JP2001041724A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 干渉計を用いた表面形状測定装置において，
測定対象物を物理的に移動させることなく，測定対象物
表面の３次元形状を高精度に測定できるようにする。 【解決手段】 レーザ光源１から出射された光を，偏光
子２によって入射面に平行な偏光成分と垂直な偏光成分
とを共に有する光にし，更に位相遅れ量の異なる複数の
位相板３の入れ替えによってそれら２つの偏光成分の位
相差を変更し，透明平行板９に入射される。ここで，上
記透明平行板の下面９ｂには，例えばＳ偏光成分を反射
しＰ偏光成分を透過するコーティングを施しておく。こ
れにより，透明平行板９に入射した光のＳ偏光成分が反
射されて参照光となり，Ｐ偏光成分が透過されて測定対
象物で反射されて物体光となる。両者は偏光子１２によ
って干渉され，観測面１４でその干渉縞が観測される。
これにより，測定対象物を物理的に移動させることな
く，物体光と参照光との位相差を変更することができ，
位相シフト法を用いて測定対象物表面の３次元形状を高
精度に測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，測定対象物からの
反射光と所定の参照光とを干渉させて得られる干渉縞に
基づいて上記測定対象物表面の形状を測定する表面形状
測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】平面や球面などの測定対象物の表面形状
を測定する場合には，従来から，参照平面からの反射光
と測定対象物の表面からの反射光とを干渉させて得られ
る干渉縞に基づいて上記測定対象物の表面形状を測定す
る，いわゆる干渉計が広く用いられている。このような
干渉計を用いた表面形状測定装置としては，例えば特開
平４−２２１７０４号公報に記載されているものが知ら
れている。上記公報に記載の表面形状測定装置Ａ０を，
図１２を用いて簡単に説明する。上記表面形状測定装置
Ａ０では，レーザ光源１０１から出射された光は対物レ
ンズ１０２，ピンホール１０３，全反射ミラー１０４，
１０５を経てコリメータレンズ１０６において平行光と
なり，回折格子１０７に入射する。この回折格子１０７
において，上記平行光は０次回折光１０８と１次回折光
１０９とに分けられ，上記０次回折光１０８は参照光と
して直接回折格子１１２に入り，上記１次回折光１０９
は物体光として測定対象物１１０の表面に照射された
後，その反射光が上記回折格子１１２に入る。これらの
光は，上記回折格子１１２においてまた０次回折光と１
次回折光とに分けられる。ここでは，参照光の１次回折
光と物体光の０次回折光とが重なり，干渉を起こす。干
渉した光は，レンズ１１３，ピンホール１１４を通り，
観察面１１５で干渉縞が観察される。上記観測された干
渉縞より，縞の本数を計数し，測定対象物の表面形状が
評価できる。しかしながら，１つの干渉縞に基づく測定
では，干渉縞１本以下の位相測定が難しく，また段差の
凹凸の判定まではできないことから，上記表面形状測定
装置Ａ０では，上記測定対象物１１０をアクチュエータ
１１１によって上下方向に既知量移動させて参照光と物
体光との位相差を変化させ，複数の位相差で得られた干
渉縞に基づく評価（位相シフト法）を行うことで，測定
対象物１１０の３次元表面形状を高精度で測定すること
を可能としている。

【０００３】しかしながら，上記表面形状測定装置Ａ０
では，位相シフト法を用いるために測定対象物１１０を
アクチュエータ１１１によって移動させながら複数回の
測定を行う必要があるため，測定に時間がかかるという
問題点があった。また，測定対象物が大きくなればなる
ほどそれに応じた大型且つ耐荷重の大きなアクチュエー
タが必要となり，装置の大型化，コスト高を招くという
問題点もあった。そこで，このような問題点を解決すべ
く，測定対象物を物理的に移動させることなく位相シフ
ト法を用いた測定が可能な表面形状測定装置が，特開平
４−２８６９０４号公報に提案されている。上記公報に
記載の表面形状測定装置Ａ０′を，図１３を用いて簡単
に説明する。尚，図１３において図１２と共通する部分
については同符号を用い，詳細な説明は省略する。上記
表面形状測定装置Ａ０′では，レーザ光源１０１からの
光を偏光板１２１によって直線偏光としている。また，
測定対象物１１０に近接して位相板１２２が設置されて
おり，測定対象物１１０に照射される物体光１０９は回
折格子１１２に入射するまでにこの位相板１２２を２回
通過する。ここで，上記位相板１２２には，斜めから入
射してくる物体光の位相を１／４波長分シフトさせる働
きをもたせており，またこの位相板１２２の進相軸は入
射する光に対して４５度の角度で設置されている。これ
により，上記物体光はこの位相板１２２を２回通過する
ことによって偏光方向が９０度変化し，上記参照光と物
体光とはその偏光方向が直交することとなる。従って，
回折格子１１２に入射した上記２つの光は干渉すること
なくバビネソレイユ補正板１２３に入射する。上記バビ
ネソレイユ補正板１２３は，その進相軸及び遅相軸を上
記参照光１０８及び物体光１０９に一致させており，上
記バビネソレイユ補正板１２３を操作することにより参
照光１０８若しくは物体光１０９の位相を既知量（例え
ば０，π／２，π，３π／２の４段階）変化させる。こ
の後，上記参照光１０８及び物体光１０９を偏光板１２
４において干渉させ，観察面１１５で上記位相差を異な
らせた複数の干渉縞を得る。上記のような表面形状測定
装置Ａ０′により，測定対象物を物理的に移動させるこ
となく位相シフト法を用いた高精度の測定が可能である
としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記表面形状測定装置
Ａ０′では，測定対象物１１０に近接させて位相板１２
２を設置し，これによって物体光と参照光の偏光方向を
直交させている。従って，測定対象物が大きくなればな
るほど大きな位相板が必要となる。しかしながら，位相
板は複屈折性をもつ材料を研磨して製作されるため，大
きなサイズのものを製作することは困難であり，せいぜ
い１０ｍｍ程度が限界である。このように，上記表面形
状測定装置Ａ０′では，大サイズの測定対象物（例えば
３００ｍｍウェーハなど）の測定を行うことは実質的に
不可能であった。本発明は上記事情に鑑みてなされたも
のであり，その目的とするところは，測定対象物を物理
的に移動させることなく，測定対象物表面の３次元形状
を高精度に測定することが可能な表面形状測定装置を提
供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に，第１の発明は，所定の投光手段から測定対象物に対
して，上記測定対象物と平行に設置された透明平行板を
通して光を照射し，上記透明平行板からの反射光と上記
測定対象物からの反射光とをそれらの位相差を変化させ
つつ干渉させることによって観測される複数の干渉縞に
基づいて上記測定対象物表面の形状を測定する表面形状
測定装置において，上記投光手段から出射された光を，
上記測定対象物の入射面に平行な偏光成分と垂直な偏光
成分とを共に有する光に変化させる偏光手段と，上記偏
光手段を経た光の２つの偏光成分の位相差を変化させる
位相差変更手段と，上記透明平行板を含み，上記偏光手
段を経た光の一方の偏光成分を反射，他方を透過させる
ように構成された光反射透過手段とを具備してなること
を特徴とする表面形状測定装置として構成されている。
ここで，上記光反射透過手段としては，上記透明平行板
の上面若しくは下面に，上記偏光手段を経た光の一方の
偏光成分を反射，他方を透過させるコーティングを施す
ことにより実現できる。これにより，参照面（透明平行
板）と測定対象物との間の多重反射を防止でき，測定精
度を高く維持できる。また，上記光反射透過手段は，上
記偏光手段を経た光を上記透明平行板にブリュースタ角
で入射させる入射角設定手段と，上記透明平行板と上記
測定対象物との間に設置され，上記測定対象物の入射面
に垂直な偏光成分を透過し，平行な偏光成分を透過しな
い偏光子とで構成することも可能である。また，上記位
相差変更手段は，位相遅れ量の異なる複数の位相板を切
り替えることにより，或いは，光軸上に並べられた位相
遅れ量の異なる複数の位相板を光軸周りに所定量回転さ
せることにより，上記位相差を変化させるように構成で
きる。また，上記位相差変更手段を電気光学素子により
構成すれば，機械的な駆動機構などが必要ないため，よ
り高速での測定が可能となる。

【０００６】ここで，上記光反射透過手段を完全なもの
とすることは難しく，実際には僅かながら反射されるべ
き偏光成分の一部が透過し，透過されるべき偏光成分の
一部が反射してしまう。この場合，上記光反射透過手段
において透過してしまった偏光成分，或いは反射してし
まった偏光成分は，位相シフト法で求められる物体光と
参照光との光路差による位相差の誤差要因となり，測定
精度を低下させてしまう。そこで，上記光反射透過手段
において，少なくとも反射されるべき偏光成分の一部が
透過するか，或いは少なくとも透過されるべき偏光成分
の一部が反射する場合には，上記光反射透過手段を用い
て得られた上記複数の干渉縞の画像に所定の補正処理を
施すことによって上記光反射透過手段の影響による誤差
を除去するように構成すれば，更に測定精度を向上させ
ることが可能となる。

【０００７】ここで，上記所定の補正処理は，例えば，
上記複数の干渉縞画像について，それぞれ所定の統計値
を算出してそれらの変動分を求め，上記各干渉縞画像か
ら上記変動分を差し引くものとすることが考えられる。
またその所定の統計値としては，例えば平均輝度，最高
輝度，最低輝度，最頻値輝度等を用いることができる。
或いは，上記透明平行板の面内において，入射光の強
度，上記光反射透過手段による反射率及び透過率が一定
と見做せる場合には，上記所定の補正処理は，

【数２】 によって得られる画像の最高輝度Ｉ_KYODO1と最低輝度Ｉ
_KYODO2とを求め，上記各干渉縞画像Ｉ（φ）から（Ｉ
_KYODO1−Ｉ_KYODO2）／２×ｃｏｓ（φ）（但し，φは透
明平行板と測定対象物からのそれぞれの反射光の位相
差）を差し引くものとしてもよい。或いは，上記光反射
透過手段において，反射されるべき偏光成分が全て反射
されると見做せる場合には，上記所定の補正処理は，上
記測定対象物からの反射光を受光しない条件の下で上記
複数の干渉縞画像に対応する補正用画像をそれぞれ取得
し，上記各干渉縞画像からそれぞれに対応する上記補正
用画像を差し引くものとしてもよい。

【０００８】また，上記目的を達成するために，第２の
発明は，所定の投光手段から測定対象物に対して光を照
射し，上記測定対象物で反射された物体光と所定の参照
光とを干渉させてその干渉光強度を検出し，該干渉光強
度に基づいて上記測定対象物表面の形状を測定する表面
形状測定装置において，上記物体光と上記所定の参照光
との間に光周波数差Ｆを持たせる周波数差設定手段を具
備し，上記周波数差設定手段によって周波数差Ｆを持た
せた上記物体光と所定の参照光との干渉光強度の上記周
波数差Ｆ成分の位相に基づいて，上記測定対象物表面の
形状を測定してなることを特徴とする表面形状測定装置
として構成されている。更に，上記干渉光強度の検出手
段としてＣＣＤ撮像素子を用いる場合には，上記周波数
差Ｆと同期し，且つ１／Ｆよりも短い露光時間でその露
光のタイミングを変化させつつ，上記ＣＣＤ撮像素子に
より複数の上記干渉光強度を検出する撮像制御手段を具
備し，上記撮像制御手段によって得られた上記複数の干
渉光強度に基づいて上記測定対象物表面の形状を測定す
るようにすれば，ＣＣＤカメラの電荷蓄積時間を短縮し
たり，或いは周波数差Ｆを小さくすることなく，一般的
なＣＣＤカメラを用いて測定対象物の表面形状の測定が
可能である。上記撮像制御手段は，例えば上記干渉光の
遮断／透過の切り換えが可能な光スイッチにより構成で
きる。更に，上記測定対象物と平行に設置された透明平
行板からの反射光を上記参照光とし，上記投光手段を，
上記測定対象物の入射面に平行な偏光成分と垂直な偏光
成分とを共に有する光を照射するように構成し，上記透
明平行板を含む光反射透過手段が，上記投光手段から照
射された光の一方の偏光成分を反射させ，他方を透過さ
せて上記測定対象物に至らしめるように構成すれば，参
照面（透明平行板）と測定対象物との間の多重反射を防
止でき，測定精度を高く維持できる。

【０００９】

【作用】上記第１の発明によれば，投光手段から出射さ
れた光は，偏光手段によって測定対象物の入射面に平行
な偏光成分と垂直な偏光成分とを共に有する光にされ，
更に位相差変更手段によって例えば位相遅れ量の異なる
複数の位相板の入れ替えによってそれら２つの偏光成分
の位相差が変更され，上記透明平行板に入射される。こ
こで，上記透明平行板に施された，例えばＳ偏光成分を
反射しＰ偏光成分を透過するコーティングにより，一方
の偏光成分（例えばＳ偏光成分）が反射されて参照光と
なり，他方（例えばＰ偏光成分）が透過されて測定対象
物で反射されて物体光となり，両者の干渉光に基づいて
測定対象物の表面形状が測定される。これにより，測定
対象物を物理的に移動させることなく，位相シフト法に
必要な物体光と参照光との位相差を変更することができ
る。また，測定対象物と同程度のサイズをもつ位相板は
必要ないため，大サイズの測定対象物にも問題なく対応
できる。更に，上記透明平行板に施されたＳ偏光成分を
反射しＰ偏光成分を透過するコーティングにより，透明
平行板と測定対象物との間の多重反射を防止でき，測定
精度を高く維持できる。また，上記光反射透過手段にお
いて反射されるべき偏光成分の一部が透過し，或いは透
過されるべき偏光成分の一部が反射してしまうような場
合であっても，上記光反射透過手段を用いて得られた上
記複数の干渉縞の画像に上述したような所定の補正処理
を施すことによって上記光反射透過手段の影響による誤
差を除去するように構成すれば，上記光反射透過手段に
おいて透過してしまった偏光成分，或いは反射してしま
った偏光成分による誤差要因を除去することができるた
め，更に測定精度を向上させることが可能となる。

【００１０】また上記第２の発明によれば，周波数差設
定手段によって物体光と参照光との間に光周波数差Ｆを
持たせ，それら物体光と参照光との干渉光強度の周波数
差Ｆ成分の位相に基づいて測定対象物表面の形状が測定
される。これにより，測定対象物を物理的に移動させる
ことなく測定対象物表面の３次元形状を高精度に測定す
ることが可能である。更に，上記干渉光強度の検出手段
としてＣＣＤ撮像素子を用いる場合には，上記周波数差
Ｆと同期し，且つ１／Ｆよりも短い露光時間でその露光
のタイミングを変化させつつ，上記ＣＣＤ撮像素子によ
り複数の上記干渉光強度を検出し，得られた上記複数の
干渉光強度に基づいて上記測定対象物表面の形状を測定
するようにすれば，ＣＣＤカメラの電荷蓄積時間が上記
干渉光の周期よりも長い場合でも，ＣＣＤカメラの電荷
蓄積時間を短縮したり，或いは周波数差Ｆを小さくする
ことなく，一般的なＣＣＤカメラを用いて測定対象物の
表面形状の測定が可能である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下，添付図面を参照して本発明
の実施の形態及び実施例につき説明し，本発明の理解に
供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を
具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定す
る性格のものではない。ここに，図１は本発明の実施の
形態（第１の発明）に係る表面形状測定装置Ａ１の概略
構成図，図２は透明平行板９においてＳ偏光成分の一部
Ｓ２が透過し，Ｐ偏光成分の一部Ｐ１が反射する状態を
示す説明図，図３は複数の位相板の回転により位相差を
変更する場合の位相板の設置例，図４は図３に示す位相
板による位相差変更方法の説明図，図５は位相差変更手
段のその他の構成例，図６は位相差変更手段のその他の
構成例，図７は位相差変更手段のその他の構成例，図８
は本発明の実施例（第２の発明）に係る表面形状測定装
置Ａ２の概略構成図，図９は干渉光強度Ｉ（ｘ，ｙ）に
対するＣＣＤカメラの露光タイミングの設定方法の説明
図，図１０は図９におけるタイミングｔ１を変化させた
ときのＣＣＤカメラの出力Ｐ（ｕ，ｖ）の変化状態を示
す図，図１１は第２の発明の他の実施例に係る表面形状
測定装置Ａ３の概略構成図である。本実施の形態に係る
表面形状測定装置Ａ１は，上記第１の発明を具現化した
一例であり，図１に示す如く構成されている。レーザ光
源１（投光手段の一例）から出射された単色光は，偏光
子２（偏光手段の一例）で入射面（後述する透明平行板
９）に平行な偏光成分（Ｐ偏光）と垂直な偏光成分（Ｓ
偏光）の両方をもつ偏光（ここでは，４５°の直線偏光
とする）とされ，移相子として作用する位相板３（位相
差変更手段の一例）に入射する。ここで，Ｓ偏光成分と
Ｐ偏光成分に既知の位相差が与えられた後，レンズ４，
ピンホール５，レンズ６を通過して平行光となり，ミラ
ー７，８を介して透明平行板９に入射する。この透明平
行板９の上面９ａには反射防止膜のコーティングが施さ
れ，更に下面９ｂには，Ｓ偏光成分を反射し，Ｐ偏光成
分を透過するコーティングが施されている（上記のよう
なコーティングが施された透明平行板９が光反射透過手
段の一例である）。このため，上記透明平行板９に入射
した光は，下面９ｂにおいてＳ偏光成分が反射され，Ｐ
偏光成分は透過されて測定対象物１０（吸着器１１によ
り固定されている）の表面に到達し，反射する。即ち，
上記下面９ｂにおいて反射されたＳ偏光成分が参照光，
透過されたＰ偏光成分が物体光となる。ここで，透明平
行板を用いた従来の斜入射干渉計（例えば，特公昭６３
−２３２４号公報）では，参照面と測定対象物との間で
多重反射が生じ，測定精度が低下してしまう問題点があ
ったが，本装置Ａ１では，参照面（下面９ｂ）に上記の
ようなコーティングを施すことにより，このような問題
点は解決される。上記参照光と物体光は，共に偏光板１
２に入射して干渉し，該干渉光はレンズ１３を経て観察
面１４に到達する。

【００１２】ここで，上記位相板３として１／４波長板
を用い，この進相軸とＳ偏光方向とを合わせると（この
とき，Ｐ偏光方向は遅相軸に合致する），Ｐ偏光成分
（物体光）の位相をＳ偏光成分（参照光）よりπ／２遅
らせることができる。位相板は複屈折性をもつ透明物体
の厚さで位相の遅れ量を制御できるため，上記１／４波
長板のほかに，位相をπ，３π／２遅らせることができ
る位相板，即ち１／２波長板，３／４波長板を用意して
おけば，これらを入れ替えて使用することにより，位相
板を使用しないときも含めて，０，π／２，π，３π／
２の位相差を実現できる。上記位相板３の入れ替えによ
って位相差を０，π／２，π，３π／２としたときのそ
れぞれの干渉縞の画像（干渉光強度）が得られれば，位
相シフト法により，位相φが次式により求められる。

【数３】 上記（１）式により求められる位相φは，座標（ｘ，
ｙ）についての物体光と参照光との光路差による位相差
を表現しており，測定対象物の表面の凹凸形状を３次元
的に示す情報である。即ち，上記位相φより測定対象物
表面の平坦度を評価することが可能である。

【００１３】以上説明したように，本実施の形態に係る
表面形状測定装置Ａ１によれば，測定対象物を物理的に
移動させることなく，複数の位相板の交換のみによって
位相シフト法に必要な物体光と参照光との位相差を変更
することができる。また，測定対象物と同程度のサイズ
を持つ位相板などは必要なく，大サイズの測定対象物に
も問題なく対応できる。更に，参照面（下面９ｂ）に，
Ｓ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過するコーティング
が施されているため，参照面と測定対象物との間の多重
反射を防止でき，測定精度を高く維持できる。

【００１４】

【実施例】（上記実施の形態の変形例）上記実施の形態
に係る表面形状測定装置Ａ１では，透明平行板９の下面
９ｂに，Ｓ偏光成分を反射し，Ｐ偏光成分を透過するコ
ーティングが施されている。しかしながら，上記コーテ
ィングを完全なものとすることは不可能であり，実際に
は，僅かながら上記下面９ｂにおいてＳ偏光成分の一部
が透過し，Ｐ偏光成分の一部が反射してしまう。この場
合，上記下面９ｂにおいて透過してしまったＳ偏光成
分，或いは反射してしまったＰ偏光成分は，位相シフト
法で求められる物体光と参照光との光路差による位相差
の誤差要因となり，測定精度を低下させてしまう。そこ
で，上記透明平行板９のコーティングによる誤差を取り
除くことができれば，更に測定精度を向上させることが
可能となる。以下，その方法について検討する。

【００１５】透明平行板９の下面９ｂにおいて，Ｓ偏光
成分の一部が透過し，Ｐ偏光成分の一部が反射する場合
（図２参照），観測面での光強度Ｉ（ｘ，ｙ）は次のよ
うに表される。

【数４】 上記（２）式において，第１項は，干渉縞を形成し，位
相シフト法によりψを求めることができる項である。透
明平行板９のコーティングが理想的なもの，即ちＰ１＝
Ｓ２＝０であれば，この第１項と定数項であるＣのみが
残る。また，第２項は，Ｓ２≪Ｓ１，Ｐ１≪Ｐ２により
無視できる項である。また，第３項は，φの変化，即ち
位相シフトの操作では変化せず，Ｃと同様，定数と見做
せる項である。定数項は，上記（１）式の計算において
キャンセルさせるため，測定結果には影響を与えない。
また，第４項は，φの変化，即ち位相シフトの操作によ
って変動し，第１項によって求めようとするψの誤差要
因となる項である。以上のように，上記（２）式におい
て誤差要因となるのは第４項のみであり，上記第４項の
値を推定することができれば，その値を上記（２）式か
ら差し引くことによって誤差要因を除去することが可能
であることがわかる。以下，上記（２）式における第４
項の値を推定する方法について，３つの具体例を挙げ
る。

【００１６】（ａ）上記（２）式の第４項は，物体面と
参照面との光路差から生じる干渉縞とは関係せず，単に
観測面全体に輝度変化をもたらせる項である。従って，
上記第４項の値は，観測面全体の輝度変化に基づいて推
定することが可能である。ここで，観測面全体の輝度変
化は，画像の平均輝度，最高輝度，最低輝度，最頻値輝
度等の統計値を用いて算出することができるが，ここで
は画像の平均輝度を用いた具体例を説明する。観測され
る画像に縞が多数存在する場合というのは，上記（２）
式において，ψが画面全体で大きく変化していることを
意味する。ψが変化するということは，上記（２）式の
第１項から第３項までのｃｏｓの値が−１から＋１まで
振動を繰り返すことを意味する。即ち，画像全体で輝度
の平均をとると，上記（２）式の第１項から第３項の平
均は０に漸近する。ここで，位相シフト量φのときの平
均輝度Ｉ_ave （φ）は，

【数５】 となる。また，位相シフトが０，πのときの平均輝度の
差を２で割った値Diffは次のようになる。

【数６】 上記（４）式のように，Diffの値は上記（２）式の第４
項のｃｏｓ（φ）の係数と同一となっている。ここで，
ｃｏｓ（φ）の値は既知であるから，上記Diffの値に基
づいて上記（２）式の第４項の値を推定することができ
る。即ち，各位相シフト量φにおける干渉縞画像に基づ
いて上記Diffの値（平均輝度の変化量）を求め，各干渉
縞画像からDiff×ｃｏｓ（φ）の値，即ち上記（２）式
における第４項の推定値を差し引いて得られた画像を用
いて上記（１）式を計算すれば，透明平行板９のコーテ
ィングの不完全さによる誤差要因が除去でき，測定精度
を向上させることが可能となる。

【００１７】（ｂ）上記（ａ）では，各干渉縞画像の輝
度に関する統計値に基づいて上記（２）式における第４
項の値を推定したが，入射光の強度と上記透明平行板９
の反射率及び透過率が面内で一定と見做せる場合には，
次のような方法によっても上記（２）式における第４項
の値を推定することが可能である。まず，次式を定義す
る。

【数７】 また，説明の簡略化のために上記（２）式を次のように
書き直す。

【数８】 ここで，上記（５）式の意味合いを明確にするため，上
記透明平行板９のコーティングが理想的なもの，即ちＰ
１＝０，Ｓ２＝０の場合のＩ_kyodo を求めてみる。この
場合，Ｂ１＝Ｂ２＝Ｂ３＝０となるため，上記（２ａ）
式はＩ＝Ａｃｏｓ（ψ＋φ）＋Ｃとなる。これを上記
（５）式に代入すると，Ｉ_kyodo ＝Ａとなり，ψに無関
係に目的の干渉信号の振幅値が求まることがわかる。即
ち，上記（５）式は，理想的には目的の干渉信号の振幅
値Ａを求める式である。ここで，Ａは，入射光の強度と
上記透明平行板９の反射率及び透過率で決定されるた
め，入射光の強度と上記透明平行板９の反射率及び透過
率が面内で一定であれば，上記（５）式の値は面内で一
定となる。しかしながら，上記透明平行板９のコーティ
ングが理想的なものではない場合，即ちＰ１≠０，Ｓ２
≠０の場合のＩ_kyodo を求めてみると，上記（２ａ）式
を上記（５）式に代入することにより次のようになる。
尚，Ｓ２≪Ｓ１，Ｐ１≪Ｐ２よりＢ１は無視している。

【数９】 この式より，測定面と参照面のギャップを表す位相ψに
より，Ｉ_kyodo は画面内で一定とならないことがわか
る。ここで，画像Ｉ_kyodo の最高輝度，最低輝度，即ち
上記（６）式の最大値，最小値は，ｃｏｓ（φ）がそれ
ぞれ１，−１のときであり，Ａ＋Ｂ３，Ａ−Ｂ３とな
る。従って，画像Ｉ_kyodo の最高輝度，最低輝度の差の
１／２，即ち｛（Ａ＋Ｂ３）−（Ａ−Ｂ３）｝／２を求
めれば，上記（２ａ）式の第４項のｃｏｓ（φ）の係数
であるＢ３の値を求めることができる。ここで，ｃｏｓ
（φ）の値は既知であるから，上記Ｂ３の値に基づいて
上記（２ａ）式の第４項の値を推定することができる。
即ち，各位相シフト量φにおける干渉縞画像を用いて上
記（５）式により画像Ｉ_kyodo を求め，その最高輝度，
最低輝度の差の１／２により上記Ｂ３の値を求め，更に
各干渉縞画像からＢ３×ｃｏｓ（φ）の値，即ち上記
（２ａ）式における第４項の推定値を差し引いて得られ
た画像を用いて上記（１）式を計算すれば，透明平行板
９のコーティングの不完全さによる誤差要因が除去で
き，測定精度を向上させることが可能となる。

【００１８】（ｃ）透明平行板９のコーティングは，Ｓ
偏光成分の反射率が１００％，Ｐ偏光の透過率が１００
％となることが理想である。しかしながら，一般的に
は，Ｓ偏光成分の反射率については９９．９％程度を実
現することができ，ほぼ理想状態とすることが可能であ
るものの，Ｐ偏光成分の透過率については９９．０％程
度が限界となるのが現実である。言い換えれば，Ｐ偏光
成分の透過率については理想状態とすることは不可能で
あるものの，Ｓ偏光成分の反射率についてはほぼ理想状
態の１００％とすることが可能であると言える。そこ
で，Ｓ偏光成分の反射率を理想状態と見做すことが可能
な場合には，次のような方法によっても上記（２）式に
おける第４項の値を推定することが可能である。Ｓ偏光
成分の反射率が１００％の場合，Ｓ２は０となるから，
上記（２）式は次のようになる。

【数１０】 ここで，上記（７）式においては，第３項（上記（２）
式の第４項に該る）が誤差要因となる項である。ところ
で，上記（７）式において，仮にＰ２を０とおくことが
できれば，第１項と第２項は共に０となり，次のように
誤差要因となる第３項と定数項Ｃのみを残すことができ
る。

【数１１】 ここで，Ｐ２は物体面（測定面）における反射光である
から，上記（８）式で表される画像とは，即ち物体面か
らの反射光を受光しない状態で得られた画像ということ
になる。そこで，各位相シフト量において干渉縞画像Ｊ
（φ）（φ＝０，π，π／２，３π／２）を取得した後
（若しくは前）に，例えば測定対象物１０を取り除いた
画像Ｊ０（φ）（φ＝０，π，π／２，３π／２）（補
正用画像に相当）を取得し，Ｉ（φ）＝Ｊ（φ）−Ｊ０
（φ）により得られた画像Ｉ（φ）を用いて上記（１）
式を計算すれば，透明平行板９のコーティングの不完全
さによる誤差要因が除去でき，測定精度を向上させるこ
とが可能となる。尚，物体面からの反射光を受光しない
状態での画像の取得方法は，上記測定対象物１０を取り
除いて取得する方法に限られるものではない。例えば，
透明平行板９を透過した光を吸収したり，観測面以外の
方向に反射させる手段を用いることも可能である。

【００１９】（上記実施の形態のその他の変形例）ま
た，上記実施の形態における上記透明平行板９の下面９
ｂに施したコーティング処理に代えて，例えば上記透明
平行板９の下面９ｂに光をブリュースタ角で入射させる
ようにしてＰ偏光成分を透過させ（入射角設定手段），
更に上記透明平行板９と測定対象物１０との間にＰ偏光
成分を透過してＳ偏光成分を透過しないように偏光子を
挿入するような構成としてもよい。但し，この場合には
測定対象物と同程度の大きさの偏光子が必要となるた
め，大サイズの測定対象物の測定には向かない。

【００２０】また，位相遅れ量の異なる複数の位相板を
交換するのではなく，複数の位相板を光軸上に並べ，こ
れらを所定量回転させることによっても同等の効果が得
られる。例えば，図３に示すように，レーザ光源１の出
射光を４５°方向に偏光させ，その後に１／４波長板
（ＱＰ），１／２波長板（ＨＰ）を挿入する。２つの波
長板の進相軸を共に４５°方向に向ければ（偏光板で４
５°方向としてもよい），Ｓ偏光成分（Ｙ軸方向）もＰ
偏光成分（Ｘ軸方向）も共に位相の遅れはなく，図４
（ａ）に示すように２つの波長板を透過後も偏光方向は
変化しない。次に，１／４波長板（ＱＰ）の進相軸をＹ
軸方向に向ければ，Ｐ偏光成分はＳ偏光成分より１／４
波長遅れ，図４（ｂ）に示すように光は左回りの円偏光
となる。同様にして，図５（ｃ），（ｄ）に示すように
両波長板の軸の方向を変えれば，上記実施の形態と同様
にＳ偏光成分とＰ偏光成分の位相差を４段階に切り換え
ることが可能となる。尚，１／４波長板（ＱＰ），１／
２波長板（ＨＰ）に，更に１／８波長板を加えることに
より，１／８波長，即ちπ／４ラジアン毎に２³ ＝８段
階の位相差を与えることができる。一般的に，位相遅れ
量の異なるｎ個の波長板を用いれば，２ⁿ 段階の位相差
を与えることが可能である。位相差の分割数を増やせば
位相シフト計算の精度は向上するため，必要とする精度
によって適当な分割数に設定すればよい。

【００２１】また，上記のような位相板に変えて，バビ
ネソレイユ位相板を用いて位相差を与えてもよい。ま
た，ポッケルスセルのような電気光学素子を用いてもよ
い。この場合，位相シフトに機械的な動作を全く必要と
しないため，より短時間での測定が可能となる。

【００２２】また，位相板等ではなく，図５〜６に示す
ような機構により位相差を与えてもよい。図５では，レ
ーザ光源１からの光を円偏光などとし，偏光ビームスプ
リッタ（以下，ＰＢＳという）２１に入射させる。ＰＢ
Ｓ２１において，Ｐ偏光成分は透過して直進し，Ｓ偏光
成分は反射し，ミラー２３で反射されて再びＰＢＳ２１
に戻ってくる。このとき，上記Ｓ偏光成分は１／４波長
板（進相軸を上記Ｓ偏光方向に対して４５°に設定す
る）を２回透過することによってＰ偏光となっており，
今度はＰＢＳ２１を透過する。そして，ミラー２５で反
射して再度ＰＢＳ２１に到達するまでに１／４波長板を
２回透過して今度はＳ偏光となり，ＰＢＳ２１で反射さ
れる。これにより，ＰＢＳ２１の下流側ではＳ偏光とＰ
偏光の混合光となる。ここで，上記ミラー２６をピエゾ
駆動機構などで微小移動させることにより，Ｓ偏光成分
とＰ偏光成分との間に任意の位相差を与えることができ
る。また，図６では，ＰＢＳ３１でＰ偏光成分とＳ偏光
成分とに分け，Ｓ偏光成分を三角プリズム３２で反射さ
せてＰＢＳ３３に入射させ，元のＰ偏光成分と混合させ
ている。ここで，上記三角プリズム３２をピエゾ駆動機
構などで微小移動させることにより，Ｓ偏光成分とＰ偏
光成分との間に任意の位相差を与えることができる。ま
た，図７では，ＰＢＳ４１でＰ偏光成分とＳ偏光成分と
に分け，Ｓ偏光成分をミラー４２，４５を経てＰＢＳ４
６に入射させる間に，２枚の透明平行板４３，４４を透
過させている。上記透明平行板４３，４４を矢印のよう
に回転させてＳ偏光成分の経路長を変化させることによ
り，Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との間に任意の位相差を与
えることができる。尚，図７の例では，透明平行板の回
転によって光軸がずれないように，２枚の透明平行板を
対象に回転させている。

【００２３】また，Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との間に位
相差を与える位置は，例えば透明平行板９と偏光子１２
の間などでもよい。また，位相シフト法については，位
相差をπ／２区切りとする４ステップ法に限られるもの
ではない。一般的には３ステップ以上で可能であり，ス
テップを細かくすればそれだけ精度は向上する。また，
精度を犠牲にすれば２ステップでも可能である。更に，
上記透明平行板９の参照面（例えばＳ偏光成分を反射
し，Ｐ偏光成分を透過するコーティングを施す面）は，
下面９ｂではなく上面９ａでもよい。但し，この場合に
は透明平行板９の平行度が測定精度に影響を与える（平
行板の凹凸が測定対象面の凹凸に含まれる形で評価され
る）ということに注意が必要である。

【００２４】（第２の発明を具現化した実施例）図８に
示す表面形状測定装置Ａ２は，第２の発明を具現化した
一例である。レーザ光源５１から出射された光は，偏光
ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５２で２分され，Ｓ偏光が
音響光学変調器５４に，Ｐ偏光がミラー５３を経て音響
光学変調器５５に，それぞれ入射される。上記音響光学
変調器５４，５５（周波数差設定手段の一例）は，異な
る周波数（例えば８０．１ＭＨｚと８０．０ＭＨｚ）で
ドライブされており，これによってＳ偏光とＰ偏光との
間に周波数差Ｆ（例えば１００ＫＨｚ）が生じる。上記
音響光学変調器５４，５５を通過したＳ偏光とＰ偏光
は，ＰＢＳ５７で合成された後，外部信号により光の遮
断／透過の制御が可能な光スイッチ５８，ミラー５９，
６０，ビームエキスパンダ６１を経て大径の平行光とな
り，透明平行板６２に入射する。この透明平行板６２の
上面６２ａには反射防止膜のコーティングが施され，更
に下面６２ｂには，Ｓ偏光成分を反射し，Ｐ偏光成分を
透過するコーティングが施されている。このため，上記
透明平行板６２に入射した光は，下面６２ｂにおいてＳ
偏光成分が反射され，Ｐ偏光成分は透過されて測定対象
物６３の表面に到達し，反射する。即ち，上記下面６２
ｂにおいて反射されたＳ偏光成分が参照光，透過された
Ｐ偏光成分が物体光となる。上記参照光と物体光は，レ
ンズ６４を経て偏光板６５に入射して干渉し，該干渉光
はＣＣＤカメラ６６に到達する。上記ＣＣＤカメラ６６
で撮像された画像は，画像メモリ６７に取り込まれ，コ
ンピュータ６８において上記画像に基づいて測定対象物
の表面形状が計算される。

【００２５】ここで，ＣＣＤカメラ６６のＣＣＤ素子上
での干渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）は，次式で示すように周波
数Ｆ（ビート周波数）で時間的に変化するビート波とな
る。 Ｉ（ｕ，ｖ）＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（２πＦｔ＋φ） …（９） ここで，Ａ及びＢは光学系の構造及び測定対象物の反射
率に依存する定数，ｕ，ｖはＣＣＤカメラ６６における
撮像２次元位置である。またφはＣＣＤカメラ６６の撮
像位置（ｕ，ｖ）に到達する参照光と物体光の光路差に
よる位相差であり，透明平行板６２の下面６２ａを基準
とした測定対象物６３の表面の高さ情報を含む。測定対
象物６３の表面高さｚをｆ（ｘ，ｙ）（ｘ，ｙは測定対
象物の２次元座標）としたとき，φはｐを定数として次
のように表される。 φ＝ｋｆ（ｘ，ｙ）＋ｐ …（１０） ここで，ｋは物体光の測定対象物に対する入射角に依存
する定数である。従って，上記（９），（１０）式よ
り，干渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）は次のように表される。 Ｉ（ｕ，ｖ）＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（２πＦｔ＋ｋｆ（ｘ，ｙ）＋ｐ） …（１１） 上記（１１）式より明らかなように，Ｉ（ｕ，ｖ）にお
ける周波数成分Ｆの位相を検出することにより，測定対
象物６３の表面形状ｆ（ｘ，ｙ）を求めることが可能で
ある。以上のように，本装置Ａ２では，測定光と参照光
との間に光周波数差Ｆを持たせ，上記測定光と参照光の
干渉光強度の上記周波数差Ｆ成分の位相に基づいて測定
対象物表面の形状を測定するため，測定対象物を物理的
に移動させることなく測定対象物表面の３次元形状を高
精度に測定することが可能である。更に，参照面（下面
６２ｂ）に，Ｓ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過する
コーティングが施されているため，参照面と測定対象物
との間の多重反射を防止でき，測定精度を高く維持でき
る。

【００２６】ところで，ＣＣＤカメラは１画面毎の採取
によってそれぞれ電荷が蓄積され，一般にその蓄積時間
（Ｔｓ）は１／３０秒程度である。一方，上記ビート周
波数の周期（Ｔｂ）は１／Ｆであり，Ｆを１００（ＭＨ
ｚ）とするとＴｂは上記Ｔｓに比べて小さい。従って，
上記ＣＣＤカメラの出力信号では上記ビート波の時間変
化成分が平滑化されてしまうため，上記出力信号から干
渉光強度Ｉ（ｕ，ｖ）の位相を検出することはできな
い。勿論，ＣＣＤカメラの電荷蓄積時間を短くするか，
或いは周波数差Ｆを小さくすることによって上記干渉光
強度Ｉ（ｕ，ｖ）の位相の検出は可能となる。しかしな
がら，ＣＣＤカメラの電荷蓄積時間を短縮すれば光検出
の感度低下という別の問題を生じ，周波数差Ｆを小さく
するためには音響光学変調器の駆動に周波数の確度と精
度の高い信号が必要となってコスト高となるため，いず
れも現実的な方法ではない。そこで，本装置Ａ２では次
のようにして上記のような問題点を解決している。ま
ず，ＣＣＤカメラ６６にて露光される干渉光を，上記光
スイッチ５８（例えば音響光学変調器を用いることがで
きる）を用いて，図示しない撮像制御手段により次のよ
うに制御する。即ち，図９に示すように，干渉光強度Ｉ
（ｕ，ｖ）の周波数Ｆに同期し，且つ各同期において時
刻ｔ１からΔｔの時間のみ光を透過させるように上記光
スイッチ５８を制御する。これにより，図９に示す干渉
光強度Ｉ（ｕ，ｖ）の斜線部がＣＣＤカメラ６６により
受光されるから，上記ＣＣＤカメラ６６の出力信号Ｐ
（ｕ，ｖ）は次式のようになる。

【数１２】 Δｔを一定としたとき，上記（１２）式はＳ，Ｔ，Ｑを
定数として次のように表される。

【数１３】 ここで，ｔ１は任意に設定可能であり，このｔ１とＰ
（ｕ，ｖ）との関係は図１０に示すようになる。上記
Ｓ，Ｔは未知数であるが，ｔ１の変化に対するＰ（ｕ，
ｖ）を測定することにより，Ｐ（ｕ，ｖ）の位相を算出
できる。Ｐ（ｕ，ｖ）の位相は即ち干渉光強度Ｉ（ｕ，
ｖ）の位相であるから，上記Ｐ（ｕ，ｖ）の位相に基づ
いてコンピュータ６８において測定対象物６３の表面形
状ｆ（ｘ，ｙ）が算出できる。以上のような方法によ
り，ＣＣＤカメラの電荷蓄積時間を短縮したり，或いは
周波数差Ｆを小さくすることなく，一般的なＣＣＤカメ
ラを用いて測定対象物の表面形状の測定が可能である。

【００２７】尚，本装置Ａ２では斜入射干渉法を用いた
が，他の光干渉法を用いた装置とすることも可能であ
る。図１１に，マイケルソン型干渉法を用いた表面形状
測定装置Ａ３の概略構成を示す。これは，互いに直交
し，光周波数の異なる２つのビーム７１，７２をＰＢＳ
７３で分岐させ，ビーム７１を参照ミラー７４に，ビー
ム７２を測定対象物７５にそれぞれ照射させ，これらの
反射光を偏光板７６で干渉させてＣＣＤカメラ７７で撮
像するものである。尚，ＣＣＤカメラによる露光の制御
は，上記のような光スイッチを用いたものに限るもので
はない。例えば，ＣＣＤカメラにおける電子シャッター
などによっても実現可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように，第１の発明は，所
定の投光手段から測定対象物に対して，上記測定対象物
と平行に設置された透明平行板を通して光を照射し，上
記透明平行板からの反射光と上記測定対象物からの反射
光とをそれらの位相差を変化させつつ干渉させることに
よって観測される複数の干渉縞に基づいて上記測定対象
物表面の形状を測定する表面形状測定装置において，上
記投光手段から出射された光を，上記測定対象物の入射
面に平行な偏光成分と垂直な偏光成分とを共に有する光
に変化させる偏光手段と，上記偏光手段を経た光の２つ
の偏光成分の位相差を変化させる位相差変更手段と，上
記透明平行板を含み，上記偏光手段を経た光の一方の偏
光成分を反射，他方を透過させるように構成された光反
射透過手段とを具備してなることを特徴とする表面形状
測定装置として構成されているため，測定対象物を物理
的に移動させることなく，位相シフト法に必要な物体光
と参照光との位相差を変更することができる。また，測
定対象物と同程度のサイズをもつ位相板は必要ないた
め，大サイズの測定対象物にも問題なく対応できる。こ
こで，上記光反射透過手段としては，上記透明平行板の
上面若しくは下面に，上記偏光手段を経た光の一方の偏
光成分を反射，他方を透過させるコーティングを施すこ
とにより実現できる。これにより，参照面（透明平行
板）と測定対象物との間の多重反射を防止でき，測定精
度を高く維持できる。また，上記位相差変更手段を電気
光学素子により構成すれば，機械的な駆動機構などが必
要ないため，より高速での測定が可能となる。

【００２９】ここで，上記光反射透過手段を完全なもの
とすることは難しく，実際には僅かながら反射されるべ
き偏光成分の一部が透過し，透過されるべき偏光成分の
一部が反射してしまう。この場合，上記光反射透過手段
において透過してしまった偏光成分，或いは反射してし
まった偏光成分は，位相シフト法で求められる物体光と
参照光との光路差による位相差の誤差要因となり，測定
精度を低下させてしまう。そこで，上記光反射透過手段
において，少なくとも反射されるべき偏光成分の一部が
透過するか，或いは少なくとも透過されるべき偏光成分
の一部が反射する場合には，上記光反射透過手段を用い
て得られた上記複数の干渉縞の画像に所定の補正処理を
施すことによって上記光反射透過手段の影響による誤差
を除去するように構成すれば，更に測定精度を向上させ
ることが可能となる。

【００３０】ここで，上記所定の補正処理は，例えば，
上記複数の干渉縞画像について，それぞれ所定の統計値
を算出してそれらの変動分を求め，上記各干渉縞画像か
ら上記変動分を差し引くものとすることが考えられる。
またその所定の統計値としては，例えば平均輝度，最高
輝度，最低輝度，最頻値輝度等を用いることができる。
或いは，上記透明平行板の面内において，入射光の強
度，上記光反射透過手段による反射率及び透過率が一定
と見做せる場合には，上記所定の補正処理は，

【数１４】 によって得られる画像の最高輝度Ｉ_KYODO1と最低輝度Ｉ
_KYODO2とを求め，上記各干渉縞画像Ｉ（φ）から（Ｉ
_KYODO1−Ｉ_KYODO2）／２×ｃｏｓ（φ）（但し，φは透
明平行板と測定対象物からのそれぞれの反射光の位相
差）を差し引くものとしてもよい。或いは，上記光反射
透過手段において，反射されるべき偏光成分が全て反射
されると見做せる場合には，上記所定の補正処理は，上
記測定対象物からの反射光を受光しない条件の下で上記
複数の干渉縞画像に対応する補正用画像をそれぞれ取得
し，上記各干渉縞画像からそれぞれに対応する上記補正
用画像を差し引くものとしてもよい。

【００３１】また，第２の発明は，所定の投光手段から
測定対象物に対して光を照射し，上記測定対象物で反射
された物体光と所定の参照光とを干渉させてその干渉光
強度を検出し，該干渉光強度に基づいて上記測定対象物
表面の形状を測定する表面形状測定装置において，上記
物体光と上記所定の参照光との間に光周波数差Ｆを持た
せる周波数差設定手段を具備し，上記周波数差設定手段
によって周波数差Ｆを持たせた上記物体光と所定の参照
光との干渉光強度の上記周波数差Ｆ成分の位相に基づい
て，上記測定対象物表面の形状を測定してなることを特
徴とする表面形状測定装置として構成されているため，
測定対象物を物理的に移動させることなく測定対象物表
面の３次元形状を高精度に測定することが可能である。
更に，上記干渉光強度の検出手段としてＣＣＤ撮像素子
を用いる場合には，上記周波数差Ｆと同期し，且つ１／
Ｆよりも短い露光時間でその露光のタイミングを変化さ
せつつ，上記ＣＣＤ撮像素子により複数の上記干渉光強
度を検出する撮像制御手段を具備し，上記撮像制御手段
によって得られた上記複数の干渉光強度に基づいて上記
測定対象物表面の形状を測定するようにすれば，ＣＣＤ
カメラの電荷蓄積時間が上記干渉光の周期よりも長い場
合でも，ＣＣＤカメラの電荷蓄積時間を短縮したり，或
いは周波数差Ｆを小さくすることなく，一般的なＣＣＤ
カメラを用いて測定対象物の表面形状の測定が可能であ
る。更に，上記測定対象物と平行に設置された透明平行
板からの反射光を上記参照光とし，上記投光手段を，上
記測定対象物の入射面に平行な偏光成分と垂直な偏光成
分とを共に有する光を照射するように構成し，上記透明
平行板を含む光反射透過手段が，上記投光手段から照射
された光の一方の偏光成分を反射させ，他方を透過させ
て上記測定対象物に至らしめるように構成すれば，参照
面（透明平行板）と測定対象物との間の多重反射を防止
でき，測定精度を高く維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態（第１の発明）に係る表
面形状測定装置Ａ１の概略構成図。

【図２】 透明平行板９においてＳ偏光成分の一部Ｓ２
が透過し，Ｐ偏光成分の一部Ｐ１が反射する状態を示す
説明図。

【図３】 複数の位相板の回転により位相差を変更する
場合の位相板の設置例。

【図４】 図３に示す位相板による位相差変更方法の説
明図。

【図５】 位相差変更手段のその他の構成例。

【図６】 位相差変更手段のその他の構成例。

【図７】 位相差変更手段のその他の構成例。

【図８】 本発明の実施例（第２の発明）に係る表面形
状測定装置Ａ２の概略構成図。

【図９】 干渉光強度Ｉ（ｘ，ｙ）に対するＣＣＤカメ
ラの露光タイミングの設定方法の説明図。

【図１０】 図９におけるタイミングｔ１を変化させた
ときのＣＣＤカメラの出力Ｐ（ｕ，ｖ）の変化状態を示
す図。

【図１１】 第２の発明の他の実施例に係る表面形状測
定装置Ａ３の概略構成図。

【図１２】 従来技術に係る表面形状測定装置Ａ０の概
略構成図。

【図１３】 従来技術に係る表面形状測定装置Ａ０′の
概略構成図。

【符号の説明】

１…レーザ光源（投光手段の一例） ２…偏光子（偏光手段の一例） ３…位相板（位相差変更手段の一例） ９…透明平行板 １０…測定対象物 １２…偏光子 ５１…レーザ光源（投光手段の一例） ５４，５５…音響光学変調器（周波数差設定手段の一
例） ６２…透明平行板 ６３…測定対象物 ６５…偏光子 ６６…ＣＣＤカメラ（ＣＣＤ撮像素子）

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の投光手段から測定対象物に対し
   て，上記測定対象物と平行に設置された透明平行板を通
   して光を照射し，上記透明平行板からの反射光と上記測
   定対象物からの反射光とをそれらの位相差を変化させつ
   つ干渉させることによって観測される複数の干渉縞に基
   づいて上記測定対象物表面の形状を測定する表面形状測
   定装置において，上記投光手段から出射された光を，上
   記測定対象物の入射面に平行な偏光成分と垂直な偏光成
   分とを共に有する光に変化させる偏光手段と，上記偏光
   手段を経た光の２つの偏光成分の位相差を変化させる位
   相差変更手段と，上記透明平行板を含み，上記偏光手段
   を経た光の一方の偏光成分を反射，他方を透過させるよ
   うに構成された光反射透過手段とを具備してなることを
   特徴とする表面形状測定装置。
2. 【請求項２】 上記光反射透過手段を構成する上記透明
   平行板の上面若しくは下面に，上記偏光手段を経た光の
   一方の偏光成分を反射，他方を透過させるコーティング
   が施されてなる請求項１記載の表面形状測定装置。
3. 【請求項３】 上記光反射透過手段が，上記偏光手段を
   経た光を上記透明平行板にブリュースタ角で入射させる
   入射角設定手段と，上記透明平行板と上記測定対象物と
   の間に設置され，上記測定対象物の入射面に垂直な偏光
   成分を透過し，平行な偏光成分を透過しない偏光子とで
   構成されてなる請求項１記載の表面形状測定装置。
4. 【請求項４】 上記位相差変更手段が，位相遅れ量の異
   なる複数の位相板を切り替えるように構成されてなる請
   求項１〜３のいずれかに記載の表面形状測定装置。
5. 【請求項５】 上記位相差変更手段が，光軸上に並べら
   れた位相遅れ量の異なる複数の位相板を光軸周りに所定
   量回転させるように構成されてなる請求項１〜３のいず
   れかに記載の表面形状測定装置。
6. 【請求項６】 上記位相差変更手段が，電気光学素子に
   より構成されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の表
   面形状測定装置。
7. 【請求項７】 上記光反射透過手段において，少なくと
   も反射されるべき偏光成分の一部が透過するか，或いは
   少なくとも透過されるべき偏光成分の一部が反射する場
   合に，上記光反射透過手段を用いて得られた上記複数の
   干渉縞の画像に所定の補正処理を施すことによって上記
   光反射透過手段の影響による誤差を除去するように構成
   されてなる請求項１〜６のいずれかに記載の表面形状測
   定装置。
8. 【請求項８】 上記所定の補正処理が，上記複数の干渉
   縞画像について，それぞれ所定の統計値を算出してそれ
   らの変動分を求め，上記各干渉縞画像から上記変動分を
   差し引くものである請求項７記載の表面形状測定装置。
9. 【請求項９】 上記所定の統計値が，平均輝度，最高輝
   度，最低輝度，及び最頻値輝度のいずれかである請求項
   ８記載の表面形状測定装置。
10. 【請求項１０】 上記透明平行板の面内において，入射
    光の強度，上記光反射透過手段による反射率及び透過率
    が一定と見做せる場合に，上記所定の補正処理が， 【数１】 によって得られる画像の最高輝度Ｉ_KYODO1と最低輝度Ｉ
    _KYODO2とを求め，上記各干渉縞画像Ｉ（φ）から（Ｉ
    _KYODO1−Ｉ_KYODO2）／２×ｃｏｓ（φ）（但し，φは透
    明平行板と測定対象物からのそれぞれの反射光の位相
    差）を差し引くものである請求項７記載の表面形状測定
    装置。
11. 【請求項１１】 上記光反射透過手段において，反射さ
    れるべき偏光成分が全て反射されると見做せる場合に，
    上記所定の補正処理が，上記測定対象物からの反射光を
    受光しない条件の下で上記複数の干渉縞画像に対応する
    補正用画像をそれぞれ取得し，上記各干渉縞画像からそ
    れぞれに対応する上記補正用画像を差し引くものである
    請求項７記載の表面形状測定装置。
12. 【請求項１２】 所定の投光手段から測定対象物に対し
    て光を照射し，上記測定対象物で反射された物体光と所
    定の参照光とを干渉させてその干渉光強度を検出し，該
    干渉光強度に基づいて上記測定対象物表面の形状を測定
    する表面形状測定装置において，上記物体光と上記所定
    の参照光との間に光周波数差Ｆを持たせる周波数差設定
    手段を具備し，上記周波数差設定手段によって周波数差
    Ｆを持たせた上記物体光と所定の参照光との干渉光強度
    の上記周波数差Ｆ成分の位相に基づいて，上記測定対象
    物表面の形状を測定してなることを特徴とする表面形状
    測定装置。
13. 【請求項１３】 上記干渉光強度の検出手段としてのＣ
    ＣＤ撮像素子と，上記周波数差Ｆと同期し，且つ１／Ｆ
    よりも短い露光時間でその露光のタイミングを変化させ
    つつ，上記ＣＣＤ撮像素子により複数の上記干渉光強度
    を検出する撮像制御手段とを具備し，上記撮像制御手段
    によって得られた上記複数の干渉光強度に基づいて上記
    測定対象物表面の形状を測定してなる請求項１２記載の
    表面形状測定装置。
14. 【請求項１４】 上記撮像制御手段が，上記干渉光の遮
    断／透過の切り換えが可能な光スイッチにより構成され
    る請求項１３記載の表面形状測定装置。
15. 【請求項１５】 上記測定対象物と平行に設置された透
    明平行板からの反射光を上記参照光とし，上記投光手段
    が，上記測定対象物の入射面に平行な偏光成分と垂直な
    偏光成分とを共に有する光を照射するように構成され，
    上記透明平行板を含む光反射透過手段が，上記投光手段
    から照射された光の一方の偏光成分を反射させ，他方を
    透過させて上記測定対象物に至らしめるように構成され
    てなる請求項１２〜１４のいずれかに記載の表面形状測
    定装置。