JPH04310811A - 光ヘテロダイン干渉測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光軸方向に垂直な方向
への被測定物との間の相対移動を伴って測定を行う光ヘ
テロダイン干渉測定装置に関し、特に被測定物表面と対
物レンズとの間隔を一定に保持しながら測定を行う光ヘ
テロダイン干渉測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光ヘテロダイン干渉測定
装置は図５に示されるように構成されていた。

【０００３】図５を参照して従来の光ヘテロダイン干渉
測定装置を説明すると、Ｈｅ−Ｎｅレ−ザ−等のレ−ザ
−光源１００から出射された周波数ｆ０の直線偏光レ−
ザ−光Ｌは、戻り光がレ−ザ−光源１００に入らないよ
うにする光アイソレ−タ１０１を通過したのち、偏光ビ
−ムスプリッタ１０２に入射させられる。レ−ザ−光源
１００の姿勢は、レ−ザ−光Ｌの偏波面（電気ベクトル
の振動面）が紙面（図５が描かれている紙面）に対して
方位角４５度の角度で傾斜するように設定されており、
そのレ−ザ−光Ｌのうち偏波面が紙面と平行なＰ偏光成
分のビ−ムＬｐは上記偏光ビ−ムスプリッタ１０２を透
過させられ、偏波面が紙面と垂直なＳ偏光成分のビ−ム
Ｌｓは偏光ビ−ムスプリッタ１０２により反射される。

【０００４】偏光ビ−ムスプリッタ１０２を透過したＰ
偏光成分のビ−ムＬｐは、音響光学変調器１０３により
＋ｆ１の周波数シフトを受けて周波数がｆ０＋ｆ１とさ
れた後、ミラ−１０４で反射されて偏光ビ−ムスプリッ
タ１０７に入射させられる。また、偏光ビ−ムスプリッ
タ１０２で反射されたＳ偏光成分のビ−ムＬｓはミラ−
１０５によって更に反射され、音響光学変調器１０６に
より＋ｆ２の周波数シフトを受けて周波数がｆ０＋ｆ２
とされた後、偏光ビ−ムスプリッタ１０７に入射させら
れる。上記周波数シフト量ｆ１およびｆ２は、例えば８
０ＭＨｚと８０．１ＭＨｚなど数百ｋＨｚから数ＭＨｚ
程度の周波数差を有するように設定される。

【０００５】偏光ビ−ムスプリッタ１０７により重ね合
わされたＰ偏光成分のビ−ムＬｐおよびＳ偏光成分のビ
−ムＬｓは、無偏光ビ−ムスプリッタ１０８により２分
され、透過させられたビ−ムはミラ−１０９で反射され
て無偏光ビ−ムスプリッタ１１０に入射させられ更に２
分される。無偏光ビ−ムスプリッタ１１０を透過したＰ
偏光成分のビ−ムＬｐおよびＳ偏光成分のビ−ムＬｓは
偏光板１１１を通過することにより干渉光となり基準ビ
−ト信号ＳＢ検出用の光検出器１１２に照射される。

【０００６】無偏光ビ−ムスプリッタ１１０で反射され
たＰ偏光成分のビ−ムＬｐおよびＳ偏光成分のビ−ムＬ
ｓは偏光ビ−ムスプリッタ１１３に入射させられて、偏
波面の向きによって分離され、Ｐ偏光成分のビ−ムＬｐ
は偏光ビ−ムスプリッタ１１３を透過させられる。透過
させられたＰ偏光成分のビ−ムＬｐはビ−ムエキスパン
ダ−１１４によりビ−ム径を拡大された後、対物レンズ
１１５により集光されて被測定物１１６の表面１１７に
照射される。被測定物１１６は、モ−タ等の駆動源１１
８によって上記Ｐ偏光成分のビ−ムＬｐの光軸に対して
直角なＸ−Ｙ平面内を２次元方向へ移動させられる移動
テ−ブル１１９上に配置されている。被測定物１１６の
表面１１７で反射されたＰ偏光成分のビ−ムＬｐは再び
対物レンズ１１５、ビ−ムエキスパンダ−１１４および
偏光ビ−ムスプリッタ１１３を透過させられて、無偏光
ビ−ムスプリッタ１１０で２分させられ、無偏光ビ−ム
スプリッタ１１０を透過させられたＰ偏光成分のビ−ム
Ｌｐは、偏光板１２０を通過させられた後計測ビ−ト信
号ＳＤ１検出用の光検出器１２１に照射される。

【０００７】一方、偏光ビ−ムスプリッタ１１３で反射
されたＳ偏光成分のビ−ムＬｓは無偏光ビ−ムスプリッ
タ１２２で反射されてミラ−１２３に照射される。ミラ
−１２３は、対物レンズ１１５とともに取り付け枠１２
４に取り付けられ固定されている。取り付け枠１２４に
はＰＺＴ等の圧電変位素子１２５の一方の端面が取り付
けられ、圧電変位素子１２５の変位により取り付け枠１
２４、結果的には対物レンズ１１５およびミラ−１２３
が光軸方向に変位させられる。ミラ−１２３で反射され
たＳ偏光成分のビ−ムＬｓは、無偏光ビ−ムスプリッタ
１２２で２分され、反射された光は偏光ビ−ムスプリッ
タ１１３においても反射される。偏光ビ−ムスプリッタ
１１３により反射されたＳ偏光成分のビ−ムＬｓは、無
偏光ビ−ムスプリッタ１１０で２分され、無偏光ビ−ム
スプリッタ１１０を透過させられたＳ偏光成分のビ−ム
Ｌｓは偏光板１２０により前記Ｐ偏光成分のビ−ムＬｐ
と干渉させられた後計測ビ−ト信号ＳＤ１検出用の光検
出器１２１に照射される。

【０００８】次に、上記無偏光ビ−ムスプリッタ１２２
を透過させられたＳ偏光成分のビ−ムＬｓは、偏光ビ−
ムスプリッタ１２６で反射されて、偏光板１２７を通過
させられた後、計測ビ−ト信号ＳＤ２検出用の光検出器
１２８に照射される。

【０００９】また、無偏光ビ−ムスプリッタ１０８で反
射されたＰ偏光成分のビ−ムＬｐおよびＳ偏光成分のビ
−ムＬｓは、偏光ビ−ムスプリッタ１２６において偏波
面の向きによって分離され、Ｐ偏光成分のビ−ムＬｐは
偏光ビ−ムスプリッタ１２６を透過させられる。透過さ
せられたＰ偏光成分のビ−ムＬｐは偏光板１２７により
前記Ｓ偏光成分のビ−ムＬｓと干渉させられた後、計測
ビ−ト信号ＳＤ２検出用の光検出器１２８に照射される
。

【００１０】上記光検出器１１２、１２１、１２８から
、光検出器１１２、１２１、１２８に入射される干渉光
の光強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３に対応して変化する基準ビ−
ト信号ＳＢ、計測ビ−ト信号ＳＤ１および計測ビ−ト信
号ＳＤ２が出力される。

【００１１】そして、コントロ−ラ１３２には増幅器１
２９および増幅器１３０で増幅された基準ビ−ト信号Ｓ
Ｂおよび計測ビ−ト信号ＳＤ１が供給され、コントロ−
ラ１３２の出力は圧電変位素子１２５に送出される。基
準ビ−ト信号ＳＢと計測ビ−ト信号ＳＤ１間の位相差の
変化分は被測定物１１６の表面１１７と対物レンズ１１
５との間隔の変化分に相当するので、コントロ−ラ１３
２により被測定物１１６の表面１１７と対物レンズ１１
５との光軸方向の間隔が一定に保つように制御される。

【００１２】また、上記基準ビ−ト信号ＳＢおよび計測
ビ−ト信号ＳＤ２は、それぞれ増幅器１２９および増幅
器１３１で増幅された後、計測手段１３３に供給される
。基準ビ−ト信号ＳＢと計測ビ−ト信号ＳＤ２間の位相
差の変化分は対物レンズ１１５の位置の変化分に相当す
るので、対物レンズ１１５の位置がわかり、従来の光ヘ
テロダイン干渉測定装置はこの対物レンズ１１５の位置
より被測定物１１６の表面１１７の高さ方向の形状を得
ていた。

【００１３】上述したように被測定物１１６の表面１１
７と対物レンズ１１５との間隔が一定になるように制御
することにより、従来の光ヘテロダイン干渉測定装置は
対物レンズ１１５の位置変化と被測定物１１６の表面１
１７の高さ変化とが一致しているとして対物レンズ１１
５の位置変化の情報のみから被測定物１１６の表面１１
７の形状を測定していた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな光ヘテロダイン干渉測定装置においては、対物レン
ズの位置変化の情報のみで被測定物表面の形状測定を行
い被測定物表面と対物レンズとの間隔の制御における誤
差を考慮していなかったため、制御誤差の影響を受け測
定誤差が発生していた。また、被測定物表面と対物レン
ズとの間隔の制御における対物レンズあるいは被測定物
を移動できる範囲を越えて測定ができなかった。また、
被測定物表面と対物レンズとの間隔の制御が故障等で機
能しなくなった場合、測定が不可能になっていた。

【００１５】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、その目的とするところは制御状
態を検出することにより高精度で制御範囲や制御性能の
制約を受けずに測定できる光ヘテロダイン干渉測定装置
を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の光ヘテロダイン干渉測定装置は、被測定物の
表面位置の測定を行う第１の光ヘテロダイン干渉測定手
段と、対物レンズの位置の測定を行う第２の光ヘテロダ
イン干渉測定手段と、前記第１および第２の光ヘテロダ
イン干渉測定手段から得られる被測定物の表面位置およ
び対物レンズの位置に関する情報に基づいて、被測定物
の表面と対物レンズとの間の相対距離を一定に保持する
制御手段と、上記第１および第２の光ヘテロダイン干渉
測定手段から得られる被測定物の表面位置および対物レ
ンズの位置に関する情報に基づいて、被測定物の表面形
状を測定する測定手段とを有することを特徴としている
。

【００１７】

【作用】上記の構成を有する本発明の光ヘテロダイン干
渉測定装置においては、第１の光ヘテロダイン干渉測定
手段は、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−ムと参照ビ−ムを分割して用いて、その計測
ビ−ムを対物レンズにより被測定物の表面に集光させる
と共にその表面で反射された反射光と前記参照ビ−ムと
を干渉させ、その干渉光を光センサに入射させることに
より第１の計測ビ−ト信号を取り出し、この計測ビ−ト
信号の周波数変化や位相変化に基づいて、被測定物の表
面位置を測定する。

【００１８】第２の光ヘテロダイン干渉測定手段は、第
１の光ヘテロダイン干渉測定手段とは別の計測ビ−ムと
参照ビ−ムを用いて、その計測ビ−ムを対物レンズの位
置を検出できる部分の表面に照射させると共にその表面
で反射された反射光と前記参照ビ−ムとを干渉させ、そ
の干渉光を光センサに入射させることにより第２の計測
ビ−ト信号を取り出し、この計測ビ−ト信号の周波数変
化や位相変化に基づいて、対物レンズの位置の測定を行
う。この第１および第２の光ヘテロダイン干渉測定手段
から得られる被測定物表面および対物レンズの位置情報
に基づいて、制御手段は被測定物表面と対物レンズとの
間の相対距離を一定に保持するように制御を行う一方、
測定手段は被測定物の表面形状を測定する。

【００１９】

【実施例】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。なお、以下の各光学素子は図示して
いない機枠に固定されて相対移動不能に設けられている
。

【００２０】最初に図１を参照して本実施例を説明する
と、Ｈｅ−Ｎｅレ−ザ−等のレ−ザ−光源１から出射さ
れた周波数ｆ０の直線偏光レ−ザ−光Ｌは、戻り光がレ
−ザ−光源１に入らないようにする光アイソレ−タ２を
通過したのちミラ−３によって反射され、偏光ビ−ムス
プリッタ４に入射させられる。レ−ザ−光源１の姿勢は
、レ−ザ−光Ｌの偏波面（電気ベクトルの振動面）が紙
面（図１が描かれている紙面）に対して方位角４５度の
角度で傾斜するように設定されており、そのレ−ザ−光
Ｌのうち偏波面が紙面と平行なＰ偏光成分は計測ビ−ム
Ｌｍとして上記偏光ビ−ムスプリッタ４を透過させられ
、偏波面が紙面と垂直なＳ偏光成分は参照ビ−ムＬｒと
して偏光ビ−ムスプリッタ４により反射される。

【００２１】偏光ビ−ムスプリッタ４を透過した計測ビ
−ムＬｍは、音響光学変調器５により＋ｆ１の周波数シ
フトを受けて周波数がｆ０＋ｆ１とされた後、偏光ビ−
ムスプリッタ６に入射させられる。また、偏光ビ−ムス
プリッタ４で反射された参照ビ−ムＬｒはミラ−７によ
って更に反射され、音響光学変調器８により＋ｆ２の周
波数シフトを受けて周波数がｆ０＋ｆ２とされた後、ミ
ラ−９によって反射されて偏光ビ−ムスプリッタ６に入
射させられる。上記周波数シフト量ｆ１およびｆ２は、
例えば８０ＭＨｚと８０．１ＭＨｚなど数百ｋＨｚから
数ＭＨｚ程度の周波数差を有するように設定される。

【００２２】偏光ビ−ムスプリッタ６により重ね合わさ
れた計測ビ−ムＬｍおよび参照ビ−ムＬｒは、無偏光ビ
−ムスプリッタ１０により２分され、その反射された光
は偏光板１１を通過することにより干渉光となりレンズ
１２で集光され基準ビ−ト信号ＳＲ検出用の光検出器１
３に照射される。無偏光ビ−ムスプリッタ１０を通過し
た計測ビ−ムＬｍおよび参照ビ−ムＬｒは無偏光ビ−ム
スプリッタ１４においても２分される。まず、無偏光ビ
−ムスプリッタ１４を透過させられた計測ビ−ムＬｍお
よび参照ビ−ムＬｒについて説明すると、透過させられ
た光は偏光ビ−ムスプリッタ１５に入射させられて、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−ムＬｒは偏光ビ−ムスプリッタ１５により反射され
る。偏光ビ−ムスプリッタ１５により反射されたレ−ザ
−光は、１／４波長板１６を介してミラ−１７に照射さ
れる。ミラ−１７により反射された参照ビ−ムＬｒは再
び１／４波長板１６を通過させられることによりＰ偏光
とされて偏光ビ−ムスプリッタ１５を透過させられ、偏
光板１８を通過させられた後、レンズ１９により集光さ
れ計測ビ−ト信号ＳＭ１検出用の光検出器２０に照射さ
れる。

【００２３】一方、Ｐ偏光成分から成る計測ビ−ムＬｍ
は、上記偏光ビ−ムスプリッタ１５を通過させられた後
１／４波長板２１を経て対物レンズ２２で集光されて被
測定物２３の表面２４に照射される。被測定物２３は、
モ−タ等の駆動源２５によって上記計測ビ−ムＬｍの光
軸に対して直角なＸ−Ｙ平面内を２次元方向へ移動させ
られる移動テ−ブル２６上に配置されている。被測定物
２３の表面２４で反射された計測ビ−ムＬｍは、対物レ
ンズ２２を経て再び１／４波長板２１を通過させられる
ことにより往路に対して偏波面が９０度回転した直線偏
光すなわちＳ偏光とされているため、偏光ビ−ムスプリ
ッタ１５によって反射させられるとともに偏光板１８に
より前記参照ビ−ムＬｒと干渉させられた後レンズ１９
により集光され計測ビ−ト信号ＳＭ１検出用の光検出器
２０に照射される。ここで検出される計測ビ−ト信号Ｓ
Ｍ１が第１の光ヘテロダイン干渉測定手段における計測
ビ−ト信号に相当する。

【００２４】次に無偏光ビ−ムスプリッタ１４により反
射させられた計測ビ−ムＬｍおよび参照ビ−ムＬｒはミ
ラ−２７、２８により反射させられて偏光ビ−ムスプリ
ッタ２９に入射させられる。偏光ビ−ムスプリッタ２９
に入射させられた光は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−ムＬｒは偏光ビ−ムスプリ
ッタ２９により反射される。偏光ビ−ムスプリッタ２９
により反射させられたレ−ザ−光は、１／４波長板３０
を介してミラ−３１に照射される。ミラ−３１により反
射された参照ビ−ムＬｒは再び１／４波長板３０を通過
させられることによりＰ偏光とされて偏光ビ−ムスプリ
ッタ２９を透過させられ、偏光板３２を通過させられた
後レンズ３３により集光され計測ビ−ト信号ＳＭ２検出
用の光検出器３４に照射される。

【００２５】一方、Ｐ偏光成分から成る計測ビ−ムＬｍ
は、上記偏光ビ−ムスプリッタ２９を通過させられた後
１／４波長板３５を経てミラ−３６により反射されてミ
ラ−３７に照射される。ミラ−３７は、対物レンズ２２
とともに取り付け枠３８に取り付けられ固定されている
。取り付け枠３８にはＰＺＴ等の圧電変位素子３９の一
方の端面が取り付けられ、圧電変位素子３９の変位によ
り取り付け枠３８が、そして結果的には対物レンズ２２
およびミラ−３７が光軸方向に変位させられる。ミラ−
３７で反射された計測ビ−ムＬｍは、ミラ−３６で反射
されて再び１／４波長板３５を通過させられることによ
り往路に対して偏波面が９０度回転した直線偏光すなわ
ちＳ偏光とされて、偏光ビ−ムスプリッタ２９によって
反射させられるとともに偏光板３２により前記参照ビ−
ムＬｒと干渉させられた後レンズ３３により集光され計
測ビ−ト信号ＳＭ２検出用の光検出器３４に照射される
。ここで検出される計測ビ−ト信号ＳＭ２が第２の光ヘ
テロダイン干渉測定手段における計測ビ−ト信号に相当
する。

【００２６】上記光検出器１３、２０、３４に入射され
る干渉光の光強度Ｉｂ、Ｉｄ１、Ｉｄ２は、それぞれ次
式（１）、（２）、（３）で表され、それらの光検出器
１３、２０、３４からはその光強度Ｉｂ、Ｉｄ１、Ｉｄ
２に対応して変化する基準ビ−ト信号ＳＲ、計測ビ−ト
信号ＳＭ１および計測ビ−ト信号ＳＭ２が出力される。

【００２７】

【数１】

【００２８】

【数２】

【００２９】そして、上記基準ビ−ト信号ＳＲ、計測ビ
−ト信号ＳＭ１および計測ビ−ト信号ＳＭ２は、それぞ
れ増幅器４０、増幅器４１、および増幅器４２で増幅さ
れた後、計測手段４３に供給される。計測手段４３は、
例えば図２のブロック線図に示されているように構成さ
れ、上記ビ−ト信号ＳＲ、ＳＭ２は波形整形回路６０に
よってそれぞれ矩形のパルス波形に整形された後、偏差
カウンタ回路６１に供給される。偏差カウンタ回路６１
は、図示しないタイミング信号発生回路から供給される
タイミング信号にしたがって計測ビ−ト信号ＳＭ２のビ
−ト数Ｃｄ２と基準ビ−ト信号ＳＲのビ−ト数Ｃｂとの
偏差（Ｃｄ２−Ｃｂ）を計数し、その偏差（Ｃｄ２−Ｃ
ｂ）はラッチ回路６２に一時記憶される。

【００３０】また、上記パルス波形に整形された基準ビ
−ト信号ＳＲおよび計測ビ−ト信号ＳＭ２は、水晶発振
器６４から出力される一定のクロック周波数ｆｃの基準
パルス信号ＫＳと共にＡＮＤ回路６５に供給される。基
準ビ−ト信号ＳＲはＮＯＴ回路６３を経てＡＮＤ回路６
５に供給されるようになっていて、ＡＮＤ回路６５を通
過した基準パルス信号ＫＳのパルス数ＣＩ１がカウンタ
回路６６によって計数される。このパルス数ＣＩ１は、
基準ビ−ト信号ＳＲと計測ビ−ト信号ＳＭ２との位相差
に対応するもので、ラッチ回路６７に一時記憶される。 上記基準パルス信号ＫＳのクロック周波数ｆｃは、例え
ば１００ＭＨｚ程度に設定される。

【００３１】一方、計測ビ−ト信号ＳＭ１と計測ビ−ト
信号ＳＭ２に関しても、上記と同様にして、計測ビ−ト
信号ＳＭ１のビ−ト数Ｃｄ１と計測ビ−ト信号ＳＭ２の
ビ−ト数Ｃｄ２との偏差（Ｃｄ１−Ｃｄ２）はラッチ回
路７０に一時記憶され、計測ビ−ト信号ＳＭ１と計測ビ
−ト信号ＳＭ２との位相差に対応するパルス数ＣＩ２は
ラッチ回路７４に一時記憶される。

【００３２】そして、上記ラッチ回路６２に一時記憶さ
れた偏差（Ｃｄ２−Ｃｂ）、上記ラッチ回路６７に一時
記憶されたパルス数ＣＩ１、上記ラッチ回路７０に一時
記憶された偏差（Ｃｄ１−Ｃｄ２）、上記ラッチ回路７
４に一時記憶されたパルス数ＣＩ２はマイクロコンピュ
−タ７５に読み込まれる。マイクロコンピュ−タ７５は
、ＲＯＭ７６に予め記憶されたプログラムにしたがって
ＲＡＭ７７を利用し信号処理を行い、駆動制御回路７８
により前記駆動源２５を作動させて移動テ−ブル２６を
Ｘ−Ｙ方向へ移動させつつ、上記偏差（Ｃｄ２−Ｃｂ）
およびパルス数ＣＩ１に基づいてミラ−３７すなわち対
物レンズ２２の位置（以下では、対物レンズ２２の位置
と記述する）を求め、偏差（Ｃｄ１−Ｃｄ２）およびパ
ルス数ＣＩ２に基づいて対物レンズ２２と被測定物２３
の表面２４との間隔が求められる。この対物レンズ２２
の位置および対物レンズ２２と被測定物２３の表面２４
との間隔の情報により、後述するように被測定物２３の
表面２４の凹凸形状を求め、その結果をディスプレイ７
９に表示させる。

【００３３】図１に示されるコントロ−ラ４４にも図示
されていないが増幅された後の計測ビ−ト信号ＳＭ１と
計測ビ−ト信号ＳＭ２が供給され、コントロ−ラ４４の
出力は圧電変位素子３９に送出される。コントロ−ラ４
４は、例えば図３のブロック線図に示されているように
構成され、上記計測ビ−ト信号ＳＭ１と計測ビ−ト信号
ＳＭ２は位相検出器８０に供給され、位相検出器８０に
より計測ビ−ト信号ＳＭ１と計測ビ−ト信号ＳＭ２との
位相差信号が検出される。この位相差信号はＰＩ制御器
８１に与えられ、ＰＩ制御器８１の出力は増幅器８２で
増幅された後、圧電変位素子３９に供給される。

【００３４】次に、図１乃至図３を参照して本実施例の
光ヘテロダイン干渉測定装置の動作を説明する。

【００３５】まず、コントロ−ラ４４の動作について説
明する。上記ＰＩ制御器８１は圧電変位素子３９に与え
る電圧Ｖに対して次式（４）に示されるように計測ビ−
ト信号ＳＭ１と計測ビ−ト信号ＳＭ２間の位相差とその
位相差の時間積分値とに比例した制御を行なう。

【００３６】

【数３】

【００３７】ここで、Ｐは計測ビ−ト信号ＳＭ１と計測
ビ−ト信号ＳＭ２間の位相差 ａ、ｂは定数 ｔは時間である。

【００３８】計測ビ−ト信号ＳＭ１と計測ビ−ト信号Ｓ
Ｍ２間の位相差の変化分は被測定物２３の表面２４と対
物レンズ２２との間隔の変化分に相当するので、このよ
うな制御によれば、コントロ−ラ４４により被測定物２
３の表面２４と対物レンズ２２との光軸方向の間隔が一
定に保つように制御される。このような制御による実験
によれば、数ナノメ−タの制御誤差があり、被測定物２
３の表面２４と対物レンズ２２との間隔が数ナノメ−タ
程度変動していることがわかっている。また、どのよう
な制御によっても制御誤差を零にすることは不可能であ
る。

【００３９】次に、計測手段４３の動作について説明す
る。

【００４０】前述したように、基準ビ−ト信号ＳＲと計
測ビ−ト信号ＳＭ２間の位相差の変化分は対物レンズ２
２の位置の変化分に相当し、計測ビ−ト信号ＳＭ１と計
測ビ−ト信号ＳＭ２間の位相差の変化分は対物レンズ２
２と被測定物２３の表面２４との間隔の変化分に相当す
るので、対物レンズ２２の位置および対物レンズ２２と
被測定物２３の表面２４との間隔がわかり、この対物レ
ンズ２２の位置および対物レンズ２２と被測定物２３の
表面２４との間隔より被測定物２３の表面２４の高さ方
向の形状を得ることができる。

【００４１】表面２４の高さの変化分をΔＺとすると、
次式（５）で表わされる。ΔＺ１＋ΔＺ２は第２の光ヘ
テロダイン干渉測定手段により検出された対物レンズ２
２の位置の変化量であり、ΔＺ３＋ΔＺ４は第１および
第２の光ヘテロダイン干渉測定手段により検出された被
測定物２３の表面２４と対物レンズ２２との間隔の変化
量である。ΔＺ１は次式（６）にしたがって算出される
が、これは１／２波長オ−ダ−の基準ビ−ト信号ＳＲに
対する計測ビ−ト信号ＳＭ２の位相変化に相当する。ま
たΔＺ２は１／２波長以下の基準ビ−ト信号ＳＲに対す
る計測ビ−ト信号ＳＭ２の位相変化に相当し、次式（７
）にしたがって算出される。同様に、ΔＺ３は次式（８
）にしたがって算出されるが、これは１／２波長オ−ダ
−の計測ビ−ト信号ＳＭ２に対する計測ビ−ト信号ＳＭ
１の位相変化に相当する。またΔＺ４は１／２波長以下
の計測ビ−ト信号ＳＭ２に対する計測ビ−ト信号ＳＭ１
の位相変化に相当し、次式（９）にしたがって算出され
る。基準ビ−ト信号ＳＲの周波数ｆｂ、クロック周波数
ｆｃをそれぞれ１００ｋＨｚ、１００ＭＨｚとすると、
ΔＺ２、およびΔＺ４は１／２０００波長のオ−ダ−で
算出されることになる。

【００４２】

【数４】

【００４３】なお、（５）〜（９）式のλはそれぞれ計
測ビ−ムＬｍの波長である。

【００４４】このように対物レンズ２２の位置および対
物レンズ２２と被測定物２３の表面２４との間隔より被
測定物２３の表面２４の高さ方向の形状を得ているので
、被測定物２３の表面２４と対物レンズ２２との間隔の
制御における制御誤差を含まずに高精度で被測定物２３
の表面２４の高さ方向の形状を得ることができる。また
、被測定物２３の表面２４と対物レンズ２２との間隔の
制御が故障等の異常事態に陥った場合でも、被測定物２
３の表面２４の高さ方向の形状を測定できる。また、被
測定物２３の表面２４と対物レンズ２２との間隔の制御
を行っているため被測定物２３の表面２４に照射される
レ−ザ−光のスポット径が一定に保たれているので、被
測定物２３の表面２４の高さ方向に対する測定範囲を長
範囲にすることができ、且つ表面２４に収束光を照射し
て測定することに起因する測定誤差を１ナノメ−トル以
下に抑制できる。

【００４５】次に、本発明の他の実施例を説明する。な
お、以下の実施例において前記第１実施例と実質的に共
通する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。

【００４６】図４に示す第２の実施例は、前記音響光学
変調器５をミラ−７と音響光学変調器８との間に配置し
、計測ビ−ムＬｍの周波数はｆ０のままにする一方、参
照ビ−ムＬｒの周波数がｆ０＋ｆ１−ｆ２となるように
したもので、前記実施例と実質的に同じものである。 このような構成にすると、計測ビ−ムＬｍに音響光学変
調器による周波数シフトが施されないため、計測ビ−ム
Ｌｍの波面が歪まない状態で被測定物２３の表面２４の
高さ方向の形状を測定でき、Ｓ／Ｎ比の高い測定が可能
となる。

【００４７】本発明は以上詳述した実施例に限定される
ものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々
の変更を加えることができる。

【００４８】例えば、第１の実施例では、レ−ザ−光源
１及び音響光学変調器５、８により計測ビ−ムＬｍの周
波数はｆ０＋ｆ１とされ、参照ビ−ムＬｒの周波数はｆ
０＋ｆ２とされているが、横ゼ−マンレ−ザ−等の２周
波直交レ−ザ−光を放射するレ−ザ−光源を用いること
も可能である。なお、２個の音響光学変調器５、８が用
いられているが、必要に応じて１個、或は３個以上の音
響光学変調器やその他の光学素子を採用することもでき
る。

【００４９】また、第１の実施例において、光アイソレ
−タ２を省略したり、レ−ザ−光のビ−ム径を拡大する
ビ−ムエキスパンダ−を例えば偏光ビ−ムスプリッタ６
と無偏光ビ−ムスプリッタ１０との間に挿入したり、レ
ンズ１２、１９、３３を省略したりすることも可能であ
る。

【００５０】また、第１の実施例では、取り付け枠３８
を移動させるアクチュエ−タとして圧電変位素子３９を
利用しているが、モ−タ等の他のアクチュエ−タを使用
してもよい。

【００５１】また、第１の実施例では、移動テ−ブル２
６を移動させることにより被測定物２３の表面２４を走
査して測定しているが、被測定物２３を固定し光ヘテロ
ダイン干渉測定装置を移動して走査してもよい。

【００５２】また、第１の実施例では、バルクの光学素
子を用いて光学系を構成しているが、光導波路を用いた
光集積回路のような光学系を使用してもよい。

【００５３】また、第１の実施例では、制御手段４４に
おいてＰＩ制御がなされているが、ＰＩＤ制御やオブザ
−バ−等を利用した現代制御を適用してもよい。

【００５４】その他一々例示はしないが、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。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の光ヘテロダイン干渉測定装置によれば、被測定物
の表面と対物レンズとの間隔を一定に保持するように制
御しながら、被測定物の表面と対物レンズとの間隔およ
び対物レンズの位置を測定しているため、被測定物の表
面と対物レンズとの間隔の制御における制御誤差を含ま
ないで高精度に被測定物の表面の高さ方向の形状を得る
ことができる。また、被測定物の表面と対物レンズとの
間隔の制御が故障等の異常事態に陥った場合でも、被測
定物の表面の高さ方向の形状を測定できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】光ヘテロダイン干渉測定装置の光学構成を説明
する図である。

【図２】図１における計測手段の構成を説明するブロッ
ク線図である。

【図３】図１における制御手段の構成を説明するブロッ
ク線図である。

【図４】他の実施例の要部を説明する図である。

【図５】従来の光ヘテロダイン干渉測定装置の光学構成
を説明する図である。

【符号の説明】

１　　　　レ−ザ−光源 ５　　　　音響光学変調器 ８　　　　音響光学変調器 １１　　偏光板 １３　　光検出器 １６　　１／４波長板 １７　　ミラ− １８　　偏光板 ２０　　光検出器 ２１　　１／４波長板 ２２　　対物レンズ ２３　　被測定物 ２４　　表面 ２５　　駆動源 ２６　　移動テ−ブル ３０　　１／４波長板 ３１　　ミラ− ３２　　偏光板 ３４　　光検出器 ３５　　１／４波長板 ３７　　ミラ− ３８　　取り付け枠 ３９　　圧電変位素子 ４３　　計測手段 ４４　　制御手段 ７５　　マイクロコンピュ−タ ７６　　ＲＯＭ ７７　　ＲＡＭ ７８　　駆動制御回路 ７９　　ディスプレイ ８０　　位相検出器 ８１　　ＰＩ制御器 ８２　　増幅器 １００　　レ−ザ−光源 １０３　　音響光学変調器 １０６　　音響光学変調器 １１１　　偏光板 １１２　　光検出器 １１５　　対物レンズ １１６　　被測定物 １１７　　表面 １１８　　駆動源 １１９　　移動テ−ブル １２０　　偏光板 １２１　　光検出器 １２３　　ミラ− １２４　　取り付け枠 １２５　　圧電変位素子 １２７　　偏光板 １２８　　光検出器 １３２　　制御手段 １３３　　計測手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　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−ムと参照ビ−ムを用いて、該計測ビ
   −ムを対物レンズにより被測定物の表面に集光させると
   共に該表面で反射された反射光と前記参照ビ−ムとを干
   渉させ、該干渉光を光センサに入射させることにより計
   測ビ−ト信号を取り出し、該計測ビ−ト信号の周波数変
   化や位相変化に基づいて、光軸方向に垂直な方向への被
   測定物との間の相対移動を伴って測定を行う光ヘテロダ
   イン干渉測定装置において、被測定物の表面位置の測定
   を行う第１の光ヘテロダイン干渉測定手段と、対物レン
   ズの位置の測定を行う第２の光ヘテロダイン干渉測定手
   段と、前記第１および第２の光ヘテロダイン干渉測定手
   段から得られる被測定物の表面位置および対物レンズの
   位置に関する情報に基づいて、被測定物の表面と対物レ
   ンズとの間の相対距離を一定に保持する制御手段と、上
   記第１および第２の光ヘテロダイン干渉測定手段から得
   られる被測定物の表面位置および対物レンズの位置に関
   する情報に基づいて、被測定物の表面形状を測定する測
   定手段とを備えることを特徴とする光ヘテロダイン干渉
   測定装置。
2. 【請求項２】　　被測定物表面からの反射光の一部を焦
   点誤差信号を得ることができるように変換する光学手段
   と、前記光学手段からの光を受光し、被測定物表面の対
   物レンズによる放射光の集光位置からのずれによって生
   じる光路の変化を検出する焦点誤差検出手段とを備え、
   焦点誤差検出手段からの焦点誤差信号によって前記対物
   レンズまたは被測定物を光軸方向に移動させ、常に前記
   被測定物表面上に集光位置を位置させる構成とした請求
   項１に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。