JP2007263748A

JP2007263748A - 光学干渉計

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Publication number: JP2007263748A
Application number: JP2006089265A
Authority: JP
Inventors: Jansen Martin; ヤンセンマーチン
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: EP1840502A1; US7471396B2; DE602007002430D1; US20070229842A1; EP1840502B1; JP4729423B2

Abstract

【課題】ワークの厚み変化を求めることができる光学干渉計を提供する。
【解決手段】光学干渉計１００は、ワークＷのおもて面側に配設される第１光学干渉計２００と、ワークＷのうら面側に配設される第２光学干渉計３００とを備える。第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とは、光発射部２１０、３１０と、ワイヤーグリッド２２０、３２０と、干渉縞取得部２３０、３３０と、を備える。第１光学干渉計２００のワイヤーグリッド２２０と第２光学干渉計３００のワイヤーグリッド３２０とはワイヤー配列方向が直交関係にある。ワークＷが配置されない状態では、第１光学干渉計２００のワイヤーグリッド２２０が第２光学干渉計３００からの光を反射して物体光を生成し、第２光学干渉計３００のワイヤーグリッド３２０が第１光学干渉計２００からの光を反射して物体光を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学干渉計に関する。具体的には、測定対象物の厚み変化を測定する光学干渉計に関する。

被検面の凹凸を測定するための装置として光学干渉計が知られている（例えば、特許文献１）。
図８は、マイケルソン型の光学干渉計１０を示す図である。
図８において、光源１１から発射された光は、コリメートレンズ系１２によって平行光束となった後、ハーフミラー１３を通過し、途中のレンズ１４によって絞られてワークＷに照射される。ワークＷに照射された光は、ワークＷによって反射され、物体光Ｌａとなり、ハーフミラー１３に反射されて干渉縞取得部に入射する。ここで、レンズ１４とワークＷとの間にはビームスプリッタ１６と参照ミラー１７とが配設されている。そして、レンズ１４を通過した光のうちビームスプリッタ１６を通過した光はワークＷに照射されて物体光Ｌａとなるのに対し、ビームスプリッタ１６にて反射された光は参照ミラー１７に入射して反射され参照光Ｌｂとなる。
参照光Ｌｂは、ビームスプリッタ１６にて再び反射され、ハーフミラー１３を介して干渉縞取得部１５に入射する。干渉縞取得部１５では、物体光Ｌａと参照光Ｌｂとが干渉して生成される干渉縞をＣＣＤカメラ（不図示）による撮像などで取得する。そして、干渉縞の縞間隔等を解析することによってワーク表面の凹凸を求めることができる。

このように光学干渉計１０を用いてワーク表面の凹凸を求めることができるところ、さらに、ワークＷの厚み変化を知りたいという要求がある。例えば、半導体ウェハの厚み変化などを知りたい場合である。このようにワークＷの厚み変化を知りたい場合に、例えば、図８の光学干渉計１０によってワークＷの表裏面を交互に測定することが考えられる。すなわち、図８の光学干渉計１０によってワーク表面のおもて面を測定する。さらに、ワークＷをひっくり返してワーク裏面の凹凸を測定する。そして、ワークＷおもて面とワーク裏面との形状データを合成することによって、ワークの厚み変化を知ることができると考えられる。

特開平８−３５８８３号

ワークＷをひっくり返してワークおもて面Ｓａおよびワークうら面Ｓｂを測定することにより、おもて面Ｓａとうら面Ｓｂとのそれぞれの凹凸データを得ることはできる。
しかしながら、測定データを合成する際におもて面データＤａのポイントとうら面データＤｂのポイントとを対応させることができなければ、ワークＷの厚み変化を求めることはできない。すなわち、図９のごとくおもて面データＤａとうら面データＤｂとを得たとしても、おもて面データＤａとうら面データＤｂとで同軸上のポイントが特定できなければ、ワークＷの厚み変化を求めることができない。
図９中において、点Ａ１におけるおもて面データに対し、うら面データにおける同軸上の点が点Ａ２であるとする。点Ａ１のおもて面データＤａと点Ａ２のうら面データＤｂとを対応させれば、ワークＷの厚みに対応したデータを得ることができる。よって、このようにおもて面データＤａとうら面データＤｂとで同軸上のデータ同士を対応させていけば、ワークＷの厚み変化を求めることができる。
しかし、点Ａ１に対する同軸上の点が正確に特定できない場合に、点Ａ１に対して軸線からずれた点である点Ｂ２を対応させるようなことがあると、ワークＷの厚み変化を求めることはできない。

あるいは、図１０に示されるように、ワークＷを挟んでおもて面側とワークうら面側とに光学干渉計１０を配設することが考えられる。そして、予め表裏面において同軸ポイントが対応付けられているオプティカルフラット（不図示）を用意し、ワークＷを測定する前にこのオプティカルフラットの表裏両面を測定しておいて、おもて面側データＤａとうら面側データＤｂとでポイントの対応付けを行っておけばよいとも考えられる。
しかしながら、表裏の両面が高精度にフラットでうねりもなく、表裏面の対応付けが高精度に行われたオプティカルフラットを用意することはそもそも困難である。
したがって、このようにワークＷを挟んで２つの光学干渉計１０を配置しても、おもて面データＤａとうら面データＤｂとを同軸上で対応させてワークＷの厚み変化を求めることは困難である。

さらには、おもて面側の光学干渉計１０とうら面側の光学干渉計１０とでは、それぞれが参照ミラー１７を備えている。
ここで、干渉縞によって得られる凹凸変化は、参照ミラー１７とワーク表面との凹凸および傾きの差である。
したがって、おもて面側の光学干渉計１０とうら面側の光学干渉計１０とで参照ミラー１７の凹凸および傾きに差があっては、おもて面データＤａとうら面データＤｂとを合成してもワークＷの厚み変化に参照ミラー同士の凹凸および傾き差を加算した値が求められるだけである。つまり、ワークの厚み変化だけを求めることができない。
もちろん、オプティカルフラットを用意して参照ミラー１７の凹凸および傾きを予め求めておくことも考えられるが、前述のように、そもそも高精度のオプティカルフラットを用意することが困難である。

以上のような問題のため、ワークの厚み変化を求めるニーズに応えることはできなかった。

本発明の目的は、ワークの厚み変化を求めることができる光学干渉計を提供することにある。

本発明の光学干渉計は、ワークの厚み変化を測定する光学干渉計であって、ワークのおもて面側に配設される第１光学干渉計と、ワークのうら面側に配設される第２光学干渉計と、を備え、前記第１光学干渉計と前記第２光学干渉計とは、光発射部と、前記光発射部と前記ワークとの間に配設され参照面を有するとともにこの参照面による反射光である参照光とワークからの反射光である物体光との偏光方向を直角とする偏光分離手段と、前記参照光と前記物体光とを干渉させた干渉縞を取得する干渉縞取得部と、を備え、前記第１光学干渉計の前記偏光分離手段と前記第２光学干渉計の前記偏光分離手段とは偏光軸が非平行の状態で配置され、ワークが配置されない状態では、前記第１光学干渉計の前記偏光分離手段が有する前記参照面が前記第２光学干渉計からの光を反射して物体光を生成し、前記第２光学干渉計の前記偏光分離手段が有する前記参照面が前記第１光学干渉計からの光を反射して物体光を生成することを特徴とする。

このような構成において、ワークがセットされている状態では、第１光学干渉計によりワークおもて面の形状を反映した干渉縞が取得され、また、第２光学干渉計によりワークうら面の形状を反映した干渉縞が取得される。
まず、光発射部から発射された光は、偏光分離手段に入射する。そして、偏光分離手段に入射した光のうち一部は偏光分離手段の参照面によって反射されて参照光となる。また、偏光分離手段に入射した光のうち残りは偏光分離手段からワークに照射されたのち、ワークにて反射されて物体光となる。このとき、参照光と物体光との偏光方向は直角となり、互いに干渉しない無干渉光となる。
この参照光と物体光とが干渉縞取得部に入射する。そして、例えば、偏光板を通過させることによって参照光と物体光とを干渉させると、干渉縞取得部によって干渉縞が取得される。このようにして、第１光学干渉計によりワークおもて面の形状を反映した干渉縞が取得され、第２光学干渉計によりワークうら面の形状を反映した干渉縞が取得される。

次に、ワークをセットしない状態について説明する。
ワークをセットしない場合、ワークがないので第１光学干渉計からの光は第２光学干渉計に達することになる。第１光学干渉計の偏光分離手段に入射した光のうち一部は参照面によって反射されて参照光となることはワークがセットされている場合と同じである。これに対し、第１光学干渉計の偏光分離手段に入射した光のうちワークに照射されるべき光は、第２光学干渉計に達する。そして、この光は第２光学干渉計の偏光分離手段が有する参照面によって反射されて第１光学干渉計に再帰される。
第２光学干渉計から第１光学干渉計に再帰された光は、物体光として干渉縞取得部に入射する。すると、第１光学干渉計において、この物体光と参照光とが干渉した干渉縞が取得される。第２光学干渉計においても、ワークがないので第２光学干渉計からの光は第１光学干渉計に達し、第１光学干渉計の偏光分離手段が有する参照面による物体光と、第２光学干渉計の偏光分離手段が有する参照面による参照光と、が干渉した干渉縞が取得される。すなわち、ワークをセットしない状態においては、第１光学干渉計においても第２光学干渉計においても２つの偏光分離手段がそれぞれ有する参照面からの反射光が干渉した干渉縞を取得することになる。よって、ワークをセットしない状態においては、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで取得する干渉縞は同じである。

このような本発明によれば、同軸上の点同士の対応付けを行ったうえでワークおもて面データとワークうら面データとを合成することにより、ワーク厚み変化を正確に求めることができる。
第１光学干渉計によりワークおもて面データを得て、第２光学干渉計によりワークうら面データを得るところ、ワークおもて面データとワークうら面データとを合成してワークの厚み変化を求めるにあたっては、ワークおもて面データとワークうら面データとで同軸上の点が対応づけられていなければならない。おもて面とうら面とで軸がずれた状態でデータを合成しても、正しくワークの厚み変化を求めていることにはならないからである。

この点、本発明にあっては、ワークをセットしない状態では、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで取得する干渉縞は同じであるので、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで取得したデータの同じ点を対応させることにより、データ上の同軸ポイントを対応付けることができる。例えば、干渉縞取得部の位置が第１光学干渉計と第２光学干渉計とでずれている場合、同じ干渉縞を撮像しても撮像画面中の位置がずれることになるが、同じ干渉縞を撮像しているはずであるので、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで撮像画面中において同軸上の点同士のピクセル対応関係を求めることができる。
このように第１光学干渉計と第２光学干渉計とで撮像画面中のピクセル対応関係を求めたうえで、ワークをセットして第１光学干渉計と第２光学干渉計とによってワークおもて面データとワークうら面データとを取得する。そして、既に求めた同軸上の点同士の対応を考慮してワークおもて面データとワークうら面データとを合成することにより、ワークの厚み変化を求めることができる。

また、本発明によれば、第１光学干渉計が有する参照面の凹凸と第２光学干渉計が有する参照面の凹凸との差に関わり無く、ワークの厚み変化を高精度に求めることができる。ワークをセットした状態において、第１光学干渉計によってワークおもて面データを取得した場合、この干渉縞は、第１光学干渉計の参照面とワークおもて面とのギャップ変化に基づく縞である。同様に、第２光学干渉計によってワークうら面データを取得した場合、この干渉縞は、第２光学干渉計の参照面とワークうら面とのギャップ変化に基づく縞である。
そのため、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで参照ミラーの凹凸に差があった場合、おもて面データとうら面データとを合成してもワークの厚み変化に２つの参照ミラーの凹凸差を加算した値が求められるだけであり、ワークの厚み変化だけを求めることができない。

この点、本発明においては、ワークをセットしない状態では、第１光学干渉計の参照面による反射光と第２光学干渉計の参照面による反射光とが干渉した干渉縞を得ることができる。したがって、ワークをセットしない状態で取得した干渉縞により、２つの参照面の凹凸差を求めることができる。よって、ワークおもて面データとワークうら面データとを合成した後に、さらに、２つの参照面の凹凸差を減じることにより、高精度にワークの厚み変化を求めることができる。

本発明では、前記偏光分離手段は、互いに平行に配列された複数のワイヤーを有しこのワイヤーに平行な成分を反射するとともにワイヤーに垂直な成分を透過させるワイヤーグリッド型偏光板であり、前記第１光学干渉計と前記第２光学干渉計とでは前記ワイヤーグリッド型偏光板のワイヤー配列方向が非平行であることが好ましい。

このような構成において、まず、ワークがセットされている状態について説明する。
光発射部から発射された光は、ワイヤーグリッドに入射する。そして、ワイヤーグリッドに入射する光のうち、ワイヤーに平行な成分はワイヤーグリッドによって反射される。ここに、ワイヤーグリッドの反射面が参照面となり、この参照面にて反射された光が参照光となる。また、ワイヤーグリッドに入射した光のうちワイヤーに垂直な成分はワイヤーグリッドを通過してワークに照射される。そして、ワークにて反射されて物体光となる。
ここで、参照光と物体光とは偏光方向が直角であるので、互いに干渉しない無干渉光束であるが、干渉縞取得部において参照光と物体光とを干渉させた干渉縞が取得される。

次に、ワークをセットしない状態について説明する。
光発射部からワイヤーグリッドに入射した光のうち、ワイヤーに平行な成分が参照光として反射されるのはワークセット状態と同じである。光発射部からワイヤーグリッドに入射した光のうち、ワイヤーに垂直な成分はワイヤーグリッドを通過する。ワイヤーグリッドを通過した光は、ワークがないので反対側のワイヤーグリッドに達する。
ここで、第１光学干渉計と第２光学干渉計とではワイヤーグリッドのワイヤー配列方向が非平行である。
第１光学干渉計のワイヤーグリッドと第２光学干渉計のワイヤーグリッドとでワイヤーの方向が平行であると、第１光学干渉計のワイヤーグリッドを通過する光は第２光学干渉計のワイヤーグリッドも通過してしまうことになる。

これに対し、本発明では、第１光学干渉計と第２光学干渉計とではワイヤーグリッドのワイヤー配列方向が非平行であるので、例えば、第１光学干渉計のワイヤーグリッドを通過した光が第２光学干渉計のワイヤーグリッドに入射すると、少なくとも一部は反射される。すると、この反射された光が物体光として第１光学干渉計に再帰する。第２光学干渉計から第１光学干渉計に再帰する光と、第１光学干渉計のワイヤーグリッドにて反射された参照光と、が干渉縞取得部において干渉して干渉縞が取得される。同様に、第２光学干渉計においても、第２光学干渉計のワイヤーグリッドにて反射された参照光と、第１光学干渉計から再帰する光と、が干渉縞取得部において干渉して干渉縞が取得される。

このような構成によれば、第１光学干渉計と第２光学干渉計とでワイヤーグリッドの偏光軸方向が非平行であるので、ワークをセットしない状態では、一方の光学干渉計のワイヤーグリッドを通過した光のうち少なくとも一部が他方の光学干渉計のワイヤーグリッドによって反射される。
これにより、ワークをセットしない状態では、第１光学干渉計においても第２光学干渉計においても同様に２つのワイヤーグリッドからの反射光による干渉縞を取得できる。
このように第１光学干渉計および第２光学干渉計にて同じ干渉縞を取得できるので、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで取得したデータの同軸点同士を対応づけることができる。
また、第１光学干渉計と第２光学干渉計とでそれぞれのワイヤーグリッドからの反射光同士を干渉させた干渉縞を得ることができるので、第１光学干渉計と第２光学干渉計とが有する参照面同士の凹凸差を求めることができる。よって、ワークおもて面データとワークうら面データとを合成した後に、さらに、参照面同士の凹凸差を減じることにより、高精度にワークの厚み変化を求めることができる。

本発明では、前記第１光学干渉計の前記偏光分離手段と前記第２光学干渉計の前記偏光分離手段とは偏光軸が直交関係の状態で配置されていることが好ましい。

このような構成において、ワークがセットされていない場合について説明する。
光発射部から偏光分離手段に入射した光のうち偏光軸に平行な偏光成分の光は通過し、偏光軸に直交する偏光成分の光は反射される。
ここで、ワークがセットされていない状態では、例えば、第１光学干渉計の偏光分離手段を通過した光が第２光学干渉計の偏光分離手段に入射する。すると、第１光学干渉計の偏光分離手段と、第２光学干渉計の偏光分離手段とで偏光軸の方向が直交関係であるので、第１光学干渉計の偏光分離手段を通過した光は第２光学干渉計の偏光分離手段によって総て反射される。そして、第１光学干渉計と第２光学干渉計とでそれぞれの偏光分離手段からの反射光同士を干渉させた干渉縞を得ることができる。

このような構成によれば、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで偏光分離手段の偏光軸を直交関係にしているので、ワークをセットしていない状態において、一方の光学干渉計の偏光分離手段を通過した光を他方の光学干渉計の偏光分離手段によって１００％反射することができる。したがって、ワークをセットしない状態において、光の利用効率がよく、また、鮮明な干渉縞を得ることができる。

本発明では、前記第１光学干渉計の前記光発射部と前記第２光学干渉計の前記光発射部とは、共用する一つの光源と、前記一つの光源からの光を分岐して前記第１光学干渉計と前記第２光学干渉計とのそれぞれの光路に導く導光手段と、を備えることが好ましい。

このような構成によれば、第１光学干渉計と第２光学干渉計とにおいて、同じ光源からの同じ光を使用することになるので、第１光学干渉計と第２光学干渉計とにおいて同じ波長の光を使用することができる。このように同じ波長の光を使用することにより、ワークをセットしない状態において、第１光学干渉計と第２光学干渉計とにおいて、全く同じ干渉縞を取得することができる。したがって、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで同じ干渉縞の同じ点同士を対応付けることにより、第１光学干渉計と第２光学干渉計とでデータ同士の同軸点を正確に対応づけることができる。

ここで、偏光分離手段としては、例えば、１／４波長板としてもよい。偏光分離手段としては、光源からの光を反射して参照光を生成する機能と、参照光と物体光との偏光方向を直角する機能と、ワークを挟んで反対の光学干渉計から来た光を反射して入射経路と同一の経路で再帰させる機能と、を有していればよいからである。このような機能を有していれば、ワークが配置されない状態では、前記第１光学干渉計の前記偏光分離手段が有する前記参照面が前記第２光学干渉計からの光を反射して物体光を生成し、前記第２光学干渉計の前記偏光分離手段が有する前記参照面が前記第１光学干渉計からの光を反射して物体光を生成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
図１は、本発明の光学干渉計に係る第１実施形態において、光学干渉計の構成を示す斜視図である。図２および図３は、光学干渉計の側面図である。

光学干渉計１００は、ワークＷのおもて面Ｓａ側に配置される第１光学干渉計２００と、ワークＷのうら面Ｓｂ側に配置される第２光学干渉計３００と、を備えている。第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とは基本的に同じ構成であり、第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とはワークＷを挟んで対称である。

第１光学干渉計２００は、光発射部２１０と、参照面２２３を有するとともに偏光分離特性を有する偏光分離手段２２０と、干渉縞を取得する干渉縞取得部２３０と、光発射部２１０からの光を偏光分離手段２２０に向けて反射するとともに偏光分離手段側からの光を干渉縞取得部２３０に向けて透過させるビームスプリッタ２４０と、を備える。

光発射部２１０は、レーザー光を発射する光源２１１と、光を導く光ファイバー２１２と、偏光板２１４と、半波長板２１５と、を備える。レーザー光源２１１から発射された光は、光ファイバー２１２によって導かれてビームスプリッタ２４０に入射する。
ここで、光ファイバー２１２の開口端２１３とビームスプリッタ２４０との間には、偏光板２１４と半波長板２１５とが配設され、偏光板２１４と半波長板２１５とにより偏光角４５度の光束がビームスプリッタ２４０に入射する。

偏光分離手段２２０は、ワイヤーグリッド２２０によって構成されている。
ワイヤーグリッド２２０は、光透過性板材２２１と、この光透過性板材２２１の一面において互いに平行に配列された複数のワイヤー２２２と、を有している。ワイヤー２２２の線幅は、例えば６０ｎｍ程度であり、ワイヤー同士の間隔は例えば１４０ｎｍ程度である。そして、ワイヤーグリッド２２０に入射する光のうち、ワイヤー２２２に平行な成分はワイヤーグリッド２２０にて反射され、ワイヤー２２２に垂直な成分はワイヤーグリッド２２０を透過する。
ここで、第１光学干渉計２００に設けられたワイヤーグリッドを第１ワイヤーグリッド２２０と称する。そして、第１ワイヤーグリッド２２０において、ワイヤー２２２は縦方向に配列されている。第１ワイヤーグリッド２２０によって反射される偏光をＳ波とし、第１ワイヤーグリッド２２０を透過する偏光をＰ波とする。
第１ワイヤーグリッド２２０によって光が反射されるところ、反射面が参照面２２３となる。

干渉縞取得部２３０は、例えば、偏光角４５度の偏光板（不図示）と、ＣＣＤカメラ（不図示）と、を備えて構成されている。

なお、ビームスプリッタ２４０と第１ワイヤーグリッド２２０との間、および、ビームスプリッタ２４０と干渉縞取得部２３０との間にはそれぞれコリメートレンズ２５１、２５２が配設されている。

第２光学干渉計３００は、基本的に第１光学干渉計２００と同様の構成である。
ここで、第２光学干渉計３００もワイヤーグリッドを備えているところ、第２光学干渉計３００のワイヤーグリッドを第２ワイヤーグリッド３２０と称する。
第２ワイヤーグリッド３２０のワイヤー３２２は、横方向に配列されている。そして、光軸に沿って見たとき、第２ワイヤーグリッド３２０のワイヤー配列方向と第１ワイヤーグリッド２２０のワイヤー配列方向とは直交関係にある。

また、第２光学干渉計３００と第１光学干渉計２００とでは、一つのレーザー光源２１１からの光を光ファイバー２１２によって分岐させて用いている。

なお、第２光学干渉計３００と第１光学干渉計２００とは対応する部品を備えているところ、第２光学干渉計３００については３００番代の符号を付し、その説明は割愛する。

このような構成を備える光学干渉計において、光の経路を説明する。
ここで、光学干渉計１００を用いるにあたっては、ワークＷを測定する測定モードと、光学干渉計１００をキャリブレーションする校正モードと、がある。
まず、図２において、ワークＷをセットした場合の測定モードについて説明する。ここで、基本的には、第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とでは、光の経路についても基本的に同じであるので、第１光学干渉計２００を例にして説明する。

レーザー光源２１１から発射された光は、光ファイバー２１２を通って光ファイバー２１２の開口端２１３より発射される。光ファイバー２１２から出た光は、偏光板２１４を通過して直線偏光となり、さらに、半波長板２１５を通過して偏光角４５度の光束となる。半波長板２１５を通過した光は、ビームスプリッタ２４０によって反射されてワークおもて面Ｓａに向けて反射される。ビームスプリッタ２４０によって反射された光は、コリメートレンズ２５１によって平行光束となり、第１ワイヤーグリッド２２０に入射する。すると、第１ワイヤーグリッド２２０に入射した光のうち、第１ワイヤーグリッド２２０のワイヤー２２２に直交する成分は第１ワイヤーグリッド２２０を透過する。第１ワイヤーグリッド２２０を透過する光はＰ波であり、第１ワイヤーグリッド２２０を透過した光はワーク表面に照射された後、ワーク表面で反射されて物体光Ｌａとして第１ワイヤーグリッド２２０に再帰し、第１ワイヤーグリッド２２０を透過する。

また、コリメートレンズ２５１から第１ワイヤーグリッド２２０に入射した光のうち、第１ワイヤーグリッド２２０のワイヤー２２２に平行な成分は、第１ワイヤーグリッド２２０にて反射される。第１ワイヤーグリッド２２０にて反射される光はＳ波であり、第１ワイヤーグリッド２２０にて反射されたＳ波は参照光Ｌｂとなる。

ここで、ワークおもて面Ｓａからの反射光である物体光（Ｐ波）Ｌａと、第１ワイヤーグリッド２２０からの反射光である参照光（Ｓ波）Ｌｂとは互いの偏光方向が直交しているので干渉せずに合波され、無干渉光束としてコリメータレンズ２５１を通ってビームスプリッタ２４０に入射する。ビームスプリッタ２４０に入射した光は、ビームスプリッタ２４０を透過した後、コリメータレンズ２５２を通って干渉縞取得部２３０に入射する。そして、干渉縞取得部２３０において、Ｐ波とＳ波との無干渉光束が干渉した干渉縞が取得される。
例えば、無干渉光束を偏光角４５度の偏光板（不図示）によって干渉させ、干渉光をＣＣＤカメラ（不図示）によって撮像する。

ここで、第２光学干渉計３００における光の経路は、第１光学干渉計２００における光の経路と基本的に同様である。ただし、第２ワイヤーグリッド３２０は、Ｐ波を反射してＳ波を透過させる。したがって、第２光学干渉計３００において、ワークＷにて反射される物体光ＬａはＳ波であり、第２ワイヤーグリッド３２０にて反射される参照光ＬｂはＰ波である。

第１光学干渉計２００によってワークおもて面Ｓａの形状を反映した干渉縞が得られ、第２光学干渉計３００によってワークうら面Ｓｂの形状を反映した干渉縞が得られる。ワークおもて面Ｓａの形状を反映した干渉縞をワークおもて面データＤａとし、ワークうら面Ｓｂの形状を反映した干渉縞をワークうら面データＤｂとする。ワークおもて面データＤａおよびワークうら面データＤｂは、例えば、所定のメモリにそれぞれ記憶される。

このとき、ワークおもて面データＤａの干渉縞は、ワークおもて面Ｓａと第１ワイヤーグリッド参照面２２３との形状差によって生じ、すなわち、ワークおもて面Ｓａと第１ワイヤーグリッド参照面２２３との間のギャップ（ｄ１）変化を反映している。
同様に、ワークうら面データＤｂの干渉縞は、ワークうら面Ｓｂと第２ワイヤーグリッド３２０との形状差によって生じ、すなわち、ワークうら面Ｓｂと第２ワイヤーグリッド参照面３２３との間のギャップ（ｄ２）変化を反映している。

次に、光学干渉計をキャリブレーションする校正モードについて説明する。
校正モードは、図３に示されるように、ワークを除いた状態で実行される。この場合、光の経路としては測定モードと基本的に同様である。ただし、第１光学干渉計２００において、第１ワイヤーグリッド２２０を通過したＰ波は、第２ワイヤーグリッド３２０に入射する。すると、第２ワイヤーグリッド３２０はＰ波を反射させるので、第１ワイヤーグリッド２２０を通過したＰ波は第２ワイヤーグリッド３２０にて反射される。第１ワイヤーグリッド２２０にて反射されるＳ波と、第２ワイヤーグリッド３２０にて反射されるＰ波と、が第１光学干渉計２００の干渉縞取得部２３０に入射する。そして、第１光学干渉計２００の干渉縞取得部２３０において、干渉縞が取得される。

また、第２光学干渉計３００において、第２ワイヤーグリッド３２０を通過したＳ波は、第１ワイヤーグリッド２２０に入射する。すると、第１ワイヤーグリッド２２０はＳ波を反射させるので、第２ワイヤーグリッド３２０を通過したＳ波は第１ワイヤーグリッド２２０にて反射される。第２ワイヤーグリッド３２０にて反射されるＰ波と、第１ワイヤーグリッド２２０にて反射されるＳ波と、が第２光学干渉計３００の干渉縞取得部３３０に入射する。そして、第２光学干渉計３００の干渉縞取得部３３０において、干渉縞が取得される。

ここで、第１光学干渉計２００にて取得される干渉縞は、第１ワイヤーグリッド２２０にて反射されるＳ波と第２ワイヤーグリッド３２０にて反射されるＰ波とが干渉して生成された縞である。したがって、第１ワイヤーグリッド２２０にて反射されるＳ波を参照光とみなし、第２ワイヤーグリッド３２０で反射されるＰ波を物体光とみるとき、第１光学干渉計２００の干渉縞取得部２３０にて取得される干渉縞は、第１ワイヤーグリッド２２０と第２ワイヤーグリッド３２０との形状差によって生じ、すなわち、第１ワイヤーグリッド２２０と第２ワイヤーグリッド３２０とのギャップ（ｄ０）変化を反映している。

また、第２光学干渉計３００にて取得される干渉縞は、第２ワイヤーグリッド３２０にて反射されるＰ波と第１ワイヤーグリッド２２０にて反射されるＳ波とが干渉して生成された縞である。したがって、第２ワイヤーグリッド３２０で反射されるＰ波を参照光とみなし、第１ワイヤーグリッド２２０で反射されるＳ波を物体光とみるとき、第２光学干渉計３００の干渉縞取得部３３０にて取得される干渉縞は、第２ワイヤーグリッド３２０と第１ワイヤーグリッド２２０との形状差によって生じ、すなわち、第２ワイヤーグリッド３２０と第１ワイヤーグリッド２２０とのギャップ（ｄ０）変化を反映している。

このように、校正モードにおいて２つの干渉縞取得部２３０、３３０にて取得される干渉縞はどちらも第１ワイヤーグリッド２２０と第２ワイヤーグリッド３２０とのギャップ（ｄ０）変化を反映しているので、ともに同じ干渉縞となる。

第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とで撮像した干渉縞の例を図３中にそれぞれ示す。第１光学干渉計２００にて取得された干渉縞Ｃａと第２光学干渉計３００にて取得された干渉縞Ｃｂとでは、形状は同じあるが、例えば、干渉縞取得部２３０、３３０の取付位置がずれているなどにより、撮像画面上での位置がずれている場合がある。
このような場合、干渉縞の同じポイント同士を一対一で対応させる。すなわち、第１光学干渉計２００における測定ポイントと第２光学干渉計３００における測定ポイントとで同軸上の点同士を対応させる。例えば、撮像画面のピクセル同士で対応付けを行い、対応関係については所定のメモリに記憶させる。

また、第１光学干渉計２００および第２光学干渉計３００にて撮像される干渉縞は、第１ワイヤーグリッド２２０と第２ワイヤーグリッド３２０とのギャップ（ｄ０）変化を反映しているところ、この干渉縞を校正用干渉縞として所定のメモリに記憶させる。

次に、ワークの厚み変化を求める演算について簡単に説明する。
校正モードにおいて、第１ワイヤーグリッド２２０と第２ワイヤーグリッド３２０とのギャップ変化に基づく２つの同じ干渉縞を第１光学干渉計２００および第２光学干渉計３００において取得しており、撮像画面におけるピクセル対応を行っている。これにより、第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とによりそれぞれ取得した干渉縞のデータ同士において同軸上のポイントの対応付けが行われている。さらに、第１ワイヤーグリッド２２０と第２ワイヤーグリッド３２０とのギャップ（ｄ０）変化が干渉縞によって算出される。

次に、測定モードにおいてワークＷをセットし、第１光学干渉計２００および第２光学干渉計３００によりワークおもて面データＤａとワークうら面データＤｂとをそれぞれ取得する。
ここで、ワークおもて面データＤａは第１ワイヤーグリッド２２０とワークおもて面Ｓａとの距離（ｄ１）変化を表している。
また、ワークうら面データＤｂは第２ワイヤーグリッド３２０とワークうら面Ｓｂとの距離（ｄ２）変化を表している。そして、ワークおもて面データＤａとワークうら面データＤｂとを合成して、ワークＷの厚み変化を算出するにあたり、ワークおもて面データＤａとワークうら面データＤｂにはワーク表裏面の形状に加えて第１ワイヤーグリッド２２０あるいは第２ワイヤーグリッド３２０の形状も含まれていることに注意する。すなわち、ワークおもて面の形状プロフィールＳａとワークうら面の形状プロフィールＳｂとの同軸上の距離変化（厚み変化）ＴＶは、次の式で表される。

ＴＶ＝ｄ０−（ｄ１＋ｄ２）（式１）

算出された厚み変化は所定の出力手段、例えば、モニタやプリンタによって出力される。

このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）ワークＷをセットしない校正モードでは、第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とで取得する干渉縞は同じであるので、第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とで取得したデータの同じ点を対応させることにより、データ上の同軸ポイントを対応付けることができる。既に求めた同軸上の点同士の対応を考慮してワークおもて面データＤａとワークうら面データＤｂとを合成することにより、ワークＷの厚み変化を求めることができる。すなわち、校正モードにより同軸上の点同士の対応付けを行ったうえで、測定モードで得たワークおもて面データＤａとワークうら面データＤｂとを合成することにより、ワーク厚み変化を正確に求めることができる。

（２）ワークＷをセットしない校正モードでは、第１光学干渉計２００の参照面２２３による反射光と第２光学干渉計３００の参照面３２３による反射光とが干渉した干渉縞を得ることができる。したがって、校正モードで取得した干渉縞により、２つの参照面２２３、３２３の凹凸差を求めることができる。よって、ワークおもて面データＤａとワークうら面データＤｂとを合成した後に、さらに、２つの参照面２２３、３２３の凹凸差を減じることにより、高精度にワークＷの厚み変化を求めることができる。第１光学干渉計２００が有する参照面２２３の凹凸と第２光学干渉計３００が有する参照面３２３の凹凸との差に関わり無く、ワークＷの厚み変化を高精度に求めることができる。

（３）第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とでワイヤーグリッド２２０、３２０の偏光軸方向が直交関係にあるので、校正モードでは、一方の光学干渉計のワイヤーグリッドを通過した光のうち少なくとも一部が他方の光学干渉計のワイヤーグリッドによって反射される。これにより、ワークＷをセットしない状態では、第１光学干渉計２００においても第２光学干渉計３００においても同様に２つのワイヤーグリッドからの反射光による干渉縞を取得できる。

（４）第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とにおいて、同じ光源２１１からの同じ光を使用するので、第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とにおいて同じ波長の光を使用することができる。すると、同じ波長の光を使用することにより、校正モードにおいて、第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とにおいて、全く同じ干渉縞を取得することができる。したがって、第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とで同じ干渉縞の同じ点同士を対応付けることにより、第１光学干渉計２００と第２光学干渉計３００とでデータ同士の同軸点を正確に対応づけることができる。

（変形例１）
上記第１実施形態において、干渉縞取得部は、Ｐ波とＳ波とを干渉させる偏光板と、干渉縞を撮像するＣＣＤカメラとを備えているとしたが、干渉縞取得部は、同時に異なる位相差の干渉縞を取得する位相シフト干渉縞取得部であってもよい。
位相シフト干渉縞取得部としては、例えば、図４に示す構成が例として挙げられる。
図４において、位相シフト干渉縞取得部４００は、１／４波長板４１０と、複合偏光板４２０と、撮像手段としての複合ＣＣＤカメラ４３０と、を備えている。
１／４波長板４１０は、位相シフト干渉縞取得部に入射するＳ波の参照光とＰ波の物体光とを互いに回転方向が異なる円偏光にする。
複合偏光板４２０は、透過軸角度が互いに異なる４つの偏光板４２１〜４２４を一枚の板状にした偏光板であり、光路中に配設されることによって、光束の４つの部分が複合偏光板４２０の異なる透過軸角度の偏光板部分４２１〜４２４を通過する。
複合偏光板４２０を構成する４つの偏光板４２１〜４２４の透過軸角度は４５度ずつ異なり、各偏光板４２１〜４２４の透過軸角度は０度、４５度、９０度、１３５度である。複合ＣＣＤカメラ４３０は、複合偏光板４２０を構成する各偏光板４２１〜４２４に対応して４つのＣＣＤカメラ４３１〜４３４からなる。

例えば、第１光学干渉計２００を例にして、Ｓ波である参照光とＰ波である物体光とが複合ＣＣＤカメラ４３１にて撮像されるまでの光路について説明する。

ビームスプリッタ２４０を通過した光（Ｓ波、Ｐ波）は、例えば、図示しない光線分岐手段によって４本の平行光束とされたのち、１／４波長板４１０に入射する。すると、Ｐ波の物体光とＳ波の参照光とは、１／４波長板４１０を通過することにより、回転方向が反対の円偏光となる。そして、回転方向が反対である円偏光の無干渉光束が複合偏光板４２０に入射し、光束の４つの部分がそれぞれ複合偏光板４２０の各偏光板部分４２１〜４２４を通過する。
無干渉光束が各偏光板部分４２１〜４２４を通過すると、この無干渉光束に含まれる参照光Ｌｂと物体光Ｌａとが干渉して干渉縞の像が生成される。このとき、複合偏光板４２０を構成する各偏光板４２１〜４２４の透過軸角度は４５度ずつ異なるところ、干渉縞としては９０度ずつ位相が異なる４つの干渉縞が生成される。干渉縞の像は複合ＣＣＤカメラ４３０に入射し、複合ＣＣＤカメラ４３０の各カメラ４３１〜４３４によって撮像される。すると、図５に示されるように、光束を４分割して、各分割部分で異なる位相の干渉縞が取得される。

このように９０度ずつ位相が異なる干渉縞が取得されるところ、校正モードおよび測定モードによって干渉縞を取得し、ワーク厚み変化を求めることができる。

（変形例２）
位相シフト干渉縞取得部としては、例えば、図６に示される構成であってもよい。
図６において、位相シフト干渉縞取得部５００は、１／４波長板５１０と、結像レンズ５２０と、無干渉光束分割プリズム５３０と、第１から第３の偏光板５４１〜５４３と、第１から第３のＣＣＤカメラ５５１〜５５３と、を備えている。
無干渉光束分割プリズム５３０は、第１の三角プリズム５３１と、第２の三角プリズム５３２と、台形型プリズム５３３と、が貼り合わされて構成されている。この無干渉光束分割プリズム５３０によって無干渉光は３つの光束に分割される。
ここで、プリズム５３１〜５３３の貼り合わせ面が半透過面となっている。

第１から第３の偏光板５４１〜５４３は、無干渉光束分割プリズム５３０から射出される各光束の光路中に挿入されている。第１から第３の偏光板５４１〜５４３の透過軸角度は６０度ずつ異なり、第１偏光板５４１の透過軸角度を０度とすると、第２偏光板５４２の透過軸角度は６０度であり、第３偏光板５４３の透過軸角度は１２０度である。無干渉光束分割プリズム５３０による光束分割にて生成された第１から第３の光束がそれぞれ第１から第３の偏光板５４１〜５４３を通過することにより、それぞれの光束において物体光Ｌａと参照光Ｌｂとが異なる位相で干渉し、異なる位相の干渉縞が生成される。
第１から第３のＣＣＤカメラ５５１〜５５３は、各偏光板５４１〜５４３を透過した各干渉縞を撮像する位置に配設されている。

このような干渉縞取得部５００により位相が６０度ずつ異なる干渉縞が取得されるところ、校正モードおよび測定モードによって干渉縞を取得し、ワーク厚み変化を求めることができる。

（変形例３）
位相シフト干渉縞取得部としては、例えば、図７に示される構成であってもよい。
図７において、位相シフト干渉縞取得部６００は、１／４波長板６１０と、光束を三つに分岐するハーフミラー６２１、６２２および反射ミラー６２３と、各光路中に配設された偏光板６３１〜６３３と、ＣＣＤカメラ６４１〜６４３と、を備える。
互いに直交する偏光方向を有する参照光Ｌｂと物体光Ｌａとが無干渉光束として１／４波長板６１０を通過する。無干渉光束がこの１／４波長板６１０を通過することにより、無干渉光束に含まれる互いに直交方向の振動方向を有する物体光Ｌａと参照光Ｌｂとが互いに反対の回転方向である円偏光となる。
１／４波長板６１０を通過した光は、光路上に配設された第１ハーフミラー６２１、第２ハーフミラー６２２および反射ミラー６２３によって３つの光束に分割される。分割された各光束の光路上には偏光板６３１、６３２、６３３およびＣＣＤカメラ６４１、６４２、６４３が配設されている。

ここで、第１ハーフミラー６２１にて反射された第１光束の光路上に配設される第１偏光板６３１と、第２ハーフミラー６２２にて反射された第２光束の光路上に配設される第２偏光板６３２と、反射ミラー６２３で反射された第３光束の光路上に配設される第３偏光板６３３と、はそれぞれ透過軸角度が異なっている。
例えば、第１偏光板６３１の透過軸角度を０度とすると、第２偏光板６３２の透過軸角度は４５度であり、第３偏光板６３３の透過軸角度は９０度である。すると、各ＣＣＤカメラ６４１〜６４３において９０度ずつ位相が異なる３つの干渉縞の像が撮像される。そして、所定の解析手段に各干渉縞の画像を入力して、干渉縞上の各点における画像強度を３つの干渉縞で対比することにより、ワーク表面の位相情報が得られる。これにより、ワーク表面の形状が求められる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
偏光分離手段としては、ワイヤーグリッドを用いる場合を例にして説明したが、例えば、１／４波長板であってもよい。光発射部としては、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで一つの光源を共用する場合を説明したが、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで別個に光源を備えていてもよい。この場合、第１光学干渉計と第２光学干渉計とで光源の波長を一致させておくことが好ましい。このように第１光学干渉計と第２光学干渉計とで用いる光の波長を一致させておけば、校正モードにおいて第１光学干渉計と第２光学干渉計とで取得する干渉縞が同じになる。

本発明は、ワークの厚みを測定する光学干渉計に利用できる。

本発明の第１実施形態において、光学干渉計の構成を示す斜視図。第１実施形態において、測定モードで測定する状態の光学干渉計の側面図。第１実施形態において、校正モードで測定する状態の光学干渉計の側面図。変形例１において、干渉縞取得部の構成を示す図。変形例１の干渉縞取得部にて取得される位相シフト干渉縞の一例を示す図。変形例２において、干渉縞取得部の構成を示す図。変形例３において、干渉縞取得部の構成を示す図。従来の光学干渉計としてマイケルソン型干渉計を示す図。ワークのおもて面データとうら面データとを対応させる様子を示す図。従来の光学干渉計をワークの表裏に配置した図。

符号の説明

１０…マイケルソン型光学干渉計、１１…光源、１２…コリメートレンズ系、１３…ハーフミラー、１４…レンズ、１５…干渉縞取得部、１６…ビームスプリッタ、１７…参照ミラー、１００…光学干渉計、２００…第１光学干渉計、２１０…光発射部、２１１…光源、２１２…光ファイバー、２１３…開口端、２１４…偏光板、２１５…半波長板、２２０…（偏光分離手段）ワイヤーグリッド、２２１…光透過性板材、２２２…ワイヤー、２２３…参照面、２３０…干渉縞取得部、２４０…ビームスプリッタ、２５１…コリメータレンズ、２５２…コリメータレンズ、３００…第２光学干渉計、３１０…レンズ、３２０…ワイヤーグリッド、３２２…ワイヤー、３２３…参照面、３３０…干渉縞取得部、４００…位相シフト干渉縞取得部、４１０…１／４波長板、４２０…複合偏光板、４３０…複合ＣＣＤカメラ、５００…干渉縞取得部、５１０…１／４波長板、５２０…結像レンズ、５３０…無干渉光束分割プリズム、５３１…第１三角プリズム、５３２…第２三角プリズム、５３３…台形型プリズム、５４１…偏光板、５４２…偏光板、５４３…偏光板、６００…位相シフト干渉縞取得部、６１０…波長板、６２１…ハーフミラー、６２２…ハーフミラー、６２３…反射ミラー、６３１…偏光板、６３２…偏光板、６３３…偏光板。

Claims

ワークの厚み変化を測定する光学干渉計であって、
ワークのおもて面側に配設される第１光学干渉計と、
ワークのうら面側に配設される第２光学干渉計と、を備え、
前記第１光学干渉計と前記第２光学干渉計とは、
光発射部と、
前記光発射部と前記ワークとの間に配設され参照面を有するとともにこの参照面による反射光である参照光とワークからの反射光である物体光との偏光方向を直角とする偏光分離手段と、
前記参照光と前記物体光とを干渉させた干渉縞を取得する干渉縞取得部と、を備え、
前記第１光学干渉計の前記偏光分離手段と前記第２光学干渉計の前記偏光分離手段とは偏光軸が非平行の状態で配置され、
ワークが配置されない状態では、
前記第１光学干渉計の前記偏光分離手段が有する前記参照面が前記第２光学干渉計からの光を反射して物体光を生成し、
前記第２光学干渉計の前記偏光分離手段が有する前記参照面が前記第１光学干渉計からの光を反射して物体光を生成する
ことを特徴とする光学干渉計。
請求項１に記載の光学干渉計において、
前記偏光分離手段は、互いに平行に配列された複数のワイヤーを有しこのワイヤーに平行な成分を反射するとともにワイヤーに垂直な成分を透過させるワイヤーグリッド型偏光板であり、
前記第１光学干渉計と前記第２光学干渉計とでは前記ワイヤーグリッド型偏光板のワイヤー配列方向が非平行である
ことを特徴とする光学干渉計。
請求項１または請求項２に記載の光学干渉計において、
前記第１光学干渉計の前記偏光分離手段と前記第２光学干渉計の前記偏光分離手段とは偏光軸が直交関係の状態で配置されている
ことを特徴とする光学干渉計。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学干渉計において、
前記第１光学干渉計の前記光発射部と前記第２光学干渉計の前記光発射部とは、
共用する一つの光源と、
前記一つの光源からの光を分岐して前記第１光学干渉計と前記第２光学干渉計とのそれぞれの光路に導く導光手段と、を備える
ことを特徴とする光学干渉計。