JP3642996B2 - 光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低コヒーレント光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置に関するものであり、特に、透明物体の屈折率と厚さを同時に測定するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような分野の参考文献としては以下に示すようなものがある。
【０００３】
（１）Ｔ．Ｆｕｋａｎｏ ｅｔ ａｌ，Ｏｐｔ，Ｌｅｔｔ．２１，ｐｐ．１９４２−１９４４（１９９６）．
（２）Ｍ．Ｏｈｍｉ ｅｔ ａｌ，Ｏｐｔ．Ｒｅｖ．４，ｐｐ．５０７−５１５（１９９７）．
（３）Ｍ．Ｈａｒｕｎａ ｅｔ ａｌ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２３，ｐｐ．９６６−９６８（１９９８）．
（４）春名他、光波センシング技術研究会論文集、ＬＳＴ２１−２１，ｐｐ．１４５−１５２，ＭＡＹ １９９８．
（５）Ｓ．Ｉｎｏｕｅ ｅｔ ａｌ，ＯＦＳ−１３，ｐａｐｅｒ Ｔｕ４−６，Ｐｒｏｃ．ｐｐ．１２４−１２７，Ｋｙｏｎｇｊｕ，Ｋｏｒｅａ，Ａｐｒ．１９９９．
（６）Ｈ．Ｍａｒｕｙａｍａ ｅｔ ａｌ，Ｉｎｔ’ｌ Ｃｏｎｆ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．ｆｏｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈ．，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ３７４０，ｐｐ．２６−２９，Ｙｏｋｏｈａｍａ，Ｊｕｎｅ １９９９．
低コヒーレンス光干渉をベースとする屈折率ｎと厚さｔの同時測定に関して〔上記文献（１）〕、高精度測定が可能な測定サンプル走査法を提案・実証し〔上記文献（２），（３）〕、これに基づいて実用装置を試作した〔上記文献（４）〜（６）〕。
【０００４】
このような従来の装置では厚さｔはサンプルとしての２０μｍ〜数ｍｍの透明板に対応でき、特に、数１００μｍ以上の厚さでは測定制度≦０．３％が確保できる。しかしながら、測定に約４分を要するのが欠点であり、従来の装置の適用範囲を拡大するには、測定精度を維持したままでの大幅な測定時間短縮が必須である。
【０００５】
また、本発明の先行技術としては、本願の発明者によって、既に提案された特開平９−２１８０１６号がある。
【０００６】
図６はかかる従来のＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いた光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定の基本的なシステム構成図である。
【０００７】
この図において、ＳＬＤ１の発振中心波長λc ＝８３４ｎｍで、発振スペクトラムの半値全幅（ＦＷＨＭ）はΔλ＝１６ｎｍであり、これによって決まる干渉計の可干渉距離はΔｌc 〜２５μｍである。この干渉計において、ＳＬＤ１から出射された光はビームスプリッター（ＢＳ）２で二等分され、その光の一方は集光レンズ（対物レンズ）３で第２のステージ４上に置かれた測定対象物５に集光される。
【０００８】
これに対して、他方の光は、第１のステージ７上のＰＺＴ（ピエゾトランスデューサ）９に固定された参照光ミラー１０に照射される。ＰＺＴ９には周波数ｆ（＝５００Ｈｚ）の振動が加えられ、参照光ミラー１０からの反射光（参照光）を位相変調する。測定対象物５からの反射光（信号光）と参照光ミラー１０から参照光を、合波・干渉してフォトダイオード（ＰＤ）１３でヘテロダイン検波する。
【０００９】
その検出信号はアンプ１４、高域通過フィルタ１５、アンプ１６を通してサンプリングホールド回路１７に導き、周波数ｆなる交流信号振幅の最大値を抽出し、Ａ／Ｄコンバータ１８により、１０ビットのディジタル信号に変換してパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１９に記憶する。なお、１１はステージコントローラであり、第１のステージ７、第２のステージ４、第３のステージ６をそれぞれ制御する。８はＰＺＴ９に接続される交流電圧源、１２ａ，１２ｂはリレーレンズである。
【００１０】
一般に、光通信用の半導体レーザダイオード（ＬＤ）は、発振波長スペクトラム幅Δλ（＜０．１ｎｍ）は狭く、良質の単色光源である。これに対してＳＬＤ１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）とＬＤの中間的なもので、市販のＳＬＤの発振波長スペクトラムは広くΔλ〜１５ｎｍ程度である。
【００１１】
このＳＬＤ１を光源とする干渉光学系を低コヒーレント光干渉系と呼び、その可干渉距離ΔｌC はわずか２０μｍである。すなわち、ＳＬＤ干渉光学系では、ビームスプリッターで分けられた二つの光（参照光と信号光）は、これらの伝搬距離（光路長）の差がΔｌC ／２（〜１０μｍ）以下でなければ、干渉できない。言い換えれば、ＳＬＤ干渉光学系は、約１０μｍの分解能で光の伝搬距離（光路長）の差を識別できる。このことから、ＳＬＤ干渉光学系は分解能１０μｍオーダーの光路長測定や微小領域の故障診断に利用できる。
【００１２】
そこで、測定対象物（ここでは、板状の透明媒質、つまり透明板）５の屈折率ｎ、厚さｔの測定を行なう。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置では、被測定物体（又は集光レンズ）が搭載されているステージを走査し、反射光を得る。この反射光の必要なポイント毎に参照光ミラーが載ったステージを前後に移動させて、干渉光の強度パターンを得る、繰り返しの測定になり、かなりの時間がかかる。現に専門家による専用の測定ソフトを作成したが、１ポイントでの屈折率、厚さの測定に約４分を要した。特に、面分布を知るために多点測定には高速化が望まれる。
【００１４】
本発明は、上記状況に鑑みて、測定時間が極めて短く、かつ測定精度が高い光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【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〕光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、第１のビームスプリッターと第１の光検出器を備える低コヒーレンス光干渉測定手段と、この低コヒーレンス光干渉測定手段とは分離されるとともに、第２のビームスプリッターと第２の光検出器を備える共焦点光学測定手段とを具備することを特徴とする。
【００１６】
〔２〕上記〔１〕記載の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記第１の光検出器はこの第１の光検出器の直前にアパーチャを配置し、６ｍｍの入射ビーム径を１ｍｍに制限して２０倍対物レンズの実効的な開口数（ＮＡ）を０．０５に低下させ、測定対象物の反射面を測定し、前記第２の光検出器の直前では、サンプルへの入射光ビームそのままのビーム径で、レンズ固有の開口数（ＮＡ＝０．３）を利用して、空間フィルタリングにより、測定対象物の前面及び後面からの反射光プロファイルを得ることを特徴とする。
【００１７】
〔３〕上記〔２〕記載の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記空間フィルタリングは、単一モード光ファイバによることを特徴とする。
【００１８】
〔４〕光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法において、低コヒーレンス光干渉計と共焦点光学系を組み合わせて、１回のサンプル走査により測定対象物の屈折率と厚さの同時測定を行うことを特徴とする。
【００１９】
〔５〕上記〔４〕記載の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法において、２０μｍ〜数ｍｍの透明測定対象物であるカバーガラスを用い、０．１μｍステップのステージを２００００パルス／秒の信号で走査し、１回のサンプル走査により測定対象物の屈折率と厚さの同時測定を１秒以下で行うことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施例を示す光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの高速同時測定システムの構成図である。
【００２２】
図１において、１０１は近赤外スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であり、発振中心波長λC は８５０ｎｍ、スペクトル幅Δλは２４ｎｍ、コヒーレンス長Δｌc は１２μｍ、最大出力は５ｍＷである。１０２は第１のビームスプリッターであり、ＳＬＤ光を２分割して、干渉計の参照アームと信号光（サンプル）アームに導く。更に、参照光ミラー１０７からの反射光（参照光）と測定サンプル１０５からの反射光を合波・干渉して光検出器に導く。
【００２３】
１０３は第２のビームスプリッターであり、測定サンプル１０５からの反射光を第１のビームスプリッター１０２と第３のレンズ１２２の方向に２分割する。１０４は微動ステージであり、０．１μｍステップで、測定サンプル１０５をｚ方向に一定速度（ｖ＝２ｍｍ／ｓ）で移動する。１０５は測定サンプルであり、厚さ約５０μｍ以上の透明板である。
【００２４】
１０６は分散補償用ガラスブロックであり、信号光アームにある第１のビームスプリッター１０２の波長分散を補償するためのガラスブロックであり、実験では使用したビームスプリッターに応じて、厚さ１５ｍｍのブロックを使用している。１０７は参照光ミラーであり、干渉計の参照光アームに用いるミラーである。１０８はミラーホルダーであり、参照光ミラー１０７の傾き調整機構付のホルダーである。
【００２５】
１０９はアパーチャであり、干渉光のビーム径を１ｍｍφに制限し、測定サンプル１０５前面にある第２のレンズ１２１への入射光ビームのうち直径１ｍｍ内の光ビームのみを検出するためのものであり、これによって、光コヒーレンスゲートのための第２のレンズ１２１の実効的な開口数（ＮＡ）は、０．０５となり、第２のレンズ１２１の集光作用を抑えてコヒーレンスゲートを有効に活用できる。
【００２６】
１１０は単一モード光ファイバであり、コア径１０μｍの単一モード光ファイバで、測定サンプル１０５からの反射光の空間コヒーレンスゲートを改善するために利用し、空間フィルタリングの役割を果たす。１１１は第１の光検出器であり、測定サンプル１０５からの反射光と参照光との干渉光を検出する。すなわち、低コヒーレンス光干渉計用光検出器である。１１２は第２の光検出器であり、共焦点光学系の光検出器である。１１３は第１の増幅器（第１のアンプ）、１１４は第２の増幅器（第２のアンプ）である。
【００２７】
１１５は高域通過フィルタであり、微動ステージ１０４の移動速度（ｖ＝２ｍｍ／ｓ）に応じて、信号光（サンプルからの反射光）の周波数はドップラーシフトｆD ＝４．７ｋＨｚを受ける。したがって、干渉・ヘテロダイン検波された信号の周波数はドップラーシフトｆD 付近にある。したがって、カットオフ周波数５００Ｈｚの高域通過フィルタ１１５を設けて、直流成分を除去して、干渉計からの検出信号を処理する。
【００２８】
１１６は第３の増幅器（第３のアンプ）、１１７はＡＤコンバータであり、１２ビット、８チャネル、サンプリング周波数６３．４４ｋＨｚのＡＤコンバータを使用する。１１８はステージコントローラ、１１９はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。
【００２９】
１２０は第１のレンズであり、ＳＬＤ出射光のビーム径を６ｍｍに拡げるための×２０対物レンズである。１２１は第２のレンズであり、ＳＬＤ光を測定サンプル１０５前面、後面に集光するための×２０対物レンズである。１２２は第３のレンズであり、測定サンプル１０５からの反射光を単一モード光ファイバ１１０端面に集光するための×２０対物レンズである。１２３は第４のレンズであり、干渉計の信号光アームと参照光アームの波長分散を同じにするための、第２のレンズ１２１と同タイプのものである。１２４は第５のレンズであり、１ｍｍ径の光ビームを第１の光検出器１１１に集光するための×５対物レンズである。１２５は第６のレンズであり、単一モード光ファイバ出射光を第２の検出器１１２に集光するための×１０対物レンズである。
【００３０】
このように、本発明は、近赤外スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）１０１を共通の光源として、低コヒーレンス光干渉計と共焦点光学系を複合化したものである。ＳＬＤ１０１の中心波長は８５０ｎｍでコヒーレンス長は１２μｍであり、本発明では、測定サンプル１０５を、０．１μｍ／ステップの微動ステージ１０４上に搭載するだけでよい。
【００３１】
ここで、干渉計では、第１の光検出器１１１の直前に配置したアパーチャ１０９でビーム径を１ｍｍに制限して光軸近傍の光のみを取り出し、これによってサンプルアーム上に置かれた×２０集光レンズである第２のレンズ１２１の実効的な開口数ＮＡを、光干渉計に対してのみ６分の１に低下させることができる。すなわち、コヒーレンスゲートで反射面を特定するには、第２のレンズ１２１の集光作用を極力除去するのがよい。
【００３２】
一方、第２のビームスプリッター１０３で構成される共焦点光学系では、焦点面からの反射光の光軸に対する拡がりは集光レンズ１２１の開口数（ＮＡ）に依存する。したがって、鋭い反射光プロファイルを得るには大きなＮＡをもつ第３のレンズ１２１と単一モード光ファイバ１１０による空間フィルタリングが必要である。
【００３３】
図２は本発明の測定法においてｚ方向への測定サンプルの移動とレンズ焦点位置との関係を示す模式図である。図２（ａ）は測定サンプル１０５表面に焦点位置があり、この状態から測定サンプル１０５をΔｚ移動すると、図２（ｃ）に示すように、測定サンプル１０５後面に焦点合わせされる。この移動距離Δｚを共焦点光学系で測定する。一方、例えば、レンズ焦点が、図２（ｂ）に示すような位置にあるとき、測定サンプル１０５表面と参照光ミラー１０７の位置が等しい光学的距離にあるとすると、この状態で光干渉計の検出器１１１の出力がピーク値を示す。この状態から、図２（ｄ）に示すように、測定サンプル１０５をｚ方向に沿ってΔＤ移動すると、今度は測定サンプル１０５後面と参照光ミラー１０７が等しい光学的距離になり、再び光干渉計の検出器１１１の出力がピークを示す。このサンプル移動距離ΔＤは光干渉計のコヒーレンスゲートで測定できる。
【００３４】
以下、この点について詳細に説明する。
【００３５】
さて、図１に示す光学系では、従来の測定サンプル走査法と異なり、図２に示すように、サンプル１０５を＋ｚ方向に沿って一度走査するだけで、サンプル１０５の前面と後面からの反射光を、コヒーレンスゲート及び共焦点光学系の両方で検出する。
【００３６】
まず、共焦点光学系で得られる前面と後面の反射光ピークの間隔Δｚは、集光レンズのＮＡをζとすると、
Δｚ＝ｔ×√｛（１−ζ2 ）／（ｎp 2 −ζ2 ）｝ …（１）
また、コヒーレンスゲートによる干渉縞の二つの包絡線ピークの間隔ΔＤは、光学的厚さであるので、
ΔＤ＝ｎg ・ｔ …（２）
となる。ここで、ｎp 、ｎg は各々サンプルの位相屈折率及び群屈折率である。透明サンプルにおいては、屈折率の波長分散δｎをΔｚとΔＤで近似的に表現することができ、
δｎ＝（ｎg −ｎp ）／（ｎp ）＝ａ・〔｛√（ΔＤ／Δｚ）｝−１〕b …（３）
である〔上記文献（４）、（６）参照〕。ａ，ｂは実験により決定される定数で、固体サンプルの場合、ａ＝０．０２４，ｂ＝１．６９である（ａ，ｂは別途、実験的に求めた）。
【００３７】
以上の式から、
を得る。上記（３）式、上記（４）式、及び上記（５）式から、実測量Δｚ、ΔＤをもとにしてｎp 、ｔ及びｎg を求めることができる。
【００３８】
以下、実験結果について説明する。
【００３９】
ここで、測定サンプルとしてｔ〜１５０μｍのカバーガラスを用い、高速屈折率ｎ、厚さｔの同時測定を試みた。サンプルステージを１ｍｍ／ｓの一定速度で走査し、サンプリング周波数２２．４１ｋＨｚのＡ／Ｄコンバータを使用して連続的にデータを取り込んだ。この時のサンプリング間隔は４５ｎｍである。検出した信号パターンを図３に示す。
【００４０】
図３は本発明の実施例を示す測定対象物の走査方向と信号強度との特性図であり、縦軸は信号強度（任意スケール）、横軸は走査方向ｚ（μｍ）を示している。ここで、コヒーレンスゲート信号は、図４に示すような干渉縞であり、その包絡線の半値全幅はＳＬＤのコヒーレンス長で決まり、ΔｌC ＝１１．４μｍとなる。
【００４１】
図に示すように、共焦点光学系による反射光ピーク間隔からΔｚ＝９６．３４μｍが得られ、コヒーレンスゲートによる干渉縞の包絡線のピーク間隔から、ΔＤ＝２２９．６７μｍを得た。上式を用いてｎp ＝１．５３４４、ｔ＝１４８．４μｍと求められた。
【００４２】
この１点の測定に要した時間は１秒以下である。
【００４３】
次いで、この測定結果の精度を評価するために、同一サンプルについて、従来の測定サンプル走査法により測定を行った。Δｚ＝９８μｍ、ΔＬ＝１３５μｍ（ΔＤ＝ΔＬ＋Δｚ＝２３３μｍ）と実測され、これよりｎp ＝１．５３２４、ｔ＝１５０．８μｍを得た。測定時間は３分５０秒であった。
【００４４】
これら２つの測定手法で得られたｎp の偏差は０．１３％であり、本発明の測定精度は測定サンプル走査法と同等であることがわかる。
【００４５】
このように、コヒーレンスゲートと共焦点光学系を組み合わせて、１回のサンプル走査で屈折率ｎと厚さｔの同時測定が行える測定手法を提案した。
【００４６】
これにより、本発明の測定精度は、従来の測定サンプル走査法と同等であるが、測定時間は従来は４分であったものが、本発明によれば、僅か１秒以下を実現することができた。
【００４７】
また、本発明によれば、共焦点光学系の反射光プロファイルの拡がりは、図５に示すように、その半値全幅（ＦＷＨＭ）が３１μｍであり、測定可能なサンプルの最小膜厚は、現状では厚さｔは約５０μｍまで測定が可能である。共焦点光学系の光源として空間コヒーレンスの優れたＬＤを用いれば、反射光プロファイルの拡がりは、ＦＷＨＭで約１３μｍとなるので、サンプル厚さｔは２０μｍまで測定が可能である。
【００４８】
上記したように、ビームスプリッターと光検出器（受光素子）を１組から２組にして、これにより、光干渉測定と共焦点光学測定とを分離するようにした。
【００４９】
光干渉測定には検出器１１１とレンズ１２４の前に光ビーム径を１ｍｍにするためにアパーチャ１０９を設ける。これによって、光干渉計のみに対して、集光レンズ１２１の開口数（ＮＡ）を６分の１に低下することができる。しかしながら、共焦点光学系に対しては、集光レンズ１２１の開口数（ＮＡ）は、０．３のまま維持される。
【００５０】
また、測定サンプルとして１５０μｍの厚さを持つ透明なカバーガラスを用い実証した。被測定物体を１回走査するのみで、必要データが入手できる。従来は測定に約４分を要していたのに対して、本発明によれば、高測定精度を維持したまま、１秒以下で実現することができた。
【００５１】
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。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、被測定物体を１回走査するのみで、必要データが入手できる。その測定に従来は約４分を要していたのに対して、本発明によれば、１秒以下が実現することができる。
【００５３】
特に、測定時間が極めて短く、かつ測定精度が高いので、光学材料等の厚さや屈折率分布測定及び製造ライン上における透明板・膜の抜取り検査などに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの高速同時測定システムの構成図である。
【図２】 本発明の測定法においてｚ方向へのサンプルの移動とレンズ焦点位置との関係を示す模式図である。
【図３】 本発明の実施例を示す測定対象物の走査方向と信号強度との特性図である。
【図４】 本発明の実施例を示す光干渉計で検出したサンプル表面付近の干渉縞を示す図である。
【図５】 本発明の実施例を示す光共焦点光学系における反射光プロファイルの拡がりを示す図である。
【図６】 従来のＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いた光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定の基本的なシステム構成図である。
【符号の説明】
１０１ 近赤外スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）
１０２ 第１のビームスプリッター
１０３ 第２のビームスプリッター
１０４ 微動ステージ
１０５ 測定サンプル
１０６ 分散補償用ガラスブロック
１０７ 参照光ミラー
１０８ ミラーホルダー
１０９ アパーチャ
１１０ 単一モード光ファイバ
１１１ 第１の光検出器
１１２ 第２の光検出器
１１３ 第１の増幅器（第１のアンプ）
１１４ 第２の増幅器（第２のアンプ）
１１５ 高域通過フィルタ
１１６ 第３の増幅器（第３のアンプ）
１１７ ＡＤコンバータ
１１８ ステージコントローラ
１１９ パーソナルコンピュータ
１２０ 第１のレンズ
１２１ 第２のレンズ
１２２ 第３のレンズ
１２３ 第４のレンズ
１２４ 第５のレンズ
１２５ 第６のレンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、低コヒーレント光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置に関するものであり、特に、透明物体の屈折率と厚さを同時に測定するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような分野の参考文献としては以下に示すようなものがある。
【０００３】
（１）Ｔ．Ｆｕｋａｎｏ ｅｔ ａｌ，Ｏｐｔ，Ｌｅｔｔ．２１，ｐｐ．１９４２−１９４４（１９９６）．
（２）Ｍ．Ｏｈｍｉ ｅｔ ａｌ，Ｏｐｔ．Ｒｅｖ．４，ｐｐ．５０７−５１５（１９９７）．
（３）Ｍ．Ｈａｒｕｎａ ｅｔ ａｌ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２３，ｐｐ．９６６−９６８（１９９８）．
（４）春名他、光波センシング技術研究会論文集、ＬＳＴ２１−２１，ｐｐ．１４５−１５２，ＭＡＹ １９９８．
（５）Ｓ．Ｉｎｏｕｅ ｅｔ ａｌ，ＯＦＳ−１３，ｐａｐｅｒ Ｔｕ４−６，Ｐｒｏｃ．ｐｐ．１２４−１２７，Ｋｙｏｎｇｊｕ，Ｋｏｒｅａ，Ａｐｒ．１９９９．
（６）Ｈ．Ｍａｒｕｙａｍａ ｅｔ ａｌ，Ｉｎｔ’ｌ Ｃｏｎｆ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．ｆｏｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈ．，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ３７４０，ｐｐ．２６−２９，Ｙｏｋｏｈａｍａ，Ｊｕｎｅ １９９９．
低コヒーレンス光干渉をベースとする屈折率ｎと厚さｔの同時測定に関して〔上記文献（１）〕、高精度測定が可能な測定サンプル走査法を提案・実証し〔上記文献（２），（３）〕、これに基づいて実用装置を試作した〔上記文献（４）〜（６）〕。
【０００４】
このような従来の装置では厚さｔはサンプルとしての２０μｍ〜数ｍｍの透明板に対応でき、特に、数１００μｍ以上の厚さでは測定制度≦０．３％が確保できる。しかしながら、測定に約４分を要するのが欠点であり、従来の装置の適用範囲を拡大するには、測定精度を維持したままでの大幅な測定時間短縮が必須である。
【０００５】
また、本発明の先行技術としては、本願の発明者によって、既に提案された特開平９−２１８０１６号がある。
【０００６】
図６はかかる従来のＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いた光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定の基本的なシステム構成図である。
【０００７】
この図において、ＳＬＤ１の発振中心波長λc ＝８３４ｎｍで、発振スペクトラムの半値全幅（ＦＷＨＭ）はΔλ＝１６ｎｍであり、これによって決まる干渉計の可干渉距離はΔｌc 〜２５μｍである。この干渉計において、ＳＬＤ１から出射された光はビームスプリッター（ＢＳ）２で二等分され、その光の一方は集光レンズ（対物レンズ）３で第２のステージ４上に置かれた測定対象物５に集光される。
【０００８】
これに対して、他方の光は、第１のステージ７上のＰＺＴ（ピエゾトランスデューサ）９に固定された参照光ミラー１０に照射される。ＰＺＴ９には周波数ｆ（＝５００Ｈｚ）の振動が加えられ、参照光ミラー１０からの反射光（参照光）を位相変調する。測定対象物５からの反射光（信号光）と参照光ミラー１０から参照光を、合波・干渉してフォトダイオード（ＰＤ）１３でヘテロダイン検波する。
【０００９】
その検出信号はアンプ１４、高域通過フィルタ１５、アンプ１６を通してサンプリングホールド回路１７に導き、周波数ｆなる交流信号振幅の最大値を抽出し、Ａ／Ｄコンバータ１８により、１０ビットのディジタル信号に変換してパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１９に記憶する。なお、１１はステージコントローラであり、第１のステージ７、第２のステージ４、第３のステージ６をそれぞれ制御する。８はＰＺＴ９に接続される交流電圧源、１２ａ，１２ｂはリレーレンズである。
【００１０】
一般に、光通信用の半導体レーザダイオード（ＬＤ）は、発振波長スペクトラム幅Δλ（＜０．１ｎｍ）は狭く、良質の単色光源である。これに対してＳＬＤ１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）とＬＤの中間的なもので、市販のＳＬＤの発振波長スペクトラムは広くΔλ〜１５ｎｍ程度である。
【００１１】
このＳＬＤ１を光源とする干渉光学系を低コヒーレント光干渉系と呼び、その可干渉距離ΔｌC はわずか２０μｍである。すなわち、ＳＬＤ干渉光学系では、ビームスプリッターで分けられた二つの光（参照光と信号光）は、これらの伝搬距離（光路長）の差がΔｌC ／２（〜１０μｍ）以下でなければ、干渉できない。言い換えれば、ＳＬＤ干渉光学系は、約１０μｍの分解能で光の伝搬距離（光路長）の差を識別できる。このことから、ＳＬＤ干渉光学系は分解能１０μｍオーダーの光路長測定や微小領域の故障診断に利用できる。
【００１２】
そこで、測定対象物（ここでは、板状の透明媒質、つまり透明板）５の屈折率ｎ、厚さｔの測定を行なう。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置では、被測定物体（又は集光レンズ）が搭載されているステージを走査し、反射光を得る。この反射光の必要なポイント毎に参照光ミラーが載ったステージを前後に移動させて、干渉光の強度パターンを得る、繰り返しの測定になり、かなりの時間がかかる。現に専門家による専用の測定ソフトを作成したが、１ポイントでの屈折率、厚さの測定に約４分を要した。特に、面分布を知るために多点測定には高速化が望まれる。
【００１４】
本発明は、上記状況に鑑みて、測定時間が極めて短く、かつ測定精度が高い光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【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〕光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、第１のビームスプリッターと第１の光検出器を備える低コヒーレンス光干渉測定手段と、この低コヒーレンス光干渉測定手段とは分離されるとともに、第２のビームスプリッターと第２の光検出器を備える共焦点光学測定手段とを具備することを特徴とする。
【００１６】
〔２〕上記〔１〕記載の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記第１の光検出器はこの第１の光検出器の直前にアパーチャを配置し、６ｍｍの入射ビーム径を１ｍｍに制限して２０倍対物レンズの実効的な開口数（ＮＡ）を０．０５に低下させ、測定対象物の反射面を測定し、前記第２の光検出器の直前では、サンプルへの入射光ビームそのままのビーム径で、レンズ固有の開口数（ＮＡ＝０．３）を利用して、空間フィルタリングにより、測定対象物の前面及び後面からの反射光プロファイルを得ることを特徴とする。
【００１７】
〔３〕上記〔２〕記載の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記空間フィルタリングは、単一モード光ファイバによることを特徴とする。
【００１８】
〔４〕光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法において、低コヒーレンス光干渉計と共焦点光学系を組み合わせて、１回のサンプル走査により測定対象物の屈折率と厚さの同時測定を行うことを特徴とする。
【００１９】
〔５〕上記〔４〕記載の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法において、２０μｍ〜数ｍｍの透明測定対象物であるカバーガラスを用い、０．１μｍステップのステージを２００００パルス／秒の信号で走査し、１回のサンプル走査により測定対象物の屈折率と厚さの同時測定を１秒以下で行うことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施例を示す光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの高速同時測定システムの構成図である。
【００２２】
図１において、１０１は近赤外スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であり、発振中心波長λC は８５０ｎｍ、スペクトル幅Δλは２４ｎｍ、コヒーレンス長Δｌc は１２μｍ、最大出力は５ｍＷである。１０２は第１のビームスプリッターであり、ＳＬＤ光を２分割して、干渉計の参照アームと信号光（サンプル）アームに導く。更に、参照光ミラー１０７からの反射光（参照光）と測定サンプル１０５からの反射光を合波・干渉して光検出器に導く。
【００２３】
１０３は第２のビームスプリッターであり、測定サンプル１０５からの反射光を第１のビームスプリッター１０２と第３のレンズ１２２の方向に２分割する。１０４は微動ステージであり、０．１μｍステップで、測定サンプル１０５をｚ方向に一定速度（ｖ＝２ｍｍ／ｓ）で移動する。１０５は測定サンプルであり、厚さ約５０μｍ以上の透明板である。
【００２４】
１０６は分散補償用ガラスブロックであり、信号光アームにある第１のビームスプリッター１０２の波長分散を補償するためのガラスブロックであり、実験では使用したビームスプリッターに応じて、厚さ１５ｍｍのブロックを使用している。１０７は参照光ミラーであり、干渉計の参照光アームに用いるミラーである。１０８はミラーホルダーであり、参照光ミラー１０７の傾き調整機構付のホルダーである。
【００２５】
１０９はアパーチャであり、干渉光のビーム径を１ｍｍφに制限し、測定サンプル１０５前面にある第２のレンズ１２１への入射光ビームのうち直径１ｍｍ内の光ビームのみを検出するためのものであり、これによって、光コヒーレンスゲートのための第２のレンズ１２１の実効的な開口数（ＮＡ）は、０．０５となり、第２のレンズ１２１の集光作用を抑えてコヒーレンスゲートを有効に活用できる。
【００２６】
１１０は単一モード光ファイバであり、コア径１０μｍの単一モード光ファイバで、測定サンプル１０５からの反射光の空間コヒーレンスゲートを改善するために利用し、空間フィルタリングの役割を果たす。１１１は第１の光検出器であり、測定サンプル１０５からの反射光と参照光との干渉光を検出する。すなわち、低コヒーレンス光干渉計用光検出器である。１１２は第２の光検出器であり、共焦点光学系の光検出器である。１１３は第１の増幅器（第１のアンプ）、１１４は第２の増幅器（第２のアンプ）である。
【００２７】
１１５は高域通過フィルタであり、微動ステージ１０４の移動速度（ｖ＝２ｍｍ／ｓ）に応じて、信号光（サンプルからの反射光）の周波数はドップラーシフトｆD ＝４．７ｋＨｚを受ける。したがって、干渉・ヘテロダイン検波された信号の周波数はドップラーシフトｆD 付近にある。したがって、カットオフ周波数５００Ｈｚの高域通過フィルタ１１５を設けて、直流成分を除去して、干渉計からの検出信号を処理する。
【００２８】
１１６は第３の増幅器（第３のアンプ）、１１７はＡＤコンバータであり、１２ビット、８チャネル、サンプリング周波数６３．４４ｋＨｚのＡＤコンバータを使用する。１１８はステージコントローラ、１１９はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。
【００２９】
１２０は第１のレンズであり、ＳＬＤ出射光のビーム径を６ｍｍに拡げるための×２０対物レンズである。１２１は第２のレンズであり、ＳＬＤ光を測定サンプル１０５前面、後面に集光するための×２０対物レンズである。１２２は第３のレンズであり、測定サンプル１０５からの反射光を単一モード光ファイバ１１０端面に集光するための×２０対物レンズである。１２３は第４のレンズであり、干渉計の信号光アームと参照光アームの波長分散を同じにするための、第２のレンズ１２１と同タイプのものである。１２４は第５のレンズであり、１ｍｍ径の光ビームを第１の光検出器１１１に集光するための×５対物レンズである。１２５は第６のレンズであり、単一モード光ファイバ出射光を第２の検出器１１２に集光するための×１０対物レンズである。
【００３０】
このように、本発明は、近赤外スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）１０１を共通の光源として、低コヒーレンス光干渉計と共焦点光学系を複合化したものである。ＳＬＤ１０１の中心波長は８５０ｎｍでコヒーレンス長は１２μｍであり、本発明では、測定サンプル１０５を、０．１μｍ／ステップの微動ステージ１０４上に搭載するだけでよい。
【００３１】
ここで、干渉計では、第１の光検出器１１１の直前に配置したアパーチャ１０９でビーム径を１ｍｍに制限して光軸近傍の光のみを取り出し、これによってサンプルアーム上に置かれた×２０集光レンズである第２のレンズ１２１の実効的な開口数ＮＡを、光干渉計に対してのみ６分の１に低下させることができる。すなわち、コヒーレンスゲートで反射面を特定するには、第２のレンズ１２１の集光作用を極力除去するのがよい。
【００３２】
一方、第２のビームスプリッター１０３で構成される共焦点光学系では、焦点面からの反射光の光軸に対する拡がりは集光レンズ１２１の開口数（ＮＡ）に依存する。したがって、鋭い反射光プロファイルを得るには大きなＮＡをもつ第３のレンズ１２１と単一モード光ファイバ１１０による空間フィルタリングが必要である。
【００３３】
図２は本発明の測定法においてｚ方向への測定サンプルの移動とレンズ焦点位置との関係を示す模式図である。図２（ａ）は測定サンプル１０５表面に焦点位置があり、この状態から測定サンプル１０５をΔｚ移動すると、図２（ｃ）に示すように、測定サンプル１０５後面に焦点合わせされる。この移動距離Δｚを共焦点光学系で測定する。一方、例えば、レンズ焦点が、図２（ｂ）に示すような位置にあるとき、測定サンプル１０５表面と参照光ミラー１０７の位置が等しい光学的距離にあるとすると、この状態で光干渉計の検出器１１１の出力がピーク値を示す。この状態から、図２（ｄ）に示すように、測定サンプル１０５をｚ方向に沿ってΔＤ移動すると、今度は測定サンプル１０５後面と参照光ミラー１０７が等しい光学的距離になり、再び光干渉計の検出器１１１の出力がピークを示す。このサンプル移動距離ΔＤは光干渉計のコヒーレンスゲートで測定できる。
【００３４】
以下、この点について詳細に説明する。
【００３５】
さて、図１に示す光学系では、従来の測定サンプル走査法と異なり、図２に示すように、サンプル１０５を＋ｚ方向に沿って一度走査するだけで、サンプル１０５の前面と後面からの反射光を、コヒーレンスゲート及び共焦点光学系の両方で検出する。
【００３６】
まず、共焦点光学系で得られる前面と後面の反射光ピークの間隔Δｚは、集光レンズのＮＡをζとすると、
Δｚ＝ｔ×√｛（１−ζ2 ）／（ｎp 2 −ζ2 ）｝ …（１）
また、コヒーレンスゲートによる干渉縞の二つの包絡線ピークの間隔ΔＤは、光学的厚さであるので、
ΔＤ＝ｎg ・ｔ …（２）
となる。ここで、ｎp 、ｎg は各々サンプルの位相屈折率及び群屈折率である。透明サンプルにおいては、屈折率の波長分散δｎをΔｚとΔＤで近似的に表現することができ、
δｎ＝（ｎg −ｎp ）／（ｎp ）＝ａ・〔｛√（ΔＤ／Δｚ）｝−１〕b …（３）
である〔上記文献（４）、（６）参照〕。ａ，ｂは実験により決定される定数で、固体サンプルの場合、ａ＝０．０２４，ｂ＝１．６９である（ａ，ｂは別途、実験的に求めた）。
【００３７】
以上の式から、
【００３８】
以下、実験結果について説明する。
【００３９】
ここで、測定サンプルとしてｔ〜１５０μｍのカバーガラスを用い、高速屈折率ｎ、厚さｔの同時測定を試みた。サンプルステージを１ｍｍ／ｓの一定速度で走査し、サンプリング周波数２２．４１ｋＨｚのＡ／Ｄコンバータを使用して連続的にデータを取り込んだ。この時のサンプリング間隔は４５ｎｍである。検出した信号パターンを図３に示す。
【００４０】
図３は本発明の実施例を示す測定対象物の走査方向と信号強度との特性図であり、縦軸は信号強度（任意スケール）、横軸は走査方向ｚ（μｍ）を示している。ここで、コヒーレンスゲート信号は、図４に示すような干渉縞であり、その包絡線の半値全幅はＳＬＤのコヒーレンス長で決まり、ΔｌC ＝１１．４μｍとなる。
【００４１】
図に示すように、共焦点光学系による反射光ピーク間隔からΔｚ＝９６．３４μｍが得られ、コヒーレンスゲートによる干渉縞の包絡線のピーク間隔から、ΔＤ＝２２９．６７μｍを得た。上式を用いてｎp ＝１．５３４４、ｔ＝１４８．４μｍと求められた。
【００４２】
この１点の測定に要した時間は１秒以下である。
【００４３】
次いで、この測定結果の精度を評価するために、同一サンプルについて、従来の測定サンプル走査法により測定を行った。Δｚ＝９８μｍ、ΔＬ＝１３５μｍ（ΔＤ＝ΔＬ＋Δｚ＝２３３μｍ）と実測され、これよりｎp ＝１．５３２４、ｔ＝１５０．８μｍを得た。測定時間は３分５０秒であった。
【００４４】
これら２つの測定手法で得られたｎp の偏差は０．１３％であり、本発明の測定精度は測定サンプル走査法と同等であることがわかる。
【００４５】
このように、コヒーレンスゲートと共焦点光学系を組み合わせて、１回のサンプル走査で屈折率ｎと厚さｔの同時測定が行える測定手法を提案した。
【００４６】
これにより、本発明の測定精度は、従来の測定サンプル走査法と同等であるが、測定時間は従来は４分であったものが、本発明によれば、僅か１秒以下を実現することができた。
【００４７】
また、本発明によれば、共焦点光学系の反射光プロファイルの拡がりは、図５に示すように、その半値全幅（ＦＷＨＭ）が３１μｍであり、測定可能なサンプルの最小膜厚は、現状では厚さｔは約５０μｍまで測定が可能である。共焦点光学系の光源として空間コヒーレンスの優れたＬＤを用いれば、反射光プロファイルの拡がりは、ＦＷＨＭで約１３μｍとなるので、サンプル厚さｔは２０μｍまで測定が可能である。
【００４８】
上記したように、ビームスプリッターと光検出器（受光素子）を１組から２組にして、これにより、光干渉測定と共焦点光学測定とを分離するようにした。
【００４９】
光干渉測定には検出器１１１とレンズ１２４の前に光ビーム径を１ｍｍにするためにアパーチャ１０９を設ける。これによって、光干渉計のみに対して、集光レンズ１２１の開口数（ＮＡ）を６分の１に低下することができる。しかしながら、共焦点光学系に対しては、集光レンズ１２１の開口数（ＮＡ）は、０．３のまま維持される。
【００５０】
また、測定サンプルとして１５０μｍの厚さを持つ透明なカバーガラスを用い実証した。被測定物体を１回走査するのみで、必要データが入手できる。従来は測定に約４分を要していたのに対して、本発明によれば、高測定精度を維持したまま、１秒以下で実現することができた。
【００５１】
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。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、被測定物体を１回走査するのみで、必要データが入手できる。その測定に従来は約４分を要していたのに対して、本発明によれば、１秒以下が実現することができる。
【００５３】
特に、測定時間が極めて短く、かつ測定精度が高いので、光学材料等の厚さや屈折率分布測定及び製造ライン上における透明板・膜の抜取り検査などに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの高速同時測定システムの構成図である。
【図２】 本発明の測定法においてｚ方向へのサンプルの移動とレンズ焦点位置との関係を示す模式図である。
【図３】 本発明の実施例を示す測定対象物の走査方向と信号強度との特性図である。
【図４】 本発明の実施例を示す光干渉計で検出したサンプル表面付近の干渉縞を示す図である。
【図５】 本発明の実施例を示す光共焦点光学系における反射光プロファイルの拡がりを示す図である。
【図６】 従来のＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いた光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定の基本的なシステム構成図である。
【符号の説明】
１０１ 近赤外スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）
１０２ 第１のビームスプリッター
１０３ 第２のビームスプリッター
１０４ 微動ステージ
１０５ 測定サンプル
１０６ 分散補償用ガラスブロック
１０７ 参照光ミラー
１０８ ミラーホルダー
１０９ アパーチャ
１１０ 単一モード光ファイバ
１１１ 第１の光検出器
１１２ 第２の光検出器
１１３ 第１の増幅器（第１のアンプ）
１１４ 第２の増幅器（第２のアンプ）
１１５ 高域通過フィルタ
１１６ 第３の増幅器（第３のアンプ）
１１７ ＡＤコンバータ
１１８ ステージコントローラ
１１９ パーソナルコンピュータ
１２０ 第１のレンズ
１２１ 第２のレンズ
１２２ 第３のレンズ
１２３ 第４のレンズ
１２４ 第５のレンズ
１２５ 第６のレンズ
Claims (5)
- 光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、
（ａ）第１のビームスプリッターと第１の光検出器を備える低コヒーレンス光干渉測定手段と、
（ｂ）該低コヒーレンス光干渉測定手段とは分離されるとともに、第２のビームスプリッターと第２の光検出器を備える共焦点光学測定手段とを具備することを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置。 - 請求項１記載の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記第１の光検出器は該第１の光検出器の直前にアパーチャを配置し、６ｍｍの入射ビーム径を１ｍｍに制限して２０倍対物レンズの実効的な開口数（ＮＡ）を０．０５に低下させ、測定対象物の反射面を測定し、前記第２の光検出器の直前では、サンプルへの入射光ビームそのままのビーム径で、レンズ固有の開口数（ＮＡ＝０．３）を利用して、空間フィルタリングにより、測定対象物の前面及び後面からの反射光プロファイルを得ることを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置。
- 請求項２記載の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記空間フィルタリングは、単一モード光ファイバによることを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置。
- 光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法において、
低コヒーレンス光干渉計と共焦点光学系を組み合わせて、１回のサンプル走査により測定対象物の屈折率と厚さの同時測定を行うことを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法。 - 請求項４記載の光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法において、２０μｍ〜数ｍｍのカバーガラスを透明測定対象物となし、０．１μｍステップのステージを２００００パルス／秒の信号で走査し、１回のサンプル走査により測定対象物の屈折率と厚さの同時測定を１秒以下で行うことを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法。
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