JPH11132712A - 干渉計測装置、干渉計測プローブ及び干渉計測制御システム - Google Patents
干渉計測装置、干渉計測プローブ及び干渉計測制御システムInfo
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- JPH11132712A JPH11132712A JP9314621A JP31462197A JPH11132712A JP H11132712 A JPH11132712 A JP H11132712A JP 9314621 A JP9314621 A JP 9314621A JP 31462197 A JP31462197 A JP 31462197A JP H11132712 A JPH11132712 A JP H11132712A
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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- G01D5/266—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光学系をデバイス化してシンプルな光学系を
実現し、また、干渉縞を利用して高分解能で変位を計測
する。 【解決手段】 干渉計測プローブ２は、光源部１からの
コヒーレント光を入射して、複数の光束に分岐するとと
もに、複数の照射光束を互いに異なる角度により出射す
る。これら複数の照射光束は干渉縞を形成し、対象物８
に照射される。受光部３は、対象物８からの反射光束が
干渉する位置に配置され、対象物８から反射された干渉
光を受光して、電気信号に変換した受光信号を出力す
る。測定部４は、受光部３が出力する受光信号に基づ
き、干渉計測プローブ２の位置と受光部３の位置との変
位や対象物８の変位を求める処理を行う。制御部５は、
駆動部６に接続され、測定部４の測定結果に基づき、駆
動部６を制御してステージ７をＺ方向に変位させる。ス
テージ７には、対象物８が搭載又は設置される。
実現し、また、干渉縞を利用して高分解能で変位を計測
する。 【解決手段】 干渉計測プローブ２は、光源部１からの
コヒーレント光を入射して、複数の光束に分岐するとと
もに、複数の照射光束を互いに異なる角度により出射す
る。これら複数の照射光束は干渉縞を形成し、対象物８
に照射される。受光部３は、対象物８からの反射光束が
干渉する位置に配置され、対象物８から反射された干渉
光を受光して、電気信号に変換した受光信号を出力す
る。測定部４は、受光部３が出力する受光信号に基づ
き、干渉計測プローブ２の位置と受光部３の位置との変
位や対象物８の変位を求める処理を行う。制御部５は、
駆動部６に接続され、測定部４の測定結果に基づき、駆
動部６を制御してステージ７をＺ方向に変位させる。ス
テージ７には、対象物８が搭載又は設置される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分解能の干渉計
測装置、このような干渉計測装置に用いる干渉計測プロ
ーブ、及び、干渉計測装置と干渉制御装置を有する干渉
計測制御システムに関する。
測装置、このような干渉計測装置に用いる干渉計測プロ
ーブ、及び、干渉計測装置と干渉制御装置を有する干渉
計測制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、Ｚ変位センサーは、例えば精密
位置制御システムにおいて、対物レンズの合焦等のため
のセンサー部として用いられている。対物レンズの合焦
技術は、例えば、オートフォーカス機構に応用される。
Ｚ変位センサーの中でも光学式のものとして、光てこ方
式が知られている。
位置制御システムにおいて、対物レンズの合焦等のため
のセンサー部として用いられている。対物レンズの合焦
技術は、例えば、オートフォーカス機構に応用される。
Ｚ変位センサーの中でも光学式のものとして、光てこ方
式が知られている。
【０００３】図１４に、光てこ方式の動作原理図を示
す。点線に囲まれた構成が、Ｚ変位センサー（Ｚセンサ
ー）と呼ばれるものである。
す。点線に囲まれた構成が、Ｚ変位センサー（Ｚセンサ
ー）と呼ばれるものである。
【０００４】まず、レーザ１４１からの光は、投光系１
４２を経て対象物１４３に照射される。対象物１４３か
らの反射光は拡大投影光学系１４４を介して受光部１４
５に入射される。ここで、レーザ光の点像が、ちょうど
対象物面上に形成されたときを合焦点として、システム
光学系を調整しておくと、ピントがずれた場合、受光部
では、そのデフォーカス量に応じて像が左右に動くこと
になる。
４２を経て対象物１４３に照射される。対象物１４３か
らの反射光は拡大投影光学系１４４を介して受光部１４
５に入射される。ここで、レーザ光の点像が、ちょうど
対象物面上に形成されたときを合焦点として、システム
光学系を調整しておくと、ピントがずれた場合、受光部
では、そのデフォーカス量に応じて像が左右に動くこと
になる。
【０００５】したがって、スポット像の位置ずれを誤差
信号として、対象物のＺステージの送り機構にフィード
バック制御を行うことにより、オートフォーカス機構が
実現される。
信号として、対象物のＺステージの送り機構にフィード
バック制御を行うことにより、オートフォーカス機構が
実現される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来に
おいては、光学系をデバイス化することができず、余分
な光学素子を対物レンズと対象物との間に挿入する空間
が必要であった。また、測定部では、スポット像の位置
ずれを測定するために、分解能に限界があった。
おいては、光学系をデバイス化することができず、余分
な光学素子を対物レンズと対象物との間に挿入する空間
が必要であった。また、測定部では、スポット像の位置
ずれを測定するために、分解能に限界があった。
【０００７】そこで本発明においては、光学系をデバイ
ス化し、シンプルな光学系を実現するとともに、干渉縞
を利用して高分解能で計測することができる干渉計測装
置、干渉計測プローブ及び干渉計測制御システムを提供
することを目的とする。
ス化し、シンプルな光学系を実現するとともに、干渉縞
を利用して高分解能で計測することができる干渉計測装
置、干渉計測プローブ及び干渉計測制御システムを提供
することを目的とする。
【０００８】さらに、本発明においては、位相変調型ヘ
テロダイン干渉法を採用することにより、レーザ光源の
パワー変動が検出・測定精度に影響を与えず、干渉ビー
ト信号の位相差を検出するため検出分解能が高い干渉計
測装置、干渉計測プローブ及び干渉計測制御システムを
提供することを目的とする。
テロダイン干渉法を採用することにより、レーザ光源の
パワー変動が検出・測定精度に影響を与えず、干渉ビー
ト信号の位相差を検出するため検出分解能が高い干渉計
測装置、干渉計測プローブ及び干渉計測制御システムを
提供することを目的とする。
【０００９】また、本発明においては、１個のフォトデ
ィテクタ等の受光素子により方向弁別を可能とすること
を目的とする。
ィテクタ等の受光素子により方向弁別を可能とすること
を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の解決手段
によると、コヒーレント光を発する光源部と、前記光源
部からのコヒーレント光を入射し、少なくとも２つの光
束に分岐して射出する光導波路部と、前記光導波路部に
より射出された前記少なくとも２つの光束を入射し、少
なくとも２つの照射光束を互いに異なる角度により照射
して干渉光を形成する照射部と、前記少なくとも２つの
照射光束が干渉する位置に配置されることにより前記干
渉光を受光して、受光信号を出力する受光部と、前記受
光部が出力する前記受光信号に基づき、前記照射部と前
記受光部との変位を求める測定部とを備えた干渉計測装
置を提供する。
によると、コヒーレント光を発する光源部と、前記光源
部からのコヒーレント光を入射し、少なくとも２つの光
束に分岐して射出する光導波路部と、前記光導波路部に
より射出された前記少なくとも２つの光束を入射し、少
なくとも２つの照射光束を互いに異なる角度により照射
して干渉光を形成する照射部と、前記少なくとも２つの
照射光束が干渉する位置に配置されることにより前記干
渉光を受光して、受光信号を出力する受光部と、前記受
光部が出力する前記受光信号に基づき、前記照射部と前
記受光部との変位を求める測定部とを備えた干渉計測装
置を提供する。
【００１１】本発明の第２の解決手段によると、コヒー
レント光を発する光源部と、前記光源部からのコヒーレ
ント光を入射し、少なくとも２つの光束に分岐して射出
する光導波路部と、前記光導波路部により射出された前
記少なくとも２つの光束を入射し、少なくとも２つの照
射光束を互いに異なる角度により対象物に照射して干渉
光を形成する照射部と、前記対象物から反射された又は
前記対象物を透過した少なくとも２つの反射又は透過光
束が干渉する位置に配置されることにより前記干渉光を
受光して、受光信号を出力する受光部と、前記受光部が
出力する前記受光信号に基づき、前記対象物の変位を求
める測定部とを備えた干渉計測装置を提供する。
レント光を発する光源部と、前記光源部からのコヒーレ
ント光を入射し、少なくとも２つの光束に分岐して射出
する光導波路部と、前記光導波路部により射出された前
記少なくとも２つの光束を入射し、少なくとも２つの照
射光束を互いに異なる角度により対象物に照射して干渉
光を形成する照射部と、前記対象物から反射された又は
前記対象物を透過した少なくとも２つの反射又は透過光
束が干渉する位置に配置されることにより前記干渉光を
受光して、受光信号を出力する受光部と、前記受光部が
出力する前記受光信号に基づき、前記対象物の変位を求
める測定部とを備えた干渉計測装置を提供する。
【００１２】本発明の第３の解決手段によると、コヒー
レント光を入射し、少なくとも２つの光束に分岐して射
出する光導波路部と、前記光導波路部により射出された
前記少なくとも２つの光束を入射し、少なくとも２つの
照射光束を互いに異なる角度により照射することによ
り、前記少なくとも２つの照射光束が干渉するような測
定領域を形成するための照射部とを備えた干渉計測プロ
ーブを提供する。
レント光を入射し、少なくとも２つの光束に分岐して射
出する光導波路部と、前記光導波路部により射出された
前記少なくとも２つの光束を入射し、少なくとも２つの
照射光束を互いに異なる角度により照射することによ
り、前記少なくとも２つの照射光束が干渉するような測
定領域を形成するための照射部とを備えた干渉計測プロ
ーブを提供する。
【００１３】さらに、本発明の第４の解決手段による
と、これらの干渉計測装置を用いて合焦等の制御を行う
干渉計測制御システムを提供する。
と、これらの干渉計測装置を用いて合焦等の制御を行う
干渉計測制御システムを提供する。
【００１４】
（１）干渉計測制御システムの第１の実施の形態 図１に、本発明に係る干渉計測制御システムの第１の実
施の形態の全体構成図を示す。
施の形態の全体構成図を示す。
【００１５】干渉計測制御システムは、干渉計測装置及
び干渉制御装置を備える。干渉計測装置は、光源部１、
干渉計測プローブ２、受光部３及び測定部４を備える。
また、干渉制御装置は、制御部５、駆動部６、ステージ
７を備える。また、各接続線のうち、二重線は電気信号
ライン、一重太線はファイバーラインをそれぞれ示す。
び干渉制御装置を備える。干渉計測装置は、光源部１、
干渉計測プローブ２、受光部３及び測定部４を備える。
また、干渉制御装置は、制御部５、駆動部６、ステージ
７を備える。また、各接続線のうち、二重線は電気信号
ライン、一重太線はファイバーラインをそれぞれ示す。
【００１６】まず、干渉計測装置について説明する。光
源部１は、レーザダイオード等により構成され、コヒー
レント光を発する。干渉計測プローブ２は、光源部１か
らのコヒーレント光を入射して、複数の光束に分岐する
とともに、複数の照射光束を互いに異なる角度により出
射する。これら複数の照射光束は干渉縞を形成し、対象
物８に照射される。受光部３は、フォトダイオード等に
接続されたファイバプローブで構成され、対象物８から
の反射光束が干渉する位置に配置される。受光部３は、
対象物８から反射された干渉光を受光して、電気信号に
変換した受光信号を出力する。測定部４は、信号プロセ
ッサを有し、受光部３が出力する受光信号に基づき、干
渉計測プローブ２の位置と受光部３の位置との変位又は
対象物８の変位を求める処理を行う。また、フォトダイ
オードを干渉光が直接入射する位置に配置して受光部３
を形成することもできる。
源部１は、レーザダイオード等により構成され、コヒー
レント光を発する。干渉計測プローブ２は、光源部１か
らのコヒーレント光を入射して、複数の光束に分岐する
とともに、複数の照射光束を互いに異なる角度により出
射する。これら複数の照射光束は干渉縞を形成し、対象
物８に照射される。受光部３は、フォトダイオード等に
接続されたファイバプローブで構成され、対象物８から
の反射光束が干渉する位置に配置される。受光部３は、
対象物８から反射された干渉光を受光して、電気信号に
変換した受光信号を出力する。測定部４は、信号プロセ
ッサを有し、受光部３が出力する受光信号に基づき、干
渉計測プローブ２の位置と受光部３の位置との変位又は
対象物８の変位を求める処理を行う。また、フォトダイ
オードを干渉光が直接入射する位置に配置して受光部３
を形成することもできる。
【００１７】つぎに、干渉制御装置について説明する。
制御部５は、光源部１に接続されて光源部１が安定動作
するように制御し、干渉計測プローブ２に接続されて位
相変調器を駆動する。また、制御部５は、駆動部６に接
続され、測定部４の測定結果に基づき、駆動部６を制御
してステージ７をＺ方向に変位させる。駆動部６は、例
えば、ピエゾ素子等により構成され、入力信号に従って
ステージ７の位置を微小に変化することができる。ステ
ージ７には、対象物８が搭載又は設置される。
制御部５は、光源部１に接続されて光源部１が安定動作
するように制御し、干渉計測プローブ２に接続されて位
相変調器を駆動する。また、制御部５は、駆動部６に接
続され、測定部４の測定結果に基づき、駆動部６を制御
してステージ７をＺ方向に変位させる。駆動部６は、例
えば、ピエゾ素子等により構成され、入力信号に従って
ステージ７の位置を微小に変化することができる。ステ
ージ７には、対象物８が搭載又は設置される。
【００１８】このような構成により、測定部４は、例え
ば、干渉縞の光量を受光部３で受光することにより、ス
テージ７の変位を測定することができる。また、制御部
５は、例えば、受光部３で受光された干渉縞の光量が最
大になるようにステージ７を変位させること等により、
合焦等の位置あわせを行うことができる。
ば、干渉縞の光量を受光部３で受光することにより、ス
テージ７の変位を測定することができる。また、制御部
５は、例えば、受光部３で受光された干渉縞の光量が最
大になるようにステージ７を変位させること等により、
合焦等の位置あわせを行うことができる。
【００１９】つぎに、干渉計測プローブ２について詳述
する。
する。
【００２０】図２に、本発明に係る干渉計測プローブの
構成図を示す。
構成図を示す。
【００２１】干渉計測プローブ２は、光導波路部２１及
び照射部２２を備える。光導波路部２１には、光源部か
らコヒーレント光が入射され、少なくとも２つの光束に
分岐して射出する。ここでは、一例として、２つの光束
に分岐する場合について説明する。光導波路の幅は、例
えば３〜５μｍ程度、光導波路部２１の端面における２
つの間隔は、例えば１０〜２００μｍが選択されるが、
各数値はこれらの値に限定されず適宜選択することがで
きる。光導波路部２１の端面からの出射された２つの照
射光束は、照射部２２に入射される。
び照射部２２を備える。光導波路部２１には、光源部か
らコヒーレント光が入射され、少なくとも２つの光束に
分岐して射出する。ここでは、一例として、２つの光束
に分岐する場合について説明する。光導波路の幅は、例
えば３〜５μｍ程度、光導波路部２１の端面における２
つの間隔は、例えば１０〜２００μｍが選択されるが、
各数値はこれらの値に限定されず適宜選択することがで
きる。光導波路部２１の端面からの出射された２つの照
射光束は、照射部２２に入射される。
【００２２】照射部２２は、これら２つの照射光束を、
例えば、コリメータレンズ２２１を用いて、微小な射出
角度差αを有する２本の平行ビームに変換する。コリメ
ータレンズ２２１と光導波路部２１の出射端面との距離
は、平行ビームを形成するために、コリメータレンズ２
２１の焦点距離（例えば、２０ｍｍ等）と等しく（又
は、ほぼ等しく）なる。これら２つの平行ビームは、コ
リメータレンズ２２１のから出射されると、ほぼ全域で
重なり合っているので、干渉縞がほぼ全域で生じる。
例えば、コリメータレンズ２２１を用いて、微小な射出
角度差αを有する２本の平行ビームに変換する。コリメ
ータレンズ２２１と光導波路部２１の出射端面との距離
は、平行ビームを形成するために、コリメータレンズ２
２１の焦点距離（例えば、２０ｍｍ等）と等しく（又
は、ほぼ等しく）なる。これら２つの平行ビームは、コ
リメータレンズ２２１のから出射されると、ほぼ全域で
重なり合っているので、干渉縞がほぼ全域で生じる。
【００２３】さらに、照射部２２は、光導波部２１で分
岐された少なくとも２つの光束を、互いに異なる角度
で、対象物上で略ビームウエストとなるように照射する
よう構成することもできる。
岐された少なくとも２つの光束を、互いに異なる角度
で、対象物上で略ビームウエストとなるように照射する
よう構成することもできる。
【００２４】以下に、干渉縞により変位量を計測するた
めの動作原理を説明する。
めの動作原理を説明する。
【００２５】図３に、干渉強度から変位量を求めるため
の説明図を示す。
の説明図を示す。
【００２６】図３（Ａ）に示すように、干渉計測プロー
ブ２から出射された２つの平行照射光束は、一方はｚ方
向に対してθ、他方はθ＋αの角度で対象物８に照射さ
れ、対象物８により反射して受光部３で受光する場合を
想定する。ここで、対象物８がｚ方向にΔｚだけ移動し
た場合、受光部３は、移動前に受光した光束とは別の部
分の干渉場のエネルギーを取り込むことになる。すなわ
ち、これは、形成された定在型干渉縞分布の中で、対象
物８のｚ方向の変位に伴い、受光部３が、２・Δｚだけ
走査されることに相当する。
ブ２から出射された２つの平行照射光束は、一方はｚ方
向に対してθ、他方はθ＋αの角度で対象物８に照射さ
れ、対象物８により反射して受光部３で受光する場合を
想定する。ここで、対象物８がｚ方向にΔｚだけ移動し
た場合、受光部３は、移動前に受光した光束とは別の部
分の干渉場のエネルギーを取り込むことになる。すなわ
ち、これは、形成された定在型干渉縞分布の中で、対象
物８のｚ方向の変位に伴い、受光部３が、２・Δｚだけ
走査されることに相当する。
【００２７】このことは、図３（Ｂ）に示すように、図
３（Ａ）を書き換えることにより、その様子がわかりや
すく示される。受光部３は、このような干渉強度の変化
から変位量Δｚを読み取ることができる。
３（Ａ）を書き換えることにより、その様子がわかりや
すく示される。受光部３は、このような干渉強度の変化
から変位量Δｚを読み取ることができる。
【００２８】ここで、定在型干渉縞の強度分布について
詳述する。
詳述する。
【００２９】図４に、定在型干渉縞の強度分布の説明図
を示す。ここでは、一例として、ホモダイン干渉での強
度分布を示している。
を示す。ここでは、一例として、ホモダイン干渉での強
度分布を示している。
【００３０】干渉計測プローブ２から出射された２つの
平行ビームは、角度差αで照射される。この際、干渉縞
が、ビームの重なり合う場所に形成され、その周期がΛ
となる。図中ｙ方向において、角度差αを持つ２つの平
行ビームによる定在型の干渉縞の強度分布は、入射光束
が一様な強度分布の場合、次式のようになる。
平行ビームは、角度差αで照射される。この際、干渉縞
が、ビームの重なり合う場所に形成され、その周期がΛ
となる。図中ｙ方向において、角度差αを持つ２つの平
行ビームによる定在型の干渉縞の強度分布は、入射光束
が一様な強度分布の場合、次式のようになる。
【００３１】
【数１】 よって、ｚ方向での干渉強度分布は、次式のようにな
る。
る。
【００３２】
【数２】 なお、干渉縞の理論式は、ｙ方向（干渉縞の垂直方向）
についてのものであり、測定部４では、実際には、ｚ方
向の変位を求める必要がある。そこで、複数の照射光束
で形成される干渉縞を横切る角度、即ちｙ方向とｚ方向
との角度差に基づいて、求められた変位を変換すること
により、干渉計測プローブ２（照射部２１）と受光部３
との変位を求めることができる。ここで、Λ及びΛ’
は、干渉縞のｙ方向及びｚ方向の周期をそれぞれ示す。
についてのものであり、測定部４では、実際には、ｚ方
向の変位を求める必要がある。そこで、複数の照射光束
で形成される干渉縞を横切る角度、即ちｙ方向とｚ方向
との角度差に基づいて、求められた変位を変換すること
により、干渉計測プローブ２（照射部２１）と受光部３
との変位を求めることができる。ここで、Λ及びΛ’
は、干渉縞のｙ方向及びｚ方向の周期をそれぞれ示す。
【００３３】したがって、図４（Ｂ）に示すように、干
渉縞の１周期Λ’の間に限定してダイナミックレンジを
決定すると、ビーム径よりもはるかに小さな径の受光素
子（デイテクター、ファイバー等）による受光光量が計
測される。この受光光量が最大になる位置等を利用し
て、ｚ方向の変位量Δｚを高分解能で計測することがで
きる。もちろん、干渉縞が何周期分移動したかを計数す
れば、一周期を越える範囲での変位も測定することがで
きる。
渉縞の１周期Λ’の間に限定してダイナミックレンジを
決定すると、ビーム径よりもはるかに小さな径の受光素
子（デイテクター、ファイバー等）による受光光量が計
測される。この受光光量が最大になる位置等を利用し
て、ｚ方向の変位量Δｚを高分解能で計測することがで
きる。もちろん、干渉縞が何周期分移動したかを計数す
れば、一周期を越える範囲での変位も測定することがで
きる。
【００３４】以上のように、本発明においては、干渉計
測プローブ２から出射される複数の平行照射光束によっ
て、その干渉縞強度を受光することにより、きわめて高
分解能で変位を計測することができる。
測プローブ２から出射される複数の平行照射光束によっ
て、その干渉縞強度を受光することにより、きわめて高
分解能で変位を計測することができる。
【００３５】（２）変調方式による干渉計測装置 以上は、ホモダイン方式によるものであったが、つぎ
に、変調方式、特に位相変調方式による干渉計測装置に
ついて説明する。
に、変調方式、特に位相変調方式による干渉計測装置に
ついて説明する。
【００３６】図５に、位相変調方式における干渉計測の
ための説明図を示す。
ための説明図を示す。
【００３７】干渉計測プローブ２は、後述するように、
導波路部２１の少なくとも一方の導波路に位相変調部が
設けられている。この位相変調部は、制御部５から基本
周波数ｆM で位相変調制御される。これは、例えば、位
相変調部に sin（２πｆM ｔ） の電圧を印加すること
により実現できる。
導波路部２１の少なくとも一方の導波路に位相変調部が
設けられている。この位相変調部は、制御部５から基本
周波数ｆM で位相変調制御される。これは、例えば、位
相変調部に sin（２πｆM ｔ） の電圧を印加すること
により実現できる。
【００３８】一方、測定部４は、信号抽出部４１及び変
位計測部４２とを備える。測定部４１は、受光部３の受
光出力のうち、変調部の変調周波数と等しい周波数の基
本信号と、変調周波数の２倍の周波数の副信号とを抽出
する。すなわち、受光部３からの受信信号は、それぞれ
ｆM、２・ｆMの特性を有するバンドパスフィルタ４１１
及び４１２へ出力される。次に、検出回路４１３、４１
４により、各々のバンドパスフィルタ４１１、４１２を
通過した基本信号及び副信号の振幅値Ｖ1 及びＶ2 が求
められ、変位計測部４２に出力される。変位計測部４２
では、信号抽出部４１により抽出された基本信号及び副
信号の位相から変位を求める。ｚ方向の変位量をもとめ
る具体的演算については、後述する。
位計測部４２とを備える。測定部４１は、受光部３の受
光出力のうち、変調部の変調周波数と等しい周波数の基
本信号と、変調周波数の２倍の周波数の副信号とを抽出
する。すなわち、受光部３からの受信信号は、それぞれ
ｆM、２・ｆMの特性を有するバンドパスフィルタ４１１
及び４１２へ出力される。次に、検出回路４１３、４１
４により、各々のバンドパスフィルタ４１１、４１２を
通過した基本信号及び副信号の振幅値Ｖ1 及びＶ2 が求
められ、変位計測部４２に出力される。変位計測部４２
では、信号抽出部４１により抽出された基本信号及び副
信号の位相から変位を求める。ｚ方向の変位量をもとめ
る具体的演算については、後述する。
【００３９】ここで、光導波路部の構成及び製造方法に
ついて詳述する。
ついて詳述する。
【００４０】図６に、光導波路部の製造工程図の一例を
示す。
示す。
【００４１】まず、図６（Ａ）に示すように、フォトリ
ソグラフィ技術を用いて、単結晶基板２１１（例えば、
ＬｉＮｂＯ3 又はＴａＮｂＯ3 ）の表面に、所望の導波
路パターン形状に金属２１２（例えば、Ｔｉ）を蒸着す
る。つぎに、図６（Ｂ）に示すように、この単結晶基板
２１１を電気炉等で加熱することにより、金属２１２は
基板内に熱拡散され、その結果、パターン形状の埋込み
型導波路２１３が形成される。位相変調方式のように埋
め込み型導波路を通過する光を変調する場合等において
は、導波路２１３を形成した後、図６（Ｃ）に示される
ように、光制御用電極２１４を所望の位置に形成するこ
とができる。光制御用電極部２１４の材料は、電気伝導
率のよい金属材料が用いられ、一般的には、例えば経時
的に安定なＡｕを蒸着して用いる。
ソグラフィ技術を用いて、単結晶基板２１１（例えば、
ＬｉＮｂＯ3 又はＴａＮｂＯ3 ）の表面に、所望の導波
路パターン形状に金属２１２（例えば、Ｔｉ）を蒸着す
る。つぎに、図６（Ｂ）に示すように、この単結晶基板
２１１を電気炉等で加熱することにより、金属２１２は
基板内に熱拡散され、その結果、パターン形状の埋込み
型導波路２１３が形成される。位相変調方式のように埋
め込み型導波路を通過する光を変調する場合等において
は、導波路２１３を形成した後、図６（Ｃ）に示される
ように、光制御用電極２１４を所望の位置に形成するこ
とができる。光制御用電極部２１４の材料は、電気伝導
率のよい金属材料が用いられ、一般的には、例えば経時
的に安定なＡｕを蒸着して用いる。
【００４２】このようにして、図６（Ｄ）に示すよう
に、光源部１からのコヒーレント光が入射する入射導波
路２１５と、光を射出する少なくとも２つの射出導波路
２１６、２１７と、入射導波路２１５内の光を少なくと
も２つの射出導波路２１６、２１７に分岐する分波部２
１８が形成される。さらに、必要に応じて、分波部２１
６で分岐された少なくとも２つの光束のいずれかを、射
出導波路２１６において変調する変調部２１９を形成す
ることができる。なお、ホモダイン方式の場合は、変調
部の構成を省略してもよい。
に、光源部１からのコヒーレント光が入射する入射導波
路２１５と、光を射出する少なくとも２つの射出導波路
２１６、２１７と、入射導波路２１５内の光を少なくと
も２つの射出導波路２１６、２１７に分岐する分波部２
１８が形成される。さらに、必要に応じて、分波部２１
６で分岐された少なくとも２つの光束のいずれかを、射
出導波路２１６において変調する変調部２１９を形成す
ることができる。なお、ホモダイン方式の場合は、変調
部の構成を省略してもよい。
【００４３】また、図７に位相変調による側波帯列の発
生の説明図を示す。図７（Ａ）に示すように、単一モー
ドスペクトラムを、位相変調することにより、図７
（Ｂ）に示すようなサイドバンド波形スペクトラムを発
生することができる。各スペクトラムの間隔は、変調に
用いた基本周波数ｆM となる。
生の説明図を示す。図７（Ａ）に示すように、単一モー
ドスペクトラムを、位相変調することにより、図７
（Ｂ）に示すようなサイドバンド波形スペクトラムを発
生することができる。各スペクトラムの間隔は、変調に
用いた基本周波数ｆM となる。
【００４４】図８に、位相変調方式による干渉信号の波
形図を示す。
形図を示す。
【００４５】位相変調方式においては、干渉強度Ｉは、
振幅変化Ｖ1及びＶ2として計測される。一方は、変調周
波数の２倍波成分２・ｆM の副信号の振幅変化Ｖ2 とし
て計測される。他方は、基本波周波数ｆM 成分の基本信
号の振幅変化Ｖ1 として計測され、副信号の干渉信号よ
りπ／２だけ進んだ波形を持つ。位相変調方式の場合、
ひとつの干渉信号から位相がπ／２だけ異なる２つの信
号を独立に取り出せる。この２つの最大振幅は、位相変
調部への印加電圧の大きさを制御することで一致させる
ことができる（必要であれば、例えば特開昭６４−１２
２０６号公報等参照）。
振幅変化Ｖ1及びＶ2として計測される。一方は、変調周
波数の２倍波成分２・ｆM の副信号の振幅変化Ｖ2 とし
て計測される。他方は、基本波周波数ｆM 成分の基本信
号の振幅変化Ｖ1 として計測され、副信号の干渉信号よ
りπ／２だけ進んだ波形を持つ。位相変調方式の場合、
ひとつの干渉信号から位相がπ／２だけ異なる２つの信
号を独立に取り出せる。この２つの最大振幅は、位相変
調部への印加電圧の大きさを制御することで一致させる
ことができる（必要であれば、例えば特開昭６４−１２
２０６号公報等参照）。
【００４６】計測部４では、これら２種類の信号から直
接以下のようなΦが演算され、よって、ｚ方向の変位量
Δｚが以下のように求まる。
接以下のようなΦが演算され、よって、ｚ方向の変位量
Δｚが以下のように求まる。
【００４７】
【数３】 つぎに、図９に、位相変調方式の干渉縞の強度分布の説
明図を示す。
明図を示す。
【００４８】位相変調方式において、例えば、各点でπ
／２だけ位相の異なる２種類の信号を得ることができ
る。さらに、入射ビームの断面電界分布は、現実にはガ
ウシャン・ビームであるので、定在型干渉縞の強度分布
を現実に即して示すと、この図のようになる。
／２だけ位相の異なる２種類の信号を得ることができ
る。さらに、入射ビームの断面電界分布は、現実にはガ
ウシャン・ビームであるので、定在型干渉縞の強度分布
を現実に即して示すと、この図のようになる。
【００４９】受光部３では、これら２種類の信号が多重
された受光出力が得られる。計測部４では、この多重信
号を分離して各々の受信信号を得る。さらに、計測部４
では、これら２種類の波形を比較することで、どちらの
方向に変位しているかを判断することができる。制御部
５は、計測部４の計測結果によりだたちに所望の制御を
実行することができる。このように、変調技術、特に位
相変調技術を用いることにより、干渉信号の振幅が変動
しても、方向弁別と演算によって、高分解化が可能とな
る。
された受光出力が得られる。計測部４では、この多重信
号を分離して各々の受信信号を得る。さらに、計測部４
では、これら２種類の波形を比較することで、どちらの
方向に変位しているかを判断することができる。制御部
５は、計測部４の計測結果によりだたちに所望の制御を
実行することができる。このように、変調技術、特に位
相変調技術を用いることにより、干渉信号の振幅が変動
しても、方向弁別と演算によって、高分解化が可能とな
る。
【００５０】図１０に、所望のダイナミックレンジを確
保するための各物理量を表した図を示す。
保するための各物理量を表した図を示す。
【００５１】図１０（Ａ）では、一例として、ダイナミ
ックレンジ±６００μｍ程度を確保するための各物理量
を表したものである。ここに示した入射ビーム角度の設
定の仕方やダイナミックレンジ及び分解能などは、適宜
必要に応じて設定することができる。
ックレンジ±６００μｍ程度を確保するための各物理量
を表したものである。ここに示した入射ビーム角度の設
定の仕方やダイナミックレンジ及び分解能などは、適宜
必要に応じて設定することができる。
【００５２】図１０（Ｂ）では、ダイナミックレンジと
分解能の関係を示したものである。位相角読み取り分解
能ΔΦ＝１°（±０．５°）とした場合、Ｚ変位量の分
解能ΔＺは、次式で与えられるので、ダイナミックレン
ジ±ＺDによって、分解能ΔＺは変化する。
分解能の関係を示したものである。位相角読み取り分解
能ΔΦ＝１°（±０．５°）とした場合、Ｚ変位量の分
解能ΔＺは、次式で与えられるので、ダイナミックレン
ジ±ＺDによって、分解能ΔＺは変化する。
【００５３】
【数４】 したがって、ダイナミックレンジが広くなればなるほ
ど、分解能も低下していく。
ど、分解能も低下していく。
【００５４】なお、上述の説明では、基本周波数とその
２倍の周波数とによる位相変調方式を採用したが、これ
に限らず、任意の位相差の位相変調方式やその他の変調
方式など適宜採用することができる。
２倍の周波数とによる位相変調方式を採用したが、これ
に限らず、任意の位相差の位相変調方式やその他の変調
方式など適宜採用することができる。
【００５５】（３）相対移動部を備えた干渉計測制御シ
ステム つぎに、図１１に、ダイナミックレンジを拡大するため
の構成図を示す。
ステム つぎに、図１１に、ダイナミックレンジを拡大するため
の構成図を示す。
【００５６】図に示された構成は、ダイナミックレンジ
を広げるために、例えば相対移動部９をさらに備えるよ
うにしたものである。相対移動部９は、干渉計測プロー
ブ２（照射部２１）と受光部３とを、干渉縞を横切る方
向に相対的に移動可能とするものであり、干渉計測プロ
ーブ２又は受光部３のいずれの側に設けてもよい。測定
部４は、相対移動部９の移動量と受光部３の受光出力と
に基づいて変位を求めることができる。
を広げるために、例えば相対移動部９をさらに備えるよ
うにしたものである。相対移動部９は、干渉計測プロー
ブ２（照射部２１）と受光部３とを、干渉縞を横切る方
向に相対的に移動可能とするものであり、干渉計測プロ
ーブ２又は受光部３のいずれの側に設けてもよい。測定
部４は、相対移動部９の移動量と受光部３の受光出力と
に基づいて変位を求めることができる。
【００５７】例えば、まず、第１のポジションで干渉縞
を計測することにより第１の変位を求める。つぎに、相
対移動部９により移動することにより、受光部３の位置
を光束のエリア内に第２のポジションまで移動して、同
様に干渉縞を計測することにより第２の変位を求める。
このときの相対移動部９の移動量を、第１及び第２の変
位に勘案することにより、第１及び第２のポジションの
変位が計測できるので、ダイナミックレンジが拡大され
る。なお、移動の際に、光てこ式の技術を応用すること
もできる。
を計測することにより第１の変位を求める。つぎに、相
対移動部９により移動することにより、受光部３の位置
を光束のエリア内に第２のポジションまで移動して、同
様に干渉縞を計測することにより第２の変位を求める。
このときの相対移動部９の移動量を、第１及び第２の変
位に勘案することにより、第１及び第２のポジションの
変位が計測できるので、ダイナミックレンジが拡大され
る。なお、移動の際に、光てこ式の技術を応用すること
もできる。
【００５８】（４）干渉計測制御システムの第２の実施
の形態 図１２に、本発明に係る干渉計測制御システムの第２の
実施の形態の全体構成図を示す。
の形態 図１２に、本発明に係る干渉計測制御システムの第２の
実施の形態の全体構成図を示す。
【００５９】第１の実施の形態と異なる点は、受光部３
とステージ７が一体となっているところである。他の構
成及び動作は第１の実施の形態と同様である。
とステージ７が一体となっているところである。他の構
成及び動作は第１の実施の形態と同様である。
【００６０】このような構成により、計測部４は、受光
部３の変位を直接計測することができる。また、制御部
５は、受光部３の位置を直接制御することができる。な
お、この図では、受光部３は、ステージ７に固定されて
いるが、特にステージ７を設ける必要はなく、受光部３
自体の変位を計測することもできる。
部３の変位を直接計測することができる。また、制御部
５は、受光部３の位置を直接制御することができる。な
お、この図では、受光部３は、ステージ７に固定されて
いるが、特にステージ７を設ける必要はなく、受光部３
自体の変位を計測することもできる。
【００６１】（５）干渉計測制御システムの応用 つぎに、本発明の計測装置の応用例を述べる。
【００６２】また、光学顕微鏡・電子顕微鏡、カメラ等
の自動焦点調節に応用することができる。
の自動焦点調節に応用することができる。
【００６３】図１３に、対象物の厚さやギャップ量の測
定についての説明図を示す。
定についての説明図を示す。
【００６４】図１３（Ａ）に示すように、例えば、対象
物の上面及び下面の位置を個々に測定することにより、
基板の厚さ又はギャップを測定することができる。ま
た、図１３（Ｂ）に示すように、対象物が透過性のもの
である場合、例えば照射光の屈折を利用することによ
り、表面や裏面の位置で変位を計測することができ、ま
た、その厚さ又はギャップの測定に応用することができ
る。
物の上面及び下面の位置を個々に測定することにより、
基板の厚さ又はギャップを測定することができる。ま
た、図１３（Ｂ）に示すように、対象物が透過性のもの
である場合、例えば照射光の屈折を利用することによ
り、表面や裏面の位置で変位を計測することができ、ま
た、その厚さ又はギャップの測定に応用することができ
る。
【００６５】また、予め移動量が予想できれば、本発明
の干渉計測装置を複数備えてそれらの相対位置を把握し
ておけば、複数箇所で変位を計測することにより、相対
移動部９を設けずに、ダイナミックレンジを拡大するこ
とができる。さらに、相対移動部９を備えた構成を適用
することもできる。なお、対象物を横方向に移動する移
動機構を付加することもできる。
の干渉計測装置を複数備えてそれらの相対位置を把握し
ておけば、複数箇所で変位を計測することにより、相対
移動部９を設けずに、ダイナミックレンジを拡大するこ
とができる。さらに、相対移動部９を備えた構成を適用
することもできる。なお、対象物を横方向に移動する移
動機構を付加することもできる。
【００６６】また、干渉計測プローブの光導波路の分岐
数は２つに限らず３以上の複数設けることもでき、さら
に変調部も適宜２つ以上の複数設けることもできる。
数は２つに限らず３以上の複数設けることもでき、さら
に変調部も適宜２つ以上の複数設けることもできる。
【００６７】
【発明の効果】以上のように、本発明においては、光学
系をデバイス化することができ、シンプルな光学系を実
現することができる。また、本発明によると、干渉縞を
利用して高分解能で計測ができる。
系をデバイス化することができ、シンプルな光学系を実
現することができる。また、本発明によると、干渉縞を
利用して高分解能で計測ができる。
【００６８】さらに、本発明においては、位相変調型ヘ
テロダイン干渉法を採用することにより、レーザ光源の
パワー変動が検出・測定精度に影響を与えず、干渉ビー
ト信号の位相差検出のため検出分解能が高い干渉計測装
置、干渉計測プローブ及び干渉計測制御装置を提供する
ことができる。
テロダイン干渉法を採用することにより、レーザ光源の
パワー変動が検出・測定精度に影響を与えず、干渉ビー
ト信号の位相差検出のため検出分解能が高い干渉計測装
置、干渉計測プローブ及び干渉計測制御装置を提供する
ことができる。
【００６９】また、本発明においては、１個のフォトデ
ィテクタ等の受光素子で方向弁別が可能とすることがで
きる。
ィテクタ等の受光素子で方向弁別が可能とすることがで
きる。
【００７０】さらに、ｚ方向だけでなく、ｘ方向やｙ方
向についても変位を計測・制御するように配置すること
もでき、ひとつ又は複数の干渉計測プローブを複数箇所
に配置することにより、２次元又は３次元の計測・制御
に拡張することもできる。また、測定部では、計測され
た変位や位置について、時間的な変化・履歴を測定した
り、記憶することもできる。
向についても変位を計測・制御するように配置すること
もでき、ひとつ又は複数の干渉計測プローブを複数箇所
に配置することにより、２次元又は３次元の計測・制御
に拡張することもできる。また、測定部では、計測され
た変位や位置について、時間的な変化・履歴を測定した
り、記憶することもできる。
【００７１】
【図１】本発明に係る干渉計測制御システムの第１の実
施の形態の全体構成図。
施の形態の全体構成図。
【図２】本発明に係る干渉計測プローブの構成図。
【図３】干渉強度から変位量を求めるための説明図。
【図４】定在型干渉縞の強度分布の説明図。
【図５】位相変調方式における干渉計測のための説明
図。
図。
【図６】光導波路部の製造工程図。
【図７】位相変調による側波帯列の発生の説明図。
【図８】位相変調方式による干渉信号の波形図。
【図９】位相変調方式の干渉縞の強度分布の説明図。
【図１０】所望のダイナミックレンジを確保するための
各物理量を表した図。
各物理量を表した図。
【図１１】ダイナミックレンジを拡大するための構成
図。
図。
【図１２】本発明に係る干渉計測制御システムの第２の
実施の形態の全体構成図。
実施の形態の全体構成図。
【図１３】対象物の厚さやギャップ量の測定についての
説明図。
説明図。
【図１４】光てこ方式の動作原理図。
１ 光源部 ２ 干渉計測プローブ ２１ 光導波路部 ２２ 照射部 ３ 受光部 ４ 測定部 ５ 制御部 ６ 駆動部 ７ ステージ ８ 対象物
Claims (14)
- 【請求項１】コヒーレント光を発する光源部と、 前記光源部からのコヒーレント光を入射し、少なくとも
２つの光束に分岐して射出する光導波路部と、 前記光導波路部により射出された前記少なくとも２つの
光束を入射し、少なくとも２つの照射光束を互いに異な
る角度により照射して干渉光を形成する照射部と、 前記少なくとも２つの照射光束が干渉する位置に配置さ
れることにより前記干渉光を受光して、受光信号を出力
する受光部と、 前記受光部が出力する前記受光信号に基づき、前記照射
部と前記受光部との変位を求める測定部とを備えた干渉
計測装置。 - 【請求項２】コヒーレント光を発する光源部と、 前記光源部からのコヒーレント光を入射し、少なくとも
２つの光束に分岐して射出する光導波路部と、 前記光導波路部により射出された前記少なくとも２つの
光束を入射し、少なくとも２つの照射光束を互いに異な
る角度により対象物に照射して干渉光を形成する照射部
と、 前記対象物から反射された又は前記対象物を透過した少
なくとも２つの反射又は透過光束が干渉する位置に配置
されることにより前記干渉光を受光して、受光信号を出
力する受光部と、 前記受光部が出力する前記受光信号に基づき、前記対象
物の変位を求める測定部とを備えた干渉計測装置。 - 【請求項３】前記光導波路部は、 ニオブ酸リチウム結晶基板又はタンタル酸リチウム結晶
基板等の電気光学効果を有する基板と、 分岐された前記少なくとも２つの光束のうち少なくとも
一方を変調する変調部とを備えたことを特徴とする請求
項１又は２に記載の干渉計測装置。 - 【請求項４】前記光導波路部は、 ニオブ酸リチウム結晶基板等の電気光学効果を有する基
板と、 計測する変位方向を含む面と平行な面内において、前記
光源部からのコヒーレント光が入射する入射導波路と、 前記入射導波路内の光を少なくとも２つの光束に分岐す
る分波部と、 前記分波部により分岐された前記少なくとも２つの光束
を、前記面内においてそれぞれ射出する少なくとも２つ
の射出導波路と、 前記分波部で分岐された前記少なくとも２つの光束のう
ち少なくとも一方を変調する変調部とを備えたことを特
徴とする請求項１又は２に記載の干渉計測装置。 - 【請求項５】前記照射部は、 前記光導波部で分岐された前記少なくとも２つの光束を
互いに異なる角度で、対象物上で略ビームウエストとな
るように照射することを特徴とする請求項１乃至４のい
ずれかに記載の干渉計測装置。 - 【請求項６】前記測定部は、 前記受光部の受光出力のうち、前記変調部の変調周波数
と等しい周波数の基本信号と前記変調周波数の２倍の周
波数の副信号とを抽出する信号抽出部と、 前記信号抽出部により抽出された前記基本信号及び前記
副信号の位相から変位を求める変位計測部とを備えたこ
とを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の干渉
計測装置。 - 【請求項７】前記測定部は、 前記少なくとも２つの照射光束で形成される干渉縞の方
向又はその垂直方向が変位方向を横切る角度に基づい
て、前記照射部と前記受光部との変位を求めることを特
徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の干渉計測装
置。 - 【請求項８】前記照射部と前記受光部とを、干渉縞を横
切る方向に相対的に移動可能とする相対移動部をさらに
備え、 前記測定部は、前記相対移動部の移動量と前記受光部の
受光出力とに基づいて変位を求めることを特徴とする請
求項１乃至７のいずれかに記載の干渉計測装置。 - 【請求項９】前記相対移動部は、 前記制御部により、相対移動の移動量に応じて前記対象
物からの反射又は透過光束が前記受光部に入射されるよ
うに制御され、測定範囲を拡大することを特徴とする請
求項８に記載の干渉計測装置。 - 【請求項１０】コヒーレント光を入射し、少なくとも２
つの光束に分岐して射出する光導波路部と、 前記光導波路部により射出された前記少なくとも２つの
光束を入射し、少なくとも２つの照射光束を互いに異な
る角度により照射することにより、前記少なくとも２つ
の照射光束が干渉するような測定領域を形成するための
照射部とを備えた干渉計測プローブ。 - 【請求項１１】前記光導波路部は、 ニオブ酸リチウム結晶基板又はタンタル酸リチウム結晶
基板等の電気光学効果を有する基板と、 分岐された前記少なくとも２つの光束のうち少なくとも
一方を変調する変調部とを備えたことを特徴とする請求
項１０に記載の干渉計測プローブ。 - 【請求項１２】前記光導波路部は、 ニオブ酸リチウム結晶基板又はタンタル酸リチウム結晶
基板等の電気光学効果を有する基板と、 計測する変位方向を含む面と平行な面内において、前記
光源部からのコヒーレント光が入射する入射導波路と、 前記入射導波路内の光を少なくとも２つの光束に分岐す
る分波部と、 前記分波部により分岐された前記少なくとも２つの光束
を、前記面内においてそれぞれ射出する少なくとも２つ
の射出導波路と、 前記分波部で分岐された前記少なくとも２つの光束のう
ち少なくとも一方を変調する変調部とを備えたことを特
徴とする請求項１０に記載の干渉計測プローブ。 - 【請求項１３】コヒーレント光を発する光源部と、 前記光源部からのコヒーレント光を入射し、少なくとも
２つの光束に分岐して射出する光導波路部と、 前記光導波路部により射出された前記少なくとも２つの
光束を入射し、少なくとも２つの照射光束を互いに異な
る角度により照射して干渉光を形成する照射部と、 前記少なくとも２つの照射光束が干渉する位置に配置さ
れることにより前記干渉光を受光して、受光信号を出力
する受光部と、 前記受光部が出力する前記受光信号に基づき、前記照射
部と前記受光部との変位を求める測定部と、 前記受光部の位置を変位させる駆動部と、 前記測定部による測定結果に基づいて、前記受光部が受
光する干渉光の強さが最大になる位置に前記駆動部を変
位させるように制御する制御部とを備えた干渉計測制御
システム。 - 【請求項１４】コヒーレント光を発する光源部と、 前記光源部からのコヒーレント光を入射し、少なくとも
２つの光束に分岐して射出する光導波路部と、 前記光導波路部により射出された前記少なくとも２つの
光束を入射し、少なくとも２つの照射光束を互いに異な
る角度により対象物に照射して干渉光を形成する照射部
と、 前記対象物から反射された又は前記対象物を透過した少
なくとも２つの反射又は透過光束が干渉する位置に配置
されることにより前記干渉光を受光して、受光信号を出
力する受光部と、 前記受光部が出力する前記受光信号に基づき、前記対象
物の変位を求める測定部と前記対象物の位置を変位させ
る駆動部と、 前記測定部による測定結果に基づいて、前記受光部が受
光する干渉光の強さが最大になる位置に前記駆動部を変
位させるように制御する制御部とを備えた干渉計測制御
システム。
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|---|---|---|---|
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| JP31462197A JP4008552B2 (ja) | 1997-10-31 | 1997-10-31 | 干渉計測装置及び干渉計測制御システム |
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|---|---|---|---|---|
| WO2019123662A1 (ja) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | オリンパス株式会社 | 生体計測装置、生体計測システム、及び生体計測方法 |
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1998
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| WO2019123662A1 (ja) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | オリンパス株式会社 | 生体計測装置、生体計測システム、及び生体計測方法 |
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