JP5282929B2

JP5282929B2 - 多波長干渉計

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Publication number: JP5282929B2
Application number: JP2007222370A
Authority: JP
Inventors: 和彦川▲崎▼; 義将鈴木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: JP2009053148A

Description

本発明は、複数の異なる波長の光を用いて被測定物の干渉計測を行う多波長干渉計に関する。

平面形状等を高精度に測定する装置として干渉計が知られている。干渉計は基準となる参照面からの反射光（参照光）と、被測定物からの反射光（測定光）とを合成させて干渉縞を発生させ、この干渉縞を解析することにより参照面に対する測定対象物の相対的な形状を測定するものである。しかし、干渉計測で一意に求めることができるのは、測定光の波長の整数倍成分（縞次数）を除いた、一波長未満の端数成分である。縞次数の部分は、例えば位相アンラッピング等の方法により求めることが出来る。しかし、測定面に測定光の波長の半分以上の不連続な段差（撮像素子の隣接する画素間での段差）がある場合には、その不連続な部分での高低差の判別が不可能となり、測定を行うことができないという問題がある。

この問題を解決するものとして、測定光として複数の異なる波長による干渉測定を行い、それぞれの波長によって計測された干渉縞の位相を合成する方法（以下「多波長干渉法」という）が知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば２つの異なる波長λ_１、λ_２（λ_１＞λ_２）を用いる場合、その合成波長Λ＝λ_１×λ_２／（λ_１−λ_２）の半分までの不連続な段差も測定可能となり、通常の干渉計測よりも測定レンジを大きくすることができる。例えば、λ_１＝６３３ｎｍ、λ_２＝６３２ｎｍとした場合、約０．２ｍｍの不連続な段差を有する被測定物の形状も測定可能となり、単一波長による干渉計測に比べ３００倍以上の測定レンジを得ることが出来る。λ_１とλ_２の差を小さくすればするほど、大きな測定レンジを得ることができる。

多波長干渉法では、波長差（λ_１−λ_２）が設定値からずれると、合成波長Λが変化し、測定精度に影響を及ぼすため、波長差（λ_１−λ_２）が設定値からずれないように制御する必要がある。特に、測定レンジを大きくするために波長差（λ_１−λ_２）を小さく設定する場合には、波長差（λ_１−λ_２）の設定値からの誤差が測定精度に大きく影響する。
特開平７−１８１００５号公報

本発明は、複数の異なる波長間の波長差を、簡易な構成により測定して、複数の異なる波長によって定められる合成波長を正確に特定することで、高精度な測定を可能にした多波長干渉計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る干渉計は、複数の異なる波長の出射光を出射可能に構成された光源と、前記光源が出射する出射光を測定光と参照光とに分割すると共に、参照面で反射した前記参照光及び被測定物で反射した測定光を合成して合成光とする光分割合成部材と、前記合成光による干渉縞を撮像する撮像部とを備え、前記複数の異なる波長の出射光の各々により得られた干渉縞の位相、及び前記複数の異なる波長の合成波長に基づいて前記被測定物の形状を算出する多波長干渉計において、光路長差が既知の第１反射面及び第２反射面を有する反射部材と、前記複数の異なる波長の出射光をそれぞれ前記反射部材に入射させて得られた複数の干渉縞を前記撮像部で撮像し、撮像された複数の干渉縞の位相に基づいて前記合成波長を算出する算出部とを備え、前記反射部材は、表面及び裏面を前記第１反射面及び前記第２反射面とする平行平面板であり、前記反射部材は、前記被測定物からの反射光によって発生する干渉縞を撮像する前記撮像部の撮像領域内に配置され、前記反射部材による干渉縞の画像は、前記被測定物による干渉縞の画像と共に共通の撮像装置により撮像され、前記反射部材は、前記第１反射面又は前記第２反射面が階段状に形成されて前記第１反射面と前記第２反射面との間の光路長差が複数段の階段状に変化し、これにより複数の平行平面板を形成していることを特徴とする。

この発明によれば、複数の異なる波長間の波長差を、簡易な構成により測定して、複数の異なる波長によって定められる合成波長を正確に特定することができ、高精度な測定を可能にした多波長干渉計を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］図１は、本発明の第１の実施の形態に係る多波長干渉計の全体構成を示している。この多波長干渉計は、レーザ光源１１と、コリメート光学系１２と、ビームスプリッタ１３と、参照面１４と、結像レンズ１６と、撮像装置１７と、モニタ１８と、ビームスプリッタ１９と、波長観測用反射部材２０と、撮像素子２１と、モニタ２２と、コンピュータ１００とから構成されている。コンピュータ１００は、機能ブロック図として、被測定物Ｗを測定する為の干渉縞の位相を算出する位相算出部１０１と、被測定物Ｗの形状を算出する形状算出部１０２と、波長観測用反射部材２０からの反射光による干渉縞の位相を算出する位相算出部１０３と、合成波長算出部１０４とを含むものとして表現されている。

レーザ光源１１は、少なくとも２つ以上の可干渉性の単一波長の光を出射する光源である。コリメート光学系１２は、レーザ光源１１から射出された出射光束を平行光束とする機能を有する。ビームスプリッタ１３、参照面１４、結像レンズ１６、撮像装置１７は、公知の多波長干渉計と同様の構成である。すなわち、ビームスプリッタ１３は、レーザ光源１１からの出射光束を被測定物Ｗに向かう測定光と、参照面１４に向かう参照光とに分離すると共に、被測定物Ｗで反射した測定光及び参照面１４で反射した参照光を合成した合成光を生成するものである。

この合成光は結像レンズ１６を通過して撮像装置１７の受光面に結像される。撮像装置１７の撮像面には合成光による干渉縞画像が形成され、この干渉縞画像がモニタ１８に表示される。撮像装置１７で撮像された干渉縞画像がコンピュータ１００で解析されることにより、被測定物Ｗの表面性状データを得ることができる。なお、撮像装置１７としてはＣＣＤ撮像素子が使用できるが、これに限らず、フォトダイオードアレイなど、干渉縞の明暗が観測可能な素子であれば様々なものが利用可能である。

ここで、通常の一波長の干渉計の計測原理、及び多波長干渉計の計測の原理を簡単に説明する。

波長λの光源により得られる干渉縞の強度Ｉ（ｘ、ｙ）は、次の［数１］で示される。

ただし、Ｂ（ｘ、ｙ）は点（ｘ、ｙ）における干渉縞のバイアス、Ａ（ｘ、ｙ）は点（ｘ、ｙ）における振幅、φ（ｘ、ｙ）＋２πｎ／λは点（ｘ、ｙ）における位相を表している（ｎは縞次数、φ（ｘ、ｙ）は端数部分）。この干渉縞の強度Ｉ（ｘ、ｙ）からは、実際の位相φ（ｘ、ｙ）＋２πｎ／λを一意に求めることはできず、一意に求めることが出来るのは、波長λの整数倍部分即ち縞次数ｎを除いた一波長未満の端数成分であるφ（ｘ、ｙ）のみである。縞次数ｎは、位相アンラッピング法等を用いて、試行錯誤的に求めることができる。しかし、被測定物Ｗに波長λの半分を超える不連続な段差がある場合、被測定物Ｗの測定は不可能となる。

本発明の実施の形態に係る多波長干渉計は、異なる波長λ_１、λ_２の出射光を用いて干渉縞画像をそれぞれの波長毎に得るものである。このとき、それぞれの波長で求められる位相差の変化の周期は、合成波長Λ＝λ_１・λ_２／｜λ_１−λ_２｜で表される周期で一致する。合成波長Λの範囲内であれば、２つの波長の位相差により縞次数が決定できる。このため、単一波長による干渉計測に比べ大きい測定レンジを得ることができる。

本実施の形態のような多波長干渉計においては、異なる波長λ_１、λ_２の差（波長差）が変化すると合成波長Λが変化する。波長安定性の高いレーザ等を光源として用いた場合であっても、温度変化等により波長は変化し、合成波長Λも変化する。合成波長Λが変化していることを把握せずに設定値に沿って干渉計測を行うことは、測定精度を低下させることにつながる。特に、測定レンジを広げるため波長λ_１、λ_２の波長差を小さくしている場合には、波長の僅かな変化が合成波長Λの設定値からの大きな変化へとつながる。

そこで、この実施の形態の多波長干渉計では、次の構成により、合成波長Λを算出し、この算出された合成波長Λを用いて被測定物Ｗの形状を計測する。即ち、この実施の形態の多波長干渉計は、コリメート光学系１２とビームスプリッタ１３との間にビームスプリッタ１９を備え、このビームスプリッタ１９の分岐光路に波長観測用反射部材２０を設置している。また、ビームスプリッタ１９を挟んで波長観測用反射部材２０と反対側には、撮像装置２１が備えられている。なお、ビームスプリッタ１９と撮像装置２１との間に結像光学系を備えることも可能である。

波長観測用反射部材２０は、図１に示すように、光路長ｌａだけ離間して配置された反射面２０Ａと２０Ｂとから構成される。ビームスプリッタ１９で反射されて反射面２０Ａ及び２０Ｂでそれぞれ反射された光は、光路長差２×ｌａを与えられて撮像装置２１に達する。この光路差の異なる光がビームスプリッタ１９で合成されて撮像装置２１に入射すると、この光路差に基づく干渉縞画像が撮像される。このような干渉縞画像を異なる波長λ_１、λ_２を用いてそれぞれ取得し、それぞれの干渉縞の位相をコンピュータ１００の位相算出部１０３において算出する。この算出された位相を用いて、合成波長算出部１０４により合成波長Λを算出することができる。その具体的な算出手順を以下に説明する。

波長λ_１、λ_２それぞれの場合に撮像装置２１で得られる干渉縞のある点における位相を、それぞれφ_１（ｘ、ｙ）、φ_２（ｘ、ｙ）とすると、λ_１、λ_２、φ_１、φ_２の関係は、次の［数２］、［数３］のように表現され得る（（ｘ、ｙ）の部分は簡略化の為省略する）。

ここで、ｎ_１、ｎ_２は縞次数であり、光路長差ｌａが波長の何倍であるかを示している。この［数２］、［数３］の差を取って、次式［数４］を得る。

波長λ_１、λ_２の値と光路長差ｌａが［数５］の関係にある場合には、波長λ_１の場合と波長λ_２の場合とで縞次数ｎ_１、ｎ_２が変化しない（ｎ_１＝ｎ_２）とみなすことができる。

例えば、λ_１＝６３２ｎｍ、λ_２＝６３３ｎｍであって距離ｌａが０．１ｍｍ以下程度であれば、ｎ_１＝ｎ_２とみなすことができる。この場合、［数４］の第２項を消去して変形することにより、合成波長Λは次の［数６］のようにして算出することができる。このようにこの実施の形態によれば、正確な合成波長Λをリアルタイムに、しかも波長観測用反射部材２０等の簡易な構成により算出することができるため、多波長干渉計の測定精度が低下することを防止することができる。

なお、通常、ｎ_１、ｎ_２の絶対値は、ｌａが波長λ_１、λ_２と同等の精度を与えられていれば決定することができる。しかしここでは上記のようにｎ_１＝ｎ_２とみなすことができれば、ｎ_１、ｎ_２の絶対値を求める必要は無い。また、ｌａが０．１ｍｍよりも大きい場合であっても、縞次数ｎ_１とｎ_２の相対的な関係を定めることが出来る程度にｌａが値付けされていれば、［数４］、［数６］に基づいて合成波長Λを算出することができる。この場合、［数４］の右辺第２項が残るが、この第２項は定数であるため、合成波長Λを算出する上で何ら問題はない。

上記の実施の形態では、波長観測用反射部材２０は、反射面２０Ａと２０Ｂを路長差Ｌａだけ離間して配置してなるものとして説明したが、波長観測用部材２０はこれに限定されるものではない。例えば、図２に示すように、反射面２０Ａをレーザ光源１１から見てビームスプリッタ１９の透過側に、反射面２０Ｂをビームスプリッタ１９の反射側に配置し、両者間の光路長差がｌａとなるようにしてもよい。また、図３に示すような平行平面板を波長観測用反射部材２０として用いてもよい。この場合、表面側を反射面２０Ａ、裏面側を反射面２０Ｂとして機能させ、両者間の光路長差をｌａとなるようにする。

図４は、波長観測用反射部材２０の別の構成例を示したものである。この図４の波長観測用反射部材２０は、平面状の反射面２０Ａと、階段状に高さが変化する面を反射面２０Ｂとした材料とを備えている。これにより、反射面２０Ａと反射面２０Ｂとの間の光路長差がｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ（ｌａ＜ｌｂ＜ｌｃ＜ｌｄ）と階段状に変化するものである。このように複数通りの光路長差を提供することにより、広い測定レンジを得ると同時に高い分解能で合成波長Λを算出することが可能となる。

上記の［数２］、［数３］から明らかなように、レーザ光源１１からの出射光の波長λ_１、λ_２が変化した場合に算出される干渉縞の位相φ_１、φ_２の変化量は、波長観測用反射部材２０の反射面２０Ａ、２０Ｂ間の光路長差ｌａに依存する。光路長差ｌａが大きいと波長λ_１、λ_２の変化に対する位相φ_１、φ_２の変化量が大きくなり、波長λ_１、λ_２の変化が所定の範囲内であれば、合成波長Λを高い分解能で算出することができる。しかし、位相φ_１、φ_２の変化量が大きい分、縞次数ｎ_１、ｎ_２も変わりやすくなる。縞次数ｎ_１、ｎ_２が変わると、波長λ_１、λ_２の変化量ひいては合成波長Λの大きさを決定することが困難となる。一方、ｌａが小さいと、波長λ_１、λ_２の変化に対する位相φ_１、φ_２の変化量が小さくなり、縞次数ｎ_１、ｎ_２が変化しない状態で干渉縞信号を得ることが出来る波長の範囲を広くすることができる。しかし、位相φ_１、φ_２の変化が小さい分、合成波長Λの算出精度は低下する。

図４の波長観測用反射部材２０を用いた場合、異なる光路長差ｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄの部分で測定される位相φの変化を比較することにより、縞次数ｎの変化量を把握することができ、これにより、広い測定レンジを得ると同時に高い分解能で合成波長Λを算出することが可能となる。すなわち、測定レンジと分解能が異なる波長センサを複数用意したのと同等の効果を得ることができる。

図５は複数の光路長差を有する波長観測用反射部材２０の別の例を示している。この波長観測用反射部材２０は、ガラス等の透明材料１つのみで形成され、階段状に形成された表面を反射面２０Ａとし、裏面側の平面状の反射面を反射面２０Ｂとしている。

［第２の実施の形態］図６は、本発明の第２の実施の形態に係る多波長干渉計の全体構成を示している。この実施の形態の多波長干渉計は、波長観測用反射部材２０が被測定物Ｗからの反射光によって発生する干渉縞を撮像する撮像装置の撮像領域内に設置され、コリメート光学系１２による平行光束の照明範囲に両者が含まれるように構成される。従って、被測定物Ｗ、及び波長観測用反射部材２０それぞれの干渉縞画像Ｐ１、Ｐ２が同一の撮像装置１７により撮像され、モニタ１８に並列的に表示される。この実施の形態では、第１の実施の形態のように別個のビームスプリッタ１９及び撮像装置２１が不要となるため、構成を簡単にすることができ、装置の低価格化や小型化を図ることができる。

［第３の実施の形態］図７は、本発明の第３の実施の形態に係る多波長干渉計の全体構成を示している。この実施の形態は、波長観測用反射部材２０が被測定物Ｗと隣接して設置され、コリメート光学系１２による平行光束の照明範囲に両者が含まれるようにされている点では第２の実施の形態と共通している。

ただし、この実施の形態では、いわゆる位相シフト法による干渉計測を行うための構成を備えている点で、第２の実施の形態と異なっている。即ちこの実施の形態の多波長干渉計は、被測定物Ｗと参照面１４との間に配置されるλ／４板３１、参照光と測定光を合成した合成光を３分割するビームスプリッタ３２、４５°ずつ透過軸方向の異なる３つの偏光板３３Ａ〜Ｃ、及び撮像装置１７Ａ〜Ｃを備えている。

この構成において、被測定物Ｗで反射されλ／４板３１を通過した測定光と、参照面１４で反射した参照光とは、互いに偏光方向が直交した直線偏光となり、ビームスプリッタ１３により合成されて合成光となる。この合成光は、ビームスプリッタ３２により３つに分割された後、３つの偏光板３３Ａ〜Ｃを通過する。

偏光板３３Ａ〜Ｃ通過した３つの光は互いに位相が９０°ずつ異なる光となり、撮像装置１７Ａ〜Ｃに投影される。この実施の形態によれば、偏光板３３Ａ〜Ｃにより干渉縞の位相をシフトさせて、複数枚の干渉縞画像を撮像装置１７Ａ〜Ｃにより同時に取得することができる。また、上記実施の形態と同様に、レーザ光源１１からの出射光の波長を波長λ_１、λ_２と切り換えて多波長干渉を行うことにより、その合成波長Λにより、広い測定レンジでの干渉計測が可能となる。合成波長Λは、被測定物Ｗと隣接して配置された波長観測用反射部材２０による干渉縞画像を解析することにより求めることができるのは、上記の実施の形態と同様である。

なお、この実施の形態において、波長観測用反射部材の干渉画像を、第１の実施の形態と同様に別個のビームスプリッタおよび撮像装置（１９，２１）を設置することにより観測することも可能である。また、図７では偏光板３３Ａ〜Ｃを用いた光学的な位相シフト法による干渉計を説明したが、参照面を物理的に移動させて位相シフトを行う干渉計にも、本発明は適用可能である。また、撮像装置１７Ａ〜Ｃを３台準備する例を説明したが、これに限らず、光路切替部材による切り替えを行うこと等により、１台の撮像装置のみで撮像を行うことも可能である。このような位相シフト法を用いることにより、上記の実施の形態の干渉計に比べ高精度に被測定物Ｗの形状を解析することができる。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では波長観測用反射部材２０は平面状の２つの反射部材２０Ａ、２０Ｂを有するものとして説明したが、所定の光路長差を有するものであれば、必ずしも平面状で有る必要はなく、例えば球面状のものであってもよい。

また、上記の実施の形態では、反射面２０Ａ及び２０Ｂでそれぞれ反射された光を干渉させて得られた干渉縞を撮像するようにしていたが、これに代えて、反射面２０Ａと参照面１４の各々で反射した光を干渉させて得られた干渉縞、及び反射面２０Ｂと参照面１４の各々で反射した光を干渉させて得られた干渉縞を撮像するようにしてもよい。この場合でも、反射面２０Ａと２０Ｂは既知の光路差を与えられており、２つの干渉縞にはこの光路差の差に従った違いが生じるので、同様の効果を得ることができる。

また、図８に示すように、参照面１４とは別に、例えば波長観測用反射部材２０に向かう光路に配置されるビームスプリッタ４１と、これにより分岐された光路に配置された第２参照面４２を設けることもできる。このとき、この反射面２０Ａにおける反射光及び第２参照面４２における反射光を互いに干渉させて得られた干渉縞、並びに反射面２０Ｂにおける反射光及び第２参照面４２における反射光を互いに干渉させて得られた干渉縞を撮像するように光学系を構成することが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る多波長干渉計の全体構成を示している。図１に示す波長観測用反射部材２０の別の構成例を示す。図１に示す波長観測用反射部材２０の別の構成例を示す。図１に示す波長観測用反射部材２０の別の構成例を示す。図１に示す波長観測用反射部材２０の別の構成例を示す。本発明の第２の実施の形態に係る多波長干渉計の全体構成を示している。本発明の第３の実施の形態に係る多波長干渉計の全体構成を示している。本発明の実施の形態の変形例を示す。

符号の説明

１１・・・レーザ光源、１２・・・コリメート光学系、１３・・・ビームスプリッタ、１４・・・参照面、１６・・・結像レンズ、１７・・・撮像装置、１８・・・モニタ、１９・・・ビームスプリッタ、２０・・・波長観測用反射部材、２０Ａ、２０Ｂ・・・反射面、２１・・・撮像素子、２２・・・モニタ、３１・・・λ／４板、３２・・・ビームスプリッタ、３３Ａ〜Ｃ・・・偏光板、１００・・コンピュータ、１０１・・・位相算出部、１０２・・・形状算出部、１０３・・・位相算出部、１０４・・・合成波長算出部。

Claims

複数の異なる波長の出射光を出射可能に構成された光源と、
前記光源が出射する出射光を測定光と参照光とに分割すると共に、参照面で反射した前記参照光及び被測定物で反射した測定光を合成して合成光とする光分割合成部材と、
前記合成光による干渉縞を撮像する撮像部と
を備え、
前記複数の異なる波長の出射光の各々により得られた干渉縞の位相、及び前記複数の異なる波長の合成波長に基づいて前記被測定物の形状を算出する多波長干渉計において、
光路長差が既知の第１反射面及び第２反射面を有する反射部材と、
前記複数の異なる波長の出射光をそれぞれ前記反射部材に入射させて得られた複数の干渉縞を前記撮像部で撮像し、撮像された複数の干渉縞の位相に基づいて前記合成波長を算出する算出部と
を備え、
前記反射部材は、表面及び裏面を前記第１反射面及び前記第２反射面とする平行平面板であり、
前記反射部材は、前記被測定物からの反射光によって発生する干渉縞を撮像する前記撮像部の撮像領域内に配置され、前記反射部材による干渉縞の画像は、前記被測定物による干渉縞の画像と共に共通の撮像装置により撮像され、
前記反射部材は、前記第１反射面又は前記第２反射面が階段状に形成されて前記第１反射面と前記第２反射面との間の光路長差が複数段の階段状に変化し、これにより複数の平行平面板を形成している
ことを特徴とする多波長干渉計。
前記合成光に位相シフトを与える位相シフト付与手段を備え、異なる量の位相シフト毎に得られた複数の干渉縞を前記撮像手段で撮像することにより位相シフト法を実行可能に構成された請求項１記載の多波長干渉計。
前記第１反射面における反射光及び前記第２反射面における反射光を互いに干渉させて得られた干渉縞を前記撮像部で撮像するように構成された請求項１記載の多波長干渉計。
前記第１反射面における反射光及び前記参照面における反射光を互いに干渉させて得られた干渉縞、並びに前記第２反射面における反射光及び前記参照面における反射光を互いに干渉させて得られた干渉縞を前記撮像部で撮像するように構成された請求項１記載の多波長干渉計。
前記第１反射面における反射光及び前記参照面とは別個に設けられた第２参照面における反射光を互いに干渉させて得られた干渉縞、並びに前記第２反射面における反射光及び前記第２参照面における反射光を互いに干渉させて得られた干渉縞を前記撮像部で撮像するように構成された請求項１記載の多波長干渉計。