(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照ミラーからの反射光とディスク表面上の計測視野からの反射光とを干渉させて干渉縞パターンを生じさせる干渉光学系と、
前記干渉縞パターンを撮像するためのエリアセンサと、
該エリアセンサとディスクとの相対位置を変化させる移動手段と、
該移動手段によりディスク表面上の計測視野を連続的にずらせながら、各計測視野について前記エリアセンサに干渉縞パターンの撮像を繰り返させる撮像制御手段と、
前記エリアセンサで得られた各干渉縞パターン画像からそれぞれ位相を抽出し、ディスク表面上の各計測視野内の座標点の高さ算出する高さ算出手段と、
該高さ算出手段で求めた複数の計測視野での高さデータの、複数の計測視野間における平均値を求め、この平均値を校正用データとする校正用データ算出手段と、
前記高さ算出手段で求めた高さデータを前記校正用データ算出手段で求めた校正用データで校正し、校正後の高さデータを求める校正高さ算出手段と、
を備えた表面計測装置。
【請求項２】
前記撮像制御手段は、前記エリアセンサとディスクとの相対位置を変化させることにより、ディスク表面上の計測視野をその一部が重複するように連続的にずらせながら、各計測視野について前記エリアセンサに前記干渉縞パターンの撮像を繰り返させるものであることを特徴とする請求項１記載の表面計測装置。
【請求項３】
前記移動手段は、ディスクを回転駆動すると共に、ディスクを半径方向に移動させることができるものであり、
前記撮像制御手段は、前記エリアセンサが円周方向に並んだ矩形の計測視野を重複させながら連続的に撮像できるように、前記移動手段と前記エリアセンサを制御するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の表面計測装置。
【請求項４】
ディスクの円周方向に不規則に並んだ複数の計測視野内の高さデータから、前記校正用データを求めることを特徴とする請求項３記載の表面計測装置。
【請求項５】
各計測視野内の高さデータについて、それぞれ、ディスクの円周方向に隣接した高さデータ同士の差分値を算出し、この差分データを連結して円周方向に連続した一連の差分データを作成し、これを表面形状画像データとして出力する画像結合手段を設け、
該画像結合手段では、隣接計測視野との非重複部分の差分データはそのまま前記一連の高さデータの一部として採用し、隣接計測視野との重複部分の差分データは、何れかの計測視野の差分データを計測視野の重複を解消するように選択し前記一連の高さデータの一部として採用するようにしたことを特徴とする請求項２記載の表面計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉光学系を用いてディスク表面の形状を計測する表面計測装置に関する。
【０００２】
たとえば磁気ディスクにおいては、その大容量化や小型化が進められ、記録密度の向上が図られている。これに呼応して、磁気ヘッドの低浮上量化も進められている。磁気ヘッドの低浮上量化が進むと、磁気ディスク表面の平滑化も一層求められる。
【０００３】
なぜなら、磁気ディスク装置では、磁気ディスク上に磁気ヘッドスライダが位置しており、この磁気ヘッドスライダがディスクの回転とともに浮上し、非接触での記録、再生を行う。しかし、ディスク表面に磁気ヘッドスライダが追随できないような微小凸部があると、ここに磁気ヘッドスライダがぶつかるおそれがある。又、磁気ヘッドスライダが追随できないような微小凹凸部があるとヘッド浮上量が変動し、磁気記録の電磁変換特性に影響を与えることが懸念されている。
【０００４】
そこで、磁気ディスクの表面状態を知る必要があり、磁気ディスクの表面状態（主に微小うねり、ナノレベルの凹凸）を計測する表面計測装置の高精度化も要求されている。
【０００５】
【従来の技術】
表面計測装置は、接触式と非接触式に大別される。接触式の表面計測装置としては、触針式のものがあり、これには、針をディスク表面上で二次元的に移動させて表面の微小うねりを計測するものや、ディスク表面に針を載せた状態でディスクを回転させながら円周方向の微小うねりを測定するもの等がある。しかし、接触式のものは、ディスクにダメージを与えるおそれがあるだけでなく、計測速度が非常に遅いという欠点があり、非接触式のものが注目されている。
【０００６】
図１３〜図１５は従来の非接触の表面計測装置の概念的構成を示している。図１３の従来例では、静止状態のディスク１の表面全体に光を当て、干渉光学系２を介して得られたディスク全面の干渉縞パターンを一括してエリアセンサ３で撮像し、ディスク１の表面形状を計測するものである。
【０００７】
又、図１４の従来例は、静止状態のディスク１の表面の一部分（計測視野）１ａに光を当て、干渉光学系２を介して得られた表面の一部分１ａの干渉縞パターンをエリアセンサ３で撮像するという動作を、干渉光学系２やエリアセンサ３を二次元的にずらしながら行うことで、ディスク１全面の表面形状を計測するものである。
【０００８】
図１５の従来例は、ディスク１をスピンドルモータ４で回転させ、干渉光学系２や０次元センサ５を用いてディスク１表面の計測ポイントＰの形状を計測するという動作を、干渉光学系２や０次元センサ５を相対的にディスク１の半径方向にずらしながら行うことで、ディスク１全面の表面形状を計測するものである。なお、このタイプの場合、０次元センサを横方向に並べて１次元センサとして計測する場合もある。
【０００９】
干渉光学系を用いて非接触で表面形状を測定する表面計測装置の具体例としては、図１６に示すものがある。この図１６の干渉光学系２０において、白色光源１１から出た光は、干渉フィルタ１２により単色化され、ハーフミラー１４に入射する。その後、ハーフミラー１４により図１６の下方に折り曲げられ、対物レンズ１５で集束された後、ハーフミラー１６に入射し、ここを透過した光が、ステージ２２上のディスク１３の表面に到達する。一方ハーフミラー１６で反射した光は、理想的な平面を持つ参照ミラー１８に到達する。ディスク１３での反射光と参照ミラー１８での反射光はそれぞれいままで通った光路と逆の光路をたどり、今度はハーフミラー１４を透過して結像レンズ１９を通り、エリアセンサ（カメラ）２１上に干渉縞パターン画像を結像する。
【００１０】
この干渉縞パターン画像は、たとえば図１７（ａ）のような画像になり、参照ミラー１８の傾きをθｙ方向とθｚ方向に調整してそれぞれの計測器での計測に都合のよいたとえば同図（ｂ）のような画像になるように調整する。参照ミラー１８が理想的な平面を持っていれば、同図（ｂ）の縞間隔ｄだけ離れたディスク１３上の２地点の高さの差は、干渉フィルタ１２で単色化した光の波長の半分となる。
【００１１】
以上のようにして得られた干渉縞パターン画像から算出した表面形状（表面の高さ）の一例を同図（ｃ）に示す。この図はエリアセンサ２１による計測視野のひとつ分についての高さデータである。
【００１２】
この表面計測装置は、参照ミラー１８が理想的な平面を持つことを前提として、その精度が保証されるものであるが、現実には、参照ミラー１８が理想的な平面を持つことはない。このため、たとえば図１８（ａ）のように、参照ミラー１８が理想とする平面を有しないとすると、得られる高さデータは、同図（ｂ）で示す真の表面高さに参照ミラー１８の誤差が重畳した同図（ｃ）のようになるため、真の表面高さが得られない。ただし、同図（ｃ）において参照ミラー１８の誤差分を点線で示し、誤差が重畳した高さデータを実線で示した。
【００１３】
真の表面高さを求めるためには、参照ミラー１８の誤差分を算出し、同図（ｃ）で得られた、誤差が重畳した高さデータから差し引く必要がある。参照ミラー１８の誤差分は、図１９に示すように測定対象として理想平面に近い基準平面板２３をステージ２２上に設置して干渉縞パターンを撮像し、高さを算出する。具体的には、基準平面版２３としてくせのないミラーを設置し、このミラー平面のいろいろな場所の干渉画像をステージ２２を使ってミラーを動かして求め、算出した高さを平均する場合が多い。これが、たとえば同図（ｂ）のようになったとすれば、このデータを使って、高さデータを補正し、図２０に示すようにディスク表面高さを求めていけばよい。
【００１４】
図２０（ａ）は誤差が重畳した高さデータ、同図（ｂ）は求まった参照ミラー１８の誤差分、同図（ｃ）は同図（ａ）のデータから同図（ｂ）の誤差分を減算して算出した真の対象の表面高さである。しかし、誤差分のデータを取得し、基準平面板２３を外し、図１６のようにディスク１３を再び設置した後に、干渉縞が図１７（ａ）のような状態にあると、この状態から図１７（ｂ）の状態に調整する必要があるが、ここでは、参照ミラー１８を動かす調整方法はとれない。なぜなら、参照ミラー１８を動かすと、参照ミラー１８上の照明光が当たる位置がずれることにより、図１９で求めた参照ミラー１８の誤差量が変わり、再び原器である基準平面板２３を使って校正用データを作成する必要が生じることになり、校正の作業が際限なく続くことになるからである。このために、従来は、参照ミラー１８は固定しておき、図１６のように光学系全体ＢＬ１をあおるようにθ１ｙ方向とθ１ｘ方向に動かすか、ディスク１３側のステージ全体ＢＬ２をあおるようにθ２ｙ方向かθ２ｘ方向に動かしている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示した表面計測装置のように、ディスク全面の干渉縞パターンを一括して撮像しディスク表面形状を計測する場合、光学的な分解能の不足により短周期の微小うねり計測に十分な分解能を得ることができない。
【００１６】
一方、図１４に示した表面計測装置のように、ディスク表面の一部分の干渉縞パターンを撮像し、ディスクの表面形状を計測する場合、分解能は十分であるが計測視野が限定されるため、長周期の微小うねりを計測することができない。
【００１７】
図１４に示した表面計測装置の問題点に関しては、例えば、特開平７−１７４５３５号公報に記載されているように、小さい計測視野を二次元方向（ｘ，ｙ軸方向）に移動させて重複部分の情報を基に大きな範囲を計測する例もあるが、このようなｘ，ｙ軸方向に計測視野を移動させてディスク全面の高さデータを得る方式は、ディスク周方向に連続した高さデータを得るのに時間がかかる。
【００１８】
図１５に示した表面計測装置のように、ディスクを回転させながらディスク表面形状を計測する場合、ディスク回転時の振動が計測値にノイズとして重畳してしまうため、ディスクの表面形状を精密に計測することが困難である。この方式の表面計測装置において、ディスク回転時の振動ノイズを計測値から取り除くためには、問題となる振動より十分高速あるいは低速な時間でデータをサンプリングし、その後のフィルタリング処理で振動成分を取り除くことになるが、このようにすると、振動成分（周波数）に比べて高速なサンプリングを行わなければならなくなり、計測部および処理部が高価になってしまう。逆に振動成分に比べて低速なサンプリングを行うと、計測時間が非常に長くなる。
【００１９】
一方、表面計測装置の具体例として挙げた図１６に示す表面計測装置では、上記の通り、参照ミラー１８は固定しておき、図１６のように光学系全体ＢＬ１をあおるように動かすか、ディスク１３側のステージ全体ＢＬ２をあおるように動かす必要があるため、装置規模が大きくなるという問題がある。さらに光学系全体ＢＬ１を動かすかディスク１３側のステージ全体ＢＬ２を動かすかにかかわらず、基準平面板等の校正原器をあらかじめ用意する必要があり、装置稼動中は恒常的な原器の保持と保守を行う必要がある。このように、従来装置では、保守手順が煩雑になり、かつ装置規模が大きくなってしまうという問題点がある。
【００２０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、第１の課題は、校正原器が不要で、しかも装置規模を小さくできる表面計測装置を実現することになる。
【００２１】
第２の課題は、長周期及び短周期の微小うねりを短時間に精密に計測できる表面計測装置を実現することになる。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１に係る発明は、図１の原理図に示すように、参照ミラー３１からの反射光とディスク３２表面上の計測視野３２ａからの反射光とを干渉させて干渉縞パターンを生じさせる干渉光学系３３と、干渉縞パターンを撮像するためのエリアセンサ３４と、エリアセンサ３４とディスク３２との相対位置を変化させる移動手段３９と、移動手段３９によりディスク３２表面上の計測視野３２ａを連続的にずらせながら、各計測視野３２ａについてエリアセンサ３４に干渉縞パターンの撮像を繰り返させる撮像制御手段３５と、エリアセンサ３４で得られた各干渉縞パターン画像からそれぞれ位相を抽出し、ディスク３２表面上の各計測視野３２ａ内の座標点の高さ算出する高さ算出手段３６と、高さ算出手段３６で求めた複数の計測視野３２ａでの高さデータの、複数の計測視野３２ａ間における平均値を求め、この平均値を校正用データとする校正用データ算出手段３７と、高さ算出手段３６で求めた高さデータを校正用データ算出手段３７で求めた校正用データで校正し、校正後の高さデータを求める校正高さ算出手段３８とからなる。
【００２３】
この表面計測装置では、エリアセンサ３４とディスク３２との相対位置を移動手段３９で変化させることにより、計測視野３２ａを移動させながら、ディスク３２表面を撮像する。図２に示すように、各計測視野３２ａにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，... と名前を付けたとき、計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，...の高さデータ（形状画像）は、高さ算出手段３６から得られる。
【００２４】
このとき、参照ミラー３１の校正は、ディスク３２自身を基準平面とみなして行う。その方法は、校正用データの作成に用いる計測視野を決める。この校正用データ算出用の計測視野が、Ｎ個の計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，...であるとすると、Ｎ個の計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，...の高さデータ（形状画像）から、校正用データ（形状画像）を算出する。
【００２５】
校正用データは、計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，...の形状画像のある座標位置(xn,yn)の高さデータをｆa(xn,yn)，ｆb(xn,yn)，ｆc(xn,yn)，...とし、校正用データ（形状画像）のある位置(xn,yn)の高さデータをfv(xn,yn)とすると、たとえば、
fv(xn,yn)＝｛fa(xn,yn)＋fb(xn,yn)+fc(xn,yn)+...｝／Ｎ
として求められる。
【００２６】
上式において、fv(xn,yn)中のディスク３２の凹凸成分は加算平均により平準化されて無くなるので、ディスク３２の位置に理想的な平面をおいた場合と同じ状況になる。一方、ｆa(xn,yn)，ｆb(xn,yn)，ｆc(xn,yn)，...には参照ミラー３１の誤差分が常に存在するため、fv(xn,yn)中の参照ミラー３１の誤差分の精度は加算平均により向上する。よって、Ｎを大きくすれば、このfv(xn,yn)は、校正用データとしてきわめて精密なものとなる。
【００２７】
本発明では、このfv(xn,yn)を用いて、高さデータｆa(xn,yn)，ｆb(xn,yn)，ｆc(xn,yn)，...の校正を行う。校正後の計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，...の、ある位置(xn,yn) における高さデータをfa'(xn,yn)，ｆb'(xn,yn)，ｆc'(xn,yn)，...とすると、校正後の高さデータは、たとえば、
fa'(xn,yn)＝fa(xn,yn)−fv(xn,yn)
fb'(xn,yn)＝fb(xn,yn)−fv(xn,yn)
fc'(xn,yn)＝fc(xn,yn)−fv(xn,yn)
.............
として求められる。この処理をディスク表面の全域に渡って行うことにより、表面高さを精密に求めることができる。
【００２８】
さらに、本発明では、ディスク自身を校正用データの作成に用いることにより、基準平面板等の校正原器が不要になり、校正も極めて簡便に行える。しかも、干渉縞を調整するために参照ミラーの傾斜角を変えても、データ処理だけで、その傾斜角での校正用データを容易に取得でき、従来のように、校正用データの取得後に光学系全体あるいはステージ全体を動かす必要はなく、装置規模を小さくできる。
【００２９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、撮像制御手段は、エリアセンサとディスクとの相対位置を変化させることにより、ディスク表面上の計測視野をその一部が重複するように連続的にずらせながら（図２（ｂ）参照）、各計測視野についてエリアセンサに干渉縞パターンの撮像を繰り返させるものであることを特徴とするものである。
【００３０】
この発明によれば、隣接する計測視野間の重複部分での高さデータが等しくなるように、各計測視野の高さデータを繋ぐことにより、ディスク表面の広範囲の高さデータが精密に求められるため、長周期の微小うねりであっても精密に計測できる。
【００３１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、移動手段は、ディスクを回転駆動すると共に、ディスクを半径方向に移動させることができるものであり、撮像制御手段は、エリアセンサが円周方向に並んだ矩形の計測視野を重複させながら連続的に撮像できるように、移動手段とエリアセンサを制御するものであることを特徴とするものである。この発明では計測視野が円周方向に移動することになり、円周方向の長周期及び短周期の微小うねりを短時間に精密に計測できる。
【００３２】
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明において、ディスクの円周方向に不規則に並んだ複数の計測視野内の高さデータから、校正用データを求めることを特徴とするものである。この発明によれば、校正用データに周期的なノイズ成分が織り込まれない。
【００３３】
請求項５に係る発明は、請求項２に係る発明において、各計測視野内の高さデータについて、それぞれ、ディスクの円周方向に隣接した高さデータ同士の差分値を算出し、この差分データを連結して円周方向に連続した一連の差分データを作成し、これを表面形状画像データとして出力する画像結合手段を設け、画像結合手段では、隣接計測視野との非重複部分の差分データはそのまま一連の高さデータの一部として採用し、隣接計測視野との重複部分の差分データは、何れかの計測視野の差分データを計測視野の重複を解消するように選択し一連の高さデータの一部として採用するようにしたことを特徴とするものである。
【００３４】
この発明によれば、ディスク表面の広範囲の高さデータが容易かつ精密に求められる。
【００３５】
【実施の形態】
図３は本発明の実施の形態例を示す図である。この図において、干渉光学系６０は、以下の光路が形成されるように構成されている。まず、白色光源（メタルハライドランプ）５１から出た光は、干渉フィルタ５２により単色化され、ハーフミラー５４に入射する。その後、ハーフミラー５４により図３の下方に折り曲げられ、対物レンズ５５で集束された後、ハーフミラー５６に入射し、ここを透過した光が、回転ステージ６２上のディスク５３の表面に到達する。一方ハーフミラー５６で反射した光は、理想的な平面を持つ参照ミラー５８に到達する。ディスク５３での反射光と参照ミラー５８での反射光はそれぞれいままで通った光路と逆の光路をたどり、今度はハーフミラー５４を透過して結像レンズ５９を通り、矩形の計測視野を持つパーシャルスキャンあるいはハイフレームレートＣＣＤ等でなるエリアセンサ６１上に干渉縞パターン画像を結像する。
【００３６】
上記回転ステージ６２は、ディスク５３を保持しディスク５３を回転させるものである（回転中心軸は対物レンズ５５の光軸と平行）。この回転ステージ６２は、回転ステージ６２を図３における左右方向に移動させる直動ステージ６３上に載せられている。上記回転ステージ６２と直動ステージ６３とが、エリアセンサ６１とディスク５３との相対位置を変化させる移動手段を構成している。
【００３７】
制御部７０内の撮像制御手段７１は、回転ステージ６２，直動ステージ６３をそれぞれドライバ７３，７４を介して駆動し、ディスク５３表面上の矩形の計測視野５３ａをその一部が重複するように連続的にずらせながら、各計測視野５３ａについてエリアセンサ３４に干渉縞パターンの撮像を繰り返させるものである。又、干渉光学系６０内の参照ミラー５８は、傾斜可能に設けられており、参照ミラー駆動部７５を介して制御部７０が所望の角度に傾斜できるようになっている。
【００３８】
メモリ８１はエリアセンサ６１で取得した干渉縞パターン画像を連続的に蓄積するもので、ここに蓄積されたデータは、高さ算出手段８２や制御部７０で読み出せるようになっている。又、制御部７０は、縞間隔等の調整時にメモリ８１から直接データを読み出し、干渉縞パターン画像を出力手段７６に表示させたり、干渉縞パターン画像に基づき、参照ミラー５８の傾斜角調整を行えるようになっている。なお、参照ミラー５８の傾斜角調整は、自動でも手動でも行える。
【００３９】
高さ算出手段８２は、エリアセンサ６１で得られた各干渉縞パターン画像からそれぞれ位相を抽出し、ディスク５３表面上の各計測視野５３ａ内の座標点の高さ算出するものである。本形態例のように、回転するディスクの干渉縞画像から高さを算出するには、高精度干渉法でも位相シフト法のような同じ個所で複数枚の干渉画像が必要な方法は適用が難しい。
【００４０】
高精度干渉法の中でも、空間的に変調した１枚の干渉縞画像（キャリア縞画像）から高精度な高さが検出できる方法として、空間キャリア法がある。これは本発明に適用可能である。空間キャリア法は、光源に白色光源、撮像系（エリアセンサ）にＣＣＤを使用できるため、安価な光学系が構築可能である。
【００４１】
ここで、図４のマイケルソン型干渉光学系を用いて空間キャリア法を説明する。この構成は、光源５１から出た光がレンズ９２で平行光に変えられ、ビームスプリッタ９３に入り、分岐した一方の光が対象９４に入射し、分岐した他方の光が参照ミラー９５に入射し、対象９４と参照ミラー９５での反射光がビームスプリッタ９３で合成され、レンズ９６によりカメラ９７上に結像するようになっている。
【００４２】
対象９４側と参照ミラー９５側の光路差をΔＬ(x,y)，対象の高さをd(x,y)，位相差をφ(x,y)，照射光の波長をλとすると、カメラ９７で観測される干渉稿強度g(x,y)は次式で表せる。
【００４３】
ｇ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)cos(φ(x,y))  …（１）
φ(x,y)＝２πΔＬ(x,y)／λ             …（２）
ｄ(x,y)＝ΔＬ(x,y)／２                 …（３）
ここでａ(x,y)，ｂ(x,y)はそれぞれ干渉稿のバックグラウンド強度、明暗振幅である。従来の干渉法では、干渉画像の明暗から物体の高さ情報を示す位相φ(x,y)を求めている。ところが光路差ΔＬ(x,y)が波長以下の場合、ａ(x,y)，ｂ(x,y)とφ(x,y)の区別が困難であるため干渉画像を用いた高さ計測が不可能となる。
【００４４】
一方、高精度干渉法は干渉稿の位相項にキャリア成分δを導入することで、位相φ(x,y)を波長以下の精度で計測することができる。この場合干渉稿強度ｇ(x,y)は次式のようになる。
【００４５】
ｇ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)cos(φ(x,y)＋δ)  …（４）
この（４）式で、空間的に変化するδを導入する方法を空間キャリア法という。高精度干渉法として空間キャリア法とともに良く知られている方式に、位相シフト法がある。位相シフト法の場合、（４）式のδを時間的に変化させて撮像した複数枚の干渉画像を使用する。このためディスクを回転させながら動的計測を行う場合には、この位相シフト法は向いていない。これに対して、空間キャリア法は一枚のキャリア画像から位相が検出できるため、本発明には好適である。
【００４６】
実際に位相変調されたキャリア画像を得るには、図５に示すように、参照ミラーをθ0だけ傾ければよい。例えばｘ方向に空間周波数f0のキャリア成分を入れると（４）式は以下のようになる。
【００４７】
ｇ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)cos(φ(x,y)＋２πf0ｘ)  …（５）
空間的にキャリアを導入した干渉稿画像から位相φ(x,y)を求める方法には、フーリエ変換法，ＱＭＭ(Quadrature multiplicative moire)アルゴリズム，位相シフト電子モアレ法などがある。微小うねり計測においては、計測すべき位相φ(x,y)の周波数帯域が広いため、後で述べる周波数成分の分別が比較的容易なフーリエ変換法を用いると便利である。ただし、ＱＭＭアルゴリズムや他の位相検出方法を使用することも可能である。以下にフーリエ変換法について説明する。
【００４８】
フーリエ変換法は、キャリア稿の入った干渉画像をフーリエ変換し、周波数空間で位相φ(x,y)を分離・検出する。（４）式をｘ方向でフーリエ変換すると、
Ｇ(ｆ)＝Ａ(ｆ)＋Ｃ(ｆ−ｆ0)＋Ｃ*(−(ｆ＋ｆ0))  …（６）
となる。ここでＡ(ｆ)はａ(x,y)のフーリエスペクトルである。またＣ(ｆ)は、
Ｃ(x,y)＝ｂ(x,y)exp[φ(x,y)]／２  …（７）
のフーリエスペクトルである。図６は（６）式のスペクトル成分を周波数空間で示した図である。フーリエ変換法では以下の手順で位相検出を行う。
【００４９】
１）図６(ａ)のＣ(ｆ−ｆ0)以外のスペクトル成分を取り除く(図６(ｂ))。
２）Ｃ(ｆ−ｆ0)をｆ0だけ平行移動し原点に移動する(図６(ｃ))。
３）逆変換し、（６）式のｃ(x,y)を求める。
【００５０】
４）ｃ(x,y)の実部Ｒｅ［ｃ(x,y)］，虚部Ｉｍ［ｃ(x,y)］からφ(x,y)を求める。
φ(x,y)＝tan［Ｉｍ［ｃ(x,y)］／Ｒｅ［ｃ(x,y)］］  …（８）
ここでは、手順１）でａ(x,y)とφ(x,y)の周波数成分を分別し、ａ(x,y)の成分を取り除き、又、手順４）の比を計算することで、（６）式にかかっていたｂ(x,y)の成分を取り除いている。
【００５１】
以上の手順によりφ(x,y)を求めれば、（２），（３）式から対象（ディスク）９４の高さ変化ｂ(x,y)を、次式
ｄ(x,y)＝λφ(x,y)／４π    …（９）
で求めることができる。
【００５２】
校正用データ算出手段８３は、校正用データ算出手段３７と同様な構成を有するもので、校正用データ算出用の複数の計測視野を決め、この複数の計測視野５３ａでの高さ算出手段８２で求めた高さデータの、複数の計測視野５３ａ間における平均値を求め、この平均値を校正用データとするものである。校正高さ算出手段８４は、高さ算出手段８２で求めた高さデータから校正用データ算出手段８３で求めた校正用データを減算し、校正後の高さデータを求めるものである。
【００５３】
ここで、本形態例は、ディスク５３表面上の矩形の計測視野５３ａを、その一部が重複するように、円周方向に連続的にずらせながら、各計測視野５３ａについてエリアセンサ３４に干渉縞パターンの撮像を繰り返して撮像させるものである。このため、校正高さ算出手段８４から出力された高さデータ（形状画像）は、図７に示すように、隣接画像同士が一部重なっている。ディスク５３の全面の形状画像を得るためには、この重複部分のデータの重なりを無くす必要がある。
【００５４】
本形態例の画像結合手段８５は、この機能をも有する。この画像結合手段８５は、各計測視野５３ａ内の高さデータについて、それぞれ、ディスク５３の円周方向に隣接した高さデータ同士の差分値を算出し、この差分データを連結して円周方向に連続した一連の差分データを作成し、これを表面形状画像データとして出力する。
【００５５】
そこで、画像結合手段８５では、隣接計測視野との非重複部分の差分データはそのまま一連の高さデータの一部として採用し、隣接計測視野との重複部分の差分データは、何れかの計測視野の差分データを計測視野の重複を解消するように選択し一連の高さデータの一部として採用する。
【００５６】
図８は画像結合手段８５の結合動作を説明する図である。図８（ａ）は、隣接した画像１，画像２の重なり状態を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）において２つの画像が重複した付近を拡大して示したものである。図中の各正方形は画像１と画像２の画素を表している。図８（ｃ）は、図８（ｂ）にける四角の点線で囲まれた一列の画素列を取り出し、ディスクの周方向（Ｙ方向）の位置に対応するよう並べたものである。それぞれの画素の高さ計測値は、ディスクの真の高さH(x,y)と、撮像時刻ｔに光学系に加わった振動成分δ(t) が足し合わされたものとなる。
【００５７】
説明を簡単にするため、図８と以降の説明はディスク５３の半径方向の画素位置ｘを固定して考え、そのときのディスクの高さをH(y)と表記する。又、δ(t) は撮像時間中の振動成分変位を積分したものであるが、簡易的に撮像時刻ｔの関数として表記する。以上の約束のもと、画像１と画像２の画素位置毎の計測値を図８（ｃ）に示し、各隣接画素間の高さデータの差分値（校正高さ算出手段８４の出力の差分値）を高さデータの隣に示した。
【００５８】
図８（ｃ）からも明らかなように、円周方向に隣接画素の差分を取ることで振動成分δ（ｔ）がキャンセルされる。画像の結合処理は、上記差分値を画像１と画像２から選択的に新たな結合画像（データ）領域にコピーすることで行う。例えば図８（ｃ）の例では、画像１と画像２の差分値のうち点線の四角で囲まれたそれぞれの部分を、結合画像（図８（ｃ）右側示した）の高さデータとして採用することで、新規の結合画像を作成する例である。この場合、重複部分については、画像１の差分値をコピーし、非重複部分はそれぞれの画像の差分値をコピーしている。
【００５９】
なお、新しく得られた高さの差分画像はそのまま表面形状を示す高さデータとして用いることができるが、画素間の加算処理を行うことで、任意の画素を基準とした高さ画像に変換することもできる。たとえば、図８（ｃ）の結合画像の最上段の画素のレベルをＨ（１）−Ｈ（２）から４段目の画素レベルＨ（４）−Ｈ（５）までを加算すれば、Ｈ（１）を基準にした４段目の画素レベルＨ（１）−Ｈ（５）が得られる。
【００６０】
図９は画像結合における結合画像に適用する画素（差分値）の選択方法を説明する図である。図９（ａ）は、撮像視野のアスペクト比が小さい場合、図９（ｂ）は撮像視野のアスペクト比が大きい場合である。図９（ａ）の場合、隣接画像間の角度差が大きいため、画像１と画像２の重複部分の中でも最も重複度が高い分岐画素Ｂの前後で、差分値をコピーする画像を切り替える必要がある。具体的には、分岐画素Ｂより画像１寄りのエリアＬ１では、画像１の差分値を用い、分岐画素Ｂより画像２寄りのエリアＬ２では、画像２の差分値を用いる。したがって、低アスペクト比のエリアセンサ６１を使用する場合、設定した計測視野の重複量と視野サイズ、撮像半径位置から、上記分岐画素位置をあらかじめ算出する手段を備える必要がある。
【００６１】
一方、高アスペクト比の撮像視野（ｂ）の場合は、隣接画像間の角度差が小さいため、近似的に重複部分の全画素が完全に重複しているとみなせるため、重複部分の全てを分岐画素Ｂとして使用可能であり、この重複部分では、画像１，画像２のどちらの差分値を用いてもよい。すなわち、低アスペクト比のエリアセンサ６１を使用するれば、図９（ａ）の場合のような面倒な分岐画素の計算を省略することが可能である。本形態例では、画像の径方向（Ｘ方向）の同一列がディスクの同一半径であるとみなして画像結合を単純化している。低アスペクト比の計測視野の場合、同一列が全て同一半径とみなすには誤差が大きくなるため、同一半径となる画素位置を精密に計算するプロセスも必要となる。低アスペクト比のエリアセンサ６１を使用すれば、この例のように同一列の画素＝同一半径位置とほぼみなせるため計算が容易となる。低アスペクト比の計測視野を得る手段として、市販されているパーシャルスキャンＣＣＤカメラ（部分画素読み出しカメラ）を使用すれば安価でかつ容易に上記のような低アスペクト比画像を得ることができる。
【００６２】
図１０は結合画像（高さ差分画像あるいは高さ変換画像）に対する処理を示す図である。本形態例では図１０（ａ）から分かる通り、ディスク５３を回転させながら計測視野を重複させて撮像するため、重複量は画像の左右（図１１）で異なる。したがって、結合画像に分割画像からデータを単純にコピーすると、図１０（ｂ）に示すように、画像がゆがんで見えてしまう。これは計測後に高さ画像（データ）の視認性に影響する。この場合、ディスク５３の内周側の分解能を粗くして、画像のリサンプリングを行ない、図１０（ｃ）のような視認性のよいデータ形式に直すことは可能である（補間処理）。
【００６３】
図１１は隣接画像が所定の量だけ重複するようにディスク回転速度を決定する方法を示す図である。回転中心から計測位置までの距離をR(mm)、円周方向の計測視野サイズをYf(mm)、半径方向の計測視野中央での重複量をYo(mm)、エリアセンサ６１のフレーム周波数をFf(fps) とすると、
ディスク５３の回転数Ns(rpm) は、
Ns ＝ Ff ×θ×60／2 ×π
で算出できる。ただし、
θ ＝ sin-1｛(Yf-Yo) ／R ｝
である。
【００６４】
上記画像結合手段８５により、各計測視野５３ａでの形状画像（データ）が結合され、制御部７０に出力される。
本形態例における表面計測の一連動作は、上記制御部７０によって、次のようになされる。まず、図示していないディスクのハンドラでもって、回転ステージ６２上に被測定ディスク５３が設置される。設置完了の信号を受け、制御部７０はディスク５３を調整用の所定位置まで動かして計測準備を行う。初めに、計測に最も都合のよい干渉縞を得るように、縞間隔等の調整を行う。具体的には、撮像により得られた干渉縞パターン画像が、図１７（ｂ）のようになるように、参照ミラー駆動部７５を介して参照ミラー５８の傾斜角を調整する。
【００６５】
この干渉縞の調整は、回転ステージ６２や直動ステージ６３によりディスク５３を動かして、計測に最も都合のよい干渉縞を得るようにしてもよい。なお、直動ステージ６３は、図３では回転ステージ６２を動かしているが、光学系を動かすように構成してもよい。
【００６６】
この調整が終了すると、制御部７０はディスク５３を計測用の所定位置まで移動させて、撮像動作に移り、最初の計測視野での干渉縞パターンの撮像を開始し、取得データをメモリ８１に蓄積する。
【００６７】
ここでは、表面計測用に撮像した計測視野の高さデータを利用して校正用データを作成する場合であって、同一半径上に連続して位置するＮ個の計測視野について連続撮像する場合を例にとって説明する（もちろん、本発明は、このような計測手順に限定されるものではない）。
【００６８】
同一半径上に連続して位置するＮ個の計測視野についての連続撮像が終了し、これら取得データがメモリ８１に蓄積されると、メモリ８１内の干渉縞パターン画像データは、高さ算出手段８２に読み出され、高さデータに変換される。さらに高さ算出手段８２で算出した高さデータは校正用データ算出手段８３に出力され、ここで、前述の通り、高さデータを平均化するなどして校正用データが作成される。
【００６９】
本形態例では、Ｎ個の高さデータ群（計測視野）全てを用いて、校正用データを算出している。高さ算出手段８２により算出された高さデータと校正用データ算出手段８３により算出された校正用データとは、校正高さ算出手段８４に出力され、ここで、校正された高さデータが算出され、画像結合手段８５に出力される。
【００７０】
画像結合手段８５では、前述の画像結合が行われ、結合画像データが制御部７０に送られる。制御部７０は、この結合画像データを出力手段７６に表示したり、図示しない記憶装置に蓄積する。その後、次のＮ個の計測視野についての連続撮像を開始し、同様の処理を実行することで、次の結合画像データを取得する。そして、一つの半径位置の撮像が終了すると、次の半径位置での計測に移り、同様な計測を行って、その半径位置での結合画像データを取得する。全半径位置での計測が終了すると、計測動作を終了し、ディスク５３全面での計測結果を出力手段７６に表示する。
【００７１】
なお、メモリ８１の記憶容量が大きい場合や、複数のメモリ８１を切り替えて使用するような構成の場合は、複数の半径位置に跨って、連続撮像を続けることもできる。又、このような場合には、回転ステージ６２と直動ステージ６３を適宜動かして、螺旋状に計測視野を移動させるようにしてもよい。制御部７０は、ディスク交換がなされ次のディスクが用意されると、上述の動作を繰り返す。
【００７２】
校正用データの算出方法は、表面計測用に撮像した計測視野の高さデータを利用して行ってもよいが（これが、最も効率的である）、校正用データ作成のためだけに別途撮像して得た高さデータを用いるようにしてもよい。このようにすれば、所望の高さデータを用いて校正用データを作成できる。
【００７３】
画像撮像時の等間隔に撮像されたデータを校正用データ作成にそのまま用いると、周期的なノイズ成分（振動成分）が校正用データに織込まれてしまう可能性がある。これを避けるために、図１２（ａ）に示すように、等間隔ではない計測視野の画像データを使って校正用データを求めて校正に利用するようにしてもよい。
【００７４】
あるいは、ある円周方向あるいは半径方向に特有の成分が校正用データに織込まれてしまう可能性を避けるため、校正用データ作成のためだけに別途撮像し、この撮像の際、計測視野をディスク上で円周方向だけでなく半径方向にも動かしながら（たとえば螺旋状に動かしながら）、エリアセンサ６１への撮像指示信号（トリガ）を所望のタイミングで発生させることにより、図１２（ｂ）に示すような計測視野を選択し、校正用データを得るようにしてもよい。なお、所望の位置に計測視野が到達したことの検知は、回転ステージ６３等に原点位置にあることを示す信号を発するような手段を設けるとともに、回転ステージ６３の駆動源として、パルスモータ等を用いれば、容易に行える。
【００７５】
又、図１２（ｃ）に示すように、各高さデータのうち高さ勾配がほぼ等しい画像データ（たとえば、高さのピークを示す計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を使って校正用データを算出するようにすれば、校正用データが、算出する計測視野の高さ勾配の変化の度合いに影響を受けずに、精度良く校正用データを作成できる。
【００７６】
又、校正用データを得る際に、同一の計測視野を複数回撮像し、得られた高さデータを平均化したものを、校正用データの作成の際に用いる高さデータとすれば、校正用データの精度を一層向上できる。
【００７７】
さらに、高さ算出の際に、キズ，ゴミや算出中のエラーにより異常な値を示した領域の高さデータを除外して校正データを算出することにより、校正データの精度を向上させることができる。
【００７８】
上記形態例によれば、ディスク５３自身を校正用データの作成に用いることにより、基準平面板等の校正原器が不要になり、校正も極めて簡便に行える。しかも、縞の間隔と向きを調整するために参照ミラー５８の傾斜角を変えても、データ処理だけで、その傾斜角での校正用データを容易に取得でき、従来のように、校正用データの取得後に光学系全体あるいはステージ全体を動かす必要はなく、装置規模を小さくできる。
【００７９】
なお、上記形態例での干渉光学系はハーフミラーを用いて構成したものであるが、図４に示すようにビームスプリッタを用いて構成してもよい。又、本発明に係る表面計測装置の計測対象は、当然ながら、磁気ディスクに限らず、ディスク状物体であればどのようなものでもよい。
【００８０】
本発明の代表的な態様を付記として以下に示す。
（付記１）  参照ミラーからの反射光とディスク表面上の計測視野からの反射光とを干渉させて干渉縞パターンを生じさせる干渉光学系と、
前記干渉縞パターンを撮像するためのエリアセンサと、
該エリアセンサとディスクとの相対位置を変化させる移動手段と、
該移動手段によりディスク表面上の計測視野を連続的にずらせながら、各計測視野について前記エリアセンサに干渉縞パターンの撮像を繰り返させる撮像制御手段と、
前記エリアセンサで得られた各干渉縞パターン画像からそれぞれ位相を抽出し、ディスク表面上の各計測視野内の座標点の高さ算出する高さ算出手段と、
該高さ算出手段で求めた複数の計測視野での高さデータの、複数の計測視野間における平均値を求め、この平均値を校正用データとする校正用データ算出手段と、
前記高さ算出手段で求めた高さデータを前記校正用データ算出手段で求めた校正用データで校正し、校正後の高さデータを求める校正高さ算出手段と、
を備えた表面計測装置。
【００８１】
（付記２）  前記撮像制御手段は、前記エリアセンサとディスクとの相対位置を変化させることにより、ディスク表面上の計測視野をその一部が重複するように連続的にずらせながら、各計測視野について前記エリアセンサに前記干渉縞パターンの撮像を繰り返させるものであることを特徴とする付記１記載の表面計測装置。
【００８２】
（付記３）  前記移動手段は、ディスクを回転駆動すると共に、ディスクを半径方向に移動させることができるものであり、
前記撮像制御手段は、前記エリアセンサが円周方向に並んだ矩形の計測視野を重複させながら連続的に撮像できるように、前記移動手段と前記エリアセンサを制御するものであることを特徴とする付記１又は２記載の表面計測装置。
【００８３】
（付記４）  表面計測用に撮像した計測視野の高さデータを利用して校正用データを作成することを特徴とする付記１〜３の何れかに記載の表面計測装置。
（付記５）  校正用データ作成のためだけに計測視野の撮像を行い、これにより得られた高さデータを用いて、校正用データを作成することを特徴とする付記１〜３の何れかに記載の表面計測装置。
【００８４】
（付記６）  同一の計測視野を複数回撮像し、得られた高さデータを平均化したものを、校正用データの作成の際に用いる高さデータとすることを特徴とする付記５の何れかに記載の表面計測装置。
【００８５】
（付記７）  ディスクの円周方向に不規則に並んだ複数の計測視野内の高さデータから、前記校正用データを求めることを特徴とする付記４又は５記載の表面計測装置。
【００８６】
（付記８）  各計測視野内の高さデータについて、それぞれ、ディスクの円周方向に隣接した高さデータ同士の差分値を算出し、この差分データを連結して円周方向に連続した一連の差分データを作成し、これを表面形状画像データとして出力する画像結合手段を設け、
該画像結合手段では、隣接計測視野との非重複部分の差分データはそのまま前記一連の高さデータの一部として採用し、隣接計測視野との重複部分の差分データは、何れかの計測視野の差分データを計測視野の重複を解消するように選択し前記一連の高さデータの一部として採用するようにしたことを特徴とする付記２に記載の表面計測装置。
【００８７】
（付記９）  前記高さ算出手段は、空間キャリア法により高さデータを得ることを特徴とする付記１〜８の何れかに記載の表面計測装置。
（付記１０）  重複部分での差分データの選択に際して、重複部分の画素の中でももっとも重複度の高い分岐画素を算出する手段を有し、重複度の高い分岐画素の前後で差分データを採用する画像を切り替えることを特徴とする付記８又は９記載の表面計測装置。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、基準平面板等の校正原器が不要になり、校正を極めて簡便に行えるとともに、精密な計測を小さい装置規模で行うことができる。
【００８９】
請求項２に係る発明によれば、ディスク表面の広範囲の高さデータが精密に求められるため、長周期の微小うねりであっても精密に計測できる。
請求項３に係る発明によれば、計測視野が円周方向に移動することになり、円周方向の長周期及び短周期の微小うねりを短時間に精密に計測できる。
【００９０】
請求項４に係る発明によれば、校正用データに周期的なノイズ成分が織り込まれることを防止できる。
請求項５に係る発明によれば、ディスク表面の広範囲の高さデータが容易かつ精密に求められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理図である。
【図２】校正用データの作成を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態例を示す図である。
【図４】マイケルソン型干渉光学系の構成図である。
【図５】図４の他の状態を示す図である。
【図６】空間キャリア法の説明図である。
【図７】画像の重なりを示す図である。
【図８】画像結合手段での結合動作の一例を示す図である。
【図９】差分値の選択方法を示す図である。
【図１０】結合画像に対する処理を示す図である。
【図１１】ディスク回転速度の決定方法の一例を示す図である。
【図１２】計測視野の選び方を示す図である。
【図１３】第１の従来技術の構成図である。
【図１４】第２の従来技術の構成図である。
【図１５】第３の従来技術の構成図である。
【図１６】干渉光学系を用いた表面計測装置の具体例を示す図である。
【図１７】図１６の装置での調整等を説明する図である。
【図１８】参照ミラーによる誤差の説明図である。
【図１９】基準平面板を用いた校正用データ取得の説明図である。
【図２０】校正動作の説明図である。
【符号の説明】
３１           参照ミラー
３２           ディスク
３２ａ         計測視野
３３           干渉光学系
３４           エリアセンサ
３５           撮像制御手段
３６           高さ算出手段
３７           校正用データ算出手段
３８           校正用高さ算出手段
３９           移動手段
５１           白色光源
５２           干渉フィルタ
５３           ディスク
５３ａ         計測視野
５４           ハーフミラー
５５           対物レンズ
５６           ハーフミラー
５８           参照ミラー
５９           結像レンズ
６０           干渉光学系
６１           エリアセンサ
６２           回転ステージ
６３           直動ステージ
７０           制御部
７１           撮像制御手段
７５           参照ミラー駆動部
７６           出力手段
８１           メモリ
８２           高さ算出手段
８３           校正用データ算出手段
８４           校正高さ算出手段
８５           画像結合手段
【図１】
0003936167.tif 000002
【図２】
0003936167.tif 000003
【図３】
0003936167.tif 000004
【図４】
0003936167.tif 000005
【図５】
0003936167.tif 000006
【図６】
0003936167.tif 000007
【図７】
0003936167.tif 000008
【図８】
0003936167.tif 000009
【図９】
0003936167.tif 000010
【図１０】
0003936167.tif 000011
【図１１】
0003936167.tif 000012
【図１２】
0003936167.tif 000013
【図１３】
0003936167.tif 000014
【図１４】
0003936167.tif 000015
【図１５】
0003936167.tif 000016
【図１６】
0003936167.tif 000017
【図１７】
0003936167.tif 000018
【図１８】
0003936167.tif 000019
【図１９】
0003936167.tif 000020
【図２０】
0003936167.tif 000021