JP2014102192A - 白色干渉装置及び白色干渉装置の位置及び変位測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】白色干渉装置及び白色干渉装置の位置・変位測定方法を提供する。
【解決手段】白色干渉装置１０１によれば、第１の測定光１０４を測定対象物１５６に照射し、それと同時に第２の測定光１１０を固定の基準ターゲット１４０に照射する。まず、測定対象物１５６の測定値と基準ターゲット１４０の測定値との差分を取り、外乱影響の誤差を除去する。次に、外乱影響の誤差を除去した測定値と較正用データを用いて比較参照する。すなわち、外乱影響の誤差を除去した測定値から、直動ステージ１２６の平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差データを除去し、真の測定データを取得する。
【選択図】図７

Description

本発明は、白色干渉法（低コヒーレンス干渉法）を用いて測定対象物の位置及び変位を非接触で測定する白色干渉装置及び白色干渉装置の位置及び変位測定方法に関する。

コヒーレントな光の干渉によって生じる干渉縞を検出する、干渉法を用いた干渉計が知られている。

前記干渉法とは、単一の波長をマイケルソン干渉計などの光学干渉計によって干渉させた際に、波長の整数倍に近付くに従って輝度が高くなり、その中間に近付くに従って輝度が低くなる特性を利用して、波長や位相差を、長さ測定に応用する技術である。

また、干渉法のうち白色干渉法（低コヒーレンス干渉法）は、コヒーレンス長（干渉縞を得ることのできる最大の光路差）の短い白色光源を用いる手法であり、測定対象物の微細な形状を非接触で測定できることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の白色干渉装置は、白色光源、光カプラ、参照光路長スキャナ部、センサ部、光検出器、及び処理装置等を備えている。

前記光カプラは、前記白色光源からの白色光を参照光と測定光に分割するハーフミラー又はビームスプリッターの役割をする。

前記参照光路長スキャナ部は、光カプラから光ファイバを介して入った参照光の進行方向を変える光学素子、光学素子から出た参照光の進行方向を反転する反射素子、光学素子を往復移動させる直動ステージ、及び光学素子の位置を取得する参照用スケールヘッドを備える。

前記センサ部は、光カプラから光ファイバを介して入った測定光を発散又は収束させる集光レンズ、及び参照光路長スキャナ部と同期して集光レンズを移動させ測定光のスポットサイズを調整するレンズ移動部を備える。

前記光検出器は、参照光路長スキャナ部から返った参照光とセンサ部から返った測定光の干渉縞を検出し、干渉信号を前記処理装置に出力する。

なお、白色干渉法では、光検出器において検出される干渉縞は、測定光と参照光の光路差がないとき、すなわち、各光路長がほぼ等しいときに見られ、各光路長が一致したとき干渉縞の振幅が最大となる。そのときの干渉縞のコントラスト最大位置が測定対象物の表面位置となる。また、干渉縞の最大振幅を示す参照光路長スキャナ部の直動ステージ上の光学素子の位置の決定精度が測定対象物の位置及び変位を測定する際の測定精度となる。

すなわち、特許文献１の白色干渉装置は、参照光の光路長を精度良く走査し白色干渉縞の位相情報を得ることによって、測定対象物の位置及び変位をナノメートル精度で測定可能である。

ところで、特許文献１等に開示された白色干渉装置において、測定対象物の位置及び変位を精度良く測定するためには、光学素子を往復移動させる直動ステージの精度（性能）が大きく影響する。つまり、白色干渉装置では、直動ステージの真直度の誤差、及び移動中における直動ステージのピッチング、ヨーイングの動作の誤差を取り除かなければ、測定対象物の位置及び変位を精度良く測定できない。

そこで、従来では、測定対象物を測定する前に、基準となる基準面（例えば、位置が既知のミラーやブロックゲージ）に測定光を照射して直動ステージを移動させ、その際に得られる基準データに基づいて前記誤差を取得している。その後、測定光を測定対象物に照射して直動ステージを移動させ、その際に得られる測定データと前記基準データとの差分を取ることにより、前記測定データから前記誤差を取り除くようにしている。

特開２０１２−８３２７４号公報

しかしながら、特許文献１の白色干渉装置では、基準データを取得後に測定データを取得する必要があるので、測定が二度手間になるという問題があった。また、基準データの取得時と測定データの取得時における測定環境（外乱影響：温度、気圧、湿度等）が変化した場合には、直動ステージやファイバの熱膨縮等によって参照光の光路長が変化するので、測定データから正確な前記誤差を取り除くことができないという問題もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、測定が容易で測定精度の高い白色干渉装置及び白色干渉装置の位置及び変位測定方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、前記目的を達成するために、白色光源と、前記白色光源から照射される白色光を第１の参照光と第１の測定光に分割する第１の光カプラと、前記白色光源から照射される白色光を第２の参照光と第２の測定光に分割する第２の光カプラと、前記第１の光カプラから光ファイバを介して照射された第１の参照光の進行方向を反転して前記第１の光カプラに返す第１の反射素子、前記第２の光カプラから光ファイバを介して照射された第２の参照光の進行方向を反転して前記第２の光カプラに返す第２の反射素子、前記第１の反射素子及び前記第２の反射素子を往復移動させる直動ステージ、及び前記第１の反射素子及び前記第２の反射素子の位置を取得するスケールヘッドからなる参照光路長スキャナ部と、前記第１の光カプラから光ファイバを介して照射された前記第１の測定光を収束させて第１の測定対象物に照射するとともに前記第１の測定対象物で反射した光を受光する第１の集光レンズと、前記第２の光カプラから光ファイバを介して照射された前記第２の測定光を収束させて第２の測定対象物に照射するとともに前記第２の測定対象物で反射した光を受光する第２の集光レンズと、前記参照光路長スキャナ部から返った前記第１の参照光と前記第１の集光レンズから返った前記第１の測定光を干渉させ、干渉強度を電気信号である第１の干渉信号として出力する第１の光検出器と、前記参照光路長スキャナ部から返った前記第２の参照光と前記第２の集光レンズから返った前記第２の測定光を干渉させ、干渉強度を電気信号である第２の干渉信号として出力する第２の光検出器と、前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号を同時に取得し、それらの前記干渉信号の最大振幅に対応する前記直動ステージの位置を読み取り、その位置を測定対象物の相対位置とする処理装置と、を備えることを特徴としている。

本発明の一態様の白色干渉装置は、白色光源から照射される白色光を第１の参照光と第１の測定光に分割する第１の光カプラと、白色光源から照射される白色光を第２の参照光と第２の測定光に分割する第２の光カプラとを備えた、いわゆる２軸形態の白色干渉装置である。そして、参照光路長スキャナ部においては、第１の反射素子と第２の反射素子を、各々独立した直動ステージに搭載するのではなく、１つの直動ステージに搭載したことを特徴としている。

２軸形態の白色干渉装置において、参照光路長スキャナ部の１台の直動ステージに第１の反射素子及び第２の反射素子を搭載することにより、直動ステージの真直度、ピッチング、及びヨーイング等の誤差を１台の直動ステージでのみ取得すればよいので、第１の反射素子及び第２の反射素子の光軸調整が容易になる。また、それぞれ性能の異なる直動ステージに第１の反射素子及び第２の反射素子を搭載したものと比較して、測定誤差が少なくなり測定結果のばらつきが少なくなるので、２点同時測定による測定精度が向上する。なお、３軸以上の形態の白色干渉装置も本発明の範疇に含まれる。この場合、第３の反射素子以降の反射素子も１つの直動ステージに搭載すればよい。

前記目的を達成するために、本発明の一態様の白色干渉装置を用い、第１の測定対象物の位置及び変位量と、第２の測定対象物の位置及び変位量とを同時に取得し、その差分を求めることにより２点又はそれ以上の多点同時計測可能なことを特徴とする白色干渉装置による位置及び変位測定方法を提供する。

本発明の一態様によれば、２軸形態の第１の測定光を第１の測定対象物に照射して第１の測定対象物の位置及び変位を測定するとともに、第２の測定光を、事前に位置が判明している、第２の測定対象物である基準ターゲット（例えばミラー）に照射して基準ターゲットの位置及び変位を同時に測定する。すなわち、本発明の一態様は、第１の測定対象物の位置及び変位と、第２の測定対象物である前記基準ターゲットの位置及び変位とを同時に取得し、その差分を求める。これにより、直動ステージのピッチング、ヨーイングの動作誤差の他、特に温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた真の測定データを得ることができる。

本発明の一態様は、前記目的を達成するために、本発明の一態様の白色干渉装置を用い、高精度ステージ上の較正用ターゲットを微動させながら、参照光路長スキャナ部の直動ステージを複数回移動させて較正用ターゲットの位置及びその変位を複数回測定し、参照光路長スキャナ部の直動ステージのピッチング、ヨーイング成分を抽出した第１のデータを作成する工程と、第１の測定対象物の位置及び変位と、第２の測定対象物の位置及び変位を同時に取得し、その差分を求めて外乱影響を取り除いた第２のデータを作成する工程と、前記第１のデータと前記第２のデータとの参照比較から第３のデータを取得する工程と、を備えたことを特徴とする白色干渉装置による位置及び変位測定方法を提供する。

本発明の一態様によれば、まず、高精度ステージ上の較正用ターゲットを微動させながら、参照光路長スキャナ部の直動ステージを複数回移動させて較正用ターゲットの位置及びその変位を複数回測定し、参照光路長スキャナ部の直動ステージのピッチング、ヨーイング成分を抽出した第１のデータを作成する。ここで、複数のデータを取り平均化することによって、直動ステージのピッチング、ヨーイングの誤差を平均化する。これによって、測定精度が向上する。前記第１のデータは参照光路長スキャナの位置の関数として、データ補正に用いられる。

次に、第１の測定対象物の位置及び変位と、第２の測定対象物（基準ターゲット）の位置及び変位とを同時に取得し、その差分を求めて外乱影響、つまり、温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた第２のデータを作成する。

そして、第１のデータと第２のデータを比較参照することにより第３のデータを取得する。つまり、参照光路長スキャナ部の直動ステージの平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差、及び温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた真の測定データを得ることができる。

本発明によれば、多点同時測定が容易で測定精度の高い白色干渉装置及び白色干渉装置の位置及び変位測定方法を提供できる。

白色干渉装置の基本的な構成を示した参考図 実施の形態の白色干渉装置の構成を示したブロック図 （Ａ）は参照光走査ステージの位置に対する基準ターゲットの干渉縞の強度を示したグラフ、（Ｂ）は参照光走査ステージの位置に対する高精度ステージ（ピエゾステージ等）上の較正用ターゲットの干渉縞の強度を示したグラフ 較正用ターゲットを高精度ステージによって微動させながら変位を与え測定した測定値（Ａ）と固定の基準ターゲットを測定した測定値（Ｂ）とを示したグラフ 較正用ターゲットの変位から環境の影響（温度、気圧、湿度の変化）の誤差を除去したグラフ 較正用ターゲットと基準ターゲットの変位を複数回測定し、その複数回の測定データを平均化処理した較正用データのグラフ 較正用データを利用して測定対象物の位置及び変位を測定する白色干渉装置を示したブロック図 処理装置による測定対象物の位置及び変位算出方法を示したブロック図 測定対象物の測定値（Ｃ）と基準ターゲットの測定値（Ｄ）とを示したグラフ （Ａ）は環境の影響（温度、気圧、湿度の変化）の誤差を除去した測定値のグラフ、（Ｂ）は参照光路長スキャナ部の直動ステージの平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差データを示したグラフ、（Ｃ）は真の測定データを示したグラフ

以下、添付図面に従って本発明に係る白色干渉装置及び白色干渉装置の位置及び変位測定方法の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、後述する実施の形態の白色干渉装置を説明するための白色干渉装置１０の基本的な構成を示した参考図である。

〔白色干渉装置１０の基本的な構成〕
白色干渉装置１０は干渉計部１２、参照光路長スキャナ部１４、センサ部１６、及び処理装置１８を備え、測定対象物の位置及び変位を測定する装置である。

干渉計部１２は白色光源２０、光カプラ２２、及び光検出器２４を備える。そして、光カプラ２２、白色光源２０、参照光路長スキャナ部１４、センサ部１６、及び光検出器２４は、光ファイバ２６を介して連結されている。干渉計部１２は、白色光源２０からの白色光２０ａを参照光と測定光に分割し、さらに参照光と測定光を干渉させる。

白色光源２０は、白色光２０ａを照射する装置であり、高輝度で低コヒーレンス性であるＳＬＤ（Super Luminescence Diode：スーパールミネッセントダイオード）、パルス幅がフェムト秒レベルであるフェムト秒レーザー、及び波長走査型レーザー等を使用できる。白色光源２０は、低コヒーレンス性を有し、例えば６００ｎｍ〜８００ｎｍ程度の波長範囲から選択される。

光カプラ２２は、光ファイバ２６を通過する光を分割する装置である。入射した白色光２０ａを参照光２２ｂと測定光２２ｃに分割し、参照光２２ｂは参照光路長スキャナ部１４に送り、測定光２２ｃはセンサ部１６に送る。

光カプラ２２は、例えばハーフミラー、ビームスプリッター、又はそれと同等の機能を有する他の手段でもよい。すなわち、光カプラ２２は、光ファイバ２６を通過する光を２つ又はそれ以上の経路に、１：１若しくは他の比率に分割する機能を備える。

光検出器２４は、参照光路長スキャナ部１４から返る参照光２２ｂと、センサ部１６から返る測定光２２ｃを光カプラ２２において合成し、電気信号（アナログ）である干渉信号２６ａとして処理装置１８に出力する。

光ファイバ２６は、光の伝送路であり、機器間で光を送受する機能を備える。光ファイバ２６は、透過率の高い石英ガラス製又はプラスチック製であり、外側よりも芯の屈折率を高くすることで光を芯にだけ伝搬させる。

参照光路長スキャナ部１４は、光カプラ２２から入射した参照光２２ｂを反射して光カプラ２２に戻す機能を備える。そして、干渉計部１２から入射した参照光２２ｂを反射させて干渉計部１２に返す過程において、参照光２２ｂの光路長を変化させる機能を備える。

参照光路長スキャナ部１４は、光学素子２８、直動ステージ３０、スケールヘッド３２、リニアスケール３４、反射素子３６、ファイバコネクタ３８等からなり、光ファイバ２６に接続され、干渉計部１２から出た参照光２２ｂがファイバコネクタ３８から入射される。

参照光路長スキャナ部１４内には、位置を示すリニアスケール３４が配置され、直動ステージ３０が往復移動可能に設置される。直動ステージ３０に取り付けたスケールヘッド３２でリニアスケール３４上の目盛りを読み取ることによって、直動ステージ３０の位置が取得される。

直動ステージ３０には、光学素子２８が光ファイバ２６に接続されるファイバコネクタ３８に対向して載置され、ファイバコネクタ３８に隣接して反射素子３６が光学素子２８に対向するようにハウジング４０に固定される。

光学素子２８は、再帰性反射可能な直角プリズムミラー又はＣＣＰ（コーナーキューブ・プリズム）などが用いられ、直角に組み合わせた面に光を入射させ、数回の反射によって光を入射方向に反射する。

直動ステージ３０は、参照光２２ｂの進行方向と同方向又は逆方向にスライド可能な移動体である。直動ステージ３０を移動させることで、参照光２２ｂの光路長を変化させることができる。直動ステージ３０の移動は、光検出器２４からの干渉信号２６ａ及びスケールヘッド３２からのスケール信号２６ｂに基づいて処理装置１８が移動制御信号２６ｄを生成し、直動ステージ３０に出力することによって制御される。

スケールヘッド３２は、直動ステージ３０と共に移動しながらリニアスケール３４上の位置情報を読み取る。なお、直動ステージ３０が車輪やローラ等の回転体で移動する場合は、回転体の回転量から移動量を把握してもよい。スケールヘッド３２が取得した直動ステージ３０の位置は、スケールヘッド３２がスケール信号２６ｂとして出力し、処理装置１８で信号処理される。

リニアスケール３４は、直動ステージ３０の可動範囲に目盛り等を付したものであり、直動ステージ３０の移動量を取得することで、参照光２２ｂの光路長を把握することができる。

反射素子３６は、ミラーなどが用いられ、光の進行方向を反対方向に変更する。なお、反射素子３６は終端であり、ファイバコネクタ３８から反射素子３６に至るまで、間に光学素子２８を複数個用いて光を複数回往復させてもよい。これにより、参照光２２ｂの光路長の変化量を長くすることができる。すなわち、センサ部１６から測定対象物４２までの距離が長い場合でも測定可能になる。

ファイバコネクタ３８は、干渉計部１２に接続する光ファイバ２６の先端を保持し、光ファイバ２６から出射された参照光２２ｂを直動ステージ３０の光学素子２８に照射するようにケーシング４４に固定される。

直動ステージ３０を往復移動させると、参照光２２ｂの光路長は光カプラ２２からファイバコネクタ３８と光学素子２８を経て反射素子３６に至るまでとなるので、参照光２２ｂの光路長を直動ステージ３０の移動量の２倍で変化させることができる。

反射素子３６で反射された参照光２２ｂは、そのまま同じ光路を逆戻りして光ファイバ２６の先端を保持するファイバコネクタ３８に到達し、光ファイバ２６内を通って干渉計部１２へ返る。

センサ部１６は、ファイバコネクタ４６、集光レンズ４８、５０、レンズ移動機構５２等からなり、光カプラ２２から延びる光ファイバ２６を介して、集光レンズ４８に向けて測定光２２ｃを照射する。そして、光カプラ２２から入射した測定光２２ｃを測定対象物４２で反射させて光カプラ２２に戻す。

ファイバコネクタ４６は、光ファイバ２６の測定光２２ｃの測定対象物４２側の終端を保持する。光ファイバ２６から出射された測定光２２ｃは、集光レンズ４８に至る。

集光レンズ４８、５０は、凸レンズ等を２枚又は複数枚用いて測定光２２ｃを発散又は収束させることで、測定光２２ｃの焦点距離を変化させて、測定対象物４２に対する測定光２２ｃのスポットサイズ（照射面積）の最適化に用いる。

レンズ移動機構５２は、集光レンズ５０を移動させて測定光２２ｃの焦点を可変にする装置である。レンズ移動機構５２の例としては、中空ボイスコイルモータや、小型ステージ、液体レンズを用いた手段などがある。

Ａ／Ｄ変換器５４は、アナログ信号である干渉信号２６ａをデジタル信号に変換する装置である。カウンター５６は、スケールヘッド３２から取得したスケール信号２６ｂを数値に変換する装置である。カウンター値はスケール信号２６ｂを数値に変換しただけであるので等価と見なされる。

処理装置１８は、必要に応じて各部材の動作制御、取得データの演算処理を行うコンピュータ装置である。

動作制御としては、参照光路長スキャナ部１４から取得したスケール信号２６ｂに応じてレンズ移動機構５２にレンズ移動制御信号２６ｃを出力し、測定光２２ｃのスポットサイズの最適化を行う。

処理装置１８の演算処理としては、光検出器２４からの干渉信号２６ａを基に、最大振幅を示す干渉縞５８を決定する。最大振幅を示す干渉縞５８は、直動ステージ３０の移動量、すなわちスケール信号２６ｂに対して干渉信号２６ａの強度を得ることで決定される。

また、処理装置１８は、干渉信号２６ａ、スケール信号２６ｂを基に、レンズ移動機構５２の集光レンズ５０、４８の位置、直動ステージ３０の位置を制御する。これらの位置制御は同期して行う。

〔白色干渉装置１０の基本動作〕
白色干渉法による測定方法は、白色光照射、センサ部移動・固定、参照光の光路長スキャン、測定光のスポットサイズ最適化、干渉縞の検出ステップ、変位量の計算の各ステップからなる。

白色光照射ステップは、白色光源２０から白色光２０ａを照射し、光ファイバ２６を介して光カプラ２２に白色光２０ａを送る。光カプラ２２で白色光２０ａを参照光２２ｂと測定光２２ｃに分割し、参照光２２ｂを参照光路長スキャナ部１４に、測定光２２ｃをセンサ部１６に送る。

センサ部移動・固定ステップは、センサ部１６の先端部を測定対象物４２に向けて固定する。

参照光の光路長スキャンステップは、直動ステージ３０を直動ステージ３０が移動可動な全範囲又は一部を移動させる。直動ステージ３０の移動とともに干渉信号２６ａは、光検出器２４から処理装置１８に出力される。

測定光のスポットサイズ最適化ステップは、参照光の光路長スキャンステップに同期して、処理装置１８でレンズ移動制御信号２６ｃを生成し、レンズ移動機構５２を駆動させ、集光レンズ５０を移動させる。そして、測定光２２ｃの測定対象物４２におけるスポットサイズを最適化する。

参照光２２ｂと測定光２２ｃの光路長がほぼ一致したとき干渉縞５８が得られることから、参照光路長スキャナ部１４の直動ステージ３０の移動と、センサ部１６の集光レンズ５０の移動は、測定位置のスポットサイズを最適化するように連動する。

干渉縞の検出ステップは、処理装置１８が、干渉信号２６ａを基に、干渉縞５８の最大振幅を示す直動ステージ３０の位置を決定する。そのときの直動ステージ３０の位置、即ちスケール信号２６ｂが示す位置を測定対象物４２の測定位置とする。

変位量の計算ステップは、処理装置１８の演算部で、測定対象物４２の変位量を求める。そして、測定対象物４２の変位量を求めた後、画面等に結果を出力する。

このようにして、実施の形態の白色干渉装置１０では、測定対象物４２に非接触で、マイクロメートルオーダの高精度で測定対象物の位置を測定することが可能になる。

〔実施の形態の白色干渉装置１００の基本構成〕
図２は、実施の形態の白色干渉装置１００の構成を示したブロック図である。なお、図１に示した参考の白色干渉装置１０と同一又は類似の部材については同一の符号を付しその説明は省略する。また、白色干渉装置１００の測定原理は、白色干渉装置１０と同一なので、その説明も省略する。

図２の白色干渉装置１００は、白色光源２０、白色光源２０から照射される白色光を、第１の参照光１０２と第１の測定光１０４に分割する第１の光カプラ１０６、及び白色光源２０から照射される白色光を、第２の参照光１０８と第２の測定光１１０に分割する第２の光カプラ１１２を備える。

また、白色干渉装置１００は、第１の光カプラ１０６から光ファイバ１１４及びコリメータレンズ１１６を介して照射された第１の参照光１０２の進行方向を反転して第１の光カプラに返す第１の反射素子１１８、第２の光カプラ１１２から光ファイバ１２０及びコリメータレンズ１２２を介して照射された第２の参照光１０８の進行方向を反転して第２の光カプラ１１２に返す第２の反射素子１２４、第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４を光軸方向に往復移動させる直動ステージ１２６、及び第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４の位置を取得するスケールヘッド１２８からなる参照光走査ステージ（参照光路長スキャナ部）１３０を備える。

更に、白色干渉装置１００は、第１の光カプラ１０６から光ファイバ１３２を介して照射された第１の測定光１０４を収束させて第１の測定対象物である較正用ターゲット（例えばミラー）１３４に照射するとともに較正用ターゲット１３４で反射した光（第１の測定光）を受光する第１の集光レンズ１３６を備える。

更にまた、白色干渉装置１００は、第２の光カプラ１１２から光ファイバ１３８を介して照射された第２の測定光１１０を収束させて第２の測定対象物である基準ターゲット１４０に照射するとともに基準ターゲット１４０で反射した光（第２の測定光）を受光する第２の集光レンズ１４２を備える。

また、白色干渉装置１００は、参照光走査ステージ１３０から返った第１の参照光１０２と第１の集光レンズ１３６から返った第１の測定光１０４を干渉させ、干渉強度を電気信号である第１の干渉信号として出力する第１の光検出器１４４を備える。

また、白色干渉装置１００は、参照光走査ステージ１３０から返った第２の参照光１０８と第２の集光レンズ１４２から返った第２の測定光１１０を干渉させ、干渉強度を電気信号である第２の干渉信号として出力する第２の光検出器１４６を備える。

また、白色干渉装置１００は、前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号を取得し、測定対象物の変位量を取得する処理装置１４８を備えている。

なお、符号１５０は光サーキューレータであり、白色光源２０からの白色光を第１の光カプラ１０６にのみ送出する機能を備えている。また、符号１５２も光サーキューレータであり、白色光源２０からの白色光を第２の光カプラ１１２にのみ送出する機能を備えている。更に、符号１５４は、較正用ターゲット１３４を光軸方向に精度良く移動させる高精度ステージである。

〔白色干渉装置１００の特徴〕
実施の形態の白色干渉装置１００は、白色光源２０から照射される白色光を第１の参照光１０２と第１の測定光１０４に分割する第１の光カプラ１０６と、白色光源２０から照射される白色光を第２の参照光１０８と第２の測定光１１０に分割する第２の光カプラ１１２とを備えた、いわゆる２軸形態の白色干渉装置である。

そして、参照光走査ステージ１３０においては、第１の反射素子（図１の白色干渉装置１０の光学素子２８に相当）１１８と第２の反射素子１２４を、各々独立した直動ステージに搭載するのではなく、１つの直動ステージ１２６に搭載している。

２軸形態の白色干渉装置１００において、１台の直動ステージ１２６に第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４を搭載することにより、直動ステージ１２６の真直度、ピッチング、及びヨーイング等の誤差を１台の直動ステージ１２６でのみ取得すればよいので、第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４の光軸調整が容易になる。

また、それぞれ性能の異なる直動ステージに第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４を搭載したものと比較して、測定誤差が少なくなり測定結果のばらつきが少なくなるので、２点同時測定による測定精度が向上する。

更に、白色光は、１台の白色光源２０から分岐させて、基準ターゲット１４０を測定・比較しながら使用するため、光源波長の温度依存性による測長誤差も除去できる。

なお、３軸以上の形態の白色干渉装置も本発明の範疇に含まれる。この場合、第３の反射素子以降の反射素子も１台の直動ステージ１２６に搭載すればよい。

白色干渉装置１００を使用した位置及び変位測定方法は、較正用ターゲット１３４の変位量と、基準ターゲット１４０の変位量とを同時に取得し、その差分を処理装置１４８が求める。

すなわち、第１の測定光１０４を、較正用ターゲット１３４に照射して較正用ターゲット１３４の位置及び変位を測定するとともに、第２の測定光１１０を基準ターゲット１４０に照射して基準ターゲット１４０の位置及び変位を同時に測定し、その差分を求める。これにより、参照光用の直動ステージのピッチング、ヨーイングの動作誤差の他、特に温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた真の測定データを得ることができる。

また、他の測定方法は、まず、直動ステージ１２６を複数回移動させて較正用ターゲット１３４の位置及び変位を複数回測定し、直動ステージ１２６のピッチング、ヨーイング成分を抽出した第１のデータを作成する。つまり、複数のデータを取ることによって、直動ステージ１２６のピッチング、ヨーイングの誤差を平均化する。これによって、測定精度が向上する。

次に、高精度ステージ１５４によって微動させながら較正用ターゲット１３４の変位量と、基準ターゲット１４０の変位量とを同時に取得し、その差分を求めて外乱影響、つまり、温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた第２のデータを作成する。

そして、第１のデータと第２のデータとの参照比較から第３のデータを取得する。直動ステージ１２６の平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差、及び温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた真の測定データを得ることができる。

以下、位置及び変位測定方法の一例を、図を用いて説明する。

〔較正用データの作成方法〕
図３（Ａ）は、参照光走査ステージ１３０の位置に対する基準ターゲット１４０の干渉縞の強度（干渉波形）を示したグラフであり、図３（Ｂ）は、参照光走査ステージの位置に対する較正用ターゲット１３４の干渉縞の強度（干渉波形）を示したグラフであり、測定位置に差を持たせて得られたものである。

図４には、較正用ターゲット１３４を高精度ステージ１５４によって、一定時間微動させながら測定した変位測定値（Ａ）と、固定の基準ターゲット１４０を測定した変位測定値（Ｂ）が示されている。ここで、基準ターゲットは固定されているため、この変位測定値（Ｂ）の変化量は環境の影響（温度、気圧、湿度の変化）に起因するものである。

双方の測定値（Ａ）、（Ｂ）は、環境の影響等、時間的に変化する誤差を含んでいる。また、基準ターゲット１４０の測定値（Ｂ）の誤差は、環境の影響が主成分である。双方の測定は同時に行われるため、測定値（Ａ）、（Ｂ）に含まれる環境の影響等の誤差は等しい。そこで、測定値（Ａ）と測定値（Ｂ）との差分を取り、環境の影響の誤差を除去する。図５は、環境の影響の誤差を除去した後のグラフである。すなわち、このデータが実測値から環境の影響の誤差を除去するデータとなる。

図６は、較正用ターゲット１３４を複数回測定し、複数の測定データを平均化処理した較正用データである。図６には、直動ステージ１２６の平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差データが含まれている。

図７には、図６の較正用データを利用して測定対象物１５６の位置及び変位を測定する白色干渉装置１０１が示されている。

図７によれば、第１の測定光１０４を測定対象物１５６に照射し、それと同時に第２の測定光１１０を固定の基準ターゲット１４０に照射している。

図８は、処理装置１４８による測定対象物１５６の位置及び変位算出方法を示したブロック図である。

図８によれば、まず、測定対象物１５６の測定値と基準ターゲット１４０の測定値との差分を取り、環境の影響の誤差を除去する。図９は、測定対象物１５６の測定値（Ｃ）と基準ターゲット１４０の測定値（Ｄ）とが示されたグラフである。

図８に戻り、次に、環境の影響の誤差を除去した測定値と図６の較正用データを比較参照する。すなわち、図１０（Ａ）で示す環境の影響の誤差を除去した測定値から、図１０（Ｂ）で示す直動ステージ１２６の平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差データ（較正用データ）を除去し、図１０（Ｃ）で示す、補正された測定値を真の測定データとして取得する。なお、任意の測定値から位置及び変位（補償後）を逆算する方法として、較正用データを線形補間する方法を挙げることができる。

１０…白色干渉装置、１２…干渉計部、１４…参照光路長スキャナ部、１６…センサ部、１８…処理装置、２０…白色光源、２２…光カプラ、２４…光検出器、２６…光ファイバ、２８…光学素子、３０…直動ステージ、３２…スケールヘッド、３４…リニアスケール、３６…反射素子、３８…ファイバコネクタ、４０…ハウジング、４２…測定対象物、４４…ケーシング、４６…ファイバコネクタ、４８、５０…集光レンズ、５２…レンズ移動機構、５４…Ａ／Ｄ変換器、５６…カウンター、５８…干渉縞、１００…白色干渉装置、１０２…第１の参照光、１０４…第１の測定光、１０６…第１の光カプラ、１０８…第２の参照光、１１０…第２の測定光、１１２…第２の光カプラ、１１４…光ファイバ、１１６…コリメータレンズ、１１８…第１の反射素子、１２０…光ファイバ、１２２…コリメータレンズ、１２４…第２の反射素子、１２６…直動ステージ、１２８…スケールヘッド、１３０…参照光走査ステージ、１３２…光ファイバ、１３４…較正用ターゲット、１３６…第１の集光レンズ、１３８…光ファイバ、１４０…基準ターゲット、１４２…第２の集光レンズ、１４４…第１の光検出器、１４６…第２の光検出器、１４８…処理装置、１５０、１５２…光サーキューレータ、１５４…高精度ステージ

Claims (3)

1. 白色光源と、
   前記白色光源から照射される白色光を第１の参照光と第１の測定光に分割する第１の光カプラと、
   前記白色光源から照射される白色光を第２の参照光と第２の測定光に分割する第２の光カプラと、
   前記第１の光カプラから光ファイバを介して照射された第１の参照光の進行方向を反転して前記第１の光カプラに返す第１の反射素子、前記第２の光カプラから光ファイバを介して照射された第２の参照光の進行方向を反転して前記第２の光カプラに返す第２の反射素子、前記第１の反射素子及び前記第２の反射素子を往復移動させる直動ステージ、及び前記第１の反射素子及び前記第２の反射素子の位置を取得するスケールヘッドからなる参照光路長スキャナ部と、
   前記第１の光カプラから光ファイバを介して照射された前記第１の測定光を収束させて第１の測定対象物に照射するとともに前記第１の測定対象物で反射した光を受光する第１の集光レンズと、
   前記第２の光カプラから光ファイバを介して照射された前記第２の測定光を収束させて第２の測定対象物に照射するとともに前記第２の測定対象物で反射した光を受光する第２の集光レンズと、
   前記参照光路長スキャナ部から返った前記第１の参照光と前記第１の集光レンズから返った前記第１の測定光を干渉させ、干渉強度を電気信号である第１の干渉信号として出力する第１の光検出器と、
   前記参照光路長スキャナ部から返った前記第２の参照光と前記第２の集光レンズから返った前記第２の測定光を干渉させ、干渉強度を電気信号である第２の干渉信号として出力する第２の光検出器と、
   前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号を同時に取得し、それらの前記干渉信号の最大振幅に対応する前記直動ステージの位置を読み取り、その位置を測定対象物の相対位置とする処理装置と、
   を備えることを特徴とする白色干渉装置。
2. 請求項１に記載の白色干渉装置を用い、第１の測定対象物の位置及び変位量と、第２の測定対象物の位置及び変位量とを同時に取得し、その差分を求めることにより２点又はそれ以上の多点同時計測可能なことを特徴とする白色干渉装置による位置及び変位測定方法。
3. 請求項１に記載の白色干渉装置を用い、
   高精度ステージ上の較正用ターゲットを微動させながら、参照光路長スキャナ部の直動ステージを複数回移動させて較正用ターゲットの位置及びその変位を複数回測定し、参照光路長スキャナ部の直動ステージのピッチング、ヨーイング成分を抽出した第１のデータを作成する工程と、
   第１の測定対象物の位置及び変位と、第２の測定対象物の位置及び変位を同時に取得し、その差分を求めて外乱影響を取り除いた第２のデータを作成する工程と、
   前記第１のデータと前記第２のデータとの参照比較から第３のデータを取得する工程と、
   を備えたことを特徴とする白色干渉装置による位置及び変位測定方法。

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