JP2013088316A - Measuring instrument and measurement method - Google Patents

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Takanori Uemura
卓典 植村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide technology for widening a measuring range in the measurement of distance between a reference surface and a surface to be detected.SOLUTION: A measuring instrument includes: a division element for causing first light from a light source made on a reference surface and causing second light made on a surface to be detected; a phase shift part for shifting the phase of interference light between the first light reflected on the reference surface and the second light reflected on the surface to be detected; a detection part for detecting the intensity of the interference light; and a processing part for continuously setting the frequency of the light from the light source to three or more frequencies, controlling the detection part so as to detect the intensity of the interference light while shifting the phase of the interference light about each of the three or more frequencies, specifying a phase corresponding to a length of an optical path between the reference surface and the surface to be detected on the basis of the detected intensity of the interference light and a shift amount of the phase of the interference light by the phase shift part, and calculating the distance between the reference surface and the surface to be detected, in which the processing part sets the three or more frequencies so as to make frequency differences among the three or more frequencies different from one another.

Description

本発明は、計測装置及び計測方法に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method.

デジタル・ホログラフィの原理を用いて被検面の形状（平面度）を計測する計測装置が知られている（特許文献１、２及び非特許文献１参照）。このような計測装置では、コヒーレントな光を出力すると共に、かかる光の周波数を可変とする光源（周波数可変光源）が用いられている。   Measuring apparatuses that measure the shape (flatness) of a test surface using the principle of digital holography are known (see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1). In such a measuring apparatus, a light source (frequency variable light source) that outputs coherent light and makes the frequency of the light variable is used.

計測装置において、光源からの光は分岐されて、参照面及び被検面のそれぞれに導かれる。参照面及び被検面のそれぞれで反射又は散乱された光は、空間的に再び重ね合わせられ、参照面と被検面との間の光路長差に対応する位相を有する干渉光を形成し、かかる干渉光の光強度が検出器で検出される。干渉光の光強度を検出する際には、光源からの光の周波数を等間隔で走査（変更）して複数の周波数に設定（静定）し、それぞれの周波数において、位相シフタを用いて時間的に干渉光の位相をシフトさせる。そして、干渉光の位相シフト量と干渉光の光強度の変化から等間隔に設定された各周波数における位相を決定して、フーリエ変換やピーク検出を行うことで、参照面と被検面との間の距離（絶対距離）を算出する。また、特許文献２には、参照面と被検面との間の距離を高精度、且つ、短時間で算出するために、粗い間隔でフーリエ変換を行ってから、ピーク付近の領域のみに対して、細かい間隔でフーリエ変換を更に行う技術が開示されている。   In the measuring device, light from the light source is branched and guided to each of the reference surface and the test surface. The light reflected or scattered by each of the reference surface and the test surface is superposed again spatially to form interference light having a phase corresponding to the optical path length difference between the reference surface and the test surface, The light intensity of the interference light is detected by a detector. When detecting the light intensity of the interference light, the frequency of the light from the light source is scanned (changed) at equal intervals and set to a plurality of frequencies (settling), and at each frequency, time is measured using a phase shifter. The phase of the interference light is shifted. Then, the phase at each frequency set at equal intervals is determined from the phase shift amount of the interference light and the light intensity of the interference light, and Fourier transform and peak detection are performed, so that the reference surface and the test surface are The distance between them (absolute distance) is calculated. Further, in Patent Document 2, in order to calculate the distance between the reference surface and the test surface with high accuracy and in a short time, after performing Fourier transform at a rough interval, only the region near the peak is applied. Thus, a technique for further performing Fourier transform at fine intervals is disclosed.

米国特許第５７７７７４２号公報US Pat. No. 5,777,742 米国特許第５９２６２７７号公報US Pat. No. 5,926,277

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ．６３１１， “Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ”Proceedings of SPIE, Vol. 6311, “Multi-Wavelength Digital Holographic Metrology”

しかしながら、従来の計測装置では、参照面と被検面との間の距離を計測可能な範囲（計測範囲）が非常に狭く、当然のことながら、かかる計測範囲を超える距離（例えば、被検面の段差）については計測することができない。従って、従来の計測装置は、計測範囲を超える段差を含む被検面（の形状）の計測に用いることができない。   However, in the conventional measurement apparatus, the range (measurement range) in which the distance between the reference surface and the test surface can be measured is very narrow, and naturally, the distance exceeding the measurement range (for example, the test surface) Cannot be measured. Therefore, the conventional measuring device cannot be used for measurement of (the shape of) the test surface including a step exceeding the measurement range.

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、参照面と被検面との間の距離の計測において、計測範囲の広範囲化に有利な技術を提供することを例示的目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem of the prior art, and an exemplary object thereof is to provide a technique advantageous for widening the measurement range in measuring the distance between the reference surface and the test surface. .

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、光源からの光を第１光と第２光とに分割し、前記第１光を前記参照面に入射させ、前記第２光を前記被検面に入射させる分割素子と、前記参照面で反射された前記第１光と前記被検面で反射された前記第２光との干渉光の位相をシフトさせる位相シフト部と、前記干渉光の強度を検出する検出部と、前記光源からの光の周波数を連続的に変更して３つ以上の周波数に設定し、前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記位相シフト部によって前記干渉光の位相をシフトさせながら前記干渉光の強度を検出するように前記検出部を制御し、前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記検出部によって検出される前記干渉光の強度及び前記位相シフト部による前記干渉光の位相のシフト量に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を特定することで、前記距離を求める処理部と、を有し、前記処理部は、前記３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、前記３つ以上の周波数を設定することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a measurement apparatus according to one aspect of the present invention is a measurement apparatus that measures a distance between a reference surface and a test surface, and uses light from a light source as first light and second light. A splitting element that splits the light into light, makes the first light incident on the reference surface, and makes the second light incident on the test surface; and the first light reflected on the reference surface and the test surface The phase shift unit that shifts the phase of the interference light with the second light reflected by the light source, the detection unit that detects the intensity of the interference light, and the frequency of the light from the light source are continuously changed. The above-mentioned frequency is set, and for each of the three or more frequencies, the detection unit is controlled to detect the intensity of the interference light while shifting the phase of the interference light by the phase shift unit, and the 3 For each of two or more frequencies, the detection unit detects Based on the intensity of the interference light and the phase shift amount of the interference light by the phase shift unit, the phase corresponding to the optical path length between the reference surface and the test surface is specified, and thereby the distance is determined. A processing unit to be calculated, wherein the processing unit sets the three or more frequencies so that a frequency difference between each of the three or more frequencies is different from each other.

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。   Further objects and other aspects of the present invention will become apparent from the preferred embodiments described below with reference to the accompanying drawings.

本発明によれば、例えば、参照面と被検面との間の距離の計測において、計測範囲の広範囲化に有利な技術を提供することができる。   According to the present invention, for example, it is possible to provide a technique advantageous for widening the measurement range in measuring the distance between the reference surface and the test surface.

本発明の第１の実施形態における計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring device in the 1st Embodiment of this invention. 図１に示す計測装置における参照面と被検面との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the process which measures the distance between the reference surface and to-be-tested surface in the measuring device shown in FIG. 図１に示す計測装置の光源に設定される３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the frequency difference between each of three or more frequencies set to the light source of the measuring device shown in FIG. 解析信号の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of an analysis signal. 本発明の第２の実施形態における計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring device in the 2nd Embodiment of this invention. 図５に示す計測装置の偏光素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the polarizing element of the measuring apparatus shown in FIG. 図５に示す計測装置における参照面と被検面との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the process which measures the distance between the reference surface and to-be-tested surface in the measuring device shown in FIG. 本発明の第３の実施形態における計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring device in the 3rd Embodiment of this invention. 図８に示す計測装置における被検面の横方向及び縦方向の位置を計測する処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the process which measures the position of the horizontal direction and vertical direction of a to-be-tested surface in the measuring device shown in FIG.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same reference number is attached | subjected about the same member and the overlapping description is abbreviate | omitted.

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における計測装置１の構成を示す図である。計測装置１は、参照面と被検面との間の距離を計測する光波干渉計であって、例えば、被検面の形状（平面度）を計測する３次元形状計測装置として好適である。計測装置１は、光源１０１と、ミラー１０２と、ビームスプリッタ１０３と、周波数計測部１０４と、レンズ１０５及び１０６と、干渉光学系ＩＳと、ピエゾステージ１３１と、ピエゾ制御部１３２と、検出部１４０と、処理部１５０とを有する。 <First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a measuring apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention. The measuring device 1 is a light wave interferometer that measures the distance between the reference surface and the test surface, and is suitable as, for example, a three-dimensional shape measuring device that measures the shape (flatness) of the test surface. The measurement apparatus 1 includes a light source 101, a mirror 102, a beam splitter 103, a frequency measurement unit 104, lenses 105 and 106, an interference optical system IS, a piezo stage 131, a piezo control unit 132, and a detection unit 140. And a processing unit 150.

光源１０１は、コヒーレントな光を出力すると共に、かかる光の周波数を可変とする（即ち、互いに異なる複数の周波数を設定可能な）周波数可変光源である。光源１０１としては、例えば、外部共振器を用いた半導体レーザ（ＥＣＤＬ）やフルバンド・チューナブルＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）レーザを用いることができる。光源１０１は、本実施形態では、処理部１５０によって制御されるが、光源１０１を制御する光源制御部を処理部１５０とは別に設けてもよい。   The light source 101 is a frequency variable light source that outputs coherent light and makes the frequency of the light variable (that is, a plurality of different frequencies can be set). As the light source 101, for example, a semiconductor laser (ECDL) using an external resonator or a full-band tunable DFB (Distributed Feed-Back) laser can be used. In the present embodiment, the light source 101 is controlled by the processing unit 150, but a light source control unit that controls the light source 101 may be provided separately from the processing unit 150.

光源１０１からの光は、ミラー１０２を介して、光源１０１からの光を２つの光に分割（分岐）するビームスプリッタ１０３に導かれる。ビームスプリッタ１０３で分割された一方の光は、周波数計測部１０４に導かれる。周波数計測部１０４は、光源１０１から出力された光の周波数を計測し、その計測結果を処理部１５０に入力する。但し、光源１０１から出力される光の周波数を高い精度で保証することができる（即ち、光源１０１から出力される光の周波数を計測する必要がない）場合には、周波数計測部１０４は設けなくてもよい。   Light from the light source 101 is guided through a mirror 102 to a beam splitter 103 that divides (branches) light from the light source 101 into two lights. One light split by the beam splitter 103 is guided to the frequency measuring unit 104. The frequency measurement unit 104 measures the frequency of the light output from the light source 101 and inputs the measurement result to the processing unit 150. However, if the frequency of light output from the light source 101 can be guaranteed with high accuracy (that is, it is not necessary to measure the frequency of light output from the light source 101), the frequency measurement unit 104 is not provided. May be.

ビームスプリッタ１０３で分割された他方の光は、ビーム径を拡大するレンズ１０５及び１０６を介して、干渉光学系ＩＳに導かれる。干渉光学系ＩＳは、λ／２波長板１０７と、偏光ビームスプリッタ１０８と、λ／４波長板１０９ａ及び１０９ｂと、レンズ１１３と、絞り１１４と、レンズ１１５と、偏光子１１６とを含む。   The other light split by the beam splitter 103 is guided to the interference optical system IS via lenses 105 and 106 that expand the beam diameter. The interference optical system IS includes a λ / 2 wavelength plate 107, a polarization beam splitter 108, λ / 4 wavelength plates 109a and 109b, a lens 113, a diaphragm 114, a lens 115, and a polarizer 116.

λ／２波長板１０７は、回転可能に保持される。光源１０１から出力される光は直線偏光の光であるため、λ／２波長板１０７の回転角によって、λ／２波長板１０７を通過した光の偏光方向を任意の方向に制御（調整）することができる。λ／２波長板１０７の後段には、偏光ビームスプリッタ１０８が配置され、λ／２波長板１０７の回転角によって、偏光ビームスプリッタ１０８における光の分割比（分岐比）を変えることができる。   The λ / 2 wavelength plate 107 is rotatably held. Since the light output from the light source 101 is linearly polarized light, the polarization direction of the light that has passed through the λ / 2 wavelength plate 107 is controlled (adjusted) by the rotation angle of the λ / 2 wavelength plate 107. be able to. A polarizing beam splitter 108 is disposed following the λ / 2 wavelength plate 107, and the light splitting ratio (branching ratio) in the polarizing beam splitter 108 can be changed by the rotation angle of the λ / 2 wavelength plate 107.

偏光ビームスプリッタ１０８は、光源１０１からの光を、互いに直交する偏光方向を有する参照光（第１光）ＲＬと被検光（第２光）ＴＬとに分割（分岐）する分割素子である。参照光ＲＬは、λ／４波長板１０９ａを通過して、参照面１１０に入射する。被検光ＴＬは、λ／４波長板１０９ｂを通過して、被検面１１２に入射する。   The polarization beam splitter 108 is a splitting element that splits (branches) light from the light source 101 into reference light (first light) RL and test light (second light) TL having polarization directions orthogonal to each other. The reference light RL passes through the λ / 4 wavelength plate 109a and enters the reference surface 110. The test light TL passes through the λ / 4 wavelength plate 109b and enters the test surface 112.

被検面１１２で反射（又は散乱）された被検光ＴＬは、λ／４波長板１０９ｂを再び通過して、偏光ビームスプリッタ１０８に入射する。同様に、参照面１１０で反射された参照光ＲＬは、λ／４波長板１０９ａを再び通過して、偏光ビームスプリッタ１０８に入射する。参照光ＲＬ及び被検光ＴＬのそれぞれは、λ／４波長板を２回通過することで、その偏光方向が９０度回転する。従って、参照光ＲＬは偏光ビームスプリッタ１０８で反射され、被検光ＴＬは偏光ビームスプリッタ１０８を透過するため、参照光ＲＬと被検光ＴＬとが空間的に重ね合わされる。   The test light TL reflected (or scattered) by the test surface 112 passes through the λ / 4 wavelength plate 109b again and enters the polarization beam splitter 108. Similarly, the reference light RL reflected by the reference surface 110 passes through the λ / 4 wavelength plate 109a again and enters the polarization beam splitter 108. Each of the reference light RL and the test light TL passes through the λ / 4 wavelength plate twice, and its polarization direction is rotated by 90 degrees. Therefore, since the reference light RL is reflected by the polarization beam splitter 108 and the test light TL passes through the polarization beam splitter 108, the reference light RL and the test light TL are spatially superimposed.

偏光ビームスプリッタ１０８で重ね合わされた参照光ＲＬ及び被検光ＴＬは、レンズ１１３によって集光される。レンズ１１３は、前側焦点が被検面１１２の近傍に位置するように配置されている。これにより、被検面１１２（の形状）の像がぼけることなく、検出部１４０（の検出面）の上に形成される。   The reference light RL and the test light TL superimposed by the polarization beam splitter 108 are collected by the lens 113. The lens 113 is arranged so that the front focal point is located in the vicinity of the test surface 112. Thereby, the image of the test surface 112 (its shape) is formed on the detection unit 140 (its detection surface) without being blurred.

絞り１１４は、レンズ１１３の後側焦点の近傍に配置される。絞り１１４は、開口径が固定された開口絞りであってもよいし、開口径を可変とする虹彩絞りであってもよい。絞り１１４として虹彩絞りを用いた場合には、その開口径によって、光量、被写界震度、スペックルの大きさなどを調整することができる。   The diaphragm 114 is disposed in the vicinity of the rear focal point of the lens 113. The diaphragm 114 may be an aperture diaphragm with a fixed aperture diameter or an iris diaphragm with a variable aperture diameter. When an iris diaphragm is used as the diaphragm 114, the amount of light, the seismic intensity, the speckle size, and the like can be adjusted according to the aperture diameter.

絞り１１４を通過した参照光ＲＬ及び被検光ＴＬは、レンズ１１５によって集光され、偏光子１１６に導かれる。偏光子１１６は、その透過軸が参照光ＲＬ及び被検光ＴＬの偏光方向に対して４５度となるように配置される。これにより、参照光ＲＬと被検光ＴＬとが干渉し、干渉光ＩＬが形成される。   The reference light RL and the test light TL that have passed through the diaphragm 114 are collected by the lens 115 and guided to the polarizer 116. The polarizer 116 is arranged so that its transmission axis is 45 degrees with respect to the polarization directions of the reference light RL and the test light TL. Thereby, the reference light RL and the test light TL interfere with each other, and the interference light IL is formed.

干渉光ＩＬは、検出部１４０に導かれる。検出部１４０は、例えば、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのエリアセンサで構成され、干渉光ＩＬの光強度を検出し、その検出結果を処理部１５０に入力する。   The interference light IL is guided to the detection unit 140. The detection unit 140 is configured by an area sensor such as a CCD sensor or a CMOS sensor, for example, detects the light intensity of the interference light IL, and inputs the detection result to the processing unit 150.

本実施形態では、参照面１１０は、ピエゾステージ１３１に保持される。また、ピエゾステージ１３１は、ピエゾ制御部１３２に制御される。ピエゾ制御部１３２は、処理部１５０の制御下において、ピエゾステージ１３１を介して、参照面１１０を光軸ＡＸ１（参照面１１０の軸）に沿って移動させることで、参照面１１０と被検面１１２との間の光路長（光路長差）を変化させる。換言すれば、ピエゾステージ１３１及びピエゾ制御部１３２は、干渉光ＩＬの位相を時間的にシフトさせる位相シフト部として機能する。   In the present embodiment, the reference surface 110 is held by the piezo stage 131. The piezo stage 131 is controlled by the piezo controller 132. The piezo control unit 132 moves the reference surface 110 along the optical axis AX1 (the axis of the reference surface 110) via the piezo stage 131 under the control of the processing unit 150, so that the reference surface 110 and the test surface are The optical path length with respect to 112 (optical path length difference) is changed. In other words, the piezo stage 131 and the piezo control unit 132 function as a phase shift unit that temporally shifts the phase of the interference light IL.

処理部１５０は、ＣＰＵやメモリなどを含み、計測装置１の全体（動作）を制御する。処理部１５０は、計測装置１の各部を制御して、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を求める処理を行う。処理部１５０は、光源１０１からの光の周波数を切り替える機能を有し、例えば、光源１０１からの光の周波数を連続的に変更して（即ち、光源１０１からの光の周波数を走査して）互いに異なる３つ以上の周波数に設定する。また、処理部１５０は、干渉光ＩＬの位相がシフトされるタイミングと、光源１０１からの光の周波数を計測するタイミングと、干渉光ＩＬの光強度を検出するタイミングとを同期させる。   The processing unit 150 includes a CPU, a memory, and the like, and controls the entire measurement apparatus 1 (operation). The processing unit 150 controls each unit of the measurement apparatus 1 and performs processing for obtaining the distance between the reference surface 110 and the test surface 112. The processing unit 150 has a function of switching the frequency of light from the light source 101. For example, the processing unit 150 continuously changes the frequency of light from the light source 101 (that is, scans the frequency of light from the light source 101). Three or more different frequencies are set. In addition, the processing unit 150 synchronizes the timing at which the phase of the interference light IL is shifted, the timing at which the frequency of the light from the light source 101 is measured, and the timing at which the light intensity of the interference light IL is detected.

図２を参照して、計測装置１における参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する処理を説明する。かかる処理は、上述したように、処理部１５０が計測装置１の各部を統括的に制御することで行われる。   With reference to FIG. 2, the process which measures the distance between the reference surface 110 and the to-be-tested surface 112 in the measuring device 1 is demonstrated. As described above, this processing is performed by the processing unit 150 controlling the respective units of the measuring apparatus 1 in an integrated manner.

Ｓ２０２では、光源１０１から出力される光の周波数を設定する。具体的には、処理部１５０は、光源１０１から出力される光の周波数を連続的に変更して（走査して）第１の周波数に設定する。この際、処理部１５０は、光源１０１から出力された光の周波数を計測するように周波数計測部１０４を制御し、かかる計測結果に基づいて、光源１０１から出力される光の周波数を所定の周波数に安定化させる。   In S202, the frequency of light output from the light source 101 is set. Specifically, the processing unit 150 continuously changes (scans) the frequency of the light output from the light source 101 and sets it to the first frequency. At this time, the processing unit 150 controls the frequency measurement unit 104 so as to measure the frequency of the light output from the light source 101, and sets the frequency of the light output from the light source 101 to a predetermined frequency based on the measurement result. To stabilize.

Ｓ２０４では、干渉光ＩＬの位相をシフトさせる。具体的には、処理部１５０は、ピエゾ制御部１３２を介して、参照面１１０を保持したピエゾステージ１３１を移動させて、干渉光ＩＬの位相を、例えば、第１の状態にシフトさせる。   In S204, the phase of the interference light IL is shifted. Specifically, the processing unit 150 moves the piezo stage 131 holding the reference surface 110 via the piezo control unit 132 to shift the phase of the interference light IL to, for example, the first state.

Ｓ２０６では、干渉光ＩＬの光強度を検出する。具体的には、処理部１５０は、Ｓ２０４で干渉光ＩＬの位相をシフトさせた状態において、干渉光ＩＬの光強度を検出部１４０で検出する。   In S206, the light intensity of the interference light IL is detected. Specifically, the processing unit 150 detects the light intensity of the interference light IL with the detection unit 140 in a state where the phase of the interference light IL is shifted in S204.

Ｓ２０８では、処理部１５０は、干渉光ＩＬの位相を規定回数シフトさせたかどうかを判定する。干渉光ＩＬの位相を規定回数シフトさせていない場合には、Ｓ２０４に移行し、干渉光ＩＬの位相を、例えば、第１の状態とは異なる第２の状態にシフトさせて、干渉光ＩＬの光強度を検出する。干渉光ＩＬの位相をシフトさせ（Ｓ２０４）、干渉光ＩＬの光強度を検出する（Ｓ２０６）動作は、少なくとも３回行う（即ち、規定回数は３回以上に設定する）必要があり、一般的には、４回行われる（所謂、４バケット法）。このように、干渉光ＩＬの位相を３回以上シフトさせて干渉光ＩＬの光強度を検出することで、その周波数における干渉光ＩＬの位相を算出することが可能となる。一方、干渉光ＩＬの位相を規定回数シフトさせている場合には、Ｓ２１０に移行する。   In S208, the processing unit 150 determines whether or not the phase of the interference light IL has been shifted a specified number of times. If the phase of the interference light IL has not been shifted a specified number of times, the process proceeds to S204, where the phase of the interference light IL is shifted to, for example, a second state different from the first state, and the interference light IL Detect the light intensity. The operation of shifting the phase of the interference light IL (S204) and detecting the light intensity of the interference light IL (S206) needs to be performed at least three times (that is, the specified number of times is set to three times or more). Is performed four times (a so-called four-bucket method). Thus, by detecting the light intensity of the interference light IL by shifting the phase of the interference light IL three or more times, the phase of the interference light IL at that frequency can be calculated. On the other hand, if the phase of the interference light IL has been shifted a specified number of times, the process proceeds to S210.

Ｓ２１０では、処理部１５０は、光源１０１から出力される光の周波数を所定回数設定したかどうかを判定する。光源１０１から出力される光の周波数を所定回数設定していない場合には、Ｓ２０２に移行して、光源１０１から出力される光の周波数を第１の周波数とは異なる第２の周波数に設定する。光源１０１から出力される光の周波数を第２の周波数に設定した状態においても、干渉光ＩＬの位相をシフトさせ（Ｓ２０４）、干渉光ＩＬの光強度を検出する（Ｓ２０６）。ここで、光源１０１から出力される光の周波数については、３つ以上の周波数を設定する（即ち、所定回数は３回以上に設定する）必要がある。光源１０１に設定する周波数の数が多ければ多いほど、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測精度は向上するが、計測時間が長くなってしまう。従って、要求される計測精度と許容される計測時間を考慮して、光源１０１に設定する周波数の数は決定される。本実施形態では、光源１０１に設定する周波数の数を１６として説明する。   In S210, the processing unit 150 determines whether the frequency of the light output from the light source 101 has been set a predetermined number of times. If the frequency of the light output from the light source 101 has not been set a predetermined number of times, the process proceeds to S202, and the frequency of the light output from the light source 101 is set to a second frequency different from the first frequency. . Even in the state where the frequency of light output from the light source 101 is set to the second frequency, the phase of the interference light IL is shifted (S204), and the light intensity of the interference light IL is detected (S206). Here, as for the frequency of light output from the light source 101, it is necessary to set three or more frequencies (that is, the predetermined number of times is set to three or more). As the number of frequencies set in the light source 101 increases, the measurement accuracy of the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 improves, but the measurement time becomes longer. Accordingly, the number of frequencies set in the light source 101 is determined in consideration of the required measurement accuracy and the allowable measurement time. In the present embodiment, the number of frequencies set in the light source 101 is assumed to be 16.

Ｓ２１２では、処理部１５０は、Ｓ２０２で設定した各周波数における位相を特定する。具体的には、Ｓ２０２で設定した周波数のそれぞれについて、Ｓ２０６で検出された干渉光ＩＬの光強度及びＳ２０４でシフトさせた干渉光ＩＬの位相のシフト量に基づいて、参照面１１０と被検面１１２との間の光路長に相当する位相を特定する。   In S212, the processing unit 150 identifies the phase at each frequency set in S202. Specifically, for each of the frequencies set in S202, the reference surface 110 and the test surface are based on the light intensity of the interference light IL detected in S206 and the phase shift amount of the interference light IL shifted in S204. A phase corresponding to the optical path length between the optical path 112 and the optical path 112 is specified.

Ｓ２１４では、処理部１５０は、Ｓ２１２で特定した各周波数における位相に基づいて、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を算出する。   In S214, the processing unit 150 calculates the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 based on the phase at each frequency specified in S212.

以下、Ｓ２１２及びＳ２１４について詳細に説明する。例えば、光源１０１に設定する周波数の数を１６とし、干渉光ＩＬの位相をシフトさせる回数を４とすると、干渉光ＩＬの光強度（光強度分布）を表す信号（データ）として６４個の信号が得られる。処理部１５０は、検出部１４０の検出面を構成する画素ごとに、以下の式（１）で定義されるフーリエ変換を行って、解析信号Ｓ（ｈ）を求める。   Hereinafter, S212 and S214 will be described in detail. For example, assuming that the number of frequencies set in the light source 101 is 16 and the number of times the phase of the interference light IL is shifted is 4, 64 signals as signals (data) representing the light intensity (light intensity distribution) of the interference light IL. Is obtained. The processing unit 150 performs the Fourier transform defined by the following formula (1) for each pixel constituting the detection surface of the detection unit 140 to obtain the analysis signal S (h).

Figure 2013088316
Figure 2013088316

式（１）において、ｈは、参照面１１０と被検面１１２との間の距離であり、Ｋは、光源１０１に設定する周波数の数である。また、ｆｋは、光源１０１に設定する周波数（の値）であり、φ（ｆｋ）は、各周波数における位相である。ｈを大きな間隔にすれば、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測精度は低下するが、計算時間が短くなる。一方、ｈを小さな間隔にすれば、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測精度は向上するが、計算時間が長くなる。 In Equation (1), h is the distance between the reference surface 110 and the test surface 112, and K is the number of frequencies set in the light source 101. Further, f k is a frequency (value) set in the light source 101, and φ (f k ) is a phase at each frequency. If h is set to a large interval, the measurement accuracy of the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 decreases, but the calculation time is shortened. On the other hand, if h is set to a small interval, the measurement accuracy of the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 is improved, but the calculation time is increased.

本実施形態では、処理部１５０は、Ｓ２０２において、光源１０１からの光の周波数の間隔が不均一となるように、即ち、周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、光源１０１からの光の周波数を設定している。   In the present embodiment, in S202, the processing unit 150 outputs light from the light source 101 so that the frequency intervals of the light from the light source 101 are non-uniform, that is, the frequency difference between the frequencies is different from each other. The frequency of light is set.

図３は、光源１０１に設定される３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差を説明するための図である。実線は、本実施形態において、光源１０１に設定される周波数ｆ１乃至ｆ１６を示している。また、点線は、光源１０１からの光の周波数の間隔を等間隔とした場合に、光源に設定される周波数を示している。周波数ｆ１乃至ｆ１６のそれぞれの間の周波数差Δｆｎ（Δｆ１乃至Δｆ１５）の標準偏差σは、以下の式（２）で表される。なお、Δｆ￣は、周波数差Δｆ１乃至Δｆ１５の平均値、即ち、光源１０１からの光の周波数の間隔を等間隔とした場合の周波数差（周波数の間隔）である。 FIG. 3 is a diagram for explaining a frequency difference between each of three or more frequencies set in the light source 101. A solid line indicates frequencies f 1 to f 16 set in the light source 101 in the present embodiment. The dotted line indicates the frequency set for the light source when the frequency of the light from the light source 101 is equal. The standard deviation σ of the frequency difference Δf n (Δf 1 to Δf 15 ) between each of the frequencies f 1 to f 16 is expressed by the following equation (2). Δf￣ is an average value of the frequency differences Δf 1 to Δf 15 , that is, a frequency difference (frequency interval) when the frequency intervals of the light from the light source 101 are equal intervals.

Figure 2013088316
Figure 2013088316

本実施形態のように、光源１０１に設定する周波数のそれぞれの間の周波数差を不均一にすると、互いに異なる複数の合成波長を生成することができる。合成波長は光のものさしに相当するため、生成される合成波長の違いが大きいほど、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を広い範囲で計測することが可能となる（即ち、計測範囲を広範囲化することができる）。生成される合成波長の違いを大きくするためには、周波数のそれぞれの間の周波数差がランダムとなるように、光源１０１からの光の周波数を設定するとよい。但し、周波数差が不均一であっても、例えば、周波数差が等差数列的に変化するなど、周波数差の変化に規則性がある場合には、生成される合成波長の違いが小さくなる。   If the frequency difference between each of the frequencies set in the light source 101 is made nonuniform as in this embodiment, a plurality of different synthetic wavelengths can be generated. Since the combined wavelength corresponds to a measure of light, the greater the difference in the generated combined wavelength, the wider the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 can be measured (that is, measurement). Range can be widened). In order to increase the difference in the generated synthetic wavelength, the frequency of light from the light source 101 may be set so that the frequency difference between the frequencies is random. However, even if the frequency difference is not uniform, for example, if the change in the frequency difference is regular, for example, the frequency difference changes in an arithmetic progression, the difference in the generated synthetic wavelength becomes small.

また、本実施形態では、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を算出するために、第１算出処理（ラフ計算）と第２算出処理（精密計算）を行う。ここで、第１算出処理は、検出部１４０で検出される干渉光ＩＬの光強度を表す信号に対して第１周波数間隔でフーリエ変換を行って第１ピーク値を特定する処理である。また、第２算出処理は、第１算出処理で特定した第１ピーク値を含む予め定められた範囲内の信号に対して、第１周波数間隔よりも小さい第２周波数間隔でフーリエ変換を行って第２ピーク値を特定する処理である。図４は、本実施形態における解析信号Ｓ（ｈ）の一例を示す図である。図４では、参照面１１０と被検面１１２との間の距離（光路長差）を２５ｍｍ、光源１０１に設定する周波数ｆｎの数を１６、周波数差Δｆｎの標準偏差σを周波数差Δｆｎの平均値の２５％としている。また、図４では、参照面１１０と被検面１１２との間の距離ｈ［ｍｍ］を横軸に採用し、解析信号Ｓ（ｈ）（の大きさ）を縦軸に採用している。 In the present embodiment, the first calculation process (rough calculation) and the second calculation process (precision calculation) are performed in order to calculate the distance between the reference surface 110 and the test surface 112. Here, the first calculation process is a process of specifying a first peak value by performing Fourier transform on a signal representing the light intensity of the interference light IL detected by the detection unit 140 at a first frequency interval. In the second calculation process, a Fourier transform is performed on a signal within a predetermined range including the first peak value specified in the first calculation process at a second frequency interval smaller than the first frequency interval. This is processing for specifying the second peak value. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the analysis signal S (h) in the present embodiment. In FIG. 4, the distance (optical path length difference) between the reference surface 110 and the test surface 112 is 25 mm, the number of frequencies f n set in the light source 101 is 16, and the standard deviation σ of the frequency difference Δf n is the frequency difference Δf. The average value of n is 25%. In FIG. 4, the distance h [mm] between the reference surface 110 and the test surface 112 is adopted on the horizontal axis, and the analysis signal S (h) (the magnitude thereof) is adopted on the vertical axis.

図４（ａ）は、第１算出処理に対応し、干渉光ＩＬの光強度を表す信号に対して、５０ｍｍの範囲を１０μｍの周波数間隔でフーリエ変換を行うことで得られた解析信号Ｓ（ｈ）を示している。図４（ａ）を参照するに、ｈ＝２５ｍｍの近傍に、最も大きいピーク値（第１ピーク値）が現れていることがわかる。このようなピーク値は、光源１０１からの光の周波数の間隔を等間隔とした場合には現れない。図４（ａ）では、最も大きいピーク値の次に大きいピーク値、即ち、２番目に大きいピーク値は、０．６３程度である。最も大きいピーク値が０．６３程度になる線幅は約４０μｍであるため、この場合、４０μｍ以下の間隔で解析信号Ｓ（ｈ）を求めれば、最も大きいピーク値の位置を正しく特定することができる。   FIG. 4A corresponds to the first calculation process, and an analysis signal S () obtained by performing Fourier transform on a signal representing the light intensity of the interference light IL in a 50 mm range at a frequency interval of 10 μm. h). Referring to FIG. 4A, it can be seen that the largest peak value (first peak value) appears in the vicinity of h = 25 mm. Such a peak value does not appear when the frequency intervals of the light from the light source 101 are equal. In FIG. 4A, the second largest peak value after the largest peak value, that is, the second largest peak value is about 0.63. Since the line width at which the largest peak value is about 0.63 is about 40 μm, in this case, if the analysis signal S (h) is obtained at intervals of 40 μm or less, the position of the largest peak value can be correctly specified. it can.

図４（ｂ）は、第２算出処理に対応し、干渉光ＩＬの光強度を表す信号に対して、上述した第１ピーク値を含む０．５ｍｍの範囲を０．１μｍの周波数間隔でフーリエ変換を行うことで得られた解析信号Ｓ（ｈ）を示している。第２算出処理では、第１算出処理よりも小さい間隔で解析信号Ｓ（ｈ）を求めているため、ピーク値（第２ピーク値）を高精度に特定することができる。   FIG. 4B corresponds to the second calculation process. For a signal representing the light intensity of the interference light IL, a range of 0.5 mm including the first peak value described above is Fourier-transformed at a frequency interval of 0.1 μm. The analysis signal S (h) obtained by performing the conversion is shown. In the second calculation process, the analysis signal S (h) is obtained at an interval smaller than that in the first calculation process, so that the peak value (second peak value) can be specified with high accuracy.

第１算出処理を行わずに、干渉光ＩＬの光強度を表す信号に対して、５０ｍｍの範囲を０．１μｍの周波数間隔でフーリエ変換を行うと、１０μｍの周波数間隔でフーリエ変換を行う場合よりも約１００倍の時間を要する。従って、本実施形態のように、第１算出処理（ラフ計算）と第２算出処理（精密計算）を行うことによって、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の算出に要する時間を大幅に短縮することができる。   When the Fourier transform is performed on the signal representing the light intensity of the interference light IL without performing the first calculation process in a 50 mm range at a frequency interval of 0.1 μm, the Fourier transform is performed at a frequency interval of 10 μm. Takes about 100 times as long. Therefore, the time required for calculating the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 by performing the first calculation process (rough calculation) and the second calculation process (precision calculation) as in the present embodiment. It can be greatly shortened.

なお、光源１０１に設定する周波数のそれぞれの間の周波数差の不均一性が小さい場合には、解析信号Ｓ（ｈ）において、最も大きいピーク値と次に大きいピーク値とが近くなる。従って、第１算出処理において、最も大きいピーク値を誤って特定する可能性が大きくなる。   When the non-uniformity of the frequency difference between the frequencies set in the light source 101 is small, the largest peak value and the next largest peak value are close to each other in the analysis signal S (h). Therefore, in the first calculation process, the possibility of erroneously specifying the largest peak value increases.

本発明者は、鋭意検討の結果、周波数差Δｆｎの標準偏差σが周波数差Δｆｎの平均値Δｆ￣の１０％未満である場合には、検出部１４０の検出誤差や環境変動などに起因して、ピーク値を誤って特定する可能性が飛躍的に大きくなることを見出した。従って、周波数差Δｆｎの標準偏差σが周波数差Δｆｎの平均値Δｆ￣の１０％以上、更には、２０％以上となるように、光源１０１からの光の周波数を設定するとよい。 The present inventors have conducted extensive studies result, when the standard deviation σ of the frequency difference Delta] f n is less than 10% of the average Δf¯ frequency difference Delta] f n is due to such detection errors and environmental changes of the detection unit 140 Thus, it has been found that the possibility of specifying the peak value by mistake increases dramatically. Thus, more than 10% of the average value Δf¯ the standard deviation σ is the frequency difference Delta] f n of the frequency difference Delta] f n, furthermore, such that at least 20%, setting the frequency of the light from the light source 101 may.

また、周波数差Δｆｎの標準偏差σが周波数差Δｆｎの平均値Δｆ￣の１０％以上であっても、ピーク値を誤って特定する可能性がゼロにならない場合も考えられる。このような場合には、光源１０１に設定する周波数をランダムに変更して、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測を複数回行えばよい。例えば、１回の計測でピーク値を誤って特定する確率が１％であったとしても、２回連続でピーク値を誤って特定する確率は０．０１％であり、ピーク値を誤って特定することを大幅に減少させることができる。 Further, even if the standard deviation σ of the frequency difference Δf n is 10% or more of the average value Δf￣ of the frequency difference Δf n , there is a possibility that the possibility of erroneously specifying the peak value does not become zero. In such a case, the frequency set in the light source 101 may be changed randomly, and the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 may be measured a plurality of times. For example, even if the probability of erroneously specifying a peak value in one measurement is 1%, the probability of erroneously specifying the peak value twice consecutively is 0.01%, and the peak value is specified incorrectly. Can be greatly reduced.

このように、本実施形態では、光源１０１からの光の周波数を連続的に変更して３つ以上の周波数に設定する。この際、３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、３つ以上の周波数を設定している。従って、計測装置１は、参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測において、計測範囲の広範囲化を実現することができる。   Thus, in this embodiment, the frequency of the light from the light source 101 is continuously changed and set to three or more frequencies. At this time, the three or more frequencies are set so that the frequency difference between the three or more frequencies is different from each other. Therefore, the measurement apparatus 1 can realize a wide measurement range in measuring the distance between the reference surface 110 and the test surface 112.

なお、本実施形態では、計測装置１が参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する場合について説明した。但し、計測装置１は、被検面１１２の形状を計測することも可能である。上述したように、検出部１４０は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのエリアセンサで構成されている。従って、被検面１１２の上の複数の位置のそれぞれについて、干渉光ＩＬを検出する複数の検出領域を含むように、検出部１４０を構成することが可能である。そして、処理部１５０は、複数の検出領域のそれぞれで検出される干渉光ＩＬの光強度に基づいて、複数の位置のそれぞれについて参照面１１０と被検面１１２との間の距離を求めることで被検面１１２の形状を求めることができる。また、検出部１４０を複数の検出領域を含むように構成できない場合には、被検面１１２と検出部１４０との相対的な位置関係を変更し、各位置関係について参照面１１０と被検面１１２との間の距離を求めることで被検面１１２の形状を求めることも可能である。   In the present embodiment, the case where the measurement apparatus 1 measures the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 has been described. However, the measuring device 1 can also measure the shape of the test surface 112. As described above, the detection unit 140 includes an area sensor such as a CCD sensor or a CMOS sensor. Therefore, the detection unit 140 can be configured to include a plurality of detection regions for detecting the interference light IL for each of a plurality of positions on the test surface 112. Then, the processing unit 150 obtains the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 for each of the plurality of positions based on the light intensity of the interference light IL detected in each of the plurality of detection regions. The shape of the test surface 112 can be obtained. In addition, when the detection unit 140 cannot be configured to include a plurality of detection regions, the relative positional relationship between the test surface 112 and the detection unit 140 is changed, and the reference surface 110 and the test surface for each positional relationship are changed. It is also possible to obtain the shape of the test surface 112 by obtaining the distance to the surface 112.

＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態における計測装置１Ａの構成を示す図である。計測装置１Ａは、計測装置１と比較するに、干渉光ＩＬの位相を時間的にシフトさせる位相シフト部として機能するピエゾステージ１３１及びピエゾ制御部１３２の代わりに、干渉光ＩＬの位相を空間的にシフトさせる偏光素子１６０を有する。偏光素子１６０は、検出部１４０に入射する干渉光ＩＬに位相を与えることで、干渉光ＩＬの位相をシフトさせる。 <Second Embodiment>
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a measuring apparatus 1A according to the second embodiment of the present invention. As compared with the measurement apparatus 1, the measurement apparatus 1A spatially changes the phase of the interference light IL in place of the piezo stage 131 and the piezo control section 132 that function as a phase shift unit that temporally shifts the phase of the interference light IL. The polarizing element 160 to be shifted to is provided. The polarizing element 160 shifts the phase of the interference light IL by giving a phase to the interference light IL incident on the detection unit 140.

偏光ビームスプリッタ１０８で重ね合わされた参照光ＲＬ及び被検光ＴＬのそれぞれは、λ／４波長板１１７を通過することで右回り円偏光及び左回り円偏光に変換され、参照面１１０及び被検面１１２と検出部１４０との間に配置された偏光素子１６０に導かれる。   Each of the reference light RL and the test light TL superimposed by the polarization beam splitter 108 is converted into a clockwise circular polarization and a counterclockwise circular polarization by passing through the λ / 4 wavelength plate 117, and the reference surface 110 and the test light TL are detected. The light is guided to the polarizing element 160 disposed between the surface 112 and the detection unit 140.

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、偏光素子１６０の構成を示す図である。偏光素子１６０は、図６（ａ）に示すように、複数の偏光子要素１６２を含む。偏光子要素１６２の大きさは、検出部１４０の検出面を構成する画素の大きさと等しく、偏光子要素１６２のそれぞれは、偏光子要素１６２と検出部１４０の検出面を構成する画素とが１：１で対応するように配置されている。偏光素子１６０は、検出部１４０（の検出面）の近傍に配置することが好ましく、偏光素子１６０と検出部１４０とを一体的に構成してもよい。   6A and 6B are diagrams showing the configuration of the polarizing element 160. FIG. The polarizing element 160 includes a plurality of polarizer elements 162 as shown in FIG. The size of the polarizer element 162 is equal to the size of the pixels constituting the detection surface of the detection unit 140, and each of the polarizer elements 162 has one pixel constituting the detection surface of the polarizer element 162 and the detection unit 140. : 1 to correspond. The polarizing element 160 is preferably disposed in the vicinity of the detection unit 140 (the detection surface thereof), and the polarizing element 160 and the detection unit 140 may be integrally configured.

図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す領域αに位置する４つの偏光子要素１６２ａ乃至１６２ｄを示す図である。偏光素子１６０は、４つの偏光子要素１６２ａ乃至１６２ｄを周期的に配列することで構成されている。４つの偏光子要素１６２ａ乃至１６２ｄは、それぞれの透過軸の方向が０度、４５度、９０度、１３５度となるように配置されている。   FIG. 6B is a diagram showing the four polarizer elements 162a to 162d located in the region α shown in FIG. The polarizing element 160 is configured by periodically arranging four polarizer elements 162a to 162d. The four polarizer elements 162a to 162d are arranged so that the directions of their transmission axes are 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees.

右回り円偏光に変換された参照光ＲＬ及び左回り円偏光に変換された被検光ＴＬは、偏光素子１６０を通過することで互いに干渉し、干渉光ＩＬを形成する。本実施形態では、４つの偏光子要素１６２ａ乃至１６２ｄのそれぞれを通過した光が形成する干渉光ＩＬの位相はπ／２ずつ異なるため、干渉光ＩＬの位相に時間的にシフトさせた場合と同様に、４バケット法によって干渉光ＩＬの位相を求めることができる。   The reference light RL converted to clockwise circularly polarized light and the test light TL converted to counterclockwise circularly polarized light interfere with each other by passing through the polarizing element 160 to form interference light IL. In the present embodiment, the phase of the interference light IL formed by the light that has passed through each of the four polarizer elements 162a to 162d is different by π / 2, so that it is the same as when the phase is shifted to the phase of the interference light IL with time. In addition, the phase of the interference light IL can be obtained by the 4-bucket method.

図７は、計測装置１Ａにおける参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する処理を説明するためのフローチャートである。計測装置１Ａでは、上述したように、偏光素子１６０によって干渉光ＩＬの位相を空間的にシフトさせている。従って、計測装置１における参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する処理（図２）と比較して、計測装置１Ａにおける参照面１１０と被検面１１２との間の距離を計測する処理では、図７に示すように、Ｓ２０４及びＳ２０８を行う必要がない。従って、本実施形態では、計測装置１が参照面１１０と被検面１１２との間の距離の計測に要する計測時間を短くすることができる。また、干渉光ＩＬの位相を時間的にシフトさせる場合と比較して、振動や温度変化などの環境変動に強いという利点もある。   FIG. 7 is a flowchart for explaining processing for measuring the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 in the measurement apparatus 1A. In the measurement apparatus 1A, as described above, the phase of the interference light IL is spatially shifted by the polarizing element 160. Therefore, compared with the process (FIG. 2) which measures the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 in the measurement apparatus 1, the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 in the measurement apparatus 1A is calculated. In the measurement process, as shown in FIG. 7, it is not necessary to perform S204 and S208. Therefore, in this embodiment, the measurement time required for the measurement apparatus 1 to measure the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 can be shortened. In addition, there is an advantage that it is more resistant to environmental fluctuations such as vibrations and temperature changes than when the phase of the interference light IL is shifted in time.

＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態における計測装置１Ｂの構成を示す図である。計測装置１Ｂは、計測装置１の構成に加えて、被検面１１２をインコヒーレントな光で照明する照明系としてのインコヒーレント光源１１８を更に有する。また、本実施形態では、検出部１４０は、インコヒーレント光源１１８によって被検面１１２を照明した際に、被検面１１２で反射された光（インコヒーレントな光）を検出して被検面１１２の画像を取得する取得部としても機能する。 <Third Embodiment>
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a measurement apparatus 1B according to the third embodiment of the present invention. In addition to the configuration of the measurement apparatus 1, the measurement apparatus 1B further includes an incoherent light source 118 as an illumination system that illuminates the test surface 112 with incoherent light. In the present embodiment, the detection unit 140 detects light (incoherent light) reflected by the test surface 112 when the test surface 112 is illuminated by the incoherent light source 118 and detects the test surface 112. It also functions as an acquisition unit that acquires the images.

被検面１１２の表面が粗い場合、コヒーレントな光で被検面１１２を照明すると、スペックルが発生する。スペックルが発生すると、検出部１４０において明瞭な画像を取得することができないため、光軸ＡＸ２（被検面１１２の軸）に直交する方向（横方向）における被検面１１２の位置（寸法、座標）を高精度に計測することが困難である。そこで、本実施形態では、被検面１１２の横方向の位置を求める際には、インコヒーレント光源１１８からのインコヒーレントな光で被検面１１２を照明することで取得される画像を用いる。被検面１１２の横方向の位置は、処理部１５０において、例えば、エッジ検出などの画像認識処理を行うことで求めることができる。また、被検面１１２の光軸ＡＸ２に沿った方向（縦方向）の位置を求める際には、光源１０１からのコヒーレントな光で被検面１１２を照明することで取得される画像を用いる。   When the surface of the test surface 112 is rough, speckles are generated when the test surface 112 is illuminated with coherent light. When speckle occurs, the detection unit 140 cannot obtain a clear image. Therefore, the position (size, dimension) of the test surface 112 in the direction (lateral direction) orthogonal to the optical axis AX2 (axis of the test surface 112). It is difficult to measure coordinates) with high accuracy. Therefore, in the present embodiment, when obtaining the position of the test surface 112 in the lateral direction, an image acquired by illuminating the test surface 112 with incoherent light from the incoherent light source 118 is used. The horizontal position of the test surface 112 can be obtained by performing image recognition processing such as edge detection in the processing unit 150, for example. Further, when obtaining the position of the test surface 112 in the direction (vertical direction) along the optical axis AX2, an image acquired by illuminating the test surface 112 with coherent light from the light source 101 is used.

図９を参照して、計測装置１Ｂにおける被検面１１２の横方向及び縦方向の位置を計測する処理を説明する。かかる処理は、処理部１５０が計測装置１Ｂの各部を統括的に制御することで行われる。   With reference to FIG. 9, the process which measures the position of the horizontal direction and the vertical direction of the to-be-examined surface 112 in the measuring apparatus 1B is demonstrated. Such processing is performed by the processing unit 150 comprehensively controlling each unit of the measuring apparatus 1B.

Ｓ９０２では、インコヒーレント光源１１８からのインコヒーレントな光で被検面１１２を照明する。   In step S <b> 902, the test surface 112 is illuminated with incoherent light from the incoherent light source 118.

Ｓ９０４では、インコヒーレントな光で被検面１１２を照明した状態において、被検面１１２で反射したインコヒーレントな光を検出部１４０で検出して被検面１１２の画像を取得する。かかる被検面１１２の画像は、処理部１５０に入力される。   In step S <b> 904, in the state where the test surface 112 is illuminated with incoherent light, the detection unit 140 detects the incoherent light reflected by the test surface 112 and acquires an image of the test surface 112. The image of the test surface 112 is input to the processing unit 150.

Ｓ９０６では、被検面１１２の横方向の位置を算出する。具体的には、処理部１５０は、Ｓ９０４で取得された被検面１１２の画像に対してエッジ検出などの画像認識処理を施すことで（即ち、被検面１１２の画像を解析して）、被検面１１２の横方向の位置を算出する。   In step S906, the lateral position of the test surface 112 is calculated. Specifically, the processing unit 150 performs image recognition processing such as edge detection on the image of the test surface 112 acquired in S904 (that is, analyzes the image of the test surface 112), The lateral position of the test surface 112 is calculated.

Ｓ９０８乃至Ｓ９１８は、図２に示すＳ２０２乃至Ｓ２１２と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。   Since S908 to S918 are the same as S202 to S212 shown in FIG. 2, detailed description thereof is omitted here.

Ｓ９２０では、被検面１１２の縦方向の位置を算出する。具体的には、処理部１５０は、Ｓ９１８で特定した各周波数における位相に基づいて、参照面１１０と被検面１１２との間の距離を求めることで被検面１１２の縦方向の位置を算出する。   In S920, the position of the test surface 112 in the vertical direction is calculated. Specifically, the processing unit 150 calculates the vertical position of the test surface 112 by obtaining the distance between the reference surface 110 and the test surface 112 based on the phase at each frequency specified in S918. To do.

Ｓ９２２では、被検面１１２の形状を算出する。具体的には、処理部１５０は、Ｓ９０６で算出した被検面１１２の横方向の位置とＳ９２０で算出した被検面１１２の縦方向の位置とを組み合わせて、被検面１１２の３次元の位置情報、即ち、被検面１１２の形状を算出する。   In S922, the shape of the test surface 112 is calculated. Specifically, the processing unit 150 combines the position in the horizontal direction of the test surface 112 calculated in S906 and the position in the vertical direction of the test surface 112 calculated in S920, so that the three-dimensional of the test surface 112 is obtained. The position information, that is, the shape of the test surface 112 is calculated.

このように、本実施形態では、被検面１１２の横方向の位置を算出する際にはインコヒーレント光源１１８を、被検面１１２の縦方向の位置を算出する際には光源（周波数可変光源）１０１を用いることで、被検面１１２の形状を高精度に計測することができる。   As described above, in this embodiment, the incoherent light source 118 is used when calculating the horizontal position of the test surface 112, and the light source (frequency variable light source is used when calculating the vertical position of the test surface 112. ) 101 can be used to measure the shape of the test surface 112 with high accuracy.

なお、Ｓ９２２で算出した被検面１１２の形状は、例えば、処理部１５０などにおいてユーザが被検面１１２の対象領域を指定することで、計測装置１Ｂに備えられたディスプレイなどに表示することができる。また、被検面１１２の形状についてのデータベースを予め用意しておけば、被検面１１２の形状についての合否を自動的に判定して、その判定結果を出力することも可能である。   Note that the shape of the test surface 112 calculated in S922 can be displayed on a display or the like provided in the measurement apparatus 1B when the user designates a target area of the test surface 112 in the processing unit 150 or the like, for example. it can. Further, if a database about the shape of the test surface 112 is prepared in advance, it is possible to automatically determine whether or not the shape of the test surface 112 is acceptable and output the determination result.

また、Ｓ９２０において被検面１１２の縦方向の位置を算出する際に、Ｓ９０６で算出した被検面１１２の横方向の位置を用いてもよい。例えば、被検面１１２の穴の深さを計測したい場合には、まず、インコヒーレントな光で被検面１１２を照明することで取得される画像から穴の領域を特定する。次に、コヒーレントな光で被検面１１２を照明することで取得される画像を用いて、穴の領域内及びその周辺領域のそれぞれについて縦方向の位置の平均値を算出する。これらの平均値の差分をとれば、穴の深さを算出することができる。平均値を用いることで、画素ごとに生じる計測誤差の影響が小さくなるため、穴の深さを高精度に計測することができる。   Further, when the vertical position of the test surface 112 is calculated in S920, the horizontal position of the test surface 112 calculated in S906 may be used. For example, when it is desired to measure the depth of the hole in the test surface 112, first, a hole region is specified from an image acquired by illuminating the test surface 112 with incoherent light. Next, using the image acquired by illuminating the test surface 112 with coherent light, the average value of the position in the vertical direction is calculated for each of the hole region and its peripheral region. If the difference between these average values is taken, the depth of the hole can be calculated. By using the average value, the influence of the measurement error generated for each pixel is reduced, so that the depth of the hole can be measured with high accuracy.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、各実施形態の計測装置は、機械部品などの物品の製造に適用することができる。かかる物品の製造方法は、上述した計測装置を用いて被検面を計測する工程と、かかる工程での計測結果に基づいて、被検面が所定の形状となるように加工（研磨など）する工程とを含む。かかる物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary. For example, the measurement device of each embodiment can be applied to the manufacture of articles such as machine parts. A method for manufacturing such an article includes a step of measuring a surface to be measured using the above-described measuring device, and processing (polishing or the like) such that the surface to be tested has a predetermined shape based on a measurement result in the step. Process. Such a method for manufacturing an article is advantageous in at least one of the performance, quality, productivity, and production cost of the article as compared with the conventional method.

Claims (9)

参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、
光源からの光を第１光と第２光とに分割し、前記第１光を前記参照面に入射させ、前記第２光を前記被検面に入射させる分割素子と、
前記参照面で反射された前記第１光と前記被検面で反射された前記第２光との干渉光の位相をシフトさせる位相シフト部と、
前記干渉光の強度を検出する検出部と、
前記光源からの光の周波数を連続的に変更して３つ以上の周波数に設定し、前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記位相シフト部によって前記干渉光の位相をシフトさせながら前記干渉光の強度を検出するように前記検出部を制御し、前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記検出部によって検出される前記干渉光の強度及び前記位相シフト部による前記干渉光の位相のシフト量に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を特定することで、前記距離を求める処理部と、
を有し、
前記処理部は、前記３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、前記３つ以上の周波数を設定することを特徴とする計測装置。 A measuring device for measuring a distance between a reference surface and a test surface,
A splitting element for splitting light from a light source into first light and second light, causing the first light to enter the reference surface, and causing the second light to enter the test surface;
A phase shift unit that shifts the phase of interference light between the first light reflected by the reference surface and the second light reflected by the test surface;
A detector for detecting the intensity of the interference light;
The frequency of the light from the light source is continuously changed to be set to three or more frequencies, and the interference light is shifted while shifting the phase of the interference light by the phase shift unit for each of the three or more frequencies. The detection unit is controlled to detect the intensity of the interference light, and for each of the three or more frequencies, the intensity of the interference light detected by the detection unit and the phase shift amount of the interference light by the phase shift unit A processing unit for determining the distance by specifying a phase corresponding to an optical path length between the reference surface and the test surface;
Have
The measurement device, wherein the processing unit sets the three or more frequencies so that a frequency difference between each of the three or more frequencies is different from each other. 前記処理部は、前記周波数差の標準偏差が前記周波数差の平均値の１０％以上となるように、前記３つ以上の周波数を設定することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。   The measurement apparatus according to claim 1, wherein the processing unit sets the three or more frequencies so that a standard deviation of the frequency differences is 10% or more of an average value of the frequency differences. 前記処理部は、
前記検出部によって検出される前記干渉光の強度を表す信号に対して第１周波数間隔でフーリエ変換を行って第１ピーク値を特定し、
前記第１ピーク値を含む予め定められた範囲内の前記信号に対して前記第１周波数間隔よりも小さい第２周波数間隔でフーリエ変換を行って第２ピーク値を特定し、
前記第２ピーク値に対応する距離を前記距離として求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。 The processor is
A Fourier transform is performed at a first frequency interval on a signal representing the intensity of the interference light detected by the detection unit to identify a first peak value,
A Fourier transform is performed on the signal within a predetermined range including the first peak value at a second frequency interval smaller than the first frequency interval to identify a second peak value;
The measuring apparatus according to claim 1, wherein a distance corresponding to the second peak value is obtained as the distance. 前記位相シフト部は、前記参照面を保持して移動するステージを含み、前記ステージを介して前記参照面を移動させることで、前記干渉光の位相をシフトさせることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。   The phase shift unit includes a stage that moves while holding the reference surface, and shifts the phase of the interference light by moving the reference surface through the stage. 4. The measuring device according to any one of 3. 前記位相シフト部は、前記参照面及び前記被検面と前記検出部との間に配置された偏光素子を含み、前記偏光素子によって前記検出部に入射する前記干渉光に位相を与えることで、前記干渉光の位相をシフトさせることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。   The phase shift unit includes a polarization element disposed between the reference surface and the test surface and the detection unit, and gives a phase to the interference light incident on the detection unit by the polarization element, The measuring apparatus according to claim 1, wherein the phase of the interference light is shifted. 前記被検面をインコヒーレントな光で照明する照明系と、
前記被検面で反射された前記インコヒーレントな光を検出して前記被検面の画像を取得する取得部を更に有し、
前記処理部は、前記取得部で取得された前記画像に基づいて、前記被検面の位置を求めることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。 An illumination system for illuminating the test surface with incoherent light;
Further comprising an acquisition unit for detecting the incoherent light reflected by the test surface and acquiring an image of the test surface;
The measurement apparatus according to claim 1, wherein the processing unit obtains a position of the test surface based on the image acquired by the acquisition unit. 前記処理部は、前記距離を求めるたびに、前記３つ以上の周波数を変更することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。   The measurement apparatus according to claim 1, wherein the processing unit changes the three or more frequencies each time the distance is obtained. 前記検出部は、前記被検面の上の複数の位置のそれぞれについて、前記干渉光の強度を検出する複数の検出領域を含み、
前記処理部は、前記複数の位置のそれぞれについて前記距離を求めることで前記被検面の形状を求めることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。 The detection unit includes a plurality of detection regions for detecting the intensity of the interference light for each of a plurality of positions on the test surface;
The measurement apparatus according to claim 1, wherein the processing unit obtains the shape of the test surface by obtaining the distance for each of the plurality of positions. 光源からの光を第１光と第２光とに分割し、前記第１光を参照面に入射させ、前記第２光を被検面に入射させる分割素子と、前記参照面で反射された前記第１光と前記被検面で反射された前記第２光との干渉光の位相をシフトさせる位相シフト部と、前記干渉光の強度を検出する検出部とを有する計測装置を用いて、前記参照面と前記被検面との間の距離を計測する計測方法であって、
前記光源からの光の周波数を連続的に変更して３つ以上の周波数に設定するステップと、
前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記位相シフト部によって前記干渉光の位相をシフトさせながら前記干渉光の強度を前記検出部によって検出するステップと、
前記３つ以上の周波数のそれぞれについて、前記検出部によって検出される前記干渉光の強度及び前記位相シフト部による前記干渉光の位相のシフト量に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を特定することで、前記距離を求めるステップと、
を有し、
前記光源からの光の周波数を設定する際には、前記３つ以上の周波数のそれぞれの間の周波数差が互いに異なるように、前記３つ以上の周波数を設定することを特徴とする計測方法。 The light from the light source is split into first light and second light, the first light is incident on a reference surface, and the splitting element is incident on the test surface, and is reflected by the reference surface Using a measuring device having a phase shift unit that shifts the phase of interference light between the first light and the second light reflected by the test surface, and a detection unit that detects the intensity of the interference light, A measurement method for measuring a distance between the reference surface and the test surface,
Continuously changing the frequency of light from the light source and setting it to three or more frequencies;
Detecting the intensity of the interference light by the detection unit while shifting the phase of the interference light by the phase shift unit for each of the three or more frequencies;
For each of the three or more frequencies, based on the intensity of the interference light detected by the detection unit and the phase shift amount of the interference light by the phase shift unit, between the reference surface and the test surface Determining the distance by identifying the phase corresponding to the optical path length between;
Have
The measurement method, wherein when setting the frequency of light from the light source, the three or more frequencies are set so that the frequency difference between each of the three or more frequencies is different from each other.
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