JP2000074618A - 干渉計測方法および干渉計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波長を超える段差や絶対距離を含んだ形状の
測定を高精度かつ高速に測定ミスを招くことなく行うこ
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６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは、
３種類の波長のレーザ光を出射する。平面原器６４で反
射したレーザ光と測定対象面４ａで反射したレーザ光と
が干渉し、撮像管６７Ａ，６７Ｂ，６７Ｃ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、３
種類の波長から選んだ２つの波長を一組として一組の波
長による合成波長が順次大きくなるように第１乃至第ｍ
の組を設定し、第１乃至第ｍの組に対応する２つの波長
の干渉縞画像間の位相分布差に基づいて位相分布差の正
負に応じた演算式を用いて平面原器６４と測定対象面４
ａとの絶対距離の概略情報を順次演算し、１つの波長の
位相分布に基づいて平面原器６４と測定対象面４ａとの
絶対距離の精密情報を演算する。

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、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 Shop Testi
ng 2nd Edition”,D.Malacara 編集,JohnWiley & Sons,
Inc.発行,(1992年),14章,p.501〜591 参照）。

【０００４】図８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９は、位相がラップされる様子を示し、
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-Cr
oss:”A Review of Phase Unwrapping Techniques in F
ringe Analysis”,Optics and Lasers in Engineering,
vol,21,(1994),p.199〜239参照）。縞次数ｎｇ(x,y) を
求めた後、次の式(2) を用いて実際のラップされていな
い位相分布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(x,y) ：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/(2
π×k)をかけ、式(3) を得る。但し、ｋは、反射による
測定の場合は２、透過による測定の場合は１となる。反
射の場合は光が往復して光路差が２倍になるため、係数
ｋ＝２となる。 φ(x,y) ×λ/(2 π×k)＝ｎｇ(x,y) ×λ/k＋ψｓ(x,y) ×λ/(2 π×k) …(3) ここで、φ(x,y) ×λ/(2 π×k)は光路差そのものを表
し、総合的な精密絶対形状情報ｈ(x,y) に対応する。ま
た、ψｓ(x,y) ×λ/(2 π×k)を１波長未満の端数成分
である端数形状情報ｈｓ(x,y) とする。このとき、式
(3) は式(4) となる。 ｈ(x,y) ＝ｎｇ(x,y) ×λ/k＋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 Ribun Onodera: ”Two-wavele
ngth laser-diode interferometry that use phase-shi
fting techniques”,Optcs Letters,vol.16,No.19,(199
1),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
Λ（合成波長）毎に現れる。 Λ＝１／｛（１／λ₁ −１／λ₂ ）×ｋ｝ ＝λ₁ ×λ₂ ／｛（λ₂ −λ₁ ）×ｋ｝ …(5) 但し、λ₁ ，λ₂ ：使用する２つの波長。 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 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透過測定の場合、合成波長Λは４
４２２０ｎｍ＝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（λ₂ −λ₁ ）を小さく
するほど、測定可能なΛ範囲は大きくなる。

【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 Matsui and Sato
shi Kawata: ”Fringe-scanning white-light microsco
pe for suface profile measurement andmaterial iden
tification ”,Proc. of SPIE,vol.1720,(1992),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超える段差を
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、位相アンラップ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、位相アンラップ
は、ラップされた位相の相対的な縞次数関係をなめらか
になるように決定するだけなので、絶対的な縞次数が決
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波長分以下に限られる
ので、波長を超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、測定可能な範囲Λを大きくすると、それに比例して
測定精度が低下し、サブミクロンを上回るような高精度
な測定が不可能となる欠点があった。

【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置くためには大量のメモリや外
部記憶を用意しなくてはならないため、装置が高価にな
る。例えば、Ｍａｔｓｕｉ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
渉縞のように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ＴＶカメラで一般的に実現可能な程度の
解像度５１２×５１２画素、２５６階調（８ｂｉｔ）で
採取したとしても、２５６枚の画像では、５１２×５１
２×８×２５６＝６４Ｍｂｙｔｅ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、１０００×１０００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
のメモリ容量を１回の測定データだけのために必要とす
る。

【００１４】従って、本発明の目的は、波長を超える段
差や絶対距離を含んだ形状の測定を高精度かつ高速に測
定ミスを招くことなく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、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
あるいは透過した前記少なくとも３種類の波長の光波と
を波長毎に干渉させる第１のステップと、前記第１のス
テップの干渉によって生じた少なくとも３種類の干渉縞
画像を個別に検出する第２のステップと、前記少なくと
も３種類の干渉縞画像に基づいて、前記測定対象面の２
πの区間にラップされた少なくとも３種類の位相分布を
波長毎に演算する第３のステップと、前記少なくとも３
種類の波長から選んだ２つの波長を一組として前記一組
の波長による合成波長が順次大きくなるように第１乃至
第ｍ（但し、ｍ≧２）の組を設定する第４のステップ
と、前記第１乃至第ｍの組に対応する前記２つの波長の
前記干渉縞画像間の位相分布差に基づいて、前記位相分
布差の正負に応じた演算式を用いて第１乃至第ｍの組毎
に前記第ｍから第１の組まで前記基準面と前記測定対象
面との絶対距離の概略情報を順次演算する第５のステッ
プと、前記少なくとも３種類の波長のうち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
組による前記絶対距離の概略情報に基づいて、前記基準
面と前記測定対象面との絶対距離の精密情報を演算する
第６のステップとを含むことを特徴とする干渉計測方法
を提供する。上記構成によれば、合成波長の最も大きい
ものから順次絶対距離の概略情報を演算することによ
り、求められる絶対距離のレンジが広くなる。また、位
相分布差の正負に応じた演算式を用いて絶対距離の概略
情報を演算することにより、測定ミスを回避できる。ま
た、１つの波長の位相分布に基づいて絶対距離の精密情
報を演算することにより、高精度に形状を計測できる。

【００１６】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あるいは
透過した前記少なくとも３種類の波長の光波とを波長毎
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少なくとも３種類の干渉縞画
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種類の干渉縞画像に基づいて、前記測定対象波面
の２πの区間にラップされた少なくとも３種類の位相分
布を演算する位相算出手段と、前記少なくとも３種類の
波長から選んだ２つの波長を一組として前記一組の波長
の合成波長が順次大きくなるように第１乃至第ｍ（但
し、ｍ≧２）の組を設定する設定手段と、前記第１乃至
第ｍの組に対応する前記２つの波長の前記干渉縞画像間
の位相分布差に基づいて、前記位相分布差の正負に応じ
た演算式を用いて第１乃至第ｍの組毎に前記第ｍから第
１の組まで前記基準面と前記測定対象面との絶対距離の
概略情報を順次演算する第１の算出手段と、前記少なく
とも３種類の波長のうち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の組の前記絶対距離
の概略情報に基づいて、前記基準面と前記測定対象面と
の絶対距離の精密情報を演算する第２の算出手段とを備
えたことを特徴とする干渉計測装置を提供する。上記構
成によれば、第１の算出手段が合成波長の最も大きいも
のから順次絶対距離の概略情報を演算することにより、
求められる絶対距離のレンジが広くなる。また、第１の
算出手段が位相分布差の正負に応じた演算式を用いて絶
対距離の概略情報を演算することにより、測定ミスを回
避できる。また、第２の算出手段が１つの波長の位相分
布に基づいて絶対距離の精密情報を演算することによ
り、高精度に形状を計測できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】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。

【００１８】干渉計６は、第１の波長λ₁ の光を発振す
る第１のレーザ光源６０Ａと、第２の波長λ₂ の光を発
振する第２のレーザ光源６０Ｂと、第３の波長λ₃ の光
を発振するレーザ光源６０Ｃと、レーザ光源６０Ａ〜６
０Ｃからのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ６
１Ａ〜６１Ｃと、コリメータレンズ６１Ａからの平行光
を折り曲げる折り曲げミラー６９と、コリメータレンズ
６１Ａ〜６１Ｃからの平行光の一部を合波させて平行ビ
ームを作る第１および第２のハーフミラー６２Ａ，６２
Ｂと、３つのレーザ光源６０Ａ〜６０Ｃからの平行光を
測定対象物４側に反射させる第３のハーフミラー６８Ａ
と、第１のハーフミラー６８Ａ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４のハーフミラー６
８Ｂ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４のハーフミラー６８
Ｂに戻り、そこで重ねられて生成された干渉光を第３の
波長λ₃ の光を選択的に反射するダイクロイックミラー
６５Ｂと、ダイクロイックミラー６５Ｂを透過した第２
の波長λ₂ の光と第１の波長λ₁ のうち第２の波長λ₂
の光を選択的に反射するダイクロイックミラー６５Ａ
と、第１の波長λ₁ の光を第１の結像レンズ６６Ａを介
して撮像する第１の撮像管６７Ａと、第２の波長λ₂ の
光を第２の結像レンズ６６Ｂを介して撮像する第２の撮
像管６７Ｂと、第３の波長λ₃ の光を第３の結像レンズ
６６Ｃを介して撮像する第３の撮像管６７Ｃとを備えて
いる。なお、平面原器６４および第４のハーフミラー６
８Ｂにより、いわゆるマイケルソン干渉計を構成する。

【００１９】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，第２および第
３の撮像管６７Ａ，６７Ｂ，６７Ｃ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８Ａ，８Ｂ，８Ｃ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８Ａ，８Ｂ，８Ｃ
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。

【００２０】第１のレーザ光源６０Ａは第１の波長λ₁
として６７０ｎｍ（赤色光１）、第２のレーザ光源６０
Ｂは第２の波長λ₂ として６８５ｎｍ（赤色光２）、第
３のレーザ光源６０Ｃは第３の波長λ₃ として７８５ｎ
ｍ（近赤外光）のレーザ光を発振する。これを実現する
半導体レーザは、既に市販されている。一例をあげる
と、株式会社日立製作所製HL67１3Gの半導体レーザを第
１の波長λ₁ の光源に、同社製HL67２6MG の半導体レー
ザを第２の波長λ₂ の光源に、同社製HL7853MG半導体レ
ーザを第３の波長λ₃ の光源に用いることができる。も
ちろん半導体レーザはこれに限るものではなく、同様の
発振波長を持つものであればよい。そのようなものは他
社からも発売されている。また、波長を可変にできる外
部共振器型の半導体レーザを用いてもかまわない。その
ようなものの例としては、米国NewFocus 社製6300 Velo
city Seriesシリーズ等がある。半導体レーザは、注入
電流や温度によって、出力や波長が変動するため、注入
電流と温度を精密に制御することが望ましい。

【００２１】ダイクロイックミラー６５Ａ，６５Ｂは、
波長選別機能を有する。ダイクロイックミラー６５Ａ
は、第１の波長λ₁ の波長６７０ｎｍの光が透過し、第
２の波長λ₂ の波長６８５ｎｍの光が反射するように構
成されている。ダイクロイックミラー６５Ｂは、第１の
波長λ₁ の波長６７０ｎｍの光と第２の波長λ₂ の波長
６８５ｎｍの光が透過し、第３の波長λ₃ の波長７８５
ｎｍの光が反射するように構成されている。

【００２２】図２は、コンピュータ９の機能を示す。コ
ンピュータ９は、本装置１全体の制御を司るＣＰＵ、Ｃ
ＰＵのプログラムが記憶されたＲＯＭ、および測定対象
面４ａの形状を求めるのに必要な各種の情報を記憶する
ＲＡＭ等を備える。コンピュータ９は、イメージデジタ
イザ８Ａ，８Ｂ，８Ｃからの干渉縞画像データを基に測
定対象面４ａの絶対距離の精密情報を算出する処理を行
うものであり、機能的には、干渉縞画像取得手段９１、
位相算出手段９２、概略距離情報算出手段９３、縞次数
検出手段９４、縞次数差検出手段９５および精密距離情
報算出手段９６を有する。

【００２３】次に、コンピュータ９の上記各手段９１〜
９６を説明する。

【００２４】干渉縞画像取得手段９１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との光路差を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もので
ある。

【００２５】位相算出手段９２は、干渉縞画像取得手段
９１が取得した干渉縞画像データを基に、以下の式(6)
，式(7) および式(8) を用いて、第１の波長λ₁ の位
相分布ψ₁ (x,y) と、第２の波長λ₂ の位相分布ψ
₂ (x,y) と第３の波長λ₃ の位相分布ψ₃ (x,y) を算出
するものである。 ψ₁(x,y) ＝arctan[ ｛Ia₄(x,y)−Ia₂(x,y)｝／｛Ia₁(x,y)−Ia₃(x,y)｝] …(6) ψ₂(x,y) ＝arctan[ ｛Ib₄(x,y)−Ib₂(x,y)｝／｛Ib₁(x,y)−Ib₃(x,y)｝］ …(7) ψ₃(x,y) ＝arctan[ ｛Ic₄(x,y)−Ic₂(x,y)｝／｛Ic₁(x,y)−Ic₃(x,y)｝］ …(8) なお、arctanが多価関数であるため、既に述べたように
ψ₁(x,y)，ψ₂(x,y)およびψ₃ (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。また、取り込んだ第１の波長λ₁ の４枚の干渉縞
画像データをIa ₁(x,y)，Ia₂(x,y)，Ia₃(x,y)，Ia₄(x,
y)、同様に第２の波長λ₂ の４枚の干渉縞画像データを
Ib₁(x,y)，Ib₂(x,y)，Ib₃(x,y)，Ib₄(x,y)、第３の波長
λ₃ の４枚の干渉縞画像データをIc₁(x,y)，Ic₂(x,y)，
Ic₃(x,y)，Ic₄(x,y)とする。

【００２６】概略距離情報算出手段９３は、位相算出手
段９２が求めたψ₁(x,y)，ψ₂(x,y)およびψ₃(x,y)か
ら、後で述べる手順によって選ばれた異なる２つの波長
の組合わせｉ（ｉ＝１，２）におけるラップ位相がψａ
(x,y) とψｂ(x,y) とするとき、式(9) を用いて測定対
象面４ａの各点と原器６４との絶対距離（原器６４と測
定対象面４ａとの光学的距離）の概略情報ｈｇ(x,y) を
算出し、その算出結果を縞次数検出手段９４に出力する
ものである。但しλａ＜λｂとなるように選ぶ。ただ
し、本実施の形態においては、３つの波長の中から２つ
を選ぶ組合わせとしてｉ＝１，２の２通りを使用するこ
ととした。 ｈｇ_(i) (x,y) ＝ Λ_i ／k ×［｛ψ_i1(x,y) −ψ_i2(x,y) ｝／（２π）＋ΔＮ_i (x,y) ］ …(9) ただし、Λ_i は式(10)で定義される。 Λ_i ＝１／｛（１／λａ−１／λｂ）×ｋ｝ ＝λａ×λｂ／｛（λｂ−λａ）×ｋ｝ …(10)

【００２７】図３は、絶対距離の概略情報を得る原理を
示す。同図に示すように、測定対象面の同じ場所（着目
点）に対応する着目する波長の組合わせのうちの波長λ
ａの干渉縞と波長λｂの干渉縞との間の位相の差は、測
定対象面４ａの当該着目点と原器６４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
周期は２波長干渉法と同様に式(10)のΛ_i に一致する。
すなわち、絶対距離が求められるレンジは、２πの区間
（λａもしくはλｂ）より拡大された所定の測定範囲の
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、このようにして求めた絶対距離は概略
情報であるが、後で述べる縞次数差や縞次数を定めるに
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(9) ，(10)によって求めら
れるｈｇ_(i) (x,y) が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、一般に式(11)（一般的な原理式）で表さ
れる。 ｈ・（２π×ｋ）／λ＝ψ＋２π×Ｎ …(11) 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 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、λａと
λｂ について上記式(11)を作り、辺々引き算して整理
すると式(12)となる。 ｈ＝ ｛1 /(2 π×k)｝・ [ ｛( ψａ−ψｂ)+2 π×ΔＮ_i ｝/(1/λａ−1 / λｂ)] …(12) ここで、ΔＮ＝Ｎ（λａ）−Ｎ（λｂ）である。これは
整理すると、式(9) ，式(10)に一致するので、式(11)の
ｈｇ_(i) (x,y) が絶対距離を表わすことが分かる。式
(9) は式(4) のλをΛ_i で置き換えた形をしているの
で、Λ_i ／λ倍だけレンジが広がるが、精度も悪化す
る。概略と言うのはこのためである。

【００２９】概略距離情報算出の一般論は前記の通りで
あるが、３つの波長λ₁ ，λ₂ ，λ ₃ のうちから選んだ
２つの組合せのうち、概略の絶対距離が求められるレン
ジΛが、測定対象距離を充分カバーするならば、縞次数
差ΔＮを別途計測する必要なしに概略距離情報を算出す
ることができる。このことを以下に述べる。ここでは表
記の簡単のために、波長の組合わせインデックスのｉ
（１，２）は省略する。

【００３０】図４は、測定対象面４ａ上の着目点の距離
ｈを変化させたときのラップ位相の差｛ψ₁(x,y)−ψ₂
(x,y) ｝を示す。概略比例関係にあるが、所々で不連続
に定数分の差があることが分かる。ここでは考察の対象
となっている測定対象距離が測定レンジ内にある場合を
考えてみると、ラップ位相の差が正の場合と負の場合と
の境目で不連続に変化していることが分かる。

【００３１】図５は、このときの縞次数差ΔＮをプロッ
トしたものを示す。同図から、ラップ位相差が正のとき
にΔＮ＝０、ラップ位相差が負のときにΔＮ＝１となる
法則があることが分かる。従って、測定対象距離が測定
レンジ内にある場合は、ラップ位相差が正であるか負で
あるかを判定することによって、縞次数差ΔＮが自ずと
判定でき、概略距離情報を算出することができる。これ
は、ΔＮ_i (x,y) を０か１か判定して、式(9) を用いて
概略距離情報を算出するであり、概略距離情報算出手段
９３は、この処理をも行うものである。具体的には、Λ
が最大となる波長の第２の組合せの場合は、概略情報ｈ
ｇ₍₂₎ (x,y) を０≦｛ψ₂(x,y)−ψ₃(x,y)｝ならば、 ｈｇ₍₂₎ (x,y)＝｛ψ₂(x,y)−ψ₃(x,y)｝／｛(2π×k)・
(1/λ₂ −1/λ₃)｝ ｛ψ₂ (x,y) −ψ₃ (x,y) ｝＜０ならば、 ｈｇ₍₂₎ (x,y)＝｛ψ₂(x,y)−ψ₃(x,y)＋2 π｝/ ｛(2
π×k)・(1/λ₂ −1/λ₃)｝ によって求める。

【００３２】縞次数差検出手段９５によって、Λが最大
となる波長の組合わせだけでなく、ｉ＝１の波長の組合
せについても、次のようにして、縞次数差を求めること
ができる。まず、既にｉ＝２の波長の組合せからやや精
度の低いｈｇ₍₂₎ (x,y) が求められていることを利用す
る。式(9) を第１の組合せについて立て、右辺をｈｇ
₍₂₎ (x,y) で置き換えると、 ｈｇ₍₂₎ (x,y) ＝Λ₁ ／k ×［｛ψ₁₁(x,y) −ψ₁₂(x,y) ｝／（２π）＋ΔＮ₁(x,y)］ …(13) 式(13)を変形すると、次の式(14)が得られ、これから波
長の第１の組合せにおける縞次数差を求めることができ
る。 ΔＮ₁(x,y) ＝round[ｈｇ₍₂₎ (x,y) ×k/Λ₁ −｛ψ₁₁(x,y) −ψ₁₂(x,y) ｝/(2 π)] …(14) ここで、round[ ]は、最も近い整数を返す関数である。
以上が、縞次数差検出手段９５における処理の内容であ
る。

【００３３】ちなみに、round[ ]によって整数が正しく
決まるためには、round[ ]をとる[ｈｇ₍₂₎ (x,y) ×k/
Λ₁ −｛ψ₁₁(x,y) −ψ₁₂(x,y) ｝/(2 π)]の誤差が１
／２より小さくなる必要がある。｛｛ψ₁₁(x,y) −ψ₁₂
(x,y) ｝/(2 π) はラップ位相であって非常に高い精度
をもつため、このことは、ｈｇ₍₂₎ の誤差σｈｇ
₍₂₎は、 σｈｇ₍₂₎ ＜ k ／（２×Λ₁ ） …(15) が満たされる必要があることを示している。

【００３４】本実施の形態では、ｉ＝１，２の場合を述
べたが、仮に波長数を増やして、ｉの最大値がもっと大
きくなっても同様に、ｉをｍから１つずつ小さくしなが
らｈｇ_(i) (x,y) とΔＮ_i (x,y) を交互に順次求めるこ
とができる。但し、式(15)と同様に、絶対距離の概略情
報の精度条件を満たすように、波長の組合せを選ぶ必要
がある。

【００３５】縞次数検出手段９４は、概略形状算出手段
９３で最終的に求めたｈｇ₍₁₎ (x,y) と３つの波長のい
ずれかのラップ位相ψ_j (x,y) を用いて、（j は１，
２，３のいずれか） Ｎ_J (x,y) ＝round[ｈｇ₍₁₎ (x,y) ×k/λ_j −ψ_j (x,y)/(2π)] …(16) によって、波長λ_j （x, y）に対する縞次数を求める。
式(16)で縞次数が正しく決まるためには、式(15)と同様
に、ｈｇ₍₁₎ の誤差σｈｇ₍₁₎ は、 σｈｇ₍₁₎ ＜ k ／（２×λ_j ） …(17) の条件が必要である。

【００３６】精密距離情報算出手段９６は、縞次数検出
手段９４で求めたＮ_j (x,y) と、最終的に求めたｈｇ
₍₁₎ (x,y) と３つの波長のいずれかのラップ位相ψ
_j (x,y) を用いて ｈｓ_j (x,y) ＝λ_j /k×｛ψ_j (x,y)/(2π) ＋Ｎ_j (x,y) ｝ …(18) によって、精密な絶対距離の情報ｈｓ_j (x,y) を求め
る。式(18)は、精度が高いことで知られる２波長干渉縞
の式(4) と等価である。従って、レンジを広げたにもか
かわらず、２波長干渉法と同等の精度を保つことができ
る。このことは言いかえると、縞次数が厳密に整数であ
る性質を利用することによって、誤差が捨てられ高い精
度が達成できるということである。

【００３７】次に、波長の組合わの選び方について説明
する。第１の組合せとしてλ₂ ＝６８５ｎｍとλ₃ ＝７
８５ｎｍを、第２の組合せとしてλ₁ ＝６７０ｎｍとλ
₃ ＝６８５ｎｍを選ぶ。また絶対距離の精密情報算出に
使用するラップ位相と縞次数は、λ₃ ＝７８５ｎｍのも
のを選ぶことにする。このようにすると、Λ₁ ＝２．６
９μｍ、Λ₂ ＝１５．３μｍとなって、Λ₁ ＜Λ₂ とい
う本発明の条件を満足する。このとき、ラップ位相測定
精度として２π／５０、波長精度として０．０２ｎｍを
仮定して理論計算すると、ｈｓ_j の誤差は３σ（σは標
準偏差）で０．００７μｍ、ｈｇ₍₁₎ の誤差Ｒｈｇ₁ は
０．０７６μｍ、ｈｇ₍₂₎ の誤差Ｒｈｇ ₂ は０．４３４
μｍとなった。これは、式(15)，式(17)の条件を満足す
る。

【００３８】図６は、以上の様子を示す。トータルな測
定精度±０．００７μｍ、測定レンジ１５．３μｍとな
る。勿論、波長の組合せはこれに限るものではなく、選
択によっては精度を高く保ったままさらにレンジを広げ
ることができる。

【００３９】ここで、本発明の優位性を示すために、仮
に２波長しか使用できないとすると、どうなるかを見て
みる。まず、６８５ｎｍと７８５ｎｍの組合せしか使わ
ない場合は、式(17)の条件は満足されるが、レンジが
２．６９μｍしかない。次に、６７０ｎｍと６８５ｎｍ
の組合せしか使わない場合は、一見レンジが１５．３μ
ｍと広くて良いように見えるが、式(17)の条件（２波長
しかないので組合せインデックスは１しかない）を満足
しないので、縞次数が正しく決められず、測定を行うこ
とができない。

【００４０】次に、第１の実施の形態に係る装置１の動
作を説明する。まず、コンピュータ９内の干渉縞画像取
得手段９１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
光路差を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。

【００４１】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。第１乃至第３のレーザ光源６
０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃから出射された３種類の波長
λ₁ ，λ ₂ ，λ₃ からなるレーザ光は、コリメータレン
ズ６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，で平行光にされ、コリメー
タレンズ６１Ａからの平行光は折り曲げミラー６９で折
り曲げるられ、コリメータレンズ６１Ａ〜６１Ｃからの
平行光の一部は第１および第２のハーフミラー６２Ａ，
６２Ｂで合波させられ、第３のハーフミラー６８Ａで折
り曲げられ、対物レンズ６３に到達する。対物レンズ６
３からの光は第４のハーフミラー６８Ｂ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４のハーフミラー６８Ｂへ戻り、そこで重ね
られて干渉光となる。対物レンズ６３から出た光は、そ
の一部が第３のハーフミラー６８Ａを透過して、第３の
波長λ₃ の光を選択的に反射するダイクロイックミラー
６５Ｂに到達する。従って、波長７８５ｎｍの光は、第
３の結像レンズ６６Ｃを経て第３の撮像管６７Ｃに到達
する。一方、ダイクロイックミラー６５Ｂを透過した波
長６８５ｎｍと波長６７０ｎｍの光は、第２の波長λ₂
の光を選択的に反射するダイクロイックミラー６５Ａに
到達する。従って、波長６８５ｎｍの光は、第２の結像
レンズ６６Ｂを経て第２の撮像管６７Ｂに到達し、波長
６７０ｎｍの光は、第１の結像レンズ６６Ａを経て第１
の撮像管６７Ａに到達する。このようにして、第１の撮
像管６７Ａでは波長６７０ｎｍの光のみによる干渉縞の
画像が、第２の撮像管６７Ｂでは波長６８５ｎｍの光の
みによる干渉縞の画像が、第３の撮像管６７Ｃでは波長
７８５ｎｍ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８Ａ，８Ｂ，８Ｃ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９
に転送される。このようにしてコンピュータ９内の干渉
縞画像取得手段９１は、波長毎に４枚の干渉縞画像デー
タを取得し、位相算出手段９２に出力する。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４枚の干渉縞画像デ
ータを取得するようにしたものである。

【００４２】次に、位相算出手段９２は、干渉縞画像取
得手段９１が取得した干渉縞画像データを基に、上記式
(6) ，式(7) および式(8) を用いて、第１の波長λ₁ の
ラップ位相分布ψ₁(x,y)、第２の波長λ₂ のラップ位相
分布ψ₂(x,y)および第３の波長λ₃ のラップ位相分布ψ
₃(x,y)を算出し、その算出結果を概略距離情報算出手段
９３、縞次数差検出手段９５、縞次数検出手段９４およ
び精密距離情報算出手段９６に出力する。

【００４３】次に、波長の第１の組合せ（λ₂ ＝６８５
ｎｍとλ₃ ＝７８５ｎｍ）と波長の第２の組合せ（λ₁
＝６７０ｎｍとλ₃ ＝６８５ｎｍ）に対して、概略距離
情報算出手段９３と縞次数差検出手段９５を交互に用い
て、比較的に精度の高い波長の第１の組合せによる概略
距離情報を最終的に算出し、その算出結果を縞次数検出
手段９４に出力する。

【００４４】すなわち前記のように、まず概略距離情報
算出手段９３において、レンジの広い波長の第２の組合
せに対して、位相算出手段９２によって出力されたラッ
プ位相分布ψ₂(x,y)とψ₃(x,y)を用いて、０≦｛ψ₂(x,
y)−ψ₃(x,y)｝ならば、 ｈｇ₍₂₎ (x,y)＝｛ψ₂(x,y)−ψ₃(x,y)｝/ ｛(2π×k)・
(1/λ₂ −1 / λ₃)｝ ｛ψ₂(x,y)−ψ₃(x,y)｝＜０ ならば、 ｈｇ₍₂₎ (x,y)＝｛ψ₂(x,y)−ψ₃(x,y)＋2 π｝/ ｛(2
π×k)・(1 / λ₂ −1 / λ₃)｝によって概略距離情報を
算出し、縞次数差検出手段９５へ出力する。

【００４５】縞次数差検出手段９５では、概略距離情報
算出手段９３から出力された概略距離情報ｈｇ₍₂₎ (x,
y) から式(14)を用いて波長の第１の組合せにおける縞
次数差ΔＮ₁(x,y)を算出し、概略距離情報算出手段９３
へ出力する。

【００４６】概略距離情報算出手段９３では、縞次数差
検出手段９５から出力された波長の組合せ１における縞
次数差ΔＮ₁(x,y)から、式(9) ，式(10)を用いて波長の
組合せ１における概略距離情報ｈｇ₍₁₎ (x,y) を算出
し、縞次数検出手段９４へ出力する。

【００４７】縞次数検出手段９４では、位相算出手段９
２から出力されたラップ位相分布ψ ₃ (x,y) と、概略距
離情報算出手段９３から出力された波長の第１の組合せ
における概略距離情報ｈｇ₍₁₎ (x,y) から、式(16)を用
いてλ₃ における縞次数Ｎ₃を算出し、精密距離情報算
出手段９６へ出力する。ここでは、λ₃ を用いたが、他
のλ₁ あるいはλ₂ でもよい。

【００４８】精密距離情報算出手段９６では、位相算出
手段９２から出力されたラップ位相分布ψ₃ (x,y) と、
縞次数検出手段９４から出力されたλ₃ における縞次数
Ｎ₃から、式(18)を用いて総合的な精密距離情報ｈｓ
₃(x,y)を算出する。ここでは、λ₃ を用いたが、他のλ
₁ あるいはλ₂ でもよい。

【００４９】コンピュータ９は、求めた精密距離情報ｈ
ｓ₃(x,y)を出力および表示する。

【００５０】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) 合成波長の最も大きいものから順次絶対距離の概略
情報を演算することにより、求められる絶対距離のレン
ジが広くなり（Λ₂ ＝１５．３μｍ．本実施の形態では
反射測定になるのでｋ＝２．）、波長を大きく超える段
差や絶対距離を含んだ形状の測定が可能になる。 (ロ) λ₃ の単一の波長の位相分布ψ₃(x,y)に基づいて精
密距離情報ｈｓ₃(x,y)を求めているので、通常の２光束
干渉法と同等の高い精度で計測を行うことができる。λ
₃ ／５０程度の精度は容易に得ることができる。 (ハ) 干渉計６と測定対象面４ａとの光路差を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、白色干渉法に比べて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，６
７Ｂ，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、従来例３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。 (ニ) 絶対距離の概略情報ｈｇ₍₁₎ (x,y) の測定誤差が、
第３の波長λ₃ をｋで割ったものより小さくなるよう
に、第１，第２および第３の波長λ₁ ，λ₂ ，λ ₃ と、
波長の第１の組合せおよび第２の組合せを予め選定して
いるので、縞次数の判定を必要な精度で確実に行うこと
ができるため、縞次数判定の誤りによる誤差を防止でき
る。 (ホ) 絶対距離の概略情報ｈｇ₍₂₎ (x,y) の測定誤差が、
波長の第１の組合せ（λ₂ ＝６８５ｎｍとλ₃ ＝７８５
ｎｍ）による絶対距離の概略情報ｈｇ₍₁₎ (x,y) のレン
ジΛ₁ をｋで割ったものより小さくなるように、第１，
第２および第３の波長λ₁ ，λ₂ ，λ₃ と、波長の第１
の組合せおよび第２の組合せを予め選定しているので、
縞次数差の判定を必要な精度で確実に行うことができる
ため、縞次数差判定の誤りによる誤差を防止できる。 (ヘ) 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。 (ト) 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。 (チ) 以上の測定を、所定のレンジ内で例外なしに正確に
行うことが可能になる。

【００５１】図７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の上に立設された一対の柱
３，３と、一対の柱３，３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１３
Ｂ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。

【００５２】干渉計１６は、第１の波長λ₁ として６７
０ｎｍ（赤色光１）のレーザ光を出射する第１のレーザ
光源６０Ａと、第２の波長λ₂ として６８５ｎｍ（赤色
光２）のレーザ光を出射する第２のレーザ光源６０Ｂ
と、第３の波長λ₃ として７８５ｎｍ（近赤外光）の第
３のレーザ光源６０Ｃと、第１のレーザ光源６０Ａから
の光の透過遮断を制御する第１のシャッタ７０Ａと、第
２のレーザ光源６０Ｂからの光の透過遮断を制御する第
２のシャッタ７０Ｂと、第３のレーザ光源６０Ｃからの
光の透過遮断を制御する第３のシャッタ７０Ｃと、第１
のレーザ光源６０Ａ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６１Ａと、第２のレーザ光源６０Ｂ
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
６１Ｂと、第３のレーザ光源６０Ｃ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６１Ｃと、第１のレ
ーザ光源６０Ａからの光を折り曲げるミラー６９と、第
２および第３のコリメータレンズ６１Ｂ，６１Ｃからの
平行光の一部を透過一部を反射させることによって、結
果として全てのレーザ光源６０Ａ〜６０Ｃからの平行光
を合波させるハーフミラー６２Ａおよび６２Ｂと、全て
のレーザ光源６０Ａ〜６０Ｃからの平行光の一部を測定
対象物４側に反射させるハーフミラー６８Ａと、ハーフ
ミラー６８Ａ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、対物レンズ６３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６４と、対物レンズ６３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
６４に導くハーフミラー６８Ｂと、測定対象物４の表面
（測定対象面）４ａと平面原器６４で各々反射されたレ
ーザ光がハーフミラー６８Ｂに戻り、そこで重ねられた
干渉光を結像レンズ６６を介して撮像するＣＣＤカメラ
１６７とを備えている。なお、対物レンズ６３，平面原
器６４およびハーフミラー６８Ｂにより、および測定対
象物４の表面４ａとで、いわゆるミラウ干渉計を構成す
る。

【００５３】第１のシャッタ７０Ａ，第２のシャッタ７
０Ｂおよび第３のシャッタ７０Ｃは、コンピュータによ
りその開閉を制御することにより、第１のレーザ光源６
０Ａ，第２のレーザ光源６０Ｂあるいは第３のレーザ光
源６０Ｃの光を透過あるいは遮断できるようになってい
る。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、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、ＣＣＤ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。

【００５４】次に、第２の実施の形態に係る装置１の動
作を説明する。なお、干渉縞画像データのコンピュータ
９への取り込みまでを以下に説明する。まず、第１のシ
ャッタ７０Ａを開いて第２のシャッタ７０Ｂと第３のシ
ャッタ７０Ｃを閉じる。このとき第１のレーザ光源６０
Ａから出射された第１の波長λ₁ のレーザ光のみが、第
１のコリメータレンズ６１Ａ，ミラー６９を経て、ハー
フミラー６８Ａでその一部が反射されて測定対象面４ａ
と原器６４で反射され、ハーフミラー６８Ｂへ戻り干渉
する。さらにミラウ干渉計から出た波長λ₁ の光は、結
像レンズ６６を経てＣＣＤカメラ１６７に到達する。Ｃ
ＣＤカメラ１６７は、第１の波長λ₁ の光のみによる第
１の干渉縞画像を検出する。次に同様に、第２のシャッ
タ７０Ｂを開いて第１のシャッタ７０Ａと第３のシャッ
タ７０Ｃを閉じて、第２の波長λ ₂ の光のみによる第２
の干渉縞画像を検出する。最後に同様に、第３のシャッ
タ７０Ｃを開いて第１のシャッタ７０Ａと第２のシャッ
タ７０Ｂを閉じて、第３の波長λ₃ の光のみによる第３
の干渉縞画像を検出する。波長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４
ａ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１７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。
上記のようにして取り込んだ干渉縞画像データは、コン
ピュータ９にて第１の実施の形態と同様に処理される。

【００５５】上記第２の実施の形態によれば、時系列的
に光源の波長を切り替えるため、第１の実施の形態のよ
うな３系統の撮像光学系が不要になるとともに、３つの
撮像光学系間のアライメトずれによる誤差がなくなる。
また３つの波長の選択によっては、ダイクロイックミラ
ー設計作製が困難になる場合もある。例えば上記式(5)
で表される測定レンジΛを広げるためには、近接した波
長の光源の組合せを選ぶ必要があるが、そのような波長
の近い光を弁別するフィルターの実現は困難である。そ
のような場合は、第１の実施の形態が実現困難である
が、上記第２の実施の形態によれば、それは難なく実現
するができる。このように上記第２の実施の形態によれ
ば、波長組合せが自由で安価かつ高精度な装置を実現す
ることができる。

【００５６】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、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１の実施の形態の干渉計６に第２の実施の形態の
干渉計１６を用いてもよく、第２の実施の形態の干渉計
１６に第１の実施の形態の干渉計６を用いてよい。

【００５７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、合
成波長の最も大きいものから順次絶対距離の概略情報を
求めているので、求められる絶対距離のレンジが従来の
２波長干渉法と同等以上に広くなる。また、測定対象波
面の２πの区間にわたり、測定対象面の精密な距離情
報、すなわち、１波長の位相を高精度に求め、この位相
分布と縞次数に基づいて絶対距離の精密情報を求めてい
るので、従来の２光束干渉法と同程度の精度で形状を測
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３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
方法に較べて飛躍的に高速な測定が可能になり、そのよ
うな測定を広くなった所定のレンジ内で正確に失敗なし
に行うことができる。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測定ミスを
招くことなく行うことが可能になる。

【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の実施の係る干渉計測装置のコンピュータ
の機能ブロック図である。

【図３】第１の実施の係る干渉計測装置により絶対距離
の概略情報を得る原理を説明するための図である。

【図４】ラップ位相の差｛ψ₁(x,y)−ψ₂ (x,y) ｝が絶
対距離の概略情報ｈｇ(x,y) に比例する様子を説明する
ための図である。

【図５】絶対距離の概略情報ｈｇ(x,y) に対する縞次数
差ΔＮの様子を示す図である。

【図６】第１の実施の形態に係る干渉計測装置における
波長の組合せの選択の原理を説明するための図である。

【図７】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８】従来の干渉計測方法として２光束干渉法を説明
するためのフロー図である。

【図９】(a) は実際の位相を示す図、(b) はラップされ
た位相を示す図である。

【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 ７ ピエゾドライバ ８Ａ 第１のイメージデジタイザ ８Ｂ 第２のイメージデジタイザ ８Ｃ 第３のイメージデジタイザ ９ コンピュータ １３ 直進ステージ １３Ａ レール １３Ｂ 直進部 １６ 干渉計 １７ 直進ステージ用ドライバ ６０Ａ 第１のレーザ光源 ６０Ｂ 第２のレーザ光源 ６０Ｃ 第３のレーザ光源 ６１Ａ 第１のコリメータレンズ ６１Ｂ 第２のコリメータレンズ ６１Ｃ 第３のコリメータレンズ ６２Ａ 第１のハーフミラー ６２Ｂ 第２のハーフミラー ６３ 対物レンズ ６４ 平面原器 ６５Ａ 第１のダイクロイックミラー ６５Ｂ 第２のダイクロイックミラー ６６ 結像レンズ ６６Ａ 第１の結像レンズ ６６Ｂ 第２の結像レンズ ６６Ｃ 第３の結像レンズ ６７Ａ 第１の撮像管 ６７Ｂ 第２の撮像管 ６７Ｃ 第３の撮像管 ６８Ａ 第３のハーフミラー ６８Ｂ 第４のハーフミラー ６９ ミラー ７０Ａ 第１のシャッタ ７０Ｂ 第２のシャッタ ７０Ｃ 第３のシャッタ ９１ 干渉縞画像取得手段 ９２ 位相算出手段 ９３ 概略距離情報算出手段 ９４ 縞次数検出手段 ９５ 縞次数差検出手段 ９６ 精密距離情報算出手段 １６７ ＣＣＤカメラ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 AA09 FF02 GG20 GG22 HH03 HH08 HH09 2F065 AA04 AA25 AA45 AA53 BB05 DD06 FF01 FF04 FF51 GG06 GG23 JJ03 JJ05 JJ19 JJ26 LL20 LL30 MM07 NN02 PP02 PP12 QQ31

Claims (14)

【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、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あ
   るいは透過した前記少なくとも３種類の波長の光波とを
   波長毎に干渉させる第１のステップと、 前記第１のステップの干渉によって生じた少なくとも３
   種類の干渉縞画像を個別に検出する第２のステップと、 前記少なくとも３種類の干渉縞画像に基づいて、前記測
   定対象面の２πの区間にラップされた少なくとも３種類
   の位相分布を波長毎に演算する第３のステップと、 前記少なくとも３種類の波長から選んだ２つの波長を一
   組として前記一組の波長による合成波長が順次大きくな
   るように第１乃至第ｍ（但し、ｍ≧２）の組を設定する
   第４のステップと、 前記第１乃至第ｍの組に対応する前記２つの波長の前記
   干渉縞画像間の位相分布差に基づいて、前記位相分布差
   の正負に応じた演算式を用いて第１乃至第ｍの組毎に前
   記第ｍから第１の組まで前記基準面と前記測定対象面と
   の絶対距離の概略情報を順次演算する第５のステップ
   と、 前記少なくとも３種類の波長のうち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の組によ
   る前記絶対距離の概略情報に基づいて、前記基準面と前
   記測定対象面との絶対距離の精密情報を演算する第６の
   ステップとを含むことを特徴とする干渉計測方法。
2. 【請求項２】前記第４のステップは、前記一組の波長を
   λ_i1，λ_i2とするとき、前記合成波長をΛ_i ＝λ_i1・λ
   _i2／（λ_i2−λ_i1）により定義して設定し（但し、ｉ＝
   １，２，．．．ｍ）、 前記第５のステップは、前記合成波長が最も大きいΛｍ
   を構成する第ｍの組の波長をそれぞれλ_m1，λ_m2（λ_m2
   ＞λ_m1）、前記波長λ_m1，λ_m2の位相分布をψ _m1(x,y)
   ，ψ_m2(x,y) とするとき、前記基準面と前記測定対象
   面との絶対距離の概略情報ｈｇ_(m) (x,y) を０≦｛ψ_m1
   （x, y）−ψ_m2(x,y) ｝ならば、 ｈｇ_(m) (x,y)＝｛ψ_m1（x, y）−ψ_m2(x,y) ｝/ ｛(2
   π×k)・(1/λ_m1−1/λ_m2) ｝ ｛ψ_m1（x, y）−ψ_m2(x,y) ｝＜０ならば、 ｈｇ_(m) (x,y)＝｛ψ_m1(x, y)−ψ_m2(x,y) ＋2 π｝/
   ｛(2π×k)・(1/λ_m1−1/λ_m2) ｝ 但し、k ：反射による測定する場合は２、透過による測
   定の場合は１ x, y：測定対象面に概略沿った平面の座標成分 によって求め、 前記第ｍの組による絶対距離の概略情報ｈｇ_(m) (x,y)
   と、前記合成波長が２番目に大きいΛ_m-1 を構成する第
   ｍ−１の組の波長λ_(m-1)1，λ_(m-1)2（λ_{(m-1 )2}＞λ
   _(m-1)1）による位相分布ψ_(m-1)1(x,y) ，ψ_(m-1)2(x,
   y) とから、第ｍ−１の組における縞次数差ΔＮ
   _m-1 （x, y）を ΔＮ_m-1 （x, y）＝round[hg _(m) (x,y) ×k/Λ_m-1-
   ｛ψ_(m-1)1(x,y) −ψ_(m-1)2(x,y) ｝/(2 π)] 但し、Λ_m-1 ：前記第ｍ−１の波長の組による２番目に
   大きい合成波長 round[ ]：最も近い整数を返す関数 によって求め、 前記第ｍ−１の組における前記縞次数差ΔＮ_m-1 （x,
   y）と、前記第ｍ−１の組によるそれぞれの位相分布ψ
   _(m-1)1(x,y) ，ψ_(m-1)2(x,y) とから、前記基準面と前
   記測定対象面との絶対距離の概略情報ｈｇ_(m-1) （x,
   y）を ｈｇ_(m-1) （x, y）＝Λ_m-1 /k×[ ｛ψ_(m-1)1(x,y)-ψ
   _(m-1)2(x,y) ｝/(2 π)+ΔＮ_m-1 (x,y) ] によって求め、 以下、ｉ＝ｍ−２から１までｈｇ_(i+1) (x,y) を用いて
   ΔＮ_i (x,y) を求め、前記ΔＮ_i (x,y) を用いてｈｇ
   _(i) (x,y) を順次求める構成の請求項１記載の干渉計測
   方法。
3. 【請求項３】前記ステップ６は、前記第１の組による絶
   対距離の概略情報ｈｇ₍₁₎ (x,y) と、前記少なくとも３
   波長のうちの１つの波長λ_j による位相分布ψ_j (x,y)
   （j＝１，２, ３）とから、縞次数Ｎ_j (x,y) を Ｎ_j (x,y) ＝round[ｈｇ₍₁₎ (x,y) ×k/λ_j −ψ_j (x,
   y)/(2π)] によって求め、前記縞次数Ｎ_j (x,y) と、前記１つの波
   長λ_j による前記位相分布ψ_j (x,y) とから、前記基準
   面と前記測定対象面との絶対距離の精密情報を ｈｓ_j (x,y) ＝λ_j /k×｛ψ_j (x,y)/(2π) ＋Ｎ_j (x,
   y) ｝ によって求める構成の請求項２記載の干渉計測方法。
4. 【請求項４】前記第６のステップは、前記少なくとも３
   種類の波長のうちの少なくとも２つの波長の位相分布に
   基づいて少なくとも２つの前記絶対距離の精密情報を求
   め、それらの前記絶対距離の精密情報の平均値を求め、
   前記平均値を前記絶対距離の精密情報とする構成の請求
   項２記載の干渉計測方法。
5. 【請求項５】前記第４のステップは、前記第ｉ（ｉ＝
   １，２，．．ｍ）の組による絶対距離の概略情報ｈｇ
   _(i) (x,y) の誤差σｈｇ_(i) (x,y) が、 σｈｇ_(i) (x,y) ＜Λ_m-1 /2 を満足するように、前記各組を設定する構成の請求項１
   記載の干渉計測方法。
6. 【請求項６】前記第２のステップは、前記少なくとも３
   種類の波長の干渉縞画像を検出する手段として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
   １記載の干渉計測方法。
7. 【請求項７】前記第１のステップは、少なくも３つの光
   源を時系列的に切り替えて前記少なくとも３種類の波長
   の光波を前記基準面および前記測定対象面に照射し、 前記第２のステップは、前記少なくとも３種類の波長の
   干渉縞画像を共通の検出手段により検出する構成の請求
   項１記載の干渉計測方法。
8. 【請求項８】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あるいは透過した前記少なく
   とも３種類の波長の光波とを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
   た少なくとも３種類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種類の干渉縞画像に基づいて、前記測
   定対象波面の２πの区間にラップされた少なくとも３種
   類の位相分布を演算する位相算出手段と、 前記少なくとも３種類の波長から選んだ２つの波長を一
   組として前記一組の波長の合成波長が順次大きくなるよ
   うに第１乃至第ｍ（但し、ｍ≧２）の組を設定する設定
   手段と、 前記第１乃至第ｍの組に対応する前記２つの波長の前記
   干渉縞画像間の位相分布差に基づいて、前記位相分布差
   の正負に応じた演算式を用いて第１乃至第ｍの組毎に前
   記第ｍから第１の組まで前記基準面と前記測定対象面と
   の絶対距離の概略情報を順次演算する第１の算出手段
   と、 前記少なくとも３種類の波長のうち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の組の前
   記絶対距離の概略情報に基づいて、前記基準面と前記測
   定対象面との絶対距離の精密情報を演算する第２の算出
   手段とを備えたことを特徴とする干渉計測装置。
9. 【請求項９】前記設定手段は、前記一組の波長をλ_i1，
   λ_i2とするとき、前記合成波長をΛ _i ＝λ_i1・λ_i2／
   （λ_i2−λ_i1）により定義して設定し（但し、ｉ＝１，
   ２，．．．ｍ）、 前記第１の算出手段は、前記合成波長が最も大きいΛｍ
   を構成する第ｍの組の波長をλ_m1，λ_m2（λ_m2＞
   λ_m1）、前記波長λ_m1，λ_m2の位相分布をψ_m1(x,y)，
   ψ_m2(x,y) とするとき、前記基準面と前記測定対象面と
   の絶対距離の概略情報ｈｇ_(m) (x,y) を０≦｛ψ_m1（x,
   y）−ψ_m2(x,y) ｝ならば、 ｈｇ_(m) (x,y)＝｛ψ_m1（x, y）−ψ_m2(x,y) ｝/ ｛(2
   π×k)・(1/λ_m1−1/λ_m2) ｝ ｛ψ_m1（x, y）−ψ_m2(x,y) ｝＜０ならば、 ｈｇ_(m) (x,y)＝｛ψ_m1（x, y）−ψ_m2(x,y)+2 π｝/
   ｛(2π×k)・(1/λ_m1−1/λ_m2) ｝ 但し、k ：反射による測定する場合は２、透過による測
   定の場合は１ x, y：測定対象面に概略沿った平面の座標成分 によって求め、前記合成波長が２番目に大きいΛ_m-1 を
   構成する第ｍ−１の組における縞次数差ΔＮ_m-1 （x,
   y）と、第ｍ−１の組によるそれぞれの位相分布ψ
   _(m-1)1(x,y) ，ψ_(m-1)2(x,y) とから、前記基準面と前
   記測定対象面との絶対距離の概略情報ｈｇ_(m-1) （x,
   y）を ｈｇ_(m-1) （x, y）＝Λ_m-1 /k×[ ｛ψ_(m-1)1(x,y)-ψ
   _(m-1)2(x,y) ｝/(2 π)+ΔＮ_m-1 (x,y) ] によって求め、以下ｉ＝ｍ−２から１までｈｇ
   _(i+1) (x,y) を用いてΔＮ_i (x,y) を求め、前記ΔＮ_i
   (x,y) を用いてｈｇ_(i) (x,y) を順次求めるる概略距離
   算出手段と、 前記第ｍの組による絶対距離の概略情報ｈｇ_(m) (x,y)
   と、前記合成波長が２番目に大きいΛ_m-1 を構成する第
   ｍ−１の波長λ_(m-1)1，λ_(m-1)2（λ_(m-1)2＞
   λ_(m-1)1）による位相分布ψ_(m-1)1(x,y) ，ψ
   _(m-1)2(x,y) とから、第ｍ−１の組における縞次数差Δ
   Ｎ_m-1 （x, y）を ΔＮ_m-1 （x, y）＝round[hg _(m) (x,y) ×k/Λ_m-1-
   ｛ψ_(m-1)1(x,y) −ψ_(m-1)2(x,y) ｝/(2 π)] 但し、Λ_m-1 ：前記第ｍ−１の波長の組による２番目に
   大きい合成波長 round[ ]：最も近い整数を返す関数 によって求め、以下ｉ＝ｍ−２から１までｈｇ
   _(i+1) (x,y) を用いてΔＮ_i (x,y) を求める縞次数差算
   出手段と、 前記縞次数差算出手段によって求められた第１の組によ
   る前記絶対距離の概略情報ｈｇ₍₁₎ (x,y) と、前記少な
   くとも３波長のうちの１つの波長λ_j による位相分布ψ
   _j (x,y) （j ＝１，２, ３）とを用いて、縞次数Ｎ
   _j (x,y) を Ｎ_j (x,y) ＝round[ｈｇ₍₁₎ (x,y) ×k/λ_j −ψ_j (x,
   y)/(2π)] によって求める縞次数算出手段とを備え、 前記第２の算出手段は、前記縞次数Ｎ_j (x,y) と、前記
   少なくとも３波長のうちの１つの波長λ_j による位相分
   布ψ_j (x,y) （j ＝１，２, ３）とを用いて、前記基準
   面と前記測定対象面との絶対距離の精密情報を ｈｓ_j (x,y) ＝λ_j /k×｛ψ_j (x,y)/(2π) ＋Ｎ_j (x,
   y) ｝ によって求める精密距離算出手段を備えた構成の請求項
   ８記載の干渉計測装置。
10. 【請求項１０】前記縞次数算出手段および前記精密距離
    算出手段は、前記少なくとも３種類のうちの少なくとも
    ２つの波長について少なくとも２つの前記絶対距離の精
    密情報を求め、それらの前記絶対距離の精密情報の平均
    値を求め、前記平均値を前記絶対距離の精密情報とする
    構成の請求項８記載の干渉計測装置。
11. 【請求項１１】前記設定手段は、前記第ｉ（ｉ＝１，
    ２，．．ｍ）の組による絶対距離の概略情報ｈｇ
    _(i) (x,y) の誤差σｈｇ_(i) (x,y) が、 σｈｇ_(i) (x,y) ＜Λ_m-1 /2 を満足するように、前記各組を設定する構成の請求項８
    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８
    記載の干渉計測装置。
13. 【請求項１３】前記干渉縞画像検出手段は、２次元カラ
    ーＣＣＤカメラを用いた構成の請求項８記載の干渉計測
    装置。
14. 【請求項１４】前記光波を干渉させる光学系は、少なく
    とも３つの光源を備え、前記少なくとも３つの光源を時
    系列的に切り替えて前記少なくとも３種類の波長を前記
    基準面および前記測定対象面に照射し、 前記干渉縞画像検出手段は、前記少なくとも３種類の波
    長の干渉縞画像を共通の撮像手段で検出する構成の請求
    項８記載の干渉計測装置。