KR20130048183A - 계측 장치 - Google Patents

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KR20130048183A
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유야 니시카와
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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 계측하는 계측 장치를 제공하고, 이 계측 장치는, n(n = 2이상의 정수)개의 주파수 주사 광원과, 상기 n개의 주파수 주사 광원의 각각으로부터의 각각의 빛을 분할하여 상기 참조면과 상기 피검면에 입사시키는 분할 소자와, 상기 참조면에 의해서 반사된 빛과, 상기 피검면에 의해서 반사된 빛과의 간섭에 의해 형성되는 n개의 간섭광을 동시에 검출해서, 간섭 신호를 출력하는 검출부와, 상기 거리를 취득하는 처리를 행하는 처리부를 구비한다.

Description

계측 장치{MEASUREMENT APPARATUS}
본 발명은, 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 계측하는 계측 장치에 관한 것이다.
참조면과 피검면(피검물)과의 사이의 거리를 계측하는 계측 장치로서, 주파수(파장) 주사형의 간섭계와 고정 파장형의 간섭계가 알려져 있다. 주파수 주사형의 간섭계는, 광원의 주파수를 시간적으로 주사해서 취득된 간섭 신호의 주파수에 의거하여, 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 취득한다. 주파수 주사형의 간섭계는, 헤테로다인 간섭계나 호모다인 간섭계로 대표되는 고정 파장형의 광파 간섭계와 비교하여, 구성이 단순하고, 저비용이라는 이점이 있다.
주파수 주사형의 간섭계는, 주파수를 주사하고 있는 동안에 참조광(참조면에서 반사된 빛)과 피검광(피검면에서 반사된 빛)과의 광로 길이차가 변화되지 않는 계측 조건을 필요로 한다. 광로 길이차의 약간의 변화라도 큰 계측 오차가 된다. 예를 들면, 광원의 중심파장을 780nm, 광원의 주파수의 주사량을 10OGHz(0.2nm), 주파수를 주사하고 있는 동안에 광로 길이차가 1nm 변화했을 경우에는, 약 3.8㎛의 계측 오차가 생겨버린다. 이러한 광로 길이차의 변화는, 진동이나 온도 변화 등에 의해 필연적으로 생기는 것이다. 이것을 방지하기 위해서, 참조광과 피검광과의 광로 길이차의 변화에 기인하는 계측 오차를 저감하기 위한 기술이 일본국 공개특허공보 특개평7-120211호와, "Hai-Jun Yang and Keith Riles, "High-precision absolute distance measurement using dual-laser frequency scanned interferometry under realistic conditions, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A, Volume 575, Issue 3, 1 June 2007, pages 395 - 401(문헌 1)"에 제안되어 있다.
일본국 공개특허공보 특개평 7-120211호에는, 중심파장이 다른 2개의 광원(주파수 주사 광원)을 사용하여, 각 간섭 신호의 비트(beat) 신호 간의 위상차에 의거하여 연산 처리를 행함으로써, 참조광과 피검광과의 광로 길이차의 변화에 기인하는 계측 오차를 저감하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 문헌 1에는, 주파수를 주사하는 방향이 다른 2개의 주파수 주사 광원을 사용하여, 2개의 간섭 신호로부터 얻은 계측값의 평균값을 취함으로써, 참조광과 피검광과의 광로 길이차의 변화에 기인하는 계측 오차를 저감하는 기술이 개시되어 있다.
그렇지만, 일본국 공개특허공보 특개평 7-120211호의 기술에서는, 2개의 광원의 각각의 간섭 신호를 검출하기 위해서 2개의 검출기가 필요하게 되어, 장치 비용의 증대를 초래해버린다. 특히, 피검물의 형상을 계측할 경우에는, CCD 또는 CMOS 등의 2차원 센서를 검출기로서 사용함으로써, 장치 비용의 증대가 현저하게 된다.
문헌 1의 기술에서는, 2개의 광원의 각각의 간섭 신호를 1개의 검출기가 검출한다. 이 목적을 위해서, 이러한 검출기로 검출되는 간섭 신호를 시간적으로 변환하는 초퍼(chopper)가 필요하게 되어, 장치 비용의 증대를 초래해버린다.
본 발명은, 비용의 증가를 억제하면서 참조면과 피검면과의 사이의 광로 길이차의 변화에 기인하는 계측 오차를 저감하고, 참조면과 피검면과의 사이의 거리의 계측에 유리한 기술을 제공한다
본 발명의 일 국면에 의하면, 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 계측하는 계측 장치가 제공되고, 이 계측 장치는 n(n = 2이상의 정수)개의 주파수 주사 광원과, 상기 n개의 주파수 주사 광원의 각각으로부터의 빛을 분할하여 상기 참조면과 상기 피검면에 입사시키는 분할 소자와, 상기 참조면에 의해서 반사된 빛과, 상기 피검면에 의해서 반사된 빛과의 간섭에 의해 형성되는 n개의 간섭광을 동시에 검출하고, 간섭 신호를 출력하는 검출부와, 상기 거리를 취득하는 처리를 행하는 처리부를 구비하고, 상기 처리부는, 상기 n개의 주파수 주사 광원 중 제1 광원으로부터의 빛의 주파수를 제1 방향으로 제1 주사속도로 주사하도록 제어하고, 상기 n개의 주파수 주사 광원 중, 상기 제1 광원과는 다른 제2 광원으로부터의 빛의 주파수를, 상기 제1 방향과는 반대의 제2 방향으로 상기 제1 주사 속도와는 다른 제2 주사 속도로 주사하도록 제어하며, 상기 처리부는 상기 n개의 주파수 주사 광원을 제어하고 있는 동안에 상기 검출부로부터 출력되는 상기 n개의 간섭광의 검출 결과를 포함하는 간섭 신호를 n개의 간섭 신호에 대응하는 n개의 신호로 분리하고 상기 n개의 신호를 처리해서 상기 거리를 취득한다.
본 발명의 또 다른 국면은 첨부도면을 참조하면서 이하의 예시적인 실시예의 설명으로부터 밝혀질 것이다.
도 1은, 본 발명의 제1의 실시예에 있어서의 계측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 계측 장치의 검출부로 취득되는 간섭 신호의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은, 도 2에 나타내는 간섭 신호를 주파수 해석한 결과의 일례를 도시한 그래프이다.
도 4는, 도 1에 나타내는 계측 장치에 있어서의 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 계측하는 처리를 설명하기 위한 플로차트다.
도 5는, 본 발명의 제2의 실시예에 있어서의 계측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은, 도 5에 나타내는 계측 장치에 있어서의 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 계측하는 처리를 설명하기 위한 플로차트다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 첨부도면을 참조하면서 설명한다. 동일한 참조번호는 도면 전반에 걸쳐서 동일한 부재를 나타내고, 그것의 반복 설명은 하지 않는다.
<제1의 실시예>
도 1은, 본 발명의 제1의 실시예에 있어서의 계측 장치 MAA의 구성을 도시한 도면이다. 계측 장치 MAA는, 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 계측하는 간섭계다. 계측 장치 MAA는, 제1 광원(1)과, 제2 광원(2)과, 처리부(13)와, 무편광 빔 스플리터 14, 15 및 20과, 파장 계측 유닛 100 및 200과, 간섭계 유닛(400)을 구비한다. 파장 계측 유닛(100)은, Fabry-Perot 에탈론 10과, 검출부 7을 포함한다. 파장 계측 유닛(200)은, Fabry-Perot 에탈론 11과, 검출부 8을 포함한다. 또한, 간섭계 유닛 400은, 무편광 빔 스플리터 23과, 검출부(6)을 포함한다.
계측 장치 MAA는, 본 실시예에서는, 방출되는 빛의 주파수를 주사 가능한 2개의 광원(제1 광원(1) 및 제2 광원(2))을 포함하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 계측 장치 MAA는, 방출되는 빛의 주파수를 주사 가능한 3개 이상의 광원을 포함해도 된다.
제1 광원(1)에 의해 방출된 빛 L1은, 무편광 빔 스플리터(14)에 의해 2개의 빛으로 분할된다. 한편의 빛이 파장 계측 유닛 100으로 인도되고, 다른 한편의 빛이 간섭계 유닛 400으로 인도된다. 또한, 제2 광원(2)에 의해 방출된 빛 L2은, 무편광 빔 스플리터(15)에 의해 2개의 빛으로 분할된다. 한편의 빛이 파장 계측 유닛 200으로 인도되고, 다른 한편의 빛이 간섭계 유닛 400으로 인도된다.
파장 계측 유닛 100에 입사한 빛 L1은, 파장기준소자로서의 Fabry-Perot 에탈론 10을 투과해서 검출부 7에 입사한다. 처리부(13)는, 검출부 7에 의해 검출된 광강도(빛 L1의 강도)에 의거하여 제1 광원(1)에 의해 방출되는 빛의 주파수(파장)를 제어한다. 마찬가지로, 파장 계측 유닛 200에 입사한 빛 L2은, 파장기준소자로서의 Fabry-Perot 에탈론 11을 투과해서 검출부 8에 입사한다. 처리부(13)는, 검출부 8에 의해 검출된 광강도(빛 L2의 강도)에 의거하여 제2 광원(2)에 의해 방출되는 빛의 주파수(파장)를 제어한다.
Fabry-Perot 에탈론 10 및 11의 각각의 투과 스펙트럼에 대해서는, 투과 스펙트럼의 각각의 피크의 상대값이 보증되어 있는 것이 필요하다. 따라서, 본 실시예에서는 투과 스펙트럼 간격이 보증된 진공 갭의 에탈론을 Fabry-Perot 에탈론 10 및 11로서 사용하고 있다. 진공 갭의 에탈론은, 내부 매질의 굴절율이나 분산이 없기 때문에, 파장의 상대값을 용이하게 보증할 수 있다. 또한, 저열팽창 글래스 등을 에탈론의 재질로서 사용하면, 온도에 대한 팽창을 저감하여, 장기적으로 안정한 파장 기준소자를 실현할 수 있다. 그렇지만, Fabry-Perot 에탈론 10 및 11은, 진공 갭의 에탈론에 한정되는 것이 아니고, 에어 갭(air gap)의 에탈론이나 솔리드 에탈론 등을 사용해도 된다. 이 경우에는, 예를 들면, 에탈론의 온도를 계측해서 내부의 굴절율 및 분산을 보증할 필요가 있다. Fabry-Perot 에탈론 10 및 11의 각각은, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)의 각각으로부터의 빛의 주파수의 주사 범위 내에서 적어도 2개의 투과 스펙트럼을 갖는다. 이에 따라, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)으로부터의 빛의 주파수를 주사하고 있는 동안에, 각 시간에 있어서의 파장을 보증할 수 있다.
간섭계 유닛 400으로 인도되는 빛 L1 및 L2은, 무편광 빔 스플리터 20에 의해 합성된다. 간섭계 유닛 400에 입사한 빛 L1은, 무편광 빔 스플리터 23에 의해 참조면(4)에 입사하는 제1 참조광과 피검면(5)에 입사하는 제1 피검광으로 분할된다. 제1 참조광은, 참조면(4)에 의해 반사되어서 무편광 빔 스플리터 23으로 되돌아온다. 제1 피검광은, 피검면(5)에 의해서 반사되어서 무편광 빔 스플리터 23으로 되돌아온다. 마찬가지로, 간섭계 유닛 400에 입사한 빛 L2은, 무편광 빔 스플리터 23에 의해 참조면(4)에 입사하는 제2 참조광과 피검면(5)에 입사하는 제2 피검광으로 분할된다. 제2 참조광은, 참조면(4)에 의해서 반사되어서, 무편광 빔 스플리터 23으로 되돌아온다. 제2 피검광은, 피검면(5)에 의해서 반사되어서, 무편광 빔 스플리터 23으로 되돌아온다. 이렇게 함으로써, 무편광 빔 스플리터 23은, 제1 광원(1)으로부터의 빛을 제1 광과 제2 광으로 분할하고, 제2 광원(2)으로부터의 빛을 제3 광과 제4 광으로 분할하며, 제1 광 및 제3 광을 참조면(4)에 입사되도록 인도하고, 제2 광 및 제4 광을 피검면(5)에 입사되도록 인도하는 분할 소자로서 기능한다.
제1 참조광과 제1 피검광, 및 제2 참조광과 제2 피검광은, 무편광 빔 스플리터 23에 의해 합성되어서, 검출부(6)에 입사한다. 검출부(6)는, 제1 참조광과 제1 피검광과의 간섭에 의해 형성되는 제1 간섭광과, 제2 참조광과 제2 피검광과의 간섭에 의해 형성되는 제2 간섭광을 포함하는 광을 검출하고(제1 간섭광과 제2 간섭광을 일괄해서 검출하고), 도 2에 나타나 있는 바와 같이 간섭 신호 S12을 출력(취득)한다. 간섭 신호 S12은, 제1 광원(1)으로부터의 빛에 의해 발생한 (제1 간섭광에 대응하는) 간섭 신호(제1 신호) S1과, 제2 광원(2)으로부터의 빛에 의해 발생한 (제2 간섭광에 대응하는) 간섭 신호(제2 신호) S2를 합계해서 얻은 신호다. 간섭 신호 S1, S2 및 S12의 각각은, 이하의 식(1), (2) 및 (3)으로 나타낸다.
Figure pat00001
...(1)
Figure pat00002
...(2)
Figure pat00003
...(3)
여기에서, A1은 제1 참조광의 진폭이고, A2은 제2 참조광의 진폭이며, B1은 제1 피검광의 진폭이며, B2은 제2 피검광의 진폭이다. 또한, f1(t)은 시간 t에 있어서의 제1 광원(1)으로부터의 빛의 주파수이며, f2(t)은 시간 t에 있어서의 제2 광원(2)으로부터의 빛의 주파수이고, L은 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리다. 단, 공간의 굴절율은 1이고, 분산은 없는 것으로 한다.
여기에서, 검출부(6)에 의해 제1 간섭광과 제2 간섭광을 한번에 검출하는 것은, 각 간섭광이 완전히 오버랩되는 것을 검출하는 것과, 각 간섭광이 부분적으로 오버랩되는 것을 검출하는 것을 포함할 수도 있다. 오버랩된 간섭광을 검출함으로써, 참조면과 피검면과의 사이의 거리는, 한번에 검출된 복수의 간섭광을 이용함으로써 취득된다.
본 실시예에서는, VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)을 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)으로서 사용하고 있다. 제1 광원(1)으로부터의 빛의 중심 주파수 fc1 및 제2 광원(2)으로부터의 빛의 중심 주파수 fc2의 각각은, fc1 = 448[THz] 및 fc2 = 353[THz]이다.
또한, 처리부(13)는, 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리를 취득할 때에, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)을 제어한다. 처리부(13)는, 제1 광원(1)으로부터의 빛의 주파수를 제1 방향으로 제1 주사 속도로 주사하도록 제1 광원(1)을 제어한다. 또한, 처리부(13)는 제2 광원(2)으로부터의 빛의 주파수를 제1 방향과는 반대의 제2 방향으로 제1 주사 속도와는 다른 제2 주사 속도로 주사하도록 제2 광원(2)을 제어한다. 바꾸어 말하면, 처리부(13)는, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)의 각각으로부터의 빛의 주파수를 주사하는 방향이 서로 다르게 되고, 주파수의 주사 속도의 절대값이 서로 다르게 되도록, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)을 제어한다. 본 실시예에서는, 처리부(13)는, 제1 광원(1)을, 제1 광원(1)으로부터의 빛의 주파수를 주사 속도 fv1 = 100[GHz/sec](순방향)로 주사하도록 제어한다. 처리부(13)는, 제2 광원(2)을, 제2 광원(2)으로부터의 빛의 주파수를 주사 속도 fv2 = -79[GHz/sec](역방향)로 주사하도록 제어한다. 또한, 계측 장치가 주파수를 주사할 수 있는 n(n = 3이상의 정수)개의 광원을 포함하는 경우에는, 처리부(13)는, 제1 광원과 제2 광원과는 다른 제3 광원도 제어한다. 구체적으로는, 처리부(13)는, 제3 광원으로부터의 빛의 주파수를 제1 또는 제2 방향으로 제1 및 제2 주사 속도와는 다른 제3 주사 속도로 주사한다.
또한, 처리부(13)는, 계측 장치 MAA의 n(n = 2이상의 정수)개의 광원에 대하여, 이하의 식(4)을 충족시키도록 n개의 광원을 제어하는 것이 바람직하다.
Figure pat00004
...(4)
여기에서, fci(i = 1 ~ n의 정수)은, n개의 광원의 각각으로부터의 빛의 중심 주파수이며, fvi(i = 1 ~ n의 정수)은, n개의 광원의 각각으로부터의 빛의 주파수의 주사 속도다.
본 실시예에서는, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)의 각각으로부터의 빛의 주파수의 주사 속도의 절대값이 서로 다르게 되도록 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)을 제어한다. 검출부(6)로부터 출력되는 간섭 신호 S12(도 2 참조)을 주파수 해석(예를 들면, 푸리에(Fourier) 변환)함으로써, 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 간섭 신호 S1의 피크 주파수 P1과 간섭 신호 S2의 피크 주파수 P2를 분리할 수 있다. 단, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)의 각각으로부터의 빛의 주파수의 주사 속도의 절대값 간의 차(속도차)는, 피크 주파수 P1과 피크 주파수 P2를 분리할 수 있는 속도차가 될 필요가 있다. 예를 들면, 피크 주파수 P1과 피크 주파수 P2과의 차분(주파수차)을 반값 주파수폭보다도 크게 설정한다.
본 실시예에서는, 식(4)을 만족시키도록 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)을 제어한다. 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)으로부터의 빛의 주파수를 주사하고 있는 동안에 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 광로 길이가 변화하지 않는 경우, 간섭 신호의 위상 φ은, 식(1)으로부터 알 수 있는 것처럼, 이하의 식(5)으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
...(5)
간섭 신호의 위상 φ을 시간 미분하면 간섭 신호의 주파수 v가 된다. 간섭 신호의 주파수 v는, 이하의 식(6)으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
...(6)
여기에서, fv는, 주파수의 주사 속도다. 간섭 신호의 주파수 v는, 식(6)으로 나타낸 바와 같이, 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L에만 의존한다. 검출부(6)로부터 출력되는 간섭 신호를 주파수 해석(예를 들면, 푸리에 변환)함으로써, 이하의 식(7)으로부터, 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L을 산출할 수 있다.
Figure pat00007
...(7)
반대로, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)으로부터의 빛의 주파수를 주사하고 있는 동안에 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 광로 길이에 변화가 있는 경우에는, 간섭 신호의 위상 φ'은, 식(7)이 아니고, 이하의 식(8)으로 나타낸다.
Figure pat00008
...(8)
이 경우에, 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 광로 길이의 변화는, 일방향으로의 선형 변화라고 간주하고, 변화 속도는 Lv라고 한다.
상기한 바와 같이, 간섭 신호의 위상 φ'을 시간 미분하면 간섭 신호의 주파수 v'가 된다. 간섭 신호의 주파수 v'는, 이하의 식(9)으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
...(9)
여기에서, fc는, 광원으로부터의 빛의 중심 주파수다.
따라서, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)으로부터의 빛의 주파수를 주사하고 있는 동안에 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 광로 길이에 변화가 있는 경우, 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L'은, 이하의 식(10)으로 나타낸다.
Figure pat00010
...(10)
식(10)으로 나타낸 바와 같이, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)으로부터의 빛의 주파수를 주사하고 있는 동안에 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 광로 길이에 변화가 있는 경우, 광로 길이의 변화 속도 Lv에 fc/fv를 곱해서 얻은 적(product)에 의해 계측 오차가 발생한다. 단, 계측 장치가 n개의 광원을 사용하는 경우, 각 광원으로부터의 빛의 중심주파수 fci 및 주파수의 주사 속도 fvi가 식(4)을 충족시키고 있으면, 각 광원으로부터 취득된 계측값을 평균함으로써 광로 길이의 변화에 기인하는 계측 오차를 저감(제거)하는 것이 가능해진다.
이하, 도 4을 참조하여, 계측 장치 MAA에 있어서의 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리를 계측하는 처리를 설명한다. 이러한 처리는, 처리부(13)가 계측 장치 MAA의 각 부를 통괄적으로 제어함으로써 행해진다. 처리부(13)는, 계측 장치 MAA의 전체(동작)를 제어하기 위한 CPU 및 메모리를 포함한다.
스텝 S402에서는, 처리부(13)는 제1 광원(1)으로부터의 빛에 의해 발생된 간섭 신호 S1과 제2 광원(2)으로부터의 빛에 의해 발생된 간섭 신호 S2를 합계한 신호인 간섭 신호 S12(도 2 참조)을 취득한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)의 각각으로부터의 빛의 주파수를, 주사 속도 fv1=100[GHz/sec] 및 fv2= -79[GHz/sec]으로 주사하도록 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)을 제어한다. 그리고, 처리부(13)는, 제1 광원(1) 및 제2 광원(2)의 각각으로부터의 빛의 주파수를 주사하고 있는 동안에, 제1 간섭광과 제2 간섭광을 포함하는 빛을 검출하도록 검출부(6)를 제어하여, 간섭 신호 S12을 취득한다.
스텝 S404에서는, 처리부(13)는 간섭 신호 S1의 피크 주파수 P1 및 간섭 신호 S2의 피크 주파수 P2을 특정한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 스텝 S402에서 취득한 간섭 신호 S12을 푸리에 변환해서 간섭 신호 S1과 간섭 신호 S2로 분리한다. 그리고나서, 처리부(13)는 간섭 신호 S1 및 S2의 피크 주파수 P1 및 P2을 특정한다(도 3 참조).
스텝 S406에서는, 처리부(13)는 간섭 신호 S1에 대응하는 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L1 및 간섭 신호 S2에 대응하는 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L2을 산출한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 스텝 S404에서 특정한 피크 주파수 P1 및 P2에 의거하여 식(7)으로부터, 간섭 신호 S1에 대응하는 거리 L1 및 간섭 신호 S2에 대응하는 거리 L2을 산출한다.
스텝 S408에서는, 처리부(13)는 스텝 S406에서 산출된 거리 L1 및 L2에 의거하여, 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L을 산출한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 간섭 신호 S1에 대응하는 거리 L1와 간섭 신호 S2에 대응하는 거리 L2를 평균한 거리를, 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L로서 산출한다.
이렇게 함으로써, 계측 장치 MAA는, 각 광원으로부터의 빛의 주파수를 주사하고 있는 동안에 참조면과 피검면과의 사이의 광로 길이에 변화가 있는 경우에도, 이러한 광로 길이의 변화에 기인하는 계측 오차를 저감해서, 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 고정밀하게 계측할 수 있다. 또한, 계측 장치 MAA에서는, 복수의 광원의 각각에 대응하는 간섭 신호를 얻기 위한 복수의 검출부나, 검출부에 의해 취득되는 간섭 신호를 시간적으로 바꾸는 초퍼(chopper) 등을 사용하지 않는다. 이 때문에, 계측 장치 MAA는 장치 비용의 증대를 억제하는 것이 가능하다.
제1의 실시예에서는, 계측 장치 MAA가 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리를 계측한다. 단, 계측 장치 MAA는, 피검면(5)의 형상을 계측하는 것도 가능하다. 이 경우, 검출부(6)는, 예를 들면 피검면(5) 위의 복수의 위치의 각각에서 제1 간섭광과 제2 간섭광을 포함하는 빛을 검출하는 복수의 검출 영역을 포함하도록 구성된다. 처리부(13)는, 복수의 검출 영역의 각각으로부터 출력되는 간섭 신호에 의거하여 복수의 위치의 각각에서 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리를 취득한다. 그 결과, 처리부(13)는 피검면(5)의 형상을 취득할 수 있다. 검출부(6)를 복수의 검출 영역을 포함하도록 구성할 수 없는 경우에는, 피검면(5)과 검출부(6)와의 위치 관계를 변경하고, 각 위치 관계에 대해서 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리를 취득하는 것으로 피검면(5)의 형상을 취득하는 것도 가능하다.
<제2의 실시예>
도 5는, 본 발명의 제2의 실시예에 있어서의 계측 장치 MAB의 구성을 도시한 도면이다. 계측 장치 MAB은, 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 계측하는 간섭계이다. 계측 장치 MAB는, 계측 장치 MAA의 구성에 더해서, 제3 광원(3)과, 무편광 빔 스플리터 16 및 21과, 파장 계측 유닛(300)을 더 포함한다. 파장 계측 유닛(300)은, Fabry-Perot 에탈론 12과, 검출부(9)를 포함한다.
본 실시예에 있어서는, 계측 장치 MAB은, 방출된 빛의 주파수를 주사가능한 3개의 광원(제1 광원(1), 제2 광원(2) 및 제3 광원(3))을 포함하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리의 계측에 요구되는 정밀도에 따라, 광원의 수를 증가 또는 감소시켜도 된다.
제3 광원(3)으로부터 방출된 빛 L3은, 무편광 빔 스플리터(16)에 의해 2개로 분할된다. 한편의 빛이 파장계측 유닛(300)으로 인도되고, 다른 한편의 빛이 간섭계 유닛(400)으로 인도된다.
파장 계측 유닛(300)에 입사한 빛 L3은, 파장 기준 소자로서의 Fabry-Perot 에탈론 12을 투과해서 검출부(9)에 입사한다. 처리부(13)는, 검출부(9)에 의해서 검출된 광강도(빛 L3의 강도)에 의거하여 제3 광원(3)으로부터 방출되는 빛의 주파수(파장)를 제어한다. 또한, Fabry-Perot 에탈론 12의 구성 등은, Fabry-Perot 에탈론 10 및 11과 같기 때문에, 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.
간섭계 유닛(400)으로 인도되는 빛 L1, L2 및 L3은, 무편광 빔 스플리터 20 및 21에 의해 합성된다. 간섭계 유닛(400)에 입사한 빛 L3은, 무편광 빔 스플리터 23에 의해 참조면(4)에 입사하는 제3 참조광과 피검면(5)에 입사하는 제3 피검광으로 분할된다. 그리고, 제3 참조광은, 참조면(4)에 의해 반사되어서 무편광 빔 스플리터 23으로 되돌아온다. 제3 피검광은, 피검면(5)에 의해서 반사되어서, 무편광 빔 스플리터 23으로 되돌아온다.
제1 참조광과 제1 피검광, 제2 참조광과 제2 피검광, 및 제3 참조광과 제3 피검광은, 무편광 빔 스플리터 23에 의해 합성되어서, 검출부(6)에 입사한다. 검출부(6)는, 제1 참조광과 제1 피검광과의 제1 간섭광과, 제2 참조광과 제2 피검광과의 제2 간섭광과, 제3 참조광과 제3 피검광과의 제3 간섭광을 포함하는 빛을 검출하고(제1 간섭광, 제2 간섭광 및 제3 간섭광을 일괄해서 검출하고), 간섭 신호 S123을 출력한다. 간섭 신호 S123은, 제1 광원(1)으로부터의 빛에 의해 발생된 (제1 간섭광에 대응하는) 간섭 신호 S1과, 제2 광원(2)으로부터의 빛에 의해 발생된 (제2 간섭광에 대응하는) 간섭 신호 S2와, 제3 광원(3)으로부터의 빛에 의해 발생된 (제3 간섭광에 대응하는) 간섭 신호 S3를 합계한 신호다.
이하, 도 6을 참조하여, 계측 장치 MAB에 있어서의 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리를 계측하는 처리를 설명한다. 이러한 처리는, 처리부(13)가 계측 장치 MAB의 각부를 통괄적으로 제어하는 것으로 행해진다.
스텝 S602에서는, 처리부(13)는 제1 광원(1)으로부터의 빛에 의해 발생된 간섭 신호 S1과, 제2 광원(2)으로부터의 빛에 의해 발생된 간섭 신호 S2과, 제3 광원(3)으로부터의 빛에 의해 발생된 간섭 신호 S3을 합계한 신호인 간섭 신호 S123을 취득한다. 이때, 처리부(13)는, 식(4)을 충족시키도록, 제1광원(1), 제2광원(2) 및 제3 광원(3)을 제어한다. 좀더 구체적으로는, 본 실시예에서는, 제1 광원(1)으로부터의 빛, 제2 광원(2)으로부터의 빛 및 제3 광원(3)으로부터의 빛의 주파수는, 주사 속도 fv1 = 100[GHz/sec](순방향), fv2 = 80[GHz/sec](순방향) 및 fv3 = -49[GHz/sec](역방향)에서 주사된다. 또한, 제1 광원(1)으로부터의 빛의 중심 주파수 fc1, 제2 광원(2)으로부터의 빛의 중심 주파수 fc2 및 제3 광원(3)으로부터의 빛의 중심 주파수 fc3의 각각은, fc1 = 380[THz], fc2 = 382[THz] 및 fc3 = 420[THz]이다. 또한, 본 실시예에서는, 계측 시간은 1sec이다. 제1 광원(1), 제2 광원(2) 및 제3 광원(3)의 각각의 주파수 주사량 △f1, △f2 및 △f3은, △f1 = 100[GHz], △f2 = 80[GHz] 및 △f3 = -49[GHz]이다.
스텝 S604에서는, 처리부(13)는 간섭 신호 S1의 피크 주파수 P1, 간섭, 신호 S2의 피크 주파수 P2 및 간섭 신호 S3의 피크 주파수 P3을 특정한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 스텝 S602에서 취득한 간섭 신호 S123을 푸리에 변환해서 간섭 신호 S1과, 간섭 신호 S2와, 간섭 신호 S3로 분리한다. 그리고나서, 처리부(13)는 간섭 신호 S1, S2 및 S3의 각각에 있어서의 피크 주파수 P1, P2 및 P3을 특정한다.
스텝 S606에서는, 처리부(13)는 간섭 신호 S1에 대응하는 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L1, 간섭 신호 S2에 대응하는 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L2, 및 간섭 신호 S3에 대응하는 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L3을 산출한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 스텝 S604에서 특정한 피크 주파수 P1, P2 및 P3에 의거하여 식(7)에 따라 간섭 신호 S1에 대응하는 거리 L1, 간섭 신호 S2에 대응하는 거리 L2 및 간섭 신호 S3에 대응하는 거리 L3을 산출한다.
스텝 S608에서는, 처리부(13)는 스텝 S606에서 산출한 거리 L1, L2 및 L3에 의거하여 제1 광원(1), 제2 광원(2) 및 제3 광원(3)의 각각의 중심 주파수 fc1, fc2, 및 fc3에 있어서의 단수(端數) 위상 φ1, φ2 및 φ2을 산출한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 이하의 식(11)에 나타나 있는 바와 같이, 이산 푸리에 변환(DFT)을 사용하여, 단수 위상 φ을 산출한다.
Figure pat00011
(i = 1 ~ 3) ...(11)
단, 단수 위상 φ은, 식(11)으로부터 ±π의 범위 내에서만 산출되고, 간섭 차수는 불분명하다는 점에 유념한다.
스텝 S610에서는, 처리부(13)는, 스텝 S606에서 산출한 거리 L1, L2 및 L3의 평균값 Lave에 의거하여 단수 위상 φ1, φ2를 접속한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 이하의 식(12)에 따라, 제1 광원(1)의 중심 주파수 fc1에 있어서의 간섭 신호 S1과, 제2 광원(2)의 중심 주파수 fc2에 있어서의 간섭 신호 S2과의 간섭 차수차 Ml2을 산출한다.
Figure pat00012
...(12)
여기에서, round()은, 인수를 정수에 라운딩(rounding)하는 함수다. 또한, Lave은 거리 L1 L2 및 L3의 평균값이기 때문에, 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 광로 길이의 변화에 기인하는 계측 오차는 저감(제거)된다. 따라서, 제1 광원(1)으로부터의 빛, 제2 광원(2)으로부터의 빛 및 제3 광원(3)으로부터의 빛의 주파수를 주사하고 있는 동안에 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 광로 길이에 변화가 있는 경우에도, 간섭 차수차 Ml2을 고정밀하게 산출하는 것이 가능하다.
스텝 S612에서는, 처리부(13)는 제1 광원(1)으로부터의 빛과 제2 광원(2)으로부터의 빛과의 합성 파장(로부터 취득된 간섭 신호)에 대응하는 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L12를 산출한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 중심 주파수 fc1 및 fc2과, 단수 위상 φ1, φ2과, 간섭 차수차 Ml2을 사용하여, 이하의 식(13)으로부터, 거리 L12를 산출한다.
Figure pat00013
...(13)
거리 L12은, 제1 광원(1)의 중심 주파수 fc1과 제2 광원(2)의 중심 주파수 fc2과의 주파수차에 해당하는 주파수 주사량에서 계측한 결과에 해당한다. 거리 L12는 거리 L1보다도 1/20(= △f1/(fc2 - fc1))의 정밀도로 향상한다.
스텝 S614에서는, 처리부(13)는 스텝 S612에서 산출한 거리 L12에 의거하여 단수 위상 φ1, φ3을 접속한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 이하의 식(14)에 따라 제1 광원(1)의 중심 주파수 fc1에 있어서의 간섭 신호 S1과, 제3 광원(3)의 중심 주파수 fc33에 있어서의 간섭 신호 S3과의 간섭 차수차 M13을 산출한다.
Figure pat00014
...(14)
스텝 S616에서는, 처리부(13)는 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L을 산출한다. 처리부(13)는, 제1 광원(1)으로부터의 빛과 제3 광원(3)으로부터의 빛과의 합성 파장(으로부터 취득한 간섭 신호)에 대응하는 참조면(4)과 피검면(5)과의 사이의 거리 L13을 거리 L로서 산출한다. 좀더 구체적으로는, 처리부(13)는, 중심 주파수 fc1 및 fc3과, 단수 위상 φ1, φ3과, 간섭 차수차 M13을 사용하여 이하의 식(15)으로부터 거리 L13을 산출한다.
Figure pat00015
...(15)
거리 L13은, 제1 광원(1)의 중심 주파수 fc1과 제3 광원(3)의 중심 주파수 fc3과의 주파수차에 해당하는 주파수 주사량에서 계측한 결과에 해당한다. 거리 L13은, 거리 L1보다도 1/400(= fc2 - fc1)/(fc3 - fc1))의 정밀도로 향상한다.
이렇게, 계측 장치 MAB에 의하면, 각 광원으로부터의 빛의 주파수를 주사하고 있는 동안에 참조면과 피검면과의 사이의 광로 길이에 변화가 있는 경우에도, 이러한 광로 길이의 변화에 기인하는 계측 오차를 저감해서, 간섭 차수차를 고정밀하게 취득한다. 계측 장치 MAB은, 이러한 간섭 차수차를 사용하여, 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 고정밀하게 계측할 수 있다. 또한, 계측 장치 MAB에서는, 복수의 광원의 각각에 대응하는 간섭 신호를 얻기 위한 복수의 검출부나 검출부에 의해서 취득되는 간섭 신호를 시간적으로 바꾸는 초퍼(chopper)를 필요로 하지 않는다. 측정 장치 MAB는 장치 비용의 증대를 억제할 수 있다. 또한, 계측 장치 MAB은, 계측 장치 MAA와 마찬가지로, 참조면과 피검면과의 사이의 거리뿐만 아니라, 피검면의 형상도 계측하는 것이 가능하다.
본 발명은 예시적인 실시 예를 참조하면서 설명되었지만, 본 발명은 이 개시된 예시적인 실시 예에 한정되는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 이하의 특허청구범위의 범주는 모든 변형 및 균등구조 및 기능을 포함하도록 가장 넓게 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 참조면과 피검면과의 사이의 거리를 계측하는 계측 장치로서,
    n(n = 2이상의 정수)개의 주파수 주사 광원과,
    상기 n개의 주파수 주사 광원의 각각으로부터의 빛을 분할하여 상기 참조면과 상기 피검면에 입사시키는 분할 소자와,
    상기 참조면에 의해 반사된 빛과, 상기 피검면에 의해 반사된 빛과의 간섭에 의해 형성되는 n개의 간섭광을 동시에 검출하고, 간섭 신호를 출력하는 검출부와,
    상기 거리를 취득하는 처리를 행하는 처리부를 구비하고,
    상기 처리부는, 상기 n개의 주파수 주사 광원 중 제1 광원으로부터의 빛의 주파수를 제1 방향으로 제1 주사속도로 주사하도록 제어하고, 상기 n개의 주파수 주사 광원 중, 상기 제1 광원과는 다른 제2 광원으로부터의 빛의 주파수를, 상기 제1 방향과는 반대의 제2 방향으로 상기 제1 주사 속도와는 다른 제2 주사 속도로 주사하도록 제어하며,
    상기 처리부는 상기 n개의 주파수 주사 광원을 제어하고 있는 동안에 상기 검출부로부터 출력되는 상기 n개의 간섭광의 검출 결과를 포함하는 간섭 신호를, 상기 n개의 간섭 신호에 대응하는 n개의 신호로 분리하고 상기 n개의 신호를 처리해서 상기 거리를 취득하는, 계측 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측 장치는, n(n = 3이상의 정수)개의 주파수 주사 광원을 구비하고,
    상기 처리부는, 상기 제1 광원과 상기 제2 광원과는 다른 제3 광원으로부터의 빛의 주파수를, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향 중의 하나로, 상기 제1 주사 속도 및 상기 제2 주사 속도와는 다른 제3 주사 속도로 주사하도록 제어하는, 계측 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 검출부로부터 출력된 상기 간섭 신호를 주파수 해석하여, 상기 간섭신호를 상기 n개의 간섭광에 대응하는 n개의 신호로 분리하고,
    상기 처리부는, 주파수 해석해서 취득한 상기 n개의 신호에 대응하는 n개의 피크 주파수로부터 산출되는 상기 참조면과 상기 피검면과의 사이의 거리를 평균한 거리를, 상기 거리로서 취득하는, 계측 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 n개의 주파수 주사 광원의 각각으로부터의 빛의 중심 주파수를 fci(i = 1 ~ n의 정수)라고 하고, 상기 n개의 주파수 주사 광원의 각각으로부터의 빛의 주파수의 주사 속도를 fvi(i = 1 ~ n의 정수)라고 하면,
    상기 처리부는,
    Figure pat00016

    상기의 식을 만족시키도록 상기 n개의 주파수 주사 광원을 제어하는, 계측 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 피검면 위의 복수의 위치에서, n개의 간섭광을 포함하는 빛을 검출하는 복수의 검출 영역을 포함하고,
    상기 처리부는, 상기 복수의 검출 영역의 각각으로부터 출력되는 간섭 신호에 의거하여 상기 복수의 위치에서 상기 거리를 취득하는 것으로 상기 피검면의 형상을 취득하는, 계측 장치.
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