JP2527877B2 - Two-dimensional deformation detection device - Google Patents

Two-dimensional deformation detection device

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JP2527877B2
JP2527877B2 JP4032040A JP3204092A JP2527877B2 JP 2527877 B2 JP2527877 B2 JP 2527877B2 JP 4032040 A JP4032040 A JP 4032040A JP 3204092 A JP3204092 A JP 3204092A JP 2527877 B2 JP2527877 B2 JP 2527877B2
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光へテロダイン干渉法
を用いて被測定物の2次元変形を検出する2次元変形検
出装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a two-dimensional deformation detecting device for detecting two-dimensional deformation of an object to be measured by using optical heterodyne interferometry.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の2次元変形を計測するに
は、例えば、以下のような光干渉計が用いられていた。
2. Description of the Related Art Conventionally, the following optical interferometers have been used to measure this type of two-dimensional deformation.

【0003】第1に、図6に示される装置がある。First, there is the device shown in FIG.

【0004】励起用レーザ1から出射されたレーザ光は
高温炉2に置かれた被測定物3の裏面に断続的に照射さ
れる。このため、被測定物3は急激に加熱され、この時
生じる熱応力によって超音波が発生する。この超音波は
被測定物3の反対側に配置されたマイケルソン干渉計に
表面変位として検出される。マイケルソン干渉計は、干
渉用レーザ4,ハーフミラー5,参照用ミラー6および
光電検出器7によって構成されている。干渉用レーザ4
から出射されたレーザ光は測定光および参照光になり、
測定光は被測定物3に照射され、この反射光が参照光と
干渉する。この干渉光は光電検出器7によって電気信号
に変化され、デジタルオシロスコープ8において観察さ
れる。この観察により、被測定物3の表面の弾性率とい
った所定の物性値が計測される。
The laser light emitted from the excitation laser 1 is intermittently applied to the back surface of the DUT 3 placed in the high temperature furnace 2. Therefore, the DUT 3 is rapidly heated, and ultrasonic waves are generated by the thermal stress generated at this time. This ultrasonic wave is detected as a surface displacement by a Michelson interferometer arranged on the opposite side of the DUT 3. The Michelson interferometer comprises an interference laser 4, a half mirror 5, a reference mirror 6 and a photoelectric detector 7. Laser for interference 4
The laser light emitted from becomes the measurement light and the reference light,
The measurement light is applied to the DUT 3, and the reflected light interferes with the reference light. This interference light is converted into an electric signal by the photoelectric detector 7 and observed by the digital oscilloscope 8. By this observation, a predetermined physical property value such as the elastic modulus of the surface of the DUT 3 is measured.

【0005】第2に、図7に示される装置がある。Second, there is the device shown in FIG.

【0006】干渉用レーザ(He−Neレーザ)11か
らの光は、単一モード光ファイバ12によって干渉対物
レンズ13に導かれる。この光はビームスプリッタ14
によりステージ15上の被測定物16の表面に照射さ
れ、この反射光と参照用ミラー17からの参照光とが干
渉させられる。一方、励起用レーザ(Arレーザ)18
の光は、穴の開いた回転円板からなるチョッパー19で
断続され、多モード光ファイバ20で顕微鏡21に導か
れる。導かれた光はダイクロイックミラー22で反射さ
れ、干渉対物レンズ13によって被測定物16の表面に
集束させられる。干渉計からの光はダイクロイックミラ
ー22を通過後、光電検出器23において光電変換さ
れ、被測定物16の表面の光熱振動変位が計測される。
この光熱振動変位から被測定物16の熱的性質や光吸収
特性等が検出される。
The light from the interference laser (He-Ne laser) 11 is guided to the interference objective lens 13 by the single mode optical fiber 12. This light is emitted from the beam splitter 14
As a result, the surface of the DUT 16 on the stage 15 is irradiated, and the reflected light and the reference light from the reference mirror 17 interfere with each other. On the other hand, pumping laser (Ar laser) 18
Light is interrupted by a chopper 19 made of a rotating disk having holes, and guided to a microscope 21 by a multimode optical fiber 20. The guided light is reflected by the dichroic mirror 22 and focused on the surface of the DUT 16 by the interference objective lens 13. After passing through the dichroic mirror 22, the light from the interferometer is photoelectrically converted by the photoelectric detector 23, and the photothermal vibration displacement of the surface of the DUT 16 is measured.
From this photothermal vibration displacement, the thermal properties, light absorption properties, etc. of the DUT 16 are detected.

【0007】第3に、図8に示される装置がある。Third, there is the device shown in FIG.

【0008】この装置は光へテロダイン干渉法を用いて
さらに高精度な計測を行う装置である。ビームエキスパ
ンダ32は、周波数f0 のレーザ光の径を拡張してハー
フミラー33に入射させる。ハーフミラー33に入射し
たレーザ光の一方は参照光になり、周波数シフタ34を
通過して参照用ミラー35で反射され、その周波数はf
0 +2Δfに偏移させられる。また、他方のレーザ光は
測定光になり、被測定物36に照射させられる。これら
各レーザ光はハーフミラー33で再び結合され、集光レ
ンズ37によって観測面に干渉像が形成される。この干
渉像は、測定用光電検出器38および参照用光電検出器
39が観測面下で走査され、位相計40に各信号が取り
込まれることによって観察される。そして、基準点の信
号と比較することにより、λ/100程度の精度で計測
が行える。
This device is a device for performing more accurate measurement by using the optical heterodyne interferometry. The beam expander 32 expands the diameter of the laser light of frequency f 0 and makes it enter the half mirror 33. One of the laser lights incident on the half mirror 33 becomes reference light, passes through the frequency shifter 34, and is reflected by the reference mirror 35, and its frequency is f.
It is shifted to 0 + 2Δf. Further, the other laser light becomes measurement light and is irradiated on the DUT 36. These laser lights are combined again by the half mirror 33, and an interference image is formed on the observation surface by the condenser lens 37. This interference image is observed when the measurement photoelectric detector 38 and the reference photoelectric detector 39 are scanned under the observation surface and each signal is captured by the phase meter 40. Then, by comparing with the signal at the reference point, the measurement can be performed with an accuracy of about λ / 100.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の第1および第2の装置においては、いずれもレーザ
源からビーム状のレーザ光が出射されているため、被測
定試料にはポイント状に光が照射されている。従って、
被測定試料のあるポイント部の変形が測定されるだけで
ある。一定の範囲を持つ2次元領域における物体の変形
を測定するには、被測定試料へのレーザ照射およびこの
レーザ光を検出する光検出部を走査する必要がある。こ
のため、装置に走査系が必要になり、また、2次元変形
を測定するのに時間がかかってしまう。
However, in each of the above-mentioned first and second conventional devices, a beam-shaped laser beam is emitted from the laser source, so that the point-like light beam is emitted to the sample to be measured. Is being irradiated. Therefore,
Only the deformation of a certain point part of the measured sample is measured. In order to measure the deformation of an object in a two-dimensional area having a certain range, it is necessary to irradiate a sample to be measured with laser and scan a photodetector for detecting this laser light. Therefore, a scanning system is required for the device, and it takes time to measure the two-dimensional deformation.

【0010】また、上記従来の第3の装置においては、
レーザ光源から出力されるレーザ光の径が広げられてい
るため、上記のようにレーザ光を走査する必要はない。
しかし、干渉像が形成される観察面下において、レーザ
光を検出する光電検出器を走査する必要がある。従っ
て、この第3の装置においても、機械的走査が必要にな
り、測定に時間がかかってしまう。
Further, in the above-mentioned third conventional device,
Since the diameter of the laser light output from the laser light source is widened, it is not necessary to scan the laser light as described above.
However, it is necessary to scan the photoelectric detector that detects the laser light below the observation surface where the interference image is formed. Therefore, also in the third device, mechanical scanning is required, and the measurement takes time.

【0011】また、上記従来の各装置においては、半導
体ウエハ等の光を反射する試料についてしか変形測定を
行うことができないといった問題もあった。
Further, in each of the above-mentioned conventional devices, there is a problem that the deformation measurement can be performed only on a sample such as a semiconductor wafer that reflects light.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解消するためになされたもので、被測定物にレーザ光
を照射して被測定物の表面に変位を生じさせるレーザ光
源と、被測定物表面についての第1の2次元的光位相情
報を第1の2次元的光位相情報信号に変換する第1のヘ
テロダイン干渉手段と、第1のヘテロダイン干渉手段に
より変換された所定の時間的な搬送周波数にのった被測
定物表面についての第1の2次元的光位相情報信号の一
部を、所定の時間的な搬送周波数にのった基準となる第
2の2次元的光位相情報信号に変換する第2のヘテロダ
イン干渉手段と、第1及び第2の光ヘテロダイン干渉手
段からの第1及び第2の2次元的信号を2次元的2値化
光情報にそれぞれ変換する第1及び第2の2値化手段
と、第1及び第2の2値化手段からの2次元的2値化光
情報の相互の間の2次元的論理積光信号を与える演算手
段と、演算手段から出力される2次元的論理積光信号を
積分する積分手段とを備えて2次元変形検出装置を構成
したものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and a laser light source for irradiating a laser beam on a measured object to cause displacement on the surface of the measured object, First heterodyne interference means for converting the first two-dimensional optical phase information about the surface of the object to be measured into a first two-dimensional optical phase information signal, and a predetermined time converted by the first heterodyne interference means A part of the first two-dimensional optical phase information signal on the surface of the object to be measured having a specific carrier frequency is used as a reference second two-dimensional optical signal having a predetermined temporal carrier frequency. A second heterodyne interfering means for converting into a phase information signal and a first heterodyne interfering means for converting the first and second two-dimensional signals from the first and second optical heterodyne interfering means into two-dimensional binarized optical information, respectively. First and second binarizing means, and first and second binarizing means Arithmetic means for giving a two-dimensional logical product optical signal between the two-dimensional binary optical information from the quantizing means, and integrating means for integrating the two-dimensional logical product optical signal output from the arithmetic means. The two-dimensional deformation detection device is configured by including.

【0013】また、被測定物が光散乱物体の場合に、被
測定面の後方に光非吸収媒体および光反射物体を設けた
ものである。
When the object to be measured is a light scattering object, a light non-absorbing medium and a light reflecting object are provided behind the surface to be measured.

【0014】[0014]

【作用】被測定物の表面に生じた変位は、第1及び第2
の所定の時間的な搬送周波数にのった第1及び第2の2
次元的信号の位相差として検出される。
Function: The displacement generated on the surface of the object to be measured is the first and second
Of the first and second two on the predetermined temporal carrier frequency of
It is detected as the phase difference of the dimensional signal.

【0015】また、被測定面の後方に光非吸収媒体およ
び光反射物体を設けることにより、光散乱物体の表面変
位は光非吸収媒体を介して効率良く反射物体に伝搬され
る。
Further, by providing the light non-absorbing medium and the light reflecting object behind the surface to be measured, the surface displacement of the light scattering object is efficiently propagated to the reflecting object via the light non-absorbing medium.

【0016】[0016]

【実施例】図1は本発明の一実施例による2次元変形検
出装置の全体を示す構成図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a block diagram showing the entire two-dimensional deformation detecting apparatus according to an embodiment of the present invention.

【0017】本実施例による2次元変形検出装置は、第
1及び第2の光へテロダイン干渉手段51,52、第1
及び第2のしきい値素子53,54、ビームスプリッタ
55、光論理積演算手段56、2次元積分素子57およ
びレーザ光源58から構成されている。
The two-dimensional deformation detecting apparatus according to the present embodiment comprises the first and second optical heterodyne interference means 51, 52 and the first optical heterodyne interference means 51, 52.
And a second threshold value element 53, 54, a beam splitter 55, an optical logical product calculating means 56, a two-dimensional integrating element 57 and a laser light source 58.

【0018】レーザ光源58は励起用レーザ59および
集光レンズ60からなり、被測定物61にレーザ光を照
射して被測定物61の表面に変位を生じさせる。第1の
光ヘテロダイン干渉手段51は、被測定物61の被測定
表面についての第1の2次元的光位相情報を所定の時間
的な搬送周波数にのった第1の2次元的信号に変換す
る。第2の光ヘテロダイン干渉手段52は、基準になる
第2の2次元的光位相情報を所定の時間的な搬送周波数
にのった第2の2次元的信号に変換する。第1及び第2
のしきい値素子53,54は、第1及び第2の光ヘテロ
ダイン干渉手段51,52からの第1及び第2の2次元
的信号を2次元的2値化光情報にそれぞれ変換する。光
論理演算素子56は、第1及び第2のしきい値素子5
3,54からの2次元的2値化光情報をビームスプリッ
タ55を介して取り込み、各2値化光情報相互間の2次
元的論理積光信号を生成する。2次元積分素子57は、
光論理演算素子56から出力される2次元的論理積光信
号を積分する。
The laser light source 58 comprises an exciting laser 59 and a condenser lens 60, and irradiates the object 61 to be measured with laser light to cause displacement on the surface of the object 61. The first optical heterodyne interfering means 51 converts the first two-dimensional optical phase information about the measured surface of the measured object 61 into a first two-dimensional signal having a predetermined temporal carrier frequency. To do. The second optical heterodyne interference means 52 converts the reference second two-dimensional optical phase information into a second two-dimensional signal having a predetermined temporal carrier frequency. First and second
Of the threshold elements 53 and 54 convert the first and second two-dimensional signals from the first and second optical heterodyne interference means 51 and 52 into two-dimensional binarized optical information, respectively. The optical logical operation element 56 includes the first and second threshold elements 5
The two-dimensional binarized optical information from 3, 54 is taken in via the beam splitter 55, and a two-dimensional logical product optical signal between the respective binarized optical information is generated. The two-dimensional integration element 57 is
The two-dimensional logical product optical signal output from the optical logical operation element 56 is integrated.

【0019】被測定物61は通常半導体ウエハ等の被測
定表面が鏡面に磨かれた反射物体であるが、反射物体の
みならず非鏡面の光散乱物体であっても構わない。ただ
し、この場合には、図2に示されるように、非鏡面の散
乱物体68の被測定面の後方に光非吸収媒体69および
ミラー等の光反射物体70を設け、さらに、光反射物体
70の後方をガラス71で覆う。このように被測定物で
ある散乱物体68の被測定面と反射物体70とを非吸収
媒体69を介して貼り付ける構成をとることにより、散
乱物体68の表面変位は効率よく反射物体に反射され、
この反射光を測定光とすることが可能になる。
The object 61 to be measured is usually a reflecting object such as a semiconductor wafer whose surface to be measured is mirror-polished, but it may be a non-specular light-scattering object as well as a reflecting object. However, in this case, as shown in FIG. 2, a light non-absorbing medium 69 and a light reflecting object 70 such as a mirror are provided behind the surface to be measured of the non-mirror-like scattering object 68, and further, the light reflecting object 70. Is covered with glass 71. In this way, the surface displacement of the scattering object 68 is efficiently reflected by the reflecting object by adopting a configuration in which the measured surface of the scattering object 68, which is the object to be measured, and the reflecting object 70 are attached via the non-absorbing medium 69. ,
This reflected light can be used as the measurement light.

【0020】図1の励起用レーザ59はCO2 レーザに
よって構成されている。このCO2レーザが駆動用コン
トローラの制御を受けることにより、励起用レーザ59
は波長10.6μm,出力3W程度のレーザ光を5kH
zの周期で断続的に発振する。発振したレーザ光は焦点
距離f100の集光レンズ60によってφ20程度のビ
ーム径に拡大され、被測定物61に照射される。被測定
物61はこのレーザ光照射によって熱を発生し、被測定
表面が膨脹・収縮を繰り返して超音波を発生する。この
膨脹・収縮によって被測定表面に光熱振動変位が生じ、
この光熱振動変位の空間的分布、すなわち2次元変形を
計測することにより、被測定表面下の微細構造や欠陥の
検出を行なうことが可能になる。例えば、この2次元変
形は図3に示される。同図(a)は、レーザ光Lが被測
定物61に照射される前の状態を示している。同図
(b)は、レーザ光Lが被測定物61の裏面に照射さ
れ、レーザ光Lの被測定表面に光熱振動変位を生じて湾
曲した状態を示している。この光熱振動変位の空間的分
布から、被測定物61の内部には欠陥が存在しないこと
が確認される。また、同図(c)は、被測定物61の内
部に欠陥が存在する場合の被測定表面を示している。レ
ーザ光Lの照射によって試料の裏面に生じた熱,超音波
の試料表面への伝搬に不均一性が現れ、欠陥部に対応し
たへこみが被測定表面に生じている。
The excitation laser 59 shown in FIG. 1 is a CO 2 laser. When this CO 2 laser is controlled by the drive controller, the excitation laser 59
Is a laser beam with a wavelength of 10.6 μm and an output of 3 W at 5 kHz
It oscillates intermittently in the cycle of z. The oscillated laser light is expanded to a beam diameter of about φ20 by a condenser lens 60 having a focal length f100, and is radiated to the DUT 61. The object 61 to be measured generates heat by this laser light irradiation, and the surface to be measured repeatedly expands and contracts to generate ultrasonic waves. This expansion / contraction causes photothermal vibration displacement on the surface to be measured,
By measuring the spatial distribution of this photothermal vibration displacement, that is, the two-dimensional deformation, it becomes possible to detect the fine structure and defects under the surface to be measured. For example, this two-dimensional deformation is shown in FIG. FIG. 9A shows a state before the laser beam L is irradiated on the DUT 61. FIG. 3B shows a state in which the back surface of the object 61 to be measured is irradiated with the laser light L, and the surface to be measured of the laser light L undergoes photothermal vibration displacement and is curved. From the spatial distribution of this photothermal vibration displacement, it is confirmed that no defect exists inside the DUT 61. Further, FIG. 7C shows the surface to be measured when a defect exists inside the object 61 to be measured. Non-uniformity appears in the propagation of heat and ultrasonic waves generated on the back surface of the sample due to the irradiation of the laser beam L to the surface of the sample, and a dent corresponding to the defect occurs on the surface to be measured.

【0021】図1の第1の光ヘテロダイン干渉手段51
としては、図8に示した従来の光ヘテロダイン干渉計を
流用することができる。光干渉計の干渉用レーザ62に
は、波長632.8nm、出力1mWのHe−Neレー
ザが使用されている。干渉用レーザ62から出射された
ビーム状のレーザ光は、スペイシャルフィルター63と
焦点距離f300のコリメートレンズ64で平行光に変
換される。変換された平行光の一部はハーフミラー65
によって干渉計の参照ミラー66に反射される。参照ミ
ラー66の手前には、電圧を印加することによってレー
ザ光の周波数がΔf変化する音響光学変調器(AOM:
acousto optical modulator )67が設けられている。
レーザ光がハーフミラー65から反射してきてまた元に
戻っていくと、レーザ光には2Δfの周波数変化が生
じ、この周波数変化した光が参照光になる。また、コリ
メートレンズ64からの平行光の一部はハーフミラー6
5をそのまま透過し、被測定物61に測定光として照射
される。つまり、測定には周波数の違う2種のレーザ光
を用いることになり、本実施例による装置はいわゆる光
へテロダイン干渉計を応用した装置ということになる。
The first optical heterodyne interference means 51 of FIG.
For this, the conventional optical heterodyne interferometer shown in FIG. 8 can be used. A He-Ne laser having a wavelength of 632.8 nm and an output of 1 mW is used as the interference laser 62 of the optical interferometer. The beam-shaped laser light emitted from the interference laser 62 is converted into parallel light by the spatial filter 63 and the collimator lens 64 having the focal length f300. A part of the converted parallel light is a half mirror 65.
Is reflected by the reference mirror 66 of the interferometer. In front of the reference mirror 66, an acousto-optic modulator (AOM: AOM: AFM) whose frequency changes by Δf by applying a voltage.
acousto optical modulator) 67 is provided.
When the laser light is reflected from the half mirror 65 and returns to the original state, a frequency change of 2Δf occurs in the laser light, and the light having the changed frequency becomes the reference light. In addition, part of the parallel light from the collimator lens 64 is partially reflected by the half mirror 6.
5 is transmitted as it is, and the DUT 61 is irradiated with the measurement light. That is, two types of laser light having different frequencies are used for measurement, and the device according to this embodiment is a device to which a so-called optical heterodyne interferometer is applied.

【0022】ここで、2次元的光位相情報を2次元的信
号に変換するためのへテロダイン干渉法の原理について
以下に簡単に説明する。観測面の任意のx軸上について
考えてみる。
Here, the principle of the heterodyne interferometry for converting the two-dimensional optical phase information into a two-dimensional signal will be briefly described below. Consider on the arbitrary x-axis of the observation plane.

【0023】被測定物61の被測定表面の2次元的光位
相情報はしきい値素子53の表面に投影され、投影され
たこの観測面上の任意の点xにおける時刻tでの被測定
物61からの測定光と参照ミラー66からの参照光と
は、それぞれ次のように表される。
The two-dimensional optical phase information of the surface to be measured of the object to be measured 61 is projected on the surface of the threshold element 53, and the object to be measured at time t at an arbitrary point x on the projected surface. The measurement light from 61 and the reference light from the reference mirror 66 are expressed as follows, respectively.

【0024】 Ur (t)=ur ・exp{i〔2π(f0 +2Δf)t+φr 〕} U0 (x,t)=u0 (x)・exp{i〔2πf0 t+φ0 (x)〕} ここで、Ur 及びφr は、それぞれ参照光の振幅及び位
相を表す。また、U0(x)及びφ0 (x)は、それぞ
れ測定光の振幅及び位相を表す。したがって、点xで検
出される光の強度は次の式で与えられる。
U r (t) = u r · exp {i [2π (f 0 + 2Δf) t + φ r ]} U 0 (x, t) = u 0 (x) · exp {i [2πf 0 t + φ 0 (x )]} Here, U r and φ r represent the amplitude and phase of the reference light, respectively. Further, U 0 (x) and φ 0 (x) represent the amplitude and phase of the measurement light, respectively. Therefore, the intensity of the light detected at the point x is given by the following equation.

【0025】 I(x,t)=|Ur (t)+U0 (x,t)|2 =ur 2 +u0 (x)2 + 2ur ・u0 (x)cos〔4πΔft+φr −φ0 (x)〕 この式から分かるように、検出光の強度は、測定光と参
照光との差の周波数2Δfで正弦波状に変化し、その位
相φr −φ0 (x)は両レーザ光の間の光位相差(波長
単位の光路長差)になっている。つまり、両レーザ光の
光位相差を、強度変調された時間的搬送波の位相差に変
換することができる。
I (x, t) = | U r (t) + U 0 (x, t) | 2 = u r 2 + u 0 (x) 2 + 2u r · u 0 (x) cos [4πΔft + φ r −φ 0 (x)] As can be seen from this equation, the intensity of the detection light changes sinusoidally at the frequency 2Δf of the difference between the measurement light and the reference light, and the phase φ r −φ 0 (x) is the same for both laser lights. Optical phase difference between them (optical path length difference in wavelength units). That is, the optical phase difference between the two laser beams can be converted into the phase difference between the intensity-modulated temporal carriers.

【0026】以上の説明は、x軸に沿った位相差の変換
に関するものであるが、観測面内においてx軸に垂直な
る方向を有するy軸方向に関しても同様の原理で光位相
差から強度変調の位相差への変換が可能である。この結
果、2次元的光位相情報を所定の時間的な搬送周波数に
のった2次元的信号に変換することができる。
The above description relates to the conversion of the phase difference along the x-axis, but in the y-axis direction having the direction perpendicular to the x-axis in the observation plane, the intensity modulation from the optical phase difference is performed by the same principle. Can be converted into a phase difference of. As a result, the two-dimensional optical phase information can be converted into a two-dimensional signal having a predetermined temporal carrier frequency.

【0027】第1の光ヘテロダイン干渉手段51から出
力された第1の2次元的信号IN1は、ハーフミラー7
2を介してしきい値素子53に投影される。しきい値素
子53の表面のある1点に注視してみると、第1の2次
元的信号IN1は、AOM67による干渉縞の流れのた
め、図4に示されるように光強度が時間的に正弦波状に
変化している。この2次元的信号IN1は例えば非線形
エタロンゲートアレイからなるしきい値素子53を通過
することによって所定の光強度値を境に2値化され、2
次元的2値化光情報TH1に変換される。このため、信
号波形は正弦波形から矩形波形に変化する。
The first two-dimensional signal IN1 output from the first optical heterodyne interfering means 51 is the half mirror 7.
2 to the threshold element 53. Focusing on a certain point on the surface of the threshold element 53, the first two-dimensional signal IN1 has a temporal light intensity as shown in FIG. 4 due to the flow of interference fringes due to the AOM 67. It changes like a sine wave. The two-dimensional signal IN1 is binarized at a predetermined light intensity value by passing through a threshold element 53 formed of, for example, a nonlinear etalon gate array,
It is converted into three-dimensional binarized optical information TH1. Therefore, the signal waveform changes from a sine waveform to a rectangular waveform.

【0028】一方、第2の光ヘテロダイン干渉手段52
は、第1の光へテロダイン干渉手段51から出力される
2次元的信号IN1の1点の情報を2次元的に一様に拡
大し、これを第2の2次元的信号すなわち基準信号とし
て出力する。なお、第1の干渉手段51の出力ではなく
とも他の干渉計出力を用いても同様な基準信号が生成さ
れる。ハーフミラー72で一部反射された光出力は、ア
パーチャ73に形成された穴を介して取り込まれ、スペ
イシャルフィルタ74によってビーム径が拡大される。
ビーム径が拡大されたレーザ光はさらにコリメートレン
ズ75によって平行光に変換される。この平行光は基準
信号となる第2の2次元的信号IN2であり、全反射ミ
ラー76,77によって定められた光路を経てしきい値
素子54に投影される。この2次元的信号IN2は、時
間とともに流れる干渉縞の1点の情報を第1の干渉手段
51から取り出しているため、しきい値素子面上のどの
点をとってみても光強度は図4に示される正弦波形にな
り、素子平面上は全く同じ情報が生じている。この2次
元的信号IN2は非線形エタロンゲートアレイ等からな
るしきい値素子54を通過することによって光強度が2
値化され、図4に示される矩形波形をした第2の2次元
的2値化光情報TH2に変換される。
On the other hand, the second optical heterodyne interference means 52
The information of one point of the two-dimensional signal IN1 output from the first optical heterodyne interference means 51 is two-dimensionally uniformly expanded, and this is output as a second two-dimensional signal, that is, a reference signal. To do. It should be noted that the same reference signal is generated by using the output of another interferometer instead of the output of the first interfering means 51. The light output partially reflected by the half mirror 72 is taken in through a hole formed in the aperture 73, and the beam diameter is expanded by the spatial filter 74.
The laser light whose beam diameter has been expanded is further converted into parallel light by the collimator lens 75. This parallel light is the second two-dimensional signal IN2 that serves as a reference signal, and is projected on the threshold element 54 through the optical path defined by the total reflection mirrors 76 and 77. In this two-dimensional signal IN2, since the information of one point of the interference fringes flowing with time is taken out from the first interference means 51, the light intensity is shown in FIG. The sinusoidal waveform shown in Fig. 3 is obtained, and exactly the same information is generated on the element plane. This two-dimensional signal IN2 passes through a threshold element 54 composed of a non-linear etalon gate array, etc.
It is binarized and converted into the second two-dimensional binarized optical information TH2 having the rectangular waveform shown in FIG.

【0029】各しきい値素子53,54から出射された
2次元的2値化光情報TH1,TH2は、キュームビー
ムスプリッタ55で結合されて光論理演算素子56に入
射される。この光論理演算素子56は非線形エタロンゲ
ートアレイ等からなり、2次元的2値化光情報TH1,
TH2の各点における光論理積(信号光AND)をと
り、2次元的論理光信号を生成して積分素子57へ出力
する。この信号光ANDは例えば図4に示されるものと
なる。積分素子57は2次元CCDアレイ等で構成さ
れ、2次元的論理光信号を積分する。つまり、論理演算
素子56から出射される2次元的論理積光信号が各点ご
とに平坦化され、第1の干渉手段51の出力および第2
の干渉手段52の出力の光位相情報の位相差が、これら
の位相差に対応した電荷分布として検出される。この電
荷分布は例えば図4に示される信号INTに示される。
すなわち、この電荷分布は被測定物61の表面の凹凸分
布に対応している。
The two-dimensional binarized optical information TH1 and TH2 emitted from the threshold elements 53 and 54 are combined by the cum beam splitter 55 and are incident on the optical logical operation element 56. The optical logical operation element 56 is composed of a non-linear etalon gate array or the like, and the two-dimensional binarized optical information TH1,
The optical logical product (signal light AND) at each point of TH2 is taken to generate a two-dimensional logical light signal and output it to the integrating element 57. This signal light AND is, for example, as shown in FIG. The integrating element 57 is composed of a two-dimensional CCD array or the like and integrates the two-dimensional logical light signal. That is, the two-dimensional logical product optical signal emitted from the logical operation element 56 is flattened at each point, and the output of the first interference unit 51 and the second
The phase difference of the optical phase information output from the interference means 52 is detected as a charge distribution corresponding to these phase differences. This charge distribution is shown in the signal INT shown in FIG. 4, for example.
That is, this charge distribution corresponds to the unevenness distribution on the surface of the DUT 61.

【0030】この凹凸分布計測の測定精度については、
一組の干渉縞を100分割しても検出可能と見積もる
と、λ/100程度、つまり、数nmの精度までは測定
可能である。
Regarding the measurement accuracy of this uneven distribution measurement,
If it is estimated that detection is possible even if one set of interference fringes is divided into 100, it is possible to measure up to about λ / 100, that is, an accuracy of several nm.

【0031】このように本実施例による2次元変形検出
装置によれば、被測定物61の表面に生じた変位は、第
1及び第2の所定の時間的な搬送周波数にのった第1及
び第2の2次元的信号の位相差として検出される。この
ため、被測定物61の表面変位は2次元的に非接触、無
侵襲で計測することが可能になる。また、被測定面の後
方に光非吸収媒体69および光反射物体70を設けるこ
とにより、光散乱物体の表面変位は光非吸収媒体69を
介して効率良く反射物体70に伝搬される。このため、
本実施例による装置によれば、被測定物61が光散乱物
体であっても試料表面の2次元変形が計測可能となる。
As described above, according to the two-dimensional deformation detecting apparatus of the present embodiment, the displacement generated on the surface of the DUT 61 is the first and second predetermined temporal carrier frequencies. And the phase difference of the second two-dimensional signal. Therefore, the surface displacement of the DUT 61 can be two-dimensionally measured in a non-contact and non-invasive manner. By providing the light non-absorbing medium 69 and the light reflecting object 70 behind the surface to be measured, the surface displacement of the light scattering object is efficiently propagated to the reflecting object 70 via the light non absorbing medium 69. For this reason,
According to the apparatus of this embodiment, the two-dimensional deformation of the sample surface can be measured even if the DUT 61 is a light scattering object.

【0032】なお、上記実施例の説明では、被測定物6
1に照射する励起用レーザ59にCO2 レーザを用いた
が、このCO2 レーザに限定する必要はなく、Qスイッ
チNd:YAGレーザや高出力半導体レーザの外部変調
を利用したもの、つまり、高出力あるいはピークパワー
の高いレーザであればよい。また、しきい値素子53,
54及び論理演算素子56として、非線形エタロンゲー
トアレイの他、例えば空間光変調管(MSLM)、液晶
空間光変調管(LCLV)等を用いた2次元光双安定素
子を使用することができる。また、積分素子57とし
て、CCDアレイの他様々な2次元光検出装置の使用が
可能であることはいうまでもない。これら各場合におい
ても、上記実施例と同様な効果が奏される。
In the above description of the embodiment, the DUT 6
Although the CO 2 laser was used as the excitation laser 59 for irradiating the laser beam on the first laser beam, it is not necessary to limit to this CO 2 laser, and a laser using external modulation of a Q-switch Nd: YAG laser or a high-power semiconductor laser, that is, a high Any laser with high output or peak power may be used. In addition, the threshold element 53,
As the 54 and the logical operation element 56, a two-dimensional optical bistable element using, for example, a spatial light modulator (MSLM), a liquid crystal spatial light modulator (LCLV) or the like can be used in addition to the nonlinear etalon gate array. Needless to say, various two-dimensional photodetectors other than the CCD array can be used as the integrating element 57. In each of these cases, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

【0033】また、被測定物61に照射する励起用レー
ザ光は、干渉計を構成している反射側から照射する構成
をとってもよく、上記実施例と同様な効果が奏される。
Further, the excitation laser light with which the DUT 61 is irradiated may be irradiated from the reflection side constituting the interferometer, and the same effect as that of the above-mentioned embodiment can be obtained.

【0034】次に、本発明の他の実施例による2次元変
形検出装置について説明する。
Next, a two-dimensional deformation detecting device according to another embodiment of the present invention will be described.

【0035】図5はこの装置の概略を示す構成図であ
り、図1と同一または相当する部分については同符号を
用いてその説明は省略する。なお、同図において、第1
の光へテロダイン干渉手段51およびレーザ光源58の
記載は省いている。
FIG. 5 is a block diagram showing the outline of this apparatus. The same or corresponding parts as in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof is omitted. In the figure, the first
The description of the optical heterodyne interference means 51 and the laser light source 58 is omitted.

【0036】第1の干渉手段および第2の干渉手段が設
けられ、2次元的信号および基準信号を2値化させて積
分する光学系の構成については、上記実施例と同様であ
る。しかし、以下の構成の違いがある。つまり、干渉計
の検出側にはホログラム80が設けられている。被測定
物61に励起用レーザが照射されていない状態の検出光
をホログラム80に記録しておき、励起用レーザが照射
されると、ホログラム80上にはモアレ縞が観測され
る。AOM67によって参照光の周波数を変化させると
モアレ縞が流れて行き、被測定物61の内部に欠陥が存
在していると、モアレ縞の流れ方に変化が現れる。この
変化が被測定物61の内部欠陥として光検出される。
The structure of the optical system which is provided with the first interference means and the second interference means and binarizes and integrates the two-dimensional signal and the reference signal is the same as that of the above-mentioned embodiment. However, there are the following configuration differences. That is, the hologram 80 is provided on the detection side of the interferometer. When the detection light in a state where the excitation laser is not applied to the DUT 61 is recorded in the hologram 80 and the excitation laser is applied, moire fringes are observed on the hologram 80. When the frequency of the reference light is changed by the AOM 67, moire fringes flow, and when there is a defect inside the DUT 61, a change appears in the way the moiré fringes flow. This change is optically detected as an internal defect of the DUT 61.

【0037】上記各実施例によれば、物体の物性・欠陥
等の内部情報、表面情報を非接触,無侵襲に2次元的に
検出・評価する装置が提供される。
According to each of the above-mentioned embodiments, there is provided a device for two-dimensionally detecting and evaluating internal information such as physical properties and defects of an object and surface information in a non-contact and non-invasive manner.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
測定物の表面に生じた変位は、第1及び第2の所定の時
間的な搬送周波数にのった第1及び第2の2次元的信号
の位相差として検出される。従って、光ヘテロダイン干
渉手段からの第1及び第2の2次元的信号を並列的に処
理し、第1及び第2の2次元的信号の位相差を得ること
により、被測定物表面の2次元変形は、非接触、無侵襲
に、しかも、高精度かつ高速に検出される。
As described above, according to the present invention, the displacement generated on the surface of the object to be measured has the first and second predetermined temporal carrier frequencies. It is detected as a phase difference between two-dimensional signals. Therefore, by processing the first and second two-dimensional signals from the optical heterodyne interference means in parallel and obtaining the phase difference between the first and second two-dimensional signals, the two-dimensional surface of the DUT is measured. The deformation is detected in a non-contact, non-invasive manner, with high accuracy and at high speed.

【0039】また、被測定面の後方に光非吸収媒体およ
び光反射物体を設けることにより、光散乱物体の表面変
位は光非吸収媒体を介して効率良く反射物体に伝搬され
る。このため、光散乱物体に対しても2次元変形の検出
が可能になる。
By providing the light non-absorbing medium and the light reflecting object behind the surface to be measured, the surface displacement of the light scattering object is efficiently propagated to the reflecting object via the light non-absorbing medium. Therefore, it is possible to detect the two-dimensional deformation of the light scattering object.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例による2次元変形検出装置の
概略を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a two-dimensional deformation detection device according to an embodiment of the present invention.

【図2】光散乱物体を被測定物とする場合にこの光散乱
物体を干渉計に取り付けるための構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram for attaching the light scattering object to an interferometer when the light scattering object is an object to be measured.

【図3】励起用レーザ照射前後の被測定物の表面変位の
一例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a surface displacement of an object to be measured before and after irradiation with an excitation laser.

【図4】本実施例による装置各部における信号波形を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a signal waveform in each part of the apparatus according to the present embodiment.

【図5】本発明の他の実施例によるホログラムを用いた
2次元変形検出装置の概略を示す構成図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a two-dimensional deformation detection device using a hologram according to another embodiment of the present invention.

【図6】表面変位を検出して物体の物性値を計測する従
来の第1の2次元変形検出装置の構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram of a first conventional two-dimensional deformation detection device that detects a surface displacement and measures a physical property value of an object.

【図7】光熱振動変位を測定して物体の熱的性質や光吸
収等を計測する従来の第2の2次元変形検出装置の構成
図である。
FIG. 7 is a configuration diagram of a second conventional two-dimensional deformation detection device that measures photothermal vibration displacement to measure thermal properties, light absorption, and the like of an object.

【図8】光へテロダイン干渉計を用いた従来の第3の2
次元変形検出装置の構成図である。
FIG. 8 is a third conventional example using an optical heterodyne interferometer.
It is a block diagram of a dimensional deformation detection apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

51,52…第1,第2の光ヘテロダイン干渉手段、5
3,54…第1,第2のしきい値素子、55…ビームス
プリッタ、56…光論理演算素子、57…積分素子、5
8…レーザ光源、59…励起用レーザ、60…集光レン
ズ、61…被測定物、62…干渉用レーザ、63…スペ
イシャルフィルタ、64…コリメートレンズ、65…ハ
ーフミラー、66…参照ミラー、67…音響光学変調器
(AOM)。
51, 52 ... First and second optical heterodyne interference means, 5
3, 54 ... First and second threshold elements, 55 ... Beam splitter, 56 ... Optical logic operation element, 57 ... Integrating element, 5
8 ... Laser light source, 59 ... Excitation laser, 60 ... Focusing lens, 61 ... Object to be measured, 62 ... Interference laser, 63 ... Spatial filter, 64 ... Collimating lens, 65 ... Half mirror, 66 ... Reference mirror, 67 ... Acousto-optic modulator (AOM).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 勉 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−69110(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tsutomu Hara 1 126-1, Nomachi, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture, Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (56) References JP-A-62-69110 (JP, A)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被測定物にレーザ光を照射して前記被測
定物の表面に変位を生じさせるレーザ光源と、 前記被測定物表面についての第1の2次元的光位相情報
を第1の2次元的光位相情報信号に変換する第1のヘテ
ロダイン干渉手段と、 前記第1のヘテロダイン干渉手段により変換された所定
の時間的な搬送周波数にのった被測定物表面についての
前記第1の2次元的光位相情報信号の一部を、前記所定
の時間的な搬送周並数にのった基準となる第2の2次元
的光位相情報信号に変換する第2のヘテロダイン干渉手
段と、 前記第1及び第2の光ヘテロダイン干渉手段からの前記
第1及び第2の2次元的信号を2次元的2値化光情報に
それぞれ変換する第1及び第2の2値化手段と前記第1
及び第2の2値化手段からの前記2次元的2値化光情報
の相互の間の2次元的論理積光信号を与える演算手段
と、 前記演算手段から出力される前記2次元的論理積光信号
を積分する積分手段とを備えたことを特徴とする2次元
変形検出装置。
1. A laser light source for irradiating a measured object with a laser beam to generate a displacement on the surface of the measured object, and first two-dimensional optical phase information on the surface of the measured object.
To convert the light into a first two-dimensional optical phase information signal
Rhodyne interfering means and a predetermined one converted by the first heterodyne interfering means
Of the surface of the DUT on the time carrier frequency of
A part of the first two-dimensional optical phase information signal is set to the predetermined value.
Second two-dimensional reference that is based on the number of parallel transport laps in time
Second heterodyne interferometer for converting to optical phase information signal
And first and second binarizing means for converting the first and second two-dimensional signals from the first and second optical heterodyne interfering means into two-dimensional binarized optical information, respectively. And the first
And a computing means for providing a two-dimensional AND optical signal between the two-dimensional binary optical information from the second binarizing means, and the two-dimensional logical product output from the computing means. A two-dimensional deformation detecting device comprising: an integrating means for integrating an optical signal.
【請求項2】 被測定物が光散乱物体の場合に、被測定
面の後方に光非吸収媒体および光反射物体を設けること
を特徴とする請求項1記載の2次元変形検出装
2. The two-dimensional deformation detecting device according to claim 1, wherein when the object to be measured is a light scattering object, a non-light absorbing medium and a light reflecting object are provided behind the surface to be measured .
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