JP5428538B2

JP5428538B2 - 干渉装置

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Publication number: JP5428538B2
Application number: JP2009131692A
Authority: JP
Inventors: 繁中山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-06-01
Also published as: JP2010025922A

Description

本発明は、非接触にて物体の位置、間隔もしくは形状を測定したり、物体を分光分析したりする干渉装置に関する。

光の干渉によって生ずる干渉縞を検出する干渉計が知られている。干渉計は、測定対象である２つの面に平行光を射出すると共に、この２つの面からの反射光によって形成される干渉縞の像を二次元イメージセンサ等の検出部で検出するよう構成されている。

コヒーレント長の短い広域スペクトル幅の光源（又は低コヒーレンシー光源とも言う。）や、複数の異なる波長からなる多波長光源が干渉計の光源として使用されることがある。例えば、特許文献１は、広域スペクトル幅の光源を使った干渉計を使って、平行平面ガラスの表面または裏面と基台との平行度を高精度に測定する計測装置を開示している。また、特許文献２は、広域スペクトル幅の赤外線光源を使った干渉計を使って、被検体の光物性或いは光吸収特性などの性質を評価する分光装置を開示している。

特開２００４−０６９５８５号公報特開２００６−３００７９２号公報

しかしながら、特許文献１で開示される干渉計を使った測定装置も、特許文献２で開示される干渉計を使った分光装置もともにピエゾ素子などを使って参照ミラー又は被検物などを光軸方向に移動させて位相変調を行っている。広い範囲を走査する場合には大ストロークのステージ装置が必要となり、広い範囲を精度良く走査させることは困難である。また、取得必要なデータ数も増大してしまいデータ処理に必要な時間も増大してしまう問題がある。

本発明は、参照ミラー又は被検物などを移動させる精密なステージ装置を不要とするとともに、より少ないデータ数で解析を可能とし短時間で解析可能とする干渉装置を提供することを目的とする。

第１の観点の干渉装置は、スペクトル幅の広い光を照射する広域スペクトル光源と、スペクトル幅内の第１波長領域と該第１波長領域と異なる第２波長領域とで位相を変える位相変調部と、位相変調部で変調された光束と変調されていない光束とを使って干渉光を形成する干渉光形成部と、を備える。
この構成により、参照ミラーなどを移動させる必要が無くなり、さらに異なる波長領域に対して任意の位相変調を行うことができる。

第２の観点の干渉装置は、スペクトル幅の広い光を照射する広域スペクトル光源と、広域スペクトル光源から光を分岐するビームスプリッターと、ビームスプリッターで分岐された一方の光を、スペクトル幅内の第１波長領域と該第１波長領域と異なる第２波長領域とで位相を変調する位相変調部と、位相が変調された光束を第１反射面に照射し、ビームスプリッターで分岐された他方の光を第２反射面に照射し、第１反射面で反射した第１反射光と第２反射面で反射した第２反射光を合成して合成光とする光分割合成部と、を備える。
この構成により、参照ミラーなどを移動させる精密な機械的な機構が不要となり、さらに異なる波長領域に対して任意の位相変調を行うことができるのでより少ないデータ数で干渉縞の解析を行うことができる。

本件の干渉装置は、従来の干渉装置のように位相変調をピエゾ素子等によって参照ミラーを光軸方向に等速に変位させる必要がなくなるため、干渉装置の機械的な機構を無くすことができる。
また、本件の干渉装置は、波長ごとに任意に位相変調することができる。このため、短時間にかつ、少ないデータ数で所望の測定を行うことが可能になる。

干渉装置を用いて被検物ＳＡ内の三次元形状を測定する面形状測定装置１００の概略構成である。干渉装置を用いて被検物ＳＡ内の材料などを分析する分光分析装置２００の概略構成である。複数の種類の位相変調部３０（第１位相変調部３０Ａ、第２位相変調部３０Ｂ）を示した概略図である。複数の種類の位相変調部３０（第３位相変調部３０Ｃ、第４位相変調部３０Ｄ）を示した概略図である。空間位相変調器３７が光束Ｌ２に与える位相変調幅である。（ａ）は、図１で示した測定光（光束Ｌ１）と参照光（光束Ｌ２）との光路長差ｚが２００μｍのときの干渉信号Ｉ（ｔ）を示した図である。（ｂ）は、図６（ａ）の干渉信号をフーリエ変換した結果である。（ａ）は、光束Ｌ１と光束Ｌ２との光路長差ｚが４００μｍのときの干渉信号Ｉ（ｔ）を示した図であり、検出部ＣＤの検出結果である。（ｂ）は、図７（ａ）の干渉信号Ｉ（ｔ）をフーリエ変換した結果である。下段に異なる３つの代表波長と波長ごとの強度、上段に光源１１の多数の波長に対する強度を示している。下段に異なる３つの代表波長と波長ごとの強度、上段に光源１１の多数の波長に対する強度を示している。

＜実施形態１：面形状測定装置１００の概要＞
図１は、干渉装置を用いて被検物ＳＡ内の三次元形状を測定する面形状測定装置１００の概略構成である。

面形状測定装置１００は大きく分けて光源発生部１０、干渉形成部２０、位相変調部３０及びコンピュータ４０とから構成される。
光源発生部１０は、光源１１と、ビームスプリッターＢＳと、偏光板１２，１３，１５と、レンズＬＥと、ミラーＭＲとから構成される。
干渉形成部２０は、偏光ビームスプリッターＰＢＳと、λ／４波長板２１，２３と、偏光板２６と、対物光学系２２，２４と、結像光学系２８と、参照ミラーＲＭＲと、検出部ＣＤとから構成される。

最初に光源発生部１０について説明する。光源１１は、スーパールミネッセンスダイオード(Super Luminescence Diode：ＳＬＤ)などの発光素子から構成する。光源１１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。以下に説明する光源１１は６２５ｎｍ〜６５５ｎｍの波長を有している。なお、光源１１は、例えば６４０ｎｍ、６８０ｎｍ、７２０ｎｍの波長などを射出するマルチモード半導体レーザーを使用してもよく、スペクトルが連続的に分布する白色ハロゲンランプを使用してもよい。すなわち、面形状測定装置１００は、多波長干渉計又は白色干渉計と呼ばれる低コヒーレンスの干渉装置を用いている。

光源１１から射出された光束Ｌ０は、第１偏光板１２で偏光される。この第１偏光板１２は検出部ＣＤに入射される干渉縞画像のコントラストが大きくなるように光軸を中心として回転できるように配置されている。第１偏光板１２を透過したレーザー光束Ｌ０はビームスプリッターＢＳで光束Ｌ１と光束Ｌ２とに分離される。

分離された一方の光束Ｌ１は、第２偏光板１３を通過して集光レンズＬＥによって反射ミラーＭＲの面上に集光する。反射ミラーＭＲで反射された光束Ｌ１は、再び集光レンズＬＥを通過して第２偏光板１３に入射する。第２偏光板１３で偏光した光束Ｌ１はビームスプリッターＢＳに入り、干渉形成部２０の偏光ビームスプリッターＰＢＳに向かう。分離された他方の光束Ｌ２は、第３偏光板１５を通過して位相変調部３０に入射する。位相変調部３０は光束Ｌ２の位相を変調し、変調された光束Ｌ２を再び第３偏光板１５に反射させる。第３偏光板１５で偏光した光束Ｌ２はビームスプリッターＢＳで反射され、干渉形成部２０の偏光ビームスプリッターＰＢＳに向かう。

偏光ビームスプリッターＰＢＳに向かう光束Ｌ１は、Ｓ偏光になるように第２偏光板１３で調整されている。また偏光ビームスプリッターＰＢＳに向かう光束Ｌ２は、Ｐ偏光になるように第３偏光板１５で調整されている。なお、本実施形態では光束Ｌ１をＳ偏光に光束Ｌ２をＰ偏光にしたが、光束Ｌ１をＰ偏光に光束Ｌ２をＳ偏光にしてもよい。

次に干渉形成部２０について説明する。光束Ｌ１は、偏光ビームスプリッターＰＢＳを反射して、λ／４波長板２１及び対物光学系２２を経て、被検物ＳＡの表面に到達する。被検物ＳＡの表面からの反射光である光束Ｌ１は、再び対物光学系２２及びλ／４波長板２１を経てＰ偏光となり、偏光ビームスプリッターＰＢＳを透過する。偏光ビームスプリッターＰＢＳを通過した光束Ｌ１は、偏光板２６及び結像光学系２８を経て、二次元の検出器ＣＤに到達する。

光束Ｌ２は、偏光ビームスプリッターＰＢＳを透過して、λ／４波長板２３及び対物光学系２４を経て、参照ミラーＲＭＲの参照面に到達する。参照ミラーＲＭＲからの反射光は、再び対物光学系２４及びλ／４波長板２３を経てＳ偏光となり、偏光ビームスプリッターＰＢＳで反射される。偏光ビームスプリッターＰＢＳで反射された光束Ｌ２は、偏光板２６及び結像光学系２８を経て、二次元の検出器ＣＤに結像する。偏光板２６は光束Ｌ１のＰ偏光と光束Ｌ２のＳ偏光から同一偏光成分を取り出し、光束Ｌ１と光束Ｌ２とを干渉させる。つまり、被検物ＳＡの表面からの光束Ｌ１と参照ミラーＲＭＲの参照面からの光束Ｌ２とが干渉縞として二次元の検出器ＣＤに結像される。検出器ＣＤは干渉画像を取得する。

検出器ＣＤは干渉画像を取得する際、位相変調部３０が光束Ｌ２の位相変調を行っているので、検出器ＣＤは時間的に変化する干渉画像を記録する。この連続する干渉画像群は、被検物ＳＡの表面の三次元形状が反映されている。

なお、光源１１は低コヒーレンシー光源であるため、干渉画像を得るために光束Ｌ１の距離と光束Ｌ２の距離とが波動光学的な光路長がほぼ一致するように設定されている。また、面形状測定装置１００は参照ミラーＲＭＲ又は被検物ＳＡを精密に光軸方向に移動させるピエゾなどを使ったステージ装置は設けられていない。つまり、位相変調時には、参照ミラーＲＭＲ及び被検物ＳＡは固定されたままである。

干渉画像群はコンピュータ４０へ入力される。コンピュータ４０には形状解析処理のプログラムが予めインストールされ、コンピュータ４０は形状算出部４１を有している。その形状算出部４１は入力された干渉画像群に対しフーリエ変換などの解析処理を施し、被検物ＳＡの表面の三次元形状を算出する。

コンピュータ４０には位置解析処理のプログラムが予めインストールされ、コンピュータ４０は位置算出部４２を有していてもよい。位置算出部４２は入力された干渉画像群に対し解析処理を施し、被検物ＳＡの表面の位置を算出する。被検物ＳＡの位置を検出する際には、検出器ＣＤが二次元の検出器でなくフォトダイオードなどであってもよい。

＜実施形態２：分光分析装置２００の概要＞
図２は、干渉装置を用いて分光反射率や分光透過率などの分光特性を測定し、被検物ＳＡ内の材料などを分析する分光分析装置２００の概略構成である。

分光分析装置２００は大きく分けて光源発生部１０、干渉形成部２０、位相変調部３０及びコンピュータ４０とから構成される。光源発生部１０は、基本的に実施形態１の構成と同じであるため説明を割愛する。
干渉形成部２０は、偏光ビームスプリッターＰＢＳと、λ／４波長板２１，２３と、偏光板２６と、対物光学系２２，２４，２７と，コリメータ光学系２９と、参照ミラーＲＭＲと、反射ミラーＭＲと、検出部ＣＤとから構成される。

干渉形成部２０において、光源発生部１０からの光束Ｌ１は、偏光ビームスプリッターＰＢＳを反射して、λ／４波長板２１及び対物光学系２２を経て、反射ミラーＭＲの表面に到達する。反射ミラーＭＲの表面からの反射光である光束Ｌ１は、再び対物光学系２２及びλ／４波長板２１を経てＰ偏光となり、偏光ビームスプリッターＰＢＳを透過する。
偏光ビームスプリッターＰＢＳを通過した光束Ｌ１は、偏光板２６及び対物光学系２７を経て被検物ＳＡに向かう。

光束Ｌ２は、偏光ビームスプリッターＰＢＳを透過して、λ／４波長板２３及び対物光学系２４を経て、参照ミラーＲＭＲの参照面に到達する。参照ミラーＲＭＲからの反射光は、再び対物光学系２４及びλ／４波長板２３を経てＳ偏光となり、偏光ビームスプリッターＰＢＳで反射される。偏光ビームスプリッターＰＢＳで反射された光束Ｌ２は、偏光板２６及び対物光学系２７を経て被検物ＳＡに向かう。なお、実施形態１と同様に、参照ミラーＲＭＲ及び反射ミラーＭＲは固定されたままである。

対物光学系２７は、偏光ビームスプリッターＰＢＳで合成された光束Ｌ１と光束Ｌ２との干渉光を被検物ＳＡに収束する。被検物ＳＡを透過した拡大光束状の干渉光は、コリメータ光学系２９で平行光に変換され検出部ＣＤに到達し、検出器ＣＤは干渉画像を取得する。その際、位相変調部３０が光束Ｌ２の位相変調を行っているので、検出器ＣＤは時間的に変化する干渉画像を記録する。干渉画像群はコンピュータ４０へ入力される。コンピュータ４０には分光分析処理のプログラムが予めインストールされ、コンピュータ４０は分光測定部４４を有している。

このように構成された分光分析装置２００は、干渉光を被検物ＳＡに照射させることにより，その被検物ＳＡを透過した透過干渉光を検出器ＣＤで検出する。そして，この検出された干渉光の輝度をコンピュータ４０の分光測定部４４でモニタリングし，所定のタイミングでサンプリングされたインターフェログラムデータ等をフーリエ変換することにより透過干渉光に応じたスペクトル情報が取得される。このスペクトル情報から、被検物ＳＡ内の材料などを解析する。なお，この実施形態２の分光分析装置２００は，被検物ＳＡを透過した透過干渉光を検出器ＣＤで検出したが，被検物ＳＡで反射した反射光を検出する反射型の分光分析装置でもよい。また、被検物ＳＡは偏光ビームスプリッターＰＢＳで合成された干渉光が入射する位置に配置されたが、被検物ＳＡは光束Ｌ１のみが通過するλ／４波長板２１と反射ミラーＭＲとの間に配置してもよい。

＜位相変調部３０の概要＞
次に、光源発生部１０の位相変調部３０の構成を説明する。図３及び図４は複数の種類の位相変調部３０（第１位相変調部３０Ａ、第２位相変調部３０Ｂ、第３位相変調部３０Ｃ、第４位相変調部３０Ｄ）を示した概略図である。
図３（ａ）に示された第１位相変調部３０Ａは、波長分散素子の一つである回折格子３１と、集光レンズ３３と、空間位相変調器３７と、この空間位相変調器３７の背後に直接配置された反射ミラーＭＲとから構成される。

図３（ａ）において、ビームスプリッターＢＳ（図１又は図２を参照）から第１位相変調部３０Ａへ入射した光束Ｌ２は、波長分散素子の一つである回折格子３１に入射する。そこで、回折格子３１は光束Ｌ２を波長ごとに異なる角度に回折し、波長ごとに回折された光束Ｌ２は集光レンズ３３を経て空間位相変調器３７へ入射する。光束Ｌ２は集光レンズ３３によって空間位相変調器３７に集光し、波長ごとに空間位相変調器３７の異なるピクセルに入射する。空間位相変調器３７はピクセルごとに異なった位相変調をかけることができる。空間位相変調器３７で波長ごとに位相変調させられた光束Ｌ２は反射ミラーＭＲで反射され、集光レンズ３３及び回折格子３１に戻り、ビームスプリッターＢＳへと向かう。このような第１位相変調部３０Ａを用いることで、波長ごとに任意の位相変調をかけることができる。なお、空間位相変調器には、例えば液晶を利用した空間光変調器を用いることができる。

ここで、１つのピクセル内の波長幅に相当するコヒーレンス長は、波長λの光束Ｌ１及び光束Ｌ２の光路長差ｚに比べて長い必要がある。その条件は、△λ≪（λ×λ）／ｚであり、それを満たすだけの波長分解能が必要になる。図３（ａ）に示した第１位相変調部３０Ａでは、回折格子３１には５００ｌｉｎｅ／ｍｍの透過型回折格子を用い、集光レンズ３３の焦点距離は２７０ｍｍとし、波長６２５〜６５５ｎｍのスペクトルを利用している。空間位相変調器３７は、領域幅４ｍｍで２００ピクセルである。入射光束径はφ２０ｍｍとしている。

図３（ｂ）に示された第２位相変調部３０Ｂは、波長分散素子の一つである三角プリズムＴＰと、集光レンズ３３と、空間位相変調器３７と、この空間位相変調器３７の背後に直接配置された反射ミラーＭＲとから構成される。
図３（ｂ）に示される第２位相変調部３０Ｂは、図３（ａ）に示された第１位相変調部３０Ａの回折格子３１の代わりに三角プリズムＴＰを使用している点で異なっている。三角プリズムＴＰは光束Ｌ２を波長ごとに異なる角度に屈折し、波長ごとに屈折された光束Ｌ２は集光レンズ３３を経て空間位相変調器３７へ入射する。したがって空間位相変調器３７は波長ごとに異なった位相変調をかけることができる。

図４（ａ）に示された第３位相変調部３０Ｃは、波長分散素子の一つであるダイクロイックプリズムＤＰと、空間位相変調器３７と、この空間位相変調器３７の背後に直接配置された反射ミラーＭＲとから構成される。
図４（ａ）に示される第３位相変調部３０Ｃは、図３（ｂ）に示された第２位相変調部３０Ｂの三角プリズムＴＰの代わりダイクロイックプリズムＤＰを使用している点で異なっている。ダイクロイックプリズムＤＰは光束Ｌ２を波長ごとに異なる角度に反射し、波長ごとに反射された光束Ｌ２は空間位相変調器３７へ入射する。したがって空間位相変調器３７は波長ごとに異なった位相変調をかけることができる。特に３つの波長を出力するマルチモード半導体レーザーを使用する際には好ましい。なお、ダイクロイックプリズムＤＰは屈折率の高い層と低い層を交互に１０層〜２０層真空蒸着したもので、光の色による波長ごとの屈折率の違いを利用して、特定の波長だけを入射させる機能を有している。なお、本形態では空間位相変調器を用いる必要はなく、ピクセル配列ではない位相変調素子で十分である。

図４（ｂ）に示された第４位相変調部３０Ｄは、波長分散素子の一つである回折格子３１と、集光レンズ３３と、空間位相変調器３７と、光軸の向きを変えるミラーＭＲ１及びＭＲ２とから構成される。
図４（ｂ）に示される第４位相変調部３０Ｄと図３（ａ）に示された第１位相変調部３０Ａとは、空間位相変調器３７の配置が異なっている。回折格子３１は光束Ｌ２を波長ごとに異なる角度に回折し、波長ごとに回折された光束Ｌ２は集光レンズ３３を経てミラーＭＲ１へ入射する。集光した光束Ｌ２はミラーＭＲ１で反射され空間位相変調器３７に進む。光束Ｌ２は波長ごとに空間位相変調器３７の異なるピクセルに入射する。空間位相変調器３７はピクセルごとに異なった位相変調をかけることができる。空間位相変調器３７で波長ごとに位相変調させられた光束Ｌ２はそのまま透過してミラーＭＲ２で反射され、集光レンズ３３及び回折格子３１に戻り、ビームスプリッターＢＳへと向かう。

以上のように、位相変調部３０は、光源１１から射出されたある程度の幅のある波長範囲の光束Ｌ２を波長ごとに位相変調することができる。したがってこの位相変調した光束Ｌ２を使用することによって参照ミラーＲＭＲを移動させる必要がなくなる。

図５は空間位相変調器３７が光束Ｌ２に与える位相変調幅である。
空間位相変調器３７に液晶を利用した空間光変調器を用いる場合、位相変調幅はある範囲に制限されている。このため、図５の点線矢印で示されるように、経過時間に応じて位相を直線状に限りなく変調させることができない。したがって、図５で示されるように、６２５ｎｍの波長の光束Ｌ２に対して２πごとに位相を折り畳んだ形で位相変調を行い、６５０ｎｍの波長の光束Ｌ２に対しても２πごとに位相を折り畳んだ形で位相変調を行う。この位相を折り畳んだ回数を記憶しておけば位相変調量を把握することができる。

図５において、単位時間当たりの６２５ｎｍの波長の位相変調量と６５０ｎｍの波長の位相変調量とが異なっている。つまり６２５ｎｍの波長に対する単位時間当たりの線形の位相勾配が６５０ｎｍの波長に対する単位時間当たりの線形の位相勾配と異なっている。この線形の位相勾配は、任意に設定することができる。

＜位相変調部３０の動作＞
次に、実施形態１の面形状測定装置１００における位相変調部３０の動作について説明する。

光源１１であるスーパールミネッセンスダイオードは、中心波長６４０ｎｍ、半値全幅１０ｎｍのガウス型スペクトルの光束Ｌ０を射出する。位相変調部３０は、波長６２５ｎｍ〜６５５ｎｍの範囲で、変調周波数ｆ（ｋ）が１１４／２５６〜１４／２５６となるように空間位相変調器３７を設定する。光束Ｌ２の中心波長６４０ｎｍにおいて変調周波数ｆ（ｋ）が６４／２５６となる。

図６（ａ）は、図１で示した測定光（光束Ｌ１）と参照光（光束Ｌ２）との光路長差ｚが２００μｍのときの干渉信号Ｉ（ｔ）を示した図であり、検出部ＣＤの検出結果である。形状算出部４１は例えば、特許第２６７９８７６号等に開示されたフーリエ変換などの干渉縞の信号解析を行う。図６（ｂ）は、図６（ａ）の干渉信号をフーリエ変換した結果である。図６（ｂ）のスペクトル強度ピーク近傍、すなわち信号周波数６４／２５６ｃｙｃｌｅ近傍の位相勾配から光束Ｌ１と光束Ｌ２の光路長差ｚを決定できる。さらに、特定の周波数成分の位相値から、光路長差から波長の整数倍を除いた部分を精密に決定することができる。

図７（ａ）は、光束Ｌ１と光束Ｌ２との光路長差ｚが４００μｍのときの干渉信号Ｉ（ｔ）を示した図であり、検出部ＣＤの検出結果である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の干渉信号Ｉ（ｔ）をフーリエ変換した結果である。図７（ｂ）のスペクトル強度ピーク近傍の位相勾配から光束Ｌ１と光束Ｌ２の光路長差ｚを決定できる。

以上説明した内容の概略を、数式を用いて説明する。
位相変調部３０が光束Ｌ２を位相変調する際の位相変調勾配２πｆ（ｋ）、位相変調量φは、式（１）、式（２）のように表される。
２πｆ（ｋ）=ａｋ＋ｂ …式（１）
φ＝２πｆ（ｋ）ｔ=（ａｋ＋ｂ）ｔ …式（２）
ここで、ｋは波数であり、ｆ（ｋ）は変調周波数であり、ｔは時間であり、ａ及びｂは係数である。

スペクトル幅の広い光源１１の中心波長の波数を基準波数ｋ_ｃとすると、式（１）及び式（２）は以下のように書き換えることができる。
２πｆ_ｃ=ａｋ_ｃ＋ｂ …式（３）
φ＝ａ（ｋ−ｋ_ｃ）ｔ＋２πｆ_ｃｔ＝ａ（ｋ−ｋ_ｃ）ｔ＋φ_ｃ …式（４）
ここで、ｆ_ｃは基準波数ｋ_ｃにおける変調周波数であり_、φ_ｃは基準波数ｋ_ｃにおける位相変調量である。

式（２）で示された位相変調を光束Ｌ２に与えると、干渉信号Ｉ（ｔ）は以下の式（５）で表される。
…式（５）
ここで、Ｓ（ｋ）は光源スペクトル、ｆ（ｋ）は変調周波数であり、ｚは光束Ｌ１（測定光）と光束Ｌ２（参照光）との光路長差である。

また、干渉信号Ｉ（ｔ）は、エンベロープ関数Ｇ（τ）を使って式（６）で表わされる。
…式（６）
ここで、エンベロープ関数Ｇ（τ）は、τ＝０でピークを持つ白色干渉信号のエンベロープ形状を表す。
式（６）から理解されるように、光源１１のスペクトル幅内の基準波数ｋ_ｃにおける変調周波数ｆ_ｃを固定した状態でも、式（１）の係数ａの設定によってエンベロープがピークとなる時刻を任意に変更できる。

位相変調部３０によって、式（１）の係数ａ及び係数ｂを任意に設定することができる。
実施形態では、光束Ｌ２の波長による変調周波数の違いを大きくして、すなわち係数ａを大きくしてエンベロープのピークが表れるまでの走行時間を短くした。また逆に、光束Ｌ２の波長による変調周波数の違いを小さくして、すなわち係数ａを小さくして、エンベロープのピークが現れるまでの走査時間を長くすることも可能である。波長による変調周波数の違いを小さくすると、干渉信号Ｉ（ｔ）の時間軸を拡大して検出できるので、位相解析などを行うことなく信号強度が最大となる点を探すだけで、光路長差ｚを高精度に決定することが可能になる。

＜従来の干渉装置と実施形態との作用の違い＞
特に位相変調部３０の位相変調を使う場合の効果を明りょうにするために、参照ミラーを移動させる干渉装置と対比しながら説明する。図８及び図９は下段に異なる３つの代表波長と波長ごとの強度、上段に光源１１の多数の波長に対する平均強度を示している。説明の都合上、光源１１から射出され分岐された光束Ｌ２の波長のうち、３つの代表波長６５５ｎｍ、６４０ｎｍ、６２５ｎｍを例に説明する。

まず、参照ミラーを移動させる従来の干渉装置において、参照ミラー面を等速に走査し中心波長（６４０ｎｍ）において２５６点のデータあたり６４周期分の線形の走査を行う場合を考える。この位相変調方法の場合、変調周波数は波長に反比例するので、３つの代表波長の変調周波数は、概ね６２．５／２５６（＝６４×（６４０／６５５）／２５６）、６４／２５６（＝６４×（６４０／６４０）／２５６）、６５．５／２５６（＝６４×（６４０／６２５）／２５６）となる。図８の下段はこの３つの代表波長に対する干渉強度の様子をシミュレーションしたものである。図８の上段の多数平均と記した曲線は、光束Ｌ２の３つの波長以外の波長も含めた多数の波長について平均をとったものである。図８は横軸に時間を採り縦軸に強度を示しており、時間は時刻ゼロから始まっているが、干渉信号のエンベロープがピーク周辺の時間のみを示している。初期状態（時刻ゼロ）での光路長差が５０μｍのときの様子を示したもので、走査量が５０μｍ相当のとき（時刻３１２）に干渉信号のエンベロープがピークを有している。

これに対して、位相変調部３０は、空間位相変調器３７を制御することで、波長ごとに任意の変調周波数ｆ（ｋ）を与えることができる。このため、３つの代表波長６５５ｎｍ、６４０ｎｍ、６２５ｎｍに対して変調周波数がそれぞれ１４／２５６、６４／２５６、１１４／２５６と大きな差を持つように設定する。別言すれば式（１）の係数ａを大きくすることになる。
式（７）において、位相変調部３０は、ｆｃ＝６４／２５６、ｆ_ｍｉｎ＝１４／２５６、ｆ_ｍａｘ＝１１４／２５６に設定する。
…式（７）

図９の下段は、位相変調部３０の空間位相変調器３７による位相変調により、光束Ｌ２の３つの代表波長に対する干渉強度の様子をシミュレーションしたものである。図９の上段の多数平均と記した曲線は、３つの波長以外の波長も含めた多数の波長について平均をとったものである。図９の下段に示されるように、３つの代表波長に対して位相が揃う時刻が存在し、その時にエンベロープにピークが現れている。この例では、初期状態（時刻ゼロ）から短時間（時刻１７）で、干渉信号のエンベロープがピークになっている。

図８と図９とを比較して理解できるように、エンベロープのピークを短時間、別言すれば短い位相走査範囲で得ることができる。また、時間的に変化する干渉画像の記録量が少なくて済み、形状算出部４１が形状を算出する時間も短くなる。

図９に示した実施形態では、波数（ｋ）に対する変調周波数ｆ（ｋ）の違いを大きくして、干渉信号の走査時間を縮小した。しかし、逆に波長に対する変調周波数ｆ（ｋ）の違いを小さくして干渉信号の走査時間を拡大することも可能である。光源１１が広いスペクトル幅で、そのスペクトル範囲での変調周波数ｆ（ｋ）の違いが小さくなるように位相変調部３０を設定する。例えば、光源１１が波長５００ｎｍから１０００ｎｍの波長を有し、この波長域で６６／２５６〜６２／２５６の変調周波数になるように設定すればよい。このようにすると、検出部ＣＤは干渉信号の横軸を拡大して検出できるので、形状算出部４１はフーリエ変換などを行うことなく、信号強度が最大となる点を探すだけで、光路長差、すなわち被検物ＳＡの表面高さを高精度に決定することが可能になる。
これまでに説明した実施形態では、波長ごとに時刻ｔに比例した位相変調を与えているが、波長ごとの位相変調量が所定の関係になっていれば時刻ｔに比例していなくてもよい。その場合、波数ｋ対する位相変調量φ（ｋ、ｔ）は、基準波数ｋ_ｃにおける位相変調量φ（ｋ_ｃ、ｔ）に対して式（８）の関係を満たすように制御する。αは一定の係数である。
φ（ｋ，ｔ）＝φ（ｋ_ｃ、ｔ）｛１＋α（ｋ−ｋ_ｃ）｝ …式（８）
時間ｔに比例した位相変調を行わない場合には、基準波数ｋ_ｃの波長に対する位相変化量が等間隔になるようにサンプリングすることが望ましい。なお、基準波数ｋ_ｃは、光源スペクトルの使用範囲の中心波数に設定するのが望ましい。

以上の実施形態においては、干渉装置を用いて面形状測定したり、分光分析したりしたが、これらの用途に限られるのではなく、光学素子の波面形状を測定する測定装置にも適用できる。

１０ … 光源発生部
１１ … 光源
１２，１３，１５ … 偏光板
２０ … 干渉形成部
２１，２３ … 波長板
２６ … 偏光板
２２，２４，２７ … 対物光学系
２８ … 結像光学系
３０（Ａ〜Ｄ） … 位相変調部
３１ … 回折格子
３３ … 集光レンズ
３７ … 空間位相変調器
４０ … コンピュータ
４１ … 形状算出部
４２ … 位置算出部
４４ … 分光測定部
１００ … 面形状測定装置
２００ … 分光分析装置
ＢＳ … ビームスプリッター
ＣＤ … 検出部
ＤＰ … ダイクロイックプリズム
ＬＥ … レンズ
Ｌ１，Ｌ２ … 光束
ＭＲ（１，２） … ミラー
ＰＢＳ … 偏光ビームスプリッター
ＰＳ１，ＰＳ２ … 実線
ＰＸ … ピクセル
ＲＭＲ … リファレンスミラー（参照ミラー）
ＳＡ … 被検物
ＴＰ … 三角プリズム

Claims

スペクトル幅の広い光を照射する広域スペクトル光源と、
前記スペクトル幅内の第１波長領域と該第１波長領域と異なる第２波長領域とで位相を変える位相変調部と、
前記位相変調部で変調された光束と変調されていない光束とを使って干渉光を形成する干渉光形成部と、を備え、
前記位相変調部は、前記第１波長領域と前記第２波長領域とで単位時間当たりの線形の位相勾配を変えることができ、
前記位相変調部は、前記第１波長領域の位相勾配と前記第２波長領域の位相勾配との違いを大きくすることを特徴とする干渉装置。
スペクトル幅の広い光を照射する広域スペクトル光源と、
前記スペクトル幅内の第１波長領域と該第１波長領域と異なる第２波長領域とで位相を変える位相変調部と、
前記位相変調部で変調された光束と変調されていない光束とを使って干渉光を形成する干渉光形成部と、を備え、
前記位相変調部は、前記第１波長領域と前記第２波長領域とで単位時間当たりの線形の位相勾配を変えることができ、
前記位相変調部は、前記第１波長領域の位相勾配と前記第２波長領域の位相勾配との違いを小さくすることを特徴とする干渉装置。
前記位相変調部は、前記第１波長領域の位相変調量と前記第２波長領域の位相変調量とを所定の関係に制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の干渉装置。
前記所定の関係は、以下の式の関係であることを特徴とする請求項３に記載の干渉装置。
φ（ｋ，ｔ）＝φ（ｋｃ、ｔ）｛１＋α（ｋ−ｋｃ）｝
ここで、φ（ｋ、ｔ）は波数ｋ対する位相変調量、φ（ｋｃ、ｔ）は基準波数ｋｃにおける位相変調量、αは一定の係数とする。
前記位相変調部は、波長分散素子と位相を変化できるピクセルを平面上に配列した空間位相変調器とを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の干渉装置。
前記波長分散素子は、前記第１波長領域の光束と前記第２波長領域の光束とに空間分散させるプリズムを含むことを特徴とする請求項５に記載の干渉装置。
前記波長分散素子は、前記第１波長領域の光束と前記第２波長領域の光束とに空間分散させる回折格子を含むことを特徴とする請求項５に記載の干渉装置。
前記空間位相変調器は、印加電圧によって屈折率を変化できる液晶型ピクセルを有することを特徴とする請求項５に記載の干渉装置。
前記広域スペクトル光源は前記第１波長領域と前記第２波長領域とを含む多数の特定波長を射出するマルチモード半導体レーザー光源であり、前記干渉装置は多波長干渉装置であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の干渉装置。
前記広域スペクトル光源は前記第１波長領域と前記第２波長領域とを含む多数の波長を射出するスーパールミネッセンスダイオード又は白色ランプであり、前記干渉装置は白色干渉装置であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の干渉装置。
スペクトル幅の広い光を照射する広域スペクトル光源と、
前記広域スペクトル光源から光を分岐するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターで分岐された一方の光を、前記スペクトル幅内の第１波長領域と該第１波長領域と異なる第２波長領域とで位相を変調する位相変調部と、
前記位相が変調された光束を第１反射面に照射し、前記ビームスプリッターで分岐された他方の光を第２反射面に照射し、前記第１反射面で反射した第１反射光と前記第２反射面で反射した第２反射光を合成して合成光とする光分割合成部と、を備え、
前記位相変調部は、前記第１波長領域と前記第２波長領域とで単位時間当たりの線形の位相勾配を変えることができ、
前記位相変調部は、前記第１波長領域の位相勾配と前記第２波長領域の位相勾配との違いを大きくすることを特徴とする干渉装置。
スペクトル幅の広い光を照射する広域スペクトル光源と、
前記広域スペクトル光源から光を分岐するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターで分岐された一方の光を、前記スペクトル幅内の第１波長領域と該第１波長領域と異なる第２波長領域とで位相を変調する位相変調部と、
前記位相が変調された光束を第１反射面に照射し、前記ビームスプリッターで分岐された他方の光を第２反射面に照射し、前記第１反射面で反射した第１反射光と前記第２反射面で反射した第２反射光を合成して合成光とする光分割合成部と、を備え、
前記位相変調部は、前記第１波長領域と前記第２波長領域とで単位時間当たりの線形の位相勾配を変えることができ、
前記位相変調部は、前記第１波長領域の位相勾配と前記第２波長領域の位相勾配との違いを小さくすることを特徴とする干渉装置。
前記位相変調部は、前記第１波長領域の位相変調量と前記第２波長領域の位相変調量とを所定の関係に制御することを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の干渉装置。
前記所定の関係は、以下の式の関係であることを特徴とする請求項１３に記載の干渉装置。
φ（ｋ，ｔ）＝φ（ｋｃ、ｔ）｛１＋α（ｋ−ｋｃ）｝
ここで、φ（ｋ、ｔ）は波数ｋ対する位相変調量、φ（ｋｃ、ｔ）は基準波数ｋｃにおける位相変調量、αは一定の係数とする。
前記第１反射面又は前記第２反射面は測定対象物であり、
前記合成光により形成される干渉縞画像を検出する検出部と、
前記干渉縞画像を解析して前記測定対象物の位置又は形状を算出する位置形状算出部と、
を備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の干渉装置。
前記合成光が試料に照射されることによる干渉光を検出する検出部と、
前記干渉光を解析して分光特性を測定する分光測定部と、
を備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の干渉装置。
前記第１反射光又は前記第２反射光が試料に照射されることによる干渉光を検出する検出部と、
前記干渉光を解析して分光特性を測定する分光測定部と、
を備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の干渉装置。
前記位相変調部は、前記第１波長領域の位相変調量と前記第２波長領域の位相変調量とを任意に設定できることを特徴とする請求項１１から請求項１７に記載の干渉装置。
前記位相変調部は、波長分散素子と位相を変化できるピクセルを平面上に配列した空間位相変調器とを有することを特徴とする請求項１１から請求項１８のいずれか一項に記載の干渉装置。
前記波長分散素子は、前記第１波長領域の光束と前記第２波長領域の光束とに空間分散させるプリズムを含むことを特徴とする請求項１９に記載の干渉装置。
前記波長分散素子は、前記第１波長領域の光束と前記第２波長領域の光束とに空間分散させる回折格子を含むことを特徴とする請求項１９に記載の干渉装置。
前記空間位相変調器は、印加電圧によって屈折率を変化できる液晶型ピクセルを有することを特徴とする請求項１９に記載の干渉装置。