JP6666792B2 - Optical image measurement device, optical image measurement method - Google Patents

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本発明は、光の干渉を用いて測定対象を観察する光画像計測装置に関する。   The present invention relates to an optical image measurement device that observes a measurement target using light interference.

光コヒーレンストモグラフィー(OCT:Optical Coherence Tomography)は光の干渉を用いて測定対象の断層画像を取得する技術であり、眼底検査の分野で1996年より実用化されており、近年では心臓病学、歯科学、腫瘍学、食品産業や再生医療など様々な分野への適用が検討されている。   Optical coherence tomography (OCT: Optical Coherence Tomography) is a technique for acquiring a tomographic image of an object to be measured using light interference, and has been put into practical use in the field of fundus examination since 1996. Applications in various fields such as oncology, oncology, food industry and regenerative medicine are being studied.

下記特許文献1は、OCTに関する技術を記載している。同文献が記載しているようにOCTにおいては、光源からの光を、測定対象に照射する信号光と測定対象に照射せずに参照光ミラーで反射させる参照光とに2分岐し、測定対象から反射された信号光を参照光と合波させ干渉させることにより測定信号を得る。   Patent Document 1 listed below describes a technique relating to OCT. As described in the same document, in OCT, light from a light source is split into two parts, a signal light for irradiating a measurement target and a reference light reflected by a reference light mirror without irradiating the measurement target. A measurement signal is obtained by multiplexing and interfering the signal light reflected from the device with the reference light.

OCTは、測定位置の光軸方向への走査方法(以下、zスキャンと称する)により、大きくタイムドメインOCTとフーリエドメインOCTとに分けられる。タイムドメインOCTにおいては、光源として低コヒーレンス光源を使用し、測定時に参照光ミラーを走査することによりzスキャンを実施する。これにより信号光に含まれる参照光と光路長が一致する成分のみが干渉し、得られた干渉信号に対して包絡線検波を行うことにより、所望の信号が復調される。フーリエドメインOCTはさらに、波長走査型OCTとスペクトルドメインOCTとに分けられる。波長走査型OCTにおいては、出射光の波長を走査することが可能な波長掃引光源を使用し、測定時に波長を走査することによりzスキャンがなされ、検出された干渉光強度の波長依存性(干渉スペクトル)をフーリエ変換することにより所望の信号を得る。スペクトルドメインOCTにおいては、光源として広帯域光源を用い、生成された干渉光を分光器により分光し、波長成分ごとの干渉光強度(干渉スペクトル)を検出することがzスキャンに対応している。得られた干渉スペクトルをフーリエ変換することにより所望の信号を得る。   OCT is largely divided into a time domain OCT and a Fourier domain OCT by a scanning method of a measurement position in the optical axis direction (hereinafter, referred to as z-scan). In the time domain OCT, a z-scan is performed by using a low coherence light source as a light source and scanning a reference light mirror during measurement. As a result, only the component having the same optical path length as the reference light included in the signal light interferes, and the desired signal is demodulated by performing envelope detection on the obtained interference signal. Fourier domain OCT is further divided into wavelength scanning OCT and spectral domain OCT. In the wavelength scanning OCT, a wavelength sweep light source capable of scanning the wavelength of the emitted light is used, and the wavelength is scanned at the time of measurement to perform z-scanning. A desired signal is obtained by Fourier-transforming the spectrum. In the spectral domain OCT, using a broadband light source as a light source, dispersing generated interference light with a spectroscope, and detecting interference light intensity (interference spectrum) for each wavelength component corresponds to the z-scan. A desired signal is obtained by Fourier-transforming the obtained interference spectrum.

US2014/0204388US2014 / 0204388

上に述べた従来のOCT装置においては、深さ分解能が光の波長帯域幅あるいは波長掃引幅によって決まる。そのため、スーパールミネッセンスダイオード(SLD:Superluminescent diode)や波長掃引光源などの波長帯域の広い光源が用いられる。これらの光源は狭帯域光を発生する通常のレーザ光源と比べると高価である。また、使用する光の波長帯域が広いことに起因して、広帯域光に対応した光学素子が必要であり、波長分散補償も必須となる。これらのことから、従来のOCT装置は低価格化が困難であった。   In the conventional OCT apparatus described above, the depth resolution is determined by the wavelength bandwidth or the wavelength sweep width of light. For this reason, a light source having a wide wavelength band such as a super luminescence diode (SLD) or a wavelength sweep light source is used. These light sources are more expensive than ordinary laser light sources that generate narrow band light. In addition, since the wavelength band of light to be used is wide, an optical element corresponding to broadband light is required, and chromatic dispersion compensation is also essential. For these reasons, it has been difficult to reduce the cost of the conventional OCT apparatus.

そこで本発明者らは、特許文献1に記載の光計測装置を発明した。本光計測装置は、高NA(Numerical Aperture)の対物レンズを用いてレーザ光(信号光)を測定対象に集光して照射し、対物レンズを走査することにより集光位置を走査して測定対象の断層画像を取得する。本光計測装置においては、信号光に含まれる対物レンズの焦点以外からの反射光成分は参照光とは波面の曲率が一致しないため見かけ上干渉しなくなるという原理を用いて3次元計測を可能にしており、SLDもしくは波長掃引光源を用いる従来のOCT装置とは根本的に原理が異なる。本構成においては、高価な光源を必要としないため、安価な光画像計測装置を提供することができる。他方、集光位置の走査に時間を要するため測定時間が長い傾向がある。   Therefore, the present inventors have invented an optical measurement device described in Patent Document 1. This optical measurement device uses a high NA (Numerical Aperture) objective lens to converge and irradiate laser light (signal light) onto a measurement target and scans the objective lens to scan the condensing position and perform measurement. Obtain a target tomographic image. This optical measurement device enables three-dimensional measurement using the principle that reflected light components other than the focal point of the objective lens included in the signal light do not seem to interfere with the reference light because the wavefront curvature does not match. Therefore, the principle is fundamentally different from that of a conventional OCT apparatus using an SLD or a wavelength-swept light source. In this configuration, an expensive light source is not required, so that an inexpensive optical image measurement device can be provided. On the other hand, the measurement time tends to be long because it takes time to scan the light condensing position.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、広帯域光源を用いることなく、短い測定時間で複数の深さ位置における画像を取得することができる光画像計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an optical image measurement device that can acquire images at a plurality of depth positions in a short measurement time without using a broadband light source. I do.

本発明においては、信号光が測定対象を照射する位置が測定画像の1画素に対応する距離を移動する間に、参照光のデフォーカス量を複数段階に変化させる。これにより、一度の測定で複数の深さ位置の断層画像を取得することが可能となるため、断層画像1枚当たりの測定時間を短縮することができる。   In the present invention, the defocus amount of the reference light is changed in a plurality of stages while the position where the signal light irradiates the measurement target moves a distance corresponding to one pixel of the measurement image. This makes it possible to acquire tomographic images at a plurality of depth positions in a single measurement, so that the measurement time per tomographic image can be reduced.

1例として、取得画像の走査方向に対するピクセル数をNとするとき、参照光のデフォーカス量の変調周波数は信号光の集光位置の走査周波数のN倍以上とする。これにより、各測定深さ位置に対応するNピクセルの画像を生成するのに十分な信号を得ることが可能となる。   As an example, when the number of pixels in the scanning direction of the acquired image is N, the modulation frequency of the defocus amount of the reference light is set to be N times or more the scanning frequency of the condensing position of the signal light. This makes it possible to obtain a signal sufficient to generate an image of N pixels corresponding to each measurement depth position.

1例として、参照光のデフォーカス量を変調させる手段として、階段型ミラーの反射面と参照光の集光位置との間の相対位置を階段型ミラーの反射面と平行な方向に対して変位させる素子を用いる。これにより、対物レンズや階段型ミラーを光軸方向に高速駆動する素子を用いることなく、参照光のデフォーカス量を変調することができる。したがって、安価な構成で測定時間を短縮することができる。   As an example, as a means for modulating the defocus amount of the reference light, the relative position between the reflection surface of the stepped mirror and the condensing position of the reference light is displaced in a direction parallel to the reflection surface of the stepped mirror. Element to be used. This makes it possible to modulate the defocus amount of the reference light without using an element that drives the objective lens and the step-type mirror in the optical axis direction at high speed. Therefore, the measurement time can be reduced with an inexpensive configuration.

1例として、階段型ミラーの反射面と参照光の集光位置との間の相対位置を階段型ミラーの反射面と平行な方向に対して変位させる素子として、光偏向素子を用いることとした。この構成においては、対物レンズと階段型ミラーとの間の相対位置が固定されているので、外乱などによるデフォーカス量の意図せぬ変化に対するロバスト性が高く、高精度に参照光のデフォーカス量を変調することができる。   As an example, an optical deflecting element is used as an element for displacing the relative position between the reflection surface of the staircase mirror and the condensing position of the reference light in a direction parallel to the reflection surface of the staircase mirror. . In this configuration, since the relative position between the objective lens and the staircase-type mirror is fixed, robustness against unintended changes in the defocus amount due to disturbance or the like is high, and the defocus amount of the reference light is accurately determined. Can be modulated.

1例として、階段型ミラーの反射面と参照光の集光位置との間の相対位置を階段型ミラーの反射面と平行な方向に対して変位させる素子として、対物レンズの位置を変位させる駆動素子を用いることとした。これにより、参照光を対物レンズに対して常に垂直に入射することができるので、レンズに斜めに光が入射した際に発生するデフォーカス収差以外の収差の発生を抑制することができる。   As an example, as an element for displacing the relative position between the reflection surface of the stepped mirror and the condensing position of the reference light in a direction parallel to the reflection surface of the stepped mirror, driving for displacing the position of the objective lens An element was used. This allows the reference light to always enter the objective lens perpendicularly, so that it is possible to suppress the occurrence of aberrations other than the defocus aberration that occurs when light obliquely enters the lens.

1例として、階段型ミラーの反射面と参照光の集光位置との間の相対位置を階段型ミラーの反射面と平行な方向に対して変位させる素子として、階段型ミラーの位置を変位させる駆動素子を用いることとした。これにより、参照光を対物レンズに対して常に垂直に入射することができるので、レンズに斜めに光が入射した際に発生するデフォーカス収差以外の収差の発生を抑制することができる。さらに、参照光と対物レンズとの間の相対位置が固定されているので、対物レンズの開口を通過する参照光パワーの変動を抑制することができる。   As an example, the position of the step mirror is displaced as an element for displacing the relative position between the reflection surface of the step mirror and the condensing position of the reference light in a direction parallel to the reflection surface of the step mirror. A driving element was used. This allows the reference light to always enter the objective lens perpendicularly, so that it is possible to suppress the occurrence of aberrations other than the defocus aberration that occurs when light obliquely enters the lens. Further, since the relative position between the reference light and the objective lens is fixed, the fluctuation of the power of the reference light passing through the opening of the objective lens can be suppressed.

1例として、階段型ミラーの反射面の面積を、各反射面における参照光のスポット面積よりも大きくする。これにより、参照光パワーの大部分を反射させることができるので、信号のSN比を向上させることができる。   As an example, the area of the reflection surface of the staircase mirror is made larger than the spot area of the reference light on each reflection surface. Thereby, most of the reference light power can be reflected, so that the SN ratio of the signal can be improved.

1例として、画像の第1方向におけるピクセル数をN、階段型ミラーが有する単位構造の個数をM、走査器が前記第1方向において信号光の照射位置を走査する周波数をfsig、参照光集光位置変位器がデフォーカス量を開始段階から終了段階まで変化させる周波数をfrefとするとき、Mfref≧ Nfsigを満足することとした。これにより、参照光集光位置を変位させる手段として、駆動周波数の小さな素子を適用することができるので、安価な構成で測定時間を短縮することができる。 As an example, the number of pixels in the first direction of the image is N, the number of unit structures of the staircase mirror is M, the frequency at which the scanner scans the irradiation position of the signal light in the first direction is f sig , the reference light. When a frequency at which the focusing position displacer changes the defocus amount from the start stage to the end stage is f ref, it is determined that Mf ref ≧ Nf sig is satisfied. Accordingly, an element having a small driving frequency can be applied as a means for displacing the reference light condensing position, so that the measurement time can be reduced with an inexpensive configuration.

1例として、参照光のデフォーカス量を変調する手段として、ミラーの反射面と参照光の集光位置の相対位置を反射面に垂直な方向に変位させる素子を用いることとした。これにより、簡素で安価な構成で参照光のデフォーカス量を変調することができる。   As an example, as a means for modulating the defocus amount of the reference light, an element for displacing the relative position between the reflection surface of the mirror and the condensing position of the reference light in a direction perpendicular to the reflection surface is used. Thus, the defocus amount of the reference light can be modulated with a simple and inexpensive configuration.

1例として、デフォーカス量を検出する検出器を設けることとした。これにより、検出信号に対応する深さ測定位置を高精度に算出することができる。   As an example, a detector for detecting the defocus amount is provided. Thereby, the depth measurement position corresponding to the detection signal can be calculated with high accuracy.

本発明によれば、SLDや波長掃引光源などの広帯域光源を用いることなく、測定対象の断層画像を短時間で取得する光画像計測装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。   According to the present invention, it is possible to provide an optical image measurement device that acquires a tomographic image of a measurement target in a short time without using a broadband light source such as an SLD or a wavelength swept light source. Problems, configurations, and effects other than those described above will be apparent from the following description of the embodiments.

実施形態1に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of an optical image measurement device according to a first embodiment. 階段型ミラー112の構造を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the step type mirror 112. 実施形態1に係る光画像計測装置が測定対象を計測する手順を説明するフローチャートである。5 is a flowchart illustrating a procedure in which the optical image measurement device according to the first embodiment measures a measurement target. 参照光の状態とそれに対応する測定深さ位置を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the state of the reference light and the measurement depth position corresponding to it. 信号光の集光位置の時間変化と参照光のデフォーカス量の時間変化を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a temporal change of a condensing position of a signal light and a temporal change of a defocus amount of a reference light. 階段型ミラー112を作製する方法の1例である。This is an example of a method of manufacturing the step mirror 112. 反射膜603をスパッタリング法と蒸着法で形成した場合の模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram when a reflective film 603 is formed by a sputtering method and an evaporation method. エッチングの際のマスクとしてメタルマスクを組み合わせた例である。This is an example in which a metal mask is combined as a mask at the time of etching. あらかじめ形成した段差素子を母型として転写する方法の例である。This is an example of a method of transferring a step element formed in advance as a matrix. フィルムを用いた転写法の例である。It is an example of a transfer method using a film. 光造形法の例である。It is an example of stereolithography. 射出成型の例である。It is an example of injection molding. 実施形態2に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a configuration example of an optical image measurement device according to a second embodiment. 4分割フォトダイオード1305の構成例を示す。4 shows a configuration example of a four-division photodiode 1305. 実施形態3に係る光画像計測装置における、デフォーカス変調部113の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of a defocus modulation unit in an optical image measurement device according to a third embodiment. 実施形態4に係る光画像計測装置における、デフォーカス変調部113の構成例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of a defocus modulation unit in an optical image measurement device according to a fourth embodiment. 実施形態5に係る光画像計測装置における、デフォーカス変調部113の構成例を示す図である。FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a defocus modulation unit in an optical image measurement device according to a fifth embodiment. 実施形態6に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a configuration example of an optical image measurement device according to a sixth embodiment.

<実施の形態1:光学系の構成>
図1は、本発明の実施形態1に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。光源101から出射された1本のレーザ光はコリメートレンズ102によって平行光に変換され、光学軸方向を調整可能なλ/2板103によって偏光を回転させられた後、偏光ビームスプリッタ104からなる光分岐部によって信号光と参照光に2分岐される。信号光は光学軸方向が水平方向に対して約22.5度に設定されたλ/4板105を透過して偏光状態をs偏光から円偏光に変換された後、開口数がNAsigの対物レンズ106によってサンプル108に集光して照射される。対物レンズ106の位置は対物レンズアクチュエータ107によってx軸方向に例えば正弦波状に繰り返し駆動されつつ、y方向に線形に駆動され、これにより信号光の集光位置(測定位置)のxy平面上での2次元走査がなされる。サンプル108から反射又は散乱された信号光は対物レンズ106を再び通過し、λ/4板105によって偏光状態を円偏光からp偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ104へ入射する。サンプル108としては、光源101からの光をある程度透過する物質で構成されており、非侵襲的に内部構造の観察が望まれるものであればどのようなものでもよい。例としては、半導体の多層構造、食品、植物、培養細胞、ヒトの組織などが考えられる。
<First Embodiment: Configuration of Optical System>
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the optical image measurement device according to the first embodiment of the present invention. One laser beam emitted from the light source 101 is converted into a parallel beam by a collimating lens 102, the polarization is rotated by a λ / 2 plate 103 whose optical axis can be adjusted, and then a beam formed by a polarization beam splitter 104. The splitter splits the signal light and the reference light into two. The signal light passes through the λ / 4 plate 105 whose optical axis direction is set to about 22.5 degrees with respect to the horizontal direction, converts the polarization state from s-polarized light to circularly polarized light, and then has a numerical aperture of NA sig . The sample 108 is condensed and irradiated by the objective lens 106. The position of the objective lens 106 is linearly driven in the y-direction while being repeatedly driven in the x-axis direction, for example, in the form of a sine wave by the objective lens actuator 107, whereby the condensing position (measurement position) of the signal light is on the xy plane. Two-dimensional scanning is performed. The signal light reflected or scattered from the sample 108 passes through the objective lens 106 again, and the polarization state is changed from circularly polarized light to p-polarized light by the λ / 4 plate 105, and is incident on the polarization beam splitter 104. The sample 108 is made of a material that transmits light from the light source 101 to some extent, and may be any material that allows noninvasive observation of the internal structure. Examples include multilayer semiconductor structures, foods, plants, cultured cells, human tissues, and the like.

参照光はλ/4板109によって偏光状態をp偏光から円偏光に変換された後、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー110、開口数がNArefの対物レンズ111、階段型ミラー112から成るデフォーカス変調部113に入射する。デフォーカス変調部113へ入射した参照光は、MEMSミラー110によって反射され、対物レンズ111によって階段型ミラー112に集光して照射される。デフォーカス変調部113は、MEMSミラー110の傾きの変化によって階段型ミラー112に対する参照光の集光位置を階段型ミラー112の反射面の水平方向へ変位させる。これにより集光位置における反射面の高さが変化し、参照光のデフォーカス量が変調される。階段型ミラー112を反射した参照光は再び対物レンズ111を透過し、MEMSミラー110を反射した後、偏光状態を円偏光からs偏光へ変換されて偏光ビームスプリッタ104へ入射する。 The reference light is converted from p-polarized light to circularly polarized light by the λ / 4 plate 109, and then is composed of a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror 110, an objective lens 111 having a numerical aperture of NA ref , and a step mirror 112. The light enters the focus modulator 113. The reference light that has entered the defocus modulator 113 is reflected by the MEMS mirror 110, and is condensed and irradiated on the step mirror 112 by the objective lens 111. The defocus modulation unit 113 shifts the condensing position of the reference light on the step mirror 112 in the horizontal direction of the reflection surface of the step mirror 112 by changing the inclination of the MEMS mirror 110. Thereby, the height of the reflection surface at the light condensing position changes, and the defocus amount of the reference light is modulated. The reference light reflected by the step mirror 112 passes through the objective lens 111 again, and is reflected by the MEMS mirror 110. Then, the polarization state is changed from circularly polarized light to s-polarized light, and then enters the polarization beam splitter 104.

信号光と参照光は偏光ビームスプリッタ104によって合波され、合成光が生成される。合成光はハーフビームスプリッタ114、λ/2板115、λ/4板116、集光レンズ117と118、ウォラストンプリズム119と120から成る干渉光学系121へ導かれる。干渉光学系121へ入射した合成光は、ハーフビームスプリッタ114によって透過光と反射光に2分岐される。透過光は光学軸が水平方向に対して約22.5度に設定されたλ/2板115を透過した後、集光レンズ117によって集光され、ウォラストンプリズム119によって偏光分離されることにより互いに位相関係が180度異なる第1干渉光と第2干渉光が生成される。第1干渉光と第2干渉光は電流差動型の光検出器122によって検出され、それらの強度の差に比例した差動出力信号124が出力される。   The signal light and the reference light are multiplexed by the polarization beam splitter 104 to generate a combined light. The combined light is guided to an interference optical system 121 including a half beam splitter 114, a λ / 2 plate 115, a λ / 4 plate 116, condenser lenses 117 and 118, and Wollaston prisms 119 and 120. The combined light that has entered the interference optical system 121 is split into two by the half beam splitter 114 into transmitted light and reflected light. The transmitted light passes through a λ / 2 plate 115 whose optical axis is set to about 22.5 degrees with respect to the horizontal direction, is then condensed by a condenser lens 117, and is polarized and separated by a Wollaston prism 119. A first interference light and a second interference light having a phase relationship different from each other by 180 degrees are generated. The first interference light and the second interference light are detected by a current differential type photodetector 122, and a differential output signal 124 proportional to the difference between their intensities is output.

反射光は、光学軸が水平方向に対して約45度に設定されたλ/4板116を透過した後、集光レンズ118によって集光され、ウォラストンプリズム120によって偏光分離されることにより互いに位相関係が約180度異なる第3干渉光と第4干渉光が生成される。第3干渉光は第1干渉光に対して位相が約90度異なる。第3干渉光と第4干渉光は電流差動型の光検出器123によって検出され、それらの強度の差に比例した差動出力信号125が出力される。このようにして生成された差動出力信号124と125は画像生成部126に入力される。画像生成部126は、これらの信号に基づき画像を生成し、画像表示部127はこれを表示する。   The reflected light passes through a λ / 4 plate 116 whose optical axis is set to about 45 degrees with respect to the horizontal direction, is then collected by a condenser lens 118, and is polarized and separated by a Wollaston prism 120, so that the reflected lights are separated from each other. A third interference light and a fourth interference light having a phase relationship different by about 180 degrees are generated. The third interference light has a phase difference of about 90 degrees from the first interference light. The third interference light and the fourth interference light are detected by the current differential type photodetector 123, and a differential output signal 125 proportional to the difference between their intensities is output. The differential output signals 124 and 125 generated in this way are input to the image generation unit 126. The image generation unit 126 generates an image based on these signals, and the image display unit 127 displays this.

図2は、階段型ミラー112の構造を示す側面図である。階段型ミラー112は、単位構造を複数周期的に配置した構造を備える。単位構造は、階段状に並んだ高さが異なる複数の反射面を有する。図2に例示する単位構造は、高さがpずつ異なり幅がpの5つの反射面を有する。図2においては、Xrefの中に単位構造がM個並んでいる。 FIG. 2 is a side view showing the structure of the step mirror 112. The staircase mirror 112 has a structure in which a plurality of unit structures are periodically arranged. The unit structure has a plurality of reflection surfaces arranged in steps and having different heights. Unit structure illustrated in FIG. 2, the width different heights by p z has five reflecting surfaces of the p x. In Figure 2, the unit structure in the X ref is lined M pieces.

<実施の形態1:光学系の機能>
以下では本実施形態1の動作原理と効果について数式を用いて説明する。干渉光学系121に対して入射する時点における合成光のジョーンズベクトルを下記式1で表す。Esigは信号光の複素電場振幅を表し、Erefは参照光の複素電場振幅を表す。
<Embodiment 1: Function of optical system>
Hereinafter, the operation principle and effects of the first embodiment will be described using mathematical expressions. The Jones vector of the combined light at the time of entering the interference optical system 121 is represented by the following equation 1. E sig represents the complex electric field amplitude of the signal light, and E ref represents the complex electric field amplitude of the reference light.

Figure 0006666792
Figure 0006666792

光軸中心から距離rだけ離れた位置における信号光と参照光の複素電場振幅は、信号光が集光される光軸方向の位置をz、位置zから反射して参照光と合波される信号光成分の電場振幅と位相をそれぞれAsig(z)とθsig(z)とし、対物レンズ111による参照光のデフォーカス量(参照光のz方向の集光位置と階段型ミラー112の反射面のz位置の差)をΔzrefとし、対物レンズ106および対物レンズ111の有効径をaとすると、それぞれ下記式2と式3のように表すことができる。 The complex electric field amplitude of the signal light and the reference light at a position separated by a distance r from the center of the optical axis reflects the position in the optical axis direction where the signal light is condensed from z 0 and the position z and is combined with the reference light. The electric field amplitude and the phase of the signal light component are denoted by A sig (z) and θ sig (z), respectively, and the defocus amount of the reference light by the objective lens 111 (the condensing position of the reference light in the z direction and the staircase mirror 112 Assuming that the difference between the z positions of the reflecting surfaces) is Δz ref and the effective diameters of the objective lens 106 and the objective lens 111 are a, the following expressions 2 and 3 can be obtained.

Figure 0006666792
Figure 0006666792

Figure 0006666792
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sig(z−z)rとWrefΔzrefは、それぞれ位置zから反射した信号光と参照光が有するデフォーカス収差を表す。デフォーカス収差係数WsigとWrefはそれぞれ下記式4と式5のように表される。 W sig (z−z 0 ) r 2 and W ref Δz ref r 2 represent defocus aberrations of the signal light and the reference light reflected from the position z, respectively. The defocus aberration coefficients W sig and W ref are represented by the following equations 4 and 5, respectively.

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ハーフビームスプリッタ114を透過し、さらにλ/2板115を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは、下記式6で表される。   The Jones vector of the combined light transmitted through the half beam splitter 114 and further transmitted through the λ / 2 plate 115 is expressed by the following equation (6).

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式6で示される合成光は、ウォラストンプリズム119によってp偏光成分とs偏光成分に偏光分離された後、電流差動型の光検出器122によって差動検出される。光検出器122は、下記式7で表わされる差動出力信号124を生成する。rは光束断面の座標ベクトルを表す。Dは検出領域を表す。∫drは光束内全域における積分演算を意味する。簡単のため検出器の変換効率は1とした。 The combined light represented by Expression 6 is polarization-separated into a p-polarized component and an s-polarized component by the Wollaston prism 119, and then differentially detected by the current differential type photodetector 122. The photodetector 122 generates a differential output signal 124 represented by the following equation (7). r represents a coordinate vector of a light beam cross section. D represents a detection area. ∫ D dr means an integral operation in the entire area of the light flux. The conversion efficiency of the detector was set to 1 for simplicity.

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ハーフビームスプリッタ114で反射され、さらにλ/4板116を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは、下記式8のように表される。   The Jones vector of the combined light reflected by the half beam splitter 114 and further transmitted through the λ / 4 plate 116 is represented by the following Expression 8.

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式8で示される合成光は、ウォラストンプリズム120によってp偏光成分とs偏光成分に偏光分離された後、電流差動型の光検出器123によって差動検出される。光検出器123は、下記式9で表される差動出力信号125を生成する。   The combined light represented by Expression 8 is polarization-separated into a p-polarized component and an s-polarized component by the Wollaston prism 120, and then differentially detected by the current differential photodetector 123. The photodetector 123 generates a differential output signal 125 represented by the following equation (9).

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式7、式9に式2、式3を代入すると下記式10と式11が得られる。   By substituting Equations 2 and 3 into Equations 7 and 9, the following Equations 10 and 11 are obtained.

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F(z)とΔθ(z)は、それぞれ下記式12と式13で表される。   F (z) and Δθ (z) are expressed by the following equations 12 and 13, respectively.

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十分大きな定数kに対して成立する近似式14を用いると、式10と式11はそれぞれ下記式15と式16のように簡略化される。   Using approximation equation 14 that holds for a sufficiently large constant k, equations 10 and 11 are simplified to equations 15 and 16, respectively.

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画像生成部126は、信号Iと信号Qの二乗和を求めることにより、信号光の集光位置zと参照光のデフォーカス量Δzrefに対応する画像の輝度データS(z, Δzref)を生成する。 The image generation unit 126 obtains the sum of squares of the signal I and the signal Q, and thereby obtains luminance data S (z 0 , Δz ref) of the image corresponding to the condensing position z 0 of the signal light and the defocus amount Δz ref of the reference light. ).

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式2で表される信号光はあらゆる深さ(光軸方向)位置からの反射光成分を含んでいるが、信号光と参照光を干渉させることにより、式17で表されるように、特定の深さ位置からの反射光成分だけを選択的に検出することができる。さらに式17は、参照光の集光位置を光軸方向にΔzrefだけ変位させて参照光のデフォーカス量を変化させることにより、測定位置を信号光の集光位置zから(NAref/NAsigΔzrefだけシフトさせることができることを意味している。 Although the signal light represented by Expression 2 includes reflected light components from all depths (in the direction of the optical axis), the signal light and the reference light interfere with each other to specify Only the reflected light component from the depth position can be selectively detected. Further, the expression 17 changes the defocus amount of the reference light by displacing the focus position of the reference light by Δz ref in the optical axis direction, thereby changing the measurement position from the focus position z 0 of the signal light to (NA ref / NA sig ) 2 means that it can be shifted by Δz ref .

そこで本発明は、参照光のデフォーカス量を高速で変調して測定位置深さを高速に切り替えながら、信号光の集光位置を光軸に対して垂直な平面内(xy平面内)で走査することにより、xy平面上の信号光の集光位置を1画素分走査する間に、複数の深さ位置からの信号を同時に取得することとした。これにより、画像1枚あたりの測定時間を短縮することができる。また、本実施形態1における参照光のデフォーカス量変調方法においては、対物レンズ111と階段型ミラー112との間の相対位置が固定されているので、外乱などによるデフォーカス量の意図せぬ変化に対するロバスト性が高く、高精度に参照光のデフォーカス量を変調することができる。   Therefore, the present invention scans the condensing position of the signal light in a plane perpendicular to the optical axis (in the xy plane) while rapidly changing the measurement position depth by modulating the defocus amount of the reference light at high speed. By doing so, signals from a plurality of depth positions are simultaneously acquired while scanning the condensing position of the signal light on the xy plane by one pixel. Thereby, the measurement time per one image can be reduced. In the method for modulating the defocus amount of the reference light in the first embodiment, since the relative position between the objective lens 111 and the step mirror 112 is fixed, an unintended change in the defocus amount due to disturbance or the like. And the defocus amount of the reference light can be modulated with high accuracy.

<実施の形態1:測定手順>
図3は、本実施形態1に係る光画像計測装置が測定対象を計測する手順を説明するフローチャートである。以下図3の各ステップについて説明する。
<Embodiment 1: Measurement procedure>
FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure in which the optical image measurement device according to the first embodiment measures a measurement target. Hereinafter, each step of FIG. 3 will be described.

(図3:ステップS300)
ユーザが測定開始を選択すると、光画像計測装置は本フローチャートを開始する(S300)。光画像計測装置は、MEMSミラー110を駆動することにより、参照光のデフォーカス量を変調する(S301)。参照光のデフォーカス量を変調する具体的態様については図4で改めて説明する。
(FIG. 3: Step S300)
When the user selects the measurement start, the optical image measurement device starts the present flowchart (S300). The optical image measurement device modulates the defocus amount of the reference light by driving the MEMS mirror 110 (S301). A specific mode of modulating the defocus amount of the reference light will be described again with reference to FIG.

(図3:ステップS302〜S303)
光画像計測装置は、対物レンズアクチュエータ107を駆動することにより、信号光の集光位置の走査を開始する(S302)。画像生成部126は、信号光の集光位置が走査されている間、差動出力信号124と125をAD変換することにより計測データを取得する(S303)。
(FIG. 3: Steps S302 to S303)
The optical image measurement device starts scanning of the condensing position of the signal light by driving the objective lens actuator 107 (S302). The image generation unit 126 obtains measurement data by performing AD conversion on the differential output signals 124 and 125 while the light-converging position of the signal light is being scanned (S303).

(図3:ステップS304〜S307)
光画像計測装置は、測定対象領域全体にわたって信号光の集光位置を走査すると、信号光の走査を終了する(S304)。画像生成部126は、計測データを測定深さ位置ごとに仕分け(S305)、仕分けられた計測データに基づき測定深さ位置ごとに測定対象の画像を生成する(S306)。画像表示部127は、画像生成部126が生成した画像を表示する(S307)。後述するように、信号光の集光位置を1画素分走査する間に、参照光のデフォーカス量が多段的に変化するので、画素位置ごとに複数の深さ位置における画像を得ることができる。
(FIG. 3: Steps S304 to S307)
When the optical image measurement device scans the condensing position of the signal light over the entire measurement target area, the scanning of the signal light ends (S304). The image generation unit 126 sorts the measurement data for each measurement depth position (S305), and generates an image of a measurement target for each measurement depth position based on the sorted measurement data (S306). The image display unit 127 displays the image generated by the image generation unit 126 (S307). As will be described later, while scanning the condensing position of the signal light for one pixel, the defocus amount of the reference light changes in multiple steps, so that images at a plurality of depth positions can be obtained for each pixel position. .

<実施の形態1:制御方法について>
以下では、信号光の集光位置を走査する制御方法、および参照光デフォーカス量を変調する制御方法について説明する。ここでは例として、1度の測定で5枚のxy平面断層画像を取得する場合について述べる。
<Embodiment 1: Control method>
Hereinafter, a control method for scanning the condensing position of the signal light and a control method for modulating the defocus amount of the reference light will be described. Here, as an example, a case where five xy-plane tomographic images are acquired by one measurement will be described.

図4は、参照光の状態とそれに対応する測定深さ位置を説明する模式図である。図4(a)に示すように、MEMSミラー110の角度変化によって階段型ミラー112上における参照光の集光位置は1から5まで移動する。これにともなって、参照光に付与されるデフォーカス量は−2pから2pまで5段階に変化する。このときの測定深さ位置は、図4(b)に示すように、参照光のデフォーカス量に対応して(NAref/NAsig間隔で5段階に変化する。 FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the state of the reference light and the corresponding measurement depth position. As shown in FIG. 4A, the condensing position of the reference light on the step mirror 112 moves from 1 to 5 due to a change in the angle of the MEMS mirror 110. Accordingly, the defocus amount is applied to the reference light is changed in five stages from -2p z to 2p z. Measurement depth position at this time is, as shown in FIG. 4 (b), corresponding to the defocus amount of the reference light (NA ref / NA sig) changes in five stages in 2 p z interval.

図5は、信号光の集光位置の時間変化と参照光のデフォーカス量の時間変化を説明する図である。図5(a)に示すように、信号光の集光位置は、時間1/2fsigの間に取得するxy断層画像のNピクセルに相当する距離だけ移動する。したがって図5(b)に示すように、信号光の集光位置は平均的には時間1/2Nfsigの間に1ピクセルに相当する距離だけ移動する。図5(c)に示すように、参照光のデフォーカス量は、信号光の集光位置が1ピクセル相当分だけ移動する時間(1/2Nfsig)の間に、5段階に変調される。上記のプロセスが測定中にN回繰り返されることにより、信号光の集光位置の1度のxy平面走査で5枚のxy断層画像を取得することができる。 FIG. 5 is a diagram for explaining the time change of the condensing position of the signal light and the time change of the defocus amount of the reference light. As shown in FIG. 5 (a), the condensing position of the signal light is moved by a distance corresponding to N pixels in the xy tomographic image acquired during a time 1 / 2f sig. Therefore, as shown in FIG. 5B, the condensing position of the signal light moves on average by a distance corresponding to one pixel during a time 1/2 Nf sig . As shown in FIG. 5C, the defocus amount of the reference light is modulated in five stages during the time (1 / 2Nf sig ) during which the light condensing position of the signal light moves by one pixel. By the above process is repeated N 2 times during the measurement, it is possible to obtain the five xy tomographic image in the xy plane scanning of one degree of condensing position of the signal light.

以下では式を用いて制御方法の例を具体的に説明する。信号光の集光位置(x,y,z)は、対物レンズアクチュエータ107により以下記式19にしたがって走査される。XsigとYsigは、それぞれxy方向の測定領域幅である。fsigは、対物レンズアクチュエータ107の駆動周波数である。Nは、取得する断層画像のピクセル数(x方向とy方向のピクセル数は等しいとする)である。 Hereinafter, an example of the control method will be specifically described using expressions. The condensing position (x, y, z) of the signal light is scanned by the objective lens actuator 107 according to the following equation (19). X sig and Y sig are the measurement area widths in the xy directions, respectively. f sig is the drive frequency of the objective lens actuator 107. N is the number of pixels of the tomographic image to be obtained (assuming that the number of pixels in the x direction and the number of pixels in the y direction are equal).

Figure 0006666792
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式19にしたがう制御によって、信号光の集光位置は、時間(N/2fsig)の間にy方向にYsigだけ一定速度で移動しつつ、x方向に振幅XsigでN/2回だけ往復する。一方で、MEMSミラー110によって階段型ミラー112上における参照光の集光位置がx方向に繰り返し走査され、これにより参照光のデフォーカス量が変調される。参照光の集光位置のx座標xrefは、MEMSミラー110の角度の駆動周波数をfrefとすると下記式20で与えられる。 By the control according to Expression 19, the focus position of the signal light is moved at a constant speed of Y sig in the y direction during the time (N / 2f sig ), and only N / 2 times with the amplitude X sig in the x direction. Go back and forth. On the other hand, the condensing position of the reference light on the step mirror 112 is repeatedly scanned in the x direction by the MEMS mirror 110, thereby modulating the defocus amount of the reference light. The x coordinate x ref of the condensing position of the reference light is given by Expression 20 below, where the driving frequency of the angle of the MEMS mirror 110 is f ref .

Figure 0006666792
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対物レンズ111の焦点距離をFとし、MEMSミラー110の角度の駆動振幅範囲を±φrefとすると、Xrefは近似的に下記式21で表すことができる。 The focal length of the objective lens 111 and F, when the driving amplitude range of the angle of the MEMS mirror 110 and ± φ ref, X ref can be expressed approximately by the following equation 21.

Figure 0006666792
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図2に示したように、参照光の集光位置がx方向に変位すると、反射面の高さが変わるので参照光のデフォーカス量が変化する。対物レンズ111の焦点位置を、単位構造における5つの反射面のうち下から3段目の反射面に合わせることとすると、このときの参照光のデフォーカス量Δzrefは、参照光の集光位置に応じて下記式22に示す5つの値をとる。焦点が反射面よりも奥にずれる場合をΔzref<0とした。 As shown in FIG. 2, when the focus position of the reference light is displaced in the x direction, the height of the reflection surface changes, so that the defocus amount of the reference light changes. Assuming that the focal position of the objective lens 111 is set to the third reflecting surface from the bottom among the five reflecting surfaces in the unit structure, the defocus amount Δz ref of the reference light at this time is Takes the five values shown in Expression 22 below. Δz ref <0 when the focal point deviates deeper than the reflection surface.

Figure 0006666792
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MEMSミラー110が1往復スキャンする間に、参照光の集光位置は階段型ミラー112の単位構造を往復で2M個だけ通過することになる。そうすると、MEMSミラー110による参照光のデフォーカス変調周波数fdefocusは、下記式23となる。 While the MEMS mirror 110 performs one reciprocal scan, the condensing position of the reference light passes through the unit structure of the staircase-type mirror 112 by only 2M in a reciprocating manner. Then, the defocus modulation frequency f defocus of the reference light by the MEMS mirror 110 is expressed by the following equation (23).

Figure 0006666792
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N×Nピクセルの画像を取得するためには、信号光集光位置の1ライン分の走査の間(1/2fsig)に、参照光のデフォーカス状態は(−2pから2pまでの5段階の変化を1回として)N回以上変化する必要がある。すなわち、参照光のデフォーカス変調周波数fdefocusは、信号光の集光位置の走査周波数(往復で2ライン走査されるためこのときの信号光の集光位置の走査周波数は2fsigとなる)のN倍以上でなければならない。この条件を式で表すと、下記式24または式25となる。 To obtain an image of N × N pixels, between one line of scanning of the signal light converging position (1 / 2f sig), the defocus state of the reference light to 2p z from (-2p z It is necessary to change N times or more (assuming the change in five steps is one). That is, the defocus modulation frequency f defocus of the reference light (scanning frequency of the condensing position of the signal light at this time to be two lines scanned by reciprocating becomes 2f sig) scanning frequency of the condensing position of the signal light Must be N times or more. When this condition is expressed by an equation, the following equation 24 or 25 is obtained.

Figure 0006666792
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本実施形態1においては、対物レンズアクチュエータ107とMEMSミラー110の駆動周波数をそれぞれfsig=100Hz、fref=4000Hz、画像のピクセル数をN=400とすると、M≧10となる。 In the first embodiment, if the driving frequencies of the objective lens actuator 107 and the MEMS mirror 110 are f sig = 100 Hz, f ref = 4000 Hz, and the number of pixels of the image is N = 400, then M ≧ 10.

次に、階段型ミラー112の単位構造におけるx方向のピッチpとz方向のピッチpについて述べる。z方向のピッチpは、測定深さ間隔をΔzsigとすると下記式26となる。 Next, we describe the pitch p x and z direction of the pitch p z in the x direction in the unit structure of the stepped mirror 112. The pitch p z in the z direction is given by the following equation 26 when the measurement depth interval is Δz sig .

Figure 0006666792
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測定深さ間隔は目的に応じて任意に設定可能であるが、例えば光画像計測装置の深さ分解能程度とすることができる。測定深さ間隔を光画像計測装置の深さ分解能以下にセットしても、光画像計測装置がその測定深さ間隔を分解することができないからである。本発明に係る光画像計測装置の深さ分解能Δzは、対物レンズ106の開口数NAsigと光源101の波長λを用いて、下記式27により与えられる。αはsinc(α)=1/2を満たす定数であり、およそ1.39である。 The measurement depth interval can be set arbitrarily according to the purpose, but can be, for example, about the depth resolution of the optical image measurement device. This is because even if the measurement depth interval is set to be equal to or less than the depth resolution of the optical image measurement device, the optical image measurement device cannot resolve the measurement depth interval. The depth resolution Δz of the optical image measurement device according to the present invention is given by the following Expression 27 using the numerical aperture NA sig of the objective lens 106 and the wavelength λ of the light source 101. α is a constant satisfying sinc 2 (α) = 1 / and is approximately 1.39.

Figure 0006666792
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式27を用いると、測定深さ間隔が深さ分解能に等しいとする場合におけるz方向のピッチpは、下記式28により与えられる。本実施形態1においてλ=780nm、NAref=0.1を用いることとすると、p=69μmである。 Using equation 27, pitch p z in the z direction when the measured depth interval are equal to the depth resolution is given by the following equation 28. If λ = 780 nm and NA ref = 0.1 are used in the first embodiment, p z = 69 μm.

Figure 0006666792
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x方向のピッチpについては、参照光パワーの大部分が反射されるためには、参照光の最大デフォーカス時(Δzref=±2p)のスポット径よりも反射面の幅が大きくなければならない。したがって、下記式29を満たす必要がある。 Regarding the pitch p x in the x direction, in order for most of the reference light power to be reflected, the width of the reflection surface must be larger than the spot diameter at the time of maximum defocusing of the reference light (Δz ref = ± 2p z ). Must. Therefore, it is necessary to satisfy the following Expression 29.

Figure 0006666792
Figure 0006666792

ωref(z)は、参照光がzだけデフォーカスした際のスポット半径である。ここでは、簡単のため参照光は集光位置近傍でガウシアンビームとして振る舞うとし、ωref(z)として近似的に下記式30を用いることとする。 ω ref (z) is a spot radius when the reference light is defocused by z. Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the reference light behaves as a Gaussian beam in the vicinity of the condensing position, and the following expression 30 is approximately used as ω ref (z).

Figure 0006666792
Figure 0006666792

式28と式30を式29に代入すると、下記式31が得られる。   By substituting Equations 28 and 30 into Equation 29, the following Equation 31 is obtained.

Figure 0006666792
Figure 0006666792

幅Xrefの中にM個の単位構造があり、それぞれの単位構造は5つの反射面を有するので、x方向のピッチpは下記式32で与えられる。 There are M unit structure in the width X ref, since each unit structure has five reflecting surfaces, the pitch p x in the x-direction is given by the following equation 32.

Figure 0006666792
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本実施形態1においてはM=10、F=20mm,φref=12度を用いることとすると、p≒84μmとなり、これは式30の条件を満たす。ここで説明した階段型ミラーの構造はあくまでも1例であり、参照光のデフォーカス量を変調可能であればどのような構造を用いてもよいし、その他にもあらゆる構造・寸法のものが考えられる。 In the first embodiment, if M = 10, F = 20 mm, and φ ref = 12 degrees are used, p x ≒ 84 μm, which satisfies the condition of Expression 30. The structure of the step-type mirror described here is merely an example, and any structure may be used as long as the defocus amount of the reference light can be modulated, and other structures and dimensions may be considered. Can be

<実施の形態1:多重度の理論的な限界値>
ここまでは例として1回の測定で5枚のxy平面断層画像を取得する場合(参照光の多重度が5の場合)について述べたが、さらに多重度を大きくすることも可能である。以下では多重度の理論的な上限値を求めておく。多重度は奇数であるとし、任意の自然数mを用いて2m+1と表すこととすると、x方向のピッチpは下記式33で表すことができる。
<First Embodiment: Theoretical Limit of Multiplicity>
Up to this point, the case where five xy plane tomographic images are acquired by one measurement (the multiplicity of the reference light is 5) has been described as an example, but the multiplicity can be further increased. In the following, the theoretical upper limit of the multiplicity is determined. If multiplicity is set to an odd number, and be expressed as 2m + 1 with any natural number m, the pitch p x in the x direction can be expressed by the following equation 33.

Figure 0006666792
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式33をMについて解いて式25へ代入すると、下記式34が得られる。   By solving Equation 33 for M and substituting it into Equation 25, the following Equation 34 is obtained.

Figure 0006666792
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多重度が2m+1のときの式29に相当する条件は、下記式35である。   The condition corresponding to Expression 29 when the multiplicity is 2m + 1 is Expression 35 below.

Figure 0006666792
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式35と式34の条件から、多重度についての条件式として下記式36が得られる。   From the conditions of Expressions 35 and 34, the following Expression 36 is obtained as a conditional expression for the multiplicity.

Figure 0006666792
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式36を満たす最大のmをmとしたとき、2m+1が多重度の理論的な上限値である。多重度に対するより明示的な条件を得るため、式30を式36に代入して整理すると、下記式37が得られる。 When the maximum m satisfying Equation 36 was m 0, 2m 0 +1 is the theoretical upper limit value of the multiplicity. In order to obtain a more explicit condition for the multiplicity, the following equation 37 is obtained by substituting equation 30 into equation 36 and rearranging the equation.

Figure 0006666792
Figure 0006666792

式37から分かるように、取得画像のピクセル数N、信号光の集光位置の駆動周波数fsig、参照光の集光位置の駆動周波数frefと駆動振幅Xref、対物レンズ111のNAref、および波長λが決まると、多重度の理論的な上限値が決まる。多重度を大きくするためには、参照光のデフォーカス変調手段としてXref×fref×NArefが大きなものを選ぶべきである。一般的には、共振型の走査素子(共振型のガルバノミラーやMEMSミラー)を利用するとXref×frefを大きくすることができる。対物レンズ111としては、多重度の観点では単純にNArefが大きければ大きいほど望ましいが、本実施形態1のようにレンズに対して斜めに光を入射する場合には、NArefが大きいほど斜め入射により生じる収差が生じやすくなるので、NArefを大きくし過ぎると信号劣化を招く要因となる。 As can be seen from Expression 37, the number N of pixels of the acquired image, the driving frequency f sig of the condensing position of the signal light, the driving frequency f ref and the driving amplitude X ref of the condensing position of the reference light, the NA ref of the objective lens 111, And the wavelength λ, the theoretical upper limit of the multiplicity is determined. In order to increase the degree of multiplicity, it is necessary to select a defocus modulation means for the reference light having a large X ref × f ref × NA ref . Generally, when a resonance-type scanning element (resonance-type galvanometer mirror or MEMS mirror) is used, X ref × f ref can be increased. It is preferable that the NA ref is simply larger as the objective lens 111 from the viewpoint of the multiplicity. However, when light is obliquely incident on the lens as in the first embodiment, the larger the NA ref , the more the obliqueness. Since the aberration caused by the incident light is apt to occur, if the NA ref is too large, it causes the signal deterioration.

本実施形態1における上記パラメータの値(N=400, fsig=100Hz, fref=4000Hz, Xref=4189μm, NAref=0.1, λ=0.78μm)を式37に代入すると、式37を満たす最大のmはm=4となる。すなわち、本実施形態1における最大の多重度2m+1は9である。 Substituting the values of the above parameters (N = 400, f sig = 100 Hz, f ref = 4000 Hz, X ref = 4189 μm, NA ref = 0.1, λ = 0.78 μm) in the first embodiment into equation 37, The maximum m that satisfies 37 is m 0 = 4. That is, the maximum multiplicity 2m 0 +1 in the first embodiment is 9.

上述の内容を踏まえると、階段型ミラー112は、例えば以下の様な手順で設計することができる。ただしこの手順はあくまでも設計手順の1例であり、他にも様々な手順が考えうる。   Based on the above description, the staircase mirror 112 can be designed, for example, by the following procedure. However, this procedure is merely an example of the design procedure, and various other procedures can be considered.

(手順1)収差などの信号劣化要因を考慮しつつ、Xref×fref×NArefが大きくなるように参照光のデフォーカス量を変調させる手段を決定する。
(手順2)式36(あるいは式37)を満たす範囲内で、多重度を決定する(mを決定する)。
(手順3)式25を満たすように、単位構造数Mを決定する。
(手順4)式28と式33によりz方向のピッチpとx方向のピッチpを決定する。
(Procedure 1) A means for modulating the defocus amount of the reference light is determined so that X ref × f ref × NA ref is increased while considering signal degradation factors such as aberration.
(Procedure 2) The multiplicity is determined (m is determined) within a range satisfying Expression 36 (or Expression 37).
(Procedure 3) The number M of unit structures is determined so as to satisfy Equation 25.
The (Step 4) 28 and Equation 33 to determine the pitch p z and x direction of the pitch p x in the z direction.

<実施の形態1:階段型ミラー112の作製方法>
図6は、階段型ミラー112を作製する方法の1例である。ここでは例として3つの段差を形成した。
<Embodiment 1: Manufacturing method of step-type mirror 112>
FIG. 6 shows an example of a method of manufacturing the step mirror 112. Here, three steps are formed as an example.

石英基板601上にレジストマスク602を形成する(図6(a))。その後、マスク以外の領域をエッチングすることにより第1段差を形成する(図6(b))。マスク用レジストとしてはネガレジストであるZEON製ZPN1150を使用し、現像液としては東京応化製NMD−3を用いた。レジストに対する露光についてはマスクアライナー(キャノン製PLA−501F)を使用した。石英基板601をエッチングについてはHF水溶液を用い、エッチング後にアセトン溶液中で超音波洗浄することによりレジストを除去した(図6(c))。   A resist mask 602 is formed on a quartz substrate 601 (FIG. 6A). Thereafter, a first step is formed by etching a region other than the mask (FIG. 6B). As a mask resist, a negative resist, ZPN1150 manufactured by ZEON was used, and as a developer, NMD-3 manufactured by Tokyo Ohka was used. For exposure to the resist, a mask aligner (PLA-501F manufactured by Canon) was used. The quartz substrate 601 was etched using an HF aqueous solution, and after the etching, the resist was removed by ultrasonic cleaning in an acetone solution (FIG. 6C).

レジストは密着露光時のレチクルデザインと組み合わせることによりポジ型を用いてもよいし、直接露光するレーザ描画や電子線による描画でも構わない。エッチングはウエットエッチングのほかにRIE(Reactive Ion Etching)によるドライエッチングでもよい。   As the resist, a positive type may be used in combination with the reticle design at the time of contact exposure, or laser exposure for direct exposure or electron beam exposure may be used. The etching may be dry etching by RIE (Reactive Ion Etching) other than wet etching.

第1段差を作成した石英基板601上に位置を合わせて、第1段差を含む第2マスクを形成する(図6(d))。その後同様にしてマスク以外の領域をエッチングし第2段差を形成する(図6(e))。第1段差と第2段差に合わせて、第1段差と第2段差を含むマスクを形成する(図6(f))。その後同様にしてマスク以外の領域をエッチングし第3段差を形成する(図6(g))。所望の段差を形成した後に、反射膜603としてスパッタリングでAl膜150nmを成膜する(図6(h))。   A second mask including the first step is formed by aligning the position on the quartz substrate 601 where the first step has been formed (FIG. 6D). Thereafter, regions other than the mask are similarly etched to form a second step (FIG. 6E). A mask including the first step and the second step is formed in accordance with the first step and the second step (FIG. 6F). Thereafter, regions other than the mask are similarly etched to form third steps (FIG. 6G). After forming a desired step, an Al film having a thickness of 150 nm is formed as a reflective film 603 by sputtering (FIG. 6H).

反射膜603としては、AlのほかにAg、Co、Ti、Ni、W、Pt、Auもしくはこれらを含む合金を用いてもよい。使用する波長において充分な反射光のある材料を用いればよい。成膜方法としては、スパッタリングのほかに蒸着法、CVD法などを用いてもよい。必要な反射率となるよう膜表面が滑らかであることが望ましい。   The reflective film 603 may be made of Ag, Co, Ti, Ni, W, Pt, Au, or an alloy containing these, in addition to Al. A material having sufficient reflected light at the wavelength to be used may be used. As a film formation method, an evaporation method, a CVD method, or the like may be used in addition to the sputtering. It is desirable that the film surface be smooth so that the required reflectance is obtained.

図7は、反射膜603をスパッタリング法と蒸着法で形成した場合の模式図である。図7(a)はスパッタリング法により形成した例、図7(b)は蒸着法により形成した例である。一般的に量産向きとされるスパッタリング法においては、様々な方向からターゲット材が付着するので、段差境界にも一様に製膜される。蒸着法においては、指向性が高いので平面には製膜されるが段差境界には製膜されにくい特徴をもつ。段差境界面からの不要な反射光を少なくするには、蒸着法が適しているといえる。基板としては、石英基板のほかにSi基板など不透明な基材でも構わない。加工した後に反射膜603を形成するので、反射率は基板の影響を受けないからである。エッチング加工ができる基材であればよい。   FIG. 7 is a schematic diagram when the reflective film 603 is formed by a sputtering method and an evaporation method. FIG. 7A shows an example formed by a sputtering method, and FIG. 7B shows an example formed by a vapor deposition method. In a sputtering method generally suitable for mass production, a target material adheres from various directions, so that a film is formed evenly on a step boundary. In the vapor deposition method, the film is formed on a flat surface because of its high directivity, but is hardly formed on a step boundary. In order to reduce unnecessary reflected light from the step boundary surface, it can be said that the vapor deposition method is suitable. The substrate may be an opaque substrate such as a Si substrate in addition to a quartz substrate. This is because the reflection film 603 is formed after the processing, so that the reflectance is not affected by the substrate. Any substrate can be used as long as it can be etched.

図8は、エッチングの際のマスクとしてメタルマスクを組み合わせた例である。第1段差はメタルマスク804とレジストマスク802により形成する。最初に形成する第1段差を形成する際のマスクは最も狭い。本例においては、ウエットエッチングの際に生じやすいレジスト崩れによる加工不良を防ぐためにメタルマスク804を配した。この結果、レジスト幅が狭い場合でも所望の加工を実現できた。第2段差以降はマスク幅が広くなるので、メタルマスク804がなくても安定したエッチング加工ができた。メタルマスク804の材料としてはAlを用い、加工については水酸化ナトリウム水溶液で処理したが、他にWやCrでも問題はない。Wの場合はアンモニア+過酸化水素水の混合液、Crの場合にはDNPファインケミカル製MPM−E350を用いて処理することができる。メタルマスク804の材料は、エッチング液との組み合わせで選択すればよい。   FIG. 8 shows an example in which a metal mask is combined as a mask at the time of etching. The first step is formed using the metal mask 804 and the resist mask 802. The mask for forming the first step formed first is the narrowest. In this example, a metal mask 804 is provided in order to prevent processing defects due to resist collapse easily occurring during wet etching. As a result, desired processing could be realized even when the resist width was narrow. Since the mask width becomes wider after the second step, stable etching can be performed without the metal mask 804. Al was used as the material of the metal mask 804, and processing was performed with an aqueous sodium hydroxide solution. However, W and Cr did not pose any problem. In the case of W, treatment can be performed using a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide water, and in the case of Cr, treatment can be performed using MPM-E350 manufactured by DNP Fine Chemicals. The material of the metal mask 804 may be selected in combination with an etching solution.

別例として、基板上に反射材料を厚く形成し、前述と同様にマスクを用いて反射材料を直接加工してもよい。   As another example, a thick reflective material may be formed on a substrate, and the reflective material may be directly processed using a mask as described above.

図9は、あらかじめ形成した段差素子を母型として転写する方法の例である。透明基板901と、前述のように形成した段差素子902との間に、光硬化性樹脂(日本化薬製DVD003N)903を挟み、均一になるよう加圧する。その後、紫外線を透明基板901側から照射して樹脂を硬化させる。その後、段差素子902を剥離して反射膜を形成する。透明でない基板を用いる場合は、熱硬化型の樹脂を用いればよい。このように転写方法は、母型を1つ作製すれば複数個の素子が簡便な方法で作製できるので、生産性に優れているといえる。本方法においては、透明基板901側からレーザ光を入射させているので、基板と樹脂の屈折率差を設計すれば段差を大きくすることができる。したがって、加工マージンを広くする効果が得られる。   FIG. 9 shows an example of a method of transferring a step element formed in advance as a matrix. A photocurable resin (DVD003N manufactured by Nippon Kayaku) 903 is sandwiched between the transparent substrate 901 and the step element 902 formed as described above, and pressure is applied so as to be uniform. Thereafter, the resin is cured by irradiating ultraviolet rays from the transparent substrate 901 side. After that, the step element 902 is peeled off to form a reflection film. When a non-transparent substrate is used, a thermosetting resin may be used. Thus, the transfer method can be said to be excellent in productivity because a plurality of elements can be manufactured by a simple method by manufacturing one matrix. In this method, since the laser beam is incident from the transparent substrate 901 side, the step can be increased by designing the refractive index difference between the substrate and the resin. Therefore, the effect of increasing the processing margin can be obtained.

図10は、フィルムを用いた転写法の例である。基板1001と母型1002との間にフィルム1003を挟み、加圧ローラー1004によって密着させた後、フィルム1003を硬化させて母型1002を剥離する。これにより、転写された段差素子が完成する。母型1002を平面上に複数並べて配置すれば、一度に複数個の段差素子を作ることも可能である。その後は反射膜を形成して型を除去する。フィルム1003は、光硬化性、熱硬化性どちらでもよく、必要な硬化機構を設置すればよい。   FIG. 10 shows an example of a transfer method using a film. After sandwiching the film 1003 between the substrate 1001 and the matrix 1002 and bringing the film 1003 into close contact with a pressure roller 1004, the film 1003 is cured and the matrix 1002 is peeled off. Thus, the transferred step element is completed. If a plurality of matrixes 1002 are arranged side by side on a plane, a plurality of step elements can be produced at one time. Thereafter, a reflective film is formed and the mold is removed. The film 1003 may be either photo-curable or thermo-curable, and may be provided with a necessary curing mechanism.

図11は、光造形法の例である。光硬化性樹脂1101に対してレーザ光1102を照射して硬化させながら、造形ステージ1103上に所望の形状を形成する。光硬化性樹脂1101は、レーザ集光部の光強度が高い部分で硬化する。レーザ光1102をXY方向にスキャンし、造形ステージ1103はZ方向に移動する。まず第1段差1104を形成し、その後Z軸を移動して第2段差1105、ついで第3段差1106を形成する。集光スポットの大きさおよびXY方向・Z方向のピッチに応じて、段差精度やミラー面の平坦性が決まる。そこで、段差条件に応じて1つの段差形成のピッチを細かくし、複数回に分けて処理するとさらに性能がよくなる。取り出した際に周りに付着している未硬化の樹脂はアルコールで洗浄する。この後、反射膜を形成して樹脂材料一体型の段差ミラー素子を作製する。   FIG. 11 shows an example of the optical shaping method. A desired shape is formed on the molding stage 1103 while irradiating the photocurable resin 1101 with the laser beam 1102 to cure the resin. The photo-curable resin 1101 is cured at a portion where the light intensity of the laser focusing portion is high. The laser beam 1102 is scanned in the X and Y directions, and the modeling stage 1103 moves in the Z direction. First, a first step 1104 is formed, and then the Z-axis is moved to form a second step 1105 and then a third step 1106. The step accuracy and the flatness of the mirror surface are determined according to the size of the condensed spot and the pitch in the XY and Z directions. Therefore, if the pitch for forming one step is made finer according to the step condition and the processing is performed in a plurality of times, the performance is further improved. Uncured resin adhering to the surroundings when taken out is washed with alcohol. Thereafter, a reflective film is formed to produce a step mirror element integrated with a resin material.

図12は、射出成型の例である。熱で溶かした樹脂1201を金型1202に流しこみ、圧力をかけて硬化させる。金型1202を形成するには精度とコストはかかるが、金型1202を1枚作製すれば大量に複製を作ることができるので、量産に適した方法である。この後、反射膜を形成して樹脂材料一体型の段差ミラー素子を作製する。   FIG. 12 shows an example of injection molding. The resin 1201 melted by heat is poured into the mold 1202, and cured by applying pressure. Although precision and cost are required to form the mold 1202, a large number of copies can be made by manufacturing one mold 1202, which is a method suitable for mass production. Thereafter, a reflective film is formed to produce a step mirror element integrated with a resin material.

<実施の形態2>
図13は、本発明の実施形態2に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。図1に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態2は、デフォーカス変調部113の構成が実施形態1と異なるとともに、デフォーカス量検出部1306をさらに備える点が実施形態1と異なる。その他構成・動作・機能は実施形態1と同様であるので、ここでは説明を省略する。
<Embodiment 2>
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the optical image measurement device according to the second embodiment of the present invention. The same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The second embodiment is different from the first embodiment in that the configuration of the defocus modulation unit 113 is different from that of the first embodiment, and that a defocus amount detection unit 1306 is further provided. Other configurations, operations, and functions are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will not be repeated.

デフォーカス変調部113は、対物レンズアクチュエータ1301、対物レンズ111、階段型ミラー112によって構成される。本実施形態2においては、対物レンズアクチュエータ1301によって対物レンズ111を光軸に垂直な方向に駆動することにより、階段型ミラー112に対する参照光の集光位置を変位させ、参照光のデフォーカス量を変調する。実施形態1とは異なり、参照光を対物レンズ111に対して常に垂直に入射することができるので、レンズに斜めに光が入射した際に発生するデフォーカス収差以外の収差の発生を抑制することができる。これにより、画質劣化を伴うことなく、画像1枚あたりの測定時間を短縮することができる。   The defocus modulator 113 includes an objective lens actuator 1301, an objective lens 111, and a step mirror 112. In Embodiment 2, the objective lens 111 is driven by the objective lens actuator 1301 in a direction perpendicular to the optical axis, thereby displacing the focusing position of the reference light on the staircase mirror 112 and reducing the defocus amount of the reference light. Modulate. Unlike the first embodiment, since the reference light can always be perpendicularly incident on the objective lens 111, it is possible to suppress the occurrence of aberrations other than the defocus aberration that occurs when light is obliquely incident on the lens. Can be. As a result, the measurement time per image can be reduced without deteriorating the image quality.

デフォーカス量検出部1306は、ビームスプリッタ1302、集光レンズ1303、シリンドリカルレンズ1304、4分割フォトダイオード1305によって構成される。階段型ミラー112から反射した参照光の一部は、ビームスプリッタ1302によって反射された後、集光レンズ1303およびシリンドリカルレンズ1304によって集光されて、4分割フォトダイオード1305によって検出される。   The defocus amount detection unit 1306 includes a beam splitter 1302, a condenser lens 1303, a cylindrical lens 1304, and a four-division photodiode 1305. A part of the reference light reflected from the step mirror 112 is reflected by the beam splitter 1302, then collected by the condenser lens 1303 and the cylindrical lens 1304, and detected by the four-division photodiode 1305.

図14は、4分割フォトダイオード1305の構成例を示す。図14(a)は、4分割フォトダイオード1305の受光部の構造例と受光部における参照光のスポット形状の例を示す。シリンドリカルレンズ1304が生じさせる非点収差の影響により、受光部におけるスポット形状は、デフォーカス変調部113が参照光に対して付与するデフォーカス収差の大きさ・符号に依存して、図示するように異なる。そこで本実施形態2においては4つの受光部A,B,C,Dからの出力をそれぞれI,I,I,Iとして、フォーカスエラー信号FEを下記式38により定義することとした。 FIG. 14 shows a configuration example of a four-division photodiode 1305. FIG. 14A shows an example of the structure of the light receiving unit of the four-division photodiode 1305 and an example of the spot shape of the reference light in the light receiving unit. Due to the effect of astigmatism caused by the cylindrical lens 1304, the spot shape in the light receiving section depends on the magnitude and sign of the defocus aberration given to the reference light by the defocus modulation section 113 as shown in the figure. different. So the four light receiving portions A in the present embodiment 2, B, C, respectively output from D I A, I B, I C, as I D, was that the focus error signal FE is defined by formula 38 .

Figure 0006666792
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図14(b)は、デフォーカス変調部113が参照光に対して付与するデフォーカス収差Δzrefとフォーカスエラー信号FEの関係を示す。一定のデフォーカス量Δzrefの範囲内においてはΔzrefとFEの値は一対一の対応関係にあるので、FEの値からデフォーカス量Δzrefを算出することができる。これにより、任意の時刻に検出した信号I,Qに対応する深さ測定位置を高精度に算出することができる。 FIG. 14B shows the relationship between the defocus aberration Δz ref given to the reference light by the defocus modulator 113 and the focus error signal FE. Since the value of Δz ref and the value of FE have a one-to-one correspondence within the range of the fixed defocus amount Δz ref, the defocus amount Δz ref can be calculated from the value of FE. Thereby, the depth measurement position corresponding to the signals I and Q detected at any time can be calculated with high accuracy.

<実施の形態3>
図15は、本発明の実施形態3に係る光画像計測装置における、デフォーカス変調部113の構成例を示す図である。デフォーカス変調部113以外の構成は実施形態1〜2と同様であるので、その説明を省略する。図15(a)に示すように、本実施形態3におけるデフォーカス変調部113は、対物レンズ111、円盤状の階段型ミラー1501、モーター1502から構成される。
<Embodiment 3>
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of the defocus modulation unit 113 in the optical image measurement device according to the third embodiment of the present invention. The configuration other than the defocus modulation unit 113 is the same as in the first and second embodiments, and a description thereof will be omitted. As shown in FIG. 15A, the defocus modulator 113 according to the third embodiment includes an objective lens 111, a disc-shaped step-shaped mirror 1501, and a motor 1502.

図15(b)は、円盤状の階段型ミラー1501の構造例を示す模式図である。円盤状の階段型ミラー1501は、高さが異なる複数種類の反射面(1〜5の5種類)が円周上に周期的に並んだ構造を有している。本実施形態3においては、対物レンズ111で参照光を円盤状の階段型ミラー1501に集光して照射し、円盤状の階段型ミラー1501をモーター1502によって回転させることにより、参照光のデフォーカス収差を変調することとした。本構成においては、参照光と対物レンズ111との間の相対位置が固定されているので、対物レンズ111の開口を通過する参照光パワーの変動による信号I,Qの強度変動を抑制することができる。   FIG. 15B is a schematic diagram showing a structural example of a disk-shaped step-shaped mirror 1501. The disk-shaped step mirror 1501 has a structure in which a plurality of types of reflection surfaces (five types of 1 to 5) having different heights are periodically arranged on the circumference. In the third embodiment, the reference light is defocused by focusing and irradiating the reference light onto the disc-shaped step mirror 1501 by the objective lens 111 and rotating the disc-shaped step mirror 1501 by the motor 1502. The aberration is to be modulated. In this configuration, since the relative position between the reference light and the objective lens 111 is fixed, it is possible to suppress the intensity fluctuation of the signals I and Q due to the fluctuation of the reference light power passing through the opening of the objective lens 111. it can.

<実施の形態4>
図16は、本発明の実施形態4に係る光画像計測装置における、デフォーカス変調部113の構成例を示す図である。デフォーカス変調部113以外の構成は実施形態1〜2と同様であるので、その説明を省略する。図16(a)に示すように、本実施形態4におけるデフォーカス変調部113は、対物レンズ111、対物レンズアクチュエータ1601、ミラー1602から構成される。
<Embodiment 4>
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of the defocus modulation unit 113 in the optical image measurement device according to the fourth embodiment of the present invention. The configuration other than the defocus modulation unit 113 is the same as in the first and second embodiments, and a description thereof will be omitted. As shown in FIG. 16A, the defocus modulator 113 according to the fourth embodiment includes an objective lens 111, an objective lens actuator 1601, and a mirror 1602.

図16(b)は、ミラー1602の反射面と参照光の集光位置との間の相対位置変化を示す。本実施形態4においては、対物レンズアクチュエータ1601を用いて対物レンズ111を光軸方向に駆動し、ミラー1602の反射面と参照光の集光位置の相対位置を光軸方向に変化させることにより、参照光のデフォーカス収差を変調することとした。本構成においては、階段型ミラー112を用いることなく、簡素で安価な構成で参照光のデフォーカス収差を変調することができる。対物レンズアクチュエータ1601に代えて、対物レンズ111を焦点可変レンズとして構成することにより、同様の効果を発揮することもできる。   FIG. 16B shows a relative position change between the reflection surface of the mirror 1602 and the condensing position of the reference light. In the fourth embodiment, the objective lens 111 is driven in the optical axis direction using the objective lens actuator 1601, and the relative position between the reflection surface of the mirror 1602 and the condensing position of the reference light is changed in the optical axis direction. The defocus aberration of the reference light is modulated. In this configuration, the defocus aberration of the reference light can be modulated with a simple and inexpensive configuration without using the step mirror 112. By configuring the objective lens 111 as a variable focus lens instead of the objective lens actuator 1601, the same effect can be exhibited.

<実施の形態5>
図17は、本発明の実施形態5に係る光画像計測装置における、デフォーカス変調部113の構成例を示す図である。デフォーカス変調部113以外の構成は実施形態1〜2と同様であるので、その説明を省略する。図17(a)に示すように、本実施形態5におけるデフォーカス変調部113は、対物レンズ111、ミラー1701、ピエゾ素子1702から構成される。
<Embodiment 5>
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration example of the defocus modulation unit 113 in the optical image measurement device according to the fifth embodiment of the present invention. The configuration other than the defocus modulation unit 113 is the same as in the first and second embodiments, and a description thereof will be omitted. As shown in FIG. 17A, the defocus modulator 113 according to the fifth embodiment includes an objective lens 111, a mirror 1701, and a piezo element 1702.

図17(b)は、ミラー1701の反射面と参照光の集光位置との間の相対位置変化を示す。本実施形態5においては、ピエゾ素子1702を用いてミラー1701を光軸方向に駆動し、ミラー1701の反射面と参照光の集光位置との間の相対位置を光軸方向に変化させることにより、参照光のデフォーカス収差を変調することとした。ミラー1701としては、参照光のスポットサイズ程度の反射面の大きさを有していればよいので、サイズおよび質量の小さなミラーを用いることとした。これにより、実施形態4のように対物レンズ111を駆動する場合に比べて、より高速にデフォーカス量を変調することができる。   FIG. 17B shows a relative position change between the reflection surface of the mirror 1701 and the condensing position of the reference light. In the fifth embodiment, the mirror 1701 is driven in the optical axis direction using the piezo element 1702, and the relative position between the reflection surface of the mirror 1701 and the condensing position of the reference light is changed in the optical axis direction. In addition, the defocus aberration of the reference light is modulated. As the mirror 1701, a mirror having a small size and a small mass is used as long as it has a size of the reflection surface about the spot size of the reference light. This makes it possible to modulate the defocus amount faster than in the case where the objective lens 111 is driven as in the fourth embodiment.

<実施の形態6>
図18は、本発明の実施形態6に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。本実施形態6におけるデフォーカス変調部113は、対物レンズアクチュエータ1301に代えて階段型ミラーアクチュエータ1801を備える。その他の構成は実施形態2と同様である。
<Embodiment 6>
FIG. 18 is a schematic diagram illustrating a configuration example of an optical image measurement device according to Embodiment 6 of the present invention. The defocus modulator 113 according to the sixth embodiment includes a staircase mirror actuator 1801 instead of the objective lens actuator 1301. Other configurations are the same as those of the second embodiment.

本実施形態6においては、階段型ミラーアクチュエータ1801によって階段型ミラー112を光軸に垂直な方向に駆動することにより、階段型ミラー112に対する参照光の集光位置を変位させ、参照光のデフォーカス量を変調する。これにより、実施形態2と同様の効果を発揮させることができる。さらに、参照光と対物レンズ111との間の相対位置が固定されているので、対物レンズ111の開口を通過する参照光パワーの変動を抑制することができる。   In the sixth embodiment, the staircase mirror actuator 1801 drives the staircase mirror 112 in a direction perpendicular to the optical axis, thereby displacing the focusing position of the reference light on the staircase mirror 112 and defocusing the reference light. Modulate the amount. Thereby, the same effect as in the second embodiment can be exhibited. Further, since the relative position between the reference light and the objective lens 111 is fixed, the fluctuation of the power of the reference light passing through the opening of the objective lens 111 can be suppressed.

<本発明の変形例について>
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
<Regarding Modification of the Present Invention>
The present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described above. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment. Also, for a part of the configuration of each embodiment, it is possible to add, delete, or replace another configuration.

101:光源
102:コリメートレンズ
103:λ/2板
104:偏光ビームスプリッタ
105:λ/4板
106:対物レンズ
107:対物レンズアクチュエータ
108:サンプル
109:λ/4板
110:MEMSミラー
111:対物レンズ
112:階段型ミラー
113:デフォーカス変調部
114:ハーフビームスプリッタ
115:λ/2板
116:λ/4板
117:集光レンズ
118:集光レンズ
119:ウォラストンプリズム
120:ウォラストンプリズム
121:干渉光学系
122:光検出器
123:光検出器
126:画像生成部
127:画像表示部
101: light source 102: collimating lens 103: λ / 2 plate 104: polarizing beam splitter 105: λ / 4 plate 106: objective lens 107: objective lens actuator 108: sample 109: λ / 4 plate 110: MEMS mirror 111: objective lens 112: Step mirror 113: Defocus modulator 114: Half beam splitter 115: λ / 2 plate 116: λ / 4 plate 117: Condensing lens 118: Condensing lens 119: Wollaston prism 120: Wollaston prism 121: Interference optical system 122: photodetector 123: photodetector 126: image generation unit 127: image display unit

Claims (15)

測定対象の画像を取得する光画像計測装置であって、
レーザ光を出射する光源、
前記光源から出射されたレーザ光を信号光と参照光に分岐する光分岐部、
前記信号光を前記測定対象に集光して照射する第1対物レンズ、
前記第1対物レンズが前記信号光を照射する位置を前記信号光の光軸に対して直交する平面内で移動させる走査器、
前記参照光のデフォーカス量を変化させるデフォーカス変調部、
前記測定対象によって反射もしくは散乱された前記信号光と前記デフォーカス量が変調された前記参照光とを合波して干渉光を生成する干渉光学系、
前記干渉光を検出する光検出器、
前記光検出器が検出した前記干渉光を用いて前記画像を生成する画像生成部、
を備え、
前記デフォーカス変調部は、前記信号光が前記測定対象を照射する位置が前記画像の1画素に対応する距離を移動する間に前記参照光のデフォーカス量を複数段階に変化させる ことを特徴とする光画像計測装置。
An optical image measurement device that acquires an image of a measurement target,
A light source for emitting laser light,
An optical branching unit that branches the laser light emitted from the light source into signal light and reference light,
A first objective lens for condensing and irradiating the signal light onto the measurement target,
A scanner that moves a position where the first objective lens irradiates the signal light in a plane orthogonal to an optical axis of the signal light;
A defocus modulator that changes a defocus amount of the reference light,
An interference optical system that generates interference light by multiplexing the signal light reflected or scattered by the measurement target and the reference light in which the defocus amount is modulated,
A photodetector for detecting the interference light,
An image generation unit that generates the image using the interference light detected by the photodetector,
With
The defocus modulation unit changes the defocus amount of the reference light in a plurality of stages while a position where the signal light irradiates the measurement target moves a distance corresponding to one pixel of the image. Optical image measurement device.
前記デフォーカス変調部は、高さ方向の位置が互いに異なる複数の反射面を有するミラーを備え、
前記デフォーカス変調部は、前記ミラーを用いて前記参照光を反射することにより、前記参照光に対して前記反射面の位置に対応するデフォーカス収差を付与し、
前記画像生成部は、前記信号光の光軸方向に沿った複数の位置における前記測定対象の画像を、前記複数段階のデフォーカス量ごとに生成する
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
The defocus modulation unit includes a mirror having a plurality of reflection surfaces whose positions in the height direction are different from each other,
The defocus modulation unit, by reflecting the reference light using the mirror, imparts a defocus aberration corresponding to the position of the reflection surface to the reference light,
The optical image according to claim 1, wherein the image generation unit generates images of the measurement target at a plurality of positions along an optical axis direction of the signal light for each of the plurality of levels of defocus amounts. Measuring device.
前記画像生成部は、前記平面内の第1方向においてNピクセルを有する前記画像を生成し、
前記デフォーカス変調部は、前記デフォーカス量を開始段階から終了段階まで複数段階に変化させ、
前記デフォーカス変調部は、前記走査器が前記第1方向において前記信号光の照射位置を走査する周波数のN倍以上の周波数で、前記デフォーカス量を前記開始段階から前記終了段階まで変化させる
ことを特徴する請求項1記載の光画像計測装置。
The image generation unit generates the image having N pixels in a first direction in the plane,
The defocus modulation unit changes the defocus amount in a plurality of stages from a start stage to an end stage,
The defocus modulation unit changes the defocus amount from the start stage to the end stage at a frequency that is at least N times a frequency at which the scanner scans the irradiation position of the signal light in the first direction. The optical image measurement device according to claim 1, wherein:
前記デフォーカス変調部は、
高さ方向の位置が互いに異なる複数の反射面を有するミラー、
前記参照光を前記ミラーに対して集光する第2対物レンズ、
前記第2対物レンズによる前記参照光の集光位置を前記反射面に対して平行な方向に変位させる参照光集光位置変位器、
を備えることを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
The defocus modulator,
A mirror having a plurality of reflection surfaces whose positions in the height direction are different from each other,
A second objective lens for condensing the reference light on the mirror,
A reference light condensing position displacer for displacing the condensing position of the reference light by the second objective lens in a direction parallel to the reflection surface;
The optical image measurement device according to claim 1, further comprising:
前記参照光集光位置変位器は、前記参照光の前記第2対物レンズに対する入射角を変化させることにより前記参照光の集光位置を変位させる光偏向素子を用いて構成されている ことを特徴とする請求項4記載の光画像計測装置。   The reference light condensing position displacer is configured using an optical deflecting element that displaces a condensing position of the reference light by changing an incident angle of the reference light with respect to the second objective lens. The optical image measurement device according to claim 4, wherein 前記参照光集光位置変位器は、前記第2対物レンズの位置を変位させることにより前記参照光の集光位置を変位させる駆動素子を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項4記載の光画像計測装置。
The said reference light condensing position displacer is comprised using the drive element which displaces the condensing position of the said reference light by displacing the position of the said 2nd objective lens. Optical image measurement device.
前記参照光集光位置変位器は、前記ミラーの位置を変位させることにより前記ミラーに対する前記参照光の集光位置を変位させる駆動素子を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項4記載の光画像計測装置。
The said reference light condensing position displacer is comprised using the drive element which displaces the condensing position of the said reference light with respect to the said mirror by displacing the position of the said mirror. Optical image measurement device.
前記ミラーが有する各前記反射面の面積は、各前記反射面における前記参照光のスポット面積よりも大きい
ことを特徴とする請求項4記載の光画像計測装置。
The optical image measurement device according to claim 4, wherein an area of each of the reflection surfaces of the mirror is larger than a spot area of the reference light on each of the reflection surfaces.
前記画像生成部は、前記平面内の第1方向においてNピクセルを有する前記画像を生成し、
前記ミラーは、少なくとも2つ以上の前記反射面を含む単位構造が複数個周期的に配置された構造を有しており、
前記参照光集光位置変位器は、前記デフォーカス量を開始段階から終了段階まで複数段階に変化させ、
前記ミラーが有する前記単位構造の個数をM、前記走査器が前記第1方向において前記信号光の照射位置を走査する周波数をfsig、前記参照光集光位置変位器が前記デフォーカス量を前記開始段階から前記終了段階まで変化させる周波数をfrefとするとき、前記参照光集光位置変位器は、M×fref≧N×fsigを満足する
ことを特徴とする請求項4記載の光画像計測装置。
The image generation unit generates the image having N pixels in a first direction in the plane,
The mirror has a structure in which a plurality of unit structures including at least two or more of the reflection surfaces are periodically arranged,
The reference light condensing position displacement unit changes the defocus amount in a plurality of stages from a start stage to an end stage,
The number of the unit structures of the mirror is M, the frequency at which the scanner scans the irradiation position of the signal light in the first direction is f sig , and the reference light condensing position displacement unit is the defocus amount. 5. The light according to claim 4, wherein when the frequency changed from the start stage to the end stage is f ref , the reference light condensing position displacement unit satisfies M × f ref ≧ N × f sig. Image measurement device.
前記画像生成部は、前記平面内の第1方向においてNピクセルを有する前記画像を生成し、
前記ミラーは、少なくとも2つ以上の前記反射面を含む単位構造が複数個周期的に配置された構造を有しており、
前記参照光集光位置変位器は、前記デフォーカス量を開始段階から終了段階まで複数段階に変化させ、
前記単位構造が有する前記反射面の個数は、前記ミラーが有する前記単位構造の個数をM、前記走査器が前記第1方向において前記信号光の照射位置を走査する周波数をfsig、前記参照光集光位置変位器が前記デフォーカス量を前記開始段階から前記終了段階まで変化させる周波数をfrefとするとき、M×fref≧N×fsigを満足し、
前記単位構造が有する前記反射面の個数はさらに、前記ミラーが有する各前記反射面の面積が、各前記反射面における前記参照光のスポット面積よりも大きいことを満足する範囲内である
ことを特徴とする請求項4記載の光画像計測装置。
The image generation unit generates the image having N pixels in a first direction in the plane,
The mirror has a structure in which a plurality of unit structures including at least two or more of the reflection surfaces are periodically arranged,
The reference light condensing position displacement unit changes the defocus amount in a plurality of stages from a start stage to an end stage,
The number of the reflection surfaces of the unit structure is M, the number of the unit structures of the mirror is M, the frequency at which the scanner scans the irradiation position of the signal light in the first direction is f sig , and the reference light is When a frequency at which the light condensing position displacer changes the defocus amount from the start stage to the end stage is f ref , M × f ref ≧ N × f sig is satisfied;
The number of the reflection surfaces of the unit structure is further within a range satisfying that the area of each of the reflection surfaces of the mirror is larger than the spot area of the reference light on each of the reflection surfaces. The optical image measurement device according to claim 4, wherein
前記デフォーカス変調部は、
ミラー、
前記参照光を前記ミラーに対して集光する第2対物レンズ、
前記第2対物レンズによる前記参照光の集光位置を前記ミラーの反射面の法線方向に変位させる参照光集光位置変位器、
を備えることを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
The defocus modulator,
mirror,
A second objective lens for condensing the reference light on the mirror,
A reference light condensing position displacer for displacing the condensing position of the reference light by the second objective lens in a direction normal to a reflection surface of the mirror;
The optical image measurement device according to claim 1, further comprising:
前記デフォーカス変調部は、
ミラー、
前記参照光を前記ミラーに対して集光する第2対物レンズ、
前記第2対物レンズによる前記参照光の集光位置を、前記ミラーの反射面に対して相対的に、前記ミラーの反射面の法線方向に変位させる参照光集光位置変位器、
を備え、
前記参照光集光位置変位器は、前記ミラーの位置を変位させる駆動素子を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項記載の光画像計測装置。
The defocus modulator,
mirror,
A second objective lens for condensing the reference light on the mirror,
A reference light condensing position displacer that displaces the condensing position of the reference light by the second objective lens relative to the reflecting surface of the mirror in a direction normal to the reflecting surface of the mirror;
With
The reference light condensing position displacement instrument, an optical image measuring apparatus according to claim 1, characterized by being constituted by using a driving device for displacing the position of the mirror.
前記参照光集光位置変位器は、前記第2対物レンズの位置を変位させる駆動素子を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項11記載の光画像計測装置。
The optical image measurement device according to claim 11, wherein the reference light condensing position displacer is configured using a drive element that displaces the position of the second objective lens.
前記光画像計測装置はさらに、前記参照光のデフォーカス量を検出するデフォーカス量検出器を備える
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
The optical image measurement device according to claim 1, wherein the optical image measurement device further includes a defocus amount detector that detects a defocus amount of the reference light.
測定対象の画像を取得する光画像計測方法であって、
レーザ光を出射するステップ、
前記出射されたレーザ光を信号光と参照光に分岐するステップ、
前記信号光を前記測定対象に集光して照射するステップ、
前記信号光を照射する位置を前記信号光の光軸に対して直交する平面内で移動させるステップ、
前記参照光のデフォーカス量を変化させるデフォーカス変調ステップ、
前記測定対象によって反射もしくは散乱された前記信号光と前記デフォーカス量が変調された前記参照光とを合波して干渉光を生成するステップ、
前記干渉光を検出するステップ、
前記検出した干渉光を用いて前記画像を生成するステップ、
を有し、
前記デフォーカス変調ステップにおいては、前記信号光が前記測定対象を照射する位置が前記画像の1画素に対応する距離を移動する間に前記参照光のデフォーカス量を複数段階に変化させる
ことを特徴とする光画像計測方法。
An optical image measurement method for acquiring an image of a measurement target,
Emitting a laser beam,
Branching the emitted laser light into signal light and reference light,
Converging and irradiating the signal light onto the measurement object,
Moving the position to irradiate the signal light in a plane orthogonal to the optical axis of the signal light,
A defocus modulation step of changing a defocus amount of the reference light,
Generating interference light by multiplexing the signal light reflected or scattered by the measurement target and the reference light in which the defocus amount is modulated,
Detecting the interference light,
Generating the image using the detected interference light,
Has,
In the defocus modulation step, the defocus amount of the reference light is changed in a plurality of steps while a position where the signal light irradiates the measurement target moves a distance corresponding to one pixel of the image. Optical image measurement method.
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