JP5468836B2 - 測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Description
図1に示すように、第1の実施の形態に係る測定装置1は、距離計2と、距離計2から出射された測定光を集光する集光レンズ(対物レンズ)3と、集光レンズ3を移動させる移動ステージ4と、集光レンズ3で集光された測定光を受光して反射する反射鏡5とを備える。測定装置1は、後に詳述するように4通りの距離測定を行うことにより、測定対象物の厚さ及び屈折率を分離して測定する。
<検出部20で得られる位相情報について>
図2に示すように、周波数fmで変調した測定光側の光周波数コム、すなわち、光周波数コム発生器12から出射された光周波数コムのk次のサイドバンドの電場強度Etkとする。また、周波数シフタ17で周波数シフトされた周波数ν+faomのレーザ光を周波数fm’(fm’=fm+δf)で変調して発生した参照側の光周波数コム、すなわち、光周波数コム発生器13からの光周波数コムのk次のサイドバンドの電場強度をErkとする。これらの電場強度Etk及び電場強度Erkは、(1)式及び(2)式のように表現される。
次に、参照側の光周波数コムの変調周波数を変えて測定することによる往復遅延時間τrのキャリブレーションについて説明する。上記(6)式における往復遅延時間τrは、距離測定の誤差を与えることになる。そこで、信号処理部60は、キャリブレーションにより往復遅延時間τrに依存しない位相の式を導出する。信号処理部60は、上記(6)式における往復遅延時間τrの項をキャリブレーションするために、参照側の光周波数コムの変調周波数を(fm+δf)から(fm−δf)に変更した状態で再度位相を測定する。これにより、信号処理部60は、−k次のサイドバンドのビート信号が(faom+kδf)の周波数の信号として得ることができる。この−k次のサイドバンドのビート信号に基づく位相φ’−kは、(7)式のように表わされる。
キャリアの位相φ0は、(9)式においてk=0の場合に得られ、(10)式のように表わされる。
<群屈折率ngの考慮について>
次に、群屈折率ngを考慮に入れた場合の往復遅延時間τの計算方法について説明する。大気の屈折率には、波長依存性がある。信号処理部60は、屈折率が波長に対して一定ではなく往復遅延時間τが光の波長の関数になることから、上述した(11)式を群遅延時間τg(τg=τng/n)を用いて(14)式のように補正する。
次に、モード間の相対位相を用いた距離の計算について説明する。具体的に、信号処理部60は、上記(14)式を用いて絶対距離を計算する場合、整数値Nを求めなければならないため、変調周波数fmを変えて測定を行う。なお、以下の説明では、遅延時間τrのキャリブレーションが既に行われているものとする。
ケース1:fm=fm1 (例)25.0035GHz fm’=fm+/−δf(δf=500kHz)
ケース2:fm=fm2 (例)24.9965GHz fm’=fm+/−δf(δf=500kHz)
ここで、ケース1で測定されたデータから計算された光周波数コムのモード間の相対位相をψ1、ケース2で測定されたデータから計算された光周波数コムのモード間の相対位相をψ2とする。この場合、群遅延時間τgは、(15)式又は(16)式のように表わされる。
次に、光周波数コムのキャリアの波長が安定化された場合の光のキャリアの位相を利用した、高精度測定における計算方法について説明する。信号処理部60は、測定された干渉信号からキャリアの位相を読むことにより、キャリアの光の位相を連続的に測定する。測定装置1は、干渉信号を処理してキャリア位相を得たものとする。なお、測定装置1は、変位計と同様に、ハードウェア的にキャリアの周波数成分だけ分離させた光の位相測定器を用いるようにしてもよい。
次に、迷光のキャリブレーションについて説明する。ヘッド部30の内部には偏光素子が存在し、偏光素子の消光比の影響で反射が微量に存在する。そのため、測定装置1においては、測定対象物6からの反射光量が少ない場合に、上述した(3)式で表わされるk次のサイドバンドのビート信号の成分Sk(ターゲット)の測定誤差が大きくなる問題が発生する。そこで、信号処理部60は、以下に説明する方法によりSk(ターゲット)の測定誤差を低減する。
ケース1:fm=fm1 fm’=fm+δf
ケース2:fm=fm2 fm’=fm+δf
ケース3:fm=fm2 fm’=fm−δf
ケース4:fm=fm1 fm’=fmm−δf
具体的に、信号処理部60は、ステップS6において、図6に示すフローチャートのステップS30〜ステップS42の処理を実行する。
ケース1’:fm=fm1 fm’=fm+δf
ケース2’:fm=fm1 fm’=fm−δf
ケース3’:fm=fm2 fm’=fm+δf
ケース4’:fm=fm2 fm’=fm−δf
ケース1”:fm=fm1 fm’=fm+δf
ケース2”:fm=fm2 fm’=fm+δf
ステップS7において、信号処理部60は、高速測定を行うかどうかを判断し、高速測定を行う場合にはステップS8の処理に進み、高速測定を行わない場合にはステップS9の処理に進む。
D3−D2=ngt (31)
(31)式において、ngは、測定対象物6の群屈折率、tは、測定対象物6の物理的な厚さである。
[D1−(D4−D3)]−D2=t (32)
(D1+D3)−(D2+D4)=t (33)
さらに、測定対象物6の群屈折率ngは、(34)次のように表わされる。
ng=(D3−D2)/[(D1+D3)−(D2+D4)] (34)
Lc=Lmcosαi2 (35)
演算部7は、(35)式より、Lcを求めることができる。すなわち、演算部7は、レンズ6’の他方の面6dの形状を補正することができる。
l=dy/cosα (36)
(36)式において、αは、tanα=(Yi2−Yi1)/dyにより求められる。
次に、第2の実施の形態に係る測定装置1’について説明する。この第2の実施の形態に係る測定装置1’は、次の点で、第1の実施の形態に係る測定装置1とは構成が異なる。すなわち、測定装置1’は、上述した距離計2を2台備え、測定対象物6の両面側にそれぞれ測定光を照射して測定対象物6までの距離を求めるため、上述した反射鏡5を用いる必要がない。なお、第2の実施の形態に係る測定装置1’において、第1の実施の形態に係る測定装置1と同一の構成については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
Claims (6)
- 所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを出射する光源と、
上記参照光を受光し、該参照光を反射する参照面と、
上記測定光を集光する集光レンズと、該集光レンズで集光された測定光を受光して反射する反射鏡とを有する測定光学系と、
上記光源からの測定光を上記集光レンズに照射するとともに、該集光レンズを介して上記測定光が戻されるヘッド部と、
上記集光レンズと上記反射鏡との間に挿入された測定対象物の一方の面及び他方の面、及び、該集光レンズと該反射鏡との間に該測定対象物が挿入された状態及び挿入されていない状態で該反射鏡に、それぞれ上記ヘッド部からの測定光の焦点が合うように該集光レンズを移動させる移動部と、
上記ヘッド部に戻された各測定光と、上記参照面から戻された参照光との干渉光に基づく干渉信号をそれぞれ検出する検出部と、
上記検出部により検出した各干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記測定対象物の一方の面及び他方の面までの距離、及び、該集光レンズと該反射鏡との間に該測定対象物が挿入された状態及び挿入されていない状態での該反射鏡までの距離を求める信号処理部と、
上記信号処理部が求めた各距離から、上記測定対象物の屈折率及び該測定対象物の厚さを求める演算部と
を備える測定装置。 - 上記光源は、第1の発振器により第1の変調周波数の変調信号でレーザ光を変調して上記測定光としての光周波数コムを生成する第1の光周波数コム発生器と、第2の発振器によりレーザ光を上記第1の変調周波数とは異なる第2の変調周波数の変調信号で変調することにより、上記第1の光周波数コムとはモード周波数間隔が異なる上記参照光としての光周波数コムを生成する第2の光周波数コム発生器と、上記測定光又は上記参照光の周波数をシフトする周波数シフタとを有し、
上記検出部は、上記参照面から戻された参照光と上記ヘッド部に戻された各測定光との第1の干渉光に基づく第1の干渉信号を検出する測定光検出器と、上記光源から出射された参照光と上記光源から出射された測定光との第2の干渉光に基づく第2の干渉信号を検出する基準光検出器とを有し、
上記信号処理部は、上記第1の干渉信号と上記第2の干渉信号とに基づく時間差を検出し、該時間差に基づいて上記距離を求め、
上記演算部は、上記信号処理部が求めた距離から、上記測定対象物の屈折率及び該測定対象物の厚さを同時に測定する請求項1記載の形状測定装置。 - 所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに位相同期され干渉性のある第1の参照光と第1の測定光とを出射する第1の光源と、
第2の上記参照光と第2の上記測定光とを出射する第2の光源と、
上記第1の参照光を受光して反射する第1の参照面と、
上記第2の参照光を受光して反射する第2の参照面と、
上記第1の測定光を集光する第1の集光レンズと、
上記第2の測定光を集光する第2の集光レンズと、
上記第1の測定光を上記第1の集光レンズに照射するとともに、該第1の集光レンズを介して上記測定光が戻される第1のヘッド部と、
上記第2の測定光を上記第2の集光レンズに照射するとともに、該第2の集光レンズを介して上記第2の測定光が戻される第2のヘッド部と、
上記第1の集光レンズと上記第2の集光レンズとの間に挿入された厚さが既知の校正用反射板における該第1の集光レンズと対向する面と、該第1の集光レンズと該第2の集光レンズとの間に挿入された測定対象物の一方の面及び他方の面とに、それぞれ上記第1の測定光の焦点が合うように、該第1の集光レンズを移動させる第1の移動部と、
上記第2の集光レンズと対向する上記測定対象物の他方の面と、上記校正用反射板の他方の面とに、それぞれ上記第2の測定光の焦点が合うように該第2の集光レンズを移動させる第2の移動部と、
上記第1の移動部により上記第1の集光レンズを移動させて、上記第1のヘッド部に戻された各第1の測定光と、上記第1の参照面から戻された第1の参照光との干渉光に基づく第1の干渉信号を検出する第1の検出部と、
上記第2の移動部により上記第2の集光レンズを移動させて、上記第2のヘッド部に戻された各第2の測定光と、上記第2の参照面から戻された第2の参照光との干渉光に基づく第2の干渉信号を検出する第2の検出部と、
上記第1の検出部により検出した各干渉信号に基づいて、上記第1の参照面までの距離を基準にした上記測定対象物の一方の面及び他方の面までの距離及び上記校正用反射板の一方の面までの距離をそれぞれ求める第1の信号処理部と、
上記第2の検出部により検出した各干渉信号に基づいて、上記第2の参照面までの距離を基準にした上記第2の集光レンズと対向する上記測定対象物の他方の面までの距離及び上記校正用反射板の他方の面までの距離をそれぞれ求める第2の信号処理部と、
上記第1の信号処理部及び上記第2の信号処理部が求めた各距離から、上記測定対象物の屈折率及び該測定対象物の厚さを求める演算部と
を備える測定装置。 - 上記第1の光源及び上記第2の光源は、
第1の発振器により第1の変調周波数の変調信号でレーザ光を変調して上記測定光としての光周波数コムを生成する第1の光周波数コム発生器と、第2の発振器によりレーザ光を上記第1の変調周波数とは異なる第2の変調周波数の変調信号で変調することにより、上記第1の光周波数コムとはモード周波数間隔が異なる上記参照光としての光周波数コムを生成する第2の光周波数コム発生器と、上記測定光又は上記参照光の周波数をシフトする周波数シフタとを有し、
上記第1の検出部及び上記第2の検出部は、
上記参照面から戻された参照光と上記測定対象物から戻された測定光との第1の干渉光に基づく第1の干渉信号を検出する測定光検出器と、上記光源から出射された参照光と上記光源から出射された測定光との第2の干渉光に基づく第2の干渉信号を検出する基準光検出器とをそれぞれ有し、
上記第1の信号処理部及び上記第2の信号処理部は、上記第1の干渉信号と上記第2の干渉信号とに基づく時間差を検出し、該時間差に基づいて上記距離を求め、
上記演算部は、上記第1の信号処理部及び上記第2の信号処理部で得られた距離に基づいて、上記測定対象物の屈折率及び該測定対象物の厚さを同時に測定する請求項3記載の測定装置。 - 光源が、所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを出射する出射ステップと、
移動部が、上記測定光を集光する集光レンズと、該集光レンズで集光された測定光を受光して反射する反射鏡との間に挿入された測定対象物の一方の面及び他方の面、及び、該集光レンズと該反射鏡との間に該測定対象物が挿入された状態及び挿入されていない状態で該反射鏡に、上記光源からの測定光の焦点が合うように該集光レンズを移動させる移動ステップと、
検出部が、上記移動ステップで移動した上記集光レンズを介して戻された各測定光と、参照面から戻された参照光との干渉光に基づく干渉信号をそれぞれ検出する検出ステップと、
信号処理部が、上記検出ステップで検出した各干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記測定対象物の一方の面及び他方の面までの距離、及び、該測定対象物が挿入された状態及び挿入されていない状態での該反射鏡までの距離を求める距離測定ステップと、
演算部が、上記距離測定ステップで求めた各距離から、上記測定対象物の屈折率及び該測定対象物の厚さを求める演算ステップと
を有する測定方法。 - 第1の光源が、所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに位相同期され干渉性のある第1の参照光と第1の測定光とを出射するとともに、第2の光源が、第2の上記参照光と第2の上記測定光とを出射する出射ステップと、
第1の移動部が、上記第1の測定光を集光する第1の集光レンズと上記第2の測定光を集光する第2の集光レンズとの間に挿入された、厚さが既知の校正用反射板における該第1の集光レンズと対向する面と該第1の集光レンズと該第2の集光レンズとの間に挿入された測定対象物の一方の面及び他方の面とに、該第1の測定光の焦点が合うように該第1の集光レンズを移動させるとともに、該第2の集光レンズと対向する該測定対象物の他方の面と該校正用反射板の他方の面とに、該第2の測定光の焦点が合うように該第2の集光レンズを移動させる移動ステップと、
検出部が、上記移動ステップで移動した上記第1の集光レンズを介して戻された上記第1の測定光と、第1の参照面から戻された第1の参照光との干渉光に基づく第1の干渉信号を検出するとともに、上記移動ステップで移動した上記第2の集光レンズを介して戻された上記第2の測定光と、第2の参照面から戻された第2の参照光との干渉光に基づく第2の干渉信号を検出する検出ステップと、
信号処理部が、上記検出ステップで検出した各干渉信号に基づいて、上記第1の参照面までの距離を基準にした上記測定対象物の一方の面及び他方の面までの距離及び上記校正用反射板の一方の面までの距離をそれぞれ求めるとともに、上記第2の参照面までの距離を基準にした上記第2の集光レンズと対向する上記測定対象物の他方の面までの距離及び上記校正用反射板の他方の面までの距離をそれぞれ求める距離測定ステップと、
演算部が、上記距離測定ステップで求めた各距離から、上記測定対象物の屈折率及び該測定対象物の厚さを求める演算ステップと
を有する測定方法。
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