JP6417099B2 - 計測装置、および物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検物の形状を計測する計測装置、および物品の製造方法に関する。

光を用いて非接触に被検物の形状を計測する方法として、パターン投影法(パターン投影型の三角測量)が知られている。パターン投影法とは、既知の二次元パターンが投影された被検物を撮像して、被検物の形状に応じて生じる二次元パターンの変形量を検出することにより、被検物の形状を求める方法である。

特許文献１に、パターン投影法を用いて被検物の形状を計測する計測装置が提案されている。特許文献１に記載されているように、パターン投影法を用いた計測装置は、一般に、被検物にパターン光を投影するための投影光学系と、パターン光が照射された被検物を撮像するための撮像光学系とを個別に有する。

特開２０１３−１７８１７４号公報

パターン投影法を用いた計測装置において装置を小型化するためには、投影光学系と撮像光学系との少なくとも一部を共通化することが好ましい。そして、パターン投影法を用いて被検物の形状を高精度に計測するためには、被検物にパターンを投影する方向と被検物を撮像する方向との間に角度（輻輳角）を設けることが好ましい。

そこで、本発明は、パターン投影法を用いて被検物の形状を計測する計測装置において、装置の小型化および高精度な計測を実現する上で有利な技術を提供することを目的とする。

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、被検物の形状を計測する計測装置であって、パターン光を射出する射出部と、前記射出部から射出された前記パターン光を前記被検物に導くための光学系と、前記光学系と前記被検物との間に配置され、前記光学系から射出された前記パターン光を偏向する偏向部と、前記被検物を前記光学系および前記偏向部を介して撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を決定する処理部と、を含み、前記偏向部は、前記光学系から射出された前記パターン光を回折させる回折格子を有する、ことを特徴とする。

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。

本発明によれば、例えば、パターン投影法を用いて被検物の形状を計測する計測装置において、装置の小型化および高精度な計測を実現する上で有利な技術を提供することができる。

第１実施形態の計測装置を示す概略図である。 回折格子によって生成された複数の次数の回折光を示す図である。 撮像部の撮像面における各回折光の位相分布を求める方法を示すフローチャートである。 Ｘ方向における各次数の回折光を示す図である。 Ｙ方向における各次数の回折光を示す図である。 撮像部の撮像面における各回折光の位相分布を求める方法を示すフローチャートである。 第３実施形態の計測装置を示す概略図である。 偏向部における各構成要素の配置を示す概略図である。 偏向部における各構成要素のＸ方向における配置を示す概略図である。 偏向部における各構成要素のＹ方向における配置を示す概略図である。 第５実施形態の計測装置を示す概略図である。 第５実施形態の計測装置を示す概略図である。 偏向素子の構成を示す図である。 第５実施形態の計測装置の変形例を示す図である。

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、同一の部材ないし要素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。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態の計測装置１０について、図１を参照しながら説明する。第１実施形態の計測装置１０は、パターン投影法を用いて被検物１の形状を計測する。パターン投影法（パターン投影型の三角測量）とは、明部と暗部との周期的な配列を有するパターンが投影された被検物１を撮像し、被検物１の形状に応じて生じる当該パターンの変形量を検出することにより被検物１の形状を求める方法である。パターン投影法には、例えば、位相シフト法や空間コード化法など、被検物１の形状を計測するための幾つかの方法がある。なかでも位相シフト法は、正弦波パターンが投影された被検物１を正弦波パターンの位相を一定の角度ずつずらしながら撮像し、撮像された画像の各画素における受光強度の変化に基づいて被検物１の形状を求める方法であり、高い計測精度を有する。第１実施形態では、位相シフト法を用いて被検物１の形状を計測する方法について説明する。

第１実施形態の計測装置１０は、投影光学系および撮像光学系の少なくとも一部を共通化させた光学系３と、輻輳角を生じさせるために光学系３から射出されたパターン光を偏向する偏向部４を含みうる。これにより、計測装置１０の計測レンジおよび視野を広げることと計測装置１０を小型化することを両立させるとともに、輻輳角をもって被検物１の形状を高精度に計測することができる。以下に、第１実施形態の計測装置１０の構成について説明する。

図１は、第１実施形態の計測装置１０を示す概略図である。第１実施形態の計測装置１０は、射出部２と、光学系３と、偏向部４と、撮像部５と、ステージ６と、処理部７とを含みうる。ステージ６は、被検物１を搭載して移動可能に構成されている。また、処理部７は、例えばＣＰＵやメモリなどを有するコンピュータによって構成され、撮像部５により撮像された被検物１の画像に基づいて被検物１の形状を決定する。ここで、第１実施形態の計測装置１０は、処理部７が被検物１の計測を制御する（計測装置１０の各部を制御する）ように構成されているが、被検物１の計測を制御する制御部が処理部７とは別に設けられるように構成されてもよい。

射出部２は、例えば、光源２ａと、コリメータレンズ２ｂと、変換素子２ｃとを含みうる。光源２ａから射出された光は、コリメータレンズ２ｂによって平行光にされた後に変換素子２ｃに入射し、空間的に明部と暗部との周期的な配列を有するパターン光に変換される。変換素子２ｃは、例えば、光透過部分と遮光部分とが周期的に（交互に）配列されたパターンを有するマスクを含んでもよいが、液晶素子やデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）などを含むとよい。液晶素子やＤＭＤを含むように変換素子２ｃを構成することにより、光源２ａから射出された光を例えばモノクロパターンや正弦波パターンなどの任意のパターンを有する光（パターン光）に変換可能であり、かつ空間的な変調を高速に行うことができる。

光学系３は、例えば、偏光ビームスプリッタ３ａと、パターン光の径を拡大させるための対物レンズ３ｂおよび３ｃと、対物レンズ３ｂおよび３ｃの間の集光位置に配置された開口絞り３ｄとを含み、射出部２から射出されたパターン光を被検物１に導く。射出部２から射出されたパターン光は、偏光ビームスプリッタ３ａにより反射されて対物レンズ３ｂおよび３ｃを通過することにより、径が拡大されて光学系３から射出する。光学系３から射出されたパターン光は、偏向部４を介して被検物１に照射される。被検物１によって反射および拡散されたパターン光は、偏向部４を介して光学系３に入射し、光学系３の開口絞り３ｄにおいて空間周波数を絞られた後、偏光ビームスプリッタ３ａを透過して撮像部５に入射する。撮像部５は、例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどを含み、パターン光が照射された被検物１を光学系３を介して撮像する。そして、処理部７は、撮像部５により撮像された被検物１の画像に基づいて被検物１の形状を決定する。

位相シフト法を採用する第１実施形態の計測装置１０では、処理部７は、被検物１の表面（以下、被検面）の各箇所における基準面からの位相差に基づいて各箇所の高さを求めて、被検物１の形状を決定する。このとき、パターン光におけるパターンのピッチより大きい段差が被検面に含まれる場合、その段差を含む箇所においてはパターンのピッチの整数倍の計測誤差が生じ、被検物１の形状を精度よく計測することが困難になりうる。このような計測誤差を防ぐためには、互いに異なる位相を有する複数のパターン光を被検物１に照射し、被検面の各箇所の高さを複数のパターン光の位相差を求め、その位相差に基づいて被検物１の形状を計測することが有効である。

そこで、第１実施形態の計測装置１０は、光学系３から射出されたパターン光を回折する回折格子４ａを有し、回折格子４ａによって生成された複数の次数の回折光を被検物１に照射する偏向部４を含む。回折格子４ａによって生成された複数の次数の回折光は、図２に示すように、互いに異なる方向に進み、角度（輻輳角）をもってステージ上の被検物１に照射される。このとき、各回折光は被検物１に同時に照射されるため、各回折光に含まれるパターンが被検物上に重ねて投影されることとなる。ここで、回折格子４ａは、パターン光が回折格子４ａに斜入射するように、光学系３の光軸に対して傾いて配置されているとよい。回折格子４ａで生成された複数の回折光を、互いに異なる輻輳角で被検物１に照射することができるからである。また、第１実施形態では、回折格子４ａとして、偏光による顕著な回折効率の変化が少ない、即ち入射する光の偏光状態によって回折方向が変わらない二次元回折格子を用いる場合について説明するが、それに限られるものではない。例えば、回折格子４ａとして、一次元回折格子を用いてもよい。

このように構成された計測装置１０では、撮像部５によって撮像された被検物１の画像に基づいて被検物１の形状を決定する際に、撮像部５に入射する複数の回折光の各々について位相を求める必要がある。そこで、第１実施形態の計測装置１０は、回折格子４ａと被検物１との間の距離（回折格子４ａと被検物１との相対位置）を変更する変更部を有する。そして、計測装置１０の処理部７は、回折格子４ａと被検物１との間の距離を変更部に変更させることにより撮像部５に入射する各回折光の位相をシフトさせ、被検物１を撮像部５に撮像させる工程を繰り返すことにより複数の被検物１の画像を取得する。このとき、撮像部５によって取得された各画像は、複数の回折光が重ね合わされた光の強度分布を表わす。処理部７は、光の強度分布をそれぞれ表す複数の画像に対して拡散フーリエ変換（以下、ＤＦＴ）を行うことにより、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求め、被検物１の形状を決定することができる。ここで、第１実施形態では、例えば、光学系３の光軸と平行な方向（Ｚ方向）に沿って回折格子４ａを駆動するアクチュエータ８を変更部として用い、回折格子４ａをＺ方向に駆動することにより回折格子４ａと被検物１との間の距離を変更している。しかしながら、それに限られるものではなく、例えば、Ｚ方向に移動可能なステージ６を変更部として用い、ステージ６によって被検物１をＺ方向に駆動することにより回折格子４ａと被検物１との間の距離を変更してもよい。また、アクチュエータ８とステージ６の双方によって当該距離を相対的に変更してもよい。

以下に、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求める方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求める方法を示すフローチャートである。Ｓ１０１では、処理部７は、図２に示すように、光学系３の光軸に対してＸ方向に角度α_ｘ、Ｙ方向に角度α_ｙだけ傾けて配置された回折格子４ａによって生成された複数の回折光（パターン光）を被検物１に照射させる。第１実施形態では、正弦波パターンを交差して重ね合わせた格子上のパターンがパターン光として用いられうる。また、回折格子４ａを光学系３の光軸に対して傾けて配置することで、回折格子４ａで生成された複数の回折光を互いに異なる輻輳角で被検物１に照射することができる。Ｓ１０２では、処理部７は、複数の回折光が照射された被検物１を撮像部５に撮像させる。Ｓ１０３では、処理部７は、偏向部４（回折格子４ａ）と被検物１との間の距離を変更部（アクチュエータ８）に変更させる。これにより、撮像部５に入射する各回折光の位相を、互いに異なる位相シフト量でシフトさせることができる。Ｓ１０４では、処理部７は、撮像部５により撮像された画像の枚数が、各回折光の位相を求めることが可能となる画像の枚数（以下、規定枚数）に達したか否かを判断する。撮像部５により撮像された画像の枚数が規定枚数に達していない場合には、Ｓ１０２に戻り、Ｓ１０３において回折格子４ａと被検物１との間の距離を変更部に変更させた状態で被検物１を撮像部５に撮像させる。一方で、撮像部５により撮像された画像の枚数が規定枚数に達した場合には、Ｓ１０５に進む。Ｓ１０５では、処理部７は、撮像部５により撮像された複数の画像に基づいて、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求める。

次に、図３に示すフローチャートに従って処理部７が各回折光の位相分布を求める処理について具体的に説明する。被検物１には、回折格子４ａによって生成された複数の回折光が重ねて照射される。このとき、回折光の照明光路（被検物１に照射される光の光路）および被検光路（被検物１で反射された光の光路）は、図４および図５に示すように回折光の数だけ存在する。図４は、Ｘ方向における各次数の回折光を示し、図５は、Ｙ方向における各次数の回折光を示す。また、図４および図５における左図は照明光路を示し、右図は被検光路を示す。そのため、ｋを回折次数を表わす整数とすると（ｋ＝０，±１，±２・・・±Ｋ）、Ｘ方向における複数の回折光とＹ方向における複数の回折光とを合わせて２・（２・Ｋ＋１）^２個の回折光が被検物１に重ねて照射されることとなる。このとき、撮像部５の各画素において検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は式（１）によって表わすことができる。式（１）において、Ａは被検物１に照射されるパターン光のバイアス成分、Ｂはパターン光の強度変調成分、Ｔ_ｘはパターン光におけるパターンのＸ方向の周期、Ｔ_ｙはパターン光におけるパターンのＹ方向の周期である。

ここで、Ｆｘは、Ｘ方向に回折されたことによって各回折光に生じる位相変化量であり、Ｆｙは、Ｙ方向に回折されたことによって各回折光に生じる位相変化量である。φｘ（ｘ，ｙ）およびφｙ（ｘ，ｙ）は、変更部によって回折格子４ａと被検物１との間の距離を変更する前において、撮像部５の各画素に入射する各回折光の位相（以下、初期位相）である。また、Ｆｘ、Ｆｙ、φｘおよびφｙの上付き文字ａは、照明光路の回折次数（ａ＝０，±１，・・・±Ｋ）を表わし、下付き文字ｂは、被検光路の回折次数（ｂ＝０，±１，・・・±Ｋ）を表わす。図４に示すようにＸ方向に回折される回折光の偏向角度をθｘ_ｋ、図５に示すようにＹ方向に回折される回折光の偏向角度をθｙ_ｋとすると、位相変化量ＦｘおよびＦｙは式（２）によって表わされる。ｋは回折次数を示し、照明光路の回折次数ａまたは被検光路の回折次数ｂが入力される。

よって、式（１）は式（３）によって表わすことができる。

ここで、変更部によって回折格子４ａをΔＺだけＺ方向に移動させた場合に、撮像部５の各画素において検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は式（４）によって表わすことができる。そして、式（３）および式（４）を用いて、回折格子４ａのＺ方向への移動によって生じるＸ方向における各回折光の位相シフト量Δβｘ、およびＹ方向における各回折光の位相シフト量Δβｙを式（５）によってそれぞれ表わすことができる。ΔβｘおよびΔβｙの上付き文字ａは、照明光路の回折次数を表わし、下付き文字ｂは、被検光路の回折次数を表わす。

式（５）を用いて式（４）を書き換えると式（６）を得ることができる。ここで、ｎは、変更部によって回折格子と被検物１との間の距離を変更しながら撮像部５によって撮像された画像の番号である。

位相φｘ（ｘ，ｙ）および位相φｙ（ｘ，ｙ）は、撮像部５の各画素によって検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）と窓関数Ｗ_ｎとから式（７）および式（８）によって求めることができる。ここで、Ｇ（ｘ，ｙ；Δβ）は、撮像部５において検出される光の強度分布を示す。

このとき、撮像部５の各画素において検出される光の強度は、回折格子４ａによって生成された各回折光の強度の合成であるが、後述の条件を満足することにより、各回折光の位相を選択的に算出することができる。式（６）を複素表示すると式（９）によって表わされ、式（９）を式（７）に代入すると式（１０）を得ることができる。ここで、式（１０）のＷ_ｆは、窓関数Ｗ_ｎをフーリエ変換した値であり、式（１１）によって表わされる。

よって、照明光路の回折次数ａが「＋１」および被検光路の回折次数ｂが「０」のとき、Δβ＝Δβｘにおける光の強度分布Ｇｓ（ｘ，ｙ；Δβｘ）は式（１２）によって表わされる。ここで、ａ＝０，±１・・・±Ｋ、およびｂ＝ａ＝０，±１・・・±Ｋである。

そして、窓関数Ｗｎをフーリエ変換した値Ｗ_ｆ以外の成分が「０」、即ち式（１３）の周波数の条件において、光の強度分布Ｇｓ（ｘ，ｙ；Δβｘ）を用いて、ａが「＋１」およびｂが「０」のときの位相φｘを求めることができる。同様にして、ａ＝０，±１・・・±Ｋおよびｂ＝０，±１・・・±Ｋの各々の場合において各回折光における位相φｘおよび位相φｙをそれぞれ求めることができる。ここで、式（１３）の周波数の条件を満たすＸ方向の位相シフト量ΔβｘおよびＹ方向の位相シフト量Δβｙは式（１４）によって表わすことができる。Ｎは、各回折光の位相を求めることが可能となる画像の枚数（規定枚数）である。

ここで、被検物１の形状を合成波長で計測する際には、最低限２つの次数の回折光における位相を取得できればよいため、位相を算出したい２つの光路成分とそれ以外の光路成分の位相シフト量が異なっていればよい。例えば、ａ＝＋１およびｂ＝０のときの回折光と、ａ＝−１およびｂ＝０のときの回折光とを合成する場合には、式（１５）の条件をすべて満たすとよい。

ａとｂとの組み合わせは任意である。式（１５）の条件を満たすような移動量ΔＺで回折格子４ａをＺ方向に移動させることにより、各回折光からのクロストークを生じさせずに、精度よく各回折光の位相を求めることができる。回折光の偏向角度θｘ_ａ、θｘ_ｂ、θｙ_ａおよびθｙ_ｂは、式（１６）によってそれぞれ表わすことができる。よって、各回折光の位相シフト量ΔβｘおよびΔβｙは、式（１７）によって表わすことができる。

例えば、回折光の次数を０次から±１次まで考慮し、光源２ａの波長λを８００ｎｍ、回折格子４ａのＸ方向の回折格子定数Ｄ_ｘを６０２ｌｉｎｅ／ｍｍ、回折格子４ａのＹ方向の回折格子定数Ｄ_ｙを６１４ｌｉｎｅ／ｍｍとした場合を想定する。ここで、角度α_ｘを２７．１０°、角度α_ｙを２７．４５°、周期Ｔ_ｘを０．９５ｍｍ、周期Ｔ_ｙを０．９５ｍｍ、回折格子４ａの移動量ΔＺを−０．４３ｍｍとする。この場合に、Ｘ方向およびＹ方向における各回折光の位相シフト量を表１に表わされる値にすることができ、式（１４）および式（１５）より規定枚数を「１２２枚」に決定することができる。

このように決定された規定枚数の画像が撮像部５によって撮像されるように図３のＳ１０２〜Ｓ１０４の工程を繰り返すことにより、処理部７は、撮像部５の各画素における各回折光の位相φｘおよびφｙを式（１８）によって求めることができる。即ち、処理部７は、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求めることができる。

上述のように、第１実施形態の計測装置１０は、光学系３から射出されたパターン光を回折し、複数の次数の回折光を生成する回折格子４ａを偏向部４に含む。そして、計測装置１０は、回折格子４ａと被検物１との間の距離を変更部に変更させ、被検物１を撮像部５に撮像させる工程を繰り返すことにより複数の画像を取得し、複数の画像に基づいて各回折光の位相を求めることができる。このように異なる方向から複数のパターン光を同時に被検物１に照射できるように構成することにより、第１実施形態の計測装置１０は、死角が少ない計測や、合成波長による広い計測レンジでの計測を行うことができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の計測装置について説明する。第２実施形態の計測装置は、第１実施形態の計測装置１０と装置構成が同様であるため、ここでは装置構成の説明を省略する。また、第２実施形態の計測装置は、変更部（アクチュエータ８）によって回折格子４ａと被検物１との間の距離を変更させることに加えて、射出部２の変換素子２ｃにパターン光における明部と暗部との配列の周期を変化させる。これにより第２実施形態の計測装置は、撮像部５に入射する各回折光の位相をシフトさせている。

以下に、第２実施形態の計測装置において、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求める方法について、図６を参照しながら説明する。図６は、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求める方法を示すフローチャートである。Ｓ２０１では、処理部７は、図２に示すように、光学系３の光軸に対してＸ方向に角度α_ｘ、Ｙ方向に角度α_ｙだけ傾けて配置された回折格子４ａによって生成された複数の回折光（パターン光）を被検物に照射させる。Ｓ２０２では、処理部７は、複数の回折光が照射された被検物１を撮像部５に撮像させる。Ｓ２０３では、処理部７は、変更部に偏向部４（回折格子４ａ）と被検物１との間の距離を変更させることに加えて、射出部２の変換素子２ｃにパターン光における明部と暗部との配列の周期を変化させる。ここで、光透過部分と遮光部分とが周期的に配列されたパターンを有するマスクを変換素子２ｃが含む場合には、処理部７は、当該マスクがＹ方向やＺ方向に移動するように変換素子２ｃを制御する。一方で、液晶素子やＤＭＤを変換素子２ｃが含む場合には、処理部７は、液晶素子やＤＭＤを構成する複数の要素を個別に駆動するように変換素子２ｃを制御する。これにより、撮像部５に入射する各回折光の位相を互いに異なる位相シフト量でシフトさせることができる。

Ｓ２０４では、処理部７は、撮像部５により撮像された画像の枚数が規定枚数に達したか否かを判断する。撮像部５により撮像された画像の枚数が規定枚数に達していない場合には、Ｓ２０２に戻り、被検物１を撮像部５に撮像させる。一方で、撮像部５により撮像された画像の枚数が規定枚数に達した場合には、Ｓ２０５に進む。Ｓ２０５では、処理部７は、撮像部５により撮像された複数の画像に基づいて、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求める。

次に、図６に示すフローチャートに従って処理部７が各回折光の位相分布を求める処理について具体的に説明する。被検物１には、回折格子４ａによって生成された複数の回折光が重ねて照射される。このとき、回折光の照明光路および被検光路は回折光の次数だけ存在する。そのため、ｋを回折次数を表わす整数とすると（ｋ＝０，±１，±２・・・±Ｋ）、Ｘ方向における複数の回折光とＹ方向における複数の回折光とを合わせて２・（２・Ｋ＋１）^２個の回折光が被検物１に重ねて照射されることとなる。このとき、変更部と変換素子２ｃによる各回折光の位相シフトを行う前に撮像部５の各画素において検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、第１実施形態と同様に式（３）によって表わすことができる。また、変更部によって回折格子４ａをΔＺだけＺ方向に移動させた場合に撮像部５の各画素において検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、第１実施形態と同様に式（４）によって表わすことができる。ここで、変換素子２ｃによるＸ方向におけるパターン光の周期の変化量をξ_ｘ、Ｙ方向におけるパターン光の周期の変化量をξ_ｙとすると、撮像部５の各画素において検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、式（４）を用いて式（１９）で表わすことができる。そして、式（３）および式（１９）を用いて、回折格子４ａの移動とパターン光の周期の変化とによって生じる各回折光の位相シフト量ΔβｘおよびΔβｙを、式（２０）によって表わすことができる。

また、式（１６）を用いて、各回折光の位相シフト量ΔβｘおよびΔβｙを、式（２１）によって表わすことができる。

処理部は、式（２１）が式（１４）および式（１５）の条件を満たすように移動量ΔＺで回折格子４ａを移動させるとともに、パターン光の周期を変化量ξ_ｘおよびξ_ｙで変化させ、撮像部５に被検物１を撮像させる工程を繰り返す。これにより、処理部７は、各回折光からのクロストークを生じさせずに、精度よく各回折光の位相を求めることができる。例えば、回折光の次数を０次から±１次まで考慮し、光源２ａの波長λを８００ｎｍ、回折格子４ａのＸ方向の回折格子定数Ｄ_ｘを６２５ｌｉｎｅ／ｍｍ、回折格子４ａのＹ方向の回折格子定数Ｄ_ｙを６４２ｌｉｎｅ／ｍｍとした場合を想定する。ここで、角度α_ｘを１９．５２°、角度α_ｙを１９．４１°、周期Ｔ_ｘを０．９５ｍｍ、周期Ｔ_ｙを０．９７ｍｍ、回折格子４ａの移動量ΔＺを−０．４３ｍｍとする。また、Ｘ方向におけるパターン光の周期の変化量ξ_ｘを−０．０５６ｒａｄ、Ｙ方向におけるパターン光の周期の変化量ξ_ｙを−０．０４３ｒａｄとする。この場合に、Ｘ方向における各回折光の位相シフト量、およびＹ方向における各回折光の位相シフト量を表２に表わされる値にすることができ、式（１４）および式（１５）より規定枚数を「１４５枚」に決定することができる。

上述のように、第２実施形態の計測装置は、回折格子４ａを移動させるとともにパターン光の周期を変化させ、被検物１を撮像部５に撮像させる工程を繰り返すことにより複数の画像を取得し、複数の画像に基づいて各回折光の位相を求めることができる。これにより、第２実施形態の計測装置は、第１実施形態の計測装置１０と同様に、死角が少ない計測や、合成波長による広い計測レンジでの計測を行うことができる。

ここで、第２実施形態の計測装置は、回折格子４ａをＺ方向に移動させることとパターン光の周期を変化させることにより各回折光の位相を変化させたが、それに限られるものではない。例えば、回折格子４ａをＺ方向に移動させることに加えて、回折格子４ａに対するパターン光の入射角度が変わるように回折格子４ａの傾きを変更させることにより、各回折光の位相を変化させてもよい。この場合、計測装置は、例えば、回折格子４ａの傾きを変更する第２変更部を含み、第２変更部によって回折格子４ａの傾きが変更されうる。第２実施形態における第２変更部は、例えば、変更部に含まれうる。また、回折格子４ａをＺ方向に移動させることと、パターン光の周期を変化させることと、回折格子４ａの角度を変化させることとを併用することにより各回折光の位相を変化させてもよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の計測装置３０について説明する。図７は、第３実施形態の計測装置３０を示す概略図である。第３実施形態の計測装置３０は、第１実施形態の計測装置１０と比較して、入射光の偏光状態により回折効率（偏向方向）が顕著に異なる偏光回折格子４ｂと波長板４ｃとが偏向部４に設けられている。また、第３実施形態の計測装置３０では、偏光回折格子４ｂの偏向方向がＺ方向と平行な方向になるように光学系３が傾いて配置されており、偏光回折格子４ｂと波長板４ｃが、光学系３から射出されたパターン光が垂直に入射するように配置されている。そして、射出部２の光源２ａは、ある一方向の偏向成分のみを有する光（直線偏光）を射出するように構成される。これにより、偏向部４（波長板４ｃ）に入射するパターン光が直線偏光の偏光状態を有する。このように偏向部４に入射するパターン光の偏光状態を直線偏光にすることで、偏光回折格子４ｂにより回折される回折光を限定することができ、余分な回折光が撮像部５に入射することを低減することができる。このように第３実施形態の計測装置３０は、波長板４ｃによってパターン光の偏光状態を制御することで、照明光と被検光の光路を異ならせることにより、複数の次数の回折光における位相差を大きくすることができる。ここで、第３実施形態の計測装置３０は、第１実施形態の計測装置１０における各部の構成と同様であるため、各部の構成については説明を省略する。

第３実施形態の計測装置３０は、第１実施形態の計測装置１０と同様に、図３に示すフローチャートの工程を行うことにより、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求めることができる。Ｓ１０１では、処理部７は、図８〜図１０に示すように、偏向部４の回折格子４ａによって生成された複数の回折光（パターン光）を被検物１に照射させる。図８は、偏向部４における各構成要素の配置を示す概略図である。そして、図９は偏向部４における各構成要素のＸ方向における配置を示す概略図であり、図１０は偏向部４における各構成要素のＹ方向における配置を示す概略図である。また、図９および図１０における左図は照明光路を示し、右図は被検光路を示す。図８〜図１０に示すように、偏向部４に入射するパターン光の偏光状態を直線偏光にすると、パターン光は、波長板４ｃによって円偏光にされ、偏光回折格子４ｂで偏向されて回折格子４ａに角度をもって入射する。以下では、偏光回折格子４ｂから射出されたパターン光が回折格子４ａに入射する角度（入射角度）を、Ｘ方向については角度α_ｘ、およびＹ方向については角度α_ｙとする。Ｓ１０２〜Ｓ１０５は、第１実施形態の計測装置１０と同様の工程であるため、ここでは説明を省略する。

次に、図３に示すフローチャートに従って処理部７が各回折光の位相分布を求める処理について具体的に説明する。撮像部５の各画素において検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、第１実施形態と同様に式（３）によって表わすことができる。ここで、図９に示すように、Ｘ方向において、回折格子４ａで偏向される回折光の偏向角度をθｘ_ｋ、被検物１で反射された回折光が回折格子４ａで受光される受光角度をρｘ_ｋとする。また、図１０に示すように、Ｙ方向において、回折格子で偏向される回折光の偏向角度をθｙ_ｋ、被検物で反射された回折光が回折格子で受光される受光角度をρｙ_ｋとする。このとき、Ｘ方向における位相変化量ＦｘおよびＹ方向における位相変化量Ｆｙは式（２２）によって表わされる。ここで、ｋは回折次数を示し、照明光路の回折次数ａ（ａ＝０，±１・・・±Ｋ）または被検光路の回折次数ｂ（ｂ＝０，±１・・・±Ｋ）が入力される。

偏向部４によって回折格子４ａをΔＺだけＺ方向に移動させた場合に、撮像部５の各画素に置いて検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、式（２３）によって表わすことができる。そして、式（２３）を用いて、回折格子４ａのＺ方向への移動によって生じるＸ方向における各回折光の位相シフト量Δβｘ、およびＹ方向における各回折光の位相シフト量Δβｙを式（２４）によって表わすことができる。

ここで、受光角度ρｘ_ｂおよびρｙ_ｂは式（２５）によって表わされ、偏向角度θｘ_ａおよびθｙ_ａは式（１６）によって表わすことができる。そのため、各回折光の位相シフト量ΔβｘおよびΔβｙは、式（２６）によって表わされる。

処理部７は、第１実施形態と同様に、式（２６）が式（１４）および式（１５）の条件を満たすような移動量ΔＺで回折格子４ａを移動させ、撮像部５に被検物１を撮像させる工程を繰り返す。これにより、処理部７は、各回折光からのクロストークを生じさせずに、各回折光の位相を精度よく求めることができる。例えば、回折光の次数を０次から±１次まで考慮し、光源２ａの波長λを８００ｎｍ、回折格子４ａのＸ方向の回折格子定数Ｄ_ｘを５７２ｌｉｎｅ／ｍｍ、回折格子４ａのＹ方向の回折格子定数Ｄ_ｙを５７２ｌｉｎｅ／ｍｍとした場合を想定する。ここで、角度α_ｘを２７．２０°、角度α_ｙを２７．２０°、周期Ｔ_ｘを０．１ｍｍ、周期Ｔ_ｙを０．０５ｍｍ、回折格子４ａの移動量ΔＺを−０．０１７ｍｍとする。この場合に、Ｘ方向およびＹ方向における各回折光の位相シフト量を表３に表わされる値にすることができ、式（１４）および式（１５）より規定枚数を「１００枚」に決定することができる。

上述のように、第３実施形態の計測装置３０では、偏光状態により偏向方向が異なる偏光回折格子４ｂと波長板４ｃとが偏向部４に設けられ、偏光回折格子４ｂの偏向方向がＺ方向と平行な方向になるように光学系３が傾いて配置されている。そして、第３実施形態の計測装置３０は、回折格子４ａを移動させ、被検物１を撮像部５に撮像させる工程を繰り返すことにより複数の画像を取得し、複数の画像に基づいて各回折光の位相を求めることができる。これにより、第３実施形態の計測装置３０は、第１実施形態の計測装置１０と同様に、死角が少ない計測や、合成波長による広い計測レンジでの計測を行うことができる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態の計測装置について説明する。第４実施形態の計測装置は、第３実施形態の計測装置３０と装置構成が同様であるため、ここでは装置構成の説明を省略する。また、第４実施形態の計測装置は、偏向部４に回折格子４ａと被検物１との間の距離を変更させることに加えて、射出部２の変換素子２ｃにパターン光における明部と暗部との配列の周期を変化させることにより撮像部５に入射する各回折光の移動をシフトさせる。ここで、第４実施形態の計測装置は、第２実施形態の計測装置と同様に、図６に示すフローチャートの工程を行うことにより、撮像部５の撮像面における各回折光の位相分布を求めることができる。図６に示すフローチャートの各工程（Ｓ２０１〜Ｓ２０５）は、第２実施形態と同様の工程であるため、ここでは説明を省略する。

次に、図６に示すフローチャートに従って処理部７が各回折光の位相分布を求める処理について具体的に説明する。偏向部４と変換素子２ｃによる各回折光の位相シフトを行う前に撮像部５の各画素において検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、第３実施形態と同様に式（３）によって表わすことができる。変更部によって回折格子４ａをΔＺだけＺ方向に移動させた場合に撮像部５の各画素において検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、第３実施形態と同様に式（２３）によって表わすことができる。ここで、変換素子２ｃによるＸ方向におけるパターン光の周期の変化量をξ_ｘ、Ｙ方向におけるパターン光の周期の変化量をξ_ｙとすると、撮像部５の各画素において検出される光の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、式（２３）を用いて式（２７）で表わすことができる。そして、式（３）および式（２７）を用いて、回折格子４ａの移動とパターン光の周期の変化とによって生じる各回折光の位相シフト量ΔβｘおよびΔβｙを、式（２８）によって表わすことができる。

また、式（２８）によって表わされる各回折光の位相シフト量ΔβｘおよびΔβｙは、式（２５）および式（１６）を用いて、式（２９）によって表わされる。

処理部７は、式（２９）が式（１４）および式（１５）の条件を満たすような移動量ΔＺで回折格子４ａを移動させるとともに、パターン光の周期を変化量ξ_ｘおよびξ_ｙで変化させ、撮像部５に被検物１を撮像させる工程を繰り返す。これにより、処理部７は、各回折光からのクロストークを生じさせずに、各回折光の位相を精度よく求めることができる。例えば、回折光の次数を０次から±１次まで考慮し、光源２ａの波長λを８００ｎｍ、回折格子４ａのＸ方向の回折格子定数Ｄ_ｘを５７２ｌｉｎｅ／ｍｍ、回折格子４ａのＹ方向の回折格子定数Ｄ_ｙを５７２ｌｉｎｅ／ｍｍとした場合を想定する。ここで、角度α_ｘを２７．２０°、角度α_ｙを２７．２０°、周期Ｔ_ｘを０．１ｍｍ、周期Ｔ_ｙを０．１ｍｍ、回折格子４ａの移動量ΔＺを０．０３４ｍｍとする。また、Ｘ方向におけるパターン光の周期の変化量ξ_ｘを−０．２５ｒａｄ、Ｙ方向におけるパターン光の周期の変化量ξ_ｙを０．５０ｒａｄとする。この場合に、Ｘ方向およびＹ方向における各回折光の位相シフト量を表４に表わされる値にすることができ、式（１４）および式（１５）より規定枚数を「５０枚」に決定することができる。

上述のように、第４実施形態の計測装置では、偏光状態により偏向方向が異なる偏光回折格子４ｂと波長板４ｃとが偏向部４に設けられ、偏光回折格子４ｂの偏向方向がＺ方向と平行な方向になるように光学系３が傾けて配置されている。そして、第４実施形態の計測装置は、回折格子４ａを移動させるとともにパターン光の周期を変化させ、被検物１を撮像部５に撮像させる工程を繰り返すことにより複数の画像を取得し、複数の画像に基づいて各回折光の位相を求めることができる。これにより、第４実施形態の計測装置は、死角が少ない計測や、合成波長による広い計測レンジでの計測を行うことができる。

＜第５実施形態＞
本発明の第５実施形態の計測装置５０について、図１１を参照しながら説明する。第５実施形態の計測装置５０は、第１実施形態の計測装置１０と比較して、偏向部４の構成が異なる。第５実施形態において、偏向部４は、光学系３から射出されたパターン光の偏光状態を変更可能な液晶素子４ｄと、液晶素子４ｄから射出されたパターン光の偏光状態によって回折効率（偏向方向）が顕著に異なる偏光回折格子４ｅを含みうる。そして、計測装置５０は、偏光回折格子４ｅの外側から内側に向かう方向にパターン光が変更されて被検物１に照射されるように処理部７によって液晶素子４ｄを制御する。これにより、計測装置５０は、パターン光が被検物１に照射される領域を限定することができるとともに、計測に不要である信号が発生することを低減することができる。

図１１は、第５実施形態の計測装置５０を示す概略図である。第５実施形態の計測装置５０は、射出部２と、光学系３と、偏向部４と、撮像部５と、ステージ６と、処理部７とを含みうる。射出部２の光源２ａは、ある一方向の偏向成分のみを有する光（直線偏光）を射出する。光源２ａから射出された光は、コリメータレンズ２ｂによって平行光にされた後に変換素子２ｃに入射し、明部と暗部との周期的な配列を有するパターン光に変換される。変換素子２ｃは、例えば、光透過部分と遮光部分とが周期的に（交互に）配列されたパターンを有するマスク、液晶素子、またはデジタルミラーデバイスなどが用いられうる。そして、変換素子２ｃでは、偏向部４の周辺部のみにパターン光が入射するように、変換素子２ｃの中央部分が遮光されている。射出部２から射出されたパターン光は、光学系３において、偏光ビームスプリッタ３ａにより反射されて２枚の対物レンズ３ｂおよび３ｃを透過することにより径が拡大されて光学系３から射出し、偏向部４に入射する。

ここで、第５実施形態の偏向部４の構成について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、偏向部４の構成が図示された第５実施形態の計測装置５０を示す概略図である。偏向部４は、上述のように、光学系３から射出されたパターン光の偏光状態を変更可能な液晶素子４ｄと、液晶素子４ｄから射出されたパターン光の偏光状態によって回折効率が顕著に異なる偏光回折格子４ｅとを含む。図１２に示される偏向部４においては、２つの液晶素子（４ｄ_１および４ｄ_２）と２つの偏光回折格子（４ｅ_１および４ｅ_２）とがＺ方向に沿って交互に配置されている。偏光回折格子４ｅは、図１３に示すように、左回りの円偏光のパターン光が入射した場合（左図）と、右回りの円偏光のパターン光が入射した場合（右図）とで異なる方向にパターン光を偏向することができる。

図１２において、１つ目の液晶素子４ｄ_１の左端に入射したパターン光（Ｘ方向の直線偏光）は、液晶素子４ｄ_１によって偏光状態が制御され、左回りの円偏光となって射出される。左回りの円偏光となったパターン光は、１つ目の偏光回折格子４ｅ_１の周辺部（左端）に入射する。このとき、偏光回折格子４ｅ_１に入射したパターン光は左回りの円偏光であるため、図１２における＋Ｘ方向に偏向されるとともに、右回りの円偏光に変換される。偏光回折格子４ｅ_１により偏向されたパターン光は、２つ目の液晶素子４ｄ_２の左端に入射し、偏光状態が制御されて左回りの円偏光となって液晶素子４ｄ_２から射出される。そして、左回りの円偏光となったパターン光は、２つ目の偏光回折格子４ｅ_２の周辺部（左端）に入射し、偏光回折格子４ｅ_２によって図１２における＋Ｘ方向に偏向されて被検物１の左半分の領域に照射される。

一方で、図１２において、１つ目の液晶素子４ｄ_１の右端に入射したパターン光（直線偏光）は、液晶素子４ｄ_１によって偏光状態が制御され、右回りの円偏光となって射出される。右回りの円偏光となったパターン光は、１つ目の偏光回折格子４ｅ_１の周辺部（右端）に入射し、偏光回折格子４ｅ_１によって図１２における−Ｘ方向に変更されるとともに、左回りの円偏光に変換される。偏光回折格子４ｅ_１により偏向されたパターン光は、２つ目の液晶素子４ｄ_２の右端に入射し、偏光状態が制御されて右回りの円偏光となって液晶素子４ｄ_２から射出される。そして、右回りの円偏光となったパターン光は、２つ目の偏光回折格子４ｅ_２の周辺部（右端）に入射し、偏光回折格子４ｅ_２によって図１２における−Ｘ方向に偏向されて被検物１の右半分の領域に照射される。

被検物１の左半分の領域で反射されたパターン光の一部は、偏光回折格子４ｅ_２の中央部左側に垂直に入射する。偏光回折格子４ｅ_２に入射したパターン光は、右回りの円偏光であるため、偏光回折格子４ｅ_２によって図１２における＋Ｘ方向に偏向されるとともに、左回りの円偏光に変換される。左回りの円偏光となったパターン光は、液晶素子４ｄ_２に入射し、偏光状態が制御されて右回りの円偏光となって偏光回折格子４ｅ_１に入射する。偏光回折格子４ｅ_１に入射したパターン光は、偏光回折格子４ｅ_１によって図１２における＋Ｘ方向に偏向されるとともに、左回りの円偏光に変換されて液晶素子４ｄ_１に入射する。液晶素子４ｄ_１に入射したパターン光は、偏光状態を制御され、Ｙ方向の直線偏光になって液晶素子４ｄ_１から垂直に射出される。

また、被検物１の右半分の領域で反射されたパターン光の一部は、偏光回折格子４ｅ_２の中央部右側に垂直に入射する。偏光回折格子４ｅ_２に入射したパターン光は、左回りの円偏光であるため、偏光回折格子４ｅ_２によって図１２における−Ｘ方向に偏向されるとともに、右回りの円偏光に変換される。右回りの円偏光となったパターン光は、液晶素子４ｄ_２に入射し、偏光状態が制御されて左回りの円偏光となって偏光回折格子４ｅ_１に入射する。偏光回折格子４ｅ_１に入射したパターン光は、偏光回折格子４ｅ_１によって図１２における−Ｘ方向に偏向されるとともに、右回りの円偏光に変換されて液晶素子４ｄ_１に入射する。液晶素子４ｄ_１に入射したパターン光は、偏光状態を制御され、Ｙ方向の直線偏光になって液晶素子４ｄ_１から垂直に射出される。

液晶素子４ｄ_１から垂直に射出されたパターン光は、対物レンズ３ｃで集束され、開口絞り３ｄを通過して偏光ビームスプリッタ３ａに入射する。偏光ビームスプリッタ３ａに入射したパターン光は、Ｙ方向の直線偏光であるため、偏光ビームスプリッタ３ａを透過して撮像部５に入射する。ここで、第５実施形態の計測装置５０では、被検物１で反射されて偏向部４（偏光回折格子４ｅ_２）に垂直に入射するパターン光は偏向部４（液晶素子４ｄ_１）から垂直に射出されるため、開口絞り３ｄを通過することができる。一方で、被検物１で反射されて偏向部４に垂直に入射しないパターン光は偏向部４から垂直に射出されないため、開口絞り３ｄによって遮断される。したがって、第５実施形態の計測装置５０は、被検物１に照射されるパターン光に対して所定の輻輳角を持って反射されたパターン光のみを撮像部５に入射させることができ、計測に不要である信号が撮像部５において発生することを低減することができる。ここで、第５実施形態の計測装置５０は、第１〜第４実施形態と同様に、偏向部４と被検物１との間の距離の変更や、パターン光の周期の変更などを行い、被検物１を撮像部５に撮像させる工程を繰り返すことにより複数の画像を取得してもよい。また、第５実施形態の計測装置５０は、射出部２の変換素子２ｃや偏向部４の液晶素子４ｄを制御することにより、図１４に示すように、パターン光が照射される被検物１の領域を変えることができる。

＜物品の製造方法の実施形態＞
本発明の実施形態における物品の製造方法は、例えば、金属部品や光学素子等の物品を製造する際に用いられる。本実施形態の物品の製造方法は、上記の計測装置を用いて被検物の形状を計測する工程と、かかる工程における計測結果に基づいて被検物を加工する工程とを含む。例えば、被検物の形状を計測装置を用いて計測し、その計測結果に基づいて、被検物の形状が設計値になるように当該被検物を加工（製造）する。本実施形態の物品の製造方法は、計測装置により高精度に被検物の形状を計測できるため、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。

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および変更が可能である。

Claims (13)

1. 被検物の形状を計測する計測装置であって、
   パターン光を射出する射出部と、
   前記射出部から射出された前記パターン光を前記被検物に導くための光学系と、
   前記光学系と前記被検物との間に配置され、前記光学系から射出された前記パターン光を偏向する偏向部と、
   前記被検物を前記光学系および前記偏向部を介して撮像する撮像部と、
   前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を決定する処理部と、
   を含み、
   前記偏向部は、前記光学系から射出された前記パターン光を回折させる回折格子を有する、ことを特徴とする計測装置。
2. 前記偏向部は、前記回折格子によって生成された複数の次数の回折光を前記被検物に照射する、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記回折格子と前記被検物との間の距離を変更する変更部を更に含み、
   前記処理部は、前記変更部に前記距離を変更させて前記撮像部に前記被検物を撮像させる工程を繰り返すことにより複数の前記画像を取得し、前記撮像部に入射する各回折光の位相を複数の前記画像に基づいて求める、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
4. 前記射出部は、光源と、前記光源から射出された光を明部と暗部との周期的な配列を有する前記パターン光に変換する変換素子とを含み、
   前記処理部は、前記工程において、前記変更部に前記距離を変更させることに加えて、前記変換素子に前記パターン光における前記配列の周期を変化させる、ことを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
5. 前記変換素子は、液晶素子およびデジタルミラーデバイスのうち少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
6. 前記回折格子に対する前記パターン光の入射角度が変わるように前記回折格子の傾きを変更する第２変更部を更に含み、
   前記処理部は、前記工程において、前記変更部に前記距離を変更させることに加えて、前記第２変更部に前記回折格子の傾きを変更させる、ことを特徴とする請求項３乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
7. 前記回折格子と前記被検物との相対位置を変更する、前記被検物上に投影されるパターン光の周期を変更する、又は、前記パターン光の強度を空間的に変調する変更部を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
8. 前記変更部は、前記光学系の光軸と平行な方向に沿って前記回折格子を駆動するアクチュエータを含む、ことを特徴とする請求項３乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記回折格子は、前記パターン光が前記回折格子に斜入射するように傾いて配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の計測装置。
10. 前記偏向部は、入射する光の偏光状態によって偏向方向が異なる偏光回折格子と波長板とを含む、ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の計測装置。
11. 前記回折格子は、入射する光の偏光状態によって回折方向が変わらない、ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の計測装置。
12. 被検物の形状を計測する計測装置であって、
    パターン光を射出する射出部と、
    前記射出部から射出された前記パターン光を前記被検物に導くための光学系と、
    前記光学系と前記被検物との間に配置され、前記光学系から射出された前記パターン光を偏向する偏向部と、
    前記被検物を前記光学系および前記偏向部とを介して撮像する撮像部と、
    前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を決定する処理部と、
    を含み、
    前記偏向部は、前記光学系から射出された前記パターン光の偏光状態を変換可能な液晶素子、および前記液晶素子から射出された前記パターン光の偏光状態によって偏向方向が異なる偏光回折格子を含み、
    前記処理部は、前記偏光回折格子の外側から内側に向かう方向に前記パターン光が偏向されて前記被検物に照射されるように前記液晶素子を制御する、ことを特徴とする計測装置。
13. 前記液晶素子は、直線偏光の偏光状態を有する光を、円偏光の偏光状態を有する光に変換する、ことを特徴とする請求項１２に記載の計測装置。

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