JP2001074411A

JP2001074411A - 干渉計

Info

Publication number: JP2001074411A
Application number: JP24713899A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ichikawa; 元市川; Masanori Suzuki; 正則鈴木; Takahiro Yamamoto; 貴広山本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、フリンジスキャン式干渉計に関
し、振動を含めた縞走査の誤差を高精度に補正すること
を目的とする。【解決手段】光源から出射された測定用光束を、被検物
の被検面の所望の設計形状と同じ幾何学形状を有する測
定波面に変換し、該被検面に照射し反射された該測定波
面と、光源から出射された所定の面形状を有する参照波
面とを互いに干渉させ、干渉により生じる干渉縞を光電
変換素子を用いて光電検出し、該干渉縞を演算装置を用
いて解析処理することにより、参照波面を基準とした、
被検面の面精度誤差を計測する干渉計において、干渉縞
が有する理論上の周期的な性質を利用して、予め該光電
変換素子の感度が有する階調特性の校正を行い、解析処
理を行う際に、校正の結果を用いて光電変換素子の出力
の補正を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フリンジスキャン
式の干渉計に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンズなどの微細な凹凸の形状計測に
は、光の波長以下のオーダーで検出が可能な干渉計測が
適用される。干渉計測をその原理によって分類すると、
主にヘテロダイン式、フリンジスキャン式の２種に分類
される。このうちフリンジスキャン式の干渉計測は、参
照面からの参照光と被検面からの被検光との位相差を変
化させながら両光の干渉縞パターンを観察し、それを解
析処理することによって被検面全体の凹凸を算出するも
のである。以下では、このフリンジスキャン式の干渉計
測を、単に「干渉計測」と称する。

【０００３】図１０は、干渉計測装置の概略構成図であ
る。図１０に示すように、干渉計測装置は、干渉計本体
８０１、その干渉計本体８０１に接続される計測用ユニ
ット８２０、および制御部８１０などからなる。干渉計
本体８０１は、光を出射する光源８０２と、撮像素子８
０８と、光学系（ビームエキスパンダ８０５、ビームス
プリッタ８０６、結像レンズ８０７等）とからなる。こ
の光学系は、光源８０２から出射された光を平面波に変
換して計測用ユニット８２０側に導くと共に、計測用ユ
ニット８２０側から入射した光を撮像素子８０８に導
く。

【０００４】計測用ユニット８２０には、光が入射する
側から順に、参照物体（フィゾー板）８０３と被検物体
（ワーク）８２とが装着される。フィゾー板８０３のフ
ィゾー面８０３ａとワーク８２の被検面８２ａとは共に
干渉計本体８０１の光軸（以下光軸方向をＺ方向とす
る）に垂直に装着されており、干渉計本体８０１から入
射した光は、一部がフィゾー面８０３ａにて反射し、他
の一部が被検面８２ａにて反射する。これらの反射光
は、干渉計本体８０１へ戻った後、上記した光学系によ
って撮像素子８０８へと導かれ、その撮像面に干渉縞を
形成する。

【０００５】計測用ユニット８２０にはまた、フィゾー
面８０３ａにおける反射光（参照光）と被検面８２ａに
おける反射光（被検光）の位相差を変化させるために、
フィゾー板８０３またはワーク８２をＺ方向に移動させ
るアナログピエゾ素子８０９などの移動機構が備えられ
る。制御部８１０は、図示されない駆動回路を介してこ
のアナログピエゾ素子８０９に駆動電圧を与えて被検光
と参照光との位相差を変化させながら（フリンジスキャ
ン）、撮像素子８０８の出力値が示す干渉縞パターンに
対して解析処理を施す。

【０００６】この解析処理において制御部８１０は、フ
リンジスキャン時におけるフィゾー板８０３はＺ方向に
等速度で移動しており、かつフィゾー板８０３のフィゾ
ー面８０３ａが常にＸＹ平面内にあるとみなした演算を
行う。すなわち、この前提の下では、時間ｔと干渉縞各
点の輝度Ｉとの間に所定の関係式（下式（１））が成立
するので、制御部８１０は、撮像素子８０８の各画素値
に対し、この関係式（１）に基づく５バケット法などの
演算（下式（２）〜（７））を行い、参照光と被検光と
の位相差φの分布を求める。この位相差分布は、フィゾ
ー面８０３ａを基準とした被検面８２ａの形状情報とし
て外部の表示器などに出力される。

【０００７】Ｉ（ｔ）＝Ｉ₀［１＋γsin（２ωｔ＋φ₀）］・・・（１）この式（１）下では、例えば５バケット法によると、画
素に蓄積（時間積分）された電荷の出力は、Ｉ_n1＝Ｉ₀・Ｔ［１／４＋｛√２／（２π）・γ・ｓｉｎφ｝］・・・（２）Ｉ_n2＝Ｉ₀・Ｔ［１／４＋｛√２／（２π）・γ・ｃｏｓφ｝］・・・（３）Ｉ_n3＝Ｉ₀・Ｔ［１／４−｛√２／（２π）・γ・ｓｉｎφ｝］・・・（４）Ｉ_n4＝Ｉ₀・Ｔ［１／４−｛√２／（２π）・γ・ｃｏｓφ｝］・・・（５）Ｉ_n5＝Ｉ₀・Ｔ［１／４＋｛√２／（２π）・γ・ｓｉｎφ｝］・・・（６）となり、各位置における位相差（初期位相）φは、次式
（７）から求まる。

【０００８】 φ＝ｔａｎ^-1［｛（Ｉ_n1＋Ｉ_n5）／２−Ｉ_n3｝／（Ｉ_n2−Ｉ_n4）］・・・（７）

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
干渉計測装置の計測精度を向上させるためには、上記フ
リンジスキャンの非線形性や姿勢変化による誤差を補正
する必要がある。

【００１０】図１１に示すように、ここでいう「フリン
ジスキャンの非線形性」とは、移動物体（図１０ではフ
ィゾー板８０３）の移動速度の変化であり、また、「フ
リンジスキャンの姿勢変化」とは、移動物体の有効面
（図１０ではフィゾー面８０３ａ）のＸＹ平面からの傾
斜である。なお、被検面が球面または２次非球面状の場
合（図１０では被検面８２ａが平面状である場合につい
て示した。）には、この姿勢変化に、その被検面とこの
場合使用されるヌルレンズとの間の焦点ずれも加わる。

【００１１】しかしながら上記の計測結果には、このよ
うなフリンジスキャンの精度に起因する誤差の他に、主
に撮像素子８０８の感度の非線形性（階調特性の非線形
性）に起因する、干渉計本体８０１の固有誤差も含まれ
ており、上記した誤差の補正を実現させることは非常に
困難であった。なお、フリンジスキャンの精度向上のた
めに、移動機構として比較的高性能のディジタルピエゾ
素子を使用することが考えられるが、全ての干渉計測装
置への適用は経済的に困難である。

【００１２】本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてな
されたもので、フリンジスキャン式干渉計を用いる際
に、振動を含めた縞走査の誤差（上記フリンジスキャン
の非線形性および姿勢変化）を高精度に補正することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、光源から出射された測定用光束を、被検物の被検面
の所望の設計形状と同じ幾何学形状を有する測定波面に
変換し、該被検面に照射し反射された該測定波面と、光
源から出射された所定の面形状を有する参照波面とを互
いに干渉させ、干渉により生じる干渉縞を光電変換素子
を用いて光電検出し、該干渉縞を演算装置を用いて解析
処理することにより、参照波面を基準とした、被検面の
面精度誤差（該設計形状からの乖離誤差成分の内、該幾
何学形状の誤差成分を除去した後に残る、うねり誤差成
分）を計測する干渉計において、干渉縞が有する理論上
の周期的な性質を利用して、予め該光電変換素子の感度
が有する階調特性の校正を行い、解析処理を行う際に、
校正の結果を用いることにより、光電変換素子の出力の
補正を可能とすることを特徴とする。

【００１４】これにより、光電変換素子の画素毎の感度
の非線形性の影響を受けることなく、高精度に位相の算
出を行うことが可能となる。請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の干渉計において、参照波面に対する被
検面の相対位置を線形に変化させ、光電変換素子の電荷
量の周期変動を検出し、該相対位置と該周期変動との相
関付けをもってして、校正とすることを特徴とする。こ
れにより、光電変換素子の感度の非線形性をその場で校
正することが可能になる。

【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載の干渉計において、解析処理は、参照波
面に対する被検面の相対位置を、光源の波長と光電変換
素子の特性から定まる所定の時間間隔で、ＰＺＴ素子に
代表される走査手段を用いて連続して変化させることに
より光電変換素子の画素毎に得られる、光電変換素子の
電荷量の周期変動を利用して、該周期変動の開始時刻を
特定する位相の相対差を、被検面に設定された測定有効
面にわたって算出し、等価的に参照波面を基準とした被
検面の面精度誤差を算出するものであって、画素毎に前
記演算装置に記録された周期変動の時間的な差分履歴を
求めることにより、被検面の姿勢変化を演算装置を用い
て算出し、得られた該姿勢変化を画素毎に電荷量に換算
して該周期変動に補正を加えることにより、該周期変動
を画素毎に等しくしてから、位相の相対差を測定有効面
にわたって抽出することを特徴とする。

【００１６】これにより、振動などの影響で、被検面が
基準参照面に対してランダムに傾斜する姿勢変化の生じ
る場合でも、その傾斜を補正することにより、縞走査に
伴い生ずる周期変動の波形を、光電変換素子の各画素毎
に等しくすることができるため、特に、縞走査手段によ
る移動が非線形となる場合の位相の算出を、高精度に行
うことが可能である。

【００１７】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の干渉計において、時間間隔、または走査手段の速度を
適切に設定し、周期変動の１周期のサンプリング数を多
くすることにより、抽出の精度を向上させるとを特徴と
する。これにより、前記画素毎に前記演算装置に記録さ
れた該周期変動の時間的な差分履歴の算出を、高精度に
行うことが可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態を説明する。＜実施形態＞先ず、本発明に係る実施形態を、図１、図
２、図３、図４、図５、図６、図７に基づいて説明す
る。本実施形態は、請求項１、請求項２、請求項３、請
求項４に対応する。

【００１９】図１は、実施形態における干渉計測装置の
概略構成図である。図１において、図１０に示すものと
同じものについては同一の符号を付して示し、ここでは
その説明を省略する。本実施形態の干渉計測装置では、
従来の制御部８１０に代えて制御部１０が備えられる。
また、通常の計測に先行して行われる校正時には、従来
と同様の計測用ユニット８２０に代えて、校正用ユニッ
ト２０が取り付けられる。

【００２０】図２は、本実施形態の計測用ユニットおよ
び校正用ユニットを説明する図である。図２（ａ）に示
すように、本実施形態の計測用ユニット８２０は、先に
述べた従来の計測用ユニット８２０と同じ構成である。
一方、図２（ｂ）に示すように、校正用ユニット２０
は、計測用ユニット８２０と異なり、ワーク８２の代わ
りにダミー２が装着されている。また、フィゾー板８０
３のフィゾー面８０３ａからの参照光と、ダミー２の被
検面（ダミー面）２ａからの被検光との位相差を変化さ
せる移動手段として、計測用ユニット８２０における移
動手段（アナログピエゾ素子８０９）よりも高精度に移
動パターンを制御できる移動機構、例えば、ディジタル
ピエゾ素子２９が使用される。なお、このディジタルピ
エゾ素子２９は、ステップ状に等距離ずつ移動対象物を
Ｚ方向に移動させることができる。

【００２１】また、ダミー面２ａの反射率βは、干渉縞
の暗部と明部とのコントラストを最大とするために、フ
ィゾー面８０３ａの反射率αとの間に次式（８）が成立
するような値に設定されている。 β≒α／（１−α）² ・・・（８）因みに、フィゾー板８０３が通常の光学硝子により形成
されていた場合は、そのフィゾー面８０３ａの反射率α
は約４％であるから、ダミー面２ａの反射率βは、約
４．３４％に設定される。

【００２２】その他、この校正用ユニット２０を使用す
る校正時には、ダミー面２ａからの被検光とフィゾー面
８０３ａからの参照光とが生成する干渉縞の輝度レベル
（最明部−最暗部）が、撮像素子８０８のダイナミック
レンジ（Ｌmax−Ｌmin）に対応するように、干渉計本体
８０１の光源８０２（例えば、波長６３３ｎｍのＨｅ−
Ｎｅレーザ光源）の輝度が設定される。また、必要であ
れば、光源８０２に代わる校正用の光源を用意してもよ
い。

【００２３】このような各設定によれば、後に説明する
校正時に、撮像素子８０８の各画素（ｘ，ｙ）の最大出
力値Ｌmaxから最小出力値Ｌminまでの補正値を確実に得
ることができる。なお、フィゾー板８０３は、不用な干
渉光や回折光を回避するために、フィゾー面８０３ａの
反対の側において、図２のように楔角度が設けられる
か、または、ＡＲコート（反射防止膜）が塗布されると
いった処置が施されている。

【００２４】また、図２では、移動対象物が、計測用ユ
ニット８２０ではフィゾー板８０３、校正用ユニット２
０ではダミー２とされているが、これに限らず、計測用
ユニット８２０でワーク８２、校正用ユニット２０でフ
ィゾー板８０３を移動させる構成としてもよい。図３
は、校正時における制御部の動作フローチャートであ
る。図４、図５は、校正時における制御部１０の動作を
説明する図である。

【００２５】制御部１０は、干渉計測装置に校正用ユニ
ット２０が装着されたことを確認すると（図３ステップ
Ｓ１YES側）、図示されない駆動回路を介してディジタ
ルピエゾ素子２９を駆動し、ダミー２の移動（フリンジ
スキャン）を開始する（図３ステップＳ２）。ここで、
ダミー２は、等距離ずつステップ状に（線形的に）、少
なくとも光源から出射された光の波長の１／２倍だけ移
動し、かつ姿勢変化は生じないとみなす（図４
（ａ））。なお、実際に制御部１０が扱う各データは離
散的な値であるが、図４および図５では、簡単のため全
てのデータを連続的に表している。

【００２６】制御部１０は、ダミー２が各位置にあると
きに撮像素子８０８から出力される信号を参照し、参照
光と被検光の位相差φがφ₁，・・・φ_nであるときの画
像データＬ₁（ｘ，ｙ），・・・，Ｌ_n（ｘ，ｙ）を取得
する（図３ステップＳ３）。ここで、上記した校正の干
渉計測装置における干渉縞輝度Ｉは、次式（９）のよう
にその位相差φに対して正弦的に変化するという物理的
性質を有している。

【００２７】Ｉ（φ）＝Ｉ₀［１＋γsin（φ＋φ₀）］・・・（９）したがって、撮像素子８０８の画素値Ｌが干渉縞輝度Ｉ
を正確に表している場合には、次式（１０）が成り立つ
（図４（ｂ）点線で示す理想曲線）。Ｌ（φ）＝Ｉ₀［１＋γsin（φ＋φ₀）］・・・（１０）しかし、撮像素子８０８の各画素はそれぞれ固有の階調
特性を有し、例えば図５に実線で示すような曲線を描
く。それは点線で示すような理想的な階調特性（直線Ｉ
＝Ｌ）から外れている。

【００２８】このため、各位相差φ₁，・・・φ_nと、実
測により得た各画素値Ｌ₁，・・・，Ｌ_nとの関係（図４
（ｂ）実線）も、理想的曲線（式（１０），図４（ｂ）
点線）から外れている。そこで、制御部１０は、以下に
説明するように、実測値である画素値Ｌ₁・・・Ｌ_nとそ
の理想曲線とを比較し、撮像素子８０８の各画素の階調
特性を求める（図３ステップＳ４）。

【００２９】制御部１０は先ず、各位相差φ₁，・・・
φ_nとそれに対応する画素値Ｌ₁，・・・，Ｌ_nから、式
（１０）が示す理想曲線の係数を、最小二乗法等の数値
演算によって求める。さらに、位相差がφ_iであるとき
の画素値Ｌ_iから、このようにして求めた理想曲線上の
値を差し引く演算を行い、差分Δ_iを求める（式（１
１））。

【００３０】 Δ_i＝Ｌ_i−Ｉ₀［１＋γsin（φ_i＋φ₀）］・・・（１１）制御部１０は、このような演算を、画素値の最小値Ｌ
_minから最大値Ｌ_maxについて行い、各画素値（Ｌ_min，
・・・，Ｌ_max）に対応する差分（Δ_min，・・・，Δ
_max）を求める。

【００３１】さらに、このような各差分（Δ_min，・・
・，Δ_max）の算出は、各画素（ｘ，ｙ）について個別
に行われ、制御部１０は、求めた差分を、各画素の各画
素値に対応付けて、制御部１０内のメモリに格納する。
以下、この差分については、それが撮像素子８０８の各
画素の階調特性（図５実線）を示すことから、「γ補正
値」と称する（以上図３ステップＳ４）。

【００３２】このように、撮像素子８０８の各画素の階
調特性は、位相差に関する干渉光輝度の物理的性質（式
（９））を利用すれば、干渉計測装置におけるフリンジ
スキャンの結果から確実に算出することができる。そし
て、この校正方法は、干渉計本体８０１内の状態を通常
の計測時と同じに保つことができるので、部品の配置精
度に対する要求が非常に高いこの干渉計測装置におい
て、極めて有利である。

【００３３】図６は、通常の計測時における制御部の動
作フローチャートである。図７は、通常の計測時におけ
る制御部の動作を説明する図である。制御部１０は、干
渉計測装置に計測用ユニット８２０が装着されたことが
確認されると（図６ステップＳ５YES側）、図示されな
い駆動回路を介してアナログピエゾ素子８０９を駆動
し、フリンジスキャンを開始する（図６ステップＳ
６）。なお、フリンジスキャン時にフィゾー板８０３
は、少なくとも光源から出射された光の波長の１／２倍
だけ移動するものとする。

【００３４】このフリンジスキャン時の単位時間Ｔ毎
に、制御部１０は、撮像素子８０８から出力される画像
データＬ₁（ｘ，ｙ），・・・，Ｌ_n（ｘ，ｙ）を取得す
る（図６ステップＳ７）。次に、制御部１０は、撮像素
子３０８の階調特性が格納されたメモリを参照して、取
得した画像データＬ₁（ｘ，ｙ），・・・，Ｌ_n（ｘ，
ｙ）の各画素の各画素値Ｌ_iを、その画素のその画素値
に対応付けられたγ補正値Δ_iにより補正する（式（１
２））。

【００３５】Ｉ_i＝Ｌ_i−Δ_i ・・・（１２）これによって、実際の干渉縞の輝度分布Ｉ₁（ｘ，
ｙ），・・・，Ｉ_n（ｘ，ｙ）が求まる（図６ステップ
Ｓ８）（撮像素子の階調特性補正の手順）。次に、制御
部１０は、次式（１３）によってこの輝度分布Ｉ
₁（ｘ，ｙ），・・・，Ｉ_n（ｘ，ｙ）を位相データφ₁
（ｘ，ｙ），・・・，φ_n（ｘ，ｙ）に変換する（図６
ステップＳ９）。

【００３６】Ｉ_i（φ_i）＝Ｉ₀［１＋γsin（φ_i＋φ₀）］・・・（１３）なお、この式（１３）における各係数については、位相
データで表された各輝度分布φ₁（ｘ，ｙ），・・・，
φ_n（ｘ，ｙ）の間に共通の値であれば、如何なる値と
しても構わない。次に、制御部１０は、位相データで表
された輝度分布φ₁（ｘ，ｙ），・・・，φ_n（ｘ，ｙ）
について、時間方向の差分（時間的変化）Δφ₁（ｘ，
ｙ），・・・，Δφ_n-1（ｘ，ｙ）をとる（式（１
４））（図６ステップＳ１０）。

【００３７】Δφ_k＝φ_k+1−φ_k ・・・（１４）制御部１０は、フィゾー面８０３ａの姿勢変化（図７
（ａ））を示すこの差分Δφ₁（ｘ，ｙ），・・・，Δ
φ_n-1（ｘ，ｙ）から、一般のアライメント誤差補正と
同様の手順で、姿勢変化を求める（図６ステップＳ１
１）。例えば、差分Δφ_i（ｘ，ｙ）についての最適近
似平面をＺ＝ａ_iＸ＋ｂ_iＹとおき、各画素（ｘ，ｙ）に
おける各差分Δφ_iの値から、最小二乗法等の数値演算
によって係数を求める。こうして得られた係数に基づい
て、ある画素（例えば（０，０））を基準としたフィゾ
ー面８０３ａのＺ方向の変位ΔＺ_i（ｘ，ｙ）を、各画
素毎に各位置における姿勢変化として求める。

【００３８】このようにして求めた各時点における姿勢
変化ΔＺ₁（ｘ，ｙ），・・・，ΔＺ_n-1（ｘ，ｙ）は、
位相データで表されたものであるから、その後の補正演
算のために、上式（１３）によって輝度データΔＩ
₁（ｘ，ｙ），・・・，ΔＩ_n-1（ｘ，ｙ）に変換される
（図６ステップＳ１２）。

【００３９】さらに、輝度データで表された姿勢変化Δ
Ｉ₁（ｘ，ｙ），・・・，ΔＩ_n-1（ｘ，ｙ）を、輝度分
布Ｉ₁（ｘ，ｙ），・・・，Ｉ_n（ｘ，ｙ）から差し引く
ことによって、制御部１０は、姿勢変化による誤差が補
正された補正輝度分布Ｄ₁（ｘ，ｙ），・・・，Ｄ
_n（ｘ，ｙ）を得る（図６ステップＳ１３）（以上ステ
ップＳ９〜Ｓ１３姿勢変化補正の手順）（図７
（ｂ））。

【００４０】このようにして得られた補正輝度分布Ｄ₁
（ｘ，ｙ），・・・，Ｄ_n（ｘ，ｙ）は、たとえフリン
ジスキャンの姿勢変化や非線形性が存在した状態におい
ても、初期位相のみが異なる、全く同じ振る舞いをする
周期変動となっている（図７（ｂ）はずであり、この性
質を利用して、初期位相分布の算出が可能となる。そこ
で、制御部１０は、フリンジスキャンの非線形性が考慮
された所定式をこれらの補正輝度分布Ｄ₁（ｘ，ｙ），
・・・，Ｄ_n（ｘ，ｙ）に適用することによって、被検
面８２ａの形状データを算出すると同時に、非線形性に
よる誤差を補正する（図６ステップＳ１４）（非線形性
補正の手順、被検面形状算出の手順）。

【００４１】例えば、制御部１０は、補正輝度分布Ｄ₁
（ｘ，ｙ），・・・，Ｄ_n（ｘ，ｙ）を参照し、各画素
（ｘ，ｙ）の各時点における補正輝度Ｄ₁，・・・，Ｄ_n
を例えば式（１５）のようにフーリエ変換する。Ｄ（ｔ）＝ｐ₁cos（ｔ＋φ₁）＋ｐ₂cos（２ｔ＋φ₂）＋・・・＋ｐ_mcos（ｍｔ＋φ_m）・・・（１５）つまり、各画素（ｘ，ｙ）の補正輝度Ｄ₁，・・・，Ｄ_n
については単位時間Ｔ毎に得たデータであるものの、フ
リンジスキャンの非線形性のために、異なる周期および
振幅の複数波形の和からなるとみなされる。

【００４２】制御部１０は、各画素（ｘ，ｙ）について
の各周期の位相成分φ_k，振幅ｐ_kから、画素全体に亘る
位相成分φ_kの分布φ_k（ｘ，ｙ）と、画素全体に亘る振
幅ｐ _kの分布ｐ_k（ｘ，ｙ）とを求め、或る時点（例えば
初期）における参照光に対する被検光の位相差分布（被
検面の形状）φ₀（ｘ，ｙ）を、次式（１６）により近
似する。

【数１】この式（１５）（１６）による演算の信頼性については
シミュレーションにより確認されており、取得された被
検面形状φ₀（ｘ，ｙ）においては、非線形性による誤
差（図７（ｂ）参照）は消去されている。すなわち、本
実施形態では、撮像素子の階調特性を補正し、その結果
可能となった姿勢変化の補正を行い、さらにその結果可
能となったフリンジスキャンの非線形性の補正を行うと
いうように、各種誤差を最適な順序で補正しているの
で、確実に高精度な結果を得ることができる。

【００４３】ここで、上式（７）で求まる初期位相にお
いては、バケット幅が有限である意味での撮像素子８０
８の時間積分は、前記周期変動が理想的な正弦波である
限り誤差とはならないが、非線形性の校正を行う上記実
施形態では、誤差となりうる。そこで、この誤差を少な
くするためには、先述した「ｎ」を大きくすることで対
処可能である。

【００４４】また、上記実施形態では、校正時に干渉光
の輝度を変化させるための手段として移動機構（ディジ
タルピエゾ素子２９）が使用されたが、ＮＤフィルタを
使用してもよい。すなわち、校正用ユニット２０または
干渉計本体８０１の光路に互いに相関のとれたＮＤフィ
ルタを挿入し、そのＮＤフィルタの枚数を変化させるこ
とによって、撮像素子８０８の撮像面における干渉光の
輝度を変化させることができる。

【００４５】また、上記実施形態では、校正時に干渉光
の輝度を変化させるための手段として移動機構（ディジ
タルピエゾ素子２９）が使用されたが、多重干渉縞を利
用してもよい。すなわち、３光束干渉縞によりＸＹ平面
内に正弦波状の輝度分布を形成し、その輝度分布のＸＹ
平面内における位置を何らかの方法で移動させれば、撮
像素子８０８の撮像面における干渉光の輝度を変化させ
ることができる。

【００４６】また、上記実施形態では、被検面が平面で
ある場合について説明したが、本発明は、被検面が球面
状である場合にも適用可能である。このような場合に
は、被検面とこの場合に使用されるヌルレンズとの間の
焦点ずれも姿勢変化に加わる。しかし、姿勢変化算出時
（図６ステップＳ１１）に、球面状の被検面の計測で一
般に行われているアライメント誤差補正の方法を適用す
れば、この焦点ずれを含む姿勢変化は補正可能である。
具体的には、差分Δφ_i（ｘ，ｙ）についての最適近似
球面をＺ＝ＡＸ＋ＢＹ＋Ｄ（Ｘ²＋Ｙ²）とおき、各画素
（ｘ，ｙ）における各差分Δφ_iの値から、最小二乗法
等の数値演算によって係数を求める。こうして得られた
係数に基づいて、ある画素（例えば（０，０））を基準
としたフィゾー面のＺ方向の変位ΔＺ_i（ｘ，ｙ）を、
各位置における姿勢変化として求めればよい。

【００４７】また、上記実施形態では、干渉縞の輝度分
布の時間的変化から姿勢変化を求める際に、時間的に隣
り合う輝度分布を基準としているが（式（１４）参
照）、どの輝度分布を基準としてもよい。さらに、以上
説明した実施形態において、計測精度を高める方法が２
つあるので説明しておく。

【００４８】＜ディジタルピエゾ素子の校正＞上記実施
形態の校正時には、校正ユニット２０に備えられるディ
ジタルピエゾ素子２９には非線形性がないものとみなし
た。しかし、このディジタルピエゾ素子２９は、通常の
計測時に使用されるアナログピエゾ素子８０９と比較す
ればその性能は高くなっているものの、依然として非線
形性を有している。したがって、より高精度な校正を望
む場合には、その非線形性を抽出してディジタルピエゾ
素子２９の校正をすることも必要となる。

【００４９】図８は、ディジタルピエゾ素子の校正時に
使用される校正用ユニットを示す図である。この校正用
ユニット３０は、図２に示す実施形態の校正用ユニット
２０と異なり、球面状（または２次非球面状）のダミー
面３ａを有したダミー３が配置され、また、フィゾー板
７３とそのダミー３との間には、そのダミー面３ａの曲
率半径Ｒと同じ曲率半径Ｒの球面波を発生するヌルレン
ズ７４が配置される。

【００５０】干渉計本体８０１（図１参照）から入射し
た光は、一部がフィゾー面７３ａにて反射し、他の一部
がヌルレンズ７４を介してダミー面３ａに垂直に入射す
る。このダミー面３ａおよびフィゾー面７３における反
射光は、干渉計本体８０１へ戻った後、その干渉計本体
８０１内の光学系によって撮像素子８０８へと導かれ、
干渉縞を形成する。

【００５１】ディジタルピエゾ素子２９の校正を行うに
は、この構成用ユニット３０において、ディジタルピエ
ゾ素子２９によりフィゾー板７３を移動させるフリンジ
スキャンと、同じディジタルピエゾ素子２９によりダミ
ー３を移動させるフリンジスキャンとを行い、２つのフ
リンジスキャンの結果得られた干渉縞の変化パターンを
比較する。但し、この２つのフリンジスキャンでは、デ
ィジタルピエゾ素子２９に与えられる条件が校正時と一
致しているか、または、異なるとしても既知であるとす
る。

【００５２】このような校正用ユニット３０において
は、干渉計本体８０１の撮像素子８０８までの光路は、
フィゾー面７３ａについては面全体に亘り等しいが、球
面状のダミー面３ａについては光軸からの横方向の距離
Ｌと曲率半径Ｒに依存する距離だけ異なる。このため、
フィゾー面７３ａが移動している場合の干渉縞の変化パ
ターンと、ダミー面３ａが移動している場合の干渉縞の
変化パターンとの間には、距離Ｌと曲率半径Ｒによって
定まる所定関係が成立する。

【００５３】したがって、例えばディジタルピエゾ素子
２９に与える条件を一致させたにも拘わらず、フィゾー
面７３ａの移動による干渉縞の変化パターンと、ダミー
面３ａの移動による干渉縞の変化パターンとの関係が前
記所定関係となっていない場合には、その所定関係から
の乖離分が、ディジタルピエゾ素子２９の非線形性を示
す。

【００５４】そして図３に示す制御部１０の手順に、こ
のディジタルピエゾ素子２９の非線形性の算出の手順
と、それを補正する手順とを加えれば、撮像素子８０８
の各画素の階調特性はより高い精度で求められる。な
お、上記の方法では、平面状のフィゾー面７３ａを移動
させた結果と、球面状（２次非球面状）のダミー３の移
動を移動させた結果とを比較しているが、少なくとも形
状の関係が既知である２つの面をそれぞれ同様に移動さ
せてその結果を比較すれば、ディジタルピエゾ素子２９
の校正は可能である。

【００５５】例えば、平面状のダミーと、球面状（２次
非球面状）のダミーとの２種を用意し、平面状のダミー
を移動させた結果と、球面状（２次非球面状）のダミー
を移動させた結果とを比較する。＜装置ドリフトの補正＞上記実施形態では、校正時にお
ける装置ドリフトについてはなんら説明しなかったが、
高精度な校正を望む場合には、この装置ドリフトを抽出
して補正する必要がある。

【００５６】図９は、装置ドリフトの抽出を説明する図
である。干渉計本体８０１に備えられる撮像素子８０８
は、一般に、その撮像面８０８ａの中央の測定有効面８
０８ｂの外側に幾つかの画素を有している。通常の計測
では、これらの画素の示す画素値は、干渉縞のパターン
を示す情報を含まない無効画素値であるが、装置ドリフ
トに応じた値のノイズを示す。

【００５７】そこで、図３に示す制御部１０の手順に、
これらの画素（ドリフトモニタ用画素８０８ｃ）を参照
することによって装置ドリフトを監視する手順と、監視
された装置ドリフトに応じて取得した各画像データを補
正する手順とを加えれば、撮像素子８０８の各画素の階
調特性はより高い精度で求められる。

【００５８】

【発明の効果】このように、本発明に係る干渉計を採用
すれば、振動を含めた縞走査の誤差（上記フリンジスキ
ャンの非線形性および姿勢変化）を高精度に補正するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態における干渉計測装置の概略構成図で
ある。

【図２】計測用ユニットおよび校正用ユニットを説明す
る図である。

【図３】校正時における制御部の動作フローチャートで
ある。

【図４】校正時における制御部の動作を説明する図であ
る。

【図５】校正時における制御部の動作を説明する図であ
る。

【図６】通常の計測時における制御部の動作フローチャ
ートである。

【図７】通常の計測時における制御部の動作を説明する
図である。

【図８】ディジタルピエゾ素子の校正時に使用される校
正用ユニットを示す図である。

【図９】装置ドリフトの抽出を説明する図である。

【図１０】干渉計測装置の概略構成図である。

【図１１】非線形性、および姿勢変化を説明する図であ
る。

【符号の説明】

２，３ダミー１０，８１０制御部２０，３０校正用ユニット８０１干渉計本体８２０計測用ユニット２９ディジタルピエゾ素子７４ヌルレンズ

フロントページの続き (72)発明者山本貴広東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内Ｆターム(参考） 2F064 CC04 EE05 GG22 GG52 HH03 HH08 JJ01 2F065 AA50 BB02 DD03 EE00 FF01 FF51 HH13 JJ03 JJ26 LL00 LL09 LL21 NN05 QQ13 QQ14 QQ18 QQ39

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から出射された測定用光束を、被検
物の被検面の所望の設計形状と同じ幾何学形状を有する
測定波面に変換し、該被検面に照射し反射された該測定
波面と、前記光源から出射された所定の面形状を有する
参照波面とを互いに干渉させ、干渉により生じる干渉縞
を光電変換素子を用いて光電検出し、該干渉縞を演算装
置を用いて解析処理することにより、前記参照波面を基
準とした、前記被検面の面精度誤差を計測する干渉計に
おいて、前記干渉縞が有する理論上の周期的な性質を利用して、
予め該光電変換素子の感度が有する階調特性の校正を行
い、前記解析処理を行う際に、前記校正の結果を用いること
により、前記光電変換素子の出力の補正を可能とするこ
とを特徴とする干渉計。
【請求項２】請求項１に記載の干渉計において、前記参照波面に対する前記被検面の相対位置を線形に変
化させ、前記光電変換素子の電荷量の周期変動を検出
し、該相対位置と該周期変動との相関付けをもってし
て、前記校正とすることを特徴とする干渉計。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の干渉計
において、前記解析処理は、前記参照波面に対する前記被検面の相対位置を、前記光
源の波長と前記光電変換素子の特性から定まる所定の時
間間隔で、ＰＺＴ素子に代表される走査手段を用いて連
続して変化させることにより前記光電変換素子の画素毎
に得られる、前記光電変換素子の電荷量の周期変動を利
用して、該周期変動の開始時刻を特定する位相の相対差
を、前記被検面に設定された測定有効面にわたって算出
し、等価的に前記参照波面を基準とした前記被検面の面
精度誤差を算出するものであって、前記画素毎に前記演算装置に記録された前記周期変動の
時間的な差分履歴を求めることにより、前記被検面の姿
勢変化を前記演算装置を用いて算出し、得られた該姿勢
変化を前記画素毎に電荷量に換算して該周期変動に補正
を加えることにより、該周期変動を前記画素毎に等しく
してから、前記位相の相対差を前記測定有効面にわたっ
て抽出することを特徴とする干渉計。
【請求項４】請求項３に記載の干渉計において、前記時間間隔、または前記走査手段の速度を適切に設定
し、前記周期変動の１周期のサンプリング数を多くする
ことにより、前記抽出の精度を向上させることを特徴と
する干渉計。