JP2010513937A - 正弦波位相シフト干渉法 - Google Patents
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Abstract
Description
幾つかの実施形態では、比較するステップは更に、fの偶数倍の周波数を有する少なくとも3つの異なる周波数成分に対応する重み付け強度の和を、fの奇数倍の周波数を有する少なくとも3つの異なる周波数成分に対応する重み付け強度の和と比較するステップを含む。
幾つかの実施形態では、少なくとも3つの異なる周波数成分は、fの2倍の周波数よりも高い周波数を有する少なくとも一つの周波数成分を含む。例えば、幾つかの実施形態では、少なくとも3つの異なる周波数成分の各周波数成分は、fの3倍の周波数よりも高い周波数を有する。
幾つかの実施形態では、誤差は加算的なランダムノイズを含む。
幾つかの実施形態では、誤差は加算的な同期性ノイズを含む。例えば、幾つかの実施形態では、加算的な同期性ノイズは、周波数ν”のノイズを含み、そして少なくとも3つの異なる周波数成分は、周波数ν”の成分を含まない。
幾つかの実施形態では、誤差は同期振動ノイズを含む。例えば、幾つかの実施形態では、同期振動ノイズは低周波数のノイズを含み、そして少なくとも3つの異なる周波数成分は、当該低周波数よりも高い周波数を有する。
幾つかの実施形態では、誤差は位相シフトタイミングオフセット誤差を含む。
概括すると、幾つかの実施形態では、記録するステップは、干渉信号をサンプルレートでサンプリングするステップを含む。例えば、幾つかの実施形態では、サンプルレートに対応するナイキスト周波数は、少なくとも3つの異なる周波数成分の各周波数成分の周波数よりも高い。別の例として、幾つかの実施形態では、サンプルレートに対応するナイキスト周波数は、fの3倍の周波数よりも高い。別の例として、幾つかの実施形態では、サンプルレートに対応するナイキスト周波数は、fの7倍の周波数よりも高い。
幾つかの実施形態では、導出するステップは、該当する第1の重みwj (1)を強度データg− jの各データに割り当てて、対応する第1の重み付け強度を設定するステップと、該当する第2の重みwj (2)を強度データg− jの各データに割り当てて、対応する第2の重み付け強度を設定するステップと、第2の重み付け強度の和に対する第1の重み付け強度の和の比を計算するステップと、そして光路長の差に関する情報を比に基づいて導出するステップと、を含む。幾つかのこのような実施形態では、該当する第1及び第2の重みを選択して誤差を補正するステップを含む。幾つかの実施形態では、タイミングオフセットは公称値φ=0に設定される。幾つかの実施形態では、ずれuは公称値に設定される。
幾つかの実施形態では、記録するステップは、各測定フレームが、j=0,1,2,...,7とした場合にα(tj)=jπ/4+π/8が成り立つような時刻tjに対応するN=8個の連続する測定フレーム対して、強度データg― jを取得するステップを含む。導出するステップは、第1光ビームの位相と第2光ビームの位相との位相差θの値を、次の数式:
幾つかの実施形態では、第1光ビームは表面に誘導され、そして位相シフト要素は、表面に接続されるトランスデューサである。
幾つかの実施形態では、位相シフト要素は電光変調器である。
幾つかの実施形態では、干渉計は動作中に、第1光ビームを第1表面に誘導し、第2光ビームを第2表面に誘導し、そして光干渉画像を合成光ビームに基づいて形成する。少なくとも一つの干渉信号はそれぞれ、干渉像の異なる位置に対応する。例えば、幾つかの実施形態では、情報は、これらの表面のうちの一つの表面の表面プロファイルを含む。
幾つかの実施形態では、fは50Hzよりも高い、1kHzよりも高い、または100kHzよりも高い。
幾つかの実施形態は更に、カメラシステムに接続され、かつカメラシステムからの時間積分フレームをデジタル情報に変換して引き続き処理するように構成される電子プロセッサを含む。幾つかの実施形態では、引き続き処理するステップは、正弦波位相シフトアルゴリズムを適用して、第1及び第2光ビームの光路長の差に関する情報を導出するステップを含む。幾つかの実施形態では、アルゴリズムで誤差を補正する。
別の態様では、幾つかの実施形態においては、一つの方法は、第1光ビームを第2光ビームと合成して光干渉パターンを形成するステップと;繰り返し周期を含む正弦波位相シフトを、第1光ビームの位相と第2光ビームの位相との間に付与するステップと;そして、これらの周期が繰り返されている間に、周期のうちの異なるサンプル位置に対応する時間積分画像フレームを個別に蓄積するステップと、を含む。
本明細書において使用される「光」及び「光学的」という用語は、可視電磁放射線のみを指すのではなく、紫外線領域、可視光領域、近赤外線領域、及び赤外線スペクトル領域のうちのいずれの領域の電磁放射線をも含む。
例えば、上の例において説明される16フレームアルゴリズムでは、式(60)及び式(61)によって課される制約によって、ρが1から、δuに含まれる2次以上の項の分だけずれることしかできない。従って、16フレームアルゴリズムで、正弦波位相シフト振幅の変化を十分補正することができる。
上述の干渉計システムを使用して測定対象物の種々の特徴を測定することができ、種々の特徴として、例えば表面プロファイル、表面形状、または薄膜構造を挙げることができる。一般的に、上述の手法を使用して、検査対象物の全ての特徴を測定することができ、当該特徴自体が干渉信号に現われる。或る実施形態では、上述の手法を使用して、例えば光学的に分解できないパターン、複雑な薄膜、種々の材料タイプなどを測定することができる。
尚、国際出願の英文明細書中にJISコードで表記できない箇所があったため、この翻訳文では代替表記を使用した。具体的には、g−,Nmult even及びNvib evenは、
Claims (105)
- 方法であって、
第1光ビームと少なくとも第2光ビームとを合成して合成光ビームを形成するステップと、
周波数fの正弦波位相シフトを、前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との間に付与するステップと、
前記正弦波位相シフトに応答して、前記合成光ビームの変調に基づいて少なくとも一つの干渉信号を記録するステップであって、前記干渉信号が少なくとも3つの異なる周波数成分を含む、前記記録するステップと、
前記干渉信号の前記少なくとも3つの異なる周波数成分の強度を比較することにより、各干渉信号に対して、前記第1及び第2光ビームの光路長の差に関する情報を導出するステップと、
前記情報を出力するステップと、
を備える方法。 - 前記比較するステップは:
前記少なくとも3つの異なる周波数成分の各周波数成分の強度に該当する重みを割り当て、対応する重み付け強度を設定するステップと、
前記重み付け強度を比較するステップと、
を含む、請求項1記載の方法。 - 前記少なくとも3つの異なる周波数成分の各周波数成分は、fの整数倍の周波数を有する、請求項2記載の方法。
- 前記比較するステップは更に:
fの偶数倍の前記少なくとも3つの異なる周波数成分に対応する前記重み付け強度の和と、fの奇数倍の前記少なくとも3つの異なる周波数成分に対応する前記重み付け強度の和とと比較するステップを含む、請求項3記載の方法。 - 前記該当する重みは、前記少なくとも3つの異なる周波数成分のうちの第1周波数成分の強度に対する誤差の影響が、前記少なくとも3つの異なる周波数成分のうちの第2周波数成分の強度に対する誤差の影響によって打ち消されるように選択される、請求項4記載の方法。
- 前記第1及び第2周波数成分の周波数は、fの同じ偶奇数倍である、請求項5記載の方法。
- 前記少なくとも3つの異なる周波数成分は、fの2倍よりも高い周波数を有する少なくとも一つの周波数成分を含む、請求項2記載の方法。
- 前記少なくとも3つの異なる周波数成分の各周波数成分は、fの3倍よりも高い周波数を有する、請求項3記載の方法。
- 前記該当する重みは、誤差を補正するように選択される、請求項3記載の方法。
- 前記該当する重みは、第1周波数成分に対応する前記重み付け強度に対する前記誤差の影響が、第2周波数成分に対応する前記重み付け強度に対する前記誤差の影響によって打ち消されるように選択される、請求項9記載の方法。
- 前記誤差は、公称値からの前記正弦波位相シフトのずれの変化を含む、請求項9記載の方法。
- 前記誤差は加算的なランダムノイズを含む、請求項9記載の方法。
- 前記誤差は加算的な同期性ノイズを含む、請求項9記載の方法。
- 前記加算的な同期性ノイズは、周波数ν”のノイズを含み、前記少なくとも3つの異なる周波数成分は、周波数ν”の成分を含まない、請求項13記載の方法。
- 前記誤差は乗算的な同期性ノイズを含む、請求項9記載の方法。
- 前記誤差は同期振動ノイズを含む、請求項9記載の方法。
- 前記同期振動ノイズは低周波数のノイズを含み、前記少なくとも3つの異なる周波数成分は、前記低周波数よりも高い周波数を有する、請求項16記載の方法。
- 前記誤差は位相シフトの非線形性を含む、請求項9記載の方法。
- 前記非線形性は2次の非線形性を含み、前記少なくとも3つの周波数成分は、2fに等しい周波数の周波数成分を含まない、請求項18記載の方法。
- 前記誤差は位相シフト校正誤差を含む、請求項9記載の方法。
- 前記誤差は位相シフトタイミングオフセット誤差を含む、請求項9記載の方法。
- 前記記録するステップは、前記干渉信号をサンプルレートでサンプリングするステップを含む、請求項1記載の方法。
- 前記サンプルレートに対応するナイキスト周波数は、前記少なくとも3つの異なる周波数成分の各周波数成分の周波数よりも高い、請求項22記載の方法。
- 前記サンプルレートに対応する前記ナイキスト周波数は、fの3倍の周波数よりも高い、請求項22記載の方法。
- 前記サンプルレートに対応する前記ナイキスト周波数は、fの7倍の周波数よりも高い、請求項22記載の方法。
- 前記位相シフトに応答して記録される前記干渉信号が、fの3つの異なる整数倍の周波数の周波数成分を含むように、正弦波位相シフトずれuを十分大きく設定するステップを含む、請求項26記載の方法。
- 前記位相シフトに応答して記録される前記干渉信号が、fの最初の6つの整数倍の周波数の周波数成分を含むように、正弦波位相シフトずれuを非常に大きく設定するステップを含む、請求項26記載の方法。
- u>π/2ラジアンで表わされる関係がある、請求項26記載の方法。
- 該当する前記第1及び第2の重みを選択して誤差を補正するステップを含む、請求項32記載の方法。
- 前記タイミングオフセットは公称値φ=0に設定される、請求項33記載の方法。
- 前記ずれuは公称値に設定される、請求項34記載の方法。
- 前記誤差は、前記公称値からの前記正弦波位相シフトのずれの変化を含む、請求項37記載の方法。
- 前記サンプリングベクトルhodd,hevenは、前記正規化係数の比が、前記公称値からのずれの変化に応答して安定したままであるように選択される、請求項38記載の方法。
- 前記誤差は加算的なランダムノイズを含む、請求項37記載の方法。
- 前記加算的なランダムノイズは平均ノイズを含む、請求項40記載の方法。
- 前記加算的なランダムノイズは二乗平均平方根ノイズを含む、請求項40記載の方法。
- 前記誤差は加算的な同期性ノイズを含む、請求項37記載の方法。
- 前記誤差は乗算的な同期性ノイズを含む、請求項37記載の方法。
- 前記乗算的な同期性ノイズは、周波数ν”のノイズを含み、前記サンプリングベクトルhodd,hevenは、周波数ν”のノイズに対する前記導出された情報の予測感度を、前記干渉信号のモデルに基づいて最小にするように選択される、請求項47記載の方法。
- 共通光源がレーザダイオードを含み、
正弦波位相シフトを付与する前記ステップは、前記ダイオードレーザ光源の波長を正弦関数的に変化させるステップを含み;
前記乗算的な同期性ノイズはダイオードレーザ強度ノイズである、請求項49記載の方法。 - 前記誤差は同期振動ノイズを含む、請求項37記載の方法。
- 前記同期振動ノイズは、周波数ν”のノイズを含み、前記サンプリングベクトルhodd,hevenは、周波数ν”のノイズに対する前記導出された情報の予測感度を、前記干渉信号のモデルに基づいて最小にするように選択される、請求項51記載の方法。
- 前記誤差は、前記正弦波位相シフトの非線形性を含む、請求項37記載の方法。
- 前記誤差は位相シフトタイミングオフセット誤差を含む、請求項37記載の方法。
- 前記導出するステップは、前記比の逆正接を計算するステップを含む、請求項32記載の方法。
- 前記正弦波位相シフトずれuは、2.93ラジアンの公称値に設定され、前記タイミングオフセットφは、0の公称値に設定される、請求項58記載の方法。
- 前記正弦波位相シフトずれuは、5.9ラジアンの公称値に設定され、前記タイミングオフセットφは、0の公称値に設定される、請求項60記載の方法。
- 前記比較するステップは:
少なくとも3つの周波数の各周波数の前記干渉信号の周波数変換を計算するステップと;
前記計算されるこれらの周波数変換の絶対値を比較して、前記第1及び第2光ビームの光路長の差に関する情報を導出するステップと、
を含む、請求項1記載の方法。 - 前記少なくとも3つの周波数は、前記正弦波位相シフト周波数の整数倍である、請求項62記載の方法。
- 更に:
1つ以上の前記計算された周波数変換の位相を抽出し、前記抽出された位相に基づいて別の情報を導出するステップを含む、請求項63記載の方法。 - 前記別の情報は、前記正弦波位相シフトのずれの値である、請求項64記載の方法。
- 前記別の情報は、タイミングオフセットの値である、請求項64記載の方法。
- 前記周波数変換はフーリェ変換である、請求項62記載の方法。
- 前記周波数変換は高速フーリェ変換である、請求項62記載の方法。
- 前記周波数変換は離散余弦変換である、請求項62記載の方法。
- 前記高速フーリェ変換のナイキスト周波数はfの3倍の周波数よりも高い、請求項68記載の方法。
- 前記離散余弦変換のナイキスト周波数はfの3倍の周波数よりも高い、請求項69記載の方法。
- 前記合成するステップは、
前記第1光ビームを第1表面に誘導し、前記第2光ビームを第2表面に誘導し、光干渉画像を前記合成光ビームから形成するステップと
を含み、前記少なくとも一つの干渉信号はそれぞれ、前記干渉像の異なる位置に対応する、請求項1記載の方法。 - 前記情報は、前記表面のうちの一つの表面の表面プロファイルを含む、請求項72記載の方法。
- システムであって、
動作中に、共通光源から導かれる第1光ビームと第2光ビームとを合成して合成光ビームを形成する、干渉計と、
動作中に、前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との間に正弦波位相シフトを付与する、位相シフト要素と、
前記合成光ビームを検出し、位相シフトに応答して、前記合成光ビームの変調に基づき少なくとも一つの干渉信号を供給するように配置される、光検出器と、
前記位相シフト要素及び前記光検出器に接続される電子コントローラと
を備え、前記コントローラは、前記第1及び第2光ビームの光路長の差に関する情報を、前記干渉信号の少なくとも3つの周波数成分の強度を比較することにより導出するように構成される、システム。 - 前記干渉計はフィゾー干渉計である、請求項74記載のシステム。
- 前記干渉計は非等光路長干渉計であり、前記位相シフト要素は、前記光ビームのうちの少なくとも一つの光ビームの波長を変化させるように構成される、請求項74記載のシステム。
- 前記位相シフト要素は、波長調整可能なダイオードレーザである、請求項76記載のシステム。
- 前記第1光ビームは表面に誘導され、前記位相シフト要素は、前記表面に接続されるトランスデューサである、請求項74記載のシステム。
- 前記位相シフト要素は音響−光学変調器である、請求項74記載のシステム。
- 前記位相シフト要素は電光変調器である、請求項74記載のシステム。
- 前記干渉計は動作中に、前記第1光ビームを第1表面に誘導し、前記第2光ビームを第2表面に誘導し、前記合成光ビームから光干渉画像を形成し、 前記少なくとも一つの干渉信号はそれぞれ、前記干渉像の異なる位置に対応する、請求項74記載のシステム。
- 前記情報は、前記表面のうちの一つの表面の表面プロファイルを含む、請求項81記載のシステム。
- 方法であって、
共通光源から導かれる第1光ビームと第2光ビームとを合成して合成光ビームを形成するステップと、
前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との間の正弦波位相シフトであって、周波数fを有し、少なくとも2つの連続する周期を含む前記正弦波位相シフトを付与するステップと、
前記第1光ビーム及び第2光ビームの光路長の差に関する情報を、前記位相シフトに応答して生成される干渉信号に基づき、少なくとも2つの周期の期間中に導出するステップと、
前記情報を出力するステップと
を備える方法。 - 前記情報の導出は、前記干渉信号の4つよりも多くの強度値に基づいて、前記正弦波位相シフトの各周期の期間中に行なわれる、請求項83記載の方法。
- fは50Hzよりも高い、請求項83記載の方法。
- fは1kHzよりも高い、請求項83記載の方法。
- fは100kHzよりも高い、請求項83記載の方法。
- 装置であって、
第1光ビームを第2光ビームと合成して光干渉パターンを形成するように構成される干渉計システムであって、前記干渉計が、周波数fを有し、かつ繰り返し周期を含む正弦波位相シフトを、前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との間に付与するように構成される変調器を含む、前記干渉計システムと、
前記光干渉パターンを測定するように配置されるカメラシステムと
を備え、前記カメラシステムは、前記周期が繰り返されている間に、前記周期のうちの異なるサンプル位置に対応する時間積分画像フレームを個別に蓄積するように構成される、装置。 - 前記周期のうちの異なる部分は、
i=0,1,...,N−1とした場合に前記周期の中点に対して対称に配置されるN個のサンプル位置piを含み;そして
前記個別に蓄積されるフレームは、i=0,1,...,(N−1)/2とした場合にN/2個のフレームfiを含み、
フレームfiはサンプル位置pi及びpN−1−iに対応する、請求項88記載の装置。 - fは10kHzよりも高い、請求項88記載の装置。
- fは100kHzよりも高い、請求項88記載の装置。
- fは250kHzよりも高い、請求項88記載の装置。
- fは1MHzよりも高い、請求項88記載の装置。
- 更に、前記カメラシステムに接続され、前記カメラシステムからの前記時間積分フレームをデジタル情報に変換して引き続き処理するように構成される電子プロセッサを備える、請求項88記載の装置。
- 前記引き続き処理するステップは、正弦波位相シフトアルゴリズムを適用して、前記第1及び第2光ビームの光路長の差に関する情報を導出するステップを含む、請求項94記載の装置。
- 前記アルゴリズムで誤差を補正する、請求項94記載の装置。
- 前記カメラシステムは、前記時間積分画像フレームを前記電子プロセッサに、1kHzよりも低いレートで送信するように構成される、請求項88記載の装置。
- 方法であって、
第1光ビームを第2光ビームと合成して光干渉パターンを形成するステップと、
繰り返し周期を含む正弦波位相シフトを、前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との間に付与するステップと、
前記周期が繰り返されている間に、前記周期のうちの異なるサンプル位置に対応する時間積分画像フレームを個別に蓄積するステップと
を備える方法。 - 周期のうちの異なる部分は、i=0,1,...,N−1とした場合に前記周期の中点に対して対称に配置されるN個のサンプル位置piを含み、
前記個別に蓄積されるフレームは、i=0,1,...,(N−1)/2とした場合にN/2個のフレームfiを含み、
フレームfiはサンプル位置pi及びpN−1−iに対応する、
請求項97記載の方法。 - 方法であって、
共通光源から導かれる第1光ビーム及び第2光ビームを合成して合成光ビームを形成するステップと、
周波数fの正弦波位相シフトを、前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との間に付与するステップと、
前記正弦波位相シフトの一つの周期の期間中に、j=0,1,2,3とした場合にα(tj)=jπ/2が成り立つような時刻tjに対応するN=4個の連続する測定フレームに対して、強度データ
前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との位相差θを、式
前記位相差に関する情報を出力するステップと
を備える方法。 - 前記正弦波位相シフトずれは、2.45ラジアンの公称値に設定され、前記正弦波位相オフセットと前記強度値の取得との間のタイミングオフセットは、0ラジアンの公称値に設定される、請求項100記載の方法。
- 方法であって、
共通光源から導かれる第1光ビーム及び第2光ビームを合成して合成光ビームを形成するステップと、
周波数fの正弦波位相シフトを、前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との間に付与するステップと、
前記正弦波位相シフトの一つの周期の期間中に、j=0,1,2,...,7とした場合にα(tj)=jπ/4+π/8が成り立つような時刻tjに対応するN=8個の連続する測定フレームに対して、強度データ
前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との位相差θを、次の式
前記位相差に関する情報を出力するステップと、
を備える方法。 - 前記正弦波位相シフトずれuは、2.93ラジアンの公称値に設定され、前記正弦波位相シフトと前記強度値の取得との間のタイミングオフセットは、0ラジアンの公称値に設定される、請求項102記載の方法。
- 方法であって、
共通光源から導かれる第1光ビーム及び第2光ビームを合成して合成光ビームを形成するステップと、
周波数fの正弦波位相シフトを、前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との間に付与するステップと、
前記正弦波位相シフトの一つの周期の間に、各測定フレームが、j=0,1,2,...,7とした場合にα(tj)=jπ/8+π/16が成り立つような時刻tjに対応する、N=16個の連続する測定フレームに対して、強度データ
前記第1光ビームの位相と前記第2光ビームの位相との位相差θを、次式、
前記位相差に関する情報を出力するステップと
を備える方法。 - 前記正弦波位相シフトずれは、5.9ラジアンの公称値に設定され、前記正弦波位相シフトと強度値の取得との間のタイミングオフセットは、0ラジアンの公称値に設定される、請求項104記載の方法。
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