(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の投光手段から測定対象物に対して，上記測定対象物と平行に設置された透明平行板を通して光を照射し，上記透明平行板からの反射光と上記測定対象物からの反射光とをそれらの位相差を変化させつつ干渉させることによって観測される複数の干渉縞に基づいて上記測定対象物表面の形状を測定する表面形状測定装置において，
上記投光手段から出射された光を，上記測定対象物の入射面に平行な偏光成分と垂直な偏光成分とを共に有する光に変化させる偏光手段と，
上記偏光手段を経た光の２つの偏光成分の位相差を変化させる位相差変更手段と，
上記透明平行板を含み，上記偏光手段を経た光の一方の偏光成分を反射，他方を透過させるように構成された光反射透過手段とを具備してなることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
上記光反射透過手段を構成する上記透明平行板の上面若しくは下面に，上記偏光手段を経た光の一方の偏光成分を反射，他方を透過させるコーティングが施されてなる請求項１記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
上記光反射透過手段が，
上記偏光手段を経た光を上記透明平行板にブリュースタ角で入射させる入射角設定手段と，
上記透明平行板と上記測定対象物との間に設置され，上記測定対象物の入射面に垂直な偏光成分を透過し，平行な偏光成分を透過しない偏光子とで構成されてなる請求項１記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
上記位相差変更手段が，位相遅れ量の異なる複数の位相板を切り替えるように構成されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
上記位相差変更手段が，光軸上に並べられた位相遅れ量の異なる複数の位相板を光軸周りに所定量回転させるように構成されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
上記位相差変更手段が，電気光学素子により構成されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
上記光反射透過手段において，少なくとも反射されるべき偏光成分の一部が透過するか，或いは少なくとも透過されるべき偏光成分の一部が反射する場合に，上記光反射透過手段を用いて得られた上記複数の干渉縞の画像に所定の補正処理を施すことによって上記光反射透過手段の影響による誤差を除去するように構成されてなる請求項１〜６のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
上記所定の補正処理が，上記複数の干渉縞画像について，それぞれ所定の統計値を算出してそれらの変動分を求め，上記各干渉縞画像から上記変動分を差し引くものである請求項７記載の表面形状測定装置。
【請求項９】
上記所定の統計値が，平均輝度，最高輝度，最低輝度，及び最頻値輝度のいずれかである請求項８記載の表面形状測定装置。
【請求項１０】
上記透明平行板の面内において，入射光の強度，上記光反射透過手段による反射率及び透過率が一定と見做せる場合に，
上記所定の補正処理が，
【数１】
0004386543.tif 000015
によって得られる画像の最高輝度ＩKYODO1と最低輝度ＩKYODO2とを求め，上記各干渉縞画像Ｉ（φ）から（ＩKYODO1−ＩKYODO2）／２×ｃｏｓ（φ）（但し，φは透明平行板と測定対象物からのそれぞれの反射光の位相差）を差し引くものである請求項７記載の表面形状測定装置。
【請求項１１】
上記光反射透過手段において，反射されるべき偏光成分が全て反射されると見做せる場合に，
上記所定の補正処理が，
上記測定対象物からの反射光を受光しない条件の下で上記複数の干渉縞画像に対応する補正用画像をそれぞれ取得し，上記各干渉縞画像からそれぞれに対応する上記補正用画像を差し引くものである請求項７記載の表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，測定対象物からの反射光と所定の参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて上記測定対象物表面の形状を測定する表面形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
平面や球面などの測定対象物の表面形状を測定する場合には，従来から，参照平面からの反射光と測定対象物の表面からの反射光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて上記測定対象物の表面形状を測定する，いわゆる干渉計が広く用いられている。このような干渉計を用いた表面形状測定装置としては，例えば特開平４−２２１７０４号公報に記載されているものが知られている。上記公報に記載の表面形状測定装置Ａ０を，図１２を用いて簡単に説明する。
上記表面形状測定装置Ａ０では，レーザ光源１０１から出射された光は対物レンズ１０２，ピンホール１０３，全反射ミラー１０４，１０５を経てコリメータレンズ１０６において平行光となり，回折格子１０７に入射する。この回折格子１０７において，上記平行光は０次回折光１０８と１次回折光１０９とに分けられ，上記０次回折光１０８は参照光として直接回折格子１１２に入り，上記１次回折光１０９は物体光として測定対象物１１０の表面に照射された後，その反射光が上記回折格子１１２に入る。これらの光は，上記回折格子１１２においてまた０次回折光と１次回折光とに分けられる。ここでは，参照光の１次回折光と物体光の０次回折光とが重なり，干渉を起こす。干渉した光は，レンズ１１３，ピンホール１１４を通り，観察面１１５で干渉縞が観察される。
上記観測された干渉縞より，縞の本数を計数し，測定対象物の表面形状が評価できる。しかしながら，１つの干渉縞に基づく測定では，干渉縞１本以下の位相測定が難しく，また段差の凹凸の判定まではできないことから，上記表面形状測定装置Ａ０では，上記測定対象物１１０をアクチュエータ１１１によって上下方向に既知量移動させて参照光と物体光との位相差を変化させ，複数の位相差で得られた干渉縞に基づく評価（位相シフト法）を行うことで，測定対象物１１０の３次元表面形状を高精度で測定することを可能としている。
【０００３】
しかしながら，上記表面形状測定装置Ａ０では，位相シフト法を用いるために測定対象物１１０をアクチュエータ１１１によって移動させながら複数回の測定を行う必要があるため，測定に時間がかかるという問題点があった。また，測定対象物が大きくなればなるほどそれに応じた大型且つ耐荷重の大きなアクチュエータが必要となり，装置の大型化，コスト高を招くという問題点もあった。
そこで，このような問題点を解決すべく，測定対象物を物理的に移動させることなく位相シフト法を用いた測定が可能な表面形状測定装置が，特開平４−２８６９０４号公報に提案されている。上記公報に記載の表面形状測定装置Ａ０′を，図１３を用いて簡単に説明する。尚，図１３において図１２と共通する部分については同符号を用い，詳細な説明は省略する。
上記表面形状測定装置Ａ０′では，レーザ光源１０１からの光を偏光板１２１によって直線偏光としている。また，測定対象物１１０に近接して位相板１２２が設置されており，測定対象物１１０に照射される物体光１０９は回折格子１１２に入射するまでにこの位相板１２２を２回通過する。ここで，上記位相板１２２には，斜めから入射してくる物体光の位相を１／４波長分シフトさせる働きをもたせており，またこの位相板１２２の進相軸は入射する光に対して４５度の角度で設置されている。これにより，上記物体光はこの位相板１２２を２回通過することによって偏光方向が９０度変化し，上記参照光と物体光とはその偏光方向が直交することとなる。従って，回折格子１１２に入射した上記２つの光は干渉することなくバビネソレイユ補正板１２３に入射する。上記バビネソレイユ補正板１２３は，その進相軸及び遅相軸を上記参照光１０８及び物体光１０９に一致させており，上記バビネソレイユ補正板１２３を操作することにより参照光１０８若しくは物体光１０９の位相を既知量（例えば０，π／２，π，３π／２の４段階）変化させる。この後，上記参照光１０８及び物体光１０９を偏光板１２４において干渉させ，観察面１１５で上記位相差を異ならせた複数の干渉縞を得る。上記のような表面形状測定装置Ａ０′により，測定対象物を物理的に移動させることなく位相シフト法を用いた高精度の測定が可能であるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記表面形状測定装置Ａ０′では，測定対象物１１０に近接させて位相板１２２を設置し，これによって物体光と参照光の偏光方向を直交させている。従って，測定対象物が大きくなればなるほど大きな位相板が必要となる。しかしながら，位相板は複屈折性をもつ材料を研磨して製作されるため，大きなサイズのものを製作することは困難であり，せいぜい１０ｍｍ程度が限界である。このように，上記表面形状測定装置Ａ０′では，大サイズの測定対象物（例えば３００ｍｍウェーハなど）の測定を行うことは実質的に不可能であった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，測定対象物を物理的に移動させることなく，測定対象物表面の３次元形状を高精度に測定することが可能な表面形状測定装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，第１の発明は，所定の投光手段から測定対象物に対して，上記測定対象物と平行に設置された透明平行板を通して光を照射し，上記透明平行板からの反射光と上記測定対象物からの反射光とをそれらの位相差を変化させつつ干渉させることによって観測される複数の干渉縞に基づいて上記測定対象物表面の形状を測定する表面形状測定装置において，上記投光手段から出射された光を，上記測定対象物の入射面に平行な偏光成分と垂直な偏光成分とを共に有する光に変化させる偏光手段と，上記偏光手段を経た光の２つの偏光成分の位相差を変化させる位相差変更手段と，上記透明平行板を含み，上記偏光手段を経た光の一方の偏光成分を反射，他方を透過させるように構成された光反射透過手段とを具備してなることを特徴とする表面形状測定装置として構成されている。
ここで，上記光反射透過手段としては，上記透明平行板の上面若しくは下面に，上記偏光手段を経た光の一方の偏光成分を反射，他方を透過させるコーティングを施すことにより実現できる。これにより，参照面（透明平行板）と測定対象物との間の多重反射を防止でき，測定精度を高く維持できる。
また，上記光反射透過手段は，上記偏光手段を経た光を上記透明平行板にブリュースタ角で入射させる入射角設定手段と，上記透明平行板と上記測定対象物との間に設置され，上記測定対象物の入射面に垂直な偏光成分を透過し，平行な偏光成分を透過しない偏光子とで構成することも可能である。
また，上記位相差変更手段は，位相遅れ量の異なる複数の位相板を切り替えることにより，或いは，光軸上に並べられた位相遅れ量の異なる複数の位相板を光軸周りに所定量回転させることにより，上記位相差を変化させるように構成できる。
また，上記位相差変更手段を電気光学素子により構成すれば，機械的な駆動機構などが必要ないため，より高速での測定が可能となる。
【０００６】
ここで，上記光反射透過手段を完全なものとすることは難しく，実際には僅かながら反射されるべき偏光成分の一部が透過し，透過されるべき偏光成分の一部が反射してしまう。この場合，上記光反射透過手段において透過してしまった偏光成分，或いは反射してしまった偏光成分は，位相シフト法で求められる物体光と参照光との光路差による位相差の誤差要因となり，測定精度を低下させてしまう。
そこで，上記光反射透過手段において，少なくとも反射されるべき偏光成分の一部が透過するか，或いは少なくとも透過されるべき偏光成分の一部が反射する場合には，上記光反射透過手段を用いて得られた上記複数の干渉縞の画像に所定の補正処理を施すことによって上記光反射透過手段の影響による誤差を除去するように構成すれば，更に測定精度を向上させることが可能となる。
【０００７】
ここで，上記所定の補正処理は，例えば，上記複数の干渉縞画像について，それぞれ所定の統計値を算出してそれらの変動分を求め，上記各干渉縞画像から上記変動分を差し引くものとすることが考えられる。またその所定の統計値としては，例えば平均輝度，最高輝度，最低輝度，最頻値輝度等を用いることができる。
或いは，上記透明平行板の面内において，入射光の強度，上記光反射透過手段による反射率及び透過率が一定と見做せる場合には，上記所定の補正処理は，
【数２】
0004386543.tif 000002
によって得られる画像の最高輝度ＩKYODO1と最低輝度ＩKYODO2とを求め，上記各干渉縞画像Ｉ（φ）から（ＩKYODO1−ＩKYODO2）／２×ｃｏｓ（φ）（但し，φは透明平行板と測定対象物からのそれぞれの反射光の位相差）を差し引くものとしてもよい。
或いは，上記光反射透過手段において，反射されるべき偏光成分が全て反射されると見做せる場合には，上記所定の補正処理は，上記測定対象物からの反射光を受光しない条件の下で上記複数の干渉縞画像に対応する補正用画像をそれぞれ取得し，上記各干渉縞画像からそれぞれに対応する上記補正用画像を差し引くものとしてもよい。
【０００８】
【作用】
上記第１の発明によれば，投光手段から出射された光は，偏光手段によって測定対象物の入射面に平行な偏光成分と垂直な偏光成分とを共に有する光にされ，更に位相差変更手段によって例えば位相遅れ量の異なる複数の位相板の入れ替えによってそれら２つの偏光成分の位相差が変更され，上記透明平行板に入射される。ここで，上記透明平行板に施された，例えばＳ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過するコーティングにより，一方の偏光成分（例えばＳ偏光成分）が反射されて参照光となり，他方（例えばＰ偏光成分）が透過されて測定対象物で反射されて物体光となり，両者の干渉光に基づいて測定対象物の表面形状が測定される。これにより，測定対象物を物理的に移動させることなく，位相シフト法に必要な物体光と参照光との位相差を変更することができる。また，測定対象物と同程度のサイズをもつ位相板は必要ないため，大サイズの測定対象物にも問題なく対応できる。更に，上記透明平行板に施されたＳ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過するコーティングにより，透明平行板と測定対象物との間の多重反射を防止でき，測定精度を高く維持できる。
また，上記光反射透過手段において反射されるべき偏光成分の一部が透過し，或いは透過されるべき偏光成分の一部が反射してしまうような場合であっても，上記光反射透過手段を用いて得られた上記複数の干渉縞の画像に上述したような所定の補正処理を施すことによって上記光反射透過手段の影響による誤差を除去するように構成すれば，上記光反射透過手段において透過してしまった偏光成分，或いは反射してしまった偏光成分による誤差要因を除去することができるため，更に測定精度を向上させることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下，添付図面を参照して本発明の実施の形態及び実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態（第１の発明）に係る表面形状測定装置Ａ１の概略構成図，図２は透明平行板９においてＳ偏光成分の一部Ｓ２が透過し，Ｐ偏光成分の一部Ｐ１が反射する状態を示す説明図，図３は複数の位相板の回転により位相差を変更する場合の位相板の設置例，図４は図３に示す位相板による位相差変更方法の説明図，図５は位相差変更手段のその他の構成例，図６は位相差変更手段のその他の構成例，図７は位相差変更手段のその他の構成例，図８は本発明の実施例（第２の発明）に係る表面形状測定装置Ａ２の概略構成図，図９は干渉光強度Ｉ（ｘ，ｙ）に対するＣＣＤカメラの露光タイミングの設定方法の説明図，図１０は図９におけるタイミングｔ１を変化させたときのＣＣＤカメラの出力Ｐ（ｕ，ｖ）の変化状態を示す図，図１１は第２の発明の他の実施例に係る表面形状測定装置Ａ３の概略構成図である。
本実施の形態に係る表面形状測定装置Ａ１は，上記第１の発明を具現化した一例であり，図１に示す如く構成されている。
レーザ光源１（投光手段の一例）から出射された単色光は，偏光子２（偏光手段の一例）で入射面（後述する透明平行板９）に平行な偏光成分（Ｐ偏光）と垂直な偏光成分（Ｓ偏光）の両方をもつ偏光（ここでは，４５°の直線偏光とする）とされ，移相子として作用する位相板３（位相差変更手段の一例）に入射する。ここで，Ｓ偏光成分とＰ偏光成分に既知の位相差が与えられた後，レンズ４，ピンホール５，レンズ６を通過して平行光となり，ミラー７，８を介して透明平行板９に入射する。この透明平行板９の上面９ａには反射防止膜のコーティングが施され，更に下面９ｂには，Ｓ偏光成分を反射し，Ｐ偏光成分を透過するコーティングが施されている（上記のようなコーティングが施された透明平行板９が光反射透過手段の一例である）。このため，上記透明平行板９に入射した光は，下面９ｂにおいてＳ偏光成分が反射され，Ｐ偏光成分は透過されて測定対象物１０（吸着器１１により固定されている）の表面に到達し，反射する。即ち，上記下面９ｂにおいて反射されたＳ偏光成分が参照光，透過されたＰ偏光成分が物体光となる。
ここで，透明平行板を用いた従来の斜入射干渉計（例えば，特公昭６３−２３２４号公報）では，参照面と測定対象物との間で多重反射が生じ，測定精度が低下してしまう問題点があったが，本装置Ａ１では，参照面（下面９ｂ）に上記のようなコーティングを施すことにより，このような問題点は解決される。
上記参照光と物体光は，共に偏光板１２に入射して干渉し，該干渉光はレンズ１３を経て観察面１４に到達する。
【００１０】
ここで，上記位相板３として１／４波長板を用い，この進相軸とＳ偏光方向とを合わせると（このとき，Ｐ偏光方向は遅相軸に合致する），Ｐ偏光成分（物体光）の位相をＳ偏光成分（参照光）よりπ／２遅らせることができる。位相板は複屈折性をもつ透明物体の厚さで位相の遅れ量を制御できるため，上記１／４波長板のほかに，位相をπ，３π／２遅らせることができる位相板，即ち１／２波長板，３／４波長板を用意しておけば，これらを入れ替えて使用することにより，位相板を使用しないときも含めて，０，π／２，π，３π／２の位相差を実現できる。
上記位相板３の入れ替えによって位相差を０，π／２，π，３π／２としたときのそれぞれの干渉縞の画像（干渉光強度）が得られれば，位相シフト法により，位相φが次式により求められる。
【数３】
0004386543.tif 000003
上記（１）式により求められる位相φは，座標（ｘ，ｙ）についての物体光と参照光との光路差による位相差を表現しており，測定対象物の表面の凹凸形状を３次元的に示す情報である。即ち，上記位相φより測定対象物表面の平坦度を評価することが可能である。
【００１１】
以上説明したように，本実施の形態に係る表面形状測定装置Ａ１によれば，測定対象物を物理的に移動させることなく，複数の位相板の交換のみによって位相シフト法に必要な物体光と参照光との位相差を変更することができる。また，測定対象物と同程度のサイズを持つ位相板などは必要なく，大サイズの測定対象物にも問題なく対応できる。更に，参照面（下面９ｂ）に，Ｓ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過するコーティングが施されているため，参照面と測定対象物との間の多重反射を防止でき，測定精度を高く維持できる。
【００１２】
【実施例】
（上記実施の形態の変形例）
上記実施の形態に係る表面形状測定装置Ａ１では，透明平行板９の下面９ｂに，Ｓ偏光成分を反射し，Ｐ偏光成分を透過するコーティングが施されている。しかしながら，上記コーティングを完全なものとすることは不可能であり，実際には，僅かながら上記下面９ｂにおいてＳ偏光成分の一部が透過し，Ｐ偏光成分の一部が反射してしまう。この場合，上記下面９ｂにおいて透過してしまったＳ偏光成分，或いは反射してしまったＰ偏光成分は，位相シフト法で求められる物体光と参照光との光路差による位相差の誤差要因となり，測定精度を低下させてしまう。
そこで，上記透明平行板９のコーティングによる誤差を取り除くことができれば，更に測定精度を向上させることが可能となる。以下，その方法について検討する。
【００１３】
透明平行板９の下面９ｂにおいて，Ｓ偏光成分の一部が透過し，Ｐ偏光成分の一部が反射する場合（図２参照），観測面での光強度Ｉ（ｘ，ｙ）は次のように表される。
【数４】
0004386543.tif 000004
上記（２）式において，第１項は，干渉縞を形成し，位相シフト法によりψを求めることができる項である。透明平行板９のコーティングが理想的なもの，即ちＰ１＝Ｓ２＝０であれば，この第１項と定数項であるＣのみが残る。また，第２項は，Ｓ２≪Ｓ１，Ｐ１≪Ｐ２により無視できる項である。また，第３項は，φの変化，即ち位相シフトの操作では変化せず，Ｃと同様，定数と見做せる項である。定数項は，上記（１）式の計算においてキャンセルさせるため，測定結果には影響を与えない。また，第４項は，φの変化，即ち位相シフトの操作によって変動し，第１項によって求めようとするψの誤差要因となる項である。
以上のように，上記（２）式において誤差要因となるのは第４項のみであり，上記第４項の値を推定することができれば，その値を上記（２）式から差し引くことによって誤差要因を除去することが可能であることがわかる。
以下，上記（２）式における第４項の値を推定する方法について，３つの具体例を挙げる。
【００１４】
（ａ）
上記（２）式の第４項は，物体面と参照面との光路差から生じる干渉縞とは関係せず，単に観測面全体に輝度変化をもたらせる項である。従って，上記第４項の値は，観測面全体の輝度変化に基づいて推定することが可能である。ここで，観測面全体の輝度変化は，画像の平均輝度，最高輝度，最低輝度，最頻値輝度等の統計値を用いて算出することができるが，ここでは画像の平均輝度を用いた具体例を説明する。
観測される画像に縞が多数存在する場合というのは，上記（２）式において，ψが画面全体で大きく変化していることを意味する。ψが変化するということは，上記（２）式の第１項から第３項までのｃｏｓの値が−１から＋１まで振動を繰り返すことを意味する。即ち，画像全体で輝度の平均をとると，上記（２）式の第１項から第３項の平均は０に漸近する。ここで，位相シフト量φのときの平均輝度Ｉave （φ）は，
【数５】
0004386543.tif 000005
となる。また，位相シフトが０，πのときの平均輝度の差を２で割った値Diffは次のようになる。
【数６】
0004386543.tif 000006
上記（４）式のように，Diffの値は上記（２）式の第４項のｃｏｓ（φ）の係数と同一となっている。ここで，ｃｏｓ（φ）の値は既知であるから，上記Diffの値に基づいて上記（２）式の第４項の値を推定することができる。即ち，各位相シフト量φにおける干渉縞画像に基づいて上記Diffの値（平均輝度の変化量）を求め，各干渉縞画像からDiff×ｃｏｓ（φ）の値，即ち上記（２）式における第４項の推定値を差し引いて得られた画像を用いて上記（１）式を計算すれば，透明平行板９のコーティングの不完全さによる誤差要因が除去でき，測定精度を向上させることが可能となる。
【００１５】
（ｂ）
上記（ａ）では，各干渉縞画像の輝度に関する統計値に基づいて上記（２）式における第４項の値を推定したが，入射光の強度と上記透明平行板９の反射率及び透過率が面内で一定と見做せる場合には，次のような方法によっても上記（２）式における第４項の値を推定することが可能である。
まず，次式を定義する。
【数７】
0004386543.tif 000007
また，説明の簡略化のために上記（２）式を次のように書き直す。
【数８】
0004386543.tif 000008
ここで，上記（５）式の意味合いを明確にするため，上記透明平行板９のコーティングが理想的なもの，即ちＰ１＝０，Ｓ２＝０の場合のＩkyodo を求めてみる。この場合，Ｂ１＝Ｂ２＝Ｂ３＝０となるため，上記（２ａ）式はＩ＝Ａｃｏｓ（ψ＋φ）＋Ｃとなる。これを上記（５）式に代入すると，Ｉkyodo ＝Ａとなり，ψに無関係に目的の干渉信号の振幅値が求まることがわかる。即ち，上記（５）式は，理想的には目的の干渉信号の振幅値Ａを求める式である。ここで，Ａは，入射光の強度と上記透明平行板９の反射率及び透過率で決定されるため，入射光の強度と上記透明平行板９の反射率及び透過率が面内で一定であれば，上記（５）式の値は面内で一定となる。
しかしながら，上記透明平行板９のコーティングが理想的なものではない場合，即ちＰ１≠０，Ｓ２≠０の場合のＩkyodo を求めてみると，上記（２ａ）式を上記（５）式に代入することにより次のようになる。尚，Ｓ２≪Ｓ１，Ｐ１≪Ｐ２よりＢ１は無視している。
【数９】
0004386543.tif 000009
この式より，測定面と参照面のギャップを表す位相ψにより，Ｉkyodo は画面内で一定とならないことがわかる。ここで，画像Ｉkyodo の最高輝度，最低輝度，即ち上記（６）式の最大値，最小値は，ｃｏｓ（φ）がそれぞれ１，−１のときであり，Ａ＋Ｂ３，Ａ−Ｂ３となる。従って，画像Ｉkyodo の最高輝度，最低輝度の差の１／２，即ち｛（Ａ＋Ｂ３）−（Ａ−Ｂ３）｝／２を求めれば，上記（２ａ）式の第４項のｃｏｓ（φ）の係数であるＢ３の値を求めることができる。ここで，ｃｏｓ（φ）の値は既知であるから，上記Ｂ３の値に基づいて上記（２ａ）式の第４項の値を推定することができる。
即ち，各位相シフト量φにおける干渉縞画像を用いて上記（５）式により画像Ｉkyodo を求め，その最高輝度，最低輝度の差の１／２により上記Ｂ３の値を求め，更に各干渉縞画像からＢ３×ｃｏｓ（φ）の値，即ち上記（２ａ）式における第４項の推定値を差し引いて得られた画像を用いて上記（１）式を計算すれば，透明平行板９のコーティングの不完全さによる誤差要因が除去でき，測定精度を向上させることが可能となる。
【００１６】
（ｃ）
透明平行板９のコーティングは，Ｓ偏光成分の反射率が１００％，Ｐ偏光の透過率が１００％となることが理想である。しかしながら，一般的には，Ｓ偏光成分の反射率については９９．９％程度を実現することができ，ほぼ理想状態とすることが可能であるものの，Ｐ偏光成分の透過率については９９．０％程度が限界となるのが現実である。言い換えれば，Ｐ偏光成分の透過率については理想状態とすることは不可能であるものの，Ｓ偏光成分の反射率についてはほぼ理想状態の１００％とすることが可能であると言える。そこで，Ｓ偏光成分の反射率を理想状態と見做すことが可能な場合には，次のような方法によっても上記（２）式における第４項の値を推定することが可能である。
Ｓ偏光成分の反射率が１００％の場合，Ｓ２は０となるから，上記（２）式は次のようになる。
【数１０】
0004386543.tif 000010
ここで，上記（７）式においては，第３項（上記（２）式の第４項に該る）が誤差要因となる項である。
ところで，上記（７）式において，仮にＰ２を０とおくことができれば，第１項と第２項は共に０となり，次のように誤差要因となる第３項と定数項Ｃのみを残すことができる。
【数１１】
0004386543.tif 000011
ここで，Ｐ２は物体面（測定面）における反射光であるから，上記（８）式で表される画像とは，即ち物体面からの反射光を受光しない状態で得られた画像ということになる。
そこで，各位相シフト量において干渉縞画像Ｊ（φ）（φ＝０，π，π／２，３π／２）を取得した後（若しくは前）に，例えば測定対象物１０を取り除いた画像Ｊ０（φ）（φ＝０，π，π／２，３π／２）（補正用画像に相当）を取得し，Ｉ（φ）＝Ｊ（φ）−Ｊ０（φ）により得られた画像Ｉ（φ）を用いて上記（１）式を計算すれば，透明平行板９のコーティングの不完全さによる誤差要因が除去でき，測定精度を向上させることが可能となる。
尚，物体面からの反射光を受光しない状態での画像の取得方法は，上記測定対象物１０を取り除いて取得する方法に限られるものではない。例えば，透明平行板９を透過した光を吸収したり，観測面以外の方向に反射させる手段を用いることも可能である。
【００１７】
（上記実施の形態のその他の変形例）
また，上記実施の形態における上記透明平行板９の下面９ｂに施したコーティング処理に代えて，例えば上記透明平行板９の下面９ｂに光をブリュースタ角で入射させるようにしてＰ偏光成分を透過させ（入射角設定手段），更に上記透明平行板９と測定対象物１０との間にＰ偏光成分を透過してＳ偏光成分を透過しないように偏光子を挿入するような構成としてもよい。但し，この場合には測定対象物と同程度の大きさの偏光子が必要となるため，大サイズの測定対象物の測定には向かない。
【００１８】
また，位相遅れ量の異なる複数の位相板を交換するのではなく，複数の位相板を光軸上に並べ，これらを所定量回転させることによっても同等の効果が得られる。
例えば，図３に示すように，レーザ光源１の出射光を４５°方向に偏光させ，その後に１／４波長板（ＱＰ），１／２波長板（ＨＰ）を挿入する。２つの波長板の進相軸を共に４５°方向に向ければ（偏光板で４５°方向としてもよい），Ｓ偏光成分（Ｙ軸方向）もＰ偏光成分（Ｘ軸方向）も共に位相の遅れはなく，図４（ａ）に示すように２つの波長板を透過後も偏光方向は変化しない。
次に，１／４波長板（ＱＰ）の進相軸をＹ軸方向に向ければ，Ｐ偏光成分はＳ偏光成分より１／４波長遅れ，図４（ｂ）に示すように光は左回りの円偏光となる。同様にして，図５（ｃ），（ｄ）に示すように両波長板の軸の方向を変えれば，上記実施の形態と同様にＳ偏光成分とＰ偏光成分の位相差を４段階に切り換えることが可能となる。
尚，１／４波長板（ＱＰ），１／２波長板（ＨＰ）に，更に１／８波長板を加えることにより，１／８波長，即ちπ／４ラジアン毎に２3 ＝８段階の位相差を与えることができる。一般的に，位相遅れ量の異なるｎ個の波長板を用いれば，２n 段階の位相差を与えることが可能である。位相差の分割数を増やせば位相シフト計算の精度は向上するため，必要とする精度によって適当な分割数に設定すればよい。
【００１９】
また，上記のような位相板に変えて，バビネソレイユ位相板を用いて位相差を与えてもよい。
また，ポッケルスセルのような電気光学素子を用いてもよい。この場合，位相シフトに機械的な動作を全く必要としないため，より短時間での測定が可能となる。
【００２０】
また，位相板等ではなく，図５〜６に示すような機構により位相差を与えてもよい。
図５では，レーザ光源１からの光を円偏光などとし，偏光ビームスプリッタ（以下，ＰＢＳという）２１に入射させる。ＰＢＳ２１において，Ｐ偏光成分は透過して直進し，Ｓ偏光成分は反射し，ミラー２３で反射されて再びＰＢＳ２１に戻ってくる。このとき，上記Ｓ偏光成分は１／４波長板（進相軸を上記Ｓ偏光方向に対して４５°に設定する）を２回透過することによってＰ偏光となっており，今度はＰＢＳ２１を透過する。そして，ミラー２５で反射して再度ＰＢＳ２１に到達するまでに１／４波長板を２回透過して今度はＳ偏光となり，ＰＢＳ２１で反射される。これにより，ＰＢＳ２１の下流側ではＳ偏光とＰ偏光の混合光となる。ここで，上記ミラー２６をピエゾ駆動機構などで微小移動させることにより，Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との間に任意の位相差を与えることができる。
また，図６では，ＰＢＳ３１でＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分け，Ｓ偏光成分を三角プリズム３２で反射させてＰＢＳ３３に入射させ，元のＰ偏光成分と混合させている。ここで，上記三角プリズム３２をピエゾ駆動機構などで微小移動させることにより，Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との間に任意の位相差を与えることができる。
また，図７では，ＰＢＳ４１でＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分け，Ｓ偏光成分をミラー４２，４５を経てＰＢＳ４６に入射させる間に，２枚の透明平行板４３，４４を透過させている。上記透明平行板４３，４４を矢印のように回転させてＳ偏光成分の経路長を変化させることにより，Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との間に任意の位相差を与えることができる。尚，図７の例では，透明平行板の回転によって光軸がずれないように，２枚の透明平行板を対象に回転させている。
【００２１】
また，Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との間に位相差を与える位置は，例えば透明平行板９と偏光子１２の間などでもよい。
また，位相シフト法については，位相差をπ／２区切りとする４ステップ法に限られるものではない。一般的には３ステップ以上で可能であり，ステップを細かくすればそれだけ精度は向上する。また，精度を犠牲にすれば２ステップでも可能である。
更に，上記透明平行板９の参照面（例えばＳ偏光成分を反射し，Ｐ偏光成分を透過するコーティングを施す面）は，下面９ｂではなく上面９ａでもよい。但し，この場合には透明平行板９の平行度が測定精度に影響を与える（平行板の凹凸が測定対象面の凹凸に含まれる形で評価される）ということに注意が必要である。
【００２２】
（第２の発明を具現化した実施例）
図８に示す表面形状測定装置Ａ２は，第２の発明を具現化した一例である。
レーザ光源５１から出射された光は，偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５２で２分され，Ｓ偏光が音響光学変調器５４に，Ｐ偏光がミラー５３を経て音響光学変調器５５に，それぞれ入射される。上記音響光学変調器５４，５５（周波数差設定手段の一例）は，異なる周波数（例えば８０．１ＭＨｚと８０．０ＭＨｚ）でドライブされており，これによってＳ偏光とＰ偏光との間に周波数差Ｆ（例えば１００ＫＨｚ）が生じる。
上記音響光学変調器５４，５５を通過したＳ偏光とＰ偏光は，ＰＢＳ５７で合成された後，外部信号により光の遮断／透過の制御が可能な光スイッチ５８，ミラー５９，６０，ビームエキスパンダ６１を経て大径の平行光となり，透明平行板６２に入射する。この透明平行板６２の上面６２ａには反射防止膜のコーティングが施され，更に下面６２ｂには，Ｓ偏光成分を反射し，Ｐ偏光成分を透過するコーティングが施されている。このため，上記透明平行板６２に入射した光は，下面６２ｂにおいてＳ偏光成分が反射され，Ｐ偏光成分は透過されて測定対象物６３の表面に到達し，反射する。即ち，上記下面６２ｂにおいて反射されたＳ偏光成分が参照光，透過されたＰ偏光成分が物体光となる。
上記参照光と物体光は，レンズ６４を経て偏光板６５に入射して干渉し，該干渉光はＣＣＤカメラ６６に到達する。上記ＣＣＤカメラ６６で撮像された画像は，画像メモリ６７に取り込まれ，コンピュータ６８において上記画像に基づいて測定対象物の表面形状が計算される。
【００２３】
ここで，ＣＣＤカメラ６６のＣＣＤ素子上での干渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）は，次式で示すように周波数Ｆ（ビート周波数）で時間的に変化するビート波となる。
Ｉ（ｕ，ｖ）＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（２πＦｔ＋φ）                …（９）
ここで，Ａ及びＢは光学系の構造及び測定対象物の反射率に依存する定数，ｕ，ｖはＣＣＤカメラ６６における撮像２次元位置である。またφはＣＣＤカメラ６６の撮像位置（ｕ，ｖ）に到達する参照光と物体光の光路差による位相差であり，透明平行板６２の下面６２ａを基準とした測定対象物６３の表面の高さ情報を含む。測定対象物６３の表面高さｚをｆ（ｘ，ｙ）（ｘ，ｙは測定対象物の２次元座標）としたとき，φはｐを定数として次のように表される。
φ＝ｋｆ（ｘ，ｙ）＋ｐ                                  …（１０）
ここで，ｋは物体光の測定対象物に対する入射角に依存する定数である。従って，上記（９），（１０）式より，干渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）は次のように表される。
Ｉ（ｕ，ｖ）＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（２πＦｔ＋ｋｆ（ｘ，ｙ）＋ｐ）
…（１１）
上記（１１）式より明らかなように，Ｉ（ｕ，ｖ）における周波数成分Ｆの位相を検出することにより，測定対象物６３の表面形状ｆ（ｘ，ｙ）を求めることが可能である。
以上のように，本装置Ａ２では，測定光と参照光との間に光周波数差Ｆを持たせ，上記測定光と参照光の干渉光強度の上記周波数差Ｆ成分の位相に基づいて測定対象物表面の形状を測定するため，測定対象物を物理的に移動させることなく測定対象物表面の３次元形状を高精度に測定することが可能である。更に，参照面（下面６２ｂ）に，Ｓ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過するコーティングが施されているため，参照面と測定対象物との間の多重反射を防止でき，測定精度を高く維持できる。
【００２４】
ところで，ＣＣＤカメラは１画面毎の採取によってそれぞれ電荷が蓄積され，一般にその蓄積時間（Ｔｓ）は１／３０秒程度である。一方，上記ビート周波数の周期（Ｔｂ）は１／Ｆであり，Ｆを１００（ＭＨｚ）とするとＴｂは上記Ｔｓに比べて小さい。従って，上記ＣＣＤカメラの出力信号では上記ビート波の時間変化成分が平滑化されてしまうため，上記出力信号から干渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）の位相を検出することはできない。勿論，ＣＣＤカメラの電荷蓄積時間を短くするか，或いは周波数差Ｆを小さくすることによって上記干渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）の位相の検出は可能となる。しかしながら，ＣＣＤカメラの電荷蓄積時間を短縮すれば光検出の感度低下という別の問題を生じ，周波数差Ｆを小さくするためには音響光学変調器の駆動に周波数の確度と精度の高い信号が必要となってコスト高となるため，いずれも現実的な方法ではない。
そこで，本装置Ａ２では次のようにして上記のような問題点を解決している。
まず，ＣＣＤカメラ６６にて露光される干渉光を，上記光スイッチ５８（例えば音響光学変調器を用いることができる）を用いて，図示しない撮像制御手段により次のように制御する。即ち，図９に示すように，干渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）の周波数Ｆに同期し，且つ各同期において時刻ｔ１からΔｔの時間のみ光を透過させるように上記光スイッチ５８を制御する。これにより，図９に示す干渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）の斜線部がＣＣＤカメラ６６により受光されるから，上記ＣＣＤカメラ６６の出力信号Ｐ（ｕ，ｖ）は次式のようになる。
【数１２】
0004386543.tif 000012
Δｔを一定としたとき，上記（１２）式はＳ，Ｔ，Ｑを定数として次のように表される。
【数１３】
0004386543.tif 000013
ここで，ｔ１は任意に設定可能であり，このｔ１とＰ（ｕ，ｖ）との関係は図１０に示すようになる。上記Ｓ，Ｔは未知数であるが，ｔ１の変化に対するＰ（ｕ，ｖ）を測定することにより，Ｐ（ｕ，ｖ）の位相を算出できる。Ｐ（ｕ，ｖ）の位相は即ち干渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）の位相であるから，上記Ｐ（ｕ，ｖ）の位相に基づいてコンピュータ６８において測定対象物６３の表面形状ｆ（ｘ，ｙ）が算出できる。
以上のような方法により，ＣＣＤカメラの電荷蓄積時間を短縮したり，或いは周波数差Ｆを小さくすることなく，一般的なＣＣＤカメラを用いて測定対象物の表面形状の測定が可能である。
【００２５】
尚，本装置Ａ２では斜入射干渉法を用いたが，他の光干渉法を用いた装置とすることも可能である。
図１１に，マイケルソン型干渉法を用いた表面形状測定装置Ａ３の概略構成を示す。これは，互いに直交し，光周波数の異なる２つのビーム７１，７２をＰＢＳ７３で分岐させ，ビーム７１を参照ミラー７４に，ビーム７２を測定対象物７５にそれぞれ照射させ，これらの反射光を偏光板７６で干渉させてＣＣＤカメラ７７で撮像するものである。
尚，ＣＣＤカメラによる露光の制御は，上記のような光スイッチを用いたものに限るものではない。例えば，ＣＣＤカメラにおける電子シャッターなどによっても実現可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように，第１の発明は，所定の投光手段から測定対象物に対して，上記測定対象物と平行に設置された透明平行板を通して光を照射し，上記透明平行板からの反射光と上記測定対象物からの反射光とをそれらの位相差を変化させつつ干渉させることによって観測される複数の干渉縞に基づいて上記測定対象物表面の形状を測定する表面形状測定装置において，上記投光手段から出射された光を，上記測定対象物の入射面に平行な偏光成分と垂直な偏光成分とを共に有する光に変化させる偏光手段と，上記偏光手段を経た光の２つの偏光成分の位相差を変化させる位相差変更手段と，上記透明平行板を含み，上記偏光手段を経た光の一方の偏光成分を反射，他方を透過させるように構成された光反射透過手段とを具備してなることを特徴とする表面形状測定装置として構成されているため，測定対象物を物理的に移動させることなく，位相シフト法に必要な物体光と参照光との位相差を変更することができる。また，測定対象物と同程度のサイズをもつ位相板は必要ないため，大サイズの測定対象物にも問題なく対応できる。
ここで，上記光反射透過手段としては，上記透明平行板の上面若しくは下面に，上記偏光手段を経た光の一方の偏光成分を反射，他方を透過させるコーティングを施すことにより実現できる。これにより，参照面（透明平行板）と測定対象物との間の多重反射を防止でき，測定精度を高く維持できる。
また，上記位相差変更手段を電気光学素子により構成すれば，機械的な駆動機構などが必要ないため，より高速での測定が可能となる。
【００２７】
ここで，上記光反射透過手段を完全なものとすることは難しく，実際には僅かながら反射されるべき偏光成分の一部が透過し，透過されるべき偏光成分の一部が反射してしまう。この場合，上記光反射透過手段において透過してしまった偏光成分，或いは反射してしまった偏光成分は，位相シフト法で求められる物体光と参照光との光路差による位相差の誤差要因となり，測定精度を低下させてしまう。
そこで，上記光反射透過手段において，少なくとも反射されるべき偏光成分の一部が透過するか，或いは少なくとも透過されるべき偏光成分の一部が反射する場合には，上記光反射透過手段を用いて得られた上記複数の干渉縞の画像に所定の補正処理を施すことによって上記光反射透過手段の影響による誤差を除去するように構成すれば，更に測定精度を向上させることが可能となる。
【００２８】
ここで，上記所定の補正処理は，例えば，上記複数の干渉縞画像について，それぞれ所定の統計値を算出してそれらの変動分を求め，上記各干渉縞画像から上記変動分を差し引くものとすることが考えられる。またその所定の統計値としては，例えば平均輝度，最高輝度，最低輝度，最頻値輝度等を用いることができる。
或いは，上記透明平行板の面内において，入射光の強度，上記光反射透過手段による反射率及び透過率が一定と見做せる場合には，上記所定の補正処理は，
【数１４】
0004386543.tif 000014
によって得られる画像の最高輝度ＩKYODO1と最低輝度ＩKYODO2とを求め，上記各干渉縞画像Ｉ（φ）から（ＩKYODO1−ＩKYODO2）／２×ｃｏｓ（φ）（但し，φは透明平行板と測定対象物からのそれぞれの反射光の位相差）を差し引くものとしてもよい。
或いは，上記光反射透過手段において，反射されるべき偏光成分が全て反射されると見做せる場合には，上記所定の補正処理は，上記測定対象物からの反射光を受光しない条件の下で上記複数の干渉縞画像に対応する補正用画像をそれぞれ取得し，上記各干渉縞画像からそれぞれに対応する上記補正用画像を差し引くものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態（第１の発明）に係る表面形状測定装置Ａ１の概略構成図。
【図２】  透明平行板９においてＳ偏光成分の一部Ｓ２が透過し，Ｐ偏光成分の一部Ｐ１が反射する状態を示す説明図。
【図３】  複数の位相板の回転により位相差を変更する場合の位相板の設置例。
【図４】  図３に示す位相板による位相差変更方法の説明図。
【図５】  位相差変更手段のその他の構成例。
【図６】  位相差変更手段のその他の構成例。
【図７】  位相差変更手段のその他の構成例。
【図８】  本発明の実施例（第２の発明）に係る表面形状測定装置Ａ２の概略構成図。
【図９】  干渉光強度Ｉ（ｘ，ｙ）に対するＣＣＤカメラの露光タイミングの設定方法の説明図。
【図１０】  図９におけるタイミングｔ１を変化させたときのＣＣＤカメラの出力Ｐ（ｕ，ｖ）の変化状態を示す図。
【図１１】  第２の発明の他の実施例に係る表面形状測定装置Ａ３の概略構成図。
【図１２】  従来技術に係る表面形状測定装置Ａ０の概略構成図。
【図１３】  従来技術に係る表面形状測定装置Ａ０′の概略構成図。
【符号の説明】
１…レーザ光源（投光手段の一例）
２…偏光子（偏光手段の一例）
３…位相板（位相差変更手段の一例）
９…透明平行板
１０…測定対象物
１２…偏光子
５１…レーザ光源（投光手段の一例）
５４，５５…音響光学変調器（周波数差設定手段の一例）
６２…透明平行板
６３…測定対象物
６５…偏光子
６６…ＣＣＤカメラ（ＣＣＤ撮像素子）
【図１】
0004386543.tif 000016
【図２】
0004386543.tif 000017
【図３】
0004386543.tif 000018
【図４】
0004386543.tif 000019
【図５】
0004386543.tif 000020
【図６】
0004386543.tif 000021
【図７】
0004386543.tif 000022
【図８】
0004386543.tif 000023
【図９】
0004386543.tif 000024
【図１０】
0004386543.tif 000025
【図１１】
0004386543.tif 000026
【図１２】
0004386543.tif 000027
【図１３】
0004386543.tif 000028