JPH10281738A - 干渉計測方法および干渉計測装置 - Google Patents
干渉計測方法および干渉計測装置Info
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- JPH10281738A JPH10281738A JP8930097A JP8930097A JPH10281738A JP H10281738 A JPH10281738 A JP H10281738A JP 8930097 A JP8930097 A JP 8930097A JP 8930097 A JP8930097 A JP 8930097A JP H10281738 A JPH10281738 A JP H10281738A
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- wavelength
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 波長を越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行うことが可能な干渉計測方法
および干渉計測装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光源60は、複数の波長からなる
レーザ光を出射する。測定対象面4aで反射した光と、
平面原器64で反射した光が干渉し、撮像管67 1 〜6
7n は、各波長毎に干渉縞画像を個別に検出する。コン
ピュータ9は、複数の波長から2つの波長を一組とし
て、2つの波長の合成波長が順次小さくなるように、第
m〜第1の波長の組(但し、m≧2)を選択し、2つの
波長に対応する干渉縞画像間の位相分布差に基づいて、
各波長の組毎に第mの波長の組から第1の波長の組まで
平面原器64と測定対象面4aとの概略の絶対距離を順
次演算し、複数の波長のうちの1つの波長の位相分布、
および第1の波長の組の概略の絶対距離に基づいて、平
面原器64と測定対象面4aとの精密な絶対距離を演算
する。
測定を高精度かつ高速に行うことが可能な干渉計測方法
および干渉計測装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光源60は、複数の波長からなる
レーザ光を出射する。測定対象面4aで反射した光と、
平面原器64で反射した光が干渉し、撮像管67 1 〜6
7n は、各波長毎に干渉縞画像を個別に検出する。コン
ピュータ9は、複数の波長から2つの波長を一組とし
て、2つの波長の合成波長が順次小さくなるように、第
m〜第1の波長の組(但し、m≧2)を選択し、2つの
波長に対応する干渉縞画像間の位相分布差に基づいて、
各波長の組毎に第mの波長の組から第1の波長の組まで
平面原器64と測定対象面4aとの概略の絶対距離を順
次演算し、複数の波長のうちの1つの波長の位相分布、
および第1の波長の組の概略の絶対距離に基づいて、平
面原器64と測定対象面4aとの精密な絶対距離を演算
する。
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光波の干渉現象を
利用して物体の形状を測定する干渉計測方法および干渉
計測装置に関し、特に、少なくとも3種類の波長の光波
を用いて、波長を越える段差や、波長を越える測定対象
面と干渉計との絶対距離を含む形状を高精度かつ高速に
測定する干渉計測方法および干渉計測装置に関する。
利用して物体の形状を測定する干渉計測方法および干渉
計測装置に関し、特に、少なくとも3種類の波長の光波
を用いて、波長を越える段差や、波長を越える測定対象
面と干渉計との絶対距離を含む形状を高精度かつ高速に
測定する干渉計測方法および干渉計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光波の干渉現象を利用した計測は、光の
波長すなわちサブミクロン以上の精度で非接触な計測が
可能であるため、高精度計測の分野で広く使われてお
り、従来の干渉計測方法としては、以下のものが知られ
ている。 (1) 2光束干渉法(以下「従来例1」という。) (2) 2波長干渉法(以下「従来例2」という。) (3) 白色干渉法(以下「従来例3」という。)
波長すなわちサブミクロン以上の精度で非接触な計測が
可能であるため、高精度計測の分野で広く使われてお
り、従来の干渉計測方法としては、以下のものが知られ
ている。 (1) 2光束干渉法(以下「従来例1」という。) (2) 2波長干渉法(以下「従来例2」という。) (3) 白色干渉法(以下「従来例3」という。)
【0003】(従来例1)2光束干渉法は、原器と呼ば
れる高精度に作製された理想的形状の基準面で反射され
た基準波面と測定対象面で反射された測定対象波面とを
干渉させるものである(例えば、”Optical S
hop Testing 2nd Edition”,
D.Malacara編集,John Wiley &
Sons,Inc.発行,(1992年),14章,
p.501〜591 参照)。
れる高精度に作製された理想的形状の基準面で反射され
た基準波面と測定対象面で反射された測定対象波面とを
干渉させるものである(例えば、”Optical S
hop Testing 2nd Edition”,
D.Malacara編集,John Wiley &
Sons,Inc.発行,(1992年),14章,
p.501〜591 参照)。
【0004】図7は、この2光束干渉法を説明するため
のフローを示す。まず、基準面で反射された基準波面と
測定対象面で反射された測定対象波面の2つを干渉させ
て生じる干渉縞を式(1)に示す光強度として検出する
(ST1)。 I(x,y) =a(x,y) +b(x,y) ×cos{φ(x,y) +δ} …(1) 但し、I(x,y) :干渉縞を表す光強度 a(x,y) :バイアス成分 b(x,y) :干渉縞強度の振幅 φ(x,y) :検出対象の位相分布 δ :配置で決まる初期位相
のフローを示す。まず、基準面で反射された基準波面と
測定対象面で反射された測定対象波面の2つを干渉させ
て生じる干渉縞を式(1)に示す光強度として検出する
(ST1)。 I(x,y) =a(x,y) +b(x,y) ×cos{φ(x,y) +δ} …(1) 但し、I(x,y) :干渉縞を表す光強度 a(x,y) :バイアス成分 b(x,y) :干渉縞強度の振幅 φ(x,y) :検出対象の位相分布 δ :配置で決まる初期位相
【0005】次に、位相分布(ここではラップされた位
相分布)を求める(このステップを「干渉縞位相解析」
という。)(ST2)。
相分布)を求める(このステップを「干渉縞位相解析」
という。)(ST2)。
【0006】図8は、位相がラップされる様子を説明す
るための図であり、同図(a) は実際の位相を示す図、同
図(b) はラップされた位相を示す図である。上記式
(1)に示す干渉現象の周期的性質により、直接検出さ
れるのは2πの区間に折り返された位相(ラップされた
位相)のみである。すなわち、干渉縞1周期を越える分
には不確定性が存在する。換言すれば、干渉計測とは、
上記式(1)においてI(x,y) からφ(x,y) を求める行
為である。しかし、φ(x,y) を求める際に現れるcos
の逆関数が多価関数であることから、同図(b) に示すよ
うに、実際の位相φを一意に求めることができず、一意
に求めることができるのは、波長の整数倍成分(この倍
数を表す整数を「縞次数」という。)を除いた1波長未
満の端数成分だけである。
るための図であり、同図(a) は実際の位相を示す図、同
図(b) はラップされた位相を示す図である。上記式
(1)に示す干渉現象の周期的性質により、直接検出さ
れるのは2πの区間に折り返された位相(ラップされた
位相)のみである。すなわち、干渉縞1周期を越える分
には不確定性が存在する。換言すれば、干渉計測とは、
上記式(1)においてI(x,y) からφ(x,y) を求める行
為である。しかし、φ(x,y) を求める際に現れるcos
の逆関数が多価関数であることから、同図(b) に示すよ
うに、実際の位相φを一意に求めることができず、一意
に求めることができるのは、波長の整数倍成分(この倍
数を表す整数を「縞次数」という。)を除いた1波長未
満の端数成分だけである。
【0007】次に、縞次数ng(x,y) を求める(このス
テップを「位相アンラッピング」という。)(ST
3)。位相アンラッピングは数学的に一意に求められる
ものではない。位相アンラッピングにおいては、測定対
象面が「なめらかである」ことを仮定して、位相アンラ
ッピングの後に全体形状がなめらかになるように、試行
錯誤的に縞次数を決定している。なお、このような試行
錯誤を自動的に行うアルゴリズムも近年では精力的に開
発されている(例えば、T.R.Judge &P.
J.Bryanston−Cross:”A Revi
ew of Phase Unwrapping Te
chniques in Fringe Analys
is”,Optics and Lasers in
Engineering,vol.21,(199
4),p.199−239 参照)。縞次数ng(x,y)
を求めた後、次式(2)によってラップされていない実
際の位相分布φ(x,y) を求める。 φ(x,y) =ng(x,y) ×2π+ψs(x,y) …(2) 但し、ng(x,y) :縞次数(厳密に整数) ψs :2π未満の端数位相情報
テップを「位相アンラッピング」という。)(ST
3)。位相アンラッピングは数学的に一意に求められる
ものではない。位相アンラッピングにおいては、測定対
象面が「なめらかである」ことを仮定して、位相アンラ
ッピングの後に全体形状がなめらかになるように、試行
錯誤的に縞次数を決定している。なお、このような試行
錯誤を自動的に行うアルゴリズムも近年では精力的に開
発されている(例えば、T.R.Judge &P.
J.Bryanston−Cross:”A Revi
ew of Phase Unwrapping Te
chniques in Fringe Analys
is”,Optics and Lasers in
Engineering,vol.21,(199
4),p.199−239 参照)。縞次数ng(x,y)
を求めた後、次式(2)によってラップされていない実
際の位相分布φ(x,y) を求める。 φ(x,y) =ng(x,y) ×2π+ψs(x,y) …(2) 但し、ng(x,y) :縞次数(厳密に整数) ψs :2π未満の端数位相情報
【0008】最後に、位相を実際の形状(距離)に換算
する(ST4)。式(2)を位相ではなく、実際の形状
(距離)の単位に変換するには、式(2)の両辺にλ/
2πをかけ、式(3)を得る。 φ(x,y) ×λ/2π=ng(x,y) ×λ+ψs(x,y) ×λ/2π …(3) ここで、φ(x,y) ×λ/2πを精密な絶対距離h(x,y)
、ψs(x,y) ×λ/2πを1波長未満の端数成分hs
(x,y) とすると、式(3)は式(4)となる。 h(x,y) =ng(x,y) ×λ+hs(x,y) …(4) 式(4)より測定対象面の形状(距離)を求めることが
できる。
する(ST4)。式(2)を位相ではなく、実際の形状
(距離)の単位に変換するには、式(2)の両辺にλ/
2πをかけ、式(3)を得る。 φ(x,y) ×λ/2π=ng(x,y) ×λ+ψs(x,y) ×λ/2π …(3) ここで、φ(x,y) ×λ/2πを精密な絶対距離h(x,y)
、ψs(x,y) ×λ/2πを1波長未満の端数成分hs
(x,y) とすると、式(3)は式(4)となる。 h(x,y) =ng(x,y) ×λ+hs(x,y) …(4) 式(4)より測定対象面の形状(距離)を求めることが
できる。
【0009】(従来例2)2波長干渉法は、2つの波長
の光を同時に用いて干渉計測を行うものである(例え
ば、Yukihiro Ishii and Ribu
n Onodera:”Two−wavelength
laser−diode interferomet
ry that uses phase−shifti
ng techniques”,Optics Let
ters,vol.16,No.19,(1991),
p.1523〜1525 参照)。2つの波長により形
成された干渉縞(モワレ縞)の濃淡の等高線は式(5)
で表される合成波長(本発明においては測定可能レンジ
に相当。)Λ毎に現れる。 Λ=λ1 ×λ2 /|λ1 −λ2 | …(5) 但し、λ1 ,λ2 :使用する2つの波長 このため、不確定性が無い干渉縞1周期に相当する範囲
が、通常の2光束干渉法ではλ=波長であるのに対し
て、2波長干渉法ではΛに拡大される。従って、λより
広いΛの範囲において、波長を越える段差や、波長を越
える干渉計と測定対象面との絶対距離を含む形状の測定
が可能となる。例えば、波長660nmと670nmの
2つの赤い光を用いる場合、合成波長Λは44220n
m=44.22μmとなり、44.22μmまでの段差
や絶対距離を含んむ形状の測定が可能になる。これは、
通常の2光束干渉計の66倍のレンジの拡大に相当す
る。そして、波長差|λ1 −λ2 |を小さくするほど、
測定可能なΛは大きくなる。
の光を同時に用いて干渉計測を行うものである(例え
ば、Yukihiro Ishii and Ribu
n Onodera:”Two−wavelength
laser−diode interferomet
ry that uses phase−shifti
ng techniques”,Optics Let
ters,vol.16,No.19,(1991),
p.1523〜1525 参照)。2つの波長により形
成された干渉縞(モワレ縞)の濃淡の等高線は式(5)
で表される合成波長(本発明においては測定可能レンジ
に相当。)Λ毎に現れる。 Λ=λ1 ×λ2 /|λ1 −λ2 | …(5) 但し、λ1 ,λ2 :使用する2つの波長 このため、不確定性が無い干渉縞1周期に相当する範囲
が、通常の2光束干渉法ではλ=波長であるのに対し
て、2波長干渉法ではΛに拡大される。従って、λより
広いΛの範囲において、波長を越える段差や、波長を越
える干渉計と測定対象面との絶対距離を含む形状の測定
が可能となる。例えば、波長660nmと670nmの
2つの赤い光を用いる場合、合成波長Λは44220n
m=44.22μmとなり、44.22μmまでの段差
や絶対距離を含んむ形状の測定が可能になる。これは、
通常の2光束干渉計の66倍のレンジの拡大に相当す
る。そして、波長差|λ1 −λ2 |を小さくするほど、
測定可能なΛは大きくなる。
【0010】(従来例3)白色干渉法は、白色光あるい
はそれに近いコヒーレンシーの低い光源を用いて干渉計
測を行うものである(例えば、Kumiko Mats
ui and Satoshi Kawata:”Fr
inge−scanning white−light
microscope for surface p
rofile measurement and ma
terial identification”,Pr
oc. of SPIE,vol.1720,(199
2),p.124〜132 参照)。白色干渉法で通常
使用される光のコヒーレント長は数μm程度であり、そ
のレンジしか干渉縞が現れない。また干渉縞の現れる数
μmの範囲内でも、干渉縞のコントラストの変化が最大
で干渉フリンジピークとなる原器と測定対象面との絶対
距離が0になる場所を、正確に検出することができる。
そこで、白色干渉法を用いた形状測定では、何らかの方
法で原器と測定対象面との距離を連続的に変化させ、原
器と測定対象面との絶対距離が0になる場所を順次マッ
ピングして全面の測定データを得るようにしている。通
常は、干渉計と測定対象物の距離を光軸に沿った方向に
直線走査することによって、マッピングを行う。このよ
うに白色干渉を用いると、100μm程度の広範囲にわ
たって、nmオーダの精度で波長を越える段差や、波長
を越える干渉計と測定対象面との絶対距離を含む形状の
測定が可能となる。
はそれに近いコヒーレンシーの低い光源を用いて干渉計
測を行うものである(例えば、Kumiko Mats
ui and Satoshi Kawata:”Fr
inge−scanning white−light
microscope for surface p
rofile measurement and ma
terial identification”,Pr
oc. of SPIE,vol.1720,(199
2),p.124〜132 参照)。白色干渉法で通常
使用される光のコヒーレント長は数μm程度であり、そ
のレンジしか干渉縞が現れない。また干渉縞の現れる数
μmの範囲内でも、干渉縞のコントラストの変化が最大
で干渉フリンジピークとなる原器と測定対象面との絶対
距離が0になる場所を、正確に検出することができる。
そこで、白色干渉法を用いた形状測定では、何らかの方
法で原器と測定対象面との距離を連続的に変化させ、原
器と測定対象面との絶対距離が0になる場所を順次マッ
ピングして全面の測定データを得るようにしている。通
常は、干渉計と測定対象物の距離を光軸に沿った方向に
直線走査することによって、マッピングを行う。このよ
うに白色干渉を用いると、100μm程度の広範囲にわ
たって、nmオーダの精度で波長を越える段差や、波長
を越える干渉計と測定対象面との絶対距離を含む形状の
測定が可能となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来例1の2
光束干渉法によると、測定対象面が波長を越える段差を
含む場合は、なめらかさの仮定を使うことができないの
で、位相アンラッピングを行うことができず、干渉計測
のフローを完遂することができない。また、位相アンラ
ッピングは、ラップされた位相の相対的な縞次数関係が
なめらかになるように決定するだけなので、絶対的な縞
次数を決定できず、干渉計と測定対象面との絶対距離を
測定することができない。すなわち、2光束干渉法で
は、確実に絶対距離が求められるレンジが1波長以内に
限られるので、波長を越える段差や絶対距離を含んだ形
状の測定が不可能であるという欠点がある。
光束干渉法によると、測定対象面が波長を越える段差を
含む場合は、なめらかさの仮定を使うことができないの
で、位相アンラッピングを行うことができず、干渉計測
のフローを完遂することができない。また、位相アンラ
ッピングは、ラップされた位相の相対的な縞次数関係が
なめらかになるように決定するだけなので、絶対的な縞
次数を決定できず、干渉計と測定対象面との絶対距離を
測定することができない。すなわち、2光束干渉法で
は、確実に絶対距離が求められるレンジが1波長以内に
限られるので、波長を越える段差や絶対距離を含んだ形
状の測定が不可能であるという欠点がある。
【0012】また、従来例2の2波長干渉法は、干渉縞
濃淡の等高線周期そのものを大きくする方法であるた
め、測定可能レンジΛを大きくすると、それに比例して
測定精度が低下し、サブミクロンを越えるような高精度
な測定が著しく困難となる欠点がある。
濃淡の等高線周期そのものを大きくする方法であるた
め、測定可能レンジΛを大きくすると、それに比例して
測定精度が低下し、サブミクロンを越えるような高精度
な測定が著しく困難となる欠点がある。
【0013】また、従来例3の白色干渉法によると、原
器と測定対象面との絶対距離が0になる場所を順次マッ
ピングしていく際に、原器と測定対象面の距離を機械的
に連続変化させながら多数枚の干渉縞画像を記録してい
くため、干渉縞の採取だけでも時間がかかる。それに加
えて、形状情報の抽出のための計算機処理も画像が多数
枚になるため時間がかかる。このため、計測に長時間を
要するという欠点がある。従って、変化しつつある対象
面を測定するような場合や、振動環境で測定を行うよう
な場合や、多数の面領域を測定する場合のように、高速
な測定を必要とする場合に使用することはできない。さ
らに、多数枚の画像を記憶しておくためには、大量のメ
モリや外部記憶装置を用意しなくてはならないため、装
置が高価になるという欠点がある。例えば、上記Mat
suiらの文献では、1回の測定に256枚の画像を採
取するが、これを仮に、最高速のビデオレートで行った
としても、8.5秒を要する。実際には原器と測定対象
面との距離を機械的に連続変化させるのであるから、さ
らに遅くなる可能性がある。また、干渉縞のようを高精
細画像をビデオレートのように高速に採取する装置は高
価である。さらに、もし1枚の干渉縞画像を、最近のT
Vカメラで一般的に実現可能な程度の解像度512×5
12画素、256階調(8bit)で採取したとして
も、256枚では、512×512×8×256=64
Mbyteにもなる。大容量メモリが普及している昨今
でも、これだけのデータをハンドリングできる計算機環
境を実現することはまだまだ高価である。もちろん、干
渉縞をさらに高精細に採取する必要がある場合は、画像
が2次元データであることから、桁違いに大容量のメモ
リが必要となる。例えば、ハイビジョンの普及やパーソ
ナルコンピュータの高精細ディスプレイの普及で、10
00×1000画素程度の画像も珍しくなくなりつつあ
るが、そのクラスの画像で干渉縞を採取すると、前記の
4倍である256Mbyteクラスのメモリ容量が1回
の測定データだけのために必要となる。
器と測定対象面との絶対距離が0になる場所を順次マッ
ピングしていく際に、原器と測定対象面の距離を機械的
に連続変化させながら多数枚の干渉縞画像を記録してい
くため、干渉縞の採取だけでも時間がかかる。それに加
えて、形状情報の抽出のための計算機処理も画像が多数
枚になるため時間がかかる。このため、計測に長時間を
要するという欠点がある。従って、変化しつつある対象
面を測定するような場合や、振動環境で測定を行うよう
な場合や、多数の面領域を測定する場合のように、高速
な測定を必要とする場合に使用することはできない。さ
らに、多数枚の画像を記憶しておくためには、大量のメ
モリや外部記憶装置を用意しなくてはならないため、装
置が高価になるという欠点がある。例えば、上記Mat
suiらの文献では、1回の測定に256枚の画像を採
取するが、これを仮に、最高速のビデオレートで行った
としても、8.5秒を要する。実際には原器と測定対象
面との距離を機械的に連続変化させるのであるから、さ
らに遅くなる可能性がある。また、干渉縞のようを高精
細画像をビデオレートのように高速に採取する装置は高
価である。さらに、もし1枚の干渉縞画像を、最近のT
Vカメラで一般的に実現可能な程度の解像度512×5
12画素、256階調(8bit)で採取したとして
も、256枚では、512×512×8×256=64
Mbyteにもなる。大容量メモリが普及している昨今
でも、これだけのデータをハンドリングできる計算機環
境を実現することはまだまだ高価である。もちろん、干
渉縞をさらに高精細に採取する必要がある場合は、画像
が2次元データであることから、桁違いに大容量のメモ
リが必要となる。例えば、ハイビジョンの普及やパーソ
ナルコンピュータの高精細ディスプレイの普及で、10
00×1000画素程度の画像も珍しくなくなりつつあ
るが、そのクラスの画像で干渉縞を採取すると、前記の
4倍である256Mbyteクラスのメモリ容量が1回
の測定データだけのために必要となる。
【0014】従って、本発明の目的は、波長を越える段
差や絶対距離を含んだ形状の測定を高精度かつ高速に行
うことが可能な干渉計測方法および干渉計測装置を提供
することにある。
差や絶対距離を含んだ形状の測定を高精度かつ高速に行
うことが可能な干渉計測方法および干渉計測装置を提供
することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、少なくとも3種類の波長の光波を、基準
面および測定対象面に照射して前記少なくとも3種類の
波長毎に干渉させ、この干渉によって生じた前記少なく
とも3種類の波長の干渉縞画像を個別に検出し、前記少
なくとも3種類の波長から2つの波長を一組として、前
記2つの波長の合成波長が順次小さくなるように、第m
〜第1の波長の組(但し、m≧2)を選択し、前記2つ
の波長に対応する前記干渉縞画像間の位相分布差に基づ
いて、第m〜第1の波長の組毎に前記第mの波長の組か
ら前記第1の波長の組まで前記基準面と前記測定対象面
との概略の絶対距離を順次演算し、前記少なくとも3種
類の波長のうちの1つの波長に対応する前記干渉縞画像
の位相分布、および前記第1の波長の組の前記概略の絶
対距離に基づいて、前記基準面と前記測定対象面との精
密な絶対距離を演算することを特徴とする干渉計測方法
を提供する。
成するために、少なくとも3種類の波長の光波を、基準
面および測定対象面に照射して前記少なくとも3種類の
波長毎に干渉させ、この干渉によって生じた前記少なく
とも3種類の波長の干渉縞画像を個別に検出し、前記少
なくとも3種類の波長から2つの波長を一組として、前
記2つの波長の合成波長が順次小さくなるように、第m
〜第1の波長の組(但し、m≧2)を選択し、前記2つ
の波長に対応する前記干渉縞画像間の位相分布差に基づ
いて、第m〜第1の波長の組毎に前記第mの波長の組か
ら前記第1の波長の組まで前記基準面と前記測定対象面
との概略の絶対距離を順次演算し、前記少なくとも3種
類の波長のうちの1つの波長に対応する前記干渉縞画像
の位相分布、および前記第1の波長の組の前記概略の絶
対距離に基づいて、前記基準面と前記測定対象面との精
密な絶対距離を演算することを特徴とする干渉計測方法
を提供する。
【0016】また、本発明は、上記目的を達成するた
め、少なくとも3種類の波長の光波を基準面および測定
対象面に照射する光源と、前記基準面で反射した前記少
なくとも3種類の波長の光波と前記測定対象面で反射し
た前記少なくとも3種類の波長の光波とを前記少なくと
も3種類の波長毎に干渉させる光学系と、前記少なくと
も3種類の波長の光波の干渉によって生じた前記少なく
とも3種類の波長の干渉縞画像を個別に検出する干渉縞
画像検出手段と、前記少なくとも3種類の波長から2つ
の波長を一組として、前記2つの波長の合成波長が順次
小さくなるように、第m〜第1の波長の組(但し、m≧
2)を選択する選択手段と、前記2つの波長に対応する
前記干渉縞画像間の位相分布差に基づいて、第m〜第1
の波長の組毎に前記第mの波長の組から前記第1の波長
の組まで前記基準面と前記測定対象面との概略の絶対距
離を順次演算する概略演算手段と、前記少なくとも3種
類の波長のうちの1つの波長に対応する前記干渉縞画像
の位相分布、および前記第1の波長の組の前記概略の絶
対距離に基づいて、前記基準面と前記測定対象面との精
密な絶対距離を演算する精密演算手段を有することを特
徴とする干渉計測装置を提供する。
め、少なくとも3種類の波長の光波を基準面および測定
対象面に照射する光源と、前記基準面で反射した前記少
なくとも3種類の波長の光波と前記測定対象面で反射し
た前記少なくとも3種類の波長の光波とを前記少なくと
も3種類の波長毎に干渉させる光学系と、前記少なくと
も3種類の波長の光波の干渉によって生じた前記少なく
とも3種類の波長の干渉縞画像を個別に検出する干渉縞
画像検出手段と、前記少なくとも3種類の波長から2つ
の波長を一組として、前記2つの波長の合成波長が順次
小さくなるように、第m〜第1の波長の組(但し、m≧
2)を選択する選択手段と、前記2つの波長に対応する
前記干渉縞画像間の位相分布差に基づいて、第m〜第1
の波長の組毎に前記第mの波長の組から前記第1の波長
の組まで前記基準面と前記測定対象面との概略の絶対距
離を順次演算する概略演算手段と、前記少なくとも3種
類の波長のうちの1つの波長に対応する前記干渉縞画像
の位相分布、および前記第1の波長の組の前記概略の絶
対距離に基づいて、前記基準面と前記測定対象面との精
密な絶対距離を演算する精密演算手段を有することを特
徴とする干渉計測装置を提供する。
【0017】
【0018】図1は、本発明の第1の実施の形態に係る
干渉計測装置を示す。この干渉計測装置1は、水平に配
置されたテーブル2と、テーブル2の上に立設された柱
3とを有し、テーブル2上に測定対象物4を上下動させ
るピエゾステージ5を載置し、柱3に干渉計6を設けて
いる。
干渉計測装置を示す。この干渉計測装置1は、水平に配
置されたテーブル2と、テーブル2の上に立設された柱
3とを有し、テーブル2上に測定対象物4を上下動させ
るピエゾステージ5を載置し、柱3に干渉計6を設けて
いる。
【0019】干渉計6は、複数の波長λ1 ,
λ2 ,..,λn (但し、nは3以上の整数)からなる
レーザ光を同時に発振するレーザ光源60と、レーザ光
源60からのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ
61と、コリメータレンズ61からの平行光の一部を測
定対象物4側に反射させる第1のハーフミラー62A
と、第1のハーフミラー62Aの測定対象物4側に配置
され、通常の顕微鏡対物レンズと同様の結像性能を有す
る対物レンズ63と、基準面としての平面原器64と、
対物レンズ63からの光の一部を測定対象物4に導き、
残りの一部を平面原器64に導く第2のハーフミラー6
2Bと、測定対象物4の表面(測定対象面)4aと平面
原器64で各々反射された光が第2のハーフミラー62
Bに戻り、そこで重ねられて生成された干渉光から波長
λ1 ,λ2 ,..,λn-1 の光をそれぞれ反射分離する
第1,第2,,..,および第(n−1)のダイクロイ
ックミラー65 1 ,652 ,..,65n-1 と、各波長
λ1 ,λ2 ,..,λn-1 の光を結像レンズ66を介し
てそれぞれ撮像する第1,第2,..,および第(n−
1)の撮像管671 ,672 ,..,67n-1 と、第
(n−1)のダイクロイックミラー65n-1 を透過した
波長λn の光を結像レンズ66を介して撮像する第nの
撮像管67n とを備えている。なお、対物レンズ63,
平面原器64および第2のハーフミラー62Bにより、
いわゆるマイケルソン干渉計を構成する。
λ2 ,..,λn (但し、nは3以上の整数)からなる
レーザ光を同時に発振するレーザ光源60と、レーザ光
源60からのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ
61と、コリメータレンズ61からの平行光の一部を測
定対象物4側に反射させる第1のハーフミラー62A
と、第1のハーフミラー62Aの測定対象物4側に配置
され、通常の顕微鏡対物レンズと同様の結像性能を有す
る対物レンズ63と、基準面としての平面原器64と、
対物レンズ63からの光の一部を測定対象物4に導き、
残りの一部を平面原器64に導く第2のハーフミラー6
2Bと、測定対象物4の表面(測定対象面)4aと平面
原器64で各々反射された光が第2のハーフミラー62
Bに戻り、そこで重ねられて生成された干渉光から波長
λ1 ,λ2 ,..,λn-1 の光をそれぞれ反射分離する
第1,第2,,..,および第(n−1)のダイクロイ
ックミラー65 1 ,652 ,..,65n-1 と、各波長
λ1 ,λ2 ,..,λn-1 の光を結像レンズ66を介し
てそれぞれ撮像する第1,第2,..,および第(n−
1)の撮像管671 ,672 ,..,67n-1 と、第
(n−1)のダイクロイックミラー65n-1 を透過した
波長λn の光を結像レンズ66を介して撮像する第nの
撮像管67n とを備えている。なお、対物レンズ63,
平面原器64および第2のハーフミラー62Bにより、
いわゆるマイケルソン干渉計を構成する。
【0020】また、干渉計測装置1は、ピエゾステージ
5を駆動するピエゾドライバ7と、第1乃至第nの撮像
管671 〜67n からの干渉縞の画像信号をデジタルの
干渉縞画像データに変換するイメージデジタイザ8と、
ピエゾドライバ7を制御するとともに、イメージデジタ
イザ8からのデジタルデータを基に測定対象面4aの形
状を求めるコンピュータ9とを備えている。なお、9a
は本装置1全体を制御する制御部を備えるコンピュータ
本体、9bは測定結果を表示するディスプレイ、9cは
キーボードである。
5を駆動するピエゾドライバ7と、第1乃至第nの撮像
管671 〜67n からの干渉縞の画像信号をデジタルの
干渉縞画像データに変換するイメージデジタイザ8と、
ピエゾドライバ7を制御するとともに、イメージデジタ
イザ8からのデジタルデータを基に測定対象面4aの形
状を求めるコンピュータ9とを備えている。なお、9a
は本装置1全体を制御する制御部を備えるコンピュータ
本体、9bは測定結果を表示するディスプレイ、9cは
キーボードである。
【0021】図2は、第1の実施の形態に係る干渉計測
装置1の動作を示すフローチャートである。まず、コン
ピュータ本体9a内の制御部は、位相シフト法(例えば
縞走査干渉測定法)により、ピエゾドライバ7を制御し
て測定対象物4を上下方向に移動させ、干渉計6と測定
対象面4aとの距離をλ/4ずつ変化させながら、各波
長λ1 ,λ2 ,..,λn 毎に4枚の干渉縞画像データ
Iab(x,y)(但し、a=1,2,..,n、b=
1,2,3,4)を検出する(ST11)。この干渉縞
画像データは、従来の技術で説明した式(1)に示すよ
うに、a(x,y) 、b(x,y) 、φ(x,y) が未知量であるの
で、δを変化させて最低3枚の干渉縞画像データを取得
すれば、φ(x,y) を求めることができるが、ここでは、
計算精度および計算速度を考慮して各波長λ1 ,
λ2 ,..,λn 毎に4枚の干渉縞画像データを取得す
る場合について説明する。具体的には、 λ1 …I11(x,y),I12(x,y),I13(x,y),I14(x,y) λ2 …I21(x,y),I22(x,y),I23(x,y),I24(x,y) ...λn … In1(x,y) , In2(x,y) , In3(x,y) ,I
n4(x,y) を検出する。
装置1の動作を示すフローチャートである。まず、コン
ピュータ本体9a内の制御部は、位相シフト法(例えば
縞走査干渉測定法)により、ピエゾドライバ7を制御し
て測定対象物4を上下方向に移動させ、干渉計6と測定
対象面4aとの距離をλ/4ずつ変化させながら、各波
長λ1 ,λ2 ,..,λn 毎に4枚の干渉縞画像データ
Iab(x,y)(但し、a=1,2,..,n、b=
1,2,3,4)を検出する(ST11)。この干渉縞
画像データは、従来の技術で説明した式(1)に示すよ
うに、a(x,y) 、b(x,y) 、φ(x,y) が未知量であるの
で、δを変化させて最低3枚の干渉縞画像データを取得
すれば、φ(x,y) を求めることができるが、ここでは、
計算精度および計算速度を考慮して各波長λ1 ,
λ2 ,..,λn 毎に4枚の干渉縞画像データを取得す
る場合について説明する。具体的には、 λ1 …I11(x,y),I12(x,y),I13(x,y),I14(x,y) λ2 …I21(x,y),I22(x,y),I23(x,y),I24(x,y) ...λn … In1(x,y) , In2(x,y) , In3(x,y) ,I
n4(x,y) を検出する。
【0022】ここで、1枚の干渉縞画像データを取得す
る場合について説明する。レーザ光源60から出射され
た複数の波長λ1 ,λ2 ,..,λn からなるレーザ光
は、コリメータレンズ61で平行光にされ、第1のハー
フミラー62Aによってその一部の光が反射され、対物
レンズ63に到達する。対物レンズ63からの光は第2
のハーフミラー62Bで一部が測定対象面4aに導か
れ、残りの一部が平面原器64に導かれる。測定対象面
4aと平面原器64で各々反射された光は、再び第2の
ハーフミラー62Bへ戻り、そこで重ねられて干渉光と
なる。対物レンズ63から出た干渉光は、その一部が第
1のハーフミラー62Aを透過して、第1のダイクロイ
ックミラー651 に到達する。第1乃至第(n−1)の
ダイクロイックミラー651 〜65n-1 は、干渉光から
波長λ1 ,λ2 ,..,λn-1 の光をそれぞれ反射分離
する。従って、各波長λ1 ,λ2 ,..,λn-1 の光
は、結像レンズ66を経て対応する第1,第2,..,
および第(n−1)の撮像管671 ,672 ,..,6
7n-1 に到達し、第(n−1)のダイクロイックミラー
65n-1 を透過した波長λn の光は、結像レンズ66を
経て第nの撮像管6767n に到達する。このようにし
て、第1の撮像管671 では波長λ1 の光のみによる干
渉縞の画像が、第2の撮像管672 では波長λ2 の光の
みによる干渉縞の画像が、個別同時に光強度として検出
され、以下、同様に、第(n−1)の撮像管67n-1 で
は波長λn-1 の光のみによる干渉縞の画像が、第nの撮
像管6767n では波長λn の光のみによる干渉縞の画
像が、個別同時に光強度として検出される。波長λ1 ,
λ2 ,..,λn 毎に検出された干渉縞の画像信号は、
イメージデジタイザ8でデジタルの干渉縞画像データに
変換され、コンピュータ本体9a内の制御部に転送され
る。制御部は、波長λ1 ,λ2 ,..,λn 毎に4枚の
干渉縞画像データIab(x,y)を取得すると、干渉縞
画像データIab(x,y)に基づいて、以下に説明する
ように演算を行い、干渉計6と測定対象面4aとの間の
距離(以下、単に「絶対距離」ともいう。)を求める。
る場合について説明する。レーザ光源60から出射され
た複数の波長λ1 ,λ2 ,..,λn からなるレーザ光
は、コリメータレンズ61で平行光にされ、第1のハー
フミラー62Aによってその一部の光が反射され、対物
レンズ63に到達する。対物レンズ63からの光は第2
のハーフミラー62Bで一部が測定対象面4aに導か
れ、残りの一部が平面原器64に導かれる。測定対象面
4aと平面原器64で各々反射された光は、再び第2の
ハーフミラー62Bへ戻り、そこで重ねられて干渉光と
なる。対物レンズ63から出た干渉光は、その一部が第
1のハーフミラー62Aを透過して、第1のダイクロイ
ックミラー651 に到達する。第1乃至第(n−1)の
ダイクロイックミラー651 〜65n-1 は、干渉光から
波長λ1 ,λ2 ,..,λn-1 の光をそれぞれ反射分離
する。従って、各波長λ1 ,λ2 ,..,λn-1 の光
は、結像レンズ66を経て対応する第1,第2,..,
および第(n−1)の撮像管671 ,672 ,..,6
7n-1 に到達し、第(n−1)のダイクロイックミラー
65n-1 を透過した波長λn の光は、結像レンズ66を
経て第nの撮像管6767n に到達する。このようにし
て、第1の撮像管671 では波長λ1 の光のみによる干
渉縞の画像が、第2の撮像管672 では波長λ2 の光の
みによる干渉縞の画像が、個別同時に光強度として検出
され、以下、同様に、第(n−1)の撮像管67n-1 で
は波長λn-1 の光のみによる干渉縞の画像が、第nの撮
像管6767n では波長λn の光のみによる干渉縞の画
像が、個別同時に光強度として検出される。波長λ1 ,
λ2 ,..,λn 毎に検出された干渉縞の画像信号は、
イメージデジタイザ8でデジタルの干渉縞画像データに
変換され、コンピュータ本体9a内の制御部に転送され
る。制御部は、波長λ1 ,λ2 ,..,λn 毎に4枚の
干渉縞画像データIab(x,y)を取得すると、干渉縞
画像データIab(x,y)に基づいて、以下に説明する
ように演算を行い、干渉計6と測定対象面4aとの間の
距離(以下、単に「絶対距離」ともいう。)を求める。
【0023】次式(61 ),(62 ),(63 )(以
下、まとめて式(6)という。)を満たすように、複数
の波長λ1 ,λ2 ,..,λn から2つの波長λij(但
し、i=1,2,..,m、mは2以上の整数、j=
1,2、λi1<λi2)を一組として第1〜第mの波長の
組を選択する(ST12)。この選択は、コンピュータ
本体9a内の制御部がプログラムに基づいて行ってもよ
く、オペレータが行ってもよい。 Λi-1 >Rhgi (但し、i=2,3,..,m) …(61 ) λx /k>Rhg1 …(62 ) Rhg1 <Rhg2 <...<Rhgm …(63 ) 但し、 Λi-1 :第(i−1)の波長の組(λ(i-1)1,
λ(i-1)2)の合成波長(概略の絶対距離の測定可能レン
ジ) Rhgi :第iの波長の組(λi1,λi2)による概略の
絶対距離の測定精度λx :複数の波長λ1 ,
λ2 ,..,λn のうちの1つの波長であり、精密な絶
対距離の計算に使用する波長 k :反射による測定の場合は2、透過による測定の場
合は1 具体的には、 Λm-1 =λ(m-1)2×λ(m-1)1/[k{λ(m-1)2−λ(m-1)1}]>Rhgm ... Λ2 =λ22×λ21/[k{λ22ーλ21}]>Rhg3 Λ1 =λ12×λ11/[k{λ12ーλ11}]>Rhg2
下、まとめて式(6)という。)を満たすように、複数
の波長λ1 ,λ2 ,..,λn から2つの波長λij(但
し、i=1,2,..,m、mは2以上の整数、j=
1,2、λi1<λi2)を一組として第1〜第mの波長の
組を選択する(ST12)。この選択は、コンピュータ
本体9a内の制御部がプログラムに基づいて行ってもよ
く、オペレータが行ってもよい。 Λi-1 >Rhgi (但し、i=2,3,..,m) …(61 ) λx /k>Rhg1 …(62 ) Rhg1 <Rhg2 <...<Rhgm …(63 ) 但し、 Λi-1 :第(i−1)の波長の組(λ(i-1)1,
λ(i-1)2)の合成波長(概略の絶対距離の測定可能レン
ジ) Rhgi :第iの波長の組(λi1,λi2)による概略の
絶対距離の測定精度λx :複数の波長λ1 ,
λ2 ,..,λn のうちの1つの波長であり、精密な絶
対距離の計算に使用する波長 k :反射による測定の場合は2、透過による測定の場
合は1 具体的には、 Λm-1 =λ(m-1)2×λ(m-1)1/[k{λ(m-1)2−λ(m-1)1}]>Rhgm ... Λ2 =λ22×λ21/[k{λ22ーλ21}]>Rhg3 Λ1 =λ12×λ11/[k{λ12ーλ11}]>Rhg2
【0024】図3は、干渉計6と測定対象面4aとの絶
対距離を算出する方法を説明するための図である。上記
式(6)を満たすように、第1〜第mの波長の組を選択
すると、全ての可能なiについて、第iの波長の組の合
成波長(絶対距離の測定可能レンジ)Λi であるλi2×
λi1/[k{λi2−λi1}]が、必ず第(i+1)の波
長の組における概略の絶対距離の測定精度Rhg(i+1)
より大きくなる。従って、図3に示すように、最も広い
概略の絶対距離の測定可能レンジΛm を持つ第mの波長
の組(λm1,λm2)に基づく概略の絶対距離hgm (x,
y) から順次よりレンジが狭くより精度が高い波長の組
み合わせ、すなわち(λ(m-1)1,λ(m-1)2),..,
(λ21,λ22),(λ11,λ12)に基づく概略の絶対距
離hgm-1 (x,y) ,..,hg2 (x,y) ,hg1 を求め
ることができる。この結果、上記複数の波長λ1 ,
λ2 ,..,λn のうちの少なくとも1つの波長λx の
干渉縞から得られる干渉縞の縞次数を決定することがで
きる精度を持った概略の絶対距離を得ることができる。
対距離を算出する方法を説明するための図である。上記
式(6)を満たすように、第1〜第mの波長の組を選択
すると、全ての可能なiについて、第iの波長の組の合
成波長(絶対距離の測定可能レンジ)Λi であるλi2×
λi1/[k{λi2−λi1}]が、必ず第(i+1)の波
長の組における概略の絶対距離の測定精度Rhg(i+1)
より大きくなる。従って、図3に示すように、最も広い
概略の絶対距離の測定可能レンジΛm を持つ第mの波長
の組(λm1,λm2)に基づく概略の絶対距離hgm (x,
y) から順次よりレンジが狭くより精度が高い波長の組
み合わせ、すなわち(λ(m-1)1,λ(m-1)2),..,
(λ21,λ22),(λ11,λ12)に基づく概略の絶対距
離hgm-1 (x,y) ,..,hg2 (x,y) ,hg1 を求め
ることができる。この結果、上記複数の波長λ1 ,
λ2 ,..,λn のうちの少なくとも1つの波長λx の
干渉縞から得られる干渉縞の縞次数を決定することがで
きる精度を持った概略の絶対距離を得ることができる。
【0025】次に、ステップST11で検出した干渉縞
画像データを用いて、次式(7)によりステップST1
2で選択した各波長λij毎に位相分布ψij(x,y) (但
し、i=1,2,..,m、j=1,2)を算出する
(ST13)。 ψij(x,y) =arctan[{Iij4(x,y)−Iij2(x,y)}/{Iij1(x,y)−Iij3(x,y)}] …(7) なお、arctanが多価関数であるため、既に述べたように
ψij(x,y) は2πの区間に折り返された位相、すなわち
ラップされた位相として得られる。
画像データを用いて、次式(7)によりステップST1
2で選択した各波長λij毎に位相分布ψij(x,y) (但
し、i=1,2,..,m、j=1,2)を算出する
(ST13)。 ψij(x,y) =arctan[{Iij4(x,y)−Iij2(x,y)}/{Iij1(x,y)−Iij3(x,y)}] …(7) なお、arctanが多価関数であるため、既に述べたように
ψij(x,y) は2πの区間に折り返された位相、すなわち
ラップされた位相として得られる。
【0026】次に、ステップST13で求めた位相分布
ψij(x,y) を用いて次式(8)により第mの波長の組
(λm1,λm2)の概略の絶対距離hgm (x,y) を算出す
る(ST14)。 hgm (x,y) ={ψm1(x,y) −ψm2(x,y) }/ {2 π×k (1/ λm1−1/λm2) } …(8)
ψij(x,y) を用いて次式(8)により第mの波長の組
(λm1,λm2)の概略の絶対距離hgm (x,y) を算出す
る(ST14)。 hgm (x,y) ={ψm1(x,y) −ψm2(x,y) }/ {2 π×k (1/ λm1−1/λm2) } …(8)
【0027】図4は、概略の絶対距離を測定する原理を
説明するための図である。同図に示すように、測定対象
面の同じ場所(着目点)に対応する第iの波長の組のλ
i1の干渉縞とλi2の干渉縞との間の位相差は、測定対象
面の当該着目点と原器との絶対距離によって変化する。
従って、その位相差から絶対距離を求めることができ
る。その変化量は周期関数であって、その周期(合成波
長Λi )は2波長干渉法と同様に異なる2つの波長λi1
とλi2に対して、上記式(5)と同様に次の式(5′)
で与えられる。 Λi =λi1×λi2/|λi1−λi2| すなわち、絶対距離が求められるレンジは、2πの区間
(λi1,λi2)より拡大された測定範囲のΛi である。
このようにして求めた絶対距離は、2波長干渉法と同
様、通常の2光束干渉法と較べると精度が悪い。この意
味で、絶対距離は概略であるが、縞次数を定めるには充
分な精度を持たせることが可能である。
説明するための図である。同図に示すように、測定対象
面の同じ場所(着目点)に対応する第iの波長の組のλ
i1の干渉縞とλi2の干渉縞との間の位相差は、測定対象
面の当該着目点と原器との絶対距離によって変化する。
従って、その位相差から絶対距離を求めることができ
る。その変化量は周期関数であって、その周期(合成波
長Λi )は2波長干渉法と同様に異なる2つの波長λi1
とλi2に対して、上記式(5)と同様に次の式(5′)
で与えられる。 Λi =λi1×λi2/|λi1−λi2| すなわち、絶対距離が求められるレンジは、2πの区間
(λi1,λi2)より拡大された測定範囲のΛi である。
このようにして求めた絶対距離は、2波長干渉法と同
様、通常の2光束干渉法と較べると精度が悪い。この意
味で、絶対距離は概略であるが、縞次数を定めるには充
分な精度を持たせることが可能である。
【0028】ここで、上記式(8)のhgm (x,y) が概
略の絶対距離である理由を以下に述べる。ラップされた
位相ψと実際の絶対距離あるいは形状hとの関係は次式
(9)で表される。 h・(2π×k)/λ=ψ+2π×N …(9) 但し、k:反射測定の場合は2、透過測定の場合は1 N:波長λでの縞次数 ψ測定を反射で行う場合は、光波が往復するため、同じ
距離の差でも位相差は2倍になり、k=2となる。この
ことは、干渉縞1フリンジが示す距離(干渉縞の間隔)
が反射と透過で2倍異なることに対応する。次に、λm1
とλm2について上記式(9)を作り、辺々引き算して整
理すると式(10)となる。
略の絶対距離である理由を以下に述べる。ラップされた
位相ψと実際の絶対距離あるいは形状hとの関係は次式
(9)で表される。 h・(2π×k)/λ=ψ+2π×N …(9) 但し、k:反射測定の場合は2、透過測定の場合は1 N:波長λでの縞次数 ψ測定を反射で行う場合は、光波が往復するため、同じ
距離の差でも位相差は2倍になり、k=2となる。この
ことは、干渉縞1フリンジが示す距離(干渉縞の間隔)
が反射と透過で2倍異なることに対応する。次に、λm1
とλm2について上記式(9)を作り、辺々引き算して整
理すると式(10)となる。
【数5】 …(10) ここで、ΔNm (x,y) は、λm1による縞次数とλm2によ
る縞次数との差、すなわち、ΔNm (x,y) =N(λm1)
(x,y) −N(λm2)(x,y) である。hがΛm =λm1×λ
m2/|λm1−λm2|より小さいときは、λm1の縞次数N
(λm1)とλm2の縞次数N(λm2)が等しく、ΔNm =
0となる。Λm を必要なレンジより大きくなるように設
定すれば、このことは満足される。このとき、上記hg
の式(8)が得られる。但し、概略の情報であることを
明示するため、hをhgに置換したものである。
る縞次数との差、すなわち、ΔNm (x,y) =N(λm1)
(x,y) −N(λm2)(x,y) である。hがΛm =λm1×λ
m2/|λm1−λm2|より小さいときは、λm1の縞次数N
(λm1)とλm2の縞次数N(λm2)が等しく、ΔNm =
0となる。Λm を必要なレンジより大きくなるように設
定すれば、このことは満足される。このとき、上記hg
の式(8)が得られる。但し、概略の情報であることを
明示するため、hをhgに置換したものである。
【0029】次に、kにm−1を設定し(ST15)、
ステップST13で求めた位相分布ψij(x,y) 、および
ステップST14で求めた概略の絶対距離hgm (x,y)
を用いて、次式(11)により第(m−1)の波長の組
の縞次数差ΔN(m-1) (x,y)を算出する(ST16)。
ステップST13で求めた位相分布ψij(x,y) 、および
ステップST14で求めた概略の絶対距離hgm (x,y)
を用いて、次式(11)により第(m−1)の波長の組
の縞次数差ΔN(m-1) (x,y)を算出する(ST16)。
【数6】 …(11) 式(11)は、式(10)でmをm−1に置換し、hを
hgに置換したものを、ΔN(m-1) (x,y) 、すなわちλ
(m-1)1の縞次数とλ(m-1)2の縞次数との差について解い
たものに他ならない。但し、ΔN(m-1) (x,y) が厳密に
整数である一方、hgが誤差を含むことを考慮して最も
近い整数をとる関数T[]を採用する。図3に示すよう
に、 Λ(m-1) > Rhgm が成り立っていれば、誤差なくΔN(m-1) (x,y) を決定
することができる。
hgに置換したものを、ΔN(m-1) (x,y) 、すなわちλ
(m-1)1の縞次数とλ(m-1)2の縞次数との差について解い
たものに他ならない。但し、ΔN(m-1) (x,y) が厳密に
整数である一方、hgが誤差を含むことを考慮して最も
近い整数をとる関数T[]を採用する。図3に示すよう
に、 Λ(m-1) > Rhgm が成り立っていれば、誤差なくΔN(m-1) (x,y) を決定
することができる。
【0030】次に、ステップST13で求めた位相分布
ψij(x,y) 、およびステップST16で求めた縞次数差
ΔN(m-1) (x,y) を用いて、次式(12)により第(m
−1)の波長の組の概略の絶対距離hg(m-1) (x,y) を
算出する(ST17)。
ψij(x,y) 、およびステップST16で求めた縞次数差
ΔN(m-1) (x,y) を用いて、次式(12)により第(m
−1)の波長の組の概略の絶対距離hg(m-1) (x,y) を
算出する(ST17)。
【数7】 …(12) 式(12)が成立する理由は、式(10)と同様であ
る。
る。
【0031】次に、k=1となるまで(ST18)、k
にk−1をセットし(ST19)、以下同様にして、順
次、ΔN(m-2) (x,y) ,..,ΔN2 (x,y) ,ΔN
1 (x,y)を求め(ST16)、hg(m-2) (x,y)
,..,hg2 (x,y) ,hg1 (x,y) を算出する(S
T17)。
にk−1をセットし(ST19)、以下同様にして、順
次、ΔN(m-2) (x,y) ,..,ΔN2 (x,y) ,ΔN
1 (x,y)を求め(ST16)、hg(m-2) (x,y)
,..,hg2 (x,y) ,hg1 (x,y) を算出する(S
T17)。
【0032】次に、最後にステップST17で求めた概
略の絶対距離hg1 (x,y) を用いて干渉に用いた複数の
波長λ1 ,λ2 ,..,λn のうちの1つの波長λx に
おける縞次数N(x,y) を次式(13)により算出する
(ST20)。 N(x,y) =T[k×hg1 (x,y) /λx −ψx (x,y)/(2π)] …(13) 式(13)は、式(9)において、hをhg(x,y) 、λ
をλ1 、ψをψx とおいたものを、N(x,y) について解
いたものに他ならない。但し、N(x,y) が厳密に整数で
ある一方、hg1 が誤差を含むことを考慮して、最も近
い整数をとる関数T[]を採用する。図3に示すよう
に、 λx /k > Rhg1 が成り立っていれば、誤差なくN(x,y) を決定すること
ができる。
略の絶対距離hg1 (x,y) を用いて干渉に用いた複数の
波長λ1 ,λ2 ,..,λn のうちの1つの波長λx に
おける縞次数N(x,y) を次式(13)により算出する
(ST20)。 N(x,y) =T[k×hg1 (x,y) /λx −ψx (x,y)/(2π)] …(13) 式(13)は、式(9)において、hをhg(x,y) 、λ
をλ1 、ψをψx とおいたものを、N(x,y) について解
いたものに他ならない。但し、N(x,y) が厳密に整数で
ある一方、hg1 が誤差を含むことを考慮して、最も近
い整数をとる関数T[]を採用する。図3に示すよう
に、 λx /k > Rhg1 が成り立っていれば、誤差なくN(x,y) を決定すること
ができる。
【0033】最後に、上記ステップST20で求めた縞
次数N(x,y) を用いて、式(14)により測定対象面の
精密な絶対距離h(x,y) を算出する(ST21)。 h(x,y) =λx /k×[ψx (x,y) /(2π)+N(x,y) ] …(14) 式(14)は式(9)と同様の式である。但し、x,y
は測定対象面の中心法線に概直交する面の位置を表す直
交座標を表す。
次数N(x,y) を用いて、式(14)により測定対象面の
精密な絶対距離h(x,y) を算出する(ST21)。 h(x,y) =λx /k×[ψx (x,y) /(2π)+N(x,y) ] …(14) 式(14)は式(9)と同様の式である。但し、x,y
は測定対象面の中心法線に概直交する面の位置を表す直
交座標を表す。
【0034】そして、コンピュータ本体9a内の制御部
は、求めた精密な絶対距離h(x,y)をディスプレイ9b
に表示する。
は、求めた精密な絶対距離h(x,y)をディスプレイ9b
に表示する。
【0035】上記第1の実施の形態によれば、以下の効
果が得られる。 (イ) 複数の波長λ1 ,λ2 ,..,λn から2つの波長
を一組として第1〜第mの波長の組を選択し、合成波長
が最も長い波長の組から順次概略の絶対距離を求めてい
るので、絶対距離hが求められるレンジΛm が従来の2
波長干渉法よりも格段と広くなり、単一の波長λ1 ,λ
2 ,..,λn を越える段差や絶対距離を含んだ形状の
測定が可能になる。 (ロ) 最終的に1つの波長λx の位相分布ψx (x,y) と縞
次数N(x,y) に基づいて精密な絶対距離h(x,y) を求め
ているので、従来の2光束干渉法と同等の精度で絶対距
離h(x,y) を得ることができる。
果が得られる。 (イ) 複数の波長λ1 ,λ2 ,..,λn から2つの波長
を一組として第1〜第mの波長の組を選択し、合成波長
が最も長い波長の組から順次概略の絶対距離を求めてい
るので、絶対距離hが求められるレンジΛm が従来の2
波長干渉法よりも格段と広くなり、単一の波長λ1 ,λ
2 ,..,λn を越える段差や絶対距離を含んだ形状の
測定が可能になる。 (ロ) 最終的に1つの波長λx の位相分布ψx (x,y) と縞
次数N(x,y) に基づいて精密な絶対距離h(x,y) を求め
ているので、従来の2光束干渉法と同等の精度で絶対距
離h(x,y) を得ることができる。
【0036】図5は、本発明の第2の実施の形態に係る
干渉計測装置を示す。なお、第1の実施の形態と同一の
機能を有するものには同一の符号を用いてその詳細な説
明は省略する。この第2の実施の形態に係る干渉計測装
置1は、3種類の波長を用いて干渉計測を行うように構
成されている。すなわち、レーザ光源60は、3種類の
第1,第2および第3の波長λ1 ,λ2 ,λ3 のレーザ
光を同時に発振する例えばアルゴンイオンレーザを用
い、第1の波長λ1 として476.5nm、第2の波長
λ2 として488nm、第3の波長λ3 として514.
5nmの3種類の波長のレーザ光を同時に発振するよう
にレーザ光源60内の共振器が設定されている。また、
ダイクロイックミラー65は、干渉光から第1の波長λ
1 を分離反射する第1のダイクロイックミラー651 、
および干渉光から第2の波長λ2 を反射し、第3の波長
λ3 を透過させる第2のダイクロイックミラー652 を
用い、撮像管67は、各波長λ1 ,λ2 ,λ3 に対応し
て第1の撮像管671 ,第2の撮像管672 ,第3の撮
像管673 を用いる。
干渉計測装置を示す。なお、第1の実施の形態と同一の
機能を有するものには同一の符号を用いてその詳細な説
明は省略する。この第2の実施の形態に係る干渉計測装
置1は、3種類の波長を用いて干渉計測を行うように構
成されている。すなわち、レーザ光源60は、3種類の
第1,第2および第3の波長λ1 ,λ2 ,λ3 のレーザ
光を同時に発振する例えばアルゴンイオンレーザを用
い、第1の波長λ1 として476.5nm、第2の波長
λ2 として488nm、第3の波長λ3 として514.
5nmの3種類の波長のレーザ光を同時に発振するよう
にレーザ光源60内の共振器が設定されている。また、
ダイクロイックミラー65は、干渉光から第1の波長λ
1 を分離反射する第1のダイクロイックミラー651 、
および干渉光から第2の波長λ2 を反射し、第3の波長
λ3 を透過させる第2のダイクロイックミラー652 を
用い、撮像管67は、各波長λ1 ,λ2 ,λ3 に対応し
て第1の撮像管671 ,第2の撮像管672 ,第3の撮
像管673 を用いる。
【0037】次に、第2の実施の形態に係る干渉縞計測
装置1の動作を説明する。まず、コンピュータ本体9a
内の制御部は、第1の実施の形態で説明したように、位
相シフト法(例えば縞走査干渉測定法)により、ピエゾ
ドライバ7を制御して測定対象物4を上下方向に移動さ
せ、干渉計6と測定対象面4aとの距離をλ/4ずつ変
化させながら波長λ1 ,λ2 ,λ3 毎に4枚の干渉縞画
像データを取り込む。
装置1の動作を説明する。まず、コンピュータ本体9a
内の制御部は、第1の実施の形態で説明したように、位
相シフト法(例えば縞走査干渉測定法)により、ピエゾ
ドライバ7を制御して測定対象物4を上下方向に移動さ
せ、干渉計6と測定対象面4aとの距離をλ/4ずつ変
化させながら波長λ1 ,λ2 ,λ3 毎に4枚の干渉縞画
像データを取り込む。
【0038】次に、上記式(6)を満たすように、干渉
に用いた複数の波長λ1 ,λ2 ,λ 3 から2つの波長を
一組として第1および第2の波長の組を選択する。ここ
では、第1の波長の組として(λ1 ,λ3 )、第2の波
長の組として(λ1 ,λ2 )を選定したとする。この場
合、各波長の組による合成波長(測定可能レンジ)
Λ 1 ,Λ2 および概略の絶対距離の測定精度Rhg1 ,
Rhg2 は、次のようになる。 第1の波長の組(λ1 ,λ3 ): Λ1 =2.91μm Rhg1 =0.064μm 第2の波長の組(λ1 ,λ2 ): Λ2 =29.6μm Rhg2 =5.53μm
に用いた複数の波長λ1 ,λ2 ,λ 3 から2つの波長を
一組として第1および第2の波長の組を選択する。ここ
では、第1の波長の組として(λ1 ,λ3 )、第2の波
長の組として(λ1 ,λ2 )を選定したとする。この場
合、各波長の組による合成波長(測定可能レンジ)
Λ 1 ,Λ2 および概略の絶対距離の測定精度Rhg1 ,
Rhg2 は、次のようになる。 第1の波長の組(λ1 ,λ3 ): Λ1 =2.91μm Rhg1 =0.064μm 第2の波長の組(λ1 ,λ2 ): Λ2 =29.6μm Rhg2 =5.53μm
【0039】次に、取得した干渉縞画像データを用い
て、上記式(7)により、各波長λ1,λ2 ,λ3 毎に
位相分布ψ1 (x,y) ,ψ2 (x,y) ,ψ3 (x,y) を算出す
る。 ψ1 (x,y)=arctan〔{I14(x,y)−I12(x,y)}/{I
11(x,y)−I13(x,y)}] ψ2 (x,y)=arctan[{I24(x,y)−I22(x,y)}/{I
21(x,y)−I23(x,y)}] ψ3 (x,y)=arctan[{I34(x,y)−I32(x,y)}/{I
31(x,y)−I33(x,y)}]
て、上記式(7)により、各波長λ1,λ2 ,λ3 毎に
位相分布ψ1 (x,y) ,ψ2 (x,y) ,ψ3 (x,y) を算出す
る。 ψ1 (x,y)=arctan〔{I14(x,y)−I12(x,y)}/{I
11(x,y)−I13(x,y)}] ψ2 (x,y)=arctan[{I24(x,y)−I22(x,y)}/{I
21(x,y)−I23(x,y)}] ψ3 (x,y)=arctan[{I34(x,y)−I32(x,y)}/{I
31(x,y)−I33(x,y)}]
【0040】次に、上記式(8)により第2の波長の組
(λ1 ,λ2 )の概略の絶対距離hg2 (x,y) を算出す
る。 hg2 (x,y)={ψ1 (x,y) −ψ2 (x,y) }/ {2 π×k
(1/ λ1 −1/λ2 ) }
(λ1 ,λ2 )の概略の絶対距離hg2 (x,y) を算出す
る。 hg2 (x,y)={ψ1 (x,y) −ψ2 (x,y) }/ {2 π×k
(1/ λ1 −1/λ2 ) }
【0041】次に、上記式(11)により、第1の波長
の組(λ1 ,λ3 )の縞次数差ΔN 1 (x,y) を算出す
る。
の組(λ1 ,λ3 )の縞次数差ΔN 1 (x,y) を算出す
る。
【数8】
【0042】次に、上記式(12)により、第1の波長
の組(λ1 ,λ3 )の概略の絶対距離hg1 (x,y) を算
出する。
の組(λ1 ,λ3 )の概略の絶対距離hg1 (x,y) を算
出する。
【数9】
【0043】次に、上記式(13)により、複数の波長
λ1 ,λ2 ,λ3 のうちの例えばλ 3 に対する縞次数N
(x,y) を算出する。 N(x,y) =T[k×hg1 (x,y) /λ1 −ψ3 (x,
y)/(2π)]
λ1 ,λ2 ,λ3 のうちの例えばλ 3 に対する縞次数N
(x,y) を算出する。 N(x,y) =T[k×hg1 (x,y) /λ1 −ψ3 (x,
y)/(2π)]
【0044】最後に、上記式(14)を用いて測定対象
面4aの精密な絶対距離h(x,y) を算出する。 h(x,y) =λx /k×[ψ3 (x,y) /(2π)+N(x,
y) ]
面4aの精密な絶対距離h(x,y) を算出する。 h(x,y) =λx /k×[ψ3 (x,y) /(2π)+N(x,
y) ]
【0045】そして、コンピュータ本体9a内の制御部
は、求めた精密な絶対距離h(x,y)をディスプレイ9b
に表示する。
は、求めた精密な絶対距離h(x,y)をディスプレイ9b
に表示する。
【0046】上記第2の実施の形態によれば、以下の効
果が得られる。 (イ) 位相測定精度:2π/100、波長精度:0.5n
mの条件下で、測定可能レンジは0.257μm、測定
精度は0.0025μmの精密な絶対距離h(x,y) が得
られた。 (ロ) 測定可能レンジは29.6μmと広くなり、かつ、
測定精度が0.0025μmと高くなった。従って、波
長λ1 ,λ2 ,λ3 を越える段差や絶対距離を含んだ形
状の測定が可能になる。 (ハ) 干渉計6と測定対象面4aとの距離をλ/4ずつ変
化させながら、波長毎に4枚の干渉縞画像データを取り
込む位相シフト法(縞走査干渉測定法)を採用している
ので、高速に形状を測定することが可能となる。さら
に、干渉縞を検出する手段として、2次元的な領域で光
強度を検出できる撮像管67A,67B,67Cを使用
しているので、測定対象面4aの一定範囲ついての測定
を1度に行うことができ、高速な測定が可能になる。従
って、従来の白色干渉法では、最短で8.5秒要してい
たものが、本装置1によれば、1秒以内に大幅に短縮す
ることができる。 (ホ) 白色干渉と異なり、広いレンジで信号が得られるた
め、測定対象面と干渉計の相対位置姿勢の初期調整のた
めの信号もより広い範囲で得ることができる。そのた
め、白色干渉法において著しく困難であった初期位置姿
勢調整を容易に行うことができる。 (ヘ) 短時間に測定できるので、工場現場などの振動や騒
音のある場所でも、防振台なしに使用することができ
る。
果が得られる。 (イ) 位相測定精度:2π/100、波長精度:0.5n
mの条件下で、測定可能レンジは0.257μm、測定
精度は0.0025μmの精密な絶対距離h(x,y) が得
られた。 (ロ) 測定可能レンジは29.6μmと広くなり、かつ、
測定精度が0.0025μmと高くなった。従って、波
長λ1 ,λ2 ,λ3 を越える段差や絶対距離を含んだ形
状の測定が可能になる。 (ハ) 干渉計6と測定対象面4aとの距離をλ/4ずつ変
化させながら、波長毎に4枚の干渉縞画像データを取り
込む位相シフト法(縞走査干渉測定法)を採用している
ので、高速に形状を測定することが可能となる。さら
に、干渉縞を検出する手段として、2次元的な領域で光
強度を検出できる撮像管67A,67B,67Cを使用
しているので、測定対象面4aの一定範囲ついての測定
を1度に行うことができ、高速な測定が可能になる。従
って、従来の白色干渉法では、最短で8.5秒要してい
たものが、本装置1によれば、1秒以内に大幅に短縮す
ることができる。 (ホ) 白色干渉と異なり、広いレンジで信号が得られるた
め、測定対象面と干渉計の相対位置姿勢の初期調整のた
めの信号もより広い範囲で得ることができる。そのた
め、白色干渉法において著しく困難であった初期位置姿
勢調整を容易に行うことができる。 (ヘ) 短時間に測定できるので、工場現場などの振動や騒
音のある場所でも、防振台なしに使用することができ
る。
【0047】図6は、本発明の第3の実施の形態に係る
干渉計測装置を示す。なお、第1の実施の形態と同一の
機能を有するものには同一の符号を用いてその詳細な説
明は省略する。この干渉計測装置10は、水平に配置さ
れたテーブル11と、テーブル11の上に立設された一
対の柱12,12と、一対の柱12,12間に架設され
たレール13Aおよび直進部13Bからなる直進ステー
ジ13とを有し、テーブル11上に測定対象物4を上下
動させるピエゾステージ5を載置し、直進ステージ13
の直進部13Bに干渉計16を設け、干渉計16を直進
ステージ13によって水平方向に移動させて測定対象面
4a上を走査し、広い領域の計測ができるように構成し
たものである。
干渉計測装置を示す。なお、第1の実施の形態と同一の
機能を有するものには同一の符号を用いてその詳細な説
明は省略する。この干渉計測装置10は、水平に配置さ
れたテーブル11と、テーブル11の上に立設された一
対の柱12,12と、一対の柱12,12間に架設され
たレール13Aおよび直進部13Bからなる直進ステー
ジ13とを有し、テーブル11上に測定対象物4を上下
動させるピエゾステージ5を載置し、直進ステージ13
の直進部13Bに干渉計16を設け、干渉計16を直進
ステージ13によって水平方向に移動させて測定対象面
4a上を走査し、広い領域の計測ができるように構成し
たものである。
【0048】干渉計16は、第1の波長λ1 として例え
ば675.1nmのレーザ光を出射する第1のレーザ光
源1601 と、第2の波長λ2 として例えば686.2
nmのレーザ光を出射する第2のレーザ光源160
2 と、第3の波長λ3 として例えば688.2nmのレ
ーザ光を出射する第3のレーザ光源1603 と、第1の
レーザ光源1601 からのレーザ光を平行光にする第1
のコリメータレンズ161 1 と、第2のレーザ光源16
02 からのレーザ光を平行光にする第2のコリメータレ
ンズ1612 と、第3のレーザ光源1603 からのレー
ザ光を平行光にする第3のコリメータレンズ161
3 と、第1のレーザ光源1601 からの第1の波長λ1
の光を透過させ、第2のレーザ光源1602 からの第2
の波長λ2 の光、および第3のレーザ光源1603 から
の第3の波長λ3 の光を反射する第1のダイクロイック
ミラー1621 と、第2のレーザ光源1602 からの第
2の波長λ 2 の光を反射し、第3のレーザ光源1603
からの第3の波長λ3 の光を透過させる第2のダイクロ
イックミラー1622 と、第1,第2および第3のコリ
メータレンズ1611 ,1612 ,1613 からの平行
光の一部を測定対象物4側に反射させる第1のハーフミ
ラー163Aと、第1のハーフミラー163Aの測定対
象物4側に配置され、通常の顕微鏡対物レンズと同様の
結像性能を有する対物レンズ164と、対物レンズ16
4と測定対象物4との間に配置された基準面としての平
面原器165と、対物レンズ164からの光を一部を測
定対象物4に導き、残りの一部を平面原器165に導く
第2のハーフミラー163Bと、測定対象物4の表面
(測定対象面)4aと平面原器165で各々反射された
レーザ光が第2のハーフミラー163Bに戻り、そこで
重ねられた干渉光を結像レンズ166を介して撮像する
カラーCCDカメラ167とを備えている。なお、対物
レンズ164,平面原器165および第2のハーフミラ
ー163Bにより、いわゆるミラウ干渉計を構成する。
ば675.1nmのレーザ光を出射する第1のレーザ光
源1601 と、第2の波長λ2 として例えば686.2
nmのレーザ光を出射する第2のレーザ光源160
2 と、第3の波長λ3 として例えば688.2nmのレ
ーザ光を出射する第3のレーザ光源1603 と、第1の
レーザ光源1601 からのレーザ光を平行光にする第1
のコリメータレンズ161 1 と、第2のレーザ光源16
02 からのレーザ光を平行光にする第2のコリメータレ
ンズ1612 と、第3のレーザ光源1603 からのレー
ザ光を平行光にする第3のコリメータレンズ161
3 と、第1のレーザ光源1601 からの第1の波長λ1
の光を透過させ、第2のレーザ光源1602 からの第2
の波長λ2 の光、および第3のレーザ光源1603 から
の第3の波長λ3 の光を反射する第1のダイクロイック
ミラー1621 と、第2のレーザ光源1602 からの第
2の波長λ 2 の光を反射し、第3のレーザ光源1603
からの第3の波長λ3 の光を透過させる第2のダイクロ
イックミラー1622 と、第1,第2および第3のコリ
メータレンズ1611 ,1612 ,1613 からの平行
光の一部を測定対象物4側に反射させる第1のハーフミ
ラー163Aと、第1のハーフミラー163Aの測定対
象物4側に配置され、通常の顕微鏡対物レンズと同様の
結像性能を有する対物レンズ164と、対物レンズ16
4と測定対象物4との間に配置された基準面としての平
面原器165と、対物レンズ164からの光を一部を測
定対象物4に導き、残りの一部を平面原器165に導く
第2のハーフミラー163Bと、測定対象物4の表面
(測定対象面)4aと平面原器165で各々反射された
レーザ光が第2のハーフミラー163Bに戻り、そこで
重ねられた干渉光を結像レンズ166を介して撮像する
カラーCCDカメラ167とを備えている。なお、対物
レンズ164,平面原器165および第2のハーフミラ
ー163Bにより、いわゆるミラウ干渉計を構成する。
【0049】第1,第2および第3のレーザ光源160
1 ,1602 ,1603 は、カラーCCDカメラ167
で色分解できる波長λ1 (=675.1nm),λ
2 (=686.2nm),λ3 (=688.2nm)が
選定されている。
1 ,1602 ,1603 は、カラーCCDカメラ167
で色分解できる波長λ1 (=675.1nm),λ
2 (=686.2nm),λ3 (=688.2nm)が
選定されている。
【0050】また、干渉計測装置10は、ピエゾステー
ジ5を駆動するピエゾドライバ7と、直進ステージ13
を駆動する直進ステージ用ドライバ17と、カラーCC
Dカメラ167からの干渉縞の画像信号をデジタルの干
渉縞画像データに変換するイメージデジタイザ8と、ピ
エゾドライバ7および直進ステージ用ドライバ17を制
御するとともに、イメージデジタイザ8からのデジタル
データを基に測定対象面4aの形状を求めるコンピュー
タ9とを備えている。
ジ5を駆動するピエゾドライバ7と、直進ステージ13
を駆動する直進ステージ用ドライバ17と、カラーCC
Dカメラ167からの干渉縞の画像信号をデジタルの干
渉縞画像データに変換するイメージデジタイザ8と、ピ
エゾドライバ7および直進ステージ用ドライバ17を制
御するとともに、イメージデジタイザ8からのデジタル
データを基に測定対象面4aの形状を求めるコンピュー
タ9とを備えている。
【0051】次に、第3の実施の形態に係る干渉計測装
置10の動作を説明する。まず、干渉縞画像データを取
得する。すなわち、第1のレーザ光源1601 から出射
された第1の波長λ1 のレーザ光と、第2のレーザ光源
1602 から出射された第2の波長λ2 のレーザ光と、
第3のレーザ光源1603 から出射された第3の波長λ
3 のレーザ光は、第1,第2および第3のコリメータレ
ンズ1611 ,161 2 ,1613 を経て第1のダイク
ロイックミラー1621 で重ねられる。第1のダイクロ
イックミラー1621 からの3種類の波長λ1 ,λ2 ,
λ3 を含む光は第1のハーフミラー163Aでその一部
が反射されて測定対象面4aと原器165で反射され、
第1の実施の形態と同様に再び第1のハーフミラー16
3Aへ干渉光として戻る。ミラウ干渉計から出た光は、
結像レンズ166を経てカラーCCDカメラ167に到
達する。カラーCCDカメラ167は、波長の異なる光
を個別に画像として検出する機能を備えているため、第
1の波長λ1 の光のみによる第1の干渉縞画像と、第2
の波長λ2 の光のみによる第2の干渉縞画像と、第3の
波長λ3 の光のみによる第3の干渉縞画像が、個別同時
に検出される。波長λ1 ,λ2 ,λ3 毎に検出された干
渉縞の画像信号は、イメージデジタイザ16でデジタル
データに変換され、コンピュータ9に転送される。測定
対象面4aの一定範囲について干渉縞画像データが得ら
れると、コンピュータ9は、直進ステージ用ドライバ1
7を制御して直進ステージ13により干渉計16を水平
方向に所定距離移動させ、同様に干渉縞画像データを取
り込む。
置10の動作を説明する。まず、干渉縞画像データを取
得する。すなわち、第1のレーザ光源1601 から出射
された第1の波長λ1 のレーザ光と、第2のレーザ光源
1602 から出射された第2の波長λ2 のレーザ光と、
第3のレーザ光源1603 から出射された第3の波長λ
3 のレーザ光は、第1,第2および第3のコリメータレ
ンズ1611 ,161 2 ,1613 を経て第1のダイク
ロイックミラー1621 で重ねられる。第1のダイクロ
イックミラー1621 からの3種類の波長λ1 ,λ2 ,
λ3 を含む光は第1のハーフミラー163Aでその一部
が反射されて測定対象面4aと原器165で反射され、
第1の実施の形態と同様に再び第1のハーフミラー16
3Aへ干渉光として戻る。ミラウ干渉計から出た光は、
結像レンズ166を経てカラーCCDカメラ167に到
達する。カラーCCDカメラ167は、波長の異なる光
を個別に画像として検出する機能を備えているため、第
1の波長λ1 の光のみによる第1の干渉縞画像と、第2
の波長λ2 の光のみによる第2の干渉縞画像と、第3の
波長λ3 の光のみによる第3の干渉縞画像が、個別同時
に検出される。波長λ1 ,λ2 ,λ3 毎に検出された干
渉縞の画像信号は、イメージデジタイザ16でデジタル
データに変換され、コンピュータ9に転送される。測定
対象面4aの一定範囲について干渉縞画像データが得ら
れると、コンピュータ9は、直進ステージ用ドライバ1
7を制御して直進ステージ13により干渉計16を水平
方向に所定距離移動させ、同様に干渉縞画像データを取
り込む。
【0052】次に、上記式(6)を満たすように、干渉
に用いた複数の波長λ1 ,λ2 ,λ 3 から2つの波長を
一組として第1および第2の波長の組を選択する。ここ
では、第1の波長の組として(λ1 ,λ3 )、第2の波
長の組として(λ1 ,λ2 )を選定する。この場合、各
波長の組による合成波長(測定可能レンジ)Λ1 ,Λ 2
および概略の絶対距離の測定精度Rhg1 ,Rhg
2 は、次のようになる。 第1の波長の組(λ1 ,λ3 ): Λ1 =17.7μm Rhg1 =0.25μm 第2の波長の組(λ1 ,λ2 ): Λ2 =118.1μm Rhg2 =1.87μm 後は、第2の実施の形態と同様に、各波長毎に位相分布
ψ1 (x,y) ,ψ2 (x,y) ,ψ3 (x,y) を算出し、第2の
波長の組の概略の絶対距離hg2 (x,y) および、第1の
波長の組の概略の絶対距離hg1 (x,y) を求め、複数の
波長λ1 ,λ2,λ3 のうちの例えばλ3 における縞次
数N(x,y) を算出し、その縞次数N(x,y) を基に測定対
象面4aの精密な絶対距離h(x,y) を算出する。そし
て、コンピュータ本体9a内の制御部は、求めた精密な
絶対距離h(x,y) をディスプレイ9bに表示する。
に用いた複数の波長λ1 ,λ2 ,λ 3 から2つの波長を
一組として第1および第2の波長の組を選択する。ここ
では、第1の波長の組として(λ1 ,λ3 )、第2の波
長の組として(λ1 ,λ2 )を選定する。この場合、各
波長の組による合成波長(測定可能レンジ)Λ1 ,Λ 2
および概略の絶対距離の測定精度Rhg1 ,Rhg
2 は、次のようになる。 第1の波長の組(λ1 ,λ3 ): Λ1 =17.7μm Rhg1 =0.25μm 第2の波長の組(λ1 ,λ2 ): Λ2 =118.1μm Rhg2 =1.87μm 後は、第2の実施の形態と同様に、各波長毎に位相分布
ψ1 (x,y) ,ψ2 (x,y) ,ψ3 (x,y) を算出し、第2の
波長の組の概略の絶対距離hg2 (x,y) および、第1の
波長の組の概略の絶対距離hg1 (x,y) を求め、複数の
波長λ1 ,λ2,λ3 のうちの例えばλ3 における縞次
数N(x,y) を算出し、その縞次数N(x,y) を基に測定対
象面4aの精密な絶対距離h(x,y) を算出する。そし
て、コンピュータ本体9a内の制御部は、求めた精密な
絶対距離h(x,y) をディスプレイ9bに表示する。
【0053】上記第3の実施の形態によれば、位相測定
精度:2π/100、波長精度:0.01nmの条件下
で、測定レンジは0.334μm、測定精度は0.00
34μmの精密な絶対距離h(x,y) が得られた。また、
波長選別手段および干渉縞検出手段の機能を合わせ持つ
波長選別機能付き干渉縞検出手段として2次元カラーC
CDカメラ167を備えているため、波長選別手段を別
に備える必要が無く、小型・軽量で安価な装置を実現す
ることができる。
精度:2π/100、波長精度:0.01nmの条件下
で、測定レンジは0.334μm、測定精度は0.00
34μmの精密な絶対距離h(x,y) が得られた。また、
波長選別手段および干渉縞検出手段の機能を合わせ持つ
波長選別機能付き干渉縞検出手段として2次元カラーC
CDカメラ167を備えているため、波長選別手段を別
に備える必要が無く、小型・軽量で安価な装置を実現す
ることができる。
【0054】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れず、種々な実施の形態が可能である。例えば、波長毎
に得られたラップされた位相に基づいて算出された測定
対象面の形状のそれぞれの波長の1波長未満の成分の距
離の平均をとることによってそれぞれの波長の1波長未
満の成分の距離を高精度に求めてもよい。平均として
は、単純な相加平均,重み付相加平均,あるいは相乗平
均など目的に応じて適当なものを選んで構わない。ま
た、上記実施の形態では、位相シフト法として干渉縞画
像データを4枚取得する方法を採用したが、3枚あるい
は5枚取得する方法でもよい。3枚取得する方法によれ
ば、4枚取得する方法よりも誤差の影響があるが高速に
測定することができる。5枚取得する方法によれば、4
枚取得する方法よりも計算時間がかかるが、誤差の影響
が少なくなる。また、位相シフト法として干渉計と測定
対象面との距離を変化させずにδを変化させる位相シフ
ト電子モアレ法(「レーザー科学研究」,No.13
(1991)参照)によってもよい。これによれば、干
渉計と測定対象面との距離を変化させる必要がなくな
り、高速化をより図ることができる。また、上記実施の
形態では、干渉計と測定対象面との距離を変化させる場
合に、測定対象面側を移動させたが、干渉計側を移動さ
せてもよい。また、第2の実施の形態の干渉計6に第3
の実施の形態の干渉計16を用いてもよく、第3の実施
の形態の干渉計16に第2の実施の形態の干渉計6を用
いてよい。また、第3の実施の形態において、4種類以
上の波長の光波を用いる構成としてもよい。
れず、種々な実施の形態が可能である。例えば、波長毎
に得られたラップされた位相に基づいて算出された測定
対象面の形状のそれぞれの波長の1波長未満の成分の距
離の平均をとることによってそれぞれの波長の1波長未
満の成分の距離を高精度に求めてもよい。平均として
は、単純な相加平均,重み付相加平均,あるいは相乗平
均など目的に応じて適当なものを選んで構わない。ま
た、上記実施の形態では、位相シフト法として干渉縞画
像データを4枚取得する方法を採用したが、3枚あるい
は5枚取得する方法でもよい。3枚取得する方法によれ
ば、4枚取得する方法よりも誤差の影響があるが高速に
測定することができる。5枚取得する方法によれば、4
枚取得する方法よりも計算時間がかかるが、誤差の影響
が少なくなる。また、位相シフト法として干渉計と測定
対象面との距離を変化させずにδを変化させる位相シフ
ト電子モアレ法(「レーザー科学研究」,No.13
(1991)参照)によってもよい。これによれば、干
渉計と測定対象面との距離を変化させる必要がなくな
り、高速化をより図ることができる。また、上記実施の
形態では、干渉計と測定対象面との距離を変化させる場
合に、測定対象面側を移動させたが、干渉計側を移動さ
せてもよい。また、第2の実施の形態の干渉計6に第3
の実施の形態の干渉計16を用いてもよく、第3の実施
の形態の干渉計16に第2の実施の形態の干渉計6を用
いてよい。また、第3の実施の形態において、4種類以
上の波長の光波を用いる構成としてもよい。
【0055】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、干
渉に用いた複数の波長から2つの波長を一組として2つ
の波長の合成波長が順次小さくなるように複数の波長の
組を選択し、合成波長の長い波長の組から順次概略の絶
対距離を求めているので、絶対距離が求められるレンジ
が従来の2波長干渉法よりも格段と広くなる。また、干
渉に用いた複数の波長のうちの1つの波長の位相分布、
および合成波長の最も短い波長の組の概略の絶対距離に
基づいて、精密な絶対距離を求めているので、従来の2
光束干渉法と同等の精度で絶対距離を測定することがで
きる。また、測定の際に採取する画像の枚数が白色干渉
法に較べて圧倒的に少なく、また2つの異なる波長の干
渉縞検出を同時並列に行うことで、従来に較べて飛躍的
に高速な測定が可能となる。従って、波長を越える段差
や絶対距離を含んだ形状の測定を高精度かつ高速に行う
ことが可能となる。
渉に用いた複数の波長から2つの波長を一組として2つ
の波長の合成波長が順次小さくなるように複数の波長の
組を選択し、合成波長の長い波長の組から順次概略の絶
対距離を求めているので、絶対距離が求められるレンジ
が従来の2波長干渉法よりも格段と広くなる。また、干
渉に用いた複数の波長のうちの1つの波長の位相分布、
および合成波長の最も短い波長の組の概略の絶対距離に
基づいて、精密な絶対距離を求めているので、従来の2
光束干渉法と同等の精度で絶対距離を測定することがで
きる。また、測定の際に採取する画像の枚数が白色干渉
法に較べて圧倒的に少なく、また2つの異なる波長の干
渉縞検出を同時並列に行うことで、従来に較べて飛躍的
に高速な測定が可能となる。従って、波長を越える段差
や絶対距離を含んだ形状の測定を高精度かつ高速に行う
ことが可能となる。
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る干渉計測装置
の構成図である。
の構成図である。
【図2】第1の実施の形態に係る干渉計測装置の動作を
示すフローチャートである。
示すフローチャートである。
【図3】第1の実施の形態に係る干渉計測装置の動作を
説明するための図である。
説明するための図である。
【図4】第1の実施の形態に係る干渉計測装置により概
略の絶対距離を得る原理を説明するための図である。
略の絶対距離を得る原理を説明するための図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る干渉計測装置
の構成図である。
の構成図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態に係る干渉計測装置
の構成図である。
の構成図である。
【図7】2光束干渉法を説明するためのフローチャート
である。
である。
【図8】位相がラップされる様子を説明するための図で
ある。
ある。
1 干渉計測装置 2 テーブル 3 柱 4 測定対象物 4a 測定対象面 5 ピエゾステージ 6 干渉計 60 レーザ光源 61 コリメータレンズ 62A 第1のハーフミラー 63 対物レンズ 64 平面原器 62B 第2のハーフミラー 651 第1のダイクロイックミラー 652 第2のダイクロイックミラー 66 結像レンズ 671 第1の撮像管 672 第2の撮像管 673 第3の撮像管 7 ピエゾドライバ 8 イメージデジタイザ 9 コンピュータ 9a コンピュータ本体 9b ディスプレイ 9c キーボード 10 干渉計測装置 11 テーブル 12 柱 13A レール 13B 直進部 13 直進ステージ 16 干渉計 1601 第1のレーザ光源 1602 第2のレーザ光源 1603 第3のレーザ光源 1611 第1のコリメータレンズ 1612 第2のコリメータレンズ 1613 第3のコリメータレンズ 1621 第1のダイクロイックミラー 1622 第2のダイクロイックミラー 163A 第1のハーフミラー 163B 第2のハーフミラー 164 対物レンズ 165 平面原器 166 結像レンズ 167 カラーCCDカメラ 17 直進ステージ用ドライバ
Claims (12)
- 【請求項1】少なくとも3種類の波長の光波を、基準面
および測定対象面に照射して前記少なくとも3種類の波
長毎に干渉させ、この干渉によって生じた前記少なくと
も3種類の波長の干渉縞画像を個別に検出し、 前記少なくとも3種類の波長から2つの波長を一組とし
て、前記2つの波長の合成波長が順次小さくなるよう
に、第m〜第1の波長の組(但し、m≧2)を選択し、 前記2つの波長に対応する前記干渉縞画像間の位相分布
差に基づいて、第m〜第1の波長の組毎に前記第mの波
長の組から前記第1の波長の組まで前記基準面と前記測
定対象面との概略の絶対距離を順次演算し、 前記少なくとも3種類の波長のうちの1つの波長に対応
する前記干渉縞画像の位相分布、および前記第1の波長
の組の前記概略の絶対距離に基づいて、前記基準面と前
記測定対象面との精密な絶対距離を演算することを特徴
とする干渉計測方法。 - 【請求項2】前記第m〜第1の波長の組の選択は、前記
第(m−1)〜第1の波長の組の前記合成波長をそれぞ
れΛm-1 ,..,Λ2 ,Λ1 、前記第m〜第1の波長の
組の前記概略の絶対距離の測定精度をそれぞれRh
gm ,Rhgm-1 ,..,Rhg 2 ,Rhg、前記少な
くとも3種類の波長のうちの1つの波長をλx とすると
き、 Λi-1 >Rhgi (但し、i=2,3,..,
m) λx /k>Rhg1 (但し、k:反射測定の場合は2、
透過測定の場合は1) Rhg1 <Rhg2 <...<Rhgm の関係を満たすように行う構成の請求項1記載の干渉計
測方法。 - 【請求項3】前記概略の絶対距離の演算は、第iの波長
の組を構成する前記2つの波長をλ i1,λi2(但し、i
=1,2,..,m)、第(i+1)の波長の組の概略
の絶対距離をhg(i+1) (x,y) 、前記第iの波長の組の
前記位相分布差をψi1(x,y)−ψi2(x,y) とするとき、
前記第iの波長の組の縞次数差ΔNi (x,y) を 【数1】 但し、T[]:最も近い整数 k:反射測定の場合は2、透過測定の場合は1 によって演算し、 前記第iの波長の組の前記概略の絶対距離hgi (x,y)
を 【数2】 によって演算する構成の請求項1記載の干渉計測方法。 - 【請求項4】前記精密な絶対距離の演算は、第1の波長
の組の概略絶対距離をhg1 (x,y)、前記複数の波長の
うちの1つの波長をλx 、波長λx の前記位相分布をψ
x (x,y)とするとき、 前記波長λx における縞次数N(x,y) を N(x,y) =T[k×hg1 (x,y) /λx −ψx (x,
y)/(2π)] 但し、T[]:最も近い整数 k:反射測定の場合は2、透過測定の場合は1 によって演算し、 前記精密な絶対距離h(x,y) を h(x,y) =λx /k×[ψx (x,y) /(2π)+N(x,
y) ] 但し、k:反射測定の場合は2、透過測定の場合は1に
よって演算する構成の請求項1記載の干渉計測方法。 - 【請求項5】前記精密な絶対距離の演算は、前記少なく
とも3種類の波長のうちの複数の波長を用いて複数の前
記精密な絶対距離を求め、前記複数の前記精密な絶対距
離の平均をとることによって前記精密な絶対距離を演算
する構成の請求項1記載の干渉計測方法。 - 【請求項6】少なくとも3種類の波長の光波を基準面お
よび測定対象面に照射する光源と、 前記基準面で反射した前記少なくとも3種類の波長の光
波と前記測定対象面で反射した前記少なくとも3種類の
波長の光波とを前記少なくとも3種類の波長毎に干渉さ
せる光学系と、 前記少なくとも3種類の波長の光波の干渉によって生じ
た前記少なくとも3種類の波長の干渉縞画像を個別に検
出する干渉縞画像検出手段と、 前記少なくとも3種類の波長から2つの波長を一組とし
て、前記2つの波長の合成波長が順次小さくなるよう
に、第m〜第1の波長の組(但し、m≧2)を選択する
選択手段と、 前記2つの波長に対応する前記干渉縞画像間の位相分布
差に基づいて、第m〜第1の波長の組毎に前記第mの波
長の組から前記第1の波長の組まで前記基準面と前記測
定対象面との概略の絶対距離を順次演算する概略演算手
段と、 前記少なくとも3種類の波長のうちの1つの波長に対応
する前記干渉縞画像の位相分布、および前記第1の波長
の組の前記概略の絶対距離に基づいて、前記基準面と前
記測定対象面との精密な絶対距離を演算する精密演算手
段を有することを特徴とする干渉計測装置。 - 【請求項7】前記選択手段は、前記第(m−1)〜第1
の波長の組の前記合成波長をそれぞれΛm-1 ,..,Λ
2 ,Λ1 、前記第m〜第1の波長の組の前記概略の絶対
距離の測定精度をそれぞれRhgm ,Rh
gm-1 ,..,Rhg2 ,Rhg、前記少なくとも3種
類の波長のうちの1つの波長をλx とするとき、 Λi-1 >Rhgi (但し、i=2,3,..,m) λx /k>Rhg1 (但し、k:反射測定の場合は2、
透過測定の場合は1) Rhg1 <Rhg2 <...<Rhgm の関係を満たすように行う構成の請求項6記載の干渉計
測装置。 - 【請求項8】前記概略演算手段は、前記概略の絶対距離
の演算は、第iの波長の組を構成する前記2つの波長を
λi1,λi2(但し、i=1,2,..,m)、第(i+
1)の波長の組の概略の絶対距離をhg(i+1) (x,y) 、
前記第iの波長の組の前記位相分布差をψi1(x,y) −ψ
i2(x,y) とするとき、前記第iの波長の組の縞次数差Δ
Ni (x,y) を 【数3】 但し、T[]:最も近い整数 k:反射測定の場合は2、透過測定の場合は1 によって演算し、前記第iの波長の組の前記概略の絶対
距離hgi (x,y) を 【数4】 によって演算する構成の請求項6記載の干渉計測方法。 - 【請求項9】前記精密絶対距離演算手段は、前記精密な
絶対距離の演算は、第1の波長の組の概略絶対距離をh
g1 (x,y) 、前記複数の波長のうちの1つの波長を
λx 、波長λx の前記位相分布をψx (x,y)とする
とき、 前記波長λx における縞次数N(x,y) を N(x,y) =T[k×hg1 (x,y) /λx −ψx (x,
y)/(2π)] 但し、T[]:最も近い整数 k:反射測定の場合は2、透過測定の場合は1 によって演算し、 前記精密な絶対距離h(x,y) を h(x,y) =λx /k×[ψx (x,y) /(2π)+N(x,
y) ] 但し、k:反射測定の場合は2、透過測定の場合は1 によって演算する構成の請求項6記載の干渉計測装置。 - 【請求項10】前記精密演算手段は、前記少なくとも3
種類の波長のうちの複数の波長を用いて複数の前記精密
な絶対距離を求め、前記複数の前記精密な絶対距離の平
均をとることによって前記精密な絶対距離を演算する構
成の請求項6記載の干渉計測装置。 - 【請求項11】前記干渉縞画像検出手段は、2次元的領
域で光強度を検出する撮像手段を用いる構成の請求項6
記載の干渉計測装置。 - 【請求項12】前記干渉縞画像検出手段は、2次元カラ
ーCCDカメラを用いる構成の請求項6記載の干渉計測
装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8930097A JPH10281738A (ja) | 1997-04-08 | 1997-04-08 | 干渉計測方法および干渉計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8930097A JPH10281738A (ja) | 1997-04-08 | 1997-04-08 | 干渉計測方法および干渉計測装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10281738A true JPH10281738A (ja) | 1998-10-23 |
Family
ID=13966829
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8930097A Pending JPH10281738A (ja) | 1997-04-08 | 1997-04-08 | 干渉計測方法および干渉計測装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10281738A (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6496269B2 (en) | 2000-02-18 | 2002-12-17 | Mitutoyo Corporation | Shape measuring apparatus |
JP2006023279A (ja) * | 2004-06-07 | 2006-01-26 | Fujinon Corp | 波面測定用干渉計装置、光ビーム測定装置および方法 |
JP2006329720A (ja) * | 2005-05-24 | 2006-12-07 | Fujinon Corp | 光ビーム測定装置 |
CN100455987C (zh) * | 2007-08-23 | 2009-01-28 | 北京交通大学 | 利用合成波干涉全场纳米表面三维在线测量方法和*** |
JP2009052989A (ja) * | 2007-08-24 | 2009-03-12 | Kagawa Univ | 微小物体の光学的計測装置 |
JP2009053148A (ja) * | 2007-08-29 | 2009-03-12 | Mitsutoyo Corp | 多波長干渉計 |
EP2581700A1 (en) | 2011-10-11 | 2013-04-17 | Canon Kabushiki Kaisha | Absolute distance measurement with multiple-wavelength interferometer |
-
1997
- 1997-04-08 JP JP8930097A patent/JPH10281738A/ja active Pending
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006329720A (ja) * | 2005-05-24 | 2006-12-07 | Fujinon Corp | 光ビーム測定装置 |
JP4667957B2 (ja) * | 2005-05-24 | 2011-04-13 | 富士フイルム株式会社 | 光ビーム測定装置 |
CN100455987C (zh) * | 2007-08-23 | 2009-01-28 | 北京交通大学 | 利用合成波干涉全场纳米表面三维在线测量方法和*** |
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JP2009053148A (ja) * | 2007-08-29 | 2009-03-12 | Mitsutoyo Corp | 多波長干渉計 |
EP2581700A1 (en) | 2011-10-11 | 2013-04-17 | Canon Kabushiki Kaisha | Absolute distance measurement with multiple-wavelength interferometer |
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