（−π≦φ２≦π）という形態で物体の表面形状の情報を含む。第１位相分布と第２位相分布とでは、物体の同一箇所の表面形状の情報を含むという点では共通しているが、波長が異なるため位相の測定値は互いに異なっている（偶然一致している場合もある）。
【００１４】
なお、第１工程および第２工程は、いずれもこの次に説明する第３工程より前に行われるが、第１工程および第２工程の順番は特に限定されない。たとえば、第１工程を第２工程より先に行ってもよいし、第２工程を第１工程より先に行ってもよい。また、第１工程および第２工程を並行して行ってもよい。
【００１５】
次いで、第３工程として、第１工程で算出された第１位相分布と、第２工程で算出された第２位相分布とから、物体の表面形状を表す深さ分布を位相接続をすることなく算出する。この第３工程で算出される深さ分布は、第１波長および第２波長を超える高低差を含むことができる。
【００１６】
以下、第１工程、第２工程および第３工程の各工程について説明する。
【００１７】
（第１工程）
第１工程は、より詳細には、（１）第１波長の第１物体光と第１参照光とから生成される第１干渉縞および第２干渉縞の強度分布を検出する工程と、（２）第１物体光と第１参照光とから仮想的に生成される第３干渉縞および第４干渉縞の強度分布を算出する工程と、（３）第１干渉縞の強度分布、第２干渉縞の強度分布、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布を用いて、第１物体光に含まれる第１位相分布を算出する工程と、を含む。
【００１８】
まず、第１波長の第１物体光と第１参照光とから、互いに位相差が異なる第１干渉縞および第２干渉縞を生成し、第１干渉縞の強度分布および第２干渉縞の強度分布を検出する（上記（１）の工程）。第１物体光は、測定対象の物体に対して第１波長の光を反射または透過して得られる光であり、物体の表面形状に由来する第１位相分布を含む。第１参照光は、第１物体光と干渉可能な第１波長の光である。
【００１９】
図１に示される光学系（後述の物体形状測定装置の項で詳細に説明する）を用いて説明する。ここでは、第１レーザー光源（Laser 1）から出射された波長５３２ｎｍのレーザー光を分岐して第１物体光（Object beam）および第１参照光（Reference beam）を生成している。第１物体光は、測定対象の物体（Object）の表面で反射している。直線偏光の第１物体光は第２半波長板（ＨＷＰ２）によりその偏向角が４５°回転させられる。したがって、第１物体光は、第３ビームスプリッター（ＢＳ３）の位置において、互いに同位相の水平偏光成分と垂直偏光成分とを半分ずつ有している。一方、直線偏光の第１参照光は、１／４波長板（ＱＷＰ）によってその偏光状態を円偏光に変換される。円偏光とは、水平偏光成分と垂直偏光成分の位相差がπ／２である偏光状態を意味する。したがって、第１参照光は、第３ビームスプリッター（ＢＳ３）の位置において、互いの位相差がπ／２である水平偏光成分と垂直偏光成分とを半分ずつ有している。
【００２０】
このようにして得られた４５°直線偏光の第１物体光と円偏光の第１参照光とは、第３ビームスプリッター（ＢＳ３）において合波され、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）に向かう。第１物体光の水平偏光成分および第１参照光の水平偏光成分は、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）を透過（直進）し、第１検出部（ＣＣＤ１）の検出面上に第１干渉縞を生成する。第１検出部（ＣＣＤ１）は、この第１干渉縞の強度分布を検出する。一方、第１物体光の垂直偏光成分および第１参照光の垂直偏光成分は、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）で反射し、第２検出部（ＣＣＤ２）の検出面上に第２干渉縞を生成する。このとき、円偏光の第１参照光では、水平偏光成分と垂直偏光成分との位相差がπ／２であるため、第１干渉縞を生成する干渉波と、第２干渉縞を生成する干渉波との間には、π／２の位相差が発生する。第２検出部（ＣＣＤ２）は、この第１干渉縞の強度分布を検出する。
【００２１】
上記のとおり、円偏光の第１参照光では水平偏光成分と垂直偏光成分との位相差がπ／２であるため、第１干渉縞と第２干渉縞との位相差はπ／２となるはずである。しかしながら、半波長板および１／４波長板には対応波長があるため、第１干渉縞と第２干渉縞との実際の位相差はπ／２から外れることがある。波長板の対応波長をλｅ、波長板に入射する光の波長をλとすると、半波長板が与える位相差δ１および１／４波長板が与える位相差δ２は、以下の式（９）および式（１０）のように記述されうる。
【数１２】
0006592796.tif 000013
【数１３】
0006592796.tif 000014
【００２２】
これら２つの位相差の差分が干渉縞に与えられる位相差となるので、第１干渉縞と第２干渉縞との位相差δは、以下の式（１１）のように導出される。このことからわかるように、第１干渉縞と第２干渉縞との位相差は、厳密にはπ／２とはならないことがある。この後説明するように、本発明に係る物体形状測定方法では、第１干渉縞と第２干渉縞との位相差がπ／２でなくても特に問題無く、物体の表面形状を測定することができる。
【数１４】
0006592796.tif 000015
【００２３】
次いで、第１干渉縞の強度分布および第２干渉縞の強度分布の測定結果を用いて、第１物体光と第１参照光とから第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布を算出する（上記（２）の工程）。第３干渉縞は、第１物体光と第１参照光とから生成されうる干渉縞であって、第１干渉縞および第２干渉縞のいずれとも位相差が異なる干渉縞である。また、第４干渉縞は、第１物体光と第１参照光とから生成されうる干渉縞であって、第１干渉縞、第２干渉縞および第３干渉光のいずれとも位相差が異なる干渉縞である。
【００２４】
図２は、第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成する方法を説明するための概念図である。Ｈ１は実際に生成された第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は実際に生成された第２干渉縞の強度分布である。Ｈ３は仮想的に生成された第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は仮想的に生成された第４干渉縞の強度分布である。Ｓ１は第１干渉縞の生成に用いられた第１物体光の強度分布であり、Ｒ１は第１干渉縞の生成に用いられた第１参照光の強度分布である。Ｓ２は第２干渉縞の生成に用いられた第１物体光の強度分布であり、Ｒ２は第２干渉縞の生成に用いられた第１参照光の強度分布である。この図に示されるように、第３干渉縞の強度分布Ｈ３および第４干渉縞の強度分布Ｈ３は、第１干渉縞の強度分布Ｈ１と、第２干渉縞の強度分布Ｈ２と、第１干渉縞の生成に用いられた第１物体光の強度分布Ｓ１と、第１干渉縞の生成に用いられた第１参照光の強度分布Ｒ１と、第２干渉縞の生成に用いられた第１物体光の強度分布Ｓ２と、第２干渉縞の生成に用いられた第１参照光の強度分布Ｒ２とから計算機上において仮想的に生成されうる。以下、第３干渉縞および第４干渉縞が仮想的に生成されうることについて説明する。
【００２５】
まず、第１干渉縞の生成に用いられた第１物体光の強度分布をＡＯ２（図２ではＳ１と表記）とし、第１干渉縞の生成に用いられた第１参照光の強度分布をＡｒ２（図２ではＲ１と表記）とすると、第１干渉縞の強度分布Ｈ１および第２干渉縞の強度分布Ｈ２は、それぞれ以下の式（１２）および式（１３）のように記述されうる。ここで、αは第１干渉縞の生成に用いられた第１物体光の強度ＡＯ２（図２ではＳ１と表記）に対する第２干渉縞の生成に用いられた第１物体光の強度（図２ではＳ２と表記）の比の分布であり、βは第１干渉縞の生成に用いられた第１参照光の強度Ａｒ２（図２ではＲ１と表記）に対する第２干渉縞の生成に用いられた第１参照光の強度（図２ではＲ２と表記）の比の分布である。また、φは第１物体光と第１参照光との位相差の分布であり、γは第１干渉縞と第２干渉縞との位相差である。
【数１５】
0006592796.tif 000016
【数１６】
0006592796.tif 000017
【００２６】
第１参照光が理想的な平面波である、すなわち第１参照光の位相が０であると仮定した場合、φは第１物体光の位相差の分布となる。よって、φを導出することが物体表面の形状を測定する上での目的となる。このとき、式（１２）および式（１３）中の三角関数は、それぞれ以下の式（１４）および式（１５）のように展開されうる。
【数１７】
0006592796.tif 000018
【数１８】
0006592796.tif 000019
【００２７】
これらのことから、第１の干渉縞から位相差がπずれた第３の干渉縞の強度分布Ｈ３は、以下の式（１６）により与えられる。同様に、第２の干渉縞から位相差がπずれた第４の干渉縞の強度分布Ｈ４は、以下の式（１７）により与えられる。
【数１９】
0006592796.tif 000020
【数２０】
0006592796.tif 000021
【００２８】
式（１６）および式（１７）により、第３の干渉縞の強度分布Ｈ３および第４の干渉縞の強度分布Ｈ４は、第１物体光の強度比の分布α、第１参照光の強度比の分布β、第１物体光の強度分布ＡＯ２、第１参照光の強度分布Ａｒ２、第１の干渉縞の強度分布Ｈ１および第２の干渉縞の強度分布Ｈ２の関数として記述されうることがわかる。これら６つの変数は、すべて検出部（図１の例では第１検出部（ＣＣＤ１）および第２検出部（ＣＣＤ２））において直接取得されうる。したがって、実際に取得した第１の干渉縞の強度分布Ｈ１および第２の干渉縞の強度分布Ｈ２から、それぞれ位相がπずれた第３の干渉縞の強度分布Ｈ３および第４の干渉縞の強度分布Ｈ４を計算機上で仮想的に生成することができる。
【００２９】
次いで、第１干渉縞の強度分布、第２干渉縞の強度分布、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布を用いて、第１物体光に含まれる第１位相分布を算出する（上記（３）の工程）。このように互いに位相差が異なる４枚の干渉縞の強度分布を用いることで、物体光と参照光との強度比に依存することなく位相分布を算出することができる。
【００３０】
図３は、第１干渉縞の強度分布、第２干渉縞の強度分布、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布を用いて、第１物体光に含まれる第１位相分布を算出する方法を説明するための概念図である。Ｈ１は実際に生成された第１干渉縞の強度分布であり、Ｈ２は実際に生成された第２干渉縞の強度分布である。Ｈ３は仮想的に生成された第３干渉縞の強度分布であり、Ｈ４は仮想的に生成された第４干渉縞の強度分布である。αは第１干渉縞の生成に用いられた第１物体光の強度（図３ではＳ１と表記）に対する第２干渉縞の生成に用いられた第１物体光の強度（図３ではＳ２と表記）の比の分布であり、βは第１干渉縞の生成に用いられた第１参照光の強度（図３ではＲ１と表記）に対する第２干渉縞の生成に用いられた第１参照光の強度（図３ではＲ２と表記）の比の分布である。γは第１干渉縞と第２干渉縞との位相差である。この図に示されるように、第１物体光に含まれる第１位相分布は、第１干渉縞の強度分布Ｈ１と、第２干渉縞の強度分布Ｈ２と、第３干渉縞の強度分布Ｈ３と、第４干渉縞の強度分布Ｈ４と、第１物体光の強度比の分布αと、第１参照光の強度比の分布βと、第１干渉縞と第２干渉縞との位相差γとから算出されうる。以下、第１物体光に含まれる第１位相分布がこれらの値から算出されうることについて説明する。
【００３１】
第１物体光に含まれる第１位相分布、すなわち第１物体光の複素振幅の分布は、上記（１）および（２）の工程で得られた第１干渉縞の強度分布Ｈ１、第２干渉縞の強度分布Ｈ２、第３干渉縞の強度分布Ｈ３および第４干渉縞の強度分布Ｈ４を用いて式（１８）のように導出される。
【数２１】
0006592796.tif 000022
【００３２】
このことから、２つの第１物体光の強度分布Ａｏ２（Ｓ１），αＡｏ２（Ｓ２）、２つの第１参照光の強度分布Ａｒ２（Ｒ１），βＡｒ２（Ｒ２）および任意の位相差を持つ２つの干渉縞の強度分布Ｈ１，Ｈ２を取得することで、第１物体光に含まれる第１位相分布を正確に測定できることがわかる。
【００３３】
（第２工程）
第２工程は、より詳細には、（４）第２波長の第２物体光と第２参照光とから生成される第５干渉縞および第６干渉縞の強度分布を検出する工程と、（５）第２物体光と第２参照光とから仮想的に生成される第７干渉縞および第８干渉縞の強度分布を算出する工程と、（６）第５干渉縞の強度分布、第６干渉縞の強度分布、第７干渉縞の強度分布および第８干渉縞の強度分布から、第２物体光に含まれる第２位相分布を算出する工程と、を含む。
【００３４】
第１工程では、第１波長の第１物体光および第１波長の第１参照光を使用するのに対し、第２工程では、第２波長の第２物体光および第２波長の第２参照光を使用する。すなわち、第１工程と第２工程とでは、使用する光の波長が異なる。第１波長の値および第２波長の値は、互いに異なっていれば特に限定されず、任意に設定されうる。たとえば、図１に示される光学系では、第２レーザー光源（Laser 2）から出射された波長５９３ｎｍのレーザー光を分岐して第２物体光（Object beam）および第２参照光（Reference beam）を生成している。第２物体光および第２参照光は、それぞれ第１物体光および第１参照光と同じ光路を進み、第１検出部（ＣＣＤ１）の検出面上に第５干渉縞を生成し、第２検出部（ＣＣＤ２）の検出面上に第６干渉縞を生成する。第１干渉縞および第２干渉縞と同様に、第５干渉縞と第６干渉縞との位相差は、おおよそπ／２である。
【００３５】
第２工程における上記（４）〜（６）の工程は、波長が異なる点を除いては、それぞれ第１工程における（１）〜（３）の工程と同じである。したがって、上記（４）〜（６）の工程については、詳細な説明を省略し、簡単に説明する。
【００３６】
まず、第２波長の第２物体光と第２参照光とから、互いに位相差が異なる第５干渉縞および第６干渉縞を生成し、第５干渉縞の強度分布および第６干渉縞の強度分布を検出する（上記（４）の工程）。第２物体光は、測定対象の物体に対して第２波長の光を反射または透過して得られる光であり、物体の表面形状に由来する第２位相分布を含む。第２参照光は、第２物体光と干渉可能な第２波長の光である。第１工程での説明と同様の理由により、第５干渉縞と第６干渉縞との位相差は、厳密にはπ／２とはならないことがある。
【００３７】
次いで、第５干渉縞の強度分布および第６干渉縞の強度分布の測定結果を用いて、第２物体光と第２参照光とから第７干渉縞および第８干渉縞を仮想的に生成し、第７干渉縞の強度分布および第８干渉縞の強度分布を算出する（上記（５）の工程、図２参照）。第７干渉縞は、第２物体光と第２参照光とから生成されうる干渉縞であって、第５干渉縞および第６干渉縞のいずれとも位相差が異なる干渉縞である。また、第８干渉縞は、第２物体光と第２参照光とから生成されうる干渉縞であって、第５干渉縞、第６干渉縞および第７干渉光のいずれとも位相差が異なる干渉縞である。
【００３８】
第１干渉縞の強度分布Ｈ１および第２干渉縞の強度分布Ｈ２と同様に、第５干渉縞の強度分布Ｈ５および第６干渉縞の強度分布Ｈ６は、それぞれ以下の式（１９）および式（２０）のように記述されうる。ここで、ＡＯ’２は第５干渉縞の生成に用いられた第２物体光の強度分布であり、Ａｒ’２は第５干渉縞の生成に用いられた第２参照光の強度分布である。α’は第５干渉縞の生成に用いられた第２物体光の強度に対する第６干渉縞の生成に用いられた第２物体光の強度の比の分布であり、β’は第５干渉縞の生成に用いられた第２参照光の強度に対する第６干渉縞の生成に用いられた第２参照光の強度の比の分布である。また、φ’は第２物体光と第２参照光との位相差の分布であり、γ’は第５干渉縞と第６干渉縞との位相差である。
【数２２】
0006592796.tif 000023
【数２３】
0006592796.tif 000024
【００３９】
そして、第５の干渉縞から位相差がπずれた第７の干渉縞の強度分布Ｈ７は、以下の式（２１）により与えられる。同様に、第６の干渉縞から位相差がπずれた第８の干渉縞の強度分布Ｈ８は、以下の式（２２）により与えられる。
【数２４】
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【数２５】
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【００４０】
次いで、第５干渉縞の強度分布、第６干渉縞の強度分布、第７干渉縞の強度分布および第８干渉縞の強度分布を用いて、第２物体光に含まれる第２位相分布を算出する（上記（６）の工程、図３参照）。
【００４１】
第２物体光に含まれる第２位相分布、すなわち第２物体光の複素振幅の分布は、上記（４）および（５）の工程で得られた第５干渉縞の強度分布Ｈ５、第６干渉縞の強度分布Ｈ６、第７干渉縞の強度分布Ｈ７および第８干渉縞の強度分布Ｈ８を用いて式（２３）のように導出される。
【数２６】
0006592796.tif 000027
【００４２】
このことから、２つの第２物体光の強度分布Ａｏ’２，α’Ａｏ’２、２つの第２参照光の強度分布Ａｒ’２，β’Ａｒ’２および任意の位相差を持つ２つの干渉縞の強度分布Ｈ５，Ｈ６を取得することで、第２物体光に含まれる第２位相分布を正確に測定できることがわかる。
【００４３】
（第３工程）
第３工程では、第１工程で算出された第１位相分布と、第２工程で算出された第２位相分布とから、物体の表面形状を表す深さ分布を算出する。前述のとおり、第３工程で算出される深さ分布は、第１波長および第２波長を超える高低差を含むことができる。
【００４４】
図４は、第１位相分布および第２位相分布に含まれる位相の測定値をそのまま深さに変換した値と、物体表面の実際の深さとの関係を示すグラフである。横軸は物体表面の位置（ｘ座標またはｙ座標の変化）を示し、縦軸は物体表面の深さ（ｚ座標）を示している。細い実線は、第１波長（例えば５３２ｎｍ）の光を用いて得られた位相の測定値（第１位相分布）をそのまま深さに変換した値を示し、細い破線は、第２波長（例えば５９３ｎｍ）の光を用いて得られた位相の測定値（第２位相分布）をそのまま深さに変換した値を示している。太い実線は、物体表面の実際の深さを示している。
【００４５】
このグラフにおいて細い実線および細い破線で示されるように、波長λ１および波長λ２よりも長い高低差を有する物体表面を波長λ１の光および波長λ２の光を使用して測定した場合には、位相の折り返し点が発生するため、最大でも波長の長さまでしか測定することができない。しかしながら、ある点での位相の測定値について位相の折り返し点の数がわかれば、その折り返し点の数に波長を掛けた値を位相の測定値に足し合わせることで、位相の測定値を物体の深さに変換することができる。
【００４６】
具体的には、まず、波長λ１の光および波長λ２の光を使用して測定した位相の測定値を深さに変換するために、以下の式（２４）および式（２５）のように深さを定義する（図４参照）。
【数２７】
0006592796.tif 000028
【数２８】
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【００４７】
Ｌ１およびＬ２は物体の表面の任意の点における深さである。φ１は波長λ１の光で測定された前記任意の点の位相の測定値であり、φ２は波長λ２で測定された前記任意の点の位相の測定値である。ｍはφ１についての位相の折り返し回数であり、ｎはφ２についての位相の折り返し回数である。ｍおよびｎはいずれも正の整数である（図４ではｍ＝２、ｎ＝２）。φ１およびφ２は測定値であるため、ｍおよびｎの値を決定できれば、位相の測定値を物体の深さに変換することができる。しかしながら、式（２４）または式（２５）単独ではｍおよびｎの値を決定できない。ここで、同じ物体を波長λ１の光および波長λ２の光で測定した場合に、位相測定が理想的に行われたと仮定したとき、Ｌ１＝Ｌ２となるｍおよびｎの組み合わせが必ず存在するはずである。そして、そのときのＬ１およびＬ２は物体の深さに対応する。たとえば、λ１を５３２ｎｍとし、λ２を５９３ｎｍとして厚さ１μｍの物体を測定した場合、φ１は約１.７６πであり、φ２は約１.３７πである。このとき、Ｌ１＝Ｌ２となるためのｍおよびｎは、両方とも１である。
【００４８】
したがって、物体の表面形状を表す深さ分布は、上記の式（２４）および式（２５）を用いてＬ１＝Ｌ２となるときのｍおよびｎの値を算出し、算出されたｍおよびｎの値を代入した式（２４）および式（２５）を用いることで算出されうることがわかる。
【００４９】
図５は、ｍおよびｎを決定する手順の一例を示すフローチャートである。まず、上記の式（２４）および式（２５）で定義されたＬ１およびＬ２のｍおよびｎにそれぞれ０を代入し（工程Ｓ１０）、Ｌ１−Ｌ２の絶対値が十分に小さいか否かを評価する（工程Ｓ２０）。このとき、Ｌ１−Ｌ２の絶対値が十分に小さければ（｜Ｌ１−Ｌ２｜≒０）、ｍおよびｎが０であると決定する（工程Ｓ３０）。一方、Ｌ１−Ｌ２の絶対値が大きければ、Ｌ１＞Ｌ２であるか否かを評価する（工程Ｓ４０）。そして、Ｌ１＞Ｌ２であればｎの値を１大きくし（工程Ｓ５０）、Ｌ１＜Ｌ２であればｍの値を１大きくして（工程Ｓ６０）、改めてＬ１−Ｌ２の絶対値が十分に小さいか否かを評価する（工程Ｓ２０）。これらの工程を繰り返して、Ｌ１−Ｌ２の絶対値が十分に小さい（｜Ｌ１−Ｌ２｜≒０）ときにｍおよびｎに代入されている数値を、ｍおよびｎとして決定する（工程Ｓ３０）。なお、工程Ｓ２０においてＬ１−Ｌ２の絶対値が十分に小さいか否かの評価基準は、任意に設定されうる。たとえば、第１波長が５３２ｎｍおよび第２波長が５９３ｎｍである場合に、｜Ｌ１−Ｌ２｜が小さい方の波長の３％（約１６ｎｍ＝５３２ｎｍ×０.０３）以下であれば、Ｌ１−Ｌ２の絶対値が十分に小さいと評価するようにしてもよい。
【００５０】
以上の手順により、２種類の波長の光を用いて位相測定を行うことで、位相接続することなく波長を超える物体の表面形状の測定をすることができる。
【００５１】
本発明に係る物体形状測定方法を行うための装置および光学系の構成は、特に限定されない。たとえば、次に説明する本発明に係る物体形状測定装置を用いることで、本発明に係る物体形状測定方法を行うことができる。
【００５２】
［物体形状測定装置］
本発明に係る物体形状測定装置は、本発明に係る物体形状測定方法を行うための装置である。本発明に係る物体形状測定装置は、少なくとも、光源部、光分離部、干渉波生成部、検出部および処理部を有する。
【００５３】
光源部は、第１波長のレーザー光と、前記第１波長とは異なる第２波長のレーザー光とを同一光軸上に出射する。光源部は、互いに波長が異なる２つのレーザー光源を有していてもよいし、２波長のレーザー光を出力可能なレーザー光源を１つ有していてもよい。光源部が２つのレーザー光源を有している場合、ビームスプリッターなどを用いて一方のレーザー光源の光軸と他方のレーザー光源の光軸が重ね合わされる。
【００５４】
光分離部は、前記光源部から出射されたレーザー光を、物体光および参照光に分離する。第１波長のレーザー光からは第１物体光および第１参照光が生成され、第２波長のレーザー光からは第２物体光および第２参照光が生成される。たとえば、光分離部は、偏光ビームスプリッターである。分離された物体光（第１物体光または第２物体光）は、測定対象の物体に向かって進行し、この物体に対して透過または反射させられる。これにより、物体光（第１物体光または第２物体光）は、物体の表面形状に由来する位相分布（第１位相分布または第２位相分布）を含む光となる。
【００５５】
干渉波生成部は、物体に対して透過または反射させた、物体の表面形状に由来する位相分布を含む物体光（第１物体光または第２物体光）と、参照光（第１参照光または第２参照光）とを合波して干渉波を生成する。たとえば、干渉波生成部は、ビームスプリッターである。
【００５６】
検出部は、干渉波生成部により生成された干渉波から互いに位相差が異なる２つの干渉縞（第１干渉縞および第２干渉縞、または第５干渉縞および第６干渉縞）を生成し、これら２つの干渉縞（第１干渉縞および第２干渉縞、または第５干渉縞および第６干渉縞）の強度分布を検出する。
【００５７】
処理部は、光源部が第１波長のレーザー光を出射したときに検出部が検出した２つの干渉縞（第１干渉縞および第２干渉縞）の強度分布と、光源部が第２波長のレーザー光を出射したときに検出部が検出した２つの干渉縞（第５干渉縞および第６干渉縞）の強度分布とから、第１波長および第２波長を超える高低差を含みうる、物体の表面形状を表す深さ分布を算出する。より具体的には、処理部は、第１の干渉縞の強度分布および第２の干渉縞の強度分布から仮想的に生成される第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布を算出し、第１干渉縞の強度分布、第２干渉縞の強度分布、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布から、第１物体光に含まれる第１位相分布を算出する（本発明に係る物体形状測定方法の第１工程）。また、処理部は、第５の干渉縞の強度分布および第６の干渉縞の強度分布から仮想的に生成される第７干渉縞の強度分布および前記第８干渉縞の強度分布を算出し、第５干渉縞の強度分布、第６干渉縞の強度分布、第７干渉縞の強度分布および第８干渉縞の強度分布から、第２物体光に含まれる第２位相分布を算出する（本発明に係る物体形状測定方法の第２工程）。そして、処理部は、第１位相分布および第２位相分布から、物体の表面形状を表す深さ分布を算出する（本発明に係る物体形状測定方法の第３工程）。
【００５８】
図１は、本発明の一実施の形態に係る物体形状測定装置の構成を示す模式図である。図１に示される物体形状測定装置では、第１レーザー光源（Laser 1）、第２レーザー光源（Laser 2）、２つのアイソレーター（Isolator）、２つのＮＤフィルター（ND filter）、４つのレンズ（Lens 1-4）、２つのミラー（Mirror）および第１ビームスプリッター（ＢＳ１）が光源部を構成する。また、第１半波長板（ＨＷＰ１）および第１偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ１）が、物体光（Object beam）および参照光（Reference beam）を生成する光分離部を構成する。また、物体光の光路上に配置されている第１半波長板（ＨＷＰ１）、参照光の光路上に配置されている１／４波長板（ＱＷＰ）および第２ビームスプリッター（ＢＳ２）が、干渉波生成部を構成する。また、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）、第１検出部（ＣＣＤ１）および第２検出部（ＣＣＤ２）が、検出部を構成する。また、コンピューター（ＰＣ）が、処理部を構成する。
【００５９】
図１に示される物体形状測定装置では、第１レーザー光源（Laser 1）から出射された第１波長（例えば５３２ｎｍ）のレーザー光は、第１半波長板（ＨＷＰ１）および第１偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ１）によって、直線偏光の第１物体光（Object beam）および直線偏光の第１参照光（Reference beam）に分離される。第１物体光は、測定対象の物体（Object）の表面で反射した後、第２半波長板（ＨＷＰ２）によりその偏向角が４５°回転させられる。また、第１参照光は、１／４波長板（ＱＷＰ）によってその偏光状態を円偏光に変換される。このようにして得られた４５°直線偏光の第１物体光と円偏光の第１参照光とは、第３ビームスプリッター（ＢＳ３）において合波され、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）に向かう。第１物体光の水平偏光成分および第１参照光の水平偏光成分は、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）を透過（直進）し、第１検出部（ＣＣＤ１）の検出面上に第１干渉縞を生成する。第１検出部（ＣＣＤ１）は、この第１干渉縞の強度分布を検出する。一方、第１物体光の垂直偏光成分および第１参照光の垂直偏光成分は、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）で反射し、第２検出部（ＣＣＤ２）の検出面上に第２干渉縞を生成する。このとき、円偏光の第１参照光では、水平偏光成分と垂直偏光成分との位相差がπ／２であるため、第１干渉縞を生成する干渉波と、第２干渉縞を生成する干渉波との間には、π／２の位相差が発生する。第２検出部（ＣＣＤ２）は、この第１干渉縞の強度分布を検出する。
【００６０】
同様に、第２レーザー光源（Laser 1）から出射された第２波長（例えば５９３ｎｍ）のレーザー光は、第１半波長板（ＨＷＰ１）および第１偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ１）によって、直線偏光の第２物体光（Object beam）および直線偏光の第２参照光（Reference beam）に分離される。第２物体光は、測定対象の物体（Object）の表面で反射した後、第２半波長板（ＨＷＰ２）によりその偏向角が４５°回転させられる。また、第２参照光は、１／４波長板（ＱＷＰ）によってその偏光状態を円偏光に変換される。このようにして得られた４５°直線偏光の第２物体光と円偏光の第２参照光とは、第３ビームスプリッター（ＢＳ３）において合波され、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）に向かう。第２物体光の水平偏光成分および第２参照光の水平偏光成分は、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）を透過（直進）し、第１検出部（ＣＣＤ１）の検出面上に第５干渉縞を生成する。第１検出部（ＣＣＤ１）は、この第５干渉縞の強度分布を検出する。一方、第２物体光の垂直偏光成分および第２参照光の垂直偏光成分は、第２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）で反射し、第２検出部（ＣＣＤ２）の検出面上に第６干渉縞を生成する。このとき、円偏光の第２参照光では、水平偏光成分と垂直偏光成分との位相差がπ／２であるため、第５干渉縞を生成する干渉波と、第６干渉縞を生成する干渉波との間には、π／２の位相差が発生する。第２検出部（ＣＣＤ２）は、この第６干渉縞の強度分布を検出する。
【００６１】
その後、コンピューター（ＰＣ）は、第１検出部（ＣＣＤ１）および第２検出部（ＣＣＤ２）が検出した第１の干渉縞の強度分布および第２の干渉縞の強度分布から、第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布を算出する。そして、コンピューター（ＰＣ）は、第１干渉縞の強度分布、第２干渉縞の強度分布、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布から、第１物体光に含まれる第１位相分布を算出する（本発明に係る物体形状測定方法の第１工程）。
【００６２】
同様に、コンピューター（ＰＣ）は、第１検出部（ＣＣＤ１）および第２検出部（ＣＣＤ２）が検出した第５の干渉縞の強度分布および第６の干渉縞の強度分布から、第７干渉縞および第８干渉縞を仮想的に生成し、第７干渉縞の強度分布および第８干渉縞の強度分布を算出する。そして、コンピューター（ＰＣ）は、第５干渉縞の強度分布、第６干渉縞の強度分布、第７干渉縞の強度分布および第８干渉縞の強度分布から、第２物体光に含まれる第２位相分布を算出する（本発明に係る物体形状測定方法の第２工程）。
【００６３】
そして、コンピューター（ＰＣ）は、算出した第１位相分布および第２位相分布から、物体の表面形状を表す深さ分布を算出する（本発明に係る物体形状測定方法の第３工程）。
【００６４】
なお、本発明に係る物体形状測定装置は、図１に示される構成に限定されるものではない。たとえば、図６に示されるように、第１干渉縞および第２干渉縞を生成する光学系と、第５干渉縞および第６干渉縞を生成する光学系とが別であってもよい。図６に示される例では、第２波長の光を遮断する第１波長フィルタ（Filter 1）と、第１波長の光を遮断する第２波長フィルタ（Filter 2）とが所定の位置に配置されているため、第１干渉縞の強度分布は、第１検出部（ＣＣＤ１）で検出され、第２干渉縞の強度分布は、第２検出部（ＣＣＤ２）で検出され、第５干渉縞の強度分布は、第３検出部（ＣＣＤ３）で検出され、第６干渉縞の強度分布は、第４検出部（ＣＣＤ４）で検出される。
【００６５】
また、図１および図６に示される例では、複数の検出部（ＣＣＤ）がそれぞれ１枚の干渉縞の強度分布を同時に検出しているが、光路長を変更させながら１つの検出部（ＣＣＤ）が互いに位相差が異なる２枚の干渉縞の強度分布を検出してもよい。
【００６６】
［効果］
以上のように、本発明に係る物体形状測定方法および物体形状測定装置では、異なる波長の光を用いて位相測定を行うことにより、位相接続を行うことなく、また物体の表面形状によらず、使用する光の波長の半波長を大幅に超える高低差を有する物体の表面形状の測定を可能にする。たとえば、波長５３２ｎｍの光と波長５９３ｎｍの光を用いて物体の表面形状の測定を行う場合、本発明に係る物体形状測定方法および物体形状測定装置は、波長の約６００倍の３００μｍ程度までの高低差の測定が可能である。また、本発明に係る物体形状測定方法および物体形状測定装置は、位相の不連続点の検出を行うのではなく、測定した位相分布を基に１画素レベルで深さを測定できるため、これまで位相接続が不可能であった複雑な表面形状の被測定物体の測定にも対応できる。
【００６７】
また、従来の位相シフトデジタルホログラフィでは、位相測定を実現するために３枚または４枚の互いに位相の異なる干渉縞を必要とした。これに対して、２枚の干渉縞から位相を測定する方法が提案されている（国際公開第２０１４／０５０１４１号、X. F. Meng et al., “Two-step phase-shifting interferometry and its application in image encryption”, Optics Letters, Vol. 31, pp. 1414-1416.）。この方法は、必要な干渉縞の数が少ないという大きなメリットがあるが、２枚の干渉縞の位相差を正確にπ／２に設定する必要があった。本発明に係る物体形状測定方法は、この方法と同様に２枚の干渉縞による位相測定を行うものであるが、２枚の干渉縞の位相差がπ／２でない場合にも正確な位相測定を行うことができる。具体的には、本発明に係る物体形状測定方法は、位相差がπ／２でない２枚の干渉縞から、位相差の異なる４枚の干渉縞を生成し、位相測定を行う（図２参照）。本発明に係る物体形状測定方法では、互いに異なる２種類の波長の光を用いるため、単一の干渉光学系を用いて、両方の波長の光について光路長を変えることなく２枚の干渉縞の位相差をπ／２に設定することは、光学素子の特性上困難である。たとえば、第１波長の光に対して互いの位相差がπ／２である２枚の干渉縞が同時に得られるように設定した干渉光学系に、第１波長とは異なる第２波長の光を入射した場合に得られる２枚の干渉縞の位相差はπ／２＋δとなり、π／２とは異なる値となる。このため、上記非特許文献（X. F. Meng et al.）の方法では、位相測定を行うことができないが、本発明に係る物体形状測定方法では、位相差がπ／２＋δであっても位相測定を行うことができる。したがって、本発明に係る物体形状測定方法では、単一の干渉光学系を用いて互いに異なる２種類の波長による位相測定が可能である。
【００６８】
また、本発明に係る物体形状測定方法は、位相差がπ／２でない場合にも正確な位相測定を行うことができるため、物体光と参照光の強度比を自由に設定できる。このため、本発明に係る物体形状測定方法は、測定条件を限定されない正確な位相測定の実現にも大きく貢献する。
【００６９】
本発明の原理は、異なる波長で測定した位相分布から２つの長さＬ１とＬ２を定義し、その２つの長さが等しくなるｍおよびｎの組み合わせを探すことにある。このことから、条件を満たすｍおよびｎの組み合わせがただ１つであるときにのみ本手法は適用できる。つまり、本手法で測定できる深さ方向の測定可能域は使用する２つの波長の整数の最小公倍数で定義される。たとえば、５３２ｎｍと５９３ｎｍの２つの光を用いて本手法を行う場合、その測定可能域は５３２×５９３ｎｍということになり、１つの波長を使用する場合と比べて約６００倍に拡張される。
【００７０】
また、本発明に係る物体形状測定方法は、位相差がπ／２でない場合にも正確な位相測定を行うことができるため、物体光と参照光の強度比を自由に設定できる。従来の位相測定では、計算の成立のために参照光強度を物体光強度の数十倍から百倍程度に大きくする必要があったため、撮像素子のダイナミックレンジの飽和をもたらし、測定精度を下げる要因となっていた。これに対し、本発明に係る物体形状測定方法は、測定した２枚の干渉縞を用いて４枚の干渉縞を生成することで、４枚の干渉縞を用いる位相計算方法（Daniel Malacara（編集）、成相恭二、清原順子、辻内順平（翻訳）、「光学実験・測定法II」、アドコム・メディア株式会社、２０１０年６月２９日、ｐ．１１６〜１１９）を利用することが可能である。このため、強度に対する制約が一切なく、測定精度の低下を防止する効果も有する。したがって、本発明に係る物体形状測定方法は、互いに異なる２種類の波長の光を用いた物体の形状測定だけでなく、単一波長による位相測定においても、測定条件を限定されない正確な位相測定を実現することができる（この後説明する光位相測定方法）。
【００７１】
２．光位相測定方法および光位相測定装置
［光位相測定方法］
本発明に係る光位相測定方法は、２枚の干渉縞を用いて、物体光（信号光）と参照光の強度比に依存せずに位相分布を測定することができる方法である。前述のとおり、本発明に係る物体形状測定方法の第１工程および第２工程では、互いに位相差が異なる２枚の干渉縞（例えば第１干渉縞および第２干渉縞）の強度分布を用いて２枚の干渉縞（例えば第３干渉縞および第４干渉縞）を仮想的に生成し、これら２枚の干渉縞の強度分布を算出する。そして、これら４枚の干渉縞の強度分布を用いることで、物体光（信号光）と参照光の強度比に依存せずに、物体光（信号光）に含まれる位相分布を高精度に測定することを可能としている。本発明に係る光位相測定方法は、このように上記の第１工程（または第２工程）のみを行うことで、２枚の干渉縞を用いて、物体光（信号光）と参照光の強度比に依存せずに位相分布を測定する。
【００７２】
具体的には、本発明に係る光位相測定方法は、（７）物体光（信号光）と参照光とから生成される第１干渉縞および第２干渉縞の強度分布を検出する工程と、（８）物体光と参照光とから仮想的に生成される第３干渉縞および第４干渉縞の強度分布を算出する工程と、（９）第１干渉縞の強度分布、第２干渉縞の強度分布、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布から、物体光に含まれる位相分布を算出する工程と、を含む。
【００７３】
本発明に係る光位相測定方法における上記（７）〜（９）の工程は、それぞれ本発明に係る物体形状測定方法における（１）〜（３）の工程と同じである。したがって、上記（７）〜（９）の工程については、詳細な説明を省略し、簡単に説明する。
【００７４】
まず、測定対象の位相分布を含む物体光と参照光とから、互いに位相差が異なる第１干渉縞および第２干渉縞を生成し、第１干渉縞の強度分布および第２干渉縞の強度分布を検出する（上記（７）の工程）。物体光は、測定対象の位相分布を含む光であり、例えば物体からの反射光または透過光である。ここで物体が空間光位相変調器（ＳＬＭ）である場合は、物体光は位相変調信号を含む光（信号光）となる。参照光は、物体光と干渉可能な同一波長の光である。前述のとおり、第１干渉縞と第２干渉縞との位相差は、厳密にはπ／２とはならないことがある。
【００７５】
次いで、第１干渉縞の強度分布および第２干渉縞の強度分布の測定結果を用いて、物体光と参照光とから第３干渉縞および第４干渉縞を仮想的に生成し、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布を算出する（上記（８）の工程、図２参照）。第３干渉縞は、物体光と参照光とから生成されうる干渉縞であって、第１干渉縞および第２干渉縞のいずれとも位相差が異なる干渉縞である。また、第４干渉縞は、物体光と参照光とから生成されうる干渉縞であって、第１干渉縞、第２干渉縞および第３干渉光のいずれとも位相差が異なる干渉縞である。
【００７６】
第１干渉縞の強度分布Ｈ１および第２干渉縞の強度分布Ｈ２は、それぞれ以下の式（１２）および式（１３）のように記述されうる。ここで、ＡＯ２は第１干渉縞の生成に用いられた物体光の強度分布であり、Ａｒ２は第１干渉縞の生成に用いられた参照光の強度分布である。αは第１干渉縞の生成に用いられた物体光の強度に対する第２干渉縞の生成に用いられた物体光の強度の比の分布であり、βは第１干渉縞の生成に用いられた参照光の強度に対する第２干渉縞の生成に用いられた参照光の強度の比の分布である。また、φは物体光と参照光との位相差の分布であり、γは第１干渉縞と第２干渉縞との位相差である。
【数２９】
0006592796.tif 000030
【数３０】
0006592796.tif 000031
【００７７】
そして、第１の干渉縞から位相差がπずれた第３の干渉縞の強度分布Ｈ３は、以下の式（１６）により与えられる。同様に、第２の干渉縞から位相差がπずれた第４の干渉縞の強度分布Ｈ４は、以下の式（１７）により与えられる。
【数３１】
0006592796.tif 000032
【数３２】
0006592796.tif 000033
【００７８】
次いで、第１干渉縞の強度分布、第２干渉縞の強度分布、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布を用いて、物体光に含まれる位相分布を算出する（上記（９）の工程、図３参照）。
【００７９】
物体光に含まれる位相分布、すなわち物体光の複素振幅の分布は、上記（７）および（８）の工程で得られた第１干渉縞の強度分布Ｈ１、第２干渉縞の強度分布Ｈ２、第３干渉縞の強度分布Ｈ３および第４干渉縞の強度分布Ｈ４を用いて式（１８）のように導出される。
【数３３】
0006592796.tif 000034
【００８０】
このことから、２つの物体光の強度分布Ａｏ２，αＡｏ２、２つの参照光の強度分布Ａｒ２，βＡｒ２および任意の位相差を持つ２つの干渉縞の強度分布Ｈ１，Ｈ２を取得することで、物体光に含まれる位相分布を正確に測定できることがわかる。
【００８１】
以上の手順により、物体光（信号光）と参照光の強度比に依存せずに、物体光（信号光）に含まれる位相分布を高精度に測定することができる。
【００８２】
本発明に係る光位相測定方法を行うための装置および光学系の構成は、特に限定されない。たとえば、次に説明する本発明に係る光位相測定装置を用いることで、本発明に係る光位相測定方法を行うことができる。
【００８３】
［光位相測定装置］
本発明に係る光位相測定装置は、本発明に係る光位相測定方法を行うための装置である。本発明に係る光位相測定装置は、少なくとも、干渉波生成部、検出部および処理部を有する。
【００８４】
干渉波生成部は、位相分布を含む物体光と、参照光とを合波して干渉波を生成する。たとえば、干渉波生成部は、ビームスプリッターである。
【００８５】
検出部は、干渉波生成部により生成された干渉波から互いに位相差が異なる２つの干渉縞（第１干渉縞および第２干渉縞）を生成し、これら２つの干渉縞（第１干渉縞および第２干渉縞）の強度分布を検出する。
【００８６】
処理部は、第１の干渉縞の強度分布および第２の干渉縞の強度分布から仮想的に生成される第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布を算出し、第１干渉縞の強度分布、第２干渉縞の強度分布、第３干渉縞の強度分布および第４干渉縞の強度分布から、物体光に含まれる位相分布を算出する。
【００８７】
本発明に係る光位相測定装置としては、例えば図１に示される物体形状測定装置や図６に示される物体形状測定装置を用いることができる。これらの図に示される物体形状測定装置を光位相測定装置として用いる場合、位相分布を含む物体光および参照光を生成することもできる。前述のとおり、物体が空間光位相変調器（ＳＬＭ）である場合は、物体光は位相変調信号を含む光（信号光）となる。一方、外部で生成された物体光（信号光）の位相分布を外部で生成された参照光を用いて測定する場合は、これらの図に示される光源部（２つのレーザー光源）および光分離部（半波長板および偏光ビームスプリッター）は不要である。
【００８８】
［効果］
以上のように、本発明に係る光位相測定方法は、位相差がπ／２でない場合にも正確な位相測定を行うことができるため、物体光と参照光の強度比を自由に設定できる。このため、本発明に係る物体形状測定方法は、測定条件を限定されない正確な位相測定の実現にも大きく貢献する。
【実施例】
【００８９】
以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。
【００９０】
［実施例１］
本実施例では、本発明に係る物体形状測定方法により、波長を超える高低差を有する物体の表面形状の測定を行った場合についてシミュレーションを行った。
【００９１】
図７Ａ〜Ｄは、本発明に係る物体形状測定方法により、波長を超える高低差を有する物体の表面形状の測定を行った場合のシミュレーション結果である。図７Ａは、測定対象の物体の表面における深さ分布を示す図である。この図では、黒に近いほど表面の位置が高く、白に近いほど表面の位置が低いことを示している。この図に示されるように、測定対象の物体の表面には高低差１０μｍの傾斜が設けられている。図７Ｂは、第１波長（５３２ｎｍ）の光を用いて位相測定した結果（第１位相分布）を示す図であり、図７Ｃは、第２波長（５９３ｎｍ）の光を用いて位相測定した結果（第２位相分布）を示す図である。これらの図では、黒に近いほど位相が小さく、白に近いほど位相が大きいことを示している。波長より長い高低差を測定しているため、いずれの図においても位相の不連続点が生じ、縞が発生している。このような場合は、一般的には位相接続を行うことが必要である。図７Ｄは、上記第３工程で説明した手順により第１位相分布および第２位相分布から算出された深さ分布を示す図である。この図でも、図７Ａと同様に、黒に近いほど表面の位置が高く、白に近いほど表面の位置が低いことを示している。図７Ａに示される深さ分布と図７Ｄに示される深さ分布とが完全に同一であることから、本発明に係る物体形状測定方法により、位相接続をすることなく波長の２０倍程度の深さをもつ物体の表面形状を測定できることがわかる。
【００９２】
［実施例２］
本実施例では、本発明に係る方法により、任意の位相差を有する２枚の干渉縞から位相分布を算出するシミュレーションを行った。
【００９３】
図８は、本発明に係る方法および従来の方法における、位相の算出値の誤差を示すグラフである。このグラフでは、２枚の干渉縞間の位相差を変化させた場合における、位相の算出値の誤差の変化を示している。横軸は２枚の干渉縞間の位相差であり、縦軸は相関係数（ＲＭＳＥ）と呼ばれる誤差指標である。この指標が１のとき、誤差が０となる。本発明に係る方法の結果を黒塗りの三角で示し、従来の方法の結果を白塗りの四角で示す。このグラフより、本発明に係る方法は０、πおよび−πを除いたすべての位相差において誤差が０であることがわかる。なお、これらの３点は、位相差を与えてないのと同義であるため、除外すべきものである。この結果から、本発明の方法により、任意の位相差を持つ２枚の干渉縞から位相分布を正確に算出できることがわかる。
【００９４】
［実施例３］
本実施例では、本発明に係る方法により位相変調信号を実際に測定した。
【００９５】
図９Ａ〜Ｃは、参照光の強度を信号光（物体光）の強度より低くした条件で、本発明に係る方法と従来の方法とを用いて位相変調信号を測定した結果を示す図である。図９Ａは、測定対象となる２値の位相変調信号を示す図である。図９Ｂは、従来の方法で測定された位相分布を示す図であり、図９Ｂは、本発明に係る方法により測定された位相分布を示す図である。図９Ｂにおいて破線で囲んだ領域に示されるように、従来の方法では測定誤差である黒点がおよそ５万個発生していた。これに対し、本発明に係る方法ではまったく測定誤差が発生しなかった。これらのことから、本発明に係る方法は、信号光（物体光）と参照光の強度比に依存することなく、正確に位相分布を測定できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明に係る物体形状測定方法および物体形状測定装置は、使用する光の波長を超える高低差を含みうる物体の表面形状を高精度に測定できるため、様々な分野において利用されうる。
【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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【図９】
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