JP2000074618A - Method and instrument for measuring interference - Google Patents

Method and instrument for measuring interference

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JP2000074618A
JP2000074618A JP10242228A JP24222898A JP2000074618A JP 2000074618 A JP2000074618 A JP 2000074618A JP 10242228 A JP10242228 A JP 10242228A JP 24222898 A JP24222898 A JP 24222898A JP 2000074618 A JP2000074618 A JP 2000074618A
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Japan
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wavelengths
wavelength
interference
absolute distance
measurement
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JP10242228A
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Japanese (ja)
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Hidenori Yamada
秀則 山田
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Fujifilm Business Innovation Corp
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Fuji Xerox Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and instrument for interference measurement which can measure a shape including a step and an absolute distance exceeding a wavelength fast with high precision without any mismeasurement. SOLUTION: Laser light sources 60A, 60B, and 60C emit lights of three kinds of wavelength. The laser light reflected by a plane standard 64 and the laser light reflected by an object surface 4a to be measured interfere with each other and image pickup tubes 67A, 67B, and 67C individually detect interference fringe images by wavelengths. A computer 9 sets 1st to (m)th pairs of wavelengths selected out of three kinds of wavelengths so that the composite wavelengths of the pairs gradually increase, sequentially calculates outline information on the absolute distance between the plane standard 64 and object surface 4a to be measured by using arithmetic expressions corresponding to whether a phase distribution difference between interference fringe image of two wavelengths corresponding to the 1st to (m)th pairs is plus or minus according to the phase distribution difference, and calculates precise information on the absolute distance between the plane standard 64 and object surface 4 to be measured according to the phase distribution of one wavelength.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an interference measurement method and an interference measurement apparatus for measuring the shape of an object by utilizing the interference phenomenon of light waves, and more particularly to an interference measurement with a step exceeding a wavelength or a measurement target surface exceeding a wavelength. The present invention relates to an interference measurement method and an interference measurement device for measuring a shape including an absolute distance from a meter at high accuracy and at high speed.

【0002】[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。)
2. Description of the Related Art Measurements utilizing the interference phenomenon of light waves are widely used in the field of high-precision measurement because non-contact measurement is possible with an accuracy of light wavelength, that is, submicron or more. The following are known as a measuring method. (1) Two-beam interferometry (hereinafter referred to as "conventional example 1") (2) Two-wavelength interferometry (hereinafter referred to as "conventional example 2") (3) White light interferometry (hereinafter referred to as "conventional example 3")

【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)。
<Conventional Example 1> In the two-beam interference method, a reference wavefront reflected by a highly accurate ideally formed reference surface called a prototype and a measurement target wavefront reflected by a measurement target surface interfere with each other. (Eg, “Optical Shop Testi
ng 2nd Edition ”, edited by D. Malacara, John Wiley & Sons,
Inc., (1992), Chapter 14, p.501-591).

【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
FIG. 8 shows a flow for explaining the two-beam interference method. First, an interference fringe generated by interfering the two of the reference wavefront reflected by the reference surface and the measurement target wavefront reflected by the measurement target surface is detected as the light intensity shown in Expression (1) (ST1). I (x, y) = a (x, y) + b (x, y) × cos {φ (x, y) + δ} (1) where I (x, y): light intensity representing interference fringes a (x, y): bias component b (x, y): amplitude of interference fringe intensity φ (x, y): phase distribution of detection target δ: initial phase determined by arrangement

【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)。
Next, a phase distribution (here, a wrapped phase distribution) is obtained (this step is referred to as “interference fringe phase analysis”).
That. ) (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。
FIG. 9 shows how the phases are wrapped.
FIG. 3A shows the actual phase, and FIG. 3B shows the wrapped phase. Due to the periodic nature of the interference phenomenon shown in the above equation (1), only the phase folded (wrapped phase) in the interval of 2π is directly detected. That is, there is uncertainty in the portion exceeding one cycle of the interference fringes.
In other words, the interference measurement means I (x, y) in the above equation (1).
Is the act of finding φ (x, y) from However, since the inverse function of cos that appears when obtaining φ (x, y) is a multivalent function, the actual phase φ cannot be determined uniquely as shown in FIG. Can be obtained only the fractional component of less than one wavelength excluding an integral multiple of the wavelength (an integer representing this multiple is called “strip order”).

【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
Next, a fringe order ng (x, y) is obtained (this step is called "phase unwrapping") (ST).
3). Phase unwrapping is not mathematically unique. In phase unwrapping, assuming that the surface to be measured is "smooth", the fringe order is determined by trial and error so that the overall shape becomes smooth after phase unwrapping. In addition, algorithms for automatically performing such trial and error have been energetically developed in recent years (for example, TRJudge & PJBryanston-Cr
oss: ”A Review of Phase Unwrapping Techniques in F
ringe Analysis ”, Optics and Lasers in Engineering,
vol. 21, (1994), pp. 199-239). After determining the fringe order ng (x, y), the actual unwrapped phase distribution φ (x, y) is determined using the following equation (2). φ (x, y) = ng (x, y) × 2π + ψs (x, y) (2) where ng (x, y): fringe order (strictly integer) ψs (x, y): less than 2π Fractional phase information

【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。
Finally, the phase is converted into an actual shape (distance) (ST4). To convert equation (2) into a unit of the actual shape (distance) instead of the phase, λ / (2
π × k) to obtain equation (3). However, k is 2 in the case of measurement by reflection, and 1 in the case of measurement by transmission. In the case of reflection, light reciprocates and the optical path difference doubles, so that the coefficient k = 2. φ (x, y) × λ / (2π × k) = ng (x, y) × λ / k + ψs (x, y) × λ / (2π × k) (3) where φ (x , y) × λ / (2π × k) represents the optical path difference itself, and corresponds to comprehensive precise absolute shape information h (x, y). Further, ψs (x, y) × λ / (2π × k) is set as fraction shape information hs (x, y) which is a fraction component of less than one wavelength. At this time, the expression
Equation (3) becomes equation (4). h (x, y) = ng (x, y) × λ / k + hs (x, y) (4) The shape (distance) of the surface to be measured can be obtained from equation (4).

【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。
<Conventional Example 2> The two-wavelength interferometry performs interference measurement by using light of two wavelengths simultaneously (for example, 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), pp. 1523-1525). Contour lines of shading of interference fringes (Moire fringes) formed by two wavelengths appear for each Λ (synthetic wavelength) represented by Expression (5). Λ = 1 / {(1 / λ 1 −1 / λ 2 ) × k} = λ 1 × λ 2 / {(λ 2 −λ 1 ) × k} (5) where λ 1 , λ 2 : used Two wavelengths to do. k: 2 in the case of measurement by reflection, 1 in the case of measurement by transmission. Therefore, the range corresponding to one cycle of interference fringes without uncertainty is λ = wavelength in the ordinary two-beam interference method. However, in the two-wavelength interferometry, it is enlarged to Λ. Therefore, in the range of Λ wider than λ, it is possible to measure a step exceeding the wavelength and a shape including the absolute distance between the interferometer exceeding the wavelength and the measurement target surface. For example, in the case of transmission measurement using two red lights having wavelengths of 660 nm and 670 nm, the combined wavelength Λ is 4
4220 nm = 44.22 μm, and 44.22 μm
It is possible to measure shapes including steps up to and absolute distance. This is equivalent to 66 times the range of a normal two-beam interferometer. The smaller the wavelength difference (λ 2 −λ 1 ), the larger the measurable Λ range.

【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。
<Conventional example 3> The white light interferometry performs interference measurement using a white light or a light source having low coherency close thereto (for example, 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). The coherent length of light generally used in white light interferometry is about several μm, and interference fringes appear only in that range. Further, even within the range of several μm where the interference fringes appear, it is possible to accurately detect a position where the absolute distance between the prototype and the measurement target surface where the change in the contrast of the interference fringes is the maximum and the interference fringe peaks is 0. . Therefore, in shape measurement using the white light interferometry, the distance between the prototype and the surface to be measured is continuously changed by some method, and locations where the absolute distance between the prototype and the surface to be measured become 0 are sequentially mapped. To obtain the entire measurement data. Usually, mapping is performed by linearly scanning the distance between the interferometer and the measurement object in a direction along the optical axis. When white interference is used in this way, it is possible to measure a step exceeding a wavelength or a shape including an absolute distance between an interferometer exceeding a wavelength and an object surface over a wide range of about 100 μm with an accuracy on the order of nm.

【0011】[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。
However, the conventional example 1
According to the light beam interferometry, when the surface to be measured includes a step exceeding the wavelength, the assumption of smoothness cannot be used, so that phase unwrapping cannot be performed and the flow of the interference measurement cannot be completed. In addition, since phase unwrap is determined only to make the relative fringe order relationship of the wrapped phase smooth, the absolute fringe order cannot be determined, and the absolute distance between the interferometer and the surface to be measured is measured. Can not do it. That is, in the two-beam interference method, since the range in which the absolute distance is reliably obtained is limited to one wavelength or less, there is a drawback that it is impossible to measure a shape including a step exceeding the wavelength or the absolute distance.

【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。
Further, the two-wavelength interferometry of the conventional example 2 is a method of increasing the contour line period itself of the interference fringe density, so that when the measurable range Λ is increased, the measurement accuracy is reduced in proportion thereto, There is a drawback that high-precision measurement exceeding a micron becomes impossible.

【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。
According to the white light interferometry of Conventional Example 3, when sequentially mapping locations where the absolute distance between the prototype and the surface to be measured is 0, the distance between the prototype and the surface to be measured is mechanically changed. Since a large number of interference fringe images are recorded while being continuously changed, it takes time to collect interference fringes alone. In addition, the computer processing for extracting the shape information takes a long time because the number of images is large. For this reason, there is a disadvantage that the measurement requires a long time. Therefore, it is used when high-speed measurement is required, such as when measuring a changing target surface, when measuring in a vibration environment, or when measuring a large number of surface areas. It is not possible. further,
In order to store and store a large number of images, a large amount of memory and external storage must be prepared, which makes the apparatus expensive. For example, in the document of Matsui et al., 256 images are collected for one measurement, and even if this is performed at the highest video rate, it takes 8.5 seconds. Actually, the distance between the prototype and the surface to be measured is mechanically continuously changed. Further, a device for collecting a high-definition image such as an interference fringe at a high speed such as a video rate is expensive. Further, even if one interference fringe image is sampled at a resolution of 512 × 512 pixels and 256 gradations (8 bits), which is generally achievable with a recent TV camera, the 256 images have 512 × 512 pixels. 51
2 × 8 × 256 = 64 Mbytes. Even with the widespread use of large-capacity memories, it is still expensive to realize a computer environment that can handle such data. Of course, when it is necessary to collect interference fringes with higher definition, since the image is two-dimensional data, an extremely large amount of memory is required. For example, with the spread of high-definition televisions and the spread of high-definition displays of personal computers, images of about 1000 × 1000 pixels are becoming more and more unusual. Memory capacity is required for only one measurement data.

【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。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an interference measurement method and an interference measurement apparatus capable of measuring a shape including a step exceeding a wavelength or an absolute distance with high accuracy and at high speed without causing a measurement error. Is to do.

【0015】[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。
In order to achieve the above object, the present invention irradiates light waves of at least three kinds of wavelengths onto a reference surface and a measurement object surface, and reflects the at least three kinds of light waves reflected by the reference surface. A first step of interfering with each wavelength a light wave of a wavelength and a light wave of the at least three wavelengths reflected or transmitted by the surface to be measured, and at least three kinds of interference fringes generated by the interference of the first step A second step of individually detecting images; and a step of detecting the image of the measurement target surface based on the at least three types of interference fringe images.
a third step of calculating, for each wavelength, at least three types of phase distributions wrapped in an interval of π;
A fourth step of setting first to m-th (where m ≧ 2) sets such that two wavelengths selected from the kinds of wavelengths are taken as one set, and the combined wavelengths of the one set of wavelengths are sequentially increased; Based on the phase distribution difference between the interference fringe images of the two wavelengths corresponding to the first to m-th sets, the first to m-th sets using an arithmetic expression corresponding to the sign of the phase distribution difference. A fifth step of sequentially calculating the approximate information of the absolute distance between the reference plane and the measurement target plane from the m-th to the first set for each of the m-th to the first sets, corresponding to one of the at least three wavelengths; A sixth step of calculating precise information on an absolute distance between the reference plane and the measurement target plane based on the phase distribution of the interference fringe image and the approximate information on the absolute distance according to the first set. An interference measurement method is provided. According to the above configuration, the range of the absolute distance to be obtained is widened by sequentially calculating the approximate information of the absolute distance from the largest synthetic wavelength. Further, by calculating the approximate information of the absolute distance using an arithmetic expression corresponding to the sign of the phase distribution difference, measurement errors can be avoided. In addition, by calculating precise information of the absolute distance based on the phase distribution of one wavelength, the shape can be measured with high accuracy.

【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。
In order to achieve the above object, the present invention provides a light source for irradiating light waves of at least three wavelengths on a reference surface and a surface to be measured, and a light wave of at least three wavelengths reflected on the reference surface. An optical system for interfering with the light waves of at least three wavelengths reflected or transmitted by the surface to be measured for each wavelength, and at least three interference fringe images generated by the interference of the light waves of at least three wavelengths. An interference fringe image detecting means, a phase calculating means for calculating at least three kinds of phase distributions wrapped in a 2π section of the wavefront to be measured based on the at least three kinds of interference fringe images, The first to m-th (where m ≧ 2) sets are set such that two wavelengths selected from three types of wavelengths are set as a set and the combined wavelength of the set of wavelengths is sequentially increased. Setting means for determining, based on a phase distribution difference between the interference fringe images of the two wavelengths corresponding to the first to m-th sets, using an arithmetic expression corresponding to the sign of the phase distribution difference. First calculating means for sequentially calculating the approximate information of the absolute distance between the reference plane and the measurement target surface from the m-th to the first set for each of the first to m-th sets; Based on the phase distribution of the interference fringe image corresponding to one of the wavelengths and the approximate information of the absolute distance of the first set, precise information on the absolute distance between the reference plane and the measurement target plane is calculated. There is provided an interference measurement device comprising: a second calculation unit. According to the above configuration, the first calculating means sequentially calculates the approximate information of the absolute distance from the largest synthetic wavelength,
The range of the required absolute distance is widened. Further, the first calculating means calculates the approximate information of the absolute distance by using an arithmetic expression according to the sign of the phase distribution difference, thereby avoiding a measurement error. Further, the second calculating means calculates precise information of the absolute distance based on the phase distribution of one wavelength, so that the shape can be measured with high accuracy.

【0017】[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。
FIG. 1 shows an interference measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. This interferometer 1
A table 2 has a horizontally arranged table 2 and a column 3 erected on the table 2. A piezo stage 5 for vertically moving a measurement object 4 is placed on the table 2, and an interferometer 6 is mounted on the column 3. Is provided.

【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
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。
The interferometer 6 includes a first laser light source 60A that oscillates light of a first wavelength λ 1 , a second laser light source 60B that oscillates light of a second wavelength λ 2 , and a third wavelength a laser light source 60C that oscillates lambda 3 of the light, the laser light source 60A~6
Collimator lens 6 for converting laser light from 0C into parallel light
1A to 61C, a bending mirror 69 that bends the parallel light from the collimator lens 61A, and first and second half mirrors 62A that combine a part of the parallel light from the collimator lenses 61A to 61C to form a parallel beam. 62
B and a third half mirror 68A that reflects parallel light from the three laser light sources 60A to 60C to the measurement object 4 side.
An objective lens 63 arranged on the measurement object 4 side of the first half mirror 68A and having the same imaging performance as a normal microscope objective lens, and a plane prototype 64 as a reference plane;
Part of the light from the objective lens 63 is guided to the object 4 to be measured,
Fourth half mirror 6 for guiding the remaining part to flat prototype 64
8B, the surface (measurement target surface) 4a of the measurement target object 4 and the light reflected by the plane prototype 64 are reflected by the fourth half mirror 68.
Returning to B, where the interference light produced by superimposed and the dichroic mirror 65B for selectively reflecting the third wavelength lambda 3 of the light, the second transmitted through the dichroic mirror 65B
The second wavelength lambda 2 of the wavelength lambda 1 of the wavelength lambda 2 light and first
Dichroic mirror 65A for selectively reflecting light
And a first imaging tube 67A for imaging light of the first wavelength λ 1 via the first imaging lens 66A, and light of the second wavelength λ 2 via the second imaging lens 66B. A second imaging tube 67B for imaging is provided, and a third imaging tube 67C for imaging light of the third wavelength λ 3 via the third imaging lens 66C. The plane prototype 64 and the fourth half mirror 6
8B constitutes a so-called Michelson interferometer.

【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。
The interference measuring apparatus 1 also includes a piezo driver 7 for driving the piezo stage 5 and digital interference fringe image signals of the interference fringes from the first, second and third image pickup tubes 67A, 67B and 67C. The image digitizers 8A, 8B, 8C for controlling the piezo driver 7 and the image digitizers 8A, 8B, 8C
And a computer 9 for obtaining the shape of the measurement target surface 4a based on the digital data from the computer.

【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。
The first laser light source 60A has a first wavelength λ 1
670 nm (red light 1), the second laser light source 60
B The second 685nm as the wavelength lambda 2 (red light 2), the third laser light source 60C is 785n as the third wavelength lambda 3
It oscillates m (near infrared light) laser light. Semiconductor lasers that achieve this are already commercially available. By way of example, a semiconductor laser of HL6713G Hitachi, Ltd. in the first wavelength lambda 1 of the light source, a semiconductor laser manufactured by the same company HL6726MG the second wavelength lambda 2 of the light source, the third the company manufactured HL7853MG semiconductor laser it can be used for the wavelength lambda 3 of the light source. Of course, the semiconductor laser is not limited to this, and any laser having a similar oscillation wavelength may be used. Such products are also sold by other companies. Further, an external resonator type semiconductor laser whose wavelength can be varied may be used. An example of such is the 6300 Velo from NewFocus, USA.
There are city Series series and so on. Since the output and wavelength of a semiconductor laser fluctuate depending on the injection current and temperature, it is desirable to precisely control the injection current and temperature.

【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。
The dichroic mirrors 65A and 65B are
It has a wavelength selection function. Dichroic mirror 65A
Is configured such that light of a first wavelength λ 1 of 670 nm is transmitted and light of a second wavelength λ 2 of 685 nm is reflected. The dichroic mirror 65B transmits the light of the first wavelength λ 1 of 670 nm and the light of the second wavelength λ 2 of 685 nm, and transmits the light of the third wavelength λ 3 of 785 nm.
nm light is reflected.

【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。
FIG. 2 shows the functions of the computer 9. The computer 9 includes a CPU that controls the entire device 1 and C
The ROM includes a ROM in which a PU program is stored, a RAM that stores various types of information necessary to determine the shape of the measurement target surface 4a, and the like. The computer 9 performs processing for calculating precise information on the absolute distance of the measurement target surface 4a based on the interference fringe image data from the image digitizers 8A, 8B, and 8C. 91,
It has a phase calculating means 92, a general distance information calculating means 93, a fringe order detecting means 94, a fringe order difference detecting means 95 and a precise distance information calculating means 96.

【0023】次に、コンピュータ9の上記各手段91〜
96を説明する。
Next, each of the means 91 to 91 of the computer 9 will be described.
96 will be described.

【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。
The interference fringe image acquiring means 91 uses the phase shift method (for example, fringe scanning interference measurement method) to perform the piezo driver 7 operation.
To move the object 4 to be measured in the vertical direction, and to capture four interference fringe image data for each wavelength while changing the optical path difference between the interferometer 6 and the object surface 4a by λ / 4. .

【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。
The phase calculating means 92 is an interference fringe image obtaining means.
Based on the interference fringe image data acquired by 91, the following equation (6)
 , Equation (7) and Equation (8), the first wavelength λ1Rank
Phase distributionψ1(x, y) and the second wavelength λTwoPhase distribution of
Two(x, y) and the third wavelength λThreePhase distribution ofThreeCalculate (x, y)
Is what you do. ψ1(x, y) = arctan [{IaFour(x, y) −IaTwo(x, y)} / {Ia1(x, y) −IaThree(x, y)}]… (6) ψTwo(x, y) = arctan [{IbFour(x, y) −IbTwo(x, y)} / {Ib1(x, y) −IbThree(x, y)}]… (7) ψThree(x, y) = arctan [{IcFour(x, y) −IcTwo(x, y)} / {Ic1(x, y) −IcThree(x, y)}]… (8) Since arctan is a multivalent function,
ψ1(x, y), ψTwo(x, y) and ψThree(x, y) is folded into 2π intervals
Phase as the returned phase,
It is. Further, the acquired first wavelength λ1Four interference fringes
Image data Ia 1(x, y), IaTwo(x, y), IaThree(x, y), IaFour(x,
y), also the second wavelength λTwoOf the four interference fringe image data
Ib1(x, y), IbTwo(x, y), IbThree(x, y), IbFour(x, y), third wavelength
λThreeOf four interference fringe image data of Ic1(x, y), IcTwo(x, y),
I cThree(x, y), IcFour(x, y).

【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) = Λi /k ×[{ψi1(x,y) −ψi2(x,y) }/(2π)+ΔNi (x,y) ] …(9) ただし、Λi は式(10)で定義される。 Λi =1/{(1/λa−1/λb)×k} =λa×λb/{(λb−λa)×k} …(10)
The approximate distance information calculating means 93 is selected from ψ 1 (x, y), ψ 2 (x, y) and ψ 3 (x, y) obtained by the phase calculating means 92 by a procedure described later. The wrap phase of the combination i (i = 1, 2) of two different wavelengths is ψa
When (x, y) and ψb (x, y) are used, the absolute distance between each point of the surface 4a to be measured and the prototype 64 (the optical distance between the prototype 64 and the surface 4a to be measured) using Expression (9). This calculates the approximate information hg (x, y) of the target distance) and outputs the calculation result to the fringe order detecting means 94. However, it is selected so that λa <λb. However, in the present embodiment, two combinations of i = 1 and 2 are used as combinations for selecting two wavelengths from three wavelengths. hg (i) (x, y ) = Λ i / k × [{ψ i1 (x, y) -ψ i2 (x, y)} / (2π) + ΔN i (x, y)] ... (9) provided that , Λ i are defined by equation (10). { 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Λi 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
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、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。
FIG. 3 shows the principle of obtaining the approximate information of the absolute distance. As shown in the figure, the wavelength λ of the combination of the wavelengths of interest corresponding to the same location (point of interest) on the surface to be measured.
The phase difference between the interference fringe a and the interference fringe having the wavelength λb changes depending on the absolute distance between the target point on the measurement target surface 4 a and the prototype 64. Therefore, the absolute distance can be obtained from the phase difference. The amount of change is a periodic function, the period corresponds to the lambda i of like the two-wavelength interferometry formula (10).
That is, the range in which the absolute distance is determined is Λ i of the predetermined measurement range expanded from the 2π section (λa or λb). The absolute distance obtained in this manner has poor accuracy as compared with the ordinary two-beam interferometry, like the two-wavelength interferometry. In this sense, the absolute distance obtained in this way is rough information, but it is possible to provide sufficient accuracy for determining the stripe order difference and the stripe order described later.

【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×ΔNi }/(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Λi で置き換えた形をしているの
で、Λi /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。
Here, the reason why hg (i) (x, y) obtained by the above equations (9) and (10) is an absolute distance will be described below. The relationship between the wrapped phase ψ and the actual absolute distance or shape h is generally represented by Expression (11) (a general principle expression). h · (2π × k) / λ = ψ + 2π × N (11) where k: 2 for reflection measurement, 1 for transmission measurement N: Fringe order measurement at wavelength λ by reflection Since the light wave reciprocates, the phase difference is doubled even at the same distance difference, and k = 2. This corresponds to the fact that the distance (interval of the interference fringes) indicated by one fringe of the interference fringes differs twice between reflection and transmission. Next, the above equation (11) is created for λa and λb, and is subtracted and rearranged to obtain equation (12). h = {1 / (2π × k)} · [{(ψa−ψb) + 2π × ΔN i } / (1 / λa−1 / λb)] (12) where ΔN = N (λa ) -N (λb). When this is rearranged, it matches Equations (9) and (10), and it can be seen that hg (i) (x, y) in Equation (11) represents an absolute distance. formula
Since (9) has a form in which λ in Equation (4) is replaced by Λ i , the range is widened by Λ i / λ times, but the accuracy also deteriorates. It is for this reason to be brief.

【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。
The general theory of calculating the approximate distance information is as described above.
There are three wavelengths λ1, ΛTwo, Λ ThreeSelected from
The lens whose approximate absolute distance is to be determined from the two combinations
If J covers the distance to be measured sufficiently, the fringe order
Calculate approximate distance information without having to separately measure difference ΔN
Can be This is described below. Here is the table
For simplicity, the wavelength combination index i
(1, 2) is omitted.

【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。
FIG. 4 shows the difference in wrap phase {ψ 1 (x, y) −ψ 2 when the distance h of the point of interest on the measurement target surface 4 a is changed.
(x, y)}. Although it is in a roughly proportional relationship, it can be seen that there is a discontinuous difference in some places. Considering the case where the measurement target distance under consideration is within the measurement range, it can be seen that the lap phase difference changes discontinuously at the boundary between the positive and negative cases. I understand.

【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、ΔNi (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
(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。
FIG. 5 shows a plot of the fringe order difference ΔN at this time. From the figure, it can be seen that there is a rule that ΔN = 0 when the wrap phase difference is positive and ΔN = 1 when the wrap phase difference is negative. Therefore, when the measurement target distance is within the measurement range, by determining whether the wrap phase difference is positive or negative, the fringe order difference ΔN can be determined by itself, and the approximate distance information can be calculated. . This is to determine whether ΔN i (x, y) is 0 or 1 and calculate approximate distance information using equation (9). The approximate distance information calculating means 93 also performs this processing. is there. Specifically, Λ
In the case of the second combination of the wavelengths in which
g (2) (x, y ) if a 0 ≦ {ψ 2 (x, y) -ψ 3 (x, y)}, hg (2) (x, y) = {ψ 2 (x, y) −ψ 3 (x, y)} / {(2π × k) ・
If (1 / λ 2 −1 / λ 3 )} {ψ 2 (x, y) −ψ 3 (x, y)} <0, then hg (2) (x, y) = {ψ 2 (x, y) −ψ 3 (x, y) +2 π} / {(2
π × k) · (1 / λ 2 −1 / λ 3 )}.

【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。
縞 is maximized by the fringe order difference detecting means 95
As well as the combination of wavelengths for i = 1
For fringes, determine the fringe order difference as follows:
Can be. First of all, the combination of i = 2 wavelengths has already
Low degree hg(2)(x, y) is required
You. Equation (9) is established for the first combination, and the right side is hg
(2)Replace with (x, y), hg(2)(x, y) = Λ1/ K × [{ψ11(x, y) −ψ12(x, y)} / (2π) + ΔN1(x, y)] ... (13) By transforming equation (13), the following equation (14) is obtained, from which the wave
The fringe order difference in the first combination of lengths can be determined.
You. ΔN1(x, y) = round [hg(2)(x, y) × k / Λ1− {Ψ11(x, y) −ψ12(x, y)} / (2π)] (14) Here, round [] is a function that returns the closest integer.
The above is the contents of the processing in the fringe order difference detecting means 95.
You.

【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。
By the way, in order for an integer to be correctly determined by round [], round [] is taken [hg (2) (x, y) × k /
The error of Λ 1 − {ψ 11 (x, y) −ψ 12 (x, y)} / (2π)] is 1
/ 2. {{Ψ 11 (x, y) −ψ 12
Since (x, y)} / (2 π) is a wrap phase and has very high accuracy, this means that the error σhg of hg (2)
(2) indicates that σhg (2) <k / (2 × Λ 1 ) (15) needs to be satisfied.

【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ΔNi (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。
In the present embodiment, the case where i = 1, 2 has been described. However, even if the number of wavelengths is increased and the maximum value of i is further increased, i is similarly decreased by one from m. However, hg (i) (x, y) and ΔN i (x, y) can be obtained alternately and sequentially. However, similarly to Expression (15), it is necessary to select a combination of wavelengths so as to satisfy the accuracy condition of the approximate information of the absolute distance.

【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ψj (x,y) を用いて、(j は1,
2,3のいずれか) NJ (x,y) =round[hg(1) (x,y) ×k/λj −ψj (x,y)/(2π)] …(16) によって、波長λj (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×λj ) …(17) の条件が必要である。
The fringe order detecting means 94 uses hg (1) (x, y) finally obtained by the rough shape calculating means 93 and a wrap phase ψ j (x, y) of any of the three wavelengths. , (J is 1,
N J (x, y) = round [hg (1) (x, y) × k / λ j −ψ j (x, y) / (2π)]… (16) The fringe order for the wavelength λ j (x, y) is obtained.
For fringe order is determined correctly by the formula (16), in a manner similar to the equation (15), the error Shigumahg (1) of hg (1) is, σhg (1) <k / (2 × λ j) ... (17 ) Is required.

【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Nj (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 hsj (x,y) =λj /k×{ψj (x,y)/(2π) +Nj (x,y) } …(18) によって、精密な絶対距離の情報hsj (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。
The precise distance information calculating means 96 calculates N j (x, y) obtained by the fringe order detecting means 94 and hg finally obtained.
(1) (x, y) and wrap phase of any of the three wavelengths ψ
Using j (x, y), hs j (x, y) = λ j / k × {ψ j (x, y) / (2π) + N j (x, y)… (18) Information hs j (x, y) of the absolute distance is obtained. Equation (18) is equivalent to equation (4) for a two-wavelength interference fringe known to have high accuracy. Therefore, the same accuracy as that of the two-wavelength interferometry can be maintained even though the range is widened. In other words, by utilizing the property that the fringe order is strictly an integer, errors can be discarded and high accuracy can be achieved.

【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、hsj の誤差は3σ(σは標
準偏差)で0.007μm、hg(1) の誤差Rhg1
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。
Next, how to select a combination of wavelengths will be described.
I do. Λ as the first combinationTwo= 685 nm and λThree= 7
85 nm as the second combination1= 670nm and λ
Three= 685 nm. Also for precise information calculation of absolute distance
The wrap phase and fringe order used are λThree= 785nm
I will choose one. In this case,1= 2.6
9 μm, ΛTwo= 15.3 μm, Δ1TwoTo
The condition of the present invention is satisfied. At this time, lap phase measurement
2π / 50 for accuracy and 0.02 nm for wavelength accuracy
Assuming the theoretical calculation, hsjIs 3σ (σ is the standard
0.007 μm in hg(1)Error Rhg1Is
0.076 μm, hg(2)Error Rhg TwoIs 0.434
μm. This satisfies the conditions of equations (15) and (17).
You.

【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。
FIG. 6 shows the above situation. The total measurement accuracy is ± 0.007 μm and the measurement range is 15.3 μm. Of course, the combination of wavelengths is not limited to this. Depending on the selection, the range can be further widened while maintaining high accuracy.

【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。
Here, to show the superiority of the present invention, what happens if only two wavelengths can be used will be examined. First, when only the combination of 685 nm and 785 nm is used, the condition of Expression (17) is satisfied, but the range is only 2.69 μm. Next, 670 nm and 685 nm
When only the combination of is used, the apparent range is 15.3μ
Although it seems to be wide as m, it does not satisfy the condition of Expression (17) (there is only two combination wavelengths and therefore only one combination index), so that the fringe order cannot be determined correctly and measurement cannot be performed.

【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。
Next, the operation of the device 1 according to the first embodiment will be described. First, the interference fringe image acquiring means 91 in the computer 9 controls the piezo driver 7 by a phase shift method (for example, fringe scanning interference measurement method) to control the measurement object 4.
Is moved in the vertical direction, and four interference fringe image data are taken in for each wavelength while changing the optical path difference between the interferometer 6 and the measurement target surface 4a by λ / 4.

【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。
Here, one piece of interference fringe image data is acquired.
Will be described. First to third laser light sources 6
Three wavelengths emitted from 0A, 60B and 60C
λ1, Λ Two, ΛThreeLaser light consisting of
Beams 61A, 61B, and 61C are collimated and collimated.
The parallel light from the lens 61A is folded by the folding mirror 69.
From the collimator lenses 61A to 61C.
A part of the parallel light is first and second half mirrors 62A,
The beams are multiplexed at 62B and folded at the third half mirror 68A.
And reaches the objective lens 63. Objective lens 6
The light from 3 is partially measured by a fourth half mirror 68B.
It is led to the elephant surface 4a, and the rest is guided to the flat prototype 64.
You. Light reflected by the measurement target surface 4a and the plane prototype 64, respectively.
Returns to the fourth half mirror 68B again, where
And become interference light. The light emitted from the objective lens 63 is
Is transmitted through the third half mirror 68A to form the third half mirror 68A.
Wavelength λThreeDichroic mirror that selectively reflects light
Reach 65B. Therefore, light having a wavelength of 785 nm
Reaching the third imaging tube 67C via the third imaging lens 66C
I do. On the other hand, the wave transmitted through the dichroic mirror 65B
The light having a length of 685 nm and a wavelength of 670 nm is converted to a second wavelength λ.Two
Dichroic mirror 65A that selectively reflects light
To reach. Accordingly, light having a wavelength of 685 nm is not reflected on the second
The light reaches the second image pickup tube 67B via the lens 66B,
The light of 670 nm passes through the first imaging lens 66A and is
Reaches the imaging tube 67A. Thus, the first shooting
In the image tube 67A, interference fringes caused only by light having a wavelength of 670 nm
In the second image pickup tube 67B, an image is formed of light having a wavelength of 685 nm.
The image of the interference fringes is only the wavelength in the third imaging tube 67C.
The images of interference fringes caused only by the light of 785 nm
Detected as light intensity. Of interference fringes detected for each wavelength
The image signal is decoded by the image digitizers 8A, 8B and 8C.
Digital interference fringe image data,
Is forwarded to Thus, the interference in the computer 9
The fringe image acquiring means 91 outputs four interference fringe image data for each wavelength.
And outputs it to the phase calculation means 92. This interference fringe
Image data is expressed as shown in equation (1) described in the prior art.
In addition, a (x, y), b (x, y) and φ (x, y) are unknown quantities.
To obtain at least three interference fringe image data by changing δ
Then, φ (x, y) can be obtained. Here,
Considering the calculation accuracy and calculation speed, four interference fringe image
Data.

【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
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。
Next, based on the interference fringe image data obtained by the interference fringe image obtaining means 91, the phase calculating means 92
Using the equations (6), (7) and (8), the wrap phase distribution of the first wavelength λ 11 (x, y) and the wrap phase distribution of the second wavelength λ 2 ψ 2 (x, y) and the wrap phase distribution of the third wavelength λ 3 ψ
3 (x, y) is calculated, and the calculation result is output to the approximate distance information calculating means 93, the fringe order difference detecting means 95, the fringe order detecting means 94, and the precise distance information calculating means 96.

【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。
Next, a first combination of wavelengths (λ 2 = 685)
nm and λ 3 = 785 nm) and a second combination of wavelengths (λ 1
= 670 nm and λ 3 = 685 nm), the approximate distance information based on the first combination of wavelengths having relatively high accuracy is finally obtained by using the approximate distance information calculating means 93 and the fringe order difference detecting means 95 alternately. And outputs the calculation result to the fringe order detecting means 94.

【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。
That is, as described above, first, in the approximate distance information calculating means 93, the wrap phase distribution ψ 2 (x, y) output by the phase calculating means 92 for the second combination of wavelengths in a wide range. Using ψ 3 (x, y), 0 ≦ {ψ 2 (x, y
y) −ψ 3 (x, y)}, then hg (2) (x, y) = {ψ 2 (x, y) −ψ 3 (x, y)} / {(2π × k) ·
(1 / λ 2 −1 / λ 3 )} {ψ 2 (x, y) −ψ 3 (x, y)} <0, then hg (2) (x, y) = {ψ 2 (x, y) −ψ 3 (x, y) +2 π} / {(2
Approximate distance information is calculated according to (π × k) · (1 / λ 2 −1 / λ 3 )}, and is output to the fringe order difference detecting means 95.

【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。
In the fringe order difference detecting means 95, the approximate distance information hg (2) (x,
y), the fringe order difference ΔN 1 (x, y) in the first combination of wavelengths is calculated using Expression (14), and the approximate distance information calculating means 93 is calculated.
Output to

【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。
The approximate distance information calculating means 93 calculates the fringe order difference ΔN 1 (x, y) in the combination 1 of the wavelengths output from the fringe order difference detecting means 95 by using equations (9) and (10). The approximate distance information hg (1) (x, y) in the wavelength combination 1 is calculated and output to the fringe order detecting means 94.

【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。
In the fringe order detecting means 94, the phase calculating means 9
Lap phase distribution output from 2 2 Three(x, y) and the approximate distance
First combination of wavelengths output from separation information calculating means 93
Approximate distance information hg in(1)From (x, y), use equation (16)
And λThreeFringe order N atThreeTo calculate the precise distance information
Output to output means 96. Here, λThreeWas used, but other
Λ1Or λTwoMay be.

【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
3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。
In the precise distance information calculating means 96, the wrap phase distribution ψ 3 (x, y) output from the phase calculating means 92 and
From the fringe order N 3 at λ 3 output from the fringe order detecting means 94, the comprehensive precision distance information hs is calculated using Expression (18).
3 Calculate (x, y). Here, λ 3 is used, but other λ 3
It may be 1 or λ 2.

【0049】コンピュータ9は、求めた精密距離情報h
3(x,y)を出力および表示する。
The computer 9 calculates the precise distance information h
Output and display s 3 (x, y).

【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。
According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
Fruit is obtained. (B) Outline of absolute distance in order from the largest synthetic wavelength
By calculating the information, the lens of the absolute distance required
The area becomes wider (ΛTwo= 15.3 μm. In this embodiment,
K = 2. ), A step that greatly exceeds the wavelength
It is possible to measure shapes including differences and absolute distances. (B) λThreeSingle wavelength phase distribution 波長Threebased on (x, y)
Close distance information hsThreeSince (x, y) is obtained, the ordinary two luminous flux
Measurement can be performed with high accuracy equivalent to the interferometry. λ
ThreeAccuracy of about / 50 can be easily obtained. (C) The optical path difference between the interferometer 6 and the surface 4a to be measured is λ / 4 each.
While changing, four interference fringe image data are acquired for each wavelength.
Phase shift method (fringe scanning interferometry)
Therefore, it is necessary to measure the shape faster than white light interferometry
Becomes possible. Furthermore, as means for detecting interference fringes,
Image pickup tubes 67A, 6 capable of detecting light intensity in a two-dimensional area
7B and 67C, one of the measurement target surfaces 4a is used.
Measurement of the fixed range can be performed at once, and high-speed measurement
Can be determined. Therefore, in the white light interferometry of Conventional Example 3,
What took 8.5 seconds at the shortest, according to this device 1,
It can be greatly reduced within one second. (D) Absolute distance summary information hg(1)The measurement error of (x, y) is
Third wavelength λThreeLess than k divided by
, The first, second and third wavelengths λ1, ΛTwo, Λ ThreeWhen,
Preselecting a first combination and a second combination of wavelengths
Make sure that the fringe order is determined with the required accuracy.
Can prevent errors due to erroneous fringe order determination.
You. (E) Outline information hg of absolute distance(2)The measurement error of (x, y) is
The first combination of wavelengths (λTwo= 685 nm and λThree= 785
(nm), the approximate information of the absolute distance hg(1)(x, y)
Ji1Is less than what is divided by k
Second and third wavelengths λ1, ΛTwo, ΛThreeAnd the first of the wavelengths
Since the combination of and the second combination are selected in advance,
Judgment of fringe order difference can be performed reliably with required accuracy
Therefore, it is possible to prevent an error due to an error in the fringe order difference determination. (F) Unlike white interference, signals can be obtained over a wide range.
For initial adjustment of the relative position and orientation of the interferometer with the surface to be measured.
Signal can be obtained in a wider range. That
The initial position, which was extremely difficult in white light interferometry
Force adjustment can be easily performed. (G) Since measurement can be performed in a short time, vibration and noise
Can be used without a vibration isolator even in places with sound
You. (H) Perform the above measurements accurately within the specified range without exception.
It is possible to do.

【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。
FIG. 7 shows an interference measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention. Components having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. This interferometer 1 includes a horizontally arranged table 2, a pair of columns 3 and 3 erected on the table 2, and a rail 13A erected between the pair of columns 3 and 3.
A piezo stage 5 for vertically moving the object 4 to be measured is placed on the table 11;
B, an interferometer 16 is provided, and the interferometer 16 is
And scans the surface 4a to be measured while moving in the horizontal direction to measure a wide area.

【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。
The interferometer 16 sets the first wavelength λ 1 to 67
A first laser light source 60A that emits 0 nm (red light 1) laser light, and a second laser light source 60B that emits 685 nm (red light 2) laser light as the second wavelength λ 2
A third laser light source 60C having a third wavelength λ 3 of 785 nm (near infrared light), a first shutter 70A for controlling transmission and blocking of light from the first laser light source 60A, and a second A second shutter 70B for controlling transmission and blocking of light from the laser light source 60B; a third shutter 70C for controlling transmission and blocking of light from the third laser light source 60C;
To convert the laser light from the laser light source 60A into parallel light.
Collimator lens 61A and second laser light source 60B
A second collimator lens 61B for converting the laser light from the first laser light into parallel light, a third collimator lens 61C for converting the laser light from the third laser light source 60C to the parallel light, and a light from the first laser light source 60A. By reflecting a part of the parallel light from the bending mirror 69 and a part of the parallel light from the second and third collimator lenses 61B and 61C, the parallel light from all the laser light sources 60A to 60C is multiplexed as a result. The half mirrors 62A and 62B, the half mirror 68A that reflects a part of the parallel light from all the laser light sources 60A to 60C to the measurement target 4 side, and the half mirror 68A are disposed on the measurement target 4 side of the half mirror 68A. Objective lens 63 having the same imaging performance as a microscope objective lens
A plane prototype 64 as a reference plane disposed between the objective lens 63 and the measuring object 4; a part of light from the objective lens 63 guided to the measuring object 4; The half mirror 68B leading to the prototype 64, the surface (measurement target surface) 4a of the object 4 to be measured, and the laser beams respectively reflected by the plane prototype 64 return to the half mirror 68B and form an image of the interference light superimposed there. And a CCD camera 167 that captures an image via the lens 66. The so-called Mirau interferometer is constituted by the objective lens 63, the plane prototype 64, the half mirror 68B, and the surface 4a of the measurement object 4.

【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。
First shutter 70A, second shutter 7
0B and the third shutter 70C are controlled by a computer to open and close the first laser light source 6C.
0A, the light of the second laser light source 60B or the light of the third laser light source 60C can be transmitted or blocked. Further, the interference measuring device 1 converts the image signal of the interference fringe from the piezo driver 7 for driving the piezo stage 5, the driver 17 for the rectilinear stage to drive the rectilinear stage 13 and the CCD camera 167 into digital interference fringe image data. While controlling the image digitizer 8 to be converted, the piezo driver 7 and the straight stage driver 17,
A computer 9 for obtaining the shape of the surface 4a to be measured based on digital data from the image digitizer 8;

【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。
Next, the operation of the apparatus 1 according to the second embodiment will be described.
Explain the work. The interference fringe image data of the computer
The process up to the loading into 9 will be described below. First, the first system
The shutter 70A is opened and the second shutter 70B and the third shutter 70B are opened.
The shutter 70C is closed. At this time, the first laser light source 60
First wavelength λ emitted from A1Laser light only
After passing through the first collimator lens 61A and the mirror 69, the
A part of the light is reflected by the mirror 68A and the surface 4a to be measured is measured.
And reflected by the prototype 64, returning to the half mirror 68B and interfering.
I do. Furthermore, the wavelength λ from the Mirau interferometer1The light of the
The light reaches the CCD camera 167 via the image lens 66. C
The CD camera 167 has a first wavelength λ1No. only by the light
One interference fringe image is detected. Next, in the same manner,
The shutter 70B is opened and the first shutter 70A and the third shutter
Is closed, the second wavelength λ TwoThe second only by the light of
Are detected. Finally, a third shutter
The shutter 70C is opened and the first shutter 70A and the second shutter
Is closed, the third wavelength λThreeThe third only by the light of
Are detected. Of interference fringes detected for each wavelength
The image signal is converted into digital data by the image digitizer 8
It is converted and transferred to the computer 9. Measurement target surface 4
When the interference fringe image data is obtained for a certain range of a,
The computer 9 controls the driver 17 for the straight-ahead stage
To move the interferometer 16 in the horizontal direction
After moving by a fixed distance, the interference fringe image data is similarly captured.
The interference fringe image data acquired as described above is
The same processing is performed in the computer 9 as in the first embodiment.

【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。
According to the second embodiment, since the wavelengths of the light sources are switched in time series, three imaging optical systems as in the first embodiment are not required, and three imaging optical systems are not required. Errors due to misalignment between systems are eliminated.
Depending on the selection of the three wavelengths, it may be difficult to design and manufacture a dichroic mirror. For example, the above equation (5)
It is necessary to select a combination of light sources having close wavelengths in order to widen the measurement range さ れ る represented by, but it is difficult to realize a filter that discriminates such light having close wavelengths. In such a case, the first embodiment is difficult to realize, but according to the second embodiment, it can be realized without difficulty. As described above, according to the second embodiment, it is possible to realize an inexpensive and high-precision apparatus that can freely combine wavelengths.

【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。
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and various embodiments are possible. For example, in the above-described embodiment, a method of acquiring four interference fringe image data is adopted as the phase shift method, but a method of acquiring three or five interference fringe images may be employed. According to the method of acquiring three images, the measurement can be performed at a higher speed although the influence of an error is greater than the method of acquiring four images. According to the method of acquiring five images, the calculation time is longer than that of the method of acquiring four images, but the influence of an error is reduced. Further, as a phase shift method, a phase shift electronic moiré method for changing δ without changing the distance between the interferometer and the surface to be measured (“Laser Science Research”, No. 13 (1991))
Reference). According to this, it is not necessary to change the distance between the interferometer and the surface to be measured, and higher speed can be achieved. Further, in the above embodiment, when the distance between the interferometer and the measurement target surface is changed, the measurement target surface side is moved, but the interferometer side may be moved. Further, the interferometer 16 of the second embodiment may be used as the interferometer 6 of the first embodiment, and the interferometer 6 of the first embodiment may be used as the interferometer 16 of the second embodiment. May be used.

【0057】[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。
As described above, according to the present invention, since the approximate information of the absolute distance is sequentially obtained from the largest synthetic wavelength, the range of the obtained absolute distance is different from that of the conventional two-wavelength interferometry. It becomes wider than equivalent. Further, over the 2π section of the wavefront to be measured, precise distance information of the surface to be measured, that is, the phase of one wavelength is obtained with high accuracy, and precise information of the absolute distance is obtained based on this phase distribution and the fringe order. Therefore, the shape can be measured with the same accuracy as that of the conventional two-beam interference method. In addition, the number of images to be collected at the time of measurement is significantly smaller than that of the white light interferometry, and by detecting interference fringes of three different wavelengths simultaneously and in parallel, the speed is dramatically higher than that of the conventional method. Measurements are made possible and such measurements can be made accurately and without failure within a widened predetermined range. Therefore, it is possible to measure a shape including a step or an absolute distance exceeding a wavelength with high accuracy and at high speed without causing a measurement error.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a configuration diagram of an interference measurement device according to a first embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a functional block diagram of a computer of the interference measurement apparatus according to the first embodiment.

【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。
FIG. 3 is a diagram for explaining a principle of obtaining approximate information of an absolute distance by the interference measurement device according to the first embodiment.

【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。
FIG. 4 is a diagram for explaining how the wrap phase difference { 1 (x, y) − { 2 (x, y)} is proportional to the absolute information hg (x, y);

【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。
FIG. 5 is a diagram showing a state of a fringe order difference ΔN with respect to general information hg (x, y) of absolute distance.

【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。
FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of selection of a combination of wavelengths in the interference measurement device according to the first embodiment.

【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。
FIG. 7 is a configuration diagram of an interference measurement device according to a second embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 8 is a flowchart for explaining a two-beam interference method as a conventional interference measurement method.

【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。
9A is a diagram illustrating an actual phase, and FIG. 9B is a diagram illustrating a wrapped phase.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Interferometer 2 Table 3 Pillar 4 Measurement object 4a Measurement object surface 5 Piezo stage 6 Interferometer 7 Piezo driver 8A First image digitizer 8B Second image digitizer 8C Third image digitizer 9 Computer 13 Straight stage 13A Rail 13B Linear unit 16 Interferometer 17 Linear stage driver 60A First laser light source 60B Second laser light source 60C Third laser light source 61A First collimator lens 61B Second collimator lens 61C Third collimator lens 62A First Half mirror 62B Second half mirror 63 Objective lens 64 Plane prototype 65A First dichroic mirror 65B Second dichroic mirror 66 Imaging lens 66A First imaging lens 66B Second imaging lens 66C Imaging lens 67A first imaging tube 67B second imaging tube 67C third imaging tube 68A third half mirror 68B fourth half mirror 69 mirror 70A first shutter 70B second shutter 70C third Shutter 91 Interference fringe image acquisition means 92 Phase calculation means 93 Approximate distance information calculation means 94 Stripe order detection means 95 Stripe order difference detection means 96 Precision distance information calculation means 167 CCD camera

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 Continued on front page F-term (reference) 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 QNN02 PP02

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A light wave of at least three kinds of wavelengths is irradiated on a reference surface and a measurement object surface, and the light waves of at least three kinds of wavelengths reflected on the reference surface and the at least three light waves reflected or transmitted on the measurement object surface. A first step of causing light waves of different wavelengths to interfere with each other for each wavelength; and at least three light waves generated by the interference of the first step.
A second step of individually detecting the types of interference fringe images; and, based on the at least three types of interference fringe images, at least three types of phase distribution wrapped in a 2π section of the measurement target surface for each wavelength. A third step of calculating; and a first to m-th (where m ≧ 2) such that two wavelengths selected from the at least three types of wavelengths are set as a set, and a combined wavelength by the set of wavelengths is sequentially increased. A fourth step of setting a set of the above, and an operation according to the sign of the phase distribution difference based on the phase distribution difference between the interference fringe images of the two wavelengths corresponding to the first to m-th sets. A fifth step of sequentially calculating approximate information of an absolute distance between the reference plane and the measurement target plane from the mth to the first set for each of the first to mth sets using an equation; Supports one of the wavelengths A sixth step of calculating precise information on an absolute distance between the reference plane and the measurement target plane based on the phase distribution of the interference fringe image and the approximate information on the absolute distance according to the first set. An interference measurement method comprising:
【請求項2】前記第4のステップは、前記一組の波長を
λi1,λi2とするとき、前記合成波長をΛi =λi1・λ
i2/(λi2−λi1)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λm1,λm2(λm2
>λm1)、前記波長λm1,λm2の位相分布をψ m1(x,y)
,ψm2(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≦{ψm1
(x, y)−ψm2(x,y) }ならば、 hg(m) (x,y)={ψm1(x, y)−ψm2(x,y) }/ {(2
π×k)・(1/λm1−1/λm2) } {ψm1(x, y)−ψm2(x,y) }<0ならば、 hg(m) (x,y)={ψm1(x, y)−ψm2(x,y) +2 π}/
{(2π×k)・(1/λm1−1/λm2) } 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Λm-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 ΔNm-1 (x, y)=round[hg (m) (x,y) ×k/Λm-1-
{ψ(m-1)1(x,y) −ψ(m-1)2(x,y) }/(2 π)] 但し、Λm-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ΔNm-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)=Λm-1 /k×[ {ψ(m-1)1(x,y)-ψ
(m-1)2(x,y) }/(2 π)+ΔNm-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
ΔNi (x,y) を求め、前記ΔNi (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。
2. The method according to claim 1, wherein the fourth step comprises:
λi1, Λi2Where the composite wavelength isi= Λi1・ Λ
i2/ (Λi2−λi1) (Where i =
1, 2,. . . m), the fifth step is that the composite wavelength is the largest Δm
Are respectively set to λm1, Λm2m2
> Λm1), The wavelength λm1, Λm2The phase distribution of m1(x, y)
 , Ψm2(x, y), the reference plane and the object to be measured
Outline information hg of the absolute distance to the surface(m)(x, y) is 0 ≦ {ψm1
(X, y) −ψm2(x, y) 、 then hg(m)(x, y) = {ψm1(X, y) −ψm2(x, y)} / {(2
π × k) ・ (1 / λm1−1 / λm2)} {Ψm1(X, y) −ψm2If (x, y)} <0, hg(m)(x, y) = {ψm1(x, y) −ψm2(x, y) +2 π} /
{(2π × k) ・ (1 / λm1−1 / λm2)} Where k: 2 for measurement by reflection, measurement by transmission
In the fixed case, 1 x, y: obtained by the coordinate components of a plane roughly along the surface to be measured, and approximate information hg of the absolute distance based on the m-th set.(m)(x, y)
And the composite wavelength is the second largest.m-1Make up the first
m−1 set of wavelengths λ(m-1) 1, Λ(m-1) 2(m-1 ) 2> Λ
(m-1) 1) Phase distribution(m-1) 1(x, y), ψ(m-1) 2(x,
y), the fringe order difference ΔN in the (m−1) th set
m-1(X, y) is ΔNm-1(X, y) = round [hg(m)(x, y) × k / Λm-1-
{Ψ(m-1) 1(x, y) −ψ(m-1) 2(x, y)} / (2 π)] where Λm-1: Second in the m-1 wavelength set
Large synthetic wavelength round []: obtained by a function that returns the closest integer, and the fringe order difference ΔN in the m-1st setm-1(X,
y) and the respective phase distributions に よ る of the m-1st set.
(m-1) 1(x, y), ψ(m-1) 2From (x, y), the reference plane and the front
Summary information hg of the absolute distance from the surface to be measured(m-1)(X,
y) to hg(m-1)(X, y) = Λm-1/ k × [{ψ(m-1) 1(x, y) -ψ
(m-1) 2(x, y)} / (2 π) + ΔNm-1(x, y)], and hg from i = m−2 to 1(i + 1)using (x, y)
ΔNi(x, y), and the ΔNihg using (x, y)
(i)2. The interferometer according to claim 1, wherein (x, y) is sequentially obtained.
Method.
【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λj による位相分布ψj (x,y)
(j=1,2, 3)とから、縞次数Nj (x,y) を Nj (x,y) =round[hg(1) (x,y) ×k/λj −ψj (x,
y)/(2π)] によって求め、前記縞次数Nj (x,y) と、前記1つの波
長λj による前記位相分布ψj (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 hsj (x,y) =λj /k×{ψj (x,y)/(2π) +Nj (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。
3. The method according to claim 1, wherein the step ( c) comprises the step of: determining the approximate information hg (1) (x, y) of the absolute distance according to the first set;
Phase distribution にj (x, y) by one of the wavelengths λ j
From (j = 1, 2, 3), the stripe order N j (x, y) is changed to N j (x, y) = round [hg (1) (x, y) × k / λ j −ψ j ( x,
y) / (2π)], from the fringe order N j (x, y) and the phase distribution ψ j (x, y) by the one wavelength λ j , the reference plane and the measurement target plane Hs j (x, y) = λ j / k × {ψ j (x, y) / (2π) + N j (x,
y) The interference measuring method according to claim 2, wherein the method is obtained by}.
【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。
4. The method according to claim 1, wherein the sixth step is performed by the at least three
Determining precise information of at least two of the absolute distances based on a phase distribution of at least two wavelengths of the wavelengths of the type, determining an average value of the precise information of the absolute distances,
The interference measurement method according to claim 2, wherein the average value is used as precise information of the absolute distance.
【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) <Λm-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。
5. The method according to claim 1, wherein the fourth step is the i-th (i =
1, 2,. . summary information hg of the absolute distance by the set of m)
(i) A configuration in which the sets are set such that the error σhg (i) (x, y ) of (x, y) satisfies σhg (i) (x, y) <Λ m-1 / 2 Claim 1
The interference measurement method described.
【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。
6. The method according to claim 1, wherein said second step is performed by said at least three steps.
2. The interference measurement method according to claim 1, wherein an imaging means for detecting light intensity in a two-dimensional area is used as means for detecting interference fringe images of different wavelengths.
【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。
7. The method according to claim 1, wherein at least three light sources are switched in time series to irradiate the reference surface and the measurement target surface with the light waves of the at least three types of wavelengths. 2. The interference measurement method according to claim 1, wherein the interference fringe images of at least three types of wavelengths are detected by a common detection unit.
【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。
8. A light source for irradiating light waves of at least three kinds of wavelengths to a reference surface and a surface to be measured, and a light wave of at least three kinds of wavelengths reflected by the reference surface and reflected or transmitted by the surface to be measured. An optical system that causes light waves of at least three kinds of wavelengths to interfere with each other for each wavelength; an interference fringe image detecting unit that individually detects at least three kinds of interference fringe images generated by interference of the light waves of at least three kinds of wavelengths; Based on the at least three types of interference fringe images, phase calculating means for calculating at least three types of phase distribution wrapped in a 2π section of the wavefront to be measured, and two wavelengths selected from the at least three types of wavelengths Setting means for setting the first to m-th (where m ≧ 2) sets such that the composite wavelength of the set of wavelengths is sequentially increased as one set; Based on the phase distribution difference between the interference fringe images of the two wavelengths corresponding to the m sets, the m-th to m-th sets are used for each of the first to m-th sets using an arithmetic expression corresponding to the sign of the phase distribution difference. First calculating means for sequentially calculating the approximate information of the absolute distance between the reference surface and the measurement target surface from the first to the first set; and the interference fringe image corresponding to one of the at least three wavelengths. And second calculating means for calculating precise information on the absolute distance between the reference plane and the measurement target plane based on the phase distribution of the first set and the general information on the absolute distance in the first set. Characteristic interference measurement device.
【請求項9】前記設定手段は、前記一組の波長をλi1
λi2とするとき、前記合成波長をΛ i =λi1・λi2
(λi2−λi1)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λm1,λm2(λm2
λm1)、前記波長λm1,λm2の位相分布をψm1(x,y),
ψm2(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≦{ψm1(x,
y)−ψm2(x,y) }ならば、 hg(m) (x,y)={ψm1(x, y)−ψm2(x,y) }/ {(2
π×k)・(1/λm1−1/λm2) } {ψm1(x, y)−ψm2(x,y) }<0ならば、 hg(m) (x,y)={ψm1(x, y)−ψm2(x,y)+2 π}/
{(2π×k)・(1/λm1−1/λm2) } 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Λm-1
構成する第m−1の組における縞次数差ΔNm-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)=Λm-1 /k×[ {ψ(m-1)1(x,y)-ψ
(m-1)2(x,y) }/(2 π)+ΔNm-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ΔNi (x,y) を求め、前記ΔNi
(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Λm-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
m-1 (x, y)を ΔNm-1 (x, y)=round[hg (m) (x,y) ×k/Λm-1-
{ψ(m-1)1(x,y) −ψ(m-1)2(x,y) }/(2 π)] 但し、Λm-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ΔNi (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λj 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 Nj (x,y) =round[hg(1) (x,y) ×k/λj −ψj (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Nj (x,y) と、前記
少なくとも3波長のうちの1つの波長λj による位相分
布ψj (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 hsj (x,y) =λj /k×{ψj (x,y)/(2π) +Nj (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。
9. The setting means sets the set of wavelengths to λ.i1,
λi2Where the composite wavelength is i= Λi1・ Λi2/
i2−λi1) (Where i = 1,
2,. . . m), the first calculating means calculates the maximum of the synthetic wavelength Δm
Λ is the m-th set of wavelengthsm1, Λm2m2>
λm1), The wavelength λm1, Λm2The phase distribution ofm1(x, y),
ψm2When (x, y), the reference surface and the measurement target surface
Summary information hg of the absolute distance of(m)(x, y) is 0 ≦ {ψm1(X,
 y) -ψm2(x, y) 、 then hg(m)(x, y) = {ψm1(X, y) −ψm2(x, y)} / {(2
π × k) ・ (1 / λm1−1 / λm2)} {Ψm1(X, y) −ψm2If (x, y)} <0, hg(m)(x, y) = {ψm1(X, y) −ψm2(x, y) +2 π} /
{(2π × k) ・ (1 / λm1−1 / λm2)} Where k: 2 for measurement by reflection, measurement by transmission
In the fixed case, 1 x, y: calculated by the coordinate components of a plane roughly along the surface to be measured, and the synthesized wavelength is the second largest.m-1To
The fringe order difference ΔN in the (m−1) th set to constitutem-1(X,
y) and the respective phase distributions に よ る by the (m−1) -th set
(m-1) 1(x, y), ψ(m-1) 2From (x, y), the reference plane and the front
Summary information hg of the absolute distance from the surface to be measured(m-1)(X,
y) to hg(m-1)(X, y) = Λm-1/ k × [{ψ(m-1) 1(x, y) -ψ
(m-1) 2(x, y)} / (2 π) + ΔNm-1(x, y)], and hg from i = m−2 to 1
(i + 1)ΔN using (x, y)i(x, y), and the ΔNi
hg using (x, y)(i)Approximate distance to obtain (x, y) sequentially
Calculating means; and approximate information hg of the absolute distance by the m-th set(m)(x, y)
And the composite wavelength is the second largest.m-1Make up the first
m-1 wavelength λ(m-1) 1, Λ(m-1) 2(m-1) 2>
λ(m-1) 1) Phase distribution(m-1) 1(x, y), ψ
(m-1) 2From (x, y), the fringe order difference Δ in the (m−1) th set
Nm-1(X, y) is ΔNm-1(X, y) = round [hg(m)(x, y) × k / Λm-1-
{Ψ(m-1) 1(x, y) −ψ(m-1) 2(x, y)} / (2 π)] where Λm-1: Second in the m-1 wavelength set
Large synthetic wavelength round []: Calculated by a function that returns the closest integer, and hg from i = m-2 to 1
(i + 1)ΔN using (x, y)iStripe order difference calculation for (x, y)
Output means and a first set obtained by the fringe order difference calculation means.
Summary information hg of the absolute distance(1)(x, y)
At least one wavelength λ of the three wavelengthsjPhase distribution
j(x, y) (j = 1,2,3) and the stripe order N
j(x, y) is Nj(x, y) = round [hg(1)(x, y) × k / λj−ψj(x,
y) / (2π)], and the second calculating means calculates the fringe order Nj(x, y) and
Wavelength λ of one of at least three wavelengthsjPhase component
Clothj(x, y) (j = 1,2,3)
Accurate information on the absolute distance between the surface and the surface to be measured is given by hsj(x, y) = λj/ k × {ψj(x, y) / (2π) + Nj(x,
y) Claims having a means for calculating a precise distance obtained by}
8. The interference measurement device according to 8.
【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。
10. The fringe order calculating means and the precise distance calculating means obtain at least two pieces of precise information of the absolute distance for at least two wavelengths of the at least three kinds, and obtain the precise information of the absolute distances. The interference measurement apparatus according to claim 8, wherein an average value of the absolute distance is obtained, and the average value is used as precise information of the absolute distance.
【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) <Λm-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。
11. The method according to claim 11, wherein the setting means sets the i-th one (i = 1, 2).
2,. . summary information hg of the absolute distance by the set of m)
(i) A configuration in which the sets are set such that the error σhg (i) (x, y ) of (x, y) satisfies σhg (i) (x, y) <Λ m-1 / 2 Claim 8
The interference measurement device as described.
【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。
12. The apparatus according to claim 8, wherein said interference fringe image detecting means uses an image pickup means for detecting light intensity in a two-dimensional area.
The interference measurement device as described.
【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。
13. An interference measuring apparatus according to claim 8, wherein said interference fringe image detecting means uses a two-dimensional color CCD camera.
【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。
14. An optical system for interfering with a light wave, comprising at least three light sources, switching the at least three light sources in time series and irradiating the at least three wavelengths to the reference surface and the measurement target surface. 9. The interference measurement apparatus according to claim 8, wherein the interference fringe image detecting unit detects the interference fringe images of the at least three wavelengths by a common imaging unit.
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