JP2553276B2 - 3波長光学測定装置及び方法 - Google Patents
3波長光学測定装置及び方法Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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-
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- G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
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-
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-
- G—PHYSICS
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- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/266—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means
-
- G—PHYSICS
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- G—PHYSICS
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Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光学的測定に関し、特に
サブ・ナノメータの測定分解能を得るために、2つの合
成波長と1つの光波長を使用する光学測定装置に関す
る。
サブ・ナノメータの測定分解能を得るために、2つの合
成波長と1つの光波長を使用する光学測定装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】インターフェロメトリー(interf
erometry)を用いて光測定装置の測定範囲を広
げる周知の方法の一つは、2つの異なる波長の干渉位相
を測定する方法である。
erometry)を用いて光測定装置の測定範囲を広
げる周知の方法の一つは、2つの異なる波長の干渉位相
を測定する方法である。
【0003】単色光が2ビーム干渉計内で干渉すると
き、その強度出力は二乗法則検出器(square−l
aw)によって測定されると、次に示すようにhの関数
に比例する。
き、その強度出力は二乗法則検出器(square−l
aw)によって測定されると、次に示すようにhの関数
に比例する。
【0004】 h(mx)=cos2 (πm) (1) ここでmは実数で、この明細書ではフリンジ・オーダ
(fring order)として参照され、一方のビ
ームに対する他方の相対位相の1/2π倍に比例する。
2ビーム間の光経路差は、次のようにフリンジ・オーダ
に関係する。
(fring order)として参照され、一方のビ
ームに対する他方の相対位相の1/2π倍に比例する。
2ビーム間の光経路差は、次のようにフリンジ・オーダ
に関係する。
【0005】 L=mλ/2 (2) ここで、Lは光経路の片道距離の差で、屈折率を含み、
λは真空波長である。hは周期的関数で、mの整数部は
式(1)を反転することによって決定できない。一般に
インターフェロメトリーはフリンジ・オーダの分数部分
f(m)のみを提供し、その結果、絶対値ではなく長さ
Lの変化のみが直接測定できる。フリンジ・オーダのこ
の整数に関する曖昧性により、干渉計の性能が多くの応
用で制限される。
λは真空波長である。hは周期的関数で、mの整数部は
式(1)を反転することによって決定できない。一般に
インターフェロメトリーはフリンジ・オーダの分数部分
f(m)のみを提供し、その結果、絶対値ではなく長さ
Lの変化のみが直接測定できる。フリンジ・オーダのこ
の整数に関する曖昧性により、干渉計の性能が多くの応
用で制限される。
【0006】多色、つまり複数波長のインターフェロメ
トリーは、mの整数部を測定するので、全長Lが真空波
長に関して高い精度で直接測定できる。
トリーは、mの整数部を測定するので、全長Lが真空波
長に関して高い精度で直接測定できる。
【0007】多数波長のインターフェロメトリーから長
さを判断する分析処理は、様々の形で存在する。このよ
うな処理方法の一つには合成波の概念を使用するもであ
り、これは干渉計内の一対の波長の位相測定値の差に対
応する。
さを判断する分析処理は、様々の形で存在する。このよ
うな処理方法の一つには合成波の概念を使用するもであ
り、これは干渉計内の一対の波長の位相測定値の差に対
応する。
【0008】例えば、3つの光波長λ1 、λ2 、及びλ
3 を考える。ここには次に定義される3つの可能な合成
波長が存在する。
3 を考える。ここには次に定義される3つの可能な合成
波長が存在する。
【0009】 1/Λij=1/λi −1/λj , λj >λi (3) 合成波長は波長λi 、λj の対を適切に選択することに
より、可視光波長に比べて非常に長くできる。これに対
応する合成フリンジ・オーダMijは、光フリンジ・オー
ダmi 及びmj の差から得られる。
より、可視光波長に比べて非常に長くできる。これに対
応する合成フリンジ・オーダMijは、光フリンジ・オー
ダmi 及びmj の差から得られる。
【0010】 Mij=mi −mj (4) 長さLは合成波測定値から次のように計算できる。
【0011】 L=(MijΛij)/2 (5) 合成波長が長いほど、、Mijの値の整数曖昧性によるエ
ラーを生じることなく適合できる距離Lの範囲は大き
い。反対に、Lの測定値の精度は、比較的短い合成波を
使用することで最適なものとなる。
ラーを生じることなく適合できる距離Lの範囲は大き
い。反対に、Lの測定値の精度は、比較的短い合成波を
使用することで最適なものとなる。
【0012】次の従来例は、一般的な2波長干渉計の様
々の特徴を述べている。
々の特徴を述べている。
【0013】1989年5月23日に発行された米国特
許出願 No.4,832,489、発明者J.C.ヤ
ンツ他(J.C.Wyant et al.,)によっ
て、非球面(aspheric surfacs)表面
のような、険しい表面形状を再構成する2つのレーザ源
を用いる2波長位相シフト干渉計が開示されている。
許出願 No.4,832,489、発明者J.C.ヤ
ンツ他(J.C.Wyant et al.,)によっ
て、非球面(aspheric surfacs)表面
のような、険しい表面形状を再構成する2つのレーザ源
を用いる2波長位相シフト干渉計が開示されている。
【0014】次の例は表面プロフィルメトリー(pro
filometry)の合成波を使用するときの様々の
特徴を検討している。
filometry)の合成波を使用するときの様々の
特徴を検討している。
【0015】“2波長位相シフト干渉計(Contou
ring Aspheric Surfaces Us
ing Two−Wavelength Phase−
Shifting Interferometry)”
クリース、チャン及びヤンツ(K.Creath,Y.
Cheng,and J.Wyant)による、オプテ
ィカ・アクタ(Optica Acta)、1985、
Vol.32,No.12,1455〜1464には、
アルゴン・イオンレーザ及びHe−Neレーザを使用す
る2波長ホログラフィが開示されている。アルゴンイオ
ン・レーザ(0.4880マイクロメータ又は0.51
45マイクロメータ)による2つの波長が、He−Ne
レーザによる単波長(0.6328マイクロメータ)と
結合され、2.13マイクロメータ及び2.75マイク
ロメータの波長を発生した。被服されていないテスト表
面は干渉計の一つの腕に配置され、干渉が100×10
0のダイオードアレイを使用して記録された。
ring Aspheric Surfaces Us
ing Two−Wavelength Phase−
Shifting Interferometry)”
クリース、チャン及びヤンツ(K.Creath,Y.
Cheng,and J.Wyant)による、オプテ
ィカ・アクタ(Optica Acta)、1985、
Vol.32,No.12,1455〜1464には、
アルゴン・イオンレーザ及びHe−Neレーザを使用す
る2波長ホログラフィが開示されている。アルゴンイオ
ン・レーザ(0.4880マイクロメータ又は0.51
45マイクロメータ)による2つの波長が、He−Ne
レーザによる単波長(0.6328マイクロメータ)と
結合され、2.13マイクロメータ及び2.75マイク
ロメータの波長を発生した。被服されていないテスト表
面は干渉計の一つの腕に配置され、干渉が100×10
0のダイオードアレイを使用して記録された。
【0016】ウイリアム及びウィックラマシン(C.W
illiams andH.Wickramasing
he)による”200−nm分解能を有する絶対光範
囲”(“Absolute Optical Rang
ing with 200−nm Resolutio
n”Optics Letters,Vol.14,N
o.11,1989年6月1日)には、波長多重干渉計
による測定及び集積回路構造に適用される表面形状の光
学的測定が開示されている。GaAlAs単一モード・
ダイオード・レーザが光源として使用されている。
illiams andH.Wickramasing
he)による”200−nm分解能を有する絶対光範
囲”(“Absolute Optical Rang
ing with 200−nm Resolutio
n”Optics Letters,Vol.14,N
o.11,1989年6月1日)には、波長多重干渉計
による測定及び集積回路構造に適用される表面形状の光
学的測定が開示されている。GaAlAs単一モード・
ダイオード・レーザが光源として使用されている。
【0017】“単一周波数ダイオードレーザを使用する
2波長走査点干渉計”(“Two−wavelengt
h scanning spot interfero
meter using single−freque
ncy diode lasers” A.J.de
Boef,Appl.Opt.,Vol.27、No.
2、1988年1月15日(306−311))では、
2つの単一周波数レーザダイオードを荒い表面の形状を
測定するために使用する技術が開示されている。その2
つの波長は時分割されるのではなく、連続波であった。
2波長走査点干渉計”(“Two−wavelengt
h scanning spot interfero
meter using single−freque
ncy diode lasers” A.J.de
Boef,Appl.Opt.,Vol.27、No.
2、1988年1月15日(306−311))では、
2つの単一周波数レーザダイオードを荒い表面の形状を
測定するために使用する技術が開示されている。その2
つの波長は時分割されるのではなく、連続波であった。
【0018】“モード・ホピングのダイオードレーザを
用いて荒い表面に適用される2波長のスペックル・イン
ターフェロメトリー”(“Two−Wavelengt
hSpeckle Interferometry o
n Rough Surfaces Using aM
ode Hopping Diode Laser”b
y A.Fercher,U.Vry and W.W
erner,Optics and Lasers i
n Engineering 11,(1989)pa
ges 271〜279)では、単一モード・ダイオー
ドからなる時分割された2波長源が説明され、そのダイ
オードは2つの接近する発振モードの間をスイッチング
された。そのスイッチングはポンプ電流変調(pomp
−current modulation)付近の領域
に熱的に調整されたダイオードを用いた、いわゆる“モ
ード・ホップ(mode−hop)”によって達成され
た。この領域はダイオード出力が、ある波長出力から他
の波長に容易に切り替われる領域である。この技術はグ
ランド・レンズ(ground lens)表面の形状
測定を可能にしたと言われている。
用いて荒い表面に適用される2波長のスペックル・イン
ターフェロメトリー”(“Two−Wavelengt
hSpeckle Interferometry o
n Rough Surfaces Using aM
ode Hopping Diode Laser”b
y A.Fercher,U.Vry and W.W
erner,Optics and Lasers i
n Engineering 11,(1989)pa
ges 271〜279)では、単一モード・ダイオー
ドからなる時分割された2波長源が説明され、そのダイ
オードは2つの接近する発振モードの間をスイッチング
された。そのスイッチングはポンプ電流変調(pomp
−current modulation)付近の領域
に熱的に調整されたダイオードを用いた、いわゆる“モ
ード・ホップ(mode−hop)”によって達成され
た。この領域はダイオード出力が、ある波長出力から他
の波長に容易に切り替われる領域である。この技術はグ
ランド・レンズ(ground lens)表面の形状
測定を可能にしたと言われている。
【0019】前述のように、合成波長が長いほど、合成
波長フリンジ・オーダ(Mij)の値の中の整数の曖昧性
によるエラーを生じることなく適合できる距離(L)の
範囲は広くなる。しかし、Lの測定精度は、短い合成波
が使用されたときに最も高い。
波長フリンジ・オーダ(Mij)の値の中の整数の曖昧性
によるエラーを生じることなく適合できる距離(L)の
範囲は広くなる。しかし、Lの測定精度は、短い合成波
が使用されたときに最も高い。
【0020】従って、この発明の目的は、異なるサイズ
の複数の合成波を使用する光学測定装置を提供すること
である。
の複数の合成波を使用する光学測定装置を提供すること
である。
【0021】更にこの発明の目的は、異なるサイズの複
数の合成波を使用する光学測定装置であって、その合成
波は2つのレーザダイオードから放出される3つの波長
の光から得られ、そのダイオードの内、少なくとも一つ
はマルチモード・レーザダイオードである測定装置を提
供することである。
数の合成波を使用する光学測定装置であって、その合成
波は2つのレーザダイオードから放出される3つの波長
の光から得られ、そのダイオードの内、少なくとも一つ
はマルチモード・レーザダイオードである測定装置を提
供することである。
【0022】更にこの発明の他の目的は、異なるサイズ
の複数の合成波を使用する光学測定装置であって、長い
合成波長によって可能となるダイナミック・レンジを維
持しながら、徐々に短い波長の合成波を使用して測定の
精度を向上する光学測定装置を提供することである。
の複数の合成波を使用する光学測定装置であって、長い
合成波長によって可能となるダイナミック・レンジを維
持しながら、徐々に短い波長の合成波を使用して測定の
精度を向上する光学測定装置を提供することである。
【0023】
【課題を解決するための手段と作用】前述の問題及び他
の問題は、本発明の光学測定を実行する方法及び装置に
よって克服され、その目的は達成される。本発明方法及
び前述の問題を克服する装置の第1のステップでは、複
数の光波長を有する光出力が発生される。次のステップ
ではその出力を変調して、位相変調された参照ビーム及
び測定ビームが提供され、これらのビームは互いに直角
に偏光される。測定ビームは少なくとも1つの表面の方
向に向いており、又、その表面を反射する。この後のス
テップでは、位相変調された参照ビーム及び反射した測
定ビームが結合ビームに結合される。次のステップで
は、その結合ビーム内の3つの光波長の偏光状態に従っ
て、参照ビームの光経路の長さと、測定ビームの光経路
の長さの差が検出される。この経路長の差は絶対距離L
を表す。
の問題は、本発明の光学測定を実行する方法及び装置に
よって克服され、その目的は達成される。本発明方法及
び前述の問題を克服する装置の第1のステップでは、複
数の光波長を有する光出力が発生される。次のステップ
ではその出力を変調して、位相変調された参照ビーム及
び測定ビームが提供され、これらのビームは互いに直角
に偏光される。測定ビームは少なくとも1つの表面の方
向に向いており、又、その表面を反射する。この後のス
テップでは、位相変調された参照ビーム及び反射した測
定ビームが結合ビームに結合される。次のステップで
は、その結合ビーム内の3つの光波長の偏光状態に従っ
て、参照ビームの光経路の長さと、測定ビームの光経路
の長さの差が検出される。この経路長の差は絶対距離L
を表す。
【0024】本発明は光学測定システムを提供し、その
システムでは固定偏光の3つの光波長が2つのビーム
(OB及びRB)に分割され、これらビームは理想的に
概ね同一の光経路長を有する。2つのビームは再結合さ
れて、各波長の強度を測定するセンサに供給される。
システムでは固定偏光の3つの光波長が2つのビーム
(OB及びRB)に分割され、これらビームは理想的に
概ね同一の光経路長を有する。2つのビームは再結合さ
れて、各波長の強度を測定するセンサに供給される。
【0025】更にこの発明では、複数のマルチモード・
レーザダイオードが提供され、これらダイオードは3つ
の光波長を発生する。2つの合成波は、3つの光波長か
ら得られる。この合成波長のサイズは異なり、そして、
長い合成波長を使用することによって可能な大きなダイ
ナミックレンジを維持しながら、徐々に短い波長の合成
波長を使用して、測定精度が向上される。
レーザダイオードが提供され、これらダイオードは3つ
の光波長を発生する。2つの合成波は、3つの光波長か
ら得られる。この合成波長のサイズは異なり、そして、
長い合成波長を使用することによって可能な大きなダイ
ナミックレンジを維持しながら、徐々に短い波長の合成
波長を使用して、測定精度が向上される。
【0026】
【実施例】図1(a)は3波長、つまり3色の光計測シ
ステム1である。このシステムは本発明の実施例に従っ
て構成され、そして動作する。システム1は3波長源1
0を含み、これは2つのマルチモード・ダイオード12
及び14、コリメート光学系(collimating
optics)12a及び14a、ミラー12b、1
4b、及び光分離部15を好適に含む。レーザダイオー
ド12及び14は同時に動作し、従って同時に3波長を
提供する。各レーザダイオード12及び14から放出さ
れる光は光ファイバー16を介して位相変調、2ビーム
偏光干渉計光学系18に伝送される。反射した目的のビ
ーム(測定ビームとしても参照される)、及び参照ビー
ムは再結合され、光ファイバー16を介して回析格子2
0に帰還する。検出器22、24及び26は、焦点光学
系21を介して格子20によって提供される分離波長を
獲得する位置に設けられ、3つの異なる波長の強度を測
定する。プロセッサ28はフリンジ・オーダを計算し、
物体表面までの絶対距離(L)を判断する。
ステム1である。このシステムは本発明の実施例に従っ
て構成され、そして動作する。システム1は3波長源1
0を含み、これは2つのマルチモード・ダイオード12
及び14、コリメート光学系(collimating
optics)12a及び14a、ミラー12b、1
4b、及び光分離部15を好適に含む。レーザダイオー
ド12及び14は同時に動作し、従って同時に3波長を
提供する。各レーザダイオード12及び14から放出さ
れる光は光ファイバー16を介して位相変調、2ビーム
偏光干渉計光学系18に伝送される。反射した目的のビ
ーム(測定ビームとしても参照される)、及び参照ビー
ムは再結合され、光ファイバー16を介して回析格子2
0に帰還する。検出器22、24及び26は、焦点光学
系21を介して格子20によって提供される分離波長を
獲得する位置に設けられ、3つの異なる波長の強度を測
定する。プロセッサ28はフリンジ・オーダを計算し、
物体表面までの絶対距離(L)を判断する。
【0027】図1(b)のグラフから判るように、3波
長干渉計システム1において、スペクトル範囲758n
m以内の2つの異なる波長(λ1、λ2)が選択され、
Λ12=720マイクロメータの第1合成波長が得ら
れ、及びλ1により815nm領域からの第3波長λ3
と結合され、十分に短い合成波長Λ13=20マイクロ
メータが発生する。Λ13=20マイクロメータの合成
波長に要求されるレーザ波長分解能は32nmで、この
値は代表的なレーザダイオード出力の0.3nmモード
の分解能に比べて長い波長である。従って、異なる中心
波長の2つのダイオードが必要となる。原則として、3
つの波長のみが使用されるので、1つのレーザダイオー
ドはマルチモード素子で、他のダイオードは単一モード
素子でよい。しかし、単一モードのレーザダイオードに
関する不要なモード・ホッピングが避けられるときに
は、2つのマルチモード・レーザダイオードを使用する
のが望ましい。2つの適切なマルチモード・レーザダイ
オードは、シャープ(Sharp)のLT010MDO
及びLT023MDOレーザダイオード素子である。
長干渉計システム1において、スペクトル範囲758n
m以内の2つの異なる波長(λ1、λ2)が選択され、
Λ12=720マイクロメータの第1合成波長が得ら
れ、及びλ1により815nm領域からの第3波長λ3
と結合され、十分に短い合成波長Λ13=20マイクロ
メータが発生する。Λ13=20マイクロメータの合成
波長に要求されるレーザ波長分解能は32nmで、この
値は代表的なレーザダイオード出力の0.3nmモード
の分解能に比べて長い波長である。従って、異なる中心
波長の2つのダイオードが必要となる。原則として、3
つの波長のみが使用されるので、1つのレーザダイオー
ドはマルチモード素子で、他のダイオードは単一モード
素子でよい。しかし、単一モードのレーザダイオードに
関する不要なモード・ホッピングが避けられるときに
は、2つのマルチモード・レーザダイオードを使用する
のが望ましい。2つの適切なマルチモード・レーザダイ
オードは、シャープ(Sharp)のLT010MDO
及びLT023MDOレーザダイオード素子である。
【0028】光ファイバー16によって、レーザダイオ
ード12及び14の出力光は空間濾波され、干渉計光学
系18が異なる測定用途で容易に搭載できるようにな
る。光ファイバー16からの光は光学素子17によって
目的の表面に焦点を結び、目的ビーム(OB)、そして
参照ビーム(RB)に分離される。参照ビームRBは反
射器19を介して、ピエゾ電気トランスジューサー(p
iezo−electrical transduce
r)18bに結合されるようにミラー18aの方向付け
られる。ミラー18aはトランスジューサー18bによ
って発振し、参照ビームRBを位相変調する。概ね0か
ら約1000MHzの範囲の適当な発振周波数が使用さ
れるが、本発明はこの範囲に制限されるものではない。
例えば、カー・セル(Kerr cell)などの電気
・光装置を、十分に大きな率の発振を達成するのに使用
できる。OB及びRBは偏光ビーム分光器18cによっ
て与えられる直交する固定偏光である。その結果、2つ
のビームが反射の後にファイバー16に再結合される
と、結果的な偏光ベクトルは位相変調を伴って回転す
る。干渉計光学系18からの光は、光ファイバー16を
介して、光ファイバー16の端部にある偏光ビーム分光
器30に戻される。反射光はビーム分光器30を通過し
た後で分析される。光は回折格子20によってその構成
波長に分離され、結合された光スペクトルが空間内の一
連の異なる点として現れるようになる。検出器22、2
4、及び26は、3つの各波長に関する強度を検出する
ために、それら空間的に異なる点に配置される。干渉計
光学系18の位相変調器としての動作は、波長に依存
し、及び位相に依存する振幅変調放射光を生じる。
ード12及び14の出力光は空間濾波され、干渉計光学
系18が異なる測定用途で容易に搭載できるようにな
る。光ファイバー16からの光は光学素子17によって
目的の表面に焦点を結び、目的ビーム(OB)、そして
参照ビーム(RB)に分離される。参照ビームRBは反
射器19を介して、ピエゾ電気トランスジューサー(p
iezo−electrical transduce
r)18bに結合されるようにミラー18aの方向付け
られる。ミラー18aはトランスジューサー18bによ
って発振し、参照ビームRBを位相変調する。概ね0か
ら約1000MHzの範囲の適当な発振周波数が使用さ
れるが、本発明はこの範囲に制限されるものではない。
例えば、カー・セル(Kerr cell)などの電気
・光装置を、十分に大きな率の発振を達成するのに使用
できる。OB及びRBは偏光ビーム分光器18cによっ
て与えられる直交する固定偏光である。その結果、2つ
のビームが反射の後にファイバー16に再結合される
と、結果的な偏光ベクトルは位相変調を伴って回転す
る。干渉計光学系18からの光は、光ファイバー16を
介して、光ファイバー16の端部にある偏光ビーム分光
器30に戻される。反射光はビーム分光器30を通過し
た後で分析される。光は回折格子20によってその構成
波長に分離され、結合された光スペクトルが空間内の一
連の異なる点として現れるようになる。検出器22、2
4、及び26は、3つの各波長に関する強度を検出する
ために、それら空間的に異なる点に配置される。干渉計
光学系18の位相変調器としての動作は、波長に依存
し、及び位相に依存する振幅変調放射光を生じる。
【0029】このように本発明により光計測システムが
提供され、そのシステムでは固定偏光の3つの波長は、
実質的に同一の光学経路長を有する2つのビーム(OB
及びRB)に分割される。2つのビームは再結合され、
各波長の強度を測定するセンサに供給される。更に、セ
ンサ/検出器・光学系及び干渉計光学系は、光ファイバ
ー16を使用して互いに機械的にデカップル(deco
uple)できる。
提供され、そのシステムでは固定偏光の3つの波長は、
実質的に同一の光学経路長を有する2つのビーム(OB
及びRB)に分割される。2つのビームは再結合され、
各波長の強度を測定するセンサに供給される。更に、セ
ンサ/検出器・光学系及び干渉計光学系は、光ファイバ
ー16を使用して互いに機械的にデカップル(deco
uple)できる。
【0030】プロセッサ28は3つの検出器22、2
4、及び26によって測定される強度を記録する一方
で、干渉計光学系18の位相変調を動的に制御できる。
又、位相変調器は固定レートで動作でき、プロセッサ2
8は、サンプルのグループに適用される周知の統計方法
を用いることができる。どの場合でも、適切な位相変調
アルゴリズムが、3つの波長λi に対応する光学フリン
ジ・オーダ(m)を決定するのに使用される。適切な位
相変調アルゴリズムの1つは、5ポイント・アルゴリズ
ムで、ハリハン、オリーブ、エイジュ(P.Harih
an,B.F.Oreb and T.Eiju in
Appl.Opt.262504(1986))によ
って説明されている。以下に説明される式(6)、式
(7)及び式(8)を含む長さの計算はソフトウエアで
実行され、その結果はオペレータに表示でき、及び(又
は)ディスクに格納できる。光学経路長の変化は、3つ
の各波長での相対干渉位相の検出の後、式(2)、
(6)、(7)、及び(8)を適用することにより測定
される。
4、及び26によって測定される強度を記録する一方
で、干渉計光学系18の位相変調を動的に制御できる。
又、位相変調器は固定レートで動作でき、プロセッサ2
8は、サンプルのグループに適用される周知の統計方法
を用いることができる。どの場合でも、適切な位相変調
アルゴリズムが、3つの波長λi に対応する光学フリン
ジ・オーダ(m)を決定するのに使用される。適切な位
相変調アルゴリズムの1つは、5ポイント・アルゴリズ
ムで、ハリハン、オリーブ、エイジュ(P.Harih
an,B.F.Oreb and T.Eiju in
Appl.Opt.262504(1986))によ
って説明されている。以下に説明される式(6)、式
(7)及び式(8)を含む長さの計算はソフトウエアで
実行され、その結果はオペレータに表示でき、及び(又
は)ディスクに格納できる。光学経路長の変化は、3つ
の各波長での相対干渉位相の検出の後、式(2)、
(6)、(7)、及び(8)を適用することにより測定
される。
【0031】図1(a)には示していないが、システム
1は更にレーザダイオードの電力供給、熱電冷却器(t
hermoelectric coolers)、及び
検出器出力をプロセッサ28に結合するアナログ入力イ
ンターフェースを含む。 Λ12<1/Δm(Λ13/4−L/2(ΔΛ12/Λ12+ΔΛ13/Λ 13)) (9) 及び、 Λ13<1/Δm(λ/4−L/2(Δλ13/Λ13+ΔΛ/λ))+λ (10) ここで不定値Δm、Δλ、ΔΛ12、及びΔΛ13は各
々、パラメータm、λ、Λ12、及びΛ13内のどれか
1つの可能性のあるエラーの最大絶対値である。図2
に、図1(a)の3波長干渉計システム1によって行わ
れる高分解能変位測定値を示す。目的物体は、物体のミ
ラーの後ろに搭載されたピエゾ電気的トランスジューサ
ーによって、干渉計光学系18に向かってゆっくりと移
動した。測定の再現性は0.5nmであった。
1は更にレーザダイオードの電力供給、熱電冷却器(t
hermoelectric coolers)、及び
検出器出力をプロセッサ28に結合するアナログ入力イ
ンターフェースを含む。 Λ12<1/Δm(Λ13/4−L/2(ΔΛ12/Λ12+ΔΛ13/Λ 13)) (9) 及び、 Λ13<1/Δm(λ/4−L/2(Δλ13/Λ13+ΔΛ/λ))+λ (10) ここで不定値Δm、Δλ、ΔΛ12、及びΔΛ13は各
々、パラメータm、λ、Λ12、及びΛ13内のどれか
1つの可能性のあるエラーの最大絶対値である。図2
に、図1(a)の3波長干渉計システム1によって行わ
れる高分解能変位測定値を示す。目的物体は、物体のミ
ラーの後ろに搭載されたピエゾ電気的トランスジューサ
ーによって、干渉計光学系18に向かってゆっくりと移
動した。測定の再現性は0.5nmであった。
【0032】本発明の特徴は、3つの波長λ1 <λ2 <
λ3 及び2つの対応する合成波長Λ12>Λ13が考えられ
ていることである。干渉計の分解能を用いて絶対距離L
を測定する処理を次に示す。
λ3 及び2つの対応する合成波長Λ12>Λ13が考えられ
ていることである。干渉計の分解能を用いて絶対距離L
を測定する処理を次に示す。
【0033】LはΛ12/4より短く、合成フリンジ・オ
ーダM12の整数部は0、及び次式を仮定する。
ーダM12の整数部は0、及び次式を仮定する。
【0034】 M12=f(M12)=f(m1 )−f(m2 ) (6) 干渉計のフリンジ・オーダmi の分数部分f(mi )は
式(1)を反転することにより、又はこれと同等の位相
検出アルゴリズムを実行することにより得られる。次の
ステップでは、短い合成波長Λ13を使用して、測定精度
を向上させる。次に示す式はM13の計算にM12を使用
し、整数の曖昧性はない。
式(1)を反転することにより、又はこれと同等の位相
検出アルゴリズムを実行することにより得られる。次の
ステップでは、短い合成波長Λ13を使用して、測定精度
を向上させる。次に示す式はM13の計算にM12を使用
し、整数の曖昧性はない。
【0035】 M13=f(M13)+I((M12Λ12/Λ13)−f(M13)) (7) 式(7)に表される関数I(a)は対象となるaに最も
近い整数を与える。光学フリンジ・オーダm1 はこれよ
り次式から計算される m1 =f(m1 )+I((M13Λ13/λ1 )−f(m1 )) (8) 最終ステップは式(5)を使用して距離Lを判断する。
Lの測定は従って3ステップの処理として達成される。
ここでM12はM13の計算における整数のフリンジ・オー
ダの曖昧性を排除するのに使用され、M13はm1 の計算
に使用される。この技術により干渉計の精度が向上する
が、従来の単一波長干渉計の整数のフリンジ・オーダの
曖昧性はない。
近い整数を与える。光学フリンジ・オーダm1 はこれよ
り次式から計算される m1 =f(m1 )+I((M13Λ13/λ1 )−f(m1 )) (8) 最終ステップは式(5)を使用して距離Lを判断する。
Lの測定は従って3ステップの処理として達成される。
ここでM12はM13の計算における整数のフリンジ・オー
ダの曖昧性を排除するのに使用され、M13はm1 の計算
に使用される。この技術により干渉計の精度が向上する
が、従来の単一波長干渉計の整数のフリンジ・オーダの
曖昧性はない。
【0036】説明された実施例に関して、最も長い合成
波長は720マイクロメータで、距離Lは0±180マ
イクロメータの絶対数で測定される。Lが0のとき、干
渉計光学系18内の参照ビームと目的ビーム間の光学経
路長の差はない。この±180マイクロメータの範囲以
外のLの値に関して、測定は360マイクロメータの曖
昧性の間隔を有する相対的な値である。しかし、多くの
計測の用途において、測定のこの曖昧性を排除する十分
な技術がある。
波長は720マイクロメータで、距離Lは0±180マ
イクロメータの絶対数で測定される。Lが0のとき、干
渉計光学系18内の参照ビームと目的ビーム間の光学経
路長の差はない。この±180マイクロメータの範囲以
外のLの値に関して、測定は360マイクロメータの曖
昧性の間隔を有する相対的な値である。しかし、多くの
計測の用途において、測定のこの曖昧性を排除する十分
な技術がある。
【0037】合成波長は、式(7)及び式(8)での整
数エラーを生じる可能性を実質的に排除するように選択
されなければならない。この制限により、3波長干渉計
システム1内に使用される合成波長のサイズに関する上
限が設定される。次に示す条件が満足されなけらばなら
ない。
数エラーを生じる可能性を実質的に排除するように選択
されなければならない。この制限により、3波長干渉計
システム1内に使用される合成波長のサイズに関する上
限が設定される。次に示す条件が満足されなけらばなら
ない。
【0038】 Λ12<1/Δm(Λ13/4−L/2(ΔΛ12/Λ12+ΔΛ13/Λ13)) (9) 及び、 Λ13<1/Δm(λ/4−L/2(Δλ13/Λ13+ΔΛ/λ))+λ (10) ここで不定値Δm、Δλ、ΔΛ12、及びΔΛ13は各々、
パラメータm、λ、Λ12、及びΛ13内のどれか1つの可
能性のあるエラーの最大絶対値である。図2に、図1の
3波長干渉計システム1によって行われる高分解能変位
測定値を示す。目的物体は、物体のミラーの後ろに搭載
されたピエゾ電気的トランスジューサーによって、干渉
計光学系18に向かってゆっくりと移動した。測定の再
現性は0.5nmであった。
パラメータm、λ、Λ12、及びΛ13内のどれか1つの可
能性のあるエラーの最大絶対値である。図2に、図1の
3波長干渉計システム1によって行われる高分解能変位
測定値を示す。目的物体は、物体のミラーの後ろに搭載
されたピエゾ電気的トランスジューサーによって、干渉
計光学系18に向かってゆっくりと移動した。測定の再
現性は0.5nmであった。
【0039】図3では、直径7.5cm、f/2の銀箔
を施していないパラボラ・ミラーの中心部1×1cmの
形状を示す。この形状に対する100の独立した測定は
絶対値であった。本発明の3色干渉計システムは従来の
完全アパーチャー干渉計で確認できない特異な地形学的
(topographical)表面及び光学成分の外
形描写に特に適している。
を施していないパラボラ・ミラーの中心部1×1cmの
形状を示す。この形状に対する100の独立した測定は
絶対値であった。本発明の3色干渉計システムは従来の
完全アパーチャー干渉計で確認できない特異な地形学的
(topographical)表面及び光学成分の外
形描写に特に適している。
【0040】100の測定値は絶対値であるから、ミラ
ーがある点から次の点に移動したときに、フリンジの移
動や広帯域位相追跡を実行する必要はない。データ・グ
リッドのエッジ付近の走査の1ミリメータあたりの形状
変化の20マイクロメータの傾斜は、従来の完全アパー
チャーのフリンジ試験干渉計の性能を遥かに越えてい
る。この性能によって、本発明の3波長干渉計システム
は、軸のはずれた(off−axis)非球面及び分割
された光学系のような特異な光学成分の形状計測に特に
有効である。一般に、形状計測の精度は、XYステージ
の平坦性によって決定され、この平坦性は高精度測定に
適合するものでなければならない。又、フィジオ(Fi
zeau)タイプの幾何学を干渉計光学系に使用できる
ので、測定はステージのランダムな機械的運動にあまり
影響されない。
ーがある点から次の点に移動したときに、フリンジの移
動や広帯域位相追跡を実行する必要はない。データ・グ
リッドのエッジ付近の走査の1ミリメータあたりの形状
変化の20マイクロメータの傾斜は、従来の完全アパー
チャーのフリンジ試験干渉計の性能を遥かに越えてい
る。この性能によって、本発明の3波長干渉計システム
は、軸のはずれた(off−axis)非球面及び分割
された光学系のような特異な光学成分の形状計測に特に
有効である。一般に、形状計測の精度は、XYステージ
の平坦性によって決定され、この平坦性は高精度測定に
適合するものでなければならない。又、フィジオ(Fi
zeau)タイプの幾何学を干渉計光学系に使用できる
ので、測定はステージのランダムな機械的運動にあまり
影響されない。
【0041】本発明は特定波長及び特定光学部品につい
て説明されたが、他の波長、及び図面に示される数より
多くの又は少ない光学部品を使用して、同一の結果を得
ることができる。又、様々のレンズ要素が簡単なレンズ
要素として示されたが、これらのレンズは各々複数の光
学部品により構成され、所望の機能を発揮する。従っ
て、本発明は特定の実施例を参照して説明されたが、こ
の発明の範囲及び精神から逸脱することなく、当業者は
修正や変更を施すことができるものである。
て説明されたが、他の波長、及び図面に示される数より
多くの又は少ない光学部品を使用して、同一の結果を得
ることができる。又、様々のレンズ要素が簡単なレンズ
要素として示されたが、これらのレンズは各々複数の光
学部品により構成され、所望の機能を発揮する。従っ
て、本発明は特定の実施例を参照して説明されたが、こ
の発明の範囲及び精神から逸脱することなく、当業者は
修正や変更を施すことができるものである。
【図1】図1は(a)と(b)からなり、図1(a)は
絶対距離及び表面形状の測定を行う3色干渉計の略ブロ
ック図。図1(b)は2つのマルチモード・レーザダイ
オードの結合された光スペクトルを示すグラフ。
絶対距離及び表面形状の測定を行う3色干渉計の略ブロ
ック図。図1(b)は2つのマルチモード・レーザダイ
オードの結合された光スペクトルを示すグラフ。
【図2】図1の3波長干渉計によって実行される高分解
能変位を示すグラフ。
能変位を示すグラフ。
【図3】図1の3波長干渉計を用いて得られる銀にされ
てないパラボラミラーの中心領域を示すグラフ。
てないパラボラミラーの中心領域を示すグラフ。
12・14…マルチモード・ダイオード、12a・14
a…コリーメート光学系、12b・14b…ミラー、1
5…光分離部、16…光ファイバー、18…干渉計光学
系、18c…ミラー、18b…トランスジューサー、2
0…回析格子、22・24・26…検出器、28…プロ
セッサー。
a…コリーメート光学系、12b・14b…ミラー、1
5…光分離部、16…光ファイバー、18…干渉計光学
系、18c…ミラー、18b…トランスジューサー、2
0…回析格子、22・24・26…検出器、28…プロ
セッサー。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−215803(JP,A) 特開 昭62−229004(JP,A) 特開 昭61−155903(JP,A) 特表 昭63−500744(JP,A)
Claims (8)
- 【請求項1】光学的計測装置において、 複数のレーザ手段を含み、少なくとも一つの前記レーザ
手段はマルチモード・レーザダイオードであり、少なく
とも3つの光波長を同時に含む出力ビームを発生する光
源手段と、 前記光源手段に結合され、前記出力ビームを参照ビーム
及び目的物の表面に方向付けられる測定ビームに分割す
る手段と、 前記参照ビームを前記測定ビームに対して位相変調する
手段と、 前記参照ビームと、前記目的物の表面を反射した前記測
定ビームの一部分とを結合して結合ビームを提供する結
合手段と、 前記結合ビーム内の前記3つの光波長から第1合成波
長、及び第2合成波長を得る手段を含み、前記3つの各
光波長での相対的光干渉位相に応答して、前記参照ビー
ムの光経路長と前記測定ビームの光経路長の間の差を検
出する手段と、 を具備することを特徴とする光学的測定装置。 - 【請求項2】前記装置は前記出力ビームを伝送する単一
モード光ファイバーを含むことを特徴とする請求項1記
載の装置。 - 【請求項3】前記装置は複数のフォトディテクタを有
し、各前記フォトディテクタは前記複数のビームの中の
1つのビームを受信するように設けられ、前記ビームの
強度を測定することを特徴とする請求項1記載の装置。 - 【請求項4】前記複数のディテクタの各出力に接続さ
れ、前記ディテクタの出力を処理して前記目的物の表面
の変位を判断する手段を更に具備することを特徴とする
請求項3記載の装置。 - 【請求項5】前記光源手段は少なくとも2つの波長を提
供する第1マルチモード・レーザダイオード手段と、第
3波長を提供する第2レーザダイオード手段を含むこと
を特徴とする請求項1記載の装置。 - 【請求項6】各前記レーザダイオード手段はマルチモー
ド・レーザダイオードであることを特徴とする請求項5
記載の装置。 - 【請求項7】前記分割手段は、前記光源手段の光出力を
受信し、前記参照ビームを前記測定ビームに対して直角
偏光する偏光ビーム分光器手段を含むことを特徴とする
請求項1記載の装置。 - 【請求項8】前記分割手段は、前記測定ビームを前記目
的物の表面に焦点を結ばせる手段を含むことを特徴とす
る請求項1記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US676144 | 1984-11-29 | ||
US07/676,144 US5153669A (en) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | Three wavelength optical measurement apparatus and method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05113316A JPH05113316A (ja) | 1993-05-07 |
JP2553276B2 true JP2553276B2 (ja) | 1996-11-13 |
Family
ID=24713402
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4101774A Expired - Lifetime JP2553276B2 (ja) | 1991-03-27 | 1992-03-27 | 3波長光学測定装置及び方法 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5153669A (ja) |
EP (1) | EP0506297B1 (ja) |
JP (1) | JP2553276B2 (ja) |
KR (1) | KR920018505A (ja) |
DE (1) | DE69216887T2 (ja) |
IL (1) | IL101158A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010261776A (ja) * | 2009-05-01 | 2010-11-18 | Canon Inc | 光波干渉計測装置 |
JP2011122894A (ja) * | 2009-12-09 | 2011-06-23 | Disco Abrasive Syst Ltd | チャックテーブルに保持された被加工物の計測装置およびレーザー加工機 |
Families Citing this family (71)
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US5239366A (en) * | 1992-02-12 | 1993-08-24 | Huges Aircraft Company | Compact laser probe for profilometry |
US5371587A (en) * | 1992-05-06 | 1994-12-06 | The Boeing Company | Chirped synthetic wavelength laser radar |
US5263776A (en) * | 1992-09-25 | 1993-11-23 | International Business Machines Corporation | Multi-wavelength optical thermometry |
US5398113A (en) * | 1993-02-08 | 1995-03-14 | Zygo Corporation | Method and apparatus for surface topography measurement by spatial-frequency analysis of interferograms |
KR970005500B1 (ko) * | 1993-12-28 | 1997-04-16 | 재단법인 한국표준과학연구원 | 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계 및 그를 이용한 길이 측정방법 |
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