JP2003227704A - 多波長光ヘテロダイン干渉測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】位相測定の測定レンジを拡大し、且つ高精度測
定に対応することができる多波長光ヘテロダイン干渉測
定方法を提供する。 【解決手段】２つ以上の異なる波長の光を用いる多波長
光ヘテロダイン干渉測定方法であって、複数の異なる波
長による測定から得られる位相を用いて等価的に長い波
長で測定した時に得られる第１の等価位相を計算する第
１の演算工程と、複数の異なる波長の一つまたは複数の
測定位相を任意量変化させた位相信号を求め、この位相
を用いて異なる第２及び第３の等価位相を計算する第２
の演算工程と、第１乃至第３の等価位相を用いて位置情
報の演算を行なう第３の演算工程とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ヘテロダイン干
渉法を用いた高精度な干渉計測法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光ヘテロダイン法では、測定位相
ΦはΦ＝２πＮ＋φ（Ｎ:整数、φ：測定される位相）
となる。位相が連続して変化する場合は、この整数値Ｎ
を確定することができるが、位相が不連続になる場合に
おいては、従来の測定からでは整数値Ｎを決定すること
ができない。すなわち測定レンジは２πとなる。

【０００３】そこでこの問題を解決するために、２つ以
上の異なる波長を用いる多波長光ヘテロダイン干渉計が
提案されている。この多波長光ヘテロダイン法は、位相
が不連続に変化した場合においても測定精度を落とさず
に２π以上の測定レンジで測定することができる。これ
は同時に複数の異なる波長で光ヘテロダイン干渉を行う
ことで、それぞれ単独の波長での位相変化を測定し、こ
の位相を用いて仮想的に使用している波長よりも長い等
価波長で測定したときの位相を計算する。さらに等価波
長を用いた測定値から単独波長で測定したときには決定
できなかった整数Ｎを決定することで、単独波長で測定
したときと同じ分解能で測定することができる。

【０００４】これを変位計測に応用したものが、従来法
として用いられている。すなわち、測定光路のレーザ光
が遮られても原点復帰せずに継続して測定でき、測定精
度を落とさずに測定レンジをλ／２以上に拡大できるも
のとして、多波長を用いる多波長光ヘテロダイン法が用
いられている。

【０００５】特開平１１−１８３１１６号公報で提案さ
れている多波長光ヘテロダインを用いた干渉計装置を図
６に示す。光源１は波長λ１で、周波数のわずかに異な
る二周波直交直線偏光を発振する。このレーザ光源１か
ら発振されたレーザ光は偏光ビームスプリッタ２に入射
して偏光方位により参照光路と測定光路に分離される。

【０００６】偏光ビームスプリッタ２を透過したレーザ
光は測定光路に進み、四分の一波長板５によって円偏光
に変換され測定光になる。また、偏光ビームスプリッタ
２で反射されたレーザ光は参照光路に進み、四分の一波
長板４によって円偏光に変換され参照光になる。この測
定光と参照光はダイクロックミラー１０を透過して、参
照光は参照鏡６で反射し、測定光は移動鏡７で反射す
る。それぞれの反射光は再びダイクロックミラー１０を
透過した後、それぞれ四分の一波長板４，５を透過して
偏光方位を当初の偏光方位に対して９０°回転した直線
偏光に変換される。

【０００７】従って、測定光は偏光ビームスプリッタ２
で反射し、参照光は偏光ビームスプリッタ２を透過する
ことで同一光路に合成される。合成されたレーザ光は参
照光と測定光の偏光方位と方位が４５°傾いた直線偏光
子８で干渉し、ビート信号となる。このビート信号は光
電検出器９で光電検出される。この測定信号は光源１の
内部で周波数のわずかに異なる直交直線偏光を直接干渉
させて得られる基準ビート信号とともに位相計１９に入
力される。

【０００８】一方、レーザ光源１１からは、波長λ２で
周波数のわずかに異なる二周波直交直線偏光を発振す
る。このレーザ光源１１から発振したレーザ光は偏光ビ
ームスプリッタ１２に入射して、その偏光方位により測
定光と参照光に分離される。偏光ビームスプリッタ１２
を透過したレーザ光は測定光路に進み、四分の一波長板
１５によって円偏光に変換され測定光となる。偏光ビー
ムスプリッタ１２で反射したレーザ光は参照光路を進
み、ミラー１３に入射して光路を測定光路と平行になる
ように曲げられ、四分の一波長板１４によって円偏光に
変換され参照光となる。

【０００９】これらの参照光と測定光はダイクロックミ
ラー１０で反射した後、参照光は参照鏡６で、測定光は
位相鏡７で反射する。それぞれの反射光は再びダイクロ
ックミラー１０で反射した後、それぞれ四分の一波長板
１４，１５を透過して、偏光方位を当初の偏光方位に対
して９０°回転した直線偏光に変換される。従って、測
定光は偏光ビームスプリッタ１２で反射し、参照光は偏
光ビームスプリッタ１２でを透過することで同一光路に
合成される。合成されたレーザ光は参照光と測定光の偏
光方位と方位が４５°傾いた直線偏光子１６で干渉し、
ビート信号となる。このビート信号は光電検出器１７で
光電検出される。この測定信号は光源１１の内部で周波
数のわずかに異なる直交直線偏光を直接干渉させて得ら
れる基準ビート信号とともに位相計２０に入力される。

【００１０】次にこの測定ビート信号から試料の変位を
求める方法を説明する。

【００１１】λ１、λ２のレーザの光路長差をＬ１、Ｌ
２とすると、 Ｌ１＝φ１・λ１／ｍ Ｌ２＝φ２・λ２／ｍ となる、ここで、ｍは光路の折り返し数である。試料が
原点位置Ｐにあるときのφ１，φ２を記憶しておく。次
に試料が移動してＱの位置にある時のＰＱ間の距離をΔ
Ｌとすると、 Ｌ１＋ΔＬ＝φ１'・λ１／ｍ Ｌ２＋ΔＬ＝φ２'・λ２／ｍ であるから、Φ＝φ２−φ１とすると、 ΔΦ＝Φ'−Φ＝（φ２'−φ１'）−（φ２−φ１）＝
ｍΔＬ となる。従って合成波長λeq＝λ１・λ２／|λ２−λ
１|を使うと、Φの変化量をΔΦとして、 ΔＬ＝ΔΦ・λeq／ｍ となる。すなわち、試料がλeq／ｍ単位でどこに位置す
るのかがわかっていれば、レーザ光が遮断されても、
Φ'を測定することでΔΦを求め、さらにΔＬを求める
ことが出来る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来法では光
源の波長安定性、空気の揺らぎ等での波長の揺らぎによ
り、整数値Ｎを算出するために用いている波長の値と実
際の波長の値がわずかに異なるため、前述の整数値Ｎの
決定に曖昧さが残り位相が不連続になるという現象が起
こる。特に、参照光路長と測定光路長が大きく異なる場
合、この現象は深刻な問題となる。

【００１３】従って、本発明は上述した課題に鑑みてな
されたものであり、その目的は、位相測定の測定レンジ
を拡大し、且つ高精度測定に対応することができる多波
長光ヘテロダイン干渉測定方法および装置を提供するこ
とである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、本発明に係わる多波長光ヘテロ
ダイン干渉測定方法は、２つ以上の異なる波長の光を用
いる多波長光ヘテロダイン干渉測定方法であって、複数
の異なる波長による測定から得られる位相を用いて等価
的に長い波長で測定した時に得られる第１の等価位相を
計算する第１の演算工程と、前記複数の異なる波長の一
つまたは複数の測定位相を任意量変化させた位相信号を
求め、この位相を用いて異なる第２及び第３の等価位相
を計算する第２の演算工程と、前記第１乃至第３の等価
位相を用いて位置情報の演算を行なう第３の演算工程と
を具備することを特徴としている。

【００１５】また、本発明に係わる多波長光ヘテロダイ
ン干渉測定装置は、２つ以上の異なる波長の光を用いる
多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、複数の異なる
波長による測定から得られる位相を用いて等価的に長い
波長で測定した時に得られる第１の等価位相を計算する
第１の演算手段と、前記複数の異なる波長の一つまたは
複数の位相を波長板を用いることで任意量変化させた位
相信号を求める第２の演算手段とを具備することを特徴
としている。

【００１６】また、本発明に係わる多波長光ヘテロダイ
ン干渉測定装置は、２つ以上の異なる波長の光を用いる
多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、複数の異なる
波長による測定から得られる位相を用いて等価的に長い
波長で測定した時に得られる第１の等価位相を計算する
第１の演算手段と、前記複数の異なる波長の一つまたは
複数の位相を光源の波長をシフトすることで任意量変化
させた位相信号を求める第２の演算手段とを具備するこ
とを特徴としている。

【００１７】また、本発明に係わる多波長光ヘテロダイ
ン干渉測定装置は、２つ以上の異なる波長の光を用いる
多波長光ヘテロダイン干渉装置であって、複数の異なる
波長による測定から得られる位相を用いて等価的に長い
波長で測定した時に得られる第１の等価位相を計算する
第１の演算手段と、前記複数の異なる波長の一つまたは
複数の位相を位相シフタ-を用いて電気的に任意量変化
させた位相信号を求める第２の演算手段とを具備するこ
とを特徴としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００１９】（第１の実施形態）本発明を高精度な三次
元形状測定に適用した第１の実施形態を図１に示す。基
本的な光学系は従来の光ヘテロダイン干渉計と同じであ
る。

【００２０】図１において、１０１，１０２はレーザ光
源であり、それぞれ可干渉性の単一波長（λ１、λ２）
の光を発振するレーザ光源である。レーザ光源１０１、
１０２から発振されたレーザ光は、偏光ビームスプリッ
タ１０３により同一光路に合成される。このレーザ光は
主軸方位４５°におかれた半波長板１０４により波長λ
１、λ２のレーザ光ともに方位が±４５°になるように
変換され、音響光学素子１０５ａで周波数シフトを受
け、周波数のわずかに異なるｆ１、ｆ２のレーザ光とな
る。この光は直交直線偏光になっている。音響光学素子
１０５ａは音響光学素子ドライバ１０５ｂで駆動されて
いる。上記の直交直線偏光を生成する部分は、ゼーマン
効果を利用したゼーマンレーザを使用することも可能で
ある。

【００２１】レーザ光はビームスプリッタ１０６ａで透
過光と反射光に分割され、反射光は波長選択フィルタ１
０７ａで波長λ１を選択され、方位４５°の直線偏光子
１０８ａで干渉し、光検出器１０９ａで参照ビート信号
として光電検出される。ここで選択する波長はλ２でも
かまわない。また参照信号は、音響光学素子ドライバ１
０５ｂからの駆動電圧からミキサ回路を用いて作ること
も可能である。

【００２２】透過光はビームエキスパンダ１１０でビー
ム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ１１１へ入射す
る。偏光ビームスプリッタ１１１に入射したレーザ光
は、偏光成分により二つに分割される。偏光ビームスプ
リッタ１１１を通過した周波数ｆ１の偏光成分は、四分
の一波長板１１２ａを通過し、対物レンズ１１３により
被測定試料１１４面上に焦点を結び、反射される、ここ
で対物レンズ１１３を用いることにより被測定試料１１
４に面傾斜がある場合においても面傾斜角が対物レンズ
１１３の半開角以下であれば反射光の一部が必ず戻るた
め、面傾斜がある試料も測定する事が出来る。

【００２３】被測定試料１１４は光軸と直交する面内方
向の二軸（ＸＹ軸）を持つ試料ステージ１１５上に設置
されている。試料ステージ１１５にはＸ軸レーザ測長器
１２５とＸ軸測長用ミラー１２４及び図に記入していな
いがＹ軸レーザ測長器とＹ軸測長用ミラーが設置してあ
り、試料ステージ１１５の位置は精密に測定される。偏
光ビームスプリッタ１１１で反射した周波数ｆ２の偏光
成分は、四分の一波長板１１２ｂを通過し、参照平面鏡
Ｍ１で反射される。両方の光路中にある四分の一波長板
１１２ａ、１１２ｂは、入射偏光に対して出射偏光方位
を９０°回転させることで、光源へ反射光を戻さない役
割をしている。

【００２４】周波数ｆ１、ｆ２の反射光は再び偏光ビー
ムスプリッタ１１１でひとつに合成される。合成された
レーザ光は、ビームスプリッタ１０６ｂで透過光と反射
光に分離される。ビームスプリッタ１０６ｂを透過した
レーザ光は方位４５°に設置された直線偏光子１０８ｂ
で干渉し、波長選択フィルタ１０７ｂで波長λ１のレー
ザ光だけが選択され集光レンズ１１６ａにより光検出器
１０９ｂ上に集光され測定ビート信号として光電検出さ
れる。

【００２５】ビームスプリッタ１０６ｂで反射したレー
ザ光は波長選択フィルタ１０７ｃで波長λ２のレーザ光
だけが選択され、ビームスプリッタ１０６ｃで再び透過
光と反射光に分離される。ビームスプリッタ１０６ｃを
透過したレーザ光は方位４５°に設置された直線偏光子
１０８ｃで干渉し、集光レンズ１１６ｂにより光電検出
器１０９ｃ上に集光されて測定ビート信号として光電検
出される。

【００２６】ビームスプリッタ１０６ｃで反射したレー
ザ光は方位０°に設置された波長板１２８により直交直
線偏光間の位相をπずらされ、方位４５°に設置された
直線偏光子１０８ｄで干渉し、集光レンズ１１６ｃによ
り光電検出器１０９ｄ上に集光されて測定ビート信号と
して光電検出される。

【００２７】光ヘッド１２１には光軸（Ｚ）方向測長用
ミラー１２２が固定されており、光ヘッド１２１のＺ軸
位置はＺ軸レーザ測長器１２３で精密に測定されてい
る。光検出器１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃで光電検出
された測定ビート信号は参照ビート信号を基準として電
気位相計１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃで位相変化を検
出される。この位相検出はロックインアンプでもかまわ
ない。このビート信号の位相差及びＺ軸測長器１２３か
らの信号はＡ／Ｄ変換器１１８を介してコンピュータ１
１９に取り込まれる。またコンピュータ１１９からの信
号によりサーボドライバ１２０を介して駆動装置１２
６、１２７を駆動することで試料ステージ１１５、光ヘ
ッド１２１は駆動される。

【００２８】次にこの装置を用いて被測定試料１１４の
３次元形状を測定する方法を説明する。最初に光ヘッド
１２１を被測定試料１１４に接近（Ｚ軸方向）させなが
ら光検出器１０９ｂ、１０９ｃでビート信号を検出し、
測定ビート信号の強度が最大になる位置で光ヘッド１２
１を止める。この状態で測定光は被測定試料１１４面上
にフォーカスしているので、この位置における参照ビー
ト信号と測定ビート信号の位相差を波長λ１、λ２それ
ぞれ独立して測定する。

【００２９】この位相差φ１、φ２より、参照ミラーＭ
１と被測定試料１１４の等価波長で測定したときの光路
長差Ｌeqが求められる。さらにこのＬeqから、単一波長
で測定したときの光路長差Ｌ１、Ｌ２を計算する。この
Ｌ１、Ｌ２を一定にするように光ヘッド１２１をＺ軸方
向にサーボをかけながら試料ステージ１１５をＸＹ軸に
走査し、光ヘッド１２１のＺ軸方向の移動をＺ軸レーザ
測長器１２３で検出する。

【００３０】また測定ビート信号からサーボ系のエラー
を求め、Ｚ測長器１２３からのデータを補正する。これ
により被測定試料１１４の三次元形状を精密に計測する
ことが出来る。上記実施例では光ヘッドをＺ軸、試料ス
テージをＸＹ方向に移動させたが、これは光ヘッドと試
料ステージがＸＹＺ座標で相対的に任意に移動できれ
ば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させるよう
にしてもよい。

【００３１】上記での参照ミラーＭ１と被測定試料１１
４の光路長差の計算について詳しく説明する。

【００３２】等価波長λeqで測定した光路長差の変化量
Ｌeqは次のように求められる。

【００３３】 Ｌeq＝λeqφeq／４π （ただし、空気の屈折率を１とする） …（１） λeq＝λ１λ２／|λ１−λ２| …（２） φeq＝φ１−φ２ …（３） 従って、この等価波長を用いることで測定範囲は単一波
長で測定した場合よりも拡大されＬeqとなる。しかし、
位相計の分解能は変わらないため、このままでは測定分
解能も粗くなる。そこで、さらに使用している単一波長
を用いて光路長差の変化量Ｌ１（Ｌ２）を求めることで
精密な測定を行う。

【００３４】すなわち Ｌ１＝λ１φ１／４π＋Ｎ１λ１／２（またはＬ２＝λ２φ２／４π＋Ｎ２ λ２／２） …（４） となる。ここで、Ｎ１（Ｎ２）は２Ｌeq／λ１の整数部
をＮ１（Ｎ２）としている。式（４）の第一項をλ１、
φ１から求めることで、単一波長で測定するよりも大き
い測定範囲を単一波長での測定と同じ測定精度で測定す
ることが出来る。

【００３５】図４に参照ミラーＭ１と被測定試料１１４
の光路長差が変化したときの位相φ１、φ２、φeqの変
化を示す。これより二波長で測定を行うことにより単一
波長での測定よりも測定範囲が拡大されていることがわ
かる。

【００３６】図５Ａに波長１、２の位相φ１、φ２と、
これらから計算される等価位相より求められる単一波長
の個数Ｎと、Ｎとφ１またはφ２から求められる測定値
の変化を示した図を示す。

【００３７】図５Ａから測定される位相φ１、φ２が波
長振動や空気揺らぎ等の影響で誤差を生じたとき、式
（３）から明らかなようにφeqが誤差をもつことにな
り、式（４）のＮ１の算出に誤差を生じる。これにより
最終的に計算されるＬ１は測定波長の半波長の整数倍の
測定誤差を生じてしまう。

【００３８】そこで、本実施形態では次のようにしてこ
の問題を解決する。本実施形態では、ビームスプリッタ
１０６ｃで反射したレーザ光は波長板１２８により光検
出器１０９ｃで検出されるビート信号の位相と比べ位相
がπ異なるビート信号が得られている。従って、このビ
ート信号と光検出器１０９ｂで得られるビート信号との
等価波長の位相φeq'は、光検出器１０９ｃと光検出器
１０９ｂで得られるビート信号から計算される等価波長
の位相φeqと比べ位相がπ異なる。従って波長λ１の位
相φ１が３６０°（０°）付近の時は、光検出器１０９
ｄで検出されたビート信号と光検出器１０９ｂで検出さ
れたビート信号から計算される等価位相φeq'を変位の
計算に用いる。このときの光検出器１０９ｃで検出され
たビート信号と光検出器１０９ｂで検出されたビート信
号から計算される等価波長の位相φeqとの差異は波長板
１２８から既知であるため、等価位相φeq'からφeqへ
位相を変換することができる。これにより空気揺らぎ等
による波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤
差を回避することができる。またビームスプリッタ１０
６ｃで波長λ１のレーザ光を分割する代わりに光検出器
１０９ｃで検出された電気信号を分割し、移相器を用い
て電気的に位相をずらすことも可能である。

【００３９】これを図を用いて説明すると図５Ｂの様に
なる。図５Ｂは、図５Ａの波長１の位相φ１に位相差φ
ｄ（＝２π）を与えた位相φ１'を用いた本実施形態に
おける位相φ１、φ１'、 φ２とこれらから計算される
等価位相より求められる単一波長の個数とφ１またはφ
２を用いて求められる測定変位ｄ、ｄ'の変化を示す図
である。

【００４０】図中のφ１は波長λ１の位相、φ１'は波
長板によって位相φ１から位相がπ異なる波長λ１の位
相、φ２は波長λ２の位相、φeqはφ１とφ２による等
価位相、φeq'はφ１'とφ２による等価位相である。縦
軸は検出される位相、横軸は変位を示す。これよりφ１
の波長が光源の揺らぎや空気の揺らぎ等で波長が揺らぐ
と図中の点線のようになり、計算で使用している波長と
実際の波長が合わないため、単一波長の個数（整数）を
計算する際に±１の誤差を含むことがあり、これにより
変位の計算時に使用している単一波長の半波長分の誤差
を生じる。そこで、φ１が３６０°（０°）付近の時
は、φ１と比べて位相がπ異なるφ１'を等価位相の計
算に用いる。するとφ１とφ２から計算された変位ｄと
φ１'とφ２から計算された変位ｄ'では半波長の誤差が
発生する部分が異なる。ここでφ１'はφ１と比べて位
相がπ異なっていることが既知であるため、変位ｄ'を
変位ｄに換算することができる。したがって位相φ１の
値によって変位ｄと変位ｄ'を使い分けることで半波長
の誤差が生じない測定を行うことができる。ちなみにφ
１とφ１'はある程度位相が異なればよいため、位相差
がπでなくともよい。

【００４１】（第２の実施形態）本発明を高精度な三次
元形状測定に応用した第２の実施形態を図２に示す。基
本的な光学系は従来の光ヘテロダイン干渉計と同じであ
る。

【００４２】図２において、１０１、１０２はドライバ
１２９ａ、１２９ｂにより駆動される半導体レーザ光源
であり、それぞれ可干渉性の単一波長（λ１、λ２）の
光を発振する。半導体レーザ光源１０１、１０２から発
振されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０３によ
り同一光路に合成される。

【００４３】このレーザ光は主軸方位４５°におかれた
半波長板１０４により波長λ１、λ２のレーザ光ともに
方位が４５°になるように変換され、音響光学素子１０
５ａで周波数シフトを受け、周波数のわずかに異なるｆ
１、ｆ２のレーザ光となる。この光は直交直線偏光にな
っている。音響光学素子１０５ａは音響光学素子ドライ
バ１０５ｂで駆動されている。

【００４４】レーザ光はビームスプリッタ１０６ａで透
過光と反射光に分割され、反射光は波長選択フィルタ１
０７ａで波長λ１を選択され方位４５°の直線偏光子１
０８ａで干渉し、光検出器１０９ａで参照ビート信号と
して光電検出される。ここで選択する波長はλ２でもか
まわない。また参照信号は、音響光学素子ドライバ１０
５ｂからの駆動電圧からミキサ回路を用いて作ることも
可能である。

【００４５】透過光はビームエキスパンダ１１０でビー
ム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ１１１へ入射す
る。偏光ビームスプリッタ１１１に入射したレーザ光
は、偏光成分により二つに分割される。偏光ビームスプ
リッタ１１１を通過した周波数ｆ１の偏光成分は、四分
の一波長板１１２ａを通過し、対物レンズ１１３により
被測定試料１１４面上に焦点を結び、反射される、ここ
で対物レンズ１１３を用いることにより被測定試料１１
４に面傾斜がある場合においても面傾斜角が対物レンズ
１１３の半開角以下であれば反射光の一部が必ず戻るた
め、面傾斜がある試料も測定する事が出来る。

【００４６】被測定試料１１４は光軸と直交する面内方
向の二軸（ＸＹ軸）を持つ試料ステージ１１５上に設置
されている。試料ステージ１１５にはＸ軸レーザ測長器
１２５とＸ軸測長用ミラー１２４及び図に記入していな
いがＹ軸レーザ測長器とＹ軸測長用ミラーが設置してあ
り、試料ステージ１１５の位置は精密に測定される。

【００４７】偏光ビームスプリッタ１１１で反射した周
波数ｆ２の偏光成分は、四分の一波長板１１２ｂを通過
し、参照平面鏡Ｍ１で反射される。両方の光路中にある
四分の一波長板１１２ａ、１１２ｂは、入射偏光に対し
て出射偏光方位を９０°回転させることで、光源へ反射
光を戻さない役割をしている。

【００４８】周波数ｆ１、ｆ２の反射光は再び偏光ビー
ムスプリッタ１１１でひとつに合成される。合成された
レーザ光は方位４５°に設置された直線偏光子１０８ｂ
を通過し、ビームスプリッタ１０６ｂで透過光と反射光
に分離される。ビームスプリッタ１０６ｂを透過したレ
ーザ光は波長選択フィルタ１０７ｂで波長λ１のレーザ
光だけが選択され集光レンズ１１６ａにより光検出器１
０９ｂ上に集光され測定ビート信号として光電検出され
る。

【００４９】ビームスプリッタ１０６ｂで反射したレー
ザ光は波長選択フィルタ１０７ｃで波長λ２のレーザ光
だけが選択され、集光レンズ１１６ｂにより光電検出器
１０９ｃ上に集光されて測定ビート信号として光電検出
される。

【００５０】光ヘッド１２１には光軸（Ｚ）方向測長用
ミラー１２２が固定されており、光ヘッド１２１のＺ軸
位置はＺ軸レーザ測長器１２３で精密に測定されてい
る。光検出器１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃで光電検出
された測定ビート信号は参照ビート信号を基準として電
気位相計１１７ａ、１１７ｂで位相変化を検出される。
この位相検出はロックインアンプでもかまわない。この
ビート信号の位相差及びＺ軸測長器１２３からの信号は
Ａ／Ｄ変換器１１８を介してコンピュータ１１９に取り
込まれる。またコンピュータ１１９からの信号によりサ
ーボドライバ１２０を介して駆動装置１２６、１２７を
駆動することで試料ステージ１１５、光ヘッド１２１は
駆動される。

【００５１】次にこの装置を用いて被測定試料１１４の
３次元形状を測定する方法を説明する。最初に光ヘッド
１２１を被測定試料１１４に接近（Ｚ軸方向）させなが
ら光検出器１０９ｂ、１０９ｃでビート信号を検出し、
測定ビート信号の強度が最大になる位置で光ヘッド１２
１を止める。この状態で測定光は被測定試料１１４面上
にフォーカスしているので、この位置における参照ビー
ト信号と測定ビート信号の位相差を波長λ１、λ２それ
ぞれ独立して測定する、この位相差φ１、φ２より参照
ミラーＭ１と被測定試料１１４の等価波長で測定したと
きの光路長差Ｌeqが求められる。さらにこのＬeqから、
単一波長で測定したときの光路長差Ｌ１、Ｌ２を計算す
る。このＬ１、Ｌ２を一定にするように光ヘッド１２１
をＺ軸方向にサーボをかけながら試料ステージ１１５を
ＸＹ軸に走査し、光ヘッド１２１のＺ軸方向の移動をＺ
軸レーザ測長器１２３で検出する。また測定ビート信号
からサーボ系のエラーを求め、Ｚ測長器１２３からのデ
ータを補正する。これにより被測定試料１１４の三次元
形状を精密に計測することが出来る。

【００５２】上記実施形態では光ヘッドをＺ軸、試料ス
テージをＸＹ方向に移動させたが、これは光ヘッドと試
料ステージがＸＹＺ座標で相対的に任意に移動できれ
ば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させるよう
にしてもよい。

【００５３】上記での参照ミラーＭ１と被測定試料１１
４の光路長差の計算については第１の実施形態と同様で
ある。

【００５４】次に本実施形態における空気揺らぎ等によ
る波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差の
回避方法を説明する。

【００５５】本実施形態では、位相φ１（φ２）が３６
０°（０°）付近になった時には半導体レーザドライバ
１２９ａの駆動電流を一定値増加または減少させること
で、発振波長をあらかじめ決めた量シフトすることによ
り波長λ１（あるいはλ２）の位相を任意量シフトさせ
てφ１'を検出する。駆動電流に対する位相シフト量は
あらかじめ別手段を用いることで調べておく。これによ
り位相シフトする前の位相φ１を用いた等価位相φeqと
位相シフトした後の位相φ１'を用いた等価位相φeq'を
任意量ずらすことができる。したがって波長λ１の位相
φ１が３６０°（０°）付近にきた時は、半導体レーザ
ドライバの駆動電流を制御して位相をあらかじめ設定し
た任意量シフトさせ、等価位相φeq'を変位の計算に用
いる。このとき等価波長φeqとφeq'の差異は半導体レ
ーザドライバの駆動電流から既知であるため、等価位相
φeq'からφeqへ位相を変換することができる。これに
より空気揺らぎ等による波長揺らぎ等に起因した半波長
の整数倍の測定誤差を回避することができる。

【００５６】（第３の実施形態）本発明を高精度な三次
元形状測定に応用した第３の実施形態を図３に示す。

【００５７】図３において、１０１、１０２はゼーマン
効果を利用したゼーマンレーザでそれぞれ可干渉性の単
一波長（λ１、λ２）を発振する。これらの偏光は直交
直線偏光である。レーザ光源１０１、１０２から発振さ
れたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０３により同
一光路に合成される。

【００５８】レーザ光はビームスプリッタ１０６ａで透
過光と反射光に分割され、反射光は波長選択フィルタ１
０７ａで波長λ１を選択され方位４５°の直線偏光子１
０８ａで干渉し、光検出器１０９ａで参照ビート信号と
して光電検出される。ここで選択する波長はλ２でもか
まわない。

【００５９】透過光はビームエキスパンダ１１０でビー
ム径を拡大され、偏光ビームスプリッタ１１１へ入射す
る。偏光ビームスプリッタ１１１に入射したレーザ光
は、偏光成分により二つに分割される。偏光ビームスプ
リッタ１１１を通過した周波数ｆ１の偏光成分は、四分
の一波長板１１２ａを通過し、対物レンズ１１３により
被測定試料１１４面上に焦点を結び、反射される、ここ
で対物レンズ１１３を用いることにより被測定試料１１
４に面傾斜がある場合においても面傾斜角が対物レンズ
１１３の半開角以下であれば反射光の一部が必ず戻るた
め、面傾斜がある試料も測定する事が出来る。

【００６０】被測定試料１１４は光軸と直交する面内方
向の二軸（ＸＹ軸）を持つ試料ステージ１１５上に設置
されている。試料ステージ１１５にはＸ軸レーザ測長器
１２５とＸ軸測長用ミラー１２４及び図に記入していな
いがＹ軸レーザ測長器とＹ軸測長用ミラーが設置してあ
り、試料ステージ１１５の位置は精密に測定される。

【００６１】偏光ビームスプリッタ１１１で反射した周
波数ｆ２の偏光成分は、四分の一波長板１１２ｂを通過
し、参照平面鏡Ｍ１で反射される。両方の光路中にある
四分の一波長板１１２ａ、１１２ｂは、入射偏光に対し
て出射偏光方位を９０°回転させることで、光源へ反射
光を戻さない役割をしている。

【００６２】周波数ｆ１、ｆ２の反射光は再び偏光ビー
ムスプリッタ１１１でひとつに合成される。合成された
レーザ光は方位４５°に設置された直線偏光子１０８ｂ
を通過し、ビームスプリッタ１０６ｂで透過光と反射光
に分離される。

【００６３】ビームスプリッタ１０６ｂを透過したレー
ザ光は波長選択フィルタ１０７ｂで波長λ１のレーザ光
だけが選択され集光レンズ１１６ａにより光検出器１０
９ｂ上に集光され測定ビート信号として光電検出され
る。

【００６４】ビームスプリッタ１０６ｂで反射したレー
ザ光は波長選択フィルタ１０７ｃで波長λ２のレーザ光
だけが選択され、集光レンズ１１６ｂにより光電検出器
１０９ｃ上に集光されて測定ビート信号として光電検出
される。

【００６５】光ヘッド１２１には光軸（Ｚ）方向測長用
ミラー１２２が固定されており、光ヘッド１２１のＺ軸
位置はＺ軸レーザ測長器１２３で精密に測定されてい
る。光検出器１０９ｂ、１０９ｃで光電検出された測定
ビート信号は参照ビート信号を基準として電気位相計１
１７ａ、１１７ｂで位相変化を検出される。この位相検
出はロックインアンプでもかまわない。このビート信号
の位相差及びＺ軸測長器１２３からの信号はＡ／Ｄ変換
器１１８を介してコンピュータ１１９に取り込まれる。
またコンピュータ１１９からの信号によりサーボドライ
バ１２０を介して駆動装置１２６、１２７を駆動するこ
とで試料ステージ１１５、光ヘッド１２１は駆動され
る。

【００６６】次にこの装置を用いて被測定試料１１４の
３次元形状を測定する方法を説明する。

【００６７】最初に光ヘッド１２１を被測定試料１１４
に接近（Ｚ軸方向）させながら光検出器１０９ｂ、１０
９ｃでビート信号を検出し、測定ビート信号の強度が最
大になる位置で光ヘッド１２１を止める。この状態で測
定光は被測定試料１１４面上にフォーカスしているの
で、この位置における参照ビート信号と測定ビート信号
の位相差を波長λ１、λ２それぞれ独立して測定する、
この位相差φ１、φ２より参照ミラーＭ１と被測定試料
１１４の等価波長で測定したときの光路長差Ｌeqが求め
られる。さらにこのＬeqから、単一波長で測定したとき
の光路長差Ｌ１、Ｌ２を計算する。このＬ１、Ｌ２を一
定にするように光ヘッド１２１をＺ軸方向にサーボをか
けながら試料ステージ１１５をＸＹ軸に走査し、光ヘッ
ド１２１のＺ軸方向の移動をＺ軸レーザ測長器１２３で
検出する。また測定ビート信号からサーボ系のエラーを
求め、Ｚ測長器１２３からのデータを補正する。これに
より被測定試料１１４の三次元形状を精密に計測するこ
とが出来る。

【００６８】上記実施形態では光ヘッドをＺ軸、試料ス
テージをＸＹ方向に移動させたが、これは光ヘッドと試
料ステージがＸＹＺ座標で相対的に任意に移動できれ
ば、光ヘッド、試料ステージのどちらを移動させるよう
にしてもよい。

【００６９】上記での参照ミラーＭ１と被測定試料１１
４の光路長差の計算については第１の実施形態と同様で
ある。

【００７０】次に本実施形態における空気揺らぎ等によ
る波長揺らぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差の
回避方法を説明する。

【００７１】本実施形態では、波長λ１の位相φ１が３
６０°（０°）付近になった時には１／２波長板１０４
をレーザ光源１０１と偏光ビームスプリッタ１０３の間
に挿入することで波長λ１の位相をπシフトさせる。こ
れによりφ１に対して位相がπシフトした位相φ１'を
求めることができる。これより位相シフトする前の位相
φ１を用いた等価位相φeqと位相シフトした後の位相φ
１'を用いた等価位相φeq'は位相がπ異なる。したがっ
て波長λ１の位相φ１が３６０°（０°）付近以外では
１／２波長板１０４を光路からはずし位相φ１、等価位
相φeqを求め、波長λ１の位相φ１が３６０°（０°）
付近の時は１／２波長板１０４を挿入し位相φ１'、等
価位相φeq'を求める。等価波長φeqとφeq'の差異は既
知であるため等価位相φeq'からφeqへ位相を変換する
ことができる。これにより空気揺らぎ等による波長揺ら
ぎ等に起因した半波長の整数倍の測定誤差を回避するこ
とができる。

【００７２】以上説明したように、上記の第１乃至第３
の実施形態によれば、複数の異なる波長のレーザ光を用
いた多波長光ヘテロダイン干渉法による高精度な干渉測
定法および装置において、等価波長を用いることにより
位相測定の測定レンジを拡大し、かつ単独波長で測定し
た位相の変化量を用いることで高精度測定に対応するこ
とができる。

【００７３】また、単独波長の位相を任意量変化させた
位相を用いることで異なる等価波長を２つ以上求め、適
切な計算を実行することで測定光路の空気揺らぎなどで
起こる単独波長の個数の計算間違いによる誤差を無くし
て、測定範囲の拡大と高精度化という相反する要求を同
時に満足することが可能となる。

【００７４】また、検出系を簡略化することができる。

【００７５】また、基本的な光学系を２波長光ヘテロダ
イン干渉計から変更することなく、位相測定の測定レン
ジを拡大し、高精度測定に対応することができる。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
位相測定の測定レンジを拡大し、且つ高精度測定に対応
することが可能となる。

【００７７】また、測定光路の空気揺らぎなどで起こる
単独波長の個数の計算間違いによる誤差を無くして、測
定範囲の拡大と高精度化という相反する要求を同時に満
足することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の高精度三次元形状測
定装置の構成を示す図である。

【図２】本発明の第２の実施形態の高精度三次元形状測
定装置の構成を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施形態の高精度三次元形状測
定装置の構成を示す図である。

【図４】単独位相と等価位相の関係を示す図である。

【図５Ａ】波長が揺らいだ時の位相、変位の関係図であ
る。

【図５Ｂ】位相接続、変位の関係図である。

【図６】従来例を示す図である。

【符号の説明】

１０１ レーザ光源λ１ １０２ レーザ光源λ２ Ｍ１ 参照ミラー １０３,１１１ 偏光ビームスプリッタ １０４ １／２波長板 １０５ａ ＡＯＭシフタ １０５ｂ ＡＯＭドライバ １０６ａ,１０６ｂ ビームスプリッタ １０７ａ,１０７ｂ 波長選択フィルタ １０８ａ,１０８ｂ,１０８ｃ,１０８ｄ 直線偏光子 １０９ａ,１０９ｂ,１０９ｃ,１０９ｄ 光検出器 １１０ ビームエクスパンダ １１２ａ,１１２ｂ １／４波長板 １１３ 対物レンズ １１４ 測定ワーク １１５ ステージ １１６ａ,１１６ｂ,１１６ｃ レンズ １１７ａ,１１７ｂ,１１７ｃ 位相計 １１８ Ａ／Ｄ変換器 １１９ ＰＣ １２０ Ｄ／Ａ変換器 １２１ 光ヘッド １２２ Ｚ軸ミラー １２３ Ｚ軸測長器 １２４ Ｘ軸ミラー １２５ Ｘ軸測長器 １２６ Ｚ軸モータ １２７ Ｘ軸モータ １２８ １／２波長板 １２９ａ,１２９ｂ 半導体レーザドライバ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つ以上の異なる波長の光を用いる多波
   長光ヘテロダイン干渉測定方法であって、 複数の異なる波長による測定から得られる位相を用いて
   等価的に長い波長で測定した時に得られる第１の等価位
   相を計算する第１の演算工程と、 前記複数の異なる波長の一つまたは複数の測定位相を任
   意量変化させた位相信号を求め、この位相を用いて異な
   る第２及び第３の等価位相を計算する第２の演算工程
   と、 前記第１乃至第３の等価位相を用いて位置情報の演算を
   行なう第３の演算工程とを具備することを特徴とする多
   波長光ヘテロダイン干渉測定方法。
2. 【請求項２】 ２つ以上の異なる波長の光を用いる多波
   長光ヘテロダイン干渉装置であって、 複数の異なる波長による測定から得られる位相を用いて
   等価的に長い波長で測定した時に得られる第１の等価位
   相を計算する第１の演算手段と、 前記複数の異なる波長の一つまたは複数の位相を波長板
   を用いることで任意量変化させた位相信号を求める第２
   の演算手段とを具備することを特徴とする多波長光ヘテ
   ロダイン干渉測定装置。
3. 【請求項３】 ２つ以上の異なる波長の光を用いる多波
   長光ヘテロダイン干渉装置であって、 複数の異なる波長による測定から得られる位相を用いて
   等価的に長い波長で測定した時に得られる第１の等価位
   相を計算する第１の演算手段と、 前記複数の異なる波長の一つまたは複数の位相を光源の
   波長をシフトすることで任意量変化させた位相信号を求
   める第２の演算手段とを具備することを特徴とする多波
   長光ヘテロダイン干渉測定装置。
4. 【請求項４】 ２つ以上の異なる波長の光を用いる多波
   長光ヘテロダイン干渉装置であって、 複数の異なる波長による測定から得られる位相を用いて
   等価的に長い波長で測定した時に得られる第１の等価位
   相を計算する第１の演算手段と、 前記複数の異なる波長の一つまたは複数の位相を位相シ
   フタ-を用いて電気的に任意量変化させた位相信号を求
   める第２の演算手段とを具備することを特徴とする多波
   長光ヘテロダイン干渉測定装置。