JP2010008243A - 干渉測定方法および干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】平行平面板の被測定面に対して高精度な測定を行うことが可能な干渉測定方法を提供する。
【解決手段】所定の参照面６ａおよび平行平面板５の被測定面５ａに、互いに干渉しない異なる波長を有する２種類の可干渉光を照射する第１のステップと、２種類の可干渉光が照射された参照面６ａおよび被測定面５ａからの反射光に基づいて形成される干渉縞を検出する第２のステップと、検出した干渉縞の光強度分布に基づいて被測定面５ａの高さを測定する第３のステップとを有し、平行平面板５における被測定面５ａと反対側の面５ｂからの反射光の影響を排除するように２種類の可干渉光における波長の関係および、参照面６ａと被測定面５ａとの間の光学距離を調整するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に平行平面板の表面高さを測定する干渉測定方法および干渉計に関する。

従来の干渉計では、測定対象物の被測定面および基準板の参照面にレーザー光等の可干渉光を照射し、被測定面において反射して得られる測定光と参照面において反射して得られる参照光とが干渉して得られる干渉縞をイメージセンサーにより検出する（例えば、特許文献１を参照）。そして、イメージセンサーから出力される信号強度分布（すなわち、干渉縞の光強度分布）に基づいて被測定面の高さを測定し、被測定面の形状が求められる。

ところが、干渉計のイメージセンサーには、被測定面と反対側の面において反射した光や干渉計内の他の光学素子の表面で反射した光（以下、これらの光をノイズ光と称する）も入射するため、測定精度が低下し、場合によっては測定が不可能になる。特に、平行平面板の表面形状を測定する場合、被測定面で反射して得られる測定光以外に、被測定面と反対側の面で反射したノイズ光によっても干渉が生じるので、通常のコヒーレント長が長い可干渉光を用いた干渉計では測定しにくい。そのため、このような場合、コヒーレント長が短い可干渉光を使用して干渉測定を行う。
特開２００５−２４９５７６号公報

しかしながら、コヒーレント長が短い可干渉光を使用して干渉測定を行う場合、ノイズ光による干渉を抑えることはできるが、測定に用いる干渉縞を得ることも困難になる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、平行平面板の被測定面に対して高精度な測定を行うことが可能な干渉測定方法および干渉計を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明を例示する態様に従えば、所定の参照面および測定対象物である平行平面板の被測定面に、互いに干渉しない異なる波長を有する複数種の可干渉光を照射する第１のステップと、前記複数種の可干渉光が照射された前記参照面および前記被測定面からの反射光に基づいて形成される干渉縞を検出する第２のステップと、前記検出した干渉縞の光強度分布に基づいて前記被測定面の高さを測定する第３のステップとを有し、前記第１のステップにおいて、前記平行平面板における前記被測定面と反対側の面からの反射光の影響を排除するように前記異なる波長同士の関係および前記参照面と前記被測定面との間の光学距離を調整した状態で、前記複数の可干渉光を照射することを特徴とする干渉測定方法が提供される。

また、本発明を例示する態様に従えば、所定の参照面および測定対象物である平行平面板の被測定面に、互いに干渉しない異なる波長を有する複数種の可干渉光を照射する照明部と、前記複数種の可干渉光が照射された前記参照面および前記被測定面からの反射光に基づいて形成される干渉縞を検出する検出部と、前記検出部により検出された干渉縞の光強度分布に基づいて前記被測定面の高さを測定する測定部とを備え、前記照明部は、前記平行平面板における前記被測定面と反対側の面からの反射光の影響を排除するように前記異なる波長同士の関係を調整する第１の調整部および、前記影響を排除するように前記参照面と前記被測定面との間の光学距離を調整する第２の調整部を有することを特徴とする干渉計が提供される。

本発明によれば、平行平面板の被測定面に対して高精度な測定を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態の干渉計１は、図１に示すように、測定対象物である平行平面板５の表面形状を測定するためのものであり、平行平面板５を支持するステージ１０と、ステージ１０上の平行平面板５に可干渉光を照射する照明部２０と、干渉縞を検出する検出部３０と、平行平面板５の表面形状を求める演算処理部４０とを主体に構成される。

平行平面板５は、ガラスや樹脂等の透明な材料を用いて板状に形成され、平面である平行平面板５の表面が本実施形態における被測定面５ａとなる。また、平行平面板５における被測定面５ａの反対側には、当該被測定面５ａと平行な平面である裏面５ｂが形成される。

ステージ１０は、被測定面５ａが上方を向くように平行平面板５を水平に支持する。また、ステージ１０は、ステージ１０上の平行平面板５を照明部２０の光軸に沿って上下移動させることができるようになっている。また、ステージ１０と照明部２０との間には、透明の基準板６が取り付け機構１５を用いて照明部２０の光軸に沿って上下移動可能に水平に取り付けられおり、基準板６の表面に参照面６ａが形成される。

照明部２０は、光源側から順に、第１の光源２１と、第１のビームエキスパンダー２２と、ミラー２３と、偏光ビームスプリッター２６と、ビームスプリッター２７とを有して構成される。第１の光源２１として周波数安定化レーザーが用いられ、第１の光源２１は、波長が一定の可干渉光（レーザー光）を発光する。第１の光源２１から発せられた第１の可干渉光は、第１のビームエキスパンダー２２によって平行光束に広げられ、ミラー２３で反射して偏光ビームスプリッター２６を透過する。偏光ビームスプリッター２６を透過した第１の可干渉光は、ｐ偏光となってビームスプリッター２７を透過し、参照面６ａに達する。

また、照明部２０は、第２の光源２４および、第２のビームエキスパンダー２５を有しており、第２の光源２４として波長可変レーザーが用いられ、第２の光源２４が発光する可干渉光（レーザー光）の波長を変えることができるようになっている。第２の光源２４から発せられた第２の可干渉光は、第２のビームエキスパンダー２５によって平行光束に広げられ、偏光ビームスプリッター２６で反射する。偏光ビームスプリッター２６で反射した第２の可干渉光は、ｓ偏光となってビームスプリッター２７を透過し、参照面６ａに達する。

このとき、参照面６ａに達する第１の可干渉光はｐ偏光であり、第２の可干渉光はｓ偏光であるため、第１の可干渉光および第２の可干渉光は互いに干渉しない。このように、照明部２０は、互いに干渉しない異なる波長を有する２種類の可干渉光を参照面６ａおよび被測定面５ａに照射することが可能である。

ところで、参照面６ａに達した第１または第２の可干渉光の一部は、参照面６ａで反射する。参照面６ａで反射した光は、ビームスプリッター２７で反射して検出部３０へ導かれる。一方、参照面６ａに達した第１または第２の可干渉光の残りは、参照面６ａを透過し、平行平面板５の被測定面５ａで反射する。被測定面５ａで反射した光は、再び参照面６ａを透過し、ビームスプリッター２７で反射して検出部３０へ導かれる。

検出部３０は、物体側（ビームスプリッター２７側）から順に、結像レンズ３１と、イメージセンサー３２とを有して構成される。ビームスプリッター２７で反射して検出部３０へ導かれた光は、結像レンズ３１を透過してイメージセンサー３２に達し、イメージセンサー３２の検出面上に、参照面６ａからの反射光と被測定面５ａからの反射光とが互いに干渉して複雑な干渉縞が形成される。イメージセンサー３２は、このように形成された干渉縞を検出し、その検出信号を演算処理部４０へ出力する。演算処理部４０は、イメージセンサー３２から入力された検出信号の信号強度分布、すなわち、イメージセンサー３２により検出された干渉縞の光強度分布に基づいて、被測定面５ａの高さを測定する（詳細は後述する）。

以上のように構成される干渉計１を用いた干渉測定方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、照明部２０により、参照面６ａおよび被測定面５ａに、互いに干渉しない異なる波長を有する第１および第２の可干渉光を照射する（ステップＳ１０１）。この照明工程において、第１の光源２１から発せられた第１の可干渉光は、第１のビームエキスパンダー２２によって平行光束に広げられ、ミラー２３で反射して偏光ビームスプリッター２６を透過する。偏光ビームスプリッター２６を透過した第１の可干渉光は、ｐ偏光となってビームスプリッター２７を透過し、参照面６ａに達する。一方、第２の光源２４から発せられた第２の可干渉光は、第２のビームエキスパンダー２５によって平行光束に広げられ、偏光ビームスプリッター２６で反射する。偏光ビームスプリッター２６で反射した第２の可干渉光は、ｓ偏光となってビームスプリッター２７を透過し、参照面６ａに達する。

このようにして参照面６ａに達した第１および第２の可干渉光の一部は、参照面６ａで反射する。参照面６ａで反射した光は、ビームスプリッター２７で反射して検出部３０へ導かれる。一方、参照面６ａに達した第１および第２の可干渉光の残りは、参照面６ａを透過し、平行平面板５の被測定面５ａで反射する。被測定面５ａで反射した光は、再び参照面６ａを透過し、ビームスプリッター２７で反射して検出部３０へ導かれる。

そこで、検出部３０により、第１および第２の可干渉光が照射された参照面６ａおよび被測定面５ａからの反射光に基づいて形成される干渉縞を検出する（ステップＳ１０２）。この検出工程において、ビームスプリッター２７で反射して検出部３０へ導かれた光は、結像レンズ３１を透過してイメージセンサー３２に達し、イメージセンサー３２の検出面上に、参照面６ａからの反射光（以下、参照光と称する）と被測定面５ａからの反射光（以下、測定光と称する）とが互いに干渉して複雑な干渉縞が形成される。イメージセンサー３２は、このように形成された干渉縞を検出し、その検出信号を演算処理部４０へ出力する。

ところで、平行平面板５に達した第１および第２の可干渉光は、前述したように被測定面５ａで反射するが、全てが被測定面５ａで反射するわけではなく、一部は被測定面５ａ（平行平面板５）を透過して平行平面板５の裏面５ｂで反射する。平行平面板５の裏面５ｂで反射したノイズ光は、再び被測定面５ａおよび参照面６ａを透過し、ビームスプリッター２７で反射して検出部３０へ導かれ、結像レンズ３１を透過してイメージセンサー３２に達する。そのため、イメージセンサー３２の検出面上においては、参照光および測定光に加えてノイズ光も干渉し、これらが干渉して形成される干渉縞から測定光の波面と参照光の波面との差を検出するのは通常不可能である。

ただし、波長可変レーザーを用いた第２の光源２４から発光される第２の可干渉光の波長を、平行平面板５の被測定面５ａと裏面５ｂとの間隔に対応して正しく選べば、ノイズ光の影響を排除することができる。ここで、その原理を説明する。まず、被測定面５ａに対応する平面座標を（ｘ，ｙ）とし、参照光の波面の複素振幅分布をＥ_r（ｘ，ｙ）とし、測定光の波面の複素振幅分布をＥ_o（ｘ，ｙ）とし、ノイズ光の波面の複素振幅分布をＥ_n（ｘ，ｙ）としたとき、第１の可干渉光によって形成された干渉縞の光強度分布Ｉ₁（ｘ，ｙ）は、次の（１）式のように表わされる。

なお、＊は複素共役であることを示す。また、Ｉ_r（ｘ，ｙ）＝Ｅ_r ^*（ｘ，ｙ）×Ｅ_r（ｘ，ｙ）であり、Ｉ_o（ｘ，ｙ）＝Ｅ_o ^*（ｘ，ｙ）×Ｅ_o（ｘ，ｙ）であり、Ｉ_n（ｘ，ｙ）＝Ｅ_n ^*（ｘ，ｙ）×Ｅ_n（ｘ，ｙ）であるので、（１）式は、次の（２）式のように表わされる。

さらに、平行平面板５における被測定面５ａと裏面５ｂとの間の光学距離をｄ_onとし、参照面６ａと被測定面５ａとの間の光学距離をｄ_roとし、第１の可干渉光の波長をλ₁としてその波数をｋ₁＝（２×π）／λ₁とすると、複素振幅と波数の関係から、（２）式は、次の（３）式のように表わされる。

なお、ψ_r（ｘ，ｙ）、ψ_o（ｘ，ｙ）、およびψ_n（ｘ，ｙ）はそれぞれ、参照光、測定光、およびノイズ光の位相分布である。また、Ｉ_ro（ｘ，ｙ）＝｜Ｅ_r｜×｜Ｅ_o｜であり、Ｉ_rn（ｘ，ｙ）＝｜Ｅ_r｜×｜Ｅ_n｜であり、Ｉ_on（ｘ，ｙ）＝｜Ｅ_o｜×｜Ｅ_n｜である。

また、第２の可干渉光の波長をλ₂としてその波数をｋ₂＝（２×π）／λ₂とすると、第１の可干渉光の場合と同様にして、第２の可干渉光によって形成された干渉縞の光強度分布Ｉ₂（ｘ，ｙ）は、次の（４）式のように表わされる。

ここで、波長可変レーザーを用いた第２の光源２４を操作して、第２の可干渉光の波長を次の（５）式を満足するように調整する。

さらに、取り付け機構１５等を用いて、参照面６ａが形成された基準板６を駆動し、参照面６ａの位置を次の（６）式を満足するように調整する。

そうすると、（４）〜（６）式より、第２の可干渉光によって形成された干渉縞の光強度分布Ｉ₂（ｘ，ｙ）は、次の（７）式のように表わされる。

（３）式および（７）式より、第１の可干渉光によって形成された干渉縞の光強度分布Ｉ₁（ｘ，ｙ）と第２の可干渉光によって形成された干渉縞の光強度分布Ｉ₂（ｘ，ｙ）との和は、次の（８）式のように表わされる。

（８）式によれば、ノイズ光に関する項がなくなるため、ノイズ光の影響を排除することができる。なお、（８）式において、Ｉ_n（ｘ，ｙ）の項が残るが、これは被測定面５ａによって変化しない成分であり、測定に影響を及ぼさない。そこで、照明工程において、（５）式および（６）式の条件を満足する状態で第１および第２の可干渉光を照射し、検出工程において、第１および第２の可干渉光によって生じる干渉縞をイメージセンサー３２により検出する。このとき、第１および第２の可干渉光の光量を互いに同じ光量にしておくことが好ましい。

そして、演算処理部４０は、イメージセンサー３２から入力された検出信号の信号強度分布、すなわち、イメージセンサー３２により検出された第１および第２の可干渉光によって生じる干渉縞の光強度分布（Ｉ₁（ｘ，ｙ）+Ｉ₂（ｘ，ｙ））に基づいて、被測定面５ａの高さを測定する（ステップＳ１０３）。なお、（８）式において未知の変数が複数あるため、この測定工程において、演算処理部４０は、例えば（５）式および（６）式の条件を満足する複数の測定条件において検出した干渉縞の光強度分布に基づく（８）式に関する連立方程式を解くことにより、ψ_o（ｘ，ｙ）を算出し、算出したψ_o（ｘ，ｙ）から被測定面５ａの高さを求める。

このように、本実施形態の干渉計１および干渉測定方法によれば、平行平面板５における被測定面５ａと反対側の面５ｂからの反射光（ノイズ光）の影響を排除するように、第１および第２の可干渉光における波長の関係および参照面６ａと被測定面５ａとの間の光学距離を調整するため、ノイズ光による干渉を抑えることが可能になり、平行平面板５の被測定面５ａに対して高精度な測定を行うことができる。

このとき、（５）式および（６）式の条件を満足するように調整を行えば、確実にノイズ光の影響を排除することができる。

また、第１の可干渉光を周波数安定化レーザーにより照射するとともに、第２の可干渉光を波長可変レーザーにより照射し、波長可変レーザーを用いて第１および第２の可干渉光における波長の関係を調整することで、２つの可干渉光のうち一方の波長を安定化することが可能になり、平行平面板５の被測定面５ａに対してより高精度な測定を行うことができる。

なお、上述の実施形態において、第１および第２の可干渉光によって生じる干渉縞を１つのイメージセンサー３２により同時に検出しているが、これに限られるものではく、例えば、第１の可干渉光によって生じる干渉縞および第２の可干渉光によって生じる干渉縞をそれぞれ、２つのイメージセンサーにより検出するか、１つのイメージセンサーにより異なるタイミングで検出し、それぞれの検出信号を合成するようにしてもよい。なおこのとき、第１および第２の可干渉光の光量が互いに異なっている場合には、検出信号の合成時に第１および第２の可干渉光の光量が同じ場合となるように補正することも可能である。

また、上述の実施形態において、２つの光源を用いて第１および第２の可干渉光を照射しているが、これに限られるものではく、１つの光源から第１および第２の可干渉光を抽出してそれぞれ照射するようにしてもよい。

干渉計の概略構成図である。 干渉測定方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 干渉計
５ 平行平面板（５ａ 被測定面、５ｂ 裏面）
６ 基準板（６ａ 参照面）
１５ 取り付け機構（第２の調整部）
２０ 照明部
２１ 第１の光源（周波数安定化レーザー）
２４ 第２の光源（波長可変レーザーおよび第１の調整部）
３０ 検出部 ３２ イメージセンサー
４０ 演算処理部

Claims (6)

1. 所定の参照面および測定対象物である平行平面板の被測定面に、互いに干渉しない異なる波長を有する複数種の可干渉光を照射する第１のステップと、
   前記複数種の可干渉光が照射された前記参照面および前記被測定面からの反射光に基づいて形成される干渉縞を検出する第２のステップと、
   前記検出した干渉縞の光強度分布に基づいて前記被測定面の高さを測定する第３のステップとを有し、
   前記第１のステップにおいて、前記平行平面板における前記被測定面と反対側の面からの反射光の影響を排除するように前記異なる波長同士の関係および前記参照面と前記被測定面との間の光学距離を調整した状態で、前記複数の可干渉光を照射することを特徴とする干渉測定方法。
2. 前記複数種の可干渉光は２種類の可干渉光であり、
   前記２種類の可干渉光のうち一方の波長をλ₁としてｋ₁＝（２×π）／λ₁とし、他方の波長をλ₂としてｋ₂＝（２×π）／λ₂とし、前記被測定面と前記反対側の面との間の光学距離をｄ_onとし、任意の整数をＭとしたとき、次式
   （ｋ₂×ｄ_on）＝（ｋ₁×ｄ_on）+π＋（２×π×Ｍ）
   の関係を満たすように前記異なる波長同士の関係を調整するとともに、
   前記参照面と前記被測定面との間の光学距離をｄ_roとし、任意の整数をＮとしたとき、次式
   （ｋ₂×ｄ_ro）＝（ｋ₁×ｄ_ro）＋（２×π×Ｎ）
   の関係を満たすように前記参照面と前記被測定面との間の光学距離を調整することを特徴とする請求項１に記載の干渉測定方法。
3. 前記第１のステップにおいて、前記２種類の可干渉光のうち一方を周波数安定化レーザーにより照射するとともに、他方を波長可変レーザーにより照射し、
   前記波長可変レーザーを用いて前記異なる波長同士の関係を調整することを特徴とする請求項２に記載の干渉測定方法。
4. 所定の参照面および測定対象物である平行平面板の被測定面に、互いに干渉しない異なる波長を有する複数種の可干渉光を照射する照明部と、
   前記複数種の可干渉光が照射された前記参照面および前記被測定面からの反射光に基づいて形成される干渉縞を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された干渉縞の光強度分布に基づいて前記被測定面の高さを測定する測定部とを備え、
   前記照明部は、前記平行平面板における前記被測定面と反対側の面からの反射光の影響を排除するように前記異なる波長同士の関係を調整する第１の調整部および、前記影響を排除するように前記参照面と前記被測定面との間の光学距離を調整する第２の調整部を有することを特徴とする干渉計。
5. 前記複数種の可干渉光は２種類の可干渉光であり、
   前記第１の調整部は、前記２種類の可干渉光のうち一方の波長をλ₁としてｋ₁＝（２×π）／λ₁とし、他方の波長をλ₂としてｋ₂＝（２×π）／λ₂とし、前記被測定面と前記反対側の面との間の光学距離をｄ_onとし、任意の整数をＭとしたとき、次式
   （ｋ₂×ｄ_on）＝（ｋ₁×ｄ_on）+π＋（２×π×Ｍ）
   の関係を満たすように前記異なる波長同士の関係を調整するとともに、
   前記第２の調整部は、前記参照面と前記被測定面との間の光学距離をｄ_roとし、任意の整数をＮとしたとき、次式
   （ｋ₂×ｄ_ro）＝（ｋ₁×ｄ_ro）＋（２×π×Ｎ）
   の関係を満たすように前記参照面と前記被測定面との間の光学距離を調整することを特徴とする請求項４に記載の干渉計。
6. 前記照明部は、前記２種類の可干渉光の光源として、前記２種類の可干渉光のうち一方を照射する周波数安定化レーザーと、他方を照射する波長可変レーザーとを有し、
   前記第１の調整部は、前記波長可変レーザーを利用して前記異なる波長同士の関係を調整することを特徴とする請求項５に記載の干渉計。

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