JP2001255115A

JP2001255115A - 低コヒーレンス干渉測定装置

Info

Publication number: JP2001255115A
Application number: JP2000068575A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nakayama; 繁中山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2001-09-21

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の低コヒーレンス干渉測定装置の構成を
一部変更して干渉特性曲線の包絡線を急峻化させ、高精
度化を図ることを目的とする。【解決手段】低コヒーレンス光源である主光源と、主
光源から出射された光束を分割し、被検物と参照物との
双方に導くと共に、被検物において反射した被検光と参
照物において反射した参照光とを、互い重ね合わせて干
渉させる干渉光学系と、参照物を移動可能に支持する支
持手段と、被検光と参照光とが成す干渉光の強度を検出
する検出手段とを備える。さらに、主光源とは中心波長
の異なる副光源を備え、副光源から出射された光束を、
統合光学系によって、主光源から出射された光束の光路
のうち、分割される前の光路に重ね合わせている。この
とき、干渉特性曲線の包絡線には、２つの光源の中心波
長の差異によってうなりが生じるので、ピークの両側に
は落ち込みが生じ、包絡線の傾きが急峻化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低コヒーレンス干
渉測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学機器の加工、検査、組立てなどの多
くの工程では、光学素子の位置や間隔などを調べる距離
測定に、干渉測定装置が使用される。特に、光の波長と
比較して長い距離の測定には、低コヒーレンス干渉測定
装置が使用されることが多い。図５は、従来の低コヒー
レンス干渉測定装置５０を示す図である。因みに、図５
に示すのは、マイケルソン型の干渉計が適用された干渉
測定装置である。

【０００３】低コヒーレンス干渉測定装置５０は、一般
的な干渉測定装置と同様、被検位置Ａに配置された被検
ミラー５８と、移動ステージ５５上に載置された参照ミ
ラー５４との双方に、同一の光源５１から出射された光
を分割して照射すると共に、被検ミラー５８において反
射した被検光と、参照ミラー５４において反射した参照
光とを再び重ね合わせ、両光が成す干渉光の強度を検出
器５７により検出するものである。

【０００４】ここで、低コヒーレンス干渉測定装置５０
の光源５１は、可干渉距離が十分に短い光を出射する低
コヒーレンス光源である。この光源５１には、例えば、
スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）が使用さ
れ、その波長スペクトルの半値全幅Δλ、中心波長λが
それぞれ所定値（例えば、Δλ＝７ｎｍ、λ＝６８０ｎ
ｍ）に設定されている。

【０００５】このとき、被検ミラー５８からの被検光と
参照ミラー５４からの参照光との光路長差は、両光の干
渉光の強度となって現れるので、制御部５９は、この光
路長差が０となるような参照ミラー５４の位置を検知す
るために、参照ミラー５４の位置を走査しながら検出器
５７の出力をモニタする。このとき、参照ミラー５４の
各位置データ（移動ステージ５５内に備えられたリニア
スケールの出力）Ｘiと、参照ミラーの位置データがＸi
であるときの干渉光の光強度データＬi（検出器５７の
出力）とは、互いに対応づけられる。

【０００６】図６は、低コヒーレンス干渉測定装置５０
の光路長差−干渉光強度特性曲線（以下「干渉特性曲
線」という。）を示す図である。この図６に明らかなよ
うに、干渉特性曲線は多数の極値を示し、干渉特性曲線
の包絡線（前記干渉特性曲線が接する定曲線）は光路長
差０のときに極値（以下、包絡線の極値を「ピーク」と
いう。）を示す。

【０００７】演算処理部５１０は、制御部５９が得た各
実測データ（Ｌi，Ｘi）に、例えば平滑微分などの所定
の演算を施して、干渉光強度Ｌと参照ミラー５４の位置
Ｘとの関係を得ると、前記ピークに対応する干渉光強度
ＬAを峻別する。そして、その値ＬAを与える参照ミラー
５４の位置ＸAを、光路長差０を実現する位置とみな
し、その値ＸAを、被検位置Ａを示す値として記憶す
る。

【０００８】以上の動作は、被検ミラー５８を被検位置
Ｂに配置した状態でも同様に行われ、光路長差０を実現
する参照ミラー５４の位置ＸBが、被検位置Ｂを示す値
として記憶される。したがって、位置Ａと位置Ｂとの間
隔は、｜ＸA−ＸB｜により得られる。なお、本明細書で
は、このように、少なくとも測定範囲においては光路長
差０のときにのみ前記包絡線にピークが発生するよう、
十分に可干渉距離が短く設定された光を「低コヒーレン
ス光」と称し、低コヒーレンス光を出射する光源を「低
コヒーレンス光源」と称する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上説明し
た低コヒーレンス干渉測定装置５０を高精度化するに
は、被検光と参照光との光路長差が０となる状態、つま
り、前記ピークに対応する干渉光強度ＬAを正確に検知
する必要がある。そのためには、各光強度データＬiを
十分な精度で取得すればよいが、検出器５７の光強度分
解能を向上させるのは、周知のとおり非常に困難であ
る。

【００１０】そこで、誤差を圧縮するために、各実測デ
ータ（Ｌi，Ｘi）に最小二乗法などの演算処理を適用す
ることが考えられる。しかしこの場合、演算処理部５１
０が複雑化し、かつ処理速度の低下が避けられない。ま
た、仮にそれを許容したとしても、各光強度データＬi
が十分な精度で取得されない以上は、演算による誤差の
圧縮には限界がある。

【００１１】一方、光源５１の波長スペクトル幅を広げ
てその可干渉距離をさらに短くすれば、干渉特性曲線の
包絡線の半値全幅が狭まるので、ピーク周辺で干渉光強
度が大きく変化することとなり、光路長差０の状態を検
知し易くなる。しかし、一般の光は、波長スペクトル幅
を広げる（すなわち白色光に近づける）ほど指向性が低
下するので、装置への適用が困難となる。

【００１２】そこで本発明は、従来の低コヒーレンス干
渉測定装置の構成を一部変更することにより前記包絡線
の傾きを急峻化させて、高精度化された低コヒーレンス
干渉測定装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１または請求項２
に記載の低コヒーレンス干渉測定装置は、低コヒーレン
ス光源である主光源を備え、その主光源から出射された
光束を分割し、被検物と参照物との双方に導くと共に、
被検物において反射した被検光と参照物において反射し
た参照光とを、互い重ね合わせて干渉させる干渉光学系
と、前記参照物を移動可能に支持する支持手段と、前記
被検光と参照光とが成す干渉光の強度を検出する検出手
段とを備える。さらに、この低コヒーレンス干渉測定装
置は、前記主光源とは中心波長の異なる副光源を備え、
前記副光源から出射された光束を、統合光学系によっ
て、前記主光源から出射された光束の光路のうち、前記
分割される前の光路に重ね合わせている。

【００１４】上記２つの光源の下で生じる干渉光強度
は、主光源を単独で用いた場合に生じる干渉光強度と、
副光源を単独で用いた場合に生じる干渉光強度との和と
なる。したがって、この低コヒーレンス干渉測定装置の
干渉特性曲線の包絡線には、従来と同様、光路長差が０
の状態においてピークが発生する。ただし、この包絡線
には、２つの光源の中心波長の差異によってうなりが生
じるので、前記ピークの両側には落ち込みが生じ、包絡
線の傾きが急峻化される。

【００１５】そして、請求項２に記載の低コヒーレンス
干渉測定装置では、前記参照物の位置を走査し、そのと
きに前記検出手段が検出する前記干渉光の強度の変化か
ら、前記参照物の位置を基準とした前記被検物の位置を
求める。上記のように干渉特性曲線の包絡線の傾きが急
峻化されたこの低コヒーレンス干渉測定装置では、光路
長差０の周辺で干渉光強度が大きく変化する。したがっ
て、干渉光の強度の変化から光路長差０の状態を確実に
峻別することができる。そして、この状態での参照物の
位置を参照すれば、被検物の位置は高精度に求められ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態について説明する。図１は、本実施形態の低コヒ
ーレンス干渉測定装置１０を示す図である。なお、図１
において、図５に示した従来の低コヒーレンス干渉測定
装置５０と同じ箇所については、同一の符号を付して示
している。

【００１７】低コヒーレンス干渉測定装置１０におい
て、従来の低コヒーレンス干渉測定装置５０との主な相
違点は、副光源１２、コリメータレンズ１３、およびハ
ーフミラー１４が付加されている点である。すなわち、
低コヒーレンス干渉測定装置１０は、二つの光源（主光
源１１、副光源１２）、それぞれの光源に対応する２つ
のコリメータレンズ（コリメータレンズ５２、１３）、
ハーフミラー１４（統合光学系に対応する）、ビームス
プリッタ５３（干渉光学系に対応する）、被検ミラー５
８（被検物に対応する）、参照ミラー５４（参照物に対
応する）、集光レンズ５６、検出器５７（検出手段に対
応する）、移動ステージ５５（支持手段に対応する）、
制御部５９（位置取得手段に対応する）、および演算処
理部１１０（位置取得手段に対応する）を備えている。

【００１８】この低コヒーレンス干渉測定装置１０にお
いて、主光源１１から射出した光束ＬＭはコリメータレ
ンズ５２により平行光束に変換される。また、副光源１
２から射出した光束ＬＳはコリメータレンズ１３により
平行光束に変換される。これらの光束ＬＭと光束ＬＳと
は、ハーフミラー１４を介して同一光路に導かれて重ね
合わされ、光束Ｌとなる。光束Ｌは、ビームスプリッタ
５３により分割され、一部が被検ミラー５８へ導かれ、
他の一部が参照ミラー５４へと導かれる。被検ミラー５
８において反射した被検光と、参照ミラー５４において
反射した参照光とは再びビームスプリッタ５３へ入射
し、その後集光レンズ５６を介して検出器５７上に干渉
光を生起させる。

【００１９】また、参照ミラー５４は、移動ステージ５
５上に設置されている。ステッピングモータ駆動の直進
ステージなどからなるこの移動ステージ５５は、制御部
５９によって光軸方向に移動可能である。また、この移
動ステージ５５には、移動ステージ５５の光軸方向の位
置を検出するリニアスケール（不図示）が搭載されてお
り、その位置を示す信号が、参照ミラー５４の位置を示
す位置データＸiとして出力される。

【００２０】また、検出器５７は、入射した光の強度を
検出する光電子増倍管などからなり、制御部５９の指示
に応じて干渉光の強度を示す光強度データＬiを出力す
る。図２は、主光源１１、副光源１２の波長スペクトル
分布を示す図である。本実施形態の主光源１１は、従来
の光源５１（図５参照）と同様、低コヒーレンス光源で
ある。主光源１１には、例えば、ガウス型の波長スペク
トル分布をした、スーパールミネッセントダイオード
（ＳＬＤ）が使用され、波長スペクトルの半値全幅Δλ
１、中心波長λ１がそれぞれ所定値（例えば、Δλ１＝
７ｎｍ、λ１＝６８０ｎｍ）に設定される。

【００２１】一方、副光源１２は、その中心波長λ２
が、主光源１１の中心波長λ１とは異なる所定値に設定
された光源である。副光源１２には、例えば、単一波長
のＨｅＮｅレーザ（Δλ２≒０ｎｍ、λ２＝６３２．８
ｎｍ）が使用される。そして、この副光源１２と、主光
源１１との間では、非干渉性（インコヒーレント）の関
係が成り立つ。

【００２２】これら２つの光源の下で生じる干渉光強度
は、主光源１１を単独で用いた場合に生じる干渉光強度
（図６参照）と、副光源１２を単独で用いた場合に生じ
る干渉光強度（光路長差の単なる正弦関数である）との
和となる。

【００２３】図３は、低コヒーレンス干渉測定装置１０
の干渉特性曲線を示す図である。したがって、図３に明
らかなように、本実施形態の干渉特性曲線の包絡線に
は、従来と同様、光路長差０の状態においてピーク（最
大ピーク）が発生する。但し、２つの光源は中心波長が
異なるので、本実施形態の包絡線には、うなりが生じて
いる。このうなりは、主光源１１と副光源１２との間の
波数差ΔＤ（ΔＤ＝｜（１／λ１）−（１／λ２）｜）
に応じた間隔（Ｌ５＝１／ΔＤ）で発生している。

【００２４】このため、光路長差０に対応する最大ピー
クの両側には、落ち込みが生じ、包絡線の傾きが急峻化
されている。なお、この包絡線には、光路長差０に対応
する最大ピークの他に、やや小さなピークが発生する。
しかし、本実施形態では最大ピークを確実に峻別するた
めに、予め主光源１１および副光源１２の中心波長λ
１、λ２の値は適当な関係に選択され、光路長差０に対
応する最大ピークとそれに隣接するピーク（隣接ピー
ク）との強度差ΔＬは、検出器５７によって検出可能な
程度の大きさに確保されている。

【００２５】図１に戻り、低コヒーレンス干渉測定装置
１０では、被検位置Ａと被検位置Ｂとの間隔を測定する
際に、従来と同様、被検位置Ａ、被検位置Ｂのそれぞれ
に被検ミラー５８が配置され、被検位置Ａ、Ｂを示す値
ＸA、ＸBが個別に取得される。すなわち、被検位置Ａに
被検ミラー５８が配置された状態で、制御部５９は、主
光源１１、副光源１２、移動ステージ５５、および検出
器５７を駆動し、参照ミラー５４の位置を走査しながら
検出器５７の出力をモニタして、参照ミラー５４の各位
置データＸiと、干渉光の各光強度データＬiとを互いに
対応づけて演算処理部１１０に与える。

【００２６】上述したように、本実施形態では、干渉特
性曲線の包絡線の傾きが急峻化されているので、光路長
差０の周辺では干渉光の強度が大きく変化すはずであ
る。このため、実測データである各光強度データＬi
も、光路長差０の周辺で大きな変化を示す。

【００２７】したがって、本実施形態では、たとえ演算
処理部１１０における演算内容が従来と同じであったと
しても、前記包絡線の傾きが急峻化された分だけ、光路
差０に対応する干渉光強度ＬAの峻別精度は高まり、光
路長差０を示す位置ＸA、すなわち被検位置Ａの測定精
度が高まる。因みに、演算処理部１１０における演算
は、各実測データ（Ｌi，Ｘi）に、例えば平滑微分など
の所定の演算を施して、干渉光強度Ｌと参照ミラー５４
の位置Ｘとの関係を得ると、例えば最大の干渉光強度Ｌ
Aを前記最大ピークに対応する値とみなして峻別する。
そして、その値ＬAを与える参照ミラー５４の位置ＸA
を、光路長差０を実現する位置とみなし、その値ＸA
を、被検位置Ａを示す値として記憶するものである。さ
らに高精度化を図る場合には、演算処理部１１０に、
予め、干渉特性曲線の形状（図３参照）、またはその包
絡線の形状を示す形状情報を記憶させる。そして、演算
処理部１１０は、その形状情報に基づく最小二乗法など
の演算処理を各実測データ（Ｌi，Ｘi）に適用すること
によって、干渉光強度Ｌと参照ミラー５４の位置Ｘとの
関係から、測定誤差を除去すればよい。

【００２８】何れにせよ、本実施形態では、干渉特性曲
線の包絡線の傾きが急峻化された分だけ、被検位置Ａの
測定精度は高まる。そして、以上の動作は被検ミラー５
８を被検位置Ｂに配置した状態でも同様に行われ、光路
長差０を実現する参照ミラー５４の位置ＸBが、被検位
置Ｂを示す値として記憶される。本実施形態では、被検
位置Ｂの測定精度についても、前記包絡線の傾きが急峻
化された分だけ高まる。そしてその結果、位置Ａと位置
Ｂとの間隔｜ＸA−ＸB｜は、高精度に得られる。

【００２９】以上説明したように、本実施形態の構成
は、従来の低コヒーレンス干渉測定装置５０に、主とし
て副光源１２を付加しただけであるが、確実に高精度化
される。なお、上記実施形態では、主光源１１に低コヒ
ーレンス光源が用いられ、かつ副光源１２にコヒーレン
ス光源が用いられているが、これらの光源としては、両
者の中心波長が異って（λ１≠λ２）いさえすれば、主
光源１１の波長スペクトル幅と、副光源１２の波長スペ
クトル幅とのそれぞれを、その指向性が失われない限り
においてなるべく広くすることが好ましい。一般に、干
渉特性曲線の包絡線の半値全幅ΔＸは、光源の波長スペ
クトル分布の半値全幅Δλが大きいほど小さくなる（因
みに、単一光源の場合、ΔＸ＝０．６９３／（πΔ
ν）、但しΔνは光源の波長スペクトル分布をガウス分
布と仮定し波数νの関数として表したときの半値全幅で
ある。）ので、このようにすれば、最大ピークの両側
を、より急峻に落ち込ませることができる。

【００３０】また、上記実施形態においては、両光源の
波数差ΔＤ（ΔＤ＝｜（１／λ１）−（１／λ２）｜）
を十分に大きくとることが好ましい。波数差ΔＤが大き
くなるほど、包絡線のピーク同士の間隔Ｌ５（Ｌ５＝１
／ΔＤ）が小さくなるので、最大ピークの両側を、より
急峻に落ち込ませることができる。また、上記実施形態
においては、移動ステージ５５や検出器５７の精度が高
まるのに応じて、両光源の中心波長λ１、λ２のそれぞ
れを短くして、干渉光強度Ｌと参照ミラー５４の位置Ｘ
との関係を、より柔軟に求めることとしてもよい。

【００３１】また、上記実施形態において、主光源１１
から出射された光束ＬＭと副光源１２から出射された光
束ＬＳとの重ね合わせ方については、これら光束ＬＭと
ＬＳとが同一の光路に導かれるのであれば、如何なる方
法を採用してもよい。なお、上記実施形態において、制
御部５９または演算処理部１１０は、低コヒーレンス干
渉測定装置１０に内蔵されていなくてもよい。例えば、
演算処理部１１０に代えて、外部のコンピュータに同じ
処理を行わせてもよい。

【００３２】また、以上説明した本発明は、高い精度が
要求される面精度測定において、特定種類の光学素子の
間隔を測定する場合に、好適である。以下、本発明の他
の実施形態として、上記低コヒーレンス干渉測定装置１
０が面精度測定に適用された場合について説明する。

【００３３】図４は、他の実施形態を説明する図であ
る。先ず、面精度測定には、面精度測定装置４０が使用
される。面精度測定装置４０は、低コヒーレンス干渉測
定装置１０と同様、光の干渉を利用した装置であるが、
面精度を二次元的に観察するために、被検面４０ａに所
定波面の光を照射すると共に、参照面４５ａにも所定波
面の光を照射して、双方の面における反射光が成す干渉
縞を２次元画像検出器４１０にて検出するものである。
被検面４０ａの面精度は、その干渉縞のパターンを演算
装置４１１において解析することによって得ることがで
きる。

【００３４】ここで、被検面４０ａの設計形状が非球面
である場合、それに対応するべく、面精度測定装置４０
が被検面４０ａに照射する光の波面を、非球面形状に設
定することがある。しかし、このような光は、進行して
もその波面形状を変化させない球面波と異なり、進行す
るに従ってその波面形状を変化させるので、被検面４０
ａの位置Ａと面精度測定装置４０の位置Ｂとの関係が光
軸方向にわずかでもずれると、被検面４０ａに入射する
光の状態が大きく変化し、測定誤差が生じてしまう。測
定誤差をなくすためには、被検面４０ａと面精度測定装
置４０との間隔を測定しておく必要がある。

【００３５】そこで、本実施形態では、この測定に、上
記低コヒーレンス干渉測定装置１０を適用する。ただ
し、このとき演算装置４１１は、取得した干渉縞のパタ
ーンと、低コヒーレンス干渉測定装置１０が測定した間
隔とに基づいて、被検面４０ａの面精度を求める。上述
したように低コヒーレンス干渉測定装置１０によれば高
精度な距離測定が可能なので、光の波長未満の精度が要
求されるこの面精度測定を、確実に高精度化させること
ができる。

【００３６】なお、低コヒーレンス干渉測定装置１０が
演算装置４１１に対して与える情報は、位置Ａと位置Ｂ
との間隔を示す情報であれば、間隔を示す値｜ＸA−ＸB
｜の他、位置Ａを示す値ＸAと位置Ｂを示す値ＸＢとの
組み合わせや、光強度データＬiと位置データＸiとの組
み合わせなど、如何なる形態の情報としてもよい。ま
た、低コヒーレンス干渉測定装置１０の測定結果が利用
されるのは、被検面４０ａと面精度測定装置４０との位
置合わせの時であってもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来の装置に一部変更を加えるだけで干渉特性曲線の包
絡線の傾きが急峻化し、これによって高精度な低コヒー
レンス干渉測定装置が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の低コヒーレンス干渉測定装置１０
を示す図である。

【図２】主光源１１、副光源１２の波長スペクトル分布
を示す図である。

【図３】低コヒーレンス干渉測定装置１０の干渉特性曲
線を示す図である。

【図４】本発明の他の実施形態を説明する図である。

【図５】従来の低コヒーレンス干渉測定装置５０を説明
する図である。

【図６】低コヒーレンス干渉測定装置５０の干渉特性曲
線を示す図である。

【符号の説明】

１０、５０低コヒーレンス干渉測定装置１１主光源１２副光源５１光源１３、５２、４２コリメータレンズ１１０、５１０演算処理部５３、４３ビームスプリッタ５８被検ミラー５４参照ミラー５５移動ステージ５６集光レンズ５７検出器５９制御部４０面精度測定装置４１レーザ光源４９ビーム系変換光学系４１０２次元画像検出器４１１演算装置４５波面変換手段

フロントページの続きＦターム(参考） 2F064 AA04 AA15 BB05 CC04 EE09 FF02 FF03 FF06 GG12 GG22 HH03 HH05 HH08 JJ03 2F065 AA02 AA06 DD03 FF42 FF51 GG04 GG07 GG21 HH03 HH04 HH13 JJ01 LL00 LL04 LL12 LL46 MM03 QQ13 QQ25 QQ29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低コヒーレンス光源である主光源と、前記主光源から出射された光束を分割し、被検物と参照
物との双方に導くと共に、被検物において反射した被検
光と参照物において反射した参照光とを、互い重ね合わ
せて干渉させる干渉光学系と、前記参照物を移動可能に支持する支持手段と、前記被検光と参照光とが成す干渉光の強度を検出する検
出手段とを備えた低コヒーレンス干渉測定装置におい
て、前記主光源とは中心波長の異なる副光源と、前記副光源から出射された光束を、前記主光源から出射
された光束の光路のうち、前記分割される前の光路に重
ね合わせる統合光学系とを備えたことを特徴とする低コ
ヒーレンス干渉測定装置。
【請求項２】前記参照物の位置を走査し、そのときに
前記検出手段が検出する前記干渉光の強度の変化から、
前記参照物の位置を基準とした前記被検物の位置を求め
る位置取得手段を備えたことを特徴とする請求項１記載
の低コヒーレンス干渉測定装置。