JP2013257302A - Heterodyne interference device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はヘテロダイン干渉法を原理として、サブミクロンメートル領域のサンプルの3次元高さ形状を測定するヘテロダイン干渉装置の構成に関する。 The present invention relates to a configuration of a heterodyne interferometer for measuring a three-dimensional height shape of a sample in a submicrometer region based on the principle of heterodyne interferometry.
近年、生物や工業などの多くの分野で波長領域、あるいは波長以下の微細な高さ形状を測定するニーズが高まり、干渉計を用いた計測が多く行われている。通常用いられる干渉計は同じ光周波数を有する物体光と参照光の2つの光波を干渉させ、得られた干渉縞の強度分布から位相分布を算出している。この干渉縞は時間的には静止しており、静止画像を検出することになる。同じ周波数の光を干渉させる意味でホモダイン干渉法と称されるが、一般的には干渉縞の強度から位相を算出する場合の精度は波長の数10分の1程度しかなく、数10ナノメートル領域の高さ分布を測定することは困難であった。 In recent years, in many fields such as living organisms and industry, there is a growing need for measuring a minute height shape in the wavelength region or below the wavelength, and many measurements using an interferometer are performed. A commonly used interferometer causes two light waves of object light and reference light having the same optical frequency to interfere with each other, and calculates a phase distribution from the intensity distribution of the obtained interference fringes. This interference fringe is stationary in time, and a still image is detected. It is called homodyne interferometry in the sense of causing light of the same frequency to interfere, but generally the accuracy when calculating the phase from the intensity of the interference fringes is only a few tenths of the wavelength, and several tens of nanometers It was difficult to measure the height distribution of the region.
上記のホモダイン干渉に対して、更なる高精度な測定ができる干渉計測、すなわち、周波数の異なる2つの光波を干渉させるヘテロダイン干渉法も良く知られている。図6に従来のヘテロダイン干渉法の原理構成図を示して動作を説明する。レーザ光源61から出射したレーザ光はビームスプリッター(BS)611で2方向に分けられ、BS611を透過したレーザ光612は高さ形状が測定されるサンプル62に照射される。サンプル62で反射されたレーザ光は物体光613となる。BS611で反射された他方のレーザ光614は周波数シフター63に入射し、レーザ光の周波数が変換される。64は周波数シフター駆動信号部で、周波数シフター63を駆動して、周波数のシフト量を設定する。周波数が変換されたレーザ光615は参照光となる。ここで、周波数シフター63には音響光学素子が多く用いられており、周波数のシフト量は数10MHzから数100KHzが一般的である。 Interferometry that enables higher-accuracy measurement with respect to the above homodyne interference, that is, heterodyne interferometry in which two light waves having different frequencies interfere with each other is well known. FIG. 6 shows the principle configuration of the conventional heterodyne interferometry, and the operation will be described. The laser light emitted from the
レーザ光源61から発せられるレーザ光の周波数をf0とし、物体光613の周波数はf0、参照光615の周波数はf1とする。すなわち、ヘテロダイン干渉では物体光613と参照光615の周波数を異なる値に設定することが必要である。物体光613と参照光615をフォトダイオードなどから成る光電変換部65に入射させると、干渉が生じて光電変換された信号が生じる。この信号がビート信号616で、周波数f0とf1の差の周波数f0−f1を持つ。この差の周波数は、低い場合で数100KHzの領域で、光領域の周波数が有する位相などの情報がビート周波数の領域の低周波数で検出することができる。このビート周波数は周波数シフター駆動信号部64からの信号周波数に依存して決まる。 The frequency of the laser light emitted from the
ビート信号616の位相はサンプル62の高さに応じて変化するため、位相の検出が重要である。しかし、単独のビート信号だけからは位相が検出できない。そこで、比較信号器66を用いることが必要で、ビート信号616と同一の周波数の比較信号617を発する。なお、比較信号617の位相は一定である。位相比較器67はビート信号616と比較信号617の位相を比較し、サンプル62の高さに応じて変化する物体光613の位相変化を検出する。形状算出部68は検出された位相からサンプルの高さを算出する。このように従来のヘテロダイン干渉計ではビート周波数の周波数が数100KHz以上と高いため、画像としての計測ができず、二つの電気信号間の位相を検出する構成である。 Since the phase of the
図7(a)にヘテロダイン干渉装置の具体的な構成例を示す。レーザ光源70を出たレーザ光700は光学系71に入射する。レーザ光700の周波数はf0である。光学系71はレーザ光の周波数を変換する周波数シフターとして音響光学素子(以下AODと略記)72を含む。AOD72はAOD制御回路720により駆動され、周波数が異なる2本に分離した2ビーム光を発生する。2ビーム光の各々の周波数はf1とf2である。2ビーム光はビームスプリッター725で2つの方向に分割され、ビームスプリッター725で反射した2ビーム光は参照光73として75の受光器1で光電変換されて参照信号752を発生する。ビームスプリッター725を透過した2ビーム光は対物レンズ727を介してサンプル62に照射されて反射し、さらにビームスプリッター725で反射して物体光74として76の受光器2で光電変換されて物体光信号762を発生する。なお、物体光74と参照光73の各々は周波数の異なる2ビーム光である。 FIG. 7A shows a specific configuration example of the heterodyne interference apparatus.
参照光信号752と物体光信号762は同じ周波数で2ビーム光の差の周波数f1−f2を有するビート信号である。参照光信号752の位相φrは一定であるが、物体光信号762の位相φsはサンプル62の高さ形状に応じて変化する。位相差検出部77は物体光信号762と参照光信号752の位相差φs−φrを比較して位相φs検出する。データ処理部78は検出された位相差からサンプルの高さ情報を算出する。 The
図7(b)に参照光信号752と物体光信号762を示して位相比較動作を説明する。二つの信号の周波数は共にf1−f2であり、いずれも2ビーム光が干渉して得られたビート信号である。参照光信号752はサンプル情報を含まないため、位相は一定である。物体光74はサンプルの高さに応じて位相が変化するため、物体光信号762は位相が変化する。参照光信号752の位相を0に設定したとき、検出した位相差が物体光の位相に相当する。位相φと高さの関係は、レーザ光の波長をλとしたとき、位相の1度は反射光検出の場合はλ/720となり、透過光検出の場合はλ/360となる。波長が633nmのHe−Neレーザの場合の位相の1度は反射の場合で0.88nm、透過の場合で1.8nmとなる。以上のことから、ヘテロダイン干渉の場合は従来のホモダイン干渉と比較して数10倍以上の高感度な高さ形状が測定できることになる The phase comparison operation will be described with
図7に示した従来のヘテロダイン干渉装置はAOD72から2ビーム光を発生させる構成である。図8(a)にAOD72から2ビーム光を発生させる場合、AOD72を駆動する信号系を示して動作を説明する。発振周波数faを発する発振器82と、発振周波数fmを発する発振器83に対して振幅変調部84で二つの信号間の振幅変調を行い、2周波数成分のfa±fmを有する信号でAOD72を駆動する。AOD72に入射したレーザ光700は回折と周波数シフトを受けて、異なる方向に進行する2ビーム光85と86に分離する。この分離の大きさθmは周波数fmに比例し、回折される角度θaは周波数faに比例する。また、2ビーム光85と86の間の周波数の差は2fmで、その2つの光波が干渉したとき、周波数が2fmのビート信号が得られる。通常のAODの駆動周波数はfaが40MHz、fmが200KHz程度である。したがって、ビート信号の周波数は400KHz程度である。 The conventional heterodyne interferometer shown in FIG. 7 is configured to generate two beams of light from the
図8(b)に3次元形状が測定されるサンプルに2ビーム光を照射した様子を示す。2ビーム光の強度分布は850と860に示すように、ピーク強度間の距離が各ビームスポット径程度に分離した状態で用いることが多い。このような状態はビート周波数が数100KHz程度の場合である。微小なスポット径に集光した2ビーム光850と860が照射された2点間にΔhの高さの差があれば、2ビーム光の間に光路長の差が生じ、それがビート信号の位相の変化として検出される。したがって、図7に示したヘテロダイン干渉装置はサンプルに照射された2ビーム光の間の位相の変化を検出する差動型の構成であって、ポイント計測法である。本技術の詳細は本願発明者により、技術文献、「光学」第21巻 第5号(1992)pp327〜 pp332に詳細に述べられている。 FIG. 8B shows a state in which the two-beam light is irradiated on the sample whose three-dimensional shape is to be measured. As shown by 850 and 860, the intensity distribution of the two-beam light is often used in a state where the distance between the peak intensities is separated to about the diameter of each beam spot. Such a state is when the beat frequency is about several hundreds KHz. If there is a difference in height of Δh between the two points irradiated with the two-
従来のヘテロダイン干渉装置は、周波数の異なる接近した2本の光波をサンプルに照射し、そのスポット光が照射された2点間の光路差を位相に変換して高さ形状を測定する差動型構成である。すなわち、ポイント計測である。そのため、広がりをもつサンプルの場合、2ビーム光を2次元面内で走査する必要がある。2次元走査するには走査を行わせる2次元走査光学系を付加する必要があり、そのために光学装置が複雑、大型化する問題点がある。また、サンプルを機械的に2次元移動させる場合は、測定時間が長くなるという問題点もある。 A conventional heterodyne interferometer is a differential type that irradiates a sample with two light waves that are close to each other at different frequencies, converts the optical path difference between the two points irradiated with the spot light into a phase, and measures the height shape. It is a configuration. That is, point measurement. Therefore, in the case of a spread sample, it is necessary to scan two-beam light in a two-dimensional plane. In order to perform two-dimensional scanning, it is necessary to add a two-dimensional scanning optical system for performing scanning, which causes a problem that the optical apparatus is complicated and large. In addition, when the sample is mechanically moved two-dimensionally, there is a problem that the measurement time becomes long.
さらには、ビート信号に着目すると、ビート信号の周波数が200KHz程度以上ということも問題である。ヘテロダイン光学装置をポイント計測から面計測へと機能アップを計る場合、例えばCCDカメラなどでビート画像を検出する必要がある。そのためには、CCDカメラの応答周波数帯、例えば50Hz程度、のビート画像であることが必要になる。したがって、AODから発せられるビート信号の周波数を現状の1000分の1以下の低周波数に設定する必要がある。上記の諸課題を解決するため、本発明はビート信号の低周波数化、例えば100Hz以下を実現し、通常のCCDカメラなどを用いた面計測が可能なヘテロダイン干渉光学装置を実現することで、計測時間が短く、計測精度が高い高さ形状測定を実現することを目的とする。 Furthermore, when focusing on the beat signal, it is also a problem that the frequency of the beat signal is about 200 KHz or more. In order to increase the function of the heterodyne optical device from point measurement to surface measurement, it is necessary to detect a beat image with a CCD camera, for example. For this purpose, it is necessary to have a beat image in the response frequency band of the CCD camera, for example, about 50 Hz. Therefore, it is necessary to set the frequency of the beat signal generated from the AOD to a low frequency that is less than 1/1000 of the current frequency. In order to solve the above-mentioned problems, the present invention realizes a heterodyne interferometric optical device that realizes a low-frequency beat signal, for example, 100 Hz or less, and that can perform surface measurement using a normal CCD camera or the like. The object is to realize height shape measurement with short time and high measurement accuracy.
上記の目的を達成するために、本発明のうちの請求項1に記載のヘテロダイン干渉装置は、レーザ光源から発せられるレーザ光を該レーザ光の周波数を変換する第1の音響光学素子と第2の音響光学素子に入射すると共に前記第1と第2の音響光学素子を音響光学素子駆動部から出力される異なる周波数の信号で駆動して、前記第1と第2の音響光学素子の各々から周波数が異なる物体光と参照光の二つの光波を作成し、第1の周波数を有する物体光は高さ形状が測定されるサンプルに照射して反射あるいは透過させ、第2の周波数を有する参照光と前記物体光を干渉させて前記物体光と参照光の周波数の差の周波数を有して干渉光強度が時間的に正弦波状に変化する2次元広がりを有するビート画像を作成するヘテロダイン干渉光学系と、前記ビート画像の周波数近傍の周波数帯域で応答して前記ビート画像を検出するカメラから成る画像検出部と、前記ビート画像の1周期の期間内の定められたタイミングに同期して前記ビート画像を複数枚検出するように画像検出動作を制御する画像検出制御部と、前記検出された複数枚の画像間の強度を演算して前記ビート画像の位相を算出する画像処理部と、該画像処理部で得られた位相から前記物体の高さ形状を算出する形状算出部とから構成される。 In order to achieve the above object, a heterodyne interferometer according to claim 1 of the present invention includes a first acoustooptic device that converts a laser beam emitted from a laser light source into a frequency of the laser beam, and a second one. The first and second acoustooptic elements are driven by signals of different frequencies output from the acoustooptic element driving unit and are incident on the acoustooptic elements of the first and second acoustooptic elements. Two light waves of object light and reference light having different frequencies are created, and the object light having the first frequency is reflected or transmitted by irradiating the sample whose height shape is to be measured, and the reference light having the second frequency. Heterodyne interference optical system that creates a beat image having a two-dimensional spread in which the interference light intensity changes in a sine wave form with respect to time having a frequency that is a difference between the object light and the reference light. When, An image detection unit comprising a camera that detects the beat image in response to a frequency band near the frequency of the beat image, and a plurality of the beat images in synchronization with a predetermined timing within a period of the beat image An image detection control unit that controls an image detection operation so as to detect sheets, an image processing unit that calculates the intensity of the detected images and calculates the phase of the beat image, and the image processing unit And a shape calculating unit that calculates the height shape of the object from the obtained phase.
また、請求項2に記載の発明は請求項1に記載のヘテロダイン干渉装置に関わり、前記ヘテロダイン干渉光学系で作成される前記の物体光と参照光の光波の各々は共に周波数が異なる2つに分離して進行する2ビーム光から構成され、前記物体光と参照光の各々は前記2ビーム光を構成する各光波が実質的に重ね合わせられた状態で進行して前記2ビーム光の差の周波数を有するビート光波を発生する状態であり、前記物体光と参照光を干渉させて前記のビート画像を作成するように構成される。また、請求項3に記載の発明は請求項1に記載のヘテロダイン干渉装置に関わり、前記画像検出制御部は前記ビート画像の1周期を3、あるいは4分割したタイミングを設定し、該タイミングに応じて前記画像検出部で3、あるいは4枚のビート画像を検出するように構成される。 The invention according to claim 2 relates to the heterodyne interference device according to claim 1, wherein each of the object light and the reference light light waves generated by the heterodyne interference optical system has two different frequencies. Each of the object light and the reference light travels in a state in which the light waves constituting the two-beam light are substantially overlapped, and the difference between the two-beam lights. A beat light wave having a frequency is generated, and the beat image is generated by causing the object light and the reference light to interfere with each other. The invention described in claim 3 relates to the heterodyne interferometer according to claim 1, wherein the image detection control unit sets a timing obtained by dividing one cycle of the beat image into three or four, and according to the timing. The image detection unit is configured to detect 3 or 4 beat images.
本発明によるヘテロダイン干渉装置は、市販されているレベルのCCDカメラで2次元のビート画像を検出して高さ形状を含めた3次元形状を測定する装置である。従来のヘテロダイン干渉装置はビート画像信号の周波数が数100KHz程度以上であるため、面計測が不可能であった。そのため、広がりのあるサンプルを計測する場合、測定時間が長くなるという問題があったが、本発明で面計測が可能となり、測定時間が大幅に短縮されるという効果がある。さらには、検出されたビート画像に対して、時間的位相シフト法を採用して複数の画像の強度を演算して位相情報を算出するため、レーザ光の強度変動などの影響を受けなで正確な位相検出が可能で、3次元計測精度が大幅に向上するという効果もある。上記の低周波数のビート画像の作成に対しては、2個の音響光学素子を用い、2組のビート光波を作成し、ビート光波どうしを干渉させてビート画像を得る構成である。このビート画像の周波数は音響光学素子を駆動する信号の周波数で容易に変えることが可能なため、使用するCCDカメラの応答速度に合わせて自在に設定することができ、調整が簡略できるという効果がある。 The heterodyne interferometer according to the present invention is a device for measuring a three-dimensional shape including a height shape by detecting a two-dimensional beat image with a commercially available CCD camera. The conventional heterodyne interferometer cannot measure the surface because the frequency of the beat image signal is about several hundreds KHz or more. Therefore, when measuring a wide sample, there is a problem that the measurement time becomes long. However, the present invention has an effect that the surface measurement is possible and the measurement time is greatly shortened. Furthermore, since the phase information is calculated by calculating the intensity of multiple images using the temporal phase shift method for the detected beat image, it is accurate without being affected by fluctuations in the intensity of the laser beam. Phase detection is possible, and the three-dimensional measurement accuracy is greatly improved. For the creation of the low-frequency beat image, two acousto-optic elements are used to create two sets of beat light waves, and the beat light waves interfere with each other to obtain a beat image. Since the frequency of the beat image can be easily changed by the frequency of the signal for driving the acousto-optic device, it can be freely set according to the response speed of the CCD camera used, and the adjustment can be simplified. is there.
本発明によるヘテロダイン干渉装置は、微少なスポットに集光したレーザ光が照射されたポイント位置の計測を面の計測にまで拡大すると共に、その画像を通常のカメラ、例えばCCDカメラ、で計測可能にする構成である。ヘテロダイン干渉には周波数の異なる二つの光波を干渉させる必要がある。周波数の異なる二つの光波を作成するために2個の音響光学素子(AOD)を用いる。AODは駆動周波数に応じてレーザ光の周波数をシフトさせる働きがあり、二つのAODを異なる周波数で駆動して、レーザ光源から放射されるレーザ光(周波数f0)とは周波数が異なり、周波数f1とf2を有する二光波を作成する。 The heterodyne interferometer according to the present invention expands the measurement of the point position irradiated with the laser beam focused on a minute spot to the measurement of the surface, and can measure the image with a normal camera, for example, a CCD camera. It is the structure to do. For heterodyne interference, it is necessary to cause two light waves having different frequencies to interfere with each other. Two acousto-optic elements (AOD) are used to create two light waves with different frequencies. The AOD has a function of shifting the frequency of the laser light in accordance with the driving frequency. The two AODs are driven at different frequencies, and the frequency is different from the laser light (frequency f0) emitted from the laser light source. Create two light waves with f2.
周波数がf1の光はサンプルに照射し、サンプルで反射、あるいは透過した光を物体光とする。周波数がf2の光はサンプルには照射しないで参照光となし、物体光と参照光を干渉させる。物体光と参照光は周波数が異なるため、干渉することにより、差の周波数(f1−f2=f3)で強度が正弦的に変化するビート画像が得られる。このビート画像は2次元的な広がりを持っており、その全体をCCDなどのカメラで検出する。現在市販されているCCDカメラの周波数応答は100Hz程度であるため、2次元のビート画像を検出するためには、ビート画像の周波数が100Hz以下であることが必要である。100Hz以下のビート周波数を得るためには、AODの駆動周波数差を100Hz以下にする必要があるが、通常のAODは50MHz程度の周波数で駆動しているため、50MHzの周波数領域で100Hzほどの差を付けることは困難である。そのため、本発明ではAODを2周波数成分の信号で駆動する。 Light having a frequency of f1 is applied to the sample, and light reflected or transmitted by the sample is used as object light. The light with the frequency f2 is not irradiated on the sample, but is used as reference light, causing object light and reference light to interfere with each other. Since the object light and the reference light have different frequencies, a beat image in which the intensity changes sinusoidally at the difference frequency (f1-f2 = f3) is obtained by interference. This beat image has a two-dimensional spread, and the whole is detected by a camera such as a CCD. Since the frequency response of a commercially available CCD camera is about 100 Hz, the frequency of the beat image needs to be 100 Hz or less in order to detect a two-dimensional beat image. In order to obtain a beat frequency of 100 Hz or less, the AOD drive frequency difference needs to be 100 Hz or less, but since a normal AOD is driven at a frequency of about 50 MHz, a difference of about 100 Hz in the 50 MHz frequency region. It is difficult to put on. Therefore, in the present invention, the AOD is driven with a signal of two frequency components.
第1のAOD(AOD1)をfa±f1の2周波数成分の信号で駆動すると、AOD1からは光周波数がf0+fa+f1とf0+fa−f1の2ビーム光が得られる。第2のAOD(AOD2)をfa±f2の2周波数成分の信号で駆動すると、AOD2からは光周波数がf0+fa+f2とf0+fa−f2の2ビーム光が作成される。これらの2組の2ビーム光はわずかに分離しているが、実質的には重なり合って進行する。そのため、物体光としての2ビーム光と参照光としての2ビーム光は干渉してビート周波数が2f1と2f2のビート信号を発する。これらの2組のビート光波を干渉させたビート画像の周波数は2(f1−f2)である。 When the first AOD (AOD1) is driven with a signal of two frequency components of fa ± f1, two-beam light with optical frequencies of f0 + fa + f1 and f0 + fa−f1 is obtained from AOD1. When the second AOD (AOD2) is driven with a signal of two frequency components of fa ± f2, two-beam light having optical frequencies of f0 + fa + f2 and f0 + fa−f2 is generated from the AOD2. These two sets of two-beam light are slightly separated, but substantially overlap and proceed. Therefore, the two-beam light as the object light and the two-beam light as the reference light interfere with each other to generate beat signals with beat frequencies 2f1 and 2f2. The frequency of the beat image obtained by causing these two sets of beat light waves to interfere is 2 (f1-f2).
周波数faを50MHzとしたとき、周波数f1を5KHz、周波数f2を5KHz+50Hzに設定すれば、ビート画像の周波数は100Hzとなる。高い周波数faに50Hzの差を付けるのは困難であるが、低い周波数f1、f2に50Hzの差を付けるのは容易である。このような2周波数成分の信号でAODを駆動して2組のビート信号どうしを干渉させることで、各ビート信号の有する周波数領域よりも低い周波数(100Hz以下)を有するビート画像に設定でき、2次元画像を検出するヘテロダイン干渉が実現できる。 When the frequency fa is 50 MHz, if the frequency f1 is set to 5 KHz and the frequency f2 is set to 5 KHz + 50 Hz, the frequency of the beat image is 100 Hz. It is difficult to give a difference of 50 Hz to the high frequency fa, but it is easy to add a difference of 50 Hz to the low frequencies f1 and f2. By driving the AOD with such two frequency component signals and causing the two sets of beat signals to interfere with each other, a beat image having a frequency (100 Hz or less) lower than the frequency region of each beat signal can be set. Heterodyne interference for detecting a dimensional image can be realized.
CCDカメラで検出されたビート画像には物体の高さ(凹凸)情報が含まれている。すなわち、物体に照射された2ビーム光はサンプルの凹凸に応じて光路長が変化し、それが位相の変化となってビート画像の強度の変化として検出されるため、ビート画像の強度を解析することが重要である。ところが、1枚だけのビート画像の強度から位相を検出することができない。すなわち、時間的に正弦波状に変化するビート画像強度の振幅、バイアス強度が不定のため、どの位相で画像を検出したかを決定できないためである。そのため、ビート画像の1周期の特定のタイミングに同期して複数の画像を検出する。 The beat image detected by the CCD camera includes object height (unevenness) information. In other words, the intensity of the beat image is analyzed because the optical path length of the two-beam light applied to the object changes according to the unevenness of the sample, and this is detected as a change in the intensity of the beat image as a phase change. This is very important. However, the phase cannot be detected from the intensity of only one beat image. That is, because the amplitude and bias intensity of the beat image intensity that changes in a sinusoidal shape with time are indefinite, it is impossible to determine at which phase the image is detected. Therefore, a plurality of images are detected in synchronization with a specific timing in one cycle of the beat image.
正弦波信号の位相算出に位相シフト法が多く用いられている。時間的に静止した干渉縞の強度から位相を算出するとき、干渉縞を空間的に移動させ、各空間位置で検出した複数の画像強度から位相を算出するのが位相シフト法である。本発明においても、時間的に正弦波状に強度が変化するビート画像に対して、その1周期の期間の特定のタイミング毎に複数の画像を検出する。このとき、ビート画像の1周期を3、または4分割したタイミング、すなわち、π/4、あるいはπ/3のステップで画像を検出する。このとき、3あるいは4枚のビート画像を検出する。以上のビート画像の検出を時間的位相シフトと称する。 A phase shift method is often used to calculate the phase of a sine wave signal. When calculating the phase from the intensity of the interference fringes stationary in time, the phase shift method calculates the phase from a plurality of image intensities detected at each spatial position by spatially moving the interference fringes. Also in the present invention, a plurality of images are detected at specific timings in a period of one cycle with respect to a beat image whose intensity changes in a sine wave shape with respect to time. At this time, the image is detected at a timing obtained by dividing one cycle of the beat image into three or four, that is, steps of π / 4 or π / 3. At this time, three or four beat images are detected. The detection of the above beat image is referred to as a temporal phase shift.
時間的位相シフトで検出した画像に対して、特定のアルゴリズムにしたがって画像解析を行う。ここで重要なことは、ビート画像強度の振幅、バイアス強度が未知であっても、複数の画像間で演算することで、未知であった振幅、バイアス強度がキャンセルされて正確な位相の値が決定できることである。位相が決定できれば、レーザ光の波長と位相の値からサンプルの高さ分布が検出できる。 Image analysis is performed according to a specific algorithm on the image detected by the temporal phase shift. What is important here is that even if the amplitude and bias intensity of the beat image intensity are unknown, by calculating between the multiple images, the unknown amplitude and bias intensity are canceled and an accurate phase value is obtained. It can be decided. If the phase can be determined, the height distribution of the sample can be detected from the wavelength and phase value of the laser beam.
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1に本発明によるヘテロダイン干渉装置の動作を説明する構成ブロック図を示す。10はレーザ光源で周波数f0のレーザ光100を発する。11はヘテロダイン干渉光学系で、第1の音響光学素子(第1のAOD)110、第2の音響光学素子(第2のAOD)112、及びビームスプリッターや多数のレンズなどから構成される。レーザ光100はビームスプリッターで2方向に分割され、一方の光は第1のAOD110に入射し、他方の光は第2のAOD112に入射する。二つの音響光学素子は音響光学素子駆動部13で駆動され、それぞれ周波数が異なるビーム102と104に変換される。ビーム102はビームスプリッター114を通って高さ形状が測定されるサンプル12に照射される。サンプル12で反射したレーザ光は同じビームスプリッター114で反射され、物体光としてCCDカメラなどから成る画像検出部14に入射する。反射光だけでなく、サンプル12を透過した光でも同様である。第2のAODを通ったビーム104はミラー116で反射され、参照光として画像検出部14に入射する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating the operation of the heterodyne interference apparatus according to the present invention. A
画像検出部14に入射する物体光と参照光の周波数は互いに異なるため、二つの光が干渉したときは、物体光と参照光の差の周波数のビート信号が得られる。また、物体光と参照光は広がりを持つため、干渉した光も広がりを有する。したがって、画像検出部14は広がりを持ったビート画像を検出する。ビート画像は時間的には正弦波状に強度が変化するもので、画像検出制御部15でビート画像の検出タイミングを決定する。すなわち、ビート画像の1周期をN分割したタイミングを決定する。通常はN=3またはN=4とするため、3枚あるいは4枚のビート画像を検出する。このときのタイミングを変化させて画像を検出する動作が時間的位相シフトである。 Since the frequencies of the object light and the reference light incident on the
画像検出部14で検出された複数のビート画像は画像処理部16で画像強度の相互の演算を行う。この演算は一般に用いられる位相シフトによる画像演算で、画像強度に対応する位相を算出する。形状算出部17は画像処理部16で検出された位相データをサンプル12の高さに変換するもので、画像全体の位相データから3次元形状を算出する。 A plurality of beat images detected by the
図2に音響光学素子駆動部13の構成例を示して、レーザ光の周波数変調動作を説明する。20はDC電圧源で、電圧Vの直流電圧を発生する。21は電圧制御発振器(VCO)で、直流電圧を交流信号に変換するもので、直流電圧Vが印加されたとき、周波数fの交流信号を発生する。例えば、V=0.5voltのとき、周波数40MHzの交流信号を発生する。22はVCO21で発生した周波数fで、25の振幅変調回路1と26の振幅変調回路2にそれぞれ印加される。23と24は交流信号源で、それぞれ周波数mとnの交流信号を発生し、周波数mは振幅変調回路1に入力され、周波数nは振幅変調回路2に入力される。振幅変調回路1は交流信号fとmの間で振幅変調を行い、周波数がf±mの2周波数成分を有する第1のAOD駆動信号252を作成し、第1のAOD110を駆動する。振幅変調回路2は交流信号fとnの間で振幅変調を行い、周波数がf±nの2周波数成分を有する第2のAOD駆動信号262を作成し、第2のAOD112を駆動する。 FIG. 2 shows an example of the configuration of the acoustooptic
第1のAOD駆動信号252で駆動される第1のAOD110は2本に分離した2ビーム光272と274を発生する。第2のAOD駆動信号262で駆動される第2のAOD112は2本に分離した2ビーム光282と284を発生する。2組の2ビーム光の各々はAOD内を進行する超音波によりドップラーシフトを受けて光の周波数が変調される。この超音波はAOD駆動信号に応じて発生するため、光周波数は駆動信号252と262に応じて変調される。AODに入射するレーザ光の周波数をf0としたとき、2ビーム光を構成するビーム272の周波数はf0+f+m、ビーム274の周波数はf0+f−mである。したがって、2ビーム光272と274の差周波数は2mである。同じく、2ビーム光を構成するビーム282の周波数はf0+f+n、ビーム284の周波数はf0+f−nである。したがって、2ビーム光282と284の差周波数は2nである。例えば、周波数m、nを1000Hzと1050Hzに設定したとき、2m=2000Hz、2n=2100Hzである。 The
2組の2ビーム光の間の分離角度は周波数m、nに比例するため、周波数m、nが低いほど2ビームへの分離が小さくなる。通常のAODでは周波数が200KHz程度で3mrad程度の分離角度となるため、周波数が1KHz程度では分離角度がマイクロrad程度で、実質的に重なった状態の1ビーム状態で進行する。周波数m、nが1KHz程度の場合、物体光となる2ビーム272、274と参照光となる2ビーム282、284の各々は2KHz程度のビート周波数を発するため、物体光と参照光が干渉したとき、各々の周波数差の2(m−n)がビート画像の周波数である。周波数m、nを1000Hzと1050Hzに設定したとき、2(m−n)=100Hzとなり、CCDカメラで検出できる程度に十分な低周波数のビート画像が得られる。 Since the separation angle between the two sets of two-beam light is proportional to the frequencies m and n, the lower the frequencies m and n, the smaller the separation into two beams. Since a normal AOD has a separation angle of about 3 mrad at a frequency of about 200 KHz, the separation angle is about microrad at a frequency of about 1 KHz, and the light travels in a substantially overlapping state. When the frequencies m and n are about 1 KHz, the two
図3にビート画像の検出方法を示す。図3(a)31はCCDカメラで検出されたビート画像の画素位置(x、y)である。全画素の画像強度はサンプル各位置の凹凸量に応じて変動しており、全画素の強度を位相に変換して高さを算出する。点(x、y)の強度をI(x、y)とすれば、
I(x、y)=Ib(x、y)+Ia・cos(φ(x、y))で表される。ここで、Ibはバイアス強度、Iaは振幅、φは位相である。ビート画像の強度から位相を算出する場合、Ib及びIaの値が未知であるため、一つの画像の強度値だけからは位相を算出することができない。そこで、複数のビート画像を検出して、ビート画像間の強度を演算することで位相を検出する必要がある。FIG. 3 shows a beat image detection method. FIG. 3A shows the pixel position (x, y) of the beat image detected by the CCD camera. The image intensity of all pixels varies according to the amount of unevenness at each position of the sample, and the height is calculated by converting the intensity of all pixels into a phase. If the intensity of the point (x, y) is I (x, y),
I (x, y) = Ib (x, y) + Ia · cos (φ (x, y)) Here, Ib is the bias intensity, Ia is the amplitude, and φ is the phase. When calculating the phase from the intensity of the beat image, since the values of Ib and Ia are unknown, the phase cannot be calculated from only the intensity value of one image. Therefore, it is necessary to detect the phase by detecting a plurality of beat images and calculating the intensity between the beat images.
図3(b)にビート画像の点(x、y)における強度の時間に対する画像検出の方法を示す。32はビート画像の点(x、y)における強度の時間的な変化を表し、正弦波状に強度が変化する様子を示す。ビート画像の強度信号32の1周期の期間をTとしたとき、Tを4分割したタイミングごとに画像を検出する。画像33はt=0での検出、画像34はt=T/4での検出、画像35はt=2T/4での検出、画像36はt=3T/4での検出である。検出した位置(x、Y)での画像強度をI0、I1,I2,I3とする。図3(b)の実施例では周期Tを4分割したタイミングで4枚のビート画像を検出する例を示したが、他の実施例として、周期Tを3分割したタイミングで3枚のビート画像を検出してもよい。この場合はt=0、T/3、2T/3のタイミングでビート画像を検出する。 FIG. 3B shows an image detection method with respect to the intensity time at the point (x, y) of the beat image.
図4に検出したビート画像の強度I0、I1,I2,I3から位相を算出するときの演算例を示す。式1は点(x、y)における4枚のビート画像の強度で、位相φを求める。ビート画像信号の1周期を4分割したタイミングで画像検出を行っているため、位相のシフト量はπ/2のステップとなっている。式2はI0、I1,I2,I3の4つの画像強度に対して、2組の強度の差の商を演算するもので、バイアス強度Ibと振幅Iaの各々がキャンセルされることになる。したがって(I3−I1)/(I0−I2)の演算により、tan(φ)が求められ、式3により位相φが決定できる。以上は画像の点(x、y)での位相算出であるが、この演算を全画素に対して行えば、サンプルの凹凸に対応する位相分布が決定できる。 FIG. 4 shows a calculation example when the phase is calculated from the detected intensity I0, I1, I2 and I3 of the beat image. Equation 1 determines the phase φ with the intensity of the four beat images at the point (x, y). Since image detection is performed at a timing obtained by dividing one cycle of the beat image signal into four, the phase shift amount is a step of π / 2. Equation 2 calculates the quotient of two sets of intensity differences for the four image intensities I0, I1, I2, and I3, and each of the bias intensity Ib and the amplitude Ia is cancelled. Therefore, tan (φ) is obtained by the calculation of (I3−I1) / (I0−I2), and the phase φ can be determined by Equation 3. The above is the phase calculation at the point (x, y) of the image, but if this calculation is performed for all the pixels, the phase distribution corresponding to the unevenness of the sample can be determined.
式4と式5に検出した位相φをサンプルの高さに変換する関係式を示す。式4はサンプルに照射したレーザ光が反射した場合、式5は同じく透過した場合の関係式で、λはレーザ光の波長、hは高さである。波長λが633nmのHe−Neレーザの場合、反射の場合で位相の1度はλ/720で0.88nmである。透過の場合は同じくλ/360で、1.76nmに相当する。 Expressions 4 and 5 show relational expressions for converting the detected phase φ into the sample height. Expression 4 is a relational expression when the laser light applied to the sample is reflected, and Expression 5 is a relational expression when the sample is transmitted. Λ is the wavelength of the laser light, and h is the height. In the case of a He—Ne laser having a wavelength λ of 633 nm, in the case of reflection, one degree of phase is 0.88 nm at λ / 720. In the case of transmission, λ / 360 is equivalent to 1.76 nm.
図5にヘテロダイン干渉光学系の構成例を示す。レーザ光源10から発せられたレーザ光100はレンズ系50によりビーム径を変換されてビームスプリッター(BS)52に入射する。BS52を透過したレーザ光は第1の音響光学素子(AOD)に入射して回折、周波数シフト作用を受けて物体光としてサンプル53に入射し、透過光が反射ミラーで反射する。BS52で反射したレーザ光は反射ミラー55で反射され、第2のAOD112に入射し、回折、周波数シフト作用を受けて参照光となる。なお、物体光はサンプル53を透過した例で示したが、サンプルで反射した場合でも同様である。 FIG. 5 shows a configuration example of the heterodyne interference optical system. The
物体光と参照光はBS56で重ね合わせられて干渉して低周波数のビート画像となる。ビート画像はレンズ57でビーム形状を変換して画像を撮影するのに適した大きさになって、CCDカメラ58で画像検出される。 The object light and the reference light are superposed at the
以上の説明で明らかなごとく、本発明は通常のCCDカメラで検出される低周波数領域の2次元ビート画像を作成すると共に、そのビート画像信号の1周期の特定のタイミングごとに画像を検出する構成である。すなわち、物体光と参照光の両方をビート信号としてそのビート信号間の差周波数のビート画像を作成することで低周波数化を実現し、従来の静的な干渉計測で用いられていた位相シフト法をヘテロダイン干渉計測に応用して高精度な位相検出を行う構成である。 As apparent from the above description, the present invention creates a two-dimensional beat image in a low frequency region detected by a normal CCD camera and detects an image at every specific timing of one cycle of the beat image signal. It is. In other words, both the object light and the reference light are used as beat signals, and a beat image with a difference frequency between the beat signals is created to reduce the frequency, and the phase shift method used in conventional static interference measurement Is applied to heterodyne interferometry for highly accurate phase detection.
110 第1の音響光学素子
112 第2の音響光学素子
13 音響光学素子駆動部
14 画像検出部
15 画像検出制御部
16 画像処理部
17 形状算出部110 first
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