JP2000180124A - Instrument and method for measuring geometric thickness and refractive index of sample - Google Patents

Instrument and method for measuring geometric thickness and refractive index of sample

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JP2000180124A
JP2000180124A JP10356734A JP35673498A JP2000180124A JP 2000180124 A JP2000180124 A JP 2000180124A JP 10356734 A JP10356734 A JP 10356734A JP 35673498 A JP35673498 A JP 35673498A JP 2000180124 A JP2000180124 A JP 2000180124A
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口 一 郎 山
Ten Fukano
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To speedily and securely measure the geometrical thickness and refractive index of a sample. SOLUTION: The light from an LD 11 is split by a frequency shifter 12 into a couple of split lights; and one split light is reflected from a polarization beam splitter 17 to a reference mirror 18 and the other split light is reflected from the polarization beam splitter 17 to the sample 20. The split lights become interference lights thereafter to make a detector 25 generates an interference signal. An RMS-DC converter 32 finds the amplitude of the interference light of a detector 25 and a zero-cross comparator 27, a phase meter 28, and a lock-in amplifier 29 find a phase modulation factor. An arithmetic part 35 finds the movement distance needed for the focus to move from one surface to the other of the sample 20 and the increment of the optical path is found according to the phase modulation factor. Then the geometric thickness and refractive index of the sample are found according to the movement distance and the increment of the optical path.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は試料の幾何学的厚さ
と屈折率を求める試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定
装置およびその測定方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and a method for measuring the geometric thickness and refractive index of a sample for determining the geometric thickness and the refractive index of the sample.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から薄膜や光ガラス等の透明試料の
光学的厚さを測定するため、低コヒーレンス干渉法が用
いられている。低コヒーレンス干渉法は、干渉計におい
て白色光や発光ダイオードのような可干渉性の低い光源
を用いることにより、干渉計の両腕の光路差が0近傍の
みに干渉縞が現れることを利用して、その時の参照鏡の
位置から測定物体の絶対的な位置を知る方法である。こ
れはブロックゲージの絶対測長や基線の校正、表面形状
測定等に応用されている。さらに、近年では、これを拡
張した手法が、眼科学や生体科学の分野で盛んに研究さ
れている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a low coherence interferometry has been used to measure the optical thickness of a transparent sample such as a thin film or optical glass. Low coherence interferometry utilizes the fact that an interference fringe appears only when the optical path difference between both arms of the interferometer is near zero by using a low-coherence light source such as white light or a light emitting diode in the interferometer. This is a method of knowing the absolute position of the measurement object from the position of the reference mirror at that time. This is applied to absolute measurement of a block gauge, calibration of a baseline, surface shape measurement, and the like. Further, in recent years, an extended method has been actively studied in the fields of ophthalmology and biological science.

【0003】他方、レーザー光を試料にスポット照射
し、そこからの反射光または蛍光等を点検出器に再結像
させる方式の共焦点レーザー顕微鏡が知られている。
[0003] On the other hand, a confocal laser microscope is known which irradiates a sample with a laser beam on a spot and re-images reflected light or fluorescence from the sample on a point detector.

【0004】この共焦点顕微鏡は従来の光学顕微鏡と比
べて高コントラスト画像が得られるだけでなく、光軸方
向にも高い分解能をもち3次元像の構築ができるために
表面形状測定や生体試料観測の手法として定着してい
る。
This confocal microscope can not only obtain a high-contrast image than a conventional optical microscope, but also has a high resolution in the optical axis direction and can construct a three-dimensional image. Has been established as a method.

【0005】またこの共焦点顕微鏡の光軸方向の分解能
を利用することにより透明な試料の光学的厚さの測定を
行なうことができる。
The optical thickness of a transparent sample can be measured by utilizing the resolution of the confocal microscope in the optical axis direction.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、共焦点原理に
より直接に求まる量は光学的厚さであり、幾何学的厚さ
を求めるためには、各層の屈折率を別の手法により求め
なければならない。このような問題点は上述した低コヒ
ーレンス干渉法における厚さ測定でも同様に生じる。と
ころが、成形された試料の屈折率を迅速かつ確実に測定
する方法は未だ開発されていないのが実情である。
However, the quantity directly obtained by the confocal principle is the optical thickness. In order to obtain the geometric thickness, the refractive index of each layer must be obtained by another method. No. Such a problem similarly occurs in the thickness measurement in the low coherence interferometry described above. However, the fact is that a method for quickly and reliably measuring the refractive index of a molded sample has not yet been developed.

【0007】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、迅速かつ確実に試料の幾何学的厚さおよび
屈折率を求めることができる試料の幾何学的厚さおよび
屈折率測定装置およびその測定方法を提供することを目
的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the foregoing points, and a method for measuring the geometric thickness and refractive index of a sample, which can quickly and reliably determine the geometric thickness and refractive index of the sample. It is an object to provide an apparatus and a measurement method thereof.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、試料に対して
周波数可変光を投光する光源と、光源からの光を偏光の
相違により一対の分離光に分けるとともに、各分離光の
周波数を変化させる周波数シフタと、周波数シフタと試
料との間の光路中に配置された偏光ビームスプリッタ
と、周波数シフタと試料との間の光路と交差するととも
に偏光ビームスプリッタを通る直線上において、偏光ビ
ームスプリッタの一側に配置された参照鏡と、ビームス
プリッタの他側に配置され偏光ビームスプリッタを通り
参照鏡から反射する一方の分離光と、偏光ビームスプリ
ッタを通り試料から反射する他方の分離光との干渉によ
り生じる干渉信号を検出する検出器と、検出器からの干
渉信号に基づいて振幅を求める振幅検出部と、検出器か
らの干渉信号に基づいて位相変調率信号を求める位相変
調率信号検出部と、振幅検出部からの振幅に基づいて、
他方の分離光の焦点が試料の一面から他面へ移るのに必
要な試料の移動距離を求めるとともに、位相変調信号検
出部からの位相変調率信号に基づいて焦点が試料の一面
から他面へ移る際の他方の分離光の光路長の増加分を求
め、この移動距離および光路長の増加分に基づいて試料
の幾何学的厚さおよび屈折率を求める演算部と、を備え
たことを特徴とする試料の幾何学的厚さおよび屈折率測
定装置である。上記記載の幾何学的厚さおよび屈折率測
定装置を用いた測定方法において、試料を周波数シフタ
に対して相対的に移動させる工程と、光源からの光のう
ち周波数シフタで分離された一方の分離光を偏光ビーム
スプリッタを経て参照鏡に反射させるとともに、周波数
シフタで分離された他方の分離光を偏光ビームスプリッ
タを経て試料に反射させ、これら一対の分離光を干渉さ
せて干渉信号として検出器により検出する工程と、検出
器からの干渉信号に基づいて振幅検出部により振幅を求
める工程と、検出器からの干渉信号に基づいて位相変調
率信号検出部により位相変調率信号を求める工程と、演
算部において、振幅検出部からの振幅に基づいて、他方
の分離光の焦点が試料の一面から他面へ移るのに必要な
試料の移動距離を求めるとともに、位相変調率検出部か
らの位相変調率信号に基づいて焦点が試料の一面から他
面へ移る際の他方の分離光の光路長の増加分を求め、こ
の移動距離および光路長の増加分に基づいて試料の幾何
学的厚さおよび屈折率を求める工程と、を備えたことを
特徴とする測定方法である。
According to the present invention, there is provided a light source for projecting frequency-variable light to a sample, and the light from the light source is divided into a pair of separated lights by a difference in polarization. A changing frequency shifter, a polarizing beam splitter disposed in an optical path between the frequency shifter and the sample, and a polarizing beam splitter on a straight line passing through the polarizing beam splitter while intersecting the optical path between the frequency shifter and the sample. A reference mirror disposed on one side of the beam splitter, one separated light reflected from the reference mirror passing through the polarization beam splitter disposed on the other side of the beam splitter, and the other separated light reflected from the sample through the polarization beam splitter. A detector for detecting an interference signal generated by the interference, an amplitude detector for obtaining an amplitude based on the interference signal from the detector, and a detector based on the interference signal from the detector. And a phase modulation index signal detector for determining the phase modulation rate signal Te, based on the amplitude from the amplitude detector,
The moving distance of the sample required for the focal point of the other separated light to move from one surface of the sample to the other surface is determined, and the focal point is shifted from one surface of the sample to the other surface based on the phase modulation rate signal from the phase modulation signal detector. A calculating unit for determining an increase in the optical path length of the other separated light when moving, and for determining a geometric thickness and a refractive index of the sample based on the movement distance and the increase in the optical path length. Is a device for measuring the geometric thickness and the refractive index of a sample. In the measuring method using the geometric thickness and refractive index measuring device described above, the step of moving the sample relative to the frequency shifter, and one of the light from the light source separated by the frequency shifter The light is reflected to the reference mirror via the polarizing beam splitter, and the other separated light separated by the frequency shifter is reflected to the sample via the polarizing beam splitter, and the pair of separated lights interfere with each other to be detected by the detector as an interference signal. Detecting, detecting an amplitude by an amplitude detector based on an interference signal from the detector, obtaining a phase modulation rate signal by a phase modulation rate signal detector based on the interference signal from the detector, and calculating In the unit, based on the amplitude from the amplitude detection unit, and determine the moving distance of the sample necessary for the focus of the other separated light to move from one surface of the sample to the other surface Based on the phase modulation rate signal from the phase modulation rate detection unit, the amount of increase in the optical path length of the other separated light when the focus shifts from one surface of the sample to the other surface is determined, and based on this movement distance and the increase in the optical path length Determining the geometric thickness and the refractive index of the sample by using the measurement method.

【0009】本発明によれば、振幅検出部において、検
出器からの干渉信号に基づいて振幅を求めるとともに、
位相変調率信号検出部において検出器からの干渉信号に
基づいて位相変調率信号を求める。演算部において、振
幅検出部からの振幅に基づいて他方の分離光の焦点が試
料の一面から他面へ移るのに必要な試料の移動距離を求
めるとともに、位相変調率信号検出部からの位相変調率
信号に基づいて焦点が試料の一面から他面へ移る際の他
方の分離光の光路の増加分を求める。この移動距離と光
路の増加分とに基づいて、試料の幾何学的厚さおよび屈
折率が求められる。
According to the present invention, the amplitude detector determines the amplitude based on the interference signal from the detector,
A phase modulation rate signal detection section obtains a phase modulation rate signal based on an interference signal from the detector. The arithmetic unit determines the moving distance of the sample necessary for the focal point of the other separated light to move from one surface of the sample to the other surface based on the amplitude from the amplitude detecting unit, and calculates the phase modulation from the phase modulation rate signal detecting unit. Based on the rate signal, an increase in the optical path of the other separated light when the focus shifts from one surface to the other surface of the sample is obtained. The geometric thickness and the refractive index of the sample are determined based on the moving distance and the increase in the optical path.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0011】まず本発明の基本的原理について説明す
る。測定原理 (屈折率・厚さの分離測定)図1に屈折率・厚さの分離
測定原理を示す。ここでは、簡単のため単層試料で説明
するが、多層への適用は容易である。平行光が対物レン
ズ19を通して試料20に照射される。試料20を対物
レンズ19に近づけていくと、まず試料20の一面(対
物レンズ19に近い面)に焦点が合う(図1(a))。
さらに、近づけると対物レンズ19から焦点位置までの
光路長は増加していき(図1(d))、今度は、試料2
0の他面に焦点が合う(図1(b))。ここで、焦点位
置を試料20の一面から他面へと移すのに必要な試料2
0の移動距離をΔz とし、またそのときの光路長の増加
分をΔl とすると、試料20の屈折率nおよび幾何学的
厚さdは(1)(2)式を用いて算出される。
First, the basic principle of the present invention will be described. Measurement Principle (Separation Measurement of Refractive Index and Thickness) FIG. 1 shows the principle of separation measurement of refractive index and thickness. Here, a single-layer sample is described for simplicity, but application to a multilayer is easy. The sample 20 is irradiated with the parallel light through the objective lens 19. When the sample 20 is moved closer to the objective lens 19, first, one surface of the sample 20 (a surface close to the objective lens 19) is focused (FIG. 1A).
Further, when the distance is closer, the optical path length from the objective lens 19 to the focal position increases (FIG. 1 (d)).
0 is focused on the other surface (FIG. 1 (b)). Here, the sample 2 required to shift the focal position from one surface of the sample 20 to the other surface
Assuming that the moving distance of 0 is Δz and the increase in the optical path length at that time is Δl, the refractive index n and the geometric thickness d of the sample 20 are calculated using the equations (1) and (2).

【数1】 ここで、NAは対物レンズの開口数を表す。(Equation 1) Here, NA represents the numerical aperture of the objective lens.

【0012】この原理では、試料20の移動距離Δz
と、光路長の増加Δl の2量を測定する必要がある。試
料20の移動距離Δz の測定を行うためには、焦点の検
出を行う必要がある。これには次に述べる波長走査型ヘ
テロダイン干渉法を用いる。
According to this principle, the moving distance Δz of the sample 20 is
And the increase of the optical path length Δl needs to be measured. In order to measure the moving distance Δz of the sample 20, it is necessary to detect the focus. For this, a wavelength scanning type heterodyne interferometry described below is used.

【0013】(共焦点顕微鏡の原理)共焦点顕微鏡は、
図13に示すように点光源11から発した光を対物レン
ズ19を通して試料20に照射し、試料20から反射し
た光を偏光ビームスプリッタ17によって反射させ、レ
ンズ23によってピンホール24上に集光し、その透過
光を検出する。ここで、焦点位置が試料表面に一致した
ときには、ピンホールを通して検出される信号は極大値
をとる(図1(c))。逆に、信号がピークをとる位置
が、試料表面に焦点があっているときである。
(Principle of confocal microscope)
As shown in FIG. 13, light emitted from the point light source 11 is applied to the sample 20 through the objective lens 19, the light reflected from the sample 20 is reflected by the polarization beam splitter 17, and collected on the pinhole 24 by the lens 23. , And detects the transmitted light. Here, when the focal position coincides with the sample surface, the signal detected through the pinhole has a maximum value (FIG. 1C). Conversely, the position where the signal peaks is when the sample surface is focused.

【0014】(波長走査型ヘテロダイン干渉法の原理)
波長走査型干渉法は光路差を持たせた干渉計において、
光源の波長を一定量だけ連続的に変化させたときに生ず
る干渉信号の位相変化を測定し、それより干渉計の光路
差を可動部なしで測定する手法である。光源に半導体レ
ーザー(あるいはレーザーダイオード,LD)を用いた
場合、連続的に波長を掃引できる幅が小さいため、位相
の変化は小さい。そこで、高分解能で光路差測定を行う
ためには、位相の測定精度を高くする必要がある。その
ため、光ヘテロダイン干渉法を併用した手法(波長走査
型ヘテロダイン干渉法と呼ぶ)を用いる。この波長走査
型ヘテロダイン干渉法を図2をもとに説明する。
(Principle of Wavelength Scanning Heterodyne Interferometry)
Wavelength scanning interferometry is an interferometer with an optical path difference.
This method measures the phase change of an interference signal that occurs when the wavelength of a light source is continuously changed by a fixed amount, and then measures the optical path difference of the interferometer without a movable part. When a semiconductor laser (or laser diode, LD) is used as the light source, the change in phase is small because the width over which the wavelength can be continuously swept is small. Therefore, in order to perform optical path difference measurement with high resolution, it is necessary to increase the phase measurement accuracy. Therefore, a technique using optical heterodyne interferometry (also called wavelength scanning heterodyne interferometry) is used. This wavelength scanning type heterodyne interferometry will be described with reference to FIG.

【0015】まず、はじめに注入電流変調をかけたLD
11の出射光の電場は、LD11からの距離をz、時刻
をtとすると次式で表される。
First, an LD to which injection current modulation is applied first
The electric field of the outgoing light 11 is represented by the following equation, where z is the distance from the LD 11 and t is the time.

【数2】 ここで、cは光速、E0 (t)およびV(t)は時刻t
におけるLD端での電場と光周波数であり、正弦変調の
場合には次式を用いて表される。
(Equation 2) Here, c is the speed of light, E 0 (t) and V (t) are the times t
Are the electric field and the optical frequency at the LD end, and in the case of sine modulation, it is expressed using the following equation.

【0016】 E0 (t)=A ……(4) V(t)=V0 +ΔVcos(2πfm t+φ) ……(5) ここで、Aは電場の振幅で簡単のために一定としてお
く。V0 は変調をかけないときの光周波数、ΔVは周波
数変調幅、φは注入電流の変調信号を基準としたときの
V(t)の初期位相である。
[0016] E 0 (t) = A ...... (4) V (t) = V 0 + ΔVcos (2πf m t + φ) ...... (5) where, A is kept to be constant for simplicity in the amplitude of the electric field. V 0 is the optical frequency when no modulation is applied, ΔV is the frequency modulation width, and φ is the initial phase of V (t) with reference to the modulation signal of the injection current.

【0017】図2を参照すると、LD11から出た光
は、光周波数シフタ12によって、たがいに周波数がV
b だけ異なる2つの直交直線偏光となる。このうち一方
の分離光を参照鏡15へ向ける参照光として用い、もう
一方の分離光を試料20へ向ける物体光として用いる。
検出器25における参照光および物体光の電場Eref
obj は次のように表される。
Referring to FIG. 2, light emitted from the LD 11 has a frequency of V
Two orthogonal linearly polarized lights different by b are obtained. One of the separated lights is used as reference light directed to the reference mirror 15, and the other is used as object light directed to the sample 20.
The electric field E ref of the reference light and the object light in the detector 25,
E obj is represented as follows.

【数3】 ここで、α、βは偏光ビームスプリッタ17の振幅分割
比、Zref 、Zobj は参照光および物体光の光路長、V
ref 、Vobj は参照光および物体光の周波数で、 Vref (t)=V(t)+V1 ……(8) Vobj (t)=V(t)+V1 +Vb ……(9) で表される。V1 およびV1+Vbは光周波数シフタ12
による光周波数シフト量をあらわし、その差Vb が観測
されるビート周波数に相当する。
(Equation 3) Here, α and β are the amplitude division ratios of the polarization beam splitter 17, Z ref and Z obj are the optical path lengths of the reference light and the object light, and V
ref, the frequency of the V obj reference light and object light, V ref (t) = V (t) + V 1 ...... (8) V obj (t) = V (t) + V 1 + V b ...... (9) It is represented by V 1 and V 1 + V b are optical frequency shifters 12
And the difference Vb corresponds to the observed beat frequency.

【0018】これより、検出器25で得られるビート信
号は、
Thus, the beat signal obtained by the detector 25 is

【数4】 となる。(Equation 4) Becomes

【0019】ここで両光の光路差をL=2(Zref−Z
obj)としている。これよりビート信号の位相が変調周
波数fm で変調され、その振幅を測定することにより光
路差Lが求められる。
Here, the optical path difference between the two lights is L = 2 (Z ref −Z
obj ). From this beat signal phase is modulated at the modulation frequency f m, the optical path difference L is obtained by measuring the amplitude.

【0020】(共焦点信号と光路差の同時測定)屈折率
・厚さの分離測定では、これら共焦点顕微鏡および波長
走査型ヘテロダイン干渉法を用いて、焦点検出と光路長
測定を行う。従来の測定手法では、これら2つの光学系
が1つの光学系に組み込まれており、それぞれを切り替
えて測定していた。すなわち、参照光路に入れたシャッ
ターを閉じることによって、まず、光学系を共焦点系に
し、試料を光軸方向に移動させ、その共焦点系の信号か
らピーク位置、すなわち界面に焦点が合う位置を計算す
る。次に、そのピーク位置に試料を移動させ、シャッタ
ーを開放することにより光学系を波長走査型ヘテロダイ
ン干渉計に切り替えて、光路長測定を行う。これをそれ
ぞれのピーク位置に対して順に行っていた。
(Simultaneous Measurement of Confocal Signal and Optical Path Difference) In the separation measurement of the refractive index and the thickness, focus detection and optical path length measurement are performed using the confocal microscope and the wavelength scanning heterodyne interferometry. In a conventional measurement method, these two optical systems are incorporated in one optical system, and each of them is switched to perform measurement. That is, by closing the shutter inserted in the reference optical path, first, the optical system is made a confocal system, the sample is moved in the direction of the optical axis, and the peak position, that is, the position where the interface is focused on is determined from the signal of the confocal system. calculate. Next, the optical system is switched to the wavelength scanning type heterodyne interferometer by moving the sample to the peak position and opening the shutter to measure the optical path length. This was performed sequentially for each peak position.

【0021】この方法では、一度取得した共焦点信号ピ
ーク位置に試料を再移動させた後、それぞれの位置で光
路差を測定するため時間がかかる。さらに、機械的なス
テージを用いるので、バックラッシュの影響がさけられ
ず、その影響を低減するために、一度、ステージを機械
原点に戻してからピーク位置に移動させていた。これに
より、さらに時間がかかることになる。
In this method, it takes a long time to move the sample to the confocal signal peak position once obtained and then measure the optical path difference at each position. Furthermore, since a mechanical stage is used, the effects of backlash cannot be avoided, and in order to reduce the effects, the stage is once returned to the mechanical origin and then moved to the peak position. This requires more time.

【0022】本発明は試料20の光軸方向の移動時に、
共焦点系の情報と、波長走査型ヘテロダイン干渉計によ
る光路長情報とを同時に取得するものである。これによ
り、試料の光軸方向の走査は1回で済むので測定時間の
短縮につながり、またバックラッシュの問題も解決され
る。
According to the present invention, when the sample 20 moves in the optical axis direction,
The information of the confocal system and the optical path length information by the wavelength scanning type heterodyne interferometer are simultaneously obtained. As a result, only one scan of the sample in the optical axis direction is required, which leads to a reduction in measurement time, and also solves the problem of backlash.

【0023】本発明においては、検出器25で検出され
るビート信号から共焦点プロファイルに相当する強度情
報と、波長走査型ヘテロダイン干渉計に相当する位相変
調率とを分離することが必要となる。共焦点信号および光路差信号の分離 (検出される干渉信号の解析式)まず、はじめに検出さ
れるビート信号を解析的に求め、次に分離手法を検討す
る。解析のモデルは図2に示す光学系である。
In the present invention, it is necessary to separate the intensity information corresponding to the confocal profile and the phase modulation rate corresponding to the wavelength scanning type heterodyne interferometer from the beat signal detected by the detector 25. Separation of confocal signal and optical path difference signal (analysis formula of detected interference signal) First, a beat signal to be detected is first analytically obtained, and then a separation method is examined. The analysis model is the optical system shown in FIG.

【0024】図2の説明中、簡単のために光強度は一定
であるとしたが、実際には周波数変調とともに強度変調
もかかる。そこでLDの強度変調を表現するには、
(4)式の電場E0 (t)を
In the description of FIG. 2, the light intensity is assumed to be constant for the sake of simplicity. However, intensity modulation is actually applied together with frequency modulation. Therefore, to express the LD intensity modulation,
The electric field E 0 (t) in equation (4) is

【数5】 で置き換える。ただし、mは強度の変調率である。さら
に、試料20の反射率はその位置によらずつねに一定と
したが、実際には共焦点原理により、試料位置によって
検出光の強度が変化する。そこで、この効果を取り入れ
るために、等価的に試料の反射率p(z)が位置によっ
て変化するとする。すなわち、βをβp(z)で置き換
えればよい。これらを考慮すると検出されるビート信号
は、
(Equation 5) Replace with Here, m is the intensity modulation rate. Furthermore, although the reflectance of the sample 20 is always constant irrespective of its position, actually, the intensity of the detection light changes depending on the sample position according to the confocal principle. Therefore, in order to incorporate this effect, it is assumed that the reflectance p (z) of the sample equivalently changes depending on the position. That is, β may be replaced with βp (z). Considering these, the detected beat signal is

【数6】 となる。(Equation 6) Becomes

【0025】図3にこのビート信号の周波数成分を図示
する。図3において、それぞれの振幅は試料位置の関数
になっている。これより、ビート信号は周波数がゼロの
成分、変調周波数と同じ周波数成分、ビート周波数の成
分、およびその両側帯波成分からなっている。ただし、
位相変調もかかっているのでこの側帯波は広がる(図に
は示していない)。ここで、全ての信号成分の振幅がピ
ークとなる試料位置Z0 が、試料の表面に焦点があって
いるときに相当する。これらの信号から位相変調率と振
幅を独立に抽出する。
FIG. 3 shows the frequency components of the beat signal. In FIG. 3, each amplitude is a function of the sample position. Thus, the beat signal is composed of a component having a frequency of zero, a frequency component equal to the modulation frequency, a component of the beat frequency, and a band component on both sides thereof. However,
Because side modulation is also applied, this sideband spreads (not shown). Here, the sample position Z 0 at which the amplitudes of all the signal components reach their peaks corresponds to the case where the focus is on the surface of the sample. The phase modulation rate and the amplitude are extracted independently from these signals.

【0026】(位相変調率(光路差信号)の測定法)ま
ず、位相計(Stanford Research.S
R850)28(図9参照)に振幅変調がかかった信号
を入力したときの影響を調べる。任意波形発生器(He
wlett−Packard,HP8904A)から2
つの疑似信号を発生させる。1つは周波数100kH
z、振幅1Vp-p の正弦波でこれを参照信号として用い
る。また、もう1つは周波数100kHz、振幅1V
p-p の正弦波に振幅変調(変調周波数0.1Hz)をか
ける。これらの信号を位相計28に入力し、出力信号の
うち変調周波数と同じ周波数で変化する信号の振幅をオ
シロスコープで読み取る。振幅変調率を0から100%
まで10%ずつ変化させたときの結果を図4に示す。
(Method of Measuring Phase Modulation Rate (Optical Path Difference Signal)) First, a phase meter (Stanford Research. S)
R850) 28 (see FIG. 9) is examined for the effect when a signal subjected to amplitude modulation is input. Arbitrary waveform generator (He
wlett-Packard, HP8904A) to 2
Generate two false signals. One is a frequency of 100 kHz
z, used as a reference signal to this in a sine wave with an amplitude 1V pp. The other one has a frequency of 100 kHz and an amplitude of 1 V
Amplitude modulation (modulation frequency 0.1 Hz) is applied to the sine wave of pp . These signals are input to the phase meter 28, and the amplitude of the output signal that changes at the same frequency as the modulation frequency is read by an oscilloscope. Amplitude modulation rate from 0 to 100%
FIG. 4 shows the results when the values were changed by 10% at a time.

【0027】図4において、縦軸の10Vが位相の18
0°に対応する。これより、振幅変調率が大きくなるに
つれて位相計の出力も大きくなるが線形な関係にはな
い。したがって、位相計において正確な位相変調率の測
定を行うためには、振幅変調がかかっていない波形を用
いる必要である。
In FIG. 4, 10 V on the vertical axis corresponds to the phase 18.
Corresponds to 0 °. Thus, the output of the phase meter increases as the amplitude modulation rate increases, but is not in a linear relationship. Therefore, in order to accurately measure the phase modulation rate in the phase meter, it is necessary to use a waveform that is not subjected to amplitude modulation.

【0028】そこで、振幅変調および位相変調がかかっ
た信号から、振幅変調を除去するために、ゼロクロスコ
ンパレータ27(図9参照)を用いて波形を方形波に整
形する。
Therefore, in order to remove the amplitude modulation from the signal subjected to the amplitude modulation and the phase modulation, the waveform is shaped into a square wave by using the zero cross comparator 27 (see FIG. 9).

【0029】図5(a)(b)に振幅変調(周波数10
0kHz、振幅1Vp-p 、振幅変調率30%、変調周波
数80Hz)がかかった信号をゼロクロスコンパレータ
に通した前後の波形を示す。これより、ゼロクロスコン
パレータにより振幅変調が除去され、振幅が一定の方形
波に整形されていることがわかる。同様に位相変調(周
波数100kHz、振幅1Vp-p 、位相変調率30°、
変調周波数80Hz)の信号の様子も図5(c)(d)
に示す。これより、整形後の波形は、振幅が一定の方形
波でかつ位相変調が保存されていることがわかる。
FIGS. 5A and 5B show amplitude modulation (frequency 10).
2 shows waveforms before and after a signal to which 0 kHz, an amplitude of 1 V pp , an amplitude modulation rate of 30%, and a modulation frequency of 80 Hz is applied is passed through a zero cross comparator. From this, it is understood that the amplitude modulation is removed by the zero-cross comparator, and the amplitude is shaped into a square wave with a constant amplitude. Similarly, phase modulation (frequency 100 kHz, amplitude 1 V pp , phase modulation rate 30 °,
The state of the signal at the modulation frequency of 80 Hz is also shown in FIGS.
Shown in This shows that the shaped waveform is a square wave having a constant amplitude and the phase modulation is preserved.

【0030】ここで図5(a)−(d)において参照信
号を各々の上部に示す。また図5(a)の下部は振幅変
調がかかった信号を示し、図5(b)の下部はこれを整
形した信号を示す。また図5(c)の下部は位相変調が
かかった信号を示し、図5(d)の下部はこれを整形し
た信号を示す。
Here, the reference signals are shown above each of FIGS. The lower part of FIG. 5A shows a signal subjected to amplitude modulation, and the lower part of FIG. 5B shows a signal obtained by shaping the signal. The lower part of FIG. 5 (c) shows a signal subjected to phase modulation, and the lower part of FIG. 5 (d) shows a signal obtained by shaping the signal.

【0031】位相変調率を変え、ゼロクロスコンパレー
タ通過後の位相変調の幅をオシロスコープから直接読み
取った測定結果を図6に示す。これより、ゼロクロスコ
ンパレータ前後で位相変調率は比例関係にあることがわ
かる。
FIG. 6 shows a measurement result obtained by directly reading from the oscilloscope the width of the phase modulation after passing through the zero-cross comparator while changing the phase modulation rate. This indicates that the phase modulation ratio is in a proportional relationship before and after the zero cross comparator.

【0032】(振幅(共焦点信号)の測定法)図3のい
ずれかの周波数の信号から、試料20の各位置に対する
振幅の大きさを求める必要がある。そこで、まずバイア
スおよび変調周波数の信号から振幅を得ることを考え
る。これらはローパスフィルタあるいはバンドパスフィ
ルタを用いることにより抽出することができる。また、
この信号には位相変調がかかっていないという利点もあ
る。しかし、試料を動かしたときの振幅の変化は大きく
ない。これと比較して、ビート周波数およびその側帯波
の信号は、変化が大きくより効率的に検出できるものと
考えられる。そこで、ビート周波数のみを抽出すること
を考えられる。しかし、実際の変調周波数は80Hz
で、ビート周波数は100kHzであるので、側帯波は
100kHzに対して80Hzしか離れていない。さら
に、位相変調もかかっているので、周波数差はより小さ
くなるものと考えられる。したがって、側帯波からキャ
リア周波数成分を抽出するのは非常に難しくなる。した
がって、側帯波を含めた信号から、振幅変調および位相
変調の影響を受けずに、干渉信号の振幅のみを抽出する
ことが必要である。
(Method of Measuring Amplitude (Confocal Signal)) It is necessary to determine the magnitude of the amplitude at each position of the sample 20 from the signal of any frequency shown in FIG. Therefore, first, it is considered that the amplitude is obtained from the bias and modulation frequency signals. These can be extracted by using a low-pass filter or a band-pass filter. Also,
This signal also has the advantage that it is not phase modulated. However, the change in amplitude when the sample is moved is not large. Compared with this, it is considered that the beat frequency and its sideband signal have a large change and can be detected more efficiently. Therefore, it is conceivable to extract only the beat frequency. However, the actual modulation frequency is 80Hz
Since the beat frequency is 100 kHz, the sideband is only 80 Hz apart from 100 kHz. Further, since the phase modulation is applied, the frequency difference is considered to be smaller. Therefore, it becomes very difficult to extract the carrier frequency component from the sideband. Therefore, it is necessary to extract only the amplitude of the interference signal from the signal including the sideband without being affected by the amplitude modulation and the phase modulation.

【0033】(RMS−DC変換器による振幅の抽出)
干渉信号の振幅情報の抽出には、変調周期より十分長い
時間で信号を積分すれば、振幅変調および位相変調は、
ともに平均化され、その影響は抑圧されると考え、信号
の積分にRMS−DC変換器32(図9参照)を用い
る。
(Extraction of Amplitude by RMS-DC Converter)
In order to extract the amplitude information of the interference signal, if the signal is integrated for a time sufficiently longer than the modulation period, the amplitude modulation and the phase modulation become
Since both are averaged and the effect is considered to be suppressed, the RMS-DC converter 32 (see FIG. 9) is used for signal integration.

【0034】まず、RMS−DC変換器(AD736、
アナログ・デバイセズ)32に振幅変調および位相変調
がかかった信号を入力し、その特性を調べる。周波数1
00kHz、振幅1.0Vp-p の正弦波をRMS−DC
変換器に入力し、出力電圧を20dBに増幅して測定す
る。入力信号は、振幅を0.1Vp-p から0.5Vp- p
まで0.1Vp-p ずつ変化させる。また、振幅変調率
は、0%から100%まで5%ずつ変化させ、さらに、
位相変調率は0°から180°まで5°ずつ変化させ
る。測定例として振幅が0.1Vp-p の時の結果を図7
に示す。これより、RMS−DC変換器32の出力電圧
は入力信号の位相変調率には依存しないことがわかる。
しかし、振幅変調率を大きくすると、出力電圧も若干大
きくなっていくことがわかる。
First, an RMS-DC converter (AD736,
A signal subjected to amplitude modulation and phase modulation is input to (Analog Devices) 32 and its characteristics are examined. Frequency 1
00kHz, 1.0V pp sine wave RMS-DC
Input to the converter, amplify the output voltage to 20 dB and measure. The input signal, 0.5V pp amplitude from 0.1 V pp
0.1 V pp at a time. Also, the amplitude modulation rate is changed from 0% to 100% in 5% increments.
The phase modulation rate is changed by 5 ° from 0 ° to 180 °. FIG. 7 shows the result when the amplitude is 0.1 V pp as a measurement example.
Shown in This indicates that the output voltage of the RMS-DC converter 32 does not depend on the phase modulation rate of the input signal.
However, when the amplitude modulation rate is increased, the output voltage is slightly increased.

【0035】そこで、入力信号の振幅の大きさに対する
RMS−DC変換器32の出力特性を詳しく調べるため
に、振幅を10mVp-p から500mVp-p まで、10
mVp-p ずつ変化させて同様な測定を行なう。ここで位
相変調はかけていないことにする。
Therefore, in order to examine in detail the output characteristics of the RMS-DC converter 32 with respect to the amplitude of the input signal, the amplitude is increased from 10 mV pp to 500 mV pp .
The same measurement is performed by changing mV pp . Here, it is assumed that no phase modulation is applied.

【0036】図8に測定結果を示す。図8において振幅
は50mVp-p おきに示す。図8に示すように、振幅が
400mVp-p までは、振幅変調率の増加にともなっ
て、出力電圧も増加していくが、振幅が400mVp-p
を過ぎると、この傾向は逆転する。しかし、同じ振幅変
調率に関して、振幅が大きいほど出力も大きく、この関
係が崩れることはないことがわかる。したがって、RM
S−DC変換器32を用いて、干渉信号の振幅を抽出す
る場合、同じ振幅でも、得られる値は振幅変調率によっ
て異なる。しかし、実際の測定では振幅変調率は一定で
あり、また、共焦点信号のピーク位置が特定できればよ
いので、RMS−DC変換器32を干渉信号の振幅の抽
出に用いることができる。具体的実施の形態 次に図9により上記基本原理を用いた具体的実施の形態
について説明する。
FIG. 8 shows the measurement results. In FIG. 8, the amplitude is shown every 50 mV pp . As shown in FIG. 8, the amplitude up to 400 mV pp, with an increase of the amplitude modulation rate, the output voltage increases, the amplitude is 400 mV pp
After, this trend reverses. However, for the same amplitude modulation rate, the larger the amplitude, the larger the output, and it can be seen that this relationship is not broken. Therefore, RM
When the amplitude of the interference signal is extracted using the S-DC converter 32, the obtained value differs depending on the amplitude modulation rate even with the same amplitude. However, in the actual measurement, the amplitude modulation rate is constant and the peak position of the confocal signal only needs to be specified, so that the RMS-DC converter 32 can be used for extracting the amplitude of the interference signal. Specific Embodiment Next, a specific embodiment using the above basic principle will be described with reference to FIG.

【0037】図9に示すように、本発明による測定装置
は試料20に対して周波数可変光を投光する光源として
の半導体レーザダイオード(LD)11と、LD11か
らの光を偏光の相違により一対の分離光に分けるととも
に各分離光の周波数を変化させる周波数シフタ12と、
周波数シフタ12と試料20との間に配置された偏光ビ
ームスプリッタ17とを備えている。また、偏光ビーム
スプリッタ17の試料20側には1/4波長板(qua
ter−wave plate)18と対物レンズ19
が設けられている。
As shown in FIG. 9, a measuring apparatus according to the present invention comprises a semiconductor laser diode (LD) 11 as a light source for projecting a variable frequency light to a sample 20 and a pair of light from the LD 11 due to a difference in polarization. A frequency shifter 12 that divides the light into separated light beams and changes the frequency of each separated light beam;
A polarization beam splitter 17 is provided between the frequency shifter 12 and the sample 20. A quarter-wave plate (qua) is provided on the sample 20 side of the polarizing beam splitter 17.
ter-wave plate) 18 and objective lens 19
Is provided.

【0038】また周波数シフタ12と試料20との間の
光路と交差するとともに偏光ビームスプリッタ17を通
る直線上において、偏光ビームスプリッタ17の一側に
1/4波長板(quarter−wave plat
e)16および参照鏡15が順次配置され、偏光ビーム
スプリッタ17の他側に偏光子22およびレンズ23を
介してピンホール24と光電子増倍管(検出器)25が
順次配置されている。
On a straight line passing through the polarizing beam splitter 17 while intersecting the optical path between the frequency shifter 12 and the sample 20, one side of the polarizing beam splitter 17 is provided with a quarter-wave plate.
e) 16 and a reference mirror 15 are sequentially arranged, and a pinhole 24 and a photomultiplier (detector) 25 are sequentially arranged on the other side of the polarization beam splitter 17 via a polarizer 22 and a lens 23.

【0039】さらにこの光電子増倍管25には、ハイパ
スフィルタ26、ゼロクロスコンパレータ27および位
相計28が順次接続され、また位相計28にはロックイ
ンアンプ29が接続されている。またハイパスフィルタ
26にはアンプ31、RMS−DC変換器(平方自乗平
均−直流変換器)32、およびアンプ33が順次接続さ
れ、このアンプ33とロックインアンプ29は演算部3
5に接続されている。
Further, a high-pass filter 26, a zero-cross comparator 27 and a phase meter 28 are sequentially connected to the photomultiplier tube 25, and a lock-in amplifier 29 is connected to the phase meter 28. An amplifier 31, an RMS-DC converter (root mean square-DC converter) 32, and an amplifier 33 are sequentially connected to the high-pass filter 26. The amplifier 33 and the lock-in amplifier 29 are
5 is connected.

【0040】また演算部35はステージ制御部36に接
続され、このステージ制御部36は試料20を保持する
移動ステージ21を駆動制御するようになっている。
The computing section 35 is connected to a stage control section 36, which controls the drive of the moving stage 21 holding the sample 20.

【0041】なお、上記構成部分のうち、RMS−DC
変換器32により振幅検出部が構成され、ゼロクロスコ
ンパレータ27、位相計28およびロックインアンプ2
9により位相変調率信号検出部が構成される。
It should be noted that among the above components, the RMS-DC
The converter 32 constitutes an amplitude detector, and includes a zero-cross comparator 27, a phase meter 28, and a lock-in amplifier 2.
9 constitutes a phase modulation rate signal detection unit.

【0042】また位相計28と周波数シフタ12との間
には、ローパスフィルタ40、二重平衡変調器41およ
び高周波信号発生器42a,42bが配設されている。
さらに周波数シフタ12は、偏光ビームスプリッタ12
a,12bと、音響光学素子12c,12dとを有して
いる。
A low-pass filter 40, a double balanced modulator 41, and high-frequency signal generators 42a and 42b are provided between the phase meter 28 and the frequency shifter 12.
Further, the frequency shifter 12 includes a polarization beam splitter 12.
a, 12b and acousto-optic elements 12c, 12d.

【0043】またロックインアンプ29には、ファンク
ションジェネレータ37が接続され、このファンクショ
ンジェネレータ37はLD駆動部38を介してLD11
を駆動制御するようになっている。
A function generator 37 is connected to the lock-in amplifier 29, and the function generator 37 is connected to the LD 11 via an LD driving unit 38.
Drive control.

【0044】次に図9により本発明による測定方法につ
いて説明する。
Next, the measuring method according to the present invention will be described with reference to FIG.

【0045】図9に示すように、半導体レーザー11
(TOSHIBA,TOLD−9140,λ=688n
m@40mA、10mW)は、ファンクションジェネレ
ータ38からの信号により変調周波数fm =80Hzの
正弦波で注入電流変調される。これによりLD11の発
振周波数v(t)および電場E(t)は、それぞれ式
(5)(11)で示すように変調される。LD素子の温
度はペルチェ素子により18.00±0.01℃に安定
化されている。
As shown in FIG.
(TOSHIBA, TOLD-9140, λ = 688n
(m @ 40 mA, 10 mW) is subjected to injection current modulation by a signal from the function generator 38 with a sine wave having a modulation frequency f m = 80 Hz. Thereby, the oscillation frequency v (t) and the electric field E (t) of the LD 11 are modulated as shown by the equations (5) and (11). The temperature of the LD element is stabilized at 18.00 ± 0.01 ° C. by the Peltier element.

【0046】LD11からの出射光はレンズ50,51
により平行光(ビーム径1mm)にされ、直交偏波型光
周波数シフタ(HOYA、S−210−633)12に
入射する。周波数シフタ12内で入射光は偏光の違いに
よって2つに分けられ、異なる周波数(80MHzと8
0.1MHz)により駆動される2つの音響光学素子1
2c,12dにより、各分離光は周波数シフト(周波数
の変化)を受け、再び合波される。これにより出射光は
互いに偏光方向が直交し、かつ周波数差Vb が100k
Hzの同軸の一対の分離光となる。この光をレンズ1
3,14により光束を拡大し偏光ビームスプリッタ17
に導入する。
The light emitted from the LD 11 is transmitted to the lenses 50 and 51.
Is converted into parallel light (beam diameter: 1 mm), and enters the orthogonal polarization type optical frequency shifter (HOYA, S-210-633) 12. In the frequency shifter 12, the incident light is divided into two parts by a difference in polarization, and different frequencies (80 MHz and 8 MHz) are used.
Acousto-optic element 1 driven by 0.1 MHz)
Due to 2c and 12d, each separated light undergoes a frequency shift (change in frequency) and is multiplexed again. As a result, the emitted lights have polarization directions orthogonal to each other, and the frequency difference Vb is 100 k.
Hz. Lens 1
The luminous flux is enlarged by 3 and 14, and the polarization beam splitter 17
To be introduced.

【0047】偏光ビームスプリッタ17で直交する直線
偏光に二分された光のうち、一方は対物レンズ19を通
して試料20を照明し、他方は参照鏡15を照明する参
照光として用いる。
One of the light beams split into two orthogonally polarized light beams by the polarizing beam splitter 17 illuminates the sample 20 through the objective lens 19, and the other is used as reference light for illuminating the reference mirror 15.

【0048】ここで、もし他方の光の焦点が試料20内
のある界面に合っているとすると、試料20の界面およ
び参照鏡15からの反射光は1/4波長板16,18を
往復して通過することによりそれぞれ偏光方向は90°
回転し、偏光偏光ビームスプリッタ17で再び合波さ
れ、偏光子22により偏光干渉される。さらにレンズ2
3でピンホール24上に集光し、光電子増倍管25(浜
松ホトニクス、光センサモジュールH5783−01)
により検出される。
Here, if the other light is focused on an interface in the sample 20, the light reflected from the interface of the sample 20 and the reference mirror 15 reciprocates through the quarter-wave plates 16 and 18. 90 °
It rotates, is multiplexed again by the polarization polarization beam splitter 17, and is polarized and interfered by the polarizer 22. Further lens 2
The light is condensed on the pinhole 24 at 3 and the photomultiplier tube 25 (Hamamatsu Photonics, photosensor module H5783-01)
Is detected by

【0049】ところで、光周波数シフタ12を駆動する
高周波信号発生器42a,42bからの信号が分波さ
れ、この信号により2重平衡変調器41およびローパス
フィルタ40を用いて、周波数100kHzの信号を発
生させている。これを位相計28の基準ビート信号とし
て用いることにより、従来必要となっていたLD光およ
びHe−Ne光とを混合・分離するための光学素子が不
要となり、光学系の簡素化とともにLD光の利用効率も
向上する。
The signals from the high-frequency signal generators 42a and 42b for driving the optical frequency shifter 12 are demultiplexed, and a signal having a frequency of 100 kHz is generated by using the double-balanced modulator 41 and the low-pass filter 40. Let me. By using this as a reference beat signal of the phase meter 28, an optical element for mixing and separating LD light and He-Ne light, which has been required conventionally, becomes unnecessary, and the simplification of the optical system and the LD light Usage efficiency also improves.

【0050】光電子増倍管25により検出したビート信
号は、ハイパスフィルタ26により、バイアス成分が取
り除かれ、位相変調率測定用の回路と振幅測定用の回路
とに分岐される。
The beat signal detected by the photomultiplier tube 25 has its bias component removed by a high-pass filter 26, and is branched into a circuit for measuring a phase modulation factor and a circuit for measuring an amplitude.

【0051】まず、位相変調率測定用の回路では、光電
子増倍管25により検出した信号はゼロクロスコンパレ
ータ27によって方形波に変換され、振幅変調成分が取
り除かれる。この信号は位相計(Stanford R
esearch Systems,Digital L
ock−In Amplifier,SR850)28
に入力される。位相計28では二重平衡変換器41を用
いて発生した基準ビート信号と、ゼロクロスコンパレー
タ27からの信号の位相を比較して、その差に比例した
電圧を出力する。さらにこの出力信号は、後続のロック
インアンプ(エヌエフ回路設計ブロック、Lock−I
n Voltmeter、5560)29に入力され
る。ロックインアンプ29の参照信号にはファンクショ
ンジェネレーター37からの信号を用いているので、位
相計28の出力のうちLD11の変調周波数と同一の周
波数成分の信号の振幅と位相とを測定することができ
る。ロックインアンプ29からの測定値は演算部35に
取り込まれる。
First, in the circuit for measuring the phase modulation rate, the signal detected by the photomultiplier tube 25 is converted into a square wave by the zero cross comparator 27, and the amplitude modulation component is removed. This signal is output from a phase meter (Stanford R).
search Systems, Digital L
ock-In Amplifier, SR850) 28
Is input to The phase meter 28 compares the phase of the reference beat signal generated by using the double balanced converter 41 with the phase of the signal from the zero-cross comparator 27, and outputs a voltage proportional to the difference. Further, this output signal is supplied to a subsequent lock-in amplifier (NF circuit design block, Lock-I
n Voltmeter, 5560) 29. Since the signal from the function generator 37 is used as the reference signal of the lock-in amplifier 29, the amplitude and phase of the signal of the same frequency component as the modulation frequency of the LD 11 in the output of the phase meter 28 can be measured. . The measurement value from the lock-in amplifier 29 is taken into the calculation unit 35.

【0052】次に、振幅測定用の回路では、光電子増倍
管25により検出した信号はアンプ31によって適当に
減衰され、RMS−DC変換器32に入力される。次に
この直流出力信号はアンプ33で増幅され、演算部35
に取り込まれる。
Next, in the amplitude measuring circuit, the signal detected by the photomultiplier tube 25 is appropriately attenuated by the amplifier 31 and input to the RMS-DC converter 32. Next, this DC output signal is amplified by the amplifier 33,
It is taken in.

【0053】試料20を載せたステージ21は演算部3
5およびステージ制御部36によって制御されており、
各試料20の位置において位相変調率と振幅を記録して
いく。さらに取得したデータの解析はオフラインで行な
われる。
The stage 21 on which the sample 20 is placed is the arithmetic unit 3
5 and the stage control unit 36,
At the position of each sample 20, the phase modulation rate and the amplitude are recorded. Further analysis of the acquired data is performed off-line.

【0054】次に演算部35における演算方法について
述べる。波長走査型ヘテロダイン干渉法による光路長差
測定では、可変波長幅が既知でなければならない。しか
し、波長計を用いて動作状態の波長を測定は困難である
ため、ここでは予め実際に既知の光路長を測定し、それ
より位相変調率と光路差との関係を求める。
Next, a calculation method in the calculation unit 35 will be described. In the optical path length difference measurement by the wavelength scanning heterodyne interferometry, the variable wavelength width must be known. However, since it is difficult to measure the operating wavelength using a wavelength meter, a known optical path length is actually measured in advance, and the relationship between the phase modulation factor and the optical path difference is obtained therefrom.

【0055】すなわち予めマイケルソン干渉計で手動ス
テージにのせた基準となる鏡を光軸方向に移動させ位相
変調率を測定しておく。測定結果を図10に示す。図1
0に示すように鏡の移動に伴って、測定値(○印)は線
形に変化している。この傾きを求めると、0.589m
V/mmとなる。これは、16.01°/mmに相当す
る。また、ゼロ光路差(4.3mm)の前後で位相(□
印)が反転することにより光路差の符号の判定を行な
う。そして図10に示す光路差と位相変調率との関係に
基づいて、位相変調率から光路長の増加分を求めること
ができる。
That is, the reference mirror previously placed on the manual stage by the Michelson interferometer is moved in the optical axis direction to measure the phase modulation factor. FIG. 10 shows the measurement results. FIG.
As indicated by 0, the measured value (circle) changes linearly with the movement of the mirror. When this inclination is obtained, 0.589 m
V / mm. This corresponds to 16.01 ° / mm. The phase (□) before and after the zero optical path difference (4.3 mm)
The sign of the optical path difference is determined by reversing the mark. Then, based on the relationship between the optical path difference and the phase modulation rate shown in FIG. 10, an increase in the optical path length can be obtained from the phase modulation rate.

【0056】ところで平面鏡を、光軸方向に走査するこ
とによって検出器の深度応答を測定する。まず図11
(a)(b)により、本発明による干渉信号の振幅から
求めた結果(図11(a))と、比較例としての参照光
を遮ることによって強度から求めた結果(図11
(b))をそれぞれに示す。図11(a)に示す本発明
のほうが、幅が広がっているが、この原因は、(12)
式から予想されるとおり、干渉信号の振幅から求めた深
度応答は、強度から求めた深度応答の平方根を取った形
となるからであり、また、RMS−DC変換器32の入
力信号の振幅に対する非線形性の影響も含まれていると
考えられる。これらの結果から半値半幅を求めると、そ
れぞれ17μm、13μmとなり、また、双方のピーク
位置の違いは1μm程度である。
The depth response of the detector is measured by scanning the plane mirror in the optical axis direction. First, FIG.
(A) and (b), the result obtained from the amplitude of the interference signal according to the present invention (FIG. 11A) and the result obtained from the intensity by blocking the reference light as a comparative example (FIG. 11).
(B)) is shown for each. Although the width of the present invention shown in FIG. 11A is wider, the cause is (12)
This is because, as expected from the equation, the depth response obtained from the amplitude of the interference signal takes a square root of the depth response obtained from the intensity, and the depth response to the amplitude of the input signal of the RMS-DC converter 32 is obtained. It is considered that the influence of nonlinearity is also included. When the half width at half maximum is obtained from these results, they are 17 μm and 13 μm, respectively, and the difference between both peak positions is about 1 μm.

【0057】次に、演算部35において、屈折率・厚さ
の分離測定を行なう。試料20として例えば平行平面基
板(BK7ガラス、厚さ1084μm、屈折率1.51
3)を用いた場合におけるRMS−DC変換器32で測
定した干渉信号の振幅を図12(a)に示し、また位相
計28の出力信号を図12(b)に示す。
Next, in the calculation unit 35, the refractive index and the thickness are separately measured. As the sample 20, for example, a parallel plane substrate (BK7 glass, thickness 1084 μm, refractive index 1.51
FIG. 12A shows the amplitude of the interference signal measured by the RMS-DC converter 32 when 3) is used, and FIG. 12B shows the output signal of the phase meter 28.

【0058】図12(a)に示すピークは試料20の表
面・裏面に焦点が合ったときに相当している。また、図
12(b)では、図12(a)のピーク位置の付近しか
値が求まっていない。これは、検出された干渉信号がゼ
ロクロスコンパレータ27のしきい値より下回るので、
入力波形が正確に方形波に整形されず、位相計28での
測定が不能となるためである。
The peak shown in FIG. 12A corresponds to the case where the front and back surfaces of the sample 20 are focused. Further, in FIG. 12B, values are obtained only near the peak position in FIG. 12A. This is because the detected interference signal is lower than the threshold value of the zero cross comparator 27,
This is because the input waveform is not accurately shaped into a square wave, and the measurement by the phase meter 28 becomes impossible.

【0059】図12(a)から、まずピーク間隔に基づ
いて光の焦点が試料20の一面から他面へ移るのに必要
な試料の移動距離を求める。次に位相計28およびロッ
クインアンプ29により得られた図12(b)に示す位
相変調率に基づいて、図10に示す光路長と位相変調率
との関係により光路の増加分を求める。
Referring to FIG. 12A, first, the moving distance of the sample required to shift the focal point of the light from one surface of the sample 20 to the other surface is determined based on the peak interval. Next, based on the phase modulation rate shown in FIG. 12B obtained by the phase meter 28 and the lock-in amplifier 29, an increase in the optical path is obtained from the relationship between the optical path length and the phase modulation rate shown in FIG.

【0060】その後、式(1)−(2)を用いて試料2
0の屈折率と幾何学的厚さを算出すると1.52±0.
02、1170±13μmとなる。
Thereafter, the sample 2 was obtained by using the equations (1) and (2).
Calculating the refractive index of 0 and the geometric thickness gives 1.52 ± 0.
02, 1170 ± 13 μm.

【0061】ところで位相計28で測定できる範囲は−
180°から180°までの範囲である。位相変調率
(位相変調の位相の振幅)がこの範囲に収まっていると
きは、測定は問題ない。しかし、位相変調率が±180
°の外に出ると測定は不能となる。これが位相変調率
(すなわち光路差)の最大測定レンジとなる。ただし、
位相変調率がこれより小さくても位相のバイアス分(初
期位相)の値によっては、途中で、180°を上回り、
あるいは、−180°を下回ってしまうことも考えられ
る。これを回避するためにこの初期位相を例えば0、9
0、180、270°と4回位相をシフトさせ、位相変
調率の測定を行なうことにより測定不能状態を回避する
ことができる。
The range that can be measured by the phase meter 28 is-
The range is from 180 ° to 180 °. When the phase modulation rate (phase modulation phase amplitude) falls within this range, there is no problem in measurement. However, the phase modulation rate is ± 180
If it goes out of °, the measurement becomes impossible. This is the maximum measurement range of the phase modulation rate (that is, optical path difference). However,
Even if the phase modulation rate is smaller than this, depending on the value of the phase bias (initial phase), it may exceed 180 ° in the middle,
Alternatively, the angle may fall below -180 °. To avoid this, this initial phase is set to, for example, 0, 9
By shifting the phase by 0, 180, and 270 ° four times and measuring the phase modulation factor, it is possible to avoid a state in which measurement is impossible.

【0062】[0062]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、試料の幾
何学厚さおよび屈折率を迅速かつ確実に求めることがで
きる。
As described above, according to the present invention, the geometric thickness and the refractive index of a sample can be quickly and reliably determined.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の測定原理を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a measurement principle of the present invention.

【図2】波長走査型ヘテロダイン干渉法の測定原理を示
す基本構成図。
FIG. 2 is a basic configuration diagram showing a measurement principle of a wavelength scanning type heterodyne interferometry.

【図3】ビート信号の周波数成分を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a frequency component of a beat signal.

【図4】振幅変調率と位相計出力との関係を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an amplitude modulation rate and a phase meter output.

【図5】ゼロクロスコンパレータを通過前後の信号波形
を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing signal waveforms before and after passing through a zero cross comparator.

【図6】ゼロクロスコンパレータ通過後の位相変調の幅
を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a width of phase modulation after passing through a zero cross comparator.

【図7】RMS−DC変換器の出力電圧を示す図。FIG. 7 is a diagram showing an output voltage of an RMS-DC converter.

【図8】RMS−DC変換器の出力電圧を示す図。FIG. 8 is a diagram showing an output voltage of the RMS-DC converter.

【図9】本発明による試料の幾何学的厚さおよび屈折率
測定装置を示す概略図。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a device for measuring the geometric thickness and refractive index of a sample according to the present invention.

【図10】鏡の変位と位相変調率の関係を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a displacement of a mirror and a phase modulation factor.

【図11】試料の変位と検出器の出力の関係を示す図。FIG. 11 is a diagram showing a relationship between a displacement of a sample and an output of a detector.

【図12】RMS−DC変換器と位相計の出力を示す
図。
FIG. 12 is a diagram showing outputs of an RMS-DC converter and a phase meter.

【図13】共焦点顕微鏡の基本原理を示す図。FIG. 13 is a view showing the basic principle of a confocal microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 LD 12 周波数シフタ 15 参照鏡 17 偏光ビームスプリッタ 19 対物レンズ 20 試料 21 ステージ 24 ピンホール 25 検出器 27 ゼロクロスコンパレータ 28 位相計 29 ロックインアンプ 32 RMC−DC変換器 35 演算部 36 ステージ制御部 Reference Signs List 11 LD 12 Frequency shifter 15 Reference mirror 17 Polarizing beam splitter 19 Objective lens 20 Sample 21 Stage 24 Pinhole 25 Detector 27 Zero cross comparator 28 Phase meter 29 Lock-in amplifier 32 RMC-DC converter 35 Operation unit 36 Stage control unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA09 AA30 BB01 BB22 CC00 DD06 FF52 GG06 GG25 JJ17 LL30 LL33 LL36 LL37 LL57 MM03 NN06 NN08 PP12 QQ25 QQ29 QQ30 QQ32 2G059 AA02 BB08 CC20 EE01 EE02 FF06 GG01 GG04 HH02 HH06 JJ11 JJ19 JJ21 JJ22 JJ30 KK02 MM01 MM03  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page F term (reference) 2F065 AA09 AA30 BB01 BB22 CC00 DD06 FF52 GG06 GG25 JJ17 LL30 LL33 LL36 LL37 LL57 MM03 NN06 NN08 PP12 QQ25 QQ29 QQ30 QQ32 2G059 AA02 GG08 JJ01H20 JJ22 JJ30 KK02 MM01 MM03

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】試料に対して周波数可変光を投光する光源
と、 光源からの光を偏光の相違により一対の分離光に分ける
とともに、各分離光の周波数を変化させる周波数シフタ
と、 周波数シフタと試料との間の光路中に配置された偏光ビ
ームスプリッタと、 周波数シフタと試料との間の光路と交差するとともに偏
光ビームスプリッタを通る直線上において、偏光ビーム
スプリッタの一側に配置された参照鏡と、偏光ビームス
プリッタの他側に配置され偏光ビームスプリッタを通り
参照鏡から反射する一方の分離光と、偏光ビームスプリ
ッタを通り試料から反射する他方の分離光との干渉によ
り生じる干渉信号を検出する検出器と、 検出器からの干渉信号に基づいて振幅を求める振幅検出
部と、 検出器からの干渉信号に基づいて位相変調率信号を求め
る位相変調率信号検出部と、 振幅検出部からの振幅に基づいて、他方の分離光の焦点
が試料の一面から他面へ移るのに必要な試料の移動距離
を求めるとともに、位相変調信号検出部からの位相変調
率信号に基づいて焦点が試料の一面から他面へ移る際の
他方の分離光の光路長の増加分を求め、この移動距離お
よび光路長の増加分に基づいて試料の幾何学的厚さおよ
び屈折率を求める演算部と、を備えたことを特徴とする
試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置。
1. A light source for projecting variable frequency light to a sample, a frequency shifter for dividing light from the light source into a pair of separated lights by a difference in polarization, and changing a frequency of each separated light; A polarizing beam splitter disposed in the optical path between the sample and the sample, and a reference disposed on one side of the polarizing beam splitter on a straight line passing through the polarizing beam splitter while intersecting the optical path between the frequency shifter and the sample. Detects an interference signal generated by interference between the mirror and one of the separated lights that are arranged on the other side of the polarizing beam splitter and reflected from the reference mirror through the polarizing beam splitter and the other separated light that is reflected from the sample through the polarizing beam splitter. A detector that calculates the amplitude based on an interference signal from the detector; and a phase modulation rate signal based on the interference signal from the detector. Based on the phase modulation rate signal detection unit and the amplitude from the amplitude detection unit, determine the moving distance of the sample necessary for the focus of the other separated light to move from one surface of the sample to the other surface, and detect the phase modulation signal. The increase in the optical path length of the other separated light when the focus shifts from one surface to the other surface is determined based on the phase modulation rate signal from the section, and the geometrical shape of the sample is determined based on the movement distance and the increase in the optical path length. An arithmetic unit for calculating a geometric thickness and a refractive index, wherein the apparatus is a device for measuring a geometric thickness and a refractive index of a sample.
【請求項2】演算部は予め設定された位相変調率信号と
光路長の増加分との関係式に基づいて、位相変調率信号
から光路の増加分を求めることを特徴とする請求項1記
載の試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装置。
2. The method according to claim 1, wherein the calculating section obtains an increase in the optical path from the phase modulation rate signal based on a preset relational expression between the phase modulation rate signal and the increase in the optical path length. A device for measuring the geometric thickness and refractive index of a sample.
【請求項3】試料は周波数シフタに対して離接自在に移
動するステージにより保持されていることを特徴とする
請求項1記載の試料の幾何学的厚さおよび屈折率測定装
置。
3. The apparatus for measuring the geometric thickness and refractive index of a sample according to claim 1, wherein the sample is held by a stage which is movable to and away from the frequency shifter.
【請求項4】請求項1記載の幾何学的厚さおよび屈折率
測定装置を用いた測定方法において、 試料を周波数シフタに対して相対的に移動させる工程
と、 光源からの光のうち周波数シフタで分離された一方の分
離光を偏光ビームスプリッタを経て参照鏡に反射させる
とともに、周波数シフタで分離された他方の分離光を偏
光ビームスプリッタを経て試料に反射させ、これら一対
の分離光を干渉させて干渉信号として検出器により検出
する工程と、 検出器からの干渉信号に基づいて振幅検出部により振幅
を求める工程と、 検出器からの干渉信号に基づいて位相変調率信号検出部
により位相変調率信号を求める工程と、 演算部において、振幅検出部からの振幅に基づいて他方
の分離光の焦点が試料の一面から他面へ移るのに必要な
試料の移動距離を求めるとともに、位相変調率検出部か
らの位相変調率信号に基づいて焦点が試料の一面から他
面へ移る際の他方の分離光の光路長の増加分を求め、こ
の移動距離および光路長の増加分に基づいて試料の幾何
学的厚さおよび屈折率を求める工程と、 を備えたことを特徴とする測定方法。
4. A measuring method using a geometric thickness and refractive index measuring apparatus according to claim 1, wherein the sample is moved relative to the frequency shifter, and the frequency shifter is selected from light from the light source. One of the separated lights separated by the polarization beam splitter is reflected by the reference mirror through the polarization beam splitter, and the other separated light separated by the frequency shifter is reflected by the sample through the polarization beam splitter to interfere with the pair of separated lights. Detecting the amplitude as an interference signal by a detector, obtaining the amplitude by an amplitude detector based on the interference signal from the detector, and detecting the phase modulation rate by a phase modulation rate signal detector based on the interference signal from the detector. A step of obtaining a signal; and a moving distance of the sample necessary for the focal point of the other separated light to move from one surface of the sample to the other surface based on the amplitude from the amplitude detecting unit in the arithmetic unit. And, based on the phase modulation rate signal from the phase modulation rate detection unit, determine the increase in the optical path length of the other separated light when the focus shifts from one surface to the other surface of the sample, and calculate the movement distance and the optical path length. Determining a geometric thickness and a refractive index of the sample based on the increment.
【請求項5】位相変調率信号から光路長の増加分を、予
め設定された位相変調率信号と光路の増加分の関係式に
基づいて求めることを特徴とする請求項3記載の測定方
法。
5. The measuring method according to claim 3, wherein an increase in the optical path length is obtained from the phase modulation rate signal based on a preset relational expression of the phase modulation rate signal and the increase in the optical path.
【請求項6】試料は周波数シフタに対して離接自在に移
動するステージにより保持され、このステージにより試
料が周波数シフタに対して移動することを特徴とする請
求項3記載の測定方法。
6. The measuring method according to claim 3, wherein the sample is held by a stage that moves freely relative to the frequency shifter, and the stage moves the sample relative to the frequency shifter.
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