JP2010261776A - 光波干渉計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検面と参照面間の距離制約無く合成波長を用いた距離計測を簡易に実現可能な光波干渉計測装置を提供すること。
【解決手段】 光波干渉計測装置は、多波長光源１、偏光光学素子５、参照面６、被検面７、分光光学素子８、位相検出器９ａ、解析装置１０を備える。多波長光源１は複数の狭帯域なスペクトルを持つ。偏光光学素子５は多波長光源１からの光束を直交する２つの偏光に分離する。参照面６は偏光光学素子５からの第１の光束を反射する。被検面７は偏光光学素子５からの第２の光束を反射する。分光光学素子８は参照面６で反射した第１の光束および被検面７で反射した第２の光束のそれぞれを分光する。複数の位相検出器９ａは分光された第１，第２の光束のスペクトル毎の干渉信号の位相を検出する。解析装置１０は複数の位相検出器９ａからの信号に基づいて多波長光源１の合成波長の範囲で参照面６と被検面７との間の光路長差を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光波干渉計測装置に関する。

従来から多波長における被検信号と参照信号の位相差から合成波長を用いて光路長差を計測する光波干渉計測装置が提案されている。特許文献１及び非特許文献１には光波の干渉信号を分光し、干渉信号の周波数特性から周波数に対する位相差を検出し距離を計算する光波干渉計測装置が開示されている。具体的な計測原理を式（１）を用いて説明する。式（１）はｐ番目の周波数ｆ_ｐにおいて検出される信号強度Ｉ（ｆ_ｐ）と干渉位相φ（ｆ_ｐ）を示している。

干渉位相φ（ｆｐ）の式に示される通り計測距離Ｌは干渉位相の周波数に対する傾きに比例する。一方、干渉位相φ（ｆｐ）の傾きは信号強度Ｉ（ｆｐ）の振動数として表されるため、信号強度Ｉ（ｆｐ）からフーリエ変換などで第２項を抽出して位相φ（ｆ_ｐ）の傾きを算出することで距離の計測が可能となる。

更にその他の方法として、被検信号と参照信号に変調を加えて位相を検出する方法が提案されている。具体的には特許文献２では参照面を走査する方式、特許文献３ではヘテロダイン検出を行う方式が開示されている。

特開２００９−０２５２４５号公報 特登録０２５５３２７６ 特開平１１−１８３１１６号公報

Ｋｉ−Ｎａｍ Ｊｏｏ ａｎｄ Ｓｅｕｎｇ−Ｗｏｏ Ｋｉｍ。"Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ"。２００６年。Ｏｐｔｉｃｓ ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ１３，ｐｐ．５９５４−５９６０。

しかしながら特許文献１および非特許文献１に記載の方式では、参照面と被検面間の距離Ｌが計測する周波数間隔Δｆに対して式（２）の関係になる時に計測が不可能となるという課題があった。式（２）においてｃは光速、ｎは任意の整数を意味する。

従来方式の課題について式（１）を用いて詳細を説明する。式（２）の条件において検出信号の位相φ（ｆ_ｐ）はｐによらず一定の値となり、検出信号Ｉ（ｆ_ｐ）の第２項の振動数は低くなる。このような条件において、検出信号Ｉ（ｆ_ｐ）の第１項（干渉に依らない信号強度の周波数分布）と、第２項（位相差に依存する干渉信号強度の周波数分布）の振動数の差が少なく互いを分離出来なくなることが、計測が不可能となる理由である。

また、特許文献２および特許文献３に記載の方式では変調を行うための機構が複雑になるのに加え検出信号が高周波となるため解析装置内での計算処理が複雑になるという課題があった。

そこで本発明は、被検面と参照面間の距離制約無く、合成波長を用いた距離計測を簡易に実現可能な光波干渉計測装置を提供することを例示的な目的とする。

その目的を達成するために、本発明の一側面としての光波干渉計測装置は、複数の狭帯域なスペクトルを持つ多波長光源と、前記多波長光源からの光束を直交する２つの偏光に分離する偏光光学素子と、基準位置に設置されており、前記偏光光学素子からの第１の光束を反射する参照面と、被検物体に設置されており、前記偏光光学素子からの第２の光束を反射する被検面と、前記参照面で反射した前記第１の光束および前記被検面で反射した前記第２の光束のそれぞれを分光する分光光学素子と、分光された前記第１，第２の光束のスペクトル毎の干渉信号の位相を検出する複数の位相検出器と、前記複数の位相検出器からの信号に基づいて、前記多波長光源の合成波長の範囲で前記参照面と前記被検面との間の光路長差を算出する解析装置と、を備えることを特徴とする。

被検面と参照面間の距離制約無く、合成波長を用いた距離計測を簡易に実現可能な光波干渉計測装置を提供することができる。

第１実施形態における光波干渉計測装置を示した図である。 第１実施形態における多波長光源のスペクトルを示す図である。 第１実施形態における位相検出器を示す図である。 第２実施形態における光波干渉計測装置を示した図である。 第２実施形態における多波長光源のスペクトルを示す図である。 第２実施形態における位相検出器を示す図である。 第２実施形態における光路長計測結果を示す図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態の光波干渉計測装置の図である。本実施形態の光波干渉計測装置は、白色光源１とファブリペローエタロン２からなる多波長光源１００を有する。多波長光源からの射出光束は偏光ビームスプリッタ（偏光光学素子）５で直交する２つの偏光（第１，第２の光束）に分離される。その２つの偏光のうち一方（第１の光束）は参照面６で反射され、他方（第２の光束）は被検面７で反射される。干渉光束は回折格子８で分光され多波長光源のスペクトル毎に配置された位相検出器９ａで位相を検出した後、解析装置１０で光路長差を算出する。

以下、本実施形態の光波干渉計測装置における計測原理について詳述する。十分なスペクトル幅を有する白色光源１を射出した光束はファブリペローエタロン２とバンドカットフィルタ３からなる光学フィルタ２００で複数の狭帯域スペクトルに変換される。白色光源としてはＳＬＤやＡＳＥ光源等を使用することが可能である。

図２にファブリペローエタロン２とバンドカットフィルタ３を透過後のスペクトルを示す。ファブリペローエタロン２で生成される周波数間隔ＦＳＲの櫛歯状の複数スペクトルに対し中間の帯域をカットするバンドカットフィルタ３を適用して計測に使用する３本のスペクトルのみを選択する。具体的な周波数としては周波数ｆ１と、ｆ１からＦＳＲ離れた周波数ｆ２と、ｆ１からＦＳＲのＮ倍離れた周波数ｆ３の計３本とする。

ファブリペローエタロンの特性はＦＳＲとフィネスで特徴付けられるが、ＦＳＲに関しては後に分光する際のグレーティングの分解能を考慮すると数１０ＧＨｚ程度以上であることが望ましい。フィネスについては被検面７と参照面６の光路長差において可干渉性を保持できる程度の線幅まで狭窄化する必要があるため、１０００以上であることが望ましい。本実施形態では単一のファブリペローエタロンを使用しているが、複数のＦＳＲの異なるファブリペローエタロンを使用しても構わない。この場合には高ＦＳＲのファブリペローエタロンのフィネスを落し、低ＦＳＲのファブリペローエタロンをＦＳＲの決定因子となるように構成することで、ファブリペローエタロンの間隔制御が容易になるという利点がある。

バンドカットフィルタ３はバンドパスフィルタの反射光束を使用することで実現する。バンドカットフィルタ３は計測に使用するスペクトルのみに光束を限定することで後に述べる増幅時の効率が向上すると共に、計測時に発生する不要光を予め発生させないことで不要光による誤差（光ノイズや温度影響）を低減できるという効果がある。これらの効果が無視できる場合にはバンドカットフィルタ３は不要である。

更に、必要なスペクトル幅がそれほど細く無い場合にはファブリペローエタロン２と光学フィルタ３の代わりに多層膜のバンドパスフィルタを組み合わせて複数のスペクトルを作成してもよい。この場合には安価に装置の構成が可能となる。

ファブリペローエタロン２はＦＳＲが一定の値となるように制御装置２０で制御される。具体的にはファブリペローエタロン２にヒータ等の加熱器または冷却器を設け、制御装置２０で温度が一定になるように制御することでＦＳＲを保証する。より高精度にＦＳＲを保証する場合には多波長光源１００から射出されるスペクトルの一部をガスの吸収線などに安定化するように制御装置２０からヒータ等の加熱器または冷却器を制御すればよい。この場合に残るＦＳＲの決定因子であるエタロンのギャップ媒質の分散に関しては、温度などの環境データから校正しても良いし、真空ギャップのエタロンを用いて保証しても構わない。

次に光増幅器４によりファブリペローエタロン２の射出光束を増幅する。フィネスの高いファブリペローエタロンは非常に低効率のため、高出力な白色光源１を用いて出力を確保するか、出力低下後に増幅を行うことが必要であり、本実施例では後者を採用している。前者の場合には不要光量が多く発生するという課題はあるが、増幅器が不要な分コスト的には有利となる。

光増幅器４により所望の光量となった光束は偏光ビームスプリッタ５で２つの直交する偏光成分に分岐される。偏光ビームスプリッタ５で反射された光束は基準位置に設置されたコーナキューブからなる参照面６で反射された後に再び偏光ビームスプリッタ５で反射される。以下、参照面６で反射される光束を参照光束と称す。一方、偏光ビームスプリッタ５を透過した光束は、被検物体上に固定されたコーナキューブからなる被検面７で反射された後、偏光ビームスプリッタ５を再び透過する。以下、被検面７で反射される光束を被検光束と称す。

被検光束と参照光束は共に分光光学素子としての回折格子８で分光され、計測するスペクトル毎に配置された複数個の位相検出器９ａで被検光束と参照光束の位相差を検出される。分光光学素子としてはアレイ導波路回折型波長分波器（以下ＡＷＧと称す。）を用いても良い。ＡＷＧを用いた場合にはコンパクトに高分解能の分光が実現可能という利点がある。

位相検出器９ａの具体的な構成を図３に示す。位相検出器９ａは、被検光路と参照光路に３つの既知の位相差を付加する手段と、３つの既知の位相差の干渉信号を位相差毎に検出するための３つの光量検出器３０ａ，３０ｂ，３０ｃを有する。その位相差を付加する手段は、λ／４板２１、グレーティングビームスプリッタ２２、および偏光子アレイ２３から構成される。

図３の左側から入射した被検光束と参照光束は互いに直交する直線偏光を有しており、偏光方向と４５度の角度に軸を配置したλ／４板２１を透過することでそれぞれ右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換される。その後、位相型の回折格子からなるグレーティングビームスプリッタ２２で０次、±１次光の３光束に均等に分割する。分割後の光束は、それぞれの光束に対して異なる透過軸の偏光子となるように構成された偏光子アレイ２３を透過した後、光量検出器３０ａ，３０ｂ、３０ｃでその光量を検出される。光量検出器３０ａ、３０ｂ、３０ｃで検出される干渉信号Ｉａ，Ｉｂ、Ｉｃは、偏光子アレイ２３内の偏光子の透過軸角度に応じた既知の位相差を伴う信号となり、１２０度間隔の位相差の３信号とした場合には式（３）で表される。

ここで被検光束と参照光束の光路長差に伴う干渉信号の位相差をφとした。式（３）より位相差φは波長単位で式（４）により算出することが出来る。

解析装置１０では、位相検出器９ａ内の光量検出器３０ａ、３０ｂ、３０ｃからの光量信号をＡＤ変換機によってデジタル化し、式（４）を用いて位相計算が行われる。位相計算は、計測に用いる３つの周波数（ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３）の干渉信号用のそれぞれについて行われる。それぞれの位相検出器で検出される位相は式（５）で表される。式（５）においてｎは被検光路と参照光路の光路長差における媒質の屈折率、Ｄは被検面と参照面間の光路長差の幾何学的距離である。また、ｍｏｄ（）は第１引数を第２引数で割った際の剰余を表すものとする。

一方、周波数ｆ_１に相当する波長をλ_１、ｆ_１とｆ_２の差に相当する合成波長をΛ_１２（＝ｃ／ＦＳＲ）、ｆ_１とｆ_３の差に相当する合成波長をΛ_１３（＝ｃ／（Ｎ・ＦＳＲ））とすると、光路長差ｎＤと計測位相の関係は式（６）で表される。ここで合成波長とは２つの波長を合成して得られる波長を意味し、２つの波長をλ_１，λ_２とする時、Λ_１２＝λ_１・λ_２／｜λ_１−λ_２｜と表される。

式（６）中、ｎ_１、ｎ_１３、ｎ_１２はそれぞれの波長の整数倍成分を表す。λ_１を用いた表現は非曖昧な計測距離がλ_１と最も小さい代わりに高精度な計測が可能であるのに対し、Λ_１２を用いた表現は非曖昧な計測距離がΛ_１２まで拡大するが計測精度が低くなることを示している。ここで非曖昧な計測距離とは、過去の履歴を用いず計測結果から一義的に定めることの出来る距離のことを意味する。これらの特性を用い、最も長い合成波長から順に低い合成波長（或いは波長）の整数倍成分を決定することで距離の計測精度を維持したまま非曖昧な計測距離を拡大する。具体的な算出式を式（７）に示す。

式（７）中、ｎ_１２は既知であるものとしている。ｎ_１２を既知とする方法としては、計測範囲より合成波長Λ_１２を拡大して装置のストローク範囲以上にする方法や、合成波長Λ_１２以下の精度を有する別の計測器の値を利用する方法がある。

Λ_１２の拡大が困難な場合には更に長い合成波長を用いることが可能である。具体的な手段としてはファブリペローエタロン２のＦＳＲを変化させた際の新しいｆ１とｆ２の合成波長Λ’_１２を生成し、Λ_１２とΛ’_１２の更なる合成波長を用いればよい。別の方法としては、予め長い合成波長を生成可能な周波数スペクトルを光学フィルタ２００で生成しておいても構わない。

以上の通り、本実施形態に依れば、干渉信号の位相をそれぞれのスペクトルで独立に計測することが可能なため、被検面と参照面間の距離制約無く距離計測が可能な光波干渉計測装置を提供することができる。

〔第２実施形態〕
次に、図４に基づいて本発明の第２実施形態の光波干渉計測装置について説明する。図４は本発明の第２実施形態の光波干渉計測装置を示した図である。本実施形態の光波干渉計測装置は、多波長の光周波数コム光源１０１を光源とする。他の基本的な構成は第１の実施形態と同様である。

以下、本実施形態の光波干渉計測装置における計測原理について詳述する。光周波数コム光源１０１は均等な周波数間隔の複数の狭帯域なスペクトル（光周波数コム）を射出する。具体的な光源としては、周波数間隔とキャリアエンベロープオフセット周波数が高精度に制御された広帯域なモードロックレーザを用いる。一般にモードロックレーザのモード間隔は数１０ＭＨｚと狭く分光が困難であるため、低フィネスファブリペローエタロン１０２を用いて周波数間隔を間引くことが必要である。ここで低フィネスなファブリペローエタロンを用いるのはエタロンの変動によりエタロンを透過するスペクトル位置が変化しにくくするためである。低フィネスファブリペローエタロン１０２を透過後のスペクトルは図５に示すような周波数間隔ΔｆのＮ本の狭帯域なスペクトルとなる。

モードロックレーザ以外の光源としては単一スペクトルの光源にファブリペロー変調機などで位相変調をかけることにより得られる光周波数コムを利用することが可能である。この場合にはスペクトルの得られる帯域はモードロックレーザより狭いものの、モード間隔が広いためスペクトルの間引きが不要な点とコストの観点でモードロックレーザより有利となる。

光源を射出した光束は第１実施形態と同様に、被検光束と参照光束共に回折格子８で分光された後、それぞれのスペクトルに対応する位相検出器９ｂに入射する。

位相検出器９ｂ具体的な構成を図６に示す。位相検出器９ｂは被検光路と参照光路に既知の位相差を付加する手段として複屈折プリズム３１と、複数の既知位相差の干渉信号を検出するための複数の光量検出器３０ｘ、３０ｙ、３０ｚから構成される。

図６の左側から入射した光束は複屈折性を有する硝材からなる複屈折プリズム３１に入射する。複屈折プリズム３１の進相軸は図中実線で示される被検光束の屈折率と、図中点線で示される参照光束の屈折率が異なるように配置される。被検光束と参照光束は複屈折プリズム３１から異なる角度で射出した後、偏光子３２により共通偏光成分を抽出される。被検光束と参照光束の光線角度が異なるため、干渉信号は場所により位相差が発生することになる。本実施例では等間隔に３つの光量検出器３０ｘ、３０ｙ、３０ｚを配置することで実施形態１と同様に１２０度ピッチの干渉信号を得る。３つの干渉信号強度からの位相の算出式は式（３）と同様に式（８）で表される。

ここでＩ_ｘ，Ｉ_ｙ，Ｉ_ｚはそれぞれ光量検出器３０_ｘ、３０_ｙ、３０_ｚで検出される干渉信号強度である。

解析装置１０ではｆ_１からｆ_ＮまでのＮ個のスペクトルに対して被検光束と参照光束の位相差を算出する。それぞれの干渉信号の位相に対して実施形態１と同様に合成波長を用いて波長の整数倍成分を決定するものとする。本実施形態では複数の計測データを用いて光路長計測結果から幾何学的距離と屈折率の分離を行う。

ｉ番目のスペクトルで計測される位相φ_ｉと被検面、参照面間の光路長の幾何学的距離Ｄの関係は式（９）で表される。以下、式（９）の最左辺をｉ番目のスペクトルの光路長ＯＰＬ_ｉと表す。

式（９）中ｆ_ｉ（＝ｆ_１＋Δｆ・（ｉ−１））はｉ番目のスペクトルの周波数、ｎ（ｆ_ｉ）はｆ_ｉにおける被検面と参照面間の屈折率を示す。式（９）の最右辺は屈折率の近似式である。屈折率の近似式においてＮ_ｔｐは空気の温度や気圧等に依存する屈折率成分であり、スペクトルに対する分散特性Ｂ（ｆ）の係数として表される。分散特性Ｂ（ｆ）はＥｄｌｅｎの式によると式（１０）で表される。

被検面と参照面間の光路長差の屈折率が温度などにより変化することで測長値の誤差をもたらすことが知られている。この場合の屈折率の変化はＮ_ｔｐの変化であるため、複数のスペクトルで計測される位相φ_ｉから算出される光路長ＯＰＬ_ｉに対してフィッティングを行うことで分離することが可能である。具体的には式（１１）で表される残差を最小にするＤを求めればよい。

図７は、本実施形態における光路長と計測波長との関係図であり、計測される光路長ＯＰＬｉに対してフィッティングを行った結果を示している。図７を参照するに、「○」で表される離散的な光路長ＯＰＬｉの計測結果に対して、一点鎖線で表される式（８）を最適化近似することで、幾何学的距離Ｄ及びｎ_ｔｐＤを得ることができる。また、参照面６と被検面７との間の媒質の屈折率が必要な場合、光周波数毎の光路長の計測結果を参照面６と被検面７との間の幾何学的距離Ｄで除算することで屈折率を算出することができる。

以上の通り、本実施形態に依れば、干渉信号の位相をそれぞれのスペクトルで独立に計測することが可能である。したがって、本実施形態に依れば、被検面と参照面間の距離制約無く距離計測が可能であると共に、被検面と参照面間の屈折率変化の補正が可能な光波干渉計測装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ 多波長光源
５ 偏光ビームスプリッタ
６ 参照面
７ 被検面
８ 回折格子
９ａ 位相検出器
１０ 解析装置

Claims (6)

1. 複数の狭帯域なスペクトルを持つ多波長光源と、
   前記多波長光源からの光束を直交する２つの偏光に分離する偏光光学素子と、
   基準位置に設置されており、前記偏光光学素子からの第１の光束を反射する参照面と、
   被検物体に設置されており、前記偏光光学素子からの第２の光束を反射する被検面と、
   前記参照面で反射した前記第１の光束および前記被検面で反射した前記第２の光束のそれぞれを分光する分光光学素子と、
   分光された前記第１，第２の光束のスペクトル毎の干渉信号の位相を検出する複数の位相検出器と、
   前記複数の位相検出器からの信号に基づいて、前記多波長光源の合成波長の範囲で前記参照面と前記被検面との間の光路長差を算出する解析装置と、を備える
   ことを特徴とする光波干渉計測装置。
2. 前記位相検出器は、
   前記第１，第２の光束に複数の既知の位相差を付加する手段と、
   前記複数の既知の位相差が付加された前記第１，第２の光束の干渉信号を位相差毎に検出する複数の光量検出器と、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光波干渉計測装置。
3. 前記多波長光源は、広帯域なスペクトルを持つ白色光源と、前記白色光源からの光束を前記複数の狭帯域なスペクトルを持つ光束に変換する光学フィルタと、を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光波干渉計測装置。
4. 前記光学フィルタは、ファブリペローエタロンを含む
   ことを特徴とする請求項３に記載の光波干渉計測装置。
5. 前記多波長光源は、前記光学フィルタからの光束を増幅する光増幅器を有する
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の光波干渉計測装置。
6. 前記多波長光源は、均等な間隔の櫛歯状のスペクトルを持つ光周波数コム光源を含む
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光波干渉計測装置。