JPH10281738A - 干渉計測方法および干渉計測装置 - Google Patents

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
７_n 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。

【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。）

【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）。

【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

【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）。

【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。

【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

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００１７】

【発明の実施の形態】

【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。

【００１９】干渉計６は、複数の波長λ₁ ，
λ₂ ，．．，λ_n （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 ，．．，λ_n-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 ，．．，６５_n-1 と、各波長
λ₁ ，λ₂ ，．．，λ_n-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 ，．．，６７_n-1 と、第
（ｎ−１）のダイクロイックミラー６５_n-1 を透過した
波長λ_n の光を結像レンズ６６を介して撮像する第ｎの
撮像管６７_n 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 〜６７_n 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 ，．．，λ_n 毎に４枚の干渉縞画像データ
Ｉ_ab（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 ，．．，λ_n 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) ．．．λ_n … I_n1(x,y) ， I_n2(x,y) ， I_n3(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 ，．．，λ_n 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 〜６５_n-1 は、干渉光から
波長λ₁ ，λ₂ ，．．，λ_n-1 の光をそれぞれ反射分離
する。従って、各波長λ₁ ，λ₂ ，．．，λ_n-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
７_n-1 に到達し、第（ｎ−１）のダイクロイックミラー
６５_n-1 を透過した波長λ_n の光は、結像レンズ６６を
経て第ｎの撮像管６７６７_n 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６７_n-1 で
は波長λ_n-1 の光のみによる干渉縞の画像が、第ｎの撮
像管６７６７_n では波長λ_n 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 ，．．，λ_n 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 ，．．，λ_n 毎に４枚の
干渉縞画像データＩ_ab（ｘ，ｙ）を取得すると、干渉縞
画像データＩ_ab（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 ，．．，λ_n から２つの波長λ_ij（但
し、ｉ＝１，２，．．，ｍ、ｍは２以上の整数、ｊ＝
１，２、λ_i1＜λ_i2）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。 Λ_i-1 ＞Ｒｈｇ_i （但し、ｉ＝２，３，．．，ｍ） …（６₁ ） λ_x ／ｋ＞Ｒｈｇ₁ …（６₂ ） Ｒｈｇ₁ ＜Ｒｈｇ₂ ＜．．．＜Ｒｈｇ_m …（６₃ ） 但し、 Λ_i-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） Ｒｈｇ_i ：第ｉの波長の組（λ_i1，λ_i2）による概略の
絶対距離の測定精度λ_x ：複数の波長λ₁ ，
λ₂ ，．．，λ_n 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、 Λ_m-1 ＝λ_(m-1)2×λ_(m-1)1／［ｋ｛λ_(m-1)2−λ_(m-1)1｝］＞Ｒｈｇ_m ．．． 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）Λ_i であるλ_i2×
λ_i1／［ｋ｛λ_i2−λ_i1｝］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Λ_m を持つ第ｍの波長
の組（λ_m1，λ_m2）に基づく概略の絶対距離ｈｇ_m (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ｈｇ_m-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 ，．．，λ_n のうちの少なくとも１つの波長λ_x 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λ_ij毎に位相分布ψ_ij(x,y) （但
し、ｉ＝１，２，．．，ｍ、ｊ＝１，２）を算出する
（ＳＴ１３）。 ψ_ij(x,y) ＝arctan［｛Ｉ_ij4(x,y)−Ｉ_ij2(x,y)｝／｛Ｉ_ij1(x,y)−Ｉ_ij3(x,y)｝］ …（７） なお、arctanが多価関数であるため、既に述べたように
ψ_ij(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
ψ_ij(x,y) を用いて次式（８）により第ｍの波長の組
（λ_m1，λ_m2）の概略の絶対距離ｈｇ_m (x,y) を算出す
る（ＳＴ１４）。 ｈｇ_m (x,y) ＝｛ψ_m1(x,y) −ψ_m2(x,y) ｝/ ｛2 π×k (1/ λ_m1−1/λ_m2) ｝ …（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λ_i2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Λ_i ）は２波長干渉法と同様に異なる２つの波長λ_i1
とλ_i2に対して、上記式（５）と同様に次の式（５′）
で与えられる。 Λ_i ＝λ_i1×λ_i2／｜λ_i1−λ_i2｜ すなわち、絶対距離が求められるレンジは、２πの区間
（λ_i1，λ_i2）より拡大された測定範囲のΛ_i 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ｈｇ_m (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、λ_m1
とλ_m2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、ΔＮ_m (x,y) は、λ_m1による縞次数とλ_m2によ
る縞次数との差、すなわち、ΔＮ_m (x,y) ＝Ｎ（λ_m1）
(x,y) −Ｎ（λ_m2）(x,y) である。ｈがΛ_m ＝λ_m1×λ
_m2／｜λ_m1−λ_m2｜より小さいときは、λ_m1の縞次数Ｎ
（λ_m1）とλ_m2の縞次数Ｎ（λ_m2）が等しく、ΔＮ_m ＝
０となる。Λ_m 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ψ_ij(x,y) 、および
ステップＳＴ１４で求めた概略の絶対距離ｈｇ_m (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) ＞ Ｒｈｇ_m 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
ψ_ij(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。

【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）。

【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 ，．．，λ_n のうちの１つの波長λ_x 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) ／λ_x −ψ_x （ｘ，ｙ）／（２π）］ …（１３） 式（１３）は、式（９）において、ｈをｈｇ(x,y) 、λ
をλ₁ 、ψをψ_x 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、 λ_x ／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) ＝λ_x ／ｋ×［ψ_x (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。

【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 ，．．，λ_n 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Λ_m 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 ，．．，λ_n 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λ_x の位相分布ψ_x (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。

【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。

【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

【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)｝］

【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 ) ｝

【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。

【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。

【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）］

【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) ＝λ_x ／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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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Λ_m-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
   ｇ_m ，Ｒｈｇ_m-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λ_x とすると
   き、 Λ_i-1 ＞Ｒｈｇ_i （但し、ｉ＝２，３，．．，
   ｍ） λ_x ／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 ＜．．．＜Ｒｈｇ_m 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。
3. 【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，λ_i2（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ψ_i1(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ΔＮ_i (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ｈｇ_i (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。
4. 【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λ_x 、波長λ_x の前記位相分布をψ
   _x （ｘ，ｙ）とするとき、 前記波長λ_x における縞次数Ｎ(x,y) を Ｎ(x,y) ＝Ｔ［ｋ×ｈｇ₁ (x,y) ／λ_x −ψ_x （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) ＝λ_x ／ｋ×［ψ_x (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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【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Λ_m-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Ｒｈｇ_m ，Ｒｈ
   ｇ_m-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λ_x とするとき、 Λ_i-1 ＞Ｒｈｇ_i （但し、ｉ＝２，３，．．，ｍ） λ_x ／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 ＜．．．＜Ｒｈｇ_m 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。
8. 【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
   λ_i1，λ_i2（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ψ_i1(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
   Ｎ_i (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ｈｇ_i (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。
9. 【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
   λ_x 、波長λ_x の前記位相分布をψ_x （ｘ，ｙ）とする
   とき、 前記波長λ_x における縞次数Ｎ(x,y) を Ｎ(x,y) ＝Ｔ［ｋ×ｈｇ₁ (x,y) ／λ_x −ψ_x （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) ＝λ_x ／ｋ×［ψ_x (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。
10. 【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。
11. 【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。
12. 【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。