JP4880519B2 - 干渉測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、干渉光学系を備える干渉測定装置に関するものである。

干渉光学系を備える干渉測定装置として特許文献１に開示されたものが知られている。この文献に開示された装置は、低コヒーレントな第１波長の光と高コヒーレントな第２波長の光とを光合波器により合波し、その合波された光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力し、第１分岐光が第１対象物により反射されて生じる第１反射光と、第２分岐光が第２対象物により反射されて生じる第２反射光とを干渉させて、当該干渉光を出力する。

そして、この装置は、この干渉光を光分波器により第１波長の干渉光と第２波長の干渉光とに分波して出力して、第１波長の干渉光の干渉パターンを撮像するとともに、第２波長の干渉光の強度に基づいて、光合波器から第１対象物を経て光分波器に到るまでの光路長Ｌ１と、光合波器から第２対象物を経て光分波器に到るまでの光路長Ｌ２との、光路長差「Ｌ２−Ｌ１」を検出する。

特に、この特許文献１に開示された装置は、第１対象物および第２対象物のうちの何れか一方を光軸に沿って所定位置を中心にして微小振動させることで第２波長の干渉光を位相変調し、この位相変調した第２波長の干渉光に基づいて光路長差「Ｌ２−Ｌ１」を検出する。このようにすることにより、より正確に光路長差を検出することができる。
特表２００５−５１３４２９号公報

上記の装置は、第１対象物および第２対象物のうちの何れか一方を微小振動させる為にピエゾアクチュエータを用いており、それ故、第２波長の干渉光を高速に位相変調することが困難であり、また、位相差顕微鏡に適用する場合にミロー型対物レンズを使用することが困難である。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、より高速に干渉光を位相変調することができて、位相差顕微鏡に適用する場合にミロー型対物レンズを使用することができる干渉測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る干渉測定装置は、(1) 第１波長の光を出力する第１光源と、(2) 第１波長の光より高コヒーレントである第２波長の光を波長変調して出力する第２光源と、(3) 第１光源および第２光源それぞれから出力される光を合波して出力する光合波器と、(4) 光合波器により合波されて出力される光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力し、第１分岐光が第１対象物により反射されて生じる第１反射光を入力するとともに、第２分岐光が第２対象物により反射されて生じる第２反射光を入力して、これら第１反射光と第２反射光とを干渉させて当該干渉光を出力する干渉光学系と、(5) 干渉光学系から出力される干渉光を入力して、第１波長の干渉光と第２波長の干渉光とに分波して出力する光分波器と、(6) 光分波器から出力される第１波長の干渉光の干渉パターンを撮像する撮像部と、(7) 光分波器から出力される第２波長の干渉光の位相変調に基づいて、光合波器から第１対象物を経て光分波器に到るまでの光路長と、光合波器から第２対象物を経て光分波器に到るまでの光路長との、光路長差を検出する光路長差検出手段と、(8) 光路長差を調整する光路長差調整手段と、(9) 光路長差検出手段による光路長差検出結果に基づいて、光路長差調整手段による光路長差調整動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る干渉測定装置では、第１対象物および第２対象物のうち何れか一方は、第１波長の光を選択的に反射させる第１反射面と、第２波長の光を選択的に反射させる第２反射面と、を有するミラーであることを特徴とする。

第１光源から出力される第１波長の光は、低コヒーレントであり、或る帯域幅を有するものであってもよい。第２光源から出力される第２波長の光は、高コヒーレントであり、好適にはレーザ光である。第１光源から出力される光の波長（または波長帯域）と、第２光源から出力される光の波長とは、互いに重なることは無い。

第１光源から出力される第１波長の光と、第２光源から波長変調されて出力される第２波長の光とは、光合波器により合波される。光合波器により合波されて出力される光は、干渉光学系により２分岐されて第１分岐光および第２分岐光として出力される。第１分岐光が第１対象物により反射されて生じる第１反射光と、第２分岐光が第２対象物により反射されて生じる第２反射光とは、干渉光学系により干渉されて当該干渉光が出力される。この干渉光学系から出力される干渉光は、光分波器により第１波長の干渉光と第２波長の干渉光とに分波されて出力される。

撮像部により、光分波器から出力される第１波長の干渉光の干渉パターンが撮像される。光路長差検出手段により、光分波器から出力される第２波長の干渉光の位相変調に基づいて、光合波器から第１対象物を経て光分波器に到るまでの光路長と、光合波器から第２対象物を経て光分波器に到るまでの光路長との、光路長差が検出される。また、この光路長差は光路長差調整手段により調整される。さらに、制御部により、光路長差検出手段による光路長差検出結果に基づいて、光路長差調整手段による光路長差調整動作が制御される。

ここで、第１対象物および第２対象物のうち何れか一方は、第１波長の光を選択的に反射させる第１反射面と、第２波長の光を選択的に反射させる第２反射面と、を有するミラーとなっている。これにより、第１波長および第２波長それぞれの光についての光路長差は互いに異なるものとなる。そして、低コヒーレントである第１波長の光については光路長差をコヒーレンス長未満にすることができて、光分波器から出力される第１波長の干渉光の干渉パターンが撮像部により撮像され得る。また、第２波長の光については光路長差が或る値に確保されて、光分波器から出力される第２波長の干渉光の位相変調に基づいて、光路長差検出手段により光路長差が検出される。

本発明に係る干渉測定装置は、(a) 光合波部と干渉光学系との間の光路上に設けられた焦点距離ｆ_１の第１レンズ系と、干渉光学系とミラーとの間の光路上に設けられた焦点距離ｆ_２の第２レンズ系と、を更に備え、(b) 第１レンズ系と第２レンズ系との間の光路長がｆ_１＋ｆ_２ であり、(c) 第１光源の光出射位置が第１レンズ系の前焦点位置に略一致し、(d) ミラーの第１反射面が第２レンズ系の後焦点位置に略一致するのが好適である。

この場合には、第１光源から発散して出力される光は、第１レンズ系によりコリメートされ、第２レンズ系により収斂され、ミラーの第１反射面に集光されて、この第１反射面で反射される。一方、第２光源から平行光として出力される光は、第１レンズ系により収斂され、第２レンズ系によりコリメートされて、ミラーの第２反射面で反射される。

本発明に係る干渉測定装置は、(a) 第２光源から出力される光の一部を分岐して取り出す光分岐器と、(b) 第２波長において吸収ピークを有する吸収スペクトルに従って、光分岐器により取り出される光を入力して透過させ、当該透過光を出力する吸収体と、(c) 吸収体から出力される透過光を受光し、その受光強度に応じた値の電気信号を出力する受光部と、(d) 第２光源における波長変調の際の変調周期で、受光部から出力される電気信号を同期検出する同期検出部と、(e) 同期検出部による同期検出結果に基づいて、第２光源から出力される光の波長が第２波長に一致するように制御する波長制御部と、を更に備えるのが好適である。

この場合には、第２光源から出力される光の一部は、光分岐器により分岐されて取り出され、第２波長において吸収ピークを有する吸収体を透過する。その透過光は受光部により受光され、その受光強度に応じた値の電気信号が出力される。受光部から出力される電気信号は、同期検出部により、第２光源における波長変調の際の変調周期で同期検出される。そして、波長制御部により、同期検出部による同期検出結果に基づいて、第２光源から出力される光の波長が第２波長に一致するように制御される。

本発明に係る干渉測定装置は、より高速に干渉光を位相変調することができて、位相差顕微鏡に適用する場合にミロー型対物レンズを使用することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る干渉測定装置１の構成図である。この図に示される干渉測定装置１は、被測定物９の表面形状を測定するものであって、第１光源１１、第２光源１２、レンズ２１〜２５、アパーチャ３１、光合波器４１、光分波器４２、ハーフミラー４３、撮像部５１、解析部５２、受光部６１、変位検出部６２、ピエゾアクチュエータ７１、駆動部７２、ミラー７３、ステージ８１、駆動部８２および制御部９０を備える。

第１光源１１は、コヒーレント長が比較的短い第１波長の光λ_１を出力するものであり、例えば波長帯域６００ｎｍ〜９００ｎｍの広帯域光を出力することができるタングステンランプやハロゲンランプである。一方、第２光源１２は、コヒーレント長が比較的長い第２波長の光λ_２を出力するものであり、例えば波長１.５５μｍのレーザ光を出力する半導体レーザ光源である。光合波器４１は、光源１１から出力されてレンズ２１およびアパーチャ３１を経て到達した光λ_１を反射させるとともに、光源１２から出力されて到達した光λ_２を透過させて、これらの光を合波してレンズ２２へ出力する。

ハーフミラー４３は、光合波器４１により合波されてレンズ２２を経て到達した光λ_１，λ_２を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、第１分岐光をレンズ２４へ出力し、第２分岐光をレンズ２３へ出力する。また、ハーフミラー４３は、第１分岐光がレンズ２４を経て被測定物９により反射されて生じる第１反射光を再びレンズ２４を経て入力するとともに、第２分岐光がレンズ２３を経てミラー７３により反射されて生じる第２反射光を再びレンズ２３を経て入力して、これら第１反射光と第２反射光とを干渉させて当該干渉光をレンズ２５へ出力する。すなわち、ハーフミラー４３は、干渉光学系を構成する要素である。また、この干渉光学系から出力される第１分岐光が入射される第１対象物は被測定物９であり、第２分岐光が入射される第２対象物はミラー７３である。

光分波器４２は、ハーフミラー４３から出力されてレンズ２５を経た光を入力し、そのうち光λ_１を反射させて撮像部５１へ出力し、光λ_２を透過させて受光部６１へ出力する。レンズ２３〜２５は、ハーフミラー４３から出力されて光分波器４２により分波された干渉光λ_１を撮像部５１の撮像面上に結像する結像光学系を構成する要素である。撮像部５１は、その結像された干渉光λ_１の干渉パターンを撮像するものであり、例えばＣＣＤカメラである。受光部６１は、ハーフミラー４３から出力されて光分波器４２により分波された光λ_２の強度を検出するものであり、例えばフォトダイオードである。

ここで、ハーフミラー４３から被測定物９により反射されて再びハーフミラー４３に到るまでの光路長と、ハーフミラー４３からミラー７３により反射されて再びハーフミラー４３に到るまでの光路長との光路長差をΔＬとする。前述したように、光源１２から出力され受光部６１に到達する光λ_２のコヒーレント長は比較的長いので、図２（ａ）に示されるように、受光部５１に到達する光λ_２の強度は、比較的広い光路長差ΔＬの範囲において周期的に変化する。これに対して、光源１１から出力され撮像部５１に到達する光λ_１のコヒーレント長は比較的短いので、図２（ｂ）に示されるように、撮像部６１に到達する光λ_１の強度は、比較的狭い光路長差ΔＬの範囲において周期的に変化し、しかも、光路長差ΔＬが値０に近いほど干渉の振幅が大きい。

このことを利用して、解析部５２は、光路長差が複数の目標値それぞれに設定されたときに撮像部５１により撮像された光λ_１の干渉パターン像を取得し、それらの複数の干渉パターン像に基づいて、像の各位置において干渉の振幅が最大となる光路長差を求め、これにより被測定物９の表面形状（高さ分布）を求める。

また、非測定物９の表面形状が波長未満の微小な凹凸を持つ場合には、干渉の振幅が最大となる光路長差付近において、光λ_２の中心波長をλ_２０とおいて、λ_２０／４ずつ４回光路長差をシフトさせると共に干渉パターン像を取得し、それら４つの干渉パターン像に基づいて、像の各位置において干渉波形の位相オフセット値を求めることにより、被測定物９の表面形状（高さ分布）を求めることも可能である。

さらには、干渉の振幅が最大となる光路長差を求める方法と、干渉波形の位相オフセット値を求める方法の両方によって得られた高さ分布を総合することによって、広い高さ範囲の表面形状を、波長未満の精度で得ることもできる。

また、変位検出部６２は、受光部８１により検出された光λ_２の強度の変化から、光路長差（または、或る基準値に対する相対的な光路長差の変化量）を求める。すなわち、受光部６１および変位検出部６２は、光路長差を検出する光路長差検出手段を構成する要素である。

ピエゾアクチュエータ７１，駆動部７２，ステージ８１および駆動部８２は、光路長差を調整する光路長差調整手段を構成する要素である。ステージ８１は、駆動部８２により駆動されたステッピングモータの回動により、ハーフミラー４３とミラー７３との間の光学系の光軸に平行な方向に、レンズ２３，ピエゾアクチュエータ７１およびミラー７３を一体として移動させる。ピエゾアクチュエータ７１は、駆動部７２により駆動されて、ハーフミラー４３とミラー７３との間の光学系の光軸に平行な方向に、ミラー７３を移動させる。ピエゾアクチュエータ７１の作動範囲は、ステージ８１の作動範囲より狭い。また、ピエゾアクチュエータ７１の位置精度は、ステージ８１の位置精度より高い。

制御部９０は、変位検出部６２による光路長差検出結果に基づいて、光路長差が複数の目標値に順次になるように、駆動部７２，８２を介してピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１による光路長差調整動作を制御する。特に、制御部９０は、複数の目標値それぞれにおいて、ピエゾアクチュエータ７１による移動量が作動範囲内の所定範囲内となるように、ステージ８１による移動動作を連続的または断続的に行わせるのが好ましい。また、制御部９０は、ステージ８１による移動動作の際にも、変位検出部６２による光路長差検出結果に基づいて、光路長差が各目標値になるようにピエゾアクチュエータ７１による移動動作をフィードバック制御するのも好ましい。また、制御部９０は、光路長差が或る一定速度で連続的に変化するように、ステージ８１およびピエゾアクチュエータ７１による移動動作を制御するのも好ましい。

図３は、ピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１による光路長差調整動作について説明する図である。この図には、ハーフミラー４３とミラー７３との間の光学系が示され、また、光路長差を調整するピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１が示されている。ここで、ハーフミラー４３とレンズ２３との間の間隔をｘ_１とし、レンズ２３とミラー７３との間の間隔をｘ_２とする。間隔ｘ_１は、ステージ８１による移動動作により調整される。間隔ｘ_２は、ピエゾアクチュエータ７１による移動動作により調整される。ピエゾアクチュエータ７１またはステージ８１により間隔（ｘ_１＋ｘ_２）を変更することで、光路長差ΔＬを調整することができる。

ここで、ピエゾアクチュエータ７１によりミラー７３を光軸に沿って所定位置を中心にして正弦波状に微小振動させる比較例について説明する。この比較例では、ミラー７３を微小振動させることにより、受光部６１により受光される光λ_２は位相変調されたものとなる。ミラー７３の振動の角周波数をωとし、ミラー７３の振動の振幅をΔｘとすると、ミラー７３が所定位置（振動の中心位置）に有るときの位相をφとし、時間変数をｔとすると、受光部６１により受光される位相変調光λ_２の位相変調の大きさΔφは「Δｘ／２πλ_２」なる式で表され、位相変調光λ_２の強度は「cos{φ＋Δφ・sin(ωｔ)}」なる式で表される。

例えば、ミラー７３の振動の周波数（ω／２π）は４０ｋＨｚであり、振幅Δｘは２０ｎｍである。位相変調の大きさΔφが２πと比べて充分に小さいので、受光部６１により受光される光λ_２の強度は角周波数ωの成分および角周波数(２ω)の成分を主に含む。そのうち、角周波数ωの成分は sinφ に比例し、また、角周波数(２ω)の成分は cosφ に比例するので、両成分の強度比は tanφ に依存する。そこで、変位検出部６２は、受光部８１により検出された光λ_２の強度に含まれる角周波数ωの成分および角周波数(２ω)の成分を求め、両成分の強度比に基づいて位相φを求め、そして、この位相φから光路長差を検出する。

しかし、このようにミラー７３を微小振動させる比較例では、振動の角周波数ωを高くして高速の位相変調光λ_２を得ることが困難であり、また、位相差顕微鏡に適用する場合にミロー型対物レンズを使用することが困難である。さらに、この比較例では、ピエゾアクチュエータ７１によるミラー７３の微小振動の特性が経時的に変動して、位相変調光λ_２も経時的に変動する場合があり、その結果、測定精度が劣化する場合がある。

そこで、以下に説明する本実施形態では、第２光源１２が第２波長の光λ_２を波長変調して出力することにより、受光部６１により受光される光λ_２を位相変調光とする。これにより、より高速の位相変調光λ_２を得ることが可能となり、また、位相差顕微鏡に適用する場合にミロー型対物レンズを使用することが可能となる。また、位相変調光λ_２は経時的に安定したものとなり、測定精度の劣化が抑制される。

図４は、比較例の場合の第２光源１２からハーフミラー４３を経て被測定物９またはミラー７３に到るまでの光学系を示す図である。図５は、本実施形態の場合の第２光源１２からハーフミラー４３を経て被測定物９またはミラー７３に到るまでの光学系を示す図である。これらの図では、ハーフミラー４３と被測定物９との間の往復光路をサンプル光路Ｌ１とし、ハーフミラー４３とミラー７３との間の往復光路を参照光路Ｌ２として、光路長差ΔＬを「Ｌ２−Ｌ１」で表している。

図４に示される比較例の場合、ミラー７３の振動の振幅をΔｘとすると、受光部６１により受光される位相変調光λ_２の位相変調の大きさΔφは「Δｘ／２πλ_２」なる式で表される。一方、図５に示される本実施形態の場合、第２光源１２から出力される光λ_２の波長変調の振幅をΔλ_２とすると、受光部６１により受光される位相変調光λ_２の位相変調の大きさΔφは「ΔＬ／２πΔλ_２」なる式で表される。

図４（比較例）と図５（本実施形態）とを対比して判るように、本実施形態の場合には、波長変調を位相変調に変換するためには、光λ_２についての光路長差ΔＬは、値０であってはならず、或る程度の大きさが必要である。しかし、その一方で、第１光源１１から出力される第１波長の光λ_１は低コヒーレントであり、この光λ_１を干渉させるためには、光λ_１についての光路長差ΔＬは、できるかぎり小さいことが必要であり、例えば２μｍ程度以下であることが必要である。このように、光路長差ΔＬに関して光λ_１と光λ_２とでは要求が相違している。

そこで、本実施形態では、図６に示されるように、ミラー７３は、第１波長の光λ_１を選択的に反射させる第１反射面７３ａと、第２波長の光λ_２を選択的に反射させる第２反射面７３ｂと、を有する二面反射ミラーの構成となっている。図６は、本実施形態の場合の第２光源１２からハーフミラー４３を経てミラー７３に到るまでの光学系およびミラー７３の構成を示す図である。

ミラー７３の第１反射面７３ａは、上記の第１波長の光λ_１についての要求を満たす位置、すなわち、サンプル光路Ｌ１と略等しくなる位置に配置される。一方、ミラー７３の第２反射面７３ｂは、上記の第２波長の光λ_２についての要求を満たす位置、すなわち、サンプル光路Ｌ１に対して必要な光路長差ΔＬを確保することができる位置に配置される。つまり、第２光源１２から出力される光λ_２を振幅Δλ_２で波長変調したときに、受光部６１により受光される位相変調光λ_２の位相変調の大きさΔφ（＝ΔＬ／２πΔλ_２）が所要の大きさとなるように、ミラー７３の第１反射面７３ａと第２反射面７３ｂとの間の往復光路長ΔＬが設定される。ミラー７３の第１反射面７３ａと第２反射面７３ｂとは互いに平行であり、両者間の間隔は例えば３ｍｍ程度である。

図７は、本実施形態の場合のミラー７３の第１反射面７３ａおよび第２反射面７３ｂそれぞれの透過特性の一例を示す図である。この図に示されるように、第１反射面７３ａは、第１波長の光λ_１を反射させ、第２波長の光λ_２を透過させる。第２反射面７３ｂは、第１波長の光λ_１を透過させ、第２波長の光λ_２を反射させる。このような構成を有するミラー７３を用いることにより、光路長差ΔＬに関する光λ_１および光λ_２それぞれの相違する要求を共に満たすことができる。

図８は、本実施形態の場合の第１光源１１または第２光源１２からハーフミラー４３を経てミラー７３に到るまでの光学系を示す図である。光合波器４１とハーフミラー４３との間に配置されたレンズ２２の焦点距離をｆ_１とし、ハーフミラー４３とミラー７３との間に配置されたレンズ２３の焦点距離をｆ_２とする。そして、レンズ２２とレンズ２３との間の光路長が両レンズの焦点距離の和(ｆ_１＋ｆ_２)となるように、両レンズを配置する。第１光源１１の光出射位置をレンズ２２の前焦点位置に略一致させ、ミラー７３の第１反射面７３ａをレンズ２３の後焦点位置に略一致させる。

このようにすることにより、第１光源１１から発散して出力される光λ_１は、レンズ２２によりコリメートされ、レンズ２３により収斂され、ミラー７３の第１反射面７３ａに集光されて、この第１反射面７３ａで反射される。一方、第２光源１２から平行光として出力される光λ_３は、レンズ２２により収斂され、レンズ２３によりコリメートされて、ミラー７３の第２反射面７３ｂで反射される。

図９は、本実施形態における第２光源１２から出力される光の波長を安定化するための構成を示す図である。この図には、第２光源１２と光合波器４１との間の構成が示されている。本実施形態に係る干渉測定装置１は、第２光源１２から出力される光の波長λ_２を安定化するための構成要素として、光分岐器１３、吸収体１４、受光部１５、同期検出部１６、ローパスフィルタ１７、波長制御部１８を備える。

光分岐器１３は、第２光源１２から出力されて光合波器４１へ向かう光のうちの一部（例えば１０％）を分岐して取り出して吸収体１４へ出力し、残部を光合波器４１へ出力する。吸収体１４は、図１０に示されるように波長λ_２において吸収ピークを有するもので、その吸収スペクトルに従って、光分岐器１３により取り出される光を入力して透過させ、当該透過光を受光部１５へ出力する。吸収体１４の吸収スペクトルの吸収帯域幅は狭いのが好ましい。例えば、吸収体１４として、原子の準位間のエネルギ遷移を利用して当該準位間のエネルギ差に応じた波長の光を吸収することができるものが、好適に用いられる。

受光部１５は、吸収体１４により透過されて出力される透過光を受光し、その受光強度に応じた値の電気信号を出力するものであり、例えばフォトダイオードである。同期検出部１６は、第２光源１２における波長変調の際の変調周期で、受光部１６から出力される電気信号を同期検出する。ローパスフィルタ１７は、同期検出部１６による同期検出結果を表す電気信号を入力し、そのうちの低周波成分の電気信号を選択的に出力する。そして、波長制御部１８は、ローパスフィルタ１７から出力された電気信号に基づいて、その電気信号の値が最大となるように第２光源１２を制御することで、第２光源１２から出力される光の波長が第２波長λ_２に一致するように制御する。

本実施形態に係る干渉測定装置１では、第２光源１２から出力される光は波長変調されるので、そのような光が吸収体１４を透過して受光部１５により受光される透過光の各時刻でのパワーは、該時刻での光の波長と該波長における吸収体１４の吸光度との積となる。したがって、第２光源１２から出力される光の波長が吸収体１４の吸収ピーク波長λ_２と一致しているときに、同期検出部１６により同期検出されてローパスフィルタ１７を経た電気信号の値は最小値となる。一方、第２光源１２から出力される光の波長と吸収体１４の吸収ピーク波長λ_２との差が大きいほど、同期検出部１６により同期検出されてローパスフィルタ１７を経た電気信号の値は大きくなる。

そこで、波長制御部１８により、ローパスフィルタ１７から出力された電気信号の値が最大となるように第２光源１２が制御されることで、第２光源１２から出力される光の波長は第２波長λ_２に一致するようになる。第２光源１２から出力される光を波長変調する本実施形態においては、上記のようにして第２光源１２から出力される光の波長をλ_２に安定化制御する手法は好適なものである。

次に、図１１を用いて、ミラー７３の種々の構成例について説明する。この図に示されるミラー７３Ａ〜７３Ｄは、図１中のミラー７３として好適に用いられ得るものである。

同図（ａ）に示されるミラー７３Ａは、互いに平行な２つの主面を有する透明平板１０１に対し、その一方の主面に第１反射面７３ａが形成され、他方の主面に第２反射面７３ｂが形成されたものである。

同図（ｂ）に示されるミラー７３Ｂは、主面に第１反射面７３ａが形成された透明平板１０２と、主面に第２反射面７３ｂが形成された透明平板１０３とが、固定部材１０４，１０５により固定されたものである。第１反射面７３ａと第２反射面７３ｂとは互いに平行とされる。

同図（ｃ）に示されるミラー７３Ｃは、一方の主面が１つの凹部を有する透明部材１０６に対し、凹部以外の主面に第１反射面７３ａが形成され、凹部の底面が平坦とされていて第２反射面７３ｂが形成されたものである。第１反射面７３ａと第２反射面７３ｂとは互いに平行とされる。第２光源１２から出力される光λ_２は、そのビーム径を小さくすることができ、凹部の底面に形成された第２反射面７３ｂで反射される。

同図（ｄ）に示されるミラー７３Ｄは、一方の主面が凸部と凹部とを交互に有する透明部材１０７に対し、各凸部の上面が平坦とされていて第１反射面７３ａが形成され、各凹部の底面が平坦とされていて第２反射面７３ｂが形成されたものである。第１反射面７３ａと第２反射面７３ｂとは互いに平行とされる。第１光源１１から出力される光λ_１は、各凸部の上面に形成された第１反射面７３ａで反射される。第２光源１２から出力される光λ_２は、各凹部の底面に形成された第２反射面７３ｂで反射される。

本実施形態に係る干渉測定装置１は以下のように動作する。第２光源１２から波長安定化され且つ波長変調されて出力された光λ_２は、第１光源１１から出力された光λ_１とともに、光合波器４１により合波され、レンズ２２を経てハーフミラー４３に入力される。レンズ２２からハーフミラー４３に入力された光λ_１，λ_２は、ハーフミラー４３により２分岐されて第１分岐光および第２分岐光とされ、第１分岐光がレンズ２４へ出力され、第２分岐光がレンズ２３へ出力される。

ハーフミラー４３からレンズ２４へ出力された第１分岐光はレンズ２４を経て被測定物９により反射され、この反射により生じる第１反射光は再びレンズ２４を経てハーフミラー４３へ入力される。ハーフミラー４３からレンズ２３へ出力された第２分岐光はレンズ２３を経てミラー７３により反射され、この反射により生じる第２反射光は再びレンズ２３を経てハーフミラー４３へ入力される。なお、ミラー７３へ入射する第２分岐光のうち、光λ_１はミラー７３の第１反射面７３ａで反射され、光λ_２はミラー７３の第２反射面７３ｂで反射される。

ハーフミラー４３へ入力された第１反射光および第２反射光はハーフミラー４３により干渉されて、当該干渉光がハーフミラー４３からレンズ２５へ出力される。ハーフミラー４３から出力されレンズ２５を経た干渉光は、光分波器４２により波長λ_１と波長λ_２とに分波されて出力される。光分波器４２から出力された干渉光λ_１は撮像部５１に入力されて、干渉光λ_１の干渉パターンが撮像部５１により撮像される。一方、光分波器４２から出力された干渉光λ_２は受光部６１により受光されて、干渉光λ_２の強度が受光部６１により検出され、その受光強度に応じた値の電気信号が受光部６１から出力される。

第２光源１２から出力される光λ_２が波長変調されていることから、受光部６１により受光される干渉光λ_２は位相変調されたものとなり、受光部６１から出力される電気信号も位相変調されたものとなる。このとき、位相変調光λ_２の強度（すなわち、電気信号の強度）は「cos{φ＋(ΔＬ／２πΔλ_２)・sin(ωｔ)}」なる式で表される。そして、光分波器４２から出力され受光部６１により受光される干渉光λ_２の位相変調に基づいて、すなわち、受光部６１から出力される電気信号の位相変調に基づいて、変位検出部６１により光路長差ΔＬが検出される。

そして、制御部９０により制御の下で、変位検出部６２による光路長差検出結果に基づいて、光路長差が複数の目標値に順次になるように、駆動部７２，８２を介してピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１による光路長差調整動作が制御される。また、実際の光路長差が各目標値に設定されているときに、光分波器４２から出力された干渉光λ_１の干渉パターンが撮像部５１により撮像される。そして、解析部５２により、この各光路長差での干渉光λ_１の干渉パターンから、被測定物９の表面形状が測定される。

以上のように、本実施形態に係る干渉測定装置１は、ミラー７３または被測定物９を機械的に振動させる必要は無く、光路長差検出の為の第２光源１２から出力される光λ_２を波長変調して、これにより受光部６１により受光される光λ_２を位相変調光とする。このことから、より高速の位相変調光λ_２を得ることが可能となり、また、位相差顕微鏡に適用する場合にミロー型対物レンズを使用することが可能となる。また、位相変調光λ_２は経時的に安定したものとなり、測定精度の劣化が抑制される。

次に、本実施形態に係る干渉測定装置１の動作確認の為に行った実験およびその結果について説明する。以下に説明する実験１〜３それぞれでは、図１２に示される実験系１Ａの構成が用いられた。この図１２に示される実験系１Ａでは、図１に示された構成における被測定物９に替えて、ミラー７３と同様の構成を有する二面反射ミラー７４が配置された。また、図１に示された構成におけるミラー７３に替えて、第１波長の光λ_１および第２波長の光λ_２を共に共通の反射面で反射させる通常のミラー７５が配置され、このミラー７５がピエゾアクチュエータ７１により駆動されるようにした。

また、第１光源１１として波長帯域６００〜９００ｎｍの光を出力するハロゲンランプが用いられた。第２光源１２として波長１.５５μｍのレーザ光を出力する半導体レーザ光源が用いられ、この第２光源１２から出力される光λ_２は変調周波数３０〜１００ｋＨｚで波長変調された。撮像部５１として可視光用ＣＣＤカメラが用いられた。受光部６１として赤外光用フォトダイオードが用いられた。

（実験１）

本実験では、第１光源１１から光λ_１が出力されること無く、第２光源１２から光λ_２が変調周波数３０ｋＨｚで波長変調されて出力された。また、制御部９０により制御されたピエゾアクチュエータ７１により、ミラー７５は一定速度１０μｍ／秒で移動された。そして、位相変調光λ_２を受光した受光部６１から出力される電気信号に基づいて、変位検出部６２によりミラー７５の変位量が検出された。

図１３は、実験１の結果を示すグラフである。横軸は、測定開始からの経過時間を表し、縦軸は、変位検出部６２により得られたミラー７５の変位量を表す。同図（ｂ）は、同図（ａ）の一部を拡大して示すものである。この図に示されるように、経過時間と変位量との関係は極めて良い線形性を示した。

（実験２）

本実験では、第１光源１１から光λ_１が出力されること無く、第２光源１２から光λ_２が変調周波数３０ｋＨｚで波長変調されて出力された。位相変調光λ_２を受光した受光部６１から出力される電気信号に基づいて、変位検出部６２によりミラー７５の変位量が検出された。そして、変位検出部６２により得られたミラー７５の変位量に基づいて、制御部９０により制御されたピエゾアクチュエータ７１により、ミラー７５が一定位置に留まるようフィードバック制御された。

図１４は、実験２の結果を示すグラフである。横軸は、測定開始からの経過時間を表し、縦軸は、変位検出部６２により得られたミラー７５の変位量を表す。同図（ａ）は、フィードバック制御を行わなかった場合の結果を示し、同図（ｂ）は、フィードバック制御を行った場合の結果を示す。この図に示されるように、フィードバック制御によりミラー７５は所望の位置に高精度に維持された。

（実験３）

本実験では、第２光源１２から光λ_２が変調周波数３０ｋＨｚで波長変調されて出力された。位相変調光λ_２を受光した受光部６１から出力される電気信号に基づいて、変位検出部６２によりミラー７５の変位量が検出された。変位検出部６２により得られたミラー７５の変位量に基づいて、制御部９０により制御されたピエゾアクチュエータ７１により、ミラー７５が所定位置に留まるようフィードバック制御された。

このようなフィードバック制御の下、第１光源１１から出力される光λ_１の中心波長をλ_１０としたときに、λ_１０／４ずつシフトした光路長差が順次に設定されるよう、ミラー７５は所定位置に断続的に移動された。そして、ミラー７５が４つの位置それぞれに有るときに、第１光源１１から出力されて撮像部５１に到達した光λ_１の干渉パターン像が撮像された。さらに、これら４つの干渉パターン像に基づいて、像の各位置において干渉波形の位相オフセット値が求められ、これにより、ミラー７５の表面形状（高さ分布）が求められた。

図１５は、実験３により得られた干渉パターン像を示す図である。また、図１６は、実験３により得られた表面形状の測定結果を示す図である。図１６（ａ）は傾き補正前のものであり、図１６（ｂ）は傾き補正後のものである。これらの図に示されるように、表面形状が高精度に測定された。

本実施形態に係る干渉測定装置１の構成図である。 撮像部５１または受光部５１に到達する光の強度と光路長差との関係を示す図である。 ピエゾアクチュエータ７１およびステージ８１による光路長差調整動作について説明する図である。 比較例の場合の第２光源１２からハーフミラー４３を経て被測定物９またはミラー７３に到るまでの光学系を示す図である。 本実施形態の場合の第２光源１２からハーフミラー４３を経て被測定物９またはミラー７３に到るまでの光学系を示す図である。 本実施形態の場合の第２光源１２からハーフミラー４３を経てミラー７３に到るまでの光学系およびミラー７３の構成を示す図である。 本実施形態の場合のミラー７３の第１反射面７３ａおよび第２反射面７３ｂそれぞれの透過特性の一例を示す図である。 本実施形態の場合の第１光源１１または第２光源１２からハーフミラー４３を経てミラー７３に到るまでの光学系を示す図である。 本実施形態における第２光源１２から出力される光の波長を安定化するための構成を示す図である。 吸収体１４の吸収スペクトルを示す図である。 ミラー７３の種々の構成例を示す図である。 本実施形態に係る干渉測定装置の実験系１Ａの構成図である。 実験１の結果を示すグラフである。 実験２の結果を示すグラフである。 実験３により得られた干渉パターン像を示す図である。 実験３により得られた表面形状の測定結果を示す図である。

符号の説明

１…干渉測定装置、９…被測定物、１１，１２…光源、２１〜２５…レンズ、３１…アパーチャ、４１…光合波器、４２…光分波器、４３…ハーフミラー、５１…撮像部、５２…解析部、６１…受光部、６２…変位検出部、７１…ピエゾアクチュエータ、７２…駆動部、７３…ミラー、８１…ステージ、８２…駆動部、９０…制御部。

Claims (2)

1. 第１波長の光を出力する第１光源と、
   前記第１波長の光より高コヒーレントである第２波長の光を波長変調して出力する第２光源と、
   前記第１光源および前記第２光源それぞれから出力される光を合波して出力する光合波器と、
   前記光合波器により合波されて出力される光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力し、前記第１分岐光が第１対象物により反射されて生じる第１反射光を入力するとともに、前記第２分岐光が第２対象物により反射されて生じる第２反射光を入力して、これら第１反射光と第２反射光とを干渉させて当該干渉光を出力する干渉光学系と、
   前記干渉光学系から出力される干渉光を入力して、第１波長の干渉光と第２波長の干渉光とに分波して出力する光分波器と、
   前記光分波器から出力される前記第１波長の干渉光の干渉パターンを撮像する撮像部と、
   前記光分波器から出力される前記第２波長の干渉光の位相変調に基づいて、前記光合波器から前記第１対象物を経て前記光分波器に到るまでの光路長と、前記光合波器から前記第２対象物を経て前記光分波器に到るまでの光路長との、光路長差を検出する光路長差検出手段と、
   前記光路長差を調整する光路長差調整手段と、
   前記光路長差検出手段による光路長差検出結果に基づいて、前記光路長差調整手段による光路長差調整動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記第１対象物および前記第２対象物のうち何れか一方が、第１波長の光を選択的に反射させる第１反射面と、第２波長の光を選択的に反射させる第２反射面と、を有するミラーである、
   ことを特徴とする干渉測定装置。
2. 前記光合波部と前記干渉光学系との間の光路上に設けられた焦点距離ｆ１の第１レンズ系と、前記干渉光学系と前記ミラーとの間の光路上に設けられた焦点距離ｆ２の第２レンズ系と、を更に備え、
   前記第１レンズ系と前記第２レンズ系との間の光路長がｆ１＋ｆ２ であり、
   前記第１光源の光出射位置が前記第１レンズ系の前焦点位置に略一致し、
   前記ミラーの前記第１反射面が前記第２レンズ系の後焦点位置に略一致する、
   ことを特徴とする請求項１記載の干渉測定装置。