JP4388695B2 - 形状又は距離間隔、例えば粗面の面形状又は距離間隔の干渉計形測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、形状又は距離間隔、例えば表面粗さのある表面ないし粗面の面形状又は距離間隔の干渉計形測定装置であって、少なくとも１つの空間的にコヒーレントなビーム生成ユニットを有し、該ビーム生成ユニットのビームは、測定基準分岐を通って導かれその中で反射される基準測定ビームと、測定分岐を通って導かれ表面粗さのところで反射される測定ビームとに分割されるように構成され、光位相の変調のため、又は第１の部分ビームの光周波数（ヘテロダイン周波数）を第２の部分ビームの光周波数に対してシフトないし偏移するための装置を有し、反射された測定基準ビームを反射された測定ビームと重畳するための重畳ユニットを有し、重畳されたビームを相異なる波長を有する少なくとも２つのビームへ分解し、ビームを電気信号に変換するためのビーム分解、ビーム受信ユニット及び評価装置を有し、該評価装置では、表面粗さのある表面ないし粗面の面形状ないし距離間隔が電気信号の位相差に基づき求め得るようにした当該の測定装置に関する。
【０００２】
その種の干渉計形測定装置ないし干渉測定装置は、ＥＰ０１２６４７５Ｂ１から公知であることが明かになっている。上記の公知の測定装置では、１つの測定対象物の表面粗さのある表面ないし粗面の粗さが、干渉計型式測定法で測定され、ここでレーザ光源を有するビーム生成ユニットが使用され、該ビーム生成ユニットは、種々の波長の光を送出する。ビームスプリッタを用いて、レーザ光は、基準ビーム路の基準ビームと、測定ビーム路の測定ビームとに分けられる。測定ビーム路の測定ビームは測定すべき表面へ当たり、一方基準ビーム路の基準ビームは、基準面にて、例えばミラーの形態の基準面にて反射される。表面及び反射面により反射された光は、ビームスプリッタにてまとめられ、レンズを用いてインターフェログラム平面内にフォーカシングされ、上記インターフェログラム平面内ではスペックルパターンが生じる。このスペックルパターンは、表面形状の決定のため評価され、ここでスペックルパターンは、測定点にてインターフェログラム位相の位相差が求められる。評価の簡単化のため、ヘテロダイン方式が適用され、ここで、基準ビームの周波数が周波数シフトないし偏移装置を用いて基準ビーム路中で測定ビームの周波数に対してシフトないし偏移される。上記測定装置を用いて、表面形状を微細に分解できる。種々の離散的個別の波長を有するレーザ光を、個々のレーザ光源により、例えばアルゴンレーザ光源により発生することができる。前記レーザ光源は、比較的高価であり、複数の種々の離散的波長（モード）を有する半導体レーザは、その種の干渉計型式測定向けには安定性の欠如、ひいては、それに伴う波長シフトないし偏移の故に不都合である。又は種々の離散個別波長を生じさせるのに複雑な光源、レーザダイオードを使用し得る。ここで、種々の波長から成るビームの空間的コヒーレンスを生じさせるのは、技術上コストを要する。更に、その種のレーザダイオードでは、種々の離散個別波長の不安定性は、特に不利である。これに関連して、複数の種々の離散個別波長を利用可能にすることもコストを要する。
【０００３】
離散個別波長生成のためのレーザ光を使用する場合、測定センサと表面との間の所望の距離間隔を精確に調整セッティング（オートフォーカス機能）することも困難である。レーザ光源を有する構成により測定部分を良好に操作可能なユニットとして構成することも困難であり、前記ユニットを、例えば、測定機能の機械的、フィーラ−、触針形走査器の代わりに使用できるようにするものである。
【０００４】
更なる干渉計型式測定装置がＤＥ３９０６１１８Ａ１にて示されており、該干渉計形ないし干渉測定形測定装置では、複数のレーザ光源を１つの測定セクションとの間に光ファイバが設けられている。ここでも、表面構造の決定のため位相差が求められる。走査アクセス困難な個所での操作扱いに関して上記の公知構成も不利である。
【０００５】
本発明の基礎を成す課題とするところは、簡単な操作扱い及び簡単な構成のもとで、比較的アクセス操作の困難な表面でも、例えば、小さな孔のようなものにて、作製条件のもとで、表面形状ないし表面距離間隔の著しく精確な測定が可能である冒頭に述べた形式のヘテロダイン−又は位相干渉計型式ないし干渉測定形測定装置を提供することにある。
【０００６】
前記課題は請求項１の構成要件により解決される。前記構成要件によれば、
形状又は距離間隔、例えば表面粗さのある表面ないし粗面の面形状又は距離間隔の干渉計形測定装置であって、少なくとも１つの空間的にコヒーレントなビーム生成ユニットを有し、該ビーム生成ユニットのビームは、測定基準分岐を通って導かれその中で反射される基準測定ビームと、測定分岐を通って導かれ表面粗さのところで反射される測定ビームとに分割されるように構成され、光位相の変調のため、又は第１の部分ビームの光周波数（ヘテロダイン周波数）を第２の部分ビームの光周波数に対してシフトないし偏移するための装置を有し、反射された測定基準ビームを反射された測定ビームと重畳するための重畳ユニットを有し、重畳されたビームを相異なる波長を有する少なくとも２つのビームへ分解し、ビームを電気信号に変換するためのビーム分解、ビーム受信ユニット及び評価装置を有し、該評価装置では、表面粗さのある表面ないし粗面の面形状ないし距離間隔が電気信号の位相差に基づき求め得るようにした当該の測定装置において、ビーム生成ユニットから送出されるビームは、時間的に短コヒーレント、且つ広帯域であるように構成されているのである。
【０００７】
驚異的に明らかになったところによれば、時間的に短コヒーレンス長で、広帯域のビーム生成ユニットがヘテロダイン干渉計型式測定装置の光源として、同時に高い空間コヒーレンスを以て、例えば、表面粗さのある表面ないし粗面での測定と関連して極めて好適であるだけでなく、レーザ光源に比して際だった利点を有する。ビームの空間的コヒーレンスは、元来光源により与えられる。光源のビームのスペクトル分布の不安定性は、測定の際、実際上影響を及ぼさない、それというのは、ビームスプリッタ（例えば格子）及び所属のビーム受信ユニットを用いて常に、個々の固定の波長が連続スペクトルから安定して選択されるだけでなく、殊に、精確な一義的評価にとって重要な差が安定して維持されるからである。不安定性のもとでの波長の安定性変化がヘテロダイン技術の故に影響を及ぼさない、それというのは、その際位相のみが重要性を有するからである。時間的に短コヒーレントビームによりオートフォーカシングを簡単に実現できる。それというのは、ヘテロダイン信号は、短いコヒーレンス長に基因する、測定ビームと表面との間の所定の距離間隔領域に対してのみ存在するからである。更に、短コヒーレンス長の利点とするところは、測定システムを簡単にコヒーレンス長多重を用いてアクティブコンポーネントを有する変調形干渉計と、それとは、例えば光ファイバを介して空間的に分離された、測定センサとして構成された小型で、ロバストで容易に操作扱い可能な測定部分とに分けられていることである。有利な発展形態が、サブクレームに記載されている。
【０００８】
請求項３，４では、作製の際の使用に有利な構成を特定する。マッハツェンダ（Ｍａｃｈ-Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計−構成の場合、両部分ビーム路内に配された音響光学変調器により角度分散の差が最小化される。
【０００９】
ビーム生成ユニットは、時間的に短コヒーレンス長で広帯域、且つ空間的にコヒーレントな付加光源を有し、該付加光源は、光出力増大のため、又は代替予備光源として作動可能であるように構成する場合、両光源の同時使用をすれば、光度を高め得る。代替選択的付加光源を、他方の光源の障害の際の代替光源として使用し得る。
【００１０】
第１部分ビームの、第２部分ビームに対する周波数シフトないし偏移のため、両部分ビームのうちの１つの光路中に周波数シフトないし偏移のための付加的装置が設けられており、前記の装置及び周波数シフトないし偏移のための付加的装置は音響光学変調器として構成されているという手段は、小さな角度分散を達成するのに適する。温度ドリフト及びこれに伴う音響光学変調器の屈折率変化−これは位相シフトないし偏移を来す−による測定誤差は両ビーム路中での変調器の配置構成により阻止される。
【００１１】
更に構成及び評価にとって有利である手段によれば、ビーム分解及びビーム受信ユニットは、光を複数の波長に分解するためのスペクトル装置及び当該波長の選択的受信のための後置接続されたフォトデテクタマトリクスを有し、ビーム分解及びビーム受信ユニットは、同様に構成ユニット内に収容されており、ビーム分解及びビーム受信ユニットは光ファイバ装置を介して、測定センサに結合されており、フォトデテクタマトリクスの個々のデテクタの信号の位相差は測定表面の形状又は距離間隔を求めるため使用されるように構成されているのである。
【００１２】
なおさらに構成及び評価は、次のようにして更に、有利になされる、即ち測定センサは、測定分岐、測定基準分岐、測定センサのビームスプリッタを以てマイケルソン−又はミラウ（Ｍｉｒａｕ）干渉計として構成されており、測定分岐中及び測定基準分岐中にて生ぜしめられた光路差が、遅延素子を用いて生ぜしめられる光路差により補償解消されるように構成されているのである。
【００１３】
本発明の有利な実施形態により次のように構成すれば、即ち、第２ビームスプリッタから発する更なるビーム路が形成されており、この更なるビーム路は、基準センサー基準アーム及び基準センサー測定アームを有する基準センサに達しており、構成ユニット中に更なるビーム分解−及びビーム受信ユニットが設けられており、構成ユニットは更なる光ファイバ装置を介して基準センサに結合されているようにすれば、基準センサを用いて、回転テーブル誤差エラーを補償でき、回転テーブル誤差エラーは、測定すべき表面構造を有する測定対象物の運動のため使用される。更に、基準センサを、構成ユニット内に設けられた、変調形干渉計の、例えば温度により惹起されるドリフトの補償のため使用し得る。
【００１４】
次に本発明を図を用いて参照して実施例に即して説明する。図は、表面粗さのある表面ないし粗面の面形状の検出のため干渉計型式測定装置の主要コンポーネントの配置構成を略示する。
【００１５】
干渉計型式測定装置は、２つのセクションに分けられており、そのうちの一方のセクションは、変調形干渉計の形式で構成されており、一方、他方のセクションは、測定センサ３−これにより回転テーブル１５上に位置付けられた測定すべき表面粗さを有する測定対象物４がスキャン走査される−及び基準センサ５を有する。測定センサ３は、光ファイバ装置６を介して変調形干渉計２に結合されており、一方測定センサ５は、更なる光ファイバ装置７を介して変調形干渉計２に接続されている。構造ユニット２の形態の変調形干渉計２は、マッハツェンダ干渉計として構成されアクティブコンポーネントを有する、即ち、光源８と付加的光源８′を有し、第１部分ビーム１６及び第２部分ビーム１７の部分ビームに配された音響光学変調器９，９′並びに２つのフォトデテクタマトリクスを有し、このフォトデテクタマトリクスは、ビーム分解−及びビーム受信ユニット１３ないし付加的ビーム分解−及びビーム受信ユニット１３′の一部である。亦マイケルソン干渉計としての構成も可能である。変調形干渉計２は、例えば、空調された振動絶縁ケーシング内に組み込まれている。
【００１６】
光源８及び付加的光源８′、例えば、スーパー発光ダイオードは、多数の波長の連続的ビーム分布を有する短コヒーレントな広帯域光源である。光源８の光及び光源８′の光はコリメートされ、第１ビームスプリッタ１８を用いて第１部分ビーム１６と第２部分ビーム１７とに分けられ、ここで光源８及び付加的光源８′は、ビームスプリッタ１８の異なった側に設けられている。付加的光源８′は、前調整された代替光源として又は、光度全体の増幅のため使用され得る。両部分ビーム１６，１７は、２つの音響光学変調器９，９′を用いて相互に周波数をシフトないし偏移され得る。例えば、マッハツェンダとして構成された、又はマイケルソン干渉計として構成された変調形干渉計２の一方のアーム中に、ビーム路中で変調光源変調器９′及び引き続いての偏向ミラー１１′の後方に、面並行のガラス板の形態の遅延素子１０が挿入されており、この遅延素子１０は、光源８，８′のコヒーレンス長より長い部分ビーム１６，１７の光路長の差を生ぜしめる。一方の部分ビーム１６を有する変調形干渉計２の一方のアーム中に、音響光学変調器９の後方に同様に偏向ミラー１１が配されており、該偏向ミラー１１により光が第２のビームスプリッタ１２へ偏向される。両部分ビーム１６，１７は、第２ビームスプリッタ１２により重畳され得、１つ又は２つの単一モード（Ｍｏｎｏｍｏｄｅ）光ファイバ装置内へ入力結合される。遅延素子１０を用いて生ぜしめられた光路差に基づき、両部分ビーム１６，１７は干渉しない。光は、光ファイバ装置６を介して測定センサ３へ導かれ、更なる光ファイバ装置７を介して基準センサ５へ導かれ、そこから出力結合される。測定センサ３ないし基準センサ５は、例えば、マイケルソン又はミラウ（Ｍｉｒａｕ）干渉計の形態で次のように構成されている、即ち、測定センサ３の測定分岐３．１及び基準分岐３．２ないし基準センサ−基準アーム５．１及び基準センサー測定アーム５．２の重畳されたビームの光路差が変調形干渉計２の両部分ビーム１６，１７の光路差に対応するように構成されている。図１には測定センサ３及び基準センサ５がマイケルソン干渉計として示されている。
【００１７】
測定分岐３．１を通る測定ビームは、光学装置を用いて、測定対象物４の被測定表面へフォーカシングされる。表面から反射された光が基準分岐３．２中にて、反射素子にて戻された基準ビームに重畳され、ビーム分解−及びビーム受信ユニット１３内へ入力結合される。距離差補償に基づき、光ビームが干渉し得る。同様に、基準センサー測定アーム５．１の光が基準センサー基準アーム５．２の光に重畳され、更なるビーム分解−及びビーム受信ユニット１３′に、更なる光ファイバ装置７を介し、更なる光ファイバ装置７の相応の送出分岐を経て供給される。
【００１８】
測定センサ３ないし基準センサ５における光路差に基づき、光ビームが干渉し得る。ヘテロダイン方式を用いて音響光学変調器と関連して簡単に評価可能にされる光位相差は測定対象物４の被測定表面までの距離間隔についての、ひいては表面構造についての情報を含む。測定センサ３ないし基準センサ５により変調器干渉計２内へ戻された光は、光ファイバ装置６ないし更なる光ファイバ装置７から出力結合され、ビーム分解及びビーム受信ユニット１３ないし更なるビーム分解及びビーム受信ユニット１３′のスペクトル素子（例えば格子又はプリズム）を用いて複数の色ないし波長に分解され、そして、フォトダイオードマトリクスへフォーカシングされる。各フォトダイオードは、音響光学変調器９，９′により生ぜしめられる差周波数及び位相φｎを有する電気信号を送出し、前記位相φｎは、下記の関係式に従って、表面構造ないし測定対象物までの距離間隔ないし測定量（形状偏差、粗さ）及び所属の波長λｎとの関係性を有する；
φｎ＝（２πλｎ）ΔＬ・２
評価は種々のフォトデテクタの信号の位相間の差形成に基づいて行われる。
【００１９】
複数のフォトデテクタ（多波長−ヘテロダイン−干渉測定、更なる検証付きの冒頭に述べた刊行物参照）の信号位相差の測定により、測定量ΔＬ−これはここの波長より大であってよい−を評価装置にて、例えばコンピュータ１４の形態で、一義的に求め得る。
【００２０】
干渉計型式測定装置の前述の構成により、一方では、容易に操作扱い可能な測定センサ３ないし基準センサ５を有する１つのセクションと、変調形干渉計２及び評価装置の比較的感度の良いコンポーネントを有する１つのセクションへの有利な分割が行われ得る。短コヒーレンス長で、広帯域の光源８，８′により、種々の波長の安定ビーム成分の簡単な用意生成を可能にし、そして、形状偏差−これは１つの波長の倍数であり得る−の改善された一義的評価を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の表面粗さのある表面ないし粗面の面形状の検出のため干渉計型式測定装置の主要コンポーネントの配置構成の概念図。
【符号の説明】
２ 構成ユニット
３ 測定センサ
４ 測定対象物
５ 基準センサ
６ 光ファイバ装置
７ 更なる光ファイバ装置
８ 光源
８′ 付加的光源
９ 音響光学変調器
９′ 音響光学変調器
１０ 遅延素子
１１ 偏向ミラー
１１′ 偏向ミラー
１２ ビームスプリッタ
１３ ビーム分解及びビーム受信ユニット
１３′ 付加的ビーム分解及びビーム受信ユニット
１４ コンピュータ
１６ 部分ビーム
１７ 部分ビーム
１８ ビームスプリッタ

Claims (9)

1. 表面の形状又は間隔を検出する干渉計形測定装置であって、
   該干渉計形測定装置は、少なくとも１つの空間的にコヒーレントなビーム生成ユニット（８，８′）を有しており、
   該ビーム生成ユニットのビームは、前記の測定装置の測定センサ（３）にて、測定基準分岐（３．２）を通って導かれかつそこで反射される基準測定ビームと、測定分岐（３．１）を通って導かれ前記の表面で反射される測定ビームとに分割され、
   前記干渉計形測定装置は、第２の部分ビーム（１７）の光周波数または光位相に対する第１の部分ビーム（１６）のヘテロダイン周波数に相応して光周波数をシフト又は光位相を変調するための装置（９）を有しており、
   前記干渉計形測定装置はさらに、
   前記の反射された測定基準ビームを、反射された測定ビームに重畳するための重畳ユニットと、
   当該の重畳されたビームを相異なる波長の少なくとも２つのビームへ分解して、ビームを電気信号に変換するためのビーム分解及びビーム受信ユニット（１３）と、
   表面の形状又は間隔を当該電気信号の位相差に基づいて求める評価装置（１４）とを有する形式の干渉計形測定装置において、
   前記の測定センサ（３）は、測定分岐（３．１）と測定基準分岐（３．２）とから構成されており、
   前記の干渉計形測定装置（１）の残りの部材としてのビーム形成ユニット（８，８′）と、
   第１部分ビーム（１６）および第２部分ビーム（１７）を形成するためのビームスプリッタと、
   位相変調または周波数シフトのための装置（９）とが、変調干渉計（２）とした構成された構成ユニット（２）に配置されており、
   前記の測定センサ（３）と、当該の構成ユニット（２）とは空間的に離されており、光導波装置（６）によって互いに接続されており、
   前記のビーム生成ユニット（８，８′）から送出されるビームは、時間的に短コヒーレンス且つ広帯域であり、
   当該構成ユニット（２）にて、１つの部分ビームのビーム路中に遅延ユニット（１０）が配置されており、
   該遅延ユニット（１０）は、前記の２つの部分ビーム（１６，１７）の光路長の差を生じさせ、
   当該の光路長の差は、ビーム生成ユニット（８，８′）によって生じるビームのコヒーレンス長よりも長いことを特徴とする
   干渉計形測定装置。
2. 前記のビーム生成ユニット（８，８′）は、時間的に短コヒーレンス且つ広帯域のビームを送出する光源であることを特徴とする、
   請求項１記載の測定装置。
3. マッハツェンダ干渉計に相応して、前記の構成ユニット（２）は、第１及び第２部分ビーム（１６，１７）形成する第１ビームスプリッタ（１８）と、第２ビームスプリッタとを有しており、ここで当該の第２ビームスプリッタには、前記の第１及び第２部分ビーム（１６，１７）が供給され、第２ビームスプリッタにて第１及び第２部分ビームが重畳され、また第２ビームスプリッタにより、測定センサ（３）に供給されるビームが導かれることを特徴とする、
   請求項１また２に項記載の測定装置。
4. 前記のビーム生成ユニット（８，８′）は、時間的に短コヒーレンス、広帯域且つ空間的にコヒーレントな付加光源（８′）を有しており、
   該付加光源は、光出力増大のため、又は代替予備光源として作動可能であることを特徴とする、
   請求項１から３までのうちいずれか１項記載の測定装置。
5. 前記の第１部分ビーム（１６）を第２部分ビーム（１７）に対して周波数シフトするため、２つの部分ビーム（１６，１７）のうちの１つの光路中に周波数シフトのための付加的装置（９′）が設けられており、
   前記の周波数シフトのための装置（９）及び当該の付加的装置（９′）は音響光学変調器であることを特徴とする、
   請求項１から４までのうちいずれか１項記載の測定装置。
6. 前記のビーム分解及びビーム受信ユニット（１３）は、光を複数の波長に分解するためのスペクトル装置と、当該波長を選択的に受信する後置接続されたフォトデテクタマトリクスとを有しており、
   当該のビーム分解及びビーム受信ユニット（１３）も前記の構成ユニット（２）内に収容されており、
   当該のビーム分解及びビーム受信ユニット（１３）は、前記の光ファイバ装置（６）を介して、測定センサ（３）に結合されており、
   前記のフォトデテクタマトリクスの個々のデテクタの信号の位相差が、測定面の形状又は間隔を求めるため使用されることを特徴とする、
   請求項１から５までのうちいずれか１項記載の測定装置。
7. 前記の測定センサ（３）は、測定分岐（３．１）、測定基準分岐（３．２）、測定センサ（３）のビームスプリッタにより、マイケルソン−又はミラウ（Ｍｉｒａｕ）干渉計として構成されており、
   前記の測定分岐（３．１）及び測定基準分岐（３．２）にて生じる光路差を、遅延素子（１０）を用いて生じる光路差によって打ち消すことを特徴とする、
   請求項１から６までのうちいずれか１項記載の測定装置。
8. 前記の第２ビームスプリッタ（１２）から発する別のビーム路が形成されており、
   この更なるビーム路は、基準センサ−基準アーム（５．２）及び基準センサ−測定アーム（５．１）を有する基準センサ（５）に達し、
   前記の構成ユニット（２）中に別のビーム分解及びビーム受信ユニット（１３′）が設けられており、
   当該の構成ユニットは、別の光ファイバ装置（７）を介して前記の基準センサ（５）に結合されていることを特徴とする、
   請求項１から７までのうちいずれか１項記載の測定装置。
9. 前記の測定装置は、孔における内法−幾何寸法測定に使用されることを特徴とする、
   請求項１から８までのうちいずれか１項記載の測定装置の使用法。

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