JP2008151650A - 動的干渉計測装置および動的干渉計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 干渉計の光路差を正弦波状に高速変化させ、光路差が位相シフト法に必要な所定の位置となるタイミングで光源を発光して物体表面の干渉画像を取得する高精度な干渉計測装置を提供する。
【解決手段】
本発明は、光源、正弦波駆動可能な位相シフタ、および撮像タイミング制御が可能な撮像装置からなる干渉光学系を用い、光源の発光タイミングと前記位相シフタの移動量と前記撮像装置の撮像タイミングとを同期可能に制御し、光路差を変えて撮像した複数の干渉画像から高さを算出することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、光学レンズや磁気ディスク、半導体ウェハ、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System ：微小電気機械システム）など様々な対象物の品質検査や品質管理などに適用可能であり、時間的に変位する物体の変位・変形を高精度に計測する動的干渉計測技術に関する。

図１にマイケルソン型の干渉光学系を示す。まず、光源１０１から出射した可干渉性の強い光を、ハーフミラー１０２によりサンプル１０３と参照ミラー１０５に照射する。サンプル１０３と参照ミラー１０５で反射した光を再びハーフミラー１０２で重ね合わせることで干渉縞画像が得られる。今、干渉縞の光強度をＩ（ｘ，ｙ）とすると、干渉縞の位相との関係は（１）式のように表せる。

ここで、ａ（ｘ，ｙ）、ｂ（ｘ、ｙ）は、光学系の状態により決まる定数であり、φ（ｘ，ｙ）は、干渉縞の位置（ｘ，ｙ）における位相である。位相φ（ｘ，ｙ）と対象物の高さｈ（ｘ，ｙ）には、以下の（２）式の関係があるため、干渉縞の位相を求めることによってサンプルの高さを知ることができる。

ここで、λは光源の波長である。

また、（１）式の干渉縞の強度情報からａ（ｘ，ｙ）、ｂ（ｘ、ｙ）の影響を排除して位相φ（ｘ，ｙ）を高精度に求める方法として、位相シフト法や空間キャリア法が知られている。

位相シフト法は、図２に示すように、光学系上に配置した位相シフタ（ピエゾステージ）２０６などを使用し、サンプル２０３あるいは参照ミラー２０５を所定の距離だけ動かして、干渉計の光路差を変えながらＣＣＤカメラ２０７によって複数の干渉画像を取得するものである。

そのときの干渉縞の光強度は（３）式のように表せる。

位相シフト法は、これらの複数の干渉画像データからａ（ｘ，ｙ）、ｂ（ｘ、ｙ）の影響を排除し、高精度に位相φ（ｘ，ｙ）を求める方式である。例えば、δｉを（１）−π、（２）−π／２、（３）π／２、および（４）πと、４通りに変化させた場合、位相φ（ｘ，ｙ）は、以下の（４）式ように計算される。

ここで、光路差の変化量は、上記４ステップの他, ５ステップ、７ステップなど様々な組み合わせが知られている。

空間キャリア法は、図３のように参照ミラー２０５、あるいはサンプル２０３を所定の角度だけ傾けて、（５）式のように空間方向にキャリア成分の入った干渉縞を撮像するものである。

上式のように空間周波数空間における演算を行うことによって、（６）式のように位相φ（ｘ，ｙ）を求めることができる。

ここで、ｃ（ｘ，ｙ）は、空間キャリア成分の入った干渉縞画像について、空間周波数領域でローパスフィルタおよびシフト処理を施した周波数成分を逆フーリエ変換して得られる画像である。

しかしながら、例えば、図４に示すように、サンプル２０３の温度を温度高温槽２０８の環境下に置いて変化させた場合、温度により刻々変化する表面形状や位置の変化を精密に計測するのには、上記してきた従来技術は、以下のような問題を抱える。

位相シフト法では、高い空間分解能でかつ精度よくサンプル２０３の位相（高さ）を求めることができる方式であるが、位相シフトの量（光路差）δi を決められた所定の量に設定する必要があるため、このようにサンプル２０３の表面形状が変化している状況では光路差を所定の量に制御することが困難となり計測誤差の原因となる。

上記位相シフト法における、この問題を回避するためには、光路差の制御を温度により生じる位置変化より十分に早く行う必要がある。ところが、図５に示すように、位相シフタ（ピエゾ）２０６を使用して光路差を発生させる場合、サンプル２０３や参照ミラー２０５が所定の位置に落ち着くまでの静定時間分だけ、撮像時間を待つ必要があるため、高速な位相シフトを行うことが困難である。

この点を回避するために、例えば、特許文献１では、複数個のＴＶ（テレビジョン）カメラとそれぞれのＴＶカメラに至る光学経路で異なる光路差が生じるようにした光学系を使用して、１回の撮像のみで，位相シフト法に必要な複数の光路差が生じている干渉縞画像を取得する方式が開示されている。ただし、この方式では、各ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）間の位置合わせを画素レベルで正確に行わなければ計測誤差が生じ、このような位置合わせは非常に困難であるため、高精度な計測が難しい。

また、光路差をピエゾで発生させる代わりに光源のレーザに与える電流を制御し光源波長を変化させることで、光路差を高速に変化させる波長走査型の位相シフト法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。ただし、この方式では、光源波長を高速に変化させることのできるレーザに光源が限られる。レーザは可干渉性が非常に高く、サンプル以外の場所で不要な干渉縞が生じるため、精度悪化の原因となる。また、一般に波長可変レーザは高価であることに加え、電流を変化させて波長を変化させるタイプの場合、波長変化に応じてレーザパワーも変化してしまい誤差が生じるといった問題がある。

さらに、空間キャリア法は、もともと１枚の干渉画像しか使用しないため位相シフト法のようにサンプルが動いていても誤差が生じにくい方式であるが、サンプルの位相を求める過程において空間周波数領域でのローパスフィルタ処理を行うことが必須であるため、ローパスフィルタ処理を行った方向に空間分解能が悪化する点や、サンプルの傾きの正負が分からないといった位相シフト法にはない原理的なデメリットがある。
特開平５−８７５４１号公報 石井行弘、"波長走査を用いる干渉計測", 光学３１巻第５号、ｐｐ．４４２〜４５０、２００２年

上記従来技術の問題を解決するために、本発明では、干渉計の光路差を正弦波状に高速変化させ、光路差が位相シフト法に必要な所定の位置となった場合にのみ、光源を発光して干渉画像を取得することで、時間的に変位する物体の変位・変形を高精度に計測する動的干渉計測装置を提供する。

第一の発明は、光源、正弦波駆動可能な位相シフタ、および撮像タイミング制御が可能な撮像装置からなる干渉光学系を用いた動的干渉計測装置であって、前記光源の発光タイミングと前記位相シフタの移動量と前記撮像装置の撮像タイミングとを同期可能に制御するタイミング制御手段と、前記干渉光学系の光路差を変えて前記撮像装置によって撮像された複数の干渉画像から高さを算出する高さ算出手段と、を有することを特徴とする動的干渉計測装置に関する。

すなわち、第一の発明によれば、例えば、ストロボ光源のように周期的にパルス光を発光する光源、位相シフトを正弦波駆動で動かす位相シフタと、干渉縞画像を撮像するための撮像装置とからなる干渉光学系を用い、タイミング制御手段が、光源、位相シフタ、および撮像装置の各デバイスを同期制御して位相シフト法に必要な光路差における干渉縞画像を撮像し、高さ算出手段が、干渉光学系の光路差を変えて前記撮像装置によって撮像された複数の干渉画像から高さを算出する構成とすることによって、位相シフト法を行うために必要な光路差の干渉縞画像が高速に撮像可能となり、温度変化などによりサンプルに比較的ゆっくりとした変形や変位が生じていても高精度な表面形状計測が可能となる。

第二の発明は、前記タイミング制御手段は、位相シフト法に必要な光路差になった場合のみ、前記光源を発光させて干渉縞画像の撮像タイミングを制御することを特徴とする上記第一の発明に記載の動的干渉計測装置に関する。

すなわち、第二の発明によれば、タイミング制御手段が、位相シフト法を行うために必要な光路差となったときだけ、ストロボ等の光源を発光させて干渉画像を取得し、位相シフト法に必要な全ての光路差における干渉画像を取得した後に、それらの画像を用いて高さを算出する構成とすることによって、サンプルを高速で動作させて干渉画像を撮像する場合、干渉縞画像がぶれてしまうが、ストロボ発光等により所定位置での干渉縞しか撮像されないため、ボケのない干渉縞画像が撮像可能となる。

第三の発明は、前記タイミング制御手段は、前記光源の発光タイミングおよび撮像装置の撮像タイミングにおいて、位相シフト法に必要な所定の光路差になるように位相シフタの駆動波形を制御することを特徴とする上記第一の発明に記載の動的干渉計測装置に関する。

すなわち、第三の発明によれば、タイミング制御手段が、光源の発光タイミングおよび撮像装置の撮像タイミングに合わせ、例えば、ピエゾ等の位相シフタによって参照ミラー位置が位相シフト法に必要な光路差となるように位相シフタの駆動波形を制御するため、ピエゾ駆動の移動による静定時間を待つ必要がなく、位相シフト法に必要な干渉画像を取得することが可能となる。

第四の発明は、前記光源の発光周波数、前記位相シフタの駆動周波数、および前記撮像装置の撮像周波数は、計測対象物の変位または変形の移動周波数に比べ十分大きく設定されることを特徴とする上記第二または第三の発明に記載の動的干渉計測装置に関する。

すなわち、第四の発明によれば、光源の発光周波数、前記位相シフタの駆動周波数、および前記撮像装置の撮像周波数を、サンプルの変位または変形の移動周波数に対し、十分に大きく設定する構成をとることによって、温度変化によってサンプルに変形や変位が生じても高精度な表面形状の測定が可能となる。

本発明によれば、以下の効果が生まれる。
（１）本発明の動的干渉計測装置は、例えば、ストロボ光源のように周期的にパルス光を発光する光源、位相シフトを正弦波駆動で動かす位相シフタと、干渉縞画像を撮像するための撮像装置とからなる干渉光学系を備え、タイミング制御手段が、各デバイスを同期制御して位相シフト法に必要な光路差における干渉縞画像を撮像し、高さ算出手段が、干渉光学系の光路差を変えて前記撮像装置によって撮像された複数の干渉画像から高さを算出する構成をとることによって、位相シフト法を行うために必要な光路差の干渉縞画像が高速に撮像可能となり、温度変化などによりサンプルに比較的ゆっくりとした変形や変位が生じていても高精度な表面形状計測が可能となる。
（２）タイミング制御手段が、位相シフト法を行うために必要な光路差となったときだけ、ストロボ等の光源を発光させて干渉画像を取得し、位相シフト法に必要な全ての光路差における干渉画像を取得した後に、それらの画像を用いて高さを算出する構成とすることによって、サンプルを高速で動作させて干渉画像を撮像する場合、干渉縞画像がぶれてしまうが、ストロボ発光等により所定位置での干渉縞しか撮像されないため、ボケのない干渉縞画像が撮像可能となる。
（３）また、タイミング制御手段が、光源の発光タイミングと撮像装置の撮像タイミングに合わせ、ピエゾ等の位相シフタによって参照ミラー位置が位相シフト法に必要な光路差となるように位相シフタの駆動波形を制御するため、ピエゾ駆動の移動による静定時間を待つ必要がなく、位相シフト法に必要な干渉画像を取得することが可能となる。
（４）光源の発光周波数、前記位相シフタの駆動周波数、および前記撮像装置の撮像周波数を、サンプルの変位または変形の移動周波数に対し、十分に大きく設定することによって、温度変化によるサンプルの変形や変位が生じても、高精度な表面形状の測定を行うことができる。

以下に、図６〜図９を用いて、本発明の実施形態を説明する。以下の実施例において、干渉光学系は、位相をシフトさせるための動力源としてピエゾ、周期的なパルス光を発光するための光源としてストロボ光源、および干渉画像の撮像装置としてＣＣＤカメラを適用した例を取り上げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図６は、本発明の実施の形態になる干渉光学系の一基本構成を示す。

光源１から照射したパルス光をレンズ４ｃ、ハーフミラー２ａ、レンズ４ａ、ハーフミラー２ｂを経由して温度調節槽8 に入れたサンプル3 に照射する。同時に、光源1 から照射したパルス光をレンズ４ｃ、ハーフミラー２ａ、レンズ４ａ、ハーフミラー２ｂを経由してピエゾ６に接続した参照ミラー５に照射する。

また、サンプル３および参照ミラー５より反射したパルス光は、ハーフミラー２ｂにより重なって干渉し、レンズ４ａ、ハーフミラー２ａ、レンズ４ｂを経由してＣＣＤカメラ７に干渉画像が結像され、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）８のメモリに記録される。

また、光源1 はパルス発光間隔およびパルス発光時間を制御する光源ドライバ１０に接続され、ピエゾ６は、ピエゾ６の位置を制御するピエゾドライバ９に接続されている。光源１のパルス間隔および時間、ピエゾ位置、ＣＣＤカメラ７の撮像タイミングをタイミング制御部１１で制御し、位相シフト法で位相を算出するために必要な光路差δにおける干渉画像を撮像する。そして、全ての光路差位置で撮像した干渉縞画像からPC8 によりサンプル3 の位相データを得ることができる。

なお、光源１には、ＬＥＤやレーザの他、ショートアーク型ストロボフラッシュ光源、ライトチョッパによる連続光源のストロボ化を行ってもよい。ストロボフラッシュ光源やライトチョッパによる連続光源のストロボ化を行う場合、点灯タイミングを可変とすることは難しいため、ピエゾの駆動制御を照明の発光タイミングに合わせるようにする。

上記したように、本発明は、タイミング制御部１１が、光源ドライバ１０、ピエゾドライバ９、およびＣＣＤカメラ７を同期制御して位相シフト法に必要な光路差δにおける干渉縞画像を撮像する仕組みとしている。そして、高速に変化するピエゾ６の位置が位相シフト法を行うために必要な光路差δとなる位置となったときのみ、光源１（ストロボ光源）が発光を行って干渉画像を取得し、位相シフト法に必要な全ての光路差における干渉画像を取得した後、それらの画像を用いて高さを算出する。ピエゾ３による位相シフタの駆動方法としては、例えば、（７）式のような正弦波駆動とする。

ここで、ｆはピエゾ位相シフタの周波数であり、温度変化によるサンプル変位・変形よりも十分に早い周波数を選択する。また、βは位相シフトに必要な光路差が以上の量となるように設定する。例えば、δは、πから−π（光路差に直すと−λ／４からλ／４）まで位相変化させる必要があるため、π以上、または、λ／４以上（ただし、λは光源波長）に設定する。

図７は、本発明の実施の形態になる干渉縞画像を撮像するタイミングについて説明する図である。図７（ａ）は、通常の位相シフト法における干渉縞画像撮像タイミングを示している。ピエゾ移動による静定時間を待って複数の干渉縞を撮像するために、位相シフトに必要な複数の干渉縞画像を取得する時間が多くかかる。

これに対し、図７（ｂ）は、本発明による干渉縞撮像のタイミングを示す。図７（ａ）に比べて、位相シフタの位置が静定する時間を待つ必要がないため、ほぼ、ＣＣＤカメラ７の撮像時間と光路差移動時間のみで位相シフト法に必要な干渉縞画像の撮像が完了する。また、参照ミラー５あるいはサンプル３を高速で動作させた場合には、干渉画像撮像時に、干渉縞画像がぶれてしまうが、光源１（ストロボ光源）の発光により所定位置での干渉縞しか撮像されないため、ぼけのない干渉縞画像が撮像可能となる。すなわち、本発明によれば、ピエゾ移動による静定時間を待つ必要なく、位相シフト法に必要な干渉画像を取得することができる。

図８は、本発明の実施の形態になる一定間隔の点灯タイミングに適したピエゾ駆動波形例を示す。光源１の点灯タイミングが一定間隔である場合には、図に示すように、ノコギリ波状の直線の駆動波形をピエゾドライバ９に加えれば、光路差π、π／２、−π／２、−πの波形位置（○印）が直線上にあるため、光源１の発光タイミングが設定しやすくなる。なお、一定間隔の照明は、例えば、定常光源を光チョッパー等によってパルス光とすることによって得られる。

図８（ａ）は、光路差π→π／２→−π／２→−πの繰り返しによる順序で、撮像時間（１）、（２）、（３）、および（４）に対応した点灯タイミングが設定される場合を示しており、図８（ｂ）は、光路差π→π／２→−π→−π／２と−π→−π／２→π／２→−πの順序を組とした繰り返しによって、点灯タイミングが設定されることを示している。

図９は、本発明の実施の形態になる全ての光路差の干渉縞画像をカメラの撮像時間のみで取得するためのピエゾ駆動波形例を示す。

図９に示すように、（１）、（２）、（３）、および（４）の各撮像時間において、光路差の１周期の変化が複数回となるようにピエゾを駆動する。また、（１）、（２）、（３）および（４）の各撮像時間内において、それぞれの撮像時間に対応した光路差（π→π／２→−π／２→−π、図中○印）で、光源１が複数回点灯するように照明時間が設定されている。

上記のように、ピエゾ６の駆動周波数と光源１の発光タイミングとをＣＣＤカメラ７の撮像周波数より十分大きく設定することによって、各撮像間における光路差移動に要する待ち時間が無くなり、図９に示すように、ほぼ、ＣＣＤカメラ７の撮像時間のみで全ての光路差の干渉縞画像が取得可能となる。

以上述べてきた本発明の実施の態様は、以下の付記に示す通りである。
（付記１） 光源、正弦波駆動可能な位相シフタ、および撮像タイミング制御が可能な撮像装置からなる干渉光学系を用いた動的干渉計測装置であって、
前記光源の発光タイミングと前記位相シフタの移動量と前記撮像装置の撮像タイミングとを同期可能に制御するタイミング制御手段と、
前記干渉光学系の光路差を変えて前記撮像装置によって撮像された複数の干渉画像から高さを算出する高さ算出手段と、
を有することを特徴とする動的干渉計測装置。
（付記２） 前記タイミング制御手段は、位相シフト法に必要な光路差になった場合のみ、前記光源を発光させて干渉縞画像の撮像タイミングを制御することを特徴とする付記１に記載の動的干渉計測装置。
（付記３） 前記タイミング制御手段は、前記光源の発光タイミングおよび撮像装置の撮像タイミングにおいて、位相シフト法に必要な所定の光路差になるように位相シフタの駆動波形を制御することを特徴とする付記１に記載の動的干渉計測装置。
（付記４） 前記光源の発光周波数、前記位相シフタの駆動周波数、および前記撮像装置の撮像周波数は、計測対象物の変位または変形の移動周波数に比べ十分大きく設定されることを特徴とする付記２または３に記載の動的干渉計測装置。
（付記５） 前記位相シフタの駆動周波数および前記光源の発光周波数は、前記撮像装置の撮像周波数と同じか、それより高く設定されることを特徴とする付記２または３に記載の動的干渉計測装置。
（付記６） 前記位相シフタの駆動振幅は、前記光源の波長の１／４以上となるように設定されることを特徴とする付記１に記載の動的干渉計測装置。
（付記７） 光源、正弦波駆動可能な位相シフタ、および撮像タイミング制御が可能な撮像装置からなる干渉光学系を用いた動的干渉計測方法であって、
前記光源の発光タイミングと前記位相シフタの移動量と前記撮像装置の撮像タイミングとを同期可能に制御するタイミング制御ステップと、
前記干渉光学系の光路差を変えて前記撮像装置によって撮像された複数の干渉画像から高さを算出する高さ算出ステップと、
を有することを特徴とする動的干渉計測方法。

一般的な干渉計の基本構成を示す図である。 位相シフト法における干渉光学系の構成を示す図である。 フーリエ変換法における干渉光学系の構成を示す図である。 対象物の温度特性を計測する干渉光学系の構成を示す図である。 位相シフト法による温度特性計測を説明する図である。 本発明の実施の形態になる干渉光学系の一基本構成を示す図である。 本発明の実施の形態になる干渉縞画像を撮像するタイミングについて説明する図である。 本発明の実施の形態になる一定間隔の点灯タイミングに適したピエゾ駆動波形例を示す図である。 本発明の実施の形態になる全ての光路差の干渉縞画像をカメラの撮像時間のみで取得するためのピエゾ駆動波形例を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ａ、２ｂ レンズ
３ サンプル
４ａ、４ｂ ハーフミラー
５ 参照ミラー
６ ピエゾ
７ ＣＣＤカメラ
８ ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
９ ピエゾドライバ
１０ 光源ドライバ
１１ タイミング制御部

Claims (5)

1. 光源、正弦波駆動可能な位相シフタ、および撮像タイミング制御が可能な撮像装置からなる干渉光学系を用いた動的干渉計測装置であって、
   前記光源の発光タイミングと前記位相シフタの移動量と前記撮像装置の撮像タイミングとを同期可能に制御するタイミング制御手段と、
   前記干渉光学系の光路差を変えて前記撮像装置によって撮像された複数の干渉画像から高さを算出する高さ算出手段と、
   を有することを特徴とする動的干渉計測装置。
2. 前記タイミング制御手段は、位相シフト法に必要な光路差になった場合のみ、前記光源を発光させて干渉縞画像の撮像タイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の動的干渉計測装置。
3. 前記タイミング制御手段は、前記光源の発光タイミングおよび撮像装置の撮像タイミングにおいて、位相シフト法に必要な所定の光路差になるように位相シフタの駆動波形を制御することを特徴とする請求項１に記載の動的干渉計測装置。
4. 前記光源の発光周波数、前記位相シフタの駆動周波数、および前記撮像装置の撮像周波数は、計測対象物の変位または変形の移動周波数に比べ十分大きく設定されることを特徴とする請求項２または３に記載の動的干渉計測装置。
5. 光源、正弦波駆動可能な位相シフタ、および撮像タイミング制御が可能な撮像装置からなる干渉光学系を用いた動的干渉計測方法であって、
   前記光源の発光タイミングと前記位相シフタの移動量と前記撮像装置の撮像タイミングとを同期可能に制御するタイミング制御ステップと、
   前記干渉光学系の光路差を変えて前記撮像装置によって撮像された複数の干渉画像から高さを算出する高さ算出ステップと、
   を有することを特徴とする動的干渉計測方法。

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