JPS6337202A - Optical apparatus for measuring minute displacement - Google Patents

Optical apparatus for measuring minute displacement

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JPS6337202A
JPS6337202A JP18073986A JP18073986A JPS6337202A JP S6337202 A JPS6337202 A JP S6337202A JP 18073986 A JP18073986 A JP 18073986A JP 18073986 A JP18073986 A JP 18073986A JP S6337202 A JPS6337202 A JP S6337202A
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displacement
photoelectric conversion
white light
interferogram
light source
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Tetsuo Iwata
哲郎 岩田
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Abstract

PURPOSE:To enable the measurement of minute displacement by means of a light source which facilitates the adjustment of measurement and is easy to handle, by forming an interferogram by a two-beam interferometer by using a white light source, and by measuring the displacement of the center burst thereof by using an image sensor. CONSTITUTION:A flux of light emitted from a white light source 1 to a Michelson interferometer 20 and reflected by a fixed reflector 26 inclined by a minute angle theta and by a moving reflector 25 fitted perpendicularly to a moving body 24 forms an interferogram on an image surface. An image sensor 30 is provided on the image surface of this interferometer 20, and when a center burst before displacement is positioned at an i-th photoelectric conversion element of a sensor 30, first, this is determined by a discriminating means 41. Next, a switch SW1 is switched over, and a discriminating means 42 determines that the center burst after displacement is positioned at a j-th photoelectric conversion element. Based on these determinations, a computing means 43 takes-in the pitches P and angles theta of the photoelectric conversion elements and calculates tantheta(i-j)P. This absolute value represents an amount of the displacement of the moving body 24.

Description

【発明の詳細な説明】 し産業上の利用分!’?] 本発明は、顕m鏡等のX−Yステージの位お決め機構、
半導体製造装置のステッパーやフーリエ分光器の移動鏡
の位置決め機構等において使用される光学的微小変位測
定装置に関するものである。
[Detailed description of the invention] Industrial use! '? ] The present invention provides a positioning mechanism for an X-Y stage of a microscope, etc.
The present invention relates to an optical minute displacement measuring device used in a stepper of semiconductor manufacturing equipment, a positioning mechanism for a moving mirror of a Fourier spectrometer, and the like.

[従来の技術J 光学的微小変位の測定技術の一つとして、He −Ne
レーザー等の単色光を光源とした干渉計を利用してサイ
ン波状の干渉縞を像面に形成し、その像面に置いたイメ
ージセンサの出力信号をフーリエ変換して位相項を算出
し、この位相項に基づいて移動鏡の変位をAl1定する
技術が知られている。
[Prior art J As one of optical minute displacement measurement techniques, He-Ne
An interferometer with a monochromatic light source such as a laser is used to form sine wave interference fringes on the image plane, and the output signal of the image sensor placed on the image plane is Fourier transformed to calculate the phase term. A technique for determining Al1 the displacement of a moving mirror based on a phase term is known.

[解決すべき問題点] しかしながら、」−2測定技術によれば、次の問題点が
ある。
[Problems to be Solved] However, according to the "-2 measurement technique, there are the following problems.

CO像面にサイン波状の干渉縞を作成するためには、t
l e −N eレーザー等の単色光源を使用する必要
があり、装置構成が複雑となり、コスト高を招く。
In order to create sinusoidal interference fringes on the CO image plane, t
It is necessary to use a monochromatic light source such as a le-Ne laser, which complicates the device configuration and increases costs.

■また、フーリエ変換実行後、その位相項から目的の変
位14を算出するアルゴリズムが複雑であり、計算時間
が長くかかる。したがってリアルタイム処理の目的に制
限が加わる。
(2) Furthermore, the algorithm for calculating the target displacement 14 from the phase term after Fourier transformation is complicated and takes a long calculation time. Therefore, restrictions are placed on the purpose of real-time processing.

(2)位相スペクトルから変位量を求める方法を採用し
た場合、波長のl/100以下のオーダの微小変位の測
定がrI(能となるが、従来は単一の波長エレメントし
か使用していないので、1111定精1■の信頼性に欠
ける。
(2) If the method of determining the amount of displacement from the phase spectrum is adopted, it becomes possible to measure minute displacements on the order of 1/100 of the wavelength or less, but conventionally only a single wavelength element is used. , 1111 fixed precision 1■ lacks reliability.

本発明は、In記問題点を解決するものであり、測定調
整が容易で、簡便な光源を使用しうる光学的微小変位測
定袋とを提供することを目的とするものである。
The present invention solves the problem mentioned above, and aims to provide an optical minute displacement measurement bag that allows easy measurement adjustment and uses a simple light source.

E問題点の解決手段] 上記問題点を解決するため1本願第1発明に係る光学的
微小変位測定装置は、次の5つの構成要件からなる。
Means for Solving Problem E] In order to solve the above problem, the optical minute displacement measuring device according to the first invention of the present application consists of the following five constituent elements.

■白色光源があること。■There must be a white light source.

「白色光源」とは、単色光源に対する意で、例えば特定
波長域で連続スペクトルを有する光源でもよい。
The term "white light source" refers to a monochromatic light source, and may be a light source having a continuous spectrum in a specific wavelength range, for example.

■その白色光を受け光路差を変数とするセンターへ−ス
トを有するインターフェログラムを像面に空間的に作成
する2光束干渉計があること。
(2) There is a two-beam interferometer that receives the white light and spatially creates an interferogram on the image plane that has an interferogram centered on the optical path difference as a variable.

■該インターフェログラムの横断方向に多数の光電変換
部を有するイメージセンサがあること。
(2) There is an image sensor having a large number of photoelectric conversion units in the transverse direction of the interferogram.

■該光路差を付与する光学要素の変位前及び変位後の該
イメージセンサの光電変換部のうちピーク値を出力する
光電変換部の順番を判別する手段があること。
(2) There is a means for determining the order of the photoelectric conversion units that output a peak value among the photoelectric conversion units of the image sensor before and after the optical element that provides the optical path difference is displaced.

(5)両光電変換部の順番の差をとり、その差に基づい
て該センターパーストの変位を求めて、該センターパー
ストの変位と該光路差を付与する反射鏡の傾角の正接と
の積を算出する演算手段があること。
(5) Calculate the difference in the order of both photoelectric conversion units, calculate the displacement of the center burst based on the difference, and calculate the product of the displacement of the center burst and the tangent of the inclination of the reflecting mirror that provides the optical path difference. There must be a calculation means for calculation.

本願第2発明に係る光学的゛微小変位測定装置は、次の
6つの構成要件からなる。
The optical micro-displacement measuring device according to the second invention of the present application consists of the following six constituent elements.

■白色光源があること。■There must be a white light source.

くめその白色光を受け光路差を変数とするセンターパー
ストを有するインターフェログラムを像面に空間的に作
成する2光束干渉計があること。
There is a two-beam interferometer that receives white light and spatially creates an interferogram with a center burst on the image plane, with the optical path difference as a variable.

■該インターフェログラムの横断方向に多数の光電変換
部を有するイメージセンサがあること。
(2) There is an image sensor having a large number of photoelectric conversion units in the transverse direction of the interferogram.

■該光路差をイ1与する光学要素の変位前及び変位後の
白色光インターフェログラムを収集する手段があること
(2) There is a means for collecting white light interferograms before and after displacement of the optical element giving the optical path difference.

■それらインターフェログラムをフーリエ変換する手段
があること。
■There must be a means to Fourier transform these interferograms.

■夫々のフーリエ変換した結果の実部の項及び虚部の項
を用いて、各波数エレメント41f:に位相を求め、変
位前後の位相スペクトルの差から各波数エレメント毎の
変位量を算出し、それらを統計処理して最終的な変位量
を求める演算手段があること。
■ Using the real part term and imaginary part term of each Fourier transform result, find the phase of each wave number element 41f:, calculate the displacement amount for each wave number element from the difference in the phase spectrum before and after the displacement, There must be a calculation means for statistically processing them to obtain the final amount of displacement.

「実施例] 次に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。"Example] Next, embodiments of the present invention will be described based on the drawings.

第1図は、本願第1発明に係る光学的微小変位測定装置
の一実施例を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an optical minute displacement measuring device according to the first invention of the present application.

lは白色光源で、小型電球又は発光ダイオード等の特定
波長域で連続スペクトルを有する光源である。20は固
定反射鏡26を微小角0だけ傾けたマイケルソン干渉計
で、白色光源1に対して受光立体角を制限するアパーチ
ャー21と、入射光束を平行光束にするコリメータレン
ズ22と、平行光束を振幅分割して2光束に分離するビ
ームスプリッタ23と、一方の光路において変位を71
111定すべき移動体24に垂直に取イ1けた移動反射
鏡25と、他方の光路において光軸の垂直方向に対して
傾角0をもたせて設けられた固定反射鏡26と、両光束
によって固定反射鏡26の近傍に局在化した干渉縞を結
像する結像レンズ27とから構成されている。
1 is a white light source, such as a small light bulb or a light emitting diode, which has a continuous spectrum in a specific wavelength range. 20 is a Michelson interferometer in which a fixed reflecting mirror 26 is tilted by a small angle of 0, and includes an aperture 21 that limits the solid angle of reception with respect to the white light source 1, a collimator lens 22 that converts the incident light beam into a parallel light beam, and a collimator lens 22 that converts the incident light beam into a parallel light beam. A beam splitter 23 that divides the amplitude into two beams, and a beam splitter 23 that divides the amplitude into two beams, and
111 A movable reflector 25 placed perpendicularly to the movable body 24 to be fixed, and a fixed reflector 26 provided with an inclination angle of 0 to the vertical direction of the optical axis in the other optical path, fixed by both light beams. It is composed of an imaging lens 27 that forms an image of interference fringes localized in the vicinity of a reflecting mirror 26.

ところで、移動反射鏡25で反射した光束と固定反射鏡
28で反射した光束はビームスプリッタ23で重ね合わ
され、像面には光路差を変数とするインターフェログラ
ム(干渉光の強度パターン)が空間的に作成されるが、
光源が単色光の場合にはサインカーブ的な干渉縞のパタ
ーンであるのに対し、本実施例のように光源に各種波長
が含まれている場合には、各種波長のサインカーブ的な
干渉縞が線型に重ね合わされる結果、第2図に示すよう
に、インターフェログラムは光路差零でセンターバース
ト(ピーク値)を有しその左右に振動減衰する干渉縞の
パターンとなる。
Incidentally, the light beam reflected by the moving reflector 25 and the light beam reflected by the fixed reflector 28 are superimposed by the beam splitter 23, and an interferogram (intensity pattern of interference light) with the optical path difference as a variable is spatially formed on the image plane. is created, but
When the light source is monochromatic light, the interference fringe pattern is like a sine curve, but when the light source includes various wavelengths as in this example, the interference fringe pattern is like a sine curve for various wavelengths. As a result, as shown in FIG. 2, the interferogram becomes a pattern of interference fringes having a center burst (peak value) with zero optical path difference and vibration damping on the left and right sides of the center burst (peak value).

ここで、今、移動体25即ち移動反射鏡25が右方向へ
変位f1.dだけ変位したとする。変位前のセンターバ
ーストの位置をLlとし、変位後のセンターバーストの
位置をL2とすると、センターバーストは右方向へ変位
1L=L2−Llの変位を行なう。したがって、センタ
ーへ−ストの変位方向を測定することにより、移動反射
鏡25の変位方向を識別できる。移動反射鏡25の変位
量dとセンターバーストの変位量りとの間には、センタ
ーバースト位置は光路差零になる場合であるから、次の
式が成立する。
Now, the movable body 25, that is, the movable reflecting mirror 25 is displaced to the right direction f1. Suppose that it is displaced by d. If the position of the center burst before displacement is Ll, and the position of the center burst after displacement is L2, the center burst is displaced to the right by 1L=L2-Ll. Therefore, by measuring the direction of displacement of the center east, the direction of displacement of the movable reflecting mirror 25 can be identified. Since this is the case where the optical path difference is zero at the center burst position, the following equation holds between the displacement amount d of the movable reflecting mirror 25 and the displacement amount of the center burst.

d−tanO・L           ・・・(1)
ここで、目印としてのセンターバーストの変位量りを測
定することにより、既知の傾角0の正接と変位量りとの
積を以って移動反射鏡25の変位量dを決定できること
になる。傾角0を微調整した場合には、移動反射鏡25
の変位量dの測定領域を可変することができ、傾角0は
スケールツクターとしての意義がある。したがって、広
範囲の測定領域における変位測定が可能となる。
d-tanO・L...(1)
Here, by measuring the displacement scale of the center burst as a landmark, the displacement amount d of the movable reflecting mirror 25 can be determined by the product of the tangent of the known inclination angle 0 and the displacement scale. When the inclination angle 0 is finely adjusted, the movable reflector 25
The measurement range of the displacement d can be varied, and the inclination angle of 0 is significant as a scale factor. Therefore, displacement measurement in a wide range of measurement areas is possible.

次に、干渉計20の像面にはインターフェログラムの横
断方向に多数の光電変換部を有するイメージセンサ30
が設けられている。イメージセンサ30は所定の周期毎
に順次その光電変換部を走査してインターフェログラム
の強度分布をシリアル信号として出力するもので、例え
ば自己走査型のフォトダイオードアレー等が用いられる
。31はプリアンプで、イメージセンサ30の出力信号
を増幅するものである。32はアナログ/ディジタル変
換器で、そのインターフェログラムの増幅アナログ信号
をディジタルへ変換して出力するものである。
Next, on the image plane of the interferometer 20, there is an image sensor 30 having a large number of photoelectric conversion units in the transverse direction of the interferogram.
is provided. The image sensor 30 sequentially scans its photoelectric conversion section at predetermined intervals and outputs the intensity distribution of the interferogram as a serial signal, and uses, for example, a self-scanning photodiode array. 31 is a preamplifier that amplifies the output signal of the image sensor 30. 32 is an analog/digital converter that converts the amplified analog signal of the interferogram into a digital signal and outputs the digital signal.

40は信号処理部で、ディジタル化されたインターフェ
ログラムのデータを処理し、移動反射鏡25の変位の算
出に利用される。この信号処理部40の機能を破線内に
各ブロックとして示した。
A signal processing section 40 processes the digitalized interferogram data and is used to calculate the displacement of the movable reflecting mirror 25. The functions of this signal processing section 40 are shown as blocks within broken lines.

まず、変位前のインターフェログラムはイメージセンサ
30上に第2図(A)に示す強度分布をもつ、今、その
センターバーストの位置が左からi番目の光電変換部に
あるとすれば、変位前ピーク値判別手段41がこのi番
目の光電変換部を判別する。具体的には、変位前のイン
ターフェログラムの強度信号をそのイメージセンサ30
の光電変換部の順番毎に対応させたアドレス番に一旦格
納し、各アドレス番のうち最大の内容を有するアドレス
番(=ii番目を記憶する。次に、変位後におけるセン
ターバーストの位置が左からj番[1の光電変換部にあ
るとすれば、スイフチSWIを切科え、ピーク値判別手
段42がこの1番11の光電変換部を判別する。なお、
かかる光電変換部の判別は、時分割で実行できるから、
弔−のビーク値’rIl別り段で実現できる。演算手段
43は、i番と1番11の差をとり、この差(i−j)
と外部から人力されるイメージセンサ30の光電変換部
のピッチPとに基づいて、センターバース]・の変位(
i−J)Pを算出し、外部から入力される傾角0からt
an(7を算出し、しかる後、tan O(i   j
)Pを算出して、これを出力装置44へ出力する。(i
−j)の正の場合は右方向の変位を、負の場合は左方向
の変位を表わしており、その絶対値は変位量(移動量)
を表わしている。ただし、ここでは結像レンズ27の倍
率は簡単のために1としであるが、一般にその倍率をk
とした場合には、」二記演算結果にkを掛ければよい。
First, the interferogram before displacement has the intensity distribution shown in FIG. The previous peak value determining means 41 determines this i-th photoelectric conversion unit. Specifically, the intensity signal of the interferogram before displacement is transmitted to the image sensor 30.
The center burst is stored once in the address number corresponding to the order of the photoelectric conversion units, and the address number (=ii-th) having the largest content among each address number is stored.Next, the center burst position after displacement is set to the left. If it is in the photoelectric conversion unit number j [1], the swift SWI is terminated, and the peak value discrimination means 42 discriminates the photoelectric conversion unit number 1 and 11.
This determination of the photoelectric conversion unit can be performed in a time-sharing manner.
The peak value 'rIl of the funeral can be realized in a separate step. The calculation means 43 calculates the difference between number i and number 1 and 11, and calculates this difference (i-j)
Based on the pitch P of the photoelectric conversion section of the image sensor 30 manually inputted from the outside, the displacement of the center berth (
i-J) Calculate P and calculate t from the inclination angle 0 input from the outside.
an(7, then tan O(i j
) P is calculated and outputted to the output device 44. (i
−j) indicates a rightward displacement, and a negative value indicates a leftward displacement, and its absolute value is the amount of displacement (amount of movement)
It represents. However, here, the magnification of the imaging lens 27 is assumed to be 1 for simplicity, but generally the magnification is set to k.
In this case, the result of the two-note operation can be multiplied by k.

第3図は、本願第2発明に係る光学的微小変位Jlll
定装首の一実施例を示すブロック図である。この実施例
は、傾角Oを測定することなしに変位を高精度で測定す
るものである。なお、第3図中、第1図に示す部分と同
一の部分には同一参照符号を付してあり、その説明を省
略する。
FIG. 3 shows the optical minute displacement Jllll according to the second invention of the present application.
It is a block diagram showing one example of a fixed neck. This embodiment measures displacement with high precision without measuring the inclination angle O. In FIG. 3, the same parts as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and their explanations will be omitted.

まず、測定原理を説明するに、今、白色光源1に含まれ
ているある1つの単色光の波数を6゜とすると、像面に
形成されるサインカーブ的な干渉縞の強JIG(x)は
、 G (x) =b (d。) cos  (2πf、x
 + 5’ Cd、) )+a           
・・・(2)ここで、a;直流バイアス成分、b(σ)
;白色光源1のスペクトル、fo;干渉縞の空間周波数
、Cf(((、);波数d。に対応する位相項、X;イ
メージセンサ30の走査位置でイメージセンサ30(7
) 中央を0とする。
First, to explain the measurement principle, let us assume that the wave number of one monochromatic light included in the white light source 1 is 6 degrees. is G (x) = b (d.) cos (2πf, x
+ 5' Cd, ) ) + a
...(2) Here, a; DC bias component, b(σ)
; Spectrum of the white light source 1, fo; Spatial frequency of interference fringes, Cf (((, ); Phase term corresponding to wave number d.;
) Set the center to 0.

また、干渉縞の空間周波数fと傾角θとの間には次式が
成立する。
Further, the following equation holds true between the spatial frequency f of the interference fringe and the inclination angle θ.

fo=  2J、tan O−(3) よって、(2)式に(3)式を代入すると、G (x)
 = b (6o) cos  (4qJ、tan O
a x+pて)) + a    ・・・(4)したが
って、白色光源lの全波数についての干渉縞の強度L 
(x)即ちインターフェログラムは、重ね合せにより、 L  (X)  = f  [b  (、[) cos
  (4π(:jtan  O◆x+ CfC(f)l
 + a] #’  ・(5)この交流項をI (x)
とおくと、 I  (x)  =fb  (ご) cos  (4π
dtan  Oe x+f(グ))dど    ・・・
(B)b(d)を偶関数と奇関数の成分に分けると、b
((j)−be((I5’)+b、(d)    ・−
(7)(7)式を(6)式に代入して整理すると、I 
(x) =、L b、(d ) exp  (j Cf
(d ) IXexp  (j 4πtan Oe x
cfl d4j= 1=              
 ・・・(8)ここで、be(J)を新たに白色光源l
のスペクトルB(6)とおき、4πtanO*x=Xと
おくと、 I T  (X) = f B (1) exp  (j 
(−fcO”) IX exp  (j Xd  ) 
 dl        −(9)(8)式より、B (
d) E!IP  (j fCと))は、i (X)の
逆フーリエ変換で与えられることが分るから、 ここで、C(6′) =f I (X) cos  (
ごX)dX−二 S  Cd )  =f I  (X)  sin  
(ごX)dXとおくと、(10)式は、 B Cd ) cas(fc(f) + j B (d
)sintf(J )=C(J)−jS(と)    
   ・・・(11)よッテ、tany)(J ) −
−S Cd ) / CCtj )1!0ち、位相項f
(ご)は、 ヅ(d ) −tan (−3(グ) /C(J ) 
) ・(12)ところで、変位量dと位相項(−f(グ
)の間には次式が成立している。
fo = 2J, tan O-(3) Therefore, by substituting equation (3) into equation (2), G (x)
= b (6o) cos (4qJ, tan O
a x+p)) + a...(4) Therefore, the intensity L of the interference fringe for all wave numbers of the white light source l
(x), that is, the interferogram, by superposition, L (X) = f [b (, [) cos
(4π(:jtan O◆x+ CfC(f)l
+ a] #' ・(5) This AC term is I (x)
Then, I (x) = fb (go) cos (4π
dtan Oe x+f(g))d...
(B) If b(d) is divided into even and odd function components, b
((j)-be((I5')+b,(d) ・-
(7) Substituting equation (7) into equation (6) and organizing it, I
(x) =, L b, (d) exp (j Cf
(d) IXexp (j 4πtan Oe x
cfl d4j= 1=
...(8) Here, be(J) is a new white light source l
Let the spectrum B(6) be 4πtanO*x=X, then I T (X) = f B (1) exp (j
(-fcO”) IX exp (j Xd)
dl - (9) From equation (8), B (
d) E! Since we know that IP (j fC and)) is given by the inverse Fourier transform of i (X), here, C(6') = f I (X) cos (
X)dX-2S Cd) = f I (X) sin
(X)dX, equation (10) becomes B Cd ) cas(fc(f) + j B (d
) sintf(J)=C(J)−jS(and)
...(11) Yotte, tany) (J) -
−S Cd ) / CCtj ) 1!0, phase term f
(go) is ヅ(d) -tan (-3(gu) /C(J)
) (12) By the way, the following equation holds true between the displacement amount d and the phase term (-f(g)).

′−f(ご)=4πdご        ・・・(13
)(12)式及び(13)式より、 d(ど) に決定されるはずであるが、イメージセンサ3oの光電
変換部の感度のバラツキ等の理由により、すべての波数
d、について一義的とはならない。そこ毛 で、各波数エレメント毎に変位量d−を求める。
'-f(go)=4πdgo...(13
) From equations (12) and (13), d(d) should be determined, but due to reasons such as variations in sensitivity of the photoelectric conversion part of the image sensor 3o, it cannot be determined uniquely for all wave numbers d. Must not be. There, the amount of displacement d- is determined for each wavenumber element.

を 仮に、白色光源lがN個の波数エレメントがらなり、一
様な強度を有じていると考える場合には、各変位量へ 
の相加平均をとることによって、SIN比(標準偏差)
はF「に比例して改善されることとなる。精密な統計処
理として、白色光源lの分光特性を考慮した場合、LT
;7で与えられるパワースペクトルを求め、その各波数
エレメント毎の強度分布を考慮し、重みつき平均をとる
If we consider that the white light source l consists of N wavenumber elements and has uniform intensity, then for each displacement amount,
By taking the arithmetic mean of the SIN ratio (standard deviation)
will be improved in proportion to F'. As a precise statistical process, when considering the spectral characteristics of the white light source l, LT
; Obtain the power spectrum given by 7, take into consideration the intensity distribution of each wavenumber element, and take a weighted average.

測定装置につき説明するに、第3図に示す信号処理部5
0の収集手段51が変位前のインターフェログラムを収
集する。収集手段51は一種の記憶装置で、イメージセ
ンサ30の光電変換部の個数に相当するアドレス数を有
する。フーリエ変換手段としての周波数分析器53は変
位前のインターフェログラムにフーリエ変換を施し、演
算装置55により、フーリエ変換した結果の実部の項及
び虚部の項を用いて、第4図(A)に示すようなパワー
スペクトル(振幅スペクトル)AIと、第4図(B)に
示すような位相スペクトルP1が求められる。今、基準
点をイメージセンサ30の中央にとっであるので、位相
スペクトルPIは測定領域ぺ〜4の間で0となっている
。もつとも基準点の位置は任意でよい。次に、変位後に
おいてスイッチSW2を切替え、収集手段52が変位後
のインターフェログラムを収集し、周波数分析器54は
これにフーリエ変換を施し、演算装置55により、フー
リエ変換した結果の実部の項及び虚部の項を用いて第4
図(A)に示すようなパワースペクトルA2と、第4図
(B)に示すような位相スペクトルP2が求められる。
To explain the measuring device, the signal processing section 5 shown in FIG.
0 collection means 51 collects the interferogram before displacement. The collecting means 51 is a type of storage device, and has the number of addresses corresponding to the number of photoelectric conversion units of the image sensor 30. A frequency analyzer 53 as a Fourier transform means performs a Fourier transform on the interferogram before displacement, and an arithmetic unit 55 uses the real part term and imaginary part term of the result of the Fourier transform to obtain the result shown in FIG. A power spectrum (amplitude spectrum) AI as shown in ) and a phase spectrum P1 as shown in FIG. 4(B) are obtained. Now, since the reference point is set at the center of the image sensor 30, the phase spectrum PI is 0 between the measurement areas P to 4. However, the position of the reference point may be arbitrary. Next, after the displacement, the switch SW2 is switched, the collecting means 52 collects the interferogram after the displacement, the frequency analyzer 54 performs Fourier transform on this, and the arithmetic unit 55 calculates the real part of the Fourier transform result. Using the term and the imaginary part term, the fourth
A power spectrum A2 as shown in FIG. 4(A) and a phase spectrum P2 as shown in FIG. 4(B) are obtained.

パワースペクトルは白色光源lの分光特性によるため、
パワースペクトルA1とA2は重なっている。なお、か
かるインターフェログラムの収集及びフーリエ変換は、
時分割で実行できるから、単一の収集手段及び周波数分
析器で実現できる。次に、演算装置55は変位前後の位
相スペクトルの差から各波数エレメント(σの変位量を
算出し、それらを統計処理して最終的な変位量を出力装
置58に供給する。すなわち、変位前の位相スペクトル
位相P1と変位後のスペクトルP2の差が変位に伴なう
位相項(fcd)であるから、 (13)式、d=Lf(0/)/4πdを用いて、パワ
ースペクトルA1とA2を考慮して1重みつき平均が算
出される。
Since the power spectrum depends on the spectral characteristics of the white light source,
Power spectra A1 and A2 overlap. The collection and Fourier transformation of such interferograms are as follows:
Since it can be performed in time division, it can be implemented with a single acquisition means and frequency analyzer. Next, the arithmetic unit 55 calculates the displacement amount of each wavenumber element (σ) from the difference between the phase spectra before and after the displacement, statistically processes them, and supplies the final displacement amount to the output device 58. Since the difference between the phase spectrum phase P1 and the spectrum P2 after displacement is the phase term (fcd) associated with displacement, using equation (13), d=Lf(0/)/4πd, the power spectrum A1 and A weighted average is calculated taking A2 into consideration.

かかる装置によれば、最も条件が良い場合には波数エレ
メント数及びイメージセンサ30の光電変換部数の平方
根に比例してS/N比が改善され、波長の171OO以
下のオーダの高精度の変位7IIII定が可能となる。
According to this device, under the best conditions, the S/N ratio is improved in proportion to the square root of the number of wavenumber elements and the number of photoelectric conversion units of the image sensor 30, and a highly accurate displacement on the order of 171 OO or less of the wavelength is achieved. It becomes possible to

かかる変位dの算出では、白色光源1から発せられるす
べての波数エレメントを用いるため、フーリエ変換の演
ηには高速フーリエ変換(FFT)のアルゴリズムが用
いられる。しかしながら、波数エレメントを数個に限定
した場合には、計算時間の観点から#l:散的ノーリエ
変換(DFT)を用いることが望ましい。
In calculating the displacement d, all wavenumber elements emitted from the white light source 1 are used, so a fast Fourier transform (FFT) algorithm is used for the Fourier transform operation η. However, when the number of wavenumber elements is limited to a few, it is desirable to use #l: Dispersive Norier Transform (DFT) from the viewpoint of calculation time.

[発明の効果] 以−に説明したように、本願第1発明に係る光学的微小
変位測定装置は、インターフェログラムのインターバー
ストを目印として、その変位を測定する点に特徴を有す
るものである。インターバーストの変位前の位置と変位
後の位置は容易に測定できるから、単色光による干渉縞
の変位を測定する場合に比し、測定調整が簡単となり、
しかもインターフェログラムを作成するためには簡素な
光源を使用できるから、光源に制約されずに、装置構成
が簡素なものとなる。また、傾角θを可変することによ
り測定領域も広くとれるという効果がある。イメージセ
ンサ−の使用によりインターフェログラムを電気信号と
して瞬時に処理することが可能であるから、はとんどリ
アルタイムで変位を測定でき、移動体に対する制御等が
容易となり、顕微鏡等のX−Yステージの位置決め機構
[Effects of the Invention] As explained above, the optical minute displacement measuring device according to the first invention of the present application is characterized in that the displacement is measured using the interburst of the interferogram as a landmark. . Since the position before and after displacement of the interburst can be easily measured, measurement adjustment is easier than when measuring the displacement of interference fringes caused by monochromatic light.
Moreover, since a simple light source can be used to create an interferogram, the device configuration can be simplified without being restricted by the light source. Further, by varying the inclination angle θ, there is an effect that the measurement area can be widened. By using an image sensor, interferograms can be instantaneously processed as electrical signals, making it possible to measure displacement in almost real time, making it easier to control moving objects, and controlling X-Y signals such as microscopes. Stage positioning mechanism.

半導体製造装置のステッパー、フーリエ分光器の動鏡の
位置決め機構等における適用が容易である。
It can be easily applied to steppers in semiconductor manufacturing equipment, positioning mechanisms for moving mirrors in Fourier spectrometers, and the like.

本願FtEJ2発明に係る光学的微小変位^III定装
置は、各種波数ニレメントイσの位相から変位を゛測定
するものであり、その変位量は波数エレメントの個数だ
け算出でき、筒中な統λ1処理を施すことにより精度の
高い変位量を求めることができる。また、本願第1発明
と同様に、He−Neレーザー等の単色光源でなく、イ
ンターフェログラムを作成するための簡便な光源を使用
できる。
The optical minute displacement ^III device according to the present FtEJ2 invention measures displacement from the phase of various wavenumber elements σ, and the amount of displacement can be calculated by the number of wavenumber elements, and uniform λ1 processing is performed in the cylinder. This allows the displacement amount to be determined with high accuracy. Further, similar to the first invention of the present application, a simple light source for creating an interferogram can be used instead of a monochromatic light source such as a He-Ne laser.

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

第1図は、本願第1発明に係る光学的微小変位測定装置
の一実施例を示すブロック図である。 第2図(A)  、 (B)は、同実施例における変位
前のインターフェログラムと変位後のインターフェログ
ラムを示す波形図である。 第3図は、本願第2発明に係る光学的微小変位測定装置
の一実施例を示すブロック図である。 第4図(A)  、 (B)は、同実施例におけるイン
ターフェログラムのパワースペクトルと位相スペクトル
を示すグラフ図である。 1・・・白色光源、20・・・固定反射鏡を傾けたマイ
ケルソン干渉計、θ・φ・固定反射鏡2Bの傾角、25
・争φ移動反射鏡、28・・・固定反射鏡、30111
10イメージセンサ−131・・・プリアンプ、32・
・・アナログ/ディジタル変換器、40.50・・・信
号処理部、41.42・・拳判別手段、43.55・・
・演算手段、44 、58・・・出力装置、51.52
・・・収集手段、53.54・・ψ周波数分析器。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an optical minute displacement measuring device according to the first invention of the present application. FIGS. 2A and 2B are waveform diagrams showing an interferogram before displacement and an interferogram after displacement in the same embodiment. FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of the optical minute displacement measuring device according to the second invention of the present application. FIGS. 4(A) and 4(B) are graphs showing the power spectrum and phase spectrum of the interferogram in the same example. 1... White light source, 20... Michelson interferometer with fixed reflecting mirror tilted, θ, φ, tilt angle of fixed reflecting mirror 2B, 25
・War φ moving reflector, 28...Fixed reflector, 30111
10 image sensor-131...preamplifier, 32.
...Analog/digital converter, 40.50...Signal processing unit, 41.42...Fist discrimination means, 43.55...
- Arithmetic means, 44, 58... Output device, 51.52
...Collection means, 53.54...ψ frequency analyzer.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)白色光源と、その白色光を受け光路差を変数とす
るセンターバーストを有するインターフェログラムを像
面に空間的に作成する2光束干渉計と、該インターフェ
ログラムの横断方向に多数の光電変換部を有するイメー
ジセンサと、該光路差を付与する光学要素の変位前及び
変位後の該イメージセンサの光電変換部のうちピーク値
を出力する光電変換部の順番を判別する手段と、両光電
変換部の順番の差をとり、その差に基づいて該センター
バーストの変位を求めて、該センターバーストの変位と
該光路差を付与する反射鏡の傾角の正接との積を算出す
る演算手段と、からなることを特徴とする光学的微小変
位測定装置。
(1) A white light source, a two-beam interferometer that receives the white light and spatially creates an interferogram on the image plane having a center burst with an optical path difference as a variable, and an image sensor having a photoelectric conversion section; a means for determining the order of the photoelectric conversion sections that output a peak value among the photoelectric conversion sections of the image sensor before and after displacement of the optical element that imparts the optical path difference; Calculating means that calculates the difference in the order of the photoelectric conversion units, determines the displacement of the center burst based on the difference, and calculates the product of the displacement of the center burst and the tangent of the inclination of the reflecting mirror that provides the optical path difference. An optical minute displacement measuring device comprising:
(2)白色光源と、その白色光を受け光路差を変数とす
るセンターバーストを有するインターフェログラムを像
面に空間的に作成する2光束干渉計と、該インターフェ
ログラムの横断方向に多数の光電変換部を有するイメー
ジセンサと、該光路差を付与する光学要素の変位前及び
変位後の白色光インターフェログラムを収集する手段と
、それらインターフェログラムをフーリエ変換する手段
と、夫々のフーリエ変換した結果の実部の項及び虚部の
項を用いて、各波数エレメント毎に位相を求め、変位前
後の位相スペクトルの差から各波数エレメント毎の変位
量を算出し、それらを統計処理して最終的な変位量を求
める演算手段と、からなることを特徴とする光学的微小
変位測定装置。
(2) A white light source, a two-beam interferometer that receives the white light and spatially creates an interferogram on the image plane having a center burst with an optical path difference as a variable, and a large number of beams in the transverse direction of the interferogram. An image sensor having a photoelectric conversion section, means for collecting white light interferograms before and after displacement of the optical element imparting the optical path difference, means for Fourier transforming these interferograms, and respective Fourier transforms. Using the real part term and imaginary part term of the result, find the phase for each wavenumber element, calculate the displacement amount for each wavenumber element from the difference in the phase spectrum before and after the displacement, and statistically process them. 1. An optical micro-displacement measuring device comprising: arithmetic means for determining the final amount of displacement.
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