JPH0351702A - 光ファイバセンサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】 本発明は、光送受信部と光センサヘッド部との間におい
て光を伝送するために光ファイバを用いる形式の光フア
イバセンサ装置に関するものである。 ｔｖｅ米ｔｌ術】 従来、光ファイバを利用し、光センサヘッド部を小型化
した各種センサが提案され、あるいは開発されている。 第６図に光熱変位量検出用光フアイバ干渉計の例を示す
、同図の！Ｉｌ！では、励起用レーザのチａツブされた
パルス光を光７Ｔイバで１通常防Ｒ（除１ｘ）台のとに
乗せられた光センサヘッド部（第６図では外枠が図示さ
れていない、）まで導き試料面に照射し、熱変位を起こ
させる。その熱変位量は検出用レーザの出力光により試
料面と光ファイバの光センサヘッド部側の端面との間で
生じる多重−Ｆ渉（フィゾー干渉あるいは）Ｔブリーペ
ロー干渉とも呼ばれる）効果を利用したアナログニー渉
信号から光干渉強度検出器により高分Ｍ能で読み取られ
る０Ｍみ取った変位信号は、励起用レーザ光のチ麹ツブ
されたパルス尤の一部を参照信号としてロックイン増幅
器で位相弁別検波され、高い信号対２を背比で試料面の
熱変位量が測定される。この装置は、シリコンウェハー
の測定面上をスキャニングすることにより、測定面ある
いは測定面近傍のシリコンウェハー内に混入する不純物
検出、クラック検出等に有効な＊ａとなりうる。また、
この方式では、検出感度を得るために、試料か、光セン
サヘシド部のどちらかに光軸方向の位置制御を加える必
要があるが、第６図の装置の場合、光センサヘッド部が
小型に構成で終るので、光センサヘッド部に位置制御を
加える場合は、アクチュエータが小型のもので良い。 ［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、第６図の装置の方式では、第７図に示し
た多重干渉信号のスロープの最大傾斜点（変曲、α）の
レベルをあらかじめ求め、位置制御系に入力しなければ
ならない操作上の手間が必要である。 尚、位置制御系は、多重干渉信号の平均値が、測定面を
スキャニングする同上記の入力したレベルに等しくなる
ように試料か、光センサヘッド部のどちらかに光軸方向
の位置制御を加えるわけである。 本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、干渉信号のスロープの最大傾斜点のレベルを
あらかじめ求める操作が必要で、かつ制御用の７クチ１
エータがさらに小型で良い、簡便、小型な微小変位測定
用の光フアイバセンサ装置の提供を目的としている。 ［課題を解決するための手ｊｆｆｉｌ この目的を達成するために本発明の光ファイバセンサ装
置では、測定対象によって計測光の位相が変化させられ
ることにより、その計測光と周波数が等しい参照光と干
渉させられ、前記位相の変化に対応して光強度が変化す
るとともにその光強度変化の位相が１８０°ずらされた
２種類のモ渉光を、一対の光検出器によってそれぞれ検
出して互いに１８０°位相がずらされた２種のアナログ
電気信号に変換した後、両信号の差動から検出信号を得
る。また、その検出信号を分岐し、ローパスフィルタに
通した信号が「０」になるように、参照光の光路長を変
化させる７クチユエータの伸縮を制御する制御系から構
成される。 １作用］ 上記の構成を有する本発明の光フアイバセンサ＊ａでは
、７クチユエータを駆動する制御系は、信号ｒＯＪのト
ラッキングになるため、あらかじめ千））信号のスロー
プの最大傾斜点のレベルを求める操作が不要になる。 また、参照光の光路長を変化させるアクチュエータは、
はとんど無負荷状態の使用となるので、市販されている
小型の積層圧電７クチユ工−タ１個で良く、装置全体と
して小型になる。 Ｅ叉施例１ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。 第１図において、半導体レーザなとのレーザ光１ｉｏか
ら発射された単色のレーザ光は、光軸のまわりに４５°
回転させて配置された偏光ビームスプリッタ１２．７７
ラデ一回転子１４、偏光ビームスプリッタ１６を通過し
た後、励起用（高出力）レーザ７１から出射され、チ５
ツバ７２で断続光にされたレーザ光とグイクロイックミ
ラー７３で光軸が合わされ、そして集光レンズ１８によ
り定偏波光７フイパ２０の端面に入射させられる。 上記偏光ビームスプリッタ１２．７７ラデ一回転子１４
、および偏光ビームスプリッタ１６は、光アイソレータ
としても機能するものであり、反射光をレーザ光源１０
へ入射させないようにする。 また、偏光ビームスプリッタ１６は反射光を偏波面に従
って分割する機能をも備えており、偏光ビームスプリッ
タ１６により反射された光は集光レンズ２２により第１
光センサ２４に入射させられ、偏光ビームスプリッタ１
Ｇを通過した反射光は７Ｔラデ一回転子１４により偏波
面が光軸まわりに４５°回転させられ、偏光ビームスプ
リγり１２によって反射されたのち集光レンズ２Ｇによ
りＰｔ５２センサ２８に入射させられる。 以上の光学素子および光センサによって光透受信部２０
０が構成され、この送受信部２００の図示しない機枠に
定偏波光ファイバ２０の一端部が固定されている。 上記定偏波光７Ｔイバ２０は、コア３０とこのコア３０
を挟む一対の応力付与部３２と、それらを覆うクラッド
３４とかＣ）構成されており、たとえば互いに直交する
偏波面にて光を伝送するＩＩＥｚｘモードおよびＨＥ＋
＋Ｆモードの２伝送モードにて偏波面を保存しつつ偏光
を伝送する。萌記のように定偏波光ファイバ２０の一端
部に入射される検出用のレーザ光′ａ１０から出射した
光は偏光ビームスプリッタ１６を通過した直線偏光であ
るから、定偏波光７Ｔイバ２０内においては２伝送モー
ドのうちの一方のモードにて伝送される。一方、レーザ
光源１０の波長を１．５μ糟、定偏波光７Ｔイバ２０を
１．５μ鶴川のものに選択すると、波長１．５μ論以下
の励起用レーザ光源であれば、定偏波光７アイパ２０を
伝播する。ただし、そのレーザ光に対しては、定偏波光
ファイバ２０は低次のマルチモード７アイパとなるが、
このｌ＆置の使用目的には影響しない、また、定偏波光
ファイバ２０のカットオフ波長以上の艮波長し−ザ尤は
伝播しない。尚、低次のマルチモード７アイパとは、伝
播可能なモード数が、コア径〜５０μ鴎の高次のマルチ
モード７Ｔイバと比べるとずっと少な（％という意味で
あるが、低次のマルチモード７アイパを出射したレーザ
光の集光特性は、高次のマルチモード７アイパよりも良
いので、小面積を効率よく励起できる点で、この装置の
使用目的に適しでいる。 上記定偏波光７Ｔイバ２０の他ｊＩＩ？ｌＩＳは尤セン
サヘッドｆｆｌ５２０２の図示しない機枠に伝送モード
の袖が紙面に対しで４５°傾いた状態になるように固定
されており、このため２モードのうちの一方のモードに
て伝送され、且つ定偏波光ファイバ２０の他端部から出
射された偏光方向が紙面に対して４５°傾いた検出用レ
ーザの直線偏光は集光レンズ３６を通って平行光に変換
され、偏光ビームスブリフタにより偏光方向が紙面に垂
直な参照光（直線偏光）ＬＲと、偏光方向が紙面に手打
な計測光（直線偏光）ＬＨに分離される。偏光ビームス
プリッタ７５を通過した計測光ＬＭは、対物（集光）レ
ンズ１０８を通って、試料１１０の測定面・１１２上に
集光されろ。 一方、上記偏光ビームスプリッタ７５により反射された
参照光ＬＲは、ミラー５０により方向変換され、集光レ
ンズ５２により端面が研摩後アルミ（又は金）蒸着され
た積層圧電アクチュエータ５６の端面上に集光される０
本実施例では、この積層圧電７クチエエータ５Ｇが光路
長変更手段に相当するが、上記のように、はとんど無負
衡の状態で駆動される。 また、励起用のレーザ光は定偏波７Ｔイバ２０を出射後
、集光レンズ３６で平行光にされ、対物（集光）レンズ
１０８により、測定面１１２Ｊ二の検出用レーザ光が集
光される同じ位置に集光される。 チ１１？プされた励起用レーザ光が、測定面１１２」−
に集光（照射）されると、その点を中心とする近傍表面
はチａツビングに、同期した熱微小変位を生じるが、測
定表面かその近傍内部に励起用レーザ光をよく吸収する
不純物が存在すると、そうでない場所に比べて大トな振
幅の熱微小変位を生じる。 同様にして、クラック、相転移等構造の一様性が乱れで
いる場所では、そうでない場所に比べて異なった振幅の
、あるいはチョップの位相からずれた熱微小変位を生じ
る。第１図の装置は、その熱微小変位の変化をとらえて
、試料１１０を検査することが主な目的である。 さて、測定面１１２で反射された計測光ＬＨと、積層圧
電アクチ１エータのアルミ（又は金）Ｍ着面で反射され
た参照光ＬＲは、光路を逆進して偏光ビームスプリッタ
７５によって光軸が一致させられた後、集光レンＸ′３
６を通過して定偏光光ファイバ２０の２種類の伝送モー
ドＩｆ　Ｅご、およびＨＥ′１にそれぞれ等分配されて
入射し、眞記熱微小変化の光路長変化に伴う位相変化に
よって互いに干渉させられる。このとき、上記計測光Ｌ
Ｈ１参照光ＬＲは、それらの２つの伝送モードに対して
偏波面が４５°傾斜した直線偏光で、且つ互いの偏波面
が直交しているため、計測光が２１Ｉｌｉ類の伝送セー
ドＨＥ　、’、、　ＨＥ乙に同じ位相で分配される配置
の場合、参照元は伝送モードＩＩＥご、およびＨＥ′、
に分配される際にその位相が互いに１８０°ずらされる
。このため、伝送モードｔｌ　Ｅ　、’、で伝送される
干渉光の光強度変化の位相と伝送モードＩＩＥ′１で伝
送される干渉光の光強度変化の位相は互いに１８０°ず
らされる。尚、これらの干渉光の光強度変化は前記熱微
小変化の光路長の変化に伴なう計測光ＬＨの位相変化に
対応する。 それら２種類の干渉光は、光強度変化の位相が互いに１
８０°ずらされたまま定偏波光ファイバ２０によっで光
送受信部２００まで伝送され、集光レンズ１８により平
行光とされたのち偏光ビームスプリッタ１６によって分
離され、前記第１光センサ２４、第２光センサ２８に入
射する。第１尤センサ２４および第２光センサ２８は一
対の光検出器を成すもので、２種類の光強度変化に対応
釘る計測信号ＭＢＳ　１、ＭｎＳ２を測定回路６０に出
力する。 ここまでの動作を第４図、第５図に従って詳しく説明す
る。第４図は、検出用レーザ光が測定部１１２および積
層圧電７クチよエータ５Ｇに照射されるまでの往路を、
第５図は、そこから、光検出器２４．２８までの復路を
示す、尚、励起用レーザ光に関しては省略しである。第
４図の紙面に対して偏成面が４５°傾いた状！！（図で
はこの状態をもであわらしている。）でレーザ光が出射
するように調整された検出ｍレーザ光源１０を出射した
レーザ光は、そのようなレーザ光を通過するように配置
された偏光ビームスプリッタ１２を通過し、偏波面を４
５°回松させる７７ラデーローテータを通過後、偏波面
が紙面に平行にされ（図ではこの状態を１１１で表わし
ている。）、紙面に平行な直線偏光を通過するように配
置された偏光ビームスプリッタ１６を通過し、集光レン
ズ１８により、定偏波光ファイバ２０のコア３４に集光
される。定偏波光ファイバ２０の端面は図４に示されて
いるように、耕めに研摩されており、端面で生じる反射
光がもとの光軸に戻らないようにされている。また、定
偏波光ファイバの向きは、第４図左下図に端面慣弐図が
示されているように、紙面に平行なレーザ光がＨＥ乙モ
ードだけに入射するようにＷ４整されている。 ＨＥ乙モードを伝播し、光センサヘッド部２０２に到達
したレーザ光は、定偏波光ファイバ２０の向きが第４図
右下図のように調整されているので、紙面に対して偏波
面が４５゛傾いた状態で出射する。そのレーザ光は集光
レンズ３Ｇで平行にされ、偏光ビームスブリフタにより
、紙面に平行な偏光の計測光と、紙面に！Ｉ！直な偏光
（図ではこの状態を剰中で表わしている。）の参照元に
分岐される１分岐される手ｉｉｖまでのレーザ光は、下
式により表わされる。 ＨＥ乙モードからの出力光Ｅｙ。 Ｅｙｏ＝　Ｅｅｘｐｌ　−ｉ（ｗｔ＋Φｙｏ）ｌ　　　
　　　　　（１）ｌ　Ｅ　＋　’：光源出力 ω”、２ｘｒ＜ｒはレーザ光の周波数）Φｙｏ；ＨＥ乙
モード伝播尤の、分岐される手前までの位相量。 光７アイパの状態によって時間変化するので定数でなく
、Φｙｏ（Ｌ）。 ＨＥご、モードからの出力光Ｅ　Ｘ６　＝　０尚、Ｌ式
あるいは以下の式で損失（吸収損失、光ファイバへの入
射損失、分岐損失等々）は省略する。 このあと、計測光は測定部１１２へ集光され、反射され
て光路を逆進し、定偏波光ファイバ２゜のコア３４に集
光される。また、参照元も積層圧電アクチ↓エータで反
射され、光路を逆進してコア３４に集光される。このと
き定偏波光ファイバの向きに対して、計測光、参照元の
偏光の方位は、第５図下布図に示すようになっているの
で、ＨＥご、モードへの入射光Ｅ× Ｅｘ＋＝−Ｅｅｘｐｌ　　ｉ（ｗＬ＋Φｙ０＋ΦＩ）ｏ
＋２ｋ・ΔＬＩＥｅｘｐ（−ｉ（ｗｔ＋Φｙ０＋Φ、、
＋２に−ΔＬ）１・・・・・・（２） Φｐ０；計測尤計測の初期位相。具体的にはく７５ΔＬ
；熱微小変位量、２倍されでいるのは、反射で２倍にな
るから。 Δｌ；ｌ；積電圧電アクチュエータ位置量して頂きたい
。 ＨＥ　＋’＋モードへの入射光ＥＦ Ｅｙｉ＝　Ｅｅｘｐｌ　−ｉ（ｗＬ＋Φｙ、＋Φｐ、＋
２に一ΔＬ）１＋　Ｅｅｘｐ（−ｉ（ｗｔ＋Φｙ０＋Φ
汽、＋　２　ｋ−Δｉ　＞　＋　−・−・・（３） と表わされる。尚、光センサヘッド部側の定偏波光７フ
イパ端而も斜めに研磨されており、端面反射光が丸軸に
戻らないようになっている。 この後、ＨＥご、モードを伝播して光送受信部２００に
戻ったレーザ光は光検出！２４に入射し、ＨＥ乙モード
を伝播したレーザ光は光検出器２６へ入射する。それを
式で表わすと、 光検出□□□２４への入射光ＥＸ２ ＥＸ２＝　−Ｅｅｘｐｌ−ｉ（ｗｔ＋Φｙｏ＋Φｐ、＋
　２　ｋ　−ΔＬ十Φｘ、）ｌ＋　Ｅｅｘｐｌ　　ｉ（
ｗＬ＋Φｙ０＋ΦＲ６＋２ｋ・Δｌ＋Φｘ＋１ Φ×、；光センサヘッド側の光ファイバ端面から光検出
器２４までの位相量＝：　（Ｅ　ｅｘｐ（−Ｈ（ＪｕＬ
ＪＪＬ＋ｋ（ΔＬ−Δｌ　）＋；）ｌ＋　Ｅｅｘｐｌｉ
（９十ｋ（ΔＬ−Δｌ　）＋ｔ）ｌ　）　Ｘｅｘｐｔ　
−ｉ（ｗｔ＋Φｙ、＋Φ×、＋　　？　　十ｋ（ΔＬ＋
Δｌ）＋ｆ＋・・・・・・（４） 光検出器２８への入射光Ｅｙ２ ＥＶ２＝　Ｅｅｘｐ（−ｉ（ｗＬ＋Φｙ０＋ΦｐＯ＋２
ｋ・Δ１．＋Φｙ＋　）ｌ　＋Ｅ　ｅｘｐ（−ｉ（ｗＬ
＋Φｙ０＋Φ、、ｏ＋　２　ｋ−Δｌ十Φｙ、）１ Φｙｌ；光センサヘッド側の光ファイバ端面から光検出
ｎ　２　ｓ　＊　ｖ　ｙ＞位ａ　ｆｌ　＝　（Ｅ　ｅｘ
ｐ　（−ｉｌ［ｂ＊＋ｋ（ΔＬ−Δ１　）ｌ＋　Ｅ　（
ｉ　（ｌ？玩　十ｋ（ΔＬ−Δ！　））ｌ　）　Ｘｅｘ
ｐｌ−ｉ（ｗｔ＋Φｙｏ＋＠ｙ、−４−ＩＣ１−＋ｋ（
Δ！、＋Δｆ）ｌ・・・・・・（５）となるが、光検出
器２４．２８により変換される電気信号ＭＢＳ１．ＭＢ
Ｓ２は、上式（４）、（５）の−ｔを含まない項、いわ
ゆる光の振幅項の絶対値の２剰に比例するから、 ＭＢＳ　１＜Ｅ’−Ｅ２ｃｏｓｉΦ９＋−Φｐ＋。＋２
ｋ・（ΔＬ−Δり）・・・・・・（６） Ｍ　Ｂ　Ｓ　２　＜　Ｅ　’＋　Ｅ　’ｃｏｓｔΦｐ０
−Φｑｏ＋２ｋ・（ΔＩ、−Δり）・・・・・・（７） と表わされる。尚、厳密に言うと、（４）、＜５）式の
ａｔの含まれる項の位相量の差、ΦＸ、−ΦＦｌ”Ｔか
ら、電気信号ＭＳＢＩとＭＳ［３２１よ、Δ、＝　上ニ
Ｌ丘：１とＬは上　、上 ｗ　　　　　　２π　　　　　Ｃ Ｃ；光速 の遅延差を持つが、この差は、通常の使用には全く問題
のないレベルである。この後、電気信号ＭＢＳＩ、ＭＢ
Ｓ２は、第３図に示す測定回路６０に入力され、その差
動が取られ、ａＯＳ（Φｐｏ−ΦＲ０十２ｋ・（ΔＬ−
Δり１に比例する信号が生成される。生成された信号の
平均値をとるため低域通過（ローパス）フィルタに通さ
れた後、積層電圧アクチエエータのバイアス電圧に反松
して加えられ（差動がとられ）、直流増幅されで積層電
圧アクチュエータ５６に加えられる。このようにして、
ＭＳＢｌとＭＳＢ２の差動信号の平均が常にｒＯＪとな
るように、積層電圧７クチエエータに加えられる電圧が
制御されるわけである。 上記の制御系が正常に働くと、第８図（Ｃ）に示すよう
に、ＭＳＢｌとＭＳＢ２の差動信号は、微小麦化ΔＬに
比例した信号を生ずる。この場合、線型性よく測定でき
・る範囲は、 ２にΔＬｌ＜÷÷２ ΔＬｌ　＜　寺　　λ；検出用レーザ光の波及程度であ
る。一方、制御がはずれると第８図（ｄ）のようになり
、その範囲が狭まる。！￥Ｓ８図（Ｃ）の状態で得られ
る差動信号は、光検出１１７４の信号を参照信号として
ロックイン増幅器で位相弁別検波され、高いＳ／Ｎ比で
微小熱変位が検出されるわけである。 尚、積層圧ＷＬ７クチユエータにあらかじめバイアス重
圧を加えるのは、積層圧電アクチュエータの変位置が印
加電圧の絶対値によるためで、Ｆ！換えると士の印加電
圧に対して士に変位しないようにするためである。 以上は、シリコンウェハー上の欠陥を熱微小変位の異常
から検出しようとする利用例であるが、この他に、圧電
セラミックスの微小振動振幅や共振周波数の測定等にも
利用できる。 第２図は、本発明の別の実施例を示す。この場合、光セ
ンサヘッド部の偏光ビームスプリッタ−を無偏光ビーム
スプリッタ−３８に交換し、計測光路側と、参照光路側
に各１枚、紙面垂直方向から、一方の光学軸を２２．５
°、他方の光学軸を−２２，５°傾けたλ／４＠が入れ
である。λ／４＠は、一方の光学軸を４５°、他方の光
学軸を−４５°傾けたλ／８板の組置き換えても良い。 その他の尤Ｔ系の構成は、第１図の実施例と同じであり
、２個の光検出器から得られる電気信号ＭＳＢＩ、ＭＳ
Ｂ２も同じである。ただ、この構成では、無偏光ビーム
スプリッタ−３８で、計測光と参照光の光軸が再び合わ
される時に、半分が、第２図に示すように、定偏波光フ
アイバ−２０に戻らない方向にぬけてしまうので、電気
信号の出力は、第１図の実施例の半分になる。しかし、
ぬけてしまった方のレーザ光は、光センサヘッド部の調
整時、あるいは計測光が測定面に正確に集光されている
かどうかを確認する際など、便利に利用できる。 ［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、干渉信号のスロープの最大傾斜点のレベルをあらかじ
め求める操作が不要で、且つ制御用の７クチエエータが
さらに小型で良い、簡便、小型な微小変位測定器が提供
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を説明する図であり、第
２図は別の実施例を説明する図であり、第３図は第１図
、第２図の測定回路内を説明した図であり、第４図は第
１図の実施例の動作を説明する図であり、第５図は第１
図の実施例の復路の動作を説明する図であり、第６図は
従来の光熱変位検出用光ファイバー：Ｆ渉計を説明する
図であり、第７図は第６図のｖｃ置の光検出器から得ら
れる干渉信号の例を示す図であり、第８図はＰＩＳ１図
、第２図の実施例の測定回路内の信号を説明する図であ
る。 ３８．４０．４８・・・偏波面変更手段、５６・・・光
路長変更手段、７４・・・偏波面変更手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、偏波面が互いに直交する２伝送モードにて光を伝送
   する単一の伝送用定偏波光ファイバと、参照光および計
   測光を発生させるための光を前記定偏波光ファイバへ出
   力し、該光を該定偏波光ファイバ内において前記２伝送
   モードのうちの一方のモードにて伝送させるとともに、
   該定偏波光ファイバを通して該２伝送モードにて戻され
   た参照光および計測光を受けて、それら参照光および計
   測光に基づいて該計測光の伝送パラメータの変化を検出
   する光送受信部と、前記定偏波光ファイバにより伝送さ
   れた光を一対の参照光および計測光に分離した後合波し
   て該定偏波光ファイバへ戻すとともに、外部条件に関連
   して少なくとも該計測光の伝送パラメータを変化させる
   光センサヘッド部とから構成される光ファイバセンサ装
   置において、該光センサヘッド部に設けられ、前記参照
   光および計測光を互いに位相が１８０゜ずれ、且つ偏波
   面が直交する直線偏光とすることにより、該参照光およ
   び計測光が前記定偏波光ファイバにおいて前記２伝送モ
   ードにて伝送されるようにする位相偏波面変更手段と、
   前記参照光の光路長を変化させる光路長変更手段とを含
   むことを特徴とする微小変位測定用の光ファイバセンサ
   装置。