JP4100663B2 - 絶対厚み測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体である平行平面板の絶対厚みを高精度で測定するように構成された絶対厚み測定装置に関し、詳しくは、平行平面板の両側に各々干渉計を対じさせ、各干渉計により、その干渉計に対応する平行平面板の面についての干渉縞情報を得るように構成された絶対厚み測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光学部材等の被検体の表面形状を測定する手段として、光源からの可干渉光を２分割し、一方の光線束を被検面に入射させてその反射光を物体光とするとともに他方の光線束を基準面に入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞に基づく被検体の表面形状を測定する干渉計装置が知られている。また、このような干渉計を用いた平行平面板の両面形状および厚みムラ測定装置も知られている。
【０００３】
この両面形状および厚みムラ測定装置は、被検体となる不透明の平行平面板を被検体保持部材で保持するとともに、その両側に１対の干渉計を対向配置した状態で、該平行平面板の両面を被検面として干渉縞測定を行うことにより、平行平面板の両面の表面形状の測定を行うとともに両干渉計の干渉縞測定結果を用いて平行平面板の厚みムラを解析的に測定するように構成されている。
【０００４】
この種の両面形状および厚みムラ測定装置においては、両干渉計の基準面相互の平行度が十分確保されているとの前提で干渉縞測定が行われているが、平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合には、平行平面板の両面の表面形状およびその厚みムラの測定結果が不正確なものとなってしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、本願発明者は、両干渉計の基準面相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板の両面の表面形状およびその厚みムラを正確に測定することができる両面形状および厚みムラ測定装置を開示している（特開2000−275022号公報）。この装置は、被検体となる不透明の平行平面板（例えば、セラミック板、金属板、ブロックゲージ等）の両側に１対の干渉計を対向配置し、各干渉計により平行平面板の対向する面を被検面として干渉縞測定を行うとともに、これと前後して基準面相互間の干渉縞測定を行うようにしたものである。
【０００６】
これにより、平行平面板の両面の表面形状の測定およびその厚みムラの測定を行う際、基準面相互間の干渉縞測定結果を用いて両干渉計の基準面相互の平行度のずれを補正することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した測定装置においては、両干渉計の基準面相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板の両面の表面形状およびその厚みムラを正確に測定することができるものの、この平行平面板の絶対厚みを測定することは困難である。
【０００８】
近年、光学や材料技術等の各種分野においては不透明な平行平面板の絶対厚みを非接触で高精度に測定することへの要求は強く、その簡易な測定装置が望まれていた。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、不透明な平行平面板の絶対厚みを非接触かつ高精度に測定し得る簡易な絶対厚み測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の絶対厚み測定装置は、光源からの出射光束を２分割し、一方の光束を被検面に入射させてその反射光を物体光とするとともに他方の光束を基準面に入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞に基づいて前記被検面を測定するように構成された１対の第１および第２の干渉計と、被検体となる不透明の平行平面板を保持する被検体保持部材とを備え、
前記平行平面板の両面の一面側に前記第１の干渉計を、他面側に前記第２の干渉計を各々の出射光束が対向するように配置した状態で該平行平面板の両面を被検面として干渉測定を行うように構成された測定装置において、
前記光源を波長可変光源とするとともに、前記第１および第２の干渉計の各々について該光源から出射された光の波長を変化させつつ、所定の波長ずつ変化させる毎に干渉縞画像を得、これら得られた複数枚の干渉縞画像に基づき、下記演算式（１）〜（３）を用いて前記被検面と前記基準面間の距離を測定するようになし、
前記第１の干渉計により測定された、該第１の干渉計の基準面である第１基準面とこれに対向する前記平行平面板の面までの距離ＤＡと、前記第２の干渉計により測定された、該第２の干渉計の基準面である第２基準面とこれに対向する前記平行平面板の面までの距離ＤＢとを、前記第１または第２の干渉計により測定された、前記第１基準面から前記第２基準面までの距離ＤＣから減算処理して前記平行平面板の絶対厚みｄを算出するように構成されてなることを特徴とするものである。
【数２】
【００１１】
また、前記波長可変光源を波長可変レーザ光源とし、前記第１および第２の干渉計をフィゾー型干渉計とすることが可能である。
【００１２】
また、本発明の第２の絶対厚み測定装置は、光源からの出射光束を２分割し、一方の光束を被検面に入射させてその反射光を物体光とするとともに他方の光束を基準面に入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞に基づいて前記被検面を測定するように構成された１対の第１および第２の干渉計と、被検体となる不透明の平行平面板を保持する被検体保持部材とを備え、
前記平行平面板の両面の一面側に第１の等光路長型干渉計を、他面側に第２の等光路長型干渉計を各々の出射光束が対向するように配置した状態で該平行平面板の両面を被検面として干渉測定を行うように構成された測定装置において、
前記光源を低可干渉光出力光源とするとともに、前記平行平面板の両面に各々離間対向して、基準位置決定面を有する透明な基準位置決定板を各々設け、
前記第１および第２の等光路長型干渉計の前記第１および第２基準面を各々光軸方向に移動可能とするとともに、前記第１および第２基準面各々の現在位置を読取可能な検出手段を設け、
前記第１の等光路長型干渉計の前記第１基準面を移動することにより、前記平行平面板の該第１の等光路長型干渉計側に配設された第１基準位置決定面、前記平行平面板の前記第２の等光路長型干渉計側に配設された第２基準位置決定面、および前記平行平面板の前記第１の等光路長型干渉計側の面の各々について、干渉縞が得られた際の、前記第１の等光路長型干渉計の前記第１基準面の各現在位置情報に基づき、前記第１基準位置決定面から前記平行平面板の前記第１の等光路長型干渉計側の面までの距離ＤＡと、前記第１基準位置決定面から前記第２基準位置決定面までの距離ＤＣを得、
前記第２の等光路長型干渉計の前記第２基準面を移動することにより、前記第２基準位置決定面、および前記平行平面板の前記第２の等光路長型干渉計側の面の各々について、干渉縞が得られた際の前記第２の等光路長型干渉計の前記第２基準面の各現在位置情報に基づき、前記第２基準位置決定面から前記平行平面板の前記第２の等光路長型干渉計側の面までの距離ＤＢを得、
前記距離ＤＡと前記距離ＤＢとを、前記距離ＤＣから減算処理して前記平行平面板の絶対厚みを算出するように構成されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記被検体保持部材が、前記平行平面板を１対の前記干渉計の光束に対して挿脱自在とし得るように構成することが好ましい。
【００１４】
あるいは、前記被検体保持部材が、１対の前記干渉計の一方から出射された光束の一部を１対の前記干渉計の他方の前記基準面まで到達せしめる開口部を備えることが好ましい。
【００１５】
これらの場合において、１対の前記干渉計のうち前記干渉縞を観察する際に前記測定には関与しない干渉計から出射される光束が、前記測定に関与する干渉計に入射することを防止する遮光部材を設けることが好ましい。
【００１６】
なお、上述した「等光路長型干渉計」とは、物体光の光路長と参照光の光路長が略等しくなるように構成された干渉計のことをいうものとする。
また、上記「低可干渉光」とは、上述した如く、この低可干渉光によって形成された干渉縞が現れた際の、第１および第２基準面位置の読取精度に大きな影響を与えない程度の小さい可干渉距離（例えば数μｍ以下）を有する光をいうものとし、白色光が代表的な例であるが、必ずしも可視光域全域に亘って強度を有する必要はない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
まず、本発明に係る第１の実施形態について説明する。
図２は、波長可変レーザ光源を用いた第１の実施形態に係る絶対厚み測定装置１０を示す全体構成図である。
【００１９】
図示のように、この絶対厚み測定装置１０は、１対の干渉計１２Ａ、１２Ｂと、被検体となる不透明の平行平面板（例えば、セラミック板、金属板、ブロックゲージ等）２を保持する被検体保持部材１４と、コンピュータ１６と、モニタ１８とを備えてなり、平行平面板２の両側に１対の干渉計１２Ａ、１２Ｂを対向配置した状態で平行平面板２の両面２ａ、２ｂを被検面として干渉縞測定を行うことにより、平行平面板２の絶対厚みおよび厚みムラを測定するように構成されている。
【００２０】
各干渉計１２Ａ、１２Ｂは、フィゾー型の干渉計であって、その干渉計本体２０Ａ、２０Ｂにより、図示しない波長可変レーザ光源からの可干渉光を基準板２２Ａ、２２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａに入射させ、該基準面２２Ａａ、２２Ｂａにおいて透過光線束と反射光線束とに２分割し、透過光線束を被検面２ａ、２ｂに入射させてその反射光を物体光とするとともに基準面２２Ａａ、２２Ｂａにおける反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞を図示しないＣＣＤカメラに取り込んで干渉縞を測定するようになっている。
【００２１】
ところで、本実施形態装置においては、上述したように測定用光源として、波長可変レーザ光源を用いている。これは、波長可変レーザ光源からの光の波長を走査し、所定の波長走査毎に取り込んだ干渉縞に対して所定の周波数解析を施すことによって光路長差を求めることができる、という論理に基づいている。このように、本実施形態装置においては、測定用光源として光路長差を求めることのできる波長可変レーザ光源を用いることにより、被検体となる平行平面板の絶対厚みおよび厚みムラを測定することができるようになっている。
【００２２】
上述した周波数解析による光路長差の測定は、具体的には以下のような手順で行われる。
すなわち、波長可変レーザにより、波数をｋ１からｋ２に走査し、Δｋ毎に画像を取り込んだ場合には、干渉縞強度変化Ｉ(ｘ、ｙ、ｋ)は、下式（１）で表される。
【００２３】
【数１】
【００２４】
ここで、Ｌ（ｘ、ｙ）は光路長差、Ｉ０（ｘ、ｙ）は強度分布、γは干渉縞モジュレーションをそれぞれ示す。このときの所定画素における干渉縞変化がｎ回であったとすると、下式（２）で表される。
【００２５】
【数２】
ここで、ｋ=２π／λであるから、下式（３）が求められる。
【００２６】
【数３】
【００２７】
すなわち、波長を走査した際の周波数ｎを求めることにより、光路長差を測定することが可能となる。
なお、上記周波数ｎを決定するためには、本出願人が既に開示している特開2001−272214号公報に記載されているようにフーリエ変換を用いることが可能である。
【００２８】
また、本実施形態においては、より詳しい縞解析が可能な位相シフト波長走査干渉法を用いている。位相シフト波長走査干渉法とは、波長可変レーザ光源を用いた干渉計において、高精度な測定を実現するために、波長を走査し、所定の波長走査毎に、PZT等により参照面を光軸方向に移動させ、位相シフトさせて位相を求め、これにより各波長毎の位相を順次測定して光路長差Ｌ（ｘ、ｙ）を求める手法である。位相シフト波長走査干渉法についての詳細な説明については上述した特開2001−272214号公報に記載されているので、ここでは数式的な解法についての説明は省略し、それを可能とするための機構についての構成のみについて言及する。
【００２９】
すなわち、各干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準板２２Ａ、２２Ｂは、ＰＺＴ駆動回路２４Ａ、２４Ｂに接続された複数のピエゾ素子２６Ａ、２６Ｂを介して基準板支持部材２８Ａ、２８Ｂに支持されている。そして、各干渉計１２Ａ、１２Ｂにおいては、波長可変レーザ光源による所定の波長走査毎にピエゾ素子２６Ａ、２６Ｂに所定電圧を印加して該ピエゾ素子２６Ａ、２６Ｂを駆動することにより基準板２２Ａ、２２Ｂを光軸Ａｘ方向に移動させるとともに、この移動により変化する干渉縞の画像データをコンピュータ１６に出力するようになっている。
【００３０】
コンピュータ１６は、各干渉計１２Ａ、１２Ｂから入力された干渉縞の画像データに基づいてフリンジスキャニング法を用いて干渉縞の自動解析を行い、被検面２ａ、２ｂの形状測定（凹凸判定および立体形状測定）を行うとともに、干渉縞あるいは立体形状の画像データをモニタ１８に表示するようになっている。なお、ここでいうフリンジスキャニング法とは、基準面２２Ａａ、２２Ｂａと被検面２ａ、２ｂとの相対距離を変化させながら所定のフリンジスキャンステップ毎の干渉縞画像データから被検面２ａ、２ｂの各点における干渉縞強度を測定し、その測定結果を用いて、その波長における、各点の位相計算等の干渉縞解析を行う手法である。
【００３１】
本実施形態に係る絶対厚み測定装置１０は、上述したように平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定を行うとともに、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの干渉縞測定結果を用いて平行平面板２の絶対厚みおよび厚みムラを解析的に測定するように構成されている。
【００３２】
なお、本実施形態装置においては、干渉計本体２０Ａ、２０Ｂは、図１に示す如く構成されている。すなわち、各々の干渉計本体２０Ａ、２０Ｂにおいて、波長可変レーザ光源３１Ａ、３１Ｂから出力されたレーザ光はレンズ３２Ａ、３２Ｂによって発散され、ハーフプリズム３３Ａ，３３Ｂを介し、コリメータレンズ３４Ａ、３４Ｂによって平行光束として外部に出力されるように構成されている。
【００３３】
一方、基準板２２Ａ，２２Ｂ方向から入射した干渉光はハーフプリズム３３Ａ、３３Ｂにより反射されて、結像レンズ３８Ａ、３８Ｂを介してＣＣＤカメラ等からなる撮像装置３９Ａ、３９Ｂ内に入射するように構成されている。
【００３４】
本実施形態に係る絶対厚み測定装置１０においては、以下に示す手順〈1〉〜〈9〉に従い、上述した平行平面板２の両面２ａ，２ｂの表面形状の測定を行うとともに、両干渉計１２Ａ，１２Ｂの干渉縞測定結果を用いて平行平面板２の絶対厚みおよび厚みムラを解析的に測定するようになっている。以下、図１〜５を参照しつつ説明する。
【００３５】
〈1〉平行平面板２を図３に示す如く光路上から退出させる。また、後述する遮光部材３０（図３参照）を光路上に挿入する。
【００３６】
〈2〉干渉計１２Ａにおいて波長可変レーザ光源３１Ａからレーザ光を出射するとともに、該レーザ光の波数をｋ１からｋ２まで走査し、Δｋ毎に、上述したフリンジスキャニング法を用いて干渉縞画像を取り込み、取込んだ干渉縞画像を解析し、上述した式（３）を用いて干渉計１２Ａの基準面２２Ａａと干渉計１２Ｂの基準面２２Ｂａとの間隔ＤＣを求め、これをコンピュータ１６のメモリ内に記憶する。
【００３７】
〈3〉平行平面板２を図２に示す如く干渉計１２Ａの基準板２２Ａと干渉計１２Ｂの基準板２２Ｂとの間の光路上に挿入する。また、後述する遮光部材３０（図２参照）を光路上から退出させる。
【００３８】
〈4〉波長可変レーザ光源３１Ａからレーザ光を出射するとともに、該レーザ光の波数をｋ１からｋ２まで走査し、Δｋ毎に、上述したフリンジスキャニング法を用いて干渉縞画像を取り込み、取込んだ干渉縞画像を解析し、上述した式（３）を用いて干渉計１２Ａの基準面２２Ａａと平行平面板２のＡ側面２ａ上の所定点Ｐａ（図示せず）との間隔ＤＡを求めるとともに、平行平面板２のＡ側表面２ａの全体形状分布を求め、これをコンピュータ１６のメモリ内に記憶する。
【００３９】
〈5〉波長可変レーザ光源３１Ｂからレーザ光を出射するとともに、該レーザ光の波数をｋ１からｋ２まで走査し、Δｋ毎に、上述したフリンジスキャニング法を用いて干渉縞画像を取り込み、取込んだ干渉縞画像を解析し、上述した式（３）を用いて干渉計１２Ｂの基準面２２Ｂａと、平行平面板２のＢ側面２ｂ上の上記図示しない所定点Ｐａと表裏の位置関係にある所定点Ｐｂ（図示せず）との間隔ＤＢを求めるとともに、平行平面板２のＢ側表面２ｂの全体形状分布を求め、これをコンピュータ１６のメモリ内に記憶する。
【００４０】
〈6〉上記手順〈2〉において求めた干渉計１２Ａの基準面２２Ａａと干渉計１２Ｂの基準面２２Ｂａとの間隔ＤＣから、上記手順〈4〉において求めた干渉計１２Ａの基準面２２Ａａと平行平面板２のＡ側表面２ａ上の所定点Ｐａとの間隔ＤＡ、および上記手順〈5〉において求めた干渉計１２Ｂの基準面２２Ｂａと平行平面板２のＢ側表面２ｂ上の所定点Ｐｂとの間隔ＤＢを差し引くことで、平行平面板２の点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄを求める。図４は、この手法を模式的に示すものである。
【００４１】
〈7〉図４に示すように上記手順〈6〉において求めた平行平面板２の点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄと、上記手順〈4〉において求めた平行平面板２のＡ側表面２ａの形状と、上記手順〈5〉において求めた平行平面板２のＢ側表面２ｂの形状とから、平行平面板２全体の絶対厚みと厚みムラの分布とを求める。
【００４２】
また、上述した厚みムラ測定は、図５に示すように、平行平面板２の各面２ａ、２ｂにおける各点の光軸直交平面からの変位量Δａ、Δｂのデータを用い、その差Δａ−Δｂを算出することにより行われる。
【００４３】
その際、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａが完全に平行であれば、上記Δａ−Δｂの値がそのまま平行平面板２の厚みムラを表わすこととなるが、一般には基準面２２Ａａ、２２Ｂａが完全に平行ということはあり得ないので、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度を加味して厚みムラの測定が行われるようにすることが好ましい。具体的には、上記手順〈2〉において、フリンジスキャニング法を用いて得られた、複数枚干渉縞画像に基づいて両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度を測定し、そのずれを補正すればよい。
【００４４】
このようにして求められた、平行平面板２全体の厚みムラの分布を上述した点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄに加味することにより、平行平面板２全体の絶対厚みを求めることができる。
【００４５】
本実施形態においては、被検面２ａ、２ｂおよび基準面２２Ａａ、２２Ｂａ間の干渉縞測定とともに基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定を行い得るようにするため、以下のような構成が採用されている。
【００４６】
図２は、被検面２ａ、２ｂおよび基準面２２Ａａ、２２Ｂａ間の干渉縞測定の様子を示すものであり、図３は、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定の様子を示すものである。
【００４７】
被検体保持部材１４は、図２および図３において矢印で示すように、両基準板２２Ａ、２２Ｂの中間において両干渉計１２Ａ、１２Ｂの光路内の被検体測定位置（図２に示す位置）と光路外の退避位置（図３に示す位置）とを採り得るよう光軸直交方向に移動可能に設けられている。そして、この被検体保持部材１４は、被検面２ａ、２ｂおよび基準面２２Ａａ、２２Ｂａ間に形成される干渉縞を測定する際には、被検体測定位置に移動せしめられ、これにより各干渉計１２Ａ、１２Ｂによる被検面２ａ、２ｂの形状測定を可能ならしめるようになっている。一方、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞を測定する際には、退避位置に移動せしめられるようになっている。
【００４８】
また、１対の干渉計１２Ａ、１２Ｂのうち一方の干渉計１２Ｂには、その光源からの可干渉光を遮蔽し得る遮光部材３０が設けられている。この遮光部材３０は、図２および図３において矢印で示すように、干渉計本体２０Ｂと基準面２２Ｂａとの間において光路内の遮蔽位置（図３に示す位置）と光路外の退避位置（図２に示す位置）とを採り得るよう光軸直交方向に移動可能に設けられている。そして、この遮光部材３０は、被検面２ａ、２ｂおよび基準面２２Ａａ、２２Ｂａ間に形成される干渉縞を測定する際には、退避位置に移動せしめられた状態にあるが、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間に形成される干渉縞を測定する際には、遮蔽位置に移動せしめられ、これにより干渉計１２Ｂの光源からの可干渉光を遮蔽した状態で、他方の干渉計１２Ａによる基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定を可能ならしめるようになっている。
【００４９】
以上詳述したように、本実施形態に係る絶対厚み測定装置１０は、各干渉計１２Ａ、１２Ｂにより被検体保持部材１４に保持された平行平面板２の各面２ａ、２ｂを被検面として干渉縞測定を行うようになっているが、被検体保持部材１４は１対の干渉計１２Ａ、１２Ｂの光路外へ退避可能に設けられるとともに、一方の干渉計１２Ｂにはその光源からの可干渉光を遮断し得る遮光部材３０が設けられているので、上記干渉縞測定の前または後に、被検体保持部材３０を光路外に退避させるとともに遮光部材３０により干渉計１２Ｂの光源からの可干渉光を遮断することにより、この状態で干渉計１２Ａによる基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定を行うことができる。
【００５０】
そしてこれにより、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定およびその厚みムラの測定を行う際、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定結果を用いてその平行度のずれを補正することができる。
【００５１】
したがって、本実施形態によれば、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状、その絶対厚みおよび厚みムラを正確に測定することができる。
【００５２】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。
【００５３】
図６は、本実施形態に係る絶対厚み測定装置１１０を示す全体構成図である。図示のように、この絶対厚み測定装置１１０は、基本的構成は図２に示す絶対厚み測定装置１０と同様であるが、被検体保持部材１４および遮光部材３０の構成が異なっている。
【００５４】
すなわち、本実施形態における被検体保持部材１１４は両干渉計１２Ａ、１２Ｂの光路内に固定配置されており、該被検体保持部材１１４には、各干渉計１２Ａ、１２Ｂの可干渉光の一部を他方の干渉計の基準面まで到達させるための開口部１１４ａが形成されている。また、本実施形態における遮光部材１３０は、干渉計１２Ｂの波長可変レーザ光源３１Ａ、３１Ｂからの可干渉光のうち開口部１１４ａに入射する可干渉光を遮断するようにして固定配置されている。
【００５５】
本実施形態においては、遮光部材１３０が設けられていない干渉計１２Ａにより開口部１１４ａを通して基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定を行うことができる。しかも、この基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定と同時に、各干渉計１２Ａ、１２Ｂにより平行平面板２の各面２ａ、２ｂを被検面とする干渉縞測定を同時に行うことができる。そして、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定、その絶対厚みおよび厚みムラの測定を行う際、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定結果を用いてその平行度のずれを補正することができる。
【００５６】
したがって、本実施形態によれば、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状、その絶対厚みおよび厚みムラを正確に測定することができる。しかも、本実施形態においては、被検体保持部材１４を光路外に退避させる必要がないので、短時間で干渉縞測定を行うことができる。
【００５７】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。
【００５８】
図７は、本実施形態に係る絶対厚み測定装置２１０を示す全体構成図である。
図示のように、この絶対厚み測定装置２１０も、基本的構成は図２に示す絶対厚み測定装置１０と同様であるが、被検体保持部材１４および遮光部材３０の構成が異なっている。
【００５９】
すなわち、本実施形態においては、図６に示す被検体保持部材１１４と同様、被検体保持部材２１４が両干渉計１２Ａ、１２Ｂの光路内に固定配置されており、該被検体保持部材２１４には、各干渉計１２Ａ、１２Ｂの可干渉光の一部を他方の干渉計の基準面まで到達させるための開口部２１４ａが形成されている。
【００６０】
また、本実施形態においては、１対の遮光部材２３０Ａ、２３０Ｂが用いられている。これら遮光部材２３０Ａ、２３０Ｂは、図２に示す遮光部材３０と同様、干渉計本体２０Ａ、２０Ｂと基準面２２Ａａ、２２Ｂａとの間において光路内の遮蔽位置と光路外の退避位置とを採り得るよう光軸直交方向に移動可能に設けられている。ただし、これら遮光部材２３０Ａ、２３０Ｂは、一方が遮蔽位置にあるとき、他方は退避位置にあるように移動制御されるようになっている。
【００６１】
本実施形態においては、遮光部材２３０Ｂにより干渉計１２Ｂの波長可変レーザ光源３１Ｂからの可干渉光を遮断した状態で、干渉計１２Ａにより基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定および平行平面板２の干渉計１２Ａ側の面２ａを被検面とする干渉縞測定を同時に行うことができ、また、遮光部材２３０Ａにより干渉計１２Ａの波長可変レーザ光源３１Ｂからの可干渉光を遮断した状態で、干渉計１２Ｂにより基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定および平行平面板２の干渉計１２Ｂ側の面２ｂを被検面とする干渉縞測定を同時に行うことができる。
【００６２】
そして、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定およびその厚みムラの測定を行う際、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定結果を用いてその平行度のずれを補正することができる。
【００６３】
したがって、本実施形態によれば、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状、その絶対厚みおよび厚みムラを正確に測定することができる。
【００６４】
その際、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定結果は、いずれか一方の干渉計のものを用いれば足りるが、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの干渉縞測定結果を用いて開口部２１４ａの光軸直交方向の位置ズレ（例えば開口部２１４ａの中心位置の位置ズレ）を比較するようにすれば、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの光軸ズレをも測定することができる。したがって、この測定結果を用いて、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定、その絶対厚みおよび厚みムラの測定を行う際に光軸ズレの補正を行うようにすれば、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状およびその厚みムラをより正確に測定することができる。
【００６５】
なお、上記各実施形態においては、各干渉計１２Ａ、１２Ｂとしてフィゾー型の干渉計を用いたものについて説明しているが、他の不等光路長型干渉計やマイケルソン型等の等光路長型干渉計を用いた場合等においても、上記各実施形態と同様の構成を採用することにより上記各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６６】
また、上記説明においては、干渉計としていわゆる縦型のものを用いているが、これに代え、光軸を水平方向に配したいわゆる横型の干渉計を用いることも可能である。
【００６７】
上述した第１〜３の実施形態では、光源として波長可変レーザ光源を用いているが、本発明の絶対厚み測定装置においては下記第４の実施形態に説明するように、光源として白色光源を用いることも可能である。ただし、光源として白色光源を用いた場合には、干渉計をマイケルソン型等の等光路長型のものによって構成することが必要である。
【００６８】
＜第４の実施形態＞
図８は、本実施形態に係る絶対厚み測定装置５００を示す全体構成図である。
図示のように、この絶対厚み測定装置５００は、１対の干渉計５１０Ａ，５１０Ｂと、被検体となる平行平面板６００を２軸調整可能に保持する被検体保持部材５０４と、図示せぬコンピュータおよびモニタとを備えてなり、平行平面板６００の両側に１対の干渉計５１０Ａ，５１０Ｂを対向配置した状態で平行平面板６００の両面６００ａ，６００ｂを被検面として干渉縞測定を行うことにより、該両面６００ａ，６００ｂの表面形状、平行平面板６００の絶対厚みおよび厚みムラを測定するように構成されている。
【００６９】
各干渉計５１０Ａ、５１０Ｂは、マイケルソン型（トワイマングリーン型）の干渉計であって、ハロゲンランプ等の白色光源５１１Ａ，５１１Ｂ、コリメータレンズ５１２Ａ，５１２Ｂ、ハーフミラーからなるビームスプリッタ５１３Ａ，５１３Ｂ、該ビームスプリッタ５１３Ａ，５１３Ｂによる光路長差を補正する補正板５１４Ａ，５１４Ｂ、反射型の基準板５１５Ａ，５１５Ｂ、透明な基準位置ガラス５１６Ａ，５１６Ｂ、集光レンズ５１７Ａ，５１７Ｂ、結像レンズ５１８Ａ，５１８Ｂ、およびＣＣＤカメラ等の撮像装置５１９Ａ，５１９Ｂを備えてなる。そして、各干渉計５１０Ａ、５１０Ｂにおいては、白色光源５１１Ａ，５１１Ｂから出力されたコヒーレントレングスの短い白色光を、ビームスプリッタ５１３Ａ，５１３Ｂの光束分割面５１３Ａａ、５１３Ｂａに入射させ、該光束分割面５１３Ａａ、５１３Ｂａにおいて透過光線束と反射光線束とに２分割する。そして、透過光線束を基準位置ガラス５１６Ａ，５１６Ｂを介して平行平面板６００の被検面６００ａ、６００ｂに入射させてその反射光を物体光とするとともに、反射光線束を基準板５１５Ａ，５１５Ｂの基準面５１５Ａａ，５１５Ｂａに入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞を撮像装置５１９Ａ，５１９Ｂにより取り込んで干渉縞を測定するようになっている。
【００７０】
また、これら各干渉計５１０Ａ，５１０Ｂは、フリンジスキャン解析機能を備えている。すなわち、各干渉計５１０Ａ，５１０Ｂの基準板５１５Ａ，５１５Ｂは、図示せぬＰＺＴ駆動回路に接続された複数のピエゾ素子（不図示）を介してＰＺＴステージ５２１Ａ，５２１Ｂに支持されている。そして、各干渉計５１０Ａ，５１０Ｂにおいては、所定のタイミングでピエゾ素子に所定電圧を印加して該ピエゾ素子を駆動することにより基準板５１５Ａ，５１５Ｂを光軸方向に移動させるとともに、この移動により変化する干渉縞の画像データをコンピュータに出力するようになっている。また、各干渉計５１０Ａ，５１０Ｂにおいては、ＰＺＴステージ５２１Ａ，５２１Ｂは、図示せぬパルスモータ駆動回路に接続された図示せぬパルスモータを備えてなるパルスモータステージ５２２Ａ，５２２Ｂに支持されており、該パルスモータを駆動することによりＰＺＴステージ５２１Ａ，５２１Ｂを基準板５１５Ａ，５１５Ｂと共に光軸方向に移動できるようになっている。
【００７１】
本実施形態に係る絶対厚み測定装置５００においては、以下に示す手順〈1〉〜〈13〉に従い、上述した平行平面板６００の両面６００ａ，６００ｂの表面形状の測定を行うとともに、両干渉計５１０Ａ，５１０Ｂの干渉縞測定結果を用いて平行平面板６００の絶対厚みおよび厚みムラを解析的に測定するようになっている。
【００７２】
〈1〉平行平面板６００を光路上から退出させた状態で、干渉計５１０Ａにおいて白色光源５１１Ａから白色光を照射すると共に、設計値に基づき、該基準面５１５Ａａと、干渉計５１０Ｂの基準位置ガラス５１６Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなる前記基準面５１５Ａａの位置を特定し、この位置よりもわずかに前または後にずれた位置に、パルスモータステージ５２２Ａにより該基準板５１５Ａを移動させる。
【００７３】
〈2〉設計値に基づいて、該基準面５１５Ａａと、干渉計５１０Ｂの基準位置ガラス５１６Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなる方向に、干渉計５１０Ａの基準板５１５Ａをパルスモータステージ５２２Ａにより、例えば１μｍずつ動かしながら干渉縞画像を取り込み、干渉縞のコントラストがピークとなる時の基準板５１５Ａの位置を求め、その位置をＡＢ０位置としてコンピュータのメモリ内に記憶する。
【００７４】
〈3〉設計値に基づき、該基準面５１５Ａａと、干渉計５１０Ａの基準位置ガラス５１６Ａの基準位置決定面５１６Ａａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなる前記基準面５１５Ａａの位置を特定し、パルスモータステージ５２２Ａにより、この位置よりもわずかに前または後にずれた位置に該基準板５１５Ａを移動させる。
【００７５】
〈4〉設計値に基づいて、手順〈2〉と同様に、該基準面５１５Ａａと、干渉計５１０Ａの基準位置ガラス５１６Ａの基準位置決定面５１６Ａａとの光路長が等しくなる方向に、干渉計５１０Ａの基準板５１５Ａを動かしながら干渉縞画像を取り込み、干渉縞のコントラストがピークとなる時の基準板５１５Ａの位置を求め、その位置をＡＡ０位置としてコンピュータ１６のメモリ内に記憶する。このＡＡ０位置と上記手順〈2〉において記憶したＡＢ０位置との差ＤＣにより、干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの間隔を求めてコンピュータのメモリ内に記憶する。
【００７６】
〈5〉平行平面板６００を干渉計５１０Ａの基準位置ガラス５１６Ａと干渉計５１０Ｂの基準位置ガラス５１６Ｂとの間の光路上に挿入する。
【００７７】
〈6〉干渉計５１０Ａの基準板５１５Ａを、平行平面板６００の設計厚み値に基づいて、平行平面板６００のＡ側面６００ａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなると思われる位置よりもわずかに前または後にずれた位置に移動させる。
【００７８】
〈7〉手順〈2〉と同様に、該基準面５１５Ａａと、平行平面板６００のＡ側表面６００ａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなる方向に、干渉計５１０Ａの基準板５１５Ａを動かしながら干渉縞の発生を観察し、画像の一部に干渉縞が観察されたら画像の全面に干渉縞が現れるように平行平面板６００を２軸調整する。
【００７９】
〈8〉その後、基準板５１５Ａの移動を継続しながら干渉縞画像を取り込み、平行平面板６００のＡ側表面６００ａ上の所定点Ｐａ（図示せず）において干渉縞のコントラストがピークとなる時の基準板５１５Ａの位置を求め、その位置をＡａ０位置として記憶する。このＡａ０位置と上記手順〈4〉において記憶したＡＡ０位置との差により、干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと平行平面板６００のＡ側表面６００ａ上の所定点Ｐａとの間隔ＤＡを求めてコンピュータのメモリ内に記憶する。
【００８０】
〈9〉ＰＺＴステージ５２１Ａのピエゾ素子の駆動により基準板５１５Ａをシフトさせてフリンジスキャン測定を行ない、平行平面板６００のＡ側表面６００ａの形状を求める。
【００８１】
〈10〉干渉計５１０Ａに対して行った上記手順〈2〉，〈3〉を干渉計５１０Ｂに対して行ない、干渉計５１０Ｂの基準板５１５Ｂと干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの位置関係を求める。
【００８２】
〈11〉干渉計５１０Ａに対して行った上記手順〈6〉，〈8〉，〈9〉を干渉計５１０Ｂに対して行ない、干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａと平行平面板６００のＢ側表面６００ｂ上における上記所定点Ｐａに対応する点Ｐｂ（図示せず）との間隔ＤＢと、平行平面板６００のＢ側表面６００ｂの形状とを求める。
【００８３】
〈12〉上記手順〈4〉において求めた干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの間隔ＤＣから、上記手順〈8〉において求めた干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと平行平面板６００のＡ側表面６００ａ上の所定点Ｐａとの間隔ＤＡ、および上記手順〈11〉において求めた干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａと平行平面板６００のＢ側表面６００ｂ上の所定点Ｐｂとの間隔ＤＢを差し引くことで、平行平面板６００の点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄを求める。
【００８４】
〈13〉上記手順〈12〉において求めた平行平面板６００の点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄと、上記手順〈9〉において求めた平行平面板６００のＡ側表面６００ａの形状と、上記手順〈11〉において求めた平行平面板６００のＢ側表面６００ｂの形状とから、平行平面板６００全体の絶対厚みと厚みムラの分布を求める。
【００８５】
なお、上記手順〈9〉のフリンジスキャン測定におけるフリンジスキャニング法および上記手順〈13〉の厚みムラ分布の測定手法としては、それぞれ、上述した第１の実施形態において用いられるフリンジスキャニング法および厚みムラ分布の測定手法と同様の手法を用いることが可能である。
【００８６】
また、上記第４の実施形態装置において、干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの間隔を測定する際に、一方の干渉計の光源５１１Ａ、５１１Ｂからの白色光が他の干渉計に入射するのを防止し得るように、第１の実施形態装置における遮光部材を採用することが可能である。また、基準位置決定面５１６Ａａ、５１６Ｂａの相互間の距離ＤＣを測定する際に、平行平面板６００を光路外へ退出させるのではなく、上述した第２および第３の実施形態に示されるように、被検体保持部材５０４の一部に開口部を形成し、その開口部を通して白色光の一部を他方の干渉計の基準位置決定面に到達させるようにしてもよい。この場合においても、遮光部材を、上記第２および第３の実施形態に示されるように構成して用いることが可能である。
【００８７】
また、上記第４の実施形態のものにおいては、構成要素としての１対の干渉計として、物体光光路および参照光光路の長さが互いに等しくなるトワイマングリーン型干渉計が用いられているが、これ以外のマイケルソン型やマッハツェンダ型等の種々の等光路長型干渉計を適用することが可能である。
【００８８】
なお、本発明の絶対厚み測定装置においては、上述した実施形態のものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能であり、例えば、上記第１〜第３の実施形態においては、位相シフト波長走査干渉法を用いており、位相シフト手段として、ピエゾ素子を用いて基準板を光軸に沿って移動させるようにしているが、これに替え、ピエゾ素子を用いて被検体を光軸に沿って移動させるようにしてもよいし、位相シフトを波長走査により行なうようにしてもよい。
【００８９】
なお、本発明の延長線上の構成として、上記１対の干渉計のうち一方を上記第１の実施形態において説明した波長可変レーザ光源を搭載したものとし、他方を上記第４の実施形態において説明した白色光出力光源を搭載したものとすることが可能である。
【００９０】
【発明の効果】
本発明に係る第１の絶対厚み測定装置は、被検体として平行平面板を挟んで１対の第１および第２の干渉計を向かい合わせ、各干渉計に搭載された波長可変光源からの可干渉光を用いて干渉縞を測定するようにしており、波長可変光源からの光の波長を走査することで、２つの面の間隔を測定可能とし、第１の干渉計により、第１の干渉計の基準面と平行平面板の第１の干渉計側の面との距離ＤＡおよび２つの干渉計の基準面の距離ＤＣとを測定するとともに、第２の干渉計により第２の干渉計の基準面と平行平面板の第２の干渉計側の面との距離ＤＢとを測定しているので、これらの３つの距離ＤＡ、ＤＢ、ＤＣに基づいて平行平面板の厚みを容易に得ることができる。
【００９１】
本発明に係る第２の絶対厚み測定装置は、被検体としての平行平面板を挟んで１対の第１および第２の等光路長型干渉計を向かい合わせ、各干渉計に搭載された、コヒーレンス長の短い低可干渉光出力光源からの可干渉光を用いて物体光と参照光が等しくなったときにのみ干渉縞が測定されるようにしており、さらに平行平面板の両面に各々離間対向して、基準位置決定面を有する透明な基準位置決定板を各々設け、かつ１対の前記干渉計の基準面を各々その光軸方向に移動可能とするとともに、該各々の基準面の現在位置を読取可能な検出手段を設けるようにしているため、
前記第１の干渉計により、該第１の干渉計側の前記基準位置決定面である第１基準位置決定面、前記第２の干渉計側の前記基準位置決定面である第２基準位置決定面、および前記平行平面板の第１の干渉計側の面の各々について干渉縞が得られた際の前記第１の干渉計の基準面の各現在位置である、前記検出手段の読取値は、第１基準位置決定面、第２基準位置決定面、および前記平行平面板の第１の干渉計側の面の相対位置を示すこととなっており、
さらに、前記第２の干渉計により、前記第２基準位置決定面、および前記平行平面板の第２の干渉計側の面の各々について干渉縞が得られた際の前記他方の干渉計の基準面の各現在位置である、前記検出手段の読取値は、第２基準位置決定面と前記平行平面板の第２の干渉計側の面の相対位置を示すこととなっている。
【００９２】
これにより、第１の干渉計の基準面と平行平面板の第１の干渉計側の面との距離ＤＡおよびこれら２つの干渉計の基準面の距離ＤＣとを測定することができるとともに、第２の干渉計により第２の干渉計の基準面と平行平面板の第２の干渉計側の面との距離ＤＢとを測定することができるので、これらの３つの距離ＤＡ、ＤＢ、ＤＣに基づいて平行平面板の厚みを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る絶対厚み測定装置の作用を説明するための概念図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る絶対厚み測定装置を示す全体構成図
【図３】図１の実施形態装置において基準面相互間の干渉縞測定の様子を示す図
【図４】図１の実施形態装置において干渉縞測定結果を用いて平行平面板の絶対厚みを解析的に測定する原理を示す図
【図５】図１の実施形態装置において干渉縞測定結果を用いて平行平面板の厚みムラを解析的に測定する手順を示す図
【図６】本発明の第２の実施形態に係る絶対厚み測定装置を示す全体構成図
【図７】本発明の第３の実施形態に係る絶対厚み測定装置を示す全体構成図
【図８】本発明の第４の実施形態に係る絶対厚み測定装置の作用を説明するための概念図
【符号の説明】
２、６００ 平行平面板
２ａ、２ｂ、６００ａ、６００ｂ 両面（被検面）
１０、１１０、２１０、５００ 絶対厚み測定装置
１２Ａ、１２Ｂ、５１０Ａ、５１０Ｂ 干渉計
１４、１１４、２１４、５０４ 被検体保持部材
１６ コンピュータ
１８ モニタ
２０Ａ、２０Ｂ 干渉計本体
２２Ａ、２２Ｂ、５１５Ａ、５１５Ｂ 基準板
２２Ａａ、２２Ｂａ、５１５Ａａ、５１５Ｂａ 基準面
２４Ａ、２４Ｂ ＰＺＴ駆動回路
２６Ａ、２６Ｂ ピエゾ素子
２８Ａ、２８Ｂ 基準板支持部材
３０、１３０、２３０Ａ、２３０Ｂ 遮光部材
３１Ａ、３１Ｂ 波長可変レーザ光源
３９Ａａ、３９Ｂａ、５１９Ａ、５１９Ｂ 撮像装置
５１６Ａ、５１６Ｂ 基準位置決定板
５１６Ａａ、５１６Ｂｂ 基準位置決定面
５２１Ａ、５２１Ｂ ＰＺＴステージ
５２１Ａ、５２１Ｂ パルスモータステージ
Ａｘ 光軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体である平行平面板の絶対厚みを高精度で測定するように構成された絶対厚み測定装置に関し、詳しくは、平行平面板の両側に各々干渉計を対じさせ、各干渉計により、その干渉計に対応する平行平面板の面についての干渉縞情報を得るように構成された絶対厚み測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光学部材等の被検体の表面形状を測定する手段として、光源からの可干渉光を２分割し、一方の光線束を被検面に入射させてその反射光を物体光とするとともに他方の光線束を基準面に入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞に基づく被検体の表面形状を測定する干渉計装置が知られている。また、このような干渉計を用いた平行平面板の両面形状および厚みムラ測定装置も知られている。
【０００３】
この両面形状および厚みムラ測定装置は、被検体となる不透明の平行平面板を被検体保持部材で保持するとともに、その両側に１対の干渉計を対向配置した状態で、該平行平面板の両面を被検面として干渉縞測定を行うことにより、平行平面板の両面の表面形状の測定を行うとともに両干渉計の干渉縞測定結果を用いて平行平面板の厚みムラを解析的に測定するように構成されている。
【０００４】
この種の両面形状および厚みムラ測定装置においては、両干渉計の基準面相互の平行度が十分確保されているとの前提で干渉縞測定が行われているが、平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合には、平行平面板の両面の表面形状およびその厚みムラの測定結果が不正確なものとなってしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、本願発明者は、両干渉計の基準面相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板の両面の表面形状およびその厚みムラを正確に測定することができる両面形状および厚みムラ測定装置を開示している（特開2000−275022号公報）。この装置は、被検体となる不透明の平行平面板（例えば、セラミック板、金属板、ブロックゲージ等）の両側に１対の干渉計を対向配置し、各干渉計により平行平面板の対向する面を被検面として干渉縞測定を行うとともに、これと前後して基準面相互間の干渉縞測定を行うようにしたものである。
【０００６】
これにより、平行平面板の両面の表面形状の測定およびその厚みムラの測定を行う際、基準面相互間の干渉縞測定結果を用いて両干渉計の基準面相互の平行度のずれを補正することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した測定装置においては、両干渉計の基準面相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板の両面の表面形状およびその厚みムラを正確に測定することができるものの、この平行平面板の絶対厚みを測定することは困難である。
【０００８】
近年、光学や材料技術等の各種分野においては不透明な平行平面板の絶対厚みを非接触で高精度に測定することへの要求は強く、その簡易な測定装置が望まれていた。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、不透明な平行平面板の絶対厚みを非接触かつ高精度に測定し得る簡易な絶対厚み測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の絶対厚み測定装置は、光源からの出射光束を２分割し、一方の光束を被検面に入射させてその反射光を物体光とするとともに他方の光束を基準面に入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞に基づいて前記被検面を測定するように構成された１対の第１および第２の干渉計と、被検体となる不透明の平行平面板を保持する被検体保持部材とを備え、
前記平行平面板の両面の一面側に前記第１の干渉計を、他面側に前記第２の干渉計を各々の出射光束が対向するように配置した状態で該平行平面板の両面を被検面として干渉測定を行うように構成された測定装置において、
前記光源を波長可変光源とするとともに、前記第１および第２の干渉計の各々について該光源から出射された光の波長を変化させつつ、所定の波長ずつ変化させる毎に干渉縞画像を得、これら得られた複数枚の干渉縞画像に基づき、下記演算式（１）〜（３）を用いて前記被検面と前記基準面間の距離を測定するようになし、
前記第１の干渉計により測定された、該第１の干渉計の基準面である第１基準面とこれに対向する前記平行平面板の面までの距離ＤＡと、前記第２の干渉計により測定された、該第２の干渉計の基準面である第２基準面とこれに対向する前記平行平面板の面までの距離ＤＢとを、前記第１または第２の干渉計により測定された、前記第１基準面から前記第２基準面までの距離ＤＣから減算処理して前記平行平面板の絶対厚みｄを算出するように構成されてなることを特徴とするものである。
【数２】
また、前記波長可変光源を波長可変レーザ光源とし、前記第１および第２の干渉計をフィゾー型干渉計とすることが可能である。
【００１２】
また、本発明の第２の絶対厚み測定装置は、光源からの出射光束を２分割し、一方の光束を被検面に入射させてその反射光を物体光とするとともに他方の光束を基準面に入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞に基づいて前記被検面を測定するように構成された１対の第１および第２の干渉計と、被検体となる不透明の平行平面板を保持する被検体保持部材とを備え、
前記平行平面板の両面の一面側に第１の等光路長型干渉計を、他面側に第２の等光路長型干渉計を各々の出射光束が対向するように配置した状態で該平行平面板の両面を被検面として干渉測定を行うように構成された測定装置において、
前記光源を低可干渉光出力光源とするとともに、前記平行平面板の両面に各々離間対向して、基準位置決定面を有する透明な基準位置決定板を各々設け、
前記第１および第２の等光路長型干渉計の前記第１および第２基準面を各々光軸方向に移動可能とするとともに、前記第１および第２基準面各々の現在位置を読取可能な検出手段を設け、
前記第１の等光路長型干渉計の前記第１基準面を移動することにより、前記平行平面板の該第１の等光路長型干渉計側に配設された第１基準位置決定面、前記平行平面板の前記第２の等光路長型干渉計側に配設された第２基準位置決定面、および前記平行平面板の前記第１の等光路長型干渉計側の面の各々について、干渉縞が得られた際の、前記第１の等光路長型干渉計の前記第１基準面の各現在位置情報に基づき、前記第１基準位置決定面から前記平行平面板の前記第１の等光路長型干渉計側の面までの距離ＤＡと、前記第１基準位置決定面から前記第２基準位置決定面までの距離ＤＣを得、
前記第２の等光路長型干渉計の前記第２基準面を移動することにより、前記第２基準位置決定面、および前記平行平面板の前記第２の等光路長型干渉計側の面の各々について、干渉縞が得られた際の前記第２の等光路長型干渉計の前記第２基準面の各現在位置情報に基づき、前記第２基準位置決定面から前記平行平面板の前記第２の等光路長型干渉計側の面までの距離ＤＢを得、
前記距離ＤＡと前記距離ＤＢとを、前記距離ＤＣから減算処理して前記平行平面板の絶対厚みを算出するように構成されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記被検体保持部材が、前記平行平面板を１対の前記干渉計の光束に対して挿脱自在とし得るように構成することが好ましい。
【００１４】
あるいは、前記被検体保持部材が、１対の前記干渉計の一方から出射された光束の一部を１対の前記干渉計の他方の前記基準面まで到達せしめる開口部を備えることが好ましい。
【００１５】
これらの場合において、１対の前記干渉計のうち前記干渉縞を観察する際に前記測定には関与しない干渉計から出射される光束が、前記測定に関与する干渉計に入射することを防止する遮光部材を設けることが好ましい。
【００１６】
なお、上述した「等光路長型干渉計」とは、物体光の光路長と参照光の光路長が略等しくなるように構成された干渉計のことをいうものとする。
また、上記「低可干渉光」とは、上述した如く、この低可干渉光によって形成された干渉縞が現れた際の、第１および第２基準面位置の読取精度に大きな影響を与えない程度の小さい可干渉距離（例えば数μｍ以下）を有する光をいうものとし、白色光が代表的な例であるが、必ずしも可視光域全域に亘って強度を有する必要はない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
まず、本発明に係る第１の実施形態について説明する。
図２は、波長可変レーザ光源を用いた第１の実施形態に係る絶対厚み測定装置１０を示す全体構成図である。
【００１９】
図示のように、この絶対厚み測定装置１０は、１対の干渉計１２Ａ、１２Ｂと、被検体となる不透明の平行平面板（例えば、セラミック板、金属板、ブロックゲージ等）２を保持する被検体保持部材１４と、コンピュータ１６と、モニタ１８とを備えてなり、平行平面板２の両側に１対の干渉計１２Ａ、１２Ｂを対向配置した状態で平行平面板２の両面２ａ、２ｂを被検面として干渉縞測定を行うことにより、平行平面板２の絶対厚みおよび厚みムラを測定するように構成されている。
【００２０】
各干渉計１２Ａ、１２Ｂは、フィゾー型の干渉計であって、その干渉計本体２０Ａ、２０Ｂにより、図示しない波長可変レーザ光源からの可干渉光を基準板２２Ａ、２２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａに入射させ、該基準面２２Ａａ、２２Ｂａにおいて透過光線束と反射光線束とに２分割し、透過光線束を被検面２ａ、２ｂに入射させてその反射光を物体光とするとともに基準面２２Ａａ、２２Ｂａにおける反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞を図示しないＣＣＤカメラに取り込んで干渉縞を測定するようになっている。
【００２１】
ところで、本実施形態装置においては、上述したように測定用光源として、波長可変レーザ光源を用いている。これは、波長可変レーザ光源からの光の波長を走査し、所定の波長走査毎に取り込んだ干渉縞に対して所定の周波数解析を施すことによって光路長差を求めることができる、という論理に基づいている。このように、本実施形態装置においては、測定用光源として光路長差を求めることのできる波長可変レーザ光源を用いることにより、被検体となる平行平面板の絶対厚みおよび厚みムラを測定することができるようになっている。
【００２２】
上述した周波数解析による光路長差の測定は、具体的には以下のような手順で行われる。
すなわち、波長可変レーザにより、波数をｋ１からｋ２に走査し、Δｋ毎に画像を取り込んだ場合には、干渉縞強度変化Ｉ(ｘ、ｙ、ｋ)は、下式（１）で表される。
【００２３】
【数１】
ここで、Ｌ（ｘ、ｙ）は光路長差、Ｉ０（ｘ、ｙ）は強度分布、γは干渉縞モジュレーションをそれぞれ示す。このときの所定画素における干渉縞変化がｎ回であったとすると、下式（２）で表される。
【００２５】
【数２】
【００２６】
【数３】
すなわち、波長を走査した際の周波数ｎを求めることにより、光路長差を測定することが可能となる。
なお、上記周波数ｎを決定するためには、本出願人が既に開示している特開2001−272214号公報に記載されているようにフーリエ変換を用いることが可能である。
【００２８】
また、本実施形態においては、より詳しい縞解析が可能な位相シフト波長走査干渉法を用いている。位相シフト波長走査干渉法とは、波長可変レーザ光源を用いた干渉計において、高精度な測定を実現するために、波長を走査し、所定の波長走査毎に、PZT等により参照面を光軸方向に移動させ、位相シフトさせて位相を求め、これにより各波長毎の位相を順次測定して光路長差Ｌ（ｘ、ｙ）を求める手法である。位相シフト波長走査干渉法についての詳細な説明については上述した特開2001−272214号公報に記載されているので、ここでは数式的な解法についての説明は省略し、それを可能とするための機構についての構成のみについて言及する。
【００２９】
すなわち、各干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準板２２Ａ、２２Ｂは、ＰＺＴ駆動回路２４Ａ、２４Ｂに接続された複数のピエゾ素子２６Ａ、２６Ｂを介して基準板支持部材２８Ａ、２８Ｂに支持されている。そして、各干渉計１２Ａ、１２Ｂにおいては、波長可変レーザ光源による所定の波長走査毎にピエゾ素子２６Ａ、２６Ｂに所定電圧を印加して該ピエゾ素子２６Ａ、２６Ｂを駆動することにより基準板２２Ａ、２２Ｂを光軸Ａｘ方向に移動させるとともに、この移動により変化する干渉縞の画像データをコンピュータ１６に出力するようになっている。
【００３０】
コンピュータ１６は、各干渉計１２Ａ、１２Ｂから入力された干渉縞の画像データに基づいてフリンジスキャニング法を用いて干渉縞の自動解析を行い、被検面２ａ、２ｂの形状測定（凹凸判定および立体形状測定）を行うとともに、干渉縞あるいは立体形状の画像データをモニタ１８に表示するようになっている。なお、ここでいうフリンジスキャニング法とは、基準面２２Ａａ、２２Ｂａと被検面２ａ、２ｂとの相対距離を変化させながら所定のフリンジスキャンステップ毎の干渉縞画像データから被検面２ａ、２ｂの各点における干渉縞強度を測定し、その測定結果を用いて、その波長における、各点の位相計算等の干渉縞解析を行う手法である。
【００３１】
本実施形態に係る絶対厚み測定装置１０は、上述したように平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定を行うとともに、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの干渉縞測定結果を用いて平行平面板２の絶対厚みおよび厚みムラを解析的に測定するように構成されている。
【００３２】
なお、本実施形態装置においては、干渉計本体２０Ａ、２０Ｂは、図１に示す如く構成されている。すなわち、各々の干渉計本体２０Ａ、２０Ｂにおいて、波長可変レーザ光源３１Ａ、３１Ｂから出力されたレーザ光はレンズ３２Ａ、３２Ｂによって発散され、ハーフプリズム３３Ａ，３３Ｂを介し、コリメータレンズ３４Ａ、３４Ｂによって平行光束として外部に出力されるように構成されている。
【００３３】
一方、基準板２２Ａ，２２Ｂ方向から入射した干渉光はハーフプリズム３３Ａ、３３Ｂにより反射されて、結像レンズ３８Ａ、３８Ｂを介してＣＣＤカメラ等からなる撮像装置３９Ａ、３９Ｂ内に入射するように構成されている。
【００３４】
本実施形態に係る絶対厚み測定装置１０においては、以下に示す手順〈1〉〜〈9〉に従い、上述した平行平面板２の両面２ａ，２ｂの表面形状の測定を行うとともに、両干渉計１２Ａ，１２Ｂの干渉縞測定結果を用いて平行平面板２の絶対厚みおよび厚みムラを解析的に測定するようになっている。以下、図１〜５を参照しつつ説明する。
【００３５】
〈1〉平行平面板２を図３に示す如く光路上から退出させる。また、後述する遮光部材３０（図３参照）を光路上に挿入する。
【００３６】
〈2〉干渉計１２Ａにおいて波長可変レーザ光源３１Ａからレーザ光を出射するとともに、該レーザ光の波数をｋ１からｋ２まで走査し、Δｋ毎に、上述したフリンジスキャニング法を用いて干渉縞画像を取り込み、取込んだ干渉縞画像を解析し、上述した式（３）を用いて干渉計１２Ａの基準面２２Ａａと干渉計１２Ｂの基準面２２Ｂａとの間隔ＤＣを求め、これをコンピュータ１６のメモリ内に記憶する。
【００３７】
〈3〉平行平面板２を図２に示す如く干渉計１２Ａの基準板２２Ａと干渉計１２Ｂの基準板２２Ｂとの間の光路上に挿入する。また、後述する遮光部材３０（図２参照）を光路上から退出させる。
【００３８】
〈4〉波長可変レーザ光源３１Ａからレーザ光を出射するとともに、該レーザ光の波数をｋ１からｋ２まで走査し、Δｋ毎に、上述したフリンジスキャニング法を用いて干渉縞画像を取り込み、取込んだ干渉縞画像を解析し、上述した式（３）を用いて干渉計１２Ａの基準面２２Ａａと平行平面板２のＡ側面２ａ上の所定点Ｐａ（図示せず）との間隔ＤＡを求めるとともに、平行平面板２のＡ側表面２ａの全体形状分布を求め、これをコンピュータ１６のメモリ内に記憶する。
【００３９】
〈5〉波長可変レーザ光源３１Ｂからレーザ光を出射するとともに、該レーザ光の波数をｋ１からｋ２まで走査し、Δｋ毎に、上述したフリンジスキャニング法を用いて干渉縞画像を取り込み、取込んだ干渉縞画像を解析し、上述した式（３）を用いて干渉計１２Ｂの基準面２２Ｂａと、平行平面板２のＢ側面２ｂ上の上記図示しない所定点Ｐａと表裏の位置関係にある所定点Ｐｂ（図示せず）との間隔ＤＢを求めるとともに、平行平面板２のＢ側表面２ｂの全体形状分布を求め、これをコンピュータ１６のメモリ内に記憶する。
【００４０】
〈6〉上記手順〈2〉において求めた干渉計１２Ａの基準面２２Ａａと干渉計１２Ｂの基準面２２Ｂａとの間隔ＤＣから、上記手順〈4〉において求めた干渉計１２Ａの基準面２２Ａａと平行平面板２のＡ側表面２ａ上の所定点Ｐａとの間隔ＤＡ、および上記手順〈5〉において求めた干渉計１２Ｂの基準面２２Ｂａと平行平面板２のＢ側表面２ｂ上の所定点Ｐｂとの間隔ＤＢを差し引くことで、平行平面板２の点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄを求める。図４は、この手法を模式的に示すものである。
【００４１】
〈7〉図４に示すように上記手順〈6〉において求めた平行平面板２の点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄと、上記手順〈4〉において求めた平行平面板２のＡ側表面２ａの形状と、上記手順〈5〉において求めた平行平面板２のＢ側表面２ｂの形状とから、平行平面板２全体の絶対厚みと厚みムラの分布とを求める。
【００４２】
また、上述した厚みムラ測定は、図５に示すように、平行平面板２の各面２ａ、２ｂにおける各点の光軸直交平面からの変位量Δａ、Δｂのデータを用い、その差Δａ−Δｂを算出することにより行われる。
【００４３】
その際、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａが完全に平行であれば、上記Δａ−Δｂの値がそのまま平行平面板２の厚みムラを表わすこととなるが、一般には基準面２２Ａａ、２２Ｂａが完全に平行ということはあり得ないので、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度を加味して厚みムラの測定が行われるようにすることが好ましい。具体的には、上記手順〈2〉において、フリンジスキャニング法を用いて得られた、複数枚干渉縞画像に基づいて両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度を測定し、そのずれを補正すればよい。
【００４４】
このようにして求められた、平行平面板２全体の厚みムラの分布を上述した点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄに加味することにより、平行平面板２全体の絶対厚みを求めることができる。
【００４５】
本実施形態においては、被検面２ａ、２ｂおよび基準面２２Ａａ、２２Ｂａ間の干渉縞測定とともに基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定を行い得るようにするため、以下のような構成が採用されている。
【００４６】
図２は、被検面２ａ、２ｂおよび基準面２２Ａａ、２２Ｂａ間の干渉縞測定の様子を示すものであり、図３は、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定の様子を示すものである。
【００４７】
被検体保持部材１４は、図２および図３において矢印で示すように、両基準板２２Ａ、２２Ｂの中間において両干渉計１２Ａ、１２Ｂの光路内の被検体測定位置（図２に示す位置）と光路外の退避位置（図３に示す位置）とを採り得るよう光軸直交方向に移動可能に設けられている。そして、この被検体保持部材１４は、被検面２ａ、２ｂおよび基準面２２Ａａ、２２Ｂａ間に形成される干渉縞を測定する際には、被検体測定位置に移動せしめられ、これにより各干渉計１２Ａ、１２Ｂによる被検面２ａ、２ｂの形状測定を可能ならしめるようになっている。一方、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞を測定する際には、退避位置に移動せしめられるようになっている。
【００４８】
また、１対の干渉計１２Ａ、１２Ｂのうち一方の干渉計１２Ｂには、その光源からの可干渉光を遮蔽し得る遮光部材３０が設けられている。この遮光部材３０は、図２および図３において矢印で示すように、干渉計本体２０Ｂと基準面２２Ｂａとの間において光路内の遮蔽位置（図３に示す位置）と光路外の退避位置（図２に示す位置）とを採り得るよう光軸直交方向に移動可能に設けられている。そして、この遮光部材３０は、被検面２ａ、２ｂおよび基準面２２Ａａ、２２Ｂａ間に形成される干渉縞を測定する際には、退避位置に移動せしめられた状態にあるが、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間に形成される干渉縞を測定する際には、遮蔽位置に移動せしめられ、これにより干渉計１２Ｂの光源からの可干渉光を遮蔽した状態で、他方の干渉計１２Ａによる基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定を可能ならしめるようになっている。
【００４９】
以上詳述したように、本実施形態に係る絶対厚み測定装置１０は、各干渉計１２Ａ、１２Ｂにより被検体保持部材１４に保持された平行平面板２の各面２ａ、２ｂを被検面として干渉縞測定を行うようになっているが、被検体保持部材１４は１対の干渉計１２Ａ、１２Ｂの光路外へ退避可能に設けられるとともに、一方の干渉計１２Ｂにはその光源からの可干渉光を遮断し得る遮光部材３０が設けられているので、上記干渉縞測定の前または後に、被検体保持部材３０を光路外に退避させるとともに遮光部材３０により干渉計１２Ｂの光源からの可干渉光を遮断することにより、この状態で干渉計１２Ａによる基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定を行うことができる。
【００５０】
そしてこれにより、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定およびその厚みムラの測定を行う際、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定結果を用いてその平行度のずれを補正することができる。
【００５１】
したがって、本実施形態によれば、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状、その絶対厚みおよび厚みムラを正確に測定することができる。
【００５２】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。
【００５３】
図６は、本実施形態に係る絶対厚み測定装置１１０を示す全体構成図である。図示のように、この絶対厚み測定装置１１０は、基本的構成は図２に示す絶対厚み測定装置１０と同様であるが、被検体保持部材１４および遮光部材３０の構成が異なっている。
【００５４】
すなわち、本実施形態における被検体保持部材１１４は両干渉計１２Ａ、１２Ｂの光路内に固定配置されており、該被検体保持部材１１４には、各干渉計１２Ａ、１２Ｂの可干渉光の一部を他方の干渉計の基準面まで到達させるための開口部１１４ａが形成されている。また、本実施形態における遮光部材１３０は、干渉計１２Ｂの波長可変レーザ光源３１Ａ、３１Ｂからの可干渉光のうち開口部１１４ａに入射する可干渉光を遮断するようにして固定配置されている。
【００５５】
本実施形態においては、遮光部材１３０が設けられていない干渉計１２Ａにより開口部１１４ａを通して基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定を行うことができる。しかも、この基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定と同時に、各干渉計１２Ａ、１２Ｂにより平行平面板２の各面２ａ、２ｂを被検面とする干渉縞測定を同時に行うことができる。そして、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定、その絶対厚みおよび厚みムラの測定を行う際、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定結果を用いてその平行度のずれを補正することができる。
【００５６】
したがって、本実施形態によれば、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状、その絶対厚みおよび厚みムラを正確に測定することができる。しかも、本実施形態においては、被検体保持部材１４を光路外に退避させる必要がないので、短時間で干渉縞測定を行うことができる。
【００５７】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。
【００５８】
図７は、本実施形態に係る絶対厚み測定装置２１０を示す全体構成図である。
図示のように、この絶対厚み測定装置２１０も、基本的構成は図２に示す絶対厚み測定装置１０と同様であるが、被検体保持部材１４および遮光部材３０の構成が異なっている。
【００５９】
すなわち、本実施形態においては、図６に示す被検体保持部材１１４と同様、被検体保持部材２１４が両干渉計１２Ａ、１２Ｂの光路内に固定配置されており、該被検体保持部材２１４には、各干渉計１２Ａ、１２Ｂの可干渉光の一部を他方の干渉計の基準面まで到達させるための開口部２１４ａが形成されている。
【００６０】
また、本実施形態においては、１対の遮光部材２３０Ａ、２３０Ｂが用いられている。これら遮光部材２３０Ａ、２３０Ｂは、図２に示す遮光部材３０と同様、干渉計本体２０Ａ、２０Ｂと基準面２２Ａａ、２２Ｂａとの間において光路内の遮蔽位置と光路外の退避位置とを採り得るよう光軸直交方向に移動可能に設けられている。ただし、これら遮光部材２３０Ａ、２３０Ｂは、一方が遮蔽位置にあるとき、他方は退避位置にあるように移動制御されるようになっている。
【００６１】
本実施形態においては、遮光部材２３０Ｂにより干渉計１２Ｂの波長可変レーザ光源３１Ｂからの可干渉光を遮断した状態で、干渉計１２Ａにより基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定および平行平面板２の干渉計１２Ａ側の面２ａを被検面とする干渉縞測定を同時に行うことができ、また、遮光部材２３０Ａにより干渉計１２Ａの波長可変レーザ光源３１Ｂからの可干渉光を遮断した状態で、干渉計１２Ｂにより基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定および平行平面板２の干渉計１２Ｂ側の面２ｂを被検面とする干渉縞測定を同時に行うことができる。
【００６２】
そして、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定およびその厚みムラの測定を行う際、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定結果を用いてその平行度のずれを補正することができる。
【００６３】
したがって、本実施形態によれば、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互の平行度が十分に得られないまま干渉縞測定が行われた場合においても、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状、その絶対厚みおよび厚みムラを正確に測定することができる。
【００６４】
その際、基準面２２Ａａ、２２Ｂａ相互間の干渉縞測定結果は、いずれか一方の干渉計のものを用いれば足りるが、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの干渉縞測定結果を用いて開口部２１４ａの光軸直交方向の位置ズレ（例えば開口部２１４ａの中心位置の位置ズレ）を比較するようにすれば、両干渉計１２Ａ、１２Ｂの光軸ズレをも測定することができる。したがって、この測定結果を用いて、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状の測定、その絶対厚みおよび厚みムラの測定を行う際に光軸ズレの補正を行うようにすれば、平行平面板２の両面２ａ、２ｂの表面形状およびその厚みムラをより正確に測定することができる。
【００６５】
なお、上記各実施形態においては、各干渉計１２Ａ、１２Ｂとしてフィゾー型の干渉計を用いたものについて説明しているが、他の不等光路長型干渉計やマイケルソン型等の等光路長型干渉計を用いた場合等においても、上記各実施形態と同様の構成を採用することにより上記各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６６】
また、上記説明においては、干渉計としていわゆる縦型のものを用いているが、これに代え、光軸を水平方向に配したいわゆる横型の干渉計を用いることも可能である。
【００６７】
上述した第１〜３の実施形態では、光源として波長可変レーザ光源を用いているが、本発明の絶対厚み測定装置においては下記第４の実施形態に説明するように、光源として白色光源を用いることも可能である。ただし、光源として白色光源を用いた場合には、干渉計をマイケルソン型等の等光路長型のものによって構成することが必要である。
【００６８】
＜第４の実施形態＞
図８は、本実施形態に係る絶対厚み測定装置５００を示す全体構成図である。
図示のように、この絶対厚み測定装置５００は、１対の干渉計５１０Ａ，５１０Ｂと、被検体となる平行平面板６００を２軸調整可能に保持する被検体保持部材５０４と、図示せぬコンピュータおよびモニタとを備えてなり、平行平面板６００の両側に１対の干渉計５１０Ａ，５１０Ｂを対向配置した状態で平行平面板６００の両面６００ａ，６００ｂを被検面として干渉縞測定を行うことにより、該両面６００ａ，６００ｂの表面形状、平行平面板６００の絶対厚みおよび厚みムラを測定するように構成されている。
【００６９】
各干渉計５１０Ａ、５１０Ｂは、マイケルソン型（トワイマングリーン型）の干渉計であって、ハロゲンランプ等の白色光源５１１Ａ，５１１Ｂ、コリメータレンズ５１２Ａ，５１２Ｂ、ハーフミラーからなるビームスプリッタ５１３Ａ，５１３Ｂ、該ビームスプリッタ５１３Ａ，５１３Ｂによる光路長差を補正する補正板５１４Ａ，５１４Ｂ、反射型の基準板５１５Ａ，５１５Ｂ、透明な基準位置ガラス５１６Ａ，５１６Ｂ、集光レンズ５１７Ａ，５１７Ｂ、結像レンズ５１８Ａ，５１８Ｂ、およびＣＣＤカメラ等の撮像装置５１９Ａ，５１９Ｂを備えてなる。そして、各干渉計５１０Ａ、５１０Ｂにおいては、白色光源５１１Ａ，５１１Ｂから出力されたコヒーレントレングスの短い白色光を、ビームスプリッタ５１３Ａ，５１３Ｂの光束分割面５１３Ａａ、５１３Ｂａに入射させ、該光束分割面５１３Ａａ、５１３Ｂａにおいて透過光線束と反射光線束とに２分割する。そして、透過光線束を基準位置ガラス５１６Ａ，５１６Ｂを介して平行平面板６００の被検面６００ａ、６００ｂに入射させてその反射光を物体光とするとともに、反射光線束を基準板５１５Ａ，５１５Ｂの基準面５１５Ａａ，５１５Ｂａに入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞を撮像装置５１９Ａ，５１９Ｂにより取り込んで干渉縞を測定するようになっている。
【００７０】
また、これら各干渉計５１０Ａ，５１０Ｂは、フリンジスキャン解析機能を備えている。すなわち、各干渉計５１０Ａ，５１０Ｂの基準板５１５Ａ，５１５Ｂは、図示せぬＰＺＴ駆動回路に接続された複数のピエゾ素子（不図示）を介してＰＺＴステージ５２１Ａ，５２１Ｂに支持されている。そして、各干渉計５１０Ａ，５１０Ｂにおいては、所定のタイミングでピエゾ素子に所定電圧を印加して該ピエゾ素子を駆動することにより基準板５１５Ａ，５１５Ｂを光軸方向に移動させるとともに、この移動により変化する干渉縞の画像データをコンピュータに出力するようになっている。また、各干渉計５１０Ａ，５１０Ｂにおいては、ＰＺＴステージ５２１Ａ，５２１Ｂは、図示せぬパルスモータ駆動回路に接続された図示せぬパルスモータを備えてなるパルスモータステージ５２２Ａ，５２２Ｂに支持されており、該パルスモータを駆動することによりＰＺＴステージ５２１Ａ，５２１Ｂを基準板５１５Ａ，５１５Ｂと共に光軸方向に移動できるようになっている。
【００７１】
本実施形態に係る絶対厚み測定装置５００においては、以下に示す手順〈1〉〜〈13〉に従い、上述した平行平面板６００の両面６００ａ，６００ｂの表面形状の測定を行うとともに、両干渉計５１０Ａ，５１０Ｂの干渉縞測定結果を用いて平行平面板６００の絶対厚みおよび厚みムラを解析的に測定するようになっている。
【００７２】
〈1〉平行平面板６００を光路上から退出させた状態で、干渉計５１０Ａにおいて白色光源５１１Ａから白色光を照射すると共に、設計値に基づき、該基準面５１５Ａａと、干渉計５１０Ｂの基準位置ガラス５１６Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなる前記基準面５１５Ａａの位置を特定し、この位置よりもわずかに前または後にずれた位置に、パルスモータステージ５２２Ａにより該基準板５１５Ａを移動させる。
【００７３】
〈2〉設計値に基づいて、該基準面５１５Ａａと、干渉計５１０Ｂの基準位置ガラス５１６Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなる方向に、干渉計５１０Ａの基準板５１５Ａをパルスモータステージ５２２Ａにより、例えば１μｍずつ動かしながら干渉縞画像を取り込み、干渉縞のコントラストがピークとなる時の基準板５１５Ａの位置を求め、その位置をＡＢ０位置としてコンピュータのメモリ内に記憶する。
【００７４】
〈3〉設計値に基づき、該基準面５１５Ａａと、干渉計５１０Ａの基準位置ガラス５１６Ａの基準位置決定面５１６Ａａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなる前記基準面５１５Ａａの位置を特定し、パルスモータステージ５２２Ａにより、この位置よりもわずかに前または後にずれた位置に該基準板５１５Ａを移動させる。
【００７５】
〈4〉設計値に基づいて、手順〈2〉と同様に、該基準面５１５Ａａと、干渉計５１０Ａの基準位置ガラス５１６Ａの基準位置決定面５１６Ａａとの光路長が等しくなる方向に、干渉計５１０Ａの基準板５１５Ａを動かしながら干渉縞画像を取り込み、干渉縞のコントラストがピークとなる時の基準板５１５Ａの位置を求め、その位置をＡＡ０位置としてコンピュータ１６のメモリ内に記憶する。このＡＡ０位置と上記手順〈2〉において記憶したＡＢ０位置との差ＤＣにより、干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの間隔を求めてコンピュータのメモリ内に記憶する。
【００７６】
〈5〉平行平面板６００を干渉計５１０Ａの基準位置ガラス５１６Ａと干渉計５１０Ｂの基準位置ガラス５１６Ｂとの間の光路上に挿入する。
【００７７】
〈6〉干渉計５１０Ａの基準板５１５Ａを、平行平面板６００の設計厚み値に基づいて、平行平面板６００のＡ側面６００ａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなると思われる位置よりもわずかに前または後にずれた位置に移動させる。
【００７８】
〈7〉手順〈2〉と同様に、該基準面５１５Ａａと、平行平面板６００のＡ側表面６００ａとの、光源５１１Ａからの光路長が等しくなる方向に、干渉計５１０Ａの基準板５１５Ａを動かしながら干渉縞の発生を観察し、画像の一部に干渉縞が観察されたら画像の全面に干渉縞が現れるように平行平面板６００を２軸調整する。
【００７９】
〈8〉その後、基準板５１５Ａの移動を継続しながら干渉縞画像を取り込み、平行平面板６００のＡ側表面６００ａ上の所定点Ｐａ（図示せず）において干渉縞のコントラストがピークとなる時の基準板５１５Ａの位置を求め、その位置をＡａ０位置として記憶する。このＡａ０位置と上記手順〈4〉において記憶したＡＡ０位置との差により、干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと平行平面板６００のＡ側表面６００ａ上の所定点Ｐａとの間隔ＤＡを求めてコンピュータのメモリ内に記憶する。
【００８０】
〈9〉ＰＺＴステージ５２１Ａのピエゾ素子の駆動により基準板５１５Ａをシフトさせてフリンジスキャン測定を行ない、平行平面板６００のＡ側表面６００ａの形状を求める。
【００８１】
〈10〉干渉計５１０Ａに対して行った上記手順〈2〉，〈3〉を干渉計５１０Ｂに対して行ない、干渉計５１０Ｂの基準板５１５Ｂと干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの位置関係を求める。
【００８２】
〈11〉干渉計５１０Ａに対して行った上記手順〈6〉，〈8〉，〈9〉を干渉計５１０Ｂに対して行ない、干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａと平行平面板６００のＢ側表面６００ｂ上における上記所定点Ｐａに対応する点Ｐｂ（図示せず）との間隔ＤＢと、平行平面板６００のＢ側表面６００ｂの形状とを求める。
【００８３】
〈12〉上記手順〈4〉において求めた干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの間隔ＤＣから、上記手順〈8〉において求めた干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと平行平面板６００のＡ側表面６００ａ上の所定点Ｐａとの間隔ＤＡ、および上記手順〈11〉において求めた干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａと平行平面板６００のＢ側表面６００ｂ上の所定点Ｐｂとの間隔ＤＢを差し引くことで、平行平面板６００の点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄを求める。
【００８４】
〈13〉上記手順〈12〉において求めた平行平面板６００の点Ｐａ，Ｐｂ間における絶対厚みｄと、上記手順〈9〉において求めた平行平面板６００のＡ側表面６００ａの形状と、上記手順〈11〉において求めた平行平面板６００のＢ側表面６００ｂの形状とから、平行平面板６００全体の絶対厚みと厚みムラの分布を求める。
【００８５】
なお、上記手順〈9〉のフリンジスキャン測定におけるフリンジスキャニング法および上記手順〈13〉の厚みムラ分布の測定手法としては、それぞれ、上述した第１の実施形態において用いられるフリンジスキャニング法および厚みムラ分布の測定手法と同様の手法を用いることが可能である。
【００８６】
また、上記第４の実施形態装置において、干渉計５１０Ａの基準位置決定面５１６Ａａと干渉計５１０Ｂの基準位置決定面５１６Ｂａとの間隔を測定する際に、一方の干渉計の光源５１１Ａ、５１１Ｂからの白色光が他の干渉計に入射するのを防止し得るように、第１の実施形態装置における遮光部材を採用することが可能である。また、基準位置決定面５１６Ａａ、５１６Ｂａの相互間の距離ＤＣを測定する際に、平行平面板６００を光路外へ退出させるのではなく、上述した第２および第３の実施形態に示されるように、被検体保持部材５０４の一部に開口部を形成し、その開口部を通して白色光の一部を他方の干渉計の基準位置決定面に到達させるようにしてもよい。この場合においても、遮光部材を、上記第２および第３の実施形態に示されるように構成して用いることが可能である。
【００８７】
また、上記第４の実施形態のものにおいては、構成要素としての１対の干渉計として、物体光光路および参照光光路の長さが互いに等しくなるトワイマングリーン型干渉計が用いられているが、これ以外のマイケルソン型やマッハツェンダ型等の種々の等光路長型干渉計を適用することが可能である。
【００８８】
なお、本発明の絶対厚み測定装置においては、上述した実施形態のものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能であり、例えば、上記第１〜第３の実施形態においては、位相シフト波長走査干渉法を用いており、位相シフト手段として、ピエゾ素子を用いて基準板を光軸に沿って移動させるようにしているが、これに替え、ピエゾ素子を用いて被検体を光軸に沿って移動させるようにしてもよいし、位相シフトを波長走査により行なうようにしてもよい。
【００８９】
なお、本発明の延長線上の構成として、上記１対の干渉計のうち一方を上記第１の実施形態において説明した波長可変レーザ光源を搭載したものとし、他方を上記第４の実施形態において説明した白色光出力光源を搭載したものとすることが可能である。
【００９０】
【発明の効果】
本発明に係る第１の絶対厚み測定装置は、被検体として平行平面板を挟んで１対の第１および第２の干渉計を向かい合わせ、各干渉計に搭載された波長可変光源からの可干渉光を用いて干渉縞を測定するようにしており、波長可変光源からの光の波長を走査することで、２つの面の間隔を測定可能とし、第１の干渉計により、第１の干渉計の基準面と平行平面板の第１の干渉計側の面との距離ＤＡおよび２つの干渉計の基準面の距離ＤＣとを測定するとともに、第２の干渉計により第２の干渉計の基準面と平行平面板の第２の干渉計側の面との距離ＤＢとを測定しているので、これらの３つの距離ＤＡ、ＤＢ、ＤＣに基づいて平行平面板の厚みを容易に得ることができる。
【００９１】
本発明に係る第２の絶対厚み測定装置は、被検体としての平行平面板を挟んで１対の第１および第２の等光路長型干渉計を向かい合わせ、各干渉計に搭載された、コヒーレンス長の短い低可干渉光出力光源からの可干渉光を用いて物体光と参照光が等しくなったときにのみ干渉縞が測定されるようにしており、さらに平行平面板の両面に各々離間対向して、基準位置決定面を有する透明な基準位置決定板を各々設け、かつ１対の前記干渉計の基準面を各々その光軸方向に移動可能とするとともに、該各々の基準面の現在位置を読取可能な検出手段を設けるようにしているため、
前記第１の干渉計により、該第１の干渉計側の前記基準位置決定面である第１基準位置決定面、前記第２の干渉計側の前記基準位置決定面である第２基準位置決定面、および前記平行平面板の第１の干渉計側の面の各々について干渉縞が得られた際の前記第１の干渉計の基準面の各現在位置である、前記検出手段の読取値は、第１基準位置決定面、第２基準位置決定面、および前記平行平面板の第１の干渉計側の面の相対位置を示すこととなっており、
さらに、前記第２の干渉計により、前記第２基準位置決定面、および前記平行平面板の第２の干渉計側の面の各々について干渉縞が得られた際の前記他方の干渉計の基準面の各現在位置である、前記検出手段の読取値は、第２基準位置決定面と前記平行平面板の第２の干渉計側の面の相対位置を示すこととなっている。
【００９２】
これにより、第１の干渉計の基準面と平行平面板の第１の干渉計側の面との距離ＤＡおよびこれら２つの干渉計の基準面の距離ＤＣとを測定することができるとともに、第２の干渉計により第２の干渉計の基準面と平行平面板の第２の干渉計側の面との距離ＤＢとを測定することができるので、これらの３つの距離ＤＡ、ＤＢ、ＤＣに基づいて平行平面板の厚みを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る絶対厚み測定装置の作用を説明するための概念図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る絶対厚み測定装置を示す全体構成図
【図３】図１の実施形態装置において基準面相互間の干渉縞測定の様子を示す図
【図４】図１の実施形態装置において干渉縞測定結果を用いて平行平面板の絶対厚みを解析的に測定する原理を示す図
【図５】図１の実施形態装置において干渉縞測定結果を用いて平行平面板の厚みムラを解析的に測定する手順を示す図
【図６】本発明の第２の実施形態に係る絶対厚み測定装置を示す全体構成図
【図７】本発明の第３の実施形態に係る絶対厚み測定装置を示す全体構成図
【図８】本発明の第４の実施形態に係る絶対厚み測定装置の作用を説明するための概念図
【符号の説明】
２、６００ 平行平面板
２ａ、２ｂ、６００ａ、６００ｂ 両面（被検面）
１０、１１０、２１０、５００ 絶対厚み測定装置
１２Ａ、１２Ｂ、５１０Ａ、５１０Ｂ 干渉計
１４、１１４、２１４、５０４ 被検体保持部材
１６ コンピュータ
１８ モニタ
２０Ａ、２０Ｂ 干渉計本体
２２Ａ、２２Ｂ、５１５Ａ、５１５Ｂ 基準板
２２Ａａ、２２Ｂａ、５１５Ａａ、５１５Ｂａ 基準面
２４Ａ、２４Ｂ ＰＺＴ駆動回路
２６Ａ、２６Ｂ ピエゾ素子
２８Ａ、２８Ｂ 基準板支持部材
３０、１３０、２３０Ａ、２３０Ｂ 遮光部材
３１Ａ、３１Ｂ 波長可変レーザ光源
３９Ａａ、３９Ｂａ、５１９Ａ、５１９Ｂ 撮像装置
５１６Ａ、５１６Ｂ 基準位置決定板
５１６Ａａ、５１６Ｂｂ 基準位置決定面
５２１Ａ、５２１Ｂ ＰＺＴステージ
５２１Ａ、５２１Ｂ パルスモータステージ
Ａｘ 光軸
Claims (7)
- 光源からの出射光束を２分割し、一方の光束を被検面に入射させてその反射光を物体光とするとともに他方の光束を基準面に入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞に基づいて前記被検面を測定するように構成された１対の第１および第２の干渉計と、被検体となる不透明の平行平面板を保持する被検体保持部材とを備え、
前記平行平面板の両面の一面側に前記第１の干渉計を、他面側に前記第２の干渉計を各々の出射光束が対向するように配置した状態で該平行平面板の両面を被検面として干渉測定を行うように構成された測定装置において、
前記光源を波長可変光源とするとともに、前記第１および第２の干渉計の各々について該光源から出射された光の波長を変化させつつ、所定の波長ずつ変化させる毎に干渉縞画像を得、これら得られた複数枚の干渉縞画像に基づき、下記演算式（１）〜（３）を用いて前記被検面と前記基準面間の距離を測定するようになし、
前記第１の干渉計により測定された、該第１の干渉計の基準面である第１基準面とこれに対向する前記平行平面板の面までの距離ＤＡと、前記第２の干渉計により測定された、該第２の干渉計の基準面である第２基準面とこれに対向する前記平行平面板の面までの距離ＤＢとを、前記第１または第２の干渉計により測定された、前記第１基準面から前記第２基準面までの距離ＤＣから減算処理して前記平行平面板の絶対厚みｄを算出するように構成されてなることを特徴とする絶対厚み測定装置。
- 前記波長可変光源が波長可変レーザ光源であり、前記第１および第２の干渉計がフィゾー型干渉計であることを特徴とする請求項１記載の絶対厚み測定装置。
- 光源からの出射光束を２分割し、一方の光束を被検面に入射させてその反射光を物体光とするとともに他方の光束を基準面に入射させてその反射光を参照光とし、これら物体光および参照光の光干渉により生じる干渉縞に基づいて前記被検面を測定するように構成された１対の第１および第２の干渉計と、被検体となる不透明の平行平面板を保持する被検体保持部材とを備え、
前記平行平面板の両面の一面側に第１の等光路長型干渉計を、他面側に第２の等光路長型干渉計を各々の出射光束が対向するように配置した状態で該平行平面板の両面を被検面として干渉測定を行うように構成された測定装置において、
前記光源を低可干渉光出力光源とするとともに、前記平行平面板の両面に各々離間対向して、基準位置決定面を有する透明な基準位置決定板を各々設け、
前記第１および第２の等光路長型干渉計の前記第１および第２基準面を各々光軸方向に移動可能とするとともに、前記第１および第２基準面各々の現在位置を読取可能な検出手段を設け、
前記第１の等光路長型干渉計の前記第１基準面を移動することにより、前記平行平面板の該第１の等光路長型干渉計側に配設された第１基準位置決定面、前記平行平面板の前記第２の等光路長型干渉計側に配設された第２基準位置決定面、および前記平行平面板の前記第１の等光路長型干渉計側の面の各々について、干渉縞が得られた際の、前記第１の等光路長型干渉計の前記第１基準面の各現在位置情報に基づき、前記第１基準位置決定面から前記平行平面板の前記第１の等光路長型干渉計側の面までの距離ＤＡと、前記第１基準位置決定面から前記第２基準位置決定面までの距離ＤＣを得、
前記第２の等光路長型干渉計の前記第２基準面を移動することにより、前記第２基準位置決定面、および前記平行平面板の前記第２の等光路長型干渉計側の面の各々について、干渉縞が得られた際の前記第２の等光路長型干渉計の前記第２基準面の各現在位置情報に基づき、前記第２基準位置決定面から前記平行平面板の前記第２の等光路長型干渉計側の面までの距離ＤＢを得、
前記距離ＤＡと前記距離ＤＢとを、前記距離ＤＣから減算処理して前記平行平面板の絶対厚みを算出するように構成されてなることを特徴とする絶対厚み測定装置。 - 前記被検体保持部材は、前記平行平面板を１対の前記干渉計の光束に対して挿脱自在とし得るように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の絶対厚み測定装置。
- 前記被検体保持部材は、１対の前記干渉計の一方から出射された光束の一部を１対の前記干渉計の他方の前記基準面まで到達せしめる開口部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の絶対厚み測定装置。
- １対の前記干渉計のうち前記干渉縞を観察する際に前記測定には関与しない干渉計から出射される光束が、前記測定に関与する干渉計に入射することを防止する遮光部材を設けたことを特徴とする請求項４または５記載の絶対厚み測定装置。
- 前記干渉計が、該干渉計の基準面を該基準面の光軸方向に微動させて該基準面と前記被検面との相対距離を変化させることにより、前記干渉縞の解析を行うように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載の絶対厚み測定装置。
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