JP6412710B2 - 光干渉測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を用いた測定を行う光干渉測定装置に関する。

従来、光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を用いて例えば測定対象物の三次元形状を精密に測定する三次元形状測定装置などの光干渉測定装置が知られている。

例えば白色光光源を用いる光干渉測定装置においては、参照光路と測定光路の光路長が一致するピント位置では各波長の干渉縞のピークが重なり合い合成される干渉縞の輝度が大きくなる。したがって、光干渉測定装置では、参照光路または測定光路の光路長を変化させながら干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像をＣＣＤカメラ等の撮像素子により撮影し、撮影視野内の各測定位置で干渉光の強度がピークとなるピント位置を検出することで、各測定位置における測定面の高さを測定し、測定対象物の三次元形状などを測定することができる（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−１９１１１８号公報

上述のような光干渉測定装置では、干渉を生じる光の波長程度の周期で干渉光の輝度変化が生じるため、波長よりも十分に細かい間隔で参照光路または測定光路の光路長を変化させながら干渉画像の撮影を繰り返す必要がある。このため、垂直方向の測定範囲を広くしようとすると、干渉画像の撮影枚数が膨大になり、測定時間の短縮が困難であった。

そこで、本発明は上記の課題を解決し、干渉画像のＺ軸方向の移動範囲を狭くすることにより測定時間を短縮することができる光干渉測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光干渉測定装置は、光を出力する光源と、光源から出力された光を参照光路と測定光路とに分岐するとともに、参照光路を経た反射光と測定光路に配置された測定対象物を経た反射光とを合成した合成波を出力する第１ビームスプリッタと、参照光路に配置され、第１ビームスプリッタで参照光路に分岐された光をさらに複数の光路に分岐するとともに、複数の光路のそれぞれを経た反射光を、参照光路を経た反射光として第１ビームスプリッタに入射させる、参照光分岐手段と、複数の光路のそれぞれに複数の光路の光路長が互いに異なるように配置され、参照光分岐手段により分岐された参照光を反射する複数の参照ミラーと、参照光路および測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段と、二次元に配列された複数の受光素子により合成波における干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像を撮像する撮像手段と、光路長可変手段により変化させた複数の光路長において撮像手段により撮像した複数の干渉画像に基づき測定対象物の測定面の高さを求める高さ算出手段とを備える。このような構成により、光路長可変手段により可変する可変範囲を垂直方向の測定範囲よりも狭めることができ、干渉画像の撮影枚数を削減し測定時間を短縮することができる。なお、「測定対象物の測定面」とは、測定対象物おける測定光が反射される面を指す。

本発明では、参照光分岐手段は、第１ビームスプリッタで参照光路に分岐された光をさらに複数の光路に分岐するとともに、複数の光路のそれぞれを経た反射光を合成して第１ビームスプリッタに入射させる第２ビームスプリッタとして構成するとよい。また、本発明では、参照光分岐手段は、第１ビームスプリッタで参照光路に分岐された光を、複数の参照ミラーのそれぞれに向けて順次反射すべく角度を変更可能な駆動式ミラーとして構成してもよい。これらの構成により、第１ビームスプリッタで分岐された参照光を複数の参照ミラーに分配し、複数の参照ミラーから戻ってくる反射光を第１ビームスプリッタに戻すことができる。

駆動式ミラーを採用した構成では、撮像手段が干渉画像を繰り返し撮像する１周期の間に、全ての複数の参照ミラーのそれぞれに向けて第１ビームスプリッタで参照光路に分岐された光を反射すべく角度を変更するとよい。このような構成により、１回ですべての参照ミラーからの反射光による干渉縞を撮像することができる。

本発明では、高さ算出手段は、干渉画像に写る干渉縞が複数の参照ミラーのうちいずれからの反射光によるものかを光路長可変手段が設定した光路長に基づき識別するとよい。また、本発明では、高さ算出手段は、干渉画像に写る干渉縞が複数の参照ミラーのうちいずれからの反射光によるものかを干渉縞のコントラストに基づき識別してもよい。また、本発明では、高さ算出手段は、干渉画像に写る干渉縞が複数の参照ミラーのうちいずれからの反射光によるものかを干渉縞の明暗の周期に基づき識別してもよい。これらの構成により、いずれの参照ミラーからの反射光による干渉縞かを判別することができる。

光干渉測定装置の第１実施形態である、干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置の全体構成を示す斜視図である。 光干渉光学ヘッド１５２の構成を光路とともに示す模式図である。 参照ミラー部２３の要部拡大図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、対物レンズ部２２および参照ミラー部２３の構造と測定光路および参照光路を示す要部拡大図である。 コンピュータ本体２０１の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の測定装置を用いた三次元形状測定の手順を示すフローチャートである。 ワークＷの形状と測定範囲を示す模式図である。 図８（ａ）は、移動走査を開始した直後における、第１光路を経由した参照光とワークＷからの測定光の干渉を示す光路図であり、図８（ｂ）は、移動走査を開始した直後における、第２光路を経由した参照光とワークＷからの測定光の干渉を示す光路図である。 移動走査を開始した直後に撮影した干渉画像の模式図である。 図１０（ａ）は、移動走査を終了する直前における、第１光路を経由した参照光とワークＷからの測定光の干渉を示す光路図であり、図１０（ｂ）は、移動走査を終了する直前における、第２光路を経由した参照光とワークＷからの測定光の干渉を示す光路図である。 移動走査を終了する直前に撮影した干渉画像の模式図である。 第４実施形態に係る測定装置における対物レンズ部２２および参照ミラー部２３の構造を示す模式図である。 第１実施形態における参照ミラー部２３をミロー型の干渉計に適用した場合の構造を示す模式図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明に係る光干渉測定装置の第１実施形態である干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、第１実施形態に係る干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置の全体構成を示す斜視図である。干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置は、非接触型の画像測定機１と、この画像測定機１を駆動制御すると共に、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム２とを備える。なお、干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置は、これらの他、計測結果等をプリントアウトするプリンタ等を適宜備えてもよい。

干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置は、架台１１と、試料台（ステージ）１２と、支持アーム１３ａおよび１３ｂと、Ｘ軸ガイド１４と、撮像ユニット１５とを備える。図１に示されるように、測定装置は、フロアに設置された除振台３上に配置される。除振台３はフロアの振動が台上の測定装置に伝搬するのを防ぐ。除振台３はアクティブ型及びパッシブ型のいずれであってもよい。除振台３の天板上には架台１１が配置され、その上に、測定対象物（ワーク）Ｗを載置するステージ１２がその上面をベース面として水平面と一致するように載置される。ステージ１２は、図示しないＹ軸駆動機構によってＹ軸方向に駆動され、ワークＷを撮像ユニットに対してＹ軸方向に移動可能とされている。架台１１の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム１３ａ、１３ｂが固定され、この支持アーム１３ａ、１３ｂの両上端部を連結するようにＸ軸ガイド１４が固定される。このＸ軸ガイド１４は、撮像ユニット１５を支持する。撮像ユニット１５は、図示しないＸ軸駆動機構によってＸ軸ガイド１４に沿って駆動される。

撮像ユニット１５は、ワークＷの二次元画像を撮像する画像光学ヘッド１５１および光干渉測定によりワークＷの三次元形状を測定する光干渉光学ヘッド１５２を着脱可能に備え、いずれかのヘッドを用いて、コンピュータシステム２が設定する測定位置でワークを測定する。画像光学ヘッド１５１の測定視野は光干渉光学ヘッド１５２の測定視野よりも通常広く設定し、コンピュータシステム２による制御により、両ヘッドを切り替えて使用できる。画像光学ヘッド１５１と光干渉光学ヘッド１５２は、一定の位置関係を保つよう、共通の支持板により支持され、切り替えの前後で測定の座標軸が変化しないよう予めキャリブレーションされる。

画像光学ヘッド１５１は、ＣＣＤカメラ、照明装置、フォーカシング機構等を備え、ワークＷの二次元画像を撮影する。撮影された二次元画像のデータはコンピュータシステム２に取り込まれる。

図２は、光干渉光学ヘッド１５２の構成を光路とともに示す模式図である。光干渉光学ヘッド１５２は、図２に示すようにマイケルソン型の干渉計を構成し、光出射部２０と、光干渉光学ヘッド部２１と、対物レンズ部２２と、参照ミラー部２３と、結像レンズ２４と、撮像部２５と、駆動機構部２６とを備える。

光出射部２０は、広帯域にわたる多数の波長成分を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出力する光源を備え、例えば、ハロゲンやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの白色光源が用いられる。

光干渉光学ヘッド部２１は、ビームスプリッタ２１１と、コリメータレンズ２１２とを備えている。光出射部２０から出射した光は、対物レンズ部２２の光軸と直角の方向から、コリメータレンズ２１２を介してビームスプリッタ２１１に平行に照射され、ビームスプリッタ２１１からは光軸に沿った光が出射されて、対物レンズ部２２に対して上方から平行ビームが照射される。

対物レンズ部２２は、対物レンズ２２１、ビームスプリッタ２２２、光路補正板２２３等を備えて構成される。対物レンズ部２２においては、上方から平行ビームが対物レンズ２２１に入射した場合、入射光は対物レンズ２２１で収束光となり、ビームスプリッタ２２２の内部の反射面２２２ａに入射する。対物レンズ２２１には、後述する２つの参照ミラー（参照ミラー２３２−１および参照ミラー２３２−２）のいずれにおいても焦点が合うように十分に深い焦点深度を有するものが用いられる。

入射光は、参照ミラー部２３内の参照光路を進む反射光（参照光）と、ワークＷを配置した測定光路を進む透過光（測定光）とに分岐する。反射光は、後で詳述する参照ミラー部２３に設けられた参照ミラー２３２−１及び参照ミラー２３２−２で反射されて、更にビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａにより反射される。一方、透過光は、収束しつつ光路補正板２２３を経てワークＷで反射され、再び光路補正板２２３を経てビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａを透過する。ここで光路補正板２２３は、参照ミラー部２３に設けられるビームスプリッタ２３１と同等の光学特性を有し、参照光路にビームスプリッタ２３１が配置された影響を相殺する。参照ミラー部２３からの反射光とワークＷからの反射光とはビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａにより合成されて合成波となる。

ビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａの位置で合成された合成波は、対物レンズ２２１で平行ビームになり上方へ進み、光干渉光学ヘッド部２１を通過して、結像レンズ２４に入射する（図２中一点鎖線）。結像レンズ２４は合成波を収束させ撮像部２５上に干渉画像を結像させる。

参照ミラー部２３は、ビームスプリッタ２３１、参照ミラー２３２−１、および参照ミラー２３２−２を備える。ビームスプリッタ２２２により分岐され参照光路を進む光は、ビームスプリッタ２３１の内部の反射面２３１ａに入射する。そして、反射面２３１ａを透過して参照ミラー２３２−１に向かう透過光と、反射面２３１ａにより反射され参照ミラー２３２−２に向かう反射光とに分岐する。ビームスプリッタ２３１により分岐された光は、それぞれ参照ミラー２３２−１または参照ミラー２３２−２により反射され、さらにビームスプリッタ２３１の反射面２３１ａにより合成される。反射面２３１ａにより合成された光は、参照ミラー部２３からの反射光としてビームスプリッタ２２２に入射される。以下、反射面２３１ａの透過光が参照ミラー２３２−１により反射されてビームスプリッタ２３１に戻る光路を第１光路、反射面２３１ａの反射光が参照ミラー２３２−２により反射されてビームスプリッタ２３１に戻る光路を第２光路と呼ぶ。

図３は、参照ミラー部２３の要部拡大図である。参照ミラー２３２−１および参照ミラー２３２−２は、ビームスプリッタ２３１から参照ミラー２３２−２までの光軸中心の距離Ｌ１が、ビームスプリッタ２３１から参照ミラー２３２−１までの光軸中心の距離Ｌ２よりもｈだけ長くなるように（Ｌ２−Ｌ１＝ｈ）配置される。

撮像部２５は、撮像手段を構成するための２次元の撮像素子からなるＣＣＤカメラ等であり、対物レンズ部２２から出力された合成波（ワークＷからの反射光と参照ミラー部２３からの反射光）の干渉画像を撮像する。撮像された画像のデータはコンピュータシステム２に取り込まれる。

図４（ａ）および（ｂ）は、対物レンズ部２２および参照ミラー部２３の要部拡大図である。駆動機構部２６は、本発明の光路長可変手段に相当し、コンピュータシステム２からの移動指令によって、光干渉光学ヘッド１５２を光軸方向に移動させる。図４（ａ）は第１光路を通る参照光路（破線）と、測定光路（実線）の光路長が等しい状態を示している。図４（ｂ）は第２光路を通る参照光路（破線）と、測定光路（実線）の光路長が等しい状態を示している。図４（ａ）および（ｂ）に示したように、第１光路を通る参照光の方が、より高い位置で反射された測定光と干渉する。測定に際しては、光干渉光学ヘッド１５２を光軸方向（すなわちＺ軸方向）に移動させつつ干渉画像を撮影することで、測定光路の長さが異なった状態で多数の干渉画像を取得するが、測定光路の長さが第１光路または第２光路のいずれかを通る参照光路の長さと一致した場合に干渉が生じる。なお、上記では光干渉光学ヘッド１５２を移動させる場合を例示して説明したが、ステージ１２を移動させることで測定光路の長さを調整する構成としてもよい。また、参照ミラー部２３の全体をビームスプリッタ２３１で分岐される手前の光軸方向（すなわち図４（ａ）および（ｂ）の左右方向）に移動することにより参照光路の長さを可変とする構成としてもよい。このように、光干渉光学ヘッド１５２において、参照光路または測定光路の何れか一方の光路長が可変とされる。

光干渉光学ヘッド１５２は、コンピュータシステム２による制御の下、駆動機構部２６により光軸方向の位置を移動走査され、所定の距離を移動する毎に撮像部２５が撮像を行う。干渉画像は、コンピュータシステム２に取り込まれる。

図１に戻ると、コンピュータシステム２は、コンピュータ本体２０１、キーボード２０２、ジョイスティックボックス（以下、Ｊ／Ｓと呼ぶ）２０３、マウス２０４及びディスプレイ２０５を備える。

図５は、コンピュータ本体２０１の構成を示すブロック図を示す。図５に示すように、コンピュータ本体２０１は、制御の中心をなすＣＰＵ４０と、記憶部４１と、ワークメモリ４２と、インタフェース（図５において「ＩＦ」と示す。）４３、４４、４５、４６と、ディスプレイ２０５での表示を制御する表示制御部４７とを備える。

キーボード２０２、Ｊ／Ｓ２０３又はマウス２０４から入力されるオペレータの指示情報は、インタフェース４３を介してＣＰＵ４０に入力される。インタフェース４４は、干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置と接続され、干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置に対しＣＰＵ４０からの各種制御信号を供給し、干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置から各種のステータス情報や測定結果を受信してＣＰＵ４０に入力する。

画像測定モードが選択されている場合、表示制御部４７は、ディスプレイ２０５に画像光学ヘッド１５１のＣＣＤカメラから供給された画像信号による画像を表示する。光干渉測定モードが選択されている場合、表示制御部４７は、光干渉光学ヘッド１５２により撮影した画像、ＣＡＤデータ、光干渉光学ヘッド１５２により測定した三次元形状データ等を、ＣＰＵ４０による制御に基づき適宜ディスプレイ２０５に表示する。画像光学ヘッド１５１や光干渉光学ヘッド１５２による測定結果は、インタフェース４５を介してプリンタに出力することができる。また、インタフェース４６は、外部の図示しないＣＡＤシステム等により提供されるワークＷのＣＡＤデータ（設計データ）を、所定の形式に変換してコンピュータシステム２に入力する。

ワークメモリ４２は、ＣＰＵ４０の各種処理のための作業領域を提供する。記憶部４１は、例えばハードディスクドライブやＲＡＭ等により構成され、ＣＰＵ４０により実行されるプログラム、干渉光学系と画像測定装置とを組み合わせた測定装置による測定結果等を格納する。

ＣＰＵ４０は、各インタフェースを介した各種入力情報、オペレータの指示及び記憶部４１に格納されたプログラム等に基づいて、画像光学ヘッド１５１による画像測定モードと光干渉光学ヘッド１５２による光干渉測定モードとの切り替え、測定範囲（測定視野及び垂直方向の測定範囲）の指定、撮像ユニット１５のＸ軸方向への移動、ステージ１２のＹ軸方向への移動、画像光学ヘッド１５１による二次元画像の撮像、光干渉光学ヘッド１５２による干渉画像の測定と三次元形状データの算出等の各種の処理を実行する。

三次元形状データを算出する際には、ＣＰＵ４０は、測定視野内の各位置について、干渉縞のピークが生じる移動走査位置を検出し、測定視野内の各位置における高さ（Ｚ方向位置）を求める。このようにして、ＣＰＵ４０は本発明における高さ算出手段として機能する。

ここで、本実施形態では、参照ミラー部２３からの反射光に、参照ミラー２３２−１による反射光と参照ミラー２３２−２による反射光とが含まれる。このため、ワークＷの高さを求めるには、干渉縞が参照ミラー２３２−１による反射光と参照ミラー２３２−２による反射光のどちらによるものなのかを判別する必要がある。

そこで本実施形態では、駆動機構部２６が設定する光干渉光学ヘッド１５２の移動走査位置で定まる光路長に基づき、ＣＰＵ４０がいずれの参照ミラーからの反射光による干渉縞かを判別する。具体的には、ＣＰＵ４０は、移動走査を行って取得した信号強度の中に二つの干渉縞が含まれている場合、低い方の移動走査位置で生じた干渉縞を、光路長が比較的短い参照ミラー２３２−１からの反射光によるものであると判別し、高い方の移動走査位置で生じた干渉縞を参照ミラー２３２−２からの反射光によるものであると判別する。移動走査によって参照ミラー２３２−１からの反射光と参照ミラー２３２−２からの反射光の両方で干渉縞が生じる高さについては、いずれの干渉縞を用いても同じ高さが求められるので、ＣＰＵ４０は、一方の参照ミラー（例えば参照ミラー２３２−１）からの反射光による干渉縞を優先的に用いて高さを求めるとよい。

また、ＣＰＵ４０は、移動走査を行って取得した信号強度の中に干渉縞が一つしか含まれていない場合、ビームスプリッタ２３１から各参照ミラーまでの距離の差ｈだけ正または負の方向に移動走査位置を移動して当該位置にて干渉縞が生じるか否かを測定し、その結果に応じて、いずれの参照ミラーからの反射光による干渉縞かを判別するとよい。例えば、移動走査を行って取得した信号強度の中に干渉縞が一つしか含まれていない状況において、光干渉光学ヘッド１５２をｈだけ正の方向（情報）に移動した移動走査位置で干渉縞が生じた場合には、垂直方向の測定範囲内で検出された干渉縞が、参照光の通る光路長が比較的短い参照ミラー２３２−１からの反射光によるものであると判別することができる。

続いて、図６に示すフローチャートを参照しつつ、本実施形態の測定装置を用いてワークＷの三次元形状を測定する手順を説明する。以下の説明においては、垂直（Ｚ軸）方向の測定範囲を０からＨまでとする。測定装置において、ビームスプリッタ２３１から参照ミラー２３２−１までの距離とビームスプリッタ２３１から参照ミラー２３２−２までの距離との差は上述の通りｈである。

三次元形状測定を開始すると、光干渉光学ヘッド１５２を光軸方向（Ｚ軸方向）に所定量移動し（Ｓ１００）、測定面の干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像を撮像する（Ｓ１１０）。これを所定サンプリング数だけ繰り返し（Ｓ１００〜Ｓ１２０）、所定枚の干渉画像が蓄積されると、測定面の各測定位置における光路長差の変化に伴う干渉光強度の変化を示す干渉光強度列のピーク位置を検出する（１３０）。そして、検出した各測定位置のピーク位置を測定点における高さとして表示、出力する（１４０）。

例えば図７に示したように、測定面が傾斜したワークＷの三次元形状を測定する場合を想定する。図８（ａ）は、移動走査を開始した直後における、第１光路を経由した参照光とワークＷからの測定光の干渉を示す光路図であり、図８（ｂ）は、移動走査を開始した直後における、第２光路を経由した参照光とワークＷからの測定光の干渉を示す光路図である。図８（ａ）に示したように、測定範囲の上端（すなわち高さＨ）付近で反射された測定光は、第１光路を経由した参照光と光路長が一致して干渉を生じる。一方、図８（ｂ）に示したように、測定範囲の上端からｈ低い高さ（すなわち高さＨ−ｈ）付近で反射された測定光は、第２光路を経由した参照光と光路長が一致して干渉を生じる。したがって、移動走査を開始した直後に撮影した干渉画像は、図９に示したように、測定視野内において高さがＨ近傍の領域（図９中の領域Ａ）と、高さがＨ−ｈ近傍の領域（図９中の領域Ｂ）に干渉縞を生じる。

その後、光干渉光学ヘッド１５２の高さを減少させる方向に移動させつつ、干渉画像を繰り返し撮影する。図１０（ａ）は、移動走査を終了する直前における、第１光路を経由した参照光とワークＷからの測定光の干渉を示す光路図であり、図１０（ｂ）は、移動走査を終了する直前における、第２光路を経由した参照光とワークＷからの測定光の干渉を示す光路図である。図１０（ａ）に示したように、高さｈ付近で反射された測定光は、第１光路を経由した参照光と光路長が一致して干渉を生じる。一方、図１０（ｂ）に示したように、高さ０付近で反射された測定光は、第２光路を経由した参照光と光路長が一致して干渉を生じる。したがって、移動走査を終了する直前に撮影した干渉画像は、図１１に示したように、測定視野内において高さがｈ近傍の領域（図１１中の領域Ｃ）と、高さが０近傍の領域（図１１中の領域Ｄ）に干渉縞を生じる。

このようにＨ−ｈの広さの移動走査で、第１光路を経由した参照光は高さがｈからＨまでの測定面からの反射光と干渉し、第２光路を経由した参照光は、高さ０から高さＨ−ｈまでの測定面からの反射光と干渉する。したがって、Ｈ−ｈの広さの移動走査で高さ０から高さＨまでの測定範囲をカバーすることができる。つまり、移動走査範囲を測定範囲よりもｈだけ狭くすることができるので、干渉画像の撮影数を抑制することができ、ひいては測定時間を削減することができる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係る測定装置１の特徴は、参照ミラー２３２−１からの反射光による干渉縞と参照ミラー２３２−２からの反射光による干渉縞とを区別する手法、及びその手法を実現するための構成にある。なお、それ以外については、図１から図５に示した第１実施形態の測定装置と同様なので、ここでの説明を省略する。

本実施形態では、測定装置は、第１光路を経由した参照光の強度と第２光路を経由した参照光の強度に差を設け、その結果として第１光路を経由した参照光による干渉縞と第２光路を経由した参照光による干渉縞との間にコントラスト（すなわち明暗の振幅）の差を生じさせる。そして、干渉縞のコントラストの強弱によりいずれの光路を経た参照光による干渉縞かを判別する。具体的には、参照ミラー部２３に設けられたビームスプリッタ２３１の透過率と反射率に差を設け、第１光路を進む光と第２光路を進む光の強度に差を設けるとよい。他の方法としては、ビームスプリッタ２３１の透過率と反射率に差を設けず、参照ミラー２３２−１の反射率と第２参照ミラーの反射率に差を設けることで、各参照ミラーにより反射されてビームスプリッタ２３１に戻ってくる光の強度に差が生じるようにしてもよい。ＣＰＵ４０は、コントラストに基づいて容易にいずれの光路を経た参照光による干渉縞かを判別することができ、測定視野内の各位置について測定面の高さを求めることができる。

〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態に係る測定装置の特徴は、参照ミラー２３２−１からの反射光による干渉縞と参照ミラー２３２−２からの反射光による干渉縞とを区別する手法、及びその手法を実現するための構成にある。なお、それ以外については、図１から図５に示した第１実施形態の測定装置と同様なので、ここでの説明を省略する。

本実施形態では、測定装置は、第１光路を経由した参照光の波長成分と第２光路を経由した参照光の波長成分に差を設け、その結果として第１光路を経由した参照光による干渉縞と第２光路を経由した参照光による干渉縞との間に干渉縞の周期の差を生じさせる。そして、干渉縞の周期の長短によりいずれの光路を経た参照光による干渉縞かを判別する。具体的には、第１光路と第２光路のそれぞれに異なる波長依存性を有する光学素子を配置して、第１光路へと進む光の波長成分の分布と第２光路へと進む光の波長成分の分布に差を設けるとよい。波長依存性を有する光学素子としては、例えば光学フィルタを光路上に設けてもよいし、波長に依存した反射率のミラーを参照ミラー２３２−１及び参照ミラー２３２−２として用いてもよい。例えば、第１光路を経由した参照光に長波長成分がより多く含まれるように構成した場合には、第１光路を経由した参照光の方が干渉縞の周期が大きくなるので、ＣＰＵ４０は干渉縞の周期に基づき、容易にいずれの光路を経た参照光による干渉縞かを判別することができ、測定視野内の各位置について測定面の高さを求めることができる。本実施形態によれば、干渉縞の周期は参照光や測定光の強度によらず予め決定しておくことができるので、移動走査を行って取得した信号強度の中に干渉縞が一つしか含まれていない場合であってもいずれの光路を経た参照光による干渉縞であるかを判別することが容易となる。

〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態に係る測定装置の特徴は、図１２に示したように、参照ミラー部２３が、ビームスプリッタ２３１に代えて入射光軸に対する反射面の角度を可変とした駆動ミラー２３３を備え、駆動ミラーからの距離が互いに異なる位置にｎ個の参照ミラー２３２−１〜２３２−ｎが配置される点にある。また、前述の構成を採用したことに伴い、コンピュータシステム２はＣＰＵ４０により駆動ミラーの角度を制御する。また、コンピュータシステム２は、ｎ個の参照ミラーからの反射光によって生じる干渉縞を判別する。なお、それ以外については、図１から図５に示した第１実施形態の測定装置と同様なので、ここでの説明を省略する。

駆動ミラー２３３は、ＣＰＵ４０の制御により姿勢（角度）を変化させ、対物レンズ部２２から入射する光を、複数の参照ミラー２３２−１から２３２−ｎに順次切り替えながら入射させる。駆動ミラー２３３は、撮像部２５が干渉画像を連続して撮影する際の撮影周期（すなわち撮像素子のサンプリング周期）の間に、全ての参照ミラー２３２−１〜２３２−ｎに参照光を入射させるように切り替える。各参照ミラー２３２−１〜２３２−ｎからの反射光は、駆動ミラー２３３により対物レンズ部２２に向けて反射され、ビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａにより、ワークＷからの反射光と合成されて合成波となる。駆動ミラー２３３から対物レンズ部２２に向けて反射される参照光には、各時点において駆動ミラー２３３の角度に対応したいずれか１つの参照ミラーからの反射光のみが含まれるが、駆動ミラー２３３の角度を変更することによって干渉画像の撮影周期１サイクル間に全ての参照ミラーからの反射光がワークＷからの反射光と合成されることになり、参照光は各参照ミラーを経る光路と対応する距離の測定面での反射光と干渉する。

ビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａの位置で合成された合成波は、対物レンズ２２１、光干渉光学ヘッド部２１、結像レンズ２４等を経由して撮像部２５上に結像し、撮像部２５により干渉画像が撮影される。光干渉光学ヘッド１５２の光軸方向の位置を移動走査しながら撮像部２５による撮像を繰り返し、各移動走査位置での干渉画像の画像データを解析して干渉縞のピークが生じる移動走査位置を検出し、測定視野内の各位置における高さ（Ｚ方向位置）を求める。この時、干渉画像には参照ミラー２３２−１〜２３２−ｎのそれぞれからの反射光によるｎ種類の干渉縞が含まれるが、いずれの参照ミラーからの反射光による干渉縞かは、上述の第１実施形態から第３実施形態で説明した方法により判別するとよい。例えば、干渉縞のコントラストの差異により判別する場合には、駆動ミラー２３３が各参照ミラー２３２−１〜２３２−ｎに向けて光を入射される時間の長さに差を設けることにより、干渉縞にコントラストの差を生じさるようにしてもよい。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、上記実施形態では、マイケルソン型の干渉計を用いた画像測定装置を例に説明したが、本発明は、画像測定装置以外の干渉計を用いた様々な測定装置や顕微鏡等にも適用することができる。また、ミロー型、フィゾー型、トワイマングリーン型その他の等光路干渉計を用いた測定装置にも本発明を適用することができる。例えば図１３に示したように、第１実施形態における参照ミラー部２３をミロー型の等光路干渉計に適用するとよい。
また、上記の第１実施形態から第３実施形態に示した干渉縞の判別方法は、個別に用いるだけでなく任意の判別方法を組み合わせてもよい。

本発明は、光干渉測定装置に適用して、干渉画像の撮影枚数を削減し測定時間を短縮することを可能とする。

１・・・画像測定機
２・・・コンピュータシステム
３・・・除振台
１１・・・架台
１２・・・ステージ
１３ａ、１３ｂ・・・支持アーム
１４・・・Ｘ軸ガイド
１５・・・撮像ユニット
Ｗ・・・測定対象物（ワーク）

Claims (5)

1. 光を出力する光源と、
   前記光源から出力された光を参照光路と測定光路とに分岐するとともに、参照光路を経た反射光と測定光路に配置された測定対象物を経た反射光とを合成した合成波を出力する第１ビームスプリッタと、
   前記参照光路に配置され、前記第１ビームスプリッタで参照光路に分岐された光をさらに複数の光路に分岐するとともに、前記複数の光路のそれぞれを経た反射光を、参照光路を経た反射光として前記第１ビームスプリッタに入射させる、参照光分岐手段と、
   前記複数の光路のそれぞれに前記複数の光路の光路長が互いに異なるように配置され、前記参照光分岐手段により分岐された参照光を反射する複数の参照ミラーと、
   前記参照光路および前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段と、
   二次元に配列された複数の受光素子により前記合成波における干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像を撮像する撮像手段と、
   前記光路長可変手段により変化させた複数の光路長において前記撮像手段により撮像した複数の干渉画像に基づき測定対象物の測定面の高さを求める高さ算出手段と
   を備え、
   前記高さ算出手段は、前記干渉画像に写る干渉縞が前記複数の参照ミラーのうちいずれからの反射光によるものかを干渉縞のコントラストに基づき識別することを特徴とする光干渉測定装置。
2. 光を出力する光源と、
   前記光源から出力された光を参照光路と測定光路とに分岐するとともに、参照光路を経た反射光と測定光路に配置された測定対象物を経た反射光とを合成した合成波を出力する第１ビームスプリッタと、
   前記参照光路に配置され、前記第１ビームスプリッタで参照光路に分岐された光をさらに複数の光路に分岐するとともに、前記複数の光路のそれぞれを経た反射光を、参照光路を経た反射光として前記第１ビームスプリッタに入射させる、参照光分岐手段と、
   前記複数の光路のそれぞれに前記複数の光路の光路長が互いに異なるように配置され、前記参照光分岐手段により分岐された参照光を反射する複数の参照ミラーと、
   前記参照光路および前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段と、
   二次元に配列された複数の受光素子により前記合成波における干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像を撮像する撮像手段と、
   前記光路長可変手段により変化させた複数の光路長において前記撮像手段により撮像した複数の干渉画像に基づき測定対象物の測定面の高さを求める高さ算出手段と
   を備え、
   前記高さ算出手段は、前記干渉画像に写る干渉縞が前記複数の参照ミラーのうちいずれからの反射光によるものかを干渉縞の明暗の周期に基づき識別する光干渉測定装置。
3. 前記参照光分岐手段は、前記第１ビームスプリッタで参照光路に分岐された光をさらに複数の光路に分岐するとともに、前記複数の光路のそれぞれを経た反射光を合成して前記第１ビームスプリッタに入射させる第２ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１または２に記載の光干渉測定装置。
4. 前記参照光分岐手段は、前記第１ビームスプリッタで参照光路に分岐された光を、前記複数の参照ミラーのそれぞれに向けて順次反射すべく角度を変更可能な駆動式ミラーであることを特徴とする請求項１または２に記載の光干渉測定装置。
5. 前記駆動式ミラーは、前記撮像手段が干渉画像を繰り返し撮像する１周期の間に、全ての前記複数の参照ミラーのそれぞれに向けて前記第１ビームスプリッタで参照光路に分岐された光を反射すべく角度を変更することを特徴とする請求項４に記載の光干渉測定装置。

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