(57)【要約】      （修正有）【課題】参照面と被検面との間の距離の計測において、計測範囲の広範囲化の技術を提供する。【解決手段】光源からの第１光を参照面に入射させ第２光を被検面に入射させる分割素子と、前記参照面で反射された前記第１光と前記被検面で反射された前記第２光との干渉光の位相をシフトさせる位相シフト部と、前記干渉光の強度を検出する検出部と、前記光源からの光の周波数を連続的に３つ以上の周波数に設定し前記３つ以上の周波数のそれぞれについて前記干渉光の位相をシフトさせながら前記干渉光の強度を検出するように前記検出部を制御し検出される前記干渉光の強度及び前記位相シフト部による前記干渉光の位相のシフト量に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を特定し前記参照面と前記被検面との距離を求める処理部と前記処理部は前記３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように前記３つ以上の周波数を設定する。【選択図】図１
2013088316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、
光源からの光を第１光と第２光とに分割し、前記第１光を前記参照面に入射させ、前記第２光を前記被検面に入射させる分割素子と、
前記参照面で反射された前記第１光と前記被検面で反射された前記第２光との干渉光の位相をシフトさせる位相シフト部と、
前記干渉光の強度を検出する検出部と、
前記光源からの光の周波数を連続的に変更して３つ以上の周波数に設定し、前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記位相シフト部によって前記干渉光の位相をシフトさせながら前記干渉光の強度を検出するように前記検出部を制御し、前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記検出部によって検出される前記干渉光の強度及び前記位相シフト部による前記干渉光の位相のシフト量に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を特定することで、前記距離を求める処理部と、
を有し、
前記処理部は、前記３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、前記３つ以上の周波数を設定することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記周波数差の標準偏差が前記周波数差の平均値の１０％以上となるように、前記３つ以上の周波数を設定することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記処理部は、
前記検出部によって検出される前記干渉光の強度を表す信号に対して第１周波数間隔でフーリエ変換を行って第１ピーク値を特定し、
前記第１ピーク値を含む予め定められた範囲内の前記信号に対して前記第１周波数間隔よりも小さい第２周波数間隔でフーリエ変換を行って第２ピーク値を特定し、
前記第２ピーク値に対応する距離を前記距離として求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記位相シフト部は、前記参照面を保持して移動するステージを含み、前記ステージを介して前記参照面を移動させることで、前記干渉光の位相をシフトさせることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記位相シフト部は、前記参照面及び前記被検面と前記検出部との間に配置された偏光素子を含み、前記偏光素子によって前記検出部に入射する前記干渉光に位相を与えることで、前記干渉光の位相をシフトさせることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記被検面をインコヒーレントな光で照明する照明系と、
前記被検面で反射された前記インコヒーレントな光を検出して前記被検面の画像を取得する取得部を更に有し、
前記処理部は、前記取得部で取得された前記画像に基づいて、前記被検面の位置を求めることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記処理部は、前記距離を求めるたびに、前記３つ以上の周波数を変更することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記検出部は、前記被検面の上の複数の位置のそれぞれについて、前記干渉光の強度を検出する複数の検出領域を含み、
前記処理部は、前記複数の位置のそれぞれについて前記距離を求めることで前記被検面の形状を求めることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
光源からの光を第１光と第２光とに分割し、前記第１光を参照面に入射させ、前記第２光を被検面に入射させる分割素子と、前記参照面で反射された前記第１光と前記被検面で反射された前記第２光との干渉光の位相をシフトさせる位相シフト部と、前記干渉光の強度を検出する検出部とを有する計測装置を用いて、前記参照面と前記被検面との間の距離を計測する計測方法であって、
前記光源からの光の周波数を連続的に変更して３つ以上の周波数に設定するステップと、
前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記位相シフト部によって前記干渉光の位相をシフトさせながら前記干渉光の強度を前記検出部によって検出するステップと、
前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記検出部によって検出される前記干渉光の強度及び前記位相シフト部による前記干渉光の位相のシフト量に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を特定することで、前記距離を求めるステップと、
を有し、
前記光源からの光の周波数を設定する際には、前記３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、前記３つ以上の周波数を設定することを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル・ホログラフィの原理を用いて被検面の形状（平面度）を計測する計測装置が知られている（特許文献１、２及び非特許文献１参照）。このような計測装置では、コヒーレントな光を出力すると共に、かかる光の周波数を可変とする光源（周波数可変光源）が用いられている。
【０００３】
計測装置において、光源からの光は分岐されて、参照面及び被検面のそれぞれに導かれる。参照面及び被検面のそれぞれで反射又は散乱された光は、空間的に再び重ね合わせられ、参照面と被検面との間の光路長差に対応する位相を有する干渉光を形成し、かかる干渉光の光強度が検出器で検出される。干渉光の光強度を検出する際には、光源からの光の周波数を等間隔で走査（変更）して複数の周波数に設定（静定）し、それぞれの周波数において、位相シフタを用いて時間的に干渉光の位相をシフトさせる。そして、干渉光の位相シフト量と干渉光の光強度の変化から等間隔に設定された各周波数における位相を決定して、フーリエ変換やピーク検出を行うことで、参照面と被検面との間の距離（絶対距離）を算出する。また、特許文献２には、参照面と被検面との間の距離を高精度、且つ、短時間で算出するために、粗い間隔でフーリエ変換を行ってから、ピーク付近の領域のみに対して、細かい間隔でフーリエ変換を更に行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５７７７７４２号公報
【特許文献２】米国特許第５９２６２７７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，  Ｖｏｌ．６３１１，  “Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の計測装置では、参照面と被検面との間の距離を計測可能な範囲（計測範囲）が非常に狭く、当然のことながら、かかる計測範囲を超える距離（例えば、被検面の段差）については計測することができない。従って、従来の計測装置は、計測範囲を超える段差を含む被検面（の形状）の計測に用いることができない。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、参照面と被検面との間の距離の計測において、計測範囲の広範囲化に有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、光源からの光を第１光と第２光とに分割し、前記第１光を前記参照面に入射させ、前記第２光を前記被検面に入射させる分割素子と、前記参照面で反射された前記第１光と前記被検面で反射された前記第２光との干渉光の位相をシフトさせる位相シフト部と、前記干渉光の強度を検出する検出部と、前記光源からの光の周波数を連続的に変更して３つ以上の周波数に設定し、前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記位相シフト部によって前記干渉光の位相をシフトさせながら前記干渉光の強度を検出するように前記検出部を制御し、前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記検出部によって検出される前記干渉光の強度及び前記位相シフト部による前記干渉光の位相のシフト量に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を特定することで、前記距離を求める処理部と、を有し、前記処理部は、前記３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、前記３つ以上の周波数を設定することを特徴とする。
【０００９】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、例えば、参照面と被検面との間の距離の計測において、計測範囲の広範囲化に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態における計測装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す計測装置における参照面と被検面との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１に示す計測装置の光源に設定される３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差を説明するための図である。
【図４】解析信号の一例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における計測装置の構成を示す図である。
【図６】図５に示す計測装置の偏光素子の構成を示す図である。
【図７】図５に示す計測装置における参照面と被検面との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第３の実施形態における計測装置の構成を示す図である。
【図９】図８に示す計測装置における被検面の横方向及び縦方向の位置を計測する処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における計測装置１の構成を示す図である。計測装置１は、参照面と被検面との間の距離を計測する光波干渉計であって、例えば、被検面の形状（平面度）を計測する３次元形状計測装置として好適である。計測装置１は、光源１０１と、ミラー１０２と、ビームスプリッタ１０３と、周波数計測部１０４と、レンズ１０５及び１０６と、干渉光学系ＩＳと、ピエゾステージ１３１と、ピエゾ制御部１３２と、検出部１４０と、処理部１５０とを有する。
【００１４】
光源１０１は、コヒーレントな光を出力すると共に、かかる光の周波数を可変とする（即ち、互いに異なる複数の周波数を設定可能な）周波数可変光源である。光源１０１としては、例えば、外部共振器を用いた半導体レーザ（ＥＣＤＬ）やフルバンド・チューナブルＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）レーザを用いることができる。光源１０１は、本実施形態では、処理部１５０によって制御されるが、光源１０１を制御する光源制御部を処理部１５０とは別に設けてもよい。
【００１５】
光源１０１からの光は、ミラー１０２を介して、光源１０１からの光を２つの光に分割（分岐）するビームスプリッタ１０３に導かれる。ビームスプリッタ１０３で分割された一方の光は、周波数計測部１０４に導かれる。周波数計測部１０４は、光源１０１から出力された光の周波数を計測し、その計測結果を処理部１５０に入力する。但し、光源１０１から出力される光の周波数を高い精度で保証することができる（即ち、光源１０１から出力される光の周波数を計測する必要がない）場合には、周波数計測部１０４は設けなくてもよい。
【００１６】
ビームスプリッタ１０３で分割された他方の光は、ビーム径を拡大するレンズ１０５及び１０６を介して、干渉光学系ＩＳに導かれる。干渉光学系ＩＳは、λ／２波長板１０７と、偏光ビームスプリッタ１０８と、λ／４波長板１０９ａ及び１０９ｂと、レンズ１１３と、絞り１１４と、レンズ１１５と、偏光子１１６とを含む。
【００１７】
λ／２波長板１０７は、回転可能に保持される。光源１０１から出力される光は直線偏光の光であるため、λ／２波長板１０７の回転角によって、λ／２波長板１０７を通過した光の偏光方向を任意の方向に制御（調整）することができる。λ／２波長板１０７の後段には、偏光ビームスプリッタ１０８が配置され、λ／２波長板１０７の回転角によって、偏光ビームスプリッタ１０８における光の分割比（分岐比）を変えることができる。
【００１８】
偏光ビームスプリッタ１０８は、光源１０１からの光を、互いに直交する偏光方向を有する参照光（第１光）ＲＬと被検光（第２光）ＴＬとに分割（分岐）する分割素子である。参照光ＲＬは、λ／４波長板１０９ａを通過して、参照面１１０に入射する。被検光ＴＬは、λ／４波長板１０９ｂを通過して、被検面１１２に入射する。
【００１９】
被検面１１２で反射（又は散乱）された被検光ＴＬは、λ／４波長板１０９ｂを再び通過して、偏光ビームスプリッタ１０８に入射する。同様に、参照面１１０で反射された参照光ＲＬは、λ／４波長板１０９ａを再び通過して、偏光ビームスプリッタ１０８に入射する。参照光ＲＬ及び被検光ＴＬのそれぞれは、λ／４波長板を２回通過することで、その偏光方向が９０度回転する。従って、参照光ＲＬは偏光ビームスプリッタ１０８で反射され、被検光ＴＬは偏光ビームスプリッタ１０８を透過するため、参照光ＲＬと被検光ＴＬとが空間的に重ね合わされる。
【００２０】
偏光ビームスプリッタ１０８で重ね合わされた参照光ＲＬ及び被検光ＴＬは、レンズ１１３によって集光される。レンズ１１３は、前側焦点が被検面１１２の近傍に位置するように配置されている。これにより、被検面１１２（の形状）の像がぼけることなく、検出部１４０（の検出面）の上に形成される。
【００２１】
絞り１１４は、レンズ１１３の後側焦点の近傍に配置される。絞り１１４は、開口径が固定された開口絞りであってもよいし、開口径を可変とする虹彩絞りであってもよい。絞り１１４として虹彩絞りを用いた場合には、その開口径によって、光量、被写界震度、スペックルの大きさなどを調整することができる。
【００２２】
絞り１１４を通過した参照光ＲＬ及び被検光ＴＬは、レンズ１１５によって集光され、偏光子１１６に導かれる。偏光子１１６は、その透過軸が参照光ＲＬ及び被検光ＴＬの偏光方向に対して４５度となるように配置される。これにより、参照光ＲＬと被検光ＴＬとが干渉し、干渉光ＩＬが形成される。
【００２３】
干渉光ＩＬは、検出部１４０に導かれる。検出部１４０は、例えば、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのエリアセンサで構成され、干渉光ＩＬの光強度を検出し、その検出結果を処理部１５０に入力する。
【００２４】
本実施形態では、参照面１１０は、ピエゾステージ１３１に保持される。また、ピエゾステージ１３１は、ピエゾ制御部１３２に制御される。ピエゾ制御部１３２は、処理部１５０の制御下において、ピエゾステージ１３１を介して、参照面１１０を光軸ＡＸ１（参照面１１０の軸）に沿って移動させることで、参照面１１０と被検面１１２との間の光路長（光路長差）を変化させる。換言すれば、ピエゾステージ１３１及びピエゾ制御部１３２は、干渉光ＩＬの位相を時間的にシフトさせる位相シフト部として機能する。
【００２５】
処理部１５０は、ＣＰＵやメモリなどを含み、計測装置１の全体（動作）を制御する。処理部１５０は、計測装置１の各部を制御して、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を求める処理を行う。処理部１５０は、光源１０１からの光の周波数を切り替える機能を有し、例えば、光源１０１からの光の周波数を連続的に変更して（即ち、光源１０１からの光の周波数を走査して）互いに異なる３つ以上の周波数に設定する。また、処理部１５０は、干渉光ＩＬの位相がシフトされるタイミングと、光源１０１からの光の周波数を計測するタイミングと、干渉光ＩＬの光強度を検出するタイミングとを同期させる。
【００２６】
図２を参照して、計測装置１における参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する処理を説明する。かかる処理は、上述したように、処理部１５０が計測装置１の各部を統括的に制御することで行われる。
【００２７】
Ｓ２０２では、光源１０１から出力される光の周波数を設定する。具体的には、処理部１５０は、光源１０１から出力される光の周波数を連続的に変更して（走査して）第１の周波数に設定する。この際、処理部１５０は、光源１０１から出力された光の周波数を計測するように周波数計測部１０４を制御し、かかる計測結果に基づいて、光源１０１から出力される光の周波数を所定の周波数に安定化させる。
【００２８】
Ｓ２０４では、干渉光ＩＬの位相をシフトさせる。具体的には、処理部１５０は、ピエゾ制御部１３２を介して、参照面１１０を保持したピエゾステージ１３１を移動させて、干渉光ＩＬの位相を、例えば、第１の状態にシフトさせる。
【００２９】
Ｓ２０６では、干渉光ＩＬの光強度を検出する。具体的には、処理部１５０は、Ｓ２０４で干渉光ＩＬの位相をシフトさせた状態において、干渉光ＩＬの光強度を検出部１４０で検出する。
【００３０】
Ｓ２０８では、処理部１５０は、干渉光ＩＬの位相を規定回数シフトさせたかどうかを判定する。干渉光ＩＬの位相を規定回数シフトさせていない場合には、Ｓ２０４に移行し、干渉光ＩＬの位相を、例えば、第１の状態とは異なる第２の状態にシフトさせて、干渉光ＩＬの光強度を検出する。干渉光ＩＬの位相をシフトさせ（Ｓ２０４）、干渉光ＩＬの光強度を検出する（Ｓ２０６）動作は、少なくとも３回行う（即ち、規定回数は３回以上に設定する）必要があり、一般的には、４回行われる（所謂、４バケット法）。このように、干渉光ＩＬの位相を３回以上シフトさせて干渉光ＩＬの光強度を検出することで、その周波数における干渉光ＩＬの位相を算出することが可能となる。一方、干渉光ＩＬの位相を規定回数シフトさせている場合には、Ｓ２１０に移行する。
【００３１】
Ｓ２１０では、処理部１５０は、光源１０１から出力される光の周波数を所定回数設定したかどうかを判定する。光源１０１から出力される光の周波数を所定回数設定していない場合には、Ｓ２０２に移行して、光源１０１から出力される光の周波数を第１の周波数とは異なる第２の周波数に設定する。光源１０１から出力される光の周波数を第２の周波数に設定した状態においても、干渉光ＩＬの位相をシフトさせ（Ｓ２０４）、干渉光ＩＬの光強度を検出する（Ｓ２０６）。ここで、光源１０１から出力される光の周波数については、３つ以上の周波数を設定する（即ち、所定回数は３回以上に設定する）必要がある。光源１０１に設定する周波数の数が多ければ多いほど、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測精度は向上するが、計測時間が長くなってしまう。従って、要求される計測精度と許容される計測時間を考慮して、光源１０１に設定する周波数の数は決定される。本実施形態では、光源１０１に設定する周波数の数を１６として説明する。
【００３２】
Ｓ２１２では、処理部１５０は、Ｓ２０２で設定した各周波数における位相を特定する。具体的には、Ｓ２０２で設定した周波数のそれぞれについて、Ｓ２０６で検出された干渉光ＩＬの光強度及びＳ２０４でシフトさせた干渉光ＩＬの位相のシフト量に基づいて、参照面１１０と被検面１１２との間の光路長に相当する位相を特定する。
【００３３】
Ｓ２１４では、処理部１５０は、Ｓ２１２で特定した各周波数における位相に基づいて、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を算出する。
【００３４】
以下、Ｓ２１２及びＳ２１４について詳細に説明する。例えば、光源１０１に設定する周波数の数を１６とし、干渉光ＩＬの位相をシフトさせる回数を４とすると、干渉光ＩＬの光強度（光強度分布）を表す信号（データ）として６４個の信号が得られる。処理部１５０は、検出部１４０の検出面を構成する画素ごとに、以下の式（１）で定義されるフーリエ変換を行って、解析信号Ｓ（ｈ）を求める。
【００３５】
【数１】
2013088316.tif 000003
【００３６】
式（１）において、ｈは、参照面１１０と被検面１１２との間の距離であり、Ｋは、光源１０１に設定する周波数の数である。また、ｆｋは、光源１０１に設定する周波数（の値）であり、φ（ｆｋ）は、各周波数における位相である。ｈを大きな間隔にすれば、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測精度は低下するが、計算時間が短くなる。一方、ｈを小さな間隔にすれば、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測精度は向上するが、計算時間が長くなる。
【００３７】
本実施形態では、処理部１５０は、Ｓ２０２において、光源１０１からの光の周波数の間隔が不均一となるように、即ち、周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、光源１０１からの光の周波数を設定している。
【００３８】
図３は、光源１０１に設定される３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差を説明するための図である。実線は、本実施形態において、光源１０１に設定される周波数ｆ１乃至ｆ１６を示している。また、点線は、光源１０１からの光の周波数の間隔を等間隔とした場合に、光源に設定される周波数を示している。周波数ｆ１乃至ｆ１６のそれぞれの間の周波数差Δｆｎ（Δｆ１乃至Δｆ１５）の標準偏差σは、以下の式（２）で表される。なお、Δｆ￣は、周波数差Δｆ１乃至Δｆ１５の平均値、即ち、光源１０１からの光の周波数の間隔を等間隔とした場合の周波数差（周波数の間隔）である。
【００３９】
【数２】
2013088316.tif 000004
【００４０】
本実施形態のように、光源１０１に設定する周波数のそれぞれの間の周波数差を不均一にすると、互いに異なる複数の合成波長を生成することができる。合成波長は光のものさしに相当するため、生成される合成波長の違いが大きいほど、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を広い範囲で計測することが可能となる（即ち、計測範囲を広範囲化することができる）。生成される合成波長の違いを大きくするためには、周波数のそれぞれの間の周波数差がランダムとなるように、光源１０１からの光の周波数を設定するとよい。但し、周波数差が不均一であっても、例えば、周波数差が等差数列的に変化するなど、周波数差の変化に規則性がある場合には、生成される合成波長の違いが小さくなる。
【００４１】
また、本実施形態では、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を算出するために、第１算出処理（ラフ計算）と第２算出処理（精密計算）を行う。ここで、第１算出処理は、検出部１４０で検出される干渉光ＩＬの光強度を表す信号に対して第１周波数間隔でフーリエ変換を行って第１ピーク値を特定する処理である。また、第２算出処理は、第１算出処理で特定した第１ピーク値を含む予め定められた範囲内の信号に対して、第１周波数間隔よりも小さい第２周波数間隔でフーリエ変換を行って第２ピーク値を特定する処理である。図４は、本実施形態における解析信号Ｓ（ｈ）の一例を示す図である。図４では、参照面１１０と被検面１１２との間の距離（光路長差）を２５ｍｍ、光源１０１に設定する周波数ｆｎの数を１６、周波数差Δｆｎの標準偏差σを周波数差Δｆｎの平均値の２５％としている。また、図４では、参照面１１０と被検面１１２との間の距離ｈ［ｍｍ］を横軸に採用し、解析信号Ｓ（ｈ）（の大きさ）を縦軸に採用している。
【００４２】
図４（ａ）は、第１算出処理に対応し、干渉光ＩＬの光強度を表す信号に対して、５０ｍｍの範囲を１０μｍの周波数間隔でフーリエ変換を行うことで得られた解析信号Ｓ（ｈ）を示している。図４（ａ）を参照するに、ｈ＝２５ｍｍの近傍に、最も大きいピーク値（第１ピーク値）が現れていることがわかる。このようなピーク値は、光源１０１からの光の周波数の間隔を等間隔とした場合には現れない。図４（ａ）では、最も大きいピーク値の次に大きいピーク値、即ち、２番目に大きいピーク値は、０．６３程度である。最も大きいピーク値が０．６３程度になる線幅は約４０μｍであるため、この場合、４０μｍ以下の間隔で解析信号Ｓ（ｈ）を求めれば、最も大きいピーク値の位置を正しく特定することができる。
【００４３】
図４（ｂ）は、第２算出処理に対応し、干渉光ＩＬの光強度を表す信号に対して、上述した第１ピーク値を含む０．５ｍｍの範囲を０．１μｍの周波数間隔でフーリエ変換を行うことで得られた解析信号Ｓ（ｈ）を示している。第２算出処理では、第１算出処理よりも小さい間隔で解析信号Ｓ（ｈ）を求めているため、ピーク値（第２ピーク値）を高精度に特定することができる。
【００４４】
第１算出処理を行わずに、干渉光ＩＬの光強度を表す信号に対して、５０ｍｍの範囲を０．１μｍの周波数間隔でフーリエ変換を行うと、１０μｍの周波数間隔でフーリエ変換を行う場合よりも約１００倍の時間を要する。従って、本実施形態のように、第１算出処理（ラフ計算）と第２算出処理（精密計算）を行うことによって、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の算出に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００４５】
なお、光源１０１に設定する周波数のそれぞれの間の周波数差の不均一性が小さい場合には、解析信号Ｓ（ｈ）において、最も大きいピーク値と次に大きいピーク値とが近くなる。従って、第１算出処理において、最も大きいピーク値を誤って特定する可能性が大きくなる。
【００４６】
本発明者は、鋭意検討の結果、周波数差Δｆｎの標準偏差σが周波数差Δｆｎの平均値Δｆ￣の１０％未満である場合には、検出部１４０の検出誤差や環境変動などに起因して、ピーク値を誤って特定する可能性が飛躍的に大きくなることを見出した。従って、周波数差Δｆｎの標準偏差σが周波数差Δｆｎの平均値Δｆ￣の１０％以上、更には、２０％以上となるように、光源１０１からの光の周波数を設定するとよい。
【００４７】
また、周波数差Δｆｎの標準偏差σが周波数差Δｆｎの平均値Δｆ￣の１０％以上であっても、ピーク値を誤って特定する可能性がゼロにならない場合も考えられる。このような場合には、光源１０１に設定する周波数をランダムに変更して、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測を複数回行えばよい。例えば、１回の計測でピーク値を誤って特定する確率が１％であったとしても、２回連続でピーク値を誤って特定する確率は０．０１％であり、ピーク値を誤って特定することを大幅に減少させることができる。
【００４８】
このように、本実施形態では、光源１０１からの光の周波数を連続的に変更して３つ以上の周波数に設定する。この際、３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、３つ以上の周波数を設定している。従って、計測装置１は、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測において、計測範囲の広範囲化を実現することができる。
【００４９】
なお、本実施形態では、計測装置１が参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する場合について説明した。但し、計測装置１は、被検面１１２の形状を計測することも可能である。上述したように、検出部１４０は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのエリアセンサで構成されている。従って、被検面１１２の上の複数の位置のそれぞれについて、干渉光ＩＬを検出する複数の検出領域を含むように、検出部１４０を構成することが可能である。そして、処理部１５０は、複数の検出領域のそれぞれで検出される干渉光ＩＬの光強度に基づいて、複数の位置のそれぞれについて参照面１１０と被検面１１２との間の距離を求めることで被検面１１２の形状を求めることができる。また、検出部１４０を複数の検出領域を含むように構成できない場合には、被検面１１２と検出部１４０との相対的な位置関係を変更し、各位置関係について参照面１１０と被検面１１２との間の距離を求めることで被検面１１２の形状を求めることも可能である。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態における計測装置１Ａの構成を示す図である。計測装置１Ａは、計測装置１と比較するに、干渉光ＩＬの位相を時間的にシフトさせる位相シフト部として機能するピエゾステージ１３１及びピエゾ制御部１３２の代わりに、干渉光ＩＬの位相を空間的にシフトさせる偏光素子１６０を有する。偏光素子１６０は、検出部１４０に入射する干渉光ＩＬに位相を与えることで、干渉光ＩＬの位相をシフトさせる。
【００５１】
偏光ビームスプリッタ１０８で重ね合わされた参照光ＲＬ及び被検光ＴＬのそれぞれは、λ／４波長板１１７を通過することで右回り円偏光及び左回り円偏光に変換され、参照面１１０及び被検面１１２と検出部１４０との間に配置された偏光素子１６０に導かれる。
【００５２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、偏光素子１６０の構成を示す図である。偏光素子１６０は、図６（ａ）に示すように、複数の偏光子要素１６２を含む。偏光子要素１６２の大きさは、検出部１４０の検出面を構成する画素の大きさと等しく、偏光子要素１６２のそれぞれは、偏光子要素１６２と検出部１４０の検出面を構成する画素とが１：１で対応するように配置されている。偏光素子１６０は、検出部１４０（の検出面）の近傍に配置することが好ましく、偏光素子１６０と検出部１４０とを一体的に構成してもよい。
【００５３】
図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す領域αに位置する４つの偏光子要素１６２ａ乃至１６２ｄを示す図である。偏光素子１６０は、４つの偏光子要素１６２ａ乃至１６２ｄを周期的に配列することで構成されている。４つの偏光子要素１６２ａ乃至１６２ｄは、それぞれの透過軸の方向が０度、４５度、９０度、１３５度となるように配置されている。
【００５４】
右回り円偏光に変換された参照光ＲＬ及び左回り円偏光に変換された被検光ＴＬは、偏光素子１６０を通過することで互いに干渉し、干渉光ＩＬを形成する。本実施形態では、４つの偏光子要素１６２ａ乃至１６２ｄのそれぞれを通過した光が形成する干渉光ＩＬの位相はπ／２ずつ異なるため、干渉光ＩＬの位相に時間的にシフトさせた場合と同様に、４バケット法によって干渉光ＩＬの位相を求めることができる。
【００５５】
図７は、計測装置１Ａにおける参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。計測装置１Ａでは、上述したように、偏光素子１６０によって干渉光ＩＬの位相を空間的にシフトさせている。従って、計測装置１における参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する処理（図２）と比較して、計測装置１Ａにおける参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する処理では、図７に示すように、Ｓ２０４及びＳ２０８を行う必要がない。従って、本実施形態では、計測装置１が参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測に要する計測時間を短くすることができる。また、干渉光ＩＬの位相を時間的にシフトさせる場合と比較して、振動や温度変化などの環境変動に強いという利点もある。
【００５６】
＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態における計測装置１Ｂの構成を示す図である。計測装置１Ｂは、計測装置１の構成に加えて、被検面１１２をインコヒーレントな光で照明する照明系としてのインコヒーレント光源１１８を更に有する。また、本実施形態では、検出部１４０は、インコヒーレント光源１１８によって被検面１１２を照明した際に、被検面１１２で反射された光（インコヒーレントな光）を検出して被検面１１２の画像を取得する取得部としても機能する。
【００５７】
被検面１１２の表面が粗い場合、コヒーレントな光で被検面１１２を照明すると、スペックルが発生する。スペックルが発生すると、検出部１４０において明瞭な画像を取得することができないため、光軸ＡＸ２（被検面１１２の軸）に直交する方向（横方向）における被検面１１２の位置（寸法、座標）を高精度に計測することが困難である。そこで、本実施形態では、被検面１１２の横方向の位置を求める際には、インコヒーレント光源１１８からのインコヒーレントな光で被検面１１２を照明することで取得される画像を用いる。被検面１１２の横方向の位置は、処理部１５０において、例えば、エッジ検出などの画像認識処理を行うことで求めることができる。また、被検面１１２の光軸ＡＸ２に沿った方向（縦方向）の位置を求める際には、光源１０１からのコヒーレントな光で被検面１１２を照明することで取得される画像を用いる。
【００５８】
図９を参照して、計測装置１Ｂにおける被検面１１２の横方向及び縦方向の位置を計測する処理を説明する。かかる処理は、処理部１５０が計測装置１Ｂの各部を統括的に制御することで行われる。
【００５９】
Ｓ９０２では、インコヒーレント光源１１８からのインコヒーレントな光で被検面１１２を照明する。
【００６０】
Ｓ９０４では、インコヒーレントな光で被検面１１２を照明した状態において、被検面１１２で反射したインコヒーレントな光を検出部１４０で検出して被検面１１２の画像を取得する。かかる被検面１１２の画像は、処理部１５０に入力される。
【００６１】
Ｓ９０６では、被検面１１２の横方向の位置を算出する。具体的には、処理部１５０は、Ｓ９０４で取得された被検面１１２の画像に対してエッジ検出などの画像認識処理を施すことで（即ち、被検面１１２の画像を解析して）、被検面１１２の横方向の位置を算出する。
【００６２】
Ｓ９０８乃至Ｓ９１８は、図２に示すＳ２０２乃至Ｓ２１２と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００６３】
Ｓ９２０では、被検面１１２の縦方向の位置を算出する。具体的には、処理部１５０は、Ｓ９１８で特定した各周波数における位相に基づいて、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を求めることで被検面１１２の縦方向の位置を算出する。
【００６４】
Ｓ９２２では、被検面１１２の形状を算出する。具体的には、処理部１５０は、Ｓ９０６で算出した被検面１１２の横方向の位置とＳ９２０で算出した被検面１１２の縦方向の位置とを組み合わせて、被検面１１２の３次元の位置情報、即ち、被検面１１２の形状を算出する。
【００６５】
このように、本実施形態では、被検面１１２の横方向の位置を算出する際にはインコヒーレント光源１１８を、被検面１１２の縦方向の位置を算出する際には光源（周波数可変光源）１０１を用いることで、被検面１１２の形状を高精度に計測することができる。
【００６６】
なお、Ｓ９２２で算出した被検面１１２の形状は、例えば、処理部１５０などにおいてユーザが被検面１１２の対象領域を指定することで、計測装置１Ｂに備えられたディスプレイなどに表示することができる。また、被検面１１２の形状についてのデータベースを予め用意しておけば、被検面１１２の形状についての合否を自動的に判定して、その判定結果を出力することも可能である。
【００６７】
また、Ｓ９２０において被検面１１２の縦方向の位置を算出する際に、Ｓ９０６で算出した被検面１１２の横方向の位置を用いてもよい。例えば、被検面１１２の穴の深さを計測したい場合には、まず、インコヒーレントな光で被検面１１２を照明することで取得される画像から穴の領域を特定する。次に、コヒーレントな光で被検面１１２を照明することで取得される画像を用いて、穴の領域内及びその周辺領域のそれぞれについて縦方向の位置の平均値を算出する。これらの平均値の差分をとれば、穴の深さを算出することができる。平均値を用いることで、画素ごとに生じる計測誤差の影響が小さくなるため、穴の深さを高精度に計測することができる。
【００６８】
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ないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、各実施形態の計測装置は、機械部品などの物品の製造に適用することができる。かかる物品の製造方法は、上述した計測装置を用いて被検面を計測する工程と、かかる工程での計測結果に基づいて、被検面が所定の形状となるように加工（研磨など）する工程とを含む。かかる物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。
【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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