JPH06331314A - 変位測定方法及びそれに用いる変位測定装置 - Google Patents
変位測定方法及びそれに用いる変位測定装置Info
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- JPH06331314A JPH06331314A JP5122716A JP12271693A JPH06331314A JP H06331314 A JPH06331314 A JP H06331314A JP 5122716 A JP5122716 A JP 5122716A JP 12271693 A JP12271693 A JP 12271693A JP H06331314 A JPH06331314 A JP H06331314A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 複数波長のレーザ光を発振可能な単一光源、
集積化光学部品を用いて、判別可能な不連続変位の最大
値の拡大を図るとともに、迅速・高精度・高安定な変位
測定法、小形で耐振性の変位測定装置を提供。 【構成】 発光電流の値により波長の異なる２種類以上
のレーザ光を発振するレーザダイオード光源１と、結晶
基板４に入力側偏光子５，レーザ光を参照光と照射光に
分割する３ｄＢカプラ６，位相変調用電極７ａ〜７ｃ，
位相変調器１８等の光学要素を集積した光導波路型干渉
系とを主要な部分とする。参照光の反射鏡９による反射
光と照射光の被測定物１２からの反射光を３ｄＢカプラ
６で干渉させ、干渉光を検出して被測定物の表面におけ
る微小部分の変位を測定する。
集積化光学部品を用いて、判別可能な不連続変位の最大
値の拡大を図るとともに、迅速・高精度・高安定な変位
測定法、小形で耐振性の変位測定装置を提供。 【構成】 発光電流の値により波長の異なる２種類以上
のレーザ光を発振するレーザダイオード光源１と、結晶
基板４に入力側偏光子５，レーザ光を参照光と照射光に
分割する３ｄＢカプラ６，位相変調用電極７ａ〜７ｃ，
位相変調器１８等の光学要素を集積した光導波路型干渉
系とを主要な部分とする。参照光の反射鏡９による反射
光と照射光の被測定物１２からの反射光を３ｄＢカプラ
６で干渉させ、干渉光を検出して被測定物の表面におけ
る微小部分の変位を測定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学的干渉による被測
定物の変位測定方法及びそれに用いる変位測定装置に関
するものである。
定物の変位測定方法及びそれに用いる変位測定装置に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】レーザ、エレクトロニクス、マイクロコ
ンピュータ、センサ素子等の発達により、可干渉性に優
れるレーザ光を用いた光学的干渉による表面の微小部分
の変位測定方法が普及している。レーザ光を用いたこの
変位測定は、非接触でかつ高精度に行うことができる。
例えば、結晶ウェハ、光学部品、Ｘ線用ミラー等の表面
粗さの測定に利用されている。
ンピュータ、センサ素子等の発達により、可干渉性に優
れるレーザ光を用いた光学的干渉による表面の微小部分
の変位測定方法が普及している。レーザ光を用いたこの
変位測定は、非接触でかつ高精度に行うことができる。
例えば、結晶ウェハ、光学部品、Ｘ線用ミラー等の表面
粗さの測定に利用されている。
【０００３】上述のレーザ光を用いた光学的干渉による
表面の微小部分の変位測定方法は、一般に次のような構
成である。レーザ発振器から放射されたレーザ光をハー
フミラー、偏光ビームスプリッター等で参照光と照射光
とに分割し、一方の参照光を参照光反射用鏡で反射さ
せ、他方の照射光を被測定物に照射して反射させ、光路
長の違いから位相差の生じたこれら二つの反射光を干渉
させる。この干渉光を光検出素子で検知して、干渉の様
子によって被測定物における表面の微小部分の変位を測
定する。レーザ光を用いた光学的干渉による表面の微小
部分の変位測定方法において、判別可能な不連続変位の
最大値は、測定に用いるレーザ光の波長λの半分であ
る。
表面の微小部分の変位測定方法は、一般に次のような構
成である。レーザ発振器から放射されたレーザ光をハー
フミラー、偏光ビームスプリッター等で参照光と照射光
とに分割し、一方の参照光を参照光反射用鏡で反射さ
せ、他方の照射光を被測定物に照射して反射させ、光路
長の違いから位相差の生じたこれら二つの反射光を干渉
させる。この干渉光を光検出素子で検知して、干渉の様
子によって被測定物における表面の微小部分の変位を測
定する。レーザ光を用いた光学的干渉による表面の微小
部分の変位測定方法において、判別可能な不連続変位の
最大値は、測定に用いるレーザ光の波長λの半分であ
る。
【０００４】しかし、従来の光学的干渉による被測定物
における表面の微小部分の変位測定方法では、単一波長
の光を発する光源を用いており、この光の単一波長より
大きな変位が不連続的に生じた場合、変位が判別できな
い。そこで、それぞれ波長の異なる単一波長の光を発す
る２種類以上の光源、例えば単一波長λ1 の光を発する
光源Ａと単一波長λ2 （＞λ1 ）の光を発する光源Ｂか
らの光を用いると、この両光の合成波長λ3 が、判別可
能な不連続変位の最大値を規制する。なお、両光の合成
波長λ3 は、下記の（１）式となる。 λ3 ＝１／（１／λ1 −１／λ2 ） （１） （１）式より、波長λ1 と波長λ2 との差が小さいほ
ど、合成波長λ3 が大きくなるので、判別可能な不連続
変位の最大値も大きくできることが分かる。それぞれ波
長の異なる光を発する２種類以上の光源を用いるには、
二つ以上のレーザ発振器を用いる方法、白色光を分光器
等で２波長以上の光に分割させる方法などで得ることが
できる。
における表面の微小部分の変位測定方法では、単一波長
の光を発する光源を用いており、この光の単一波長より
大きな変位が不連続的に生じた場合、変位が判別できな
い。そこで、それぞれ波長の異なる単一波長の光を発す
る２種類以上の光源、例えば単一波長λ1 の光を発する
光源Ａと単一波長λ2 （＞λ1 ）の光を発する光源Ｂか
らの光を用いると、この両光の合成波長λ3 が、判別可
能な不連続変位の最大値を規制する。なお、両光の合成
波長λ3 は、下記の（１）式となる。 λ3 ＝１／（１／λ1 −１／λ2 ） （１） （１）式より、波長λ1 と波長λ2 との差が小さいほ
ど、合成波長λ3 が大きくなるので、判別可能な不連続
変位の最大値も大きくできることが分かる。それぞれ波
長の異なる光を発する２種類以上の光源を用いるには、
二つ以上のレーザ発振器を用いる方法、白色光を分光器
等で２波長以上の光に分割させる方法などで得ることが
できる。
【０００５】なお、照射光の反射光と参照光の位相差を
測定する方法としては、ヘテロダイン干渉を生じさせ、
位相差計で位相を測定する方法、ヘテロダイン干渉を生
じさせ、ビート信号を測定する方法、ガラス基板上の光
導波路に抵抗加熱で位相変調を行い、位相変調による干
渉変化から位相を測定する方法、同時に２波長以上の光
を発するレーザを用いる方法がある。
測定する方法としては、ヘテロダイン干渉を生じさせ、
位相差計で位相を測定する方法、ヘテロダイン干渉を生
じさせ、ビート信号を測定する方法、ガラス基板上の光
導波路に抵抗加熱で位相変調を行い、位相変調による干
渉変化から位相を測定する方法、同時に２波長以上の光
を発するレーザを用いる方法がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、二つ以上の
レーザ発振器を用いる方法では、波長の異なる光を同一
の干渉系に導入したり、被測定物の表面の同一位置にこ
れらの光を導くことが、測定システムを複雑化する。そ
のため、装置の構成が大きくなり、ミラー、レンズ、プ
リズム等の光学要素の光学的調整が煩雑になったり、ま
た、わずかな衝撃や振動によって、光路の調整ずれが生
じる危険がある。そのうえ、わずかに波長の異なる光の
干渉の違いを検出するは、非常に安定性の優れた干渉系
を用いなければならない。白色光を分光器で用いて波長
の異なる二つの光に分割しても、分割された光は波長に
よって分光器からの射出角が異なるので、上述同様に、
分割された光を被測定物の表面の同一位置に導くため
に、特別の工夫が必要となる。
レーザ発振器を用いる方法では、波長の異なる光を同一
の干渉系に導入したり、被測定物の表面の同一位置にこ
れらの光を導くことが、測定システムを複雑化する。そ
のため、装置の構成が大きくなり、ミラー、レンズ、プ
リズム等の光学要素の光学的調整が煩雑になったり、ま
た、わずかな衝撃や振動によって、光路の調整ずれが生
じる危険がある。そのうえ、わずかに波長の異なる光の
干渉の違いを検出するは、非常に安定性の優れた干渉系
を用いなければならない。白色光を分光器で用いて波長
の異なる二つの光に分割しても、分割された光は波長に
よって分光器からの射出角が異なるので、上述同様に、
分割された光を被測定物の表面の同一位置に導くため
に、特別の工夫が必要となる。
【０００７】なお、照射光の反射光と参照光の位相差を
測定する方法には、次のような問題がある。すなわち、
位相差計で位相を測定する場合、ヘテロダイン干渉を生
じさせるためのＡＯＭ変調器や位相変調器が複数必要
で、小型に干渉系を組むことが困難であり、加えて位相
差計の応答速度が遅いため、測定に時間がかかる欠点が
ある。ヘテロダイン干渉を生じさせ、ビート信号を測定
する場合も上記と同様に、ＡＯＭ変調器や位相変調器が
複数必要で、小型に干渉系を組むことが難しく、しかも
半波長以下の変位は検出困難である。ガラス基板上の光
導波路に抵抗加熱で位相変調を行う場合は、温度上昇ま
での時間が電気光学効果に比べてはるかに遅いため、高
速な位相変調ができず、測定に時間がかかる欠点があ
る。２波長以上の光を発光するレーザを用いる場合、そ
れぞれの波長間のビート信号を測定するため、半波長以
下の変位は検出困難であり、λの数分の１の変位が実用
的な限界である。
測定する方法には、次のような問題がある。すなわち、
位相差計で位相を測定する場合、ヘテロダイン干渉を生
じさせるためのＡＯＭ変調器や位相変調器が複数必要
で、小型に干渉系を組むことが困難であり、加えて位相
差計の応答速度が遅いため、測定に時間がかかる欠点が
ある。ヘテロダイン干渉を生じさせ、ビート信号を測定
する場合も上記と同様に、ＡＯＭ変調器や位相変調器が
複数必要で、小型に干渉系を組むことが難しく、しかも
半波長以下の変位は検出困難である。ガラス基板上の光
導波路に抵抗加熱で位相変調を行う場合は、温度上昇ま
での時間が電気光学効果に比べてはるかに遅いため、高
速な位相変調ができず、測定に時間がかかる欠点があ
る。２波長以上の光を発光するレーザを用いる場合、そ
れぞれの波長間のビート信号を測定するため、半波長以
下の変位は検出困難であり、λの数分の１の変位が実用
的な限界である。
【０００８】本発明は、上述のような事情に鑑みてなさ
れたものであり、複数波長のレーザ光が発振可能な単一
光源、及び集積化した光学要素を用いることにより、判
別可能な不連続変位の最大値の拡大を図るとともに、調
整容易で迅速・高精度・高安定な変位測定を可能とし、
その測定方法を用いた小形で衝撃・振動に強い変位測定
装置を提供することを目的とする。
れたものであり、複数波長のレーザ光が発振可能な単一
光源、及び集積化した光学要素を用いることにより、判
別可能な不連続変位の最大値の拡大を図るとともに、調
整容易で迅速・高精度・高安定な変位測定を可能とし、
その測定方法を用いた小形で衝撃・振動に強い変位測定
装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の変位測定方法
は、同一光源のレーザ光を参照光と照射光とに分割し
て、参照光を参照光反射用鏡に、照射光を被測定物にそ
れぞれ照射し、光路の違いによって位相差の生じた参照
光及び照射光のそれぞれの反射光を干渉させて、干渉光
から被測定物の表面の微小変位を測定する変位測定方法
において、発光電流の値によって波長の異なる２種類以
上のレーザ光を発振するレーザダイオード光源に、階段
波状に変調した発光電流を流して２種類以上の波長のレ
ーザ光を交互に発振させ、結晶基板上に構成した３ｄＢ
カプラでこのレーザ光を参照光と照射光とに分割し、こ
れら参照光及び照射光の一方を、あるいは両方を、結晶
基板上の光導波路を往復する間に、結晶基板上に構成し
た電気光学効果を利用する位相変調器によって位相変調
せしめるとともに、位相変調された参照光と照射光を３
ｄＢカプラで干渉させることを、第１の特徴としてい
る。
は、同一光源のレーザ光を参照光と照射光とに分割し
て、参照光を参照光反射用鏡に、照射光を被測定物にそ
れぞれ照射し、光路の違いによって位相差の生じた参照
光及び照射光のそれぞれの反射光を干渉させて、干渉光
から被測定物の表面の微小変位を測定する変位測定方法
において、発光電流の値によって波長の異なる２種類以
上のレーザ光を発振するレーザダイオード光源に、階段
波状に変調した発光電流を流して２種類以上の波長のレ
ーザ光を交互に発振させ、結晶基板上に構成した３ｄＢ
カプラでこのレーザ光を参照光と照射光とに分割し、こ
れら参照光及び照射光の一方を、あるいは両方を、結晶
基板上の光導波路を往復する間に、結晶基板上に構成し
た電気光学効果を利用する位相変調器によって位相変調
せしめるとともに、位相変調された参照光と照射光を３
ｄＢカプラで干渉させることを、第１の特徴としてい
る。
【００１０】また、本発明の変位測定方法は、第１の特
徴に加えて結晶基板がＬｉＮｂＯ3結晶基板又はＬｉＴ
ａＯ3 結晶基板であることを第２の特徴としている。更
に、本発明の変位測定方法は、第１と第２の特徴に加え
て結晶基板上に構成した位相変調器によって位相変調さ
れた参照光と照射光の３ｄＢカプラでの干渉がプロトン
交換光導波路によってなさることを特徴としている。
徴に加えて結晶基板がＬｉＮｂＯ3結晶基板又はＬｉＴ
ａＯ3 結晶基板であることを第２の特徴としている。更
に、本発明の変位測定方法は、第１と第２の特徴に加え
て結晶基板上に構成した位相変調器によって位相変調さ
れた参照光と照射光の３ｄＢカプラでの干渉がプロトン
交換光導波路によってなさることを特徴としている。
【００１１】本発明の変位測定装置は、発光用電源と、
光源と、干渉系と、位相変調用電源とから構成され、光
源からの光を干渉系に導き、この光を参照光と照射光と
に分割して、参照光を参照光反射用鏡に、照射光を被測
定物にそれぞれ照射し、参照光の反射光と照射光の反射
光との干渉光を検出して、被測定物の表面の微小変位を
測定する変位測定装置において、光源が、発光電流の値
によって波長の異なる２種類以上のレーザ光を発振する
レーザダイオード光源であり、干渉系が、二つの偏光子
と、光導波路を介してこれら偏光子と結合する３ｄＢカ
プラと、参照光用光導波路及び照射光用光導波路の一方
に、あるいは両方に設けた位相変調器と、を同一結晶基
板に集積した光導波路型干渉系であることを第１の特徴
としている。
光源と、干渉系と、位相変調用電源とから構成され、光
源からの光を干渉系に導き、この光を参照光と照射光と
に分割して、参照光を参照光反射用鏡に、照射光を被測
定物にそれぞれ照射し、参照光の反射光と照射光の反射
光との干渉光を検出して、被測定物の表面の微小変位を
測定する変位測定装置において、光源が、発光電流の値
によって波長の異なる２種類以上のレーザ光を発振する
レーザダイオード光源であり、干渉系が、二つの偏光子
と、光導波路を介してこれら偏光子と結合する３ｄＢカ
プラと、参照光用光導波路及び照射光用光導波路の一方
に、あるいは両方に設けた位相変調器と、を同一結晶基
板に集積した光導波路型干渉系であることを第１の特徴
としている。
【００１２】また、本発明の変位測定装置は、第１の特
徴に加えて光導波路型干渉系における結晶基板がＬｉＮ
ｂＯ3 結晶基板又はＬｉＴａＯ3 結晶基板であることを
第２の特徴としている。更に、本発明の変位測定装置
は、第１と第２の特徴に加えて光導波路型干渉系がプロ
トン交換光導波路で構成されていることを特徴としてい
る。
徴に加えて光導波路型干渉系における結晶基板がＬｉＮ
ｂＯ3 結晶基板又はＬｉＴａＯ3 結晶基板であることを
第２の特徴としている。更に、本発明の変位測定装置
は、第１と第２の特徴に加えて光導波路型干渉系がプロ
トン交換光導波路で構成されていることを特徴としてい
る。
【００１３】
【作用】図１は、本発明の変位測定方法及びそれに用い
る変位測定装置の作用を説明するための概念図である。
図中、１は発光電流の値によって波長の異なる２種類以
上のレーザ光を発振するレーザダイオード光源、２は光
アイソレータ、３は入力側光ファイバ、４は結晶基板で
ある。結晶基板４上には、次の光学要素を含む光導波路
型干渉系が構成されている。すなわち、入力側偏光子
５，レーザ光を参照光と照射光とに分割する３ｄＢカプ
ラ６，電界を印加する位相変調用電極７ａ，７ｂ，７ｃ
及び位相変調用電極７ａ，７ｂ間に形成された参照光用
光導波路８，位相変調用電極７ｂ，７ｃ間に形成された
照射光用光導波路１０，出力側偏光子１３，入力端１
６，出力端１７等が光導波路干渉系を構成する。
る変位測定装置の作用を説明するための概念図である。
図中、１は発光電流の値によって波長の異なる２種類以
上のレーザ光を発振するレーザダイオード光源、２は光
アイソレータ、３は入力側光ファイバ、４は結晶基板で
ある。結晶基板４上には、次の光学要素を含む光導波路
型干渉系が構成されている。すなわち、入力側偏光子
５，レーザ光を参照光と照射光とに分割する３ｄＢカプ
ラ６，電界を印加する位相変調用電極７ａ，７ｂ，７ｃ
及び位相変調用電極７ａ，７ｂ間に形成された参照光用
光導波路８，位相変調用電極７ｂ，７ｃ間に形成された
照射光用光導波路１０，出力側偏光子１３，入力端１
６，出力端１７等が光導波路干渉系を構成する。
【００１４】９は光導波路干渉系の一端に設けた参照光
反射用鏡、１１は集光レンズ、１２は被測定物、１４は
出力側光ファイバ、１５は光検出用ダイオードである。
また、参照光用光導波路８と照射光用光導波路１０に
は、位相変調用電極７ａ，７ｃと位相変調用電極７ｂに
よって互いに逆方向の電界が印加される構造で、位相変
調器１８を構成する。３ｄＢカプラ６は入力側偏光子５
の下を通る光導波路と参照光用光導波路８とを連結する
光導波路６ａ，出力側偏光子１３の下を通る光導波路と
照射光用光導波路１０とを連結する光導波路６ｂとの両
光導波路６ａ，６ｂが近接し、平行に位置することによ
り構成される。
反射用鏡、１１は集光レンズ、１２は被測定物、１４は
出力側光ファイバ、１５は光検出用ダイオードである。
また、参照光用光導波路８と照射光用光導波路１０に
は、位相変調用電極７ａ，７ｃと位相変調用電極７ｂに
よって互いに逆方向の電界が印加される構造で、位相変
調器１８を構成する。３ｄＢカプラ６は入力側偏光子５
の下を通る光導波路と参照光用光導波路８とを連結する
光導波路６ａ，出力側偏光子１３の下を通る光導波路と
照射光用光導波路１０とを連結する光導波路６ｂとの両
光導波路６ａ，６ｂが近接し、平行に位置することによ
り構成される。
【００１５】図２に示すような階段波状に変調した発光
電流をレーザダイオード光源１に流し、階段波状の発光
電流に応じた２種類以上の波長のレーザ光を交互に発振
させる。このレーザ光は光アイソレータ２を通過した
後、入力側光ファイバ３を介して入力端１６から結晶基
板４上の光導波路干渉系に伝搬する。光導波路干渉系に
おいて、レーザ光は入力側偏光子５を通り、３ｄＢカプ
ラ６で参照光と照射光にほぼ均等に配分されて伝搬す
る。参照光は位相変調用電極７ａ，７ｂ間の参照光用光
導波路８を伝播し、参照光反射用鏡９で反射させられ
る。参照光反射用鏡９からの反射光は、再び参照光用光
導波路８を通り３ｄＢカプラ６に戻る。なお、階段波状
の変調電流波形は、必ずしも単調増加である必要はな
く、所定の電流が、ある時間連続する凹凸状の波形でも
同様な効果が得られる。
電流をレーザダイオード光源１に流し、階段波状の発光
電流に応じた２種類以上の波長のレーザ光を交互に発振
させる。このレーザ光は光アイソレータ２を通過した
後、入力側光ファイバ３を介して入力端１６から結晶基
板４上の光導波路干渉系に伝搬する。光導波路干渉系に
おいて、レーザ光は入力側偏光子５を通り、３ｄＢカプ
ラ６で参照光と照射光にほぼ均等に配分されて伝搬す
る。参照光は位相変調用電極７ａ，７ｂ間の参照光用光
導波路８を伝播し、参照光反射用鏡９で反射させられ
る。参照光反射用鏡９からの反射光は、再び参照光用光
導波路８を通り３ｄＢカプラ６に戻る。なお、階段波状
の変調電流波形は、必ずしも単調増加である必要はな
く、所定の電流が、ある時間連続する凹凸状の波形でも
同様な効果が得られる。
【００１６】一方、照射光は位相変調用電極７ｂ，７ｃ
間の照射光用光導波路１０を伝播して、光導波路干渉系
外へ射出し、集光レンズ１１を通り被測定物１２を照射
する。被測定物１２からの反射光は、再び集光レンズ１
１，照射光用光導波路１０を通り、３ｄＢカプラ６に戻
る。３ｄＢカプラ６において、参照光の反射光と照射光
の反射光とを干渉させ、光導波路６ｂ，出力側偏光子１
３，出力端１７を介して出力側光ファイバ１４に伝播
し、光検出用ダイオード１５に導かれる。位相変調によ
る干渉光の強度変化を、光検出用ダイオード１５で検出
することにより反射光の位相変化を高精度に求め、被測
定物１２の表面におけるλ／２の数百分の一から数万分
の一の微小変位を連続的に測定する。
間の照射光用光導波路１０を伝播して、光導波路干渉系
外へ射出し、集光レンズ１１を通り被測定物１２を照射
する。被測定物１２からの反射光は、再び集光レンズ１
１，照射光用光導波路１０を通り、３ｄＢカプラ６に戻
る。３ｄＢカプラ６において、参照光の反射光と照射光
の反射光とを干渉させ、光導波路６ｂ，出力側偏光子１
３，出力端１７を介して出力側光ファイバ１４に伝播
し、光検出用ダイオード１５に導かれる。位相変調によ
る干渉光の強度変化を、光検出用ダイオード１５で検出
することにより反射光の位相変化を高精度に求め、被測
定物１２の表面におけるλ／２の数百分の一から数万分
の一の微小変位を連続的に測定する。
【００１７】上述のように、本発明による変位測定方法
及び変位測定装置は、被測定物にレーザ光を照射し、光
路長変化により、被測定物表面の微小変位を測定するも
のである。発光電源は、階段波状の発光電流を供給する
ものである。用いるレーザダイオード光源１の特性に応
じて、２種類以上の大きさの発光電流が一定時間交互に
保持され、その波形は図２に示すように時間軸に対して
階段波状になっている。この波形が周期的に繰り返され
てもよい。レーザダイオード光源１は、発光電流の値に
よって波長の異なる２種類以上のレーザ光を発振するも
ので、ファブリ・ペロー共振器構造を有するものが用い
られる。このようなレーザダイオード光源１を用いるこ
とで、一つの光源で複数の波長のレーザ光を得ることが
できる。
及び変位測定装置は、被測定物にレーザ光を照射し、光
路長変化により、被測定物表面の微小変位を測定するも
のである。発光電源は、階段波状の発光電流を供給する
ものである。用いるレーザダイオード光源１の特性に応
じて、２種類以上の大きさの発光電流が一定時間交互に
保持され、その波形は図２に示すように時間軸に対して
階段波状になっている。この波形が周期的に繰り返され
てもよい。レーザダイオード光源１は、発光電流の値に
よって波長の異なる２種類以上のレーザ光を発振するも
ので、ファブリ・ペロー共振器構造を有するものが用い
られる。このようなレーザダイオード光源１を用いるこ
とで、一つの光源で複数の波長のレーザ光を得ることが
できる。
【００１８】レーザダイオード光源１から光導波路干渉
系へレーザ光を伝播する光路の途中に設けてある光アイ
ソレータ２は、ノイズとなる戻り光をカットする。光ア
イソレータ２と光導波路干渉系とを連結する入力側光フ
ァイバ３，光導波路干渉系と光検出用ダイオード１５と
を連結する出力側光ファイバ１４には、公知の光ファイ
バを使用できる。光導波路干渉系は、結晶基板４上に金
属膜や誘電体膜を付与して作成される入力側偏光子５，
出力側偏光子１３と３ｄＢカプラ６及び位相変調器１８
とを集積して形成される。この光導波路干渉系の結晶基
板４には、ＬｉＮｂＯ3 （ニオブ酸リチウム）又はＬｉ
ＴａＯ3 （タンタル酸リチウム）の結晶を用いることが
できる。
系へレーザ光を伝播する光路の途中に設けてある光アイ
ソレータ２は、ノイズとなる戻り光をカットする。光ア
イソレータ２と光導波路干渉系とを連結する入力側光フ
ァイバ３，光導波路干渉系と光検出用ダイオード１５と
を連結する出力側光ファイバ１４には、公知の光ファイ
バを使用できる。光導波路干渉系は、結晶基板４上に金
属膜や誘電体膜を付与して作成される入力側偏光子５，
出力側偏光子１３と３ｄＢカプラ６及び位相変調器１８
とを集積して形成される。この光導波路干渉系の結晶基
板４には、ＬｉＮｂＯ3 （ニオブ酸リチウム）又はＬｉ
ＴａＯ3 （タンタル酸リチウム）の結晶を用いることが
できる。
【００１９】位相変調器について述べれば、図１で位相
変調器１８は、参照光用光導波路８と照射光用光導波路
１０が、位相変調用電源１８ａ並びに位相変調用電極７
ａ，７ｃと位相変調用電極７ｂによって互いに逆方向の
電界が印加される構造になっている。しかし、参照光用
光導波路８と照射光用光導波路１０のうち、少なくとも
一方の光導波路の両側に電極を設ければよく、位相変調
用電極７ａ，７ｃのどちらかが無くても、位相変調器１
８は作用する。そうして、位相変調用電極７ａ，７ｃの
うち、少なくとも一方と位相変調用電極７ｂの間に所要
の大きさの電圧を印加すれば、参照光用光導波路８，照
射光用光導波路１０を伝搬する光の位相差は、電気光学
効果により変調せしめられる。電気光学効果を利用した
位相変調器は、数十ＧＨｚの応答速度を有するものが作
られており、他の方法では得られない高速変調を実現で
きる。
変調器１８は、参照光用光導波路８と照射光用光導波路
１０が、位相変調用電源１８ａ並びに位相変調用電極７
ａ，７ｃと位相変調用電極７ｂによって互いに逆方向の
電界が印加される構造になっている。しかし、参照光用
光導波路８と照射光用光導波路１０のうち、少なくとも
一方の光導波路の両側に電極を設ければよく、位相変調
用電極７ａ，７ｃのどちらかが無くても、位相変調器１
８は作用する。そうして、位相変調用電極７ａ，７ｃの
うち、少なくとも一方と位相変調用電極７ｂの間に所要
の大きさの電圧を印加すれば、参照光用光導波路８，照
射光用光導波路１０を伝搬する光の位相差は、電気光学
効果により変調せしめられる。電気光学効果を利用した
位相変調器は、数十ＧＨｚの応答速度を有するものが作
られており、他の方法では得られない高速変調を実現で
きる。
【００２０】偏光子５，１３は、結晶基板４の光導波路
６ａ，６ｂに金属を乗せて、ＴＭ光（基板平面と垂直な
方向に電界成分を有する光）、ＴＥ光（基板平面と平行
な方向に電界成分を有する光）どちらか一方の偏光成分
を吸収、又は放射により減衰させるものである。なお、
結晶基板４全体をプロトン交換光導波路で構成すれば、
結晶基板４自体がＴＭ光を放射しＴＥ光のみ伝搬するの
で、偏光子を特に設ける必要はなくなる。偏光子は、被
測定物からの反射光の偏光の純度を向上するために用い
る。偏光が乱れているままでは、完全な干渉が起こらな
いからである。
６ａ，６ｂに金属を乗せて、ＴＭ光（基板平面と垂直な
方向に電界成分を有する光）、ＴＥ光（基板平面と平行
な方向に電界成分を有する光）どちらか一方の偏光成分
を吸収、又は放射により減衰させるものである。なお、
結晶基板４全体をプロトン交換光導波路で構成すれば、
結晶基板４自体がＴＭ光を放射しＴＥ光のみ伝搬するの
で、偏光子を特に設ける必要はなくなる。偏光子は、被
測定物からの反射光の偏光の純度を向上するために用い
る。偏光が乱れているままでは、完全な干渉が起こらな
いからである。
【００２１】３ｄＢカプラ６は、伝搬してきたレーザ光
を参照光と照射光に等配分し、それぞれ参照光用光導波
路８と照射光用光導波路１０へ伝搬する。そして、参照
光反射用鏡９からの参照光の反射光、被測定物１２から
の照射光の反射光は、再び３ｄＢカプラ６で干渉せしめ
られる。参照光反射用鏡９は、結晶基板４上に形成した
照射光用光導波路１０の終端面に、金属や酸化物を蒸着
して設ける。数種類の光学要素からなる光導波路型干渉
系を、同一の結晶基板４上に集積することで、各光学要
素の接続調整は不要となり、機械的にも安定し、光の結
合損失を低減できる。また、参照光光路である光導波路
６ａ，参照光用光導波路８と照射光光路である光導波路
６ｂ，照射光用光導波路１０とは、わずか数百μｍしか
離れておらず、同じように熱変化するので、熱膨張の影
響が相殺され、その結果、精度が高く、安定な位相変位
測定が可能となる。
を参照光と照射光に等配分し、それぞれ参照光用光導波
路８と照射光用光導波路１０へ伝搬する。そして、参照
光反射用鏡９からの参照光の反射光、被測定物１２から
の照射光の反射光は、再び３ｄＢカプラ６で干渉せしめ
られる。参照光反射用鏡９は、結晶基板４上に形成した
照射光用光導波路１０の終端面に、金属や酸化物を蒸着
して設ける。数種類の光学要素からなる光導波路型干渉
系を、同一の結晶基板４上に集積することで、各光学要
素の接続調整は不要となり、機械的にも安定し、光の結
合損失を低減できる。また、参照光光路である光導波路
６ａ，参照光用光導波路８と照射光光路である光導波路
６ｂ，照射光用光導波路１０とは、わずか数百μｍしか
離れておらず、同じように熱変化するので、熱膨張の影
響が相殺され、その結果、精度が高く、安定な位相変位
測定が可能となる。
【００２２】集光レンズ１１は、被測定物１２を照射す
る照射光、及びその反射光の光束を調整するために設け
てある。光検出用ダイオード１５は、干渉光を電気信号
に変換するもので、例えば、ｐｎ接合型フォトダイオー
ド、ｐｉｎフォトダイオード、アバランシェ・フォトダ
イオード（ＡＰＤ）等を使用できる。
る照射光、及びその反射光の光束を調整するために設け
てある。光検出用ダイオード１５は、干渉光を電気信号
に変換するもので、例えば、ｐｎ接合型フォトダイオー
ド、ｐｉｎフォトダイオード、アバランシェ・フォトダ
イオード（ＡＰＤ）等を使用できる。
【００２３】
【実施例】本発明の変位測定方法に用いる変位測定装置
の作用を説明するための概念図である図１を基として、
実際に変位測定装置を製造のうえ、変位測定を行った。
厚み１ｍｍ，直径７５ｍｍのＸカットされたＬｉＮｂＯ
3 ウェハ結晶基板４に、ＳｉＯ2 による交換マスクを施
した。次に、安息香酸を用いてプロトン交換して、Ｙ軸
方向伝搬のプロトン交換導波路及び３ｄＢカプラ６を設
けた。更に、結晶基板４上に金属蒸着して、位相変調器
１８の位相変調用電極７ａ，７ｂ及び７ｃを形成した。
その次に、結晶基板４を３ｍｍ（幅）×３０ｍｍ（長
さ）×１ｍｍ（厚さ）の寸法にダイシングした。 プロ
トン交換導波路を伝搬した光の消光比は５０ｄＢ以上で
あったので、このプロトン交換導波路は偏光子として十
分機能することが示された。
の作用を説明するための概念図である図１を基として、
実際に変位測定装置を製造のうえ、変位測定を行った。
厚み１ｍｍ，直径７５ｍｍのＸカットされたＬｉＮｂＯ
3 ウェハ結晶基板４に、ＳｉＯ2 による交換マスクを施
した。次に、安息香酸を用いてプロトン交換して、Ｙ軸
方向伝搬のプロトン交換導波路及び３ｄＢカプラ６を設
けた。更に、結晶基板４上に金属蒸着して、位相変調器
１８の位相変調用電極７ａ，７ｂ及び７ｃを形成した。
その次に、結晶基板４を３ｍｍ（幅）×３０ｍｍ（長
さ）×１ｍｍ（厚さ）の寸法にダイシングした。 プロ
トン交換導波路を伝搬した光の消光比は５０ｄＢ以上で
あったので、このプロトン交換導波路は偏光子として十
分機能することが示された。
【００２４】位相変調器１８の半波長電圧は２．８Ｖで
あった。ここで半波長電圧とは、位相変調器１８を伝播
する光に、πｒａｄの位相変化を与えるのに必要な電圧
をいう。位相変調器１８は、参照光と照射光との両方に
作成し、プッシュプル動作をさせたので、参照光と照射
光とがそれぞれ往復する間に、πｒａｄの位相変化を与
えるのに必要な電圧は、２．８Ｖ÷４＝０．７Ｖであっ
た。
あった。ここで半波長電圧とは、位相変調器１８を伝播
する光に、πｒａｄの位相変化を与えるのに必要な電圧
をいう。位相変調器１８は、参照光と照射光との両方に
作成し、プッシュプル動作をさせたので、参照光と照射
光とがそれぞれ往復する間に、πｒａｄの位相変化を与
えるのに必要な電圧は、２．８Ｖ÷４＝０．７Ｖであっ
た。
【００２５】反射損失を減少させるため、入力側光ファ
イバ３，出力側光ファイバ１４と結晶基板４との間に
は、反射防止膜をコーティングした。参照光反射用鏡９
は、参照光用光導波路８の終端面にアルミニウムを蒸着
して形成した。一方、照射光用光導波路１０の終端面に
も、反射損失を減少させるため、反射防止膜をコーティ
ングした。そして、照射光用光導波路１０の終端面から
射出した照射光を集光レンズ１１で集中して被測定物１
２に照射し、反射光を再び照射光用光導波路１０に導く
ようにした。
イバ３，出力側光ファイバ１４と結晶基板４との間に
は、反射防止膜をコーティングした。参照光反射用鏡９
は、参照光用光導波路８の終端面にアルミニウムを蒸着
して形成した。一方、照射光用光導波路１０の終端面に
も、反射損失を減少させるため、反射防止膜をコーティ
ングした。そして、照射光用光導波路１０の終端面から
射出した照射光を集光レンズ１１で集中して被測定物１
２に照射し、反射光を再び照射光用光導波路１０に導く
ようにした。
【００２６】レーザダイオード光源１には、レーザ発振
波長８３０ｎｍのフォブリー・ペロー共振器型のものを
使用した。光アイソレータ２には、レーザ発振波長８３
０ｎｍ用のものを用いた。また、光検出用ダイオード１
５には、Ｓｉ−ｐｉｎ型フォトダイオードを使用した。
このほか、入力側光ファイバ３には、偏波保持型光ファ
イバを、出力側光ファイバ１４には、コア径５０μｍの
多モード光ファイバを用いた。位相変調用電源１８ａ
は、マイクロコンピュータが駆動する１２ｂｉｔのＤＡ
コンバータで構成し、出力電圧範囲が±２．８Ｖになる
ように調整した。
波長８３０ｎｍのフォブリー・ペロー共振器型のものを
使用した。光アイソレータ２には、レーザ発振波長８３
０ｎｍ用のものを用いた。また、光検出用ダイオード１
５には、Ｓｉ−ｐｉｎ型フォトダイオードを使用した。
このほか、入力側光ファイバ３には、偏波保持型光ファ
イバを、出力側光ファイバ１４には、コア径５０μｍの
多モード光ファイバを用いた。位相変調用電源１８ａ
は、マイクロコンピュータが駆動する１２ｂｉｔのＤＡ
コンバータで構成し、出力電圧範囲が±２．８Ｖになる
ように調整した。
【００２７】レーザダイオード光源１から発振したレー
ザ光を光アイソレータ２に通したのち、入力側光ファイ
バ３を介して、光導波路型干渉系へ導いた。多モード光
ファイバである出力側光ファイバ１４を通じて、干渉光
を光検出用ダイオード１５へ導いた。レーザダイオード
光源１のレーザ発振波長を、８３０．１ｎｍ及び８３
１．８ｎｍに切り替えて、それぞれの波長において被測
定物１２からの反射光の位相を測定した。このときの位
相測定誤差は、０．００６ｒａｄ以下であった。０．０
０６ｒａｄの位相差は、λ×０．００６／（２π）＝
０．８ｎｍの光路長変化に相当する。したがって、本変
位測定装置の変位分解能は０．４ｎｍ以下である。合成
波の波長λ3 は、（１）式より０．４ｍｍであり、理論
的には光路差０．４ｍｍ，すなわち０．２ｍｍ以下の不
連続変位を測定できることになる。被測定物１２として
は、オーバハングの段差傷を付与したアルミニウム板を
用いた。その結果、０．１３ｍｍの段差を測定でき、図
３に示す測定結果を得た。
ザ光を光アイソレータ２に通したのち、入力側光ファイ
バ３を介して、光導波路型干渉系へ導いた。多モード光
ファイバである出力側光ファイバ１４を通じて、干渉光
を光検出用ダイオード１５へ導いた。レーザダイオード
光源１のレーザ発振波長を、８３０．１ｎｍ及び８３
１．８ｎｍに切り替えて、それぞれの波長において被測
定物１２からの反射光の位相を測定した。このときの位
相測定誤差は、０．００６ｒａｄ以下であった。０．０
０６ｒａｄの位相差は、λ×０．００６／（２π）＝
０．８ｎｍの光路長変化に相当する。したがって、本変
位測定装置の変位分解能は０．４ｎｍ以下である。合成
波の波長λ3 は、（１）式より０．４ｍｍであり、理論
的には光路差０．４ｍｍ，すなわち０．２ｍｍ以下の不
連続変位を測定できることになる。被測定物１２として
は、オーバハングの段差傷を付与したアルミニウム板を
用いた。その結果、０．１３ｍｍの段差を測定でき、図
３に示す測定結果を得た。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る物体の
表面における微小部分の変位測定方法及びそれに用いる
変位測定装置は、複数波長のレーザ光が発振可能な単一
光源、集積化した光学部品を用いることにより、判別可
能な不連続変位の最大値を拡大ができるとともに、調整
容易で迅速・高精度・高安定な変位測定が可能である。
また、装置の小型化が促進され、衝撃・振動に強い変位
測定装置が得られる。
表面における微小部分の変位測定方法及びそれに用いる
変位測定装置は、複数波長のレーザ光が発振可能な単一
光源、集積化した光学部品を用いることにより、判別可
能な不連続変位の最大値を拡大ができるとともに、調整
容易で迅速・高精度・高安定な変位測定が可能である。
また、装置の小型化が促進され、衝撃・振動に強い変位
測定装置が得られる。
【図１】本発明の変位測定方法及びそれに用いる変位測
定装置の作用を説明するための概念図である。
定装置の作用を説明するための概念図である。
【図２】本発明の変位測定方法及びそれに用いる変位測
定装置におけるレーザダイオードの発光電流の波形図で
ある。
定装置におけるレーザダイオードの発光電流の波形図で
ある。
【図３】本発明の変位測定装置に係る実施例で得られた
測定結果を示す図である。
測定結果を示す図である。
１ レーザダイオード光源 ３ 入力側光ファイバ ４ 結晶基板 ５ 入力側偏光子 ６ ３ｄＢカプラ ７ａ 位相変調用電極 ７ｂ 位相変調用電極 ７ｃ 位相変調用電極 ８ 参照光用光導波路 ９ 参照光反射用鏡 １０ 照射光用光導波路 １２ 被測定物 １３ 出力側偏光子 １４ 出力側光ファイバ １５ 光検出用ダイオード １８ 位相変調器 １８ａ 位相変調用電源
Claims (6)
- 【請求項１】 同一光源のレーザ光を参照光と照射光と
に分割して、前記参照光を参照光反射用鏡に、前記照射
光を被測定物にそれぞれ照射し、光路の違いによって位
相差の生じた前記参照光及び前記照射光のそれぞれの反
射光を干渉させて、干渉光から前記被測定物の表面の微
小変位を測定する変位測定方法において、 発光電流の値によって波長の異なる２種類以上のレーザ
光を発振するレーザダイオード光源に、階段波状に変調
した前記発光電流を流して前記２種類以上の波長のレー
ザ光を交互に発振させ、 結晶基板上に構成した３ｄＢカプラで前記レーザ光を参
照光と照射光とに分割し、 前記参照光及び前記照射光の一方を、あるいは両方を、
前記結晶基板上の光導波路を往復する間に、前記結晶基
板上に構成した電気光学効果を利用する位相変調器によ
って位相変調せしめるとともに、位相変調された前記参
照光と前記照射光を前記３ｄＢカプラで干渉させること
を特徴とする変位測定方法。 - 【請求項２】 発光用電源と、光源と、干渉系と、位相
変調用電源とから構成され、前記光源からの光を前記干
渉系に導き、前記光を参照光と照射光とに分割して、前
記参照光を参照光反射用鏡に、前記照射光を被測定物に
それぞれ照射し、前記参照光の反射光と前記照射光の反
射光との干渉光を検出して、前記被測定物の表面の微小
変位を測定する変位測定装置において、 前記光源が、発光電流の値によって波長の異なる２種類
以上のレーザ光を発振するレーザダイオード光源であ
り、 前記干渉系が、二つの偏光子と、光導波路を介して前記
偏光子と結合する３ｄＢカプラと、参照光用光導波路及
び照射光用光導波路の一方に、あるいは両方に設けた位
相変調器と、を同一結晶基板に集積した光導波路型干渉
系であることを特徴とする変位測定装置。 - 【請求項３】 結晶基板がＬｉＮｂＯ3 結晶基板又はＬ
ｉＴａＯ3 結晶基板である請求項１に記載の変位測定方
法。 - 【請求項４】 光導波路型干渉系における結晶基板がＬ
ｉＮｂＯ3 結晶基板又はＬｉＴａＯ3 結晶基板である請
求項２に記載の変位測定装置。 - 【請求項５】 結晶基板上に構成した位相変調器によっ
て位相変調された参照光と照射光の３ｄＢカプラでの干
渉がプロトン交換光導波路によってなされる請求項１又
は請求項３に記載の変位測定方法。 - 【請求項６】 光導波路型干渉系がプロトン交換光導波
路で構成されている請求項２又は請求項４に記載の変位
測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12271693A JP3428067B2 (ja) | 1993-05-25 | 1993-05-25 | 変位測定方法及びそれに用いる変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12271693A JP3428067B2 (ja) | 1993-05-25 | 1993-05-25 | 変位測定方法及びそれに用いる変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06331314A true JPH06331314A (ja) | 1994-12-02 |
| JP3428067B2 JP3428067B2 (ja) | 2003-07-22 |
Family
ID=14842829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12271693A Expired - Fee Related JP3428067B2 (ja) | 1993-05-25 | 1993-05-25 | 変位測定方法及びそれに用いる変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3428067B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004053957A1 (ja) * | 2002-12-10 | 2004-06-24 | Nikon Corporation | 面位置検出装置、露光方法、及びデバイス製造方法 |
| JP2008292296A (ja) * | 2007-05-24 | 2008-12-04 | Toray Eng Co Ltd | 透明膜の膜厚測定方法およびその装置 |
| JP2012002619A (ja) * | 2010-06-16 | 2012-01-05 | Ito Co Ltd | レーザー干渉バンプ測定器 |
| KR20190092456A (ko) * | 2016-12-06 | 2019-08-07 | 인포테크 스포우카 제트 오그라닉조나 오드포위드지아노스키아 | 도파관 간섭계 |
| CN110927872A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-03-27 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 具有大光程差的光波导强度调制器芯片 |
| JP2020519893A (ja) * | 2017-05-12 | 2020-07-02 | テイラー・ホブソン・リミテッドＴａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ | 物体からの距離を判定する距離測定配置 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101056275B1 (ko) | 2010-02-01 | 2011-08-11 | 주식회사 정관 | 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서 |
-
1993
- 1993-05-25 JP JP12271693A patent/JP3428067B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004053957A1 (ja) * | 2002-12-10 | 2004-06-24 | Nikon Corporation | 面位置検出装置、露光方法、及びデバイス製造方法 |
| JP2008292296A (ja) * | 2007-05-24 | 2008-12-04 | Toray Eng Co Ltd | 透明膜の膜厚測定方法およびその装置 |
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| KR20190092456A (ko) * | 2016-12-06 | 2019-08-07 | 인포테크 스포우카 제트 오그라닉조나 오드포위드지아노스키아 | 도파관 간섭계 |
| CN110325816A (zh) * | 2016-12-06 | 2019-10-11 | 信息技术有限公司 | 波导干涉仪 |
| JP2020508466A (ja) * | 2016-12-06 | 2020-03-19 | インフォテック スポルカ ジー オグラニクゾナ オドパウイエドジアルノシアＩｎｐｈｏｔｅｃｈ ｓｐｏｌｋａ ｚ ｏｇｒａｎｉｃｚｏｎａ ｏｄｐｏｗｉｅｄｚｉａｌｎｏｓｃｉａ | 導波路干渉計 |
| JP2020519893A (ja) * | 2017-05-12 | 2020-07-02 | テイラー・ホブソン・リミテッドＴａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ | 物体からの距離を判定する距離測定配置 |
| CN110927872A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-03-27 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 具有大光程差的光波导强度调制器芯片 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3428067B2 (ja) | 2003-07-22 |
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