(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構成で広い計測レンジと高い計測精度とを実現した計測装置を提供する。【解決手段】計測装置は、第１光源、第２光源、第１検出器、第２検出器及び算出部を備える。第１光源は第１波長と第２波長との間で波長が走査された走査区間を含む第１光を生成する。第２光源は第３波長の第２光を生成する。第１検出器は第１光を参照面及び被検面に各々照射することで生成された第１干渉縞を検出する。第２検出器は第２光を参照面及び被検面に各々照射することで生成された第２干渉縞を検出する。第３波長は第１波長及び第２波長の合成波長より短い。算出部は第１時刻において第２干渉縞の位相のデータから第２干渉縞の次数が算出できなくなった場合に、第１時刻より後の走査区間における第１干渉縞の位相の変化に基づいて第１時刻以降における第２干渉縞の次数を算出し、該算出された第２干渉縞の次数を用いて第１時刻以降における被検面の形状を算出する。【選択図】図１
2013083581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照面に照射された参照光と被検面に照射された計測光との干渉によって生成された干渉縞を検出して前記被検面の位置又は形状を計測する計測装置であって、
第１波長と第２波長との間で波長が走査された走査区間を含む第１光を生成する第１光源と、
第３波長を有する第２光を生成する第２光源と、
前記第１光源により生成された前記第１光を前記参照面及び前記被検面にそれぞれ照射することによって生成された第１干渉縞を検出する第１検出器と、
前記第２光源により生成された前記第２光を前記参照面及び前記被検面にそれぞれ照射することによって生成された第２干渉縞を検出する第２検出器と、
前記第２検出器により検出された前記第２干渉縞の位相のデータに基づき、前記第３波長を計測レンジを決定する計測波長として前記被検面の位置又は形状を算出する算出部と、
を備え、
前記第３波長は、前記第１波長及び前記第２波長の合成波長より短く、
前記算出部は、第１時刻より後の前記走査区間における前記第１干渉縞の位相の変化に基づいて前記第１時刻以降における前記第２干渉縞の次数を算出し、該算出された前記第２干渉縞の次数と前記第２干渉縞の位相のデータとを用いて前記第１時刻以降における前記被検面の位置又は形状を算出する、
ことを特徴とする計測装置。
【請求項２】
参照面に照射された参照光と被検面に照射された計測光との干渉によって生成された干渉縞を検出して前記被検面の位置又は形状を計測する計測装置であって、
第１波長と第２波長との間で波長が走査された走査区間を含む第１光を生成する第１光源と、
第３波長を有する第２光を生成する第２光源と、
第４波長を有する第３光を生成する第３光源と、
前記第１光源により生成された前記第１光を前記参照面及び前記被検面にそれぞれ照射することによって生成された第１干渉縞を検出する第１検出器と、
前記第２光源により生成された前記第２光を前記参照面及び前記被検面にそれぞれ照射することによって生成された第２干渉縞を検出する第２検出器と、
前記第３光源により生成された前記第３光を前記参照面及び前記被検面にそれぞれ照射することによって生成された第３干渉縞を検出する第３検出器と、
前記第２検出器及び前記第３検出器によりそれぞれ検出された前記第２干渉縞の位相のデータ及び前記第３干渉縞の位相のデータに基づき、前記第３波長及び前記第４波長の第１の合成波長を計測レンジを決定する計測波長として前記被検面の位置又は形状を算出する算出部と、
を備え、
前記第１の合成波長は、前記第１波長及び前記第２波長の第２の合成波長より短く、
前記算出部は、第１時刻において前記第２干渉縞の位相と第３干渉縞の位相との差で示される前記第１の合成波長の位相のデータから前記第１の合成波長の干渉次数が算出できなくなった場合に、前記第１時刻より後の前記走査区間における前記第１干渉縞の位相の変化に基づいて前記第１時刻以降における前記第１の合成波長の干渉次数を算出し、該算出された前記第１の合成波長の干渉次数と前記第１の合成波長の位相のデータとを用いて前記第１時刻以降における前記被検面の位置又は形状を算出する、
ことを特徴とする計測装置。
【請求項３】
前記算出部は、前記第１時刻より後の前記走査区間における前記第１干渉縞の位相の変化から前記区間が終了した第２時刻における前記第１干渉縞の次数を算出し、該第２時刻における前記第１干渉縞の次数から前記第２時刻における前記計測波長の干渉次数を算出し、該第２時刻における前記計測波長の干渉次数と前記第１時刻以降の前記計測波長の位相のデータとから前記第１時刻以降の前記計測波長の干渉次数を算出し、該算出された計測波長の干渉次数と前記計測波長の位相のデータとを用いて前記第１時刻以降における前記被検面の位置又は形状を算出する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記算出部は、
前記第１干渉縞及び前記計測波長の位相を算出し、該計測波長の位相のデータから前記計測波長の干渉次数が算出される場合に該計測波長の干渉次数を算出し、算出された前記計測波長の位相及び干渉次数に基づいて前記被検面の位置又は形状を算出する第１算出部と、
前記計測波長の位相のデータから前記計測波長の干渉次数が算出されなくなった場合に該計測波長の干渉次数を算出する第２算出部と、
を含む、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記第１光源により生成された前記第１光と前記第２光源により生成された前記第２光とのそれぞれを第１光束と第２光束とに分割する第１偏光ビームスプリッタと、前記第２光束を一定の周波数で変調する変調部と、該変調部で変調された第２光束と前記第１光束とを合成する第２偏光ビームスプリッタとを前記第１光源及び前記第２光源と前記参照面及び前記被検面との間に備える、ことを特徴とする請求項１、請求項３及び請求項４のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記第１光源により生成された前記第１光と前記第２光源により生成された前記第２光と前記第３光源により生成された前記第３光とのそれぞれを第１光束と第２光束とに分割する第１偏光ビームスプリッタと、前記第２光束を一定の周波数で変調する変調部と、該変調部で変調された第２光束と前記第１光束とを合成する第２偏光ビームスプリッタとを前記第１光源、前記第２光源及び前記第３光源と前記参照面及び前記被検面との間に備える、ことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検面の位置又は形状を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
形状等を高精度に計測する装置として一般的に干渉計測装置が知られている。単波長の光を用いる干渉計測装置では、被検面に計測光の波長の半分以上の段差がある場合には段差の高低差の判別ができない為、被検面の形状等を計測できない。更に被検面が粗さを持つ場合、表面粗さに起因するスペックルパターンは２πより大きい標準偏差のランダム位相を有する為、単波長の光を用いる干渉計測装置では計測不確さが大きくなってしまう。
【０００３】
これらの問題を解決する為に、複数の異なる波長で干渉計測し各波長の位相を合成する干渉計測装置が知られている。例えば、２つの異なる波長λ１、λ２（λ１＞λ２）を用いる場合、その合成波長Λ=λ１×λ２／（λ１−λ２）の半分までの段差が計測可能となり単波長の光のみを用いる干渉計測装置と比較して計測レンジの拡大が可能となる。合成波長の光を用いる干渉計測装置は、特許文献１、２にて開示されている。特許文献１では、多重モードレーザを光源に用い、複数の波長を同時に干渉させ回折格子にて波長分離して波長毎に位相検出を行う。特許文献２では、複数の波長を同時に発振するレーザ光源を用い、複数の波長を同時に干渉させダイクロイックミラーにて波長分離して波長毎に位相検出を行う。
【０００４】
一方、非特許文献１によると、２つの波長のスペックルに相関があるならば、その２つの波長の位相差は巨視的表面プロファイルと微視的表面粗さに関する情報が得られるとしている。更に２つの波長のスペックルの相関は、合成波長に依存し、合成波長が小さい程減少し、逆に合成波長が大きいと増加する。このことから, 単波長の光を用いる干渉計測装置では困難である粗面を有する被検物においても、多波長の光を用いる干渉計測装置では精度良く計測することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−５２５４０号公報
【特許文献２】特開平１０−２８１７３８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“High-order statistical properties ofspeckle fields and their application  rough-surface interferometry” U.Vry  and F.Fercher,  J.Opt.Soc.Am.A,3,7,988-1000(1986)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多波長の光を用いる干渉計測装置により計測レンジを拡大させる場合、異なる波長の波長差をより小さくする必要がある。例えば、多波長の光を用いて計測レンジ１０ｍｍ（光路長差２０ｍｍ）を計測する場合を考える。２波長の合成波長で計測する場合で、各波長はλ１１=１５００．０００ｎｍとλ１２=１５００．１１３ｎｍ（波長差１１３ｐｍ）の波長が必要となる。波長差１１３ｐｍを分離するような回折格子を用いて２波長を分離する場合、非常に大型かつ高精度の回折光学素子が必要となり実現性が困難である。
【０００８】
また、特許文献２で開示されているような薄膜（ダイクロイックミラー）により波長を分離する方法では波長差１１３ｐｍを分離するような分光特性を持つような薄膜の構成の実現は困難である。一方、１０ｍｍの計測レンジを確保する別の手法として３波長で計測することも可能である。例えば、λ２１=１５００．００ｎｍとλ２２=１５２０．０００ｎｍ（波長差２０ｎｍ）との２つの波長で合成波長Λ２１２＝１１４．０００μｍを構成する。更にλ２１=１５００．０００ｎｍとλ２３=１４８０．６２９ｎｍ(波長差１９．３７１ｎｍ)の２つの波長で合成波長Λ２１３=１１４．６５３μｍを構成する。この結果、合成波長Λ２１２と合成波長Λ２１３との合成波長Λ２は、Λ２＝２０ｍｍとなり、分離すべき必要波長差が１９．３７１ｎｍで１０ｍｍの計測レンジを得ることが可能となる。しかし、非特許文献１より被検面が粗さをもつ場合は、粗さに起因するスペックルの相関は波長差が広がると減少する為に、２波長構成と比較して３波長構成は検出精度が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
本発明は、簡易な構成で広い計測レンジと高い計測精度とを実現した計測装置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】
【００１０】
本発明の一つの側面は、参照面に照射された参照光と被検面に照射された計測光との干渉によって生成された干渉縞を検出して前記被検面の位置又は形状を計測する計測装置であって、第１波長と第２波長との間で波長が走査された走査区間を含む第１光を生成する第１光源と、第３波長を有する第２光を生成する第２光源と、前記第１光源により生成された前記第１光を前記参照面及び前記被検面にそれぞれ照射することによって生成された第１干渉縞を検出する第１検出器と、前記第２光源により生成された前記第２光を前記参照面及び前記被検面にそれぞれ照射することによって生成された第２干渉縞を検出する第２検出器と、前記第２検出器により検出された前記第２干渉縞の位相のデータに基づき、前記第３波長を計測レンジを決定する計測波長として前記被検面の位置又は形状を算出する算出部と、を備え、前記第３波長は、前記第１波長及び前記第２波長の合成波長より短く、前記算出部は、第１時刻より後の前記走査区間における前記第１干渉縞の位相の変化に基づいて前記第１時刻以降における前記第２干渉縞の次数を算出し、該算出された前記第２干渉縞の次数と前記第２干渉縞の位相のデータとを用いて前記第１時刻以降における前記被検面の位置又は形状を算出する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易な構成で広い計測レンジと高い計測精度とを実現した計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】計測装置の構成を示す図。
【図２】計測手法を示す図
【図３】複数の光源の波長の推移を示す図
【図４】被検面の形状が計測波長の計測レンジ内である場合を示す図
【図５】被検面の形状が計測波長の計測レンジ外である場合を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、参照面に照射された参照光と被検面に照射された計測光との干渉によって生成された干渉縞を検出して前記被検面の位置又は形状を計測する計測装置の実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の計測装置は、図１に示すように、第１光源（波長可変レーザ）１と第２光源（固定波長レーザ）２と第３光源（固定波長レーザ）３と、波長の基準素子としてのガスセル４とを備える。波長可変レーザ１は、第１波長λ１と第２波長λ２との間で波長が走査された走査区間を含む第１光を生成する。固定波長レーザ２は、第３波長λ３を有する第２光を生成する。固定波長レーザ３は、第４波長λ４を有する第３光を生成する。
【００１４】
計測装置は、更に、偏光ビームスプリッタ２０と、参照面６と、参照面６及び被検面７の光路差に起因して生成された干渉縞を検出する第１乃至第３検出器１０ｃ〜１０ａとを有している。第１検出器１０ｃは、波長可変レーザ１により生成された波長λ１と第２波長λ２との間で波長が走査された第１光を参照面６及び被検面７にそれぞれ照射することによって生成された第１干渉縞を検出する。第２検出器１０ｂは、固定波長レーザ２により生成された波長λ３の第２光を参照面６及び被検面７にそれぞれ照射することによって生成された第２干渉縞を検出する。第３検出器１０ａは、固定波長レーザ３により生成された波長λ４の第３光を参照面６及び被検面７にそれぞれ照射することによって生成された第３干渉縞を検出する。
【００１５】
計測装置は、更に、参照面６に対する被検面７の絶対距離を算出する算出部８を有する。固定波長レーザ２及び固定波長レーザ３から第１の合成波長が生成され、波長が走査される波長可変レーザ１から第２の合成波長が生成される。第１の合成波長は、前記第３波長及び前記第４波長の積を前記第３波長及び前記第４波長の差で割った波長Λ３４（＝λ３×λ４／｜λ３−λ４｜）で示される。第２の合成波長は、前記第１波長及び前記第２波長の積を前記第１波長及び前記第２波長の差で割った波長Λ１２（＝λ１×λ２／｜λ１−λ２｜）で示される。
【００１６】
本実施形態では、第２の合成波長Λ１２は、第１波長乃至第４波長λ１〜λ４よりはるかに長く計測精度は低いが計測レンジは広い。一方、第１の合成波長Λ３４は、第１波長乃至第４波長λ１〜λ４及び第２の合成波長Λ１２より短い。その結果、第１の合成波長Λ３４は、第１波長乃至第４波長λ１〜λ４及び第２の合成波長Λ１２と比較して計測精度が高いものの計測レンジは狭い。
【００１７】
本実施形態の算出部８は、第２、第３検出器１０ｂ，１０ａで検出された第２、第３干渉縞の位相のデータに基づき、計測精度が高い第１の合成波長Λ３４を計測レンジを決定する計測波長として被検面７の位置又は形状を算出する。参照面に対する被検面の距離を計測し、計測を行う被検面上の各点の距離（位置）を繋ぎ合わせることで被検面の形状を求めることができる。しかし、被検面７にΛ３４／２を超える段差が存在している場合、その段差を検出した時刻（第１時刻）以降において、第１の合成波長Λ３４の位相のデータから第１の合成波長Λ３４の干渉次数が求められず、その結果、被検面７の位置又は形状を算出しえない。
【００１８】
そこで、段差以上の大きさを有する第２の合成波長Λ１２と第１の合成波長Λ３４とを繋ぎ合わせることによって、第２の合成波長Λ１２の干渉次数から第１の合成波長Λ３４の干渉次数を決定する。この構成により、計測装置は、波長可変レーザ１の波長の走査量を大幅に低減して、大きな計測レンジを有することが可能となる。更に、計測装置は、レーザの電流変調による波長走査が可能となる為、被検面７の絶対距離の高速な計測を実現する。
【００１９】
波長可変レーザ１を出射した光束はビームスプリッタ５ａで分割される。また、波長可変レーザ１と異なる波長を有する固定波長レーザ２を出射した光束は、ビームスプリッタ５ｂに入射して偏向後、ビームスプリッタ５ａに入射し、光軸が波長可変レーザ１を出射した光束と同軸になると同時に光束も分割される。また、波長可変レーザ１及び固定波長レーザ２と異なる波長を有する固定波長レーザ３を出射した光束は、ビームスプリッタ５ｂに入射し透過後、ビームスプリッタ５ａに入射し、光軸が波長可変レーザ１を出射した光束と同軸になると同時に光束も分割される。
【００２０】
ビームスプリッタ５ａで分割された光束の一方はガスセル４を透過後、分光素子１２ａ，１２ｂで波長可変レーザ１と固定波長レーザ２と固定波長レーザ３の光束それぞれに分離される。ガスセル４を透過後、波長可変レーザ１の光束の光量は検出器１３aにより、固定波長レーザ２の光束の光量は検出器１３ｂにより、固定波長レーザ３の光束の光量は検出器１３ｃによりそれぞれ検出される。ここで、波長可変レーザ１と固定波長レーザ２と固定波長レーザ３は同様のＤＦＢ（分布帰還型）半導体レーザを用いる。また、本実施形態では波長可変レーザ１と固定波長レーザ２と固定波長レーザ３とは、別のレーザとしているが、光通信に用いられる多波長光源と同様に複数の半導体レーザを１つの素子に集積した構造としても構わない。その場合にはコストおよび寸法の観点で有利である。
【００２１】
レーザ制御部１４は、検出器１３ｂの信号を用いて固定波長レーザ２の波長をガスセル４の吸収線である波長λ３に安定化するように制御を行う。波長の安定化は検出器１３ｂの透過強度が一定となるように、レーザ制御部１４により固定波長レーザ２の波長を調整することにより行う。レーザ制御部１４は、固定波長レーザ２の波長を調整するために、注入電流を変調する。同様にレーザ制御部１４は、検出器１３ｃの信号を用いて固定波長レーザ３の波長をガスセル４の吸収線である波長λ４に安定化するように制御を行う。
【００２２】
波長可変レーザ１は、波長λ１に相当するガスセル４の透過スペクトルに安定化されているが、安定化制御を解除し、電流変調によって波長λ２に波長走査された後に波長λ２で安定化される。波長λ２から波長λ１への波長走査も同様である。このように波長可変レーザ１は、少なくとも２つの基準波長λ1、λ2のいずれかに安定化可能で、λ1〜λ2間を周期的に、且つ高速に走査する。図３は本実施形態の波長可変レーザ１と固定波長レーザ２と固定波長レーザ３のそれぞれの波長の時間変化を示している。本実施形態ではガスセル４のみを用いて波長精度を保障しているが、以下で述べる次数決定の為の精度条件を満たせれば波長保障としてエタロンを用いても構わない。また、ガスセル４とエタロンの両方を用いても構わない。
【００２３】
ビームスプリッタ５ａで分割されたもう一方の光束は、偏光ビームスプリッタ（第１偏光ビームスプリッタ）１６によって第１光束と第２光束とに更に分割される。第１光束は偏光ビームスプリッタ（第２偏光ビームスプリッタ）１７まで伝播する。第２光束は一定の周波数で変調する変調部（波長シフタ）１１に入射する。波長シフタ１１は、波長可変レーザ１と固定波長レーザ２，３のそれぞれから出力される光束について、図示されない音響光学素子により入射波長に対して一定量の周波数シフトｄνを印加する。波長シフタ１１を出射した光束は偏光ビームスプリッタ１７まで伝播する。前記第１光束と前記第２光束は偏光ビームスプリッタ１７により合成されて再び共通光路となった後にビームスプリッタ１８によって２つに分岐される。分岐された光束の一方は偏光子２７を通過した後分光素子１９に入射する。
【００２４】
分光素子１９は、同軸で入射した波長可変レーザ１と固定波長レーザ２と固定波長レーザ３の光束を分離する。分光素子１９として、アレイ導波路型の回折格子を用いる。アレイ導波路型の回折格子以外の分光素子１９として、プリズムやバルク型の回折格子も使用可能である。分光素子１９を介した波長λ１の第１光束と第２光束との干渉信号として両光束の周波数差に相当するビート信号が第１検出器１０ｃで検出される。また、波長λ３の前記第１光束と第２光束との干渉信号として両光束の周波数差に相当するビート信号が第２検出器１０ｂで検出される。同様に、波長λ４の前記第１光束と第２光束との干渉信号として両光束の周波数差に相当するビート信号が第３検出器１０ａで検出される。第１〜第３検出器１０ｃ〜１０ａの内部では、偏光子により前記第１光束と前記第２光束の共通偏光成分を抽出することで干渉信号を得る。以下、分光素子１９を介して第１〜第３検出器１０ｃ〜１０ａで検出される干渉信号を基準信号と称す。
【００２５】
ビームスプリッタ１８で分岐されたもう一方の光束は距離を計測する干渉計１００に入射する。干渉計１００に入射した光束はコリメータレンズ２1で平行光束とされる。干渉計１００内の偏光ビームスプリッタ２０は第１光束を透過し、第２光束を反射するように配置される。偏光ビームスプリッタ２０を反射した第２光束はλ／４板２２により円偏光とされ、コーナーキューブである参照面６で反射され逆周りの円偏光となる。第２光束は、λ／４板２２を再度透過することで、入射時とは偏波面が９０度回転した直線偏光となって偏光ビームスプリッタ２０に再度入射する。第２光束は、その後、偏光ビームスプリッタ２０を透過した後偏光子２８を通過し、更に集光レンズ２５によって集光された後、分光素子２６に入射する。
【００２６】
一方、偏光ビームスプリッタ２０を透過した第１光束は、λ／４板２３により円偏光とされ、集光レンズ２４で収束光束となって被検面７に集光される。被検面７で反射されて逆周りの円偏光とされた後、λ／４板２３を再度透過することにより入射時とは偏波面が９０度回転した直線偏光となって偏光ビームスプリッタ２０に再度入射する。第１光束は、その後、偏光ビームスプリッタ２０で反射され、集光レンズ２５によって集光された後、分光素子２６に入射する。以下、参照面６で反射する光束を参照光束、被検面７で反射する光束を計測光束と称す。尚、高コントラストの干渉信号を得る為に、参照光束と計測光束の強度を同じにすることが好ましい。この為、回転機構（不図示）によって偏光子２８を回転させ強度調整を可能にすることが好ましい。またＮＤフィルタ等（不図示）で参照光束もしくは計測光束の強度を調整しても構わない。
【００２７】
分光素子２６に入射した波長λ１の参照光束と計測光束の干渉信号が第１検出器１０ｃで検出される。また、波長λ３の参照光束と計測光束の干渉信号が第２検出器１０ｂで検出される。また、波長λ４の参照光束と計測光束の干渉信号が第３検出器１０ａで検出される。以下、分光素子２６を介して第１〜第３検出器１０ｃ〜１０ａで検出される干渉信号を計測信号と称す。計測信号は、第１光束と第２光束の干渉信号として両光束の周波数差に相当するビート信号となる点は同一であるが、計測光と参照光の光路長差により干渉信号の位相が基準信号と異なる。
【００２８】
干渉計１００の光束を分割する素子として偏光成分で分割可能な偏光ビームスプリッタ２０を用いることによる効果は、参照面６と被検面７のそれぞれで反射する光束を偏光により分離する事が可能となる点にある。以上の効果を利用すれば、直交する２つの偏光間で僅かに周波数シフト差を加えることで被検面７と参照面６間のヘテロダイン検出が構成可能となり、高精度な位相計測が実現する。また、本実施例では被検面７の距離を計測する干渉計として構成したが、被検面７をＸＹ平面内に駆動可能なステージに載せることで被検面７の面形状情報を得るような形状計測にも適用可能である。また、この場合、駆動ステージの代わりにガルバノミラーを干渉計１００と被検面７の間に配置しても構わない。
【００２９】
算出部８は、少なくともメモリ８１と第１算出部８２と第２算出部８３から構成されている。メモリ８１は各光源１〜３の位相計測を記憶する。第１算出部８２は、基準信号と計測信号からの信号が接続され、被検面７と参照面６間の絶対距離を算出する。第２算出部８３は、計測時に被検面７の高低差が波長λ３と波長λ４との第１の合成波長Λ３４の計測レンジ超えてしまう場合や光源からの光が一時遮断されてしまうことによって、第１の合成波長Λ３４の干渉次数が不明になった場合に後から干渉次数を決定する。同時に算出部８は、レーザ制御部１４にも接続され計測フローに応じて波長可変レーザ１の波長制御も行う。本実施形態は１つの光源ユニットに対して複数の干渉計１００を配置する際には、光源ユニットとビームスプリッタ１６との間で光束を分割することで、容易に対応可能な構成になっている。
【００３０】
次に図２を用いて本実施形態の計測の手法を説明する。算出部８は、まず計測を開始するにあたって計算フラグを０に設定する。ここで、計算フラグとは波長走査開始時刻ｔ’０から次の波長走査終了時刻ｔ１までの間の被検面７の高低差がΛ３４の半分を超えた場合１となり、それ以外は０とする判断フラグである。この計算フラグの役割については下記の説明の中で行っていく。
【００３１】
計測フローは大きく２つのループに分けられる。１つは波長制御ループであり、もう１つは計測ループである。波長制御ループでは、図３で示すように、波長可変レーザ１を基準波長λ１〜λ２間で走査し、その後どちらかの基準波長に安定化制御することを繰り返している。また、Ｓ４０２とＳ４０４で、算出部８は、基準波長に制御完了後、波長走査完了を示すフラグを計測ループ側のＳ１０４へ送信する。このフラグを受けて、算出部８は、Ｓ１０４で波長走査完了の判断をする。
【００３２】
次に計測ループについて説明をする。計測ループは、波長可変レーザ１の波長を第１基準波長λ１と第２基準波長λ２との間で走査しながら、当該走査された波長と、固定波長レーザ２，３の第３基準波長λ３及び第４基準波長λ４で位相の計測を繰り返す。ここでは、時刻ｔ０〜ｔ１の間における位相計測を例にとって説明する。第１〜第３検出器１０ｃ〜１０ａは、Ｓ１０１、Ｓ２０１で、第３基準波長λ３及び、第４基準波長λ４および第２基準波長λ２において位相計測をする。位相計測とは計測信号と基準信号の位相差を計測することであり、算出部８は、基準信号と計測信号の位相を位相計で計測しそれらの差分を算出することにより位相差を得る。得られた位相差は図１２のメモリ８１に格納される。
【００３３】
Ｓ１０１で第２、第３検出器１０ｂ，１０ｃによりそれぞれ計測される位相差φｋ（ｋ＝３,４）は式１で表わされる。
φｋ（ｔ）＝２π×２Ｄ（ｔ）／λｋ  （ｋ＝３，４）・・・（１）
【００３４】
Ｓ２０１で第１検出器１０ｃにより計測される波長可変レーザ１の光を用いた位相差φａ(ｔ０)は式２で表される。図３に示すように、時刻ｔ０のときの波長可変レーザの波長はλ２である。Ｄは参照面と被検面の絶対距離である。
φａ（ｔ０）＝２π×２Ｄ（ｔ０）／λ２・・・（２）
【００３５】
Ｓ１０２で、算出部８は、Ｓ１０１で計測された位相差φ３及びφ４から式３を用いてλ３とλ４の第１の合成波長Λ３４の位相差φ３４（ｔ）を算出する。
φ３４（ｔ）＝φ４（ｔ）−φ３（ｔ）・・・（３）
なお、第１の合成波長Λ３４は、λ１とλ２との第２の合成波長Λ１２よりもはるかに短く、被検面７の距離、形状を最も高精度に計測し得る。本実施形態では、被検面７の距離、形状を最も高精度に計測し得る短い波長の合成波長を得るために、波長λ３を有する固定波長レーザ２と波長λ４を有する固定波長レーザ３とを用意した。しかし、例えば、固定波長レーザ２の波長λ３が被検面７の距離、形状を高精度に計測し得る波長であるならば、固定波長レーザ３を設けなくてもよい。
【００３６】
Ｓ１０３及びＳ２０２で、算出部８は、Ｓ１０１、Ｓ１０２及びＳ２０１にて計測かつ算出された、合成波長Λ３４の位相差Φ３４(t)と可変レーザの位相差φa(t0)の履歴をメモリ８１に格納する。Ｓ１０４で、算出部８は、計測ループでのＳ４０２、Ｓ４０４より送信された波長走査完了フラグに基づいて、波長走査が完了したか否かを判断する。波長走査が未完の場合はＳ１０５へ、完了している場合はＳ１１０へ進む。
【００３７】
まず、Ｓ１０４にて波長走査が未完である場合について説明する。この場合、算出部８は、Ｓ１０５で、式４で示される条件式を満たすかどうか判断する。
｜ｈ（ｔ）｜＜Λ３４／２・・・（４）
ここでｈ（ｔ）は時刻ｔ’１における被検面７の距離と各計測時の時刻ｔａにおける被検面の距離との差を表わす。
【００３８】
式４の条件を満たさない場合は、先の波長走査が完了した時点（ｔ＝ｔ’１）以降に被検面７の高低差が合成波長Λ３４の計測レンジ（Λ３４／２）を超えてしまい位相の接続の決定ができなくなる。計測レンジを越える被検面７の段差を計測する時には急峻な光量変化が発生する。したがって光量モニタ(図２には不図示)で光量変動の変化量の閾値を事前に設定しておき、光量が閾値を超えたとき式４の条件を満たさなくなったと判断する。もしくは、事前に被検面７の形状の概略が分かっている場合は、その形状情報を基に段差の存在を判断しても構わない。
【００３９】
まず、図４のように、波長走査開始時刻ｔ’０から次の波長走査終了時刻ｔ１の間の被検面７の段差が小さくＳ１０５にて式４を満たさない場合（Ｓ１０５でＮｏの場合）について説明する。算出部８は、Ｓ１０７で、前回計測時の干渉次数Ｎ３４（ｉ）及び位相差の計測結果φ３４（ｉ）と、今回の位相差の計測結果φ３４（ｉ＋１）とを用いて、式５により干渉次数Ｎ３４を算出する。
Ｎ３４（ｉ＋１）＝Ｎ３４（ｉ）＋ｒｏｕｎｄ（φ３４（ｉ＋１）−φ３４（ｉ））・・・（５）
【００４０】
算出部８の第１算出部８２は、Ｓ１０７で、第１の合成波長Λ３４の相対的な位相変化を用いて式６より被検面７の絶対距離Ｄを算出する。式４の条件を満たすのであれば、次の波長走査完了のフラグが確認されるまではこのように高速な相対測長と干渉次数Ｎ３４を用いて絶対距離Ｄを算出する。そして、計測ループへ戻る。
Ｄ（ｔ）＝（Λ３４／２）×｛Ｎ３４（ｔ）＋φ３４（ｔ）／（２π）｝・・・（６）
【００４１】
次に、Ｓ１０５にて、図５のようにある走査区間が開始した時刻ｔ’０から次の走査区間が終了した時刻（第２時刻）ｔ１の間の時刻（第１時刻）ｔ＝ｔａにおいて被検面７に数式４を満たす段差がある場合（Ｓ１０５でＹｅｓの場合）について説明する。算出部８は、Ｓ１０６において計算フラグが０の場合、Ｓ１０９で、被検面７の段差の計測時刻ｔａをメモリ８１に記憶する。また、算出部８は、計算フラグを１に変更する。この段階から次の波長走査が完了するまでの間は干渉次数Ｎ３４や絶対測長距離Ｄ（ｔ）の算出は行わず、計測ループに戻る。Ｓ１０６において、計算フラグが１の場合はそのまま計測ループに戻る。
【００４２】
次にＳ１０４にて波長走査が完了している場合について説明する。時刻ｔ1での波長可変レーザ１の光を用いた位相差φａ（ｔ１）が式７より求められる。
φａ（ｔ１）＝２π×２Ｄ（ｔ１）／λ１・・・（７）
【００４３】
時刻ｔ１での波長可変レーザ１の位相は、時刻ｔ０での波長可変レーザ１の光を用いた位相差φａ（ｔ０）に、高精度の第１の合成波長Λ３４を使用したｔ０〜ｔ１間の連続的な位相差の変化から算出した相対変位ΔＤ（ｔ０〜ｔ１）を加算することでも算出される。すなわち、算出部８は、Ｓ２０２で、履歴に残された位相差の計測結果φａ（ｔ０）から、波長λ１のままで絶対距離Ｄ（ｔ１）のときの位相差φ’a（ｔ１）を式８を用いて算出する。この時刻ｔ１での波長可変レーザ１の光を用いた位相差φ’a（ｔ１）は、式７で算出された位相差φａ（ｔ１）の補正値に当たる。
φ’ａ（ｔ１）＝２π｛（φａ（ｔ０）／２π）＋２ΔＤ（ｔ０〜ｔ１）／λ１｝・・・（８）
ただし、
ΔＤ（ｔ０〜ｔ１）＝（Λ３４／２π）×｛φ３４（ｔ１）−φ３４（ｔ０）｝・・・（９）
【００４４】
算出部８は、Ｓ１１１で、式１０を用いて時刻ｔ１での干渉次数Ｍ１２（t１）を算出する。ここでΛ１２は波長λ1とλ2の合成波長を表わす。
Ｍ１２（ｔ１）＝｛２Ｄ（ｔ１）／Λ１２｝−｛（φａ（ｔ１）−φ’ａ（ｔ１））／２π｝・・・（１０）
【００４５】
算出部８は、Ｓ１１２で、合成波長Λ３４による計測の干渉次数Ｎ３４（t１）を算出する。また、算出部８は、Ｓ１１２で、波長λ２と合成波長Λ３４の合成波長をΛ２３４による計測の干渉次数Ｍ２３（t１）も算出する。まず、式１０をＤ（ｔ１）について解くと、式１１のように変形される。
Ｄ（ｔ１）＝（Λ１２／２）×｛Ｍ１２（ｔ１）＋（φａ（ｔ１）−φ’ａ（ｔ１））／２π｝・・・（１１）
【００４６】
Ｄ（ｔ１）は、合成波長Λ３４、合成波長Λ２３４を用いて式１２、式１３のように表わされる。
Ｄ（ｔ１）＝（Λ３４／２）×｛Ｎ３４（ｔ１）＋（φ３４（ｔ１）／２π）｝・・・（１２）
Ｄ（ｔ１）＝（Λ２３４／２）×｛Ｍ２３（ｔ１）＋（φ３４（ｔ１）−φａ（ｔ１））／２π｝・・・（１３）
【００４７】
式１２、式１３を用いてＮ３４（ｔ１）について解き、式１１、式１３を用いてＭ２３（ｔ１）について解くと、Ｎ３４（ｔ１）、Ｍ２３（ｔ１）は式１４、式１５でそれぞれ表わされる。
Ｎ３４（ｔ１）＝ｒｏｕｎｄ（｛Ｍ２３（ｔ１）＋（φ３４（ｔ１）−φａ（ｔ１））／２π｝（Λ２３４／Λ３４）−｛φ３４（ｔ１）／２π｝）・・・（１４）
Ｍ２３（ｔ１）＝ｒｏｕｎｄ（｛Ｍ１２（ｔ１）＋（φａ（ｔ１）−φ’ａ（ｔ１））／２π｝（Λ１２／Λ２３４）−｛（φ３４（ｔ１）−φａ（ｔ１））／２π｝）・・・（１５）
【００４８】
算出部８は、Ｓ１１１で求めたＭ１２（ｔ１）から式１５を用いてＭ２３（ｔ１）を算出し、算出されたＭ２３（ｔ１）から式１４を用いてＮ３４（ｔ１）を算出する。３つの合成波長Λ３４、Λ２３４、Λ１２にはΛ３４＜＜Λ２３４＜＜Λ１２の関係がある。最も波長の長いΛ１２は最も計測レンジが大きく被検面７に段差が存在しても連続して計測可能であるが計測精度が低い。一方、最も波長の短い合成波長Λ３４用いると最も高精度に被検面７の距離、形状が計測できるが、計測レンジが小さい。そのため、合成波長Λ３４用いると段差がある時点で合成波長Λ３４の干渉次数Ｎ３４が不連続となる。しかし、時刻ｔ＝ｔ１における合成波長Λ３４の干渉次数Ｎ３４（t１）が式１４を用いて算出できる。
【００４９】
Ｓ１１３において計算フラグが０の場合、つまり前回の走査区間の開始時刻ｔ’０からｔ１までの間の被検面７の高低差がΛ３４の半分以下である場合について説明する。この場合、算出部８は、Ｓ１１７において、Ｓ１０７に記録された干渉次数Ｎ３４をＳ１１２で求められた干渉次Ｎ３４（t１）に更新し計算ループに戻る。
【００５０】
一方、Ｓ１１３において計算フラグが１の場合、つまり前回の走査区間の終了時刻ｔ’０からｔ１までの間の被検面７の高低差がΛ３４の半分以上である場合について説明する。Ｓ１０９で記憶した第１時刻ｔａから第２時刻ｔ１までの位相接続ができない為に第１時刻以降における絶対距離Ｄ（ｔ）が算出されていない。ところで、ｔ＝ｔ１における次数Ｎ３４（ｔ１）は、Ｓ１１２で求めて既知となっている。また、ｔ＝ｔａ〜ｔ１の間の合成波長Λ３４の位相差の履歴は、Ｓ１０３でメモリ８１に記憶されている。そこで、算出部８は、Ｓ１１４において、ｔ＝ｔ１における次数Ｎ３４（ｔ１）とｔ＝ｔａ〜ｔ１の間の合成波長Λ３４の位相差の履歴とから式１６を用いてｔ＝ｔａ〜ｔ１の間の次数Ｎ３４の履歴を逆算する。
Ｎ３４（ｉ＋１）＝Ｎ３４（ｉ）＋ｒｏｕｎｄ｛φ３４（ｉ＋１）−φ３４（ｉ）｝  ・・・（１６）
【００５１】
算出部８は、Ｓ１１５で式１７を用いて合成波長Λ３４の相対的な位相差の変化の履歴を用いて時刻ｔａからｔ１までの間の被検面７の絶対距離Ｄ（ｔ）を算出する。
Ｄ（ｔ）＝（Λ３４／２）×｛Ｎ３４（ｔ）＋（φ３４（ｔ）／２π）｝  ・・・（１７）
算出部８は、Ｓ１１６で計算フラグを０に戻し、Ｓ１１７において、Ｓ１０７に記録された干渉次数Ｎ３４をＳ１１２で求められた干渉次数Ｎ３４に更新し計算ループに戻る。Ｓ１１４、Ｓ１１５は第１算出部８２で処理される計測ループとは別に、第２算出部８３で計算することで計測ループ時間に遅延を発生させないようにすることができる。以上の通り、本実施形態によれば波長走査量の低減が可能となる為、簡易な構成で高速かつ計測レンジの広い計測装置を提供する事が出来る。
【００５２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、本実施形態では被検面の高低差が合成波長Λ３４を超えた場合に干渉次数が不明となってしまうことに対する対策を説明した。同様に、光源からの光が一時的に遮断されることによって干渉次数が不明となる場合にも同じような対策が可能となる。また、ヘテロダイン干渉計の構成で説明したがホモダイン干渉計での構成でも構わない。
【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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