計測装置
【課題】コストの増加を抑えながら参照面と被検面との間の光路長差の変化に起因する計測誤差を低減し、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置を提供する。
【解決手段】周波数を走査可能なｎ（ｎ＝２以上の整数）個の光源と、前記ｎ個の光源からのそれぞれの光を分割し、参照面と被検面とに入射させる分割素子と、前記参照面で反射された光と、前記被検面で反射された光との干渉により形成されるｎ個の干渉光を検出して干渉信号を出力する検出部と、前記距離を求める処理部と、前記処理部は、前記ｎ個の光源のうち１つの第１光源からの光の周波数を第１方向に第１走査速度で走査するように制御し、且つ、前記ｎ個の光源のうち他の１つの第２光源からの光の周波数を第１方向とは逆の第２方向に前記第１走査速度とは異なる第２走査速度で走査するように制御し、前記ｎ個の光源を制御している間の前記干渉信号に基づいて、前記距離を求める。
【解決手段】周波数を走査可能なｎ（ｎ＝２以上の整数）個の光源と、前記ｎ個の光源からのそれぞれの光を分割し、参照面と被検面とに入射させる分割素子と、前記参照面で反射された光と、前記被検面で反射された光との干渉により形成されるｎ個の干渉光を検出して干渉信号を出力する検出部と、前記距離を求める処理部と、前記処理部は、前記ｎ個の光源のうち１つの第１光源からの光の周波数を第１方向に第１走査速度で走査するように制御し、且つ、前記ｎ個の光源のうち他の１つの第２光源からの光の周波数を第１方向とは逆の第２方向に前記第１走査速度とは異なる第２走査速度で走査するように制御し、前記ｎ個の光源を制御している間の前記干渉信号に基づいて、前記距離を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
参照面と被検面（被検物）との間の距離を計測する計測装置として、周波数（波長）走査型の光波干渉計や固定波長型の光波干渉計が知られている。周波数走査型の光波干渉計は、光源の周波数を時間的に走査して得られる干渉信号の周波数に基づいて、参照面と被検面との間の距離を求める。周波数走査型の光波干渉計は、ヘテロダイン干渉計やホモダイン干渉計に代表される固定波長型の光波干渉計と比較して、構成が単純であり、低コストであるという利点がある。
【０００３】
周波数走査型の光波干渉計では、計測条件として、周波数を走査している間に参照光（参照面で反射された光）と被検光（被検面で反射された光）との光路長差が変化しないことが必要であり、光路長差が僅かに変化しただけでも大きな計測誤差となる。例えば、光源の中心波長を７８０ｎｍ、光源の周波数の走査量を１００ＧＨｚ（０．２ｎｍ）とし、周波数を走査している間に光路長差が１ｎｍ変化した場合には、約３．８μｍの計測誤差が生じてしまう。このような光路長差の変化は、振動や温度変化などによって必然的に生じるものである。そこで、参照光と被検光との光路長差の変化に起因する計測誤差を低減するための技術が幾つか提案されている（特許文献１及び非特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１には、中心波長が異なる２つの光源（周波数走査光源）を用いて、各干渉信号のビート信号の位相差に基づいて演算処理を行うことで、参照光と被検光との光路長差の変化に起因する計測誤差を低減する技術が開示されている。また、非特許文献１には、周波数を走査する方向が異なる２つの周波数走査光源を用いて、２つの干渉信号から得られる計測値の平均値をとることで、参照光と被検光との光路長差の変化に起因する計測誤差を低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１２０２１１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｈａｉ−Ｊｕｎ Ｙａｎｇ ａｎｄ Ｋｅｉｔｈ Ｒｉｌｅｓ． “Ｈｉｇｈ−ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ｄｕａｌ−ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｃａｎｎｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｕｎｄｅｒ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ”． Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＆ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｓｅｃｔｉｏｎ Ａ， Ｖｏｌｕｍｅ ５７５， Ｉｓｓｕｅ ３， １ Ｊｕｎｅ ２００７， ｐａｇｅｓ ３９５−４０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術では、２つの光源のそれぞれの干渉信号を検出するために、２つの検出器が必要となり、装置コストの増大を招いてしまう。特に、被検物の面形状を計測する場合には、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの２次元センサを検出器として用いるため、装置コストの増大が顕著となる。
【０００８】
また、非特許文献１の技術では、２つの光源のそれぞれの干渉信号を１つの検出器で検出するために、かかる検出器で検出される干渉信号を時間的に切り替えるチョッパーが必要となり、装置コストの増大を招いてしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、コストの増加を抑えながら参照面と被検面との間の光路長差の変化に起因する計測誤差を低減し、参照面と被検面との間の距離の計測に有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、周波数を走査可能なｎ（ｎ＝２以上の整数）個の光源と、前記ｎ個の光源からのそれぞれの光を分割し、前記参照面と前記被検面とに入射させる分割素子と、前記参照面で反射された光と、前記被検面で反射された光との干渉により形成されるｎ個の干渉光を検出して干渉信号を出力する検出部と、前記距離を求める処理を行う処理部と、を有し、前記処理部は、前記ｎ個の光源のうち１つの第１光源からの光の周波数を第１方向に第１走査速度で走査するように制御し、且つ、前記ｎ個の光源のうち他の１つの第２光源からの光の周波数を第１方向とは逆の第２方向に前記第１走査速度とは異なる第２走査速度で走査するように制御し、前記ｎ個の光源を制御している間に前記検出部で検出される前記干渉光の前記干渉信号に基づいて、前記距離を求めることを特徴とする。
【００１１】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、例えば、コストの増加を抑えながら参照面と被検面との間の光路長差の変化に起因する計測誤差を低減し、参照面と被検面との間の距離の計測に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態における計測装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す計測装置の検出部で取得される干渉信号の一例を示す図である。
【図３】図２に示す干渉信号を周波数解析した結果の一例を示す図である。
【図４】図１に示す計測装置における参照面と被検面との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態における計測装置の構成を示す図である。
【図６】図５に示す計測装置における参照面と被検面との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における計測装置ＭＡＡの構成を示す図である。計測装置ＭＡＡは、参照面と被検面との間の距離を計測する光波干渉計である。計測装置ＭＡＡは、第１光源１と、第２光源２と、処理部１３と、無偏光ビームスプリッタ１４、１５及び２０と、波長計測ユニット１００及び２００と、干渉計ユニット４００とを有する。波長計測ユニット１００は、ファブリペローエタロン１０と、検出部７とを含み、波長計測ユニット２００は、ファブリペローエタロン１１と、検出部８とを含む。また、干渉計ユニット４００は、無偏光ビームスプリッタ２３と、検出部６とを含む。
【００１６】
計測装置ＭＡＡは、本実施形態では、射出する光の周波数を走査可能な２つの光源（第１光源１及び第２光源２）を有するが、これに限定されるものではない。例えば、計測装置ＭＡＡは、射出する光の周波数を走査可能な３つ以上の光源を有してもよい。
【００１７】
第１光源１から射出された光Ｌ１は、無偏光ビームスプリッタ１４によって２つの光に分割され、一方の光が波長計測ユニット１００に導かれ、他方の光が干渉計ユニット４００に導かれる。また、第２光源２から射出された光Ｌ２は、無偏光ビームスプリッタ１５によって２つの光に分割され、一方の光が波長計測ユニット２００に導かれ、他方の光が干渉計ユニット４００に導かれる。
【００１８】
波長計測ユニット１００に入射した光Ｌ１は、波長基準素子としてのファブリペローエタロン１０を透過して検出部７に入射する。処理部１３は、検出部７で検出された光強度（光Ｌ１の強度）に基づいて、第１光源１から射出される光の周波数（波長）を制御する。同様に、波長計測ユニット２００に入射した光Ｌ２は、波長基準素子としてのファブリペローエタロン１１を透過して検出部８に入射する。処理部１３は、検出部８で検出された光強度（光Ｌ２の強度）に基づいて、第２光源２から射出される光の周波数（波長）を制御する。
【００１９】
ファブリペローエタロン１０及び１１のそれぞれの透過スペクトルについては、透過スペクトルのそれぞれのピークの相対値が保証されていることが必要である。そこで、本実施形態では、透過スペクトルの間隔が保証された真空媒質のエタロンをファブリペローエタロン１０及び１１として用いている。真空媒質のエタロンは、内部媒質の屈折率及び分散がないため、波長の相対値を容易に保証することができる。更に、低熱膨張ガラスなどをエタロンの材質として用いれば、温度に対する膨張を低減し、長期的に安定した波長基準素子を実現することができる。但し、ファブリペローエタロン１０及び１１は、真空媒質のエタロンに限定されるものではなく、例えば、エアギャップのエタロンやソリッドエタロンなどを用いてもよい。この場合には、エタロンの温度を計測するなどして内部の屈折率及び分散を保証する必要がある。また、ファブリペローエタロン１０及び１１のそれぞれは、第１光源１及び第２光源２からのそれぞれの光の周波数の走査範囲内に、少なくとも２つ以上の透過スペクトルを有するとよい。これにより、第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間の各時刻における波長を保証することができる。
【００２０】
干渉計ユニット４００に導かれる光Ｌ１及びＬ２は、無偏光ビームスプリッタ２０によって合波される。干渉計ユニット４００に入射した光Ｌ１は、無偏光ビームスプリッタ２３によって参照面４に入射する第１参照光（第１光）と被検面５に入射する第１被検光（第２光）とに分割される。そして、第１参照光は、参照面４で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻り、第１被検光は、被検面５で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻る。同様に、干渉計ユニット４００に入射した光Ｌ２は、無偏光ビームスプリッタ２３によって参照面４に入射する第２参照光（第３光）と被検面５に入射する第２被検光（第２光）とに分割される。そして、第２参照光は、参照面４で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻り、第２被検光は、被検面５で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻る。このように、無偏光ビームスプリッタ２３は、第１光源１からの光を第１光と第２光とに分割し、第２光源２からの光を第３光と第４光とに分割し、第１光及び第３光を参照面４に入射させ、第２光及び第４光を被検面５に入射させる分割素子として機能する。
【００２１】
第１参照光と第１被検光、及び、第２参照光と第２被検光は、無偏光ビームスプリッタ２３によって合波されて検出部６に入射する。検出部６は、第１参照光と第１被検光との干渉により形成される第１干渉光と、第２参照光と第２被検光との干渉により形成される第２干渉光とを含む光を（第１干渉光と第２干渉光とを一括して）検出して、図２に示すような干渉信号Ｓ１２を出力（取得）する。干渉信号Ｓ１２は、第１光源１からの光による（第１干渉光に対応する）干渉信号（第１信号）Ｓ１と、第２光源２からの光による（第２干渉光に対応する）干渉信号（第２信号）Ｓ２とを足し合わせた信号である。干渉信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ１２のそれぞれは、以下の式（１）、（２）及び（３）で表される。
【００２２】
【数１】
【００２３】
【数２】
【００２４】
【数３】
【００２５】
ここで、Ａ１は第１参照光の振幅強度、Ａ２は第２参照光の振幅強度、Ｂ１は第１被検光の振幅強度、Ｂ２は第２被検光の振幅強度である。また、ｆ１（ｔ）は時刻ｔにおける第１光源１からの光の周波数、ｆ２（ｔ）は時刻ｔにおける第２光源２からの光の周波数、Ｌは参照面４と被検面５との間の距離である。但し、空間の屈折率は１とし、分散はないものとしている。
【００２６】
本実施形態では、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ）を第１光源１及び第２光源２として用いている。第１光源１からの光の中心周波数ｆｃ１及び第２光源２からの光の中心周波数ｆｃ２のそれぞれは、ｆｃ１＝４４８［ＴＨｚ］及びｆｃ２＝３５３［ＴＨｚ］である。
【００２７】
また、処理部１３は、参照面４と被検面５との間の距離を求める際に、第１光源１及び第２光源２を制御する。処理部１３は、第１光源１からの光の周波数を第１方向に第１走査速度で走査するように第１光源１を制御し、且つ、第２光源２からの光の周波数を第１方向とは逆の第２方向に第１走査速度とは異なる第２走査速度で走査するように第２光源２を制御する。換言すれば、処理部１３は、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数を走査する方向及び周波数の走査速度の絶対値が互いに異なるように、第１光源１及び第２光源２を制御する。本実施形態では、処理部１３は、第１光源１に関しては、第１光源１からの光の周波数を走査速度ｆｖ１＝１００［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（順方向）で走査するように制御する。そして、処理部１３は、第２光源２に関しては、第２光源２からの光の周波数を走査速度ｆｖ２＝−７９［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（逆方向）で走査するように制御する。また、周波数を走査可能なｎ（ｎ＝３以上の整数）個の光源を有する場合には、処理部１３は、第１光源と第２光源とは異なる第３光源も制御する。具体的には、処理部１３は、第３光源からの光の周波数を第１方向又は第２方向に、第１走査速度及び第２走査速度とは異なる第３走査速度で走査する。
【００２８】
なお、処理部１３は、計測装置ＭＡＡが有するｎ（ｎ＝２以上の整数）個の光源に対して、以下の式４を満たすように、ｎ個の光源を制御するとよい。式（４）において、ｆｃｉ（ｉ＝１〜ｎの整数）は、ｎ個の光源のそれぞれからの光の中心周波数、ｆｖｉ（ｉ＝１〜ｎの整数）は、ｎ個の光源のそれぞれからの光の周波数の走査速度である。
【００２９】
【数４】
【００３０】
このように、本実施形態では、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数の走査速度の絶対値が互いに異なるように第１光源１及び第２光源２を制御する。これにより、検出部６から出力される干渉信号Ｓ１２（図２参照）を周波数解析（例えば、フーリエ変換）することで、図３に示すように、干渉信号Ｓ１におけるピーク周波数Ｐ１と干渉信号Ｓ２におけるピーク周波数Ｐ２とを分離することができる。但し、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数の走査速度の絶対値の差（速度差）は、ピーク周波数Ｐ１とピーク周波数Ｐ２とを分離可能な速度差にする必要がある。例えば、ピーク周波数Ｐ１とピーク周波数Ｐ２との差分（周波数差）を半値周波数幅よりも大きくすればよい。
【００３１】
また、本実施形態では、式（４）を満たすように第１光源１及び第２光源２を制御する。第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がない場合、干渉信号の位相φは、式（１）から理解されるように、以下の式（５）で表すことができる。
【００３２】
【数５】
【００３３】
干渉信号の位相φを時間微分すると干渉信号の周波数νとなる。干渉信号の周波数νは、以下の式（６）で表すことができる。
【００３４】
【数６】
【００３５】
式（６）において、ｆｖは、周波数の走査速度である。干渉信号の周波数νは、式（６）に示すように、参照面４と被検面５との間の距離Ｌのみに依存する。従って、検出部６から出力される干渉信号を周波数解析（例えば、フーリエ変換）することで、以下の式（７）から、参照面４と被検面５との間の距離Ｌを算出することができる。
【００３６】
【数７】
【００３７】
一方、第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がある場合には、干渉信号の位相φ’は、式（７）ではなく、以下の式（８）で表される。なお、ここでは、参照面４と被検面５との間の光路長の変化は、１方向に線形な変化であるものとし、その変化速度をＬｖとしている。
【００３８】
【数８】
【００３９】
また、上述したように、干渉信号の位相φ’を時間微分すると干渉信号の周波数ν’となる。干渉信号の周波数ν’は、以下の式（９）で表すことができる。式（９）において、ｆｃは、光源からの光の中心周波数である。
【００４０】
【数９】
【００４１】
従って、第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がある場合、参照面４と被検面５との間の距離Ｌ’は、以下の式（１０）で表される。
【００４２】
【数１０】
【００４３】
式（１０）に示すように、第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がある場合、光路長の変化速度Ｌｖにｆｃ／ｆｖを乗算した分だけ計測誤差が生じてしまう。但し、ｎ個の光源を用いている場合、各光源からの光の中心周波数ｆｃｉ及び周波数の走査速度ｆｖｉが式（４）を満たしていれば、各光源から得られる計測値を平均することで、光路長の変化に起因する計測誤差を低減（除去）することが可能となる。
【００４４】
以下、図４を参照して、計測装置ＭＡＡにおける参照面４と被検面５との間の距離を計測する処理を説明する。かかる処理は、処理部１３が計測装置ＭＡＡの各部を統括的に制御することで行われる。処理部１３は、計測装置ＭＡＡの全体（動作）を制御するためのＣＰＵやメモリなどを含む。
【００４５】
Ｓ４０２では、第１光源１からの光による干渉信号Ｓ１と第２光源２からの光による干渉信号Ｓ２とを足し合わせた信号である干渉信号Ｓ１２（図２参照）を取得する。具体的には、処理部１３は、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数を走査速度ｆｖ１＝１００［ＧＨｚ／ｓｅｃ］及びｆｖ２＝−７９［ＧＨｚ／ｓｅｃ］で走査するように第１光源１及び第２光源２を制御する。そして、処理部１３は、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数を走査している間に、第１干渉光と第２干渉光とを含む光を検出するように検出部６を制御して、干渉信号Ｓ１２を取得する。
【００４６】
Ｓ４０４では、干渉信号Ｓ１におけるピーク周波数Ｐ１及び干渉信号Ｓ２におけるピーク周波数Ｐ２を特定する。具体的には、処理部１３は、Ｓ４０２で取得した干渉信号Ｓ１２をフーリエ変換して干渉信号Ｓ１と干渉信号Ｓ２とに分離し、干渉信号Ｓ１及びＳ２のそれぞれにおけるピーク周波数Ｐ１及びＰ２を特定する（図３参照）。
【００４７】
Ｓ４０６では、干渉信号Ｓ１に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ１及び干渉信号Ｓ２に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ２を算出する。具体的には、処理部１３は、Ｓ４０４で特定したピーク周波数Ｐ１及びＰ２に基づいて、式（７）から、干渉信号Ｓ１に対応する距離Ｌ１及び干渉信号Ｓ２に対応する距離Ｌ２を算出する。
【００４８】
Ｓ４０８では、Ｓ４０６で算出された距離Ｌ１及びＬ２に基づいて、参照面４と被検面５との間の距離Ｌを算出する。具体的には、処理部１３は、干渉信号Ｓ１に対応する距離Ｌ１と干渉信号Ｓ２に対応する距離Ｌ２とを平均した距離を、参照面４と被検面５との間の距離Ｌとして算出する。
【００４９】
このように、計測装置ＭＡＡによれば、各光源からの光の周波数を走査している間に参照面と被検面との間の光路長に変化がある場合でも、かかる光路長の変化に起因する計測誤差を低減して参照面と被検面との間の距離を高精度に計測することができる。また、計測装置ＭＡＡでは、複数の光源のそれぞれに対応する干渉信号を得るための複数の検出部や検出部で得られる干渉信号を時間的に切り替えるチョッパーなどが不要であるため、装置コストの増大を抑制することができる。
【００５０】
なお、第１の実施形態では、計測装置ＭＡＡが参照面４と被検面５との間の距離を計測する場合について説明した。但し、計測装置ＭＡＡは、被検面５の形状を計測することも可能である。この場合、検出部６は、例えば、被検面５の上の複数の位置のそれぞれについて、第１干渉光と第２干渉光とを含む光を検出する複数の検出領域を含むように構成される。そして、処理部１３は、複数の検出領域のそれぞれから出力される干渉信号に基づいて、複数の位置のそれぞれについて参照面４と被検面５との間の距離を求めることで被検面５の形状を求めることができる。また、検出部６を複数の検出領域を含むように構成できない場合には、被検面５と検出部６との相対的な位置関係を変更し、各位置関係について参照面４と被検面５との間の距離を求めることで被検面５の形状を求めることも可能である。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態における計測装置ＭＡＢの構成を示す図である。計測装置ＭＡＢは、参照面と被検面との間の距離を計測する光波干渉計である。計測装置ＭＡＢは、計測装置ＭＡＡの構成に加えて、第３光源３と、無偏光ビームスプリッタ１６及び２１と、波長計測ユニット３００とを更に有する。波長計測ユニット３００は、ファブリペローエタロン１２と、検出部９とを含む。
【００５２】
計測装置ＭＡＢは、本実施形態では、射出する光の周波数を走査可能な３つの光源（第１光源１、第２光源２及び第３光源３）を有するが、これに限定されるものではない。例えば、参照面４と被検面５との間の距離の計測に要求される精度に応じて、光源を増加又は減少させてもよい。
【００５３】
第３光源３から射出された光Ｌ３は、無偏光ビームスプリッタ１６によって２つの光に分割され、一方の光が波長計測ユニット３００に導かれ、他方の光が干渉計ユニット４００に導かれる。
【００５４】
波長計測ユニット３００に入射した光Ｌ３は、波長基準素子としてのファブリペローエタロン１２を透過して検出部９に入射する。処理部１３は、検出部９で検出された光強度（光Ｌ３の強度）に基づいて、第３光源３から射出される光の周波数（波長）を制御する。なお、ファブリペローエタロン１２の構成などは、ファブリペローエタロン１０及び１１と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５５】
干渉計ユニット４００に導かれる光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３は、無偏光ビームスプリッタ２０及び２１によって合波される。干渉計ユニット４００に入射した光Ｌ３は、無偏光ビームスプリッタ２３によって参照面４に入射する第３参照光と被検面５に入射する第３被検光とに分割される。そして、第３参照光は、参照面４で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻り、第３被検光は、被検面５で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻る。
【００５６】
第１参照光と第１被検光、第２参照光と第２被検光、及び、第３参照光と第３被検光は、無偏光ビームスプリッタ２３によって合波されて検出部６に入射する。検出部６は、第１参照光と第１被検光との第１干渉光と、第２参照光と第２被検光との第２干渉光と、第３参照光と第３被検光との第３干渉光とを含む光を検出して（第１干渉光、第２干渉光及び第３干渉光を一括して検出して）、干渉信号Ｓ１２３を出力する。干渉信号Ｓ１２３は、第１光源１からの光による（第１干渉光に対応する）干渉信号Ｓ１と、第２光源２からの光による（第２干渉光に対応する）干渉信号Ｓ２と、第３光源３からの光による（第３干渉光に対応する）干渉信号Ｓ３とを足し合わせた信号である。
【００５７】
以下、図６を参照して、計測装置ＭＡＢにおける参照面４と被検面５との間の距離を計測する処理を説明する。かかる処理は、処理部１３が計測装置ＭＡＢの各部を統括的に制御することで行われる。
【００５８】
Ｓ６０２では、第１光源１からの光による干渉信号Ｓ１と、第２光源２からの光による干渉信号Ｓ２と、第３光源３からの光による干渉信号Ｓ３とを足し合わせた信号である干渉信号Ｓ１２３を取得する。この際、処理部１３は、式（４）を満たすように、第１光源１、第２光源２及び第３光源３を制御する。具体的には、本実施形態では、第１光源１乃至第３光源３のそれぞれからの光の周波数は、走査速度ｆｖ１＝１００［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（順方向）、ｆｖ２＝８０［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（順方向）及びｆｖ３＝−４９［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（逆方向）で走査される。なお、第１光源１からの光の中心周波数ｆｃ１、第２光源２からの光の中心周波数ｆｃ２及び第３光源３からの光の中心周波数ｆｃ３のそれぞれは、ｆｃ１＝３８０［ＴＨｚ］、ｆｃ２＝３８２［ＴＨｚ］及びｆｃ３＝４２０［ＴＨｚ］である。また、本実施形態では、計測時間は１秒とし、第１光源１、第２光源２及び第３光源３のそれぞれの周波数走査量Δｆ１、Δｆ２及びΔｆ３は、Δｆ１＝１００［ＧＨｚ］、Δｆ２＝８０［ＧＨｚ］及びΔｆ３＝−４９［ＧＨｚ］である。
【００５９】
Ｓ６０４では、干渉信号Ｓ１におけるピーク周波数Ｐ１、干渉信号Ｓ２におけるピーク周波数Ｐ２及び干渉信号Ｓ３におけるピーク周波数Ｐ３を特定する。具体的には、処理部１３は、Ｓ６０２で取得した干渉信号Ｓ１２３をフーリエ変換して干渉信号Ｓ１と、干渉信号Ｓ２と、干渉信号Ｓ３とに分離し、干渉信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３のそれぞれにおけるピーク周波数Ｐ１、Ｐ２及びＰ３を特定する。
【００６０】
Ｓ６０６では、干渉信号Ｓ１に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ１、干渉信号Ｓ２に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ２及び干渉信号Ｓ３に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ３を算出する。具体的には、処理部１３は、Ｓ６０４で特定したピーク周波数Ｐ１、Ｐ２及びＰ３に基づいて、式（７）から、干渉信号Ｓ１に対応する距離Ｌ１、干渉信号Ｓ２に対応する距離Ｌ２及び干渉信号Ｓ３に対応する距離Ｌ３を算出する。
【００６１】
Ｓ６０８では、Ｓ６０６で算出した距離Ｌ１、Ｌ２及びＬ３に基づいて、第１光源１、第２光源２及び第３光源３のそれぞれの中心周波数ｆｃ１、ｆｃ２及びｆｃ３における端数位相φ１、φ２及びφ３を算出する。具体的には、処理部１３は、以下の式（１１）に示すように、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を用いて、端数位相φを算出する。但し、式（１１）から算出される端数位相φは、±πの範囲のみであり、干渉次数は不明である。
【００６２】
【数１１】
【００６３】
Ｓ６１０では、Ｓ６０６で算出した距離Ｌ１、Ｌ２及びＬ３の平均値Ｌａｖｅに基づいて、端数位相φ１と端数位相φ２とを接続（位相接続）する。具体的には、処理部１３は、以下の式（１２）から、第１光源１の中心周波数ｆｃ１における干渉信号Ｓ１と、第２光源２の中心周波数ｆｃ２における干渉信号Ｓ２との干渉次数差Ｍ１２を算出する。
【００６４】
【数１２】
【００６５】
ここで、ｒｏｕｎｄ（ ）は、引数を整数に丸める関数である。また、Ｌａｖｅは距離Ｌ１、Ｌ２及びＬ３の平均値であるため、上述したように、参照面４と被検面５との間の光路長の変化に起因する計測誤差は低減（除去）される。従って、第１光源１、第２光源２及び第３光源３からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がある場合でも、干渉次数差Ｍ１２を高精度に算出することが可能である。
【００６６】
Ｓ６１２では、第１光源１からの光と第２光源２からの光との合成波長（から得られる干渉信号）に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ１２を算出する。具体的には、処理部１３は、中心周波数ｆｃ１及びｆｃ２と、端数位相φ１及びφ２と、干渉次数差Ｍ１２を用いて、以下の式（１３）から、距離Ｌ１２を算出する。
【００６７】
【数１３】
【００６８】
距離Ｌ１２は、第１光源１の中心周波数ｆｃ１と第２光源２の中心周波数ｆｃ２との周波数差に相当する周波数走査量で計測した結果に相当し、距離Ｌ１よりも１／２０（＝Δｆ１／（ｆｃ２−ｆｃ１））の精度に向上している。
【００６９】
Ｓ６１４では、Ｓ６１２で算出した距離Ｌ１２に基づいて、端数位相φ１と端数位相φ３とを接続（位相接続）する。具体的には、処理部１３は、以下の式（１４）から、第１光源１の中心周波数ｆｃ１における干渉信号Ｓ１と、第３光源３の中心周波数ｆｃ３における干渉信号Ｓ３との干渉次数差Ｍ１３を算出する。
【００７０】
【数１４】
【００７１】
Ｓ６１６では、参照面４と被検面５との間の距離Ｌを算出する。処理部１３は、第１光源１からの光と第３光源３からの光との合成波長（から得られる干渉信号）に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ１３を距離Ｌとして算出する。具体的には、処理部１３は、中心周波数ｆｃ１及びｆｃ３と、端数位相φ１及びφ３と、干渉次数差Ｍ１３を用いて、以下の式（１５）から、距離Ｌ１３を算出する。
【００７２】
【数１５】
【００７３】
距離Ｌ１３は、第１光源１の中心周波数ｆｃ１と第３光源３の中心周波数ｆｃ３との周波数差に相当する周波数走査量で計測した結果に相当し、距離Ｌ１よりも１／４００（＝（ｆｃ２−ｆｃ１）／（ｆｃ３−ｆｃ１））の精度に向上している。
【００７４】
このように、計測装置ＭＡＢによれば、各光源からの光の周波数を走査している間に参照面と被検面との間の光路長に変化がある場合でも、かかる光路長の変化に起因する計測誤差を低減して干渉次数差を高精度に求めることができる。従って、計測装置ＭＡＢは、かかる干渉次数差を用いて、参照面と被検面との間の距離を高精度に計測することができる。また、計測装置ＭＡＢでは、複数の光源のそれぞれに対応する干渉信号を得るための複数の検出部や検出部で得られる干渉信号を時間的に切り替えるチョッパーなどが不要であるため、装置コストの増大を抑制することができる。なお、計測装置ＭＡＢは、計測装置ＭＡＡと同様に、参照面と被検面との間の距離だけではなく、被検面の形状も計測することが可能である。
【００７５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
参照面と被検面（被検物）との間の距離を計測する計測装置として、周波数（波長）走査型の光波干渉計や固定波長型の光波干渉計が知られている。周波数走査型の光波干渉計は、光源の周波数を時間的に走査して得られる干渉信号の周波数に基づいて、参照面と被検面との間の距離を求める。周波数走査型の光波干渉計は、ヘテロダイン干渉計やホモダイン干渉計に代表される固定波長型の光波干渉計と比較して、構成が単純であり、低コストであるという利点がある。
【０００３】
周波数走査型の光波干渉計では、計測条件として、周波数を走査している間に参照光（参照面で反射された光）と被検光（被検面で反射された光）との光路長差が変化しないことが必要であり、光路長差が僅かに変化しただけでも大きな計測誤差となる。例えば、光源の中心波長を７８０ｎｍ、光源の周波数の走査量を１００ＧＨｚ（０．２ｎｍ）とし、周波数を走査している間に光路長差が１ｎｍ変化した場合には、約３．８μｍの計測誤差が生じてしまう。このような光路長差の変化は、振動や温度変化などによって必然的に生じるものである。そこで、参照光と被検光との光路長差の変化に起因する計測誤差を低減するための技術が幾つか提案されている（特許文献１及び非特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１には、中心波長が異なる２つの光源（周波数走査光源）を用いて、各干渉信号のビート信号の位相差に基づいて演算処理を行うことで、参照光と被検光との光路長差の変化に起因する計測誤差を低減する技術が開示されている。また、非特許文献１には、周波数を走査する方向が異なる２つの周波数走査光源を用いて、２つの干渉信号から得られる計測値の平均値をとることで、参照光と被検光との光路長差の変化に起因する計測誤差を低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１２０２１１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｈａｉ−Ｊｕｎ Ｙａｎｇ ａｎｄ Ｋｅｉｔｈ Ｒｉｌｅｓ． “Ｈｉｇｈ−ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ｄｕａｌ−ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｃａｎｎｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｕｎｄｅｒ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ”． Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＆ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｓｅｃｔｉｏｎ Ａ， Ｖｏｌｕｍｅ ５７５， Ｉｓｓｕｅ ３， １ Ｊｕｎｅ ２００７， ｐａｇｅｓ ３９５−４０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術では、２つの光源のそれぞれの干渉信号を検出するために、２つの検出器が必要となり、装置コストの増大を招いてしまう。特に、被検物の面形状を計測する場合には、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの２次元センサを検出器として用いるため、装置コストの増大が顕著となる。
【０００８】
また、非特許文献１の技術では、２つの光源のそれぞれの干渉信号を１つの検出器で検出するために、かかる検出器で検出される干渉信号を時間的に切り替えるチョッパーが必要となり、装置コストの増大を招いてしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、コストの増加を抑えながら参照面と被検面との間の光路長差の変化に起因する計測誤差を低減し、参照面と被検面との間の距離の計測に有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、周波数を走査可能なｎ（ｎ＝２以上の整数）個の光源と、前記ｎ個の光源からのそれぞれの光を分割し、前記参照面と前記被検面とに入射させる分割素子と、前記参照面で反射された光と、前記被検面で反射された光との干渉により形成されるｎ個の干渉光を検出して干渉信号を出力する検出部と、前記距離を求める処理を行う処理部と、を有し、前記処理部は、前記ｎ個の光源のうち１つの第１光源からの光の周波数を第１方向に第１走査速度で走査するように制御し、且つ、前記ｎ個の光源のうち他の１つの第２光源からの光の周波数を第１方向とは逆の第２方向に前記第１走査速度とは異なる第２走査速度で走査するように制御し、前記ｎ個の光源を制御している間に前記検出部で検出される前記干渉光の前記干渉信号に基づいて、前記距離を求めることを特徴とする。
【００１１】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、例えば、コストの増加を抑えながら参照面と被検面との間の光路長差の変化に起因する計測誤差を低減し、参照面と被検面との間の距離の計測に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態における計測装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す計測装置の検出部で取得される干渉信号の一例を示す図である。
【図３】図２に示す干渉信号を周波数解析した結果の一例を示す図である。
【図４】図１に示す計測装置における参照面と被検面との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態における計測装置の構成を示す図である。
【図６】図５に示す計測装置における参照面と被検面との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における計測装置ＭＡＡの構成を示す図である。計測装置ＭＡＡは、参照面と被検面との間の距離を計測する光波干渉計である。計測装置ＭＡＡは、第１光源１と、第２光源２と、処理部１３と、無偏光ビームスプリッタ１４、１５及び２０と、波長計測ユニット１００及び２００と、干渉計ユニット４００とを有する。波長計測ユニット１００は、ファブリペローエタロン１０と、検出部７とを含み、波長計測ユニット２００は、ファブリペローエタロン１１と、検出部８とを含む。また、干渉計ユニット４００は、無偏光ビームスプリッタ２３と、検出部６とを含む。
【００１６】
計測装置ＭＡＡは、本実施形態では、射出する光の周波数を走査可能な２つの光源（第１光源１及び第２光源２）を有するが、これに限定されるものではない。例えば、計測装置ＭＡＡは、射出する光の周波数を走査可能な３つ以上の光源を有してもよい。
【００１７】
第１光源１から射出された光Ｌ１は、無偏光ビームスプリッタ１４によって２つの光に分割され、一方の光が波長計測ユニット１００に導かれ、他方の光が干渉計ユニット４００に導かれる。また、第２光源２から射出された光Ｌ２は、無偏光ビームスプリッタ１５によって２つの光に分割され、一方の光が波長計測ユニット２００に導かれ、他方の光が干渉計ユニット４００に導かれる。
【００１８】
波長計測ユニット１００に入射した光Ｌ１は、波長基準素子としてのファブリペローエタロン１０を透過して検出部７に入射する。処理部１３は、検出部７で検出された光強度（光Ｌ１の強度）に基づいて、第１光源１から射出される光の周波数（波長）を制御する。同様に、波長計測ユニット２００に入射した光Ｌ２は、波長基準素子としてのファブリペローエタロン１１を透過して検出部８に入射する。処理部１３は、検出部８で検出された光強度（光Ｌ２の強度）に基づいて、第２光源２から射出される光の周波数（波長）を制御する。
【００１９】
ファブリペローエタロン１０及び１１のそれぞれの透過スペクトルについては、透過スペクトルのそれぞれのピークの相対値が保証されていることが必要である。そこで、本実施形態では、透過スペクトルの間隔が保証された真空媒質のエタロンをファブリペローエタロン１０及び１１として用いている。真空媒質のエタロンは、内部媒質の屈折率及び分散がないため、波長の相対値を容易に保証することができる。更に、低熱膨張ガラスなどをエタロンの材質として用いれば、温度に対する膨張を低減し、長期的に安定した波長基準素子を実現することができる。但し、ファブリペローエタロン１０及び１１は、真空媒質のエタロンに限定されるものではなく、例えば、エアギャップのエタロンやソリッドエタロンなどを用いてもよい。この場合には、エタロンの温度を計測するなどして内部の屈折率及び分散を保証する必要がある。また、ファブリペローエタロン１０及び１１のそれぞれは、第１光源１及び第２光源２からのそれぞれの光の周波数の走査範囲内に、少なくとも２つ以上の透過スペクトルを有するとよい。これにより、第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間の各時刻における波長を保証することができる。
【００２０】
干渉計ユニット４００に導かれる光Ｌ１及びＬ２は、無偏光ビームスプリッタ２０によって合波される。干渉計ユニット４００に入射した光Ｌ１は、無偏光ビームスプリッタ２３によって参照面４に入射する第１参照光（第１光）と被検面５に入射する第１被検光（第２光）とに分割される。そして、第１参照光は、参照面４で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻り、第１被検光は、被検面５で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻る。同様に、干渉計ユニット４００に入射した光Ｌ２は、無偏光ビームスプリッタ２３によって参照面４に入射する第２参照光（第３光）と被検面５に入射する第２被検光（第２光）とに分割される。そして、第２参照光は、参照面４で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻り、第２被検光は、被検面５で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻る。このように、無偏光ビームスプリッタ２３は、第１光源１からの光を第１光と第２光とに分割し、第２光源２からの光を第３光と第４光とに分割し、第１光及び第３光を参照面４に入射させ、第２光及び第４光を被検面５に入射させる分割素子として機能する。
【００２１】
第１参照光と第１被検光、及び、第２参照光と第２被検光は、無偏光ビームスプリッタ２３によって合波されて検出部６に入射する。検出部６は、第１参照光と第１被検光との干渉により形成される第１干渉光と、第２参照光と第２被検光との干渉により形成される第２干渉光とを含む光を（第１干渉光と第２干渉光とを一括して）検出して、図２に示すような干渉信号Ｓ１２を出力（取得）する。干渉信号Ｓ１２は、第１光源１からの光による（第１干渉光に対応する）干渉信号（第１信号）Ｓ１と、第２光源２からの光による（第２干渉光に対応する）干渉信号（第２信号）Ｓ２とを足し合わせた信号である。干渉信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ１２のそれぞれは、以下の式（１）、（２）及び（３）で表される。
【００２２】
【数１】
【００２３】
【数２】
【００２４】
【数３】
【００２５】
ここで、Ａ１は第１参照光の振幅強度、Ａ２は第２参照光の振幅強度、Ｂ１は第１被検光の振幅強度、Ｂ２は第２被検光の振幅強度である。また、ｆ１（ｔ）は時刻ｔにおける第１光源１からの光の周波数、ｆ２（ｔ）は時刻ｔにおける第２光源２からの光の周波数、Ｌは参照面４と被検面５との間の距離である。但し、空間の屈折率は１とし、分散はないものとしている。
【００２６】
本実施形態では、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ）を第１光源１及び第２光源２として用いている。第１光源１からの光の中心周波数ｆｃ１及び第２光源２からの光の中心周波数ｆｃ２のそれぞれは、ｆｃ１＝４４８［ＴＨｚ］及びｆｃ２＝３５３［ＴＨｚ］である。
【００２７】
また、処理部１３は、参照面４と被検面５との間の距離を求める際に、第１光源１及び第２光源２を制御する。処理部１３は、第１光源１からの光の周波数を第１方向に第１走査速度で走査するように第１光源１を制御し、且つ、第２光源２からの光の周波数を第１方向とは逆の第２方向に第１走査速度とは異なる第２走査速度で走査するように第２光源２を制御する。換言すれば、処理部１３は、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数を走査する方向及び周波数の走査速度の絶対値が互いに異なるように、第１光源１及び第２光源２を制御する。本実施形態では、処理部１３は、第１光源１に関しては、第１光源１からの光の周波数を走査速度ｆｖ１＝１００［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（順方向）で走査するように制御する。そして、処理部１３は、第２光源２に関しては、第２光源２からの光の周波数を走査速度ｆｖ２＝−７９［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（逆方向）で走査するように制御する。また、周波数を走査可能なｎ（ｎ＝３以上の整数）個の光源を有する場合には、処理部１３は、第１光源と第２光源とは異なる第３光源も制御する。具体的には、処理部１３は、第３光源からの光の周波数を第１方向又は第２方向に、第１走査速度及び第２走査速度とは異なる第３走査速度で走査する。
【００２８】
なお、処理部１３は、計測装置ＭＡＡが有するｎ（ｎ＝２以上の整数）個の光源に対して、以下の式４を満たすように、ｎ個の光源を制御するとよい。式（４）において、ｆｃｉ（ｉ＝１〜ｎの整数）は、ｎ個の光源のそれぞれからの光の中心周波数、ｆｖｉ（ｉ＝１〜ｎの整数）は、ｎ個の光源のそれぞれからの光の周波数の走査速度である。
【００２９】
【数４】
【００３０】
このように、本実施形態では、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数の走査速度の絶対値が互いに異なるように第１光源１及び第２光源２を制御する。これにより、検出部６から出力される干渉信号Ｓ１２（図２参照）を周波数解析（例えば、フーリエ変換）することで、図３に示すように、干渉信号Ｓ１におけるピーク周波数Ｐ１と干渉信号Ｓ２におけるピーク周波数Ｐ２とを分離することができる。但し、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数の走査速度の絶対値の差（速度差）は、ピーク周波数Ｐ１とピーク周波数Ｐ２とを分離可能な速度差にする必要がある。例えば、ピーク周波数Ｐ１とピーク周波数Ｐ２との差分（周波数差）を半値周波数幅よりも大きくすればよい。
【００３１】
また、本実施形態では、式（４）を満たすように第１光源１及び第２光源２を制御する。第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がない場合、干渉信号の位相φは、式（１）から理解されるように、以下の式（５）で表すことができる。
【００３２】
【数５】
【００３３】
干渉信号の位相φを時間微分すると干渉信号の周波数νとなる。干渉信号の周波数νは、以下の式（６）で表すことができる。
【００３４】
【数６】
【００３５】
式（６）において、ｆｖは、周波数の走査速度である。干渉信号の周波数νは、式（６）に示すように、参照面４と被検面５との間の距離Ｌのみに依存する。従って、検出部６から出力される干渉信号を周波数解析（例えば、フーリエ変換）することで、以下の式（７）から、参照面４と被検面５との間の距離Ｌを算出することができる。
【００３６】
【数７】
【００３７】
一方、第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がある場合には、干渉信号の位相φ’は、式（７）ではなく、以下の式（８）で表される。なお、ここでは、参照面４と被検面５との間の光路長の変化は、１方向に線形な変化であるものとし、その変化速度をＬｖとしている。
【００３８】
【数８】
【００３９】
また、上述したように、干渉信号の位相φ’を時間微分すると干渉信号の周波数ν’となる。干渉信号の周波数ν’は、以下の式（９）で表すことができる。式（９）において、ｆｃは、光源からの光の中心周波数である。
【００４０】
【数９】
【００４１】
従って、第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がある場合、参照面４と被検面５との間の距離Ｌ’は、以下の式（１０）で表される。
【００４２】
【数１０】
【００４３】
式（１０）に示すように、第１光源１及び第２光源２からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がある場合、光路長の変化速度Ｌｖにｆｃ／ｆｖを乗算した分だけ計測誤差が生じてしまう。但し、ｎ個の光源を用いている場合、各光源からの光の中心周波数ｆｃｉ及び周波数の走査速度ｆｖｉが式（４）を満たしていれば、各光源から得られる計測値を平均することで、光路長の変化に起因する計測誤差を低減（除去）することが可能となる。
【００４４】
以下、図４を参照して、計測装置ＭＡＡにおける参照面４と被検面５との間の距離を計測する処理を説明する。かかる処理は、処理部１３が計測装置ＭＡＡの各部を統括的に制御することで行われる。処理部１３は、計測装置ＭＡＡの全体（動作）を制御するためのＣＰＵやメモリなどを含む。
【００４５】
Ｓ４０２では、第１光源１からの光による干渉信号Ｓ１と第２光源２からの光による干渉信号Ｓ２とを足し合わせた信号である干渉信号Ｓ１２（図２参照）を取得する。具体的には、処理部１３は、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数を走査速度ｆｖ１＝１００［ＧＨｚ／ｓｅｃ］及びｆｖ２＝−７９［ＧＨｚ／ｓｅｃ］で走査するように第１光源１及び第２光源２を制御する。そして、処理部１３は、第１光源１及び第２光源２のそれぞれからの光の周波数を走査している間に、第１干渉光と第２干渉光とを含む光を検出するように検出部６を制御して、干渉信号Ｓ１２を取得する。
【００４６】
Ｓ４０４では、干渉信号Ｓ１におけるピーク周波数Ｐ１及び干渉信号Ｓ２におけるピーク周波数Ｐ２を特定する。具体的には、処理部１３は、Ｓ４０２で取得した干渉信号Ｓ１２をフーリエ変換して干渉信号Ｓ１と干渉信号Ｓ２とに分離し、干渉信号Ｓ１及びＳ２のそれぞれにおけるピーク周波数Ｐ１及びＰ２を特定する（図３参照）。
【００４７】
Ｓ４０６では、干渉信号Ｓ１に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ１及び干渉信号Ｓ２に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ２を算出する。具体的には、処理部１３は、Ｓ４０４で特定したピーク周波数Ｐ１及びＰ２に基づいて、式（７）から、干渉信号Ｓ１に対応する距離Ｌ１及び干渉信号Ｓ２に対応する距離Ｌ２を算出する。
【００４８】
Ｓ４０８では、Ｓ４０６で算出された距離Ｌ１及びＬ２に基づいて、参照面４と被検面５との間の距離Ｌを算出する。具体的には、処理部１３は、干渉信号Ｓ１に対応する距離Ｌ１と干渉信号Ｓ２に対応する距離Ｌ２とを平均した距離を、参照面４と被検面５との間の距離Ｌとして算出する。
【００４９】
このように、計測装置ＭＡＡによれば、各光源からの光の周波数を走査している間に参照面と被検面との間の光路長に変化がある場合でも、かかる光路長の変化に起因する計測誤差を低減して参照面と被検面との間の距離を高精度に計測することができる。また、計測装置ＭＡＡでは、複数の光源のそれぞれに対応する干渉信号を得るための複数の検出部や検出部で得られる干渉信号を時間的に切り替えるチョッパーなどが不要であるため、装置コストの増大を抑制することができる。
【００５０】
なお、第１の実施形態では、計測装置ＭＡＡが参照面４と被検面５との間の距離を計測する場合について説明した。但し、計測装置ＭＡＡは、被検面５の形状を計測することも可能である。この場合、検出部６は、例えば、被検面５の上の複数の位置のそれぞれについて、第１干渉光と第２干渉光とを含む光を検出する複数の検出領域を含むように構成される。そして、処理部１３は、複数の検出領域のそれぞれから出力される干渉信号に基づいて、複数の位置のそれぞれについて参照面４と被検面５との間の距離を求めることで被検面５の形状を求めることができる。また、検出部６を複数の検出領域を含むように構成できない場合には、被検面５と検出部６との相対的な位置関係を変更し、各位置関係について参照面４と被検面５との間の距離を求めることで被検面５の形状を求めることも可能である。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態における計測装置ＭＡＢの構成を示す図である。計測装置ＭＡＢは、参照面と被検面との間の距離を計測する光波干渉計である。計測装置ＭＡＢは、計測装置ＭＡＡの構成に加えて、第３光源３と、無偏光ビームスプリッタ１６及び２１と、波長計測ユニット３００とを更に有する。波長計測ユニット３００は、ファブリペローエタロン１２と、検出部９とを含む。
【００５２】
計測装置ＭＡＢは、本実施形態では、射出する光の周波数を走査可能な３つの光源（第１光源１、第２光源２及び第３光源３）を有するが、これに限定されるものではない。例えば、参照面４と被検面５との間の距離の計測に要求される精度に応じて、光源を増加又は減少させてもよい。
【００５３】
第３光源３から射出された光Ｌ３は、無偏光ビームスプリッタ１６によって２つの光に分割され、一方の光が波長計測ユニット３００に導かれ、他方の光が干渉計ユニット４００に導かれる。
【００５４】
波長計測ユニット３００に入射した光Ｌ３は、波長基準素子としてのファブリペローエタロン１２を透過して検出部９に入射する。処理部１３は、検出部９で検出された光強度（光Ｌ３の強度）に基づいて、第３光源３から射出される光の周波数（波長）を制御する。なお、ファブリペローエタロン１２の構成などは、ファブリペローエタロン１０及び１１と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５５】
干渉計ユニット４００に導かれる光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３は、無偏光ビームスプリッタ２０及び２１によって合波される。干渉計ユニット４００に入射した光Ｌ３は、無偏光ビームスプリッタ２３によって参照面４に入射する第３参照光と被検面５に入射する第３被検光とに分割される。そして、第３参照光は、参照面４で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻り、第３被検光は、被検面５で反射して無偏光ビームスプリッタ２３に戻る。
【００５６】
第１参照光と第１被検光、第２参照光と第２被検光、及び、第３参照光と第３被検光は、無偏光ビームスプリッタ２３によって合波されて検出部６に入射する。検出部６は、第１参照光と第１被検光との第１干渉光と、第２参照光と第２被検光との第２干渉光と、第３参照光と第３被検光との第３干渉光とを含む光を検出して（第１干渉光、第２干渉光及び第３干渉光を一括して検出して）、干渉信号Ｓ１２３を出力する。干渉信号Ｓ１２３は、第１光源１からの光による（第１干渉光に対応する）干渉信号Ｓ１と、第２光源２からの光による（第２干渉光に対応する）干渉信号Ｓ２と、第３光源３からの光による（第３干渉光に対応する）干渉信号Ｓ３とを足し合わせた信号である。
【００５７】
以下、図６を参照して、計測装置ＭＡＢにおける参照面４と被検面５との間の距離を計測する処理を説明する。かかる処理は、処理部１３が計測装置ＭＡＢの各部を統括的に制御することで行われる。
【００５８】
Ｓ６０２では、第１光源１からの光による干渉信号Ｓ１と、第２光源２からの光による干渉信号Ｓ２と、第３光源３からの光による干渉信号Ｓ３とを足し合わせた信号である干渉信号Ｓ１２３を取得する。この際、処理部１３は、式（４）を満たすように、第１光源１、第２光源２及び第３光源３を制御する。具体的には、本実施形態では、第１光源１乃至第３光源３のそれぞれからの光の周波数は、走査速度ｆｖ１＝１００［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（順方向）、ｆｖ２＝８０［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（順方向）及びｆｖ３＝−４９［ＧＨｚ／ｓｅｃ］（逆方向）で走査される。なお、第１光源１からの光の中心周波数ｆｃ１、第２光源２からの光の中心周波数ｆｃ２及び第３光源３からの光の中心周波数ｆｃ３のそれぞれは、ｆｃ１＝３８０［ＴＨｚ］、ｆｃ２＝３８２［ＴＨｚ］及びｆｃ３＝４２０［ＴＨｚ］である。また、本実施形態では、計測時間は１秒とし、第１光源１、第２光源２及び第３光源３のそれぞれの周波数走査量Δｆ１、Δｆ２及びΔｆ３は、Δｆ１＝１００［ＧＨｚ］、Δｆ２＝８０［ＧＨｚ］及びΔｆ３＝−４９［ＧＨｚ］である。
【００５９】
Ｓ６０４では、干渉信号Ｓ１におけるピーク周波数Ｐ１、干渉信号Ｓ２におけるピーク周波数Ｐ２及び干渉信号Ｓ３におけるピーク周波数Ｐ３を特定する。具体的には、処理部１３は、Ｓ６０２で取得した干渉信号Ｓ１２３をフーリエ変換して干渉信号Ｓ１と、干渉信号Ｓ２と、干渉信号Ｓ３とに分離し、干渉信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３のそれぞれにおけるピーク周波数Ｐ１、Ｐ２及びＰ３を特定する。
【００６０】
Ｓ６０６では、干渉信号Ｓ１に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ１、干渉信号Ｓ２に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ２及び干渉信号Ｓ３に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ３を算出する。具体的には、処理部１３は、Ｓ６０４で特定したピーク周波数Ｐ１、Ｐ２及びＰ３に基づいて、式（７）から、干渉信号Ｓ１に対応する距離Ｌ１、干渉信号Ｓ２に対応する距離Ｌ２及び干渉信号Ｓ３に対応する距離Ｌ３を算出する。
【００６１】
Ｓ６０８では、Ｓ６０６で算出した距離Ｌ１、Ｌ２及びＬ３に基づいて、第１光源１、第２光源２及び第３光源３のそれぞれの中心周波数ｆｃ１、ｆｃ２及びｆｃ３における端数位相φ１、φ２及びφ３を算出する。具体的には、処理部１３は、以下の式（１１）に示すように、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を用いて、端数位相φを算出する。但し、式（１１）から算出される端数位相φは、±πの範囲のみであり、干渉次数は不明である。
【００６２】
【数１１】
【００６３】
Ｓ６１０では、Ｓ６０６で算出した距離Ｌ１、Ｌ２及びＬ３の平均値Ｌａｖｅに基づいて、端数位相φ１と端数位相φ２とを接続（位相接続）する。具体的には、処理部１３は、以下の式（１２）から、第１光源１の中心周波数ｆｃ１における干渉信号Ｓ１と、第２光源２の中心周波数ｆｃ２における干渉信号Ｓ２との干渉次数差Ｍ１２を算出する。
【００６４】
【数１２】
【００６５】
ここで、ｒｏｕｎｄ（ ）は、引数を整数に丸める関数である。また、Ｌａｖｅは距離Ｌ１、Ｌ２及びＬ３の平均値であるため、上述したように、参照面４と被検面５との間の光路長の変化に起因する計測誤差は低減（除去）される。従って、第１光源１、第２光源２及び第３光源３からの光の周波数を走査している間に参照面４と被検面５との間の光路長に変化がある場合でも、干渉次数差Ｍ１２を高精度に算出することが可能である。
【００６６】
Ｓ６１２では、第１光源１からの光と第２光源２からの光との合成波長（から得られる干渉信号）に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ１２を算出する。具体的には、処理部１３は、中心周波数ｆｃ１及びｆｃ２と、端数位相φ１及びφ２と、干渉次数差Ｍ１２を用いて、以下の式（１３）から、距離Ｌ１２を算出する。
【００６７】
【数１３】
【００６８】
距離Ｌ１２は、第１光源１の中心周波数ｆｃ１と第２光源２の中心周波数ｆｃ２との周波数差に相当する周波数走査量で計測した結果に相当し、距離Ｌ１よりも１／２０（＝Δｆ１／（ｆｃ２−ｆｃ１））の精度に向上している。
【００６９】
Ｓ６１４では、Ｓ６１２で算出した距離Ｌ１２に基づいて、端数位相φ１と端数位相φ３とを接続（位相接続）する。具体的には、処理部１３は、以下の式（１４）から、第１光源１の中心周波数ｆｃ１における干渉信号Ｓ１と、第３光源３の中心周波数ｆｃ３における干渉信号Ｓ３との干渉次数差Ｍ１３を算出する。
【００７０】
【数１４】
【００７１】
Ｓ６１６では、参照面４と被検面５との間の距離Ｌを算出する。処理部１３は、第１光源１からの光と第３光源３からの光との合成波長（から得られる干渉信号）に対応する参照面４と被検面５との間の距離Ｌ１３を距離Ｌとして算出する。具体的には、処理部１３は、中心周波数ｆｃ１及びｆｃ３と、端数位相φ１及びφ３と、干渉次数差Ｍ１３を用いて、以下の式（１５）から、距離Ｌ１３を算出する。
【００７２】
【数１５】
【００７３】
距離Ｌ１３は、第１光源１の中心周波数ｆｃ１と第３光源３の中心周波数ｆｃ３との周波数差に相当する周波数走査量で計測した結果に相当し、距離Ｌ１よりも１／４００（＝（ｆｃ２−ｆｃ１）／（ｆｃ３−ｆｃ１））の精度に向上している。
【００７４】
このように、計測装置ＭＡＢによれば、各光源からの光の周波数を走査している間に参照面と被検面との間の光路長に変化がある場合でも、かかる光路長の変化に起因する計測誤差を低減して干渉次数差を高精度に求めることができる。従って、計測装置ＭＡＢは、かかる干渉次数差を用いて、参照面と被検面との間の距離を高精度に計測することができる。また、計測装置ＭＡＢでは、複数の光源のそれぞれに対応する干渉信号を得るための複数の検出部や検出部で得られる干渉信号を時間的に切り替えるチョッパーなどが不要であるため、装置コストの増大を抑制することができる。なお、計測装置ＭＡＢは、計測装置ＭＡＡと同様に、参照面と被検面との間の距離だけではなく、被検面の形状も計測することが可能である。
【００７５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、
周波数を走査可能なｎ（ｎ＝２以上の整数）個の光源と、
前記ｎ個の光源からのそれぞれの光を分割し、前記参照面と前記被検面とに入射させる分割素子と、
前記参照面で反射された光と、前記被検面で反射された光との干渉により形成されるｎ個の干渉光を検出して干渉信号を出力する検出部と、
前記距離を求める処理を行う処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記ｎ個の光源のうち１つの第１光源からの光の周波数を第１方向に第１走査速度で走査するように制御し、且つ、前記ｎ個の光源のうち他の１つの第２光源からの光の周波数を第１方向とは逆の第２方向に前記第１走査速度とは異なる第２走査速度で走査するように制御し、
前記ｎ個の光源を制御している間に前記検出部で検出される前記干渉光の前記干渉信号に基づいて、前記距離を求めることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記光源は、周波数を走査可能なｎ（ｎ＝３以上の整数）個の光源を有し、
前記処理部は、
前記第１光源と前記第２光源とは異なる第３光源からの光の周波数を前記第１方向又は前記第２方向に、前記第１走査速度及び前記第２走査速度とは異なる第３走査速度で走査するように制御することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記処理部は、
前記検出部から出力された前記干渉信号を周波数解析して前記ｎ個の干渉光に対応するｎ個の信号に分離し、
前記ｎ個の干渉光に対応するｎ個のピーク周波数のそれぞれから算出される前記参照面と前記被検面との間の距離を平均した距離を、前記距離として求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記ｎ個の光源のそれぞれからの光の中心周波数をｆｃｉ（ｉ＝１〜ｎの整数）、前記ｎ個の光源のそれぞれからの光の周波数の走査速度をｆｖｉ（ｉ＝１〜ｎの整数）とすると、
前記処理部は、
を満たすように、前記ｎ個の光源を制御することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記検出部は、前記被検面の上の複数の位置のそれぞれについて、前記ｎ個の干渉光を含む光を検出する複数の検出領域を含み、
前記処理部は、前記複数の検出領域のそれぞれから出力される前記干渉信号に基づいて、前記複数の位置のそれぞれについて前記距離を求めることで前記被検面の形状を求めることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１】
参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、
周波数を走査可能なｎ（ｎ＝２以上の整数）個の光源と、
前記ｎ個の光源からのそれぞれの光を分割し、前記参照面と前記被検面とに入射させる分割素子と、
前記参照面で反射された光と、前記被検面で反射された光との干渉により形成されるｎ個の干渉光を検出して干渉信号を出力する検出部と、
前記距離を求める処理を行う処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記ｎ個の光源のうち１つの第１光源からの光の周波数を第１方向に第１走査速度で走査するように制御し、且つ、前記ｎ個の光源のうち他の１つの第２光源からの光の周波数を第１方向とは逆の第２方向に前記第１走査速度とは異なる第２走査速度で走査するように制御し、
前記ｎ個の光源を制御している間に前記検出部で検出される前記干渉光の前記干渉信号に基づいて、前記距離を求めることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記光源は、周波数を走査可能なｎ（ｎ＝３以上の整数）個の光源を有し、
前記処理部は、
前記第１光源と前記第２光源とは異なる第３光源からの光の周波数を前記第１方向又は前記第２方向に、前記第１走査速度及び前記第２走査速度とは異なる第３走査速度で走査するように制御することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記処理部は、
前記検出部から出力された前記干渉信号を周波数解析して前記ｎ個の干渉光に対応するｎ個の信号に分離し、
前記ｎ個の干渉光に対応するｎ個のピーク周波数のそれぞれから算出される前記参照面と前記被検面との間の距離を平均した距離を、前記距離として求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記ｎ個の光源のそれぞれからの光の中心周波数をｆｃｉ（ｉ＝１〜ｎの整数）、前記ｎ個の光源のそれぞれからの光の周波数の走査速度をｆｖｉ（ｉ＝１〜ｎの整数）とすると、
前記処理部は、
を満たすように、前記ｎ個の光源を制御することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記検出部は、前記被検面の上の複数の位置のそれぞれについて、前記ｎ個の干渉光を含む光を検出する複数の検出領域を含み、
前記処理部は、前記複数の検出領域のそれぞれから出力される前記干渉信号に基づいて、前記複数の位置のそれぞれについて前記距離を求めることで前記被検面の形状を求めることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−９６８７７（Ｐ２０１３−９６８７７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４０６６０（Ｐ２０１１−２４０６６０）
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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