(57)【要約】【課題】演算精度を低下させることなく測定誤差を低減し、干渉縞の位相分布の取得精度を向上させることのできる干渉測定方法を提供する。【解決手段】干渉縞の光強度分布だけでなく、被検光束（Ｌｔ）が観察面（１７）上に形成する被検物の所定位置の像の光強度分布（Ｉｔ）と、参照光束（Ｌｒ）が観察面（１７）上に形成する参照物の所定位置の像の光強度分布（Ｉｒ）とをそれぞれ測定し、測定した２つの光強度分布の情報を、干渉縞の光強度分布（Ｉ１）の情報と共に干渉縞の位相分布の演算に用いる。像の光強度分布の情報を用いるので、従来のように参照物又は被検物を移動させる必要性が抑えられ、移動の際の姿勢変化に起因する測定誤差は抑えられる。また、像の光強度分布は、位相の影響を受けないので、測定対象を干渉縞の強度分布とした場合と比較すると、外乱の影響を受けにくい。よって、外乱に起因する測定誤差は、抑えられる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物から射出する被検光束と参照物から射出する参照光束とが所定の観察面上に形成する干渉縞の光強度分布を測定し、
前記被検光束が単独で前記観察面上に形成する前記被検物の所定位置の像の光強度分布と、前記参照光束が単独で前記観察面上に形成する前記参照物の所定位置の像の光強度分布とをそれぞれ測定し、
前記干渉縞の光強度分布の情報と前記２つの像の光強度分布の情報とを用いて前記干渉縞の位相分布を演算する
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の干渉測定方法において、
前記被検光束と前記参照光束との位相差をπ／２＋Ｎπ（但し、Ｎ：整数）だけ変調したときの前記干渉縞の光強度分布を測定し、
前記干渉縞の光強度分布の情報を、前記演算に用いる
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の干渉測定方法において、
前記被検物又は前記参照物を傾斜させたときの前記干渉縞の変化を観察し、
前記干渉縞の変化の情報を、前記演算に用いる
ことを特徴とする干渉測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子の被検面の形状測定や光学系の透過波面の測定などに適用される干渉測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子の被検面の干渉測定は、被検面で反射した被検光束と、参照面で反射した参照光束とが成す干渉縞を撮像素子で検出し、その干渉縞のデータに基づいて干渉縞の位相分布（＝被検光束と参照光束との位相差分布）を演算するものである。
【０００３】
その位相分布から、参照光束の波面を基準とした被検光束の波面の形状、さらには参照面を基準とした被検面の形状を求めることができる。
この位相分布の演算を、参照光束の強度や被検光束の強度に依らない高精度なものとするためには、互いに位相の異なる少なくとも３枚の干渉縞のデータが必要とされている。
【０００４】
事実、周知のフリンジスキャン干渉法（非特許文献１など）では、参照面（又は被検面）を移動させつつ干渉縞を３回以上測定し、取得した３つ以上のデータに対し演算を施している。
【非特許文献１】
「オプティカル・ショップ・テスティング・第２版（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｈｏｐ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ）」，第４章；位相シフト干渉計（Ｃｈａｐｔｅｒ  １４；Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数回の測定の間には、被検光束の光路や参照光束の光路に環境変化（外乱）が生じている。また、測定の間に参照面（又は被検面）を移動させるので、参照面（又は被検面）に姿勢変化が生じる。
【０００６】
このため、演算結果には、複数回の測定間の外乱や姿勢変化に起因する測定誤差が重畳されている。
そこで本発明は、演算精度を低下させることなく測定誤差を低減し、干渉縞の位相分布の取得精度を向上させることのできる干渉測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の干渉測定方法は、被検物から射出する被検光束と参照物から射出する参照光束とが所定の観察面上に形成する干渉縞の光強度分布を測定し、前記被検光束が単独で前記観察面上に形成する前記被検物の所定位置の像の光強度分布と、前記参照光束が単独で前記観察面上に形成する前記参照物の所定位置の像の光強度分布とをそれぞれ測定し、前記干渉縞の光強度分布の情報と前記２つの像の光強度分布の情報とを用いて前記干渉縞の位相分布を演算することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の干渉測定方法は、請求項１に記載の干渉測定方法において、前記被検光束と前記参照光束との位相差をπ／２＋Ｎπ（但し、Ｎ：整数）だけ変調したときの前記干渉縞の光強度分布を測定し、前記干渉縞の光強度分布の情報を、前記演算に用いることを特徴とする。
請求項３に記載の干渉測定方法は、請求項１に記載の干渉測定方法において、前記被検物又は前記参照物を傾斜させたときの前記干渉縞の変化を観察し、前記干渉縞の変化の情報を、前記演算に用いることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１、図２に基づいて本発明の第１実施形態について説明する。
本実施形態では、トワイマングリーン型干渉計により被検物３の被検面３Ａを干渉測定する。
【００１０】
本実施形態の干渉測定では、４種類の測定により４種類のデータが取得される。
先ず、第１の測定では、干渉計は図１（ａ）の状態に設定される。
図１（ａ）の状態では、レーザ光源１１からの射出光束は、集光レンズ１２及びコリメータレンズ１３を介して平行光束化された状態で偏光ビームスプリッタ１４に入射し、その一部が１／４波長板１５を介して参照物２の参照面２Ａに入射し、他の一部が別の１／４波長板１５を介して被検物３の被検面３Ａに入射する。
【００１１】
参照物２の参照面２Ａで反射した参照光束Ｌｒ、及び被検物３の被検面３Ａで反射した被検光束Ｌｔは、入射光路をそれぞれ反対向きに戻り、それぞれ１／４波長板１５を介して偏光ビームスプリッタ１４に再入射する。
再入射した参照光束Ｌｒ及び被検光束Ｌｔは、偏光ビームスプリッタ１４から同一方向に射出し、結像レンズ１６を介して撮像素子１７上に干渉縞を形成する。
【００１２】
この状態（図１（ａ）参照）で、撮像素子１７から出力されるデータＩ１（ｘ，ｙ）が取り込まれる。
このデータＩ１（ｘ，ｙ）は、参照光束Ｌｒと被検光束Ｌｔとが成す干渉縞の光強度分布のデータである。
次に、第２の測定では、干渉計は図１（ｂ）の状態に設定される。
【００１３】
図１（ｂ）の状態は、図１（ａ）の状態から、干渉縞がπ／２だけ位相変調されるよう（つまり、参照光束Ｌｒと被検光束Ｌｔとの位相差がπ／２だけ変調されるよう）、参照物２を光軸方向にシフトさせたものである。
このシフト量の制御については、光測長センサ１８などのセンサや、不図示の光学素子用のステージなどを利用して高精度に行うことが望ましい。
【００１４】
この状態（図１（ｂ）参照）で、撮像素子１７から出力されるデータＩ２（ｘ，ｙ）が取り込まれる。
このデータＩ２（ｘ，ｙ）は、参照光束Ｌｒと被検光束Ｌｔとが成す干渉縞の光強度分布のデータである。但し、データＩ１（ｘ，ｙ）とは位相変調量がπ／２の関係にある。
【００１５】
次に、第３の測定では、干渉計は図２（ａ）の状態に設定される。
図２（ａ）の状態は、図１（ａ）又は（ｂ）の状態において、参照光束Ｌｒの光路中にシャッタ１９が挿入されたものである。
このとき、撮像素子１７上には、被検光束Ｌｔのみが到達し、参照光束Ｌｒは到達しない。
【００１６】
この状態（図２（ａ）参照）で、撮像素子１７から出力されるデータＩｔ（ｘ，ｙ）が取り込まれる。
このデータＩｔ（ｘ，ｙ）は、被検光束Ｌｔが撮像素子１７上に形成する被検面３Ａの像の光強度分布のデータである。
次に、第４の干渉測定では、干渉計は図２（ｂ）の状態に設定される。
【００１７】
図２（ｂ）の状態は、図１（ａ）又は（ｂ）の状態において、被検光束Ｌｔの光路中にシャッタ１９が挿入されたものである。
このとき、撮像素子１７上には、参照光束Ｌｒのみが到達し、被検光束Ｌｔは到達しない。
この状態（図２（ｂ）参照）で、撮像素子１７から出力されるデータＩｒ（ｘ，ｙ）が取り込まれる。
【００１８】
このデータＩｒ（ｘ，ｙ）は、参照光束Ｌｒが撮像素子１７上に形成する参照面２Ａの像の光強度分布のデータである。
そして、本実施形態の干渉測定では、以上のようにして測定された４種類のデータＩ１（ｘ，ｙ），Ｉ２（ｘ，ｙ），Ｉｔ（ｘ，ｙ），Ｉｒ（ｘ，ｙ）を式（１）に代入して、干渉縞の位相分布Ψ（ｘ，ｙ）を求める。
【数１】
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以下、これら４種類のデータＩ１（ｘ，ｙ），Ｉ２（ｘ，ｙ），Ｉｔ（ｘ，ｙ），Ｉｒ（ｘ，ｙ）、及び式（１）により干渉縞の位相分布Ψ（ｘ，ｙ）が求まることを説明する。
先ず、干渉縞の強度分布のデータＩ１（ｘ，ｙ）は、被検光束Ｌｔの光強度分布のデータＩｔ（ｘ，ｙ）、被検光束Ｌｒの光強度分布のデータＩｒ（ｘ，ｙ）、干渉縞の位相分布Ψ（ｘ，ｙ）、レーザ光源１１のコヒーレンス度を示す係数γ（ｘ，ｙ）により、式（２）で表される。
【数２】
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一方、干渉縞の強度分布のデータＩ２（ｘ，ｙ）は、データＩ１（ｘ，ｙ）との間の位相変調量をｔとおくと、式（３）で表される。
【数３】
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また、式（２）は、式（２’）のように変形できる。
【数４】
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式（２’）を式（３）に代入すると、式（４）のとおりとなる。
【数５】
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式（４）は、式（４’）のように変形できる。
【数６】
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この式（４’）と、式（２’）とから、干渉縞の位相分布Ψ（ｘ，ｙ）は、式（５）で表されることがわかる。
【数７】
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ここで、本実施形態の干渉測定によると、データＩ１（ｘ，ｙ），Ｉ２（ｘ，ｙ）の間の位相変調量ｔはπ／２なので、ｓｘｉｎｔ＝１，ｃｏｓｔ＝０である。このとき、式（５）は、式（１）と簡略化される。
【００１９】
したがって、上述した４種類のデータＩ１（ｘ，ｙ），Ｉ２（ｘ，ｙ），Ｉｔ（ｘ，ｙ），Ｉｒ（ｘ，ｙ）、及び式（１）により干渉縞の位相分布Ψ（ｘ，ｙ）が求まることは明らかである。その演算精度は、演算に用いられるデータ数で比較すると、４枚の干渉縞のデータを用いていた従来と同等である。
また、本実施形態の干渉測定では、４種類のデータＩ１（ｘ，ｙ），Ｉ２（ｘ，ｙ），Ｉｔ（ｘ，ｙ），Ｉｒ（ｘ，ｙ）を取得するに当たり、参照物２の移動が第１の測定と第２の測定との間の１回のみに抑えられているので、移動中の姿勢変化に起因する測定誤差は、移動が抑えられた分だけ抑えられる。
【００２０】
また、４回の測定のうち２回の測定（第３の測定、第４の測定）の対象が、干渉縞の強度分布ではなく、単一光束が形成する像の光強度分布とされている。像の光強度分布は、位相の影響を受けないので、測定対象を干渉縞の強度分布とした場合と比較すると、外乱の影響を受けにくい。よって、外乱に起因する測定誤差は、抑えられる。
【００２１】
したがって、演算精度は低下せずに測定誤差のみが低減し、干渉縞の位相分布Ψ（ｘ，ｙ）は従来より高精度に求まる。
（その他）
なお、本実施形態の干渉測定では、第１の測定（図１（ａ））と第２の測定（図１（ｂ））との間で参照物２をシフトさせたが、参照物２をシフトさせたのと同じ距離だけ被検物３を光軸方向にシフトさせてもよい。
【００２２】
また、本実施形態の干渉測定では、第１の測定（図１（ａ））と第２の測定（図１（ｂ））との間の位相変調量ｔを「π／２」に設定したが、ｔ＝π／２＋Ｎπ（但し、Ｎ：整数）の式を満たす別の値に設定してもよい（この場合も、ｓｉｎｔ＝１，ｃｏｓｔ＝０であるから、式（１）を適用できる。）。
また、本実施形態の干渉測定では、仮に、位相変調量ｔを任意の値に設定しても、その値が既知であるならば、式（１）に代えて式（５）を適用することで位相分布Ψ（ｘ，ｙ）を算出することができる。但し、ｔ＝π／２＋Ｎπ（但し、Ｎ：整数）と設定した方が、より簡略化された式（１）を適用できるので、好ましい。
【００２３】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
相違点は、図３に示すように変形されたフィゾー型干渉計を使用する点にある。
この干渉計には、偏光ビームスプリッタ１４の代わりにハーフミラー１４’が用いられ、参照物２と被検物３との間に１／４波長板１５が挿入され、ハーフミラー１４’と結像レンズ１６との間に検光子２１が挿入される。
【００２４】
１／４波長板１５の主軸は、レーザ光源１１からの射出光束の偏光方向と４５°を成す。
このとき、１／４波長板１５を往復した被検光束Ｌｔと、その１／４波長板１５を何ら通過しない参照光束Ｌｒとの間では、その偏光方向が９０°ずれる。
【００２５】
この干渉計の使用方法は次のとおりである。
先ず、第１の測定では、検光子２１の透過軸は、被検光束Ｌｔの偏光方向Ｄｔ、参照光束Ｌｒの偏光方向Ｄｒのそれぞれと４５°を成す方向に設定される。
この状態では、参照光束Ｌｒと被検光束Ｌｔとの双方が撮像素子１７に到達するので、撮像素子１７から、干渉縞の強度分布のデータＩ１（ｘ，ｙ）を取り込むことができる。
【００２６】
次に、第２の測定では、検光子２１の透過軸は、第１の測定における方向から９０°回転した状態に設定される。
この状態では、撮像素子１７から、データＩ１（ｘ，ｙ）と位相変調量ｔがπ／２の関係にあるデータＩ２（ｘ，ｙ）を取り込むことができる。
次に、第３の測定では、検光子２１の透過軸は、被検光束Ｌｔの偏光方向Ｄｔに設定される。
【００２７】
この状態では、被検光束Ｌｔのみが撮像素子１７に到達するので、撮像素子１７から、被検光束Ｌｔが撮像素子１７上に形成する被検面３Ａの像の光強度分布のデータＩｔ（ｘ，ｙ）を取り込むことができる。
次に、第４の測定では、検光子２１の透過軸は、参照光束Ｌｒの偏光方向Ｄｒに設定される。
【００２８】
この状態では、参照光束Ｌｒのみが撮像素子１７に到達するので、撮像素子１７から、参照光束Ｌｒが撮像素子１７上に形成する参照面２Ａの像の光強度分布のデータＩｒ（ｘ，ｙ）を取り込むことができる。
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００２９】
相違点は、図４に示すように変形されたフィゾー型干渉計を使用する点にある。
この干渉計には、偏光ビームスプリッタ１４の代わりにハーフミラー１４’が用いられ、参照物２と被検物３との間に１／４波長板１５が挿入され、ハーフミラー１４’と結像レンズ１６との間に偏光ビームスプリッタ１４が挿入され、結像レンズ１６及び撮像素子１７が１組追加される。また、ハーフミラー１４’と偏光ビームスプリッタ１４との間に、１／４波長板１５’が挿入される。
【００３０】
一方の結像レンズ１６及び撮像素子１７は、偏光ビームスプリッタ１４にて反射される光束の光路に配置され、他方の結像レンズ１６及び撮像素子１７は、偏光ビームスプリッタ１４にて透過する光束の光路に配置される。
１／４波長板１５の主軸は、レーザ光源１１からの射出光束の偏光方向と４５°を成す。
【００３１】
以上の干渉計の使用方法は次のとおりである。
先ず、第１の測定と第２の測定とは同時に行われる。このとき、１／４波長板１５’の主軸は、被検光束Ｌｔの偏光方向Ｄｔ、参照光束Ｌｒの偏光方向Ｄｒのそれぞれと４５°を成す方向に設定される。
この状態では、２つの撮像素子１７上には、互いにπ／２だけ位相変調した干渉縞がそれぞれ形成されるので、それら２つの撮像素子１７から、データＩ１（ｘ，ｙ），Ｉ２（ｘ，ｙ）を取り込むことができる。
【００３２】
また、第３の測定と第４の測定とは同時に行われる。このとき、１／４波長板１５’の主軸は、被検光束Ｌｔの偏光方向Ｄｔ、又は参照光束Ｌｒの偏光方向Ｄｒに設定される。
この状態では、被検光束Ｌｔ、参照光束Ｌｒの一方のみ及び他方のみが２つの撮像素子１７上にそれぞれ到達するので、それら２つの撮像素子１７から、データＩｔ（ｘ，ｙ），Ｉｒ（ｘ，ｙ）をそれぞれ取り込むことができる。
【００３３】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、上記各実施形態との相違点についてのみ説明する。
相違点は、上述した４種類のデータＩ１（ｘ，ｙ），Ｉ２（ｘ，ｙ），Ｉｔ（ｘ，ｙ），Ｉｒ（ｘ，ｙ）のうち、データＩ２（ｘ，ｙ）の取得が省略される代わりに、レーザ光源１１のコヒーレンス度を示す係数γ（ｘ，ｙ）が別途取得される点にある。
【００３４】
この係数γ（ｘ，ｙ）は、レーザ光源１１のコヒーレンス度を示す係数なので、レーザ光源１１からの射出光束を測定対象とした測定などにより取得できる。
そして、本実施形態では、データγ（ｘ，ｙ），Ｉ１（ｘ，ｙ），Ｉｔ（ｘ，ｙ），Ｉｒ（ｘ，ｙ）を式（２”）に代入して、干渉縞の位相分布Ψ（ｘ，ｙ）を求める。
【数８】
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ここで、この式（２”）は、上述した式（２）を変形したものである。よって、係数γ（ｘ，ｙ），データＩ１（ｘ，ｙ），Ｉｔ（ｘ，ｙ），Ｉｒ（ｘ，ｙ）、及び式（２”）により干渉縞の位相分布Ψ（ｘ，ｙ）が求まることは明らかである。
以上、本実施形態の干渉測定によれば、レーザ光源１１のコヒーレンス度が既知でありさえすれば、参照物２又は被検物３を光軸方向にシフトさせることなく、上記各実施形態と同様に高精度に位相分布Ψ（ｘ，ｙ）が求まる。
【００３５】
なお、式（２”）により求まるのは、位相分布Ψ（ｘ，ｙ）の大きさのみである。
そこで、本実施形態の干渉測定では、位相分布Ψ（ｘ，ｙ）の符号を求めるため、図５に示すように、被検物３を所定方向に十分な角度だけ傾斜させた状態で干渉縞を観察し、その干渉縞の湾曲方向を見る。傾斜方向に対する湾曲方向が（ａ）、（ｂ）の何れであるかによって、符号を正又は負に確定する。
【００３６】
ここで、「十分な角度」とは、干渉縞がワンカラーでは無くなる（＝位相分布Ψ（ｘ，ｙ）が２π以上の広範囲に亘る分布となる）ような十分に大きな角度である。
［その他］
なお、上述した各実施形態では、被検物２の被検面２Ａの形状を測定する干渉測定を例に挙げたが、単レンズの透過波面や、光学系の透過波面の形状を測定する干渉測定にも、本発明は適用可能である。
【００３７】
また、上述した各実施形態では、トワイマングリーン型の干渉計、フィゾー型の干渉計の何れかを使用したが、シアリング干渉計、マッハツェンダー型干渉計などの他の干渉計を使用する場合にも同様のデータを取得し、かつ同様の式を適用すれば、上記各実施形態と同様に高精度に位相分布Ψ（ｘ，ｙ）が求まる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したとおり本発明によれば、演算精度を低下させることなく測定誤差を低減し、干渉縞の位相分布の取得精度を向上させることのできる干渉測定方法が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における第１の測定、第２の測定を説明する図である。
【図２】第１実施形態における第３の測定、第４の測定を説明する図である。
【図３】第２実施形態で使用する干渉計を説明する図である。
【図４】第３実施形態で使用する干渉計を説明する図である。
【図５】第４実施形態において行われる干渉縞の観察方法を説明する図である。
【符号の説明】
２  参照物
２Ａ  参照面
３  被検物
３Ａ  被検面
１１  レーザ光源
１２  集光レンズ
１３  コリメータレンズ
１４  偏光ビームスプリッタ
１５，１５’  １／４波長板
１６  結像レンズ
１７  撮像素子
１８  光測長センサ
１９  シャッタ
１４’  ハーフミラー
２１  検光子
【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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