(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長の第１及び第２の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉測定方法であって、
前記第１及び第２の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第１の等価位相を計算する第１の演算工程と、
前記第１の光の位相を任意量変化させた位相信号を求め、この位相を用いて第２の等価位相を計算する第２の演算工程と、
前記第１の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なう第３の演算工程と、
前記第１の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第２の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第４の演算工程と
を具備することを特徴とする多波長光ヘテロダイン干渉測定方法。
【請求項２】
前記予め定められた角度は、３６０°又は０°付近の角度であることを特徴とする請求項１に記載の多波長ヘテロダイン干渉測定方法。
【請求項３】
異なる波長の第１及び第２の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、
前記第１及び第２の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第１の等価位相を計算する第１の演算手段と、
前記第１の光の位相を波長板を用いることで任意量変化させた位相信号を求める第２の演算手段と、
前記第１の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第１の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第２の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第３の演算手段と
を具備することを特徴とする多波長光ヘテロダイン干渉測定装置。
【請求項４】
異なる波長の第１及び第２の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、
前記第１及び第２の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第１の等価位相を計算する第１の演算手段と、
前記第１の光の位相を光源の波長をシフトすることで任意量変化させた位相信号を求める第２の演算手段と、
前記第１の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第１の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第２の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第３の演算手段と
を具備することを特徴とする多波長光ヘテロダイン干渉測定装置。
【請求項５】
異なる波長の第１及び第２の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、
前記第１及び第２の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第１の等価位相を計算する第１の演算手段と、
前記第１の光の位相を位相シフターを用いて電気的に任意量変化させた位相信号を求める第２の演算手段と、
前記第１の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第１の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第２の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第３の演算手段と
を具備することを特徴とする多波長光ヘテロダイン干渉測定装置。
【請求項６】
前記予め定められた角度は、３６０°又は０°付近の角度であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の多波長ヘテロダイン干渉測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ヘテロダイン干渉法を用いた高精度な干渉計測法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光ヘテロダイン法では、測定位相ΦはΦ＝２πＮ＋φ（Ｎ:整数、φ：測定される位相）となる。位相が連続して変化する場合は、この整数値Ｎを確定することができるが、位相が不連続になる場合においては、従来の測定からでは整数値Ｎを決定することができない。すなわち測定レンジは２πとなる。
【０００３】
そこでこの問題を解決するために、２つ以上の異なる波長を用いる多波長光ヘテロダイン干渉計が提案されている。この多波長光ヘテロダイン法は、位相が不連続に変化した場合においても測定精度を落とさずに２π以上の測定レンジで測定することができる。これは同時に複数の異なる波長で光ヘテロダイン干渉を行うことで、それぞれ単独の波長での位相変化を測定し、この位相を用いて仮想的に使用している波長よりも長い等価波長で測定したときの位相を計算する。さらに等価波長を用いた測定値から単独波長で測定したときには決定できなかった整数Ｎを決定することで、単独波長で測定したときと同じ分解能で測定することができる。
【０００４】
これを変位計測に応用したものが、従来法として用いられている。すなわち、測定光路のレーザ光が遮られても原点復帰せずに継続して測定でき、測定精度を落とさずに測定レンジをλ／２以上に拡大できるものとして、多波長を用いる多波長光ヘテロダイン法が用いられている。
【０００５】
特開平１１−１８３１１６号公報で提案されている多波長光ヘテロダインを用いた干渉計装置を図６に示す。光源１は波長λ１で、周波数のわずかに異なる二周波直交直線偏光を発振する。このレーザ光源１から発振されたレーザ光は偏光ビームスプリッタ２に入射して偏光方位により参照光路と測定光路に分離される。
【０００６】
偏光ビームスプリッタ２を透過したレーザ光は測定光路に進み、四分の一波長板５によって円偏光に変換され測定光になる。また、偏光ビームスプリッタ２で反射されたレーザ光は参照光路に進み、四分の一波長板４によって円偏光に変換され参照光になる。この測定光と参照光はダイクロックミラー１０を透過して、参照光は参照鏡６で反射し、測定光は移動鏡７で反射する。それぞれの反射光は再びダイクロックミラー１０を透過した後、それぞれ四分の一波長板４，５を透過して偏光方位を当初の偏光方位に対して９０°回転した直線偏光に変換される。
【０００７】
従って、測定光は偏光ビームスプリッタ２で反射し、参照光は偏光ビームスプリッタ２を透過することで同一光路に合成される。合成されたレーザ光は参照光と測定光の偏光方位と方位が４５°傾いた直線偏光子８で干渉し、ビート信号となる。このビート信号は光電検出器９で光電検出される。この測定信号は光源１の内部で周波数のわずかに異なる直交直線偏光を直接干渉させて得られる基準ビート信号とともに位相計１９に入力される。
【０００８】
一方、レーザ光源１１からは、波長λ２で周波数のわずかに異なる二周波直交直線偏光を発振する。このレーザ光源１１から発振したレーザ光は偏光ビームスプリッタ１２に入射して、その偏光方位により測定光と参照光に分離される。偏光ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光は測定光路に進み、四分の一波長板１５によって円偏光に変換され測定光となる。偏光ビームスプリッタ１２で反射したレーザ光は参照光路を進み、ミラー１３に入射して光路を測定光路と平行になるように曲げられ、四分の一波長板１４によって円偏光に変換され参照光となる。
【０００９】
これらの参照光と測定光はダイクロックミラー１０で反射した後、参照光は参照鏡６で、測定光は位相鏡７で反射する。それぞれの反射光は再びダイクロックミラー１０で反射した後、それぞれ四分の一波長板１４，１５を透過して、偏光方位を当初の偏光方位に対して９０°回転した直線偏光に変換される。従って、測定光は偏光ビームスプリッタ１２で反射し、参照光は偏光ビームスプリッタ１２でを透過することで同一光路に合成される。合成されたレーザ光は参照光と測定光の偏光方位と方位が４５°傾いた直線偏光子１６で干渉し、ビート信号となる。このビート信号は光電検出器１７で光電検出される。この測定信号は光源１１の内部で周波数のわずかに異なる直交直線偏光を直接干渉させて得られる基準ビート信号とともに位相計２０に入力される。
【００１０】
次にこの測定ビート信号から試料の変位を求める方法を説明する。
【００１１】
λ１、λ２のレーザの光路長差をＬ１、Ｌ２とすると、
Ｌ１＝φ１・λ１／ｍ
Ｌ２＝φ２・λ２／ｍ
となる、ここで、ｍは光路の折り返し数である。試料が原点位置Ｐにあるときのφ１，φ２を記憶しておく。次に試料が移動してＱの位置にある時のＰＱ間の距離をΔＬとすると、
Ｌ１＋ΔＬ＝φ１'・λ１／ｍ
Ｌ２＋ΔＬ＝φ２'・λ２／ｍ
であるから、Φ＝φ２−φ１とすると、
ΔΦ＝Φ'−Φ＝（φ２'−φ１'）−（φ２−φ１）＝ｍΔＬ
となる。従って合成波長λeq＝λ１・λ２／|λ２−λ１|を使うと、Φの変化量をΔΦとして、
ΔＬ＝ΔΦ・λeq／ｍ
となる。すなわち、試料がλeq／ｍ単位でどこに位置するのかがわかっていれば、レーザ光が遮断されても、Φ'を測定することでΔΦを求め、さらにΔＬを求めることが出来る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来法では光源の波長安定性、空気の揺らぎ等での波長の揺らぎにより、整数値Ｎを算出するために用いている波長の値と実際の波長の値がわずかに異なるため、前述の整数値Ｎの決定に曖昧さが残り位相が不連続になるという現象が起こる。特に、参照光路長と測定光路長が大きく異なる場合、この現象は深刻な問題となる。
【００１３】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相測定の測定レンジを拡大し、且つ高精度測定に対応することができる多波長光ヘテロダイン干渉測定方法および装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる多波長光ヘテロダイン干渉測定方法は、異なる波長の第１及び第２の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉測定方法であって、前記第１及び第２の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第１の等価位相を計算する第１の演算工程と、前記第１の光の位相を任意量変化させた位相信号を求め、この位相を用いて第２の等価位相を計算する第２の演算工程と、前記第１の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なう第３の演算工程と、前記第１の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第２の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第４の演算工程とを具備することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明に係わる多波長光ヘテロダイン干渉測定装置は、異なる波長の第１及び第２の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、前記第１及び第２の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第１の等価位相を計算する第１の演算手段と、前記第１の光の位相を波長板を用いることで任意量変化させた位相信号を求める第２の演算手段と、前記第１の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第１の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第２の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第３の演算手段とを具備することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係わる多波長光ヘテロダイン干渉測定装置は、異なる波長の第１及び第２の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、前記第１及び第２の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第１の等価位相を計算する第１の演算手段と、前記第１の光の位相を光源の波長をシフトすることで任意量変化させた位相信号を求める第２の演算手段と、前記第１の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第１の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第２の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第３の演算手段とを具備することを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係わる多波長光ヘテロダイン干渉測定装置は、異なる波長の第１及び第２の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、前記第１及び第２の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第１の等価位相を計算する第１の演算手段と、前記第１の光の位相を位相シフターを用いて電気的に任意量変化させた位相信号を求める第２の演算手段と、前記第１の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第１の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第２の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第３の演算手段とを具備することを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
本発明を高精度な三次元形状測定に適用した第１の実施形態を図１に示す。基本的な光学系は従来の光ヘテロダイン干渉計と同じである。
【００２０】
図１において、１０１，１０２はレーザ光源であり、それぞれ可干渉性の単一波長（λ１、λ２）の光を発振するレーザ光源である。レーザ光源１０１、１０２から発振されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０３により同一光路に合成される。このレーザ光は主軸方位４５°におかれた半波長板１０４により波長λ１、λ２のレーザ光ともに方位が±４５°になるように変換され、音響光学素子１０５ａで周波数シフトを受け、周波数のわずかに異なるｆ１、ｆ２のレーザ光となる。この光は直交直線偏光になっている。音響光学素子１０５ａは音響光学素子ドライバ１０５ｂで駆動されている。上記の直交直線偏光を生成する部分は、ゼーマン効果を利用したゼーマンレーザを使用することも可能である。
【００２１】
レーザ光はビームスプリッタ１０６ａで透過光と反射光に分割され、反射光は波長選択フィルタ１０７ａで波長λ１を選択され、方位４５°の直線偏光子１０８ａで干渉し、光検出器１０９ａで参照ビート信号として光電検出される。ここで選択する波長はλ２でもかまわない。また参照信号は、音響光学素子ドライバ１０５ｂからの駆動電圧からミキサ回路を用いて作ることも可能である。
【００２２】
透過光はビームエキスパンダ１１０でビーム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ１１１へ入射する。偏光ビームスプリッタ１１１に入射したレーザ光は、偏光成分により二つに分割される。偏光ビームスプリッタ１１１を通過した周波数ｆ１の偏光成分は、四分の一波長板１１２ａを通過し、対物レンズ１１３により被測定試料１１４面上に焦点を結び、反射される、ここで対物レンズ１１３を用いることにより被測定試料１１４に面傾斜がある場合においても面傾斜角が対物レンズ１１３の半開角以下であれば反射光の一部が必ず戻るため、面傾斜がある試料も測定する事が出来る。
【００２３】
被測定試料１１４は光軸と直交する面内方向の二軸（ＸＹ軸）を持つ試料ステージ１１５上に設置されている。試料ステージ１１５にはＸ軸レーザ測長器１２５とＸ軸測長用ミラー１２４及び図に記入していないがＹ軸レーザ測長器とＹ軸測長用ミラーが設置してあり、試料ステージ１１５の位置は精密に測定される。
偏光ビームスプリッタ１１１で反射した周波数ｆ２の偏光成分は、四分の一波長板１１２ｂを通過し、参照平面鏡Ｍ１で反射される。両方の光路中にある四分の一波長板１１２ａ、１１２ｂは、入射偏光に対して出射偏光方位を９０°回転させることで、光源へ反射光を戻さない役割をしている。
【００２４】
周波数ｆ１、ｆ２の反射光は再び偏光ビームスプリッタ１１１でひとつに合成される。合成されたレーザ光は、ビームスプリッタ１０６ｂで透過光と反射光に分離される。ビームスプリッタ１０６ｂを透過したレーザ光は方位４５°に設置された直線偏光子１０８ｂで干渉し、波長選択フィルタ１０７ｂで波長λ１のレーザ光だけが選択され集光レンズ１１６ａにより光検出器１０９ｂ上に集光され測定ビート信号として光電検出される。
【００２５】
ビームスプリッタ１０６ｂで反射したレーザ光は波長選択フィルタ１０７ｃで波長λ２のレーザ光だけが選択され、ビームスプリッタ１０６ｃで再び透過光と反射光に分離される。ビームスプリッタ１０６ｃを透過したレーザ光は方位４５°に設置された直線偏光子１０８ｃで干渉し、集光レンズ１１６ｂにより光電検出器１０９ｃ上に集光されて測定ビート信号として光電検出される。
【００２６】
ビームスプリッタ１０６ｃで反射したレーザ光は方位０°に設置された波長板１２８により直交直線偏光間の位相をπずらされ、方位４５°に設置された直線偏光子１０８ｄで干渉し、集光レンズ１１６ｃにより光電検出器１０９ｄ上に集光されて測定ビート信号として光電検出される。
【００２７】
光ヘッド１２１には光軸（Ｚ）方向測長用ミラー１２２が固定されており、光ヘッド１２１のＺ軸位置はＺ軸レーザ測長器１２３で精密に測定されている。光検出器１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃで光電検出された測定ビート信号は参照ビート信号を基準として電気位相計１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃで位相変化を検出される。この位相検出はロックインアンプでもかまわない。このビート信号の位相差及びＺ軸測長器１２３からの信号はＡ／Ｄ変換器１１８を介してコンピュータ１１９に取り込まれる。またコンピュータ１１９からの信号によりサーボドライバ１２０を介して駆動装置１２６、１２７を駆動することで試料ステージ１１５、光ヘッド１２１は駆動される。
【００２８】
次にこの装置を用いて被測定試料１１４の３次元形状を測定する方法を説明する。最初に光ヘッド１２１を被測定試料１１４に接近（Ｚ軸方向）させながら光検出器１０９ｂ、１０９ｃでビート信号を検出し、測定ビート信号の強度が最大になる位置で光ヘッド１２１を止める。この状態で測定光は被測定試料１１４面上にフォーカスしているので、この位置における参照ビート信号と測定ビート信号の位相差を波長λ１、λ２それぞれ独立して測定する。
【００２９】
この位相差φ１、φ２より、参照ミラーＭ１と被測定試料１１４の等価波長で測定したときの光路長差Ｌeqが求められる。さらにこのＬeqから、単一波長で測定したときの光路長差Ｌ１、Ｌ２を計算する。このＬ１、Ｌ２を一定にするように光ヘッド１２１をＺ軸方向にサーボをかけながら試料ステージ１１５をＸＹ軸に走査し、光ヘッド１２１のＺ軸方向の移動をＺ軸レーザ測長器１２３で検出する。
【００３０】
また測定ビート信号からサーボ系のエラーを求め、Ｚ測長器１２３からのデータを補正する。これにより被測定試料１１４の三次元形状を精密に計測することが出来る。上記実施例では光ヘッドをＺ軸、試料ステージをＸＹ方向に移動させたが、これは光ヘッドと試料ステージがＸＹＺ座標で相対的に任意に移動できれば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させるようにしてもよい。
【００３１】
上記での参照ミラーＭ１と被測定試料１１４の光路長差の計算について詳しく説明する。
【００３２】
等価波長λeqで測定した光路長差の変化量 Ｌeqは次のように求められる。
【００３３】
Ｌeq＝λeqφeq／４π  （ただし、空気の屈折率を１とする）  …（１）
λeq＝λ１λ２／|λ１−λ２|      …（２）
φeq＝φ１−φ２      …（３）
従って、この等価波長を用いることで測定範囲は単一波長で測定した場合よりも拡大されＬeqとなる。しかし、位相計の分解能は変わらないため、このままでは測定分解能も粗くなる。そこで、さらに使用している単一波長を用いて光路長差の変化量Ｌ１（Ｌ２）を求めることで精密な測定を行う。
【００３４】
すなわち
Ｌ１＝λ１φ１／４π＋Ｎ１λ１／２（またはＬ２＝λ２φ２／４π＋Ｎ２λ２／２）      …（４）
となる。ここで、Ｎ１（Ｎ２）は２Ｌeq／λ１の整数部をＮ１（Ｎ２）としている。式（４）の第一項をλ１、φ１から求めることで、単一波長で測定するよりも大きい測定範囲を単一波長での測定と同じ測定精度で測定することが出来る。
【００３５】
図４に参照ミラーＭ１と被測定試料１１４の光路長差が変化したときの位相φ１、φ２、φeqの変化を示す。これより二波長で測定を行うことにより単一波長での測定よりも測定範囲が拡大されていることがわかる。
【００３６】
図５Ａに波長１、２の位相φ１、φ２と、これらから計算される等価位相より求められる単一波長の個数Ｎと、Ｎとφ１またはφ２から求められる測定値の変化を示した図を示す。
【００３７】
図５Ａから測定される位相φ１、φ２が波長振動や空気揺らぎ等の影響で誤差を生じたとき、式（３）から明らかなようにφeqが誤差をもつことになり、式（４）のＮ１の算出に誤差を生じる。これにより最終的に計算されるＬ１は測定波長の半波長の整数倍の測定誤差を生じてしまう。
【００３８】
そこで、本実施形態では次のようにしてこの問題を解決する。本実施形態では、ビームスプリッタ１０６ｃで反射したレーザ光は波長板１２８により光検出器１０９ｃで検出されるビート信号の位相と比べ位相がπ異なるビート信号が得られている。従って、このビート信号と光検出器１０９ｂで得られるビート信号との等価波長の位相φeq'は、光検出器１０９ｃと光検出器１０９ｂで得られるビート信号から計算される等価波長の位相φeqと比べ位相がπ異なる。従って波長λ１の位相φ１が３６０°（０°）付近の時は、光検出器１０９ｄで検出されたビート信号と光検出器１０９ｂで検出されたビート信号から計算される等価位相φeq'を変位の計算に用いる。このときの光検出器１０９ｃで検出されたビート信号と光検出器１０９ｂで検出されたビート信号から計算される等価波長の位相φeqとの差異は波長板１２８から既知であるため、等価位相φeq'からφeqへ位相を変換することができる。これにより空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差を回避することができる。またビームスプリッタ１０６ｃで波長λ１のレーザ光を分割する代わりに光検出器１０９ｃで検出された電気信号を分割し、移相器を用いて電気的に位相をずらすことも可能である。
【００３９】
これを図を用いて説明すると図５Ｂの様になる。図５Ｂは、図５Ａの波長１の位相φ１に位相差φｄ（＝２π）を与えた位相φ１'を用いた本実施形態における位相φ１、φ１'、 φ２とこれらから計算される等価位相より求められる単一波長の個数とφ１またはφ２を用いて求められる測定変位ｄ、ｄ'の変化を示す図である。
【００４０】
図中のφ１は波長λ１の位相、φ１'は波長板によって位相φ１から位相がπ異なる波長λ１の位相、φ２は波長λ２の位相、φeqはφ１とφ２による等価位相、φeq'はφ１'とφ２による等価位相である。縦軸は検出される位相、横軸は変位を示す。これよりφ１の波長が光源の揺らぎや空気の揺らぎ等で波長が揺らぐと図中の点線のようになり、計算で使用している波長と実際の波長が合わないため、単一波長の個数（整数）を計算する際に±１の誤差を含むことがあり、これにより変位の計算時に使用している単一波長の半波長分の誤差を生じる。そこで、φ１が３６０°（０°）付近の時は、φ１と比べて位相がπ異なるφ１'を等価位相の計算に用いる。するとφ１とφ２から計算された変位ｄとφ１'とφ２から計算された変位ｄ'では半波長の誤差が発生する部分が異なる。ここでφ１'はφ１と比べて位相がπ異なっていることが既知であるため、変位ｄ'を変位ｄに換算することができる。したがって位相φ１の値によって変位ｄと変位ｄ'を使い分けることで半波長の誤差が生じない測定を行うことができる。ちなみにφ１とφ１'はある程度位相が異なればよいため、位相差がπでなくともよい。
【００４１】
（第２の実施形態）
本発明を高精度な三次元形状測定に応用した第２の実施形態を図２に示す。基本的な光学系は従来の光ヘテロダイン干渉計と同じである。
【００４２】
図２において、１０１、１０２はドライバ１２９ａ、１２９ｂにより駆動される半導体レーザ光源であり、それぞれ可干渉性の単一波長（λ１、λ２）の光を発振する。半導体レーザ光源１０１、１０２から発振されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０３により同一光路に合成される。
【００４３】
このレーザ光は主軸方位４５°におかれた半波長板１０４により波長λ１、λ２のレーザ光ともに方位が４５°になるように変換され、音響光学素子１０５ａで周波数シフトを受け、周波数のわずかに異なるｆ１、ｆ２のレーザ光となる。この光は直交直線偏光になっている。音響光学素子１０５ａは音響光学素子ドライバ１０５ｂで駆動されている。
【００４４】
レーザ光はビームスプリッタ１０６ａで透過光と反射光に分割され、反射光は波長選択フィルタ１０７ａで波長λ１を選択され方位４５°の直線偏光子１０８ａで干渉し、光検出器１０９ａで参照ビート信号として光電検出される。ここで選択する波長はλ２でもかまわない。また参照信号は、音響光学素子ドライバ１０５ｂからの駆動電圧からミキサ回路を用いて作ることも可能である。
【００４５】
透過光はビームエキスパンダ１１０でビーム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ１１１へ入射する。偏光ビームスプリッタ１１１に入射したレーザ光は、偏光成分により二つに分割される。偏光ビームスプリッタ１１１を通過した周波数ｆ１の偏光成分は、四分の一波長板１１２ａを通過し、対物レンズ１１３により被測定試料１１４面上に焦点を結び、反射される、ここで対物レンズ１１３を用いることにより被測定試料１１４に面傾斜がある場合においても面傾斜角が対物レンズ１１３の半開角以下であれば反射光の一部が必ず戻るため、面傾斜がある試料も測定する事が出来る。
【００４６】
被測定試料１１４は光軸と直交する面内方向の二軸（ＸＹ軸）を持つ試料ステージ１１５上に設置されている。試料ステージ１１５にはＸ軸レーザ測長器１２５とＸ軸測長用ミラー１２４及び図に記入していないがＹ軸レーザ測長器とＹ軸測長用ミラーが設置してあり、試料ステージ１１５の位置は精密に測定される。
【００４７】
偏光ビームスプリッタ１１１で反射した周波数ｆ２の偏光成分は、四分の一波長板１１２ｂを通過し、参照平面鏡Ｍ１で反射される。両方の光路中にある四分の一波長板１１２ａ、１１２ｂは、入射偏光に対して出射偏光方位を９０°回転させることで、光源へ反射光を戻さない役割をしている。
【００４８】
周波数ｆ１、ｆ２の反射光は再び偏光ビームスプリッタ１１１でひとつに合成される。合成されたレーザ光は方位４５°に設置された直線偏光子１０８ｂを通過し、ビームスプリッタ１０６ｂで透過光と反射光に分離される。ビームスプリッタ１０６ｂを透過したレーザ光は波長選択フィルタ１０７ｂで波長λ１のレーザ光だけが選択され集光レンズ１１６ａにより光検出器１０９ｂ上に集光され測定ビート信号として光電検出される。
【００４９】
ビームスプリッタ１０６ｂで反射したレーザ光は波長選択フィルタ１０７ｃで波長λ２のレーザ光だけが選択され、集光レンズ１１６ｂにより光電検出器１０９ｃ上に集光されて測定ビート信号として光電検出される。
【００５０】
光ヘッド１２１には光軸（Ｚ）方向測長用ミラー１２２が固定されており、光ヘッド１２１のＺ軸位置はＺ軸レーザ測長器１２３で精密に測定されている。光検出器１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃで光電検出された測定ビート信号は参照ビート信号を基準として電気位相計１１７ａ、１１７ｂで位相変化を検出される。この位相検出はロックインアンプでもかまわない。このビート信号の位相差及びＺ軸測長器１２３からの信号はＡ／Ｄ変換器１１８を介してコンピュータ１１９に取り込まれる。またコンピュータ１１９からの信号によりサーボドライバ１２０を介して駆動装置１２６、１２７を駆動することで試料ステージ１１５、光ヘッド１２１は駆動される。
【００５１】
次にこの装置を用いて被測定試料１１４の３次元形状を測定する方法を説明する。最初に光ヘッド１２１を被測定試料１１４に接近（Ｚ軸方向）させながら光検出器１０９ｂ、１０９ｃでビート信号を検出し、測定ビート信号の強度が最大になる位置で光ヘッド１２１を止める。この状態で測定光は被測定試料１１４面上にフォーカスしているので、この位置における参照ビート信号と測定ビート信号の位相差を波長λ１、λ２それぞれ独立して測定する、この位相差φ１、φ２より参照ミラーＭ１と被測定試料１１４の等価波長で測定したときの光路長差Ｌeqが求められる。さらにこのＬeqから、単一波長で測定したときの光路長差Ｌ１、Ｌ２を計算する。このＬ１、Ｌ２を一定にするように光ヘッド１２１をＺ軸方向にサーボをかけながら試料ステージ１１５をＸＹ軸に走査し、光ヘッド１２１のＺ軸方向の移動をＺ軸レーザ測長器１２３で検出する。また測定ビート信号からサーボ系のエラーを求め、Ｚ測長器１２３からのデータを補正する。これにより被測定試料１１４の三次元形状を精密に計測することが出来る。
【００５２】
上記実施形態では光ヘッドをＺ軸、試料ステージをＸＹ方向に移動させたが、これは光ヘッドと試料ステージがＸＹＺ座標で相対的に任意に移動できれば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させるようにしてもよい。
【００５３】
上記での参照ミラーＭ１と被測定試料１１４の光路長差の計算については第１の実施形態と同様である。
【００５４】
次に本実施形態における空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差の回避方法を説明する。
【００５５】
本実施形態では、位相φ１（φ２）が３６０°（０°）付近になった時には半導体レーザドライバ１２９ａの駆動電流を一定値増加または減少させることで、発振波長をあらかじめ決めた量シフトすることにより波長λ１（あるいはλ２）の位相を任意量シフトさせてφ１'を検出する。駆動電流に対する位相シフト量はあらかじめ別手段を用いることで調べておく。これにより位相シフトする前の位相φ１を用いた等価位相φeqと位相シフトした後の位相φ１'を用いた等価位相φeq'を任意量ずらすことができる。したがって波長λ１の位相φ１が３６０°（０°）付近にきた時は、半導体レーザドライバの駆動電流を制御して位相をあらかじめ設定した任意量シフトさせ、等価位相φeq'を変位の計算に用いる。このとき等価波長φeqとφeq'の差異は半導体レーザドライバの駆動電流から既知であるため、等価位相φeq'からφeqへ位相を変換することができる。これにより空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差を回避することができる。
【００５６】
（第３の実施形態）
本発明を高精度な三次元形状測定に応用した第３の実施形態を図３に示す。
【００５７】
図３において、１０１、１０２はゼーマン効果を利用したゼーマンレーザでそれぞれ可干渉性の単一波長（λ１、λ２）を発振する。これらの偏光は直交直線偏光である。レーザ光源１０１、１０２から発振されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０３により同一光路に合成される。
【００５８】
レーザ光はビームスプリッタ１０６ａで透過光と反射光に分割され、反射光は波長選択フィルタ１０７ａで波長λ１を選択され方位４５°の直線偏光子１０８ａで干渉し、光検出器１０９ａで参照ビート信号として光電検出される。ここで選択する波長はλ２でもかまわない。
【００５９】
透過光はビームエキスパンダ１１０でビーム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ１１１へ入射する。偏光ビームスプリッタ１１１に入射したレーザ光は、偏光成分により二つに分割される。偏光ビームスプリッタ１１１を通過した周波数ｆ１の偏光成分は、四分の一波長板１１２ａを通過し、対物レンズ１１３により被測定試料１１４面上に焦点を結び、反射される、ここで対物レンズ１１３を用いることにより被測定試料１１４に面傾斜がある場合においても面傾斜角が対物レンズ１１３の半開角以下であれば反射光の一部が必ず戻るため、面傾斜がある試料も測定する事が出来る。
【００６０】
被測定試料１１４は光軸と直交する面内方向の二軸（ＸＹ軸）を持つ試料ステージ１１５上に設置されている。試料ステージ１１５にはＸ軸レーザ測長器１２５とＸ軸測長用ミラー１２４及び図に記入していないがＹ軸レーザ測長器とＹ軸測長用ミラーが設置してあり、試料ステージ１１５の位置は精密に測定される。
【００６１】
偏光ビームスプリッタ１１１で反射した周波数ｆ２の偏光成分は、四分の一波長板１１２ｂを通過し、参照平面鏡Ｍ１で反射される。両方の光路中にある四分の一波長板１１２ａ、１１２ｂは、入射偏光に対して出射偏光方位を９０°回転させることで、光源へ反射光を戻さない役割をしている。
【００６２】
周波数ｆ１、ｆ２の反射光は再び偏光ビームスプリッタ１１１でひとつに合成される。合成されたレーザ光は方位４５°に設置された直線偏光子１０８ｂを通過し、ビームスプリッタ１０６ｂで透過光と反射光に分離される。
【００６３】
ビームスプリッタ１０６ｂを透過したレーザ光は波長選択フィルタ１０７ｂで波長λ１のレーザ光だけが選択され集光レンズ１１６ａにより光検出器１０９ｂ上に集光され測定ビート信号として光電検出される。
【００６４】
ビームスプリッタ１０６ｂで反射したレーザ光は波長選択フィルタ１０７ｃで波長λ２のレーザ光だけが選択され、集光レンズ１１６ｂにより光電検出器１０９ｃ上に集光されて測定ビート信号として光電検出される。
【００６５】
光ヘッド１２１には光軸（Ｚ）方向測長用ミラー１２２が固定されており、光ヘッド１２１のＺ軸位置はＺ軸レーザ測長器１２３で精密に測定されている。光検出器１０９ｂ、１０９ｃで光電検出された測定ビート信号は参照ビート信号を基準として電気位相計１１７ａ、１１７ｂで位相変化を検出される。この位相検出はロックインアンプでもかまわない。このビート信号の位相差及びＺ軸測長器１２３からの信号はＡ／Ｄ変換器１１８を介してコンピュータ１１９に取り込まれる。またコンピュータ１１９からの信号によりサーボドライバ１２０を介して駆動装置１２６、１２７を駆動することで試料ステージ１１５、光ヘッド１２１は駆動される。
【００６６】
次にこの装置を用いて被測定試料１１４の３次元形状を測定する方法を説明する。
【００６７】
最初に光ヘッド１２１を被測定試料１１４に接近（Ｚ軸方向）させながら光検出器１０９ｂ、１０９ｃでビート信号を検出し、測定ビート信号の強度が最大になる位置で光ヘッド１２１を止める。この状態で測定光は被測定試料１１４面上にフォーカスしているので、この位置における参照ビート信号と測定ビート信号の位相差を波長λ１、λ２それぞれ独立して測定する、この位相差φ１、φ２より参照ミラーＭ１と被測定試料１１４の等価波長で測定したときの光路長差Ｌeqが求められる。さらにこのＬeqから、単一波長で測定したときの光路長差Ｌ１、Ｌ２を計算する。このＬ１、Ｌ２を一定にするように光ヘッド１２１をＺ軸方向にサーボをかけながら試料ステージ１１５をＸＹ軸に走査し、光ヘッド１２１のＺ軸方向の移動をＺ軸レーザ測長器１２３で検出する。また測定ビート信号からサーボ系のエラーを求め、Ｚ測長器１２３からのデータを補正する。これにより被測定試料１１４の三次元形状を精密に計測することが出来る。
【００６８】
上記実施形態では光ヘッドをＺ軸、試料ステージをＸＹ方向に移動させたが、これは光ヘッドと試料ステージがＸＹＺ座標で相対的に任意に移動できれば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させるようにしてもよい。
【００６９】
上記での参照ミラーＭ１と被測定試料１１４の光路長差の計算については第１の実施形態と同様である。
【００７０】
次に本実施形態における空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差の回避方法を説明する。
【００７１】
本実施形態では、波長λ１の位相φ１が３６０°（０°）付近になった時には１／２波長板１０４をレーザ光源１０１と偏光ビームスプリッタ１０３の間に挿入することで波長λ１の位相をπシフトさせる。これによりφ１に対して位相がπシフトした位相φ１'を求めることができる。これより位相シフトする前の位相φ１を用いた等価位相φeqと位相シフトした後の位相φ１'を用いた等価位相φeq'は位相がπ異なる。したがって波長λ１の位相φ１が３６０°（０°）付近以外では１／２波長板１０４を光路からはずし位相φ１、等価位相φeqを求め、波長λ１の位相φ１が３６０°（０°）付近の時は１／２波長板１０４を挿入し位相φ１'、等価位相φeq'を求める。等価波長φeqとφeq'の差異は既知であるため等価位相φeq'からφeqへ位相を変換することができる。これにより空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差を回避することができる。
【００７２】
以上説明したように、上記の第１乃至第３の実施形態によれば、複数の異なる波長のレーザ光を用いた多波長光ヘテロダイン干渉法による高精度な干渉測定法および装置において、等価波長を用いることにより位相測定の測定レンジを拡大し、かつ単独波長で測定した位相の変化量を用いることで高精度測定に対応することができる。
【００７３】
また、単独波長の位相を任意量変化させた位相を用いることで異なる等価波長を２つ以上求め、適切な計算を実行することで測定光路の空気揺らぎなどで起こる単独波長の個数の計算間違いによる誤差を無くして、測定範囲の拡大と高精度化という相反する要求を同時に満足することが可能となる。
【００７４】
また、検出系を簡略化することができる。
【００７５】
また、基本的な光学系を２波長光ヘテロダイン干渉計から変更することなく、位相測定の測定レンジを拡大し、高精度測定に対応することができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、位相測定の測定レンジを拡大し、且つ高精度測定に対応することが可能となる。
【００７７】
また、測定光路の空気揺らぎなどで起こる単独波長の個数の計算間違いによる誤差を無くして、測定範囲の拡大と高精度化という相反する要求を同時に満足することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の高精度三次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の高精度三次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の高精度三次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図４】単独位相と等価位相の関係を示す図である。
【図５Ａ】波長が揺らいだ時の位相、変位の関係図である。
【図５Ｂ】位相接続、変位の関係図である。
【図６】従来例を示す図である。
【符号の説明】
１０１  レーザ光源λ１
１０２  レーザ光源λ２
Ｍ１  参照ミラー
１０３,１１１  偏光ビームスプリッタ
１０４  １／２波長板
１０５ａ  ＡＯＭシフタ
１０５ｂ  ＡＯＭドライバ
１０６ａ,１０６ｂ  ビームスプリッタ
１０７ａ,１０７ｂ  波長選択フィルタ
１０８ａ,１０８ｂ,１０８ｃ,１０８ｄ  直線偏光子
１０９ａ,１０９ｂ,１０９ｃ,１０９ｄ  光検出器
１１０  ビームエクスパンダ
１１２ａ,１１２ｂ  １／４波長板
１１３  対物レンズ
１１４  測定ワーク
１１５  ステージ
１１６ａ,１１６ｂ,１１６ｃ  レンズ
１１７ａ,１１７ｂ,１１７ｃ  位相計
１１８  Ａ／Ｄ変換器
１１９  ＰＣ
１２０  Ｄ／Ａ変換器
１２１  光ヘッド
１２２  Ｚ軸ミラー
１２３  Ｚ軸測長器
１２４  Ｘ軸ミラー
１２５  Ｘ軸測長器
１２６  Ｚ軸モータ
１２７  Ｘ軸モータ
１２８  １／２波長板
１２９ａ,１２９ｂ  半導体レーザドライバ
【図１】
0003826044.tif 000002
【図２】
0003826044.tif 000003
【図３】
0003826044.tif 000004
【図４】
0003826044.tif 000005
【図５Ａ】
0003826044.tif 000006
【図５Ｂ】
0003826044.tif 000007
【図６】
0003826044.tif 000008