(57)【要約】【課題】被検面が粗い場合や傾斜している場合でも高精度に被検面を計測可能な多波長干渉計を提供する。【解決手段】多波長干渉計は、互いに波長が異なる複数の光束のそれぞれを被検光と参照光に分割する光束分割部と、被検光を被検面に照射して得られた反射光と参照光を用いて、波長毎に干渉信号を生成する干渉信号生成部と、被検面の上での被検光の照射状態を変化させる照射状態変更部と、照射状態を変化させて干渉信号を検出する検出部と、波長毎の複数の干渉信号の位相と複数の干渉信号のうち少なくとも一つの干渉信号の強度情報とを用いて、被検面の位置を計測する計測部とを有する。【選択図】図１
2013152191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに波長が異なる複数の光束のそれぞれを被検光と参照光に分割する光束分割部と、
前記被検光を被検面に照射して得られた反射光と前記参照光を用いて、波長毎に干渉信号を生成する干渉信号生成部と、
前記被検面の上での前記被検光の照射状態を変化させる照射状態変更部と、
前記照射状態を変化させて前記干渉信号を検出する検出部と、
波長毎の複数の干渉信号の位相と該複数の干渉信号のうち少なくとも一つの干渉信号の強度情報とを用いて、前記被検面の位置を計測する計測部と、を有することを特徴とする多波長干渉計。
【請求項２】
前記強度情報は、前記一つの干渉信号の強度の極大値であることを特徴とする請求項１に記載の多波長干渉計。
【請求項３】
前記強度情報は、前記複数の干渉信号の強度積の極大値であることを特徴とする請求項１に記載の多波長干渉計。
【請求項４】
前記強度情報は、前記少なくとも一つの干渉信号の強度が所定のしきい値を超えていることを示す情報であることを特徴とする請求項１に記載の多波長干渉計。
【請求項５】
前記強度情報は、前記一つの干渉信号の強度の極大値、および、前記少なくとも一つの干渉信号の強度が所定のしきい値を超えていることを示す情報の両方であることを特徴とする請求項１に記載の多波長干渉計。
【請求項６】
前記強度情報は、前記複数の干渉信号の強度積の極大値、および、前記少なくとも一つの干渉信号の強度が所定のしきい値を超えていることを示す情報の両方であることを特徴とする請求項１に記載の多波長干渉計。
【請求項７】
前記計測部は、前記一つの干渉信号の強度の加重平均値を算出し、
前記強度情報は、前記強度の加重平均値であることを特徴とする請求項１に記載の多波長干渉計。
【請求項８】
前記計測部は、前記複数の干渉信号の強度積の加重平均値を算出し、
前記強度情報は、前記強度積の加重平均値であることを特徴とする請求項１に記載の多波長干渉計。
【請求項９】
前記照射状態は、前記被検面の上における前記被検光の照射位置であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の多波長干渉計。
【請求項１０】
前記照射状態は、前記被検面の上における前記被検光の照射方向であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の多波長干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の異なる波長の光束を用いて被検面の計測を行う多波長干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被検面を計測する光波干渉計が知られている。特許文献１には、単波長ヘテロダイン干渉計（単波長干渉計）が開示されている。しかし単波長干渉計では、被検面が粗さを有する面（粗面）である場合、面の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し、正確な計測が困難である。
【０００３】
そこで非特許文献１には、複数の異なる波長の干渉計測結果から各波長の位相を合成することで、被検面が粗面である場合にも高精度な計測が可能な多波長干渉計が開示されている。また非特許文献２には、２つの波長間のスペックルパターンの相関は２つの波長の合成波長Λに依存することが開示されている。合成波長Λが小さくなると２つの波長間の相関性は減少し、合成波長Λが大きくなると２つの波長間の相関性は増加する。ここで合成波長Λとは、２つの波長をλ１、λ２（λ１＞λ２）としたとき、Λ＝λ１×λ２／（λ１−λ２）で表わされる量である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１８５５２９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Ｒｏｕｇｈ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ  ｗｉｔｈ  ａ  ｔｗｏ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ  ｓｐｅｃｋｌｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ”（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，  Ｊｕｌ８５，ｖｏｌ２４，ｐ２１８１）
【非特許文献２】“Ｈｉｇｈ−ｏｒｄｅｒ  ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｓｐｅｃｋｌｅ  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】
【０００６】
しかしながら、２つの波長間のスペックルパターンの相関性は、合成波長Λの大きさだけでなく、被検面の粗さおよび被検面の傾きにも依存する。すなわち、被検面が粗くなると２つの波長間のスペックルパターンの相関性は減少する。また、被検面の傾きが大きくなると２つの波長間のスペックルパターンの相関性は減少する。このように多波長干渉計を用いた場合でも、２つの波長間の相関性の減少により高精度な粗面計測は困難である。
【０００７】
そこで本発明は、被検面が粗い場合や傾斜している場合でも高精度に被検面を計測可能な多波長干渉計を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての多波長干渉計は、互いに波長が異なる複数の光束のそれぞれを被検光と参照光に分割する光束分割部と、前記被検光を被検面に照射して得られた反射光と前記参照光を用いて、波長毎に干渉信号を生成する干渉信号生成部と、前記被検面の上での前記被検光の照射状態を変化させる照射状態変更部と、前記照射状態を変化させて前記干渉信号を検出する検出部と、波長毎の複数の干渉信号の位相と該複数の干渉信号のうち少なくとも一つの干渉信号の強度情報とを用いて、前記被検面の位置を計測する計測部とを有する。
【０００９】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被検面が粗い場合や傾斜している場合でも高精度に被検面を計測可能な多波長干渉計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における多波長干渉計の構成図である。
【図２】実施例１における偏光ビームスプリッタによる光束分離の説明図である。
【図３】実施例１において、各波長でのスペックルパターンを示す図である。
【図４】実施例１における多波長干渉計による座標取得ステップを示すフローチャートである。
【図５】実施例１における多波長干渉計による計測誤差と干渉強度積を示す図である。
【図６】実施例２における多波長干渉計の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。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。
【実施例１】
【００１３】
まず、本発明の実施例１における多波長干渉計（光波干渉計測装置）について説明する。図１は、本実施例における多波長干渉計２００の構成図である。図２は、本実施例における偏光ビームスプリッタによる光束分離の説明図である。
【００１４】
多波長干渉計２００において、１および２は固定波長レーザ、３は波長の基準素子としてのガスセルである。８は偏光ビームスプリッタであり、互いに波長が異なる複数の光束（本実施例では二つの光束）のそれぞれを被検光と参照光に分割する光束分割素子（光束分割部）である。９は、参照光の波長のそれぞれをシフトする波長シフタ（シフト部）である。１００は干渉計ヘッドである。干渉計ヘッド１００は、被検光（信号光）を被検面２７の上の計測点に照射して得られた反射光と参照光とを用いて、波長毎に干渉信号を生成する干渉信号生成部である。
【００１５】
２５は、計測点を被検面２７上で走査する偏向部（照射状態変更部）である。偏向部２５は、被検面２７上に照射される被検光の照射状態（本実施例では被検光の照射位置）を変化させる。本実施例において、被検面２７は粗さを有する面（粗面）であり、被検面２７からの反射光は、必ずしも正反射光である必要はなく拡散反射光でもよい。２３は、波長毎に得られた参照光と被検光との干渉信号から測長値を算出する解析装置（計測部）である。解析装置２３は、偏向部２５による被検光の照射状態（照射位置）と測長値とを用いて、計測点の座標（被検面の位置）を取得（計測）することが可能である。このような構成により、多波長干渉計２００は、偏向部２５を用いて被検面２７上で計測点を移動させながら、逐次、計測点の座標を算出することで、被検面の位置（被検面の形状）を取得することができる。
【００１６】
固定波長レーザ１を射出した光束は、ビームスプリッタ４で分割される。また固定波長レーザ２を射出した光束は、ビームスプリッタ４に入射し、光線軸が固定波長レーザ１の光束と同軸になるとともに光束が分割される。固定波長レーザ１と固定波長レーザ２は、互いに異なる波長を有する光束を射出する。本実施例において、固定波長レーザ１と固定波長レーザ２は、互いに同様のＤＦＢ半導体レーザを用いて構成される。ただし、これに限定されるものではなく、例えばＨｅＮｅレーザなどの他のレーザを用いてもよい。また本実施例において、固定波長レーザ１と固定波長レーザ２は別素子からなるレーザである。ただしこれに限定されるものではなく、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つの素子に集積して構成してもよい。この場合、コストおよび寸法の観点で有利である。
【００１７】
ビームスプリッタ４で分割された一方の光束は、ガスセル３を透過した後、分光素子５で固定波長レーザ１の光束と固定波長レーザ２の光束のそれぞれに分離される。各光束がガスセル３を透過した後、固定波長レーザ１からの光束の光量は検出器６ａで検出され、固定波長レーザ２からの光束の光量は検出器６ｂで検出される。レーザ制御ユニット７（波長制御装置）は、検出器６ａからの出力信号を用いて、固定波長レーザ１から射出する光束の波長をガスセル３の吸収線である波長λ１に安定化するように制御する。波長の安定化は、例えば、検出器６ａの透過強度が一定となるように、レーザ制御ユニット７を用いて固定波長レーザ１から射出する光束の波長を調整することで行われる。波長調整方法としては、例えば、注入電流を変調する方法や温調による方法が用いられる。同様に、レーザ制御ユニット７は、検出器６ｂからの出力信号を用いて固定波長レーザ２から射出する光束の波長をガスセル３の吸収線である波長λ２に安定化するように制御する。
【００１８】
本実施例では、ガスセル３を用いて波長精度を保障しているが、ガスセル３の代わりにエタロンを用いてもよい。また、ガスセルとエタロンの両方を用いても構わない。また本実施例において、波長λ１、λ２はそれぞれ１５４０ｎｍ、１５２９ｎｍ、波長λ１、λ２の合成波長Λは略２２０μｍに設定されている。ただしこれらに限定されるものではなく、これらの波長はスペックルパターンの相関性が失われない範囲内で任意に設定可能である。
【００１９】
ビームスプリッタ４で分割された他方の光束は、偏光ビームスプリッタ８により第１光束（参照光）と第２光束（被検光）に分割される。第１光束は、波長シフタ９に入射する。波長シフタ９は、固定波長レーザ１と固定波長レーザ２のそれぞれから射出される光束について、音響光学素子（不図示）を用いて一定量の周波数シフトを印加する。波長シフタ９を射出した光束は、干渉計ヘッド１００に入射する。一方、偏光ビームスプリッタ８により分割された第２光束は、波長シフタ９を介さずに干渉計ヘッド１００に入射する。
【００２０】
干渉計ヘッド１００に入射した第１光束（参照光）は、コリメートレンズ１０ａで平行光束とされ、λ／２板１１ａを通過した後、図２に示されるように偏光ビームスプリッタ１２で反射光束３１および透過光束３２に分割される。偏光ビームスプリッタ１２で分割された反射光束３１は、λ／２板２４を透過することにより、その偏光方向が９０度回転する。また反射光束３１は、偏光ビームスプリッタ１３および偏光子１４を透過し、更に、集光レンズ１５で集光されて分光素子２１ａに入射する。また、干渉計ヘッド１００に入射した第２光束（被検光）は、コリメートレンズ１０ｂで平行光束とされ、λ／２板１１ｂを通過した後、図２に示されるように偏光ビームスプリッタ１３で反射光束４１および透過光束４２に分割される。偏光ビームスプリッタ１３で分割された反射光束４１は、偏光子１４を通過し、更に、集光レンズ１５で集光されて分光素子２１ａに入射する。
【００２１】
本実施例において、λ／２板１１ａの光軸に対する回転方向は、反射光束３１と透過光束３２の光量比が所望の値となるように設定される。同様に、λ／２板１１ｂの光軸に対する回転方向は、反射光束４１と透過光束４２の光量比が所望の値となるように設定される。このとき、反射光束３１と反射光束４１の干渉信号のコントラストが最大となるようにするため、反射光束３１と反射光束４１の光量は同程度に設定されることが好ましい。
【００２２】
分光素子２１ａは、同軸で入射した固定波長レーザ１からの光束と固定波長レーザ２からの光束を分離する。検出器２２１ａは、分光素子２１ａを介した波長λ１の反射光束３１と反射光束４１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を検出する。また検出器２２１ｂは、波長λ２の反射光束３１と反射光束４１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を検出する。検出器２２１ａ、２２１ｂは、偏光子１４を介して得られた反射光束３１と反射光束４１の共通偏光成分を抽出することで干渉信号を検出する。以下、分光素子２１ａを介して検出器２２１ａ、２２１ｂで検出される干渉信号を基準信号という。
【００２３】
一方、偏光ビームスプリッタ１２で分割された透過光束３２は、偏光ビームスプリッタ１６および偏光子１７を通過した後、集光レンズ１８に入射する。また偏光ビームスプリッタ１３で分割された透過光束４２は、偏光ビームスプリッタ１６を透過した後、λ／４板１９により円偏光とされる。そして、対物レンズ２０で収束光束となり、偏向部２５を介して被検面２７上の計測点に集光される。更に、計測点で反射されて逆周りの円偏光とされた後、再度、偏向部２５を介してλ／４板１９を透過する。これにより、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１６に再度入射する。その後、偏光ビームスプリッタ１６で反射され、偏光子１７および絞り２６を通過して集光レンズ１８に入射する。本実施例において、偏向部２５は、光束を偏向させることにより被検面２７上の計測点の位置を移動させる機能、および、解析装置２３へ偏向情報を伝送する機能を有するガルバノミラーである。
【００２４】
以下、偏光ビームスプリッタ１２で分割された透過光束３２を参照光束、被検面２７で反射した光を被検光束という。分光素子２１ｂに入射した波長λ１の参照光束と被検光束の干渉信号は、検出器２２２ａで検出される。また、波長λ２の参照光束と被検光束の干渉信号は、検出器２２２ｂで検出される。このように、検出器２２２ａ、２２２ｂは、照射状態を変化させて干渉信号を検出する検出部である。以下、分光素子２１ｂを介して検出器２２２ａ、２２２ｂで検出される干渉信号を計測信号という。計測信号は、透過光束３２と透過光束４２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、基準信号と同一である。しかし、被検光束と参照光束の光路長および計測点の粗さ状態により、干渉信号の位相は基準信号の位相と異なる。計測信号の位相とは、基準信号の位相からの差分である。
【００２５】
本実施例では、２つの波長λ１、λ２の光束を用いるため、粗さを有する被検面２７上の計測点でも、波長間の位相差を用いて被検光束と参照光束の光路長差を計測することが可能である。また本実施例では、分光素子２１ａ、２１ｂを用いて波長毎の信号に分離する構成を採用するが、これに限定されるものではない。例えば、波長λ１と波長λ２の参照光に異なる周波数シフト量を与え、検出器（位相検出器）で検出された干渉信号を周波数分離することで波長毎の干渉信号に分離してもよい。この場合、分光素子が不要となり多波長干渉計を簡易に構成することができる。
【００２６】
解析装置２３は、計測点を移動させた場合の計測信号（干渉信号）の強度情報と計測信号の位相（位相情報）とを用いて、被検面２７における座標を演算する座標演算部を備える。このような構成により、複数の波長間のスペックルの相関性が小さい場合でも、高精度に被検面の座標を取得することができる。
【００２７】
次に、図３を参照して、本実施例における基本的な考え方について説明する。図３は、各波長でのスペックルパターンを示す図である。前述のとおり、被検光束が計測点に集光されて反射散乱すると、フーリエ変換面内にスペックルパターンが形成される。図３（ａ）〜（ｄ）に示されるスペックルパターンＰ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃ、Ｐ１ｄは、それぞれ異なる計測点に波長λ１の被検光束を照射した場合における簡略化したスペックルパターンである。また、スペックルパターンＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃ、Ｐ２ｄは、同時刻における波長λ２の被検光束を照射した場合におけるスペックルパターンである。
【００２８】
スペックルパターンＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃ、Ｐ２ｄは、スペックルパターンＰ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃ、Ｐ１ｄから、照射角度に応じてシフトした分布となっている。これらのスペックルパターンは、計測点における照射集光径内の微細形状により決定されるため、計測時にどのようなスペックルパターンが発生するかを予測することは困難である。それぞれのスペックルパターンは、絞り２６により有効領域Ｐが限定される。計測信号は、スペックルパターンの有効領域Ｐを通過する信号に相当する。スペックルパターンは明部と暗部に大別される。スペックルパターンの明部の平均的な大きさは、粗面照射集光径、波長、および、対物レンズ２０の焦点距離で決定されることが知られている。有効領域Ｐは、十分な干渉強度を得る観点から、平均的な明部の大きさの１〜５倍程度に設定される。
【００２９】
図３（ａ）に示されるように、スペックルパターンＰ１ａは有効領域Ｐの内部に明部Ｓ１１ａを、スペックルパターンＰ２ａは有効領域Ｐの内部に明部Ｓ２１ａを含む。また、明部Ｓ１１ａ、Ｓ２１ａの位相はいずれもφａである。図３に示される位相は、光路長差による成分を差し引いた粗面（被検面）に由来する成分（粗面由来成分）に相当する。図３（ａ）に示されるスペックルパターンＰ１ａが観測される場合、波長間位相差の粗面由来成分は０であり、計測点の座標を誤差なく計測することができる。
【００３０】
図３（ｂ）に示されるスペックルパターンＰ１ｂは、位相φａの明部Ｓ１１ｂと位相φｂの明部Ｓ１２ｂを含む。またスペックルパターンＰ２ｂは、位相φａの明部Ｓ２１ｂと位相φｂの明部Ｓ２２ｂを含むが、明部Ｓ２２ｂの一部が有効領域Ｐから外れているため、全ての明部を検出することができない。従って、図３（ｂ）のスペックルパターンが観測される場合、波長間位相差は０にならず、計測した座標に誤差が生じる。また、図３（ｂ）に示されるスペックルパターンＰ１ｂ、Ｐ２ｂが観測される場合、複数の明部Ｓ１１ｂ、Ｓ１２ｂ、Ｓ２１ｂ、Ｓ２２ｂでの位相φａ、φｂが打ち消し合うため干渉強度が小さくなる。
【００３１】
図３（ｃ）に示されるスペックルパターンＰ１ｃ、Ｐ２ｃは、複数の明部Ｓ１１ｃ、Ｓ１２ｃ、Ｓ２１ｃ、Ｓ２２ｃを含み、明部Ｓ２２ｃの一部が有効領域Ｐから外れているが、複数の明部の位相φａは同じであるため、計測誤差は小さく、干渉信号は大きくなる。図３（ｄ）に示されるスペックルパターンＰ１ｄでは、複数の明部Ｓ１１ｄ、Ｓ１２ｄの位相φａ、φｂが打ち消し合うため干渉強度が小さくなる。一方、スペックルパターンＰ２ｄでは、複数の明部Ｓ２１ｄ、Ｓ２２ｄのうち明部Ｓ２２ｄの一部が有効領域Ｐから外れるため、干渉強度が大きくなる。
【００３２】
このように、スペックルパターンが発生する粗面を計測する場合、干渉強度が大きい場合には粗面に起因する計測誤差が統計的に小さい。一方、干渉強度が小さい場合には計測誤差が大きくなる。また、２つの波長の干渉強度の一方が小さい場合も、計測誤差は統計的に大きくなる。従って、２つの波長の干渉強度がともに所定の閾値以上である場合のみ計測点の座標を取得すれば、統計的な計測誤差を小さくすることができる。
【００３３】
解析装置２３は、偏向部２５を用いて被検面２７上での計測点を連続的に変化させたときの干渉強度を取得し、干渉強度が極大値となる場合の座標のみを取得することで、誤差を低減した干渉計測を実現している。被検面上での計測点を連続的に変化させながら干渉計測を行うとき、計測間隔における計測点の移動量（変位量）が照射集光径よりも十分小さい場合にはスペックルパターンは連続的に変化する。このため、干渉強度が極大値となる座標を取得することで、例えば、干渉強度に所定の閾値以上の場合に座標を取得する構成と比較して、より均一に座標データを取得することができる。この詳細については、図５を参照して後述する。
【００３４】
次に、図４を参照して、本実施例における多波長干渉計２００（解析装置２３）による被検面２７の座標取得ステップについて説明する。図４は、解析装置２３による被検面２７の座標取得ステップＳ１００を示すフローチャートである。座標取得ステップＳ１００における解析装置２３による座標取得は、偏向部２５により被検面２７上での計測点を変化（移動）させながら行われる。
【００３５】
まずステップＳ１０１において、検出器２２２ａ、２２２ｂで検出された時刻ｔにおける２つの波長λ１、λ２のそれぞれの計測信号の干渉強度ＡＣ１、ＡＣ２、および、位相φ１、φ２（位相情報）を得る。続いてステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で取得した干渉強度ＡＣ１、ＡＣ２の積（強度積）が極大値であるか否かを判定する。強度積が極大値である場合にはステップＳ１０３へ移行する。一方、強度積が極大値でない場合にはステップＳ１０１へ戻り、強度積が極大値になるまでステップＳ１０２の判定を繰り返す。
【００３６】
次にステップＳ１０３において、干渉強度ＡＣ１、ＡＣ２の積（強度積）が極大値を示す時刻ｔにおける偏向部２５の偏向情報を取得する。続いてステップＳ１０４において、ステップＳ１０１にて取得した位相φ１、φ２（位相情報）と合成波長Λを用いて測長値を算出する。そして、ステップＳ１０３にて取得した偏向情報を用いて時刻ｔにおける計測点の座標を得る。続いてステップＳ１０５において、測定が終了したか否かを判定する。測定が終了していない場合にはステップＳ１０１に戻り、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４を繰り返す。一方、測定が終了した場合には、ステップＳ１０６に移行し、取得した座標群を取りまとめて出力する。
【００３７】
図５は、多波長干渉計２００による計測誤差と干渉強度積（強度積）を示す図であり、図４の座標取得ステップＳ１００を用いた場合の計測誤差低減効果を示す実験結果である。図５（ａ）において、縦軸は計測誤差、横軸は計測点位置をそれぞれ示す。図５（ｂ）において、縦軸は干渉強度積、横軸は計測点位置をそれぞれ示す。
【００３８】
本実験に用いられた被検面は、表面粗さＲａ０．４ｕｍの研削加工を施した平面粗面サンプルであり、照射角度１５度において計測点を移動させながら１０μｍおきに８００μｍの範囲で計測したものである。実験条件は、波長λ１を１５４０ｎｍ、波長λ２を１５２９ｎｍ、合成波長Λを２２０μｍ、集光レンズ焦点距離を１５０ｍｍ、照射集光径を１００μｍ、光束の有効領域をφ６ｍｍとしている。また本実験では、計測点の移動手段として、サンプルを保持した１軸ステージを用いているが、図１に示される偏向部２５による計測点の移動と実質的に等価である。
【００３９】
図５（ａ）は、計測開始点を０とした場合の計測点位置での光軸方向の計測誤差であり、縦軸は計測誤差、横軸は計測点位置をそれぞれ示している。図５（ｂ）は、計測開始点を０とした場合の、波長λ１の干渉強度と波長λ２の干渉強度の積（干渉強度積）であり、縦軸は干渉強度積、横軸は計測点位置をそれぞれ示している。また図５（ｂ）では、干渉強度積の最大値を１として規格化している。図５（ａ）の白抜きプロットは、図５（ｂ）の干渉強度積が極大値となる計測点位置での計測誤差であり、図４の座標取得ステップＳ１００で取得される計測点となる。図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、干渉強度積が極大値となる場合の計測誤差の標準偏差は１．５μｍであり、全計測点の計測誤差の標準偏差８．１μｍよりも大きく改善している。
【００４０】
また、図５の計測結果から、座標取得の際には、干渉強度に閾値を設けて計測点を選択する場合よりも干渉強度（強度積）の極大値を用いた場合のほうが効果的である。第一に、計測誤差をより小さくすることが可能である。しきい値を設ける場合、例えば図５において干渉強度が最大を示す計測点Ｚ１の付近の計測点Ｚ２において、干渉強度が他の場所と比較して十分大きいにも関わらず、計測誤差も１０μｍ程度と大きくなっている。これは、以下の理由による。すなわち、計測点の移動量が照射集光径よりも十分小さい場合、スペックルパターンが連続的に変化する。このため、広域的な干渉強度が大きい計測点でも、干渉強度が増大または減少する場合、局所的には干渉強度が光束有効領域内で打ち消し合い、計測誤差が十分小さくならない。
【００４１】
第二に、計測点をより均一に取得することが可能である。しきい値を設ける場合、計測点の座標を取得するのは計測点Ｚ１付近の干渉強度が大きい点付近に集中する。一方、極大値を用いる場合、照射集光径と同程度の間隔で、より均一に計測点の座標を取得することができる。多くの場合、計測座標の光軸に垂直な方向の計測分解能は、照射集光径と同等が得られればよく、本実施例では十分な間隔での計測が可能である。また、被検面が大きな曲率を有する場合、計測点の移動に伴う照射角度の変化が大きいため、広域的な干渉強度の変化が大きくなり、しきい値を設ける場合には有効な計測点がさらに均一になりにくい。以上の理由により、干渉強度にしきい値を設けて計測点を選択する場合よりも極大値を用いた場合のほうが、より有効に座標取得することが可能となる。
【００４２】
このように本実施例において、解析装置２３は、波長毎の複数の干渉信号の位相と複数の干渉信号のうち少なくとも一つの干渉信号の強度情報とを用いて、被検面２７の位置（座標）を計測する。本実施例では、強度情報として、複数の干渉信号の強度積の極大値を採用しているが、これに限定されるものではない。強度情報として、例えば、複数の干渉信号のうち一つの干渉信号の強度の極大値を用いてもよい。また強度情報として、少なくとも一つの干渉信号の強度が所定のしきい値を超えていることを示す情報を採用することもできる。
【００４３】
更に、強度情報として、これらの組み合わせた情報を用いてもよい。このとき強度情報は、例えば、一つの干渉信号の強度の極大値、および、少なくとも一つの干渉信号の強度が所定のしきい値を超えていることを示す情報の両方である。また強度情報は、複数の干渉信号の強度積の極大値、および、少なくとも一つの干渉信号の強度が所定のしきい値を超えていることを示す情報の両方であってもよい。
【実施例２】
【００４４】
次に、図６を参照して、本発明の実施例２における多波長干渉計について説明する。図６は、本実施例における多波長干渉計３００の構成図である。多波長干渉計３００は、ステージ１０２上に載置された被検物の表面（被検面）の座標を、干渉計ヘッド１００から照射される被検光により取得可能に構成された装置である。
【００４５】
本実施例において、図６に示される干渉計ヘッド１００は実施例１の干渉計ヘッドと同様の構成である。ヘッド回転駆動部１０１、Ｘ軸駆動部１０３、Ｙ軸駆動部１０４、および、Ｚ軸駆動部１０５は、偏向部２５（図１）とともに、被検面の上に照射される被検光の照射状態を変化させる偏向部を構成する。多波長干渉計３００は、このような偏向部を備えることにより、被検面に対して任意の位置と姿勢を選択することが可能である。
【００４６】
本実施例では、図４の座標取得ステップＳ１００を用いることで、実施例１と同様に高精度な計測が可能であるとともに、より複雑な被検面を計測することができる。また座標取得ステップＳ１００では、被検面上の計測点を移動させたときの干渉強度を用いているが、本実施例の多波長干渉計３００では、被検面上の計測点を固定し、照射条件を変更させたときの干渉強度を用いることも可能である。
【００４７】
本実施例では、ヘッド回転駆動部１０１、Ｘ軸駆動部１０３、Ｙ軸駆動部１０４、Ｚ軸駆動部１０５、および、偏向部２５により、干渉計ヘッド１００の位置と姿勢を変更する。このような構成により、計測点を固定して被検光の照射方向（照射状態）を変化させることで、干渉強度の極大値での計測が可能である。このとき、変化させる照射方向の間隔は、干渉強度が連続的に変化する程度に細かくすることで、座標取得ステップＳ１００と同様の精度改善効果が得られる。計測点の位置は、任意に選択することが可能であるため、所望の計測点の座標が得られる。
【００４８】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、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。
【００４９】
例えば、上記各実施例ではヘテロダイン干渉計について説明したが、多波長ホモダイン干渉計などの他の干渉計にも適用可能である。多波長ホモダイン干渉計を適用した場合でも、各波長の干渉強度（強度積）および位相を検出することで、座標取得ステップＳ１００と同様のフローを用いて高精度な被検面（粗面）の計測が可能となる。また上記各実施例では、多波長干渉計として２波長干渉計について説明したが、これに限定されるものではない。各実施例は、異なる３波長以上の光束を利用した多波長干渉計にも適用可能である。また各実施例は、複数の波長の一つを波長走査することで絶対測長を可能とする多波長走査干渉計に適用してもよい。
【００５０】
また各実施例では、例えば干渉強度が極大値をとる計測点における座標を取得するように構成されているが、複数の隣接する計測点の座標値から、干渉強度に基づいた加重平均値により代表的な座標値を取得してもよい。このとき、解析装置２３は複数の干渉信号の強度積の加重平均値を算出するか、または、一つの干渉信号の強度の加重平均値を算出する。算出された強度積の加重平均値または強度の加重平均値は、前述の強度情報となる。このような構成によれば、干渉強度が大きく計測誤差が統計的に小さい計測点に大きな加重量が加わるため、高精度な計測が可能である。ただし、光軸に垂直な方向の分解能低下の観点と、局所的な範囲での平均化効果に抑える観点から、複数の隣接する計測点が占める被検面上の大きさを適切な範囲に限定することが好ましい。
【００５１】
また各実施例では、被検光の照射条件を変更したときの、すなわち被検面上の計測点（位置）を移動させたときの干渉強度を用いているが、干渉強度を照射条件にフィードバックする構成にしてもよい。例えば、干渉強度が極大値をとるように計測点を移動し、干渉強度が極大値となる位置を探索した後に座標取得を行ってもよい。
【００５２】
上記各実施例によれば、被検面が粗い場合や傾斜している場合、すなわち複数の波長間のスペックルの相関性が小さい場合でも、高精度に被検面を計測可能な多波長干渉計を提供することができる。
【符号の説明】
【００５３】
８  偏光ビームスプリッタ
２３  解析装置
２５  偏向部
２７  被検面
１００  干渉計ヘッド
２００、３００  多波長干渉計
２２２ａ、２２２ｂ  検出器
【図１】
2013152191.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図２】
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【図５】
2013152191.tif 000008