JPWO2007108060A1 - 干渉計測方法およびこれを用いる干渉計測装置 - Google Patents
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Abstract
光学薄膜が成膜された光学窓越しの干渉計測を行う場合において,光学薄膜からの反射光が少ない波長を計測光として使用することにより,コントラストの高い干渉縞を取得する干渉計測装置は,広帯域な波長分布特性を有する光を出力する照明装置と,前記照明装置から出力される光を入力し,中心波長の異なる複数の波長フィルタを切り替え可能で,少なくとも一の波長光を選択出力する,波長フィルタ選択手段と,前記波長フィルタ選択手段により選択された波長光を参照光と,前記計測対象向かう照射光とに分岐し,更に前記照射光による前記計測対象からの反射光と前記参照光による干渉光を生成出力するハーフミラーを有し,前記波長フィルタ選択手段は,前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択するように構成される。
Description
本発明は,干渉計測方法及びこれを用いる干渉計測装置に関し,特に光学窓のついたパッケージで保護された光学部品の表面形状を,干渉法を使用して高精度に計測する方法及びこれを用いる干渉計測装置に関する。
微細構造を有し,並進移動や傾き等の変位を伴うMEMS(Micro
Electro Mechanical Systems)として,光学部品の例では波長多重通信に使用される光フィルタ,光クロスコネクター等がある。
Electro Mechanical Systems)として,光学部品の例では波長多重通信に使用される光フィルタ,光クロスコネクター等がある。
図1は,光学窓11のついたパッケージ100で保護されたMEMS光学部品10の断面を示す図である。かかる光学部品10の加工精度や,動的特性を評価するために,干渉計測装置を用いることが知られている。(例えば,特許文献1,2)。
かかる特許文献1,2に示される干渉計測装置を用いる方法は,物体反射光と参照光を干渉させる干渉光学系を有し,前記干渉光学系により生成される干渉縞を観察するものである。
図2A,図2Bは,かかる干渉計測方法を使用してMEMSを計測する従来の方法を説明する図である。
図2Aはガラス越し計測を前提としない干渉光学系を示す図である。まずレンズ2を通して照射光Loをハーフミラー4に入力する。ハーフミラー4で,入射した照射光Loを参照ミラー8と計測対象10に向かう2つの方向に分ける。
参照ミラー8と計測対象10からそれぞれ反射した光はハーフミラー4で再び重なり干渉縞が発生し,計測光Lrとしてレンズ15を通して出力される。ここで,干渉計測にはレーザとそれ以外の光源が使用されるが,レーザは可干渉距離が非常に長く,不要な部分での干渉が生じるなどの理由から,レーザ以外の光源が使用されることが多い。
レーザ以外の光源では可干渉距離が比較的短いため,干渉縞を発生させるには参照ミラー8側と計測対象10側の光学距離がおよそ等しくなくてはならない。ところが図2Aに示すように計測対象10の前に光学窓11がある場合,計測対象10側の光学距離は,(n-1)dだけ増える。なお,nは,光学窓材料の屈折率であり,dは光学窓の厚みである。
したがって,ハーフミラー4からの参照ミラー8側と計測対象10側で光学距離が異なってしまい干渉縞が生じなくなる。
このために,図2Bに示すように,参照ミラー8側にも両者の光学距離を同じにするために,補償ガラス7を挿入し,参照ミラー8側と計測対象10側で光学距離が異なってしまうという問題を回避することが考えられる。
ここで,図2Aにおいては,問題点として光学距離の差のみを注目している。しかし,光学窓11越しの干渉計測では光学窓11に成膜した光学薄膜(反射防止膜等)からの反射光が原因で干渉縞コントラストが落ちて干渉計測が困難となる問題が生じることも考慮しなければならない。
なお,ここでは説明のため計測対象である光学部品は通信用であり使用波長が赤外であるとして説明する。このような場合,光学窓11に成膜する反射防止膜は通信に使用される赤外光を反射しないように設計されている。しかし,それ以外の波長域については無関心である場合がある。
例えば,図2Cに示す波長域と反射率の関係を示すグラフにおいて,目的の波長領域(この場合赤外)Iでは,反射率を低く抑えているが,それ以外の波長域(可視光領域)IIで反射率は考慮されていず,反射光Lr0を生じる特性を持つ反射防止膜11aが成膜された光学窓11を通して計測対象を計測しなければならない場合が生じる。
図3Aに示すように,計測対象10からの反射光Lr1と参照ミラー8からの参照光Lr2がハーフミラー4で干渉し,干渉光Lrが出力される。通常干渉計測は,可視光領域IIの波長域で行うため,図3Bに,図3Aの○で囲んだ部分を拡大して示すように,光学窓11の反射防止膜11aにより,照射光の一部Lr0が反射してしまう。
すなわち,図3Bに示すように,光学窓11に反射防止膜11aが生膜されていて,上記のように,赤外光を反射しないように設計されているが,可視光域IIでの反射は考慮されていない。したがって,反射防止膜11a面で,可視光領域IIでの反射光Lro が生じる。このような,計測対象10以外からの反射光Lroは,干渉縞のコントラスト悪化の原因となる。
図4は,光学窓11越しによる干渉計測における問題点を更に説明する図である。いま,図4aに示すように,可視光域IIにおける波長λ1とλ2で干渉計測を行った場合,波長λ2では反射率が低く不要反射が少ない。このために,コントラストの高い干渉縞が取得できる(図4b,図4c)。一方,波長λ1を使用した場合,光学窓11の反射防止膜11aによる反射光Lro が多くなり干渉縞コントラストが低下する(図4d,図4e)。
このように,干渉縞のコントラストが低下すると,計測対象10であるMEMSの高さの計測結果にノイズが増え,コントラスト低下の程度によっては計測自体が不可能となる場合がある。
反射防止膜 特開2002−5619号公報
特開2004−177225号公報
したがって,本発明の目的は,かかる反射防止膜による不要反射波によって起きる干渉縞のコントラストの低下による問題を解決する干渉計測方法およびこれを用いる干渉装置を提供することにある。
かかる目的を達成する本発明の第1の側面は,光学薄膜が形成された光学窓で保護された計測対象の表面形状を計測する干渉計測装置であって,広帯域な波長分布特性を有する光を出力する照明装置と,前記照明装置から出力される光を入力し,中心波長の異なる複数の波長フィルタを切り替え可能で,少なくとも一の波長光を選択出力す る,波長フィルタ選択手段と,前記波長フィルタ選択手段により選択された波長光を参照光と,前記計測対象向かう照射光とに分岐し,更に前記照射光による前記計測対象からの反射光と前記参照光による干渉光を生成出力するハーフミラーを有し,
前記波長フィルタ選択手段は,前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択するように構成されたことを特徴とする。
前記波長フィルタ選択手段は,前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択するように構成されたことを特徴とする。
前記第1の側面において,前記波長フィルタ選択手段は,複数の波長光を選択出力し,前記複数の波長光における干渉光の干渉縞の平均的コントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択するように構成してもよい。
また,前記第1の側面において,前記波長フィルタ選択手段は,現在選択中の波長フィルタで取得した干渉縞コントラストを空間的に平均した値が所定の閾値以下である場合,別の波長フィルタを選択し,干渉縞コントラストが所定の閾値以上となる波長フィルタの組み合わせを選択するように構成してもよい。
前記第1の側面において,さらに,分光器を備え,前記参照光を遮蔽した状態で,前記光学窓からの反射特性を評価し,前記波長フィルタ選択手段は,前記分光器により評価される反射特性に基づき,最適な波長フィルタの選択を行うように構成してもよい。
さらに,前記において,前記分光器における反射特性の評価を制御PCに入力し,このPCにより,前記反射特性の評価データに基づき,前記波長フィルタ選択手段に最適な波長選択フィルタを選択させるように構成してもよい。
また,前記第1の側面において,前記複数の波長フィルタは,それぞれ中心波長の異なる波長カットフィルタであって,前記波長フィルタ選択手段により選択された波長カットフィルタにより波長成分の除去された光を前記ハーミラーに入力するように構成してもよい。
さらにまた,前記第1の側面において,前記照明装置は,それぞれ中心波長の異なる発光を出力する複数の発光ダイオードを有し,前記波長フィルタ選択手段は,前記少複数の発光ダイオードの少なくとも一つの発光ダイオードを選択駆動して,前記選択駆動される発行ダイオードからの対応する一の波長光を選択出力するように構成してもよい。
上記目的を達成する本発明の第2の側面は,光学薄膜が形成された光学窓で保護された計測対象の表面形状を計測する干渉計測方法であって,広帯域な波長分布特性を有する光を波長フィルタ選択手段に入力し,前記波長フィルタ選択手段により,少なくとも一つの波長光を選択出力し,前記選択された波長光を参照光と,前記計測対象向かう照射光とに分岐し,更に前記照射光による前記計測対象からの反射光と前記参照光による干渉光を生成し,前記波長フィルタ選択手段は,前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択することを特徴とする。
以下に,図面に従い,本発明の実施の形態例を説明する。なお,実施の形態例は,本発明の理解のためのものであり,本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。
図5Aは,本発明の基本的概念構成を示す図である。
本発明では,図2Bに示した干渉計測装置における照明光Loの照明装置1と,ハーフミラー4との間に,中心波長の異なる複数の波長フィルタ25を切り替えることが可能な波長フィルタ選択手段(フィルタチェンジャー)23を備える。
それら複数の波長フィルタ25のうち不要反射が少なく干渉縞コントラストが高くなる波長フィルタを自動的に選んで干渉計測を行う。これにより,先に述べた問題点を解決する。
例えば照明装置1から出射する広帯域な波長分布を持った照射光Loのうち図5Bに示す波長と反射率分布の関係グラフにおける可視光域II中の選択された特定の波長域A(好ましくは,反射率が最も低くなる波長領域)を取り出す波長フィルタ25を,波長フィルタ選択手段23により選択して干渉計測を行う。
これにより,図4b,図4cに示したように,コントラストが良好な干渉縞画像を得ることが可能となる。また単一波長の光を使った干渉ではなく,複数の波長域A,Bを選択使用して,干渉を行うような場合,図5Cに示すように,波長と反射率分布グラフにおいて,使用する複数の波長域A,Bにより平均的にコントラストが向上するような波長フィルタのペアを自動的に選ぶようにする。
図5Cの例は2波長A,Bの場合である。また例えば垂直走査干渉法のように,白色光源のような広帯域の波長域を持つ照明光を使用する場合,図5Dに示すように不要反射の多い波長領域X,Y,Zをカットするフィルタを使用することで干渉縞コントラストを改善することも可能となる。
上記の様な本発明原理により,主に可視光を反射する特性を持った光学薄膜11a(図3B参照)が成膜された光学窓越しであっても,コントラストの高い干渉縞が取得可能となる。
[実施例]
図6は,上記図5A〜5Dを用いて説明した本発明原理に従う,本発明の実施例の干渉計測装置を示す図である。
[実施例]
図6は,上記図5A〜5Dを用いて説明した本発明原理に従う,本発明の実施例の干渉計測装置を示す図である。
キセノン光源などの広帯域な波長分布を持つ照明装置1から出射した光をライトガイド2で,波長フィルタ選択手段(フィルタチェンジャ)23により選択された一のフィルタ25に導き,計測に使用する波長を選択する。
選択した波長光をハーフミラー4により計測対象10方向に導き,干渉対物レンズ9で計測対象10と参照ミラー8の干渉縞を発生させる。干渉対物レンズ9は計測対象10と参照ミラー8に計測光を集光させるための結像レンズ5と,計測光を計測対象10と参照ミラー8の方向に分割するためのハーフミラー6,参照ミラー8,光学窓11による光学距離の増加を補償するための光学距離補償板7,計測光を一時的に参照側光路で遮蔽する光路遮蔽板36から構成される。
計測対象10と参照ミラー8および光学窓11から反射した光は再びハーフミラー6で重なり干渉が生じる。結像レンズ15で結像させた干渉縞をCCDカメラ16で撮像しPC(パーソナルコンピュータ)17に記録する。PC17ではCCDカメラ16で撮像した干渉縞画像から干渉縞の解析を行い計測対象10の表面形状を算出する。
干渉縞から高精度に高さを算出する方法として公知の技術である位相シフト法を行う場合,ピエゾステージ18で計測対象10を垂直方向に一定距離動かしつつ複数の干渉縞画像を取得し,その複数の干渉縞画像から計測対象10の表面形状を求める。
計測視野や計測対象の姿勢は粗動ステージ20を用いて調整することができる。
フィルタチェンジャ23には,あらかじめ中心波長の異なる複数の挟帯域波長選択フィルタ25をセットしておく。
図7はかかる挟帯域波長選択フィルタ25の選択方法の一例フローである。最初に使用する波長選択フィルタ25を光路3上にセットする(ステップS1)。干渉縞画像を取得し(ステップS2),視野の所定領域あるいは全体における干渉縞コントラストの平均Eを算出する(ステップS3)。
干渉縞コントラストの空間平均Eがあらかじめ設定した閾値T以下の場合(ステップS4,NO),フィルタチェンジャ23にセットされている別の波長選択フィルタ25に変更して(ステップS6,NO,S7),初めと同様に干渉縞コントラスト平均Eを閾値Tと比較する。
もし干渉縞コントラスト平均Eが閾値Tより大きい場合(ステップS4,YES)にはコントラストが干渉縞解析に十分であるとして取得した干渉画像から計測対象10の表面形状を算出する(ステップS5)。閾値Tとして例えば0.1を設定すれば計測可能な干渉縞が得られると考えられる。
全ての波長選択フィルタ25に対して閾値T以上のコントラストが得られない場合(ステップS6,YES)には,フィルタチェンジャー23にセットした波長選択フィルタ25では計測が不可能として,PC17のモニターから作業者にメッセージを送る。
図7に示した波長選択の方法の他に,光路遮蔽板36で一時的に計測対象10と光学窓11からの反射光のみを,ハーフミラー12及び結像レンズ13で分光器14に集光し,光学窓11の分光特性を評価した結果から最良な波長選択フィルタ25の組み合わせを決定するようにしてもよい。
また,その他の波長選択方法として,光学窓11からの反射特性がデータとしてあらかじめ分かっている場合には,PC17に特性データを入力し,そのデータを基に最適な波長選択フィルタを選択してもよい。
図5Cに示したように複数波長の選択を行う場合には,図8,図9の構成の光学系を使用する。すなわち,2つの波長の干渉縞をそれぞれ独立して取得する場合は図8の構成が使用でき,ハーフミラー35を含む光学系により中心波長Aの波長選択フィルタ25で干渉縞を取得後,別の中心波長Bに変更して再度干渉縞を取得する。
2つの異なる波長が混じった光源が必要な場合は図8において,光源1の他に別の光源1−2,ライトガイド2−2,フィルタチェンジャ23−2,波長選択フィルタ23−2を用意し,ハーフミラー34,35を使用して複数波長が混じった計測光を作る。
2以上の波長を使用する場合も上記2つの波長の場合と同様に光源,あるいは波長選択フィルタの変更回数を増やせばよい。
図5Dに示したように広帯域波長のうち複数の波長帯域X,Y,Zをカットしたい場合は一つの光源に対して同時に複数の波長をカットする必要がある。この場合は図9に示すように光路3上に複数の波長カットフィルタを配置できるそれぞれフィルタ27を有する多連のフィルタチェンジャ26を使用すればよい。図9は同時に3つの波長域をカットすることができる例である。
PC17は計測対象の位置や姿勢を変えるための粗動ステージコントローラ21,高精度位相シフト法を行う際に使用するピエゾステージコントローラ19により,それぞれ粗銅ステージ20及びピエゾステージ18を制御する。さらに,必要な波長を選択するためのフィルタチェンジャコントローラ24,波長選択フィルタ25を切り替える場合に変化する光量を適切に保つための照明コントローラ22をそれぞれ制御しながら計測を行う。
また,波長選択フィルタ25は可視光帯域のみでなく,例えば計測光に赤外や紫外領域の帯域の光を使用してもよい。
ここで,上記説明では波長選択を行うために,照明光源として広帯域波長分布の照明装置1の光源と波長選択フィルタ25を使用する例を説明したが,図10に示すように,照明光源として中心波長の異なる発光素子としてLED28を複数個用意し,波長を切り替えたい場合には使用するLED28をLEDコントローラ29で発光させて切り替えるようにしてもよい。選択された波長のLEDの発光は,ステージコントローラ31によりハーフミラー4に合わせされる。
上記に説明したように,光学薄膜が成膜された光学窓越しの干渉計測を行う場合において,光学薄膜からの反射光が少ない波長を計測光として使用することにより,コントラストの高い干渉縞を取得することができ,その結果計測ノイズが減少した高精度な表面形状計測が可能となり,産業上寄与するところ大である。
Claims (13)
- 光学薄膜が形成された光学窓で保護された計測対象の表面形状を計測する干渉計測装置であって,
広帯域な波長分布特性を有する光を出力する照明装置と,
前記照明装置から出力される光を入力し,中心波長の異なる複数の波長フィルタを切り替え可能で,少なくとも一の波長光を選択出力する,波長フィルタ選択手段と,
前記波長フィルタ選択手段により選択された波長光を参照光と,前記計測対象向かう照射光とに分岐し,更に前記照射光による前記計測対象からの反射光と前記参照光による干渉光を生成出力するハーフミラーを有し,
前記波長フィルタ選択手段は,前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する,
ように構成されたことを特徴とする干渉計測装置。 - 請求項1において,
前記波長フィルタ選択手段は,複数の波長光を選択出力し,
前記複数の波長光における干渉光の干渉縞の平均的コントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する,ことを特徴とする干渉計測装置。 - 請求項1において,
前記波長フィルタ選択手段は,現在選択中の波長フィルタで取得した干渉縞コントラストを空間的に平均した値が所定の閾値以下である場合,別の波長フィルタを選択し,干渉縞コントラストが所定の閾値以上となる波長フィルタの組み合わせを選択することを特徴とする干渉計測装置。 - 請求項1において,
さらに,分光器を備え,前記参照光を遮蔽した状態で,前記光学窓からの反射特性を評価し,前記波長フィルタ選択手段は,前記分光器により評価される反射特性に基づき,最適な波長フィルタの選択を行うことを特徴とする干渉計測装置。 - 請求項4において,
前記分光器における反射特性の評価を制御PCに入力し,
該PCにより,前記反射特性の評価データに基づき,前記波長フィルタ選択手段に最適な波長選択フィルタを選択させることを特徴とする干渉計測装置。 - 請求項1において,
前記複数の波長フィルタは,それぞれ中心波長の異なる波長カットフィルタであって,
前記波長フィルタ選択手段により選択された波長カットフィルタにより波長成分の除去された光を前記ハーミラーに入力することを特徴とする干渉計測装置。 - 請求項1において,
前記照明装置は,それぞれ中心波長の異なる発光を出力する複数の発光ダイオードとを有し,
前記波長フィルタ選択手段は,前記少複数の発光ダイオードの少なくとも一つの発光ダイオードを選択駆動して,前記選択駆動される発行ダイオードからの対応する一の波長光を選択出力することを特徴とする干渉計測装置。 - 光学薄膜が形成された光学窓で保護された計測対象の表面形状を計測する干渉計測方法であって,
広帯域な波長分布特性を有する光を波長フィルタ選択手段に入力し,
前記し波長フィルタ選択手段により,少なくとも一の波長光を選択出力し,
前記選択された波長光を参照光と,前記計測対象向かう照射光とに分岐し,
更に前記照射光による前記計測対象からの反射光と前記参照光による干渉光を生成し,
前記波長フィルタ選択手段は,前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する,
ことを特徴とする干渉計測方法。 - 請求項8において,
前記波長フィルタ選択手段により,複数の波長光を選択出力し,
前記複数の波長光における干渉光の干渉縞の平均的コントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する,
ことを特徴とする干渉計測方法。 - 請求項8において,
前記波長フィルタ選択手段により,現在選択中の波長フィルタで取得した干渉縞コントラストを空間的に平均した値が所定の閾値以下である場合,別の波長フィルタを選択し,干渉縞コントラストが所定の閾値以上となる波長フィルタの組み合わせを選択することを特徴とする干渉計測方法。 - 光学薄膜が形成された光学窓で保護された光学部品の表面形状を計測する工程を有してなり、該光学部品を製造する方法であって,該表面形状を計測する工程は,
広帯域な波長分布特性を有する光を波長フィルタ選択手段に入力し,
前記し波長フィルタ選択手段により,少なくとも一の波長光を選択出力し,
前記選択された波長光を参照光と,前記光学部品に向かう照射光とに分岐し,
更に前記照射光による前記光学部品からの反射光と前記参照光による干渉光を生成し,
前記波長フィルタ選択手段は,前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する,
ことを特徴とする光学部品の製造方法。 - 請求項11において,
前記波長フィルタ選択手段により,複数の波長光を選択出力し,
前記複数の波長光における干渉光の干渉縞の平均的コントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する,
ことを特徴とする光学部品の製造方法。 - 請求項11において,
前記波長フィルタ選択手段により,現在選択中の波長フィルタで取得した干渉縞コントラストを空間的に平均した値が所定の閾値以下である場合,別の波長フィルタを選択し,干渉縞コントラストが所定の閾値以上となる波長フィルタの組み合わせを選択することを特徴とする光学部品の製造方法。
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- 2006-03-17 WO PCT/JP2006/305341 patent/WO2007108060A1/ja active Application Filing
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