JPH04102003A - Frequency modulation optical heterodyne interference measuring device - Google Patents

Frequency modulation optical heterodyne interference measuring device

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Publication number
JPH04102003A
JPH04102003A JP2220904A JP22090490A JPH04102003A JP H04102003 A JPH04102003 A JP H04102003A JP 2220904 A JP2220904 A JP 2220904A JP 22090490 A JP22090490 A JP 22090490A JP H04102003 A JPH04102003 A JP H04102003A
Authority
JP
Japan
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frequency
objective lens
measurement
measurement beam
measured
Prior art date
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Pending
Application number
JP2220904A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takuji Teramoto
寺本 卓司
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Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Brother Industries Ltd filed Critical Brother Industries Ltd
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Publication of JPH04102003A publication Critical patent/JPH04102003A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To enable frequency modulation in short period with small driving force, regardless of the weight of an article being measured by provising a lens driving device which vibrates an objective lens in the direction of optical axis as a means for frequency modulation of a measuring beam. CONSTITUTION:A reference beam reflected by a polarization beam splitter 28 is irradiated to a mirror 32 via a 1/4 wave length plate 30. The mirror 32 is vibrated in the direction of the reference beam optical axis by the expansion or shrinkage of a PZT piezoelectric modulation element 34. Change in optical path length caused by the vibration frequency-modulates the reference beam. A measuring beam, on the other hand, is condensed by an objective lens 46 then irradiated to the surface 50 of an article being measured. The article being measured 48 is moved on the plane in right angle to the measuring beam optical axis. The objective lens 46 is vibrated in the direction of the measuring beam optical axis, which frequency-modulates the measuring beam.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光ヘテロダイン干渉測定装置に係り、特に、計
測ビームおよび参照ビームをそれぞれ周波数変調して測
定を行う周波数変調光へテロゲイン干渉測定装置に関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an optical heterodyne interference measurement device, and more particularly to a frequency modulated optical heterodyne interference measurement device that performs measurement by frequency modulating a measurement beam and a reference beam. be.

従来の技術 光ヘテロゲイン干渉を利用して表面形状を測定する装置
の一種に、同一の光源から出射された互いに周波数が異
なる計測ビームおよび参照ビームをそれぞれ同じ周期で
周波数変調するとともに、その計測ビームの光軸と交差
する方向へ相対移動させられる被測定物の表面にその計
測ビームを対物レンズによって集光させ、その表面で反
射された計測ビームと前記参照ビームとを干渉させて光
センサに入射させることによりビート信号を取り出し、
そのビート信号のビート周波数の変化に基づいて前記表
面の凹凸形状を測定する周波数変調光ヘテロゲイン干渉
測定装置がある。このような測定装置によれば、光源の
光強度変化などによる振幅性のノイズに影響され難く、
高い測定精度を得られる利点がある。また、上記計測ビ
ームは、被測定物を対物レンズの光軸方向へ振動させる
ことによって周波数変調されるようになっているのが普
通であり、この対物レンズの振動により、空気のゆらぎ
や外部振動等の影響も受は難くなる。
2. Description of the Related Art A type of device that measures surface topography using optical heterogain interference is a method that modulates the frequency of a measurement beam and a reference beam, which are emitted from the same light source and have different frequencies, at the same period. The measurement beam is focused by an objective lens on the surface of the object to be measured, which is relatively moved in a direction intersecting the optical axis, and the measurement beam reflected from the surface and the reference beam are caused to interfere and enter the optical sensor. By extracting the beat signal,
There is a frequency modulated optical heterogain interference measurement device that measures the uneven shape of the surface based on changes in the beat frequency of the beat signal. According to such a measuring device, it is difficult to be affected by amplitude noise due to changes in the light intensity of the light source, etc.
It has the advantage of providing high measurement accuracy. In addition, the measurement beam is usually frequency-modulated by vibrating the object to be measured in the optical axis direction of the objective lens, and the vibration of the objective lens causes fluctuations in the air and external vibrations. It will also be difficult to be affected by such factors.

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のように被測定物を振動させるには
大きな駆動力を必要とするとともに、高い周波数で振動
させること、言い換えれば変調周期を短くすることが困
難で、表面の凹凸に伴うビート信号のビート周波数変化
が小さく、必ずしも充分な測定感度が得られないという
問題があった。
Problems to be Solved by the Invention However, as mentioned above, vibrating the object to be measured requires a large driving force, and it is difficult to vibrate at a high frequency, in other words, to shorten the modulation period. There was a problem in that the change in the beat frequency of the beat signal due to the unevenness of the beat signal was small, and sufficient measurement sensitivity could not necessarily be obtained.

また、被測定物の振動周波数は被測定物の重量に依存し
て変化し、これに伴って計測ビームの変調周期と参照ビ
ームの変調周期とがずれてしまうため、被測定物の重量
に応じてそれ等の変調周期を一致させるための調整手段
等を設けなければならなかった。
In addition, the vibration frequency of the object to be measured changes depending on the weight of the object to be measured, and as a result, the modulation period of the measurement beam and the modulation period of the reference beam deviate. Therefore, adjustment means or the like had to be provided to match the modulation periods.

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その
目的とするところは、被測定物の重量に影響されること
なく比較的小さな駆動力で短い周期で計測ビームを周波
数変調できるようにすることにある。
The present invention was made against the background of the above circumstances, and its purpose is to enable frequency modulation of a measurement beam in a short period with a relatively small driving force without being affected by the weight of the object to be measured. It's about doing.

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本発明は、同一の光源か
ら出射された互いに周波数が異なる計測ビームおよび参
照ビームをそれぞれ同じ周期で周波数変調するとともに
、その計測ビームの光軸と交差する方向へ相対移動させ
られる被測定物の表面にその計測ビームを対物レンズに
よって集光させ、その表面で反射された計測ビームと前
記参照ビームとを干渉させて光センサに入射させること
によりビート信号を取り出し、そのビート信号のビート
周波数の変化に基づいて前記表面の凹凸形状を測定する
周波数変調光ヘテロゲイン干渉測定装置において、前記
計測ビームを周波数変調するための手段として前記対物
レンズを光軸方向へ振動させるレンズ駆動装置が設けら
れていることを特徴とする。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention frequency-modulates a measurement beam and a reference beam, which are emitted from the same light source and have different frequencies from each other, at the same period, and modulates the light of the measurement beam. The measurement beam is focused by an objective lens on the surface of the object to be measured, which is relatively moved in a direction intersecting the axis, and the measurement beam reflected from the surface and the reference beam are caused to interfere and enter the optical sensor. In a frequency-modulated optical heterogain interference measurement device that extracts a beat signal by using a beat signal and measures the uneven shape of the surface based on a change in the beat frequency of the beat signal, the objective lens is used as a means for frequency-modulating the measurement beam. It is characterized by being provided with a lens drive device that vibrates in the axial direction.

作用および発明の効果 すなわち、対物レンズをその光軸方向へ振動させると、
その光軸上における光路長は変化しないものの、計測ビ
ームが反射される被測定物の表面と対物レンズによって
集光される計測ビームのビームウェストとの距離は、対
物レンズの振動に伴って周期的に変化する。ビームウェ
ストと表面とが一致していないと、計測ビームは球面波
の状態で被測定物の表面に照射されることとなり、ビー
ム周縁部とビーム中心部とで位相ずれが生じるが、この
位相のずれ量は、ビームウェストと表面との距離変化、
すなわち対物レンズの振動に伴って周期的に変化する。
Actions and effects of the invention, namely, when the objective lens is vibrated in the direction of its optical axis,
Although the optical path length on the optical axis does not change, the distance between the surface of the object to be measured on which the measurement beam is reflected and the beam waist of the measurement beam focused by the objective lens changes periodically as the objective lens vibrates. Changes to If the beam waist and the surface do not match, the measurement beam will be irradiated onto the surface of the measured object in the state of a spherical wave, and a phase shift will occur between the beam periphery and the beam center. The amount of deviation is the change in distance between the beam waist and the surface,
That is, it changes periodically as the objective lens vibrates.

そして、この位相ずれ量の周期的な変化により、計測ビ
ームに周波数変調がかけられるのである。
Frequency modulation is applied to the measurement beam by this periodic change in the amount of phase shift.

ここで、このように対物レンズを振動させて計測ビーム
を周波数変調する場合には、被測定物の重量によって変
調周期が全く影響されないため、計測ビームおよび参照
ビームを常に予め定められた同じ周期で周波数変調させ
ることができ、被測定物の重量に応じてそれ等の変調周
期を一致させるための調整手段等を設ける必要がない。
When frequency modulating the measurement beam by vibrating the objective lens, the modulation period is not affected by the weight of the object to be measured, so the measurement beam and reference beam are always set at the same predetermined period. Frequency modulation can be performed, and there is no need to provide adjustment means or the like to match the modulation periods according to the weight of the object to be measured.

また、対物レンズは被測定物に比較して軽量であるため
、小さな駆動力で振動させることが可能であり、レンズ
駆動装置を小型且つコンパクトに構成できるとともに、
対物レンズを高速振動させて変調周期を短くすることに
より、表面の凹凸に伴うビート信号のビート周波数変化
を大きくして測定感度を向上させることができる。
In addition, since the objective lens is lightweight compared to the object to be measured, it can be vibrated with a small driving force, and the lens driving device can be made small and compact.
By vibrating the objective lens at high speed and shortening the modulation period, it is possible to increase the change in the beat frequency of the beat signal due to surface irregularities and improve measurement sensitivity.

更に、このように対物レンズを振動させて計測ビームを
周波数変調した場合でも、光源の光強度変化などによる
振幅性のノイズや空気のゆらぎ。
Furthermore, even when the measurement beam is frequency-modulated by vibrating the objective lens in this way, amplitude noise and air fluctuations occur due to changes in the light intensity of the light source.

外部振動等の影響を受は難く、高い測定精度を得られる
ことは、被測定物を振動させて周波数変調する従来の場
合と同様である。
It is not easily affected by external vibrations, etc., and high measurement accuracy can be obtained, similar to the conventional case in which frequency modulation is performed by vibrating the object to be measured.

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
EXAMPLE Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail based on the drawings.

第1図において、He−Neレーザ等のレーザ光源10
から出射された周波数がfoの直線偏光レーザ光りは、
戻り光がレーザ光源10に人らないようにするアイソレ
ータ12を通過したのちミラー14によって反射され、
偏光ビームスプリッタ16に入射させられる。レーザ光
源lOの姿勢は、レーザ光りの偏波面(電気ベクトルの
振動面)が紙面に対して45°の角度で傾斜するように
設定されており、そのレーザ光りのうち偏波面が紙面と
平行なP偏光成分は計測ビームL、とじて上記偏光ビー
ムスプリッタ16を通過させられ、偏波面が紙面と垂直
なS偏光成分は参照ビームし、として偏光ビームスプリ
ンタ16により反射される。
In FIG. 1, a laser light source 10 such as a He-Ne laser is shown.
The linearly polarized laser beam of frequency fo emitted from
After the returned light passes through an isolator 12 that prevents people from entering the laser light source 10, it is reflected by a mirror 14.
The light is made incident on the polarizing beam splitter 16. The attitude of the laser light source IO is set so that the plane of polarization of the laser beam (the plane of vibration of the electric vector) is inclined at an angle of 45° to the plane of the paper, and the plane of polarization of the laser beam is parallel to the plane of the paper. The P-polarized light component is passed through the polarizing beam splitter 16 as a measurement beam L, and the S-polarized light component whose plane of polarization is perpendicular to the plane of the drawing is reflected by the polarizing beam splitter 16 as a reference beam.

偏光ビームスプリッタ16を透過した計測ビームLMは
、音響光学変調器18により十f1の周波数シフトを受
けて周波数がfo +f、とされた後、偏光ビームスプ
リッタ20に入射させられる。
The measurement beam LM that has passed through the polarizing beam splitter 16 is subjected to a frequency shift of 10 f1 by the acousto-optic modulator 18 to have a frequency of fo + f, and is then made incident on the polarizing beam splitter 20.

また、偏光ビームスプリンタ16で反射された参照ビー
ムL+tはミラー22によって更に反射され、音響光学
変調器24により+f2の周波数シフトを受けて周波数
がf。+f2とされた後、ミラー26で反射されて偏光
ビームスプリッタ20に入射させられる。上記周波数シ
フト量f1およびf!は、例えば80MHzと80.I
MHzなど数百kHz程度の周波数差を有するように設
定される。
Further, the reference beam L+t reflected by the polarization beam splinter 16 is further reflected by the mirror 22, and is subjected to a frequency shift of +f2 by the acousto-optic modulator 24, so that the frequency becomes f. After being set to +f2, the light is reflected by the mirror 26 and is made incident on the polarizing beam splitter 20. The above frequency shift amounts f1 and f! For example, 80MHz and 80. I
It is set to have a frequency difference of about several hundred kHz, such as MHz.

偏光ビームスプリッタ20により重ね合わされた計測ビ
ームL、および参照ビームLmは、その後、偏光ビーム
スプリッタ28により再び偏波面の向きによって分離さ
れ、S偏光成分から成る参照ビームLe+は偏光ビーム
スプリッタ28により反射される。偏光ビームスプリッ
タ28で反射された参照ビームLRは、174波長板3
0を介してミラー32に照射される。ミラー32はPZ
T圧電変位素子34の端面に取り付けられ、PZT変調
駆動回路36によりPZT圧電変位素子34が伸縮させ
られることによって図の右方向、すなわち参照ビームL
Rの光軸方向へ振動させられ、この振動に伴う光路長変
化によって参照ビームLHは周波数変調される。
The measurement beam L and the reference beam Lm superimposed by the polarizing beam splitter 20 are then separated again by the polarizing beam splitter 28 depending on the direction of the plane of polarization, and the reference beam Le+ consisting of the S-polarized component is reflected by the polarizing beam splitter 28. Ru. The reference beam LR reflected by the polarizing beam splitter 28 passes through the 174-wave plate 3
0 to the mirror 32. Mirror 32 is PZ
It is attached to the end face of the T piezoelectric displacement element 34, and when the PZT piezoelectric displacement element 34 is expanded and contracted by the PZT modulation drive circuit 36, the reference beam L is
The reference beam LH is oscillated in the optical axis direction of R, and the reference beam LH is frequency-modulated by the change in optical path length accompanying this oscillation.

上記PZT圧電変位素子34の振動周波数をf。The vibration frequency of the PZT piezoelectric displacement element 34 is f.

H2、振幅をd2とすると、その振動に伴う参照ビーム
L、の光路長変化ΔZ2は次式(1)で表され、その光
路長変化による周波数変調の最大周波数偏移Δf2は次
式(2)で表される。なお、(2)式のに2は参照ビー
ムL、の波数である。
When H2 and amplitude are d2, the optical path length change ΔZ2 of the reference beam L due to its vibration is expressed by the following equation (1), and the maximum frequency deviation Δf2 of frequency modulation due to the optical path length change is expressed by the following equation (2). It is expressed as Note that 2 in equation (2) is the wave number of the reference beam L.

ΔZ2 =d2・5in(2πfs  t)   ・・
11)Δf2=d2・f、・k2      ・・・(
2)そして、このようにミラー32で反射されるととも
に周波数変調された参照ビームL、lは、再び174波
長板30を透過させられることによりP偏光とされ、偏
光ビームスプリッタ28を透過させられて偏光板38を
通過した後光センサ40に照射される。
ΔZ2 = d2・5in(2πfs t)...
11) Δf2=d2・f,・k2...(
2) The reference beams L and l, which have been reflected by the mirror 32 and frequency-modulated in this way, are transmitted through the 174-wave plate 30 again to become P-polarized light, and then transmitted through the polarizing beam splitter 28. After passing through the polarizing plate 38, the light is irradiated onto the light sensor 40.

一方、P偏光成分から成る計測ビームL、は、上記偏光
ビームスプリッタ28を通過させられ、174波長板4
4を経て対物レンズ46により集光されて被測定物48
の表面50に照射される。被測定物48は、モータ等の
駆動装置52によって上記計測ビームL、の光軸に対し
て直角なX−Y平面内を二次元方向へ移動させられる移
動台54に配置されている。また、上記対物レンズ46
はZ軸モータ56に取り付けられ、モータ変調駆動回路
58によりZ軸方向、すなわち計測ビームL。の光軸方
向へ振動させられ、これにより、計測ビームL8が周波
数変調される。
On the other hand, the measurement beam L consisting of the P-polarized component is passed through the polarization beam splitter 28, and is passed through the 174-wave plate 4.
4, the light is focused by the objective lens 46, and is focused on the object to be measured 48.
is irradiated onto the surface 50 of. The object to be measured 48 is placed on a moving table 54 that can be moved in two dimensions within an XY plane perpendicular to the optical axis of the measurement beam L by a drive device 52 such as a motor. In addition, the objective lens 46
is attached to a Z-axis motor 56, and a motor modulation drive circuit 58 moves the measurement beam L in the Z-axis direction. The measurement beam L8 is caused to vibrate in the optical axis direction, thereby frequency modulating the measurement beam L8.

すなわち、対物レンズ46をその光軸方向へ振動させる
と、その対物レンズ46によって集光される計測ビーム
LMのビームウェストと表面5゜との距離は対物レンズ
46の振動に伴って周期的に変化させられ、ビームウェ
ストと表面5oとが一致していないと計測ビームLMは
球面波の状態でその表面50に照射されるため、ビーム
周縁部とビーム中心部とで位相ずれが生じるとともに、
この位相のずれ量はビームウェストと表面5oとの距離
変化、すなわち対物レンズ46の振動に伴って周期的に
変化するため、この位相ずれ量の周期的な変化により計
測ビームL。に周波数変調がかけられるのである。
That is, when the objective lens 46 is vibrated in the direction of its optical axis, the distance between the beam waist of the measurement beam LM focused by the objective lens 46 and the surface 5° changes periodically as the objective lens 46 vibrates. If the beam waist and the surface 5o do not match, the measurement beam LM will be irradiated onto the surface 50 in the form of a spherical wave, which will cause a phase shift between the beam periphery and the beam center.
This amount of phase shift changes periodically as the distance between the beam waist and the surface 5o changes, that is, the vibration of the objective lens 46. Therefore, the periodic change in the amount of phase shift causes the measurement beam L to change. is subjected to frequency modulation.

例えば、対物レンズ46を位置固定に設けて被測定物4
8をX−Y方向へ移動させつつ、通常の光ヘテロダイン
干渉によって表面50の凹凸形状を測定する場合に、第
2図の(a)に示されているように、対物レンズ46に
よって集光させられる計測ビームLHのビームウェスト
が表面50と略−致させられていると、その計測ビーム
LMの光束の中心部と周縁部とで光の位相ずれは殆どな
いが、Φ)に示されているようにビームウェストよりも
手前側に表面50が位置していると、計測ビームトイは
球面波の状態でその表面50に照射されることとなり、
光束の中心部と周縁部とで光の位相ずれが生じ、それが
平均化されることによって測定誤差が生じる。第2図の
一点鎖線は光の位相が等しい等価曲線である。
For example, if the objective lens 46 is provided in a fixed position and the object to be measured 4 is
When measuring the uneven shape of the surface 50 by normal optical heterodyne interference while moving the lens 8 in the X-Y direction, the light is focused by the objective lens 46, as shown in FIG. 2(a). When the beam waist of the measurement beam LH to be measured is approximately aligned with the surface 50, there is almost no optical phase shift between the center and peripheral parts of the light flux of the measurement beam LM, as shown in Φ). If the surface 50 is located closer to the beam waist than the beam waist, the measurement beam toy will be irradiated onto the surface 50 in the form of a spherical wave.
A phase shift of light occurs between the center and the periphery of the light beam, and when this is averaged, a measurement error occurs. The one-dot chain line in FIG. 2 is an equivalent curve in which the phases of light are equal.

そして、この測定誤差について解析すると、計測ビーム
L、4のビームウェストでのスポット径、すなわち計測
ビーム、の光強度が中心部の1 / e ”(e:自然
対数)となる部分の直径寸法を2w。
Analyzing this measurement error, we can find the spot diameter at the beam waist of measurement beam L4, that is, the diameter of the part where the light intensity of the measurement beam is 1/e'' (e: natural logarithm) at the center. 2w.

とすると、半径寸法W0は、計測ビームLsの波長λお
よび対物レンズ46による光の集束角θを用いて次式(
3)で表され、ビームウェストから距離りだけ離間した
位置でのスポット径の半径寸法W(D)および波面の曲
率半径R(D)は、それぞれ次式(4)および(5)で
表される。なお、上記集束角θは、対物レンズ46の開
口数NAに基づいて求められる。
Then, the radial dimension W0 is calculated by the following formula (
3), and the radial dimension W(D) of the spot diameter and the radius of curvature R(D) of the wavefront at a position distanced from the beam waist are expressed by the following equations (4) and (5), respectively. Ru. Note that the convergence angle θ is determined based on the numerical aperture NA of the objective lens 46.

□。=λ/πθ           ・・・(3)w
(D ) =wo(l + D”/ Do”)””  
・・・(4)R(D)=D+D、”/D       
・−・(5)但し、D0=πw0′/λ また、上記距離りでの波面の平均高さとDとの誤差Eを
、仮に二次元的に算出すると次式(6)で表される。
□. =λ/πθ...(3)w
(D) = wo(l + D”/Do”)””
...(4) R(D)=D+D,"/D
(5) However, D0=πw0'/λ Furthermore, if the error E between the average height of the wavefront at the above distance and D is calculated two-dimensionally, it is expressed by the following equation (6).

E= f  (R−(R”−X”)””) d X/w
= (Rw  w(R”  w”)””/2(R”5i
n−’(w/ R)) / 2 ]/ w・ ・ ・(
6) この誤差Eは、前記位相ずれに起因する測定誤差に相当
するもので、例えば表面50に30nmの凸部が形成さ
れた試料を用いて、開口数NAが異なる複数種類の対物
レンズ46を取り替えつつ、表面50をビームウェスト
と一致させた後試料を光軸と直角方向へ移動させて通常
の光ヘテロダイン干渉により上記30nmの凸部を測定
すると、その実験値D″は第3図に「○」で示されてい
る通すであったのに対し、対物レンズ46の開口数NA
に応じてD=30 nmの場合の誤差Eを上記(6)式
に従って求め、30nmからその誤差Eを差し引いた理
論値は第3図に「・」で示されている通りであった。か
かる第3図から明らかなように、上記(6)弐で算出さ
れる誤差Eは、実験値D1′の誤差と良い相関が得られ
ることが判る。なお、実際の計測ビームL、は立体的な
球面波であり、厳密には誤差Eも立体的に求める必要が
あるが、誤差Eを三次元で解析して求めると二次元の場
合よりも大きくなって実験値との差が拡大してしまい、
上記のように二次元で解析した方が良い相関が得られた
。これは、計測ビームL、の光強度はガウス分布を成し
ていて、周縁部の位相ずれが大きい部分の光強度が小さ
いため、その位相ずれの影響が軽減されるからと考えら
れる。
E= f (R-(R”-X”)””) d X/w
= (Rw w(R” w”)””/2(R”5i
n-'(w/R))/2]/w・・・・(
6) This error E corresponds to the measurement error caused by the phase shift. For example, using a sample in which a 30 nm convex portion is formed on the surface 50, multiple types of objective lenses 46 with different numerical apertures NA are used. While replacing the sample, after aligning the surface 50 with the beam waist, the sample is moved in a direction perpendicular to the optical axis and the above 30 nm convex portion is measured by normal optical heterodyne interference.The experimental value D'' is shown in Figure 3. The numerical aperture NA of the objective lens 46 is
Accordingly, the error E when D=30 nm was determined according to the above equation (6), and the theoretical value obtained by subtracting the error E from 30 nm was as indicated by "." in FIG. As is clear from FIG. 3, it can be seen that the error E calculated in (6) 2 has a good correlation with the error of the experimental value D1'. Note that the actual measurement beam L is a three-dimensional spherical wave, and strictly speaking, the error E must also be determined three-dimensionally, but if the error E is analyzed and determined in three dimensions, it will be larger than in the two-dimensional case. As a result, the difference between the experimental value and the experimental value increases.
A better correlation was obtained when the two-dimensional analysis was performed as described above. This is thought to be because the light intensity of the measurement beam L has a Gaussian distribution, and the light intensity is small in the peripheral portion where the phase shift is large, so that the influence of the phase shift is reduced.

また、開口数NAが0.95の場合について、D=30
.60.90nmの時の誤差Eを前記(6)弐に従って
算出すると、それぞれ7.952,16.448.25
.853となり、誤差Eは距離りに略比例して増加する
ことが判る。すなわち、表面50の凹凸寸法が同しであ
れば、ビームウェストと表面50とのずれ寸法りの大小
に拘らず誤差Eは路間しになるのである。
Also, for the case where the numerical aperture NA is 0.95, D=30
.. When the error E at 60.90 nm is calculated according to (6) 2 above, it is 7.952 and 16.448.25, respectively.
.. 853, and it can be seen that the error E increases approximately in proportion to the distance. That is, if the unevenness of the surface 50 is the same, the error E will be the same regardless of the size of the deviation between the beam waist and the surface 50.

以上の説明から明らかなように、表面50とビームウェ
ストとのずれ距離りに応じて誤差Eが生じるのであるが
、これは、表面50の位置を一定として対物レンズ46
を光軸方向へ距離りだけ移動させると、誤差Eに相当す
る分だけ計測ビームL、に位相変化が生しることを意味
する。言い換えれば、対物レンズ46を動かさずに表面
50を誤差Eだけ移動させたのと同様な作用が得られる
のである。例えば、開口数NAが0.95の対物レンズ
46を30nm移動させると、被測定物48を約8nm
変位させたのと同等の作用が得られるのである。
As is clear from the above explanation, an error E occurs depending on the deviation distance between the surface 50 and the beam waist.
This means that when L is moved by a distance in the optical axis direction, a phase change occurs in the measurement beam L by an amount corresponding to the error E. In other words, the same effect as moving the surface 50 by the error E without moving the objective lens 46 can be obtained. For example, when the objective lens 46 with a numerical aperture NA of 0.95 is moved by 30 nm, the object to be measured 48 is moved by about 8 nm.
The same effect as displacement can be obtained.

したがって、前記Z軸モータ56によって対物レンズ4
6を前記周波数fsHz、振幅d1で振動させると、そ
の振動に伴う計測ビームLMの光路長変化ΔZ1は次式
(7)で表され、その光路長変化による周波数変調の最
大周波数偏移Δft は次式(8)で表される。ここで
、(7)式のd maは前記距離りを振幅d、とした場
合の誤差已に相当し、前記(6)式によって求められる
。また、(8)式のに1は計測ビームLMの波数である
。なお、最大周波数偏移Δf1が前記Δf2と一致する
ように、振幅d。
Therefore, the objective lens 4 is moved by the Z-axis motor 56.
6 is vibrated at the frequency fsHz and amplitude d1, the optical path length change ΔZ1 of the measurement beam LM due to the vibration is expressed by the following equation (7), and the maximum frequency deviation Δft of frequency modulation due to the optical path length change is as follows. It is expressed by equation (8). Here, d ma in the equation (7) corresponds to the error width when the distance is defined as the amplitude d, and is determined by the equation (6) above. Moreover, 1 in equation (8) is the wave number of the measurement beam LM. Note that the amplitude d is adjusted so that the maximum frequency deviation Δf1 matches the aforementioned Δf2.

およびd2は予め設定されている。and d2 are set in advance.

ΔZI=dna・5in(2x fs t)   ・・
・(7)Δf、=d、、・f、・k、      ・・
・(8)本実施例では、対物レンズ46を光軸方向へ振
動させるZ軸モータ56およびモータ変調駆動回路58
によりレンズ駆動装置が構成されている。
ΔZI=dna・5in(2x fs t)...
・(7) Δf, = d, ・f, ・k, ・・
(8) In this embodiment, a Z-axis motor 56 and a motor modulation drive circuit 58 that vibrate the objective lens 46 in the optical axis direction
A lens driving device is constructed by the following.

そして、このように対物レンズ46の振動によって周波
数変調されるとともに表面50で反射された計測ビーム
L、は、対物レンズ46を経て再び174波長板44を
通過させられることにより、往路に対して偏波面が90
°回転した直線偏光すなわちS偏光とされ、偏光ビーム
スプリッタ28によって反射されるとともに、偏光板3
8により前記参照ビームL、と干渉させられた後光セン
サ40に照射される。光センサ40からは、それぞれ同
じ周期1/f、で周波数変調された計測ビームL。と参
照ビームL、Iとの干渉により、それ等の周波数差でビ
ートを発生するビート信号BSが計測手段60に出力さ
れる。
The measurement beam L, which is frequency-modulated by the vibration of the objective lens 46 and reflected by the surface 50, is polarized with respect to the outward path by passing through the objective lens 46 and the 174-wave plate 44 again. wave front is 90
The rotated linearly polarized light, that is, S polarized light, is reflected by the polarizing beam splitter 28, and is reflected by the polarizing plate 3.
8, the light beam is irradiated onto the halo sensor 40 which is caused to interfere with the reference beam L. From the optical sensor 40, measurement beams L are each frequency-modulated with the same period of 1/f. Due to the interference between the reference beams L and I, a beat signal BS that generates a beat with a frequency difference between them is output to the measuring means 60.

上記ビート信号BSのビート周波数f、について具体的
に説明すると、例えば時間t0における表面50の位置
S1から光センサ40の位置S3までの間の各部の計測
ビームL、の周波数が第4図において実線で示されてい
る通りであり、同時間t0におけるミラー32の位置S
2から光センサ40の位置S3までの間の各部の参照ビ
ームL7の周波数が第4図において一点鎖線で示されて
いる通りであるとすると、位置S3における両者の周波
数差がその時間L0におけるビート周波数f、となる。
To explain specifically about the beat frequency f of the beat signal BS, for example, the frequency of the measurement beam L at each part between the position S1 of the surface 50 and the position S3 of the optical sensor 40 at time t0 is shown by the solid line in FIG. The position S of the mirror 32 at the same time t0 is as shown in
2 to the position S3 of the optical sensor 40 is as shown by the dashed line in FIG. 4, the frequency difference between the two at the position S3 is the beat at that time L0 The frequency becomes f.

このビート周波数f、は、第5図に示されているように
、両ビームLM、LRの変調周期1/f、と同し周期で
変化するとともに、ビート周波数[、の最大値f%は、
両ビームL。
As shown in FIG. 5, this beat frequency f changes at the same period as the modulation period 1/f of both beams LM and LR, and the maximum value f% of the beat frequency [,
Both beams L.

L、lの光路差すなわちSlから33までの距離ZとS
2からS3までの距離Z2との差Z +   Z zが
一定であれば変化しないが、駆動装置52によって被測
定物4日がX−Y方向へ移動させられ、表面50の凹凸
に従って距離Zlが変化するのに伴って光路差Z+  
 Ztが変化すると、換言すれば第4図に示されている
計測ビームLxが図の左右方向へ移動すると、最大(i
 f b ”も変化する。
The optical path difference between L and l, that is, the distance Z and S from Sl to 33
If the difference Z + Z z from distance Z 2 to S 2 is constant, it will not change. As the optical path difference Z+
When Zt changes, in other words, when the measurement beam Lx shown in FIG.
f b ” also changes.

前記計測手段60はマイクロコンピュータ等にて構成さ
れ、前記ビート信号BSのビート周波数の最大値f%を
1/f、の周期で取り出し、予め定められた最大値f%
と光路差ZI−72との関係を表す演算式若しくはデー
タマツプ等に基づいて、最大値f、11の変化から光路
差Z 、Z 2の変化量すなわち表面50の凹凸寸法を
求め、図示しない表示器に表示する。
The measuring means 60 is constituted by a microcomputer or the like, and extracts the maximum value f% of the beat frequency of the beat signal BS at a period of 1/f, and calculates the maximum value f% of the beat frequency of the beat signal BS to a predetermined maximum value f%.
The amount of change in the optical path difference Z, Z2, that is, the unevenness dimension of the surface 50, is determined from the change in the maximum value f, 11 based on an arithmetic expression or data map, etc. expressing the relationship between to be displayed.

ここで、かかる本実施例の周波数変調光ヘテロダイン干
渉測定装置においては、対物レンズ46を振動させて計
測ビームL、を周波数変調するようになっているため、
被測定物48の重量によって変調周期が全く影響されず
、計測ビームL、および参照ビームLllを常に予め定
められた一定の周期1/f、で周波数変調させることが
でき、被測定物48の重量に応じてそれ等の変調周期を
一致させるための調整手段等が不要である。
Here, in the frequency modulated optical heterodyne interference measurement device of this embodiment, the objective lens 46 is vibrated to frequency modulate the measurement beam L.
The modulation period is completely unaffected by the weight of the object to be measured 48, and the measurement beam L and the reference beam Lll can always be frequency modulated at a predetermined constant period of 1/f. There is no need for adjusting means or the like to match the modulation periods accordingly.

また、対物レンズ46は被測定物48に比較して軽量で
あるため、小さな駆動力で振動させることが可能であり
、小型でコンパクトなZ軸モータ56を採用できるとと
もに、対物レンズ46を高速振動させて変調周期1/f
、を短くすることにより、表面50の凹凸に伴うビート
信号BSのビート周波数f%の変化を大きくして、測定
感度を向上させることができる。すなわち、変調周期1
/f、を短くすると、第4図における計測ビームL、お
よび参照ビームL、の周波数変化の傾きが大きくなり、
光路差2.−22の変化が小さくてもビート周波数の最
大値fb”が大きく変化するようになるのである。
In addition, since the objective lens 46 is lightweight compared to the object to be measured 48, it can be vibrated with a small driving force, and a small and compact Z-axis motor 56 can be used, and the objective lens 46 can be vibrated at high speed. Let the modulation period 1/f
By shortening , it is possible to increase the change in the beat frequency f% of the beat signal BS due to the unevenness of the surface 50, and improve the measurement sensitivity. That is, modulation period 1
When /f is shortened, the slope of the frequency change of the measurement beam L and the reference beam L in FIG. 4 increases,
Optical path difference 2. Even if the change in -22 is small, the maximum value fb'' of the beat frequency will change greatly.

また、このように対物レンズ46を振動させて計測ビー
ムLxを周波数変調した場合でも、レーザ光源10の光
強度変化などによる振幅性のノイズや空気のゆらぎ、外
部振動等の影響を受は難(、高い測定精度を得られるこ
とは、被測定物48を振動させて周波数変調する従来の
場合と同様である。
Furthermore, even when the measurement beam Lx is frequency-modulated by vibrating the objective lens 46 in this way, it is difficult to be affected by amplitude noise due to changes in the light intensity of the laser light source 10, air fluctuations, external vibrations, etc. The fact that high measurement accuracy can be obtained is the same as in the conventional case in which frequency modulation is performed by vibrating the object to be measured 48.

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明し
たが、本発明は他の態様で実施することもできる。
Although one embodiment of the present invention has been described above in detail based on the drawings, the present invention can also be implemented in other embodiments.

例えば、前記実施例では音響光学変調器18により計測
ビームL。を+f1だけ周波数シフトさせるとともに、
音響光学変調器24により参照ビームL、lを+f2だ
け周波数シフトさせるようになっているが、第6図に示
されているように音響光学変調器18を音響光学変調器
24とミラー26との間に配設し、参照ビームLmのみ
を+f2−f、たけ周波数シフトさせるようにしても、
前記実施例と実質的に同じである。なお、逆に計測ビー
ムL、4のみを周波数シフトさせたり、横ゼーマンレー
ザを用いて周波数が異なる計測ビームおよび参照ビーム
を直接取り出すようにしたりしても差支えない。
For example, in the embodiment described above, the measurement beam L is generated by the acousto-optic modulator 18. While shifting the frequency by +f1,
The acousto-optic modulator 24 shifts the frequency of the reference beams L and l by +f2, but as shown in FIG. Even if the frequency of only the reference beam Lm is shifted by +f2-f,
This is substantially the same as the previous embodiment. Note that, conversely, only the measurement beams L and 4 may be frequency-shifted, or a transverse Zeeman laser may be used to directly extract measurement beams and reference beams having different frequencies.

また、前記PZT圧電変位素子34およびPZT変調駆
動回路36の替わりにモータおよびモータ変調駆動回路
を用いたり、Z軸モータ56およびモータ変調駆動回路
58の替わりにPZT圧電変位素子およびPZT変調駆
動回路を用いたりするなど、他の振動駆動装置を採用す
ることも可能である。
Further, a motor and a motor modulation drive circuit may be used instead of the PZT piezoelectric displacement element 34 and the PZT modulation drive circuit 36, or a PZT piezoelectric displacement element and a PZT modulation drive circuit may be used instead of the Z-axis motor 56 and the motor modulation drive circuit 58. It is also possible to employ other vibration drive devices, such as using

また、前記参照ビームL、についても、ミラー32の手
前に集光レンズを配置して振動させることにより、計測
ビームLHと同じ原理で周波数変調を行うようにしても
差支えない。
Further, the reference beam L may also be frequency modulated using the same principle as the measurement beam LH by arranging a condensing lens in front of the mirror 32 and vibrating it.

また、焦点ずれを検出する光学系を組み込んで、Z軸モ
ータ56およびモータ変調駆動回路58をアクチュエー
タとしてオートフォーカス機構を構成し、測定開始初期
などに対物レンズ46と被測定物48との間の距離を調
整するようにしても良い。
In addition, an optical system for detecting defocus is incorporated, and an autofocus mechanism is configured using the Z-axis motor 56 and the motor modulation drive circuit 58 as actuators, so that the distance between the objective lens 46 and the object to be measured 48 is detected at the beginning of measurement. The distance may also be adjusted.

また、前記実施例ではビート周波数の最大値f、′の変
化から表面50の凹凸寸法を求めるようになっているが
、その最大値fb1が一定に維持されるようにPZT圧
電変位素子などによって被測定物48をZ軸方向へ移動
させ、その移動量を表面50の凹凸寸法として検出する
ようにしても良い。
Furthermore, in the embodiment described above, the unevenness dimension of the surface 50 is determined from the change in the maximum values f and ' of the beat frequency, but in order to maintain the maximum value fb1 constant, it is covered with a PZT piezoelectric displacement element or the like. The measurement object 48 may be moved in the Z-axis direction, and the amount of movement may be detected as the unevenness dimension of the surface 50.

その他−々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基
づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが
できる。
Although other examples are not provided, the present invention can be implemented with various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例である周波数変調光ヘテロダ
イン干渉測定装置の基本的構成を説明する図である。第
2図は被測定物の表面に対して計測ビームが球面波の状
態で照射される場合の位相ずれを説明する図である。第
3図は計測ビームが球面波の状態で被測定物の表面に照
射されることに伴う誤差の理論値と実験値との相関を示
す図である。第4図は第1図の実施例における計測ビー
ムおよび参照ビームの周波数分布の一例を説明する図で
ある。第5図は第1図の実施例におけるビート信号のビ
ート周波数の一例を説明する図である。第6図は本発明
の他の実施例を説明する構成図で、第1図に相当する図
である。 10:レーザ光源   4o:光センサ46:対物レン
ズ   48:被測定物50:表面 り阿 :計測ビーム BS:ビート信号 り、:参照ビーム
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of a frequency modulated optical heterodyne interference measuring device which is an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating a phase shift when the measurement beam is irradiated in the form of a spherical wave onto the surface of the object to be measured. FIG. 3 is a diagram showing the correlation between the theoretical value and experimental value of the error caused by the measurement beam being irradiated onto the surface of the object to be measured in the state of a spherical wave. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the frequency distribution of the measurement beam and reference beam in the embodiment of FIG. 1. FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the beat frequency of the beat signal in the embodiment of FIG. 1. FIG. 6 is a block diagram illustrating another embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 1. 10: Laser light source 4o: Optical sensor 46: Objective lens 48: Object to be measured 50: Surface area: Measurement beam BS: Beat signal: Reference beam

Claims (1)

【特許請求の範囲】 同一の光源から出射された互いに周波数が異なる計測ビ
ームおよび参照ビームをそれぞれ同じ周期で周波数変調
するとともに、該計測ビームの光軸と交差する方向へ相
対移動させられる被測定物の表面に該計測ビームを対物
レンズによって集光させ、該表面で反射された計測ビー
ムと前記参照ビームとを干渉させて光センサに入射させ
ることによりビート信号を取り出し、該ビート信号のビ
ート周波数の変化に基づいて前記表面の凹凸形状を測定
する周波数変調光ヘテロダイン干渉測定装置において、 前記計測ビームを周波数変調するための手段として前記
対物レンズを光軸方向へ振動させるレンズ駆動装置が設
けられていることを特徴とする周波数変調光ヘテロダイ
ン干渉測定装置。
[Scope of Claims] A measurement beam and a reference beam emitted from the same light source and having different frequencies are modulated in frequency at the same period, and the object to be measured is relatively moved in a direction intersecting the optical axis of the measurement beam. The measurement beam is focused on the surface of the object by an objective lens, and the measurement beam reflected from the surface and the reference beam are made to interfere and enter the optical sensor, thereby extracting a beat signal, and determining the beat frequency of the beat signal. In a frequency modulated optical heterodyne interference measurement device that measures the uneven shape of the surface based on changes, a lens driving device that vibrates the objective lens in the optical axis direction is provided as a means for frequency modulating the measurement beam. A frequency modulated optical heterodyne interference measurement device characterized by:
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008224394A (en) * 2007-03-12 2008-09-25 Anritsu Corp Optical heterodyne interference apparatus and method for measuring optical path-length difference therefor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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