JP2007051900A - 変位計測方法及びその装置、ステージ装置並びにプローブ顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
空気揺らぎや機械振動といった外乱の影響を受けることなく、サブナノメートルオーダ以下の精度で計測対象物の変位量や移動量を安定に計測可能な変位計測方法及びその装置並びにプローブ顕微鏡等を提供することにある。
【解決手段】
パルス光を2つに分離し、一方は計測対象物で反射させた後、1パルス周期に相当する遅延光路に入射させ、他方は同じ光路を逆向きに遅延光路を経由して1パルス周期遅れて計測対象物に到達させ、反射させる。計測対象物の移動に伴って生じた光位相変化を、両パルス光を干渉させることにより求める。
【選択図】 図1
Description
ここで、fB=20MHz、λはレーザ光の波長である。また、N=2、4、・・・で、光路の往復回数により決まる定数であり、図12の場合、N=2である。一方、レーザヘッド301からは、参照信号としてfB=20MHzのビート信号311が出力されている。測定されたヘテロダイン干渉信号310及び参照信号311は位相検出回路312に入力され、両信号間の位相差から計測対象物400の移動速度V及び移動量400dが求められ、移動量出力信号313として出力される。
本発明に係る第1の実施の形態である変位計測装置及びその方法の第1の実施例について図1を用いて説明する。本第1の実施例の変位計測装置は、図1に示すように、光源ユニット280、干渉計ユニット50から成る。図1に示すように、光源ユニット280においては、直線偏光レーザ1(例えば波長632.8nmの周波数安定化He−Neレーザ)からの直線偏光ビーム2を、音響光学変調素子3(AOM:Acousto-Optic Modulator)に入射する。音響光学変調素子3には、信号発生器4で生成された周波数fの矩形波変調信号5が入力されており、出射する1次回折光6を周波数fで強度変調する。本実施例の場合、f=50MHzとした。この強度変調光6は集光レンズ7により、偏波面保存ファイバ8の入射端面に集光され、直線偏光を維持したまま干渉計ユニット50に伝送される。
=I1+I2−2(I1・I2)1/2sin(4πnΔD/λ) (1)
IP=I1+I2+2(I1・I2)1/2cos(4πnΔD/λ−π/2)
=I1+I2+2(I1・I2)1/2sin(4πnΔD/λ) (2)
ここで、I1は戻り光25の検出強度、I2は戻り光28の検出強度、nは空気の屈折率、ΔDは1パルス周期、即ち20nsの間での計測対象物20の移動量、λはレーザ光1の波長である。
但し、I1=I2とする。
=I1+I2−2(I1・I2)1/2sin(8πnΔD/λ) (5)
IP=I1+I2+2(I1・I2)1/2cos(8πnΔD/λ−π/2)
=I1+I2+2(I1・I2)1/2sin(8πnΔD/λ) (6)
ここで、I1は戻り光66の検出強度、I2は戻り光69の検出強度、nは空気の屈折率、ΔDは1パルス周期、即ち20nsの間での計測対象物20の単位移動量20d、λはレーザ光1の波長である。
但し、I1=I2とする。
Ib=I1+I2+2(I1・I2)1/2cos(4πnΔD/λ+π)
=I1+I2−2(I1・I2)1/2cos(4πnΔD/λ) (9)
Ic=I1+I2+2(I1・I2)1/2cos(4πnΔD/λ+π/2)
=I1+I2−2(I1・I2)1/2sin(4πnΔD/λ) (10)
Id=I1+I2+2(I1・I2)1/2cos(4πnΔD/λ+3π/2)
=I1+I2+2(I1・I2)1/2sin(4πnΔD/λ) (11)
単位移動量算出ユニット189では、(8)〜(11)式より(12)式に基づいて、単位時間、即ち1パルス周期=20nsあたりの計測対象物20の単位移動量ΔDが算出されて、単位移動量信号190として出力されて移動量積算ユニット191に送られる。
移動量積算ユニット191は、送られた単位移動量信号190を基に、周波数f=50MHzの矩形波変調信号5に基づいて、1パルス周期=20ns毎の単位移動量ΔDが上記(4)式に基づいて逐次積算され、計測対象物20の総移動量D(20d)が求められ、総移動量信号192として干渉計ユニット50から出力される。
次に、本発明に係る第1の実施の形態である上記第1〜第6の実施例に示した変位計測装置をステージ位置決め制御に応用した第2の実施の形態について図10を用いて説明する。ステージ装置は、Xステージ231x上にYステージ231yが搭載され、更にその上に試料ホルダ233が搭載された構成となっている。試料ホルダ上に試料234が載置される。また、試料ホルダ233上には面精度1/20波長の棒状ミラー235x、235yが、ターゲットミラーとしてx方向及びy方向に固定されている。光源ユニット280の構成と機能は上記第1の実施の形態の第1の実施例と同一であるので、説明を省略する。強度変調光6は集光レンズ7により、カップリング素子230を介して3本の偏波面保存ファイバ8の入射端面に集光され、直線偏光を維持したまま3つの干渉計ユニット50a、50b、50cに伝送される。本第2の実施の形態では、干渉計ユニット50a、50b、50cの構成は、図4に示した第2の実施例における干渉計ユニット50と同一である。なお、干渉計ユニット50内の単位移動量算出ユニット40、189並びに総移動量積算ユニット42、191は、3つの干渉計ユニット50a、50b、50cで共用してもよい。
次に、本発明に係る第1の実施の形態である上記第1〜第6の実施例に示した変位計測装置をプローブ顕微鏡のプローブ位置決め制御に応用した第3の実施の形態について図11を用いて説明する。プローブ顕微鏡は、プローブ制御ユニット253と、該プローブ制御ユニット253から得られるプローブ制御信号254に基づきプローブ256をxyz方向に走査するプローブ走査機構255と、該プローブ走査機構255によってxyz方向に走査されるプローブ256の位置を測定する干渉計ユニット50d、50e、50fと、周波数fでの強度変調光を各干渉計ユニット50d、50e、50fへ伝送する光源ユニット280とを備えて構成される。干渉計ユニット50d、50e、50fの構成は図1に示した第1の実施例における干渉計ユニット50と同一であるので、説明を省略する。なお、干渉計ユニット50内の単位移動量算出ユニット40、189並びに総移動量積算ユニット42、191は、3つの干渉計ユニット50d、50e、50fで共用してもよい。また、光源ユニット280についても上記第1の実施例と同一であるので、説明を省略する。
Claims (18)
- 所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成ステップと、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第1の光と第2の光とに分離し、該分離された第1の光と第2の光とを相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第1の光に基づく反射光と前記第2の光に基づく反射光とを相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉ステップと、
該光干渉ステップで生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出ステップとを有することを特徴とする変位計測方法。 - 所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成ステップと、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第1の光と第2の光とに分離し、該分離された第1の光と第2の光とを該第2の光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第1の光に基づく反射光と前記第2の光に基づく反射光とを該第1の光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉ステップと、
該光干渉ステップで生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出ステップとを有することを特徴とする変位計測方法。 - 前記光干渉ステップにおいて、前記第1の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第2の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じにし、前記第1の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路と前記第2の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じにしたことを特徴とする請求項1又は2記載の変位計測方法。
- 前記強度変調光生成ステップは、前記所定の周期で強度変調した光を音響光学変調素子を用いて生成することを特徴とする請求項1又は2記載の変位計測方法。
- 前記強度変調光生成ステップは、前記所定の周期で強度変調した光をパルスレーザを用いて生成することを特徴とする請求項1又は2記載の変位計測方法。
- 前記光干渉ステップにおける前記時間差を、前記強度変調光生成ステップにおける前記所定の周期と一致させることを特徴とする請求項1又は2記載の変位計測方法。
- 前記算出ステップにおいて、前記計測対象物の総移動量は、前記時間差の間の前記計測対象物の単位移動量を積分して求めることを特徴とする請求項1又は2記載の変位計測方法。
- 所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成手段と、
該強度変調光生成手段で生成された光を第1の光と第2の光とに分離し、該分離された第1の光と第2の光とを相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第1の光に基づく反射光と前記第2の光に基づく反射光とを相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、
該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする変位計測装置。 - 前記光干渉光学系において、前記時間差をつける手段として前記第1の光と前記第2の光との間において光路差をつけるように構成したことを特徴とする請求項8記載の変位計測装置。
- 所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成手段と、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第1の光と第2の光とに分離し、該分離された第1の光と第2の光とを該第2の光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第1の光に基づく反射光と前記第2の光に基づく反射光とを該第1の光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、
該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする変位計測装置。 - 前記光干渉光学系において、前記第1の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第2の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第1の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路と前記第2の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする請求項8又は10記載の変位計測装置。
- 前記強度変調光生成手段は、前記強度変調した光を音響光学変調素子を用いて生成するように構成することを特徴とする請求項8又は10記載の変位計測装置。
- 前記強度変調光生成手段は、前記所定の周期で強度変調した光をパルスレーザを用いて生成するように構成することを特徴とする請求項8又は10記載の変位計測装置。
- 前記光干渉光学系における前記時間差を、前記強度変調光生成手段における前記所定の周期と一致させることを特徴とする請求項8又は10記載の変位計測装置。
- 前記算出手段において、前記計測対象物の総移動量は、前記時間差の間の前記計測対象物の単位移動量を積分して求めるように構成したことを特徴とする請求項8又は10記載の変位計測装置。
- 所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成手段と、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第1の光と第2の光とに分離し、該分離された第1の光と第2の光とを該第2の光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第1の光に基づく反射光と前記第2の光に基づく反射光とを該第1の光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、
該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備え、
前記光干渉光学系は、前記第1の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第2の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第1の光における前記ターゲットミラーから反射して前記遅延光路を通して前記合成に至るまでの光路と前記第2の光における前記分離されてから前記遅延光路を通して前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする変位計測装置。 - 前記移動可能な計測対象物を設けたステージ装置において、
請求項8乃至16の何れか一つに記載の変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記ステージ装置を少なくとも一軸方向に位置決め制御するように構成したことを特徴とするステージ装置。 - 前記移動可能な計測対象物を設け、プローブを少なくとも一軸方向に走査位置決めするプローブ走査機構を備えたプローブ顕微鏡において、
請求項8乃至16の何れか一つに記載の変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記プローブ走査機構を少なくとも一軸方向に走査位置決め制御するように構成したことを特徴とするプローブ顕微鏡。
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