JP3621325B2 - 角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体に光ビームを照射し、その被検体の表面もしくは内部から反射した光を利用して、その被検体表面の平坦さもしくは内部の層構造の光画像計測を行う角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の表面の平坦さ（または粗さ）を無接触で測定する方法として光干渉法によるプロフィロメトリー（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）が知られている。
【０００３】
図９にその測定原理を示す。
【０００４】
この図において、１０１は光源、１０２，１０３はレンズ、１０４は半透明鏡、１０５は被検体、１０６は反射鏡（スキャン可能）、１０７は光検出器である。
【０００５】
図９に示すように、例えばマイケルソン干渉計において、反射鏡１０６と被検体１０５から反射され、光検出器１０７に到達する光波を共に平面波とすると、光検出器１０７からはｉｄｃ＝（１／２）（Ｅ１ ２ ＋Ｅ２ ２ ）の直流成分の他に、光路長差２Δｌ＝２（ｌ１ −ｌ２ ）を正弦関数の変数とする光干渉の項ｉ＝Ｅ１ Ｅ２ ｃｏｓ（２πΔｌ／λ）〔ｉは波形バー付き〕に比例する光電流が得られる。ただし、Ｅ１ とＥ２ はそれぞれ両光波の振幅、λは光波長である。従って、光干渉信号の位相を検出することによって、サブ波長オーダーの光路長差を測定することができる。
【０００６】
図９の干渉計において、光源にコヒーレント長（可干渉距離）の長いレーザ光を使用する場合、反射鏡の位置をスキャンすれば光干渉信号は光路長差に応じて周期的に変化する。そこで、正弦関数の周期性から、絶対値測定での最大距離は光波長の半分、すなわちλ／２に等しいことが明白である。言いかえれば、測定範囲に光波長以上の起伏があれば、レーザ光を用いたプロフィロメトリーの測距量にλ／２の倍数に相当する曖昧さが存在する。この曖昧さを改善する方法として、２つの波長（λ１ とλ２ ）のレーザ光を用いた光ヘテロダインプロフィロメトリー法が報告されている〔例えば、Ａ．Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ、Ｈ．Ｚ．Ｈｕ、Ｕ．Ｖｒｙ、“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．２４、２１８１（１９８５）参照〕。これは光干渉における実効波長をΛ＝λ１ λ２ ／｜λ１ −λ２ ｜に伸ばす方法であり、距離の絶対値測定範囲を波長の十数倍程度に拡大することができる。
【０００７】
一方、広帯域なスペクトル幅を持つ光源の時間領域の低コヒーレンス性（空間領域で短い可干渉距離とも表現する）に着目して、光干渉信号は信号光と参照光の光路長差が光源のコヒーレント長ｌｃ 以内である時にのみ得られるプロフィロメトリー法が提案されている〔例えば、Ｂ．Ｓ．Ｌｅｅ、Ｔ．Ｃ．Ｓｔｒａｎｄ、“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．２９、３７８４（１９９０）参照〕。例えば、市販品で中心波長λ＝８００ｎｍ、波長半値幅Δλ＝３０ｎｍのスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を例とすると、ｌｃ ≒λ／Δλ２ ＝２１μｍとなり、可干渉距離がレーザー光に比べて極めて短いことが分かる。
【０００８】
互いの距離差（または段差）が波長以上である２つの測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレント干渉信号のそれぞれを図１０のグラフＡとグラフＢに示す。このように、低コヒーレント干渉法を用いたプロフィロメトリーは干渉縞の包絡線のピーク値を検出することによって絶対値の距離測定を行うことができる。
【０００９】
他方、空間干渉の原理を低コヒーレント干渉法に応用して、参照光路上の反射鏡をスキャンすることなしに干渉縞が得られる軸外し干渉計が考案されている〔例えば、Ｍ．−Ｌ．Ｊｕｎｔｔｉｌａ、Ｊ．Ｋａｕｐｐｉｎｅｎ、Ｅ．Ｉｋｏｎｅｎ、“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ａ”、Ｖｏｌ．８、１４５７（１９９１）に参照〕。
【００１０】
図１１に示すように、平面波の信号光ｅｓ と平面波の参照光ｅｒ が検出面の中心位置Ｏに対しそれぞれ左側と右側から検出面へ入射するとすると、検出面におけるｅｓ とｅｒ は以下のように表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】
但し、Ｅｒ とＥｓ はそれぞれ参照光と信号光の振幅、ｆは光周波数、φ（ｘ）は位相である。そこで、検出面で検出される光強度は次のように計算される。
【００１４】
【数３】
【００１５】
この式（３）より光干渉の項は、
【００１６】
【数４】
【００１７】
と求められる。ただし、Δφは両光波間の光路長差ΔＬによる位相差、ｃは光の速度である。
【００１８】
図１１から、検出面上のある検出点Ｃから参照光波の等位相面ＢＢ′までの距離ＣＥ（上バー付き）と、同Ｃ点から信号光波の等位相面ＡＡ′までの距離ＣＤ（上バー付き）との間の光路長差が次のように与えられる。
【００１９】
【数５】
【００２０】
ただし、θは光の入射角である。そこで、参照光波が等位相面ＢＢ′までの伝搬距離と、信号光波が等位相面ＡＡ′までの伝搬距離との間の差をΔｌとすると、任意の検出点における両光波間の光路長差ΔＬは、上記式（５）から
【００２１】
【数６】
【００２２】
と与えられる。この式（６）を前記式（４）に代入すると、
【００２３】
【数７】
【００２４】
になる。スペクトル広がりをもつ光源の場合、この式（７）を光源の周波数分布について積分すればよく、ここでは計算の便宜上、光源の周波数分布関数を中心ｆ０ 、幅２δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とする。
【００２５】
【数８】
【００２６】
この式（８）は周期λ０ ／（２ｓｉｎθ）（λ０ ＝ｃ／ｆ０ は中心波長）の正弦関数で変調されたｓｉｎｃ関数を表わし、ｓｉｎｃ関数のピーク（Δｌ−２ｘｓｉｎθ＝０）が光路長差Δｌに対応している。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
被検体表面の起伏は波長オーダーの場合、図９の同軸、または図１１の軸外し低コヒーレント干渉法の何れも干渉縞の位相検出に難点がある。これを説明するために、互いの段差が約一波長に等しい測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレント光干渉信号をそれぞれ図１２のグラフＡとグラフＢに示す。これより察知できるように、光源のコヒーレント長は通常波長より十数倍以上長いため、干渉縞の位相検出には依然πの倍数に相当する曖昧さが残っていると考えられる。
【００２８】
一方、干渉縞の位相検出ではなく、その包絡線のピーク値を精確に検出することにより絶対値の距離測定を行うことが可能である。しかしながら、検出した干渉縞からその包絡線を求めることは通常フーリェ変換などのデータ演算処理を要し、プロフィロメトリー計測の実用上煩瑣であると言える。
【００２９】
さらに、従来の空間干渉法はプロフィロメトリー計測への応用に難点があると言える。空間干渉の縞間隔は上記した式（８）で与えられるようにλ０ ／（２ｓｉｎθ）であり、波長オーダーである。理論上、入射角θを小さくして干渉縞の間隔を広げることができるが、検出面上干渉縞の包絡線のピーク位置はｘ＝Δｌ／（２ｓｉｎθ）で与えられていることから、光ビーム及び光センサアレイのサイズによる制限がある。従って、干渉縞の間隔は通常光波長オーダーであると考えられる。それを検出するために、ナイキスト（Ｎｙｑｕｉｓｔ）のサンプリング原理から分解能（もしくは検出素子のサイズ）δｘ＝λ０ ／（４ｓｉｎθ）以上のセンサアレイが必要である。例えば、λ０ ＝８００ｎｍ、θ＝３０ｏ とすると、δｘ＝４００ｎｍと算出され、極めて高い空間分解能が要求されることが明白である。
【００３０】
本発明は、上記事情に鑑み、低コヒーレント空間干渉法によるプロフィロメトリー計測を、高速でかつ有効に行うことのできる角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、広いスペクトル幅をもつ光ビームを出射する光源と、この光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、前記被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、戦記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光を空間的に交差させることにより、互いに重畳する面上において干渉光を生成する干渉光学系と、この干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタを備え、さらに、前記信号光と前記参照光が重畳する面上に角分散素子を配置して、この角分散素子を透過もしくは反射する前記信号光および前記参照光を検出面上にて結像する光学結像系と、この光学結像系で結像した干渉光をヘテロダイン検出する光センサと、この光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理系とを具備することを特徴とする。
【００３２】
〔２〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記角分散素子が回折格子であり、この回折格子によって１次回折されて出射する前記信号光の中心波長成分と前記参照光の中心波長成分がともに零度に近い出射角をもつことを特徴とする。
【００３３】
〔３〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記信号処理系が、光ヘテロダイン信号の振幅のみを検出することを特徴とする。
【００３４】
〔４〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記信号処理系が、前記光ヘテロダイン信号振幅の最大値に対応する前記センサ上の検出位置を求めるために微分法を用いることを特徴とする。
【００３５】
〔５〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記干渉光学系が前記被検体へ入射する光ビームをこの光ビームの入射方向と垂直な横方向上線状に絞るために円柱レンズを用い、さらに、この円柱レンズを用いて前記被検体を経由した信号光を集光することを特徴とする。
【００３６】
〔６〕上記〔５〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記光センサが、空間的に二次元配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサの一方向上で得られた複数の受光信号を統合して前記信号光の伝搬方向上の各関心点に対応する信号を生成するとともに、前記光センサの他の一方向上で得られた複数の受光信号を総合して、前記信号光の伝搬方向と垂直な横方向上の各関心点に対応する信号を生成し、さらに、横方向上の各関心点に対応する信号間の相関関数を算出することにより各関心点間の距離差を求める信号処理部を具備することを特徴とする。
【００３７】
〔７〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記干渉光学系が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする。
【００３８】
〔８〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする。
【００３９】
〔９〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記光源が、可干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００４１】
本発明は、光ヘテロダイン検出法を用いることにより、上記光干渉縞の包絡線のみを検出する。さらに、本発明は空間干渉測定における光ヘテロダイン検出の効率を高めるために、角分散素子例えば回折格子による結像方法を用いている。
【００４２】
図１は本発明の原理を示す角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置の構成図である。
【００４３】
この図において、１は低コヒーレンス光源、２，３，６，１２，１４はレンズ、４は第１のビームスプリッタＢＳ１、５は第２のビームスプリッタＢＳ２、７は被検体、８は周波数シフタ、９は直角プリズム、１０はミラー、１１は回折格子、１３は開口、１５は光センサアレイである。
【００４４】
図１に示すように、スペクトル幅をもつ低コヒーレンス光源１から出射した光ビームはレンズ２，３によってビーム径の拡大した平行ビームに変換される。その平行ビームを第１のビームスプリッタ４で信号光と参照光に二分する。参照光と分かれた信号光の一部は第２のビームスプリッタ５を通過して、レンズ６によって被検体７の表面へ収束されて入射する。その被検体７から反射してくる信号光は再びレンズ６によって集光され、第２のビームスプリッタ５へ伝送される。第２のビームスプリッタ５によって一部反射される信号光は入射角θで回折格子１１へ入射する。
【００４５】
一方、参照光は周波数シフタ８、例えば光音響変調器（ＡＯＭ）からΔｆの周波数シフトを受けて、直角プリズム９によって全反射され、ミラー１０へ伝送される。ミラー１０によって反射される参照光は、信号光とは反対の側から回折格子１１へ入射する。ただし、その入射角度は信号光と同じく入射角θである。図１に示すように、参照光と信号光が回折格子１１の面上において互いに重畳する。 周知のように、光ヘテロダイン検出効率は、参照光波と信号光波の波面不整合によって顕著に低下する。これはいわゆる光ヘテロダイン検出のアンテナ特性であり〔例えば、Ａ．Ｅ．Ｓｉｅｇｍａｎ、“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．５、１５８８（１９６６）参照〕、検出器の面積分により空間周波数をもつ干渉光が平均されてしまうと理解できる。この観点から、上記のような高い空間周波数（狭い干渉縞間隔とも表現する）の干渉測定にヘテロダイン検出法を応用することは大変不利であると言える。従来の光ヘテロダイン干渉計では、図１に示す第２のビームスプリッタ５から反射される信号光とミラー１０から反射される参照光を回折格子１１を用いて合波させ、単一検出器で位相面を揃えた両光波をヘテロダイン検出する〔例えば、吉沢徹、瀬田勝男、“光ヘテロダイン技術”、新技術コミュニケーションズ出版（１９９４）参照〕。しかし、このような波面整合方法は同軸光学の原理に過ぎず、空間周波数の情報が失われることになる。
【００４６】
そこで、本発明は、次のような機構を干渉計に備えることにより、従来の光ヘテロダイン干渉計と異なる特徴をもつ光空間干渉プロフィロメトリー装置を提供するようにしたものである。
【００４７】
ここでは、回折格子によって回折されて出射する信号光及び参照光を結像レンズ系で検出面にて結像させる。
【００４８】
さらに、本発明は検出面に配置される光センサとして、一次元ないし二次元に受光素子を配列される光センサレアイ１５を使用し、その光センサアレイ１５から得られる出力のうち、周波数Δｆのヘテロダイン信号の振幅を検出することによって干渉光強度の空間分布を測定するようにしたものである。
【００４９】
以下、本発明による光ヘテロダインプロフィロメトリー測定の原理を説明する。
【００５０】
図２は、図１に角分散素子として例えば透過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示すものである。格子定数ｄの回折格子がｘ− 軸上に配置され、その法線がｙ− 方向と平行するとすると、入射角θの光ビームに対して回折格子からの１次回折光の出射角βは、回折格子方程式より
【００５１】
【数９】
【００５２】
と与えられ、その角分散をこの式（９）より次のように近似できる。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
図２において、ある出射点Ａから入射光波の等位相面ＯＫまでの距離をＡＫ（上バー付き）とし、また中心点Ｏから回折光波の等位相面ＬＡまでの距離ＯＬ（上バー付き）をとすると、両者の間の距離差がＡＫ−ＯＬ≒ＯＡ（ｓｉｎβ０ ＋Δβ）〔ＡＫ，ＯＬ，ＯＡともに上バー付き）であることから、回折格子の角分散による回折光の位相差Δφは次のように算出される。ただしβ０ は中心波長λｏ における回折角である。
【００５５】
【数１１】
【００５６】
そこで、本発明は図３に示す光学結像系を用いることを特徴とする。
【００５７】
図３では、焦点距離ｆ１ のレンズ１２のフーリェ面に開口１３を配置することにより、回折格子１１からのゼロ次回折光並び２次以上の高次回折光を除去し、信号光及び参照光の１次回折光のみを光センサアレイ１５の面上に結像する。
【００５８】
さらに、信号光波ｅｓ と参照光波ｅｒ はそれぞれ左右の両側から回折格子１１に入射することから、回折格子１１の出射面における参照光の１次回折光と信号光の１次回折光との間の位相差Δφを次のように察知できる。ただし、Δω＝２πΔｆは両光波間の角周波数差である。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
ここで、Δｌは、参照光波が等位相面ＥＤまでの伝搬距離と、信号光波が等位相面ＣＤまでの伝搬距離との間の差であって、本発明では、例えば図１での直角プリズム９の配置位置を参照光波の入射方向上にスキャンすることにより、被検体７の表面のある基準点から反射してきた信号光に対してΔｌ＝０になるように設置することが可能である。
【００６１】
一方、図３に示す光学結像の倍率はＭ＝ｆ２ ／ｆ１ であり、回折格子１１の出射面上、例えばＡ点（座標：ｘ）から出射する光は光センサアレイ１５が配置される検出面上のＡ′点（座標：−Ｍｘ）に結像される。従って、検出面に結像する参照光と信号光との間の位相差は上記した式（１２）より次のように与えられる。
【００６２】
【数１３】
【００６３】
ただし、ｆ＝ｃ／λである。前記式（３）と同様に、検出面で検出される光強度は次のように計算される。
【００６４】
【数１４】
【００６５】
上記した式（１３）と式（１４）より光干渉の項は、
【００６６】
【数１５】
【００６７】
と求められる。スペクトル広がりをもつ光源の場合、この式（１５）を光源の周波数分布について積分すればよく、ここでは計算の便宜上光源の周波数分布関数を中心ｆ０ 、幅２δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とすると、
【００６８】
【数１６】
【００６９】
この式（１６）は周波数Δｆ＝Δω／２πの正弦関数で変調されているｓｉｎｃ関数を表わし、前記式（８）と同様に光路長差Δｌに対応して
【００７０】
【数１７】
【００７１】
の位置でｓｉｎｃ関数のそのピークが検出される。しかし、その正弦関数の位相は周期Ｍλ０ ／（２ｓｉｎβ０ ）の空間分布をもち、上記した式（８）で与えられている周期〔＝λ０ ／（２ｓｉｎθ）〕とは根本的に異なる。
【００７２】
すなわち、本発明は従来の空間光干渉法で光波の入射角度で決められていた干渉縞の周期を、適切な回折角β０ を選ぶことにより自由に変化できる一方で、光路長差Δｌに対応した干渉縞のピーク値を従来の空間光干渉法と同様に入射角度θで定められる位置で検出できることに特徴がある。
【００７３】
この特徴により、本発明は空間干渉縞の周期を広げることで前記空間分解能の難点を解決することが可能である。ここで数値例として、λ０ ＝８５０ｎｍ、θ＝３０ｏ 、またＭ＝１とすると、本発明は、例えば６００本／ｍｍ（ｄ＝１．６７μｍ）の回折格子を用いてβ０ ≒１°にすることにより、従来λ０ ／（２ｓｉｎθ）＝０．８５μｍの干渉縞周期をＭλ０ ／（２ｓｉｎβ０ ）＝４７μｍに広げることができる。また、光学倍率Ｍを上げることにより、干渉縞の周期をさらに広げることも容易である。
【００７４】
さらに、本発明は干渉縞の周期を自由に広げることによって、光ヘテロダイン検出効率を改善することを特徴とする。以下にその原理を説明する。
【００７５】
光ヘテロダイン検出の効率ζと波面整合の関係は次のようなｓｉｎｃ関数で表わされる〔例えば、Ａ．Ｖａｎｄｅｒｌｕｇｔ，“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｉｎｃ．出版（１９９２）参照〕。
【００７６】
【数１８】
【００７７】
ただし、Ｄは検出器の大きさ（幅）、αｋ ＝φ／λは空間周波数、φは参照光と信号光間の交差角度である。従来の空間干渉法ではφ＝２θであるのに対して、本発明は上記の角分散結像原理からφ＝２β０ となる。従って、適切な回折格子条件を揃えてβ０ をゼロもしくはゼロに近づけることによって、上記した式（１８）で与えられるｓｉｎｃ関数の値を１もしくは１近くにすることは可能である。
【００７８】
本発明によれば、光センサアレイ１５の各検出素子から得られる光電流を例えばバンドパスフィルタと整流器などからなる信号処理系を通して中間周波数Δωのヘテロダイン信号成分の振幅のみを検出すると、上記した式（１６）より
【００７９】
【数１９】
【００８０】
が得られる。この式（１９）は干渉縞の包絡線に比例していることが明白である。
【００８１】
従って、本発明は光ヘテロダイン法を用いて空間干渉縞の包絡線のみを検出し、その包絡線のピーク値を直接読み取ることにより、上記した式（１７）の対応関係から信号光と参照光との間の光路長差を求めるができる。このことは、検出した光干渉の演算処理により干渉縞の包絡線を求める従来の空間干渉測定と根本的に異なる。
【００８２】
【実施例１】
図４は、本発明による図１の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す。
【００８３】
この図において、２１は低コヒーレンス光源、２２，２３，３２，３４はレンズ、２４は第１のビームスプリッタＢＳ１、２５は第２のビームスプリッタＢＳ２、２６は円柱レンズ、２７は被検体、２８は周波数シフタ、２９は直角プリズム、３０はミラー、３１は回折格子、３３は開口、３５は２次元光センサアレイである。
【００８４】
市販されている近赤外域ＳＬＤの場合、コヒーレント長ｌＣ ≒３０μｍ、また発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合、ｌＣ ≒１０μｍ程度である。
【００８５】
さらに、図４の実施例は、本発明による図１の信号光の送信及び受信用レンズ６の代わりに円柱レンズ２６を用いることにより、下記のような二次元光断層画像計測を可能にすることを特徴とする。
【００８６】
参照光と分かれた信号光は円柱レンズ２６によって、被検体２７へ入射される。円柱レンズ２６は光波を一方向だけに収束するので、被検体２７へ入射する信号光は図４に示すように光伝搬方向（ｘ− ）と垂直する横方向（ｙ− ）上に線状に絞られる。被検体２７から反射してくる信号光は再び円柱レンズ２６によって集光される。その集光された光波は円柱レンズ２６の一方向のみの発散性質により平行ビームに変換され、第２のビームスプリッタ２５へ伝送される。
【００８７】
検出面上に結像される干渉光は二次元光センサアレイ３５によって検出される。そのｘ− 方向上で検出される光信号は本発明による測定原理から被検体２７の起伏（または深さ）情報に対応していることが明白である。
【００８８】
一方、図４に示すように２次元光センサアレイ３５のｙ− 方向は信号光の横方向（ｙ− ）に位置対応している。従って、本実施例は被検体２７への入射光を線状に絞り、また干渉光を二次元光センサアレイ３５で検出することにより、被検体２７に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取得することができる。すなわち、ｘ−ｙ面上の二次元プロフィールを実時間で計測できることになる。
【００８９】
【実施例２】
図５に、図４の実施例で得られる２次元アレイ信号から被検体表面プロフィルーを求める方法の一例を示す。アレイ信号を相関関数演算器３６に入力して各チャンネル間の相関関数を取ることにより、例えば上記した式（１９）で与えられる信号の空間分布関数から２つの測定点間の距離差（または段差）を算出することが可能である。図４の実施例では、２次元測定が実時間で行われているため、干渉系の不安定やゆらぎなどによるアレイ信号間の相対的な安定性への影響は従来のｙ− 方向走査方式と比べて格段に改善され、アレイ信号の相関関数からサブ波長オーダーの光路長差を求めることが可能であると考えられる。
【００９０】
また、各信号波形を微分することにより、各ピーク値を算出し、その差を計算して、同様にサブ波長オーダーの光路長差を測定できる。
【００９１】
【実施例３】
図６は、本発明による図１の光計測装置にビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いた実施例である。
【００９２】
図６において、４１は低コヒーレンス光源、４２，４３，４７，５３，５５はレンズ、４４は第１の広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ１、４５は第２の広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ２、４６は１／４波長板、４８は被検体、４９は周波数シフタ、５０は直角プリズム、５１はミラー、５２は回折格子、５４は開口、５６は光センサアレイである。
【００９３】
図６に示すように、低コヒーレンス光源４１例えばＳＬＤとＬＥＤからの出力光は一般的に無偏光で、すなわち特定の偏光方向をもたないものである。図６では、第１の広帯域偏光ビームスプリッタ４４が入射光のＳ偏光成分を９０°反射して参照光とし、またその入射光のＰ偏光成分を通過させて信号光とする。参照光と分かれた信号光は１／４波長板４６を通過して円偏光に変換され、さらにレンズ４７によって収束されて被検体４８へ入射する。被検体４８から反射してきた円偏光の信号光は再び１／４波長板４６を通過することによりＳ偏光の直線偏光に変換される。第２の広帯域偏光ビームスプリッタ４５はＳ偏光の信号光を９０°反射して回折格子５２へ伝送する。このように、回折格子５２の面上にて重畳される信号光および参照光はともにＳ偏光である。
【００９４】
本実施例は、広帯域偏光ビームスプリッタ及び波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向を制御できることが特徴である。
【００９５】
【実施例４】
本発明によれば、透過型の角分散素子のみならず、反射型の角分散素子も光画像計測に利用できることが明白である。
【００９６】
図７は、反射型回折格子を用いた本発明の実施例である。
【００９７】
この図において、６１は反射型回折格子、６２はレンズ、６３は光センサアレイである。
【００９８】
図７に示すように、反射型回折格子６１によって一次回折される信号光及び参照光は、焦点距離ｆのレンズ６２によって検出面上に結像される。その検出面には干渉光を検出する光センサアレイ６３が配置されている。
【００９９】
図７の実施例は、回折効率の高い反射型回折格子を利用できることが特徴である。
【０１００】
【実施例５】
本発明は被検体の表面のみならず、その内部の層構造の測定に応用できることが明白である。図８にそのような応用例を示す。
【０１０１】
図８において、中央に被検体７１があり、両側に第１の層７２と第２の層７３を有している。
【０１０２】
特に、各層７２，７３内屈折率の分布が均一、または均一に近い場合、本発明は波長オーダーの分解能で各層のプロフィールを計測することが可能である。
【０１０３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１０４】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１０５】
（Ａ）低コヒーレント空間干渉法によるプロフィロメトリー計測を高速でかつ有効に行うことができる。
【０１０６】
（Ｂ）光ヘテロダイン検出法を用いることにより、光干渉縞の包絡線のみを検出できる。さらに、空間干渉測定における光ヘテロダイン検出の効率を高めるために、角分散素子例えば回折格子による結像方法を用いることができる。
【０１０７】
また、一次元ないし二次元に受光素子を配列される光センサレアイを使用し、その光センサアレイから得られる出力のうち、周波数Δｆのヘテロダイン信号の振幅を検出することによって干渉光強度の空間分布を測定することができる。
【０１０８】
（Ｃ）被検体への入射光を線状に絞り、また干渉光を二次元光センサアレイで検出することにより、被検体に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取得することができる。すなわち、ｘ−ｙ面上の二次元プロフィールを実時間で計測することができる。
【０１０９】
（Ｄ）干渉系の不安定やゆらぎなどによるアレイ信号間の相対的な安定性への影響は従来のｙ− 方向走査方式と比べて格段に改善され、アレイ信号の相関関数からサブ波長オーダーの光路長差を求めることが可能である。
【０１１０】
また、各信号波形を微分することにより、各ピーク値を算出し、その差を計算して、同様にサブ波長オーダーの光路長差を測定できる。
【０１１１】
（Ｅ）広帯域偏光ビームスプリッタ及び波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向を制御できる。
【０１１２】
（Ｆ）反射型回折格子によって回折効率の高い光センサアレイによる計測を行うことができる。
【０１１３】
（Ｇ）中央に被検体が位置し、両側に第１の層と第２の層が存在する場合、各層内屈折率の分布が均一、または均一に近い場合、波長オーダーの分解能で各層のプロフィールを計測することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置の構成図である。
【図２】図１に角分散素子として例えば透過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示す図である。
【図３】本発明に係る光学結像系の説明図である。
【図４】本発明による図１の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す図である。
【図５】図４の実施例で得られる２次元アレイ信号から被検体表面プロフィルーを求める方法の一例を示す図である。
【図６】本発明による図１の光計測装置にビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いた実施例である。
【図７】反射型回折格子を用いた本発明の実施例を示す図である。
【図８】本発明の応用例を示す被検体の説明図である。
【図９】光干渉法によるプロフィロメトリーの測定原理を示す図である。
【図１０】互いの距離差（または段差）が波長以上である２つの測定点に対して得られる低コヒーレント干渉信号の様子を示す図である。
【図１１】平面波の信号光ｅｓ と平面波の参照光ｅｒ が検出面の中心位置Ｏに対しそれぞれ左側と右側から検出面へ入射する場合の説明図である。
【図１２】互いの段差が約一波長に等しい測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレント光干渉信号を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，４１ 低コヒーレンス光源
２，３，６，１２，１４，２２，２３，３２，３４，４２，４３，４７，５３，５５，６２ レンズ
４，２４ 第１のビームスプリッタ４（ＢＳ１）
５，２５ 第２のビームスプリッタ４（ＢＳ２）
７，２７，４８，７１ 被検体
８，２８，４９ 周波数シフタ
９，２９，５０ 直角プリズム
１０，３０，５１ ミラー
１１，３１，５２ 回折格子
１３，３３，５４ 開口
１５，５６，６３ 光センサアレイ
２６ 円柱レンズ
３５ ２次元光センサアレイ
３６ 相関関数演算器
４４ 第１の広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）
４５ 第２の広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）
４６ １／４波長板
６１ 反射型回折格子
７２ 第１の層
７３ 第２の層
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体に光ビームを照射し、その被検体の表面もしくは内部から反射した光を利用して、その被検体表面の平坦さもしくは内部の層構造の光画像計測を行う角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の表面の平坦さ（または粗さ）を無接触で測定する方法として光干渉法によるプロフィロメトリー（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）が知られている。
【０００３】
図９にその測定原理を示す。
【０００４】
この図において、１０１は光源、１０２，１０３はレンズ、１０４は半透明鏡、１０５は被検体、１０６は反射鏡（スキャン可能）、１０７は光検出器である。
【０００５】
図９に示すように、例えばマイケルソン干渉計において、反射鏡１０６と被検体１０５から反射され、光検出器１０７に到達する光波を共に平面波とすると、光検出器１０７からはｉｄｃ＝（１／２）（Ｅ１ ２ ＋Ｅ２ ２ ）の直流成分の他に、光路長差２Δｌ＝２（ｌ１ −ｌ２ ）を正弦関数の変数とする光干渉の項ｉ＝Ｅ１ Ｅ２ ｃｏｓ（２πΔｌ／λ）〔ｉは波形バー付き〕に比例する光電流が得られる。ただし、Ｅ１ とＥ２ はそれぞれ両光波の振幅、λは光波長である。従って、光干渉信号の位相を検出することによって、サブ波長オーダーの光路長差を測定することができる。
【０００６】
図９の干渉計において、光源にコヒーレント長（可干渉距離）の長いレーザ光を使用する場合、反射鏡の位置をスキャンすれば光干渉信号は光路長差に応じて周期的に変化する。そこで、正弦関数の周期性から、絶対値測定での最大距離は光波長の半分、すなわちλ／２に等しいことが明白である。言いかえれば、測定範囲に光波長以上の起伏があれば、レーザ光を用いたプロフィロメトリーの測距量にλ／２の倍数に相当する曖昧さが存在する。この曖昧さを改善する方法として、２つの波長（λ１ とλ２ ）のレーザ光を用いた光ヘテロダインプロフィロメトリー法が報告されている〔例えば、Ａ．Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ、Ｈ．Ｚ．Ｈｕ、Ｕ．Ｖｒｙ、“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．２４、２１８１（１９８５）参照〕。これは光干渉における実効波長をΛ＝λ１ λ２ ／｜λ１ −λ２ ｜に伸ばす方法であり、距離の絶対値測定範囲を波長の十数倍程度に拡大することができる。
【０００７】
一方、広帯域なスペクトル幅を持つ光源の時間領域の低コヒーレンス性（空間領域で短い可干渉距離とも表現する）に着目して、光干渉信号は信号光と参照光の光路長差が光源のコヒーレント長ｌｃ 以内である時にのみ得られるプロフィロメトリー法が提案されている〔例えば、Ｂ．Ｓ．Ｌｅｅ、Ｔ．Ｃ．Ｓｔｒａｎｄ、“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．２９、３７８４（１９９０）参照〕。例えば、市販品で中心波長λ＝８００ｎｍ、波長半値幅Δλ＝３０ｎｍのスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を例とすると、ｌｃ ≒λ／Δλ２ ＝２１μｍとなり、可干渉距離がレーザー光に比べて極めて短いことが分かる。
【０００８】
互いの距離差（または段差）が波長以上である２つの測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレント干渉信号のそれぞれを図１０のグラフＡとグラフＢに示す。このように、低コヒーレント干渉法を用いたプロフィロメトリーは干渉縞の包絡線のピーク値を検出することによって絶対値の距離測定を行うことができる。
【０００９】
他方、空間干渉の原理を低コヒーレント干渉法に応用して、参照光路上の反射鏡をスキャンすることなしに干渉縞が得られる軸外し干渉計が考案されている〔例えば、Ｍ．−Ｌ．Ｊｕｎｔｔｉｌａ、Ｊ．Ｋａｕｐｐｉｎｅｎ、Ｅ．Ｉｋｏｎｅｎ、“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ａ”、Ｖｏｌ．８、１４５７（１９９１）に参照〕。
【００１０】
図１１に示すように、平面波の信号光ｅｓ と平面波の参照光ｅｒ が検出面の中心位置Ｏに対しそれぞれ左側と右側から検出面へ入射するとすると、検出面におけるｅｓ とｅｒ は以下のように表される。
【００１１】
【数１】
【数２】
但し、Ｅｒ とＥｓ はそれぞれ参照光と信号光の振幅、ｆは光周波数、φ（ｘ）は位相である。そこで、検出面で検出される光強度は次のように計算される。
【００１４】
【数３】
この式（３）より光干渉の項は、
【００１６】
【数４】
と求められる。ただし、Δφは両光波間の光路長差ΔＬによる位相差、ｃは光の速度である。
【００１８】
図１１から、検出面上のある検出点Ｃから参照光波の等位相面ＢＢ′までの距離ＣＥ（上バー付き）と、同Ｃ点から信号光波の等位相面ＡＡ′までの距離ＣＤ（上バー付き）との間の光路長差が次のように与えられる。
【００１９】
【数５】
ただし、θは光の入射角である。そこで、参照光波が等位相面ＢＢ′までの伝搬距離と、信号光波が等位相面ＡＡ′までの伝搬距離との間の差をΔｌとすると、任意の検出点における両光波間の光路長差ΔＬは、上記式（５）から
【００２１】
【数６】
と与えられる。この式（６）を前記式（４）に代入すると、
【００２３】
【数７】
になる。スペクトル広がりをもつ光源の場合、この式（７）を光源の周波数分布について積分すればよく、ここでは計算の便宜上、光源の周波数分布関数を中心ｆ０ 、幅２δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とする。
【００２５】
【数８】
この式（８）は周期λ０ ／（２ｓｉｎθ）（λ０ ＝ｃ／ｆ０ は中心波長）の正弦関数で変調されたｓｉｎｃ関数を表わし、ｓｉｎｃ関数のピーク（Δｌ−２ｘｓｉｎθ＝０）が光路長差Δｌに対応している。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
被検体表面の起伏は波長オーダーの場合、図９の同軸、または図１１の軸外し低コヒーレント干渉法の何れも干渉縞の位相検出に難点がある。これを説明するために、互いの段差が約一波長に等しい測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレント光干渉信号をそれぞれ図１２のグラフＡとグラフＢに示す。これより察知できるように、光源のコヒーレント長は通常波長より十数倍以上長いため、干渉縞の位相検出には依然πの倍数に相当する曖昧さが残っていると考えられる。
【００２８】
一方、干渉縞の位相検出ではなく、その包絡線のピーク値を精確に検出することにより絶対値の距離測定を行うことが可能である。しかしながら、検出した干渉縞からその包絡線を求めることは通常フーリェ変換などのデータ演算処理を要し、プロフィロメトリー計測の実用上煩瑣であると言える。
【００２９】
さらに、従来の空間干渉法はプロフィロメトリー計測への応用に難点があると言える。空間干渉の縞間隔は上記した式（８）で与えられるようにλ０ ／（２ｓｉｎθ）であり、波長オーダーである。理論上、入射角θを小さくして干渉縞の間隔を広げることができるが、検出面上干渉縞の包絡線のピーク位置はｘ＝Δｌ／（２ｓｉｎθ）で与えられていることから、光ビーム及び光センサアレイのサイズによる制限がある。従って、干渉縞の間隔は通常光波長オーダーであると考えられる。それを検出するために、ナイキスト（Ｎｙｑｕｉｓｔ）のサンプリング原理から分解能（もしくは検出素子のサイズ）δｘ＝λ０ ／（４ｓｉｎθ）以上のセンサアレイが必要である。例えば、λ０ ＝８００ｎｍ、θ＝３０ｏ とすると、δｘ＝４００ｎｍと算出され、極めて高い空間分解能が要求されることが明白である。
【００３０】
本発明は、上記事情に鑑み、低コヒーレント空間干渉法によるプロフィロメトリー計測を、高速でかつ有効に行うことのできる角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、広いスペクトル幅をもつ光ビームを出射する光源と、この光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、前記被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、戦記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光を空間的に交差させることにより、互いに重畳する面上において干渉光を生成する干渉光学系と、この干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタを備え、さらに、前記信号光と前記参照光が重畳する面上に角分散素子を配置して、この角分散素子を透過もしくは反射する前記信号光および前記参照光を検出面上にて結像する光学結像系と、この光学結像系で結像した干渉光をヘテロダイン検出する光センサと、この光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理系とを具備することを特徴とする。
【００３２】
〔２〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記角分散素子が回折格子であり、この回折格子によって１次回折されて出射する前記信号光の中心波長成分と前記参照光の中心波長成分がともに零度に近い出射角をもつことを特徴とする。
【００３３】
〔３〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記信号処理系が、光ヘテロダイン信号の振幅のみを検出することを特徴とする。
【００３４】
〔４〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記信号処理系が、前記光ヘテロダイン信号振幅の最大値に対応する前記センサ上の検出位置を求めるために微分法を用いることを特徴とする。
【００３５】
〔５〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記干渉光学系が前記被検体へ入射する光ビームをこの光ビームの入射方向と垂直な横方向上線状に絞るために円柱レンズを用い、さらに、この円柱レンズを用いて前記被検体を経由した信号光を集光することを特徴とする。
【００３６】
〔６〕上記〔５〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記光センサが、空間的に二次元配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサの一方向上で得られた複数の受光信号を統合して前記信号光の伝搬方向上の各関心点に対応する信号を生成するとともに、前記光センサの他の一方向上で得られた複数の受光信号を総合して、前記信号光の伝搬方向と垂直な横方向上の各関心点に対応する信号を生成し、さらに、横方向上の各関心点に対応する信号間の相関関数を算出することにより各関心点間の距離差を求める信号処理部を具備することを特徴とする。
【００３７】
〔７〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記干渉光学系が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする。
【００３８】
〔８〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする。
【００３９】
〔９〕上記〔１〕記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置において、前記光源が、可干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００４１】
本発明は、光ヘテロダイン検出法を用いることにより、上記光干渉縞の包絡線のみを検出する。さらに、本発明は空間干渉測定における光ヘテロダイン検出の効率を高めるために、角分散素子例えば回折格子による結像方法を用いている。
【００４２】
図１は本発明の原理を示す角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置の構成図である。
【００４３】
この図において、１は低コヒーレンス光源、２，３，６，１２，１４はレンズ、４は第１のビームスプリッタＢＳ１、５は第２のビームスプリッタＢＳ２、７は被検体、８は周波数シフタ、９は直角プリズム、１０はミラー、１１は回折格子、１３は開口、１５は光センサアレイである。
【００４４】
図１に示すように、スペクトル幅をもつ低コヒーレンス光源１から出射した光ビームはレンズ２，３によってビーム径の拡大した平行ビームに変換される。その平行ビームを第１のビームスプリッタ４で信号光と参照光に二分する。参照光と分かれた信号光の一部は第２のビームスプリッタ５を通過して、レンズ６によって被検体７の表面へ収束されて入射する。その被検体７から反射してくる信号光は再びレンズ６によって集光され、第２のビームスプリッタ５へ伝送される。第２のビームスプリッタ５によって一部反射される信号光は入射角θで回折格子１１へ入射する。
【００４５】
一方、参照光は周波数シフタ８、例えば光音響変調器（ＡＯＭ）からΔｆの周波数シフトを受けて、直角プリズム９によって全反射され、ミラー１０へ伝送される。ミラー１０によって反射される参照光は、信号光とは反対の側から回折格子１１へ入射する。ただし、その入射角度は信号光と同じく入射角θである。図１に示すように、参照光と信号光が回折格子１１の面上において互いに重畳する。 周知のように、光ヘテロダイン検出効率は、参照光波と信号光波の波面不整合によって顕著に低下する。これはいわゆる光ヘテロダイン検出のアンテナ特性であり〔例えば、Ａ．Ｅ．Ｓｉｅｇｍａｎ、“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”、Ｖｏｌ．５、１５８８（１９６６）参照〕、検出器の面積分により空間周波数をもつ干渉光が平均されてしまうと理解できる。この観点から、上記のような高い空間周波数（狭い干渉縞間隔とも表現する）の干渉測定にヘテロダイン検出法を応用することは大変不利であると言える。従来の光ヘテロダイン干渉計では、図１に示す第２のビームスプリッタ５から反射される信号光とミラー１０から反射される参照光を回折格子１１を用いて合波させ、単一検出器で位相面を揃えた両光波をヘテロダイン検出する〔例えば、吉沢徹、瀬田勝男、“光ヘテロダイン技術”、新技術コミュニケーションズ出版（１９９４）参照〕。しかし、このような波面整合方法は同軸光学の原理に過ぎず、空間周波数の情報が失われることになる。
【００４６】
そこで、本発明は、次のような機構を干渉計に備えることにより、従来の光ヘテロダイン干渉計と異なる特徴をもつ光空間干渉プロフィロメトリー装置を提供するようにしたものである。
【００４７】
ここでは、回折格子によって回折されて出射する信号光及び参照光を結像レンズ系で検出面にて結像させる。
【００４８】
さらに、本発明は検出面に配置される光センサとして、一次元ないし二次元に受光素子を配列される光センサレアイ１５を使用し、その光センサアレイ１５から得られる出力のうち、周波数Δｆのヘテロダイン信号の振幅を検出することによって干渉光強度の空間分布を測定するようにしたものである。
【００４９】
以下、本発明による光ヘテロダインプロフィロメトリー測定の原理を説明する。
【００５０】
図２は、図１に角分散素子として例えば透過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示すものである。格子定数ｄの回折格子がｘ− 軸上に配置され、その法線がｙ− 方向と平行するとすると、入射角θの光ビームに対して回折格子からの１次回折光の出射角βは、回折格子方程式より
【００５１】
【数９】
と与えられ、その角分散をこの式（９）より次のように近似できる。
【００５３】
【数１０】
図２において、ある出射点Ａから入射光波の等位相面ＯＫまでの距離をＡＫ（上バー付き）とし、また中心点Ｏから回折光波の等位相面ＬＡまでの距離ＯＬ（上バー付き）をとすると、両者の間の距離差がＡＫ−ＯＬ≒ＯＡ（ｓｉｎβ０ ＋Δβ）〔ＡＫ，ＯＬ，ＯＡともに上バー付き）であることから、回折格子の角分散による回折光の位相差Δφは次のように算出される。ただしβ０ は中心波長λｏ における回折角である。
【００５５】
【数１１】
そこで、本発明は図３に示す光学結像系を用いることを特徴とする。
【００５７】
図３では、焦点距離ｆ１ のレンズ１２のフーリェ面に開口１３を配置することにより、回折格子１１からのゼロ次回折光並び２次以上の高次回折光を除去し、信号光及び参照光の１次回折光のみを光センサアレイ１５の面上に結像する。
【００５８】
さらに、信号光波ｅｓ と参照光波ｅｒ はそれぞれ左右の両側から回折格子１１に入射することから、回折格子１１の出射面における参照光の１次回折光と信号光の１次回折光との間の位相差Δφを次のように察知できる。ただし、Δω＝２πΔｆは両光波間の角周波数差である。
【００５９】
【数１２】
ここで、Δｌは、参照光波が等位相面ＥＤまでの伝搬距離と、信号光波が等位相面ＣＤまでの伝搬距離との間の差であって、本発明では、例えば図１での直角プリズム９の配置位置を参照光波の入射方向上にスキャンすることにより、被検体７の表面のある基準点から反射してきた信号光に対してΔｌ＝０になるように設置することが可能である。
【００６１】
一方、図３に示す光学結像の倍率はＭ＝ｆ２ ／ｆ１ であり、回折格子１１の出射面上、例えばＡ点（座標：ｘ）から出射する光は光センサアレイ１５が配置される検出面上のＡ′点（座標：−Ｍｘ）に結像される。従って、検出面に結像する参照光と信号光との間の位相差は上記した式（１２）より次のように与えられる。
【００６２】
【数１３】
ただし、ｆ＝ｃ／λである。前記式（３）と同様に、検出面で検出される光強度は次のように計算される。
【００６４】
【数１４】
上記した式（１３）と式（１４）より光干渉の項は、
【００６６】
【数１５】
と求められる。スペクトル広がりをもつ光源の場合、この式（１５）を光源の周波数分布について積分すればよく、ここでは計算の便宜上光源の周波数分布関数を中心ｆ０ 、幅２δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とすると、
【００６８】
【数１６】
この式（１６）は周波数Δｆ＝Δω／２πの正弦関数で変調されているｓｉｎｃ関数を表わし、前記式（８）と同様に光路長差Δｌに対応して
【００７０】
【数１７】
の位置でｓｉｎｃ関数のそのピークが検出される。しかし、その正弦関数の位相は周期Ｍλ０ ／（２ｓｉｎβ０ ）の空間分布をもち、上記した式（８）で与えられている周期〔＝λ０ ／（２ｓｉｎθ）〕とは根本的に異なる。
【００７２】
すなわち、本発明は従来の空間光干渉法で光波の入射角度で決められていた干渉縞の周期を、適切な回折角β０ を選ぶことにより自由に変化できる一方で、光路長差Δｌに対応した干渉縞のピーク値を従来の空間光干渉法と同様に入射角度θで定められる位置で検出できることに特徴がある。
【００７３】
この特徴により、本発明は空間干渉縞の周期を広げることで前記空間分解能の難点を解決することが可能である。ここで数値例として、λ０ ＝８５０ｎｍ、θ＝３０ｏ 、またＭ＝１とすると、本発明は、例えば６００本／ｍｍ（ｄ＝１．６７μｍ）の回折格子を用いてβ０ ≒１°にすることにより、従来λ０ ／（２ｓｉｎθ）＝０．８５μｍの干渉縞周期をＭλ０ ／（２ｓｉｎβ０ ）＝４７μｍに広げることができる。また、光学倍率Ｍを上げることにより、干渉縞の周期をさらに広げることも容易である。
【００７４】
さらに、本発明は干渉縞の周期を自由に広げることによって、光ヘテロダイン検出効率を改善することを特徴とする。以下にその原理を説明する。
【００７５】
光ヘテロダイン検出の効率ζと波面整合の関係は次のようなｓｉｎｃ関数で表わされる〔例えば、Ａ．Ｖａｎｄｅｒｌｕｇｔ，“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｉｎｃ．出版（１９９２）参照〕。
【００７６】
【数１８】
ただし、Ｄは検出器の大きさ（幅）、αｋ ＝φ／λは空間周波数、φは参照光と信号光間の交差角度である。従来の空間干渉法ではφ＝２θであるのに対して、本発明は上記の角分散結像原理からφ＝２β０ となる。従って、適切な回折格子条件を揃えてβ０ をゼロもしくはゼロに近づけることによって、上記した式（１８）で与えられるｓｉｎｃ関数の値を１もしくは１近くにすることは可能である。
【００７８】
本発明によれば、光センサアレイ１５の各検出素子から得られる光電流を例えばバンドパスフィルタと整流器などからなる信号処理系を通して中間周波数Δωのヘテロダイン信号成分の振幅のみを検出すると、上記した式（１６）より
【００７９】
【数１９】
が得られる。この式（１９）は干渉縞の包絡線に比例していることが明白である。
【００８１】
従って、本発明は光ヘテロダイン法を用いて空間干渉縞の包絡線のみを検出し、その包絡線のピーク値を直接読み取ることにより、上記した式（１７）の対応関係から信号光と参照光との間の光路長差を求めるができる。このことは、検出した光干渉の演算処理により干渉縞の包絡線を求める従来の空間干渉測定と根本的に異なる。
【００８２】
【実施例１】
図４は、本発明による図１の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す。
【００８３】
この図において、２１は低コヒーレンス光源、２２，２３，３２，３４はレンズ、２４は第１のビームスプリッタＢＳ１、２５は第２のビームスプリッタＢＳ２、２６は円柱レンズ、２７は被検体、２８は周波数シフタ、２９は直角プリズム、３０はミラー、３１は回折格子、３３は開口、３５は２次元光センサアレイである。
【００８４】
市販されている近赤外域ＳＬＤの場合、コヒーレント長ｌＣ ≒３０μｍ、また発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合、ｌＣ ≒１０μｍ程度である。
【００８５】
さらに、図４の実施例は、本発明による図１の信号光の送信及び受信用レンズ６の代わりに円柱レンズ２６を用いることにより、下記のような二次元光断層画像計測を可能にすることを特徴とする。
【００８６】
参照光と分かれた信号光は円柱レンズ２６によって、被検体２７へ入射される。円柱レンズ２６は光波を一方向だけに収束するので、被検体２７へ入射する信号光は図４に示すように光伝搬方向（ｘ− ）と垂直する横方向（ｙ− ）上に線状に絞られる。被検体２７から反射してくる信号光は再び円柱レンズ２６によって集光される。その集光された光波は円柱レンズ２６の一方向のみの発散性質により平行ビームに変換され、第２のビームスプリッタ２５へ伝送される。
【００８７】
検出面上に結像される干渉光は二次元光センサアレイ３５によって検出される。そのｘ− 方向上で検出される光信号は本発明による測定原理から被検体２７の起伏（または深さ）情報に対応していることが明白である。
【００８８】
一方、図４に示すように２次元光センサアレイ３５のｙ− 方向は信号光の横方向（ｙ− ）に位置対応している。従って、本実施例は被検体２７への入射光を線状に絞り、また干渉光を二次元光センサアレイ３５で検出することにより、被検体２７に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取得することができる。すなわち、ｘ−ｙ面上の二次元プロフィールを実時間で計測できることになる。
【００８９】
【実施例２】
図５に、図４の実施例で得られる２次元アレイ信号から被検体表面プロフィルーを求める方法の一例を示す。アレイ信号を相関関数演算器３６に入力して各チャンネル間の相関関数を取ることにより、例えば上記した式（１９）で与えられる信号の空間分布関数から２つの測定点間の距離差（または段差）を算出することが可能である。図４の実施例では、２次元測定が実時間で行われているため、干渉系の不安定やゆらぎなどによるアレイ信号間の相対的な安定性への影響は従来のｙ− 方向走査方式と比べて格段に改善され、アレイ信号の相関関数からサブ波長オーダーの光路長差を求めることが可能であると考えられる。
【００９０】
また、各信号波形を微分することにより、各ピーク値を算出し、その差を計算して、同様にサブ波長オーダーの光路長差を測定できる。
【００９１】
【実施例３】
図６は、本発明による図１の光計測装置にビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いた実施例である。
【００９２】
図６において、４１は低コヒーレンス光源、４２，４３，４７，５３，５５はレンズ、４４は第１の広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ１、４５は第２の広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ２、４６は１／４波長板、４８は被検体、４９は周波数シフタ、５０は直角プリズム、５１はミラー、５２は回折格子、５４は開口、５６は光センサアレイである。
【００９３】
図６に示すように、低コヒーレンス光源４１例えばＳＬＤとＬＥＤからの出力光は一般的に無偏光で、すなわち特定の偏光方向をもたないものである。図６では、第１の広帯域偏光ビームスプリッタ４４が入射光のＳ偏光成分を９０°反射して参照光とし、またその入射光のＰ偏光成分を通過させて信号光とする。参照光と分かれた信号光は１／４波長板４６を通過して円偏光に変換され、さらにレンズ４７によって収束されて被検体４８へ入射する。被検体４８から反射してきた円偏光の信号光は再び１／４波長板４６を通過することによりＳ偏光の直線偏光に変換される。第２の広帯域偏光ビームスプリッタ４５はＳ偏光の信号光を９０°反射して回折格子５２へ伝送する。このように、回折格子５２の面上にて重畳される信号光および参照光はともにＳ偏光である。
【００９４】
本実施例は、広帯域偏光ビームスプリッタ及び波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向を制御できることが特徴である。
【００９５】
【実施例４】
本発明によれば、透過型の角分散素子のみならず、反射型の角分散素子も光画像計測に利用できることが明白である。
【００９６】
図７は、反射型回折格子を用いた本発明の実施例である。
【００９７】
この図において、６１は反射型回折格子、６２はレンズ、６３は光センサアレイである。
【００９８】
図７に示すように、反射型回折格子６１によって一次回折される信号光及び参照光は、焦点距離ｆのレンズ６２によって検出面上に結像される。その検出面には干渉光を検出する光センサアレイ６３が配置されている。
【００９９】
図７の実施例は、回折効率の高い反射型回折格子を利用できることが特徴である。
【０１００】
【実施例５】
本発明は被検体の表面のみならず、その内部の層構造の測定に応用できることが明白である。図８にそのような応用例を示す。
【０１０１】
図８において、中央に被検体７１があり、両側に第１の層７２と第２の層７３を有している。
【０１０２】
特に、各層７２，７３内屈折率の分布が均一、または均一に近い場合、本発明は波長オーダーの分解能で各層のプロフィールを計測することが可能である。
【０１０３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１０４】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１０５】
（Ａ）低コヒーレント空間干渉法によるプロフィロメトリー計測を高速でかつ有効に行うことができる。
【０１０６】
（Ｂ）光ヘテロダイン検出法を用いることにより、光干渉縞の包絡線のみを検出できる。さらに、空間干渉測定における光ヘテロダイン検出の効率を高めるために、角分散素子例えば回折格子による結像方法を用いることができる。
【０１０７】
また、一次元ないし二次元に受光素子を配列される光センサレアイを使用し、その光センサアレイから得られる出力のうち、周波数Δｆのヘテロダイン信号の振幅を検出することによって干渉光強度の空間分布を測定することができる。
【０１０８】
（Ｃ）被検体への入射光を線状に絞り、また干渉光を二次元光センサアレイで検出することにより、被検体に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取得することができる。すなわち、ｘ−ｙ面上の二次元プロフィールを実時間で計測することができる。
【０１０９】
（Ｄ）干渉系の不安定やゆらぎなどによるアレイ信号間の相対的な安定性への影響は従来のｙ− 方向走査方式と比べて格段に改善され、アレイ信号の相関関数からサブ波長オーダーの光路長差を求めることが可能である。
【０１１０】
また、各信号波形を微分することにより、各ピーク値を算出し、その差を計算して、同様にサブ波長オーダーの光路長差を測定できる。
【０１１１】
（Ｅ）広帯域偏光ビームスプリッタ及び波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向を制御できる。
【０１１２】
（Ｆ）反射型回折格子によって回折効率の高い光センサアレイによる計測を行うことができる。
【０１１３】
（Ｇ）中央に被検体が位置し、両側に第１の層と第２の層が存在する場合、各層内屈折率の分布が均一、または均一に近い場合、波長オーダーの分解能で各層のプロフィールを計測することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置の構成図である。
【図２】図１に角分散素子として例えば透過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示す図である。
【図３】本発明に係る光学結像系の説明図である。
【図４】本発明による図１の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す図である。
【図５】図４の実施例で得られる２次元アレイ信号から被検体表面プロフィルーを求める方法の一例を示す図である。
【図６】本発明による図１の光計測装置にビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いた実施例である。
【図７】反射型回折格子を用いた本発明の実施例を示す図である。
【図８】本発明の応用例を示す被検体の説明図である。
【図９】光干渉法によるプロフィロメトリーの測定原理を示す図である。
【図１０】互いの距離差（または段差）が波長以上である２つの測定点に対して得られる低コヒーレント干渉信号の様子を示す図である。
【図１１】平面波の信号光ｅｓ と平面波の参照光ｅｒ が検出面の中心位置Ｏに対しそれぞれ左側と右側から検出面へ入射する場合の説明図である。
【図１２】互いの段差が約一波長に等しい測定点ＡとＢに対して得られる低コヒーレント光干渉信号を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，４１ 低コヒーレンス光源
２，３，６，１２，１４，２２，２３，３２，３４，４２，４３，４７，５３，５５，６２ レンズ
４，２４ 第１のビームスプリッタ４（ＢＳ１）
５，２５ 第２のビームスプリッタ４（ＢＳ２）
７，２７，４８，７１ 被検体
８，２８，４９ 周波数シフタ
９，２９，５０ 直角プリズム
１０，３０，５１ ミラー
１１，３１，５２ 回折格子
１３，３３，５４ 開口
１５，５６，６３ 光センサアレイ
２６ 円柱レンズ
３５ ２次元光センサアレイ
３６ 相関関数演算器
４４ 第１の広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）
４５ 第２の広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）
４６ １／４波長板
６１ 反射型回折格子
７２ 第１の層
７３ 第２の層
Claims (9)
- （ａ）広いスペクトル幅をもつ光ビームを出射する光源と、
（ｂ）該光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、該被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光を空間的に交差させることにより、互いに重畳する面上において干渉光を生成する干渉光学系と、
（ｃ）該干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタを備え、さらに、前記信号光と前記参照光が重畳する面上に角分散素子を配置して、該角分散素子を透過もしくは反射する前記信号光および前記参照光を検出面上にて結像する光学結像系と、
（ｄ）該光学結像系で結像した干渉光をヘテロダイン検出する光センサと、
（ｅ）該光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理系とを具備することを特徴とする角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。 - 前記角分散素子が回折格子であり、該回折格子によって１次回折されて出射する前記信号光の中心波長成分と前記参照光の中心波長成分がともに零度に近い出射角をもつことを特徴とする請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。
- 前記信号処理系が、光ヘテロダイン信号の振幅のみを検出することを特徴とする請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。
- 前記信号処理系が、前記光ヘテロダイン信号振幅の最大値に対応する前記センサ上の検出位置を求めるために微分法を用いることを特徴とする請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。
- 前記干渉光学系が前記被検体へ入射する光ビームを該光ビームの入射方向と垂直な横方向上線状に絞るために円柱レンズを用い、さらに、該円柱レンズを用いて前記被検体を経由した信号光を集光することを特徴とする請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。
- 前記光センサが、空間的に二次元配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサの一方向上で得られた複数の受光信号を統合して前記信号光の伝搬方向上の各関心点に対応する信号を生成するとともに、前記光センサの他の一方向上で得られた複数の受光信号を総合して、前記信号光の伝搬方向と垂直な横方向上の各関心点に対応する信号を生成し、さらに、横方向上の各関心点に対応する信号間の相関関数を算出することにより各関心点間の距離差を求める信号処理部を具備することを特徴とする請求項５記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。
- 前記干渉光学系が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。
- 前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。
- 前記光源が、可干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の角分散光ヘテロダインプロフィロメトリー装置。
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