JP5181403B2 - Interferometer - Google Patents

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Description

本発明は、光波干渉の原理を用いて物体の表面形状などの物理特性を計測する光学装置に関するものである。   The present invention relates to an optical apparatus for measuring physical characteristics such as the surface shape of an object using the principle of light wave interference.

干渉計測技術は、物体の表面形状や分光特性、透明体の厚さ、移動距離などの精密計測において無くてはならない技術である。干渉計には、トワイマン・グリーン干渉計、マッハツェンダー干渉計、フィゾー干渉計など数え切れないほど多くの種類があるが、対象物の表面が必ずしも鏡面ではない一般的な物体を2次元的に観察・計測することを考えた場合、ある程度のNA(Numerical Aperture:開口数)を有する結像光学系による、2次元画像取得が可能な干渉計であることが必要である。   Interferometric measurement technology is indispensable for precise measurement of the surface shape and spectral characteristics of an object, the thickness of a transparent body, and the movement distance. There are numerous types of interferometers such as Twiman-Green Interferometer, Mach-Zehnder Interferometer, and Fizeau Interferometer. When considering the measurement, it is necessary to be an interferometer capable of acquiring a two-dimensional image by an imaging optical system having a certain NA (Numerical Aperture).

このような場合に用いられる干渉計として、マイケルソン干渉計、ミロー干渉計、リニック干渉計がある。マイケルソン干渉計は、図5に示すように対物レンズ401と物体108の間の、45°傾斜の半透鏡501により光路を2分岐し、参照鏡502で反射された光と物体108で反射された光を干渉させる。扱いやすく汎用性が高い干渉計であるが対物レンズ401が高倍率・高NAになってくると、対物レンズ401のワーキングディスタンス(以下ではOWDと称する)を十分にとることが難しくなってくるため、45°傾斜の半透鏡501を挿入することが難しくなる。そのため、低倍率・低NAの観察・計測で使用される。   As an interferometer used in such a case, there are a Michelson interferometer, a Miro interferometer, and a linic interferometer. As shown in FIG. 5, the Michelson interferometer divides the optical path between the objective lens 401 and the object 108 by a semi-transparent mirror 501 inclined at 45 °, and is reflected by the reference mirror 502 and the object 108. Interfere with light. Although it is an easy to handle and highly versatile interferometer, when the objective lens 401 has a high magnification and high NA, it becomes difficult to obtain a sufficient working distance (hereinafter referred to as OWD) of the objective lens 401. , It becomes difficult to insert the semi-transparent mirror 501 inclined at 45 °. Therefore, it is used for observation / measurement of low magnification and low NA.

ミロー干渉計は、高倍率・高NAの観察・計測用の干渉計である。図6に示すように光軸に垂直に配置した半透鏡104により、照明光を物体側と対物レンズ401側に分岐させ、対物レンズ401前面に参照鏡502を設けることで集光された光を反射させ、さらに半透鏡104で再び反射させて、対物レンズ401側に戻し、物体108で反射し、半透鏡104を透過してきた光と干渉させる構造である。この構造では、半透鏡104を45°にする必要がないためOWDが小さくても実現が可能となる。しかしながら、この構造は、対物レンズ401前面に対物レンズ401視野以上の大きさの参照鏡502があるため光束がカットされることになり、NAが大きく視野が小さい対物レンズ401であることが必要条件になる。図5のような視野が広くNAが小さい対物レンズ401の場合、一般に低倍率の対物レンズ401ではそうなるが、視野中央部付近の光束は完全にカットされてしまうことになり、観察不能となってしまう。   The Miro interferometer is an interferometer for observation / measurement with high magnification and high NA. As shown in FIG. 6, the illumination light is branched to the object side and the objective lens 401 side by the semi-transparent mirror 104 arranged perpendicular to the optical axis, and the light collected by providing the reference mirror 502 on the front surface of the objective lens 401 is collected. In this structure, the light is further reflected by the semi-transparent mirror 104, returned to the objective lens 401, reflected by the object 108, and interfered with the light transmitted through the semi-transparent mirror 104. In this structure, since the semi-transparent mirror 104 does not need to be 45 °, it can be realized even if the OWD is small. However, this structure requires the objective lens 401 to have a large NA and a small field of view because the reference mirror 502 having a size larger than the field of view of the objective lens 401 is provided in front of the objective lens 401. become. In the case of the objective lens 401 having a wide field of view and a small NA as shown in FIG. 5, this is generally the case with the objective lens 401 with a low magnification. End up.

リニック干渉計は、図7に示すように対物レンズ401に照明光が入射する前に45°半透鏡501により光路を2分岐し、対物レンズ401を2つの光路双方に配置した構造である。このような構造の場合、対物レンズ401と物体108との間には何も挿入する必要がないことから、OWDが著しく小さい高倍率・高NA対物レンズ401であっても実現することができる。しかしながら、光学システムの中で最も高価な対物レンズ401を2台使用することは経済的に好ましくなく、また、複雑な収差特性をもつ対物レンズ401を2台使用することは、仮に仕様的に同じものを用いたとしても収差状況は加工組立誤差により全く同じにはならないことことを考えればやはり好ましくない。   As shown in FIG. 7, the linic interferometer has a structure in which an optical path is branched into two by a 45 ° semi-transparent mirror 501 before illumination light enters the objective lens 401, and the objective lens 401 is arranged in both of the two optical paths. In the case of such a structure, since it is not necessary to insert anything between the objective lens 401 and the object 108, it can be realized even with the high magnification / high NA objective lens 401 having a remarkably small OWD. However, it is economically undesirable to use the two most expensive objective lenses 401 in the optical system, and the use of two objective lenses 401 having complicated aberration characteristics is the same in terms of specifications. Even if one is used, it is not preferable in view of the fact that the aberration situation does not become exactly the same due to processing assembly errors.

以上簡単に従来の干渉計の得失を述べたが、これらのことは非特許文献1に詳しく述べられている。
Daniel Malacara編著「Optical Shop Testing 2nd. Edition」John Wiley & Sons, Inc.、 pp. 700-703、1992年
The advantages and disadvantages of the conventional interferometer are briefly described above, but these are described in detail in Non-Patent Document 1.
Daniel Malacara, "Optical Shop Testing 2nd. Edition" John Wiley & Sons, Inc., pp. 700-703, 1992

対物レンズ401のNAは、光学システムの性能を支配する最も重要な値である。NAは大きいほど横分解能が高くなる。また、物体108の表面傾斜などで物体反射光の反射角度が大きく光軸からそれる可能性がある場合、小さいNAではわずかの表面傾斜でも反射光が対物レンズ401に入射しなくなり、信頼性の高い観察・計測が不可能となる。 The NA of the objective lens 401 is the most important value that governs the performance of the optical system. The larger the NA, the higher the lateral resolution. In addition, when the reflection angle of the object reflected light is large due to the surface inclination of the object 108 or the like, there is a possibility of deviating from the optical axis. High observation / measurement becomes impossible.

また、視野の大きさは、広ければ広いほど観察にしても計測にしても好都合である。特に、昨今普及してきたインライン計測への適用を考えると高速化の要求は非常に強く、計測速度に直結する視野はできるだけ広くとることが求められる。   In addition, the wider the field of view, the more convenient for observation and measurement. In particular, considering the application to in-line measurement, which has become widespread recently, the demand for high speed is very strong, and it is required to have as wide a field of view as possible directly related to the measurement speed.

つまり、物体108を観察・計測する場合、高NAで広視野(低倍率)であることが求められているといえる。高NAで広視野であればあるほど対物レンズ401の製作は困難となる。収差状況が非常に厳しくなるためレンズ枚数が増え、組立調整も精度が必要となってくる。また、高NAで広視野であれば当然レンズ口径そのものを大きくする必要がある。さらにOWDを長く取る必要があるとなると収差的にもレンズ口径的にも困難は一層増すことになる。OWDを長くとれないとするとマイケルソン干渉計は利用できない。また、このような製作難易度の高い大型対物レンズ401を2台使用するリニック干渉計は経済的に好ましくない。もちろんミロー干渉計は低倍率では使用できないため不可である。 That is, when observing and measuring the object 108, it can be said that a high NA and a wide field of view (low magnification) are required. The higher the NA and the wider field of view, the more difficult it is to manufacture the objective lens 401. Since the aberration situation becomes very severe, the number of lenses increases, and assembly adjustment also requires accuracy. If the NA is wide and the field of view is large, the lens aperture itself needs to be increased. Further, if it is necessary to take a longer OWD, the difficulty increases both in terms of aberration and lens aperture. If the OWD cannot be taken long, the Michelson interferometer cannot be used. Further, such a linic interferometer using two large objective lenses 401 having a high manufacturing difficulty is economically undesirable. Of course, the Millo interferometer is not possible because it cannot be used at low magnifications.

本発明が解決しようとする課題は、高NAで広視野の対物レンズ401であっても、その他の場合であっても実現可能な経済的にも優れた干渉計の実現である。   The problem to be solved by the present invention is to realize an economically excellent interferometer that can be realized even with the objective lens 401 having a high NA and a wide field of view, or in other cases.

前記課題を解決するために、入射光の入射方向に対し垂直もしくはほぼ垂直に配置され、特定方向の偏光成分のすべてもしくはその多くを透過し、その偏光方向に対して直交する方向の偏光成分のすべてもしくはその多くを反射する機能を有する偏光光学素子102と、前記偏光光学素子102を透過した直線偏光光を円偏光に変換する第一の1/4波長板103と、円偏光となった光の一部を反射し、一部を透過する半透鏡104と、前記半透鏡を透過した光を再び直線偏光に変換する第二の1/4波長板105とにより干渉計を構成する。 In order to solve the above-mentioned problem, the polarization component in a direction perpendicular to or substantially perpendicular to the incident direction of incident light, transmits all or most of the polarization component in a specific direction, and is orthogonal to the polarization direction. Polarized optical element 102 having a function of reflecting all or most of the light, first quarter-wave plate 103 for converting linearly polarized light transmitted through the polarized optical element 102 into circularly polarized light, and light that has been circularly polarized light An interferometer is constituted by a semi-transparent mirror 104 that reflects a part of the light and transmits a part thereof, and a second quarter-wave plate 105 that converts the light transmitted through the semi-transparent mirror into linearly polarized light again.

前記偏光光学素子102は、ワイヤグリッド偏光子またはフォトニック結晶で実現可能である。   The polarizing optical element 102 can be realized by a wire grid polarizer or a photonic crystal.

また上記干渉計に、物体108の光学像を生成する結像光学系と、前記光学像を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子と、前記結像光学系の一部または全部である対物レンズ401を通して物体108に照明する照明系とを取り付ける。 The interferometer includes an imaging optical system that generates an optical image of the object 108, a photoelectric conversion element that photoelectrically converts the optical image and outputs an electrical signal, and part or all of the imaging optical system. An illumination system that illuminates the object 108 through the objective lens 401 is attached.

さらに、前記偏光光学素子102を光軸方向に移動させる移動機構と、物体を光軸方向に移動させる移動機構との両方またはどちらか一方の移動機構を有し、この移動機構を制御しかつ前記光電変換素子から得られる電気信号をデジタル化して保存し、保存した信号を解析して物体の表面形状などの物理特性を求める演算処理を施す機能を組み込んだ干渉計システムとした。   And a moving mechanism for moving the polarizing optical element 102 in the optical axis direction and a moving mechanism for moving the object in the optical axis direction. An interferometer system incorporating a function of performing an arithmetic process for obtaining physical characteristics such as a surface shape of an object by analyzing the stored signal by digitizing and storing an electrical signal obtained from the photoelectric conversion element.

以上のように構成することで、対物レンズ401として高NAで広視野のものを使用するとしても経済的に優れた干渉計が実現できる。   By configuring as described above, even if an objective lens 401 having a high NA and a wide field of view is used, an economically excellent interferometer can be realized.

以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。   In the following, embodiments that are considered to be the best for concrete implementation of the present invention will be described.

まず、本発明を具現化した実施形態の第一の例を、図1を参照して説明する。   First, a first example of an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIG.

基本的な構成部品は、照明光101の入射方向から順番に偏光光学素子102、第一1/4波長板103、半透鏡104、第二1/4波長板105である。キーパーツである偏光光学素子102は、偏光ビームスプリッタであり、光軸に垂直にあるいはほぼ垂直に挿入して用いる。特定の直線偏光成分を透過し、その成分に直交する直線偏光成分を反射する機能を有している。このような素子は、図2に示すようにガラス基板上にアルミニウム等の導体の細線(ワイヤ)を、光の波長以下のレベルのピッチで配列したいわゆるワイヤグリッド偏光子、あるいは波長以下レベルの微細構造により光の特性を操作するいわゆるフォトニック結晶などにより実現される。以下ではワイヤグリッド偏光子を用いた例を説明する。 Basic components are a polarizing optical element 102, a first quarter-wave plate 103, a semi-transparent mirror 104, and a second quarter-wave plate 105 in order from the incident direction of the illumination light 101. A polarization optical element 102 as a key part is a polarization beam splitter, and is used by being inserted perpendicularly or substantially perpendicular to the optical axis. It has a function of transmitting a specific linearly polarized light component and reflecting a linearly polarized light component orthogonal to the component. As shown in FIG. 2, such an element is a so-called wire grid polarizer in which thin wires (wires) of a conductor such as aluminum are arranged on a glass substrate at a pitch at a level below the wavelength of light, or a fine below the wavelength level. This is realized by a so-called photonic crystal that manipulates the characteristics of light by the structure. Hereinafter, an example using a wire grid polarizer will be described.

入射照明光101は偏光光学素子102のワイヤに直交する方向の直線偏光光であり偏光光学素子102を透過する。透過した照明光101は、照明光101の偏光方向に対し光学軸が45度方向になるように設置された第一1/4波長板103に入射し光学軸とそれと直交する方向の2成分にそれぞれ1/4波長の位相差が与えられることにより円偏光となる。   The incident illumination light 101 is linearly polarized light in a direction orthogonal to the wire of the polarizing optical element 102 and passes through the polarizing optical element 102. The transmitted illumination light 101 is incident on a first quarter-wave plate 103 installed so that the optical axis is 45 degrees with respect to the polarization direction of the illumination light 101, and becomes two components in a direction perpendicular to the optical axis. Circular polarization is obtained by giving a phase difference of ¼ wavelength.

このような機能を有する1/4波長板は、主に水晶の複屈折を利用して製作される。水晶は光学軸とそれに直交する軸間では屈折率が異なる複屈折特性を有している。水晶の厚さを制御することで透過する光の両軸方向の成分間に所望量の位相差を持たせることが可能となる。1/4波長を与える厚さは通常数十ミクロンと非常に薄く加工が難しいので、加工可能な厚さの2枚の水晶板を用いて、互いの光軸が直交するように貼り合わせて複屈折の影響を打ち消すようにし、一方を他方に対し必要な厚さだけ厚く製作しておくことで必要な位相差を与えることが可能となる。このようないわゆるゼロオーダーの波長板だけでなく1枚の水晶を用いて照明波長の整数倍+1/4波長の位相差を与えるマルチオーダーの波長板でもよいし、水晶以外のたとえば雲母などの複屈折材料を用いてもよい。ワイヤグリッド偏光子やフォトニック結晶のような微細周期構造により1/4波長板を製作することも可能である。いずれにしろ入射直線偏光光を円偏光に変換するような素子であれば本発明の範疇である。 A quarter-wave plate having such a function is manufactured mainly using the birefringence of quartz. Quartz has birefringence characteristics in which the refractive index differs between the optical axis and the axis orthogonal thereto. By controlling the thickness of the crystal, it is possible to give a desired amount of phase difference between the components in both axial directions of the transmitted light. Since the thickness that gives a quarter wavelength is usually very thin, tens of microns, it is difficult to process. Use two quartz plates with a thickness that can be processed, and bond them so that their optical axes are orthogonal to each other. It is possible to give the necessary phase difference by canceling the influence of refraction and making one to be thicker than the other. In addition to such a so-called zero-order wave plate, a multi-order wave plate that gives a phase difference of an integral multiple of the illumination wavelength + 1/4 wavelength using a single crystal may be used. A refractive material may be used. It is also possible to manufacture a quarter wave plate with a fine periodic structure such as a wire grid polarizer or a photonic crystal. In any case, any element that converts incident linearly polarized light into circularly polarized light is within the scope of the present invention.

円偏光となった照明光101は半透鏡104に入射し透過光と反射光に分岐される。半透鏡104の実現方法はいろいろと考えられるが、ここではできるだけ入射光の偏光特性を維持したまま強度を分岐させるような手法で製作することが好ましい。たとえばクロム膜をガラス基板上に蒸着することで実現できる。以下ではここで透過した光を物体光106、反射した光を参照光107と呼ぶことにする。半透鏡104で反射された参照光107は再び第一1/4波長板103に入射し光学軸とその直交する成分間にさらに1/4波長の位相差が与えられ併せて1/2波長の位相差となって入射時の偏光方向と直交する直線偏光となり偏光光学素子102に到達する。 The illumination light 101 that has become circularly polarized light enters the semi-transparent mirror 104 and is branched into transmitted light and reflected light. Various methods for realizing the semi-transparent mirror 104 are conceivable. However, it is preferable to manufacture the semi-transparent mirror 104 by a technique in which the intensity is branched while maintaining the polarization characteristics of incident light as much as possible. For example, it can be realized by depositing a chromium film on a glass substrate. Hereinafter, the transmitted light is referred to as object light 106, and the reflected light is referred to as reference light 107. The reference beam 107 reflected by the semi-transparent mirror 104 is incident on the first quarter-wave plate 103 again, and a quarter-wave phase difference is given between the optical axis and the orthogonal component, and a half-wavelength is also obtained. The phase difference becomes linearly polarized light orthogonal to the polarization direction at the time of incidence and reaches the polarizing optical element 102.

入射時と直交する偏光方向はワイヤに対して平行に電界が振動する方向であり偏光光学素子102にて反射されることになり、この反射面が参照鏡として働く。反射された参照光107は三たび第一1/4波長板103を通過する。再び第一1/4波長板103により円偏光となった参照光107は半透鏡104によって反射され四たび第一1/4波長板103を通過し元の偏光方向の直線偏光光となって偏光光学素子102を通過し、照明光101の入射方向に戻っていく。一方半透鏡104を透過した物体光106は第二1/4波長板105により入射光と直交する偏光方向の直線偏光となって物体108を照明する。反射された物体光106は第二1/4波長板105、半透鏡104、第一1/4波長板103を順次透過して入射時と同じ偏光方向となり偏光光学素子102を通過し、照明光101の入射方向に戻っていく。以上により、参照光107と物体光106がともに偏光光学素子102を通過し重ね合わされることになり干渉計として機能することがわかる。偏光光学素子102が参照鏡として機能する干渉計である。 The direction of polarization orthogonal to the incident time is the direction in which the electric field oscillates parallel to the wire and is reflected by the polarizing optical element 102, and this reflecting surface acts as a reference mirror. The reflected reference beam 107 passes through the first quarter-wave plate 103 three times. The reference beam 107 that has been circularly polarized again by the first quarter-wave plate 103 is reflected by the semi-transparent mirror 104, passes through the first quarter-wave plate 103 four times, and becomes linearly polarized light in the original polarization direction. It passes through the optical element 102 and returns to the incident direction of the illumination light 101. On the other hand, the object beam 106 transmitted through the semi-transparent mirror 104 is converted into linearly polarized light in the polarization direction orthogonal to the incident light by the second quarter wavelength plate 105 to illuminate the object 108. The reflected object beam 106 is sequentially transmitted through the second quarter-wave plate 105, the semi-transparent mirror 104, and the first quarter-wave plate 103, has the same polarization direction as that at the time of incidence, passes through the polarization optical element 102, and is illuminated. 101 returns to the incident direction. From the above, it can be seen that both the reference beam 107 and the object beam 106 pass through the polarization optical element 102 and are superposed to function as an interferometer. The polarization optical element 102 is an interferometer that functions as a reference mirror.

説明をわかりやすくするために、偏光光学素子102、第一1/4波長板103、半透鏡104、第二1/4波長板105を別個の部品として記述したが、図4に示すように一体化して製作できる。第一1/4波長板103の裏面もしくは第二1/4波長板105の表面に半透膜を蒸着し、第一1/4波長板103と第二1/4波長板105を接着すれば3つの部品は1部品とすることができる。また、偏光光学素子102も第一1/4波長板103に接着可能であるが、物体側光路とのマッチングを考えると空間を持たせた方がよい。それにしても枠301により全ての部品を一体として製作することは可能である。非常にコンパクトに製作できかつ簡便に使用できるのが大きな特長である。   For ease of explanation, the polarizing optical element 102, the first quarter-wave plate 103, the semi-transparent mirror 104, and the second quarter-wave plate 105 have been described as separate parts. However, as shown in FIG. Can be manufactured. If a semi-permeable film is deposited on the back surface of the first quarter-wave plate 103 or the front surface of the second quarter-wave plate 105 and the first quarter-wave plate 103 and the second quarter-wave plate 105 are bonded together, The three parts can be one part. The polarizing optical element 102 can also be bonded to the first quarter-wave plate 103, but it is better to have a space in consideration of matching with the object side optical path. Even so, it is possible to manufacture all parts as a single unit using the frame 301. The main feature is that it can be made very compact and can be used easily.

照明光源としてレーザのようなコヒーレント長の非常に長い光源を用いれば必ずしも参照鏡である偏光光学素子102と半透鏡104との間の光路長と、半透鏡104と物体108までの間の光路長とは一致していなくても干渉計として機能するが、本干渉計の、他の干渉計に対する優位性が明確とはならない。つまり、本干渉計は先に述べたように平板な部品を照明光路に挿入するだけで干渉計が構成できる簡便性・コンパクト性が大きな利点であるが、そのような干渉計としてはフィゾー干渉計が知られており構造もフィゾー干渉計の方が簡素であることから本干渉計の大きな利点はないことになる。 If a light source having a very long coherent length such as a laser is used as the illumination light source, the optical path length between the polarizing optical element 102 and the semi-transparent mirror 104 as a reference mirror, and the optical path length between the semi-transparent mirror 104 and the object 108 are necessarily used. Even if they do not match, it functions as an interferometer, but the superiority of this interferometer over other interferometers is not clear. In other words, this interferometer has the great advantage of simplicity and compactness that an interferometer can be configured simply by inserting a flat part into the illumination optical path as described above, but such an interferometer is a Fizeau interferometer. Since the Fizeau interferometer is simpler in structure, there is no significant advantage of this interferometer.

本干渉計を等光路長、もしくはほぼ等光路長の干渉計として構成した場合に優位性がはっきりする。フィゾー干渉計は等光路長干渉計として構成することはできない。フィゾー干渉計とほぼ同様な利点(簡便性、コンパクト性、共通光路性)を持ちながら本干渉計は遙かにコヒーレンスの低い光源を使用することができる。コヒーレント長が短いと、たとえば平面基板の、面精度の計測などの場合に裏面反射による干渉を防ぐことができる利点がある。また、完全に等光路長とすれば白色干渉計として使用することができる。   When this interferometer is configured as an interferometer having an equal optical path length or an approximately equal optical path length, the superiority becomes clear. The Fizeau interferometer cannot be configured as an equal optical path length interferometer. This interferometer can use a light source with much lower coherence while having the same advantages (simpleness, compactness, common optical path property) as the Fizeau interferometer. When the coherent length is short, there is an advantage that interference due to back surface reflection can be prevented, for example, in the case of measuring the surface accuracy of a flat substrate. If the optical path length is completely equal, it can be used as a white interferometer.

結像光学系と組み合わせるとさらに本干渉計の利点が明確になる。本発明の実施形態の第二の例として、結像光学系と組み合わせた場合について図3を参照して説明する。   When combined with an imaging optical system, the advantages of this interferometer become clearer. As a second example of the embodiment of the present invention, a case where it is combined with an imaging optical system will be described with reference to FIG.

結像光学系は、対物レンズ401と、対物レンズ401と無限遠で結ばれている結像レンズ402とによりなるテレセントリックな結像系である。対物レンズ401と結像レンズ402の間には半透鏡403があり、照明光が導入できるようになっている。照明光学系404はケーラー照明系で、光源405の像を対物レンズ401の瞳位置に結像させる配置となっている。照明光路中に干渉フィルタ406を挿入し狭帯域化し、時間的なコヒーレンシィをあげて干渉しやすくしている。また、偏光フィルタ407により照明光を直線偏光化している。結像レンズの焦点位置には2次元撮像素子408が配置されており、2次元撮像素子408を含むカメラより映像信号が出力される。映像出力信号はデジタル化され、演算処理装置409に保存・処理されるようになっている。 The imaging optical system is a telecentric imaging system including an objective lens 401 and an imaging lens 402 that is connected to the objective lens 401 at infinity. A semi-transparent mirror 403 is provided between the objective lens 401 and the imaging lens 402 so that illumination light can be introduced. The illumination optical system 404 is a Koehler illumination system and is arranged to form an image of the light source 405 at the pupil position of the objective lens 401. An interference filter 406 is inserted in the illumination optical path to narrow the band, and the time coherency is increased to facilitate interference. In addition, the illumination light is linearly polarized by the polarization filter 407. A two-dimensional image sensor 408 is disposed at the focal position of the imaging lens, and a video signal is output from a camera including the two-dimensional image sensor 408. The video output signal is digitized and stored and processed in the arithmetic processing unit 409.

この結像光学系の対物レンズ401と物体108との間に前記干渉計を配置し、対物レンズ401の焦点位置(物体面)と半透鏡104との間の光路長と、干渉計の参照鏡である偏光光学素子102と半透鏡104との間の光路長とが、一致するように干渉計を調整する。つまり、対物レンズ401、半透鏡104、参照鏡502(図6)、物体108の光軸上の配置はミロー干渉計と全く同様となる。   The interferometer is disposed between the objective lens 401 and the object 108 of the imaging optical system, the optical path length between the focal position (object plane) of the objective lens 401 and the semi-transparent mirror 104, and the reference mirror of the interferometer. The interferometer is adjusted so that the optical path length between the polarizing optical element 102 and the semi-transparent mirror 104 is the same. That is, the arrangement of the objective lens 401, the semi-transparent mirror 104, the reference mirror 502 (FIG. 6), and the object 108 on the optical axis is exactly the same as that of the Miro interferometer.

ミロー干渉計と同様の光学配置であることから、基本的にミロー干渉計と同様な光線の動きで干渉計として機能することになるが、大きな違いは参照鏡502(図6)である。ミロー干渉計の参照鏡502(図6)は照明光束・結像光束を遮る障害物であるが、本干渉計においては参照鏡である偏光光学素子102が照明光束・結像光束を遮ることはない。 Since the optical arrangement is the same as that of the Miro interferometer, it basically functions as an interferometer with the same light beam movement as that of the Miro interferometer. The major difference is the reference mirror 502 (FIG. 6). The reference mirror 502 (FIG. 6) of the Miro interferometer is an obstacle that blocks the illumination beam / imaging beam, but in this interferometer, the polarizing optical element 102, which is the reference mirror, blocks the illumination beam / image beam. Absent.

ミロー干渉計の参照鏡502(図6)は視野以上のサイズを持たせる必要があるため、低NA、低倍率(広視野)の対物レンズ401の場合は、光軸付近の光束は参照鏡502(図6)に完全に遮られることになるため全くデータが得られない。図6のようにNAが大きく光軸付近の光束が完全に遮られないとしても、周辺光束は非常に偏りのある結像光束となるため著しいコマ収差が発生することになる。とにかく、ミロー干渉計は対物レンズ401の結像性能にとって決して好ましいものではなく、少なくとも広視野対物レンズにおいては使用できない。 Since the reference mirror 502 (FIG. 6) of the Miraud interferometer needs to have a size larger than the field of view, in the case of the objective lens 401 having a low NA and a low magnification (wide field of view), the light flux near the optical axis is the reference mirror 502. Since it is completely blocked by (FIG. 6), no data can be obtained. Even if the NA is large and the light beam in the vicinity of the optical axis is not completely blocked as shown in FIG. 6, the peripheral light beam becomes a very deviated imaging light beam, so that significant coma aberration occurs. In any case, the Millo interferometer is in no way preferred for the imaging performance of the objective lens 401 and cannot be used at least in a wide field objective lens.

一方本干渉計においては、照明光が直線偏光光である限り照明光束・結像光束を遮ることは無いためミロー干渉計の問題は全く発生しない。一方、干渉光学系部分(2光束に分岐後再び重ね合わせる部分)に必要なスペースはミロー干渉計と大差なく、非常にコンパクトであるためマイケルソン干渉計のようにOWDを大きく取る必要がない。 On the other hand, in the present interferometer, as long as the illumination light is linearly polarized light, the illumination light beam and the imaging light beam are not blocked. On the other hand, the space required for the interference optical system portion (the portion where the light beam is split into two beams and then overlapped again) is not much different from that of the Milo interferometer and is very compact, so it is not necessary to take a large OWD like a Michelson interferometer.

OWDを大きくとることは、対物レンズ401の製作難易度を大きく引き上げることになり、また、対物レンズ401サイズも大きくしてしまうことから、広視野・高NAの対物レンズ401の製作が不可能となることも考えられる。不可能ではないとしても、コスト的にもサイズ的にも好ましくない。   Increasing the OWD greatly increases the difficulty of manufacturing the objective lens 401, and also increases the size of the objective lens 401, making it impossible to manufacture the objective lens 401 with a wide field of view and high NA. It is also possible to become. Although not impossible, it is not preferable in terms of cost and size.

本干渉計により、コンパクトかつ低コストで、対物レンズ401の倍率、NAに関係なく使用できる干渉計が実現できる。 With this interferometer, it is possible to realize an interferometer that can be used regardless of the magnification and NA of the objective lens 401 at a compact and low cost.

また、物体108をZテーブル410に載せ光軸方向に移動できる構造とすれば、位相シフトさせることができることから、所定量Zテーブル410を移動させて位相シフトさせた干渉画像を2次元撮像素子408により電子画像化して演算処理装置409に保存し、解析することで物体108の表面形状が計測できる。 If the object 108 is mounted on the Z table 410 and can move in the optical axis direction, the phase can be shifted. Therefore, the interference image obtained by shifting the phase by shifting the Z table 410 by a predetermined amount is used as the two-dimensional image sensor 408. The surface shape of the object 108 can be measured by converting it into an electronic image, storing it in the arithmetic processing unit 409, and analyzing it.

また、干渉フィルタ406による透過帯域幅を大きくとって低コヒーレンス光とすれば、干渉計の2つの光路の光路差が正確に0となったときに現れる干渉縞である0次干渉縞を特定できるようになり、いわゆる白色干渉計として使用できる。 Further, if the transmission band width by the interference filter 406 is increased to obtain low coherence light, the 0th order interference fringe that is an interference fringe that appears when the optical path difference between the two optical paths of the interferometer becomes exactly zero can be specified. It can be used as a so-called white interferometer.

すなわち、Zテーブル410を移動して干渉画像を光軸方向に数十nm〜数百nm間隔で取得して、各画素毎に0次の干渉縞が現れる位置を特定することで、物体108の表面形状を計測できる。 That is, by moving the Z table 410 and acquiring interference images at intervals of several tens to several hundreds of nanometers in the optical axis direction, and specifying the position where the 0th-order interference fringe appears for each pixel, Surface shape can be measured.

上記が本発明の典型的な実施例であるが、必ずしも上記形態だけに限られるものではない。たとえば、結像光学系を、テレセントリックな光学系として記述しており、照明系をケーラー照明系としているが、これらは、精密計測にとって好ましくはあるが、本発明にとって必須ではない。結像レンズ402に相当するレンズが無く対物レンズ401のみによって像を生成する、いわゆる有限補正系の対物レンズ401であっても良いし、臨界照明系であってもよい。光源405は、必ずしも白色光源である必要はなく、レーザやLEDであってもよい。   The above is a typical embodiment of the present invention, but the present invention is not necessarily limited to the above embodiment. For example, the imaging optical system is described as a telecentric optical system, and the illumination system is a Koehler illumination system. These are preferable for precision measurement, but are not essential for the present invention. There may be a so-called finite correction system objective lens 401 that does not have a lens corresponding to the imaging lens 402 and generates an image only by the objective lens 401, or may be a critical illumination system. The light source 405 is not necessarily a white light source, and may be a laser or an LED.

また、位相シフトあるいは白色干渉計測のためのZテーブル410も、必ずしも物体を移動させる必要はなく、対物レンズ401と干渉光学系部分を一体としてZ方向に移動させるようにしても良い。位相シフトであれば偏光光学素子102のみをZ方向に移動させることでも実現できる。偏光光学素子102を対物レンズ401の光軸に垂直な状態から若干傾けて設置すれば、空間周波数の高い干渉縞が得られ、よく知られたフーリエ変換法により解析することもできる。 Also, the Z table 410 for phase shift or white interference measurement does not necessarily need to move the object, and the objective lens 401 and the interference optical system part may be moved together in the Z direction. A phase shift can also be realized by moving only the polarizing optical element 102 in the Z direction. If the polarizing optical element 102 is set slightly tilted from the state perpendicular to the optical axis of the objective lens 401, an interference fringe having a high spatial frequency can be obtained and analyzed by a well-known Fourier transform method.

また、結像光学系は上記のような一般的な光学系だけでなく、たとえば共焦点光学系のような特殊な光学系であってもよい。最終的に光学像が得られる光学系であればよい。 Further, the imaging optical system is not limited to the general optical system as described above, but may be a special optical system such as a confocal optical system. Any optical system that can finally obtain an optical image may be used.

また、上記では2次元的な画像を対象としているが、一次元的な画像であっても何ら変わりはない。2次元撮像素子408が1次元撮像素子になるだけである。また、光触針のような点計測であっても、技術的に何ら変わるものではない。   In the above description, a two-dimensional image is targeted, but there is no change even if it is a one-dimensional image. The two-dimensional image sensor 408 only becomes a one-dimensional image sensor. Further, even point measurement like an optical stylus does not change technically.

本発明により、対物レンズのNAや倍率に関係なく経済的にもサイズ的にも優れた干渉計が実現できる。精密な計測が必要な産業分野において大きな需要があると考えられる。   According to the present invention, it is possible to realize an interferometer that is economically and excellent in size regardless of the NA and magnification of the objective lens. There is a great demand in industrial fields where precise measurement is required.

本発明の第一の実施例を示した図である。It is the figure which showed the 1st Example of this invention. ワイヤグリッド偏光子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a wire grid polarizer. 第一の実施例のコンパクト化した状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the compact state of a 1st Example. 結像光学系を有する本発明の第二の実施例を示した図である。It is the figure which showed the 2nd Example of this invention which has an imaging optical system. マイケルソン干渉計を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a Michelson interferometer. ミロー干渉計を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a Miro interferometer. リニック干渉計を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a linlic interferometer.

符号の説明Explanation of symbols

101…照明光
102…偏光光学素子
103…第一1/4波長板
104…半透鏡
105…第二1/4波長板
106…物体光
107…参照光
108…物体
301…枠
401…対物レンズ
402…結像レンズ
403…半透鏡
404…照明光学系
405…光源
406…干渉フィルタ
407…偏光フィルタ
408…2次元撮像素子
409…演算処理装置
410…Zテーブル
501…半透鏡
502…参照鏡
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Illumination light 102 ... Polarizing optical element 103 ... 1st 1/4 wavelength plate 104 ... Semi-transparent mirror 105 ... 2nd 1/4 wavelength plate 106 ... Object light 107 ... Reference light 108 ... Object 301 ... Frame 401 ... Objective lens 402 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Imaging lens 403 ... Semi-transparent mirror 404 ... Illumination optical system 405 ... Light source 406 ... Interference filter 407 ... Polarization filter 408 ... Two-dimensional image sensor 409 ... Arithmetic processor 410 ... Z table 501 ... Semi-transparent mirror 502 ... Reference mirror

Claims (5)

入射光の入射方向に対し垂直もしくはほぼ垂直に配置され、特定方向の偏光成分のすべてもしくはその多くを透過し、その偏光方向に対して直交する方向の偏光成分のすべてもしくはその多くを反射する機能を有する偏光光学素子と、前記偏光光学素子を透過した直線偏光光を円偏光に変換する第一の1/4波長板と、円偏光となった光の一部を反射し、一部を透過する半透鏡と、前記半透鏡を透過した光を再び直線偏光に変換する第二の1/4波長板とにより構成されることを特徴とする干渉計。   A function that is arranged perpendicular or nearly perpendicular to the incident direction of the incident light, transmits all or most of the polarization component in a specific direction, and reflects all or most of the polarization component in a direction orthogonal to the polarization direction A polarizing optical element, a first quarter-wave plate that converts linearly polarized light transmitted through the polarizing optical element into circularly polarized light, and a part of the circularly polarized light is reflected and partially transmitted. An interferometer comprising: a semi-transparent mirror, and a second quarter-wave plate that converts light transmitted through the semi-transparent mirror into linearly polarized light again. 前記偏光光学素子は、ワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項1記載の干渉計。   The interferometer according to claim 1, wherein the polarizing optical element is a wire grid polarizer. 前記偏光光学素子は、フォトニック結晶であることを特徴とする請求項1記載の干渉計。   The interferometer according to claim 1, wherein the polarizing optical element is a photonic crystal. 物体の光学像を生成する結像光学系と、前記光学像を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子と、前記結像光学系の一部または全部である対物レンズを通して物体に照明する照明系とを有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかの項記載の干渉計。   An object is illuminated through an imaging optical system that generates an optical image of the object, a photoelectric conversion element that photoelectrically converts the optical image and outputs an electrical signal, and an objective lens that is a part or all of the imaging optical system. The interferometer according to claim 1, further comprising an illumination system. 前記偏光光学素子を光軸方向に移動させる移動機構と、物体を光軸方向に移動させる移動機構との両方またはどちらか一方の移動機構を有し、この移動機構を制御しかつ前記光電変換素子から得られる電気信号をデジタル化して保存し、保存した信号を解析して物体の表面形状などの物理特性を求める演算処理を施す機能を有することを特徴とする請求項4記載の干渉計。   The photoelectric conversion element has a moving mechanism for moving the polarization optical element in the optical axis direction and a moving mechanism for moving the object in the optical axis direction, and controls the moving mechanism and the photoelectric conversion element. The interferometer according to claim 4, wherein the interferometer has a function of digitizing and storing the electrical signal obtained from the above, and performing arithmetic processing for obtaining the physical characteristics such as the surface shape of the object by analyzing the stored signal.
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