JP3826044B2 - 多波長光ヘテロダイン干渉測定方法および装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ヘテロダイン干渉法を用いた高精度な干渉計測法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の光ヘテロダイン法では、測定位相ΦはΦ=2πN+φ(N:整数、φ:測定される位相)となる。位相が連続して変化する場合は、この整数値Nを確定することができるが、位相が不連続になる場合においては、従来の測定からでは整数値Nを決定することができない。すなわち測定レンジは2πとなる。
【0003】
そこでこの問題を解決するために、2つ以上の異なる波長を用いる多波長光ヘテロダイン干渉計が提案されている。この多波長光ヘテロダイン法は、位相が不連続に変化した場合においても測定精度を落とさずに2π以上の測定レンジで測定することができる。これは同時に複数の異なる波長で光ヘテロダイン干渉を行うことで、それぞれ単独の波長での位相変化を測定し、この位相を用いて仮想的に使用している波長よりも長い等価波長で測定したときの位相を計算する。さらに等価波長を用いた測定値から単独波長で測定したときには決定できなかった整数Nを決定することで、単独波長で測定したときと同じ分解能で測定することができる。
【0004】
これを変位計測に応用したものが、従来法として用いられている。すなわち、測定光路のレーザ光が遮られても原点復帰せずに継続して測定でき、測定精度を落とさずに測定レンジをλ/2以上に拡大できるものとして、多波長を用いる多波長光ヘテロダイン法が用いられている。
【0005】
特開平11−183116号公報で提案されている多波長光ヘテロダインを用いた干渉計装置を図6に示す。光源1は波長λ1で、周波数のわずかに異なる二周波直交直線偏光を発振する。このレーザ光源1から発振されたレーザ光は偏光ビームスプリッタ2に入射して偏光方位により参照光路と測定光路に分離される。
【0006】
偏光ビームスプリッタ2を透過したレーザ光は測定光路に進み、四分の一波長板5によって円偏光に変換され測定光になる。また、偏光ビームスプリッタ2で反射されたレーザ光は参照光路に進み、四分の一波長板4によって円偏光に変換され参照光になる。この測定光と参照光はダイクロックミラー10を透過して、参照光は参照鏡6で反射し、測定光は移動鏡7で反射する。それぞれの反射光は再びダイクロックミラー10を透過した後、それぞれ四分の一波長板4,5を透過して偏光方位を当初の偏光方位に対して90°回転した直線偏光に変換される。
【0007】
従って、測定光は偏光ビームスプリッタ2で反射し、参照光は偏光ビームスプリッタ2を透過することで同一光路に合成される。合成されたレーザ光は参照光と測定光の偏光方位と方位が45°傾いた直線偏光子8で干渉し、ビート信号となる。このビート信号は光電検出器9で光電検出される。この測定信号は光源1の内部で周波数のわずかに異なる直交直線偏光を直接干渉させて得られる基準ビート信号とともに位相計19に入力される。
【0008】
一方、レーザ光源11からは、波長λ2で周波数のわずかに異なる二周波直交直線偏光を発振する。このレーザ光源11から発振したレーザ光は偏光ビームスプリッタ12に入射して、その偏光方位により測定光と参照光に分離される。偏光ビームスプリッタ12を透過したレーザ光は測定光路に進み、四分の一波長板15によって円偏光に変換され測定光となる。偏光ビームスプリッタ12で反射したレーザ光は参照光路を進み、ミラー13に入射して光路を測定光路と平行になるように曲げられ、四分の一波長板14によって円偏光に変換され参照光となる。
【0009】
これらの参照光と測定光はダイクロックミラー10で反射した後、参照光は参照鏡6で、測定光は位相鏡7で反射する。それぞれの反射光は再びダイクロックミラー10で反射した後、それぞれ四分の一波長板14,15を透過して、偏光方位を当初の偏光方位に対して90°回転した直線偏光に変換される。従って、測定光は偏光ビームスプリッタ12で反射し、参照光は偏光ビームスプリッタ12でを透過することで同一光路に合成される。合成されたレーザ光は参照光と測定光の偏光方位と方位が45°傾いた直線偏光子16で干渉し、ビート信号となる。このビート信号は光電検出器17で光電検出される。この測定信号は光源11の内部で周波数のわずかに異なる直交直線偏光を直接干渉させて得られる基準ビート信号とともに位相計20に入力される。
【0010】
次にこの測定ビート信号から試料の変位を求める方法を説明する。
【0011】
λ1、λ2のレーザの光路長差をL1、L2とすると、
L1=φ1・λ1/m
L2=φ2・λ2/m
となる、ここで、mは光路の折り返し数である。試料が原点位置Pにあるときのφ1,φ2を記憶しておく。次に試料が移動してQの位置にある時のPQ間の距離をΔLとすると、
L1+ΔL=φ1'・λ1/m
L2+ΔL=φ2'・λ2/m
であるから、Φ=φ2−φ1とすると、
ΔΦ=Φ'−Φ=(φ2'−φ1')−(φ2−φ1)=mΔL
となる。従って合成波長λeq=λ1・λ2/|λ2−λ1|を使うと、Φの変化量をΔΦとして、
ΔL=ΔΦ・λeq/m
となる。すなわち、試料がλeq/m単位でどこに位置するのかがわかっていれば、レーザ光が遮断されても、Φ'を測定することでΔΦを求め、さらにΔLを求めることが出来る。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来法では光源の波長安定性、空気の揺らぎ等での波長の揺らぎにより、整数値Nを算出するために用いている波長の値と実際の波長の値がわずかに異なるため、前述の整数値Nの決定に曖昧さが残り位相が不連続になるという現象が起こる。特に、参照光路長と測定光路長が大きく異なる場合、この現象は深刻な問題となる。
【0013】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相測定の測定レンジを拡大し、且つ高精度測定に対応することができる多波長光ヘテロダイン干渉測定方法および装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる多波長光ヘテロダイン干渉測定方法は、異なる波長の第1及び第2の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉測定方法であって、前記第1及び第2の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第1の等価位相を計算する第1の演算工程と、前記第1の光の位相を任意量変化させた位相信号を求め、この位相を用いて第2の等価位相を計算する第2の演算工程と、前記第1の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なう第3の演算工程と、前記第1の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第2の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第4の演算工程とを具備することを特徴としている。
【0015】
また、本発明に係わる多波長光ヘテロダイン干渉測定装置は、異なる波長の第1及び第2の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、前記第1及び第2の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第1の等価位相を計算する第1の演算手段と、前記第1の光の位相を波長板を用いることで任意量変化させた位相信号を求める第2の演算手段と、前記第1の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第1の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第2の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第3の演算手段とを具備することを特徴としている。
【0016】
また、本発明に係わる多波長光ヘテロダイン干渉測定装置は、異なる波長の第1及び第2の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、前記第1及び第2の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第1の等価位相を計算する第1の演算手段と、前記第1の光の位相を光源の波長をシフトすることで任意量変化させた位相信号を求める第2の演算手段と、前記第1の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第1の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第2の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第3の演算手段とを具備することを特徴としている。
【0017】
また、本発明に係わる多波長光ヘテロダイン干渉測定装置は、異なる波長の第1及び第2の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、前記第1及び第2の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第1の等価位相を計算する第1の演算手段と、前記第1の光の位相を位相シフターを用いて電気的に任意量変化させた位相信号を求める第2の演算手段と、前記第1の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第1の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第2の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第3の演算手段とを具備することを特徴としている。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【0019】
(第1の実施形態)
本発明を高精度な三次元形状測定に適用した第1の実施形態を図1に示す。基本的な光学系は従来の光ヘテロダイン干渉計と同じである。
【0020】
図1において、101,102はレーザ光源であり、それぞれ可干渉性の単一波長(λ1、λ2)の光を発振するレーザ光源である。レーザ光源101、102から発振されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ103により同一光路に合成される。このレーザ光は主軸方位45°におかれた半波長板104により波長λ1、λ2のレーザ光ともに方位が±45°になるように変換され、音響光学素子105aで周波数シフトを受け、周波数のわずかに異なるf1、f2のレーザ光となる。この光は直交直線偏光になっている。音響光学素子105aは音響光学素子ドライバ105bで駆動されている。上記の直交直線偏光を生成する部分は、ゼーマン効果を利用したゼーマンレーザを使用することも可能である。
【0021】
レーザ光はビームスプリッタ106aで透過光と反射光に分割され、反射光は波長選択フィルタ107aで波長λ1を選択され、方位45°の直線偏光子108aで干渉し、光検出器109aで参照ビート信号として光電検出される。ここで選択する波長はλ2でもかまわない。また参照信号は、音響光学素子ドライバ105bからの駆動電圧からミキサ回路を用いて作ることも可能である。
【0022】
透過光はビームエキスパンダ110でビーム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ111へ入射する。偏光ビームスプリッタ111に入射したレーザ光は、偏光成分により二つに分割される。偏光ビームスプリッタ111を通過した周波数f1の偏光成分は、四分の一波長板112aを通過し、対物レンズ113により被測定試料114面上に焦点を結び、反射される、ここで対物レンズ113を用いることにより被測定試料114に面傾斜がある場合においても面傾斜角が対物レンズ113の半開角以下であれば反射光の一部が必ず戻るため、面傾斜がある試料も測定する事が出来る。
【0023】
被測定試料114は光軸と直交する面内方向の二軸(XY軸)を持つ試料ステージ115上に設置されている。試料ステージ115にはX軸レーザ測長器125とX軸測長用ミラー124及び図に記入していないがY軸レーザ測長器とY軸測長用ミラーが設置してあり、試料ステージ115の位置は精密に測定される。
偏光ビームスプリッタ111で反射した周波数f2の偏光成分は、四分の一波長板112bを通過し、参照平面鏡M1で反射される。両方の光路中にある四分の一波長板112a、112bは、入射偏光に対して出射偏光方位を90°回転させることで、光源へ反射光を戻さない役割をしている。
【0024】
周波数f1、f2の反射光は再び偏光ビームスプリッタ111でひとつに合成される。合成されたレーザ光は、ビームスプリッタ106bで透過光と反射光に分離される。ビームスプリッタ106bを透過したレーザ光は方位45°に設置された直線偏光子108bで干渉し、波長選択フィルタ107bで波長λ1のレーザ光だけが選択され集光レンズ116aにより光検出器109b上に集光され測定ビート信号として光電検出される。
【0025】
ビームスプリッタ106bで反射したレーザ光は波長選択フィルタ107cで波長λ2のレーザ光だけが選択され、ビームスプリッタ106cで再び透過光と反射光に分離される。ビームスプリッタ106cを透過したレーザ光は方位45°に設置された直線偏光子108cで干渉し、集光レンズ116bにより光電検出器109c上に集光されて測定ビート信号として光電検出される。
【0026】
ビームスプリッタ106cで反射したレーザ光は方位0°に設置された波長板128により直交直線偏光間の位相をπずらされ、方位45°に設置された直線偏光子108dで干渉し、集光レンズ116cにより光電検出器109d上に集光されて測定ビート信号として光電検出される。
【0027】
光ヘッド121には光軸(Z)方向測長用ミラー122が固定されており、光ヘッド121のZ軸位置はZ軸レーザ測長器123で精密に測定されている。光検出器109a、109b、109cで光電検出された測定ビート信号は参照ビート信号を基準として電気位相計117a、117b、117cで位相変化を検出される。この位相検出はロックインアンプでもかまわない。このビート信号の位相差及びZ軸測長器123からの信号はA/D変換器118を介してコンピュータ119に取り込まれる。またコンピュータ119からの信号によりサーボドライバ120を介して駆動装置126、127を駆動することで試料ステージ115、光ヘッド121は駆動される。
【0028】
次にこの装置を用いて被測定試料114の3次元形状を測定する方法を説明する。最初に光ヘッド121を被測定試料114に接近(Z軸方向)させながら光検出器109b、109cでビート信号を検出し、測定ビート信号の強度が最大になる位置で光ヘッド121を止める。この状態で測定光は被測定試料114面上にフォーカスしているので、この位置における参照ビート信号と測定ビート信号の位相差を波長λ1、λ2それぞれ独立して測定する。
【0029】
この位相差φ1、φ2より、参照ミラーM1と被測定試料114の等価波長で測定したときの光路長差Leqが求められる。さらにこのLeqから、単一波長で測定したときの光路長差L1、L2を計算する。このL1、L2を一定にするように光ヘッド121をZ軸方向にサーボをかけながら試料ステージ115をXY軸に走査し、光ヘッド121のZ軸方向の移動をZ軸レーザ測長器123で検出する。
【0030】
また測定ビート信号からサーボ系のエラーを求め、Z測長器123からのデータを補正する。これにより被測定試料114の三次元形状を精密に計測することが出来る。上記実施例では光ヘッドをZ軸、試料ステージをXY方向に移動させたが、これは光ヘッドと試料ステージがXYZ座標で相対的に任意に移動できれば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させるようにしてもよい。
【0031】
上記での参照ミラーM1と被測定試料114の光路長差の計算について詳しく説明する。
【0032】
等価波長λeqで測定した光路長差の変化量 Leqは次のように求められる。
【0033】
Leq=λeqφeq/4π (ただし、空気の屈折率を1とする) …(1)
λeq=λ1λ2/|λ1−λ2| …(2)
φeq=φ1−φ2 …(3)
従って、この等価波長を用いることで測定範囲は単一波長で測定した場合よりも拡大されLeqとなる。しかし、位相計の分解能は変わらないため、このままでは測定分解能も粗くなる。そこで、さらに使用している単一波長を用いて光路長差の変化量L1(L2)を求めることで精密な測定を行う。
【0034】
すなわち
L1=λ1φ1/4π+N1λ1/2(またはL2=λ2φ2/4π+N2λ2/2) …(4)
となる。ここで、N1(N2)は2Leq/λ1の整数部をN1(N2)としている。式(4)の第一項をλ1、φ1から求めることで、単一波長で測定するよりも大きい測定範囲を単一波長での測定と同じ測定精度で測定することが出来る。
【0035】
図4に参照ミラーM1と被測定試料114の光路長差が変化したときの位相φ1、φ2、φeqの変化を示す。これより二波長で測定を行うことにより単一波長での測定よりも測定範囲が拡大されていることがわかる。
【0036】
図5Aに波長1、2の位相φ1、φ2と、これらから計算される等価位相より求められる単一波長の個数Nと、Nとφ1またはφ2から求められる測定値の変化を示した図を示す。
【0037】
図5Aから測定される位相φ1、φ2が波長振動や空気揺らぎ等の影響で誤差を生じたとき、式(3)から明らかなようにφeqが誤差をもつことになり、式(4)のN1の算出に誤差を生じる。これにより最終的に計算されるL1は測定波長の半波長の整数倍の測定誤差を生じてしまう。
【0038】
そこで、本実施形態では次のようにしてこの問題を解決する。本実施形態では、ビームスプリッタ106cで反射したレーザ光は波長板128により光検出器109cで検出されるビート信号の位相と比べ位相がπ異なるビート信号が得られている。従って、このビート信号と光検出器109bで得られるビート信号との等価波長の位相φeq'は、光検出器109cと光検出器109bで得られるビート信号から計算される等価波長の位相φeqと比べ位相がπ異なる。従って波長λ1の位相φ1が360°(0°)付近の時は、光検出器109dで検出されたビート信号と光検出器109bで検出されたビート信号から計算される等価位相φeq'を変位の計算に用いる。このときの光検出器109cで検出されたビート信号と光検出器109bで検出されたビート信号から計算される等価波長の位相φeqとの差異は波長板128から既知であるため、等価位相φeq'からφeqへ位相を変換することができる。これにより空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差を回避することができる。またビームスプリッタ106cで波長λ1のレーザ光を分割する代わりに光検出器109cで検出された電気信号を分割し、移相器を用いて電気的に位相をずらすことも可能である。
【0039】
これを図を用いて説明すると図5Bの様になる。図5Bは、図5Aの波長1の位相φ1に位相差φd(=2π)を与えた位相φ1'を用いた本実施形態における位相φ1、φ1'、 φ2とこれらから計算される等価位相より求められる単一波長の個数とφ1またはφ2を用いて求められる測定変位d、d'の変化を示す図である。
【0040】
図中のφ1は波長λ1の位相、φ1'は波長板によって位相φ1から位相がπ異なる波長λ1の位相、φ2は波長λ2の位相、φeqはφ1とφ2による等価位相、φeq'はφ1'とφ2による等価位相である。縦軸は検出される位相、横軸は変位を示す。これよりφ1の波長が光源の揺らぎや空気の揺らぎ等で波長が揺らぐと図中の点線のようになり、計算で使用している波長と実際の波長が合わないため、単一波長の個数(整数)を計算する際に±1の誤差を含むことがあり、これにより変位の計算時に使用している単一波長の半波長分の誤差を生じる。そこで、φ1が360°(0°)付近の時は、φ1と比べて位相がπ異なるφ1'を等価位相の計算に用いる。するとφ1とφ2から計算された変位dとφ1'とφ2から計算された変位d'では半波長の誤差が発生する部分が異なる。ここでφ1'はφ1と比べて位相がπ異なっていることが既知であるため、変位d'を変位dに換算することができる。したがって位相φ1の値によって変位dと変位d'を使い分けることで半波長の誤差が生じない測定を行うことができる。ちなみにφ1とφ1'はある程度位相が異なればよいため、位相差がπでなくともよい。
【0041】
(第2の実施形態)
本発明を高精度な三次元形状測定に応用した第2の実施形態を図2に示す。基本的な光学系は従来の光ヘテロダイン干渉計と同じである。
【0042】
図2において、101、102はドライバ129a、129bにより駆動される半導体レーザ光源であり、それぞれ可干渉性の単一波長(λ1、λ2)の光を発振する。半導体レーザ光源101、102から発振されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ103により同一光路に合成される。
【0043】
このレーザ光は主軸方位45°におかれた半波長板104により波長λ1、λ2のレーザ光ともに方位が45°になるように変換され、音響光学素子105aで周波数シフトを受け、周波数のわずかに異なるf1、f2のレーザ光となる。この光は直交直線偏光になっている。音響光学素子105aは音響光学素子ドライバ105bで駆動されている。
【0044】
レーザ光はビームスプリッタ106aで透過光と反射光に分割され、反射光は波長選択フィルタ107aで波長λ1を選択され方位45°の直線偏光子108aで干渉し、光検出器109aで参照ビート信号として光電検出される。ここで選択する波長はλ2でもかまわない。また参照信号は、音響光学素子ドライバ105bからの駆動電圧からミキサ回路を用いて作ることも可能である。
【0045】
透過光はビームエキスパンダ110でビーム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ111へ入射する。偏光ビームスプリッタ111に入射したレーザ光は、偏光成分により二つに分割される。偏光ビームスプリッタ111を通過した周波数f1の偏光成分は、四分の一波長板112aを通過し、対物レンズ113により被測定試料114面上に焦点を結び、反射される、ここで対物レンズ113を用いることにより被測定試料114に面傾斜がある場合においても面傾斜角が対物レンズ113の半開角以下であれば反射光の一部が必ず戻るため、面傾斜がある試料も測定する事が出来る。
【0046】
被測定試料114は光軸と直交する面内方向の二軸(XY軸)を持つ試料ステージ115上に設置されている。試料ステージ115にはX軸レーザ測長器125とX軸測長用ミラー124及び図に記入していないがY軸レーザ測長器とY軸測長用ミラーが設置してあり、試料ステージ115の位置は精密に測定される。
【0047】
偏光ビームスプリッタ111で反射した周波数f2の偏光成分は、四分の一波長板112bを通過し、参照平面鏡M1で反射される。両方の光路中にある四分の一波長板112a、112bは、入射偏光に対して出射偏光方位を90°回転させることで、光源へ反射光を戻さない役割をしている。
【0048】
周波数f1、f2の反射光は再び偏光ビームスプリッタ111でひとつに合成される。合成されたレーザ光は方位45°に設置された直線偏光子108bを通過し、ビームスプリッタ106bで透過光と反射光に分離される。ビームスプリッタ106bを透過したレーザ光は波長選択フィルタ107bで波長λ1のレーザ光だけが選択され集光レンズ116aにより光検出器109b上に集光され測定ビート信号として光電検出される。
【0049】
ビームスプリッタ106bで反射したレーザ光は波長選択フィルタ107cで波長λ2のレーザ光だけが選択され、集光レンズ116bにより光電検出器109c上に集光されて測定ビート信号として光電検出される。
【0050】
光ヘッド121には光軸(Z)方向測長用ミラー122が固定されており、光ヘッド121のZ軸位置はZ軸レーザ測長器123で精密に測定されている。光検出器109a、109b、109cで光電検出された測定ビート信号は参照ビート信号を基準として電気位相計117a、117bで位相変化を検出される。この位相検出はロックインアンプでもかまわない。このビート信号の位相差及びZ軸測長器123からの信号はA/D変換器118を介してコンピュータ119に取り込まれる。またコンピュータ119からの信号によりサーボドライバ120を介して駆動装置126、127を駆動することで試料ステージ115、光ヘッド121は駆動される。
【0051】
次にこの装置を用いて被測定試料114の3次元形状を測定する方法を説明する。最初に光ヘッド121を被測定試料114に接近(Z軸方向)させながら光検出器109b、109cでビート信号を検出し、測定ビート信号の強度が最大になる位置で光ヘッド121を止める。この状態で測定光は被測定試料114面上にフォーカスしているので、この位置における参照ビート信号と測定ビート信号の位相差を波長λ1、λ2それぞれ独立して測定する、この位相差φ1、φ2より参照ミラーM1と被測定試料114の等価波長で測定したときの光路長差Leqが求められる。さらにこのLeqから、単一波長で測定したときの光路長差L1、L2を計算する。このL1、L2を一定にするように光ヘッド121をZ軸方向にサーボをかけながら試料ステージ115をXY軸に走査し、光ヘッド121のZ軸方向の移動をZ軸レーザ測長器123で検出する。また測定ビート信号からサーボ系のエラーを求め、Z測長器123からのデータを補正する。これにより被測定試料114の三次元形状を精密に計測することが出来る。
【0052】
上記実施形態では光ヘッドをZ軸、試料ステージをXY方向に移動させたが、これは光ヘッドと試料ステージがXYZ座標で相対的に任意に移動できれば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させるようにしてもよい。
【0053】
上記での参照ミラーM1と被測定試料114の光路長差の計算については第1の実施形態と同様である。
【0054】
次に本実施形態における空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差の回避方法を説明する。
【0055】
本実施形態では、位相φ1(φ2)が360°(0°)付近になった時には半導体レーザドライバ129aの駆動電流を一定値増加または減少させることで、発振波長をあらかじめ決めた量シフトすることにより波長λ1(あるいはλ2)の位相を任意量シフトさせてφ1'を検出する。駆動電流に対する位相シフト量はあらかじめ別手段を用いることで調べておく。これにより位相シフトする前の位相φ1を用いた等価位相φeqと位相シフトした後の位相φ1'を用いた等価位相φeq'を任意量ずらすことができる。したがって波長λ1の位相φ1が360°(0°)付近にきた時は、半導体レーザドライバの駆動電流を制御して位相をあらかじめ設定した任意量シフトさせ、等価位相φeq'を変位の計算に用いる。このとき等価波長φeqとφeq'の差異は半導体レーザドライバの駆動電流から既知であるため、等価位相φeq'からφeqへ位相を変換することができる。これにより空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差を回避することができる。
【0056】
(第3の実施形態)
本発明を高精度な三次元形状測定に応用した第3の実施形態を図3に示す。
【0057】
図3において、101、102はゼーマン効果を利用したゼーマンレーザでそれぞれ可干渉性の単一波長(λ1、λ2)を発振する。これらの偏光は直交直線偏光である。レーザ光源101、102から発振されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ103により同一光路に合成される。
【0058】
レーザ光はビームスプリッタ106aで透過光と反射光に分割され、反射光は波長選択フィルタ107aで波長λ1を選択され方位45°の直線偏光子108aで干渉し、光検出器109aで参照ビート信号として光電検出される。ここで選択する波長はλ2でもかまわない。
【0059】
透過光はビームエキスパンダ110でビーム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ111へ入射する。偏光ビームスプリッタ111に入射したレーザ光は、偏光成分により二つに分割される。偏光ビームスプリッタ111を通過した周波数f1の偏光成分は、四分の一波長板112aを通過し、対物レンズ113により被測定試料114面上に焦点を結び、反射される、ここで対物レンズ113を用いることにより被測定試料114に面傾斜がある場合においても面傾斜角が対物レンズ113の半開角以下であれば反射光の一部が必ず戻るため、面傾斜がある試料も測定する事が出来る。
【0060】
被測定試料114は光軸と直交する面内方向の二軸(XY軸)を持つ試料ステージ115上に設置されている。試料ステージ115にはX軸レーザ測長器125とX軸測長用ミラー124及び図に記入していないがY軸レーザ測長器とY軸測長用ミラーが設置してあり、試料ステージ115の位置は精密に測定される。
【0061】
偏光ビームスプリッタ111で反射した周波数f2の偏光成分は、四分の一波長板112bを通過し、参照平面鏡M1で反射される。両方の光路中にある四分の一波長板112a、112bは、入射偏光に対して出射偏光方位を90°回転させることで、光源へ反射光を戻さない役割をしている。
【0062】
周波数f1、f2の反射光は再び偏光ビームスプリッタ111でひとつに合成される。合成されたレーザ光は方位45°に設置された直線偏光子108bを通過し、ビームスプリッタ106bで透過光と反射光に分離される。
【0063】
ビームスプリッタ106bを透過したレーザ光は波長選択フィルタ107bで波長λ1のレーザ光だけが選択され集光レンズ116aにより光検出器109b上に集光され測定ビート信号として光電検出される。
【0064】
ビームスプリッタ106bで反射したレーザ光は波長選択フィルタ107cで波長λ2のレーザ光だけが選択され、集光レンズ116bにより光電検出器109c上に集光されて測定ビート信号として光電検出される。
【0065】
光ヘッド121には光軸(Z)方向測長用ミラー122が固定されており、光ヘッド121のZ軸位置はZ軸レーザ測長器123で精密に測定されている。光検出器109b、109cで光電検出された測定ビート信号は参照ビート信号を基準として電気位相計117a、117bで位相変化を検出される。この位相検出はロックインアンプでもかまわない。このビート信号の位相差及びZ軸測長器123からの信号はA/D変換器118を介してコンピュータ119に取り込まれる。またコンピュータ119からの信号によりサーボドライバ120を介して駆動装置126、127を駆動することで試料ステージ115、光ヘッド121は駆動される。
【0066】
次にこの装置を用いて被測定試料114の3次元形状を測定する方法を説明する。
【0067】
最初に光ヘッド121を被測定試料114に接近(Z軸方向)させながら光検出器109b、109cでビート信号を検出し、測定ビート信号の強度が最大になる位置で光ヘッド121を止める。この状態で測定光は被測定試料114面上にフォーカスしているので、この位置における参照ビート信号と測定ビート信号の位相差を波長λ1、λ2それぞれ独立して測定する、この位相差φ1、φ2より参照ミラーM1と被測定試料114の等価波長で測定したときの光路長差Leqが求められる。さらにこのLeqから、単一波長で測定したときの光路長差L1、L2を計算する。このL1、L2を一定にするように光ヘッド121をZ軸方向にサーボをかけながら試料ステージ115をXY軸に走査し、光ヘッド121のZ軸方向の移動をZ軸レーザ測長器123で検出する。また測定ビート信号からサーボ系のエラーを求め、Z測長器123からのデータを補正する。これにより被測定試料114の三次元形状を精密に計測することが出来る。
【0068】
上記実施形態では光ヘッドをZ軸、試料ステージをXY方向に移動させたが、これは光ヘッドと試料ステージがXYZ座標で相対的に任意に移動できれば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させるようにしてもよい。
【0069】
上記での参照ミラーM1と被測定試料114の光路長差の計算については第1の実施形態と同様である。
【0070】
次に本実施形態における空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差の回避方法を説明する。
【0071】
本実施形態では、波長λ1の位相φ1が360°(0°)付近になった時には1/2波長板104をレーザ光源101と偏光ビームスプリッタ103の間に挿入することで波長λ1の位相をπシフトさせる。これによりφ1に対して位相がπシフトした位相φ1'を求めることができる。これより位相シフトする前の位相φ1を用いた等価位相φeqと位相シフトした後の位相φ1'を用いた等価位相φeq'は位相がπ異なる。したがって波長λ1の位相φ1が360°(0°)付近以外では1/2波長板104を光路からはずし位相φ1、等価位相φeqを求め、波長λ1の位相φ1が360°(0°)付近の時は1/2波長板104を挿入し位相φ1'、等価位相φeq'を求める。等価波長φeqとφeq'の差異は既知であるため等価位相φeq'からφeqへ位相を変換することができる。これにより空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差を回避することができる。
【0072】
以上説明したように、上記の第1乃至第3の実施形態によれば、複数の異なる波長のレーザ光を用いた多波長光ヘテロダイン干渉法による高精度な干渉測定法および装置において、等価波長を用いることにより位相測定の測定レンジを拡大し、かつ単独波長で測定した位相の変化量を用いることで高精度測定に対応することができる。
【0073】
また、単独波長の位相を任意量変化させた位相を用いることで異なる等価波長を2つ以上求め、適切な計算を実行することで測定光路の空気揺らぎなどで起こる単独波長の個数の計算間違いによる誤差を無くして、測定範囲の拡大と高精度化という相反する要求を同時に満足することが可能となる。
【0074】
また、検出系を簡略化することができる。
【0075】
また、基本的な光学系を2波長光ヘテロダイン干渉計から変更することなく、位相測定の測定レンジを拡大し、高精度測定に対応することができる。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、位相測定の測定レンジを拡大し、且つ高精度測定に対応することが可能となる。
【0077】
また、測定光路の空気揺らぎなどで起こる単独波長の個数の計算間違いによる誤差を無くして、測定範囲の拡大と高精度化という相反する要求を同時に満足することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の高精度三次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図2】本発明の第2の実施形態の高精度三次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図3】本発明の第3の実施形態の高精度三次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図4】単独位相と等価位相の関係を示す図である。
【図5A】波長が揺らいだ時の位相、変位の関係図である。
【図5B】位相接続、変位の関係図である。
【図6】従来例を示す図である。
【符号の説明】
101 レーザ光源λ1
102 レーザ光源λ2
M1 参照ミラー
103,111 偏光ビームスプリッタ
104 1/2波長板
105a AOMシフタ
105b AOMドライバ
106a,106b ビームスプリッタ
107a,107b 波長選択フィルタ
108a,108b,108c,108d 直線偏光子
109a,109b,109c,109d 光検出器
110 ビームエクスパンダ
112a,112b 1/4波長板
113 対物レンズ
114 測定ワーク
115 ステージ
116a,116b,116c レンズ
117a,117b,117c 位相計
118 A/D変換器
119 PC
120 D/A変換器
121 光ヘッド
122 Z軸ミラー
123 Z軸測長器
124 X軸ミラー
125 X軸測長器
126 Z軸モータ
127 X軸モータ
128 1/2波長板
129a,129b 半導体レーザドライバ
Claims (6)
- 異なる波長の第1及び第2の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉測定方法であって、
前記第1及び第2の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第1の等価位相を計算する第1の演算工程と、
前記第1の光の位相を任意量変化させた位相信号を求め、この位相を用いて第2の等価位相を計算する第2の演算工程と、
前記第1の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なう第3の演算工程と、
前記第1の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第2の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第4の演算工程と
を具備することを特徴とする多波長光ヘテロダイン干渉測定方法。 - 前記予め定められた角度は、360°又は0°付近の角度であることを特徴とする請求項1に記載の多波長ヘテロダイン干渉測定方法。
- 異なる波長の第1及び第2の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、
前記第1及び第2の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第1の等価位相を計算する第1の演算手段と、
前記第1の光の位相を波長板を用いることで任意量変化させた位相信号を求める第2の演算手段と、
前記第1の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第1の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第2の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第3の演算手段と
を具備することを特徴とする多波長光ヘテロダイン干渉測定装置。 - 異なる波長の第1及び第2の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、
前記第1及び第2の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第1の等価位相を計算する第1の演算手段と、
前記第1の光の位相を光源の波長をシフトすることで任意量変化させた位相信号を求める第2の演算手段と、
前記第1の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第1の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第2の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第3の演算手段と
を具備することを特徴とする多波長光ヘテロダイン干渉測定装置。 - 異なる波長の第1及び第2の光を用いて、被測定物の形状を測定する多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、
前記第1及び第2の光から得られる等価的に長い波長を有する光の位相である第1の等価位相を計算する第1の演算手段と、
前記第1の光の位相を位相シフターを用いて電気的に任意量変化させた位相信号を求める第2の演算手段と、
前記第1の等価位相を用いて被測定物の位置情報の演算を行なうとともに、前記第1の光の位相が予め定められた角度のときは、前記第2の等価位相を用いて前記被測定物の位置情報の演算を行なう第3の演算手段と
を具備することを特徴とする多波長光ヘテロダイン干渉測定装置。 - 前記予め定められた角度は、360°又は0°付近の角度であることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか1項に記載の多波長ヘテロダイン干渉測定装置。
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