JP2003156310A - ヘテロダイン干渉を用いた距離計用の光学計測装置 - Google Patents

ヘテロダイン干渉を用いた距離計用の光学計測装置

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JP2003156310A JP2001395422A JP2001395422A JP2003156310A JP 2003156310 A JP2003156310 A JP 2003156310A JP 2001395422 A JP2001395422 A JP 2001395422A JP 2001395422 A JP2001395422 A JP 2001395422A JP 2003156310 A JP2003156310 A JP 2003156310A
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optical
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Shiyuuko Yokoyama
修子 横山
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Abstract

(57)【要約】 【目的】反射試科面と測定装置の距離をナノからサブナ
ノの桁の感度で測定する。 【構成】直交2周波レーザを光源としてヘテロダイン干
渉計を構成し、一方の光学腕の光を集光レンズで集光し
て反射試科面で結像し、該反射光を他方の光学腕の光
を、分割器および偏光子で重ね合わせ、該重ね合わせた
光束の断面の複数の個所に複数の光検知器を置き該複数
の光検知器で得られる複数のヘテロダイン信号の位相を
得る。本発明の装置を用い、得られた位相が一定の分布
を示すごとく前記の集光レンズの位置を移動し、該移動
量から反射試科面と集光レンズの大略の距離を、ヘテロ
ダイン信号の位相角の値からから細かいスケールでの距
離を算出するなどの方法で精密な距離測定を行う。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は反射試科の表面の位
置を求める装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】レーザを用いた距離計としては結像光学
系の試料面の共役な位置にピンホールを置き、結像レン
ズやピンホールを振動させ、光学系の通過光量の変化を
用いて試料面の位置を求めるものや、ヘテロダイン干渉
計が用いられていた。しかし前者は測定の限界感度が
0.1μ程度で精密測定には性能不足であり、後者は試
科の移動量しか測定できないという欠点を有していた。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】試料面の位置を光ヘテ
ロダイン干渉計の感度、例えば600分の1波長すなわ
ち1nm程度あるいはそれ以下の感度で測定する装置を
実現する。 【0004】 【課題を解決する手段】直交2周波ヘテロダイン干渉計
において、被測定試料側の光学腕に集光レンズを備え、
参照側の光学腕の光と重ね合わせて得られるヘテロダイ
ン光ビームの光軸を法線とする断面上に複数個の光検知
器を備え、各光検知器によって得られるヘテロダイン信
号の位相を検出する。これにより試料面からの反射光内
の位相分布に対応するヘテロダイン信号分布を検出し、
この位相分布信号から試料面に焦点を結ぶ集光レンズの
位置を精確に決定すると同時に位相の値から精密な位置
情報を算出することによって試料面までの距離の高精度
計測を可能とする。 【0005】 【発明の実施の形態】次に発明の実施の形態を図面を用
いて説明する。図2は実施の形態の一例である。図2に
おいて、ゼーマンレーザなどで構成する直交2周波レー
ザ6から出た周波数がf1、f2の光はレンズ8、9で
構成されるビームエキスパンダで光束径が拡げられ、偏
光ビーム分割器4で周波数がf1のP偏光成分(分割器
の分割面に対して)と周波数がf2のS偏光成分に分割
される。周波数f1の光は集光レンズ1に入射し集光さ
れた後、反射試料面2で反射され集光レンズ1で再びほ
ぼ平行光束となり偏光ビーム分割器4に帰る。このとき
4分の1波長板19を2度通過することにより偏光方位
が90°変化してS偏光となり偏光ビーム分割器4で反
射される。一方、周波数がf2の成分は偏光ビーム分割
器4で反射された後、コーナー鏡5で反射され偏光ビー
ム分割器4に帰るがこの光も4分の1波長板20を2回
通過することにより偏光方位が90°変化して偏光ビー
ム分割器4を透過する。そして、周波数がf1の光とそ
れと直交した偏光を持つ周波数がf2の光はそれぞれの
偏光の方位と45°の方位を持つ偏光子10で重ねられ
る。この重ねられた光の断面の複数位置でのヘテロダイ
ン信号を検出するが、ここではこれを、光の断面内に複
数の光検知器を配置するのに替えて、光ファイバ21、
22、23を介した光検知器12、13、14によって
f1、f2のヘテロダイン信号を検出する。検出された
ヘテロダイン信号の位相は、直交2周波レーザ6の出力
光をビーム分割器7で分割し45°の方位の偏光子11
を通して光検知器15で得られるヘテロダイン基準信号
の位相を基準とした位相差として位相差計16、17、
18で計測される。 【0006】ここで本発明による反射試料面位置決定の
原理を簡単に説明する。直交2周波レーザ6を用いた光
ヘテロダイン干渉計において、一方の光学腕の周波数f
1の光を集光レンズ1で集光し、焦点近傍におかれた反
射試料面2を照射する。反射光は再帰した後再び前記集
光レンズ1で近似的な平行光になる。この近似的な平行
光の光波E1は式1のように表される。式1でk1は周
波数f1光の波数、x1は試料側光学腕の光学的光路
長、θ(ρ、ψ)は光波E1の断面における位相分布を
表わす。ここでρは光軸からの動径、ψはアーギュメン
トである。この光波E1を式2の如く表される参照側光
学腕の光波E2と重ね合わせる。k2はf2光の波数、
x2は参照側光学腕の光学的光路長である。光波E2は
平面波であるとする。光検知器12、13、14で自乗
した結果であるヘテロダイン信号は式3で表記される信
号Hで与えられる。光波E1の位相分布はヘテロダイン
信号すなわち周波数がf1−f2の交流電気信号の位相
分布となり、高い精度で測定が容易な量となる。ヘテロ
ダイン信号の位相の変化は、反射試料面の位置の変化、
即ちx1の変化(式3第2項)とρ、ψ点の位相分布θ
(ρ、ψ)の変化(式3第3項)を示すが、ヘテロダイ
ン光ビーム断面内での相対位相は位相分布θ(ρ、ψ)
を示す。位相分布θ(ρ、ψ)は集光レンズ1の焦点と
反射試料面のずれの情報を持っており、光学系に収差が
ないとすると焦点と反射試料面が合致しておればθ
(ρ、ψ)は一定、すなわち平面波となる。θ(ρ、
ψ)の分布を測定することにより、(ρ、ψ)の分布の
形が反射試料面2を集光レンズ1の焦点面に置いた場合
に得られる一定の形(収差のない場合は均一分布)とな
るように集光レンズ1の位置を動かし集光レンズ1の移
動量より反射試料面2の位置を知ることができる。ま
た、θ(ρ、ψ)の分布より焦点面からのずれ量を見積
もる事もできる。 【0007】光学系に収差がある場合には、集光レンズ
の焦点と反射試科面のずれとθ(ρ、ψ)の関係はやや
複雑となる。収差のある光学系の場合、測定される光ビ
ーム断面内での相対位相θ(ρ、ψ)は式4のようにな
る。式4でYはレンズの光軸方向と光ビームのなす角度
を表す。式4の第1項が本発明で利用する焦点ずれによ
るθ(ρ、ψ)の分布を示す項である。第2項は光軸合
わせのずれによる項、第3項は集光レンズの球面収差に
よって生ずる項で集光レンズ設計とのかね合いで取り扱
いに注意した方がよい量である。第4項は非点収差、第
5項は受光面の曲りであるが、無視できる。また第6項
は歪曲、第7項はコマ収差である。式4よりθ(ρ、
ψ)の分布状況を複雑にしないため、Yの値は小さくし
た方がよい。 【0008】θ(ρ、ψ)の大きさの一例として、焦点
距離が50mmの単レンズ、焦点ずれを0.3μm(波
長633nmの光源を使用した場合のおよそ2分の1波
長)とするとρ=10mmとして約7°と見積もられ
る。θ(ρ、ψ)は、例えば最小目盛0.01°の位相
差計を用いることにより高い感度で求めることができ
る。 【0009】ヘテロダイン干渉計では反射試料面の位置
の変化はヘテロダイン信号の位相から高精度に得られる
が、位相値はλ/2(λは光源の波長)の光路差変化で
繰り返すので次数を別途知る必要がある。本発明におい
て次数を知る方法とし上記のようにθ(ρ、ψ)の分布
より知れる焦点ずれ量より次数を知る方法、試料が焦点
面に来るように集光レンズ位置を動かしその移動量より
次数を知る方法が考えられる。図1に、集光レンズの移
動量をλ/2(0.3μm)以下の精度で求めることに
より光路差の次数を知り、同時にθ0の値から△で示さ
れた端数を知る例を示す。 【0010】次に本発明の距離計によって試料面の距離
を算出する手順について説明する。集光レンズ1を光軸
方向に移動し、位相差計16、17、18で測定された
3点のヘテロダイン信号位相差の値が、一定の相対関
係、例えば3点共同じ値になった時の集光レンズ1の位
置をリニアスケールエンコーダ3で読みとり、その値か
ら2分の1波長の次数を決定する。同時にヘテロダイン
信号位相差の値から2分の1波長内の部分距離を高精度
で(1度の精度で測定する場合にはおよそ1nmの精
度)で算出する。実際には3点の値がある許容値に入っ
た時に一致したと判断し、例えば光ファイバ22を光軸
上に置いて位相差計17の値を代表値として用いて詳細
精度の値を算出する。以上のように求められた値から、
あらかじめリニアスケールエンコーダと位相計の初期設
定で定められた基準点から試料面までの距離をナノメー
タ精度で求められる。これらの操作は外部に位相分布情
報、位相分布情報と位相検出結果の比較手段、集光レン
ズの駆動手段、およびリニアスケールエンコーダや位相
計の出力値から距離を算出する手段などを備えることに
より自動で行うこともできる。また、あらかじめ計算あ
るいは測定された位相分布と焦点ずれ量の関係を用いて
リニアスケールエンコーダ3の読みとり量を補正して反
射試料面2の精確な位置を算出することもできる。 【0011】図3は他の実施の形態である。レーザ6の
光が直接偏光ビーム分割器4で分割され集光レンズ1で
反射試料面2で反射され、該反射光が、分割器4で分割
されコーナー鏡5で反射された参照光と重ねられた後で
レンズ8および9から成るビームエキスパンダで拡げら
れ位相分布等がヘテロダイン基準信号との位相差として
検出される。この例においては各光学腕の偏光方位を9
0°回転させる操作は行わない。その他は図2を用いて
説明した内容と同様である。 【0012】 【発明の効果】本発明により試科表面の位置をナノメー
タあるいはサブナノメータのスケールで求めることがで
きるようになり、各種精密平面あるいは凹凸面の断面形
状の高感度測定が可能となるため、ナノテクノロジーに
係わる多くのコンポーネンツ、デバイスなどの検査、作
成に貢献することが期待される。
【図面の簡単な説明】 図1は本発明の位相角と距離の関係を示す説明図であ
る。図2は本発明の実施の形態を示す説明図である。図
3は本発明の他の実施の形態を示す説明図である。 1 集光レンズ 2 反射試料面 3 リニアスケールエンコーダ 4 偏光ビーム分割器 5 コーナー鏡 6 直交2周波レーザ 7 ビーム分割器 8、9 ビームエキスパンダ用レンズ 10、11 偏光子 12、13、14、15 光検知器 16、17、18 位相差計 19、20 4分の1波長板 21、22、23 光ファイバ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】直交2周波ヘテロダイン干渉計において、
    被測定試料側の光学腕に集光レンズを備え、参照側の光
    学腕の光と重ね合わせて得られるヘテロダイン光ビーム
    の光軸を法線とする断面上に複数個の光検知器を備え、
    各光検知器によって得られるヘテロダイン信号の位相を
    検出する手段を有することを特徴とするヘテロダイン干
    渉を用いた距離計用の光学計測装置
JP2001395422A 2001-11-19 2001-11-19 ヘテロダイン干渉を用いた距離計用の光学計測装置 Pending JP2003156310A (ja)

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005283387A (ja) * 2004-03-30 2005-10-13 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 厚さ測定装置ならびに厚さ測定方法
WO2008099788A1 (ja) * 2007-02-13 2008-08-21 Naoyuki Koyama 測距方法及びレーザ測距装置
WO2010016126A1 (ja) * 2008-08-07 2010-02-11 Koyama Naoyuki 測距方法及びレーザ測距装置
WO2014071806A1 (zh) * 2012-11-09 2014-05-15 清华大学 一种双频光栅干涉仪位移测量系统
CN106091940A (zh) * 2016-06-20 2016-11-09 哈尔滨工业大学 一种外差式四自由度光栅运动测量系统
CN106152974A (zh) * 2016-06-20 2016-11-23 哈尔滨工业大学 一种外差式六自由度光栅运动测量系统

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005283387A (ja) * 2004-03-30 2005-10-13 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 厚さ測定装置ならびに厚さ測定方法
WO2008099788A1 (ja) * 2007-02-13 2008-08-21 Naoyuki Koyama 測距方法及びレーザ測距装置
WO2010016126A1 (ja) * 2008-08-07 2010-02-11 Koyama Naoyuki 測距方法及びレーザ測距装置
WO2014071806A1 (zh) * 2012-11-09 2014-05-15 清华大学 一种双频光栅干涉仪位移测量系统
US9885556B2 (en) 2012-11-09 2018-02-06 Tsinghua University Dual-frequency grating interferometer displacement measurement system
CN106091940A (zh) * 2016-06-20 2016-11-09 哈尔滨工业大学 一种外差式四自由度光栅运动测量系统
CN106152974A (zh) * 2016-06-20 2016-11-23 哈尔滨工业大学 一种外差式六自由度光栅运动测量系统

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