JPH04172205A - サブフリンジ干渉計測装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は高精度な形状測定に適用されるサブフリンジ干
渉計測装置に関する。

（従来の技術） サブフリンジ干渉法は光の１波長の数１０分の１〜数１
００分の１の分解能で長さ又は形状を測定できる。この
サブフリンジ干渉法の１手法にはフリンジ走査法があり
、この走査法はレーザ発振器から出力されたレーザ光を
２方向に分岐してその一方のレーザ光を参照光とし、他
方のレーザ光を試料に照射する。そして、参照光と試料
で反射した物体光とを重ね合わせて干渉を生じさせるが
、このとき参照光の位相が所定周期で変調される。

従って、位相変調された参照光と物体光とが重ね合わさ
れて干渉が生じる。これにより、干渉光には位相変調に
対応した光強度変化が現われ、この光強度変化に試料の
高さに応じた位相変化が乗る。

しかるに、この干渉光に対して参照光の位相変調の周期
に同期して復調が行われ、この復調により試料の高さに
応じた位相変化が抽出される。そして、この位相変化か
ら試料の高さ情報が求められる。

しかしながらレーザ発振器から出力されるレーザ光の光
強度が参照光の位相変調１周期の間に変動し、この変動
が位相変調の周波数成分と同一になると、干渉光の位相
を高精度に求めることができない。

（発明が解決しようとする課題） 以上のようにレーザ光の光強度が変動すると、干渉光の
位相を高精度に求めることができない。

そこで本発明は、レーザ光の光強度の変動に影響されず
に高精度に干渉光の位相を検出できるサブフリンジ干渉
計測装置を提供することを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、レーザ発振器と、このレーザ発振器から出力
されたレーザ光をそれぞれ２方向に分岐してその一方を
参照光として参照ミラーに送るとともに他方のレーザ光
を試料に送り、かつ参照ミラーで反射した参照光と試料
からの物体光とを重ね合わせるビームスプリッタと、こ
のビームスプリッタにより２方向に分岐した各レーザ光
間の位相差を変調する位相変調器と、レーザ発振器から
出力されたレーザ光の光強度を検出するレーザ光検出器
と、ビームスプリッタで重ね合わされた光の強度を検出
する測定光検出器と、レーザ光検出器からの検出信号を
受けて測定光検出器からの検出信号に対するレーザ光の
変動に対する補正を行いかつ位相変調器の位相変調に同
期して測定光検出器の検出信号から試料の高さ情報を抽
出する信号演算手段とを備えて上記目的を達成しようと
するサブフリンジ干渉計測装置である。

（作用） このような手段を備えたことにより、レーザ発振器から
出力されたレーザ光はビームスプリッタによりそれぞれ
２方向に分岐されてその一方が参照光として参照ミラー
に送られるとともに他方のレーザ光が試料に送られ、か
つ参照ミラーで反射した参照光と試料からの物体光とが
重ね合わされる。この状態に分岐した各レーザ光間の位
相差が位相変調器により変調される。又、レーザ発振器
から出力されたレーザ光の光強度がレーザ光検出器によ
り検出されるとともにビームスプリッタで重ね合わされ
た光の強度が測定光検出器により検出される。そして、
信号演算手段によりレーザ光検出器からの検出信号を受
けて測定光検出器からの検出信号に対するレーザ光の変
動に対する補正を行いかつ位相変調器の位相変調に同期
して測定光検出器の検出信号から試料の高さ情報を抽出
する。

（実施例） 以下、本発明の第１実施例について図面を参照して説明
する。

第１図はサブフリンジ干渉計測装置の構成図である。レ
ーザ発振器１が備えられている。このレーザ発振器１の
レーザ出力光路上にはビームエキスパンダ２が配置され
、このビームエキスパンダ２のレーザ出力方向にビーム
スプリッタ３が配置されている。

このビームスプリッタ３はレーザ光をそれぞれ２方向に
分岐し、その一方のレーザ光ｑ１を参照レーザ光として
参照ミラー４の配置された方向に出力するとともに他方
のレーザ光ｑ２を切削ミラー５の配置された方向に出力
するものとなっている。参照ミラー４は平面ミラーから
成り、この参照ミラー４とビームスプリッタ３との間に
は位相変調器６及び集光レンズ７が配置されている。

又、切削ミラー５はＸＹステージ８上に載置されている
。この切削ミラー５とビームスプリッタ３との間には対
物レンズ９が配置されている。しかるに、参照ミラー４
で反射した参照光は再びビームスプリッタ３に入射し、
切削ミラー５で反射したレーザ光は物体光として再びビ
ームスプリッタ３に入射する。従って、ビームスプリッ
タ３では参照光と物体光とを重ね合わせて干渉縞が生じ
る。

このビームスプリッタ３は干渉光をフォトセンサ１０の
配置された方向に出力する。

このビームスプリッタ３とフォトセンサ１０との間には
集光レンズ１１が配置されている。このフォトセンサ１
０は受光した干渉光の強度に応じた電気信号を出力する
もので、この電気信号はＡ／Ｄ変換器１２によりディジ
タル化されてコンピュータ１３に送られている。

又、ビームエキスパンダ２とビームスプリッタ３との間
にはビームスプリッタ１４が配置され、このビームスプ
リッタ１４の分岐方向に集光レンズ１５及びフォトセン
サ１６が配置されている。

このフォトセンサ１６は受光したレーザ光の強度に応じ
た電気信号を出力するもので、この電気信号はＡ／Ｄ変
換器１７によりディジタル化されてコンピュータ１３に
送られている。

前記位相変調器６にはタイミング生成回路１８が接続さ
れている。このタイミング生成回路１８は位相変調器６
の位相変調の基準とする基準クロック（５０ｋＨｚ　）
を受けて８００ｋＨｚのタイミング信号ｆ、、ｒ２を発
生する機能を有している。

コンピュータ１３はフォトセンサ１６からのディジタル
検出信号を受けてフォトセンサ１０からのディジタル検
出信号に対するレーザ光の変動に対する補正を行いかつ
位相変調器６の位相変調に同期してフォトセンサ１０の
ディジタル検出信号から切削ミラー５の高さ情報を抽出
する機能を有している。

次に上記の如く構成された装置の作用について説明する
。

レーザ発振器１はレーザ光を出力する。このレーザ光は
ビームエキスパンダ２によりビーム径が拡大され、ビー
ムスプリッタ１４を透過して次のビームスプリッタ３に
伝播する。このビームスプリッタ１４ではレーザ光の一
部が分岐し、この分岐レーザ光が集光レンズ１５により
集光されてフォトセンサ１６に入射する。このフすトセ
ンサ１６は入射したレーザ光の光強度に応じた検出信号
を出力する。この検出信号はＡ／Ｄ変換器１７によりデ
ィジタル検出信号に変換されてコンピュータ１３に送ら
れる。

前記ビームスプリッタ３にレーザ光が入射すると、レー
ザ光は２方向に分岐される。このうち−方のレーザ光ｑ
ｌは参照光として位相変調器６を透過し、集光レンズ７
で集光されて参照ミラー４に照射される。そして、参照
ミラー４で反射した参照先は集光ミラー７、位相変調器
６を通って再びビームスプリッタ３に入射する。

このとき、位相変調器６は第２図に示す基準クロックに
従って参照光を所定の範囲角度で位相変調する。そして
、このときの基準クロックはタイミング生成回路１８に
送られる。このタイミング生成回路１８は基準クロック
を受けて８００ｋＨｚのタイミング信号ｆ、、ｆ２を発
生し、このタイミング信号ｆ１はＡ／Ｄ変換器１７に送
られ、Ａ／Ｄ変換のタイミング信号となり、ｆ２はコン
ピュータ１３に送られ、信号取り込みタイミング信号と
なる。

又、他方のレーザ光ｑ２は集光レンズ９で集光されて切
削ミラー５に照射される。そして、切削ミラー５で反射
したレーザ光は物体光として集光ミラー９を通って再び
ビームスプリッタ３に入射する。しかして、ビームスプ
リッタ３において参照光と物体光とが重なり合って干渉
が生じる。この干渉光はビームスプリッタ３から集光レ
ンズ１１により集光されてフォトセンサ１０に伝播する
。このフォトセンサ１０は入射した干渉光の光強度に応
じた検出信号を出力する。この検出信号はＡ／Ｄ変換器
１２によりディジタル検出信号に変換されてコンピュー
タ１３に送られる。

このコンピュータ１３はフォトセンサ１６からのディジ
タル検出信号を受けてフォトセンサ１０からのディジタ
ル検出信号に対するレーザ光の変動に対する補正を行い
かつ位相変調器６の位相変調に同期してフォトセンサ１
０のディジタル検出信号から切削ミラー５の高さ情報を
抽出する。すなわち、コンピュータ１３はフォトセンサ
１６のディジタル検出信号を所定のサンプリング周期で
取り込み、これらディジタル検出信号からレーザ光の各
光強度１ＯＮ（Ｎ−１，２，３，・・・）を求めてその
平均値１０Ｍ を求める。なお、Ｎはディジタル検出信号のサンプリン
グ回数である。

次に正規化されたレーザ発振器１の光強度Ｉ。Ｎ１　Ｏ
Ｎ−１ＯＮ／　Ｉ　ｏｙ　　　　　　　　　　−（２）
を求める。

次にフォトセンサ１０のディジタル検出信号を所定のサ
ンプリング周期で取り込み、これらディジタル検出信号
から干渉光の各光強度ＩＮを求める。そして、この光強
度ＩＮに対してｌ。Ｎにより除算してレーザ発振器１の
レーザ光強度の変動に左右されない干渉光強度ＩＭ Ｉ　Ｍ　−Ｉ　Ｎ／　ｌ　ｏＮ・・・（３）を求める。

次にコンピュータ１３はこの干渉光強度ＩＭを用いて切
削ミラー５の高さ情報を求める。すなわち、フォトセン
サ１０のディジタル検出信号から第２図に示すように干
渉光の強度変化を求め、この干渉光の強度変化を関数Ｆ
ｏで表すと、Ｆ　ｏ　＝　Ｒｅ　ＩＦ（ｉ）ｌ＋　Ｉ　
ｍ　ＩＰ（ｖ）ｌ　　　　−（４）となる。ここで、ω
は干渉光の強度変化の周波数であり、Ｒｅは実部、１ｍ
は虚部である。そして、干渉光の強度変化を関数Ｆ。に
おいて最大値を前記干渉光強度ＩＭとする。この式から
干渉光の位相ψは ψ−ｔａｎ−’　［Ｉ　ｍ　ＩＦ（＆ｌ））／　Ｒｅ　
ＩＦ（ｖ）ｌ］・・・（５） を演算することにより求められる。しかるに、コンピュ
ータ１３は干渉光の位相ψから切削ミラー５の高さ情報
を求め、この高さ情報をＸＹステージ８の移動に対応し
て記憶することにより切削ミラー５の表面形状を求める
。

このように上記一実施例においては、レーザ発振器１か
ら出力されるレーザ光の光強度を検比し、この光強度に
より干渉光の光強度に対するレーザ光の変動に対する補
正を行いかつ位相変調器６の位相変調に同期して切削ミ
ラー５の高さ情報を求めるようにしたので、レーザ発振
器１から出力されるレーザ光の光強度が位相変調の１周
期内に変動してもこの変動の影響を受けずに切削ミラー
５の高さ情報及び表面形状を求めることができる。

この場合、レーザ光の光強度はビームエキスパンダ２で
拡大されたレーザ光から検出しているので、ビームエキ
スパンダ２における光強度変動も含んでおり、ビームエ
キスパンダ２による変動も補正できる。

次に本発明の第２実施例について第３図に示すサブフリ
ンジ干渉計測装置の構成図を参照して説明する。なお、
第１図と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明
は省略する。

同装置では位相変調器２０をレーザ発振器１とビームエ
キスパンダ２との間におけるレーザ発振器１のレーザ出
力光路上に配置し、かつ偏光ビームスプリッタ２１を配
置したものとなっている。

そして、位相変調器２０にタイミング生成回路２２を接
続し、さらに符号変換回路２３を接続してタイミング生
成回路２２からのタイミング信号をコード化してコンピ
ュータ１３に送るようになっている。

かかる構成でも上記第１実施例と同様な効果を奏するこ
とができる。

なお、本発明は上記各実施例に限定されるものでなくそ
の主旨を逸脱しない範囲で変形しても良い。

［発明の効果］ 以上詳記したように本発明によれば、レーザ光の光強度
の変動に影響されずに高精度に干渉光の位相を検出でき
るサブフリンジ干渉計測装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係わるサブフリンジ干渉計
測装置の第１実施例を説明するための図であって、第１
図は構成図、第２図は位相変調のタイミング図、第３図
は本発明の第２実施例をの構成図である。 １・・・レーザ発振器、２・・・ビームエキスパンダ、
３・・・ビームスプリッタ、４・・参照ミラー、５・・
・切削ミラー、６，２０・・・位相変調器、７，１１゜
１５・・・集光レンズ、８・・・ＸＹステージ、９・・
・対物レンズ、１０．１６・・・フォトセンサ、１２゜
１７・・・Ａ／Ｄ変換器、１３・・・コンピュータ、１
４・・・ビームスプリッタ、１８．２２・・・タイミン
グ生成回路、１９．２３・・・符号変換回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１０ 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレー
   ザ光をそれぞれ２方向に分岐してその一方を参照光とし
   て参照ミラーに送るとともに他方のレーザ光を試料に送
   り、かつ前記参照ミラーで反射した参照光と前記試料か
   らの物体光とを重ね合わせるビームスプリッタと、この
   ビームスプリッタにより２方向に分岐した各レーザ光間
   の位相差を変調する位相変調器と、前記レーザ発振器か
   ら出力されたレーザ光の光強度を検出するレーザ光検出
   器と、前記ビームスプリッタで重ね合わされた光の強度
   を検出する測定光検出器と、前記レーザ光検出器からの
   検出信号を受けて前記測定光検出器からの検出信号に対
   する前記レーザ光の変動に対する補正を行いかつ前記位
   相変調器の位相変調に同期して前記測定光検出器の検出
   信号から前記試料の高さ情報を抽出する信号演算手段と
   を具備したことを特徴とするサブフリンジ干渉計測装置
   。