(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期運動する被測定物に照射するパルス光を発する光源と、
前記パルス光の発光周期を前記被測定物の運動周期に同期させる発光同期手段と、
前記パルス光による前記被測定物における反射光と所定の参照光との間で干渉縞を発生させる干渉光学系と、
前記干渉縞を撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを出力する撮像素子と、
前記被測定物の周期運動に伴う前記被測定物と前記干渉光学系との間隔の変化に合わせて前記干渉光学系の拡大倍率を可変とし、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる拡大倍率可変手段と、
前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データ及び振幅を示す振幅データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出手段と、
前記振幅データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成手段と、
前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成手段と、
前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較手段と、
を備える表面形状測定装置。
【請求項２】
周期運動する被測定物に照射するパルス光を発する光源と、
前記パルス光の発光周期を前記被測定物の運動周期に同期させる発光同期手段と、
前記パルス光による被測定物における反射光と所定の参照光との間で干渉縞を発生させる干渉光学系と、
前記干渉縞を撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを出力する撮像素子と、
前記被測定物の周期運動に伴う前記被測定物と前記干渉光学系との間隔の変化に合わせて前記干渉光学系の拡大倍率を可変とし、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる拡大倍率可変手段と、
前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出手段と、
前記位相データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成手段と、
前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成手段と、
前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較手段と、
を備える表面形状測定装置。
【請求項３】
前記干渉光学系と前記撮像素子とを一体化した観測部と、
この観測部に設けられ、前記被測定物との相対的な位置及び傾きを調整する位置調整手段と、
を更に備える請求項１又は２記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
周期運動する被測定物にこの被測定物の運動周期に同期する発光周期のパルス光を照射したときの反射光と所定の参照光との間で発生させた干渉縞を撮像素子により撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを取得するとともに、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる撮像工程と、
前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データ及び振幅を示す振幅データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出工程と、
前記振幅データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成工程と、
前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成工程と、
前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較工程と、
を含む表面形状測定方法。
【請求項５】
周期運動する被測定物にこの被測定物の運動周期に同期する発光周期のパルス光を照射したときの反射光と所定の参照光との間で発生させた干渉縞を撮像素子により撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを取得するとともに、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる撮像工程と、
前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出工程と、
前記位相データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成工程と、
前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成工程と、
前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較工程と、
を含む表面形状測定方法。
【請求項６】
前記干渉光学系と前記撮像素子とを一体化した観測部と前記被測定物との相対的な位置及び傾きを調整する位置調整工程と、
を更に含む請求項４又は５記載の表面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の形状をデジタルホログラフィ技術を応用して測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の表面形状を光の波長レベルで測定可能な技術として、レーザ干渉計（例えば、Ｚｙｇｏ社のレーザ干渉システム等）がある。このレーザ干渉計は、参照光の位相に変調をかけながら、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの撮像素子を用いて複数の干渉縞画像を収録して、それらの干渉縞から被測定物の反射光の位相を求め、その位相データに基づいて光の波長レベルで物体形状を求めるものである。
【０００３】
しかしながら、このようなレーザ干渉計においては、物体が光源波長の１／２を超えるような段差を含む場合は、その段差の位置において、位相のアンラップができなくなり、これにより位相の関連性が途切れるため、形状測定値に不確定性が含まれてしまうという不具合がある。
【０００４】
走査型白色干渉計（例えば、Ｚｙｇｏ社の三次元表面構造解析顕微鏡等）は、かかる不具合を解消するもので、複数の波長でそれぞれ求めた位相情報の相互関係から、単一波長での光軸方向の測定範囲λ／２を拡大する方法を用いている（多波長測定）。そして段差がさらに大きくなった場合には、参照光と物体反射光の光路長がほぼ一致したときにのみ白色干渉縞が発生する性質を利用して、干渉計、被測定物体のどちらかを干渉計の光軸方向に走査し、白色干渉縞の位置と、干渉計又は被測定物の移動量を検知することで、絶対測長を実施している。
【０００５】
しかし、このような走査型白色干渉計により大きな段差を測定する場合には、測定のために被測定物又は測定光学系を測定光学系の光軸方向に移動させる必要があるために、測定時間がかかるという不具合がある。また、測定中の移動であり、かつ、干渉計又は被測定物の移動量を検出する必要があるため、測定誤差要因が増え、また移動部の移動範囲内に光軸方向測定範囲が制限されるという不具合もある。
【０００６】
これに対し、特開2000-221013公報に開示の技術は、波長を超える段差や絶対距離を含んだ形状の測定を高精度かつ高速に測定ミスすることなく行なうため、走査型白色干渉計において、取得すべき干渉縞画像を低減し、測定の高速化を図ろうとしたものである。
【０００７】
また、特開2001-41724公報に開示の技術では、干渉計を用いた表面形状測定装置において、測定対象物を移動させることなく、測定対象物表面の三次元形状を高精度に測定できるようにするため、複屈折位相板を利用した位相シフト法を実施しており、測定対象物を移動させることなく三次元形状の測定を可能としている。また、位相板の代わりに電気光学素子を利用して電気的に位相シフトをさせれば、高速測定が可能としている。
【０００８】
さらに、物体をＣＣＤなどで観測した強度データをもとに、物体形状を求める技術として、depth from focus理論に基づく方法がある。これはレンズの焦点距離を変化させながら収録した複数の撮像画像をもとに、物体表面の合焦位置を求め、それにより表面形状を求めるものである（例えば、石原満宏、佐々木博美「合焦法による高速三次元形状計測」精密工学会誌，vol.63,No.1,1997を参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開2000-221013公報に開示の技術では、サブフリンジオーダーで形状を求めるのに、位相変調法（位相シフト法）を用いているため、装置内に機械的な駆動部分を有しており、また、複数の画像を取得する必要があるため、走査型白色干渉計よりは速いとはいえ、高速化に限界がある。そのため、動きを伴う物体の動的形状を測定することは不可能である。また、機械的な駆動を伴う測定であるために、測定誤差要因が増えるという不具合は依然として残る。
また、特開2001-41724公報に開示の技術では、原理的には位相シフト法を用いたレーザ干渉測定であり、上述したような光源波長の１／２を超える段差を含む面の測定には不確定性がある。また、高速化したといっても、複数の画像データを必要とするために高速化に限界があり、動的形状の測定は不可能である。
【００１０】
さらに、前記のdepth from focus理論に基づく技術では、一般にレーザ干渉に比べると測定分解能が低いため、サブフリンジオーダーの形状が要求される部品の評価には適さないという不具合がある。また、光学系の倍率を上げることで、測定分解能をある程度向上させることができるが、レーザ干渉による分解能と同じレベルまで上げようとすると、横方向の測定範囲（視野）が狭くなってしまうという不具合がある。またレンズの焦点距離を変えながら複数の撮像画像を収録する方法では、収録方法を工夫したとしても複数の画像を取り込むだけの時間がかかるうえ、レンズの焦点距離を正確に変化させるための構成が必要となり、装置構成が複雑化する。また、移動部分が存在するために誤差要因も増え、光軸方向の測定範囲も移動部の可動範囲に限定されるといった不具合がある。
【００１１】
また、近年においては、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が注目を浴びており、このような振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等を被測定物とした動的形状の高精度な測定も要求されている。
【００１２】
本発明の目的は、被測定物や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することができ、かつ、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することができる表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の表面形状測定装置は、周期運動する被測定物に照射するパルス光を発する光源と、前記パルス光の発光周期を前記被測定物の運動周期に同期させる発光同期手段と、前記パルス光による前記被測定物における反射光と所定の参照光との間で干渉縞を発生させる干渉光学系と、前記干渉縞を撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを出力する撮像素子と、前記被測定物の周期運動に伴う前記被測定物と前記干渉光学系との間隔の変化に合わせて前記干渉光学系の拡大倍率を可変とし、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる拡大倍率可変手段と、前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データ及び振幅を示す振幅データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出手段と、前記振幅データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成手段と、前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成手段と、前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較手段と、を備える。
【００１４】
したがって、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や干渉光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することが可能になる。しかも、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することが可能になる。
【００１５】
請求項２記載の発明の表面形状測定装置は、周期運動する被測定物に照射するパルス光を発する光源と、前記パルス光の発光周期を前記被測定物の運動周期に同期させる発光同期手段と、前記パルス光による被測定物における反射光と所定の参照光との間で干渉縞を発生させる干渉光学系と、前記干渉縞を撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを出力する撮像素子と、前記被測定物の周期運動に伴う前記被測定物と前記干渉光学系との間隔の変化に合わせて前記干渉光学系の拡大倍率を可変とし、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる拡大倍率可変手段と、前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出手段と、前記位相データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成手段と、前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成手段と、前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較手段と、を備える。
【００１６】
したがって、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することが可能になる。しかも、２次元的な位相データを用いて合焦法の原理により被測定物の表面形状を測定するので、２次元的な振幅データではコントラストが低下して合焦点はずれが検知できない場合にも、被測定物の表面が平滑で、振幅データでは光学的にテクスチャを観測できない場合に、被測定面の形状測定が可能になる。さらに、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することが可能になる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の表面形状測定装置において、前記干渉光学系と前記撮像素子とを一体化した観測部と、この観測部に設けられ、前記被測定物との相対的な位置及び傾きを調整する位置調整手段と、を更に備える。
【００１８】
したがって、測定したい被測定物の位置や姿勢に対応させ、干渉光学系等と被測定物との相対的な位置や姿勢を変化させることにより、所定の被測定物の傾きあるいは位置での動的形状の測定が可能になる。これにより、被測定物が振動等の周期的な動きを伴う場合の動的形状測定における測定の汎用性を向上させることが可能になる。
【００１９】
請求項４記載の発明の表面形状測定方法は、周期運動する被測定物にこの被測定物の運動周期に同期する発光周期のパルス光を照射したときの反射光と所定の参照光との間で発生させた干渉縞を撮像素子により撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを取得するとともに、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる撮像工程と、前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データ及び振幅を示す振幅データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出工程と、前記振幅データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成工程と、前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成工程と、前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較工程と、を含む。
【００２０】
したがって、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や干渉光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することが可能になる。しかも、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することが可能になる。
【００２１】
請求項５記載の発明の表面形状測定方法は、周期運動する被測定物にこの被測定物の運動周期に同期する発光周期のパルス光を照射したときの反射光と所定の参照光との間で発生させた干渉縞を撮像素子により撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを取得するとともに、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる撮像工程と、前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出工程と、前記位相データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成工程と、前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成工程と、前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較工程と、を含む。
【００２２】
したがって、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することが可能になる。しかも、２次元的な位相データを用いて合焦法の原理により被測定物の表面形状を測定するので、２次元的な振幅データではコントラストが低下して合焦点はずれが検知できない場合にも、被測定物の表面が平滑で、振幅データでは光学的にテクスチャを観測できない場合に、被測定面の形状測定が可能になる。さらに、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することが可能になる。
【００２３】
請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の表面形状測定方法において、前記干渉光学系と前記撮像素子とを一体化した観測部と前記被測定物との相対的な位置及び傾きを調整する位置調整工程と、
を更に含む。
【００２４】
したがって、測定したい被測定物の位置や姿勢に対応させ、干渉光学系等と被測定物との相対的な位置や姿勢を変化させることにより、所定の被測定物の傾きあるいは位置での動的形状の測定が可能になる。これにより、被測定物が振動等の周期的な動きを伴う場合の動的形状測定における測定の汎用性を向上させることが可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図１ないし図９に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、本実施の形態の表面形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、この表面形状測定装置は、光源となる半導体レーザ１と、その半導体レーザ１から出力されるレーザ光の被測定物１４への照射光強度を調整するためのＮＤフィルタ２と、レーザ光を拡大するためのビームエキスパンダ３とを備えている。ビームエキスパンダ３はスペイシャルフィルタとしても作用する。
【００２７】
ビームエキスパンダ３にて拡大された光は、ミラー４にて折り返され、ビームスプリッタ５に入射する。ビームスプリッタ５で反射した光は、光を球面波に変換するためのレンズ６を通り、ミラー７で折り返され、光強度を調整するためのＮＤフィルタ８、ハーフミラー９を介して撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）１０に入射する。この光は、被測定物１４の反射光と干渉するための参照光となる。
【００２８】
レンズ６は、その略光軸方向に移動可能なステージＳに搭載されており、ステージＳの移動により、レンズ６のその略光軸方向における位置が調整可能となっている。
【００２９】
一方、ビームスプリッタ５を透過した光は、ミラー１１にて折り返され、レンズ１２により球面波に変換され、ハーフミラー９を透過して、対物レンズ１３によりほぼ平行光に変換されて、被測定物１４を照射する。
【００３０】
被測定物１４は、振動する鏡面物体であって、対物レンズ１３に対して接離する方向への周期運動を繰り返す。本実施の形態においては、被測定物１４は、振動等の高速移動を伴うマイクロマシンである。
【００３１】
被測定物１４で反射した光は、対物レンズ１３を通過し、ハーフミラー９で反射して物体光としてＣＣＤ１０に到達し、前記の参照光との間に干渉をおこして干渉縞を発生する。したがって、これらの光学素子により干渉光学系を実現している。この干渉縞はＣＣＤ１０にて撮像され、フレームグラバー１５を介してコンピュータ１６に転送され、コンピュータ１６のメモリ３２（図６参照）に記録される。
【００３２】
半導体レーザ１は、Ｄ／ＡボードＢを介してコンピュータ１６に接続されており、コンピュータ１６からの指令を受信した半導体レーザ１は、任意のタイミングで短パルス光を発生する。半導体レーザ１による発光のパルス幅、出力は、被測定物１４の移動速度、反射率に対応して予め調整・設定されている。
【００３３】
ここで、半導体レーザ１からの短パルス光の照射タイミングについて説明する。本実施の形態の被測定物１４は振動しているため、連続発光の光を被測定物１４に照射した場合には、被測定物１４の反射光のＣＣＤ１０上での強度と位相は被測定物１４の振動に合わせて変化することから、安定した干渉縞は得られない。
【００３４】
そこで、半導体レーザ１により、被測定物１４の振動周期より十分短い発光時間のパルス光を発生するようにすることが考えられる。このように、被測定物１４の振動周期より十分短い発光時間のパルス光を照射し、その反射光を受光するようにすると、光の照射中は、被測定物１４は見かけ上静止している状態とみなせるため、被測定物１４の反射光と参照光との間で発生した干渉縞は安定し、ＣＣＤ１０にて収録することが可能となる。干渉縞を収録することができれば、そのデータをもとに被測定物１４の反射光の複素振幅を正確に求めることができて、正確な被測定物１４の動的表面形状測定が可能になる。
【００３５】
ただし、被測定物１４の振動周波数が高くなるとそれにあわせて半導体レーザ１におけるパルス光の発光時間を短くする必要があるが、パルス光の発光時間が短くなると、それにつれてＣＣＤ１０で受光する光強度が小さくなる。このようにＣＣＤ１０で受光する光強度が小さくなると、干渉縞をＣＣＤ１０にて十分な感度で撮像しきれなくなり、それにより形状の測定精度が劣化し、余りに光強度が小さくなり過ぎると測定が不可能になるという問題がある。
【００３６】
そこで、本実施の形態の表面形状測定装置によれば、被測定物１４の振動周期に同期させて同じ周波数で半導体レーザ１から短パルス光を被測定物１４に照射するようにしている。ここに、発光同期手段が実現されている。これにより、光を反射するときの被測定物１４の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させてＣＣＤ１０にて受光すれば十分な強度が得ることができ、十分な感度でＣＣＤ１０により干渉縞を撮像することができる。
【００３７】
つまり、半導体レーザ１は、その発光周波数を被測定物１４の振動周波数に一致させた状態を保ったまま、コンピュータ１６の制御によって発光のタイミングのみを変化させる。これにより、振動中の物体の任意位置における表面形状を抽出することができる。
【００３８】
ビームスプリッタ５で分岐された後の参照光路と物体光路の長さは、光源である半導体レーザ１のコヒーレンス長以下になるように設定されている。また、被測定物１４からの反射光がＣＣＤ１０で撮像するのに適した強度になるように、ＮＤフィルタ２により被測定物１４への照射光強度を調整してあり、さらに、被測定物１４からの反射光と参照光との干渉により発生する干渉縞のコントラストが高くなるように、ＮＤフィルタ８により参照光強度が調整されている。
【００３９】
対物レンズ１３は被測定物１４の反射光を球面波に変換するように作用し、これにより後述のように被測定物１４の反射光の複素振幅（被測定物１４の像）を再生したときに、像が拡大して観測される。レンズ１２と対物レンズ１３の位置関係は、被測定物１４にほぼ平行光が照射されるように調整されている。レンズ６は、参照光を球面波に変換するように作用し、対物レンズ１３により球面波に変換された被測定物１４の反射光の曲率と、参照光の曲率とが、ＣＣＤ１０の撮像位置においてほぼ一致するように、位置が調整されている。
【００４０】
なお、被測定物１４の像を拡大しない場合は、対物レンズ１３は不要であり、それに伴い、レンズ６、レンズ１２も不要である。
【００４１】
また後で詳細を説明するが、ここでは干渉縞をホログラムとして扱い、ＣＣＤ１０にて撮像したホログラム干渉縞に仮想的に参照光を照射して、その回折光波により被測定物１４からの反射光（被測定物１４の像）の複素振幅を再生する。単一の干渉縞データをＣＣＤ１０にて撮像し、被測定物１４の反射光を再生する場合、ホログラムを透過する０次回折光と実像と虚像の３つが再生されるため、この３つを分離して再生できるように、被測定物１４からの反射光の光軸と参照光の光軸との間に適当な傾きを与えて、干渉縞にキャリヤ周波数がのるようにしている。前記の両光軸に傾きを与えるためには、例えば、ミラー７、被測定物１４又はハーフミラー９の傾きを調整すればよい。
【００４２】
次に、被測定物１４からの反射光（被測定物１４の像）の複素振幅（この明細書において、光の振幅と位相を併せて複素振幅と呼ぶ）を再生計算する方法について説明する。
【００４３】
まず、被測定物１４からの反射光と参照光との干渉により発生する干渉縞のＣＣＤ１０の撮像位置での強度は、（１）式で与えられる。
【数１】
0003816402.tif 000002
【００４４】
ここで、Ｉは干渉縞の強度であり、ｘ，ｙはＣＣＤ１０の撮像位置のｘ，ｙ座標、Ｒは参照光の複素振幅であり、Ａ，φはそれぞれ被測定物１４の反射光の振幅と位相である。
【００４５】
干渉縞をＣＣＤ１０にて撮像し、ホログラム画像データとしてコンピュータ１６のメモリ３２に記憶する。乾板を用いたホログラフィでは、干渉縞を記録した乾板（ホログラム）に改めて参照光を照射すると、参照光がホログラムに記録された干渉縞にて回折し、それが記録時の物体反射光として振舞うので、これにより、物体反射光（物体像）が再生されることになった。ここでは、実際に参照光を照射せずに、仮想的に参照光がホログラムに照射されたものとして、ＣＣＤ１０にて記録したホログラム画像からフレネル近似のもとに物体反射光（物体像）を再生する。ホログラムに参照光として平行光が照射されたとすると、ホログラムによる回折光、すなわち物体反射光は（２）式のように表される。
【数２】
0003816402.tif 000003
【００４６】
ここで、Ｕは再生距離ｄだけ離れた像面位置での物体反射光波の複素振幅、ｘ’，ｙ’は像面位置でのｘ，ｙ座標、ｃは複素定数、λは光源波長を表す。
【００４７】
したがって、再生距離ｄを入力し、収録した干渉縞データを用いて（２）式を計算することにより、再生距離ｄにおける物体反射光の複素振幅が再生されることになる。被測定物１４の像を拡大しない場合は、再生距離ｄにＣＣＤ１０の撮像位置と被測定物１４の表面との距離を代入すればよい。図１に示した装置のように、被測定物１４の像を拡大する場合は、対物レンズ１３による被測定物１４の拡大像面とＣＣＤ１０の撮像位置との距離を、再生距離ｄとして入力する。
【００４８】
図２は、図１における被測定物１４、対物レンズ１３、ホログラム面（ＣＣＤ１０の撮像位置）、対物レンズ１３による被測定物１４の拡大像それぞれの位置関係を示す説明図である。図２において、符号１７は被測定物１４の位置を示し、符号１８は対物レンズ１３の位置、符号１９はホログラム面（ＣＣＤ１０の撮像位置）、符号２０は対物レンズ１３による被測定物１４の拡大像面である。
【００４９】
図２における距離ｄ’が再生距離となり、それを（２）式に入力して、被測定物１４の像を再生計算する。図２の距離ｓ及び距離ｓ’はレンズ結像の下記（３）式の関係にあるため、対物レンズ１８の焦点距離ｆと距離ｓをあらかじめ測定しておくことにより、距離ｓ’を求めることができる。そして、対物レンズ１３（位置１８）からほぼ距離ｓ’の位置にＣＣＤ１０の撮像位置を設置すれば、距離ｄ’はほぼ０となり、目視ではほぼ焦点の合った被測定物１４の像が得られ、被測定物１４の位置などの調整が容易になる。また、距離ｄ’が大きくなると、再生した像の周辺部に歪が生じる場合があるため、歪の少ない再生した像を得るためにも効果がある。
【数３】
0003816402.tif 000004
【００５０】
再生像には、ホログラムを透過する光（０次回折光）による像、実像、虚像の３つの像が含まれていて、被測定物１４の形状を求めるためには、そのうちの実像に注目する。撮像時において物体反射光と参照光との光軸が平行に近いと、その３つの像が重なって再生されるため、前記したように、物体反射光と参照光の光軸に相対的な傾きを与えて、干渉縞にキャリヤ周波数をのせた状態でホログラム（干渉縞画像）を取り込み、これにより像面位置でそれらの３つの像を離れた位置に再生することができる。
【００５１】
（２）式で表される複素振幅の実部を“Real｛Ｕ（ｘ’，ｙ’）｝”とし、虚部を“Imaginary｛Ｕ（ｘ’，ｙ’）｝”とすると、被測定物１４の反射光の振幅Ａ、位相φは、それぞれ次の（４）、（５）式にて与えられる。
【数４】
0003816402.tif 000005
【００５２】
（４）式にて計算される振幅Ａと、（５）式にて計算される位相φが、それぞれ、振幅データ、位相データに相当する。この位相データの示す位相φを長さ単位に変換し、位相の飛びがある場合、それをアンラップすることにより、被測定物１４の物体形状を光源の波長λ以下の精度で求めることができる。
【００５３】
しかしながら、被測定物１４の物体面に、レーザ光の波長λに対し、λ／２を超えるような大きな段差があると、その段差位置で位相φ（形状）の関連性が途切れるため、測定値に不確定性が生じてくる。
【００５４】
そのため、この形状測定装置では、（４）式による振幅データを活用することによっても、被測定物１４の表面形状を測定し、振幅データによる表面形状の測定値と位相データによる表面形状の測定値とを比較し、又は、合成することによって、λ／２を超える段差を含む被測定面であっても、表面形状の測定を可能なものとしている。かかる点について以下に説明する。
【００５５】
まず、振幅データを用いた表面形状の測定について説明する。簡単のため、被測定物１４を、光学系を用いて拡大しない場合における被測定物１４、ホログラム面（ＣＣＤ１０の撮像位置）、及び、再生像の位置関係を表す図３を参照して説明する。図３において、符号２１は被測定物１４の位置、符号２２はホログラム面（ＣＣＤ１０の撮像位置）、符号２３は被測定物１４の再生像を示す。
【００５６】
ホログラム（ＣＣＤ１０の撮像位置）を原点とした場合、再生距離ｄを−ｘ１とすると、ｘ１の位置にある面の実像が焦点の合った状態で再生され、同様に、再生距離ｄを−ｘ２，−ｘ３とすると、それぞれｘ２，ｘ３の位置にある面の実像が焦点の合った状態で再生されることを示している。その場合、“ｄ＝−ｘ１”とした場合には、ｘ２，ｘ３にある面は焦点ずれすることになる。したがって焦点があっているかどうかを検出することにより、ｘ１，ｘ２，ｘ３の相対的な距離の差（すなわち段差）を求めることができる。
【００５７】
その焦点が合っているかどうかの判定のために、ここでは、（４）式で求めた振幅データを用いて、depth from focus理論に基づいた演算を実施する。depth from focus理論に基づく演算方法としてはさまざまな種類のものがあるが、例えば、“石原満宏、佐々木博美「合焦法による高速三次元形状計測」精密工学会誌，vol.63,No.1,1997”に示された方法を用いることができる。
【００５８】
すなわち、撮像した干渉縞データを用いて、再生距離ｄを微小量（Δｄ）ずつ変えながら、複数の複素振幅を（２）式を用いて計算し、各々の再生距離ｄにおける振幅データを（４）式により計算する。そして各々の振幅データにおいて、ＣＣＤ１０の撮像面の任意の小領域Ｌにおける振幅値Ａの微分値の和を合焦測度ｖとして求め、これらの合焦測度ｖのうちピークを示す再生距離ｄを、焦点の合った位置と判定する。
【００５９】
図４に、撮像画像の任意の小領域Ｌにおいて、再生距離ｄを変化させたときの合焦測度ｖの変化を示すが、図４の距離Ｄが焦点のあう再生距離ｄ（合焦距離Ｄ）となる。したがって、任意の小領域Ｌにおいて振幅値Ａの微分値の和がピークになる再生距離ｄを求め、それを画像全体にわたって繰り返すことにより、被測定物１４の表面全体の各小領域Ｌにおける合焦距離Ｄが計算できる。そして基準位置を任意の小領域にとり、基準位置の再生距離との差を求めることによって、被測定物１４全体の表面形状を求めることができる。よって、撮像画像の各画素について、被測定物１４の表面形状データＳijが得られる。ここで、ｉ，ｊは、撮像画像の画素単位で表わされる座標を示す。
【００６０】
合焦測度ｖを求めるとき、再生距離ｄを少しずつ変化させながら、被測定物１４の反射光の略光軸方向における複数位置での被測定物１４の複素振幅を計算により求めるが、その場合、再生距離ｄの変化の間隔（ピッチ）Δｄは、光源波長λの１／２より小さいことが望ましい。ただし、図４に示したように、複数の合焦測度ｖのプロットをガウス関数などの関数に近似し、関数の頂点を求める作業により合焦距離Ｄを求めてもよく、その場合は、前記の再生距離ｄの変化の間隔Δｄは、厳密に光源波長λの１／２より小さくなくてもよい。
【００６１】
ここで、振幅データを用いた測定の縦方向の感度γは、定数ｋと光学系の倍率βを用いて、
【数５】
0003816402.tif 000006
と表わすことができ、光学系の倍率の２乗に反比例して測定感度が上がる。
【００６２】
一方、光源波長λの１／２の段差を、振幅データを用いる方法により測定しようとすると、光源波長λの１／２より小さい測定分解能が、振幅データを用いる方法に要求される。
【００６３】
光の波長は、可視光の場合は数百ｎｍであるため、振幅データを用いた測定の測定分解能はｎｍオーダーでなければならない。それを考慮すると、被測定物１４の像を拡大せずに振幅データを用いた測定分解能の要求を満たそうとするのは困難であると考えられる。そこで、図１の装置構成では、対物レンズ１３を用いて被測定物１４の像を拡大して測定する装置構成を示した。ただし、光源である半導体レーザ１の波長をμｍやｍｍのオーダーまで大きくした場合などにおいては、被測定物１４の像を拡大せずとも、振幅データを用いた測定の測定分解能の要求は満足でき、測定が可能となる。
【００６４】
次に、（５）式により計算した位相データを用いて、被測定物１４の表面におけるλ／２を下回る微小形状を演算する方法について説明する。
【００６５】
まず、図１におけるレンズ６、レンズ１２、対物レンズ１３を用いずに被測定物１４の像を拡大しない場合は、任意の小領域において、振幅データを用いる方法で焦点の合った再生距離ｄで再生した複素振幅を用い、（５）式により各領域での位相データを計算する。そして計算した位相φを長さの単位に変換することにより、撮像画像の各画素について、被測定物１４の表面形状データＴijを取得することができる。ここで、ｉ，ｊが画像の画素単位で表される座標を示す。
【００６６】
図１に示した装置のように、対物レンズ１３を用いて被測定物１４の像を拡大した場合は、被測定物１４の反射光の曲率と参照光の曲率が一致していないと、前記の曲率の差に起因して、位相φの測定値に図５に示すような同心円状のデフォーカス収差が含まれてくる。被測定物１４の表面形状を正確に求めるためには、それを除去しなければならない。
【００６７】
すなわち、本実施の形態の表面形状測定装置によれば、被測定物１４の周期運動に伴う被測定物１４と対物レンズ１３との間隔の変化に合わせてステージＳを移動させるようにすれば、ＣＣＤ１０の撮像位置での被測定物１４の反射光と参照光の曲率をほぼ一致させることが可能になるので、干渉縞データから計算した位相データにデフォーカス収差は含まれなくなる。ここに、拡大倍率可変手段が実現されている。
【００６８】
したがって、前述の被測定物１４を拡大しない場合と同様に、任意の小領域Ｌにおいて振幅データを用いる方法で焦点の合った再生距離ｄで再生した複素振幅を用いて、（５）式により位相データφを計算し、それを長さ単位に変換することにより、被測定物１４の表面形状データＴijを求めることができる。
次に、振幅データにより求めた形状データＳijと、位相データにより求めた形状データＴijとを合成する方法について説明する。
【００６９】
光源の波長λの１／２を超える段差を含む面の正しい形状データＺijは、次の（７）式
Ｚij＝ｍij・λ＋Ｔij                      ・・・（７）
により表される。ただし、λは光源波長、ｍijは次数、Ｔijは位相データにより求めた形状である。位相データのみを用いた測定では、光源波長の１／２を超える段差の部分で次数ｍijが不明確になるが、（７）式における次数ｍijを特定することにより、前述の不明確さを解消することができる。そのために振幅データにより求めた形状データＳijを用い、形状データＳijを波長λで除したときの商の整数部が次数ｍijとなる。したがって、そのｍijを（７）式に代入すれば、正しい形状データＺijが得られる。
【００７０】
以上のようにして測定を行なうことにより、被測定物１４や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長λの１／２を超えるような段差を含む面をサブフリンジオーダーで高精度に測定可能となる。
【００７１】
次に、以上説明した方法を用いて、コンピュータ１６が行なう形状データＺijの測定処理について概要を整理して説明する。
【００７２】
まず、コンピュータ１６の構成について説明する。図６は、コンピュータ１６の電気的な接続を示すブロック図である。図６に示すように、コンピュータ１６は、各種演算を行ないコンピュータ１６の各部を集中的に制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）３１と、各種のＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ３２とが、バス３３で接続されている。
【００７３】
バス３３には、所定のインターフェイスを介して、ハードディスクなどの磁気記憶装置３４と、マウス、キーボード等により構成される入力装置３５と、ＬＣＤ、ＣＲＴ等の表示装置３６と、光ディスクなどの記憶媒体３７を読み取る記憶媒体読取装置３８とが接続され、また、インターネットなどのネットワーク３９と通信を行なう所定の通信インターフェイス４０が接続されている。なお、記憶媒体３７は、この発明の記憶媒体を実施するものであり、ＣＤ，ＤＶＤなどの光ディスク、光磁気ディスク、フレキシブルディスク、半導体メモリなどの各種方式のメディアを用いることができる。また、記憶媒体読取装置３８は、具体的には記憶媒体３７の種類に応じて光ディスク装置、光磁気ディスク装置、フレキシブルディスク装置などが用いられる。
【００７４】
磁気記憶装置３４には、この発明のプログラムを実現する測定演算プログラムが記憶されている。この測定演算プログラムは、記憶媒体３７に記憶されていたものを記憶媒体読取装置３８により読み取るか、あるいは、インターネットなどのネットワーク３９からダウンロードするなどして、磁気記憶装置３４にインストールしたものである。このインストールによりコンピュータ１６は、形状データＺijの測定処理の実行が可能な状態となる。この測定演算プログラムは、所定のＯＳ上で動作するものであってもよい。
【００７５】
以下では、測定演算プログラムに基づいてコンピュータ１６が行なう形状データＺijの測定処理の内容について、図７のフローチャートを参照して説明する。
【００７６】
図７に示すように、まず、ＣＰＵ３１は、ＣＣＤ１０にて撮像された干渉縞の干渉縞データを取り込んで、メモリ３２に記憶し（ステップＳ１）、メモリ３２の所定領域に記憶される所定のカウント値ｋを０にリセットし（ステップＳ２）、干渉縞データを用いて以下の処理を行なう。ステップＳ１により、撮像工程を実現している。
【００７７】
まず、再生距離ｄの初期値ｄ０に対し、再生距離ｄの微小量Δｄにカウント値ｋを乗算した値を加算し（ステップＳ３）、フレネル回折計算を行って、“再生距離ｄ０＋ｋ・Δｄ”での複素振幅を取得する（ステップＳ４）。ステップＳ３，Ｓ４により光学データ検出手段、光学データ検出工程を実現している。そして、その複素振幅の振幅データにおける微小領域Ｌでの合焦測度を求め（ステップＳ５）、カウント値ｋを＋１だけインクリメントする（ステップＳ６）、という処理を、カウント値ｋが所定値Ｋになるまで繰り返す（ステップＳ７のＮ）。
【００７８】
カウント値ｋが所定値Ｋになったときは（ステップＳ７のＹ）、各微小領域Ｌでの合焦距離を求めて、全微小領域Ｌでの合焦距離Ｄを求め（ステップＳ８）、合焦距離Ｄから表面形状データＳijを求める（ステップＳ９）。ステップＳ８，Ｓ９により第１の表面形状データ作成手段、第１の表面形状データ作成工程を実現している。
【００７９】
次に、各画素での次数ｍijを計算し（ステップＳ１０）、微小領域Ｌにおける合焦距離Ｄを再生距離ｄとして（ステップＳ１１）、フレネル回折計算を行い、各微小領域Ｌにおける複素振幅を取得する（ステップＳ１２）。ステップＳ１０〜Ｓ１２により、光学データ検出手段、光学データ検出工程を実現している。
【００８０】
そして、その複素振幅の位相データにより、各画素での位相φの値を表面形状データＴijに変換する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３により、第２の表面形状データ作成手段、第２の表面形状データ作成工程を実現している。
【００８１】
最後に、以上のようにして求めた表面形状データＳijと表面形状データＴijとを、前記のように合成又は比較して、表面形状データＺijを求める（ステップＳ１４）。ステップＳ１４により、合成又は比較手段、合成又は比較工程を実現している。
【００８２】
なお、以上の処理では、振幅データを用いた合焦法を実施した結果、得られた各微小領域Ｌにおける合焦距離Ｄを用いて、フレネル回折計算を繰り返し、各微小領域Ｌでの複素振幅を再計算して（ステップＳ１２）、その位置での位相データを再度求めている。正確に計算するためにはそのほうが望ましいが、フレネル回折計算には時間がかかるため、全画素で位相データを計算するのに多大な時間を要する。そこで、求めた合焦距離Ｄが初期位置に対して微小な場合は、初期位置での位相データを代用しても誤差が小さいため、求めた合焦距離Ｄの値によっては、ステップＳ１２のフレネル回折計算を実施しなくてもよい。これにより演算時間、測定時間の短縮が図れる。
【００８３】
なお、図１の装置構成に代えて、図８のような装置構成としてもよい。図８において、図１と同一符号の部材は図１の装置と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８４】
すなわち、図８の装置構成が図１のものと相違するのは、被測定物１４を光学系の略光軸方向とは直交する方向に振動させるとともに、干渉光学系とＣＣＤ１０とを一体として観測部であるベース５０に搭載し、このベース５０を干渉光学系の光軸と略直交する方向に移動可能なステージ（図示せず）の上に搭載し、測定したい被測定物１４の位置にあわせて干渉光学系を光軸と直交する方向に移動させて（位置調整手段）、被測定物１４からの反射光を受光できる状態にしてから測定を実施するようにしている点である。
【００８５】
すなわち、図８の表面形状測定装置によれば、半導体レーザ１の発光周波数を被測定物１４の振動周波数に一致させた状態を保ったまま、発光のタイミングと、干渉光学系の位置を変化させることにより、振動中の物体の任意位置における表面形状を抽出することができる。
【００８６】
また、干渉光学系とＣＣＤ１０とをステージに搭載するかわりに、被測定物１４を干渉光学系の光軸と直交する方向に移動可能なステージ（図示せず）の上に搭載し、それにより干渉光学系と被測定物１４との相対的な位置を変化させるようにしてもよい。
【００８７】
さらに、図１の装置構成に代えて、図９のような装置構成とすることも考えられる。図９において、図１と同一符号の部材は図１の装置と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８８】
すなわち、図９の装置構成が図１のものと相違するのは、被測定物１４を光学系の略光軸方向を中心として揺動させるとともに、干渉光学系とＣＣＤ１０とを一体として観測部であるベース５１に搭載し、このベース５１を回転ステージ（図示せず）の上に搭載し、測定したい被測定物１４の被測定面の傾きにあわせて干渉光学系を傾け（位置調整手段）、被測定物１４からの反射光を受光できる状態にしてから測定を実施するようにしている点である。
【００８９】
すなわち、図９の表面形状測定装置によれば、半導体レーザ１の発光周波数を被測定物１４の振動周波数に一致させた状態を保ったまま、発光のタイミングと、干渉光学系の傾きを変化させることにより、振動中の物体の任意位置における表面形状を抽出することができる。
【００９０】
また、干渉光学系とＣＣＤ１０とを回転ステージに搭載するかわりに、被測定物１４を回転ステージ（図示せず）の上に搭載し、それにより干渉光学系と被測定物１４との相対的な角度を変化させるようにしてもよい。
【００９１】
なお、本実施の形態においては、光源として半導体レーザ１を用いたが、これに限るものではない。例えば、ルビーレーザやＹＡＧレーザのように短パルス光を発生する固体レーザを用いても良いし、ＣＷ（continuous-wave）光を出力する半導体レーザをパルス変調駆動してパルス光を生成しても良いし、Ｈｅ−ＮｅレーザやアルゴンレーザからのＣＷ（continuous-wave）光を回転チョッパを用いてパルス化して用いても良い。
【００９２】
ここに、振動する被測定物１４の振動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物１４の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子１０にて受光すれば十分な強度を得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物１４であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子１０により撮像することが可能になる。
【００９３】
ところで、以上説明した例では、合焦法の原理により求めた表面形状データと、干渉計測の原理により求めた表面形状データＴijとを合成又は比較することによって表面形状データＺijを求めて、光源波長λの１／２を超えるような段差を含む被測定物１４の表面形状をサブフリンジオーダーで測定できるようにしている。
【００９４】
しかし、合焦法の原理により表面形状データを求める手段としては、前記の例に限定されるものではない。すなわち、前記の例では合焦法の原理により表面形状データＳijを求めるために振幅データを用いたが、これに代えて位相データを２次元画像データとして捉え、これを用いて合焦法を実施してもよい。
【００９５】
合焦法では、物体像のボケ具合（合焦測度）をコントラストの低下として検知する。しかし、被測定面が鏡面のような平滑面であると、被測定物１４の表面の明確なテクスチャ（模様）を観察できない場合がある。そして、テクスチャが観察できないと、像のボケによるコントラストの低下が検出できなくなるため、合焦法が実施できず、表面形状測定が不可能になる。
【００９６】
このような場合、振幅データに比べて比較的物体像をコントラストよく観察できる位相データ（位相像）を２次元強度データとして捉えて用いることができる。すなわち、平滑な面であっても、その表面を光学的に拡大していけば、表面粗さが光学系の空間解像力を下回らない限り表面粗さのテクスチャが観察されるようになる。そのため、その像をコントラストの高い位相像として観察することによって、合焦法による形状測定が可能となる。
【００９７】
そのために、コンピュータ１６で行なう処理としては、図７のフローチャートにおいて、振幅データの微小領域Ｌで合焦法を行なうのに（ステップＳ５）代えて、位相データの微小領域Ｌにおいて合焦法を行なえばよい。
【００９８】
また、合焦法により表面形状測定を実施する場合には、焦点の合う画像領域を被測定撮像位置で探索していくこととなる。そのため、焦点の合った画像領域をつなぎ合わせることで、全視野で焦点の合った全焦点画像を生成することができる。顕微鏡などのように拡大倍率が大きい光学系では焦点深度が浅くなり、そのため、被測定物１４の位置や姿勢の調整がしづらくなる。このような場合に、全焦点画像を生成することにより、調整作業が容易になる。
【００９９】
全焦点画像の生成の方法としては、フレネル回折計算を繰り返して複数のデフォーカス画像を取得した後、画像における各微小領域Ｌで合焦距離Ｄを求める。そして、各微小領域Ｌにおいて、求めた合焦距離Ｄと最も近い距離で得られたデフォーカス画像の画素濃度を、表示するための画像における同じ位置の微小領域Ｌに入れる。その作業を画像の全域にわたって繰り返すことにより、画像上のすべての微小領域Ｌで焦点の合った全焦点画像を、高速に取得することができる。
【０１００】
また、全焦点画像を生成する別の処理方法としては、各微小領域Ｌにおいて求めた合焦点距離Ｄを回折距離として入力し、取得した干渉縞データを用いてフレネル回折計算を実施するようにしてもよい。そして、フレネル回折計算の結果得られた画像における微小領域Ｌの画素濃度を、表示するための画像における同じ位置の微小領域Ｌに入れる。その作業を画像の全域にわたって繰り返すことによって、画像上のすべての微小領域Ｌで、より正確に焦点の合った全焦点画像を取得することができる。
【０１０１】
以上説明した、本実施の形態の表面形状測定装置によれば、次のような作用効果を奏することがわかる。
【０１０２】
すなわち、図１に示す表面形状測定装置によれば、撮像した干渉縞データにより、被測定物１４の反射光のほぼ光軸方向における複数位置での複素振幅を求めて、そのうちの振幅データを用いて、合焦状態の検知により表面形状を求めるdepth from focus理論に基づいた演算処理を施すことによって、被測定物１４の表面形状データＳijを測定する。
【０１０３】
その場合、測定分解能及び光軸方向の測定範囲は光学系の拡大倍率により任意に設定することができるため、その測定分解能を光源波長λの１／２より小さく設定することにより、レーザ干渉により測定できない光源波長λの１／２を超える段差を測定することができる。
【０１０４】
一方、干渉縞データから求めた複素振幅のうち、位相データを用いれば、通常のレーザ干渉と同様にしてサブフリンジオーダーの微小形状を測定することができる。したがって、被測定物１４の表面において光源波長λの１／２を超える段差については振幅データを用いた測定で受け持ち（表面形状データＳij）、それ以外の領域の形状測定については位相データを用いた測定で受け持ち（表面形状データＴij）、両測定結果を合成又は比較することにより（表面形状データＺij）、光源波長λの１／２を超える段差をもつ被測定面であっても、サブフリンジオーダーで測定可能となる。
【０１０５】
また、従来の走査型白色干渉計に比べて、光源波長λの１／２を超える段差を含む面を測定するために、干渉光学系や被測定物１４を機械的な駆動で移動させる必要がないため、測定誤差要因が減るうえ、移動範囲の制限によって光軸方向の測定範囲が制限されない。
【０１０６】
振幅データを用いた測定については、レンズの焦点距離を変化させる振幅データを用いた従来法に対して、干渉縞データを用いて、光学系の光軸方向における複数位置での被測定物１４の反射光の複素振幅を計算し、そのうちの振幅データを用いてdepth from focus法を実施するため、数値演算でdepth from focus法を実施していることになり、depth from focus法を実施するために、やはり従来のように機械的な駆動を伴わないため、その誤差の影響を受けず、機械的駆動部分の可動範囲で決まる測定範囲の制限も生じない。
【０１０７】
また、測定のために機械的な駆動を要しないため、高速測定が可能であり、動きを伴う物体の動的形状が測定可能である。
【０１０８】
さらに、観測する干渉縞にキャリヤ周波数を与えて単一の干渉縞データから被測定物１４の反射光の複素振幅を計算するようにすると、そのデータが得られるまでに要する時間はＣＣＤ１０による撮像時間のみで決まることになり、前記した複数の画像を撮像する必要がある走査型白色干渉計やレンズ焦点距離を変化させる方法に比べて、高速測定が可能になる。
【０１０９】
変形、変位、あるいは振動中の物体の形状測定に関し、単一画像から物体反射光の複素振幅を求める方法として、パルス光源を用いたデジタルホログラフィによる物体の動的測定法（例えば、G.Pedrini,H.J.Tiziani,「Quantitative evaluation of two-dimensional dynamic deformations using digital holography」,Optics＆Laser Technology,Vol.29,No.5,pp249-256,1997を参照）があるが、かかる方法においては、粗面物体を測定対象としており、光源波長レベルでの物体形状の測定や、また光源波長λの１／２を超える段差を含む面を光源波長レベルで測定する方法については示されていない。
【０１１０】
かかる方法に比べ、この表面形状測定装置による測定は、被測定物１４が微小であっても、鏡面又はそれに近い面であっても測定可能で、被測定物１４の表面に光源波長λの１／２を超える段差が含まれていても測定可能である。
【０１１１】
また、この表面形状測定装置によれば、光学系倍率を設定することにより、振幅データを用いた表面形状測定と位相データを用いた表面形状測定のうち、振幅データを形状測定についてのみ、その測定分解能を設定することができる。
【０１１２】
一方、振幅データを用いた表面形状測定により光源波長λの１／２の段差を測定するには、その測定分解能は光源波長λの１／２より小さいほうが望ましく、通常の可視光を光源に用いると波長はｎｍオーダーになるため、干渉光学系の拡大倍率を上げたほうがよい。
【０１１３】
その場合、被測定物１４からの反射光又は参照光のどちらか一方を球面波にすることによって干渉光学系の拡大倍率を設定し、前記振幅データを用いた形状測定の測定分解能を光源波長の１／２より小さくすることができるが、被測定物１４からの反射光か参照光かのどちらか一方を球面波にすると、被測定物１４の反射光の波面と参照光の波面との曲率の差に応じたデフォーカス収差が位相データに含まれてくる。デフォーカス収差が含まれると、位相データから正確に被測定物１４の表面形状を求めることができなくなるため、デフォーカス収差を除去する必要がある。
【０１１４】
そのため、この表面形状測定装置では、被測定物１４からの反射光か参照光のどちらか一方を球面波にしたとき、他方の光についても球面波にし、被測定物１４の周期運動に伴う被測定物１４と対物レンズ１３との間隔の変化に合わせてステージＳを移動させるようにし、両者の曲率をほぼ一致させることにより、上記のデフォーカス収差を除去することができる。これにより、干渉光学系の拡大倍率をあげた場合でも、測定を正確に実施することができる。
【０１１５】
この表面形状測定装置では、光学系倍率を設定することにより、振幅データを用いた表面形状測定と位相データを用いた表面形状測定のうち、振幅データを用いた表面形状測定についてのみ、その測定分解能を設定する。
【０１１６】
しかし、その測定分解能を過剰に小さくすると光学系倍率が大きくなるため、横方向の測定範囲（視野）は狭くなり、被測定物１４の表面における広い範囲（視野）を一度に測定することができなくなる。
【０１１７】
そこで、この表面形状測定装置では、光源波長の１／２より小さい測定分解能をもつという条件のもとで、被測定物１４の大きさに応じて光学系倍率を変化させるようにし、被測定物１４の表面のより広い範囲（視野）を一度に測定できるようにしている。
【０１１８】
合焦法の原理を用いて、合焦点はずれを検出することにより被測定物１４の表面形状を測定する場合、被測定物１４の表面が平滑で光学的にテクスチャを観測できないと、合焦点はずれの検知が困難になることがある。
【０１１９】
合焦点はずれは被測定物１４の表面のパターンのコントラストの低下により検出されるものである。２次元的な振幅データではコントラストが低下して合焦点はずれが検出できない場合でも、２次元的な位相データではコントラストが得られる場合がある。
【０１２０】
そのような場合は、前記のように位相データを２次元強度データとして用いて、合焦法の原理により被測定物１４の表面形状を測定する。これにより被測定物１４表面が平滑で、振幅データでは光学的にテクスチャを観測できない場合でも、被測定面の形状測定が可能となり、測定の汎用性を向上させることができる。
【０１２１】
物体形状を測定する場合、測定者が被測定物１４を観察しながら測定できたほうが、被測定物１４の設置、姿勢の調整などの点において便利である。被測定物１４が微小になると肉眼で観察することは難しくなるため、光学的に拡大して観察できたほうがよい。しかしながら、拡大光学系は焦点深度が浅く、光軸方向で焦点のあう範囲が狭いため、観察しづらいという欠点がある。
【０１２２】
これに対し、この表面形状測定装置では、振幅データを用いて合焦法の原理により被測定物１４の表面形状を測定するが、その場合、２次元画像内で合焦点の位置を求める処理を実施するため、測定のために取得した合焦点の情報を用いて、２次元的な全領域で焦点の合った全焦点画像を、生成、表示することができ、被測定物１４の位置、姿勢を観察しやすくすることにより、測定の操作性を向上させることができる。
【０１２３】
この場合、高速に画像を生成、表示することが重要な課題となる。この表面形状測定装置では、全焦点画像における微小領域の焦点画像を、合焦状態から求めた合焦距離に対して最も近い距離にある振幅データに置き換えて生成することによって、高速に全焦点画像を生成することができるので、より自然な被測定物１４の観測が可能となり、測定の操作性を向上させることができる。
【０１２４】
また、全焦点画像を生成する場合、全焦点画像における微小領域の焦点画像を、合焦状態から求めた合焦距離を用いてフレネル回折計算することにより、より正確な全焦点画像の生成が可能となり、測定における被測定物１４の位置、姿勢の調整が、より正確に実施可能となるので、測定の高速化、高精度化を図ることができる。
【０１２５】
【発明の効果】
請求項１又は４記載の発明によれば、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や干渉光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することができる。しかも、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光を照射することにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることができるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することができる。
【０１２６】
請求項２又は５記載の発明によれば、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することができる。しかも、２次元的な位相データを用いて合焦法の原理により被測定物の表面形状を測定するので、２次元的な振幅データではコントラストが低下して合焦点はずれが検知できない場合にも、被測定物の表面が平滑で、振幅データでは光学的にテクスチャを観測できない場合に、被測定面の形状を測定することができる。さらに、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光を照射することにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することができる。
【０１２７】
請求項３又は６記載の発明によれば、測定したい被測定物の位置や姿勢に対応させ、干渉光学系等と被測定物との相対的な位置や姿勢を変化させることにより、所定の被測定物の傾きあるいは位置での動的形状の測定ができるので、被測定物が振動等の周期的な動きを伴う場合の動的形状測定における測定の汎用性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の表面形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】前記表面形状測定装置における光学系の位置関係を示す説明図である。
【図３】同説明図である。
【図４】前記表面形状測定装置が行なう処理で再生距離と合焦測度との関係を示すグラフである。
【図５】デフォーカス収差について説明する説明図である。
【図６】前記表面形状測定装置を構成するコンピュータの電気的な接続を示すブロック図である。
【図７】コンピュータが実行する処理のフローチャートである。
【図８】前記表面形状測定装置の変形例について概略構成を示すブロック図である。
【図９】前記表面形状測定装置の別の変形例について概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１        光源
５〜９，１１〜１３  干渉光学系
１０      撮像素子
１４      被測定物
５０，５１      観測部
【図１】
0003816402.tif 000007
【図２】
0003816402.tif 000008
【図３】
0003816402.tif 000009
【図４】
0003816402.tif 000010
【図５】
0003816402.tif 000011
【図６】
0003816402.tif 000012
【図７】
0003816402.tif 000013
【図８】
0003816402.tif 000014
【図９】
0003816402.tif 000015