(57)【要約】【課題】ＣＣＤカメラの電子シャッタ機能を利用せず、計測対象物の形状を二次元的に計測する光ヘテロダイン干渉計。【解決手段】光源ＬＳから射出されたビームのうち、計測対象物２の被計測面を経たビームと該ビームと周波数が異なり被計測面に対する基準の参照面Ｍｒを経たビームとを干渉させて生じる干渉縞を複数の検出素子で観察し各検出素子からヘテロダイン信号を得て該信号と同一周波数の基準信号を基準に各ヘテロダイン信号に生じた位相のずれを検出することで被計測面の形状を計測する干渉計であって、基準信号に同期してビームを被計測面と参照面Ｍｒとへ一定時間だけ入射させ該一定時間におけるヘテロダイン信号の積分値を求める動作を、基準信号の一周期内の位相が異なる少なくとも３点に同期して行い少なくとも３つの積分値を求め該積分値に基づき基準信号に対するヘテロダイン信号の位相のずれを検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から射出された可干渉性を有するビームのうち、計測対象物の被計測面を経た計測ビームと、当該計測ビームと周波数が僅かに異なり前記被計測面に対する基準となる参照面を経た参照ビームとを互いに干渉させることによって生じる干渉縞を複数の検出素子からなる検出器で観察し、それぞれの前記検出素子からヘテロダイン信号を得て、当該ヘテロダイン信号と同一の周波数を有する基準信号を基準としてそれぞれの前記ヘテロダイン信号に生じた位相のずれを検出することにより、前記計測対象物の前記被計測面の形状を計測する光ヘテロダイン干渉計であって、
前記基準信号に同期して、前記可干渉性を有するビームを前記計測対象物の前記被計測面と前記参照面とへ一定時間だけ入射させ、当該一定時間における前記ヘテロダイン信号の出力の積分値を求める動作を、
前記基準信号の一周期内の位相が異なる少なくとも３点に同期して行うことによって少なくとも３つの積分値を求め、当該積分値に基づいて前記基準信号に対する前記ヘテロダイン信号の位相のずれを検出することを特徴とする光ヘテロダイン干渉計。
【請求項２】
請求項１に記載の光ヘテロダイン干渉計において、
前記動作を、前記基準信号の一周期内の任意の点と、当該任意の点より位相がπ／２大きい点と、前記任意の点より位相がπ大きい点との３つの点に同期して行うことによって３つの積分値を求め、当該３つの積分値に基づいて前記基準信号に対する前記ヘテロダイン信号の位相のずれを検出することを特徴とする光ヘテロダイン干渉計。
【請求項３】
請求項１に記載の光ヘテロダイン干渉計において、
前記動作を、前記基準信号の一周期内の任意の点と、当該任意の点より位相がπ／２大きい点と、前記任意の点より位相がπ大きい点と、前記任意の点より位相が３π／２大きい点との４つの点に同期して行うことによって４つの積分値を求め、当該４つの積分値に基づいて前記基準信号に対する前記ヘテロダイン信号の位相のずれを検出することを特徴とする光ヘテロダイン干渉計。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ヘテロダイン干渉計において、
前記光源は、半導体レーザと、互いに周波数が僅かに異なる２つの発振器と、前記２つの発振器によって駆動される２つの周波数変調素子とを含み、
前記２つの発振器より得られる信号同士のビート信号を生成し、当該ビート信号を前記基準信号として、
前記半導体レーザから発せられたビームを２つのビームに分離し、当該２つのビームを前記２つの周波数変調素子によってそれぞれ変調して周波数の僅かに異なる２つのビームとし、
前記動作における前記計測対象物の前記被計測面と前記参照面とへの前記可干渉性を有するビームの前記一定時間の入射は、前記基準信号に同期して前記一定時間だけ前記半導体レーザを点灯させることによって行い、前記周波数の僅かに異なる２つのビームのうちの一方を前記計測対象物の前記被計測面へ前記一定時間だけ入射させ、前記周波数の僅かに異なる２つのビームのうちのもう一方を前記参照面へ前記一定時間だけ入射させることを特徴とする光ヘテロダイン干渉計。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ヘテロダイン干渉計において、
前記光源は、偏光方向が異なりかつ周波数の僅かに異なる２つのビームを発するゼーマンレーザと、当該ゼーマンレーザから発せられた前記２つのビームを遮断するためのシャッタとを含み、
前記ゼーマンレーザから発せられた前記２つのビームを干渉させることによって生じるビート信号を前記基準信号として、
前記動作における前記計測対象物の前記被計測面と前記参照面とへの前記可干渉性を有するビームの前記一定時間の入射は、前記基準信号に同期して前記一定時間だけシャッタを開けて前記ゼーマンレーザから発せられた前記２つのビームを通過させることによって行い、前記２つのビームのうちの一方を前記計測対象物の前記被計測面へ前記一定時間だけ入射させ、前記２つのビームのうちのもう一方を前記参照面へ前記一定時間だけ入射させることを特徴とする光ヘテロダイン干渉計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ヘテロダイン干渉計に関し、特に半導体産業において用いられるウェハやコンパクトディスク等のガラス基板表面の平坦度、反り、厚さムラの計測、又は光学部材の形状の計測に利用される光ヘテロダイン干渉計に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、平面基板や光学部材の形状の二次元的な計測を正確に行うための計測装置として、レーザ干渉計が利用されている。さらに、この二次元的な計測を高速で行うためのレーザ干渉計として、例えば特開平８−２３３５５３号公報に開示されている光ヘテロダイン干渉装置が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示されている光ヘテロダイン干渉装置では、ヘテロダイン信号を精度良く処理するために、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）カメラの電子シャッタ機能を利用する必要がある。このため、電子シャッタ機能を有しないＣＣＤカメラ、例えば一次元のＣＣＤカメラ等を光ヘテロダイン干渉装置に用いる場合、ヘテロダイン信号の処理を精度良く行うことができない。従って斯かる場合、平面基板や光学部材の形状の二次元的な計測を行うことができないという問題がある。
【０００４】
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＣＣＤカメラの電子シャッタ機能を利用することなくヘテロダイン信号の処理を精度良く行うことができ、計測対象物の被計測面形状の二次元的な計測を高精度に行うことができる光ヘテロダイン干渉計を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、
光源から射出された可干渉性を有するビームのうち、計測対象物の被計測面を経た計測ビームと、当該計測ビームと周波数が僅かに異なり前記被計測面に対する基準となる参照面を経た参照ビームとを互いに干渉させることによって生じる干渉縞を複数の検出素子からなる検出器で観察し、それぞれの前記検出素子からヘテロダイン信号を得て、当該ヘテロダイン信号と同一の周波数を有する基準信号を基準としてそれぞれの前記ヘテロダイン信号に生じた位相のずれを検出することにより、前記計測対象物の前記被計測面の形状を計測する光ヘテロダイン干渉計であって、
前記基準信号に同期して、前記可干渉性を有するビームを前記計測対象物の前記被計測面と前記参照面とへ一定時間だけ入射させ、当該一定時間における前記ヘテロダイン信号の出力の積分値を求める動作を、
前記基準信号の一周期内の位相が異なる少なくとも３点に同期して行うことによって少なくとも３つの積分値を求め、当該積分値に基づいて前記基準信号に対する前記ヘテロダイン信号の位相のずれを検出することを特徴とする光ヘテロダイン干渉計を提供する。
【０００６】
また、請求項２に記載の光ヘテロダイン干渉計は、
請求項１に記載の光ヘテロダイン干渉計において、
前記動作を、前記基準信号の一周期内の任意の点と、当該任意の点より位相がπ／２大きい点と、前記任意の点より位相がπ大きい点との３つの点に同期して行うことによって３つの積分値を求め、当該３つの積分値に基づいて前記基準信号に対する前記ヘテロダイン信号の位相のずれを検出することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３に記載の光ヘテロダイン干渉計は、
請求項１に記載の光ヘテロダイン干渉計において、
前記動作を、前記基準信号の一周期内の任意の点と、当該任意の点より位相がπ／２大きい点と、前記任意の点より位相がπ大きい点と、前記任意の点より位相が３π／２大きい点との４つの点に同期して行うことによって４つの積分値を求め、当該４つの積分値に基づいて前記基準信号に対する前記ヘテロダイン信号の位相のずれを検出することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４に記載の光ヘテロダイン干渉計は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ヘテロダイン干渉計において、
前記光源は、半導体レーザと、互いに周波数が僅かに異なる２つの発振器と、前記２つの発振器によって駆動される２つの周波数変調素子とを含み、
前記２つの発振器より得られる信号同士のビート信号を生成し、当該ビート信号を前記基準信号として、
前記半導体レーザから発せられたビームを２つのビームに分離し、当該２つのビームを前記２つの周波数変調素子によってそれぞれ変調して周波数の僅かに異なる２つのビームとし、
前記動作における前記計測対象物の前記被計測面と前記参照面とへの前記可干渉性を有するビームの前記一定時間の入射は、前記基準信号に同期して前記一定時間だけ前記半導体レーザを点灯させることによって行い、前記周波数の僅かに異なる２つのビームのうちの一方を前記計測対象物の前記被計測面へ前記一定時間だけ入射させ、前記周波数の僅かに異なる２つのビームのうちのもう一方を前記参照面へ前記一定時間だけ入射させることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項５に記載の光ヘテロダイン干渉計は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ヘテロダイン干渉計において、
前記光源は、偏光方向が異なりかつ周波数の僅かに異なる２つのビームを発するゼーマンレーザと、当該ゼーマンレーザから発せられた前記２つのビームを遮断するためのシャッタとを含み、
前記ゼーマンレーザから発せられた前記２つのビームを干渉させることによって生じるビート信号を前記基準信号として、
前記動作における前記計測対象物の前記被計測面と前記参照面とへの前記可干渉性を有するビームの前記一定時間の入射は、前記基準信号に同期して前記一定時間だけシャッタを開けて前記ゼーマンレーザから発せられた前記２つのビームを通過させることによって行い、前記２つのビームのうちの一方を前記計測対象物の前記被計測面へ前記一定時間だけ入射させ、前記２つのビームのうちのもう一方を前記参照面へ前記一定時間だけ入射させることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計を添付図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計の全体的な構成を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計を示す概略構成図である。
図１に示すように本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、二周波光源部ＬＳと、ヘテロダイン干渉計ユニットＩＵとを備えた二次元のヘテロダイン干渉計である。そして本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、計測対象物の被計測面の形状、即ちホルダ１上に固定された平面基板２の表面の平坦度を計測するものである。
【００１１】
図１において、二周波光源部ＬＳ内に光源として配置された半導体レーザ３は、可干渉性を有する直線偏光のビームＢｄｏを射出する。半導体レーザ３より射出されたビームＢｄｏは、コリメータレンズＬ１によって平行光に変換される。この平行光は、１／４波長板４を通ることによって円偏光のビームとなる。そしてこの円偏光のビームは、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１によってＳ偏光のビームとＰ偏光のビームとに分割される。
【００１２】
偏光ビームスプリッタＰＢＳ１によって反射されたＳ偏光のビームは、周波数変調素子５ｓによって変調されて変調周波数ｆのビームとなる。この変調周波数ｆのビームは、平面鏡Ｍｓと偏光ビームスプリッタＰＢＳ２とを介してヘテロダイン干渉計ユニットＩＵへと導かれる。ここで、このヘテロダイン干渉計ユニットＩＵへ導かれたビームをビームＢｄｓとする。
一方、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を透過したＰ偏光のビームは、周波数変調素子５ｐによって変調されて、変調周波数ｆ＋Δｆのビームとなる。この変調周波数ｆ＋Δｆのビームは、平面鏡Ｍｐと偏光ビームスプリッタＰＢＳ２とを介してヘテロダイン干渉計ユニットＩＵへと導かれる。ここで、このヘテロダイン干渉計ユニットＩＵへ導かれたビームをビームＢｄｐとする。
ここで、周波数変調素子５ｓ，５ｐはそれぞれ、ブラッグ回折を利用してビームの周波数を変調するものであり、発振回路６ｓ，６ｐによって駆動されている。
【００１３】
ヘテロダイン干渉計ユニットＩＵへ導かれたビームＢｄｓは、偏光ビームスプリッタＰＢＳ３によって反射され、１／４波長板７ｒを経て固定平面鏡Ｍｒに入射する。そしてビームＢｄｓは、この固定平面鏡Ｍｒによって反射されて再び１／４波長板７ｒを経て偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射する。ここで、ビームＢｄｓは１／４波長板７ｒを往復することによってＰ偏光のビームとなる。このため、偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射したビームＢｄｓは、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ３を透過する。そしてこのビームは、偏光板８を通過した後、レンズＬ２を介して二次元ＣＣＤ９へ入射する。
【００１４】
また、ヘテロダイン干渉計ユニットＩＵへ導かれたビームＢｄｐは、偏光ビームスプリッタＰＢＳ３を透過し、１／４波長板７ｍを経て、レンズＬ３に入射する。このビームＢｄｐは、レンズＬ３とレンズＬ４とによって、ビーム径の大きな平行ビームに変換され、ホルダ１上に固定された平面基板２に入射する。そしてビーム径の大きな平行ビームは、この平面基板２によって反射され、レンズＬ４とレンズＬ３とによってビーム径の小さな平行ビームに変換される。ビーム径の小さな平行ビームは、再び１／４波長板７ｍを経て偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射する。ここで、このビームは１／４波長板７ｍを往復することによってＳ偏光のビームとなる。このため、偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射したビームは、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ３によって反射される。そしてこのビームは、偏光板８を通過した後、レンズＬ２を介して二次元ＣＣＤ９へ入射する。
尚、平面基板２の表面と二次元ＣＣＤ９の表面とは共役な位置関係にある。
【００１５】
上述のようにビームＢｄｓ，Ｂｄｐは、二次元ＣＣＤ９に入射する直前に偏光板８を通過する。偏光板８の光学軸は両ビームの偏光方向に対して４５度傾いており、これによりビームＢｄｓ，Ｂｄｐは、偏光方向が揃い、互いに干渉することが可能となる。従って、二次元ＣＣＤ９にはビームＢｄｓ，Ｂｄｐによる干渉縞が形成される。ここでこの干渉縞は、ヘテロダイン干渉計ユニットＩＵが二次元の構成であるため、時間的に変化しかつ平面基板２の各部の高さに依存して位相の異なる干渉縞となる。
以上の構成の下、本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計では、二次元ＣＣＤ９に形成された干渉縞の時間変化を処理することによって、平面基板２の表面における各部の高さ（平面基板２上の一点を基準とした全点の高さ）を計測することが可能となる。詳細には、干渉縞からヘテロダイン信号（ビート信号）を得て、該ヘテロダイン信号と同一の周波数を有する基準信号を基準としてヘテロダイン信号の位相のずれを検出することにより、平面基板２の表面における各部の高さを計測することが可能となる。
【００１６】
以下、平面基板２の表面における各部の高さを求めるために行われる、二次元ＣＣＤ９に形成された干渉縞の時間変化の処理について数式を用いて詳細に説明する。
まず、二次元ＣＣＤ９に形成された干渉縞に基づき、該二次元ＣＣＤ９の任意の一画素において得られるビート信号Ｉ（ｔ）について説明する。
変調周波数ｆのビームＢｄｓと変調周波数ｆ＋ΔｆのビームＢｄｐとが二次元ＣＣＤ９に入射して干渉することによって、該二次元ＣＣＤ９においてビート信号Ｉ（ｔ）が得られる。二次元ＣＣＤ９の任意の一画素から得られるビート信号Ｉ（ｔ）の位相は、該画素と共役な位置関係にある平面基板２上の一点の高さに応じて変化し、以下の式（１）のように表される。
【００１７】
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但し、
Ｉ（ｔ）：二次元ＣＣＤ９の任意の一画素から得られるビート信号，
ａ，ｂ：定数，
Ｘ　：二次元ＣＣＤ９の一画素と共役な位置関係にある平面基板２上の一点の高さ（変位量），
λ　：半導体レーザ３より発せらたビームの波長，
ｆ　：変調周波数（ビームＢｄｓの変調周波数），
Δｆ　：ヘテロダイン周波数（ビームＢｄｓとビームＢｄｐの変調周波数の差）．
尚、位相の定数項については、特に重要ではないので簡単のために無視するものとする。
【００１８】
次に、ビート信号Ｉ（ｔ）の位相のずれを検出するための基準となる基準信号Ｉ０（ｔ）について説明する。
基準信号Ｉ０（ｔ）は、ビート信号Ｉ（ｔ）と同一の周波数を有する信号であり、図１における発振回路６ｓ，６ｐによって次のように作られる。発振回路６ｓ，６ｐより発せられる信号を正弦波形とした場合、それぞれｃｏｓ２πｆｔ，ｃｏｓ２π（ｆ＋Δｆ）ｔと表すことができる。従って、これらを掛け算回路１０によって掛け合わせることによって、式（２）に表される信号Ｉｍ（ｔ）が得られる。
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【００１９】
そして、掛け算回路１０において得られた信号Ｉｍ（ｔ）は、ローパスフィルタ回路部１１によって、式（２）において高周波成分を示す周波数（２ｆ＋Δｆ）の項が消去される。このようにして、式（２）におけるｃｏｓ２πΔｆｔの項のみを取り出すことができ、これを基準信号Ｉ０（ｔ）とする。
この基準信号Ｉ０（ｔ）に対するビート信号Ｉ（ｔ）の位相のずれを計測することによって、変位量Ｘの値を計測することができる。
【００２０】
次に、ビート信号Ｉ（ｔ）の位相のずれの検出方法について詳細に説明する。図２は、基準信号とビート信号の信号処理について説明する図である。
ローパスフィルタ回路部１１にて得られた基準信号Ｉ０（ｔ）がパルス発生回路ＰＧに導かれることにより、該パルス発生回路ＰＧでは図２に示すように基準信号Ｉ０（ｔ）における位相０の位置に同期して、時間幅Ｔｓの矩形パルスＰｌｄ１が生成される。そしてパルス発生回路ＰＧは、この矩形パルスＰｌｄ１を半導体レーザ駆動回路１２に指令信号Ｓｇ１として送出することによって、図２の区間Ｕ１における黒く塗りつぶした間（Ｔｓ）だけ半導体レーザ駆動回路１２によって半導体レーザ３を点灯させる。
尚、この間二次元ＣＣＤ９は、光電変換を行うことによって電荷を蓄積している。
【００２１】
またパルス発生回路ＰＧでは、矩形パルスＰｌｄ１の生成から一定時間遅れて矩形パルスＰｃｃｄ１が生成される。そしてパルス発生回路ＰＧは、この矩形パルスＰｃｃｄ１をＣＣＤ駆動回路１３に指令信号Ｓｇ２として送出することによって、二次元ＣＣＤ９の蓄積した電荷を電圧に変換して位相検出回路１４へ転送させる。
これらの動作により、ビート信号Ｉ（ｔ）は図２の区間Ｕ１に示す時間Ｔｓだけ積分されたこととなる。
【００２２】
さらにパルス発生回路ＰＧは、矩形パルスＰｃｃｄ１を位相検出回路１４に指令信号Ｓｇ３として送出することによって、矩形パルスＰｃｃｄ１の立下りに同期して位相検出回路１４に、ＣＣＤ駆動回路１３より転送される電圧信号を受信させてその信号の値（情報）を記憶させる。
ここで、以上の動作は二次元ＣＣＤ９の全ての画素からのビート信号に対して行われる。
【００２３】
以上の動作によって得られる積分値をＳＩ１とすると、積分値ＳＩ１は次の式（３）のように表される。
2004077223.tif 000005
但し、
Ｔｓ　：時間（レーザ点灯時間）．
【００２４】
ここで、Ｘを求めるに当たってａ，ｂの値が不明である。このため、少なくとも３つ以上の条件式を用い、それらを連立して解くことによってａ，ｂを消去し変位量Ｘを求める。以下、条件式を３つ用いて解く場合と、条件式を４つ用いて解く場合の２つの場合について説明する。
【００２５】
まず、条件式を３つ用いて解く場合について説明する。この場合、図２に示す基準信号Ｉ０（ｔ）に対する位相がπ／２，πだけシフトした（ずれた）区間Ｕ２，Ｕ３においても、それぞれＩ０（ｔ）の位相π／２，πの位置に同期した矩形パルスＰｌｄ２及びＰｃｃｄ２，Ｐｌｄ３及びＰｃｃｄ３をパルス発生回路ＰＧにて生成し、上述した積分値ＳＩ１を求めるために行った動作と同様の動作をそれぞれ行う。
以上より、区間Ｕ２，Ｕ３において得られる積分値をＳＩ２，ＳＩ３とすると、積分値ＳＩ２，ＳＩ３は次の式（４），（５）のように表される。
2004077223.tif 000006
【００２６】
以上の式（３），（４），（５）から、次式（６）の演算を行うことによりａ，ｂを消去することができる。
2004077223.tif 000007
従って、位相検出回路１４によって式（６）から得られる次式（７）の演算を行うことにより、変位量Ｘを求めることができる。
2004077223.tif 000008
【００２７】
次に、条件式を４つ用いて解く場合について説明する。この場合、基準信号Ｉ０（ｔ）に対する位相が３π／２だけずれた図２に示す区間Ｕ４においても、基準信号Ｉ０（ｔ）の位相３π／２の位置に同期した矩形パルスＰｌｄ４，Ｐｃｃｄ４をパルス発生回路ＰＧにて生成し、積分値を求めるために行った上述の動作と同様の動作をさらに行う。
以上より、区間Ｕ４において得られる積分値をＳＩ４とすると、積分値ＳＩ４は次の式（８）のように表される。
2004077223.tif 000009
【００２８】
以上の式（３），（４），（５），（８）から、次式（９）の演算を行うことによりａ，ｂを消去することができる。
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従って、位相検出回路１４によって式（９）から得られる次式（１０）の演算を行うことにより、変位量Ｘを求めることができる。
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【００２９】
ここで、ｔａｎ−１は−π／２〜π／２の範囲においてのみ定義されているものであるため、式（７），（１０）によって求めた変位量Ｘの値には、λ／４の整数倍の値が含まれていない。しかし、二次元ＣＣＤ９の全ての画素に対して変位量Ｘの計測を行い、隣接する画素から得られる変位量Ｘの値に±λ／８以上の差が生じないように、全ての変位量Ｘの値をつなぎ合わせる（補正する）ことによって、平面基板２上の一点を基準とした全点の高さ（Ｘ）を知ることができる。斯かる補正演算を行うため、位相検出回路１４において求められた変位量Ｘの値は、計数回路１５へ導かれる。
【００３０】
また、式（７），（１０）にはそれぞれ以下の定数項が含まれている。
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しかし平面基板２の形状の計測を行う場合、平面基板２上の一点を基準とした各部の高さ（変位量Ｘ）を相対的に求めれば良い。従って、上記定数項は特に重要ではないため、無視して考えても差支え無い。
以上のように、二次元ＣＣＤ９における全ての画素において、干渉縞からビート信号を得て、基準信号を基準としてビート信号の位相のずれを検出することにより、平面基板２上の一点を基準とした全点の高さ（Ｘ）、即ち平面基板２の表面の平坦度を計測することができる。
【００３１】
以上、本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、基準信号に同期して一定時間だけ光源である半導体レーザを点灯させて、計測対象物の被計測面（平面基板２の表面）と参照面（固定平面鏡Ｍｒ）のそれぞれへビームを入射させる構成である。これにより、ＣＣＤカメラが電子シャッタ機能を有していなくとも、ヘテロダイン信号の処理を精度良く行う（ヘテロダイン信号の出力の積分時間を正確に制御する）ことができ、計測対象物の被計測面形状の二次元的な計測を高精度に行うことができる。
また、本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、上述のように基準信号に同期して半導体レーザを一定時間点灯させる構成である。従って、半導体レーザを断続的に点灯させて用いていることから、半導体レーザ自体の寿命を延ばすことができる。
尚、本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計におけるビート信号の位相ずれの検出方法は、半導体レーザの替わりにゼーマンレーザを光源として用いたヘテロダイン干渉計にも適用することができる。
【００３２】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計を示す概略構成図である。
図３に示すように本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、光源として配置されたゼーマンレーザ１６と、ヘテロダイン干渉計ユニットＩＵとを備えた二次元のヘテロダイン干渉計である。ヘテロダイン干渉計ユニットＩＵは、上記第１実施形態と全く同様の構成である。以下、上記第１実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計と同様の構成である部分には同じ符号を付して重複する説明を省略し、特徴的な部分について詳細に説明する。
【００３３】
図３において、ゼーマンレーザ１６より射出されたビームＢｚｏは、無偏光プリズムＰＺに入射する。ここで、このビームＢｚｏは、図３紙面に対して垂直な偏光成分を有するビームＢｚｓと、図３紙面に対して平行な偏光成分を有するビームＢｚｐとからなる。また、ビームＢｚｐの周波数はビームＢｚｓの周波数よりもΔｆ’だけ高いものとする。
無偏光プリズムＰＺに入射したビームＢｚｏのうち、ビームＢｚｓの一部とビームＢｚｐの一部は、該無偏光プリズムＰＺによって反射され、光学軸が４５度傾いて配置された偏光板１７を通過した後、光電素子１８へ入射する。この光電素子１８へ入射するビームＢｚｓ，Ｂｚｐは、偏光板１７を通過することによって偏光方向が揃い、互いに干渉することが可能となる。
【００３４】
これにより、ビームＢｚｓ，Ｂｚｐは互いに干渉し、光電素子１８ではビート信号が得られる。ここで、上述のようにビームＢｚｓの周波数とビームＢｚｐの周波数とはΔｆ’だけ異なるため、干渉によって得られるビート信号の強度は、周波数Δｆ’で時間的に変化することとなる。つまり、光電素子１８ではｃｏｓ２πΔｆ’ｔで表されるビート信号が得られることになる。このビート信号を基準信号Ｉ０’（ｔ）とする。
【００３５】
光電素子１８にて得られた基準信号Ｉ０’（ｔ）が制御回路１９を介してパルス発生回路ＰＧに導かれることにより、該パルス発生回路ＰＧでは図２に示すように基準信号Ｉ０’（ｔ）に同期して、時間幅Ｔｓの矩形パルスＰｌｄ１が生成される。そしてパルス発生回路ＰＧは、この矩形パルスＰｌｄ１をシャッタ２０に指令信号Ｓｇ’１として送出することによって、図２の区間Ｕ１における黒く塗りつぶした間（Ｔｓ）だけシャッタ２０を開けるようにする。従って、シャッタ２０が開いている間（Ｔｓ）、ゼーマンレーザ１６からのビームがヘテロダイン干渉計ユニットＩＵへ入射することとなる。これは、上記第１実施形態における半導体レーザ３の点灯と等価である。尚、シャッタ２０は、高速で動作する必要があるため、ブラッグ回折を利用した光変調素子等を用いることが望ましい。
尚、この間二次元ＣＣＤ９は光電変換を行うことによって電荷を蓄積している。
【００３６】
またパルス発生回路ＰＧでは、矩形パルスＰｌｄ１の生成から一定時間遅れて矩形パルスＰｃｃｄ１が生成される。そしてパルス発生回路ＰＧは、この矩形パルスＰｃｃｄ１をＣＣＤ駆動回路１３に指令信号Ｓｇ’２として送出することによって、二次元ＣＣＤ９の蓄積した電荷を電圧に変換して位相検出回路１４へ転送させる。
これらの動作によってビート信号Ｉ’（ｔ）は、図２の区間Ｕ１に示す時間Ｔｓだけ積分されたこととなる。
【００３７】
さらにパルス発生回路ＰＧは、矩形パルスＰｃｃｄ１を位相検出回路１４に指令信号Ｓｇ’３として送出することによって、矩形パルスＰｃｃｄ１の立下りに同期して位相検出回路１４に、ＣＣＤ駆動回路１３より転送される電圧信号を受信させてその信号の値（情報）を記憶させる。
ここで、以上の動作を二次元ＣＣＤ９における全ての画素からの信号に対して行うことにより、積分値（上記第１実施形態における積分値ＳＩ１に当たる積分値）が得られる。
【００３８】
さらに、基準信号Ｉ０’（ｔ）に対する位相がπ／２，πだけずれた図２に示す区間Ｕ２，Ｕ３においても、それぞれＩ０’（ｔ）の位相π／２，πの位置に同期した矩形パルスＰｌｄ２及びＰｃｃｄ２，Ｐｌｄ３及びＰｃｃｄ３をパルス発生回路ＰＧにて生成し、上述の積分値を求めるために行った動作と同様の動作をそれぞれ行う。以上の動作によって各積分値（上記第１実施形態における積分値ＳＩ２，ＳＩ３に当たる積分値）が得られる。
ここで、本実施形態は、上記第１実施形態におけるビート信号Ｉ（ｔ）と周波数とが異なる以外、上記第１実施形態と同様であるため、式を用いた詳細な説明は省略する。
【００３９】
各積分値から、上記第１実施形態における式（７）に当たる演算を位相検出回路１４において行うことにより、λ／４の整数倍を除いた変位量Ｘの値が求められる。この変位量Ｘの値は計数回路１５に導かれ、該計数回路１５によって上記実施形態と同様に補正が行われる。これによって、平面基板２上の一点を基準とした全点の高さ（Ｘ）、即ち平面基板２の表面の平坦度を知ることができる。
【００４０】
尚、位相がπ／２，π，３π／２だけずれた図２に示す区間Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４においても各積分値（上記第１実施形態における積分値ＳＩ２，ＳＩ３，ＳＩ４に当たる積分値）を得て、上記第１実施形態と同様の演算及び補正を行うことにより、平面基板２上の一点を基準とした全点の高さ（Ｘ）を知ることができる。
【００４１】
以上、本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、基準信号に同期して一定時間だけシャッタ２０を開けて、計測対象物の被計測面（平面基板２の表面）と参照面（固定平面鏡Ｍｒ）のそれぞれへ光源であるゼーマンレーザ１６から射出されたビームを入射させる構成である。これにより、ＣＣＤカメラが電子シャッタ機能を有していなくとも、ヘテロダイン信号の処理を精度良く行うことができ、計測対象物の被計測面形状の二次元的な計測を高精度に行うことができる。
【００４２】
（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計を示す概略構成図である。
図４に示すように本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、二周波光源部ＬＳと、一次元のヘテロダイン干渉計ユニットＬＩＵとを備えたヘテロダイン干渉計である。二周波光源部ＬＳは、上記第１実施形態と全く同様の構成である。本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、ホルダ１上に固定された平面基板２表面の一次元の平坦度（図４紙面に対して垂直な方向の平坦度）を一度に計測する。そして、一次元のヘテロダイン干渉計ユニットＬＩＵによって、斯かる一次元的な平坦度の計測を図４中の矢印Ａｓ方向へ走査しながら繰り返し行うことによって平面基板２表面の二次元の平坦度を計測するものである。
尚、図５は、一次元のヘテロダイン干渉計ユニットＬＩＵを立体的に示す構成図である。
【００４３】
二周波光源部ＬＳから射出されて一次元のヘテロダイン干渉計ユニットＬＩＵへ導かれた周波数の異なるビームＢｄｓ，Ｂｄｐは、円筒レンズＬＳ１，ＬＳ２によって図４紙面に対して垂直な一次元方向へ拡大される。この拡大されたビームＢｄｓ，Ｂｄｐは、３つの三角プリズムからなる偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射する。
【００４４】
偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射したビームＢｄｐは、Ｐ偏光のビームであるため、境界面Ｓ１を透過して１／４波長板２１ｒに入射する。１／４波長板２１ｒの裏面Ｍは鏡面にて構成されているため、該１／４波長板２１ｒに入射したビームＢｄｐは、裏面Ｍにて反射されて再び偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射する。このビームは、１／４波長板２１ｒを往復することによってＳ偏光のビームとなっているため、境界面Ｓ１にて反射され、さらに境界面Ｓ２においても反射されて、再び１／４波長板２１ｒに入射する。そしてこのビームは、裏面Ｍにて再び反射されて偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射する。さらにこのビームは、１／４波長板２１ｒを往復することによってＰ偏光のビームとなるため、境界面Ｓ２を透過して偏光ビームスプリッタＰＢＳ３から射出される。この偏光ビームスプリッタＰＢＳ３から射出されたビームＢｄｐは、レンズＬＣ１と、レンズＬＣ２と、偏光板２２とを介して一次元ＣＣＤ２３へ入射する。ここで、レンズＬＣ１，ＬＣ２には、それぞれ円筒レンズＬＳ２，ＬＳ１との機械的な干渉を避けるために上下部分を切り落としたレンズが用いられている。
以上、一次元ＣＣＤ２３に入射したビームＢｄｐは、偏光ビームスプリッタＰＢＳ３の境界面Ｓ１を透過してから一次元ＣＣＤ２３に入射するまでの光路長が平面基板２の状態に関わらず常に一定のビームである。
【００４５】
一方、偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射したビームＢｄｓは、Ｓ偏光のビームであるため、境界面Ｓ１にて反射されて１／４波長板２１ｍｕを経て基準平面鏡２４に入射する。このビームは、基準平面鏡２４によって反射されて再び１／４波長板２１ｍｕを経て偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射する。このビームは、１／４波長板２１ｍｕを往復することによってＰ偏光のビームとなっているため、境界面Ｓ１を透過し、さらに境界面Ｓ２を透過し、１／４波長板２１ｍｄを経て、ホルダ１上に固定された平面基板２に入射する。そしてこのビームは、この平面基板２によって反射され、再び１／４波長板２１ｍｄを経て、偏光ビームスプリッタＰＢＳ３に入射する。このビームは、１／４波長板２１ｍｄを往復することによってＳ偏光のビームとなっているため、境界面Ｓ２にて反射され、偏光ビームスプリッタＰＢＳ３から射出される。この偏光ビームスプリッタＰＢＳ３から射出されたビームＢｄｓは、レンズＬＣ１と、レンズＬＣ２と、偏光板２２とを介して一次元ＣＣＤ２３へ入射する。尚、一次元ＣＣＤ２３の結像面と平面基板２の表面とは共役な位置関係にある。
以上、一次元ＣＣＤ２３に入射したビームＢｄｓは、偏光ビームスプリッタＰＢＳ３の境界面Ｓ１で反射されてから一次元ＣＣＤ２３に入射するまでの光路長が平面基板２表面の凹凸の状態によって変化するビームである。
【００４６】
上述のようにビームＢｄｐ，Ｂｄｓは、一次元ＣＣＤ２３に入射する直前に光学軸が４５度傾いて配置された偏光板２２を通過する。これによりビームＢｄｐ，Ｂｄｓは、偏光方向が揃い、互いに干渉することが可能となる。このようにして一次元ＣＣＤ２３に干渉縞が形成される。この干渉縞は、ビームＢｄｓの光路長が変化することによって明暗が変化するため、該干渉縞の時間変化を処理することによって平面基板２における各部の高さ、即ち平面基板２の表面の平坦度を計測することが可能となる。
【００４７】
また、本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計では、上記第１実施形態におけるＣＣＤ駆動回路１３、位相検出回路１４、及び計数回路１５に対応するように、一次元ＣＣＤ２３の各画素に応じた数の複数の信号を処理可能なＣＣＤ駆動回路２５、位相検出回路２６、及び計数回路２７が配置されている。従って、上述の干渉縞の時間変化の処理は、原理的に上記第１実施形態の場合と全く同様に、一次元ＣＣＤ２３の各画素からの出力に対して行えばよい。
【００４８】
以上、本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、上記第１実施形態と同様に、基準信号に同期して一定時間だけ光源である半導体レーザを点灯させて、計測対象物の被計測面（平面基板２の表面）と参照面（基準平面鏡２４）のそれぞれへビームを入射させる構成である。これにより、ＣＣＤカメラが電子シャッタ機能を有していなくとも、ヘテロダイン信号の処理を精度良く行うことができ、計測対象物の被計測面形状の二次元的な計測を高精度に行うことができる。
【００４９】
また、本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、上述のように基準信号に同期して半導体レーザを一定時間点灯させる構成である。従って、半導体レーザを断続的に点灯させて用いていることから、半導体レーザ自体の寿命を延ばすことができる。
さらに、本実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計は、上述のように二周波光源部ＬＳを配置して構成されている。しかしこれに限られず、上記第２実施形態と同様にゼーマンレーザを光源として用いて構成することもできる。
尚、上記各実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計において被検物の表面は平面である。しかし本発明はこれに限られず、球面等の反射面の形状を計測するための二次元干渉計にも適用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣＣＤカメラの電子シャッタ機能を利用することなくヘテロダイン信号の処理を精度良く行うことができ、計測対象物の被計測面形状の二次元的な計測を高精度に行うことができる光ヘテロダイン干渉計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計を示す概略構成図である。
【図２】基準信号とビート信号の信号処理について説明する図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る光ヘテロダイン干渉計を示す概略構成図である。
【図５】第３実施形態における一次元のヘテロダイン干渉計ユニットＬＩＵを立体的に示す構成図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　ホルダ
２　　　　　　　平面基板
３　　　　　　　半導体レーザ
４，７ｒ，７ｍ，２１ｒ，２１ｍｕ，２１ｍｄ　　　１／４波長板
５ｓ，５ｐ　　　周波数変調素子
６ｓ，６ｐ　　　発振回路
８，１７，２２　偏光板
９　　　　　　　二次元ＣＣＤ
１０　　　　　　掛け算回路
１１　　　　　　ローパスフィルタ回路部
１２　　　　　　半導体レーザ駆動回路
１３，２５　　　ＣＣＤ駆動回路
１４，２６　　　位相検出回路
１５，２７　　　計数回路
１６　　　　　　ゼーマンレーザ
１８　　　　　　光電素子
１９　　　　　　制御回路
２０　　　　　　シャッタ
２３　　　　　　一次元ＣＣＤ
２４　　　　　　基準平面鏡
ＰＧ　　　　　　パルス発生回路
【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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