JP2990266B1 - Sinusoidal wavelength scanning interferometer and sinusoidal wavelength scanning light source device - Google Patents

Sinusoidal wavelength scanning interferometer and sinusoidal wavelength scanning light source device

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JP2990266B1
JP2990266B1 JP23200398A JP23200398A JP2990266B1 JP 2990266 B1 JP2990266 B1 JP 2990266B1 JP 23200398 A JP23200398 A JP 23200398A JP 23200398 A JP23200398 A JP 23200398A JP 2990266 B1 JP2990266 B1 JP 2990266B1
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修己 佐々木
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Abstract

【要約】 【課題】正弦波状波長走査干渉計により波長以上の光路
差を高精度で測定することができるようにする。 【解決手段】SWS光源装置10からの正弦波状に波長
走査された平行光は、ビームスプリッタ20を介して分
割され、一方の光は圧電素子24によって正弦波正弦波
振動させられるミラー22に入射し、他方の光は被測定
物の測定面に入射する。ミラー22の反射面(参照面)
及び被測定物の測定面で反射された光は、ビームスプリ
ッタ20によって合成され干渉する。このようにして得
られる干渉信号S(t) に基づいて正弦波状に変化する位
相変化を示す信号を求め、この位相変化を示す信号の振
幅及び位相を求める。続いて、前記求めた振幅によって
波長以上の光路差を求め、前記求めた位相によって波長
以下の光路差を求め、これらを組み合わせ波長以上の光
路差を高精度で算出するようにしている。
A sinusoidal wavelength scanning interferometer enables highly accurate measurement of an optical path difference over a wavelength. Kind Code: A1 A parallel light having a sine wave wavelength scanned from a SWS light source device is split via a beam splitter, and one light is incident on a mirror which is oscillated by a piezoelectric element. And the other light is incident on the measurement surface of the object to be measured. Reflecting surface of mirror 22 (reference surface)
The light reflected by the measurement surface of the device under test is combined by the beam splitter 20 and interferes. Based on the interference signal S (t) thus obtained, a signal indicating a phase change that changes sinusoidally is obtained, and the amplitude and phase of the signal indicating the phase change are obtained. Subsequently, an optical path difference of a wavelength or more is obtained based on the obtained amplitude, an optical path difference of a wavelength or less is obtained based on the obtained phase, and an optical path difference of a wavelength or more is calculated with high accuracy.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は正弦波状波長走査干
渉計及び正弦波状波長走査光源装置に係り、特に光波長
以上の光路差を測定する正弦波状波長走査干渉計と、こ
の干渉計に使用する光源として好適な正弦波状波長走査
光源装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sinusoidal wavelength scanning interferometer and a sinusoidal wavelength scanning light source device, and more particularly, to a sinusoidal wavelength scanning interferometer for measuring an optical path difference equal to or longer than an optical wavelength, and to use the interferometer. The present invention relates to a sinusoidal wavelength scanning light source device suitable as a light source.

【0002】[0002]

【従来の技術】光波長以上の光路差を測定するために複
数の光波長を用いる干渉法が最近盛んに研究されてい
る。それらの干渉法として、2波長干渉法、波長走査干
渉法、白色光分散干渉法、白色光干渉法がある。2波長
干渉法では、2波長から作られる合成波長によって光波
長以上の光路差を測定する。波長走査干渉法では、光源
の波長を時間的に走査することによって得られる干渉信
号の位相の時間変化を検出することにより、光波長以上
の光路差を測定する。白色光分散干渉法では、回折格子
などによって各波長に対する干渉を空間的に分離し、各
波長に対する干渉信号の位相を検出することによって光
波長以上の光路差を測定する。
2. Description of the Related Art Interferometry using a plurality of light wavelengths for measuring an optical path difference longer than a light wavelength has been actively studied recently. These interferometry include two-wavelength interferometry, wavelength scanning interferometry, white light dispersion interferometry, and white light interferometry. In the two-wavelength interferometry, an optical path difference that is equal to or longer than the light wavelength is measured using a composite wavelength created from the two wavelengths. In the wavelength scanning interferometry, an optical path difference equal to or longer than an optical wavelength is measured by detecting a temporal change in the phase of an interference signal obtained by temporally scanning the wavelength of a light source. In the white light dispersion interferometry, interference for each wavelength is spatially separated by a diffraction grating or the like, and the optical path difference equal to or longer than the light wavelength is measured by detecting the phase of the interference signal for each wavelength.

【0003】白色光干渉法では、光路差が零となる位置
で干渉縞の可視度が最大となることを利用し、参照面を
機械的に変位させることにより光波長以上の光路差を測
定する。
In the white light interferometry, utilizing the fact that the visibility of interference fringes is maximized at a position where the optical path difference becomes zero, the optical path difference of the light wavelength or more is measured by mechanically displacing the reference surface. .

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、波長走査干
渉計の光源として半導体レーザを使用し、この半導体レ
ーザへの注入電流を変化させることにより、半導体レー
ザからの光の波長を連続的に走査にする波長走査は従来
から広く用いられているが、その走査幅は最大0.1n
m程度と狭く、また、走査される波長の連続性もよくな
く、波長以上の光路差を高精度で測定するには不十分で
あった。
By the way, a semiconductor laser is used as a light source of a wavelength scanning interferometer, and the wavelength of light from the semiconductor laser can be continuously scanned by changing an injection current to the semiconductor laser. Wavelength scanning has been widely used, but its scanning width is 0.1 n at the maximum.
m, and the continuity of the scanned wavelength was not good, and it was insufficient to measure the optical path difference of the wavelength or more with high accuracy.

【0005】本発明の目的は、波長以上の光路差を高精
度で測定することができる正弦波状波長走査干渉計を提
供することにある。本発明の他の目的は、正弦波状に波
長を連続走査する際の走査幅が広く、且つ走査される波
長の連続性もよい光を発生することができる正弦波状波
長走査光源装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a sinusoidal wavelength scanning interferometer capable of measuring an optical path difference of a wavelength or more with high accuracy. Another object of the present invention is to provide a sinusoidal wavelength scanning light source device capable of generating light having a wide scanning width when scanning the wavelength continuously in a sinusoidal shape and having good continuity of the scanned wavelength. It is in.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本願請求項1に係る正弦波状波長走査干渉計は、正
弦波状に波長走査された光を発生する光源と、前記光源
からの光を分割して被測定物の測定面及び参照面で反射
させた後、各反射光を合成して干渉させる干渉光学系
と、前記参照面又は前記被測定物の測定面を正弦波振動
させる正弦波振動手段と、前記干渉光学系によって得ら
れる干渉光を電気的な干渉信号に変換する光電変換手段
と、前記干渉信号に基づいて該干渉信号の正弦波状に変
化する位相変化を示す信号を求め、該位相変化を示す信
号の振幅及び位相を求める手段と、前記求めた振幅及び
位相に基づいて前記被測定物の測定面で反射された光と
前記参照面で反射された光との光路差を算出する光路差
演算手段と、を備えたことを特徴としている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a sinusoidal wavelength scanning interferometer according to the present invention, comprising: a light source for generating light having a sinusoidally wavelength-scanned light; Is divided and reflected on the measurement surface and the reference surface of the device under test, and then an interference optical system that combines and reflects each reflected light, and a sine that vibrates the reference surface or the measurement surface of the device under test with a sine wave. Wave vibration means, photoelectric conversion means for converting the interference light obtained by the interference optical system into an electrical interference signal, and obtaining a signal indicating a sinusoidally changing phase change of the interference signal based on the interference signal Means for determining the amplitude and phase of the signal indicating the phase change, and the optical path difference between the light reflected on the measurement surface of the device under test and the light reflected on the reference surface based on the determined amplitude and phase. Optical path difference calculating means for calculating It is characterized in that.

【0007】前記位相変化を示す信号は、本願請求項2
に示すようにその位相変化を示す信号をφ(t) 、振幅を
b 、位相をα、及び前記正弦波状に波長走査された光
の角周波数をωb とすると、前記信号φ(t) は、次式、 φ(t)=Zbcosωbt+α によって表すことができる。また、前記光路差演算手段
は、本願請求項3に示すように前記振幅Zb に基づいて
光路差Lb を、次式、 Zb =(2πb/λ0 2)Lb (但し、λ0 :前記正弦波状に波長走査された光の中心
波長 b :前記正弦波状に波長走査された光の走査幅) により算出し、前記位相αに基づいて光路差La を、次
式、 α=−(2π/λ0)La により算出し、前記算出して光路差Lb 、La に基づい
て前記被測定物の測定面で反射された光と前記参照面で
反射された光との光路差Lを、次式、 L=mλ0+La (但し、mc=(Lb−La)/λ0 m:mc の小数点以下を四捨五入した正の整数) により算出することを特徴としている。
[0007] The signal indicating the phase change is a signal according to claim 2 of the present application.
Assuming that the signal indicating the phase change is φ (t), the amplitude is Z b , the phase is α, and the angular frequency of the sinusoidally scanned light is ω b , the signal φ (t) can be expressed by the following equation, φ (t) = Z b cosω b t + α. Further, the optical path difference calculating means, the optical path difference L b on the basis of the amplitude Z b as shown in the claims 3, the following equation, Z b = (2πb / λ 0 2) L b ( where, lambda 0 : the central wavelength of the sine wave to wavelength scanning light b: the calculated by sinusoidally wavelength scanning light scanning width), the optical path difference L a on the basis of the phase alpha, equation, alpha = - (2π / λ 0) is calculated by L a, the optical path of the light reflected by the reference surface and light reflected by the measurement surface of the calculation to the optical path difference L b, the object to be measured based on L a the difference L, the following equation, L = mλ 0 + L a ( where, m c = (L b -L a) / λ 0 m: m positive integer obtained by rounding off the decimal point c) as characterized by calculating by I have.

【0008】即ち、前記干渉光学系及び光電変換手段を
介して得られる干渉信号の位相は、正弦波状に変化し、
その振幅Zb は、光路差Lb と、正弦波状に波長走査さ
れた光の走査幅bに比例する。この特性より、位相変化
を示す信号をφ(t)の振幅Zb を求めることにより、
波長以上の光路差Lb を測定することができる。また、
干渉信号の位相の時間平均である位相αは、正弦波状波
長走査を行わない場合の従来の干渉信号の位相であり、
この位相αにより光路差の波長以下の部分の光路差La
が高精度で得られる。そして、これらの光路差Lb 、L
a を組み合わせることにより、波長以上の光路差Lを、
従来の波長以下の光路差の測定精度と同精度で測定する
ことができる。尚、光路差Lb 、La の組み合わせを行
うためには、光路差Lb の測定精度は波長走査される光
の中心波長λ0 の2分の1よりも高い必要があるが、光
路差Lb の測定精度は、波長走査される光の走査幅bに
比例するため、この走査幅bを大きくすることによって
所望の測定精度が得られる。
That is, the phase of the interference signal obtained via the interference optical system and the photoelectric conversion means changes in a sinusoidal manner,
The amplitude Z b is proportional to the optical path difference L b and the scanning width b of the light whose wavelength is scanned sinusoidally. From this characteristic, a signal indicating a phase change is obtained by calculating the amplitude Z b of φ (t),
The optical path difference Lb equal to or longer than the wavelength can be measured. Also,
The phase α, which is the time average of the phase of the interference signal, is the phase of the conventional interference signal when the sinusoidal wavelength scanning is not performed,
Due to this phase α, the optical path difference L a of the portion equal to or smaller than the wavelength of the optical path difference
Can be obtained with high accuracy. Then, these optical path differences L b , L b
By combining a , the optical path difference L equal to or greater than the wavelength
The measurement can be performed with the same accuracy as the conventional measurement accuracy of the optical path difference below the wavelength. The optical path difference L b, in order to perform a combination of L a is the measurement accuracy of the optical path difference L b may be higher than one-half of the central wavelength lambda 0 of the light wavelength scanning, the optical path difference measurement accuracy of L b is proportional to the scanning width b of the light wavelength scanning, the desired measurement accuracy by increasing the scanning width b is obtained.

【0009】本願請求項4に係る正弦波状波長走査光源
は、所定の光スペトクル幅をもつ光を発生する光源と、
前記光源からの平行光を入射し、回折によって1次回折
光を各波長に応じて空間的に分布させる第1の回折格子
と、前記第1の回折格子で回折した1次回折光を各波長
に応じた焦点面の位置に結像させる第1のレンズと、前
記第1のレンズの焦点面の位置に移動自在に配設され、
該焦点面上に分布した各波長の光のうち特定の波長成分
を取り出すためのスリットと、前記スリットを正弦波状
に振動させ、前記スリットによって取り出す光の波長を
正弦波状に走査させるスリット駆動手段と、前記スリッ
トによって取り出された光を平行光にする第2のレンズ
と、前記第2のレンズによって平行光にされた光が入射
され、回折によってすべての波長の1次回折光の伝搬方
向を同一方向にする第2の回折格子と、を備えたことを
特徴としている。前記光源は、本願請求項5に示すよう
にスーパールミネッセントダイオードで適用できる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a sinusoidal wavelength scanning light source that generates light having a predetermined optical spectrum width;
A first diffraction grating that receives parallel light from the light source and spatially distributes the first-order diffracted light according to each wavelength by diffraction, and converts the first-order diffracted light diffracted by the first diffraction grating according to each wavelength. A first lens that forms an image at the position of the focal plane, and a movable lens disposed at the position of the focal plane of the first lens,
A slit for extracting a specific wavelength component of the light of each wavelength distributed on the focal plane, and a slit driving unit for oscillating the slit in a sinusoidal manner and scanning the wavelength of the light to be extracted by the slit in a sinusoidal manner. A second lens that converts the light extracted by the slit into parallel light, and light that has been converted into parallel light by the second lens is incident, and the propagation direction of the first-order diffracted light of all wavelengths is diffracted in the same direction. And a second diffraction grating. The light source can be a super luminescent diode as described in claim 5 of the present application.

【0010】本願請求項4に係る発明によれば、前記光
源からの所定の光スペクトル幅をもつ平行光は第1の回
折格子で回折され、その1次回折光が第1のレンズを介
して該第1のレンズの焦点面に結像され、前記光源の光
スペクトラム分布が得られる。この焦点面に位置するス
リットにより特定の波長成分を取り出す。そして、この
スリットを正弦波状に振動させることにより、正弦波状
に波長走査された光が取り出される。このようにして波
長走査された光は、第2のレンズによって平行光とな
り、更に第2の回折格子により全ての波長の1次回折光
は等しい伝搬方向をもつよう回折される。
According to the invention of claim 4 of the present application, the parallel light having a predetermined light spectrum width from the light source is diffracted by the first diffraction grating, and the first-order diffracted light is transmitted through the first lens. An image is formed on the focal plane of the first lens, and an optical spectrum distribution of the light source is obtained. A specific wavelength component is extracted by the slit located at the focal plane. By vibrating the slit in a sinusoidal manner, light whose wavelength is scanned in a sinusoidal manner is extracted. The light whose wavelength has been scanned in this manner becomes parallel light by the second lens, and the first diffraction light of all wavelengths is diffracted by the second diffraction grating so as to have the same propagation direction.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下添付図面に従って本発明に係
る正弦波状波長走査干渉計及び正弦波状波長走査光源装
置の好ましい実施の形態について詳説する。図1は本発
明に係る正弦波状波長走査(SWS(sinusoidal wavel
ength-scannig))干渉計の実施の形態を示す概略図であ
る。同図に示すように、このSWS干渉計は、マイケル
ソン型の干渉計で、主としてSWS光源装置10と、ビ
ームスプリッタ20と、ミラー22と、光電変換素子2
8と、A/D変換器30と、パソコン32とから構成さ
れている。尚、24はミラー22を正弦波振動させる圧
電素子であり、26は被測定物である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a sinusoidal wavelength scanning interferometer and a sinusoidal wavelength scanning light source device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a sinusoidal wavelength scan (SWS) according to the present invention.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of an interferometer. As shown in FIG. 1, the SWS interferometer is a Michelson-type interferometer, which mainly includes an SWS light source device 10, a beam splitter 20, a mirror 22, and a photoelectric conversion element 2.
8, an A / D converter 30, and a personal computer 32. Incidentally, reference numeral 24 denotes a piezoelectric element for causing the mirror 22 to vibrate in a sine wave, and reference numeral 26 denotes an object to be measured.

【0012】SWS光源装置10は、正弦波状に波長走
査された光を発生するもので、その走査される波長λ
(t) は、次式、
The SWS light source device 10 generates light whose wavelength has been scanned in a sine wave shape.
(t) is

【0013】[0013]

【数1】 λ(t) =λ0+Δλ=λ0+bcosωbt …(1) で表される。即ち、SWS光源装置10からの光は、式
(1) に示すように中心波長λ0 、走査幅b、角周波数ω
b で正弦波状に走査されている。このSWS光源装置1
0からの平行光は、ビームスプリッタ20によって分割
され、分割された一方の光はミラー22の反射面(参照
面)に入射し、ここで反射され、分割された他方の光は
被測定物26の測定面に入射し、ここで反射される。
[Number 1] represented by λ (t) = λ 0 + Δλ = λ 0 + bcosω b t ... (1). That is, the light from the SWS light source device 10 is expressed by the formula
As shown in (1), center wavelength λ 0 , scanning width b, angular frequency ω
It is scanned sinusoidally at b . This SWS light source device 1
The parallel light from 0 is split by the beam splitter 20, and one of the split lights is incident on the reflection surface (reference surface) of the mirror 22, where it is reflected and the other split light is the object to be measured 26. And is reflected here.

【0014】ミラー22の参照面で反射された光と、被
測定物26の測定面で反射された光は、ビームスプリッ
タ20で合成されて干渉し、この干渉光はフォトダイオ
ード等の光電変換素子28に入射し、ここで電気信号
(干渉信号)に変換される。この干渉信号は、A/D変
換器30によってデジタル信号に変換されたのち、パソ
コン32に取り込まれ、ここでミラー22の参照面で反
射された光と被測定物26の測定面で反射された光との
光路差を求めるための処理が行われる。
The light reflected on the reference surface of the mirror 22 and the light reflected on the measurement surface of the device under test 26 are combined by the beam splitter 20 and interfere with each other, and the interference light is converted into a photoelectric conversion element such as a photodiode. 28, where it is converted into an electrical signal (interference signal). The interference signal is converted into a digital signal by the A / D converter 30 and then taken into the personal computer 32, where it is reflected on the reference surface of the mirror 22 and on the measurement surface of the device under test 26. Processing for obtaining an optical path difference from light is performed.

【0015】いま、前記光路差をLとし、波長走査され
る光の中心波長λ0 と走査幅bとが、b≪λ0 の時、波
長走査によって生じる前記干渉信号の位相変化は、次式
で与えられる。
When the optical path difference is L, and the center wavelength λ 0 and the scanning width b of the wavelength-scanned light are b≪λ 0 , the phase change of the interference signal caused by the wavelength scanning is expressed by the following equation. Given by

【0016】[0016]

【数2】 Ψ(t)=2πL/λ(t) =−2π〔Δλ(t)/λ0 2〕L+(2π/λ0)L …(2) また、ミラー22を圧電素子によって振幅a、角周波数
ωc で正弦波状に振動させ、干渉信号に更に正弦波位相
変調を与えると、その干渉信号S(t) は、次式で表現さ
れる。
2 (t) = 2πL / λ (t) = − 2π [Δλ (t) / λ 0 2 ] L + (2π / λ 0 ) L (2) Further, the amplitude a of the mirror 22 is controlled by a piezoelectric element. When the sinusoidal oscillation is performed at the angular frequency ω c and the sinusoidal phase modulation is further applied to the interference signal, the interference signal S (t) is expressed by the following equation.

【0017】[0017]

【数3】 S(t)=M(t)+M(t)Vcos(Zccosωct+Zbcos ωbt+α)…(3) [Number 3] S (t) = M (t ) + M (t) Vcos (Z c cosω c t + Z b cos ω b t + α) ... (3)

【0018】[0018]

【数4】 但し、Zc=(4π/λ0)a、 Zb=(2πb/λ0 2)Lb 、α=−(2π/λ0)La …(4) 尚、式(3) において、M(t) はSWS光源装置10から
の光の強度変化を示し、Vは干渉光のコントラストを示
す可視度である。
Where Z c = (4π / λ 0 ) a, Z b = (2πb / λ 0 2 ) L b , α = − (2π / λ 0 ) L a (4) In (), M (t) indicates a change in the intensity of light from the SWS light source device 10, and V is a visibility indicating the contrast of the interference light.

【0019】さて、パソコン32は、上記干渉信号S
(t) を所定のサンプリング周波数(8×ωc /2π)で
取り込み、2重正弦波位相変調干渉法にしたがってフー
リエ変換を用いて干渉信号S(t) を処理することによ
り、次式に示す干渉信号S(t) の位相変化を示す信号φ
(t) を求める。
Now, the personal computer 32 transmits the interference signal S
By taking (t) at a predetermined sampling frequency (8 × ω c / 2π) and processing the interference signal S (t) using Fourier transform according to the double sine wave phase modulation interferometry, the following equation is obtained. A signal φ indicating a phase change of the interference signal S (t)
Find (t).

【0020】[0020]

【数5】φ(t) =Zbcosωbt+α …(5) 続いて、この信号φ(t) の振幅Zb と位相αを求める。
b の値は、信号φ(t) をフーリエ変換し、ωb の成分
の振幅から求め、αの値は、信号φ(t) の時間平均によ
って求めることができる。
Equation 5] φ (t) = Z b cosω b t + α ... (5) Then, determining the amplitude Z b and phase alpha of the signal phi (t).
The value of Z b can be obtained from the amplitude of the component of ω b by Fourier transforming the signal φ (t), and the value of α can be obtained by the time average of the signal φ (t).

【0021】式(4) に示した比例定数 (2πb/λ0 2)
、(2π/λ0)が既知であれば、前記求めたZb の値
から光路差Lb を求めることができ、αの値から光路差
aを求めることができる。尚、αの値は、−πからπ
の範囲で求まるので、La の値は−λ0 /2からλ0
2の範囲となる。いま、光路差Lb に含まれる波長λ0
の次数をmとすると、光路差Lは、次式
The proportional constant (2πb / λ 0 2 ) shown in equation (4)
If (2π / λ 0) is known, it is possible to determine the optical path difference L b from the value of the obtained Z b, it is possible to obtain the optical path difference L a from the value of alpha. Note that the value of α is from −π to π
Since determined in the range of the values of L a is 1-? 0/2 from lambda 0 /
2 range. Now, the wavelength λ 0 included in the optical path difference L b
Is m, the optical path difference L is

【0022】[0022]

【数6】L=mλ0+La …(6) によって求めることができる。また、次数mは、光路差
b の測定精度がλ0 /2よりも高ければ、次式で得ら
れる数値mc の小数点以下を四捨五入することにより求
めることができる。
L = mλ 0 + L a (6) Further, the order m is, the higher the measurement accuracy of the optical path difference L b than lambda 0/2, can be obtained by rounding off the decimal point numbers m c obtained by the following equation.

【0023】[0023]

【数7】mc=(Lb−La)/λ0 …(7) このようにαの値により、光路差Lの波長以下の部分の
値La を数nmの精度で求めることができ、また光路差
Lに含まれる波長λ0 の次数mも求めることができるた
め、式(6) により波長以上の光路差Lを数nmの高精度
で測定することができる。
By Equation 7] m c = (L b -L a ) / λ 0 ... (7) the value of the thus alpha, the value L a wavelength following part of the optical path difference L can be determined by several nm accuracy Since the order m of the wavelength λ 0 included in the optical path difference L can also be obtained, the optical path difference L having a wavelength or more can be measured with high accuracy of several nm by using equation (6).

【0024】ところで、光路差Lb の測定精度は、式
(4) からも明らかなように正弦波状に波長走査された光
の走査幅bに比例するため、光路差Lb の測定精度をλ
0 /2よりも高くするためには、走査幅bを大きくする
必要がある。次に、波長走査の走査幅bを大きくとるこ
とができ、連続性もよいSWS光源装置10の詳細につ
いて説明する。
By the way, the measurement accuracy of the optical path difference L b has the formula
(4) is proportional to the sine wave in the scanning width b of the wavelength scanning light as is apparent from, the measurement accuracy of the optical path difference L b lambda
To make it higher than 0/2, it is necessary to increase the scanning width b. Next, the details of the SWS light source device 10 that can increase the scanning width b of the wavelength scanning and have good continuity will be described.

【0025】図2はSWS光源装置10の実施の形態を
示す装置構成図である。このSWS光源装置10は、主
としてスーパールミネッセントダイオード(SLD)1
1と、レンズ12、14、17と、回折格子13、18
と、スリット15と、スリット駆動手段16とから構成
されている。SLD11は比較的広い光スペクトル幅を
もつ光を発生することができ、このSLD11から発生
された光はレンズ12によって平行光にされて回折格子
13に入射される。
FIG. 2 is a device configuration diagram showing an embodiment of the SWS light source device 10. The SWS light source device 10 mainly includes a super luminescent diode (SLD) 1
1, lenses 12, 14, 17 and diffraction gratings 13, 18
, A slit 15 and a slit driving means 16. The SLD 11 can generate light having a relatively wide optical spectrum width. The light generated from the SLD 11 is collimated by the lens 12 and is incident on the diffraction grating 13.

【0026】この平行光は回折格子13によって回折さ
れ、その1次回折光をレンズ14によってレンズ焦点面
の位置に結像させる。1次回折光の方向は、各波長に応
じて異なるため、レンズ焦点面では、図3に示すように
SLD11の光スペクトル分布が得られる。スリット1
5は、レンズ14の焦点面の位置に移動自在に配設され
ており、スリット15の位置に応じて焦点面上に分布し
た各波長の光のうち特定の波長成分を取り出す。このよ
うにして取り出された特定の波長成分の光は、レンズ1
7によって平行光にされたのち、回折格子18に入射さ
れる。この回折格子18により全ての波長の1次回折光
は、等しい伝搬方向をもつよう回折され、干渉計への入
射光となる。
The parallel light is diffracted by the diffraction grating 13 and the first-order diffracted light is imaged by the lens 14 at the position of the lens focal plane. Since the direction of the first-order diffracted light differs according to each wavelength, an optical spectrum distribution of the SLD 11 is obtained on the lens focal plane as shown in FIG. Slit 1
Reference numeral 5 is movably disposed at the position of the focal plane of the lens 14, and extracts a specific wavelength component from the light of each wavelength distributed on the focal plane according to the position of the slit 15. The light of the specific wavelength component extracted in this manner is
After being collimated by 7, it is incident on the diffraction grating 18. The first-order diffracted light of all wavelengths is diffracted by the diffraction grating 18 so as to have the same propagation direction, and becomes incident light to the interferometer.

【0027】ここで、波長走査を行う場合には、上記ス
リット15をスピーカのボイスコイル等のスリット駆動
手段16によって正弦波状に振動させる。これにより、
図3に示すようにスリット15の位置に応じた波長成分
の光が取り出され、波長走査が行われる。上記構成のS
WS光源装置10のSLD11の中心波長λ0 は、789.
3 nmであり、光スペクトル幅は約20nmであった。ま
た、回折格子13、18は、1200本/mmを用い、ま
た、ωb /2π及びωc /2πの値は、それぞれ30Hz
及び480 Hzとした。
Here, when performing wavelength scanning, the slit 15 is vibrated in a sine wave shape by slit driving means 16 such as a voice coil of a speaker. This allows
As shown in FIG. 3, light of a wavelength component corresponding to the position of the slit 15 is extracted, and wavelength scanning is performed. S of the above configuration
The central wavelength λ 0 of the SLD 11 of the WS light source device 10 is 789.
3 nm, and the optical spectrum width was about 20 nm. The diffraction gratings 13 and 18 use 1200 lines / mm, and the values of ω b / 2π and ω c / 2π are each 30 Hz.
And 480 Hz.

【0028】被測定物26を既知の量だけ移動させて光
路差に変化を与え、式(5) のZb の値を求め、その結果
から求めた波長走査幅2bは、17.3nmとなった。ま
た、Z b の値から求められる光路差Lb の測定誤差は、
0.26μmであることが分かった。これにより、光路差L
b の測定精度は、中心波長λ0 (=789.3 nm)の2分
の1よりも高いので、Lb とLa との組み合わせが可能
であることが分かった。
The object 26 is moved by a known amount to
The path difference is changed, and ZbAnd the result is
The wavelength scanning width 2b obtained from the above was 17.3 nm. Ma
Z bOptical path difference L obtained from the value ofbThe measurement error of
It was found to be 0.26 μm. Thereby, the optical path difference L
bMeasurement accuracy of the center wavelength λ0(= 789.3 nm) for 2 minutes
L is higher than 1bAnd LaCan be combined with
It turned out to be.

【0029】次に、図4によりSWS光源装置の他の実
施の形態について説明する。このSWS光源装置40
は、図4に示すように主として半導体レーザ41と、レ
ンズ42と、回折格子43と、ミラー44とから構成さ
れている。半導体レーザ41からの光は、レンズ42を
介して平行光となり、回折格子43に入射する。回折格
子43での1次回折光は、ミラー44によって垂直反射
され、半導体レーザ41に戻る。これにより、半導体レ
ーザ41の後ろの反射面(図示せず)とミラー44の間
で外部共振器が構成される。
Next, another embodiment of the SWS light source device will be described with reference to FIG. This SWS light source device 40
Is mainly composed of a semiconductor laser 41, a lens 42, a diffraction grating 43, and a mirror 44, as shown in FIG. The light from the semiconductor laser 41 becomes parallel light via the lens 42 and enters the diffraction grating 43. The first-order diffracted light from the diffraction grating 43 is vertically reflected by the mirror 44 and returns to the semiconductor laser 41. Thus, an external resonator is formed between the reflection surface (not shown) behind the semiconductor laser 41 and the mirror 44.

【0030】回折格子43での0次回折光は、SWS光
源装置40の出力光となり、後段の干渉計に出力され
る。ここで、波長走査は、上記ミラー44を正弦波状の
角周波数ωb で振動回転させることにより行われる。こ
の時の1次回折光の回折角は、次式、
The 0th-order diffracted light from the diffraction grating 43 becomes output light from the SWS light source device 40, and is output to a subsequent interferometer. Here, wavelength scanning is carried out by vibrating rotating the mirror 44 with a sine wave of the angular frequency omega b. The diffraction angle of the first-order diffracted light at this time is given by the following equation:

【0031】[0031]

【数8】 ψd(t) =ψd0+Δψd(t) =ψd0+acosωbt …(8) となる。尚、ψd0は初期値、aは振動回転の振幅であ
る。上式を回折格子の式、
[Equation 8] becomes ψ d (t) = ψ d0 + Δψ d (t) = ψ d0 + acosω b t ... (8). Note that ψ d0 is an initial value, and a is the amplitude of the vibration rotation. The above equation is the equation of the diffraction grating,

【0032】[0032]

【数9】 λ(t) =d〔sin ψ1 −sin ψd (t) 〕=λ0 +Δλ(t) …(9) に代入し、cos Δψd (t) ≒1と、sin Δψd (t) ≒Δ
ψd (t) の近似を用いると、
[Equation 9] substituted into λ (t) = d [sin ψ 1 -sin ψ d (t ) ] = λ 0 + Δλ (t) ... (9), and cos Δψ d (t) ≒ 1 , sin Δψ d (t) ≒ Δ
Using the approximation of ψ d (t),

【0033】[0033]

【数10】Δλ(t)=dacosψd0cosωbt … (10) が得られる。但し、dは回折格子の格子間隔である。波
長790 nmで出力50mWの半導体レーザ41を用いてS
WS干渉計を構成した。回折格子は1200本/mmのホロ
グラフィック回折格子であり、入射角ψ1 は75度、回折
角の初期値ψd0は5°であった。ミラー44はレーザス
キャナーで駆動し、a=7.4mrad 、ωb /2π=40
Hz、ωc /2π=1280Hzであった。SWS光源装置
40の中心波長λ0 は783.3 nmであった。
[Number 10] Δλ (t) = dacosψ d0 cosω b t ... (10) is obtained. Here, d is the grating interval of the diffraction grating. Using a semiconductor laser 41 with a wavelength of 790 nm and an output of 50 mW,
A WS interferometer was configured. Diffraction grating is a holographic diffraction grating of 1200 / mm, the incident angle [psi 1 is 75 degrees, the initial value [psi d0 diffraction angle was 5 °. The mirror 44 is driven by a laser scanner, a = 7.4 mrad, ω b / 2π = 40
Hz, ω c / 2π = 1280 Hz. The central wavelength λ 0 of the SWS light source device was 783.3 nm.

【0034】被測定物26を既知の量だけ移動させて光
路差に変化を与え、式(5) のZb の値を求め、その結果
から求めた波長走査幅2bは、6.15nmとなった。ま
た、Z b の値から求められる光路差Lb の測定誤差は、
0.17μmであることが分かった。これにより、Lb とL
a との組み合わせが可能であることが分かった。尚、本
発明に係るSWS干渉計の干渉光学系は、この実施の形
態のものに限定されない。また、参照面となるミラーを
振動させる場合に限らず、被測定物側の測定面を振動さ
せるようにしてもよい。更に、SWS光源装置は、本発
明に係るSWS干渉計の光源に限らず、他の用途にも適
用できる。
The object 26 is moved by a known amount to
The path difference is changed, and ZbAnd the result is
The wavelength scanning width 2b obtained from the above was 6.15 nm. Ma
Z bOptical path difference L obtained from the value ofbThe measurement error of
It was found to be 0.17 μm. Thus, LbAnd L
aIt turned out that the combination with is possible. Book
The interferometer optical system of the SWS interferometer according to the present invention has the form
It is not limited to the state. In addition, a mirror to be a reference surface
Not only when vibrating, but also when
You may make it do. Furthermore, the SWS light source device is
Not only for the light source of the SWS interferometer according to
Can be used.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るSWS
干渉計によれば、波長以上の光路差を高精度で測定する
ことができる。また、本発明に係るSWS光源装置によ
れば、正弦波状に波長を連続走査する際の走査幅が広
く、且つ走査される波長の連続性もよい光を発生するこ
とができる。
As described above, the SWS according to the present invention is described.
According to the interferometer, an optical path difference of a wavelength or more can be measured with high accuracy. Further, according to the SWS light source device according to the present invention, it is possible to generate light having a wide scanning width when continuously scanning the wavelength in a sine wave shape and having good continuity of the scanned wavelength.

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

【図1】図1は本発明に係るSWS干渉計の実施の形態
を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a SWS interferometer according to the present invention.

【図2】図2は図1に示したSWS光源装置の実施の形
態を示す装置構成図である。
FIG. 2 is a device configuration diagram showing an embodiment of the SWS light source device shown in FIG.

【図3】図3は図1のレンズ焦点面で得られるSLDの
光スペクトル分布を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an optical spectrum distribution of an SLD obtained at a lens focal plane in FIG. 1;

【図4】図4は本発明に係るSWS光源装置の他の実施
の形態を示す装置構成図である。
FIG. 4 is a device configuration diagram showing another embodiment of the SWS light source device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、40…SWS光源装置 11…スーパールミネッセントダイオード(SLD) 12、14、17、42…レンズ 13、18、43…回折格子 15…スリット 16…スリット駆動手段 20…ビームスプリッタ 22、44…ミラー 26…被測定物 28…光電変換素子 30…A/D変換器 32…パソコン 10, 40 SWS light source device 11 Super luminescent diode (SLD) 12, 14, 17, 42 Lens 13, 18, 43 Diffraction grating 15 Slit 16 Slit driving means 20 Beam splitters 22, 44 Mirror 26 ... DUT 28 ... Photoelectric conversion element 30 ... A / D converter 32 ... Personal computer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 9/00 - 11/30 102 G01F 1/00 - 1/11 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01B 9/00-11/30 102 G01F 1/00-1/11

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 正弦波状に波長走査された光を発生する
光源と、 前記光源からの光を分割して被測定物の測定面及び参照
面で反射させた後、各反射光を合成して干渉させる干渉
光学系と、 前記参照面又は前記被測定物の測定面を正弦波振動させ
る正弦波振動手段と、前記干渉光学系によって得られる
干渉光を電気的な干渉信号に変換する光電変換手段と、 前記干渉信号に基づいて該干渉信号の正弦波状に変化す
る位相変化を示す信号を求め、該位相変化を示す信号の
振幅及び位相を求める手段と、 前記求めた振幅及び位相に基づいて前記被測定物の測定
面で反射された光と前記参照面で反射された光との光路
差を算出する光路差演算手段と、 を備えたことを特徴とする正弦波状波長走査干渉計。
A light source for generating light having a wavelength scanned in a sine wave shape; and dividing the light from the light source and reflecting the light on a measurement surface and a reference surface of an object to be measured. Interference optical system for causing interference, sinusoidal vibration means for sinusoidally oscillating the reference surface or the measurement surface of the device under test, and photoelectric conversion means for converting interference light obtained by the interference optical system into an electrical interference signal Means for obtaining a signal indicating a phase change that changes in a sinusoidal manner of the interference signal based on the interference signal, means for obtaining an amplitude and a phase of the signal indicating the phase change, and based on the obtained amplitude and phase, A sinusoidal wavelength scanning interferometer, comprising: optical path difference calculating means for calculating an optical path difference between light reflected on the measurement surface of the device under test and light reflected on the reference surface.
【請求項2】 前記位相変化を示す信号をφ(t) 、振幅
をZb 、位相をα、及び前記正弦波状に波長走査された
光の角周波数をωb とすると、前記信号φ(t) は、次
式、 φ(t) =Zbcosωbt+α によって表されることを特徴とする請求項1の正弦波状
波長走査干渉計。
2. Assuming that the signal indicating the phase change is φ (t), the amplitude is Z b , the phase is α, and the angular frequency of the sinusoidally scanned light is ω b , the signal φ (t) ) Is represented by the following equation: φ (t) = Z b cos ω b t + α.
【請求項3】 前記光路差演算手段は、前記振幅Zb
基づいて光路差Lbを、次式、 Zb=(2πb/λ0 2)Lb (但し、λ0 :前記正弦波状に波長走査された光の中心
波長 b :前記正弦波状に波長走査された光の走査幅) により算出し、前記位相αに基づいて光路差La を、次
式、 α=−(2π/λ0)La により算出し、 前記算出して光路差Lb 、La に基づいて前記被測定物
の測定面で反射された光と前記参照面で反射された光と
の光路差Lを、次式、 L=mλ0+La (但し、mc=(Lb−La)/λ0 m:mc の小数点以下を四捨五入した正の整数) により算出することを特徴とする請求項2の正弦波状波
長走査干渉計。
Wherein the optical path difference calculating means, the optical path difference L b on the basis of the amplitude Z b, the following equation, Z b = (2πb / λ 0 2) L b ( where, lambda 0: the sinusoidal the center wavelength of the wavelength scanning light b: the calculated by sinusoidally wavelength scanning light scanning width), the optical path difference L a on the basis of the phase alpha, equation, α = - (2π / λ 0 ) is calculated by L a, the calculated and the optical path difference L b, the optical path difference L between the light reflected by the reference surface and light reflected by the measurement surface of the object to be measured based on L a, the following wherein, L = mλ 0 + L a ( where, m c = (L b -L a) / λ 0 m: positive obtained by rounding off the decimal point m c integer) of claim 2, characterized in that calculated by Sinusoidal wavelength scanning interferometer.
【請求項4】 所定の光スペクトル幅をもつ光を発生す
る光源と、 前記光源からの平行光を入射し、回折によって1次回折
光を各波長に応じて空間的に分布させる第1の回折格子
と、 前記第1の回折格子で回折した1次回折光を各波長に応
じた焦点面の位置に結像させる第1のレンズと、 前記第1のレンズの焦点面の位置に移動自在に配設さ
れ、該焦点面上に分布した各波長の光のうち特定の波長
成分を取り出すためのスリットと、 前記スリットを正弦波状に振動させ、前記スリットによ
って取り出す光の波長を正弦波状に走査させるスリット
駆動手段と、 前記スリットによって取り出された光を平行光にする第
2のレンズと、 前記第2のレンズによって平行光にされた光が入射さ
れ、回折によってすべての波長の1次回折光の伝搬方向
を同一方向にする第2の回折格子と、 を備えたことを特徴とする正弦波状波長走査光源装置
4. A light source that generates light having a predetermined optical spectrum width, and a first diffraction grating that receives parallel light from the light source and spatially distributes first-order diffracted light according to each wavelength by diffraction. A first lens for forming an image of the first-order diffracted light diffracted by the first diffraction grating at a focal plane position corresponding to each wavelength; and a movable lens disposed at the focal plane position of the first lens. A slit for extracting a specific wavelength component of the light of each wavelength distributed on the focal plane; and a slit drive for oscillating the slit in a sine wave shape and scanning the wavelength of the light to be extracted by the slit in a sine wave shape. Means, a second lens that converts the light extracted by the slit into parallel light, and light that has been converted into parallel light by the second lens is incident, and changes the propagation direction of the first-order diffracted light of all wavelengths by diffraction. A second diffraction grating having the same direction, and a sinusoidal wavelength scanning light source device, comprising:
【請求項5】 前記光源は、スーパールミネッセントダ
イオードである請求項4の正弦波状波長走査光源装置。
5. The sinusoidal wavelength scanning light source device according to claim 4, wherein said light source is a super luminescent diode.
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