JP2001272216A - 角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置 - Google Patents
角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置Info
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- JP2001272216A JP2001272216A JP2000082485A JP2000082485A JP2001272216A JP 2001272216 A JP2001272216 A JP 2001272216A JP 2000082485 A JP2000082485 A JP 2000082485A JP 2000082485 A JP2000082485 A JP 2000082485A JP 2001272216 A JP2001272216 A JP 2001272216A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 低コヒーレント空間干渉法によるプロフィロ
メトリー計測を高速でかつ有効に行うことのできる装置
を提供する。 【解決手段】 広いスペクトル幅をもつ光源２１と、こ
の光源２１から出射された光ビームを、被検体２７を経
由する信号光と、この光路とは異なる光路を経由する参
照光とに二分するとともに、被検体を経由した信号光
と、参照光を空間的に交差させ干渉させる干渉光学系
と、信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシ
フトさせる周波数シフタ２８を備え、さらに、信号光と
参照光が重畳する面上に角分散素子を配置して、この角
分散素子を透過もしくは反射する信号光および参照光を
検出面に結像する光学結像系と、結像した干渉光をヘテ
ロダイン検出する光センサと、光センサで得られた複数
の受光信号を統合して被検体の表面もしくは内部層の、
信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成す
る信号処理系とを具備する。
メトリー計測を高速でかつ有効に行うことのできる装置
を提供する。 【解決手段】 広いスペクトル幅をもつ光源２１と、こ
の光源２１から出射された光ビームを、被検体２７を経
由する信号光と、この光路とは異なる光路を経由する参
照光とに二分するとともに、被検体を経由した信号光
と、参照光を空間的に交差させ干渉させる干渉光学系
と、信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシ
フトさせる周波数シフタ２８を備え、さらに、信号光と
参照光が重畳する面上に角分散素子を配置して、この角
分散素子を透過もしくは反射する信号光および参照光を
検出面に結像する光学結像系と、結像した干渉光をヘテ
ロダイン検出する光センサと、光センサで得られた複数
の受光信号を統合して被検体の表面もしくは内部層の、
信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成す
る信号処理系とを具備する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検体に光ビーム
を照射し、その被検体の表面もしくは内部から反射した
光を利用して、その被検体表面の平坦さもしくは内部の
層構造の光画像計測を行う角分散光ヘテロダインプロフ
ィロメトリー装置に関する。
を照射し、その被検体の表面もしくは内部から反射した
光を利用して、その被検体表面の平坦さもしくは内部の
層構造の光画像計測を行う角分散光ヘテロダインプロフ
ィロメトリー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】物体の表面の平坦さ（または粗さ）を無
接触で測定する方法として光干渉法によるプロフィロメ
トリー（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）が知られている。
接触で測定する方法として光干渉法によるプロフィロメ
トリー（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）が知られている。
【０００３】図９にその測定原理を示す。
【０００４】この図において、１０１は光源、１０２，
１０３はレンズ、１０４は半透明鏡、１０５は被検体、
１０６は反射鏡（スキャン可能）、１０７は光検出器で
ある。
１０３はレンズ、１０４は半透明鏡、１０５は被検体、
１０６は反射鏡（スキャン可能）、１０７は光検出器で
ある。
【０００５】図９に示すように、例えばマイケルソン干
渉計において、反射鏡１０６と被検体１０５から反射さ
れ、光検出器１０７に到達する光波を共に平面波とする
と、光検出器１０７からはｉdc＝（１／２）（Ｅ1 2 ＋
Ｅ2 2 ）の直流成分の他に、光路長差２Δｌ＝２（ｌ1
−ｌ2 ）を正弦関数の変数とする光干渉の項ｉ＝Ｅ1Ｅ
2 ｃｏｓ（２πΔｌ／λ）〔ｉは波形バー付き〕に比例
する光電流が得られる。ただし、Ｅ1 とＥ2 はそれぞれ
両光波の振幅、λは光波長である。従って、光干渉信号
の位相を検出することによって、サブ波長オーダーの光
路長差を測定することができる。
渉計において、反射鏡１０６と被検体１０５から反射さ
れ、光検出器１０７に到達する光波を共に平面波とする
と、光検出器１０７からはｉdc＝（１／２）（Ｅ1 2 ＋
Ｅ2 2 ）の直流成分の他に、光路長差２Δｌ＝２（ｌ1
−ｌ2 ）を正弦関数の変数とする光干渉の項ｉ＝Ｅ1Ｅ
2 ｃｏｓ（２πΔｌ／λ）〔ｉは波形バー付き〕に比例
する光電流が得られる。ただし、Ｅ1 とＥ2 はそれぞれ
両光波の振幅、λは光波長である。従って、光干渉信号
の位相を検出することによって、サブ波長オーダーの光
路長差を測定することができる。
【０００６】図９の干渉計において、光源にコヒーレン
ト長（可干渉距離）の長いレーザ光を使用する場合、反
射鏡の位置をスキャンすれば光干渉信号は光路長差に応
じて周期的に変化する。そこで、正弦関数の周期性か
ら、絶対値測定での最大距離は光波長の半分、すなわち
λ／２に等しいことが明白である。言いかえれば、測定
範囲に光波長以上の起伏があれば、レーザ光を用いたプ
ロフィロメトリーの測距量にλ／２の倍数に相当する曖
昧さが存在する。この曖昧さを改善する方法として、２
つの波長（λ1 とλ2 ）のレーザ光を用いた光ヘテロダ
インプロフィロメトリー法が報告されている〔例えば、
Ａ．Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ、Ｈ．Ｚ．Ｈｕ、Ｕ．Ｖｒｙ、
“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．２４、２
１８１（１９８５）参照〕。これは光干渉における実効
波長をΛ＝λ1 λ2 ／｜λ1 −λ2｜に伸ばす方法であ
り、距離の絶対値測定範囲を波長の十数倍程度に拡大す
ることができる。
ト長（可干渉距離）の長いレーザ光を使用する場合、反
射鏡の位置をスキャンすれば光干渉信号は光路長差に応
じて周期的に変化する。そこで、正弦関数の周期性か
ら、絶対値測定での最大距離は光波長の半分、すなわち
λ／２に等しいことが明白である。言いかえれば、測定
範囲に光波長以上の起伏があれば、レーザ光を用いたプ
ロフィロメトリーの測距量にλ／２の倍数に相当する曖
昧さが存在する。この曖昧さを改善する方法として、２
つの波長（λ1 とλ2 ）のレーザ光を用いた光ヘテロダ
インプロフィロメトリー法が報告されている〔例えば、
Ａ．Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ、Ｈ．Ｚ．Ｈｕ、Ｕ．Ｖｒｙ、
“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．２４、２
１８１（１９８５）参照〕。これは光干渉における実効
波長をΛ＝λ1 λ2 ／｜λ1 −λ2｜に伸ばす方法であ
り、距離の絶対値測定範囲を波長の十数倍程度に拡大す
ることができる。
【０００７】一方、広帯域なスペクトル幅を持つ光源の
時間領域の低コヒーレンス性（空間領域で短い可干渉距
離とも表現する）に着目して、光干渉信号は信号光と参
照光の光路長差が光源のコヒーレント長ｌc 以内である
時にのみ得られるプロフィロメトリー法が提案されてい
る〔例えば、Ｂ．Ｓ．Ｌｅｅ、Ｔ．Ｃ．Ｓｔｒａｎｄ、
“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．２９、３
７８４（１９９０）参照〕。例えば、市販品で中心波長
λ＝８００ｎｍ、波長半値幅Δλ＝３０ｎｍのスーパー
ルミネセントダイオード（ＳＬＤ）を例とすると、ｌc
≒λ／Δλ2 ＝２１μｍとなり、可干渉距離がレーザー
光に比べて極めて短いことが分かる。
時間領域の低コヒーレンス性（空間領域で短い可干渉距
離とも表現する）に着目して、光干渉信号は信号光と参
照光の光路長差が光源のコヒーレント長ｌc 以内である
時にのみ得られるプロフィロメトリー法が提案されてい
る〔例えば、Ｂ．Ｓ．Ｌｅｅ、Ｔ．Ｃ．Ｓｔｒａｎｄ、
“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．２９、３
７８４（１９９０）参照〕。例えば、市販品で中心波長
λ＝８００ｎｍ、波長半値幅Δλ＝３０ｎｍのスーパー
ルミネセントダイオード（ＳＬＤ）を例とすると、ｌc
≒λ／Δλ2 ＝２１μｍとなり、可干渉距離がレーザー
光に比べて極めて短いことが分かる。
【０００８】互いの距離差（または段差）が波長以上で
ある２つの測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレン
ト干渉信号のそれぞれを図１０のグラフＡとグラフＢに
示す。このように、低コヒーレント干渉法を用いたプロ
フィロメトリーは干渉縞の包絡線のピーク値を検出する
ことによって絶対値の距離測定を行うことができる。
ある２つの測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレン
ト干渉信号のそれぞれを図１０のグラフＡとグラフＢに
示す。このように、低コヒーレント干渉法を用いたプロ
フィロメトリーは干渉縞の包絡線のピーク値を検出する
ことによって絶対値の距離測定を行うことができる。
【０００９】他方、空間干渉の原理を低コヒーレント干
渉法に応用して、参照光路上の反射鏡をスキャンするこ
となしに干渉縞が得られる軸外し干渉計が考案されてい
る〔例えば、Ｍ．−Ｌ．Ｊｕｎｔｔｉｌａ、Ｊ．Ｋａｕ
ｐｐｉｎｅｎ、Ｅ．Ｉｋｏｎｅｎ、“Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅ
ｒｉｃａ Ａ”、Ｖｏｌ．８、１４５７（１９９１）に
参照〕。
渉法に応用して、参照光路上の反射鏡をスキャンするこ
となしに干渉縞が得られる軸外し干渉計が考案されてい
る〔例えば、Ｍ．−Ｌ．Ｊｕｎｔｔｉｌａ、Ｊ．Ｋａｕ
ｐｐｉｎｅｎ、Ｅ．Ｉｋｏｎｅｎ、“Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅ
ｒｉｃａ Ａ”、Ｖｏｌ．８、１４５７（１９９１）に
参照〕。
【００１０】図１１に示すように、平面波の信号光ｅs
と平面波の参照光ｅr が検出面の中心位置Ｏに対しそれ
ぞれ左側と右側から検出面へ入射するとすると、検出面
におけるｅs とｅr は以下のように表される。
と平面波の参照光ｅr が検出面の中心位置Ｏに対しそれ
ぞれ左側と右側から検出面へ入射するとすると、検出面
におけるｅs とｅr は以下のように表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】但し、Ｅr とＥs はそれぞれ参照光と信号
光の振幅、ｆは光周波数、φ（ｘ）は位相である。そこ
で、検出面で検出される光強度は次のように計算され
る。
光の振幅、ｆは光周波数、φ（ｘ）は位相である。そこ
で、検出面で検出される光強度は次のように計算され
る。
【００１４】
【数３】
【００１５】この式（３）より光干渉の項は、
【００１６】
【数４】
【００１７】と求められる。ただし、Δφは両光波間の
光路長差ΔＬによる位相差、ｃは光の速度である。
光路長差ΔＬによる位相差、ｃは光の速度である。
【００１８】図１１から、検出面上のある検出点Ｃから
参照光波の等位相面ＢＢ′までの距離ＣＥ（上バー付
き）と、同Ｃ点から信号光波の等位相面ＡＡ′までの距
離ＣＤ（上バー付き）との間の光路長差が次のように与
えられる。
参照光波の等位相面ＢＢ′までの距離ＣＥ（上バー付
き）と、同Ｃ点から信号光波の等位相面ＡＡ′までの距
離ＣＤ（上バー付き）との間の光路長差が次のように与
えられる。
【００１９】
【数５】
【００２０】ただし、θは光の入射角である。そこで、
参照光波が等位相面ＢＢ′までの伝搬距離と、信号光波
が等位相面ＡＡ′までの伝搬距離との間の差をΔｌとす
ると、任意の検出点における両光波間の光路長差ΔＬ
は、上記式（５）から
参照光波が等位相面ＢＢ′までの伝搬距離と、信号光波
が等位相面ＡＡ′までの伝搬距離との間の差をΔｌとす
ると、任意の検出点における両光波間の光路長差ΔＬ
は、上記式（５）から
【００２１】
【数６】
【００２２】と与えられる。この式（６）を前記式
（４）に代入すると、
（４）に代入すると、
【００２３】
【数７】
【００２４】になる。スペクトル広がりをもつ光源の場
合、この式（７）を光源の周波数分布について積分すれ
ばよく、ここでは計算の便宜上、光源の周波数分布関数
を中心ｆ0 、幅２δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とする。
合、この式（７）を光源の周波数分布について積分すれ
ばよく、ここでは計算の便宜上、光源の周波数分布関数
を中心ｆ0 、幅２δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とする。
【００２５】
【数８】
【００２６】この式（８）は周期λ0 ／（２ｓｉｎθ）
（λ0 ＝ｃ／ｆ0 は中心波長）の正弦関数で変調された
ｓｉｎｃ関数を表わし、ｓｉｎｃ関数のピーク（Δｌ−
２ｘｓｉｎθ＝０）が光路長差Δｌに対応している。
（λ0 ＝ｃ／ｆ0 は中心波長）の正弦関数で変調された
ｓｉｎｃ関数を表わし、ｓｉｎｃ関数のピーク（Δｌ−
２ｘｓｉｎθ＝０）が光路長差Δｌに対応している。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】被検体表面の起伏は波
長オーダーの場合、図９の同軸、または図１１の軸外し
低コヒーレント干渉法の何れも干渉縞の位相検出に難点
がある。これを説明するために、互いの段差が約一波長
に等しい測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレント
光干渉信号をそれぞれ図１２のグラフＡとグラフＢに示
す。これより察知できるように、光源のコヒーレント長
は通常波長より十数倍以上長いため、干渉縞の位相検出
には依然πの倍数に相当する曖昧さが残っていると考え
られる。
長オーダーの場合、図９の同軸、または図１１の軸外し
低コヒーレント干渉法の何れも干渉縞の位相検出に難点
がある。これを説明するために、互いの段差が約一波長
に等しい測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレント
光干渉信号をそれぞれ図１２のグラフＡとグラフＢに示
す。これより察知できるように、光源のコヒーレント長
は通常波長より十数倍以上長いため、干渉縞の位相検出
には依然πの倍数に相当する曖昧さが残っていると考え
られる。
【００２８】一方、干渉縞の位相検出ではなく、その包
絡線のピーク値を精確に検出することにより絶対値の距
離測定を行うことが可能である。しかしながら、検出し
た干渉縞からその包絡線を求めることは通常フーリェ変
換などのデータ演算処理を要し、プロフィロメトリー計
測の実用上煩瑣であると言える。
絡線のピーク値を精確に検出することにより絶対値の距
離測定を行うことが可能である。しかしながら、検出し
た干渉縞からその包絡線を求めることは通常フーリェ変
換などのデータ演算処理を要し、プロフィロメトリー計
測の実用上煩瑣であると言える。
【００２９】さらに、従来の空間干渉法はプロフィロメ
トリー計測への応用に難点があると言える。空間干渉の
縞間隔は上記した式（８）で与えられるようにλ0 ／
（２ｓｉｎθ）であり、波長オーダーである。理論上、
入射角θを小さくして干渉縞の間隔を広げることができ
るが、検出面上干渉縞の包絡線のピーク位置はｘ＝Δｌ
／（２ｓｉｎθ）で与えられていることから、光ビーム
及び光センサアレイのサイズによる制限がある。従っ
て、干渉縞の間隔は通常光波長オーダーであると考えら
れる。それを検出するために、ナイキスト（Ｎｙｑｕｉ
ｓｔ）のサンプリング原理から分解能（もしくは検出素
子のサイズ）δｘ＝λ0 ／（４ｓｉｎθ）以上のセンサ
アレイが必要である。例えば、λ0 ＝８００ｎｍ、θ＝
３０o とすると、δｘ＝４００ｎｍと算出され、極めて
高い空間分解能が要求されることが明白である。
トリー計測への応用に難点があると言える。空間干渉の
縞間隔は上記した式（８）で与えられるようにλ0 ／
（２ｓｉｎθ）であり、波長オーダーである。理論上、
入射角θを小さくして干渉縞の間隔を広げることができ
るが、検出面上干渉縞の包絡線のピーク位置はｘ＝Δｌ
／（２ｓｉｎθ）で与えられていることから、光ビーム
及び光センサアレイのサイズによる制限がある。従っ
て、干渉縞の間隔は通常光波長オーダーであると考えら
れる。それを検出するために、ナイキスト（Ｎｙｑｕｉ
ｓｔ）のサンプリング原理から分解能（もしくは検出素
子のサイズ）δｘ＝λ0 ／（４ｓｉｎθ）以上のセンサ
アレイが必要である。例えば、λ0 ＝８００ｎｍ、θ＝
３０o とすると、δｘ＝４００ｎｍと算出され、極めて
高い空間分解能が要求されることが明白である。
【００３０】本発明は、上記事情に鑑み、低コヒーレン
ト空間干渉法によるプロフィロメトリー計測を、高速で
かつ有効に行うことのできる角分散光ヘテロダインプロ
フィロメトリー装置を提供することを目的とする。
ト空間干渉法によるプロフィロメトリー計測を、高速で
かつ有効に行うことのできる角分散光ヘテロダインプロ
フィロメトリー装置を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置に
おいて、広いスペクトル幅をもつ光ビームを出射する光
源と、この光源から出射された光ビームを、被検体が配
置される被検体配置位置を経由する信号光と、前記被検
体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参
照光とに二分するとともに、戦記被検体配置位置を経由
した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光を
空間的に交差させることにより、互いに重畳する面上に
おいて干渉光を生成する干渉光学系と、この干渉光学系
が、前記干渉光を受光するために、信号光の周波数と前
記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタ
を備え、さらに、前記信号光と前記参照光が重畳する面
上に角分散素子を配置して、この角分散素子を透過もし
くは反射する前記信号光および前記参照光を検出面上に
て結像する光学結像系と、この光学結像系で結像した干
渉光をヘテロダイン検出する光センサと、この光センサ
が、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得
る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで
得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置
に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号
光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信
号処理系とを具備することを特徴とする。
成するために、 〔１〕角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置に
おいて、広いスペクトル幅をもつ光ビームを出射する光
源と、この光源から出射された光ビームを、被検体が配
置される被検体配置位置を経由する信号光と、前記被検
体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参
照光とに二分するとともに、戦記被検体配置位置を経由
した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光を
空間的に交差させることにより、互いに重畳する面上に
おいて干渉光を生成する干渉光学系と、この干渉光学系
が、前記干渉光を受光するために、信号光の周波数と前
記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタ
を備え、さらに、前記信号光と前記参照光が重畳する面
上に角分散素子を配置して、この角分散素子を透過もし
くは反射する前記信号光および前記参照光を検出面上に
て結像する光学結像系と、この光学結像系で結像した干
渉光をヘテロダイン検出する光センサと、この光センサ
が、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得
る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで
得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置
に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号
光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信
号処理系とを具備することを特徴とする。
【００３２】〔２〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダ
インプロフィロメトリー装置において、前記角分散素子
が回折格子であり、この回折格子によって１次回折され
て出射する前記信号光の中心波長成分と前記参照光の中
心波長成分がともに零度に近い出射角をもつことを特徴
とする。
インプロフィロメトリー装置において、前記角分散素子
が回折格子であり、この回折格子によって１次回折され
て出射する前記信号光の中心波長成分と前記参照光の中
心波長成分がともに零度に近い出射角をもつことを特徴
とする。
【００３３】〔３〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダ
インプロフィロメトリー装置において、前記信号処理系
が、光ヘテロダイン信号の振幅のみを検出することを特
徴とする。
インプロフィロメトリー装置において、前記信号処理系
が、光ヘテロダイン信号の振幅のみを検出することを特
徴とする。
【００３４】〔４〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダ
インプロフィロメトリー装置において、前記信号処理系
が、前記光ヘテロダイン信号振幅の最大値に対応する前
記センサ上の検出位置を求めるために微分法を用いるこ
とを特徴とする。
インプロフィロメトリー装置において、前記信号処理系
が、前記光ヘテロダイン信号振幅の最大値に対応する前
記センサ上の検出位置を求めるために微分法を用いるこ
とを特徴とする。
【００３５】〔５〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダ
インプロフィロメトリー装置において、前記干渉光学系
が前記被検体へ入射する光ビームをこの光ビームの入射
方向と垂直な横方向上線状に絞るために円柱レンズを用
い、さらに、この円柱レンズを用いて前記被検体を経由
した信号光を集光することを特徴とする。
インプロフィロメトリー装置において、前記干渉光学系
が前記被検体へ入射する光ビームをこの光ビームの入射
方向と垂直な横方向上線状に絞るために円柱レンズを用
い、さらに、この円柱レンズを用いて前記被検体を経由
した信号光を集光することを特徴とする。
【００３６】〔６〕上記〔５〕記載の角分散光ヘテロダ
インプロフィロメトリー装置において、前記光センサ
が、空間的に二次元配列され、それぞれが独立に受光信
号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光セ
ンサの一方向上で得られた複数の受光信号を統合して前
記信号光の伝搬方向上の各関心点に対応する信号を生成
するとともに、前記光センサの他の一方向上で得られた
複数の受光信号を総合して、前記信号光の伝搬方向と垂
直な横方向上の各関心点に対応する信号を生成し、さら
に、横方向上の各関心点に対応する信号間の相関関数を
算出することにより各関心点間の距離差を求める信号処
理部を具備することを特徴とする。
インプロフィロメトリー装置において、前記光センサ
が、空間的に二次元配列され、それぞれが独立に受光信
号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光セ
ンサの一方向上で得られた複数の受光信号を統合して前
記信号光の伝搬方向上の各関心点に対応する信号を生成
するとともに、前記光センサの他の一方向上で得られた
複数の受光信号を総合して、前記信号光の伝搬方向と垂
直な横方向上の各関心点に対応する信号を生成し、さら
に、横方向上の各関心点に対応する信号間の相関関数を
算出することにより各関心点間の距離差を求める信号処
理部を具備することを特徴とする。
【００３７】〔７〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダ
インプロフィロメトリー装置において、前記干渉光学系
が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を
備えることを特徴とする。
インプロフィロメトリー装置において、前記干渉光学系
が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を
備えることを特徴とする。
【００３８】〔８〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダ
インプロフィロメトリー装置において、前記光源が、可
干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオ
ードであることを特徴とする。
インプロフィロメトリー装置において、前記光源が、可
干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオ
ードであることを特徴とする。
【００３９】
〔９〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダ
インプロフィロメトリー装置において、前記光源が、可
干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードであることを特
徴とする。
インプロフィロメトリー装置において、前記光源が、可
干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードであることを特
徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。
て説明する。
【００４１】本発明は、光ヘテロダイン検出法を用いる
ことにより、上記光干渉縞の包絡線のみを検出する。さ
らに、本発明は空間干渉測定における光ヘテロダイン検
出の効率を高めるために、角分散素子例えば回折格子に
よる結像方法を用いている。
ことにより、上記光干渉縞の包絡線のみを検出する。さ
らに、本発明は空間干渉測定における光ヘテロダイン検
出の効率を高めるために、角分散素子例えば回折格子に
よる結像方法を用いている。
【００４２】図１は本発明の原理を示す角分散光ヘテロ
ダインプロフィロメトリー装置の構成図である。
ダインプロフィロメトリー装置の構成図である。
【００４３】この図において、１は低コヒーレンス光
源、２，３，６，１２，１４はレンズ、４は第１のビー
ムスプリッタＢＳ１、５は第２のビームスプリッタＢＳ
２、７は被検体、８は周波数シフタ、９は直角プリズ
ム、１０はミラー、１１は回折格子、１３は開口、１５
は光センサアレイである。
源、２，３，６，１２，１４はレンズ、４は第１のビー
ムスプリッタＢＳ１、５は第２のビームスプリッタＢＳ
２、７は被検体、８は周波数シフタ、９は直角プリズ
ム、１０はミラー、１１は回折格子、１３は開口、１５
は光センサアレイである。
【００４４】図１に示すように、スペクトル幅をもつ低
コヒーレンス光源１から出射した光ビームはレンズ２，
３によってビーム径の拡大した平行ビームに変換され
る。その平行ビームを第１のビームスプリッタ４で信号
光と参照光に二分する。参照光と分かれた信号光の一部
は第２のビームスプリッタ５を通過して、レンズ６によ
って被検体７の表面へ収束されて入射する。その被検体
７から反射してくる信号光は再びレンズ６によって集光
され、第２のビームスプリッタ５へ伝送される。第２の
ビームスプリッタ５によって一部反射される信号光は入
射角θで回折格子１１へ入射する。
コヒーレンス光源１から出射した光ビームはレンズ２，
３によってビーム径の拡大した平行ビームに変換され
る。その平行ビームを第１のビームスプリッタ４で信号
光と参照光に二分する。参照光と分かれた信号光の一部
は第２のビームスプリッタ５を通過して、レンズ６によ
って被検体７の表面へ収束されて入射する。その被検体
７から反射してくる信号光は再びレンズ６によって集光
され、第２のビームスプリッタ５へ伝送される。第２の
ビームスプリッタ５によって一部反射される信号光は入
射角θで回折格子１１へ入射する。
【００４５】一方、参照光は周波数シフタ８、例えば光
音響変調器（ＡＯＭ）からΔｆの周波数シフトを受け
て、直角プリズム９によって全反射され、ミラー１０へ
伝送される。ミラー１０によって反射される参照光は、
信号光とは反対の側から回折格子１１へ入射する。ただ
し、その入射角度は信号光と同じく入射角θである。図
１に示すように、参照光と信号光が回折格子１１の面上
において互いに重畳する。 周知のように、光ヘテロダ
イン検出効率は、参照光波と信号光波の波面不整合によ
って顕著に低下する。これはいわゆる光ヘテロダイン検
出のアンテナ特性であり〔例えば、Ａ．Ｅ．Ｓｉｅｇｍ
ａｎ、“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．
５、１５８８（１９６６）参照〕、検出器の面積分によ
り空間周波数をもつ干渉光が平均されてしまうと理解で
きる。この観点から、上記のような高い空間周波数（狭
い干渉縞間隔とも表現する）の干渉測定にヘテロダイン
検出法を応用することは大変不利であると言える。従来
の光ヘテロダイン干渉計では、図１に示す第２のビーム
スプリッタ５から反射される信号光とミラー１０から反
射される参照光を回折格子１１を用いて合波させ、単一
検出器で位相面を揃えた両光波をヘテロダイン検出する
〔例えば、吉沢徹、瀬田勝男、“光ヘテロダイン技
術”、新技術コミュニケーションズ出版（１９９４）参
照〕。しかし、このような波面整合方法は同軸光学の原
理に過ぎず、空間周波数の情報が失われることになる。
音響変調器（ＡＯＭ）からΔｆの周波数シフトを受け
て、直角プリズム９によって全反射され、ミラー１０へ
伝送される。ミラー１０によって反射される参照光は、
信号光とは反対の側から回折格子１１へ入射する。ただ
し、その入射角度は信号光と同じく入射角θである。図
１に示すように、参照光と信号光が回折格子１１の面上
において互いに重畳する。 周知のように、光ヘテロダ
イン検出効率は、参照光波と信号光波の波面不整合によ
って顕著に低下する。これはいわゆる光ヘテロダイン検
出のアンテナ特性であり〔例えば、Ａ．Ｅ．Ｓｉｅｇｍ
ａｎ、“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．
５、１５８８（１９６６）参照〕、検出器の面積分によ
り空間周波数をもつ干渉光が平均されてしまうと理解で
きる。この観点から、上記のような高い空間周波数（狭
い干渉縞間隔とも表現する）の干渉測定にヘテロダイン
検出法を応用することは大変不利であると言える。従来
の光ヘテロダイン干渉計では、図１に示す第２のビーム
スプリッタ５から反射される信号光とミラー１０から反
射される参照光を回折格子１１を用いて合波させ、単一
検出器で位相面を揃えた両光波をヘテロダイン検出する
〔例えば、吉沢徹、瀬田勝男、“光ヘテロダイン技
術”、新技術コミュニケーションズ出版（１９９４）参
照〕。しかし、このような波面整合方法は同軸光学の原
理に過ぎず、空間周波数の情報が失われることになる。
【００４６】そこで、本発明は、次のような機構を干渉
計に備えることにより、従来の光ヘテロダイン干渉計と
異なる特徴をもつ光空間干渉プロフィロメトリー装置を
提供するようにしたものである。
計に備えることにより、従来の光ヘテロダイン干渉計と
異なる特徴をもつ光空間干渉プロフィロメトリー装置を
提供するようにしたものである。
【００４７】ここでは、回折格子によって回折されて出
射する信号光及び参照光を結像レンズ系で検出面にて結
像させる。
射する信号光及び参照光を結像レンズ系で検出面にて結
像させる。
【００４８】さらに、本発明は検出面に配置される光セ
ンサとして、一次元ないし二次元に受光素子を配列され
る光センサレアイ１５を使用し、その光センサアレイ１
５から得られる出力のうち、周波数Δｆのヘテロダイン
信号の振幅を検出することによって干渉光強度の空間分
布を測定するようにしたものである。
ンサとして、一次元ないし二次元に受光素子を配列され
る光センサレアイ１５を使用し、その光センサアレイ１
５から得られる出力のうち、周波数Δｆのヘテロダイン
信号の振幅を検出することによって干渉光強度の空間分
布を測定するようにしたものである。
【００４９】以下、本発明による光ヘテロダインプロフ
ィロメトリー測定の原理を説明する。
ィロメトリー測定の原理を説明する。
【００５０】図２は、図１に角分散素子として例えば透
過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散
を示すものである。格子定数ｄの回折格子がｘ- 軸上に
配置され、その法線がｙ- 方向と平行するとすると、入
射角θの光ビームに対して回折格子からの１次回折光の
出射角βは、回折格子方程式より
過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散
を示すものである。格子定数ｄの回折格子がｘ- 軸上に
配置され、その法線がｙ- 方向と平行するとすると、入
射角θの光ビームに対して回折格子からの１次回折光の
出射角βは、回折格子方程式より
【００５１】
【数９】
【００５２】と与えられ、その角分散をこの式（９）よ
り次のように近似できる。
り次のように近似できる。
【００５３】
【数１０】
【００５４】図２において、ある出射点Ａから入射光波
の等位相面ＯＫまでの距離をＡＫ（上バー付き）とし、
また中心点Ｏから回折光波の等位相面ＬＡまでの距離Ｏ
Ｌ（上バー付き）をとすると、両者の間の距離差がＡＫ
−ＯＬ≒ＯＡ（ｓｉｎβ0 ＋Δβ）〔ＡＫ，ＯＬ，ＯＡ
ともに上バー付き）であることから、回折格子の角分散
による回折光の位相差Δφは次のように算出される。た
だしβ0 は中心波長λ o における回折角である。
の等位相面ＯＫまでの距離をＡＫ（上バー付き）とし、
また中心点Ｏから回折光波の等位相面ＬＡまでの距離Ｏ
Ｌ（上バー付き）をとすると、両者の間の距離差がＡＫ
−ＯＬ≒ＯＡ（ｓｉｎβ0 ＋Δβ）〔ＡＫ，ＯＬ，ＯＡ
ともに上バー付き）であることから、回折格子の角分散
による回折光の位相差Δφは次のように算出される。た
だしβ0 は中心波長λ o における回折角である。
【００５５】
【数１１】
【００５６】そこで、本発明は図３に示す光学結像系を
用いることを特徴とする。
用いることを特徴とする。
【００５７】図３では、焦点距離ｆ1 のレンズ１２のフ
ーリェ面に開口１３を配置することにより、回折格子１
１からのゼロ次回折光並び２次以上の高次回折光を除去
し、信号光及び参照光の１次回折光のみを光センサアレ
イ１５の面上に結像する。
ーリェ面に開口１３を配置することにより、回折格子１
１からのゼロ次回折光並び２次以上の高次回折光を除去
し、信号光及び参照光の１次回折光のみを光センサアレ
イ１５の面上に結像する。
【００５８】さらに、信号光波ｅs と参照光波ｅr はそ
れぞれ左右の両側から回折格子１１に入射することか
ら、回折格子１１の出射面における参照光の１次回折光
と信号光の１次回折光との間の位相差Δφを次のように
察知できる。ただし、Δω＝２πΔｆは両光波間の角周
波数差である。
れぞれ左右の両側から回折格子１１に入射することか
ら、回折格子１１の出射面における参照光の１次回折光
と信号光の１次回折光との間の位相差Δφを次のように
察知できる。ただし、Δω＝２πΔｆは両光波間の角周
波数差である。
【００５９】
【数１２】
【００６０】ここで、Δｌは、参照光波が等位相面ＥＤ
までの伝搬距離と、信号光波が等位相面ＣＤまでの伝搬
距離との間の差であって、本発明では、例えば図１での
直角プリズム９の配置位置を参照光波の入射方向上にス
キャンすることにより、被検体７の表面のある基準点か
ら反射してきた信号光に対してΔｌ＝０になるように設
置することが可能である。
までの伝搬距離と、信号光波が等位相面ＣＤまでの伝搬
距離との間の差であって、本発明では、例えば図１での
直角プリズム９の配置位置を参照光波の入射方向上にス
キャンすることにより、被検体７の表面のある基準点か
ら反射してきた信号光に対してΔｌ＝０になるように設
置することが可能である。
【００６１】一方、図３に示す光学結像の倍率はＭ＝ｆ
2 ／ｆ1 であり、回折格子１１の出射面上、例えばＡ点
（座標：ｘ）から出射する光は光センサアレイ１５が配
置される検出面上のＡ′点（座標：−Ｍｘ）に結像され
る。従って、検出面に結像する参照光と信号光との間の
位相差は上記した式（１２）より次のように与えられ
る。
2 ／ｆ1 であり、回折格子１１の出射面上、例えばＡ点
（座標：ｘ）から出射する光は光センサアレイ１５が配
置される検出面上のＡ′点（座標：−Ｍｘ）に結像され
る。従って、検出面に結像する参照光と信号光との間の
位相差は上記した式（１２）より次のように与えられ
る。
【００６２】
【数１３】
【００６３】ただし、ｆ＝ｃ／λである。前記式（３）
と同様に、検出面で検出される光強度は次のように計算
される。
と同様に、検出面で検出される光強度は次のように計算
される。
【００６４】
【数１４】
【００６５】上記した式（１３）と式（１４）より光干
渉の項は、
渉の項は、
【００６６】
【数１５】
【００６７】と求められる。スペクトル広がりをもつ光
源の場合、この式（１５）を光源の周波数分布について
積分すればよく、ここでは計算の便宜上光源の周波数分
布関数を中心ｆ0 、幅２δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型と
すると、
源の場合、この式（１５）を光源の周波数分布について
積分すればよく、ここでは計算の便宜上光源の周波数分
布関数を中心ｆ0 、幅２δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型と
すると、
【００６８】
【数１６】
【００６９】この式（１６）は周波数Δｆ＝Δω／２π
の正弦関数で変調されているｓｉｎｃ関数を表わし、前
記式（８）と同様に光路長差Δｌに対応して
の正弦関数で変調されているｓｉｎｃ関数を表わし、前
記式（８）と同様に光路長差Δｌに対応して
【００７０】
【数１７】
【００７１】の位置でｓｉｎｃ関数のそのピークが検出
される。しかし、その正弦関数の位相は周期Ｍλ0 ／
（２ｓｉｎβ0 ）の空間分布をもち、上記した式（８）
で与えられている周期〔＝λ0 ／（２ｓｉｎθ）〕とは
根本的に異なる。
される。しかし、その正弦関数の位相は周期Ｍλ0 ／
（２ｓｉｎβ0 ）の空間分布をもち、上記した式（８）
で与えられている周期〔＝λ0 ／（２ｓｉｎθ）〕とは
根本的に異なる。
【００７２】すなわち、本発明は従来の空間光干渉法で
光波の入射角度で決められていた干渉縞の周期を、適切
な回折角β0 を選ぶことにより自由に変化できる一方
で、光路長差Δｌに対応した干渉縞のピーク値を従来の
空間光干渉法と同様に入射角度θで定められる位置で検
出できることに特徴がある。
光波の入射角度で決められていた干渉縞の周期を、適切
な回折角β0 を選ぶことにより自由に変化できる一方
で、光路長差Δｌに対応した干渉縞のピーク値を従来の
空間光干渉法と同様に入射角度θで定められる位置で検
出できることに特徴がある。
【００７３】この特徴により、本発明は空間干渉縞の周
期を広げることで前記空間分解能の難点を解決すること
が可能である。ここで数値例として、λ0 ＝８５０ｎ
ｍ、θ＝３０o 、またＭ＝１とすると、本発明は、例え
ば６００本／ｍｍ（ｄ＝１．６７μｍ）の回折格子を用
いてβ0 ≒１°にすることにより、従来λ0 ／（２ｓｉ
ｎθ）＝０．８５μｍの干渉縞周期をＭλ0 ／（２ｓｉ
ｎβ0 ）＝４７μｍに広げることができる。また、光学
倍率Ｍを上げることにより、干渉縞の周期をさらに広げ
ることも容易である。
期を広げることで前記空間分解能の難点を解決すること
が可能である。ここで数値例として、λ0 ＝８５０ｎ
ｍ、θ＝３０o 、またＭ＝１とすると、本発明は、例え
ば６００本／ｍｍ（ｄ＝１．６７μｍ）の回折格子を用
いてβ0 ≒１°にすることにより、従来λ0 ／（２ｓｉ
ｎθ）＝０．８５μｍの干渉縞周期をＭλ0 ／（２ｓｉ
ｎβ0 ）＝４７μｍに広げることができる。また、光学
倍率Ｍを上げることにより、干渉縞の周期をさらに広げ
ることも容易である。
【００７４】さらに、本発明は干渉縞の周期を自由に広
げることによって、光ヘテロダイン検出効率を改善する
ことを特徴とする。以下にその原理を説明する。
げることによって、光ヘテロダイン検出効率を改善する
ことを特徴とする。以下にその原理を説明する。
【００７５】光ヘテロダイン検出の効率ζと波面整合の
関係は次のようなｓｉｎｃ関数で表わされる〔例えば、
Ａ．Ｖａｎｄｅｒｌｕｇｔ，“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇ
ｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅ
ｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｉｎｃ．出版（１９９２）参照〕。
関係は次のようなｓｉｎｃ関数で表わされる〔例えば、
Ａ．Ｖａｎｄｅｒｌｕｇｔ，“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇ
ｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅ
ｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｉｎｃ．出版（１９９２）参照〕。
【００７６】
【数１８】
【００７７】ただし、Ｄは検出器の大きさ（幅）、αk
＝φ／λは空間周波数、φは参照光と信号光間の交差角
度である。従来の空間干渉法ではφ＝２θであるのに対
して、本発明は上記の角分散結像原理からφ＝２β0 と
なる。従って、適切な回折格子条件を揃えてβ0 をゼロ
もしくはゼロに近づけることによって、上記した式（１
８）で与えられるｓｉｎｃ関数の値を１もしくは１近く
にすることは可能である。
＝φ／λは空間周波数、φは参照光と信号光間の交差角
度である。従来の空間干渉法ではφ＝２θであるのに対
して、本発明は上記の角分散結像原理からφ＝２β0 と
なる。従って、適切な回折格子条件を揃えてβ0 をゼロ
もしくはゼロに近づけることによって、上記した式（１
８）で与えられるｓｉｎｃ関数の値を１もしくは１近く
にすることは可能である。
【００７８】本発明によれば、光センサアレイ１５の各
検出素子から得られる光電流を例えばバンドパスフィル
タと整流器などからなる信号処理系を通して中間周波数
Δωのヘテロダイン信号成分の振幅のみを検出すると、
上記した式（１６）より
検出素子から得られる光電流を例えばバンドパスフィル
タと整流器などからなる信号処理系を通して中間周波数
Δωのヘテロダイン信号成分の振幅のみを検出すると、
上記した式（１６）より
【００７９】
【数１９】
【００８０】が得られる。この式（１９）は干渉縞の包
絡線に比例していることが明白である。
絡線に比例していることが明白である。
【００８１】従って、本発明は光ヘテロダイン法を用い
て空間干渉縞の包絡線のみを検出し、その包絡線のピー
ク値を直接読み取ることにより、上記した式（１７）の
対応関係から信号光と参照光との間の光路長差を求める
ができる。このことは、検出した光干渉の演算処理によ
り干渉縞の包絡線を求める従来の空間干渉測定と根本的
に異なる。
て空間干渉縞の包絡線のみを検出し、その包絡線のピー
ク値を直接読み取ることにより、上記した式（１７）の
対応関係から信号光と参照光との間の光路長差を求める
ができる。このことは、検出した光干渉の演算処理によ
り干渉縞の包絡線を求める従来の空間干渉測定と根本的
に異なる。
【００８２】
【実施例１】図４は、本発明による図１の光計測装置に
低コヒーレンス光源として連続出力のＳＬＤを用いた実
施例を示す。
低コヒーレンス光源として連続出力のＳＬＤを用いた実
施例を示す。
【００８３】この図において、２１は低コヒーレンス光
源、２２，２３，３２，３４はレンズ、２４は第１のビ
ームスプリッタＢＳ１、２５は第２のビームスプリッタ
ＢＳ２、２６は円柱レンズ、２７は被検体、２８は周波
数シフタ、２９は直角プリズム、３０はミラー、３１は
回折格子、３３は開口、３５は２次元光センサアレイで
ある。
源、２２，２３，３２，３４はレンズ、２４は第１のビ
ームスプリッタＢＳ１、２５は第２のビームスプリッタ
ＢＳ２、２６は円柱レンズ、２７は被検体、２８は周波
数シフタ、２９は直角プリズム、３０はミラー、３１は
回折格子、３３は開口、３５は２次元光センサアレイで
ある。
【００８４】市販されている近赤外域ＳＬＤの場合、コ
ヒーレント長ｌC ≒３０μｍ、また発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）の場合、ｌC ≒１０μｍ程度である。
ヒーレント長ｌC ≒３０μｍ、また発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）の場合、ｌC ≒１０μｍ程度である。
【００８５】さらに、図４の実施例は、本発明による図
１の信号光の送信及び受信用レンズ６の代わりに円柱レ
ンズ２６を用いることにより、下記のような二次元光断
層画像計測を可能にすることを特徴とする。
１の信号光の送信及び受信用レンズ６の代わりに円柱レ
ンズ２６を用いることにより、下記のような二次元光断
層画像計測を可能にすることを特徴とする。
【００８６】参照光と分かれた信号光は円柱レンズ２６
によって、被検体２７へ入射される。円柱レンズ２６は
光波を一方向だけに収束するので、被検体２７へ入射す
る信号光は図４に示すように光伝搬方向（ｘ- ）と垂直
する横方向（ｙ- ）上に線状に絞られる。被検体２７か
ら反射してくる信号光は再び円柱レンズ２６によって集
光される。その集光された光波は円柱レンズ２６の一方
向のみの発散性質により平行ビームに変換され、第２の
ビームスプリッタ２５へ伝送される。
によって、被検体２７へ入射される。円柱レンズ２６は
光波を一方向だけに収束するので、被検体２７へ入射す
る信号光は図４に示すように光伝搬方向（ｘ- ）と垂直
する横方向（ｙ- ）上に線状に絞られる。被検体２７か
ら反射してくる信号光は再び円柱レンズ２６によって集
光される。その集光された光波は円柱レンズ２６の一方
向のみの発散性質により平行ビームに変換され、第２の
ビームスプリッタ２５へ伝送される。
【００８７】検出面上に結像される干渉光は二次元光セ
ンサアレイ３５によって検出される。そのｘ- 方向上で
検出される光信号は本発明による測定原理から被検体２
７の起伏（または深さ）情報に対応していることが明白
である。
ンサアレイ３５によって検出される。そのｘ- 方向上で
検出される光信号は本発明による測定原理から被検体２
７の起伏（または深さ）情報に対応していることが明白
である。
【００８８】一方、図４に示すように２次元光センサア
レイ３５のｙ- 方向は信号光の横方向（ｙ- ）に位置対
応している。従って、本実施例は被検体２７への入射光
を線状に絞り、また干渉光を二次元光センサアレイ３５
で検出することにより、被検体２７に関する深さ並びに
横方向の情報を同時に取得することができる。すなわ
ち、ｘ−ｙ面上の二次元プロフィールを実時間で計測で
きることになる。
レイ３５のｙ- 方向は信号光の横方向（ｙ- ）に位置対
応している。従って、本実施例は被検体２７への入射光
を線状に絞り、また干渉光を二次元光センサアレイ３５
で検出することにより、被検体２７に関する深さ並びに
横方向の情報を同時に取得することができる。すなわ
ち、ｘ−ｙ面上の二次元プロフィールを実時間で計測で
きることになる。
【００８９】
【実施例２】図５に、図４の実施例で得られる２次元ア
レイ信号から被検体表面プロフィルーを求める方法の一
例を示す。アレイ信号を相関関数演算器３６に入力して
各チャンネル間の相関関数を取ることにより、例えば上
記した式（１９）で与えられる信号の空間分布関数から
２つの測定点間の距離差（または段差）を算出すること
が可能である。図４の実施例では、２次元測定が実時間
で行われているため、干渉系の不安定やゆらぎなどによ
るアレイ信号間の相対的な安定性への影響は従来のｙ-
方向走査方式と比べて格段に改善され、アレイ信号の相
関関数からサブ波長オーダーの光路長差を求めることが
可能であると考えられる。
レイ信号から被検体表面プロフィルーを求める方法の一
例を示す。アレイ信号を相関関数演算器３６に入力して
各チャンネル間の相関関数を取ることにより、例えば上
記した式（１９）で与えられる信号の空間分布関数から
２つの測定点間の距離差（または段差）を算出すること
が可能である。図４の実施例では、２次元測定が実時間
で行われているため、干渉系の不安定やゆらぎなどによ
るアレイ信号間の相対的な安定性への影響は従来のｙ-
方向走査方式と比べて格段に改善され、アレイ信号の相
関関数からサブ波長オーダーの光路長差を求めることが
可能であると考えられる。
【００９０】また、各信号波形を微分することにより、
各ピーク値を算出し、その差を計算して、同様にサブ波
長オーダーの光路長差を測定できる。
各ピーク値を算出し、その差を計算して、同様にサブ波
長オーダーの光路長差を測定できる。
【００９１】
【実施例３】図６は、本発明による図１の光計測装置に
ビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッ
タＰＢＳを用いた実施例である。
ビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッ
タＰＢＳを用いた実施例である。
【００９２】図６において、４１は低コヒーレンス光
源、４２，４３，４７，５３，５５はレンズ、４４は第
１の広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ１、４５は第２
の広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ２、４６は１／４
波長板、４８は被検体、４９は周波数シフタ、５０は直
角プリズム、５１はミラー、５２は回折格子、５４は開
口、５６は光センサアレイである。
源、４２，４３，４７，５３，５５はレンズ、４４は第
１の広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ１、４５は第２
の広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ２、４６は１／４
波長板、４８は被検体、４９は周波数シフタ、５０は直
角プリズム、５１はミラー、５２は回折格子、５４は開
口、５６は光センサアレイである。
【００９３】図６に示すように、低コヒーレンス光源４
１例えばＳＬＤとＬＥＤからの出力光は一般的に無偏光
で、すなわち特定の偏光方向をもたないものである。図
６では、第１の広帯域偏光ビームスプリッタ４４が入射
光のＳ偏光成分を９０°反射して参照光とし、またその
入射光のＰ偏光成分を通過させて信号光とする。参照光
と分かれた信号光は１／４波長板４６を通過して円偏光
に変換され、さらにレンズ４７によって収束されて被検
体４８へ入射する。被検体４８から反射してきた円偏光
の信号光は再び１／４波長板４６を通過することにより
Ｓ偏光の直線偏光に変換される。第２の広帯域偏光ビー
ムスプリッタ４５はＳ偏光の信号光を９０°反射して回
折格子５２へ伝送する。このように、回折格子５２の面
上にて重畳される信号光および参照光はともにＳ偏光で
ある。
１例えばＳＬＤとＬＥＤからの出力光は一般的に無偏光
で、すなわち特定の偏光方向をもたないものである。図
６では、第１の広帯域偏光ビームスプリッタ４４が入射
光のＳ偏光成分を９０°反射して参照光とし、またその
入射光のＰ偏光成分を通過させて信号光とする。参照光
と分かれた信号光は１／４波長板４６を通過して円偏光
に変換され、さらにレンズ４７によって収束されて被検
体４８へ入射する。被検体４８から反射してきた円偏光
の信号光は再び１／４波長板４６を通過することにより
Ｓ偏光の直線偏光に変換される。第２の広帯域偏光ビー
ムスプリッタ４５はＳ偏光の信号光を９０°反射して回
折格子５２へ伝送する。このように、回折格子５２の面
上にて重畳される信号光および参照光はともにＳ偏光で
ある。
【００９４】本実施例は、広帯域偏光ビームスプリッタ
及び波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏
光方向を制御できることが特徴である。
及び波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏
光方向を制御できることが特徴である。
【００９５】
【実施例４】本発明によれば、透過型の角分散素子のみ
ならず、反射型の角分散素子も光画像計測に利用できる
ことが明白である。
ならず、反射型の角分散素子も光画像計測に利用できる
ことが明白である。
【００９６】図７は、反射型回折格子を用いた本発明の
実施例である。
実施例である。
【００９７】この図において、６１は反射型回折格子、
６２はレンズ、６３は光センサアレイである。
６２はレンズ、６３は光センサアレイである。
【００９８】図７に示すように、反射型回折格子６１に
よって一次回折される信号光及び参照光は、焦点距離ｆ
のレンズ６２によって検出面上に結像される。その検出
面には干渉光を検出する光センサアレイ６３が配置され
ている。
よって一次回折される信号光及び参照光は、焦点距離ｆ
のレンズ６２によって検出面上に結像される。その検出
面には干渉光を検出する光センサアレイ６３が配置され
ている。
【００９９】図７の実施例は、回折効率の高い反射型回
折格子を利用できることが特徴である。
折格子を利用できることが特徴である。
【０１００】
【実施例５】本発明は被検体の表面のみならず、その内
部の層構造の測定に応用できることが明白である。図８
にそのような応用例を示す。
部の層構造の測定に応用できることが明白である。図８
にそのような応用例を示す。
【０１０１】図８において、中央に被検体７１があり、
両側に第１の層７２と第２の層７３を有している。
両側に第１の層７２と第２の層７３を有している。
【０１０２】特に、各層７２，７３内屈折率の分布が均
一、または均一に近い場合、本発明は波長オーダーの分
解能で各層のプロフィールを計測することが可能であ
る。
一、または均一に近い場合、本発明は波長オーダーの分
解能で各層のプロフィールを計測することが可能であ
る。
【０１０３】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【０１０４】
【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明によ
れば、以下のような効果を奏することができる。
れば、以下のような効果を奏することができる。
【０１０５】（Ａ）低コヒーレント空間干渉法によるプ
ロフィロメトリー計測を高速でかつ有効に行うことがで
きる。
ロフィロメトリー計測を高速でかつ有効に行うことがで
きる。
【０１０６】（Ｂ）光ヘテロダイン検出法を用いること
により、光干渉縞の包絡線のみを検出できる。さらに、
空間干渉測定における光ヘテロダイン検出の効率を高め
るために、角分散素子例えば回折格子による結像方法を
用いることができる。
により、光干渉縞の包絡線のみを検出できる。さらに、
空間干渉測定における光ヘテロダイン検出の効率を高め
るために、角分散素子例えば回折格子による結像方法を
用いることができる。
【０１０７】また、一次元ないし二次元に受光素子を配
列される光センサレアイを使用し、その光センサアレイ
から得られる出力のうち、周波数Δｆのヘテロダイン信
号の振幅を検出することによって干渉光強度の空間分布
を測定することができる。
列される光センサレアイを使用し、その光センサアレイ
から得られる出力のうち、周波数Δｆのヘテロダイン信
号の振幅を検出することによって干渉光強度の空間分布
を測定することができる。
【０１０８】（Ｃ）被検体への入射光を線状に絞り、ま
た干渉光を二次元光センサアレイで検出することによ
り、被検体に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取
得することができる。すなわち、ｘ−ｙ面上の二次元プ
ロフィールを実時間で計測することができる。
た干渉光を二次元光センサアレイで検出することによ
り、被検体に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取
得することができる。すなわち、ｘ−ｙ面上の二次元プ
ロフィールを実時間で計測することができる。
【０１０９】（Ｄ）干渉系の不安定やゆらぎなどによる
アレイ信号間の相対的な安定性への影響は従来のｙ- 方
向走査方式と比べて格段に改善され、アレイ信号の相関
関数からサブ波長オーダーの光路長差を求めることが可
能である。
アレイ信号間の相対的な安定性への影響は従来のｙ- 方
向走査方式と比べて格段に改善され、アレイ信号の相関
関数からサブ波長オーダーの光路長差を求めることが可
能である。
【０１１０】また、各信号波形を微分することにより、
各ピーク値を算出し、その差を計算して、同様にサブ波
長オーダーの光路長差を測定できる。
各ピーク値を算出し、その差を計算して、同様にサブ波
長オーダーの光路長差を測定できる。
【０１１１】（Ｅ）広帯域偏光ビームスプリッタ及び波
長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向
を制御できる。
長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向
を制御できる。
【０１１２】（Ｆ）反射型回折格子によって回折効率の
高い光センサアレイによる計測を行うことができる。
高い光センサアレイによる計測を行うことができる。
【０１１３】（Ｇ）中央に被検体が位置し、両側に第１
の層と第２の層が存在する場合、各層内屈折率の分布が
均一、または均一に近い場合、波長オーダーの分解能で
各層のプロフィールを計測することが可能である。
の層と第２の層が存在する場合、各層内屈折率の分布が
均一、または均一に近い場合、波長オーダーの分解能で
各層のプロフィールを計測することが可能である。
【図１】本発明の原理を示す角分散光ヘテロダインプロ
フィロメトリー装置の構成図である。
フィロメトリー装置の構成図である。
【図２】図１に角分散素子として例えば透過型回折格子
を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示す図であ
る。
を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示す図であ
る。
【図３】本発明に係る光学結像系の説明図である。
【図４】本発明による図１の光計測装置に低コヒーレン
ス光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す図
である。
ス光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す図
である。
【図５】図４の実施例で得られる２次元アレイ信号から
被検体表面プロフィルーを求める方法の一例を示す図で
ある。
被検体表面プロフィルーを求める方法の一例を示す図で
ある。
【図６】本発明による図１の光計測装置にビームスプリ
ッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用
いた実施例である。
ッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用
いた実施例である。
【図７】反射型回折格子を用いた本発明の実施例を示す
図である。
図である。
【図８】本発明の応用例を示す被検体の説明図である。
【図９】光干渉法によるプロフィロメトリーの測定原理
を示す図である。
を示す図である。
【図１０】互いの距離差（または段差）が波長以上であ
る２つの測定点に対して得られる低コヒーレント干渉信
号の様子を示す図である。
る２つの測定点に対して得られる低コヒーレント干渉信
号の様子を示す図である。
【図１１】平面波の信号光ｅs と平面波の参照光ｅr が
検出面の中心位置Ｏに対しそれぞれ左側と右側から検出
面へ入射する場合の説明図である。
検出面の中心位置Ｏに対しそれぞれ左側と右側から検出
面へ入射する場合の説明図である。
【図１２】互いの段差が約一波長に等しい測定点ＡとＢ
に対して得られる低コヒーレント光干渉信号を示す図で
ある。
に対して得られる低コヒーレント光干渉信号を示す図で
ある。
１，２１，４１ 低コヒーレンス光源 ２，３，６，１２，１４，２２，２３，３２，３４，４
２，４３，４７，５３，５５，６２ レンズ ４，２４ 第１のビームスプリッタ４（ＢＳ１） ５，２５ 第２のビームスプリッタ４（ＢＳ２） ７，２７，４８，７１ 被検体 ８，２８，４９ 周波数シフタ ９，２９，５０ 直角プリズム １０，３０，５１ ミラー １１，３１，５２ 回折格子 １３，３３，５４ 開口 １５，５６，６３ 光センサアレイ ２６ 円柱レンズ ３５ ２次元光センサアレイ ３６ 相関関数演算器 ４４ 第１の広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ
１） ４５ 第２の広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ
２） ４６ １／４波長板 ６１ 反射型回折格子 ７２ 第１の層 ７３ 第２の層
２，４３，４７，５３，５５，６２ レンズ ４，２４ 第１のビームスプリッタ４（ＢＳ１） ５，２５ 第２のビームスプリッタ４（ＢＳ２） ７，２７，４８，７１ 被検体 ８，２８，４９ 周波数シフタ ９，２９，５０ 直角プリズム １０，３０，５１ ミラー １１，３１，５２ 回折格子 １３，３３，５４ 開口 １５，５６，６３ 光センサアレイ ２６ 円柱レンズ ３５ ２次元光センサアレイ ３６ 相関関数演算器 ４４ 第１の広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ
１） ４５ 第２の広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ
２） ４６ １／４波長板 ６１ 反射型回折格子 ７２ 第１の層 ７３ 第２の層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA52 AA53 BB05 DD03 DD04 FF01 FF52 GG00 GG04 GG07 HH03 HH13 JJ03 JJ26 KK01 LL00 LL02 LL30 LL36 LL37 LL42 LL46 LL57 MM02 NN05 NN08 QQ01 SS13 UU07 2G059 AA05 BB08 EE02 EE05 EE09 FF08 GG02 GG04 HH01 JJ05 JJ11 JJ12 JJ13 JJ18 JJ19 JJ20 JJ22 KK03 KK04 LL02 MM01
Claims (9)
- 【請求項１】（ａ）広いスペクトル幅をもつ光ビームを
出射する光源と、（ｂ）該光源から出射された光ビーム
を、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号
光と、該被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路
を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配
置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由
した参照光を空間的に交差させることにより、互いに重
畳する面上において干渉光を生成する干渉光学系と、
（ｃ）該干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、
信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフト
させる周波数シフタを備え、さらに、前記信号光と前記
参照光が重畳する面上に角分散素子を配置して、該角分
散素子を透過もしくは反射する前記信号光および前記参
照光を検出面上にて結像する光学結像系と、（ｄ）該光
学結像系で結像した干渉光をヘテロダイン検出する光セ
ンサと、（ｅ）該光センサが、空間的に配列され、それ
ぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するも
のであり、前記光センサで得られた複数の受光信号を統
合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面も
しくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に
対応する信号を生成する信号処理系とを具備することを
特徴とする角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装
置。 - 【請求項２】 前記角分散素子が回折格子であり、該回
折格子によって１次回折されて出射する前記信号光の中
心波長成分と前記参照光の中心波長成分がともに零度に
近い出射角をもつことを特徴とする請求項１記載の角分
散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。 - 【請求項３】 前記信号処理系が、光ヘテロダイン信号
の振幅のみを検出することを特徴とする請求項１記載の
角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。 - 【請求項４】 前記信号処理系が、前記光ヘテロダイン
信号振幅の最大値に対応する前記センサ上の検出位置を
求めるために微分法を用いることを特徴とする請求項１
記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。 - 【請求項５】 前記干渉光学系が前記被検体へ入射する
光ビームを該光ビームの入射方向と垂直な横方向上線状
に絞るために円柱レンズを用い、さらに、該円柱レンズ
を用いて前記被検体を経由した信号光を集光することを
特徴とする請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフ
ィロメトリー装置。 - 【請求項６】 前記光センサが、空間的に二次元配列さ
れ、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を
有するものであり、前記光センサの一方向上で得られた
複数の受光信号を統合して前記信号光の伝搬方向上の各
関心点に対応する信号を生成するとともに、前記光セン
サの他の一方向上で得られた複数の受光信号を総合し
て、前記信号光の伝搬方向と垂直な横方向上の各関心点
に対応する信号を生成し、さらに、横方向上の各関心点
に対応する信号間の相関関数を算出することにより各関
心点間の距離差を求める信号処理部を具備することを特
徴とする請求項５記載の角分散光ヘテロダインプロフィ
ロメトリー装置。 - 【請求項７】 前記干渉光学系が、被検体への入射光の
偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする
請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリ
ー装置。 - 【請求項８】 前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下
のスーパールミネセントダイオードであることを特徴と
する請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメ
トリー装置。 - 【請求項９】 前記光源が、可干渉距離５０μｍ以下の
発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の
角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000082485A JP3621325B2 (ja) | 2000-03-23 | 2000-03-23 | 角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000082485A JP3621325B2 (ja) | 2000-03-23 | 2000-03-23 | 角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001272216A true JP2001272216A (ja) | 2001-10-05 |
| JP3621325B2 JP3621325B2 (ja) | 2005-02-16 |
Family
ID=18599282
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000082485A Expired - Fee Related JP3621325B2 (ja) | 2000-03-23 | 2000-03-23 | 角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3621325B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012515892A (ja) * | 2009-01-20 | 2012-07-12 | ヴァイツェル ティロ | 光路長の判定装置及び判定方法 |
| WO2015154313A1 (zh) * | 2014-04-09 | 2015-10-15 | 福州大学 | 高速多尺度振动和形变检测装置及方法 |
| CN105423947A (zh) * | 2015-12-10 | 2016-03-23 | 常州雷欧仪器有限公司 | 一种光学三维成像装置及其成像方法 |
| CN110686620A (zh) * | 2018-07-06 | 2020-01-14 | 上海微电子装备（集团）股份有限公司 | 光栅集成精度的测量装置及方法、平面光栅尺测量系统 |
| CN110763656A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-02-07 | 淮阴工学院 | 光源调制模块及方法、光学相干层析成像分析系统及方法 |
| CN112088300A (zh) * | 2018-09-05 | 2020-12-15 | 松下知识产权经营株式会社 | 计测装置及计测方法 |
-
2000
- 2000-03-23 JP JP2000082485A patent/JP3621325B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| WO2015154313A1 (zh) * | 2014-04-09 | 2015-10-15 | 福州大学 | 高速多尺度振动和形变检测装置及方法 |
| CN105423947A (zh) * | 2015-12-10 | 2016-03-23 | 常州雷欧仪器有限公司 | 一种光学三维成像装置及其成像方法 |
| CN110686620A (zh) * | 2018-07-06 | 2020-01-14 | 上海微电子装备（集团）股份有限公司 | 光栅集成精度的测量装置及方法、平面光栅尺测量系统 |
| CN112088300A (zh) * | 2018-09-05 | 2020-12-15 | 松下知识产权经营株式会社 | 计测装置及计测方法 |
| CN110763656A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-02-07 | 淮阴工学院 | 光源调制模块及方法、光学相干层析成像分析系统及方法 |
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|---|---|
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