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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023071068
(43)【公開日】2023-05-22
(54)【発明の名称】光干渉装置
(51)【国際特許分類】
G01B 9/02 20220101AFI20230515BHJP
【ＦＩ】
G01B9/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021183655
(22)【出願日】2021-11-10
(71)【出願人】
【識別番号】514277260
【氏名又は名称】シンクランド株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000752
【氏名又は名称】弁理士法人朝日特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】太田 和哉
(72)【発明者】
【氏名】志賀 代康
(72)【発明者】
【氏名】細田 真希
(72)【発明者】
【氏名】塩田 達俊
【テーマコード（参考）】
2F064
【Ｆターム（参考）】
2F064AA09
2F064CC01
2F064EE04
2F064GG22
2F064GG41
2F064GG44
2F064GG49
2F064HH08
2F064JJ01
(57)【要約】
【課題】ファブリーペローエタロンを用いて奥行方向の測定範囲を拡大するとともに、一台のカメラで繰返し反射の回数を特定する。
【解決手段】カメラ１００Ａ、ＢＳ１１０、ＢＳ１２０、レンズ１７０、ＦＰ１５０、グレーティング１６０、生成手段１８２、および特定手段１８４Ａを有する光干渉装置１Ａを提供する。ＢＳ１１０、ＢＳ１２０、レンズ１７０、およびグレーティング１６０はマッハツェンダー光学系を構成し、ＦＰ１５０はＢＳ１１０からグレーティング１６０に至る光路に設けられる。カメラ１００Ａは測定対象物ＯＢからの第１の戻り光Ｒ１とグレーティング１５０からの第２の戻り光Ｒ２とを受光する。生成手段１８２は第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２とによって生じる干渉縞を表す二次元画像を生成する。特定手段１８４Ａは第２の戻り光Ｒ２におけるＦＰ１５０による繰返し反射回数を干渉縞の太さに基づいて特定する。
【選択図】図１
【解決手段】カメラ１００Ａ、ＢＳ１１０、ＢＳ１２０、レンズ１７０、ＦＰ１５０、グレーティング１６０、生成手段１８２、および特定手段１８４Ａを有する光干渉装置１Ａを提供する。ＢＳ１１０、ＢＳ１２０、レンズ１７０、およびグレーティング１６０はマッハツェンダー光学系を構成し、ＦＰ１５０はＢＳ１１０からグレーティング１６０に至る光路に設けられる。カメラ１００Ａは測定対象物ＯＢからの第１の戻り光Ｒ１とグレーティング１５０からの第２の戻り光Ｒ２とを受光する。生成手段１８２は第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２とによって生じる干渉縞を表す二次元画像を生成する。特定手段１８４Ａは第２の戻り光Ｒ２におけるＦＰ１５０による繰返し反射回数を干渉縞の太さに基づいて特定する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
受光手段と、
光源から出射された光が入射する第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタにて分割された第１の光である測定光を測定対象物へ集光させるレンズと、
前記第１のビームスプリッタにて分割された、前記第１の光とは異なる第２の光である参照光が入射するファブリーペローエタロンと、
前記ファブリーペローエタロンから出射された参照光が導かれるグレーティングと、
前記第１のビームスプリッタと前記レンズとの間に設けられ、前記第１の光を前記レンズへ導くとともに、前記測定対象物からの第１の戻り光を前記受光手段に導く一方、前記グレーティングからの第２の戻り光を前記受光手段に導く、第２のビームスプリッタと、
前記受光手段にて受光した前記第１の戻り光と前記第２の戻り光によって生じる干渉縞を表す二次元画像を生成する生成手段と、
前記二次元画像に表されている干渉縞の太さに基づいて、当該干渉縞を生じさせる前記第２の戻り光における前記ファブリーペローエタロンによる繰返し反射回数を特定する特定手段と
を有する光干渉装置。
光源から出射された光が入射する第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタにて分割された第１の光である測定光を測定対象物へ集光させるレンズと、
前記第１のビームスプリッタにて分割された、前記第１の光とは異なる第２の光である参照光が入射するファブリーペローエタロンと、
前記ファブリーペローエタロンから出射された参照光が導かれるグレーティングと、
前記第１のビームスプリッタと前記レンズとの間に設けられ、前記第１の光を前記レンズへ導くとともに、前記測定対象物からの第１の戻り光を前記受光手段に導く一方、前記グレーティングからの第２の戻り光を前記受光手段に導く、第２のビームスプリッタと、
前記受光手段にて受光した前記第１の戻り光と前記第２の戻り光によって生じる干渉縞を表す二次元画像を生成する生成手段と、
前記二次元画像に表されている干渉縞の太さに基づいて、当該干渉縞を生じさせる前記第２の戻り光における前記ファブリーペローエタロンによる繰返し反射回数を特定する特定手段と
を有する光干渉装置。
【請求項2】
受光した光を２以上の所定の波長帯に分離する受光手段と、
光源から出射された光が入射する第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタにて分割された第１の光である測定光を測定対象物へ集光させるレンズと、
前記第１のビームスプリッタにて分割された、前記第１の光とは異なる第２の光である参照光が入射するファブリーペローエタロンと、
前記ファブリーペローエタロンから出射された参照光が導かれるグレーティングと、
前記第１のビームスプリッタと前記レンズとの間に設けられ、前記第１の光を前記レンズへ導くとともに、前記測定対象物からの第１の戻り光を前記受光手段に導く一方、前記グレーティングからの第２の戻り光を前記受光手段に導く、第２のビームスプリッタと、
前記受光手段にて受光した前記第１の戻り光と前記第２の戻り光によって生じる干渉縞を表す二次元画像を生成する生成手段と
前記二次元画像において前記測定対象物の奥行方向に２以上の干渉縞セットが存在する場合、当該干渉縞セットを構成する干渉縞の間隔に基づいて、当該干渉縞セットを生じさせている前記第２の戻り光における前記ファブリーペローエタロンによる繰返し反射回数を特定する特定手段と
を有する光干渉装置。
光源から出射された光が入射する第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタにて分割された第１の光である測定光を測定対象物へ集光させるレンズと、
前記第１のビームスプリッタにて分割された、前記第１の光とは異なる第２の光である参照光が入射するファブリーペローエタロンと、
前記ファブリーペローエタロンから出射された参照光が導かれるグレーティングと、
前記第１のビームスプリッタと前記レンズとの間に設けられ、前記第１の光を前記レンズへ導くとともに、前記測定対象物からの第１の戻り光を前記受光手段に導く一方、前記グレーティングからの第２の戻り光を前記受光手段に導く、第２のビームスプリッタと、
前記受光手段にて受光した前記第１の戻り光と前記第２の戻り光によって生じる干渉縞を表す二次元画像を生成する生成手段と
前記二次元画像において前記測定対象物の奥行方向に２以上の干渉縞セットが存在する場合、当該干渉縞セットを構成する干渉縞の間隔に基づいて、当該干渉縞セットを生じさせている前記第２の戻り光における前記ファブリーペローエタロンによる繰返し反射回数を特定する特定手段と
を有する光干渉装置。
【請求項3】
前記受光手段は、２以上の所定の波長帯の光を透過もしくは反射させるフィルタと、当該フィルタの後段に配置されたモノクロカメラとを含む
請求項２に記載の光干渉装置。
請求項２に記載の光干渉装置。
【請求項4】
前記受光手段は、前記受光した光を少なくとも３つの波長帯域に分離するカラーカメラを含む
請求項２に記載の光干渉装置。
請求項２に記載の光干渉装置。
【請求項5】
前記測定対象物に入射する直前の前記測定光のビーム形状は線状である、
請求項１～４のいずれか一つに記載の光干渉装置。
請求項１～４のいずれか一つに記載の光干渉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は光干渉装置に関する。
【背景技術】
【0002】
測定対象物の表面の凹凸を計測する計測技術の一例として、マッハツェンダー光学系を利用する技術が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。この種の計測技術では、光源から発せられた光を測定対象物に照射する測定光と参照光とに分離し、測定対象物により反射された測定光と参照光とを合成した合成光（干渉光）の干渉縞を測定することで測定対象物の表面形状が測定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－０９９２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
マッハツェンダー光学系を用いた表面の計測技術において、表面の法線方向等の奥行方向の測定範囲を拡大するために、参照光の光路内にファブリーペローエタロンを配置することが考えられる。ファブリーペローエタロンとは、２枚の反射平面を互いに向い合わせて配置した光学素子のことをいう。ファブリーペローエタロンでは、向い合わせに配置された反射面間での繰返し反射によって光干渉が発生し、所定の干渉条件を満たす波長の光だけが透過する。参照光の光路内にファブリーペローエタロンを配置することで、繰返し反射の回数分だけ位相が遅れた参照光が繰返し反射毎に生成される。ファブリーペローエタロンの厚さ（光学長）がグレーティングによる基本測定範囲以下である場合、位相遅れが各々異なる複数の参照光の各々と測定対象物による測定光の反射光とを干渉させることにより、基本測定範囲が連続的に繰返すこととなり、複数の干渉縞をカメラで同時測定することで奥行測定範囲を拡大する。
【0005】
参照光光路内にファブリーペローエタロンが配置された場合、ファブリーペローエタロンにおける複数回の繰返し反射によって作られた干渉縞内のそれぞれの縞が、何回目の繰返し反射による干渉縞かを判別することが必要となる。繰返し反射の回数（次数）は測定対象物の表面における凹みの深さに対応するからである。ここで、複数のカメラを使用して波長毎に干渉縞の画像を生成し、干渉信号に起因する参照光の繰返し次数を複数の画像を解析して計算することも原理的に可能である。しかし、複数のカメラを使用して波長毎に干渉縞の画像を生成する態様では、一台のカメラ当たりの信号強度が低下し、Ｓ／Ｎが劣化する。Ｓ／Ｎとは、信号（Signal）の雑音（Noise）の比のことをいう。従って、一台のカメラで繰返し反射の回数を特定できることが好ましいが、このようなことを可能にする技術は従来なかった。
【0006】
本発明は、マッハツェンダー光学系を用いた表面の計測技術において、ファブリーペローエタロンを用いて奥行測定範囲を拡大するとともに、一台のカメラで繰返し反射の回数を特定することを可能にする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の第１の態様に係る光干渉装置は、受光手段と、第１および第２のビームスプリッタと、レンズと、ファブリーペローエタロンと、グレーティングと、生成手段と、特定手段と、を備える。第１のビームスプリッタには、光源から出射された光が入射する。レンズは、第１のビームスプリッタにて分割された第１の光である測定光を測定対象物へ集光させる。ファブリーペローエタロンには、第１のビームスプリッタにて分割された、第１の光とは異なる第２の光である参照光が入射する。グレーティングには、ファブリーペローエタロンから出射された参照光が導かれる。第２のビームスプリッタは、第１のビームスプリッタとレンズとの間に設けられる。第２のビームスプリッタは、第１の光をレンズへ導くとともに、測定対象物からの第１の戻り光を受光手段に導く。また、第２のビームスプリッタは、グレーティングからの第２の戻り光を受光手段に導く。生成手段は、受光手段にて受光した第１の戻り光と第２の戻り光によって生じる干渉縞を表す二次元画像を生成する。特定手段は、生成手段により生成された二次元画像に表されている干渉縞の太さに基づいて、当該干渉縞を生じさせる第２の戻り光におけるファブリーペローエタロンによる繰返し反射回数を特定する。
【0008】
また、本発明の第２の態様に係る光干渉装置は、受光手段と、第１および第２のビームスプリッタと、レンズと、ファブリーペローエタロンと、グレーティングと、生成手段と、特定手段と、を備える。受光手段は、受光した光を２以上の所定の波長帯に分離する。第１のビームスプリッタには、光源から出射された光が入射する。レンズは、第１のビームスプリッタにて分割された第１の光である測定光を測定対象物へ集光させる。ファブリーペローエタロンには、第１のビームスプリッタにて分割された、第１の光とは異なる第２の光である参照光が入射する。グレーティングには、ファブリーペローエタロンから出射された参照光が導かれる。第２のビームスプリッタは、第１のビームスプリッタとレンズとの間に設けられる。第２のビームスプリッタは、第１の光をレンズへ導くとともに、測定対象物からの第１の戻り光を受光手段に導く。また、第２のビームスプリッタは、グレーティングからの第２の戻り光を受光手段に導く。生成手段は、受光手段にて受光した第１の戻り光と第２の戻り光によって生じる干渉縞を表す二次元画像を生成する。特定手段は、生成手段により生成された二次元画像において測定対象物の奥行方向に２以上の干渉縞セットが存在する場合、当該干渉縞セットを構成する干渉縞の間隔に基づいて、当該干渉縞セットを生じさせている第２の戻り光におけるファブリーペローエタロンによる繰返し反射回数を特定する。
【0009】
第２の態様の光干渉装置では、受光手段は、２以上の所定の波長帯の光を透過もしくは反射させるフィルタと、当該フィルタの後段に配置されたモノクロカメラとを含んでもよい。
【0010】
また、第２の態様の光干渉装置では、受光手段は、受光した光を少なくとも３つの波長帯域に分離するカラーカメラを含んでもよい。
【0011】
また、上記各態様の光干渉装置において、測定対象物に入射する直前の測定光のビーム形状は線状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の第１実施形態による光干渉装置１Ａの構成例を示す図である。
【図2】分散を付与しない場合のＦＰ１５０からの参照光Ｌ２の出力タイミングの一例を示す図である。
【図3】本実施形態におけるＦＰ１５０からの参照光Ｌ２の出力タイミングの一例を示す図である。
【図4】測定対象物ＯＢの実際の表面状態の例を示す図である。
【図5】分散を付与しない場合の干渉縞に基づく判別結果の一例を示す図である。
【図6】本実施形態においてカメラ１００Ａにより撮像される干渉縞の一例を示す図である。
【図7】本発明の第２実施形態による光干渉装置１Ｂの構成例を示す図である。
【図8】カメラ１００Ａにより撮像される干渉縞の一例を示す図である。
【図9】本発明の第３実施形態による光干渉装置１Ｃの構成例を示す図である。
【図10】カメラ１００ＣにおけるＲ、Ｇ、およびＢの各画素の波長感度の一例を示す図である。
【図11】カメラ１００Ｃにより撮像される干渉縞の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に述べる各実施形態には技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかし、本発明の実施形態は、以下に述べる形態に限られるものではない。
【0014】
Ａ．第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態による光干渉装置１Ａの構成例を示す図である。光干渉装置１Ａは、測定対象物ＯＢの表面の凹凸を計測するための装置である。図１では、光干渉装置１Ａの他に光源ＳＣおよび測定対象物ＯＢが図示されている。図１に示されるように、光干渉装置１Ａは、カメラ１００Ａと、ビームスプリッタ（図１では、ＢＳと略記、以下、本明細書においても同様）１１０、ＢＳ１２０およびＢＳ１３０と、ミラー１４０と、ファブリーペローエタロン（図１では、ＦＰと略記、以下、本明細書においても同様）１５０と、グレーティング１６０と、処理装置１８０Ａと、リレーレンズ１９０，リレーレンズ２００、およびレンズ２１０と、を含む。本実施形態では、光干渉装置１Ａによる凹凸の測定対象となる測定対象物ＯＢの面の法線に沿った軸はＺ軸と称される。Ｚ軸に直交する２つの軸のうちの一方はＸ軸と称され、他方はＹ軸と称される。
図１は、本発明の第１実施形態による光干渉装置１Ａの構成例を示す図である。光干渉装置１Ａは、測定対象物ＯＢの表面の凹凸を計測するための装置である。図１では、光干渉装置１Ａの他に光源ＳＣおよび測定対象物ＯＢが図示されている。図１に示されるように、光干渉装置１Ａは、カメラ１００Ａと、ビームスプリッタ（図１では、ＢＳと略記、以下、本明細書においても同様）１１０、ＢＳ１２０およびＢＳ１３０と、ミラー１４０と、ファブリーペローエタロン（図１では、ＦＰと略記、以下、本明細書においても同様）１５０と、グレーティング１６０と、処理装置１８０Ａと、リレーレンズ１９０，リレーレンズ２００、およびレンズ２１０と、を含む。本実施形態では、光干渉装置１Ａによる凹凸の測定対象となる測定対象物ＯＢの面の法線に沿った軸はＺ軸と称される。Ｚ軸に直交する２つの軸のうちの一方はＸ軸と称され、他方はＹ軸と称される。
【0015】
光干渉装置１Ａでは、ＢＳ１１０、ＢＳ１２０およびＢＳ１３０と、ミラー１４０と、グレーティング１６０と、によりマッハツェンダー光学系が構成される。ＢＳ１１０、１２０およびＢＳ１３０の各々は、偏光ビームスプリッタである。ＢＳ１１０、ＢＳ１２０およびＢＳ１３０として偏光ビームスプリッタを用いるのは、各々における透過光と反射光の強度を調整し易いからである。
【0016】
図１に示されるように、ＢＳ１１０には、光源ＳＣから出射された光Ｌが入射する。好ましい態様において、光源ＳＣは、超短パルスレーザーからの出射光に非線形効果を与えることで生じる、位相のそろった広帯域で高強度のパルス光源である。その波長域は、赤色、緑色および青色の各色の光をカバーすることが好ましい。
ＢＳ１１０は、入射した光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する。ＢＳ１１０は、本開示における第１のビームスプリッタの一例である。測定光Ｌ１は本開示における第１光の一例である。参照光Ｌ２は、本開示における第２の光、即ち第１の光とは異なる第２の光の一例である。
ＢＳ１１０は、入射した光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する。ＢＳ１１０は、本開示における第１のビームスプリッタの一例である。測定光Ｌ１は本開示における第１光の一例である。参照光Ｌ２は、本開示における第２の光、即ち第１の光とは異なる第２の光の一例である。
【0017】
参照光Ｌ２は、ミラー１４０による反射を経てＦＰ１５０に入射する。ＦＰ１５０に入射した参照光Ｌ２は、ＦＰ１５０内における複数回の反射を経てＦＰ１５０から出射される。本実施形態では、ＦＰ１５０の厚み（ＦＰ１５０内における参照光Ｌ２の一往復分の光学長）は測定対象物ＯＢの表面におけるＺ軸に沿った凹みの深さの基本測定範囲以下である。ＦＰ１５０から出射される参照光Ｌ２は、ＢＳ１３０による案内を経てグレーティング（回折格子）１６０に入射する。本実施形態では、ＦＰ１５０から出射される参照光Ｌ２の色毎に出力タイミングが異なるように、即ち波長毎に位相の遅れが異なるように、ＦＰ１５０に分散が付与されている。
【0018】
図２は、分散を付与しなかった場合にＦＰ１５０内をＮ（図２では、Ｎ＝１～４）回往復した後に出力される参照光Ｌ２の出力タイミングの一例を示す図である。図２における時間Ｔは、ＦＰ１５０の内部を参照光Ｌ２が一往復するのに要する時間である。図２において右肩下がりのハッチングは青色の光の出力スペクトルを表し、横線のハッチングは緑色の光の出力スペクトルを表し、縦線のハッチングは黄色の光の出力スペクトルを表し、右肩上がりのハッチングは赤色の光の出力スペクトルを表す（後述する図３においても同様）。図２に示されるように、分散を付与しなかった場合には参照光Ｌ２に含まれる青色、緑色、黄色、および赤色の各色の光は同じタイミングで出力される。
【0019】
図３は、本実施形態においてＦＰ１５０から出射される参照光Ｌ２の出力タイミングの一例を示す図である。本実施形態では、ＦＰ１５０に分散が付与されているので、各往復回数の参照光Ｌ２において、波長毎の位相の遅れが発生する。なお、図３を参照すれば明らかなように、往復回数が同じであれば、赤色の光に対して黄色、緑色、そして青色の光の順に出力タイミングが遅れ、往復回数が多くなるほど、赤色の光の出力から青色の光の出力までの遅れの幅Δが大きくなる。
【0020】
グレーティング１６０における参照光Ｌ２の入射面には、鋸歯状に複数の溝が設けられている。図１では、これら複数の溝の内の一つが図示されている。本実施形態では、この溝の深さｄが、測定対象物ＯＢの表面におけるＺ軸に沿った凹みの深さの基本測定範囲となる。グレーティング１６０は入射した参照光Ｌ２を反射する。グレーティング１６０による参照光Ｌ２の反射光Ｒ２は、ＢＳ１３０、リレーレンズ１９０およびリレーレンズ２００による案内を経てＢＳ１２０へ入射する。反射光Ｒ２は、本開示における第２の戻り光の一例である。以下では、反射光Ｒ２は第２の戻り光Ｒ２とも称される。
【0021】
図１に示されるように、ＢＳ１２０は、ＢＳ１１０とレンズ１７０との間に設けられる。ＢＳ１２０は、測定光Ｌ１をレンズ１７０へ導くとともに、測定対象物ＯＢによる測定光Ｌ１の反射光Ｒ１をカメラ１００Ａに導く。測定光Ｌ１の測定対象物ＯＢによる反射光Ｒ１は、本開示における第１の戻り光の一例である。以下では、反射光Ｒ１は第１の戻り光Ｒ１とも称される。また、ＢＳ１２０は、反射光Ｒ２をカメラ１００Ａに導く。ＢＳ１２０は本開示における第２のビームスプリッタの一例である。
【0022】
レンズ１７０は、入射する測定光Ｌ１をＸ軸に沿った線状に集光するシリンドリカルレンズである。本実施形態では、Ｘ軸に沿った長さが約２０ｍｍ、且つ幅が約１０ミクロンの線状の測定光Ｌ１を用いて測定対象物ＯＢの表面の凹凸の測定が行われる。Ｘ軸に沿った線状の測定光Ｌ１を用いて測定対象物ＯＢの表面の凹凸の測定が行われるので、本実施形態では、Ｘ軸方向の走査は不要であり、Ｙ軸方向の走査のみが行われればよい。レンズ１７０から出射される線状の測定光Ｌ１はレンズ２１０による集光を経て測定対象物ＯＢの表面に照射される。測定光Ｌ１の測定対象物ＯＢによる反射光Ｒ１はレンズ２１０、レンズ１７０、およびＢＳ１２０による案内を経てカメラ１００Ａに入射する。
【0023】
カメラ１００Ａは、モノクロカメラである。カメラ１００Ａは、第１の戻り光と第２の戻り光とを受光した光を表す画像信号ＧＭ、即ち第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２によって生じる干渉縞のモノクロ画像を表す画像信号ＧＭを処理装置１８０Ａへ出力する。カメラ１００Ａは、本開示における受光手段の一例である。
【0024】
処理装置１８０Ａは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、即ちコンピュータを含む。処理装置１８０Ａは１つのコンピュータを含んでもよいし、複数のコンピュータを含んでもよい。処理装置１８０Ａは、図１では図示を省略した記憶装置に記憶されているプログラムに従って作動することにより生成手段１８２および特定手段１８４Ａとして機能する。つまり、図１における生成手段１８２および特定手段１８４Ａは、プログラムに従ってコンピュータを作動させることにより実現されるソフトウェアモジュールである。なお、処理装置１８０Ａと上記記憶装置とは、パーソナルコンピュータの一部であってもよい。
【0025】
生成手段１８２は、画像信号ＧＭに基づいて二次元画像、即ち第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２によって生じる干渉縞を表すモノクロの二次元画像、を生成する。以下では、第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２によって生じる干渉縞のうち明るい部分の各々は明線と称され、暗い部分の各々は暗線と称される。干渉縞には明線と暗線とが交互に現れる。
【0026】
特定手段１８４Ａは、生成手段１８２により生成された二次元画像で表される干渉縞の太さ、即ち明線或いは暗線の太さに基づいて、当該干渉縞を生じさせる第２の戻り光Ｒ２におけるＦＰ１５０による繰返し反射回数（即ち、ＦＰ１５０内における参照光Ｌ２の往復の回数）を特定する。干渉縞の太さに基づいてＦＰ１５０による繰返し反射回数を特定できる理由は次の通りである。
【0027】
参照光Ｌ２では、繰返し反射回数毎に波長（光の色）毎の位相が異なるため、第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２との干渉により発生する干渉縞には、繰返し反射回数に応じた色の滲みが発生する。前述したように、本実施形態においてこの干渉縞を撮像するカメラ１００Ａはモノクロカメラである。このため、繰返し反射回数に応じた色の滲みは、カメラ１００Ａによる撮像画像では干渉縞の太さの相違として現れる。これが、干渉縞の太さに基づいてＦＰ１５０による繰返し反射回数を特定できる理由である。
【0028】
ここで、ＦＰ１５０を設けることでＺ軸方向の測定範囲を１０次まで拡張するものの、ＦＰ１５０に分散を付与しなかった場合を想定する。この場合、前掲図２に示されるように、各反射回数の参照光Ｌ２において各色の光の出力タイミングは同じになり、前述した色の滲みは発生しない。
図４に測定対象物ＯＢの実際の表面の状態の例を示す。この例においては、測定対象物ＯＢの表面に凹部ＲＥ（・・・Ｐ１―Ｐ２―Ｐ３－Ｐ４－Ｐ５－Ｐ６・・・）が形成されている。即ち、凹部ＲＥの壁面は、Ｐ２―Ｐ３間においては深さ方向（Ｚ軸方向、換言すると測定光が測定対象物ＯＢ入射する方向と平行な方向）に対して傾斜しているが、Ｐ４―Ｐ５間においては、深さ方向に対して平行になっている（換言すると、孔が垂直に削られている）。この測定対象物ＯＢを、ＦＰ１５０に分散を付与せずに測定を行った場合に得られる干渉縞を概念的に示したものが図５である。図５においては、Ｐ４―Ｐ５間に対応する干渉縞が、測定範囲を拡張した分だけ干渉縞が多重に重なって現れる。この結果、Ｐ４―Ｐ５間の凹部ＲＥの深さを干渉縞から正しく判別することはできない。
図４に測定対象物ＯＢの実際の表面の状態の例を示す。この例においては、測定対象物ＯＢの表面に凹部ＲＥ（・・・Ｐ１―Ｐ２―Ｐ３－Ｐ４－Ｐ５－Ｐ６・・・）が形成されている。即ち、凹部ＲＥの壁面は、Ｐ２―Ｐ３間においては深さ方向（Ｚ軸方向、換言すると測定光が測定対象物ＯＢ入射する方向と平行な方向）に対して傾斜しているが、Ｐ４―Ｐ５間においては、深さ方向に対して平行になっている（換言すると、孔が垂直に削られている）。この測定対象物ＯＢを、ＦＰ１５０に分散を付与せずに測定を行った場合に得られる干渉縞を概念的に示したものが図５である。図５においては、Ｐ４―Ｐ５間に対応する干渉縞が、測定範囲を拡張した分だけ干渉縞が多重に重なって現れる。この結果、Ｐ４―Ｐ５間の凹部ＲＥの深さを干渉縞から正しく判別することはできない。
【0029】
図６は、図４に示した測定対象物ＯＢについて、ＦＰ１５０に分散を付与して測定した場合に得られる干渉縞を模式的に示したものである。同図に示すように、繰返し反射回数は干渉縞の太さの相違として現れる。即ち、Ｐ２－Ｐ６間に対応する画像上の領域においては干渉縞が他の箇所によりも太く（幅が広く；換言すると線が滲んだ状態と）なっている。より詳細には、Ｐ２－Ｐ３間に対応する画像上の領域において干渉縞は徐々に太くなり、Ｐ１－Ｐ２間およびＰ３－Ｐ４間およびＰ５－Ｐ６間にそれぞれ対応する画像上の領域（同図のＦ０、Ｆ１、Ｆ２で示す）においては干渉縞の太さは一定となっている。
この干渉縞の太さ（換言すると線の滲み具合）に基づいて、繰返し反射の回数を特定し、孔の形状（例えば、この例でいえば凹部ＲEの深さＺ軸方向の距離を含む情報）を正しく判別することが可能になる。このように、本実施形態の光干渉装置１Ａによれば、マッハツェンダー光学系を用いた表面の計測技術において、ファブリーペローエタロンを用いて奥行測定範囲を拡大するとともに、一台のカメラで繰返し反射の回数を特定することが可能になる。
この干渉縞の太さ（換言すると線の滲み具合）に基づいて、繰返し反射の回数を特定し、孔の形状（例えば、この例でいえば凹部ＲEの深さＺ軸方向の距離を含む情報）を正しく判別することが可能になる。このように、本実施形態の光干渉装置１Ａによれば、マッハツェンダー光学系を用いた表面の計測技術において、ファブリーペローエタロンを用いて奥行測定範囲を拡大するとともに、一台のカメラで繰返し反射の回数を特定することが可能になる。
【0030】
Ｂ．第２実施形態
図７は、本発明の第２実施形態による光干渉装置１Ｂの構成例を示す図である。図７では、図１におけるものと同じ構成要素には同一の符号が付されている。図７と図１とを比較すれば明らかなように、光干渉装置１Ｂの構成は、以下の２つの相違点において光干渉装置１Ａの構成と異なる。
図７は、本発明の第２実施形態による光干渉装置１Ｂの構成例を示す図である。図７では、図１におけるものと同じ構成要素には同一の符号が付されている。図７と図１とを比較すれば明らかなように、光干渉装置１Ｂの構成は、以下の２つの相違点において光干渉装置１Ａの構成と異なる。
【0031】
第１の相違点は、カメラ１００ＡとＢＳ１２０との間にフィルタ２２０を有する点である。フィルタ２２０は、２つの離れた波長帯（本実施形態では、５００ｎｍ±１０ｎｍの波長帯と７００ｎｍ±１０nmの波長帯）の光を透過させるカラーフィルタである。本実施形態では、フィルタ２２０とカメラ１００Ａとによって、受光した光を２以上の所定の波長帯に分離する受光手段が形成される。フィルタ２２０に代えて、２以上の所定の波長帯の光を反射するカラーフィルタを用い、当該カラーフィルタによる反射光をカメラ１００Aに案内することで、受光した光を２以上の所定の波長帯に分離する受光手段が形成されてもよい。
【0032】
第２の相違点は、処理装置１８０Ａに代えて処理装置１８０Ｂを有する点である。処理装置１８０Ｂは、生成手段１８２として機能する点では、処理装置１８０Ａと同一であるが、特定手段１８４Ａに代えて特定手段１８４Ｂとして機能する点において処理装置１８０Ａと異なる。特定手段１８４Ｂは、第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２との干渉縞に基づいてＦＰ１５０による繰返し反射回数を特定する点では、特定手段１８４Ａと共通である。特定手段１８４Ｂは、生成手段１８２により生成された二次元画像において、測定対象物ＯＢの奥行方向に２以上の干渉縞セットが存在する場合、当該干渉縞セットを構成する干渉縞の間隔に基づいて繰返し反射回数を特定する点において特定手段１８４Ａと異なる。Ｚ軸方向に２以上の干渉縞セットが存在する場合、当該干渉縞セットを構成する干渉縞の間隔に基づいて繰返し反射回数を特定できる理由は次の通りである。
【0033】
本実施形態においても、ＦＰ１５０には分散が付与されているので、各反射回数の参照光Ｌ２において、前掲図３に示すように、波長毎の位相の遅れが発生する。参照光Ｌ２では、繰返し反射回数毎に波長毎の位相が異なるため、第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２との干渉により発生する干渉縞には、繰返し反射回数に応じた色の滲みが発生する。本実施形態では、カメラ１００Ａの前にフィルタ２２０が配置されているので、色の滲みの中のフィルタ２２０を透過する２つの波長帯の干渉縞が、図８に示されるように２本セットで観察される（同図において、Ｆ１ＲとＦ１Ｌとで一対の干渉縞を形成し、Ｆ２ＲとＦ２Ｌとで一対の干渉縞を形成している）。換言すると、あるＸ軸上の位置に対応するＺ軸の値が２つ存在する。この２本で一つのセットを形成する干渉縞内の上記２の波長帯の縞間隔は、繰返し反射回数に応じて異なる。これが、Ｚ軸方向に２以上の干渉縞セットが存在する場合、当該干渉縞セットを構成する干渉縞の間隔に基づいて繰返し反射回数を特定できる理由である。
【0034】
以上説明したように、本実施形態の光干渉装置１Ｂによっても、マッハツェンダー光学系を用いた表面の計測技術において、ファブリーペローエタロンを用いて奥行測定範囲を拡大するとともに、一台のカメラで繰返し反射の回数を特定することが可能になる。
【0035】
Ｃ．第３実施形態
図９は、本発明の第３実施形態による光干渉装置１Ｃの構成例を示す図である。図９では、図７におけるものと同じ構成要素には同一の符号が付されている。図９と図７とを比較すれば明らかなように、光干渉装置１Ｃの構成は、以下の２つの相違点において光干渉装置１Ｂの構成と異なる。第１の相違点は、光干渉装置１Ｃはフィルタ２２０を有さない点である。第２の相違点は、カメラ１００Ａに代えてカメラ１００Ｃを有する点である。カメラ１００Ｃは、赤色、緑色、および青色の各色の画像信号ＧＣを出力するカラーカメラ、即ち受光した光を少なくとも３つの波長帯域に分離するカラーカメラである点がカメラ１００Ａと異なる。カメラ１００Ｃは、第２実施形態におけるフィルタ２２０およびカメラ１００Ａと同様に、受光した光を２以上の所定の波長帯に分離する受光手段の役割を果たす。
図９は、本発明の第３実施形態による光干渉装置１Ｃの構成例を示す図である。図９では、図７におけるものと同じ構成要素には同一の符号が付されている。図９と図７とを比較すれば明らかなように、光干渉装置１Ｃの構成は、以下の２つの相違点において光干渉装置１Ｂの構成と異なる。第１の相違点は、光干渉装置１Ｃはフィルタ２２０を有さない点である。第２の相違点は、カメラ１００Ａに代えてカメラ１００Ｃを有する点である。カメラ１００Ｃは、赤色、緑色、および青色の各色の画像信号ＧＣを出力するカラーカメラ、即ち受光した光を少なくとも３つの波長帯域に分離するカラーカメラである点がカメラ１００Ａと異なる。カメラ１００Ｃは、第２実施形態におけるフィルタ２２０およびカメラ１００Ａと同様に、受光した光を２以上の所定の波長帯に分離する受光手段の役割を果たす。
【0036】
本実施形態では、特定手段１８４Ｂは、赤色、緑色、および青色の各色のうち、予め定められた２つの色における干渉縞の間隔の相違に基づいて繰返し反射回数を特定する。例えば、カメラ１００Ｃが、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、およびＢ（青色）の各画素の波長感度が図１０（Ａ）で示されるベイヤーパターンカメラである場合、またはＲ、Ｇ、およびＢの各画素の波長感度が図１０（Ｂ）で示されるプリズムカメラである場合には、各色の感度境界付近の波長を利用するため、特定手段１８４Ｂには、赤色および青色の各色における干渉縞の間隔の相違に基づいて繰返し反射回数を特定させればよい。
図１１は、カメラ１００Ｃにより撮像される干渉縞の一例を示す図である。図１１に示す例では、一点鎖線は赤色の光の干渉縞を、実線は緑色の光の干渉縞を、点線は青色の光の干渉縞をそれぞれ表す。図１１に示されるように、カメラ１００Ｃにより撮像される干渉縞では、緑色の光の干渉縞に対する赤色および青色の干渉縞の位置は互い異なり、また、青色の光の干渉縞と赤色の光の干渉縞との間隔は繰返し反射回数に応じて異なる。
図１１は、カメラ１００Ｃにより撮像される干渉縞の一例を示す図である。図１１に示す例では、一点鎖線は赤色の光の干渉縞を、実線は緑色の光の干渉縞を、点線は青色の光の干渉縞をそれぞれ表す。図１１に示されるように、カメラ１００Ｃにより撮像される干渉縞では、緑色の光の干渉縞に対する赤色および青色の干渉縞の位置は互い異なり、また、青色の光の干渉縞と赤色の光の干渉縞との間隔は繰返し反射回数に応じて異なる。
【0037】
以上説明したように、本実施形態の光干渉装置１Ｃによっても、マッハツェンダー光学系を用いた表面の計測技術において、ファブリーペローエタロンを用いて奥行測定範囲を拡大するとともに、一台のカメラで繰返し反射の回数を特定することが可能になる。なお、繰返し反射回数については予め定められた２つの色における干渉縞の間隔に基づいて特定するものの、Ｚ軸方向の距離の測定については、色の滲みの影響を緩和するために、Ｒ、Ｇ、およびＢのうちの一つの色に基づいて行われてもよい。
【0038】
Ｄ．変形
以上説明した各実施形態は、以下のように変形されてもよい。
（１）上記各実施形態において、ファブリーペローエタロン１５０は、直列に配列された複数のファブリーペローエタロン（例えば、直列に配列された２つのファブリーペローエタロン）に置き換えられてもよい。ファブリーペローエタロンの反射面の機械加工精度の限界のため、出力光のスペクトルの包絡線はあまり奇麗な波形ならないが、複数のファブリーペローエタロンを直列に配列することで、機械加工精度の限界に起因する影響を緩和することができる。
以上説明した各実施形態は、以下のように変形されてもよい。
（１）上記各実施形態において、ファブリーペローエタロン１５０は、直列に配列された複数のファブリーペローエタロン（例えば、直列に配列された２つのファブリーペローエタロン）に置き換えられてもよい。ファブリーペローエタロンの反射面の機械加工精度の限界のため、出力光のスペクトルの包絡線はあまり奇麗な波形ならないが、複数のファブリーペローエタロンを直列に配列することで、機械加工精度の限界に起因する影響を緩和することができる。
【0039】
（２）上記第１実施形態における生成手段１８２および特定手段１８４Ａはソフトウェアモジュールであったが、生成手段１８２および特定手段１８４Ａのいずれか一方または両方がＡＳＩＣ等のハードウェアモジュールであってもよい。生成手段１８２および特定手段１８４Ａのいずれか一方または両方がハードウェアモジュールであっても、上記第１実施形態と同じ効果が奏される。第２実施形態における特定手段１８４Ｂもハードウェアモジュールであってもよい。
【0040】
（３）上記各実施形態では、測定対象物ＯＢに入射する直前の測定光Ｌ１のビーム形状は線状であった。しかし、Ｘ軸方向に加えてＹ軸方向の走査も行うのであれば、測定光Ｌ１のビーム形状は線状でなくてもよい。
【符号の説明】
【0041】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…光干渉装置、１００Ａ…カメラ、１１０，１２０、１３０…ビームスプリッタ、１４０…ミラー、１５０…ファブリーペローエタロン、１６０…グレーティング、１７０…レンズ、１８０Ａ，１８０Ｂ…処理装置、１８２…生成手段、１８４Ａ，１８４Ｂ…特定手段、１９０，２００，…リレーレンズ、２１０…レンズ、２２０…フィルタ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
