JP5563439B2 - Optical phase measuring device, optical phase measuring method and program - Google Patents
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Description
本発明は光応用計測に関し、物体の形状や屈折率分布を計測する光位相シフト干渉計を備えた光位相測定装置、光位相測定方法およびプログラムに関する。 The present invention relates to optical application measurement, and relates to an optical phase measurement apparatus, an optical phase measurement method, and a program including an optical phase shift interferometer that measures the shape and refractive index distribution of an object.
透明な物体の屈折率分布や物体の３次元形状の計測は、光学や生物科学などの分野で重要である。このような計測には、位相シフト干渉法と呼ばれる計測方法が有力な手段として用いられている。非特許文献１に開示されている位相シフト干渉法は２分岐させた光波に位相シフトを与えたときの干渉縞の強度分布から被検の位相分布を算出する方法であり、可動式のミラーを光軸方向にステップ状に移動させて、光軸の方向の３次元形状や屈折率分布を観測する手法である。 The measurement of the refractive index distribution of a transparent object and the three-dimensional shape of the object is important in fields such as optics and biological science. For such measurement, a measurement method called phase shift interferometry is used as an effective means. The phase shift interferometry disclosed in Non-Patent Document 1 is a method for calculating the phase distribution of a test from the intensity distribution of interference fringes when a phase shift is given to a light beam split into two, and a movable mirror is used. This is a method of observing a three-dimensional shape or refractive index distribution in the direction of the optical axis by moving the optical axis in steps.
図１は非特許文献１に開示されている位相シフト干渉法の概略を示す図である。図１において、レーザ光源１より出力された光波は、第１のハーフミラー２により参照光９および信号光１０に２分岐される。参照光９は可動ミラー３ａにより反射され、ビームエキスパンダ５によりそのビームサイズが拡大され、第２のハーフミラー７へと伝搬される。一方、信号光１０は、ミラー４により反射され、同じく、ビームエキスパンダ６および透明な測定対象物１１を経由して第２のハーフミラー７へと伝搬する。参照光９および信号光１０は、第２のハーフミラー７により合成され、カメラ８によりその干渉縞が空間的に計測される。ここで、ミラー３ａは微小量可動な移動ステージ３ｂ上に設置されており、光波の波長以下の距離精度で矢印１２の方向に移動する。 FIG. 1 is a diagram showing an outline of the phase shift interferometry disclosed in Non-Patent Document 1. In FIG. 1, the light wave output from the laser light source 1 is branched into the reference light 9 and the signal light 10 by the first half mirror 2. The reference light 9 is reflected by the movable mirror 3 a, the beam size is enlarged by the beam expander 5, and is propagated to the second half mirror 7. On the other hand, the signal light 10 is reflected by the mirror 4 and similarly propagates to the second half mirror 7 via the beam expander 6 and the transparent measurement object 11. The reference light 9 and the signal light 10 are combined by the second half mirror 7, and the interference fringes are spatially measured by the camera 8. Here, the mirror 3a is installed on a movable stage 3b movable by a minute amount, and moves in the direction of the arrow 12 with a distance accuracy equal to or less than the wavelength of the light wave.
図１に示す構成を用いた従来の位相シフト干渉法では、図２を用いて説明される原理に基づいて、測定対象物による位相シフト量を計測する。図２（ａ）は参照光の位相が時間的に変化する様子を示し、図２（ｂ）は参照光の位相に対する干渉光強度を示したものである。図１の構成において参照光９には一定の速さで移動するミラー３ａにより位相シフト２１が与えられる。この位相シフト２１に応じて、信号光１０と参照光９による位相軸方向の干渉縞２２は変化する。ここで、本明細書においていう「位相軸方向の干渉縞」とは、参照光の位相シフト量を経時的に変化させて観測したときに発生する信号光１０と参照光９による干渉縞２２であって、上述したカメラ８上に空間的に観測される干渉縞とは異なる。 In the conventional phase shift interferometry using the configuration shown in FIG. 1, the phase shift amount due to the measurement object is measured based on the principle described with reference to FIG. 2A shows how the phase of the reference light changes with time, and FIG. 2B shows the intensity of interference light with respect to the phase of the reference light. In the configuration of FIG. 1, the reference light 9 is given a phase shift 21 by a mirror 3a that moves at a constant speed. In accordance with the phase shift 21, the interference fringes 22 in the phase axis direction due to the signal light 10 and the reference light 9 change. Here, the “interference fringe in the phase axis direction” referred to in this specification is an interference fringe 22 caused by the signal light 10 and the reference light 9 generated when the phase shift amount of the reference light is changed over time. Therefore, it is different from the interference fringes observed spatially on the camera 8 described above.
従来型の位相シフト干渉法では、この干渉縞２２の１周期をＭ分割して、ミラー３ａにより位相シフト２π／Ｍを与え、干渉縞強度をサンプリングする。ミラー３ａがｍ番目の位相（０≦ｍ＜Ｍ）のとき、干渉縞の強度Ｉｍはカメラのピクセル（ｘ、ｙ）について下記（式１）で表せる。 In the conventional phase shift interferometry, one period of the interference fringe 22 is divided into M, a phase shift of 2π / M is given by the mirror 3a, and the interference fringe intensity is sampled. When the mirror 3a is in the m-th phase (0 ≦ m <M), the interference fringe intensity Im can be expressed by the following (formula 1) for the camera pixel (x, y).
ここでａ（ｘ，ｙ）は背景強度分布であり、ｂ（ｘ，ｙ）はコントラストむらであり、ψ（ｘ，ｙ）は求めたい位相分布である。Brunningらによる手法では，これらの縞画像を用いてカメラのピクセル（ｘ、ｙ）ごとに（式２）を計算することで位相分布を求めている。 Here, a (x, y) is the background intensity distribution, b (x, y) is the contrast unevenness, and ψ (x, y) is the phase distribution to be obtained. In the technique by Brunning et al., The phase distribution is obtained by calculating (Equation 2) for each pixel (x, y) of the camera using these fringe images.
とくに、Ｍ＝４（９０度シフト）の場合を、４ステップ法とよび、（式３）により位相分布を計測する。 In particular, the case of M = 4 (90 degree shift) is called a four-step method, and the phase distribution is measured by (Equation 3).
この手法では、干渉光強度の計測は３点のみの計測で十分であり高速な計測が可能である。一方で、高い測定精度を実現するにはＭ＝５〜１１として高次の誤差を補償して位相解析を行う方法も提案されている。また、連続的に位相を走査し一定位相走査間の干渉縞強度を積分する方法としてｂｕｃｋｅｔ法と呼ばれる手法も用いられる（４区間の場合４−ｂｕｃｋｅｔ法とよぶ）。 In this method, only three points are sufficient for measuring the interference light intensity, and high-speed measurement is possible. On the other hand, in order to realize high measurement accuracy, a method of performing phase analysis by compensating for higher order errors with M = 5 to 11 has been proposed. Also, a method called a bucket method is used as a method for continuously scanning the phase and integrating the interference fringe intensity between the constant phase scans (called 4-bucket method in the case of four sections).
上述の解析方法では、測定対象物による位相変化（位相シフト、位相シフト量ともいう）を求めるために参照光の位相を０πから２πの間で線形に変化させている。特に、位相分割数Ｍが小さい場合には、参照光の位相設定精度が測定精度に直接影響する。高い精度での位相測定のためには可動ミラーも高い精度で位置決めする必要があるため、圧電効果を用いたピエゾステージなどで可動ミラーを位置決めしていた。しかしながら、ピエゾステージを用いた場合でも環境温度の変動やピエゾ素子のヒステリシスにより、位相設定精度に限界があり、位相の測定精度や再現性に限界があった。 In the above analysis method, the phase of the reference light is linearly changed between 0π and 2π in order to obtain a phase change (also referred to as phase shift or phase shift amount) due to the measurement object. In particular, when the phase division number M is small, the phase setting accuracy of the reference light directly affects the measurement accuracy. In order to measure the phase with high accuracy, it is necessary to position the movable mirror with high accuracy. Therefore, the movable mirror is positioned with a piezoelectric stage using a piezoelectric effect. However, even when a piezo stage is used, phase setting accuracy is limited due to environmental temperature fluctuations and piezo element hysteresis, and phase measurement accuracy and reproducibility are limited.
図３は従来の４ステップ法を用いた場合の位相シフト干渉計の測定精度を計算したものである。横軸は参照光の位相シフト量、すなわち、位相設定が目標値から何％ずれたかを表しており、縦軸は測定対象物による位相シフト量の推定値の誤差であり、実際の位相シフト量に対して何％誤差があるかを示したものである。計算に当たっては、測定対象物による位相シフト量として０．３πを仮定した。図３から明らかなように、参照光の位相シフト量が５％ある場合には、測定される位相シフト量には１０％程度の誤差が含まれることになる。とくに、ピエゾステージを用いた場合にはそのヒステリシスにより数％のステージ移動量の誤差が含まれるため、その影響は無視できないものとなる。 FIG. 3 shows the calculation accuracy of the phase shift interferometer when the conventional 4-step method is used. The horizontal axis represents the phase shift amount of the reference light, that is, how much the phase setting has deviated from the target value, and the vertical axis represents the error in the estimated value of the phase shift amount due to the measurement object, and the actual phase shift amount It shows what percentage error is. In the calculation, 0.3π was assumed as the phase shift amount due to the measurement object. As is clear from FIG. 3, when the phase shift amount of the reference light is 5%, the measured phase shift amount includes an error of about 10%. In particular, when a piezo stage is used, the hysteresis includes an error of several percent of the stage movement amount, so the influence cannot be ignored.
本発明の課題は、参照光の位相設定精度に限界がある場合でも、高精度に測定対象物による位相シフト量を用いた計測することができる光位相測定装置を開示することである。 An object of the present invention is to disclose an optical phase measuring device capable of performing measurement using a phase shift amount by a measurement object with high accuracy even when the phase setting accuracy of reference light is limited.
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源より出力された光波を２分岐する光分岐手段と、前記分岐された光波のうちの一方である参照光波を周波数ωｍで位相変調する位相変調手段と、前記分岐された光波のうちの他方であって分岐された後に被測定対象物を透過または反射した信号光波と前記位相変調された参照光波とを合成する光合成手段と、前記合成された結果得られる干渉光の強度を測定する光強度測定手段とを有する光干渉計を備えた光位相測定装置であって、前記干渉光の強度を一定の時間に亘って取得し、前記取得した時系列の強度信号をフーリエ変換して、前記位相変調の周波数ωｍの整数倍の周波数成分のうち少なくとも２つの成分の光強度を演算することにより、前記位相変調手段の変調指数ｍを同定して、該変調指数ｍに基づいて前記被測定対象物による前記信号光波の位相変化量φを算出する演算手段をさらに備え、測定された前記干渉光の強度のスペクトル成分のうち、前記位相変調周波数ωｍ、２ωｍ、３ωｍの周波数成分の光強度をそれぞれI 1 、I 2 、I 3 、ｎ次の第一種ベッセル関数J n をとして In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 1 is a light source that outputs coherent light, a light branching unit that splits the light wave output from the light source into two parts, and the light wave of the branched light wave. On the other hand, a phase modulation means for phase-modulating a reference light wave at a frequency ωm, and a signal light wave which is the other of the branched light waves and is transmitted or reflected after being branched and the phase modulated. An optical phase measurement apparatus comprising an optical interferometer having a light combining unit for combining a reference light wave and a light intensity measuring unit for measuring the intensity of the interference light obtained as a result of the combining, the intensity of the interference light Is obtained over a certain period of time, and the obtained time-series intensity signal is Fourier-transformed to calculate the light intensity of at least two components of frequency components that are integral multiples of the phase modulation frequency ωm. Yo Ri, wherein to identify a modulation index m of the phase modulation means, on the basis of the modulation index m further comprising a calculating means for calculating a phase variation amount φ of the signal light wave by the object to be measured, said measured interference Of the spectral components of the light intensity, the light intensities of the phase modulation frequencies ωm, 2ωm, and 3ωm are respectively represented as I 1 , I 2 , I 3 , and nth-order first-order Bessel function J n .
を数値的に求解して、前記変調指数ｍを求めた後、変調指数ｍを下記式に代入して Is numerically solved to obtain the modulation index m, and the modulation index m is substituted into the following equation.
、前記被測定対象物による位相変化量φを求めることを特徴とする。 The phase change amount φ by the object to be measured is obtained.
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光位相測定装置であって、前記コヒーレント光を出力する光源は、その出力光波長が可変な波長可変光源であるとともに、前記波長可変光源の出力光波長を変化させつつ、可変されたおのおのの波長において位相変化量φを算出することを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the optical phase measurement device according to claim 1 , wherein the light source that outputs the coherent light is a wavelength variable light source whose output light wavelength is variable, and the wavelength variable light source. The phase change amount φ is calculated at each variable wavelength while changing the output light wavelength.
請求項３に記載の発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源より出力された光波を２分岐する光分岐手段と、前記分岐された光波のうちの一方である参照光波を周波数ωｍで位相変調する位相変調手段と、前記分岐された光波のうちの他方であって分岐された後に被測定対象物を透過または反射した信号光波と前記位相変調された参照光波とを合成する光合成手段と、前記合成された結果得られる干渉光の強度を測定する光強度測定手段とを有する光干渉計を備えた光位相測定装置において被測定対象物による前記信号光波の位相変化量φを算出する方法であって、前記干渉光の強度を一定の時間に亘って取得するステップと、前記取得した時系列の干渉光の強度をフーリエ変換して、前記位相変調の周波数ωｍの整数倍の周波数成分のうち少なくとも２つの成分の光強度を特定するステップと、前記特定した少なくとも２つの成分の光強度に基づいて前記位相変調手段の変調指数ｍを同定するステップと、前記変調指数ｍに基づいて前記被測定対象物による前記信号光波の位相変化量φを算出するステップとを含み、前記特定した少なくとも２つの成分の光強度に基づいて前記位相変調手段の変調指数ｍを同定するステップは、光強度測定手段で測定された前記干渉光の強度のスペクトル成分のうち、前記位相変調周波数ωｍ、２ωｍ、３ωｍの周波数成分の光強度をそれぞれI 1 、I 2 、I 3 、ｎ次の第一種ベッセル関数J n をとして According to a third aspect of the present invention, there is provided a light source that outputs coherent light, an optical branching unit that splits the light wave output from the light source into two, and a reference light wave that is one of the branched light waves at a frequency ωm. Phase modulation means for phase-modulating; and light combining means for combining the signal light wave that is the other of the branched light waves and is transmitted or reflected after being branched and the phase-modulated reference light wave And a method of calculating a phase change amount φ of the signal light wave by the object to be measured in an optical phase measuring apparatus comprising an optical interferometer having a light intensity measuring means for measuring the intensity of the interference light obtained as a result of the synthesis A step of acquiring the intensity of the interference light over a predetermined time, and performing a Fourier transform on the acquired intensity of the interference light in a time series to obtain a frequency component that is an integral multiple of the phase modulation frequency ωm. Identifying the light intensity of at least two components, identifying the modulation index m of the phase modulation means based on the light intensity of the identified at least two components, and based on the modulation index m look including the step of calculating a phase variation amount φ of the signal light wave by the measurement object, identifying a modulation index m of the phase modulating section based on the light intensity of at least two components and the specific, the light Among the spectral components of the intensity of the interference light measured by the intensity measuring means, the light intensity of the frequency components of the phase modulation frequencies ωm, 2ωm, and 3ωm are respectively the first type of I 1 , I 2 , I 3 , and n-th order. as the Bessel function J n
を数値的に求解して、前記変調指数ｍを求めることを含み、前記変調指数ｍに基づいて前記被測定対象物による前記信号光波の位相変化量φを算出するステップは、前記変調指数ｍを下記式に代入して Calculating the modulation index m, and calculating the phase change amount φ of the signal light wave by the object to be measured based on the modulation index m. Substituting into the following formula
前記被測定対象物による位相変化量φを求めることを特徴とする。 A phase change amount φ by the measurement object is obtained.
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光位相測定方法であって、前記コヒーレント光を出力する光源は、その出力光波長が可変な波長可変光源であるとともに、前記波長可変光源の出力光波長を変化させつつ、可変されたおのおのの波長において位相変化量φを算出することを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the optical phase measurement method according to claim 3 , wherein the light source for outputting the coherent light is a wavelength variable light source whose output light wavelength is variable, and the wavelength variable light source. The phase change amount φ is calculated at each variable wavelength while changing the output light wavelength.
請求項５に記載の発明は、コンピュータに請求項３または４に記載のステップを実行させるためのプログラムである。 The invention described in claim 5 is a program for causing a computer to execute the steps described in claim 3 or 4 .
本発明によれば、参照光の位相設定精度に限界がある場合でも、高精度に測定対象物による位相シフト量を用いた計測することができ、これにより、例えば物体の３次元構造あるいは光学長の分布を高精度・高速に測定することが可能になる。 According to the present invention, even when there is a limit in the phase setting accuracy of the reference light, it is possible to perform measurement using the phase shift amount by the measurement object with high accuracy, and thereby, for example, the three-dimensional structure or optical length of the object. Can be measured with high accuracy and high speed.
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。なお、各実施形態において同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each embodiment, the same number is attached | subjected to the same part and the overlapping description is abbreviate | omitted.
本発明の光位相測定装置は、コヒーレント光を出力する光源と、光源より出力された光波を２分岐する光分岐手段と、分岐された光波の一方である参照光波を周波数ωｍで位相変調する位相変調手段と、分岐された光波の他方であって分岐された後に被測定対象物を透過もしくは反射した信号光波と位相変調された参照光波とを合成する光合成手段と、光合成された干渉光の強度を測定する光強度測定手段とを有する光干渉計を備えている。これらの手段を有する光干渉計は、測定しようとする対象に応じて様々な構成を採用することができる。 The optical phase measurement apparatus of the present invention includes a light source that outputs coherent light, an optical branching unit that splits a light wave output from the light source into two, and a phase that phase-modulates a reference light wave that is one of the branched light waves at a frequency ωm. A modulation means; a light combining means for combining the signal light wave that is the other of the branched light waves and is transmitted or reflected after being branched; and a phase-modulated reference light wave; And an optical interferometer having a light intensity measuring means for measuring. The optical interferometer having these means can employ various configurations depending on the object to be measured.
本発明の光位相測定装置は、上記光干渉計において測定した時系列の強度信号をフーリエ変換して、位相変調周波数ωｍの整数倍の周波数成分のうち少なくとも２つの成分についてのスペクトル強度を求めることにより参照光の位相変調指数ｍを演算して、この参照光の位相変調指数ｍに基づいて被測定対象物による信号光波の位相変化量φを算出する演算手段をさらに備えている。この構成により、参照光の変調指数ｍを同定することができるので、測定対象物による位相シフト量も正確に求めることができる。さらに、正確に求められた位相シフト量に基づいて、屈折率分布や物体の３次元形状、光学長などを正確に求めることができる。 The optical phase measurement apparatus of the present invention obtains spectral intensities for at least two components of frequency components that are integral multiples of the phase modulation frequency ωm by Fourier transforming the time-series intensity signals measured by the optical interferometer. Is further provided with calculating means for calculating the phase modulation index m of the reference light and calculating the phase change amount φ of the signal light wave by the object to be measured based on the phase modulation index m of the reference light. With this configuration, since the modulation index m of the reference light can be identified, the amount of phase shift due to the measurement object can also be accurately obtained. Furthermore, the refractive index distribution, the three-dimensional shape of the object, the optical length, and the like can be accurately obtained based on the accurately obtained phase shift amount.
（第１の実施形態）
本実施形態は、位相シフト干渉法により透明な物体の屈折率分布を計測する態様である。図４は本実施形態にかかる光位相測定装置の構成の一例を示している。図４を用いて本実施形態における透明な物体の屈折率分布の計測について説明する。
(First embodiment)
In this embodiment, the refractive index distribution of a transparent object is measured by phase shift interferometry. FIG. 4 shows an example of the configuration of the optical phase measuring apparatus according to the present embodiment. The measurement of the refractive index distribution of a transparent object in this embodiment will be described with reference to FIG.
図４の光位相測定装置において、レーザ８１からの光波は、ハーフミラー８２により参照光８９および信号光９０に２分岐される。このうち、参照光８９は２枚の反射鏡からなるレトロリフレクタ８３ａにより反射され、さらに反射ミラー８４ｂを経由してハーフミラー９７へと伝搬する。一方、信号光９０はミラー８４ａにより反射された後、測定対象物８５を経由して、ハーフミラー９７へと伝搬する。 In the optical phase measurement apparatus shown in FIG. 4, the light wave from the laser 81 is branched into the reference light 89 and the signal light 90 by the half mirror 82. Among these, the reference light 89 is reflected by the retro reflector 83a composed of two reflecting mirrors, and further propagates to the half mirror 97 via the reflecting mirror 84b. On the other hand, the signal light 90 is reflected by the mirror 84 a and then propagates to the half mirror 97 via the measurement object 85.
ここで、レトロリフレクタ８３ａおよび測定対象物８５は、それぞれ可動ステージ８３ｂ、９６上に固定的に設置されている。圧電効果を用いたピエゾステージなどで構成される可動ステージ８３ｂを矢符９２に示す方向に移動させることでレトロリフレクタ８３ａを参照光８９の入射方向に移動させることにより参照光８９に位相変調を与えることができる。また、圧電効果を用いたピエゾステージなどで構成される可動ステージ９６を矢符９８に示す方向に移動させることで測定対象物８５を信号光９０の光軸と垂直方向に移動させることにより測定対象物８５における測定位置を調整することができる。 Here, the retro reflector 83a and the measurement object 85 are fixedly installed on the movable stages 83b and 96, respectively. By moving a movable stage 83b composed of a piezo stage using a piezoelectric effect in the direction indicated by an arrow 92, the retroreflector 83a is moved in the incident direction of the reference light 89, thereby giving phase modulation to the reference light 89. be able to. In addition, by moving a movable stage 96 constituted by a piezoelectric stage using a piezoelectric effect in a direction indicated by an arrow 98, the measurement object 85 is moved in a direction perpendicular to the optical axis of the signal light 90, thereby measuring the object. The measurement position on the object 85 can be adjusted.
なお、図４に示す光位相測定装置では、レトロリフレクタ８３ａが２枚で構成されている例が示されているが、図１に示すように、１枚で構成してもよい。レトロリフレクタ８３ａを１枚で構成する場合、可動ステージ８３ｂの移動方向は図１に示す方向となり、また、反射ミラー８４ｂは不要である。 In the optical phase measurement apparatus shown in FIG. 4, an example in which the retroreflector 83a is constituted by two sheets is shown, but it may be constituted by one sheet as shown in FIG. When the retroreflector 83a is constituted by one piece, the moving direction of the movable stage 83b is the direction shown in FIG. 1, and the reflection mirror 84b is unnecessary.
ハーフミラー９７により合波された参照光８９と信号光９０の干渉光は、受光器８８によりその強度に比例した電気信号へと変換される。受光器８８より出力された電気信号は、カットオフ周波数ｆの低域通過フィルタ（ＬＰＦ）９３により、不要な高周波成分が除去されたのち、アナログディジタル変換器９４によりディジタル信号に変換され、中央演算処理装置（ＣＰＵ）９５へと送られる。ＣＰＵ９５では、観測された電気信号を処理することにより、測定対象物による位相シフトを求める。 The interference light of the reference light 89 and the signal light 90 combined by the half mirror 97 is converted into an electric signal proportional to the intensity by the light receiver 88. The electrical signal output from the light receiver 88 is converted to a digital signal by an analog-digital converter 94 after an unnecessary high-frequency component is removed by a low-pass filter (LPF) 93 having a cutoff frequency f. It is sent to a processing unit (CPU) 95. The CPU 95 determines the phase shift due to the measurement object by processing the observed electrical signal.
光位相測定装置は、測定対象物８５の測定対象となる部位が信号光９０の光軸に一致する位置に固定した状態で、レトロリフレクタ８３ａの可動ステージ８３ｂを一定の速さで移動させる。可動ステージ８３ａを一定の速さで移動させることにより参照光８９に対して一定の周期ωｍで位相変調が与えられるので、このときＣＰＵ９５で時系列に観測される電気信号を処理して、測定対象物８５の測定部位における位相シフトを求める。 The optical phase measurement device moves the movable stage 83b of the retroreflector 83a at a constant speed in a state where the part to be measured of the measurement object 85 is fixed at a position that coincides with the optical axis of the signal light 90. By moving the movable stage 83a at a constant speed, phase modulation is given to the reference light 89 at a constant period ωm. At this time, the CPU 95 processes the electrical signal observed in time series to measure the object. The phase shift at the measurement site of the object 85 is obtained.
ここで、ＣＰＵ９５での観測信号から測定対象物の測定部位による位相シフトが得られる原理について説明する。干渉計の参照アームからの参照光８９の強度Ｅｒ、信号アームからの信号光４０の強度Ｅｓはそれぞれ、（式４）、（式５）で表される。 Here, the principle by which the phase shift due to the measurement site of the measurement object is obtained from the observation signal from the CPU 95 will be described. The intensity Er of the reference light 89 from the reference arm of the interferometer and the intensity Es of the signal light 40 from the signal arm are expressed by (Expression 4) and (Expression 5), respectively.
ここで、Ａは参照光および信号光の光振幅である。したがって、受光器にて受信される干渉光の強度は下記の式変形により（式６）と表せる。 Here, A is the optical amplitude of the reference light and signal light. Therefore, the intensity of the interference light received by the light receiver can be expressed as (Equation 6) by the following equation modification.
（式６）において、Ｊｎはｎ次の第一種ベッセル関数である。上記（式６）は、位相変調された参照光が搬送波（光周波数）のまわりに測帯波を有し、その測帯波と信号光の干渉により位相変調周波数の周波数間隔で複数のビートが現れることを示している。 In (Expression 6), Jn is an nth-order first-type Bessel function. In the above (Equation 6), the phase-modulated reference light has a banded wave around the carrier wave (optical frequency), and multiple beats are generated at frequency intervals of the phase-modulated frequency due to interference between the banded wave and the signal light. It shows that it appears.
本発明の位相計測方法では、干渉光の時系列の強度をフーリエ解析することによって、被測定物の測定部位により信号光が受けた位相変化を時系列で観察して、参照光の変調指数ｍを数値的に求める。すなわち、（式６）で表される干渉光の時系列の強度をフーリエ変換することにより周波数解析し、少なくとも２つのビート周波数成分、たとえば、位相変調周波数ωm、２ωmの成分の強度を比較することで、参照光の変調指数ｍを同定することができる。従来のＭステップ法に代表される位相計測手法では、位相設定値からのずれに起因する位相シフト量の誤差、すなわち変調指数ｍの変動が問題になっていたが、本発明の手法では変調指数ｍを同定することができるため、ピエゾ素子のヒステリシスや環境温度変動による参照光の位相設定値の擾乱を除去することが可能になる。 In the phase measurement method of the present invention, the time-series intensity of the interference light is Fourier-analyzed to observe the phase change received by the signal light by the measurement site of the object to be measured in time series, and the modulation index m of the reference light Is obtained numerically. That is, frequency analysis is performed by Fourier transforming the time-series intensity of the interference light represented by (Equation 6), and the intensity of at least two beat frequency components, for example, the components of the phase modulation frequency ωm and 2ωm are compared. Thus, the modulation index m of the reference light can be identified. In the conventional phase measurement method represented by the M-step method, an error in the phase shift amount caused by the deviation from the phase setting value, that is, the fluctuation of the modulation index m has been a problem. Since m can be identified, it is possible to remove the disturbance of the phase setting value of the reference light due to the hysteresis of the piezoelectric element and the environmental temperature fluctuation.
具体的には、測定対象物による位相シフトは以下に示す手順で求められる。ＣＰＵ９５は、ＡＤＣ９４から得た干渉光の強度を一定時間に亘って取得する（手順１）。次に、取得した干渉光の時系列の強度をフーリエ変換して周波数解析し、ωm、２ωm、３ωmの成分のスペクトル強度Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3を求める（手順２）。 Specifically, the phase shift due to the measurement object is obtained by the following procedure. The CPU 95 acquires the intensity of the interference light obtained from the ADC 94 over a certain time (procedure 1). Next, the time series intensity of the acquired interference light is subjected to frequency analysis by Fourier transform to obtain spectral intensities I 1 , I 2 , and I 3 of components of ωm, 2ωm, and 3ωm (procedure 2).
次にスペクトル強度Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3に基づいて変調指数ｍを求める（手順３）。ここで（式６）をスペクトル強度Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3を用いて整理すると、下記（式７）が得られる。 Next, a modulation index m is obtained based on the spectral intensities I 1 , I 2 , and I 3 (procedure 3). Here, when (Equation 6) is arranged using spectral intensities I 1 , I 2 , and I 3 , the following (Equation 7) is obtained.
この（式７）に、光振幅Ａ、測定対象物による位相シフトφ（ω）、を代入することにより参照光の位相変調指数ｍを求めることができる。すなわち、（式７）よりｎ次の第一種ベッセル関数をＪnとして下記（式８）が得られる。 The phase modulation index m of the reference light can be obtained by substituting the light amplitude A and the phase shift φ (ω) due to the measurement object into (Equation 7). That is, from (Expression 7), the following (Expression 8) is obtained by setting the n- th first-order Bessel function as J n .
上記（式８）を数値的に求解して、前記変調指数ｍを求めることができる。 The modulation index m can be obtained by numerically solving the above (Formula 8).
さらに、求めた変調指数ｍを下記（式９）に代入して、前記被測定対象物による位相変化φを求める（手順４）。 Further, the obtained modulation index m is substituted into the following (Equation 9) to obtain the phase change φ due to the measurement object (procedure 4).
なお、上記演算において光強度（光振幅）Ａが既知であれば、上記のように３つの周波数成分についてスペクトル強度を取得する必要はなく、少なくとも２つの周波数成分としてωmおよび２ωmのスペクトル強度のみを取得すれば、変調指数ｍおよび位相変化φを演算可能であるのは明らかである。 If the light intensity (light amplitude) A is known in the above calculation, it is not necessary to obtain the spectrum intensities for the three frequency components as described above, and only the spectral intensities of ωm and 2ωm are used as at least two frequency components. If acquired, it is clear that the modulation index m and the phase change φ can be calculated.
ここで、被測定対象物が光軸方向に一定厚みＬであるならば、被測定対象物の測定部位による位相変化φ、レーザ８１の出力光の光波長λから、被測定対象物の測定部位における屈折率ｎは（式１０）と表れる。 Here, if the object to be measured has a constant thickness L in the optical axis direction, the measurement region of the object to be measured is calculated from the phase change φ due to the measurement region of the object to be measured and the light wavelength λ of the output light of the laser 81. The refractive index n in is expressed as (Equation 10).
よって本実施形態では、得られた位相変化φおよびレーザ８１の出力光の光波長λを（式１０）に代入して、被測定対象物の測定部位における屈折率ｎを求めることができる。 したがって、測定対象物８５が固定された可動ステージ９６を矢符９８に示す方向に移動させて次に測定しようとする測定対象物８５の所定位置が信号光９０の光軸上に位置させた後に、レトロリフレクタ８３ａが固定された可動ステージ８３ｂを矢符９２に示す方向に一定の周期で移動させて参照光８９に位相変化を与えて得られた干渉光の強度に基づいて逐次上述の計測を行う。この処理を測定対象物８５の各位置において行うことで、測定対象物８５全体の屈折率分布を測定できる。 Therefore, in this embodiment, the refractive index n at the measurement site of the measurement object can be obtained by substituting the obtained phase change φ and the optical wavelength λ of the output light of the laser 81 into (Equation 10). Therefore, after the movable stage 96 to which the measurement object 85 is fixed is moved in the direction indicated by the arrow 98 and the predetermined position of the measurement object 85 to be measured next is positioned on the optical axis of the signal light 90. The above-described measurement is sequentially performed based on the intensity of the interference light obtained by moving the movable stage 83b, to which the retroreflector 83a is fixed, in the direction indicated by the arrow 92 at a constant period and changing the phase of the reference light 89. Do. By performing this process at each position of the measurement object 85, the refractive index distribution of the entire measurement object 85 can be measured.
本実施形態の光位相測定装置によれば、変調指数を同定して位相を求めることができるので、透明な物体の屈折率分布を高精度に測定することができる。 According to the optical phase measurement apparatus of the present embodiment, the phase can be obtained by identifying the modulation index, so that the refractive index distribution of a transparent object can be measured with high accuracy.
以上説明した本実施形態の位相シフト干渉法による測定を行う光位相測定装置としては、マッハツェンダ干渉計を用いているが、これに限定されず、マイケルソン干渉計を用いた方法でも同様の計測が可能である。 As the optical phase measurement apparatus for performing the measurement by the phase shift interferometry of the present embodiment described above, a Mach-Zehnder interferometer is used, but the present invention is not limited to this, and the same measurement can be performed by a method using a Michelson interferometer. Is possible.
また、コヒーレント光を出力する光源であるレーザ８１として、その出力光の波長を可変できる波長可変光源を用いることによって、被測定対象物の分散特性を計測することが可能である。すなわち、一般に被測定対象物の屈折率は波長に対する依存性を有している。したがって、式（１０）は Further, by using a wavelength variable light source capable of changing the wavelength of the output light as the laser 81 which is a light source that outputs coherent light, it is possible to measure the dispersion characteristics of the measurement object. That is, in general, the refractive index of the object to be measured has a dependency on the wavelength. Therefore, equation (10) is
と波長λ依存性を持つ形に書き直すことができる。波長λを変更しつつ、屈折率ｎ（λ）を逐次測定することで、被測定対象物の屈折率の波長依存性を測定することができる。 And can be rewritten to have a wavelength λ dependency. By sequentially measuring the refractive index n (λ) while changing the wavelength λ, the wavelength dependency of the refractive index of the measurement object can be measured.
また、被測定対象物として、光ファイバ、ファイバブラッググレーティング、アレイ導波路格子などの光通信用デバイスを測定する場合は、位相の波長依存性φ（λ）を測定した後に、 In addition, when measuring an optical communication device such as an optical fiber, a fiber Bragg grating, and an arrayed waveguide grating as an object to be measured, after measuring the wavelength dependence φ (λ) of the phase,
を計算すれば、その光デバイスの群遅延ＧＤを求めることができ、通信で一般的に用いられる表記で分散特性を記述することができる。ここで、ωは波長λの光波の各周波数である。 , The group delay GD of the optical device can be obtained, and the dispersion characteristics can be described in the notation generally used in communication. Here, ω is each frequency of the light wave of wavelength λ.
このような通信用の光デバイスは一般に光ファイバのピッグテールが設置されているが、このピッグテールのうち入力を光ファイバ１０４へ、出力を光ファイバ１０６へ接続すればよいことは明らかである。 Such a communication optical device is generally provided with an optical fiber pigtail, but it is obvious that an input of the pigtail may be connected to the optical fiber 104 and an output thereof may be connected to the optical fiber 106.
（第２の実施形態）
本実施形態は、位相シフト干渉法により物体の３次元形状を計測する態様である。図５は本実施形態にかかる光位相測定装置の構成の一例を示している。図５を用いて本実施形態における物体の３次元形状の計測について説明する。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a three-dimensional shape of an object is measured by phase shift interferometry. FIG. 5 shows an example of the configuration of the optical phase measurement apparatus according to the present embodiment. The measurement of the three-dimensional shape of the object in this embodiment will be described with reference to FIG.
図５において、レーザ光源６１から出射された光波はハーフミラー６２により参照光６３と信号光６４に分岐される。参照光６３は移動ステージ７３上に設置された可動ミラー６５にて反射され、再度ハーフミラー６２へと伝搬する。一方、信号光６４は測定対象物６６にて反射され、再度ハーフミラー６２へと伝搬する。ここで、信号光６４の位相は測定対象物６６での反射表面形状を反映する。図６では、信号光は測定対象物６６の一点にのみあたるように図示してあるが、測定対象物６６を載せた移動ステージ７１を信号光６４の光軸と直交する方向７１ａに移動させることで、測定対象物６６の３次元形状を計測することが可能である。また、移動ステージ７３は、参照光６３の光軸方向７３ａに移動する。 In FIG. 5, the light wave emitted from the laser light source 61 is branched into the reference light 63 and the signal light 64 by the half mirror 62. The reference light 63 is reflected by the movable mirror 65 installed on the moving stage 73 and propagates to the half mirror 62 again. On the other hand, the signal light 64 is reflected by the measurement object 66 and propagates to the half mirror 62 again. Here, the phase of the signal light 64 reflects the reflection surface shape of the measurement object 66. In FIG. 6, the signal light is illustrated so as to hit only one point of the measurement object 66, but the moving stage 71 on which the measurement object 66 is placed is moved in a direction 71 a orthogonal to the optical axis of the signal light 64. Thus, the three-dimensional shape of the measuring object 66 can be measured. The moving stage 73 moves in the optical axis direction 73 a of the reference light 63.
ハーフミラー６２にて合波された参照光６３と信号光６４の干渉光強度はディテクタ６７にて、その光信号が電気信号に変換されたのち、カットオフ周波数がｆ1の低域通過フィルタ（ＬＰＦ）６８、変換周波数ｆ2（ｆ1≦２ｆ2）のアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）６９を介して、中央演算処理装置（ＣＰＵ）７０へと入力される。ＣＰＵ７０では、第１の実施形態と同様の信号処理手法により、信号光６４の位相φが計測される。信号光６４の位相φは移動ステージ７１を逐次移動することにより、測定対象物６６の各点（ｘ，ｙ）に対して計測され、φ（ｘ，ｙ）が得られる。 The interference light intensity of the reference light 63 and the signal light 64 combined by the half mirror 62 is converted into an electric signal by the detector 67, and then the low-pass filter (cut-off frequency is f 1 ). LPF) 68 and an analog-digital converter (ADC) 69 having a conversion frequency f 2 (f 1 ≦ 2f 2 ) are input to a central processing unit (CPU) 70. In the CPU 70, the phase φ of the signal light 64 is measured by the same signal processing method as in the first embodiment. The phase φ of the signal light 64 is measured at each point (x, y) of the measurement object 66 by sequentially moving the moving stage 71, and φ (x, y) is obtained.
ここで、計測された位相φ（ｘ，ｙ）と測定対象物６６の表面形状は、移動ステージ７１の初期位置ｘ＝０，ｙ＝０において測定された位相をφ（０，０）、位置（ｘ，ｙ）において測定された位相のφ（０，０）からの変化をΔφ（ｘ，ｙ））として Here, the measured phase φ (x, y) and the surface shape of the measuring object 66 are the phase measured at the initial position x = 0, y = 0 of the moving stage 71 as φ (0, 0) and the position. The change from φ (0,0) of the phase measured at (x, y) is defined as Δφ (x, y))
より、表面形状Ｌ（ｘ，ｙ）が求められる。ただし、λは光源であるレーザ６１から出力される光波の真空中での波長である。 Thus, the surface shape L (x, y) is obtained. Here, λ is the wavelength in vacuum of the light wave output from the laser 61 as the light source.
以上に説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に変調係数ｍを同定して、同定した変調係数ｍに基づいて位相φ、表面形状Ｌを求めることができるので、物体の３次元形状を精度よく計測することができる。 As described above, according to the present embodiment, the modulation coefficient m can be identified as in the first embodiment, and the phase φ and the surface shape L can be obtained based on the identified modulation coefficient m. The three-dimensional shape of the object can be accurately measured.
また本実施形態でも、コヒーレント光を出力する光源であるレーザ６１として、その出力光の波長を可変できる波長可変光源を用いることによって、第１の実施形態と同様に、被測定対象物の分散特性を計測することが可能である。 Also in this embodiment, by using a wavelength variable light source that can change the wavelength of the output light as the laser 61 that is a light source that outputs coherent light, similarly to the first embodiment, the dispersion characteristics of the measurement target object. Can be measured.
ここで、本実施形態に示す構成において、レーザとして波長１５５０ｎｍの分布フィードバック半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を用いて、石英系光導波路の導波路加工直後の断面形状を観測した場合は図６に示す結果が得られる。ここでは、位相変調周波数ｆ（＝ω／２π）は１０Ｈｚ、ＬＰＦのカットオフ周波数を１００Ｈｚ、ＡＤＣの変換周波数を２５０Ｈｚとして計測し、（式６）の周波数解析にあたってのフーリエ変換の積分時間を１ｓとした。 Here, in the configuration shown in this embodiment, when a cross-sectional shape immediately after waveguide processing of a silica-based optical waveguide is observed using a distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) having a wavelength of 1550 nm as a laser, it is shown in FIG. Results are obtained. Here, the phase modulation frequency f (= ω / 2π) is 10 Hz, the cutoff frequency of the LPF is 100 Hz, the conversion frequency of the ADC is 250 Hz, and the integration time of the Fourier transform in the frequency analysis of (Equation 6) is 1 s. It was.
図６（ａ）は、被観測物である石英系光導波路の走査電子顕微鏡による像であり、図６（ｂ）は矢符Ｌで示す方向に沿って表面形状を観測した結果である。図６（ｂ）に示されるように、導波路加工後のコアの構造を精度０．１μｍにて測定可能である。しかし、表面形状の測定精度は電気信号処理の精度に制限される。すなわち、ここでは位相変調周波数を１０Ｈｚと、低周波に設定したため、１／ｆノイズなどの系の機械的な振動や擾乱により測定精度が制限されている。したがって、以下に説明する第３の実施形態に示すように、導波路型の位相変調器を用いて変調周波数ｆをより高い周波数に設定し、ＬＰＦの積分時間を長く設定すれば、より高精度な３次元形状の測定が可能になる。 6A is an image obtained by scanning electron microscopy of a quartz optical waveguide that is an object to be observed, and FIG. 6B is a result of observing the surface shape along the direction indicated by an arrow L. FIG. As shown in FIG. 6B, the core structure after the waveguide processing can be measured with an accuracy of 0.1 μm. However, the accuracy of surface shape measurement is limited to the accuracy of electrical signal processing. That is, since the phase modulation frequency is set to a low frequency of 10 Hz here, the measurement accuracy is limited by mechanical vibrations and disturbances of the system such as 1 / f noise. Therefore, as shown in a third embodiment described below, if a waveguide-type phase modulator is used to set the modulation frequency f to a higher frequency and the integration time of the LPF is set to be longer, higher accuracy can be obtained. 3D shape can be measured.
また、以上説明した本実施形態では、測定対象物上でのビームを絞って、測定対象物を移動させることにより３次元形状を観測する方法を説明したが、以下に説明する第４の実施形態に示すように、測定対象物上にビームを広げて照射して、ラインセンサ、もしくは２次元のカメラを用いて、空間的に並列処理することで３次元形状を測定することも可能である。 Further, in the present embodiment described above, the method of observing the three-dimensional shape by moving the measurement object by narrowing the beam on the measurement object has been described. The fourth embodiment described below. As shown in FIG. 3, it is possible to measure a three-dimensional shape by spreading and irradiating a beam on a measurement object and spatially processing in parallel using a line sensor or a two-dimensional camera.
（第３の実施形態）
この実施形態では、圧電効果を用いたピエゾステージなどで機械的に位相変調を与える以上の実施形態の構成に代えて、導波路型の位相変調器を用いて電気的に位相変調を与える構成を採用している。
(Third embodiment)
In this embodiment, instead of the configuration of the above-described embodiment in which phase modulation is mechanically performed by a piezoelectric stage using a piezoelectric effect, a configuration in which phase modulation is electrically performed using a waveguide-type phase modulator. Adopted.
図７は本実施形態にかかる光位相測定装置の構成の一例を示している。位相シフト干渉法により透明な平行平板の光学長（屈折率と物体厚の積）の分布を計測する場合を例に挙げて本実施形態を説明する。なお、本実施形態では、マッハツェンダ干渉計の構成が採用されている。 FIG. 7 shows an example of the configuration of the optical phase measurement apparatus according to the present embodiment. This embodiment will be described by taking as an example the case of measuring the optical length (product of refractive index and object thickness) distribution of a transparent parallel plate by phase shift interferometry. In the present embodiment, the configuration of a Mach-Zehnder interferometer is adopted.
図７において、レーザ光源１０１からでた光波は、ニオブ酸リチウム（物体の３次元形状を計測する）導波路による位相変調素子１０２へと入力される。位相変調素子１０２に導入された光波は、位相変調素子１０２に内包された光分岐手段１０２ａにより２分岐される。 In FIG. 7, a light wave emitted from a laser light source 101 is input to a phase modulation element 102 using a lithium niobate (measuring the three-dimensional shape of an object) waveguide. The light wave introduced into the phase modulation element 102 is branched into two by an optical branching means 102 a included in the phase modulation element 102.
分岐された一方の光波である参照光は、同じく位相変調素子１０２に内包された光位相変調器１０２ｂにより、周波数ｆ、変調度ｍにて位相変調が与えられる。分岐された他方の光波である信号光は、位相変調素子１０２から光ファイバ１０４を経由して、コリメートレンズ１０５ａにより平行光１０５ｃに変換される。平行光１０５ｃは測定対象物１１２を透過して、再びコリメートレンズ１０５ｂにより集光ビームに変換された後、光ファイバ１０６へと入力され、光合波器１０８へと伝搬する。 The reference light, which is one of the branched light waves, is subjected to phase modulation at a frequency f and a modulation degree m by an optical phase modulator 102b that is also included in the phase modulation element 102. The signal light, which is the other branched light wave, is converted from the phase modulation element 102 via the optical fiber 104 to the collimated light 105c by the collimator lens 105a. The parallel light 105 c passes through the measurement object 112, is converted into a condensed beam again by the collimator lens 105 b, is input to the optical fiber 106, and propagates to the optical multiplexer 108.
位相変調器１０２ｂにより、位相変調を受けた参照光は光ファイバ１０３を経由して、光合波器１０８へと伝搬するので、信号光および参照光は光合波器１０８で合波し、受光器１０９ａにより電気信号へと変換される。 Since the reference light that has undergone phase modulation by the phase modulator 102b propagates to the optical multiplexer 108 via the optical fiber 103, the signal light and the reference light are combined by the optical multiplexer 108, and the light receiver 109a. Is converted into an electric signal.
受光器１０９ａから出力された光信号はスペクトルアナライザ（ＲＦ−ＳＡ）１０９により周波数解析され、その結果が第１の実施形態や第２の実施形態と同様にコンピュータＰＣにより解析される。ここで、位相変調器１０２ｂはＲＦ帯の信号発生器（ＲＦ−Ｇｅｎ．）１１１により正弦波にて、既知の周波数ｆにて駆動される。 The optical signal output from the light receiver 109a is frequency-analyzed by the spectrum analyzer (RF-SA) 109, and the result is analyzed by the computer PC in the same manner as in the first and second embodiments. Here, the phase modulator 102b is driven at a known frequency f by a sine wave by an RF band signal generator (RF-Gen.) 111.
ここで、本実施形態では、第１の実施形態および第２の実施形態と異なり、導波路型の位相変調器により参照光を位相変調するため、位相変調周波数をＲＦ領域の周波数に高く設定することができる。さらに、スペクトルアナライザの周波数分解能を粗く設定しても位相変調による高調波を十分識別することが可能になる。これは、第１の実施形態および第２の実施形態においてフーリエ変換の積分時間を短く設定することに相当する。したがって、高速に測定対象物による位相変化を読み出すことが可能になる。 Here, in this embodiment, unlike the first embodiment and the second embodiment, the phase modulation frequency is set to a high frequency in the RF region because the reference light is phase-modulated by the waveguide type phase modulator. be able to. Furthermore, even if the frequency resolution of the spectrum analyzer is set to be coarse, it is possible to sufficiently identify harmonics due to phase modulation. This corresponds to setting the integration time of the Fourier transform short in the first embodiment and the second embodiment. Therefore, it is possible to read out the phase change due to the measurement object at high speed.
一方で、この位相変調周波数を高く設定する場合においては、第２の実施形態に示したような測定系の１／ｆノイズや擾乱の影響を受けずに高精度な位相測定が可能になる。たとえば、位相変調周波数ｆを１ＧＨｚに設定する場合、ＲＦ−ＳＡの周波数分解能を１００ＭＨｚとして演算処理を行えば、第２の実施形態と同じ測定精度で１００万倍の測定速度を実現できる。これは、ＲＦ−ＳＡの周波数分解能を１００Ｈｚとすれば１０００倍の測定精度で、１００倍の測定速度を実現できることを意味する。ただし測定精度はスペクトルアナライザの周波数分解能の平方根に比例する。 On the other hand, when this phase modulation frequency is set high, high-accuracy phase measurement is possible without being affected by 1 / f noise and disturbance of the measurement system as shown in the second embodiment. For example, when the phase modulation frequency f is set to 1 GHz, a measurement speed of 1,000,000 times can be realized with the same measurement accuracy as in the second embodiment if the calculation process is performed with the frequency resolution of the RF-SA being 100 MHz. This means that if the frequency resolution of the RF-SA is 100 Hz, a measurement speed of 100 times can be realized with a measurement accuracy of 1000 times. However, the measurement accuracy is proportional to the square root of the frequency resolution of the spectrum analyzer.
本実施形態によれば、透明な平行平板の光学長（屈折率と物体厚の積）の分布を計測を、より高精度または高速にすることができる。 According to the present embodiment, the distribution of the optical length (product of refractive index and object thickness) of a transparent parallel plate can be measured with higher accuracy or higher speed.
以上説明した本実施形態では、導波路型の位相変調素子１０２としてニオブ酸リチウム（ＬＮ）によるものを例として挙げたが、ＫＴＮ、ＰＬＺＴ、石英系光導波路によるものなどを用いても同様の効果を得ることが可能である。 In the present embodiment described above, the waveguide type phase modulation element 102 made of lithium niobate (LN) is taken as an example, but the same effect can be obtained by using KTN, PLZT, a quartz optical waveguide, or the like. It is possible to obtain
（第４の実施形態）
この実施形態では、測定対象物上でのビームを絞って、測定対象物を移動させることにより３次元形状を観測する以上の実施形態の構成に代えて、測定対象物上にビームを広げて照射して、ラインセンサ、もしくは２次元のカメラを用いて、空間的に並列処理する構成を採用している。
(Fourth embodiment)
In this embodiment, instead of the configuration of the above-described embodiment in which the three-dimensional shape is observed by narrowing the beam on the measurement object and moving the measurement object, the beam is spread and irradiated on the measurement object. Thus, a configuration is employed in which parallel processing is performed spatially using a line sensor or a two-dimensional camera.
図８は本実施形態にかかる光位相測定装置の構成の一例を示している。位相シフト干渉法により透明な測定対象物の光学長（屈折率と物体厚の積）の分布を計測する場合を例に挙げて本実施形態を説明する。なお、本実施形態では、マッハツェンダ干渉計の構成が採用されている。 FIG. 8 shows an example of the configuration of the optical phase measurement apparatus according to the present embodiment. This embodiment will be described by taking as an example the case of measuring the distribution of the optical length (product of refractive index and object thickness) of a transparent measurement object by phase shift interferometry. In the present embodiment, the configuration of a Mach-Zehnder interferometer is adopted.
レーザ光源１２１より出力された光波は、コリメータレンズ１２２によりビーム径ｗの平行ビームに変換され、ハーフミラー１２３により参照光１２５および信号光１２４に分岐される。参照光１２５は方向１２７ｃに移動する異動ステージ１２７ｂ上に設置されたレトロリフレクタ１２７ａ、およびミラー１２６ｂを経由して、ハーフミラー１２８へと伝搬する。一方、信号光１２４はミラー１２６ａを経由して、測定対象物１３０を透過し、ハーフミラー１２８へと伝搬する。ハーフミラー１２８で合波された光波は、その有効領域幅がｗ以上のカメラ１２９により、強度が観測される。 The light wave output from the laser light source 121 is converted into a parallel beam having a beam diameter w by the collimator lens 122 and branched into the reference light 125 and the signal light 124 by the half mirror 123. The reference light 125 propagates to the half mirror 128 via the retro reflector 127a installed on the moving stage 127b moving in the direction 127c and the mirror 126b. On the other hand, the signal light 124 passes through the measurement object 130 via the mirror 126 a and propagates to the half mirror 128. The intensity of the light wave combined by the half mirror 128 is observed by the camera 129 having an effective area width of w or more.
本実施形態によれば、測定対象物にビームを広げて照射し、複数のピクセル構造を有するカメラにより空間的に並列処理して光信号を処理することにより、第１の実施形態および第２の実施形態に示したように測定対象物を移動して逐次測定する手間を省くことができ、測定の高速化が可能になる。 According to the present embodiment, the measurement object is spread and irradiated, and the optical signal is processed by spatially parallel processing by a camera having a plurality of pixel structures. As shown in the embodiment, it is possible to save the trouble of moving the measurement object and sequentially measuring it, and it is possible to speed up the measurement.
以上に説明した実施形態における測定対象物による位相シフトの算出の各手順をコンピュータに実行させるプログラムとして構成することもできる。 It can also be configured as a program for causing a computer to execute each procedure for calculating the phase shift by the measurement object in the embodiment described above.
１、８１、６１、１０１、１２１：レーザ光源
２、８２：ハーフミラー
９、８９、６３、１０３、１２５：参照光
１０、９０、６４、１０４、１２４：信号光
３ａ：可動ミラー
５、６：ビームエキスパンダ
７、９７：ハーフミラー
４、８４ａ：ミラー
１１、８５、６６、１１２、１３０：測定対象物
８：カメラ
８８：受光器
９３：低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
９４：アナログディジタル変換器
９５：中央演算処理装置（ＣＰＵ）
1, 81, 61, 101, 121: Laser light source 2, 82: Half mirror 9, 89, 63, 103, 125: Reference light 10, 90, 64, 104, 124: Signal light 3a: Movable mirror 5, 6: Beam expander 7, 97: Half mirror 4, 84a: Mirror 11, 85, 66, 112, 130: Measurement object 8: Camera 88: Light receiver 93: Low-pass filter (LPF)
94: Analog to digital converter 95: Central processing unit (CPU)
Claims (5)
前記干渉光の強度を一定の時間に亘って取得し、前記取得した時系列の強度信号をフーリエ変換して、前記位相変調の周波数ωｍの整数倍の周波数成分のうち少なくとも２つの成分の光強度を演算することにより、前記位相変調手段の変調指数ｍを同定して、該変調指数ｍに基づいて前記被測定対象物による前記信号光波の位相変化量φを算出する演算手段をさらに備え、
測定された前記干渉光の強度のスペクトル成分のうち、前記位相変調周波数ωｍ、２ωｍ、３ωｍの周波数成分の光強度をそれぞれI 1 、I 2 、I 3 、ｎ次の第一種ベッセル関数J n をとして
The intensity of the interference light is acquired over a certain period of time, the intensity signal of the acquired time series is Fourier transformed, and the light intensity of at least two components of frequency components that are integral multiples of the phase modulation frequency ωm Is further provided with a calculation means for identifying the modulation index m of the phase modulation means and calculating the phase change amount φ of the signal light wave by the object to be measured based on the modulation index m ,
Of the measured spectral components of the intensity of the interference light, the optical intensities of the frequency components of the phase modulation frequencies ωm, 2ωm, and 3ωm are respectively expressed as I 1 , I 2 , I 3 , and nth-order first-order Bessel functions J n. As
前記干渉光の強度を一定の時間に亘って取得するステップと、
前記取得した時系列の干渉光の強度をフーリエ変換して、前記位相変調の周波数ωｍの整数倍の周波数成分のうち少なくとも２つの成分の光強度を特定するステップと、
前記特定した少なくとも２つの成分の光強度に基づいて前記位相変調手段の変調指数ｍを同定するステップと、
前記変調指数ｍに基づいて前記被測定対象物による前記信号光波の位相変化量φを算出するステップとを含み、
前記特定した少なくとも２つの成分の光強度に基づいて前記位相変調手段の変調指数ｍを同定するステップは、光強度測定手段で測定された前記干渉光の強度のスペクトル成分のうち、前記位相変調周波数ωｍ、２ωｍ、３ωｍの周波数成分の光強度をそれぞれI 1 、I 2 、I 3 、ｎ次の第一種ベッセル関数J n をとして
前記変調指数ｍに基づいて前記被測定対象物による前記信号光波の位相変化量φを算出するステップは、前記変調指数ｍを下記式に代入して
Obtaining the intensity of the interference light over a period of time;
Fourier transforming the intensity of the acquired time-series interference light to specify the light intensity of at least two components of frequency components that are integer multiples of the phase modulation frequency ωm;
Identifying a modulation index m of the phase modulation means based on the light intensities of the specified at least two components;
Look including the step of calculating a phase variation amount φ of the signal light wave by the object to be measured on the basis of the modulation index m,
The step of identifying the modulation index m of the phase modulation means based on the light intensity of the specified at least two components includes the phase modulation frequency of the spectral component of the intensity of the interference light measured by the light intensity measurement means. ωm, 2ωm, as the light intensity, respectively I 1, I 2, I 3 , n following the first kind Bessel function J n of the frequency components of 3ωm
The step of calculating the phase change amount φ of the signal light wave by the object to be measured based on the modulation index m includes substituting the modulation index m into the following equation:
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