JP2023071069A - 光干渉光学系および光干渉測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】マッハツェンダー光学系を用いた光干渉測定システムにおいて、測定光が参照光学系に紛れ込むことに起因する不要光を除去する。【解決手段】測定対象物ＯＢの表面の凹凸を測定するための光干渉測定システム１は、光源ＳＣ、光干渉光学系１０、グレーティング２０、カメラ３０、および処理装置４０を有する。光干渉光学系１０には、測定光Ｌ１以外の第３の光である迷光がグレーティング２０に導かれるのを阻止するためのスペイシャルフィルタ１８０が、リレーレンズ１５０とリレーレンズ１６０との間に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、光干渉測定装置に関する。

測定対象物の表面の凹凸等の表面形状を計測する計測技術の一例として、マッハツェンダー光学系を利用する光干渉測定システムが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。この種の光干渉測定システムでは、光源から発せられた光を測定対象物に照射する測定光と参照光とに分離し、測定対象物により反射された測定光と参照光とを合成した合成光（干渉光）の干渉縞を測定することで測定対象物の表面形状が測定される。

特開２０１６－０９９２３９号公報

マッハツェンダー光学系を用いた光干渉測定システムには、光源から発せられる光を測定光と参照光とに分割するための第１のビームスプリッタと、測定光を測定対象物へ導くとともに測定対象物による測定光の反射光をカメラ等に導く第２のビームスプリッタとが含まれる場合がある。また、この種の光干渉測定システムには、参照光をグレーティングに導く参照光学系が含まれ、この参照光学系にはミラーと第３のビームスプリッタとが含まれる場合がある。第２および第３のビームスプリッタを有する光干渉測定システムでは、グレーティングによる参照光の回折光または反射光は、第２および第３のビームスプリッタによって、干渉縞を測定するためのカメラに導かれる。

マッハツェンダー光学系を用いた光干渉測定システムにおいて、測定対象物の表面形状の測定に必要となる光は、測定光と参照光の２つである。しかし、前述の第１、第２および第３のビームスプリッタを有する光干渉測定システムでは、測定光が参照光学系に紛れ込むことにより、測定の妨げとなる不要光が発生する場合がある。具体的には、第１のビームスプリッタにより分割された測定光が第２のビームスプリッタおよび第３のビームスプリッタによりグレーティングに導かれ、グレーティングによる当該測定光の回折光または反射光（以下、迷光）が第３のビームスプリッタおよび第２のビームスプリッタによってカメラに導かれると、当該迷光は不要光となる。

本発明は、マッハツェンダー光学系を用いた光干渉測定システムにおいて、測定光が参照光学系に紛れ込むことに起因する不要光を除去できるようにする技術を提供することを目的とする。

一の態様において、本発明に係る光干渉光学系は、第１および第２のビームスプリッタと、レンズと、参照光学系と、スペイシャルフィルタと、を有する。第１のビームスプリッタには、光源から出射された光が入射する。第１のビームスプリッタは、入射した光を第１の光である測定光と、第１の光以外の第２の光とに分割する。レンズは、第１の光を測定対象物へ集光させる。参照光学系は、第２の光をグレーティングまで導く。第２のビームスプリッタは、第１のビームスプリッタとレンズとの間に設けられる。第２のビームスプリッタは、第１の光をレンズへ導くとともに、測定対象物からの第１の戻り光を受光手段に導く一方、グレーティングからの第２の戻り光を受光手段に導く。スペイシャルフィルタは、第２のビームスプリッタにて分割された、第１の光以外の第３の光である迷光がグレーティングに導かれるのを阻止する。

より好ましい態様の光干渉光学系では、グレーティングと受光手段との間に第１のレンズおよび第２のレンズが設けられ、スペイシャルフィルタは、第１のレンズと第２のレンズとの間であって、グレーティングに対して光学的にフーリエ変換の関係にある位置に配置されてもよく、また、グレーティングと受光手段との間に第１のレンズおよび第２のレンズが設けられ、グレーティングは、第１のレンズと第２のレンズとの間であって、受光手段と光学的に共役の関係にある位置に配置されてもよい。

更に好ましい態様の光干渉光学系では、上記各態様において、スペイシャルフィルタは、第２のビームスプリッタにて分割された、第１の光以外の第３の光である迷光がグレーティングに導かれるのを阻止するために光線を選択的に設定可能な液晶素子であってもよく、また、スペイシャルフィルタは、円環状の開口部を有するオブストラクションターゲットであってもよい。

更に好ましい態様の光干渉光学系では、上記各態様において、第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであってもよい。

更に好ましい態様の光干渉光学系では、測定対象物に入射する前記測定光のビーム形状は線状であってもよい。

また、他の観点において、本発明は、光源と、受光手段と、グレーティングと、前記光源から出射された光が入射する第１のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタから分割された第１の光である測定光を測定対象物へ集光させるレンズと、前記第１のビームスプリッタから分割された、前記第１の光以外の第２の光である参照光を前記グレーティングまで導く参照光学系と、前記第１のビームスプリッタと前記レンズとの間に設けられ、前記第１の光を前記レンズへ導くとともに、前記測定対象物からの第１の戻り光を前記受光手段に導く一方、前記グレーティングからの第２の戻り光を前記受光手段に導く、第２のビームスプリッタと、前記第２のビームスプリッタにて分割された、前記第１の光以外の第３の光である迷光が前記グレーティングに導かれるのを阻止するスペイシャルフィルタと、前記受光手段にて受光された前記第１の戻り光と前記第２の戻り光とによって生じる干渉によって前記測定対象物を測定する手段とを有する光干渉測定システムを提供する。

本発明の一実施形態による光干渉測定システム１の構成例を示す図である。 リレーレンズ１５０の集光スポットサイズを説明するための図である。 スペイシャルフィルタ１８０による遮光の様子を分光に主眼を置いて説明するための図である。 スペイシャルフィルタ１８０による遮光の様子を結像に主眼を置いて説明するための図である。

以下に述べる各実施形態には技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかし、本発明の実施形態は、以下に述べる形態に限られるものではない。

Ａ．実施形態
図１は、本発明の一実施形態による光干渉測定システム１の構成例を示す図である。光干渉測定システム１は、測定対象物ＯＢの表面の凹凸、即ち測定対象物ＯＢの表面形状を測定するためのシステムである。図１では、光干渉測定システム１の他に測定対象物ＯＢが図示されている。図１に示されるように、光干渉測定システム１は、光源ＳＣと、光干渉光学系１０と、グレーティング（回折格子）２０と、カメラ３０と、処理装置４０と、を有する。本実施形態では、光干渉測定システム１による表面形状の測定対象となる測定対象物ＯＢの面の法線に沿った軸はＺ軸と称される。Ｚ軸に直交する２つの軸のうちの一方はＸ軸と称され、他方はＹ軸と称される。

光干渉光学系１０は、マッハツェンダー光学系であり、ビームスプリッタ（図１では、ＢＳと略記、以下、本明細書においても同様）１１０、ＢＳ１２０およびＢＳ１３０と、ミラー１４０と、リレーレンズ１５０、リレーレンズ１６０、およびリレーレンズ１７０と、スペイシャルフィルタ１８０と、レンズ１９０と、を含む。ＢＳ１１０、１２０およびＢＳ１３０の各々は、偏光ビームスプリッタである。ＢＳ１１０、ＢＳ１２０およびＢＳ１３０として偏光ビームスプリッタを用いるのは、各々における透過光と反射光の強度を調整し易いからである。

図１に示されるようにＢＳ１１０には、光源ＳＣから出射された光Ｌが入射する。好ましい態様において、光源ＳＣは、超短パルスレーザーからの出射光に非線形効果を与えることで生じる、位相のそろった広帯域で高強度のパルス光源である。その波長域は、赤色、緑色および青色の各色の光をカバーすることが好ましい。
ＢＳ１１０は、入射した光Ｌを当該ＢＳ１１０の透過光である測定光Ｌ１と当該ＢＳ１１０による反射光である参照光Ｌ２とに分割する。ＢＳ１１０は、本発明における第１のビームスプリッタの一例である。本実施形態では、ＢＳ１１０の透過光を測定光Ｌ１としたが、ＢＳ１１０による光Ｌの反射光が測定光Ｌ１とされ、透過光が参照光Ｌ２とされてもよい。測定光Ｌ１は本発明における第１光の一例である。参照光Ｌ２は、本発明における第２の光、即ち第１の光とは異なる第２の光の一例である。

参照光Ｌ２は、ミラー１４０による反射を経てＢＳ１３０へ入射する。参照光Ｌ２は、ＢＳ１３０による案内を経てグレーティング２０に入射する。つまり、ミラー１４０およびＢＳ１３０は、参照光Ｌ２をグレーティング２０まで導く参照光学系の一例である。

グレーティング２０における参照光Ｌ２の入射面には、鋸歯状に複数の溝が設けられている。図１では、これら複数の溝の内の一つが図示されている。グレーティング２０は入射した参照光Ｌ２を回折させる。グレーティング２０による参照光Ｌ２の回折光Ｒ２は、本発明における第２の戻り光の一例である。本実施形態では、回折光Ｒ２が第２の戻り光であるが、グレーティング２０による参照光Ｌ２の反射光が第２の戻り光であってもよい。以下では、回折光Ｒ２は第２の戻り光Ｒ２とも称される。

第２の戻り光Ｒ２は、ＢＳ１３０、リレーレンズ１５０、およびリレーレンズ１６０による案内を経てＢＳ１２０へ入射する。本実施形態では、リレーレンズ１５０とリレーレンズ１６０との間の焦点位置にはスペイシャルフィルタ１８０が配置される。スペイシャルフィルタ１８０の詳細については後に明らかにする。リレーレンズ１５０は本発明における第１のレンズの一例であり、リレーレンズ１６０は本発明における第２のレンズの一例である。

図１に示されるように、ＢＳ１２０は、ＢＳ１１０とレンズ１９０との間に設けられる。ＢＳ１２０は、測定光Ｌ１をレンズ１９０へ導くとともに、測定対象物ＯＢによる測定光Ｌ１の反射光Ｒ１をカメラ１００に導く。測定光Ｌ１の測定対象物ＯＢによる反射光Ｒ１は、本発明における第１の戻り光の一例である。以下では、反射光Ｒ１は第１の戻り光Ｒ１とも称される。また、ＢＳ１２０は、第２の戻り光Ｒ２をカメラ１００に導く。ＢＳ１２０は本発明における第２のビームスプリッタの一例である。

レンズ１９０は、入射する測定光Ｌ１をＸ軸に沿った線状に集光するシリンドリカルレンズである。本実施形態では、Ｘ軸に沿った長さが２０ｍｍ、且つ幅が１０ミクロンの線状の測定光Ｌ１を用いて測定対象物ＯＢの表面形状の測定が行われる。Ｘ軸に沿った線状の測定光Ｌ１を用いて測定対象物ＯＢの表面形状の測定が行われるので、本実施形態では、Ｘ軸方向の測定光Ｌ１の走査は不要であり、Ｙ軸方向の測定光Ｌ１の走査のみが行われればよい。レンズ１９０から出射される線状の測定光Ｌ１はリレーレンズ１７０による集光を経て測定対象物ＯＢの表面に照射される。測定光Ｌ１の測定対象物ＯＢによる反射光Ｒ１、即ち第１の戻り光Ｒ１はリレーレンズ１７０、レンズ１９０、およびＢＳ１２０による案内を経てカメラ３０に入射する。

カメラ３０は、受光した光を表す画像信号ＧＣ、即ち第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２によって生じる干渉縞の画像を表す画像信号ＧＣを処理装置４０へ出力する。カメラ３０は、本発明における受光手段の一例である。

処理装置４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、即ちコンピュータを含む。処理装置４０は１つのコンピュータを含んでもよいし、複数のコンピュータを含んでもよい。処理装置４０は、図１では図示を省略した記憶装置に記憶されているプログラムに従って作動することにより、カメラ３０から与えられる画像信号ＧＣに基づいて測定対象物ＯＢの表面の凹凸を計測する。つまり、処理装置４０は、第１の戻り光Ｒ１と第２の戻り光Ｒ２とによって生じる干渉によって測定対象物ＯＢを測定する手段として機能する。なお、処理装置４０と上記記憶装置とは、パーソナルコンピュータの一部であってもよい。

前述したようにスペイシャルフィルタ１８０は、リレーレンズ１５０とリレーレンズ１６０との間の焦点位置に配置される。より詳細に説明すると、スペイシャルフィルタ１８０は、リレーレンズ１５０とリレーレンズ１６０との間の位置であって、カメラ３０と光学的に共役の関係にある位置に配置される。また、スペイシャルフィルタ１８０は、リレーレンズ１５０とリレーレンズ１６０との間の位置であって、グレーティング２０に対して光学的にフーリエ変換の関係にある位置に配置される。

スペイシャルフィルタ１８０は、リレーレンズ１６０からリレーレンズ１５０へ向かう第３の戻り光Ｒ３（迷光）を遮蔽するとともに、リレーレンズ１５０からリレーレンズ１６０へ向かう光Ｒ２の光軸中心のみを円形または帯状に遮光するスペイシャル・ノッチ・フィルタである。なお、遮蔽とは、反射、吸収、散乱のいずれによって実現されてもよい。スペイシャルフィルタ１８０によって、参照光Ｌ２以外の光がグレーティング２０に導かれるのが阻止される。具体的には、スペイシャルフィルタ１８０は、透過させる光の波長および透過率を選択的に設定可能な液晶素子によって構成されることができる。あるいは、円環状の開口部を有する、いわゆるオブストラクションターゲットであって、スペイシャルフィルタ１８０に到達した光線のうち当該開口部を介して光線を通過させ、開口部以外の場所に到達した光線を遮蔽する。

スペイシャルフィルタ１８０は、上述した構成に限らず、例えば、ピンホールとレンズによって構成されてもよい。また、スペイシャルフィルタ１８０は、光線を、完全に透過する部分と完全に遮蔽する部分とに分離する（光線の形状を変更する）ものである必要はない。要するに、スペイシャルフィルタ１８０は、カメラ３０へ導くべき必要な参照光を完全には遮蔽させない（少なくとも部分的には通過させる）一方、不要な光（迷光）についてはグレーティング２０に導かれることがないように、スペイシャルフィルタ１８０に導かれる光線の強度分布を変更する光学素子であればよい。なお、本願発明においては、スペイシャルフィルタ１８０を設けない場合に比べて、カメラに導かれる回折光Ｒ２の光量は減少するが、迷光が除去されることで、カメラ３０にて得られる干渉信号の精度（Ｓ／Ｎ）が向上する。また、スペイシャルフィルタ１８０は、結果的に、参照光の光量の調整機能を有していると把握できるので、スペイシャルフィルタ１８０の配置やサイズその他の特性は、必要に応じて要求される参照光の光量を加味して設計されてもよい。

スペイシャルフィルタ１８０のサイズは、リレーレンズ１５０の集光スポットサイズｄと同等から２倍の大きさ（即ち、集光スポットサイズｄの大きさの１００％から２００％の大きさ）であればよい。スペイシャルフィルタ１８０が円環状の開口部を有するオブストラクションターゲットである場合、スペイシャルフィルタ１８０のサイズとは当該開口部の径のことである。また、スペイシャルフィルタ１８０が、第２の戻り光Ｒ２の光軸中心のみを帯状に遮光する矩形状の液晶素子である場合、スペイシャルフィルタ１８０のサイズとは当該矩形の一辺の長さのことである。リレーレンズ１５０により集光される光の波長がλである場合、リレーレンズ１５０の集光スポットサイズｄは、図２に示されるようにリレーレンズ１５０に入射する第２の戻り光Ｒ２のビーム径がＤであり、リレーレンズ１５０の焦点距離がｆである場合、以下の数１により表される。なお、数１においてπは円周率である。

図３は、スペイシャルフィルタ１８０による遮光の様子を、分光に主眼を置いて、概念的に説明するための図である。光干渉測定システム１では、第２の戻り光Ｒ２は、グレーティング２０とリレーレンズ１５０とにより、リレーレンズ１５０の焦点位置において空間的に波長分離される。図３に示す例では、第２の戻り光Ｒ２に含まれる青色の光は破線で、同緑色の光は実線で、同赤色に光は一点鎖線で夫々図示されている。なお、図３では、図面が煩雑になることを避けるため、光干渉測定システム１の構成要素のうち、グレーティング２０、ＢＳ１３０、リレーレンズ１５０、スペイシャルフィルタ１８０、リレーレンズ１６０、ＢＳ１２０、およびカメラ３０のみが図示されている（図４についても同様である）。

図３に示されるように、リレーレンズ１５０からリレーレンズ１６０に向かう第２の戻り光Ｒ２のうち、緑色の光はスペイシャルフィルタ１８０により遮光されるものの、青色および赤色の光はスペイシャルフィルタ１８０では遮光されず、カメラ３０へ到達する。つまり、本実施形態では、第２の戻り光Ｒ２に含まれる光のうち青色および赤色の光によって測定対象物ＯＢの表面の測定が行われる。また、図３では、測定光Ｌ１のＢＳ１２０による反射光Ｒ３が点線で図示されている。反射光Ｒ３は、測定対象物ＯＢの表面の凹凸の測定には不要な迷光であり、本発明における第３の光の一例である。図３に示されるように、反射光Ｒ３の全波長はリレーレンズ１６０の焦点に集光し、スペイシャルフィルタ１８０により遮光される。このため、本実施形態では、反射光Ｒ３がグレーティング２０により反射されて戻って来ることが回避され、カメラ３０への不要光が除去される

図４は、スペイシャルフィルタ１８０による遮光の様子を、結像に主眼を置いて、概念的に説明するための図である。図４における符号ＰＳＣ１、ＰＳＣ２、およびＰＳＣ３は、グレーティング２０の表面に設けられた各溝を点光源の配列と見立てた場合の各点光源を示す。図４では、図３における場合と同様に反射光Ｒ３が点線で図示されている。図４に示す例では、点光源ＰＳＣ１、ＰＳＣ２およびＰＳＣ３の各々から発せられた第２の戻り光Ｒ２のうち光軸方向に発せられた光はスペイシャルフィルタ１８０により遮光されるものの、他の光はスペイシャルフィルタ１８０では遮光されず、カメラ３０に到達する。また、反射光Ｒ３がスペイシャルフィルタ１８０により遮光されることは図３における場合と同様である。

以上説明したように本実施形態によれば、マッハツェンダー光学系を用いた光干渉測定システム１において測定光が参照光学系に紛れ込むことに起因する不要光が除去される。この結果、カメラ３０のダイナミックレンジを有効に活用して測定対象物の表面形状を測定することが可能になる。

Ｂ．変形
以上説明した各実施形態は、以下のように変形されてもよい。
（１）上記実施形態では、光源ＳＣ、光干渉光学系１０、グレーティング２０、カメラ３０、および処理装置４０を含む光干渉測定システム１が説明された。しかし、光干渉光学系１０、即ちＢＳ１１０、ＢＳ１２０、およびＢＳ１３０と、ミラー１４０と、リレーレンズ１５０、リレーレンズ１６０、およびリレーレンズ１７０と、スペイシャルフィルタ１８０とを含む光干渉光学系が単体で実施されてもよい。

（２）上記実施形態では、測定対象物ＯＢに入射する直前の測定光Ｌ１のビーム形状は線状であった。しかし、Ｘ軸方向に加えてＹ軸方向の走査も行うのであれば、測定光Ｌ１のビーム形状は線状でなくてもよい。

１…光干渉測定システム、ＳＣ…光源、１０…光干渉光学系、１１０，１２０、１３０…ビームスプリッタ、１４０…ミラー、１５０，１６０，１７０…リレーレンズ、１８０…スペイシャルフィルタ、２０…グレーティング、３０…カメラ、４０…処理装置。

Claims (8)

1. 光源から出射された光が入射する第１のビームスプリッタと、
   前記第１のビームスプリッタから分割された第１の光である測定光を測定対象物へ集光させるレンズと、
   前記第１のビームスプリッタから分割された、前記第１の光以外の第２の光である参照光をグレーティングまで導く参照光学系と、
   前記第１のビームスプリッタと前記レンズとの間に設けられ、前記第１の光を前記レンズへ導くとともに、前記測定対象物からの第１の戻り光を受光手段に導く一方、前記グレーティングからの第２の戻り光を前記受光手段に導く、第２のビームスプリッタと、
   前記第２のビームスプリッタにて分割された、前記第１の光以外の第３の光である迷光が前記グレーティングに導かれるのを阻止するスペイシャルフィルタと、
   を有する光干渉光学系。
2. 前記グレーティングと前記受光手段との間に第１のレンズおよび第２のレンズが設けられ、
   前記スペイシャルフィルタは、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間であって、前記グレーティングに対して光学的にフーリエ変換の関係にある位置に配置される、
   請求項１に記載の光干渉光学系。
3. 前記グレーティングと前記受光手段との間に第１のレンズおよび第２のレンズが設けられ、
   前記スペイシャルフィルタは、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間であって、前記受光手段と光学的に共役の関係にある位置に配置される、
   請求項１に記載の光干渉光学系。
4. 前記スペイシャルフィルタは、前記迷光が前記グレーティングに導かれるのを阻止するために光線を選択的に設定可能な液晶素子である
   請求項１～３のいずれか一項に記載の光干渉光学系。
5. 前記スペイシャルフィルタは、円環状の開口部を有するオブストラクションターゲットである
   請求項１～３のいずれか一項に記載の光干渉光学系。
6. 前記第１のビームスプリッタと前記第２のビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタである
   請求項１～５のいずれか一項に記載の光干渉光学系。
7. 前記測定対象物に入射する前記測定光のビーム形状は線状である、
   請求項１～６のいずれか一項に記載の光干渉光学系。
8. 光源と、
   受光手段と、
   グレーティングと、
   前記光源から出射された光が入射する第１のビームスプリッタと、
   前記第１のビームスプリッタから分割された第１の光である測定光を測定対象物へ集光させるレンズと、
   前記第１のビームスプリッタから分割された、前記第１の光以外の第２の光である参照光を前記グレーティングまで導く参照光学系と、
   前記第１のビームスプリッタと前記レンズとの間に設けられ、前記第１の光を前記レンズへ導くとともに、前記測定対象物からの第１の戻り光を前記受光手段に導く一方、前記グレーティングからの第２の戻り光を前記受光手段に導く、第２のビームスプリッタと、
   前記第２のビームスプリッタにて分割された、前記第１の光以外の第３の光である迷光が前記グレーティングに導かれるのを阻止するスペイシャルフィルタと、
   前記受光手段にて受光された前記第１の戻り光と前記第２の戻り光とによって生じる干渉によって前記測定対象物を測定する手段と
   を有する光干渉測定システム。

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