(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力光の波長λを時間的に変化させ得る光源と、該光源からの光束を平行光束とした後基準面上および被測定面上に導く光学系と、該基準面および該被測定面からの光束の光干渉により得られた干渉縞情報を撮像する撮像手段とを備えた干渉計装置を用い、
前記出力光の波長λを略λ２／ｍΔ（ｍは取り込む画像の枚数、Δは前記基準面と前記被測定面との光軸上での光学的距離）ずつ変化させる毎に、前記撮像手段により干渉縞画像を撮像し、
該撮像して得られた複数の干渉縞画像情報に対し、所定の演算処理を施し、得られた縞位相変化に基づき干渉縞解析を行う干渉縞測定解析方法において、
第１回目の測定において、前記出力光の基準波長をλ1に設定し、この基準波長λ1およびこの基準波長λ1から略λ1２／ｍΔずつ変化させた波長毎に前記干渉縞画像を撮像し、得られた複数の干渉縞画像情報に対し、前記所定の演算処理を施して縞位相情報Φ1を得、
第２回目から第Ｎ回目（Ｎは所定の値）までの第ｉ回目の各測定においては、その前の測定における基準波長に対して所定波長だけ変化させたλiを基準波長とし、この基準波長λiおよびこの基準波長λiから略λi２／ｍΔずつ変化させた波長毎に前記干渉縞画像を撮像し、得られた複数の干渉縞画像情報に対し、前記所定の演算処理を施して縞位相情報Φiを得、
次に、前記Ｎ回の測定により得られたＮ個の縞位相情報Φiを下式（１）に代入して前記被測定面の表面形状情報を得ることを特徴とする干渉縞測定解析方法。
【数１】
0004144828.tif 000006
【請求項２】
前記光源がレーザ光源であることを特徴とする請求項１記載の干渉縞測定解析方法。
【請求項３】
前記干渉計装置がフィゾー型であることを特徴とする請求項１または２記載の干渉縞測定解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可干渉性を有する波長可変光源を観察用光源とする干渉計装置において被測定体の位相情報を得るための干渉縞測定解析方法に関し、特に、コリメータレンズ等の光学面からの発生光と基準面や被測定面からの出力光との光干渉によって生じる干渉縞ノイズを除去する干渉縞測定解析方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、精密な光学鏡面やレンズ形状を測定する光学測定装置として、例えばフィゾー型干渉計装置が知られている。
このようなフィゾー型干渉計装置では、被測定面に基準面を接近させ、単色の平面光波で両者を照明し、近接した両面からの反射光により生成される干渉縞を、ＣＣＤカメラ等の撮像装置で撮像し、得られた干渉縞画像を解析して上記被測定面表面の形状（位相変化）を観察測定する。
【０００３】
一方、干渉縞解析を行う際の、凹凸判別等の有効な手法として、最近、光源に波長可変レーザを用いて波長走査する手法が知られている。波長可変レーザを用いて高精度な表面を計測した例として、Philip S Fairman らによる「300-mm-aperture phase-shifting Fizeau interferometer」 1371-1380 Vol38 No8 OPTICAL ENGINEERING 1999 が知られている。しかしこの文献中で述べられている波長走査による位相走査法を通常の干渉装置に適用した場合は、被検体の位相値は求まるが前述した光学面からの発生光と基準面や被測定面からの出力光との光干渉によって生じる干渉縞ノイズを除去することはできなかった。この波長可変レーザを用いた干渉縞解析の原理は以下のようになっている。
【０００４】
すなわち、基準面からの反射光と被測定面からの反射光により生成される干渉縞の位相差は、光源の波長がλであるとき、良く知られているように光路長Δを波長λで割った値、すなわち２πΔ／λとなる。波長がわずかな量δλだけ変化すると、この位相は２πΔ／λから２πΔ／（λ＋δλ）となりα≒（２πΔ／λ２）δλだけ変化することになる。この位相変化量αは、干渉縞が生成されるための反射面間の光路長Δに比例している。
【０００５】
ここで、撮像手段で撮像される干渉縞情報は、ノイズを考えなければ、下式（２）で表される。
【０００６】
【数２】
0004144828.tif 000002
【０００７】
この干渉計装置は、位相シフト量αが、それぞれ、例えば０、π／２、π、３π／２となるように波長変化量δλを選択し、画像データＩｒ（例えばｒ＝０、１、２、３）を記録し、例えば４ステップアルゴリズム（後述する）等で位相値２πΔ／λを求めて、被測定面の形状を決定するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような波長を可変とし得るレーザ光源を用いた波長走査フィゾー型干渉計装置における代表的な系統誤差要因として、平行光束を生成するコリメータレンズと基準面あるいは被測定面との間のコヒーレントノイズが知られている。
このノイズにより測定結果には、被測定面の中央部に、実際には存在しない凸部（または凹部）があたかも存在するように解析されてしまう。
【０００９】
すなわち、基準面からの反射光と被測定面からの反射光の他に、コリメータレンズ等の光学面からの反射光がノイズ光としてＣＣＤカメラ等の撮像手段に入射し、それぞれが基準面からの反射光や被測定面からの反射光との間で干渉縞を形成するために、干渉縞に余分なノイズ縞（コヒーレントノイズ）が加わり、縞強度測定の精度を低下させる原因となっていた。
そして、特に高精度な被測定面を測定する場合には大きな問題となっていた。
【００１０】
なお、このような問題はフィゾー型干渉計装置に限られるものではなく、マイケルソン型やマッハツェンダ型等の他の波長走査型干渉計装置においても生じている問題である。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、波長走査型干渉計装置において、コリメータレンズ等の光学面と、基準面および/または被測定面からの出力光との光干渉によって生じる干渉縞ノイズを良好かつ簡易にその解析結果から除去し得る干渉縞測定解析方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の干渉縞測定解析方法は、出力光の波長λを時間的に変化させ得る光源と、該光源からの光束を平行光束とした後基準面上および被測定面上に導く光学系と、該基準面および該被測定面からの光束の光干渉により得られた干渉縞情報を撮像する撮像手段とを備えた干渉計装置を用い、
前記出力光の波長λを略λ２／ｍΔ（ｍは取り込む画像の枚数、Δは前記基準面と前記被測定面との光軸上での光学的距離）ずつ変化させる毎に、前記撮像手段により干渉縞画像を撮像し、
該撮像して得られた複数の干渉縞画像情報に対し、所定の演算処理を施し、得られた縞位相変化に基づき干渉縞解析を行う干渉縞測定解析方法において、
第１回目の測定において、前記出力光の基準波長をλ1に設定し、この基準波長λ1およびこの基準波長λ1から略λ1２／ｍΔずつ変化させた波長毎に前記干渉縞画像を撮像し、得られた複数の干渉縞画像情報に対し、前記所定の演算処理を施して縞位相情報Φiを得、
第２回目から第Ｎ回目（Ｎは所定の値）までの第ｉ回目の各測定においては、その前の測定における基準波長に対して所定波長だけ変化させたλiを基準波長とし、この基準波長λiおよびこの基準波長λiから略λi２／ｍΔずつ変化させた波長毎に前記干渉縞画像を撮像し、得られた複数の干渉縞画像情報に対し、前記所定の演算処理を施して縞位相情報Φiを得、
次に、前記Ｎ回の測定により得られたＮ個の縞位相情報Φiを下式（３）に代入して前記被測定面の表面形状情報を得ることを特徴とするものである。
【００１３】
【数３】
0004144828.tif 000003
【００１４】
また、本発明の干渉縞測定解析方法は、前記光源がレーザ光源である場合に特に効果的である。
さらに、前記干渉計装置としては、例えばフィゾー型のものが用いられるが、フィゾー型に限られるものではない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る干渉縞測定解析方法について図面を参照しつつ説明する。
図３は本実施形態に係る干渉縞測定解析方法を実施するためのフィゾー型干渉計装置を示すものである。なお、本実施形態においては、ノイズ発生原因となる光学面をコリメータレンズのレンズ面とし、被測定面を平面とした場合を例にあげて説明する。
【００１６】
このフィゾー型干渉計装置において、出力光の波長λを可変とし得るレーザダイオード等の単色の波長可変レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ１２（入射面を３、出射面を４により示す；コリメータレンズは模式的に示されている）によって平行光束とされ、基準板１３の基準面１および被測定体１４の被測定面２に入射する。基準面１で反射された光束と被測定面２で反射された光束は互いに干渉しつつ光路を逆進し、半透鏡１５で反射され、ＣＣＤカメラ１６の撮像面上に、被測定面２の位相情報を有する干渉縞を形成する。
【００１７】
また、本実施形態においてはフリンジスキャンを行って４つの干渉縞画像を得る４ステップスキャニング法が採用されており、上記波長可変レーザ光源１１からのレーザ光の波長λを略λ２／４Δずつ変化させる度に干渉縞画像を撮像し得るように構成されている。
ここで得られた干渉縞画像情報はコンピュータ１７において離散的フーリエ変換等の所定の演算処理が施され、有効かつ高精度な干渉縞解析がなされる。
【００１８】
ところで、このような干渉計装置においては、平行光束を生成するコリメータレンズ１２の入射面３あるいは出射面４と基準面１あるいは被測定面２との間で干渉縞ノイズ（コヒーレントノイズ）が発生し、測定結果には、被測定面の中央部に、実際には存在しない凸部（または凹部）があたかも存在するように解析されてしまう。
【００１９】
これは、系内においては、基準面１からの反射光と被測定面２からの反射光の他に、上記コリメータレンズ１２の入射面３あるいは出射面４等からの反射光がノイズ光としてＣＣＤカメラ１６に入射し、それぞれが基準面１からの反射光や被測定面２からの反射光との間で干渉縞を形成するために、そして上記コリメータレンズ１２の入射面３あるいは出射面４は光軸付近において最も平面に近い状態となるために、干渉縞の光軸に相当する位置付近に図２に示す如き余分なノイズ縞（コヒーレントノイズ）２０が加わり、縞強度測定の精度を低下させる原因となるものである。
【００２０】
そこで、本実施形態においては、フリンジスキャンのスキャン開始波長を微小量ずつ変化させ、その度にフリンジスキャンを行なって縞位相情報Φiを求め、次にこのフリンジスキャン毎に得られた縞位相情報Φiを加算平均して、上記コヒーレントノイズを除去するようにしている。
【００２１】
以下、本実施形態を図１のフローチャートを用いて説明する。
なお、本実施形態では上述したように４ステップのフリンジスキャンが採用されている。
まず、初期設定として、フリンジスキャン開始波長である基準波長λiをλ1に設定するとともに、各ステップの波長変化幅λi２／ｍΔを略λ1２／ｍΔに設定し（Ｓ１）、次にフリンジスキャンを実行して４つの干渉縞画像情報を得る（Ｓ２）。
【００２２】
次に、得られた４つの干渉縞画像情報からコンピュータ１７において離散的フーリエ変換等の下式（４）を用いた周知の演算処理を行って縞位相情報Φ1を得、これをコンピュータ１７内のメモリに格納する（Ｓ３）。
【００２３】
【数４】
0004144828.tif 000004
【００２４】
これにより、第１回目の測定が終了する。
次に、基準波長λiをλ1からλ2に設定変更するとともに、各ステップの波長変化幅λi２／ｍΔを略λ2２／ｍΔに設定変更し（Ｓ５）、次にフリンジスキャンを実行して４つの干渉縞画像情報を得る（Ｓ２）。
【００２５】
この後、得られた４つの干渉縞画像情報からコンピュータ１７において上述した周知の演算処理を行って縞位相情報Φ2を得、これをコンピュータ１７内のメモリに格納する（Ｓ３）。
これにより、第２回目の測定が終了する。
【００２６】
以後、基準波長λiおよび各ステップの波長変化幅λi２／ｍΔについて、ｉを１だけインクリメントしては上記ステップ２（Ｓ２）および上記ステップ３（Ｓ３）の処理を第Ｎ回目の測定が終了するまで繰り返す。
【００２７】
そして、第Ｎ回目の測定が終了したと判断される（Ｓ４）と、上記各測定を行った際の基準波長λiおよび上記メモリに格納しておいた縞位相情報Φiの値に基づき、上記コンピュータ１７において、下式（５）による演算処理を行い、被測定面２の表面形状情報を得る（Ｓ６）。
【００２８】
【数５】
0004144828.tif 000005
【００２９】
最後に、上記ステップ６（Ｓ６）において得られた表面形状情報を３次元形状として視認可能となるように図示されないモニタに出力する（Ｓ７）。
【００３０】
このように本実施形態においては、いずれの測定においても、被測定面２の位置（基準面１から光学的距離Δだけ離れた位置）で各ステップ毎に位相がπ/２ずつ変化するように、かつそれ以外の位置では位相がπ/２とは異なる値で変化するように構成され、各測定において得られたＮ個の縞位相情報Φiの加算平均を演算することにより、被測定面２においては高精度の表面形状情報が得られる一方、例えばコリメータレンズ１２の表面位置３、４等のそれ以外の位置では各測定時のノイズ成分が互いに打ち消しあって干渉縞情報から消去されることとなる。
【００３１】
すなわち、本実施形態の方法は、被測定面２位置においては、いずれの測定においても各ステップ毎に位相がπ／２ずつ変化するので有効な被測定面表面形状が得られるが、上記ノイズ成分発生位置においては、各測定毎にステップの位相変化幅が異なり、フリンジスキャンの任意のステップにおける各測定回の位相が０から2πの間に広く分布することとなるため、この位置における情報自体が消去されてしまうという現象に着目してなされたものである。
【００３２】
これにより、ノイズ成分消去のための演算処理としては、簡易な加算平均処理を１回行うだけで、従来技術において問題となっていたコヒーレントノイズを除去することが可能となる。
【００３３】
さらに、上記においては、位相計算後に平均化の処理を行っていたが、各々のフリンジスキャンステップごとの干渉縞画像をそれぞれ平均化した後、位相計算を行うことも可能である。ただし、この場合においては、波長をシフトして複数回測定するさい、各ステップごとの干渉縞振幅分布が各々ほぼ一致するように波長を制御することによりノイズ除去を可能とする。
【００３４】
しかし、上記ノイズ除去方法において、ノイズ除去が不可能となる条件を以下に示す。
（１）  可変可能な波長の最大波長、最小波長において、ノイズ源となる反射物体間の距離が短いため、位相がπ以上変化しない場合。
（２）  測定対照となる基準面と被検面の距離とほぼ同等となる距離に配置されたノイズ源の場合。
【００３５】
また、上記Ｎの値としては、例えば５以上の任意の値とすればよく、これを大きい値とする程ノイズ成分の除去精度を良好なものとすることができる。
【００３６】
なお、本発明の干渉縞測定解析方法としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能であり、例えば上記実施形態においては、干渉縞情報から被測定面２の表面形状情報を得る演算手法として４ステップ法を用いているが、これに代えて、５ステップ法やインテグラルバケット法等の干渉縞測定解析に用いられる種々の演算手法（アルゴリズム）を用いることが可能である。
【００３７】
なお、本発明の干渉縞測定解析方法としては、コリメータレンズ表面のみならずその他のコヒーレントノイズの発生原因となる全ての光学面（例えばハーフミラー面）についての適用が可能であり、またコリメータレンズが複数枚よりなる場合には、その全てあるいは一部のレンズ面についての適用が可能である。
【００３８】
また、本発明方法はフィゾー型の干渉計装置を使用する場合のみならず、その他の干渉計装置、例えば、マイケルソン型あるいはマッハツェンダ型等の干渉計装置に適用が可能である。
【００３９】
さらに、上記実施形態においては被測定面が平面状とされているが、本発明方法は被測定面が球面状とされている基準レンズにおいても、基準レンズのレーザ光入射側において平行光束を作る部分においては、上述の平面の場合と同様のノイズが発生し、また、基準レンズは、複数のレンズ玉により構成されており、このレンズ玉によりノイズが発生するため、同様の作用効果を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の干渉縞測定解析方法によれば、波長可変型光源を観察用光源とした干渉計装置において、開始波長を少しずつずらす毎にフリンジスキャン測定を行ってＮ個の縞位相情報Φを得、次にこのＮ個の縞位相情報Φを加算平均して被測定面の表面形状情報を得るようにしている。
【００４１】
これにより、いずれの測定においてもフリンジスキャンの各ステップ毎に、被測定面の位置（基準面から光学的距離Δだけ離れた位置）では位相が２π/ｍ（ｍはフリンジスキャンにより取り込まれる画像枚数）ずつ変化するように、かつそれ以外の位置では位相が２π/ｍとは異なる値で変化するように構成され、各測定により得られたＮ個の縞位相情報Φの加算平均を演算することにより、被測定面においては高精度の表面形状情報が得られる一方、例えばコリメータレンズ等のノイズ発生源となるそれ以外の位置では各測定時のノイズ成分が互いに打ち消しあって干渉縞情報から除去されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る干渉縞測定解析方法の一例を説明するためのフローチャート
【図２】本発明の干渉縞測定解析方法により除去するコヒーレントノイズを説明するための図
【図３】本発明の干渉縞測定解析方法を実施するための干渉計装置を示す概略図
【符号の説明】
１      基準面
２      被測定面
３      レンズ面（入射面）
４      レンズ面（出射面）
１１      波長可変レーザ光源
１２      コリメータレンズ
１３      基準板
１４      被測定体
１５      ハーフミラー
１６      ＣＣＤカメラ
１７      コンピュータ
２０      コヒーレントノイズ
【図１】
0004144828.tif 000007
【図２】
0004144828.tif 000008
【図３】
0004144828.tif 000009