JP2018048914A - 白色干渉装置及び白色干渉装置の計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の厚みと屈折率とを同時に測定可能な白色干渉装置及びこの白色干渉装置の計測方法を提供する。【解決手段】白色光源から出射した白色光を測定光と参照光とに分割する光分割部と、光分割部と、測定光路に配置された測定対象物との間の測定光の距離を変化させる距離変化部と、距離変化部による距離の変化が実行されている場合に干渉信号を検出する干渉信号検出部と、測定対象物の第１面に測定光の焦点が合う第１距離と、測定対象物の第２面に測定光の焦点が合う第２距離と、を検出する第１検出部と、第１面で反射された測定光に対応する干渉信号のピークが検出される第３距離と、第２面で反射された測定光に対応する干渉信号のピークが検出される第４距離と、を検出する第２検出部と、測定対象物の屈折率、及び厚みを演算する演算部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の屈折率及び厚みを計測する白色干渉装置及びこの白色干渉装置の計測方法に関する。

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所謂干渉法を用いた干渉計が知られている。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、干渉光の波長及び位相差を長さ測定に応用する技術である。

このような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する場合によく利用されている。この白色干渉法を用いた白色干渉装置では、白色光源から出射された白色光を測定光と参照光とに分割し、測定光を測定対象物に出射すると共に参照光を参照ミラーに出射して、測定対象物にて反射された測定光と、参照ミラーで反射された参照光との干渉信号を撮像素子で検出する。そして、近年では、この白色干渉装置を用いて測定対象物の厚みの計測が行われている（特許文献１及び非特許文献１〜３参照）。

特開２０１３−２９３４号公報

"反射分光膜厚測定"、［online］、［平成28年7月31日検索］、インターネット〈http://www.lasertec.co.jp/products/special/hybrid/measurement/reflect.html?gclid=CMzusdSasssCFYEIvAodiB0HJg〉 "光干渉法による透明膜の測定"、［online］、［平成28年7月31日検索］、インターネット〈http://kitagawa.image.coocan.jp/SP-tech4.pdf〉 "白色光干渉計膜厚測定装置(OPTOSCOPE WLI)"、［online］、［平成28年7月31日検索］、インターネット〈https://www.altech.co.jp/item/mahlo〉

しかしながら、上記特許文献１及び非特許文献１〜３に記載の白色干渉装置では、屈折率が既知の測定対象物を厚み計測の対象としている。このため、各文献に記載の白色干渉装置では、正確な屈折率が未知の測定対象物の厚み計測を行う場合に、屈折率の推定値を用いる必要があり、厚み計測の結果に誤差が生じるという問題が生じていた。また、屈折率が１以外の測定対象物の厚み計測を行う場合、屈折率に対する光学系の焦点距離の変化率と、屈折率に対する測定光の光路長の変化率とが異なるため、白色干渉法による厚み計測が困難であるという問題が生じていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、測定対象物の厚みと屈折率とを同時に測定可能な白色干渉装置及びこの白色干渉装置の計測方法を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するための白色干渉装置は、白色光を出射する白色光源と、白色光源から出射した白色光を測定光と参照光とに分割して、測定光を測定光路に出射し、且つ参照光を参照光路に出射する光分割部と、光分割部と、測定光路に配置された測定対象物との間の測定光の距離を変化させる距離変化部と、測定対象物にて反射された測定光と、参照光路を経た参照光との干渉信号を検出する干渉信号検出部であって、且つ距離変化部による距離の変化が実行されている場合に干渉信号を検出する干渉信号検出部と、干渉信号検出部が検出した距離ごとの干渉信号に基づき、測定対象物の測定光が入射する側の第１面に測定光の焦点が合う第１距離と、測定対象物の第１面とは反対側の第２面に測定光の焦点が合う第２距離と、を検出する第１検出部と、干渉信号検出部が検出した距離ごとの干渉信号に基づき、第１面で反射された測定光に対応する干渉信号のピークが検出される第３距離と、第２面で反射された測定光に対応する干渉信号のピークが検出される第４距離と、を検出する第２検出部と、第１検出部及び第２検出部の双方の検出結果に基づき、測定対象物の屈折率、及び測定対象物の第１面と第２面との間の厚みを演算する演算部と、を備える。

この白色干渉装置によれば、屈折率が未知の測定対象物であってもその屈折率及び厚みを同時に計測することができる。

本発明の他の態様に係る白色干渉装置において、干渉信号検出部は、複数の画素を有する撮像素子であり、撮像素子の画素毎に干渉信号を検出し、第１検出部は、画素毎の干渉信号に基づき、画素毎に第１距離及び第２距離を検出し、第２検出部は、画素毎の干渉信号に基づき、画素毎に第３距離及び第４距離を検出し、演算部は、屈折率及び厚みを画素毎に演算する。これにより、測定対象物の屈折率分布及び厚み分布を把握することができる。

本発明の他の態様に係る白色干渉装置において、第１検出部が検出した画素毎の第１距離及び第２距離に基づき、撮像素子が画素毎に検出した干渉信号から、測定対象物の第１面及び第２面の全焦点画像を生成する全焦点画像生成部を備える。これにより、測定対象物の屈折率及び厚みの計測に加えて、第１面及び第２面の全焦点画像を同時に生成することができる。

本発明の他の態様に係る白色干渉装置において、第２検出部が検出した画素毎の第３距離に基づき、測定対象物の第１面の三次元形状データを生成し、且つ第２検出部が検出した画素毎の第４距離に基づき、測定対象物の第２面の三次元形状データを生成する三次元形状データ生成部を備える。これにより、測定対象物の屈折率及び厚みの計測に加えて、第１面及び第２面の三次元形状データを同時に生成することができる。

本発明の他の態様に係る白色干渉装置において、第１距離をＬとし、第２距離をＬ＋ΔＬとし、第３距離をＲとし、第４距離をＲ＋ΔＲとし、屈折率をｎとし、厚みをｔとした場合、演算部は、屈折率及び厚みを下記の式、
ｎ＝ΔＲ／ΔＬ
ｔ＝ΔＲ／ΔＬ（ΔＲ−ΔＬ）
を用いて演算する。これにより、測定対象物の屈折率及び厚みを同時に計測することができる。

本発明の他の態様に係る白色干渉装置において、測定対象物が複数層積層されている場合、第１検出部は、第１距離及び第２距離を測定対象物の層毎に検出し、第２検出部は、第３距離及び第４距離を測定対象物の層毎に検出し、演算部は、屈折率及び厚みを測定対象物の層毎に演算する。これにより、屈折率が未知の測定対象物が複数層積層されている積層体であってもその層毎に屈折率及び厚みを同時計測することができる。

本発明の他の態様に係る白色干渉装置において、任意の自然数をＫとし、測定光が入射する側から第Ｋ層目の測定対象物の屈折率及び厚みをそれぞれｎＫ及びｔＫとした場合、第Ｋ層目の測定対象物の第１距離が下記（１）式で表され、且つ第２距離が下記（２）式で表され、且つ第３距離が下記（３）式で表され、且つ第４距離が下記（４）式で表され、演算部は、第Ｋ層目の測定対象物の屈折率及び厚みを、下記の（５）式及び（６）式、

を用いて演算する。これにより、屈折率が未知の測定対象物が複数層積層されている積層体であってもその層毎に屈折率及び厚みを同時計測することができる。

本発明の目的を達成するための白色干渉装置の計測方法は、白色光源から白色光を出射する出射ステップと、白色光源から出射した白色光を光分割部により測定光と参照光とに分割して、測定光を測定光路に出射し、且つ参照光を参照光路に出射する光分割ステップと、光分割部と、測定光路に配置された測定対象物との間の測定光の距離を変化させる距離変化ステップと、測定対象物にて反射された測定光と、参照光路を経た参照光との干渉信号を検出する干渉信号検出ステップであって、且つ距離変化ステップで距離の変化が実行されている場合に干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、干渉信号検出ステップで検出した距離ごとの干渉信号に基づき、測定対象物の測定光が入射する側の第１面に測定光の焦点が合う第１距離と、測定対象物の第１面とは反対側の第２面に測定光の焦点が合う第２距離と、を検出する第１検出ステップと、干渉信号検出ステップで検出した距離ごとの干渉信号に基づき、第１面で反射された測定光に対応する干渉信号のピークが検出される第３距離と、第２面で反射された測定光に対応する干渉信号のピークが検出される第４距離と、を検出する第２検出ステップと、第１検出ステップ及び第２検出ステップの双方の検出結果に基づき、測定対象物の屈折率、及び測定対象物の第１面と第２面との間の厚みを演算する演算ステップと、を有する。

本発明の白色干渉装置及び白色干渉装置の計測方法は、測定対象物の厚みと屈折率とを同時に測定することができる。

本発明の第１実施形態の白色干渉装置の構成を示す概略図である。 白色光源から出射される白色光の波長スペクトルの一例を示した説明図である。 撮像素子の撮像面の画素毎に得られる干渉信号の強度（縦軸）と、測定光及び参照光の距離差（横軸）との関係を示したグラフである。 第１面で焦点高さ位置と干渉ピーク高さ位置とが一致する状態を説明するための説明図である。 一定の厚みの測定対象物の屈折率に対する計測光学系の焦点距離、及び屈折率に対する計測光学系から第２面までの測定光の光路長の関係を示したグラフである。 制御装置の機能ブロック図である。 第１実施形態の白色干渉装置による屈折率及び厚みの計測処理の流れを示すフローチャートである。 第２実施形態の白色干渉装置における屈折率及び厚みの計測対象を説明するための説明図である。 積層体から第２ビームスプリッタへ反射される測定光を説明するための説明図である。 計測光学系を上方向側から下方向側に移動させた場合に、測定光の焦点が合う計測光学系の焦点高さ位置と、反射した各測定光に対応する干渉信号の干渉ピークが検出される計測光学系の干渉ピーク高さ位置とを説明するための説明図である。 第２実施形態の白色干渉装置による屈折率及び厚みの計測処理の流れを示すフローチャートである。 第３実施形態の白色干渉装置の制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 全焦点画像及び三次元形状データの生成を説明するための説明図である。

［第１実施形態の白色干渉装置の構成］
図１は、本発明の第１実施形態の白色干渉装置１０の構成を示す概略図である。図１に示すように、白色干渉装置１０は、白色干渉法を用いて測定対象物１１の屈折率及び厚みを同時計測（測定）する。

白色干渉装置１０は、ステージ１３と、白色光源１４と、ライトガイド１５と、計測光学系１６と、移動機構１７と、制御装置１８と、を備える。

ステージ１３上には、透明な略平板状の測定対象物１１が配置される。なお、ここでいう透明とは、後述の白色光源１４から出射される白色光Ｂに対する光透過性を有していることであり、必ずしも無色透明である必要はない。

図２は、白色光源１４から出射される白色光Ｂの波長スペクトルの一例を示した説明図である。白色光源１４は、可視光領域の光（波長約４００ｎｍ−８００ｎｍ）として、例えば図２に示した波長スペクトルの白色光Ｂ（広帯域光ともいう）をライトガイド１５へ出射する。なお、白色光源１４から出射される白色光Ｂの波長スペクトルは、図２に示した例に限定されるものではなく、適宜変更してもよい。

図１に戻って、ライトガイド１５は、その一端が白色光源１４に接続し、且つその他端が計測光学系１６（コリメータ２３）に接続した光ファイバケーブルである。このライトガイド１５は、白色光源１４から出射した白色光Ｂを、計測光学系１６（コリメータ２３）に入射させる。

計測光学系１６は、筐体２１と、鏡筒２２と、コリメータ２３と、第１ビームスプリッタ２４と、第２ビームスプリッタ２５と、参照ミラー２６と、撮像素子２７とを備えており、後述の移動機構１７により上下方向に移動自在に保持されている。

筐体２１の内部には、測定対象物１１の鉛直上方側の位置において、鏡筒２２が上下方向に平行な姿勢で保持される。また、筐体２１の測定対象物１１に対向する対向面（下面）には、第２ビームスプリッタ２５が、鏡筒２２と測定対象物１１との間に位置するように固定されている。さらに、筐体２１の対向面には、第２ビームスプリッタ２５から上下方向に対して垂直方向にずれた位置に参照ミラー２６が固定されている。さらにまた、筐体２１は、鏡筒２２内の第１ビームスプリッタ２４から垂直方向にずれた位置にコリメータ２３を保持している。

コリメータ２３は、ライトガイド１５を介して白色光源１４から入射された白色光Ｂ（拡散光）を平行光に変換し、平行光に変換した白色光Ｂを鏡筒２２内の第１ビームスプリッタ２４に入射させる。

第１ビームスプリッタ２４は、鏡筒２２内で且つコリメータ２３との接続部分に設けられている。第１ビームスプリッタ２４は、コリメータ２３から入射した白色光Ｂ（平行光）を鏡筒２２の下方側に位置する第２ビームスプリッタ２５に向けて反射する。また、第１ビームスプリッタ２４は、後述の第２ビームスプリッタ２５から入射する干渉光Ｂ３を鏡筒２２内の上方側に位置する撮像素子２７に向けてそのまま透過させる。

第２ビームスプリッタ２５は、本発明の光分割部に相当するものである。第２ビームスプリッタ２５は、第１ビームスプリッタ２４から入射した白色光Ｂ（平行光）を測定光Ｂ１と参照光Ｂ２とに分割する。そして、第２ビームスプリッタ２５は、測定光Ｂ１を第２ビームスプリッタ２５の下方側に位置する測定対象物１１に向けてそのまま透過させると共に、参照光Ｂ２を第２ビームスプリッタ２５の側方側に位置する参照ミラー２６に向けて反射する。

参照ミラー２６は、筐体２１の対向面上で且つ参照光Ｂ２の光路である参照光路ＶＲ上に配置されており、第２ビームスプリッタ２５から入射した参照光Ｂ２を、第２ビームスプリッタ２５に向けて反射する。

第２ビームスプリッタ２５から出射した測定光Ｂ１は、第２ビームスプリッタ２５の下方側で且つ測定光Ｂ１の光路である測定光路ＶＭ上に配置された測定対象物１１の第１面１１ａ（図中上面）に入射する。測定対象物１１の第１面１１ａに入射した測定光Ｂ１の一部は第１面１１ａで反射された後、第２ビームスプリッタ２５に入射する。

また、測定対象物１１の第１面１１ａに入射した測定光Ｂ１の一部は、測定対象物１１の内部を透過して測定対象物１１の第１面１１ａとは反対側の第２面１１ｂ（図中下面）で反射された後、測定対象物１１の内部を再び透過して第２ビームスプリッタ２５に入射する。これにより、第２ビームスプリッタ２５から第１ビームスプリッタ２４に向けて、測定対象物１１の第１面１１ａ及び第２面１１ｂで反射した測定光Ｂ１と、参照ミラー２６で反射された参照光Ｂ２との干渉光Ｂ３が出射される。

第２ビームスプリッタ２５から出射された干渉光Ｂ３は、鏡筒２２内の図示しない光学系（例えばミウラ型対物レンズなどを含む）により、拡大平行光化、像面分解能の向上、及び像面湾曲等の収差補正がなされた後、第１ビームスプリッタ２４に入射する。そして、干渉光Ｂ３は、第１ビームスプリッタ２４を透過した後、図示しない結像光学系を介して鏡筒２２内の上方側に位置する撮像素子２７に入射する。

撮像素子２７は、本発明の干渉信号検出部に相当するものであり、鏡筒２２内で前述の第１ビームスプリッタ２４の上方側に配置されている。この撮像素子２７は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型のイメージセンサであり、光電変換素子を含む画素が２次元アレイ状に配置された撮像面を有している。そして、撮像素子２７は、白色光源１４から出射された干渉光Ｂ３を撮像面の画素毎に受光し、この干渉光Ｂ３を電気信号である干渉信号Ｓに変換する。

移動機構１７は、本発明の距離変化部に相当するものであり、例えばモータ及びギヤ等で構成されている。この移動機構１７は、制御装置１８の制御の下、計測光学系１６を上下方向、すなわち測定光Ｂ１の光軸に平行な方向（第１面１１ａ及び第２面１１ｂに垂直な方向）に一体的に移動（走査）させる。これにより、測定対象物１１に対する計測光学系１６（第２ビームスプリッタ２５）の高さ位置、すなわち計測光学系１６（第２ビームスプリッタ２５）と測定対象物１１との間の測定光Ｂ１の距離ｈを変更することができる。なお、移動機構１７による計測光学系１６の移動は、例えば上下方向に往復移動させてもよいし、上方向から下方向へ或いはその逆方向へ一方向移動させてもよい。

前述の撮像素子２７は、移動機構１７により計測光学系１６を上下方向に移動させている間、干渉光Ｂ３を撮像面の画素毎に受光する。これにより、撮像素子２７によって、計測光学系１６の上下方向の１移動分（１走査分）の干渉信号Ｓが、撮像面の画素毎に得られる。すなわち、測定対象物１１の測定光Ｂ１の照射範囲内の各位置に対応する撮像面の画素毎に、１移動分の干渉信号Ｓが得られる。そして、撮像素子２７から制御装置１８に対して画素毎の１移動分の干渉信号Ｓが制御装置１８へ出力される。

図３は、撮像素子２７の撮像面の画素毎に得られる干渉信号Ｓの強度（縦軸）と、測定光Ｂ１及び参照光Ｂ２の距離差（横軸）との関係を示したグラフである。図３に示すように、干渉信号Ｓの強度は、測定光Ｂ１及び参照光Ｂ２の距離差がゼロ（ほぼゼロを含む）となる場合に最大強度（干渉ピーク）となる。このため、画素毎に干渉信号Ｓの強度が最大となる計測光学系１６の高さ位置に基づき、詳しくは後述するが、測定対象物１１の第１面１１ａ及び第２面１１ｂの三次元形状情報が得られる。

図１に戻って、計測光学系１６の筐体２１の側面には、上下方向に延びたリニアスケール２８が形成されている。また、この筐体２１の側方には、リニアスケール２８と対向する位置にスケールヘッド２９が設けられている。スケールヘッド２９は、リニアスケール２８の目盛りを読み取って、所定の基準位置（例えばステージ１３）に対する計測光学系１６（第２ビームスプリッタ２５）の高さ位置を検出する。スケールヘッド２９が検出する計測光学系１６の高さ位置は前述の距離ｈを示す情報であり、この高さ位置と距離ｈとの間には１対１の関係が成り立つ。そして、スケールヘッド２９は、計測光学系１６の高さ位置の検出結果を制御装置１８へ出力する。

制御装置１８は、パーソナルコンピュータ或いは各種の演算処理装置等が用いられ、白色干渉装置１０の各部の動作を統括的に制御する。また、制御装置１８は、撮像素子２７から出力された撮像信号と、スケールヘッド２９から出力された計測光学系１６の高さ位置とに基づき、測定対象物１１の厚み及び屈折率を演算する。

＜屈折率に対する焦点距離及び距離の関係＞
本実施形態では、測定対象物１１の厚み及び屈折率を演算するため、詳しくは後述するが、計測光学系１６を上下方向に移動させながら、第１面１１ａ及び第２面１１ｂにそれぞれ測定光Ｂ１の焦点が合う（合焦する）計測光学系１６の２種類の高さ位置（距離ｈ）を検出する。また、本実施形態では、第１面１１ａ及び第２面１１ｂにてそれぞれ反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の２種類の高さ位置（距離ｈ）を検出する。

ここで、本実施形態では、計測光学系１６の不図示の対物光学系の焦点距離と、第２ビームスプリッタ２５から参照ミラー２６までの参照光路ＶＲの距離とが等しくなる。このため、第１面１１ａに測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置Ｌと、第１面１１ａにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置Ｒとは同じ位置になる。

図４は、第１面１１ａで焦点高さ位置Ｌと干渉ピーク高さ位置Ｒとが一致する状態を説明するための説明図である。図４に示すように、撮像素子２７で干渉光Ｂ３を撮像して得られた干渉信号Ｓに基づく撮影画像５０内では、干渉信号Ｓの干渉ピークが干渉縞５０ａとして現れる。一方、撮影画像５０内の干渉縞５０ａが発生している第１面１１ａ内の領域の像はボケておらず、この領域内では測定光Ｂ１の焦点が合っている。このような場合、第１面１１ａ内の干渉縞５０ａが発生している領域では、焦点高さ位置Ｌと干渉ピーク高さ位置Ｒとが同じ位置として検出される。

一方、測定対象物１１の第２面１１ｂに測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬと、第２面１１ｂにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲとは、測定光Ｂ１が透過する測定対象物１１の屈折率の大きさに応じて異なる。

図５は、一定の厚みの測定対象物１１の屈折率に対する計測光学系１６の焦点距離、及び屈折率に対する計測光学系１６から第２面１１ｂまでの測定光Ｂ１の光路長の関係を示したグラフである。図５に示すように、測定対象物１１の屈折率が１よりも大きくなるのに従って、焦点距離と光路長との差が大きくなる。このため、測定対象物１１の屈折率の大きさに応じて、前述の焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬと干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲとが異なる位置となる。

従って、制御装置１８は、焦点高さ位置Ｌに対する焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬの変化量である焦点高さ位置変化量ΔＬと、干渉ピーク高さ位置Ｒに対する干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲの変化量である干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲとを求めることで、後述のように、測定対象物１１の屈折率及び厚みを演算する。

＜制御装置の機能＞
図６は、制御装置１８の機能ブロック図である。図６に示すように、制御装置１８は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）或いはＦＰＧＡ（field-programmable gate array）を含む各種の演算部と処理部とメモリ等により構成されている。この制御装置１８は、メモリ等から読み出した不図示の制御プログラムを実行することで、光源制御部３１と、移動制御部３２と、干渉信号取得部３３と、高さ位置取得部３４と、焦点位置検出部３５と、干渉ピーク位置検出部３６と、焦点位置変化量検出部３７と、ピーク位置変化量検出部３８と、演算部３９と、記憶部４０として機能する。

光源制御部３１は、白色光源１４からの白色光Ｂの出射を制御する。この光源制御部３１は、例えばユーザにより計測開始操作がなされた場合に、白色光源１４を起動して白色光源１４から白色光Ｂを出射させる。これにより、撮像素子２７にて干渉光Ｂ３が受光され、撮像素子２７から干渉信号取得部３３に対して干渉信号Ｓが出力される。

移動制御部３２は、移動機構１７の駆動を制御する。この移動制御部３２は、例えばユーザにより計測開始操作がなされた場合に、移動機構１７を駆動して、計測光学系１６を上下方向に移動（往復移動、一方向移動のいずれでも可）させる。これにより、撮像素子２７によって、計測光学系１６の上下方向の１移動分（１走査分）の干渉信号Ｓが、撮像面の画素毎に得られ、画素毎の１移動分の干渉信号Ｓが撮像素子２７から干渉信号取得部３３に対して出力される。

干渉信号取得部３３は、不図示の有線又は無線の通信インタフェースを介して、撮像素子２７から画素毎の１移動分の干渉信号Ｓを取得し、取得した干渉信号Ｓを、焦点位置検出部３５と干渉ピーク位置検出部３６とにそれぞれ出力する。

高さ位置取得部３４は、計測光学系１６の上下方向の移動が行われている間、不図示の有線又は無線の通信インタフェースを介して、スケールヘッド２９から計測光学系１６の高さ位置を取得し、取得した計測光学系１６の高さ位置を示す情報を、焦点位置検出部３５と干渉ピーク位置検出部３６とにそれぞれ出力する。これにより、焦点位置検出部３５及び干渉ピーク位置検出部３６は、画素毎の１移動分の干渉信号Ｓの各々と、計測光学系１６の高さ位置（距離ｈ）との対応関係、すなわち、各干渉信号Ｓがそれぞれ得られた際の計測光学系１６の高さ位置を判別することができる。

焦点位置検出部３５は、本発明の第１検出部に相当するものである。この焦点位置検出部３５は、干渉信号取得部３３から取得した画素毎の１移動分の干渉信号Ｓを画像解析して、第１面１１ａに測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置Ｌと、第２面１１ｂに測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬとを画素毎に検出する。

具体的に、焦点位置検出部３５は、画素毎の１移動分の干渉信号Ｓにそれぞれ基づく測定対象物１１の撮影画像５０を解析して、第１面１１ａに測定光Ｂ１の焦点が合っている干渉信号Ｓ（以下、第１干渉信号Ｓという）と、第２面１１ｂに測定光Ｂ１の焦点が合っている干渉信号Ｓ（以下、第２干渉信号Ｓという）と、を画素毎に検出する。なお、測定光Ｂ１が第１面１１ａ又は第２面１１ｂにそれぞれ合焦しているか否かを画像解析により判別する方法は公知技術であるので、ここでは詳細な説明は省略する。また、計測光学系１６を上下方向に移動させる際の移動方向も既知であるため、干渉信号Ｓの取得順序等から、第１干渉信号Ｓと第２干渉信号Ｓとを区別して検出することができる。

次いで、焦点位置検出部３５は、前述の高さ位置取得部３４から入力された情報に基づき、第１干渉信号Ｓが得られた焦点高さ位置Ｌと、第２干渉信号Ｓが得られた焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬと、を画素毎に検出する。なお、焦点高さ位置Ｌは本発明の第１距離に相当する情報であり、焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬは本発明の第２距離に相当する情報である。そして、焦点位置検出部３５は、画素毎の焦点高さ位置Ｌ，Ｌ＋ΔＬの検出結果を、焦点位置変化量検出部３７へ出力する。

干渉ピーク位置検出部３６は、本発明の第２検出部に相当するものである。干渉ピーク位置検出部３６は、画素毎の１移動分の干渉信号Ｓを解析して、第１面１１ａにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置Ｒと、第２面１１ｂにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲと、を画素毎に検出する。

具体的に、干渉ピーク位置検出部３６は、画素毎の１移動分の各干渉信号Ｓの信号強度を解析して、第１面１１ａにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの中で干渉ピークが得られる干渉信号Ｓ（以下、第３干渉信号Ｓという）と、第２面１１ｂにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの中で干渉ピークが得られる干渉信号Ｓ（以下、第４干渉信号Ｓという）と、を画素毎に検出する。なお、計測光学系１６を上下方向に移動させる際の移動方向は既知であるため、干渉信号Ｓの取得順序等から、第３干渉信号Ｓと第４干渉信号Ｓとを区別して検出することができる。

次いで、干渉ピーク位置検出部３６は、前述の高さ位置取得部３４から入力された情報に基づき、第３干渉信号Ｓが得られた干渉ピーク高さ位置Ｒと、第４干渉信号Ｓが得られた干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲと、を画素毎に検出する。なお、干渉ピーク高さ位置Ｒは本発明の第３距離に相当する情報であり、干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲは本発明の第４距離に相当する情報である。そして、干渉ピーク位置検出部３６は、画素毎の干渉ピーク高さ位置Ｒ，Ｒ＋ΔＲの検出結果を、ピーク位置変化量検出部３８へ出力する。

焦点位置変化量検出部３７は、焦点位置検出部３５から入力される画素毎の焦点高さ位置Ｌ，Ｌ＋ΔＬに基づき、焦点高さ位置Ｌに対する焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬの変化量である焦点高さ位置変化量ΔＬを画素毎に検出し、この焦点高さ位置変化量ΔＬを演算部３９へ出力する。

ピーク位置変化量検出部３８は、干渉ピーク位置検出部３６から入力される画素毎の干渉ピーク高さ位置Ｒ，Ｒ＋ΔＲに基づき、干渉ピーク高さ位置Ｒに対する干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲの変化量である干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲを画素毎に検出し、この干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲを演算部３９へ出力する。

演算部３９は、前述の焦点位置変化量検出部３７及びピーク位置変化量検出部３８と共に、本発明の演算部を構成する。この演算部３９は、焦点位置変化量検出部３７から入力された焦点高さ位置変化量ΔＬと、ピーク位置変化量検出部３８から入力された干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲとに基づき、測定対象物１１の屈折率と、第１面１１ａと第２面１１ｂとの間の厚みを画素毎に演算する。以下、屈折率及び厚みを演算するための演算式について説明する。

＜屈折率及び厚みの演算式＞
測定対象物１１の厚みをｔとし、屈折率をｎとした場合、前述の焦点高さ位置変化量ΔＬは下記の［数１］式で表される。また、前述の干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲは下記の［数２］式で表される。

上記［数２］式を変形すると、厚みｔは下記の［数３］式のように表される。そして、下記の［数３］式の厚みｔを上記［数１］式に代入することにより、焦点高さ位置変化量ΔＬは下記の［数４］式の上段で表される。その結果、下記の［数４］式の下段に示すように、屈折率ｎが焦点高さ位置変化量ΔＬ及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲを変数とする式で表される。

そして、上記［数４］式の下段で表される屈折率ｎを上記［数３］式に代入することで、下記の［数５］式に示すように、厚みｔが焦点高さ位置変化量ΔＬ及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲを変数とする式で表される。

上記［数４］式及び上記［数５］式に示すように、測定対象物１１の屈折率ｎ及び厚みｔは焦点高さ位置変化量ΔＬ及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲを変数とする式で表される。このため、演算部３９は、画素毎の焦点高さ位置変化量ΔＬ及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲをそれぞれ上記［数４］式及び上記［数５］式に代入することで、測定対象物１１の屈折率及び厚みをそれぞれ画素毎に演算することができる。ここで、画素毎の焦点高さ位置変化量ΔＬ及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲは、画素毎の焦点高さ位置Ｌ，Ｌ＋ΔＬ及び干渉ピーク高さ位置Ｒ，Ｒ＋ΔＲから得られる測定値であるため、１回の測定（計測光学系１６の上下方向の移動）で、測定対象物１１の屈折率及び厚みを同時に演算することができる。

演算部３９は、測定対象物１１に対する画素毎の屈折率及び厚みの演算結果を、記憶部４０及び表示部４２（無線端末でも可）へそれぞれ出力する。これにより、画素毎の屈折率及び厚みの演算結果が記憶部４０に記憶されると共に、表示部４２に表示される。なお、画素毎の屈折率及び厚みの演算結果の表示形式は、数値、或いは色分布（明度、彩度、色相のうちのいずれかの要素を演算値に応じて変更）等の各種表示方式が採用される。

［第１実施形態の白色干渉装置の作用］
次に、図７を用いて上記構成の白色干渉装置１０による屈折率及び厚みの計測処理について詳しく説明する。図７は、第１実施形態の白色干渉装置１０による屈折率及び厚みの計測処理（計測方法）の流れを示すフローチャートである。

ユーザは、測定対象物１１をステージ１３上の所定位置にセットした後、不図示の操作部により計測開始装置を行う。これにより、制御装置１８の光源制御部３１が白色光源１４を起動して、白色光源１４から白色光Ｂを出射させる（ステップＳ１、本発明の出射ステップに相当）。

白色光源１４から出射された白色光Ｂは、ライトガイド１５を経てコリメータ２３に入射し、このコリメータ２３で平行光化された後、第１ビームスプリッタ２４にて第２ビームスプリッタ２５に向けて反射される。そして、第２ビームスプリッタ２５に入射した白色光Ｂは、第２ビームスプリッタ２５にて測定光Ｂ１と参照光Ｂ２とに分割される（本発明の光分割ステップに相当）。

第２ビームスプリッタ２５により分割された測定光Ｂ１は、この第２ビームスプリッタ２５を透過して測定対象物１１の第１面１１ａに入射する。第１面１１ａに入射した測定光Ｂ１は、一部が第１面１１ａで反射された後、第２ビームスプリッタ２５に入射すると共に、一部が測定対象物１１の内部を透過して測定対象物１１の第２面１１ｂで反射された後、測定対象物１１の内部を再び透過して第２ビームスプリッタ２５に入射する。

一方、参照光Ｂ２は、第２ビームスプリッタ２５にて参照ミラー２６に向けて反射された後、この参照ミラー２６により第２ビームスプリッタ２５に向けて反射されて、第２ビームスプリッタ２５に入射する。これにより、第２ビームスプリッタ２５から第１ビームスプリッタ２４に向けて、第１面１１ａ及び第２面１１ｂでそれぞれ反射した測定光Ｂ１と、参照ミラー２６で反射された参照光Ｂ２との干渉光Ｂ３が出射される。この干渉光Ｂ３は、撮像素子２７の撮像面に入射する。

次いで、制御装置１８の移動制御部３２は、移動機構１７を駆動して計測光学系１６の上下方向の移動（往復移動、一方向移動のいずれでも可）を開始させる（ステップＳ２、本発明の距離変化ステップに相当）。また同時に制御装置１８は、撮像素子２７及びスケールヘッド２９の駆動を開始する。これにより、計測光学系１６が上下方向に移動している間、撮像素子２７が干渉光Ｂ３を撮像面の画素ごとに受光し、画素ごとの干渉信号Ｓを互いに異なる計測光学系１６の高さ位置ごと（距離ｈごと）に順次出力する。これにより、干渉信号取得部３３にて画素ごとの干渉信号Ｓが順次取得される（ステップＳ３、本発明の干渉信号検出ステップに相当）。

一方、スケールヘッド２９は、計測光学系１６が上下方向に移動している間、リニアスケール２８の目盛りを読み取って、計測光学系１６の高さ位置を示す情報を高さ位置取得部３４へ順次出力する（ステップＳ４）。

以下、計測光学系１６が上下方向の移動が終了するまでの間、撮像素子２７からの画素ごとの干渉信号Ｓの出力と、スケールヘッド２９からの計測光学系１６の高さ位置を示す情報の出力と、が継続して実行される（ステップＳ５でＮＯ）。これにより、干渉信号取得部３３にて画素毎の１移動分の干渉信号Ｓが取得され、これら干渉信号Ｓが焦点位置検出部３５と干渉ピーク位置検出部３６とにそれぞれ出力される。また、高さ位置取得部３４にて計測光学系１６の移動中の高さ位置を示す情報が取得され、これら高さ位置を示す情報が焦点位置検出部３５と干渉ピーク位置検出部３６とにそれぞれ出力される。

焦点位置検出部３５及び干渉ピーク位置検出部３６は、干渉信号取得部３３から新たな干渉信号Ｓが入力される毎に、高さ位置取得部３４から入力された高さ位置を示す情報を関連付けて記憶する。これにより、焦点位置検出部３５及び干渉ピーク位置検出部３６は、画素毎の１移動分の干渉信号Ｓの各々と、計測光学系１６の高さ位置（距離ｈ）との対応関係を判別することができる。

ここで、計測光学系１６を上下方向に移動させる移動範囲は、焦点高さ位置Ｌ及び焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬと、干渉ピーク高さ位置Ｒ及び干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲとが確実に検出できるように、余裕を持って設定されている。なお、焦点位置検出部３５及び干渉ピーク位置検出部３６において各高さ位置の全てが検出された時点で、計測光学系１６の上下方向の移動を停止してもよい。

計測光学系１６の上下方向の移動が終了すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、焦点位置検出部３５は、画素毎の１移動分の干渉信号Ｓのにそれぞれ基づく測定対象物１１の撮影画像５０を公知の手法で解析して、第１干渉信号Ｓ及び第２干渉信号Ｓを画素毎に検出する。次いで、焦点位置検出部３５は、前述の高さ位置取得部３４から入力された情報に基づき、第１干渉信号Ｓが得られた焦点高さ位置Ｌと、第２干渉信号Ｓが得られた焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬとを画素毎に検出し、これらの検出結果を焦点位置変化量検出部３７へ出力する（ステップＳ６、本発明の第１検出ステップに相当）。そして、焦点位置変化量検出部３７は、画素毎の焦点高さ位置Ｌ，Ｌ＋ΔＬに基づき、焦点高さ位置変化量ΔＬを画素毎に検出し、この検出結果を演算部３９へ出力する（ステップＳ７）。

一方、干渉ピーク位置検出部３６は、画素毎の１移動分の干渉信号Ｓを解析して、第３干渉信号Ｓ及び第４干渉信号Ｓを画素毎に検出する。次いで、干渉ピーク位置検出部３６は、前述の高さ位置取得部３４から入力された情報に基づき、第３干渉信号Ｓが得られた干渉ピーク高さ位置Ｒと、第４干渉信号Ｓが得られた干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲとを画素毎に検出し、これらの検出結果をピーク位置変化量検出部３８へ出力する（ステップＳ８、本発明の第２検出ステップに相当）。そして、ピーク位置変化量検出部３８は、画素毎の干渉ピーク高さ位置Ｒ，Ｒ＋ΔＲに基づき干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲを画素毎に検出し、この検出結果を演算部３９に出力する（ステップＳ９）。

なお、本実施形態では、計測光学系１６の上下方向の移動が終了した後で、焦点位置検出部３５及び干渉ピーク位置検出部３６の双方の検出を実行しているが、計測光学系１６の上下方向の移動が実行されている間に、双方の検出を並行して行ってもよい。

次いで、演算部３９は、焦点位置変化量検出部３７から入力された画素毎の焦点高さ位置変化量ΔＬと、ピーク位置変化量検出部３８から入力された画素毎の干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲとに基づき、上記の［数４］式及び［数５］式を用いて、測定対象物１１の屈折率及び厚みを画素毎に演算する（ステップＳ１０、本発明の演算ステップに相当）。

そして、演算部３９は、測定対象物１１の屈折率及び厚みの画素毎の演算結果を、記憶部４０及び表示部４２に出力する。これにより、画素毎の屈折率及び厚みの演算結果が記憶部４０に記憶されると共に、表示部４２に表示される。

なお、測定対象物１１に対する測定光Ｂ１の照射範囲が測定対象物１１の面積よりも狭い場合は、ステージ１３及び計測光学系１６の一方に対して他方を、測定光Ｂ１の光軸方向（上下方向）に対して垂直方向に相対移動させた上で、前述のステップＳ１からステップＳ１０までの処理を繰り返し実行する。これにより、測定対象物１１を複数の領域に分割して、個々の領域毎に屈折率及び厚みを演算することができる。その結果、大型の測定対象物１１であってもその全領域の屈折率及び厚みを演算することができる。

［第１実施形態の白色干渉装置の効果］
以上のように第１実施形態の白色干渉装置１０では、計測光学系１６を上下方向に移動させながら撮像素子２７により干渉信号Ｓを検出した結果に基づき、測定対象物１１の屈折率及び厚みを同時計測することができる。このため、屈折率が未知の測定対象物１１であってもその厚みを計測することができるので、上記特許文献１及び非特許文献１〜３に記載の装置と比較して、白色干渉法による厚みの計測をより正確に行うことができる。

また、第１実施形態の白色干渉装置１０では、測定対象物１１の屈折率及び厚みを撮像素子２７の撮像面の画素毎に計測することができるため、測定対象物１１の屈折率分布及び厚み分布を把握することができる。

［第２実施形態の白色干渉装置の構成］
図８は、第２実施形態の白色干渉装置１０における屈折率及び厚みの計測対象を説明するための説明図である。上記第１実施形態の白色干渉装置１０では、単層の測定対象物１１の屈折率及び厚みを計測している。これに対して、図８に示すように、第２実施形態では、複数種類の測定対象物１１が複数層積層されてなる積層体１１Ｌを計測対象とし、この積層体１１Ｌの層毎（測定対象物１１毎）に屈折率及び厚みを計測する。

なお、第２実施形態の白色干渉装置１０は、上記第１実施形態と基本的に同じ構成であるので、上記第１実施形態と機能又は構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

図９は、積層体１１Ｌから第２ビームスプリッタ２５へ反射される測定光Ｂ１を説明するための説明図である。図９に示すように、第２ビームスプリッタ２５から積層体１１Ｌに入射した測定光Ｂ１は、第１層目の測定対象物１１の第１面１１ａで反射されると共に、積層体１１Ｌの各層を順次透過して、各層の境界と、最下層の測定対象物１１の第２面１１ｂとで順次反射される。なお、各層の境界とは、例えば任意の自然数をＫとした場合、第Ｋ層目の測定対象物１１の第２面１１ｂ及び第Ｋ＋１層目の測定対象物１１の第１面１１ａである。

このように第２実施形態では、第２ビームスプリッタ２５から撮像素子２７に向けて、第１層目の測定対象物１１の第１面１１ａで反射した測定光Ｂ１、各層の測定対象物１１の境界で反射した測定光Ｂ１、及び最下層の測定対象物１１の第２面１１ｂで反射した測定光Ｂ１の各々と、前述の参照光Ｂ２との干渉光Ｂ３が出射される。

図１０は、計測光学系１６を上方向側から下方向側に移動させた場合に、測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置と、反射した各測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置とを説明するための説明図である。図１０に示すように、第１層目の測定対象物１１の第１面１１ａに測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置Ｌと、この第１面１１ａにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置Ｒとは同じ位置になる（図４参照）。

そして、計測光学系１６の下方向の移動を継続すると、第１層目の測定対象物１１の第２面１１ｂ（第２層目の測定対象物１１の第１面１１ａ）に測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬ１と、この第２面１１ｂにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲ１とがそれぞれ異なる位置で検出される。なお、図中の焦点高さ位置と干渉ピーク高さ位置との位置関係は例示である。

さらに、計測光学系１６を下方向の移動を継続すると、第２層目の測定対象物１１の第２面１１ｂ（第３層目の測定対象物１１の第１面１１ａ）に測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬ１＋ΔＬ２と、この第２面１１ｂにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲ１＋ΔＲ２とがそれぞれ異なる位置で検出される。

以下同様に、計測光学系１６の下方向への移動を継続すると、第Ｋ層目の測定対象物１１の第２面１１ｂ（第Ｋ＋１層目の測定対象物１１の第１面１１ａ）に測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬ１・・・＋ΔＬＫと、この第２面１１ｂにて反射した測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲ１・・・＋ΔＲＫとがそれぞれ異なる位置で検出される。

第２実施形態の制御装置１８の各部の機能は、既述の図６に示した第１実施形態と基本的に同じである。ただし、第２実施形態の焦点位置検出部３５は、干渉信号取得部３３から取得した画素毎の１移動分の干渉信号Ｓを画像解析して、測定対象物１１の層毎に、各層の第１面１１ａ及び第２面１１ｂにそれぞれ測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置（画素毎）を順次検出する。なお、第Ｋ層目の第２面１１ｂに対応する焦点高さ位置と、第Ｋ＋１層目の第１面１１ａに対応する焦点高さ位置とは同じ位置であるので、これらの検出は同時に行われる。

第２実施形態の干渉ピーク位置検出部３６は、干渉信号取得部３３から取得した画素毎の１移動分の干渉信号Ｓを解析して、測定対象物１１の層毎に、各層の第１面１１ａ及び第２面１１ｂにてそれぞれ反射された測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置（画素毎）を順次検出する。なお、第Ｋ層目の第２面１１ｂに対応する干渉ピーク高さ位置と、第Ｋ＋１層目の第１面１１ａに対応する干渉ピーク高さ位置とは同じ位置であるので、これらの検出は同時に行われる。

第２実施形態の焦点位置変化量検出部３７は、測定対象物１１の層毎に、焦点高さ位置変化量（第Ｋ層目の第１面１１ａに対応する焦点高さ位置と、第２面１１ｂに対応する焦点高さ位置の差分）を検出する。また、第２実施形態のピーク位置変化量検出部３８は、測定対象物１１の層毎に、干渉ピーク高さ位置変化量（第Ｋ層目の第１面１１ａに対応する干渉ピーク高さ位置と、第２面１１ｂに対応する干渉ピーク高さ位置の差分）を検出する。

第２実施形態の演算部３９は、測定対象物１１の層毎の焦点高さ位置変化量及び干渉ピーク高さ位置変化量に基づき、測定対象物１１の層毎に屈折率及び厚みを演算する。以下、測定対象物１１の層毎の屈折率及び厚みを演算するための演算式について説明する。

＜第２実施形態の屈折率及び厚みの演算式＞
第１層目の測定対象物１１の厚みをｔ１とし、屈折率をｎ１とした場合、第１層目の測定対象物１１に対応する焦点高さ位置変化量ΔＬ１は下記の［数６］式で表される。また、第１層目の測定対象物１１に対応する干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲは下記の［数７］式で表される。

上記［数７］式を変形すると、厚みｔ１は下記の［数８］式のように表される。そして、下記の［数８］式を上記［数６］式に代入することにより、焦点高さ位置変化量ΔＬは下記の［数９］式の上段で表される。その結果、下記の［数９］式の下段に示すように、屈折率ｎ１が焦点高さ位置変化量ΔＬ１及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲ１を変数とする式で表される。

そして、上記［数９］式の下段で表される屈折率ｎ１を上記［数８］式に代入することで、下記の［数１０］式に示すように、厚みｔ１が焦点高さ位置変化量ΔＬ１及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲ１を変数とする式で表される。

第２層目の測定対象物１１の第２面１１ｂに対応する焦点高さ位置はＬ＋ΔＬ１＋ΔＬ２で表され、この第２面１１ｂに対応する干渉ピーク高さ位置はＲ＋ΔＲ１＋ΔＲ２で表される。ここで、第２層目の測定対象物１１の厚みをｔ２とし、屈折率をｎ２とし、且つ第１層目の測定対象物１１の第１面１１ａを基準とした場合、第２層目の測定対象物１１の第２面１１ｂに対応する焦点高さ位置変化量ΔＬ１＋ΔＬ２及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲ１＋ΔＲ２は、下記の［数１１］式及び［数１２］式でそれぞれ表される。

ここで、ΔＬ２＝ｔ２×（１−１／ｎ２）であり、ΔＲ２＝ｔ２×（ｎ２−１）である。このため、上記の屈折率ｎ１の演算と同様に、後者の式を変形したｔ２＝ΔＲ２／（ｎ２−１）を前者の式に代入することにより、下記の［数１３］式に示すように、屈折率ｎ２が、焦点高さ位置変化量ΔＬ２及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲ２を変数とする式で表される。

そして、上記［数１３］式で表される屈折率ｎ２に基づき、上記の厚みｔ１の演算と同様に、下記の［数１４］式に示すように、厚みｔ２が、焦点高さ位置変化量ΔＬ２及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲ２を変数とする式で表される。

以下、同様に第Ｋ層目の測定対象物１１の厚みをｔＫとし、屈折率をｎＫとした場合、第Ｋ層目の測定対象物１１の第１面１１ａに対応する焦点高さ位置（第１距離）が下記の［数１５］式の（１）で表され、第２面１１ｂに対応する焦点高さ位置（第２距離）が下記の［数１５］式の（２）で表される。また、第Ｋ層目の測定対象物１１の第１面１１ａに対応する干渉ピーク高さ位置（第３距離）が下記の［数１５］式の（３）で表され、第２面１１ｂに対応する干渉ピーク高さ位置（第４距離）が下記の［数１５］式の（４）で表される。

そして、第Ｋ層目の測定対象物１１の屈折率ｎＫ及び厚みｔＫが、下記の［数１５］式の（５）及び（６）で示すように、焦点高さ位置変化量ΔＬＫ及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲＫを変数とする式で表される。

以上のように、第Ｋ層目の測定対象物１１の屈折率ｎＫ及び厚みｔＫは焦点高さ位置変化量ΔＬＫ及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲＫを変数とする式で表される。このため、第２実施形態の演算部３９は、画素毎の焦点高さ位置変化量ΔＬＫ及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲＫに基づき、第Ｋ層目の測定対象物１１の屈折率ｎＫ及び厚みｔＫをそれぞれ画素毎に演算することができる。

［第２実施形態の白色干渉装置の作用］
次に、図１１を用いて第２実施形態の白色干渉装置１０による積層体１１Ｌの各層（測定対象物１１）の屈折率及び厚みの計測処理について説明する。図１１は、第２実施形態の白色干渉装置１０による屈折率及び厚みの計測処理（計測方法）の流れを示すフローチャートである。

なお、ステップＳ１からステップＳ９までの処理は、既述の図７で説明した第１実施形態と基本的に同じであるので具体的な説明は省略する。ただし、ステップＳ６において、焦点位置検出部３５は、測定対象物１１の層毎に、各層の第１面１１ａ及び第２面１１ｂにそれぞれ測定光Ｂ１の焦点が合う計測光学系１６の焦点高さ位置を順次検出する。また、ステップＳ７において、焦点位置変化量検出部３７は、測定対象物１１の層毎に、焦点高さ位置変化量ΔＬＫを検出する。

さらに、ステップＳ８において、干渉ピーク位置検出部３６は、測定対象物１１の層毎に、第１面１１ａ及び第２面１１ｂにてそれぞれ反射された測定光Ｂ１に対応する干渉信号Ｓの干渉ピークが検出される計測光学系１６の干渉ピーク高さ位置を順次検出する。さらにまた、ステップＳ９において、ピーク位置変化量検出部３８は、測定対象物１１の層毎に、干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲＫを検出する。

なお、第２実施形態においても、計測光学系１６の上下方向の移動が終了した後で、焦点位置検出部３５及び干渉ピーク位置検出部３６の双方の検出を実行する代わりに、計測光学系１６が上下方向の移動されている間に、双方の検出を並行して行ってもよい。

次いで、第２実施形態の演算部３９は、焦点位置変化量検出部３７及びピーク位置変化量検出部３８から入力された第１層目の測定対象物１１に対応する画素毎の焦点高さ位置変化量ΔＬ１及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲ１に基づき、上記［数９］式及び上記［数１０］式を用いて、第１層目の測定対象物１１の屈折率及び厚みを画素毎に演算する（ステップＳ１１及びステップＳ１２）。

以下同様に、第２実施形態の演算部３９は、焦点位置変化量検出部３７及びピーク位置変化量検出部３８から入力された第Ｋ層目の測定対象物１１に対応する画素毎の焦点高さ位置変化量ΔＬＫ及び干渉ピーク高さ位置変化量ΔＲＫに基づき、上記［数１５］式を用いて、第Ｋ層目の測定対象物１１の屈折率及び厚みを画素毎に演算する（ステップＳ１３でＮＯ、ステップＳ１４、ステップＳ１２）。これにより、積層体１１Ｌの全層の屈折率及び厚みが演算される（ステップＳ１３でＹＥＳ）。

そして、演算部３９は、積層体１１Ｌの層毎の屈折率及び厚みの演算結果を、記憶部４０及び表示部４２へ出力する。これにより、積層体１１Ｌの層毎の屈折率及び厚みの演算結果が記憶部４０に記憶されると共に、表示部４２に表示される。

なお、第２実施形態において、積層体１１Ｌを複数の領域に分割して、個々の領域毎に屈折率及び厚みを演算してもよい。その結果、大型の積層体１１Ｌであってもその全領域の屈折率及び厚みを演算することができる。

［第２実施形態の白色干渉装置の効果］
以上のように第２実施形態の白色干渉装置１０では、計測対象が積層体１１Ｌであったとしても、計測光学系１６を上下方向に移動させながら撮像素子２７により干渉信号Ｓを検出した結果に基づき、積層体１１Ｌの層毎（測定対象物１１毎）に屈折率及び厚みを計測することができる。また、上記第１実施形態の同様の効果が得られる。

なお、上記第２実施形態では、積層体１１Ｌの第１層側から層毎に焦点高さ位置と、干渉ピーク高さ位置と、焦点高さ位置変化量と、干渉ピーク高さ位置変化量と、屈折率及び厚みとを求めているが、これらを最下層側から第１層に向かって層毎に順番に求めてもよい。

［第３実施形態の白色干渉装置］
次に、第３実施形態の白色干渉装置１０Ａ（図１２参照）について説明を行う。上記第１実施形態の白色干渉装置１０では、測定対象物１１の屈折率及び厚みの計測を行うが、第３実施形態の白色干渉装置１０Ａでは、既述の屈折率及び厚みの計測に加えて、測定対象物１１の第１面１１ａ及び第２面１１ｂの全焦点画像５１（図１３参照）及び三次元形状データ５２（図１３参照）を生成する。

図１２は、第３実施形態の白色干渉装置１０Ａの制御装置１８Ａの電気的構成を示すブロック図である。なお、第３実施形態の白色干渉装置１０Ａは、制御装置１８Ａが全焦点画像生成部４５及び三次元形状データ生成部４６として機能する点を除けば、上記第１実施形態の白色干渉装置１０と基本的に同じ構成である。このため、上記第１実施形態と機能又は構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

全焦点画像生成部４５は、焦点位置検出部３５が検出した画素毎の焦点高さ位置Ｌ（第１距離に相当）に基づき、測定対象物１１の第１面１１ａの全焦点画像５１（図１３参照）を生成する。また、全焦点画像生成部４５は、焦点位置検出部３５が検出した画素毎の焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬ（第２距離に相当）に基づき、測定対象物１１の第２面１１ｂの全焦点画像５１を生成する。

三次元形状データ生成部４６は、干渉ピーク位置検出部３６が検出した画素毎の干渉ピーク高さ位置Ｒ（第３距離に相当）に基づき、測定対象物１１の第１面１１ａの三次元形状データ５２（図１３参照）を生成する。また、三次元形状データ生成部４６は、干渉ピーク位置検出部３６が検出した画素毎の干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲ（第４距離に相当）に基づき、測定対象物１１の第２面１１ｂの三次元形状データ５２を生成する。

図１３は、全焦点画像５１及び三次元形状データ５２の生成を説明するための説明図である。図１３に示すように、全焦点画像生成部４５は、焦点位置検出部３５が検出した画素毎の焦点高さ位置Ｌに基づき、１移動分の干渉信号Ｓ（１移動分の測定対象物１１の撮影画像５０）の各々の同一画素の中から、最もコントラストが高くなる画素（第１面１１ａに焦点が合っている画素）を抽出する処理を画素別に繰り返し行う。これにより、第１面１１ａの全焦点画像５１を生成することができる。また同様に、全焦点画像生成部４５は、焦点位置検出部３５が検出した画素毎の焦点高さ位置Ｌ＋ΔＬに基づき、最もコントラストが高くなる画素（第２面１１ｂに焦点が合っている画素）を抽出する処理を画素別に繰り返し行うことで、第２面１１ｂの全焦点画像５１を生成することができる。

三次元形状データ生成部４６は、干渉ピーク位置検出部３６が検出した画素毎の干渉ピーク高さ位置Ｒに基づき、計測光学系１６（第２ビームスプリッタ２５）から第１面１１ａまでの距離を画素毎に算出する。これにより、第１面１１ａの表面形状情報（凹凸情報）が得られるため、三次元形状データ生成部４６は、第１面１１ａの三次元形状データ５２を生成することができる。また同様に、三次元形状データ生成部４６は、画素毎の干渉ピーク高さ位置Ｒ＋ΔＲに基づき、第２面１１ｂの表面形状情報（凹凸情報）を得ることで、第２面１１ｂの三次元形状データ５２を生成することができる。

全焦点画像生成部４５が生成した第１面１１ａ及び第２面１１ｂの全焦点画像５１、及び三次元形状データ生成部４６が生成した第１面１１ａ及び第２面１１ｂの三次元形状データ５２は、前述の記憶部４０に記憶されると共に、表示部４２に表示される。

［第３実施形態の白色干渉装置の効果］
以上のように第３実施形態の白色干渉装置１０Ａでは、計測光学系１６を上下方向に移動させながら撮像素子２７により干渉信号Ｓを検出した結果に基づき、屈折率ｎ及び厚みｔの計測の他に、全焦点画像５１及び三次元形状データ５２の生成を同時に行うことができる。

なお、第３実施形態の白色干渉装置１０Ａにおいて、第２実施形態の積層体１１Ｌを計測する場合には、積層体１１Ｌの層毎（測定対象物１１毎）に得られる焦点位置検出部３５及び干渉ピーク位置検出部３６の検出結果に基づき、積層体１１Ｌの層毎に、第１面１１ａ及び第２面１１ｂの全焦点画像５１と三次元形状データ５２とを生成することができる。

また、第３実施形態において、測定対象物１１を複数の領域に分割して、個々の領域毎に全焦点画像５１及び三次元形状データ５２を演算してもよい。その結果、大型の測定対象物１１であってもその全領域の全焦点画像５１及び三次元形状データ５２を演算することができる。

［その他］
上記各実施形態では、参照光路ＶＲに参照ミラー２６を配置しているが、参照ミラー２６を配置する代わりに、参照光路ＶＲとしてループ状の光ファイバケーブルを配置してもよい。また、計測光学系１６の構成は、図１等に示した構成に限定されるものではなく、白色干渉法を用いた公知の白色干渉装置で利用される計測光学系に置き換えてもよい。

上記各実施形態では、移動機構１７により計測光学系１６を上下方向に移動させているが、測定光Ｂ１の光軸に平行な方向（第１面１１ａ及び第２面１１ｂに垂直な方向）であれば計測光学系１６の移動方向は上下方向に限定されるものではなく、各種方向に移動させてもよい。また、上記各実施形態では、移動機構１７により計測光学系１６を移動させているが、例えば計測光学系１６の代わりにステージ１３（測定対象物１１）を移動させるなど、ステージ１３に対して計測光学系１６を相対移動させることにより、距離ｈを変更するようにしてもよい。

上記各実施形態では、リニアスケール２８とスケールヘッド２９とにより計測光学系１６の高さ位置（すなわち距離ｈ）を検出しているが、この高さ位置（距離ｈ）の検出方法は特に限定されず、各種の位置検出センサ又は距離計測センサ等を用いて検出を行ってもよい。例えば筐体２１の測定対象物１１と対向する対向面にレーザ測距センサ等を設けて距離ｈの変化を検出してもよい。また、上記各実施形態では、第２ビームスプリッタ２５により白色光Ｂを測定光Ｂ１と参照光Ｂ２とに分割しているが、例えばファイバカプラなどの各種の光分割部を代わりに用いてもよい。

上記各実施形態では、略平板状の測定対象物１１を計測対象としているが、非平板形状（各種形状を有する）の測定対象物１１の屈折率及び厚みも計測することができる。また、上記各実施形態では、測定対象物１１の屈折率及び厚みを画素毎に計測しているが、測定対象物１１の平均又は代表点の屈折率及び厚みを計測してもよい。

１０，１０Ａ…白色干渉装置，１１…測定対象物，１４…白色光源，１６…計測光学系，１７…移動機構，１８，１８Ａ…制御装置，２５…第２ビームスプリッタ，２６…参照ミラー，２７…撮像素子，２８…リニアスケール，２９…スケールヘッド，３５…焦点位置検出部，３６…干渉ピーク位置検出部，３７…焦点位置変化量検出部，３８…ピーク位置変化量検出部，３９…演算部，４５…全焦点画像生成部，４６…三次元形状データ生成部

Claims (8)

1. 白色光を出射する白色光源と、
   前記白色光源から出射した前記白色光を測定光と参照光とに分割して、前記測定光を測定光路に出射し、且つ前記参照光を参照光路に出射する光分割部と、
   前記光分割部と、前記測定光路に配置された測定対象物との間の前記測定光の距離を変化させる距離変化部と、
   前記測定対象物にて反射された前記測定光と、前記参照光路を経た前記参照光との干渉信号を検出する干渉信号検出部であって、且つ前記距離変化部による前記距離の変化が実行されている場合に前記干渉信号を検出する干渉信号検出部と、
   前記干渉信号検出部が検出した前記距離ごとの前記干渉信号に基づき、前記測定対象物の前記測定光が入射する側の第１面に前記測定光の焦点が合う第１距離と、前記測定対象物の前記第１面とは反対側の第２面に前記測定光の焦点が合う第２距離と、を検出する第１検出部と、
   前記干渉信号検出部が検出した前記距離ごとの前記干渉信号に基づき、前記第１面で反射された前記測定光に対応する前記干渉信号のピークが検出される第３距離と、前記第２面で反射された前記測定光に対応する前記干渉信号のピークが検出される第４距離と、を検出する第２検出部と、
   前記第１検出部及び前記第２検出部の双方の検出結果に基づき、前記測定対象物の屈折率、及び前記測定対象物の前記第１面と前記第２面との間の厚みを演算する演算部と、
   を備える白色干渉装置。
2. 前記干渉信号検出部は、複数の画素を有する撮像素子であり、
   前記撮像素子の画素毎に前記干渉信号を検出し、
   前記第１検出部は、前記画素毎の前記干渉信号に基づき、当該画素毎に前記第１距離及び前記第２距離を検出し、
   前記第２検出部は、前記画素毎の前記干渉信号に基づき、当該画素毎に前記第３距離及び前記第４距離を検出し、
   前記演算部は、前記屈折率及び前記厚みを前記画素毎に演算する請求項１に記載の白色干渉装置。
3. 前記第１検出部が検出した前記画素毎の前記第１距離及び前記第２距離に基づき、前記撮像素子が前記画素毎に検出した前記干渉信号から、前記測定対象物の前記第１面及び前記第２面の全焦点画像を生成する全焦点画像生成部を備える請求項２に記載の白色干渉装置。
4. 前記第２検出部が検出した前記画素毎の前記第３距離に基づき、前記測定対象物の前記第１面の三次元形状データを生成し、且つ前記第２検出部が検出した前記画素毎の前記第４距離に基づき、前記測定対象物の前記第２面の三次元形状データを生成する三次元形状データ生成部を備える請求項２又は３に記載の白色干渉装置。
5. 前記第１距離をＬとし、前記第２距離をＬ＋ΔＬとし、前記第３距離をＲとし、前記第４距離をＲ＋ΔＲとし、前記屈折率をｎとし、前記厚みをｔとした場合、前記演算部は、前記屈折率及び前記厚みを下記の式、
   ｎ＝ΔＲ／ΔＬ
   ｔ＝ΔＲ／ΔＬ（ΔＲ−ΔＬ）
   を用いて演算する請求項１から４のいずれか１項に記載の白色干渉装置。
6. 前記測定対象物が複数層積層されている場合、
   前記第１検出部は、前記第１距離及び前記第２距離を前記測定対象物の層毎に検出し、
   前記第２検出部は、前記第３距離及び前記第４距離を前記測定対象物の層毎に検出し、
   前記演算部は、前記屈折率及び前記厚みを前記測定対象物の層毎に演算する請求項１から４のいずれか１項に記載の白色干渉装置。
7. 任意の自然数をＫとし、前記測定光が入射する側から第Ｋ層目の前記測定対象物の前記屈折率及び前記厚みをそれぞれｎＫ及びｔＫとした場合、前記第Ｋ層目の前記測定対象物の前記第１距離が下記（１）式で表され、且つ前記第２距離が下記（２）式で表され、且つ前記第３距離が下記（３）式で表され、且つ前記第４距離が下記（４）式で表され、
   前記演算部は、第Ｋ層目の前記測定対象物の前記屈折率及び前記厚みを、下記の（５）式及び（６）式、
   を用いて演算する請求項６に記載の白色干渉装置。
8. 白色光源から白色光を出射する出射ステップと、
   前記白色光源から出射した前記白色光を光分割部により測定光と参照光とに分割して、前記測定光を測定光路に出射し、且つ前記参照光を参照光路に出射する光分割ステップと、
   前記光分割部と、前記測定光路に配置された測定対象物との間の前記測定光の距離を変化させる距離変化ステップと、
   前記測定対象物にて反射された前記測定光と、前記参照光路を経た前記参照光との干渉信号を検出する干渉信号検出ステップであって、且つ前記距離変化ステップで前記距離の変化が実行されている場合に前記干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、
   前記干渉信号検出ステップで検出した前記距離ごとの前記干渉信号に基づき、前記測定対象物の前記測定光が入射する側の第１面に前記測定光の焦点が合う第１距離と、前記測定対象物の前記第１面とは反対側の第２面に前記測定光の焦点が合う第２距離と、を検出する第１検出ステップと、
   前記干渉信号検出ステップで検出した前記距離ごとの前記干渉信号に基づき、前記第１面で反射された前記測定光に対応する前記干渉信号のピークが検出される第３距離と、前記第２面で反射された前記測定光に対応する前記干渉信号のピークが検出される第４距離と、を検出する第２検出ステップと、
   前記第１検出ステップ及び第２検出ステップの双方の検出結果に基づき、前記測定対象物の屈折率、及び前記測定対象物の前記第１面と前記第２面との間の厚みを演算する演算ステップと、
   を有する白色干渉装置の計測方法。