JP2015203580A - light interference measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光干渉測定装置に関するものである。 The present invention relates to an optical interference measuring apparatus.
信号光と参照光との間の光路長差に光の波長程度の位相変調を与えることで、対象物を測定する位相変調式の光干渉測定装置が知られる。(特許文献1)。 2. Description of the Related Art A phase modulation type optical interference measuring apparatus that measures an object by applying phase modulation of about the wavelength of light to an optical path length difference between signal light and reference light is known. (Patent Document 1).
図9は特許文献1のリンニック(Linnik)干渉計を用いた光干渉測定装置である。光源100からの光はビームスプリッタ101に入射し、光干渉計の各アームに至る。第1アーム102にはレンズ103と対象物104とが配置され、第2アーム105にはレンズ106と参照面107とが配置される。光の波長程度の微細な移動量を与えるために、参照面107にはPZT素子108が配される。各アームに送られた光は、対象物104および参照面107から反射し、カメラ109へ入射する。なお、特許文献1ではPZT素子108により干渉光の位相が連続的に正弦変調される。
FIG. 9 shows an optical interference measuring apparatus using the Linnik interferometer of Patent Document 1. Light from the
しかしながら、従来技術ではPZT素子の力学的脆弱性に起因する堅牢性に関する問題があった。 However, the prior art has a problem related to robustness due to the mechanical vulnerability of the PZT element.
そこで、本発明は、堅牢性に優れた位相変調式の光干渉測定装置を提供する。 Therefore, the present invention provides a phase modulation type optical interference measuring apparatus excellent in robustness.
本発明の光干渉測定装置は、中心波長がλcの光を放つ光源と、前記光源からの光を分光して参照面と対象物とに入射させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタから前記参照面に至る光の光路中に配されたレンズと、前記参照面で反射又は散乱した光と前記対象物で反射又は散乱した光とが干渉した干渉光が入射するカメラと、前記カメラの視野内において前記対象物を第1方向に移動させる移動機構と、前記移動機構による移動前後における干渉光の強度を記憶する記憶部と、前記移動前後の干渉光の強度の差分の二乗から前記対象物の画像を構築する演算部と、を備え、前記参照面には、前記カメラの視野内において前記第1方向に隣接する第1領域と第2領域とが設けられ、前記移動機構による移動量は、前記第1領域の前記第1方向における幅と同じであり、前記レンズと前記参照面との間の媒質の屈折率をnとした場合に、前記第1領域と前記第2領域とが高さλc/4nの段差を形成する、ことを特徴とする。 An optical interference measuring apparatus of the present invention includes a light source that emits light having a center wavelength of λc, a beam splitter that splits light from the light source and makes it incident on a reference surface and an object, and the beam splitter to the reference surface. A lens disposed in an optical path of the light reaching, a camera on which interference light obtained by interference of light reflected or scattered by the reference surface and light reflected or scattered by the object is incident, and within the field of view of the camera An image of the object is obtained from a moving mechanism that moves the object in the first direction, a storage unit that stores the intensity of the interference light before and after the movement by the movement mechanism, and the square of the difference in the intensity of the interference light before and after the movement. An arithmetic unit to be constructed, and the reference surface is provided with a first region and a second region adjacent to each other in the first direction within the field of view of the camera, and the movement amount by the moving mechanism is 1 area of the above The first region and the second region form a step having a height λc / 4n, where n is the refractive index of the medium between the lens and the reference surface. It is characterized by.
本発明によれば、堅牢性に優れた位相変調式の光干渉測定装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a phase modulation type optical interference measuring apparatus excellent in robustness.
以下実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1における光干渉測定装置200の模式図である。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical
光干渉測定装置200はリンニック型干渉計の一種である。光源201は光を発するユニットであり、ランプ202、絞り203、コリメートレンズ204を具備する。ランプ202は例えばハロゲンランプやキセノンアークランプ、水銀ランプ、LEDなどの低コヒレンス光を発する光源である。また、ランプ202の発する光は、例えば中心波長λc=800nm、コヒレンス長Lc=2μmである。
The optical
光源201からの光はビームスプリッタ205に入射する。ビームスプリッタ205はキューブ型であってもよいし、プレート型でもよい。ビームスプリッタ205に入射した光は同一の振幅をもつ信号光と参照光とに分離される。信号光は干渉計の第一のアーム206に、参照光は第二のアーム207に送られる。
Light from the
第一のアーム206には、第一の対物レンズ208と対象物209とが配置される。信号光の焦点面は第一の対物レンズ208により対象物209の内部に合わせられる。焦点面で反射又は散乱した信号光は第一の対物レンズ208を通じてビームスプリッタ205に戻る。なお、反射とはフレネル反射を含み、散乱とは後方散乱を含む。
A first
一方、第二のアーム207には、第二の対物レンズ210と参照面211とが配置される。参照光の焦点は第二の対物レンズ210により参照面211上に合わせられる。参照面211で反射又は散乱した参照光は第二の対物レンズ210を経てビームスプリッタ205に戻る。
On the other hand, the second
第一のアーム206における信号光の光路長と第二のアーム207における参照光の光路長が光源201のコヒレンス長Lcの範囲内で一致するとき、ビームスプリッタ205に戻った信号光と参照光は光干渉を起こす。干渉した光(干渉光)は、カメラ212上に焦点を絞る結像レンズ213により結像される。
When the optical path length of the signal light in the
カメラ212は、例えばCCDタイプの2次元状の画素からなるセンサ面を有する。このセンサ面と対象物209、並びにセンサ面と参照面211は、それぞれ光学的に共役関係になるよう配置されている。つまり、カメラ212はその視野の中に対象物209と参照面211とを重複して収める。なお、光学系収差による測定誤差を低減するために対象物209と参照面211とを同一の倍率で撮像することが望ましく、波長分散による測定誤差を低減するために同一硝材を用いて倍率を調整することが望ましい。
The
コンピュータ215は、カメラ212で取得したデータを記憶する記憶部215a、データを演算して対象物209の画像を構築する演算部215b、カメラ212のシャッターおよび機械式ステージ214に指示を出す指示部215cを具備している。なお、カメラ212のシャッターは、電子式でも機械式でも良い。
The
なお、対象物209は機械式ステージ214上に設置される。機械式ステージ214は、カメラ212の視野内において、対象物209を駆動軸の方向(第1方向)に移動させる移動機構の一例である。図1において、第1方向とは紙面左右方向のことを言う。なお、機械式ステージ214は、対象物209を移動させても、信号光の光軸を移動させてもよい。すなわち、機械式ステージ214は、カメラ212の視野内において対象物209を移動させるように構成されればよい。
Note that the
ここで、図2に参照面211の構造を示す。
Here, FIG. 2 shows the structure of the
参照面211は鏡面を有する。この鏡面は、第一の位相領域211a(第1領域)と第二の位相領域211b(第2領域)とに分割されている。この鏡面は、例えば矩形のガラス基板にアルミなどの金属をコートした鏡の、特定の部位にのみ金属膜を蒸着して形成される。第一の位相領域211aと第二の位相領域211bとは段差211cを形成し、領域毎に異なる位相差を参照光に与える機能を持つ。この参照面211は、PZT素子により駆動することなく、参照光に位相差を付与できる。このため、堅牢性に優れた位相変調式の光干渉測定装置を実現できる。ちなみに、第一の位相領域211aと第二の位相領域211bは平行である。
The
なお、参照面211における各領域の作成方法は、機械的な切削加工などでもよいが、光の波長オーダーで段差211cを設ける必要があることから蒸着を用いることが望ましい。
The method of creating each region on the
段差211cの高さdは、第一の位相領域211aで反射した参照光と第二の位相領域211bで反射した参照光との間にπの位相差を発生させるように設計されている。位相変調式の光干渉測定装置を実現するためである。その高さdは、図1の第二の対物レンズ210と参照面211の間の媒質の屈折率をnとすると式(1)で表される。
The height d of the
ここで、λcは、光源201から放たれる光の中心波長である。例えば、光源201の中心波長λcが800nmであり、n=1のとき、d=200nmとなる。
Here, λc is the center wavelength of the light emitted from the
参照面211は、カメラ212の視野内において、図3に示すように配置される。図3はカメラ212の視野に映る第一の位相領域211aおよび第二の位相領域211bを示す。図3中の白抜き矢印は、図1のカメラ212の視野内で対象物209が機械式ステージ214により移動する方向(第1方向)を示す。参照面211には、カメラ212の視野内において第1方向に隣接するように第一の位相領域211aと第二の位相領域211bとが設けられる。
The
ここで、説明を簡単にするため、第1方向をX軸、図1の第一の対物レンズ208から射出される信号光の光軸をZ軸、カメラ212の結像面をXY平面として、それぞれ座標軸を定義する。なお、ここでは、カメラ212の視野を中心に座標を定義するため、第二の対物レンズ210から射出する参照光の光軸もZ軸とする。この場合、カメラ212の視野における第一の位相領域211aおよび第二の位相領域211bのX軸方向の幅をそれぞれ図3に示すようにwa、wbとする。
Here, to simplify the description, the first direction is the X axis, the optical axis of the signal light emitted from the first
第一の位相領域211aと第二の位相領域211bの間の段差211cは直線を成している。この直線は第1方向と直行するように、すなわちY軸に沿って配置されている。
A
ここで、光干渉測定装置200による測定方法について図1と図4とを用いて説明する。図4は当該測定方法を示したフローチャートである。
Here, a measurement method using the optical
まず、ステップS1では、光路長の調整を行う。具体的には、参照面211又は対象物209のZ方向ステージ(図示しない)を調整することで、信号光と参照光の光路長を光源201からの光のコヒレンス長λc内で一致させる。このZ方向ステージは、ステッピングモータなど、光路長差がコヒレンス長λcの範囲内になるよう調整できる機構であればよく、PZT素子である必要はない。この工程により、信号光と参照光とが干渉し、干渉光がカメラ212に入射する。
First, in step S1, the optical path length is adjusted. Specifically, by adjusting the
ステップS2では、カメラ212で1度目の干渉光の信号(干渉信号)を取得する。ここで、ステップS2実施時におけるカメラ212の視野における参照面211と対象物209との位置関係を図5に示す。図5において、参照面211と図1のカメラ212の視野とが一致するものとし、参照面211として図示する領域がカメラ212の視野を表す。対象物209はカメラ212の視野からはみ出している。なお、ここでは、視野内において、対象物209が第一の位相領域211aのみに写り、第二の位相領域211bには写らない状態を示す。このとき、第一の位相領域211aに対応する干渉信号のみを図1の記憶部215aに保存する。第二の位相領域211bに対応する干渉信号を取得してもよいが、今後用いることはない。
In step S2, the
なお、保存の際、複数回の撮影を行い、その複数画像の積算によりS/N比を向上してもよいし、CCDの光電変換後のゲインを下げ長時間露光させることでS/N比を向上してもよい。 It should be noted that, at the time of storage, photographing may be performed a plurality of times, and the S / N ratio may be improved by integrating the plurality of images, or the S / N ratio may be increased by lowering the gain after photoelectric conversion of the CCD for a long time. May be improved.
次に、図4のステップS3では、ステージ移動が行われる。詳細には、図1の指示部215cからの指示により機械式ステージ214が移動する。この移動方向はX軸方向であり、その移動量はカメラ212の視野における第一の位相領域211aのX軸方向の幅、すなわち図3におけるwaと等しい。この移動により、視野内において、ステップS2時に第一の位相領域211aにあった対象物209の部位は、第二の位相領域211bに移動する。なお、移動中にはカメラ212による撮影は行わない。
Next, in step S3 of FIG. 4, stage movement is performed. Specifically, the
ステップS4では、カメラ212で2度目の干渉光の信号を取得する。ステップS4時のカメラ212の視野における参照面211と対象物209との位置関係を図6に示す。視野内において、ステップS2時に第一の位相領域211aに写っていた対象物209の部位は、第二の位相領域211bに移動している。このステップS4において、カメラ212が第一の位相領域211aと第二の位相領域211bとに対応する干渉信号をそれぞれ取得する。ここでも、ステップS2と同様に積算によりS/N比を向上させてもよい。
In step S4, a second interference light signal is acquired by the
ステップS5では、ステップS2において保存された第一の位相領域211aにおける干渉信号と、ステップS4において取得された第二の位相領域211bにおける干渉信号の2つを用い、図1の演算部215bが後述する(式4)に基づき対象物209の画像を構築する。ステップS2で取得した第一の位相領域211a(図2)における干渉信号と、ステップS5で取得した第二の位相領域211bにおける干渉信号とは、同一形状の対象物から得られた位相のみが異なる信号である。これらの信号の位相差は、第一の位相領域211aと第二の位相領域211bとにより形成された高さdの段差により与えられ、その値はπである。すなわち、ステップS2からπだけ位相変調した干渉光を得られるのがステップS5である。つまり、移動機構による移動前後の対象物209の同一部位における干渉光の位相差がπである。このように、本手法によれば、PZT素子を用いることなく、干渉光に位相差を与えることが可能である。なお、ステップS5では、第一の位相領域211aに対応する干渉信号の記憶部215aへの保存が実行される。
In step S5, using the interference signal in the
ここで、位相の変調された2つの干渉信号を用いた画像構築手法の詳細を説明する。 Here, details of an image construction method using two interference signals whose phases are modulated will be described.
第一の位相領域211aにおける干渉信号の強度をE1、第二の位相領域211bにおける干渉信号の強度をE2とすると(式2)で表される。
When the intensity of the interference signal in the
ここで、Tはカメラ212による積算回数であり、I1とI2はカメラ212の各画素における輝度である。
Here, T is the number of integrations by the
ここで、対象物209の3次元の反射率分布をRsample(x,y,z)、参照面211の反射率をRref、光源201のコヒレンス関数をγ2(z)、比例係数をKとおくと、I1とI2の間の位相差は、参照面211の段差によりπで与えられるため(式3)で表される。
Here, the three-dimensional reflectance distribution of the
ここで、E1とE2の差の二乗は(式4)で表され、対象物209の三次元の反射率分布Rsample(x,y,z)と、コヒレンス関数γ2(z)と、定数との積で与えられる。
Here, the square of the difference between E1 and E2 is expressed by (Equation 4), the three-dimensional reflectance distribution R sample (x, y, z) of the
この(式4)は、対象物209の中で、コヒレンス関数が大きくなるz位置のみの信号、すなわち信号光と参照光の光路長が一致するXY面の信号を示す。
This (Expression 4) shows a signal at the z position where the coherence function becomes large in the
つまり、カメラ212の各画素における輝度からE1とE2とを取得し、(E1−E2)2を算出すれば対象物209のXY面画像を構築できる。すなわち、本実施の形態において、演算部215b(図1)は、移動前後における干渉信号の強度の差分の二乗に基づき、画像を構築する。また、コヒレンス関数γ2(z)と定数の積となることから、特定のz位置での画像を得るには、光源201は低コヒレンス光源であることが必要である。なお、光源201からの光が対象物209を透過する場合は、断層画像を構築できる。以上が、位相変調した干渉信号に基づいて画像を構築する詳細である。
That is, an XY plane image of the
ここで、図4のフローチャートの説明に戻る。ステップS6では、所定位置か否かを判定する。所定の位置に達していれば、測定が終了される。所定の位置とは、対象物209の端部のことである。所定の位置に達していなければ、ステップS2に戻る。その後、所定の位置に達するまで、ステップS2からステップS5における一連の動作を繰り返すことで、X軸方向に対象物209が移動され、XY面画像が構築されてゆく。
Now, the description returns to the flowchart of FIG. In step S6, it is determined whether or not the position is a predetermined position. If the predetermined position has been reached, the measurement is terminated. The predetermined position is an end portion of the
ただし、上記の繰り返しステップにおいて、ステップS2の直前のステップS5において第一の位相領域211aに対応する干渉信号は取得済みである。そのため、上記の繰り返しステップにおいては、ステップS2を省略してもよい。
However, in the above repeating step, the interference signal corresponding to the
なお、ステップS5において干渉信号を得られる面積が最大化するよう、図3の第一の位相領域211aと、第二の位相領域211bの、X軸方向の幅を等しくするのが好ましい。より詳細には、カメラ212の視野内における第一の位相領域211aと第二の位相領域211bとの面積を等しく構成する。
In addition, it is preferable to make the width | variety of the X-axis direction of the 1st phase area |
なお、waが大きいほど図1の機械式ステージ214の進直度の低さに起因したZ位置の誤差が大きくなり、測定ノイズが大きくなる。これを防ぐため、参照面211の代わりに、図7に示す周期状参照面216を採用してもよい。周期状参照面216は、第一の位相領域216aと第二の位相領域216bとが、繰り返し配置されているようなストライプ構造である。この場合も、カメラ212の視野内において、第一の位相領域216aと第二の位相領域216bのX軸方向の幅を等しくする。すなわち第一の位相領域216aと第二の位相領域216bとをDuty比50%の矩形形状とすることが望ましい。なお、第一の位相領域216aと第二の位相領域216bとは、高さdの段差を形成し、このdは(式1)で与えられる。
Note that the larger the wa, the larger the Z position error due to the low degree of straightness of the
周期状参照面216により、図4のステップS5において干渉信号を得られる面積を最大化しながら、それでいて、ステップS3における移動量を小さくできるため、X軸方向の移動に対するZ位置の精度を高められる。
The
なお、説明の簡単のためX軸方向の移動について説明したが、位相差を与える段差と直行する方向への移動であればよい。例えば、参照面211の代わりに、図8に示す格子状参照面217を採用した場合、Y軸方向に移動させても、干渉光の位相を変調できる。この格子状参照面217には、第一の位相領域217aと第二の位相領域217bとがカメラ212の視野内において縦横に分布するよう格子状に配置されている。第一の位相領域217aと第二の位相領域217bとは高さdの段差を形成し、このdは(式1)で与えられる。これにより、X軸方向と直交するY軸方向にも対象物209を移動させて、干渉光の位相をπだけ変調できる。
For the sake of simplicity, the movement in the X-axis direction has been described. However, the movement may be performed in a direction perpendicular to the step providing the phase difference. For example, when the lattice-
本発明は、工業分野における測定や、化学分野や医療分野における生体の表層または内層の測定に有用である。 The present invention is useful for measurement in the industrial field and measurement of the surface layer or inner layer of a living body in the chemical field or the medical field.
200 光干渉測定装置
201 光源
202 ランプ
203 絞り
204 コリメートレンズ
205 ビームスプリッタ
206 第一のアーム
207 第二のアーム
208 第一の対物レンズ
209 対象物
210 第二の対物レンズ
211 参照面
212 カメラ
213 結像レンズ
214 機械式ステージ
215 コンピュータ
200 optical
Claims (5)
前記光源からの光を分光して参照面と対象物とに入射させるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタから前記参照面に至る光の光路中に配されたレンズと、
前記参照面で反射又は散乱した光と前記対象物で反射又は散乱した光とが干渉した干渉光が入射するカメラと、
前記カメラの視野内において前記対象物を第1方向に移動させる移動機構と、
前記移動機構による移動前後における干渉光の強度を記憶する記憶部と、
前記移動前後における干渉光の強度の差分の二乗から前記対象物の画像を構築する演算部と、を備え、
前記参照面には、前記カメラの視野内において前記第1方向に隣接する第1領域と第2領域とが設けられ、
前記移動機構による移動量は、前記第1領域の前記第1方向における幅と同じであり、
前記レンズと前記参照面との間の媒質の屈折率をnとした場合に、前記第1領域と前記第2領域とが高さλc/4nの段差を形成する、光干渉測定装置。 A light source that emits light having a center wavelength of λc;
A beam splitter that splits light from the light source and makes it incident on a reference surface and an object;
A lens disposed in an optical path of light from the beam splitter to the reference surface;
A camera on which interference light obtained by interference between light reflected or scattered by the reference surface and light reflected or scattered by the object is incident;
A moving mechanism for moving the object in a first direction within the field of view of the camera;
A storage unit for storing the intensity of interference light before and after movement by the moving mechanism;
A calculation unit that constructs an image of the object from the square of the difference in intensity of the interference light before and after the movement, and
The reference surface is provided with a first region and a second region adjacent to each other in the first direction in the field of view of the camera,
The amount of movement by the moving mechanism is the same as the width of the first region in the first direction,
An optical interference measuring apparatus, wherein the first region and the second region form a step having a height of λc / 4n, where n is a refractive index of a medium between the lens and the reference surface.
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