JP2013257302A - ヘテロダイン干渉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヘテロダイン干渉装置において、２次元干渉画像が通常のＣＣＤカメラで検出できるように、画像の信号周波数を１００Ｈｚ程度以下に設定すると共に、干渉画像強度から高精度な位相情報を検出すること。
【解決手段】 周波数の異なる２光波を作成するために２個の音響光学素子（ＡＯＤ）を用い、各ＡＯＤを互いの周波数が異なる２周波数成分を有する信号で駆動する。このとき、各ＡＯＤから２周波数成分の差の周波数を有する２ビーム光が重なってビートを発生する。２組のビート光波間の周波数差を１００Ｈｚ程度に設定すると、上記の２組のビート光波が干渉したビート画像の周波数は１００Ｈｚ程度となる。検出したビート画像に対して、ビート画像信号の１周期を３、あるいは４分割したタイミングに同期して３、あるいは４枚のビート画像を検出し、検出した画像強度を演算して位相情報を算出してサンプルの高さ情報を含む３次元形状を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明はヘテロダイン干渉法を原理として、サブミクロンメートル領域のサンプルの３次元高さ形状を測定するヘテロダイン干渉装置の構成に関する。

近年、生物や工業などの多くの分野で波長領域、あるいは波長以下の微細な高さ形状を測定するニーズが高まり、干渉計を用いた計測が多く行われている。通常用いられる干渉計は同じ光周波数を有する物体光と参照光の２つの光波を干渉させ、得られた干渉縞の強度分布から位相分布を算出している。この干渉縞は時間的には静止しており、静止画像を検出することになる。同じ周波数の光を干渉させる意味でホモダイン干渉法と称されるが、一般的には干渉縞の強度から位相を算出する場合の精度は波長の数１０分の１程度しかなく、数１０ナノメートル領域の高さ分布を測定することは困難であった。

上記のホモダイン干渉に対して、更なる高精度な測定ができる干渉計測、すなわち、周波数の異なる２つの光波を干渉させるヘテロダイン干渉法も良く知られている。図６に従来のヘテロダイン干渉法の原理構成図を示して動作を説明する。レーザ光源６１から出射したレーザ光はビームスプリッター（ＢＳ）６１１で２方向に分けられ、ＢＳ６１１を透過したレーザ光６１２は高さ形状が測定されるサンプル６２に照射される。サンプル６２で反射されたレーザ光は物体光６１３となる。ＢＳ６１１で反射された他方のレーザ光６１４は周波数シフター６３に入射し、レーザ光の周波数が変換される。６４は周波数シフター駆動信号部で、周波数シフター６３を駆動して、周波数のシフト量を設定する。周波数が変換されたレーザ光６１５は参照光となる。ここで、周波数シフター６３には音響光学素子が多く用いられており、周波数のシフト量は数１０ＭＨｚから数１００ＫＨｚが一般的である。

レーザ光源６１から発せられるレーザ光の周波数をｆ０とし、物体光６１３の周波数はｆ０、参照光６１５の周波数はｆ１とする。すなわち、ヘテロダイン干渉では物体光６１３と参照光６１５の周波数を異なる値に設定することが必要である。物体光６１３と参照光６１５をフォトダイオードなどから成る光電変換部６５に入射させると、干渉が生じて光電変換された信号が生じる。この信号がビート信号６１６で、周波数ｆ０とｆ１の差の周波数ｆ０−ｆ１を持つ。この差の周波数は、低い場合で数１００ＫＨｚの領域で、光領域の周波数が有する位相などの情報がビート周波数の領域の低周波数で検出することができる。このビート周波数は周波数シフター駆動信号部６４からの信号周波数に依存して決まる。

ビート信号６１６の位相はサンプル６２の高さに応じて変化するため、位相の検出が重要である。しかし、単独のビート信号だけからは位相が検出できない。そこで、比較信号器６６を用いることが必要で、ビート信号６１６と同一の周波数の比較信号６１７を発する。なお、比較信号６１７の位相は一定である。位相比較器６７はビート信号６１６と比較信号６１７の位相を比較し、サンプル６２の高さに応じて変化する物体光６１３の位相変化を検出する。形状算出部６８は検出された位相からサンプルの高さを算出する。このように従来のヘテロダイン干渉計ではビート周波数の周波数が数１００ＫＨｚ以上と高いため、画像としての計測ができず、二つの電気信号間の位相を検出する構成である。

図７（ａ）にヘテロダイン干渉装置の具体的な構成例を示す。レーザ光源７０を出たレーザ光７００は光学系７１に入射する。レーザ光７００の周波数はｆ０である。光学系７１はレーザ光の周波数を変換する周波数シフターとして音響光学素子（以下ＡＯＤと略記）７２を含む。ＡＯＤ７２はＡＯＤ制御回路７２０により駆動され、周波数が異なる２本に分離した２ビーム光を発生する。２ビーム光の各々の周波数はｆ１とｆ２である。２ビーム光はビームスプリッター７２５で２つの方向に分割され、ビームスプリッター７２５で反射した２ビーム光は参照光７３として７５の受光器１で光電変換されて参照信号７５２を発生する。ビームスプリッター７２５を透過した２ビーム光は対物レンズ７２７を介してサンプル６２に照射されて反射し、さらにビームスプリッター７２５で反射して物体光７４として７６の受光器２で光電変換されて物体光信号７６２を発生する。なお、物体光７４と参照光７３の各々は周波数の異なる２ビーム光である。

参照光信号７５２と物体光信号７６２は同じ周波数で２ビーム光の差の周波数ｆ１−ｆ２を有するビート信号である。参照光信号７５２の位相φｒは一定であるが、物体光信号７６２の位相φｓはサンプル６２の高さ形状に応じて変化する。位相差検出部７７は物体光信号７６２と参照光信号７５２の位相差φｓ−φｒを比較して位相φｓ検出する。データ処理部７８は検出された位相差からサンプルの高さ情報を算出する。

図７（ｂ）に参照光信号７５２と物体光信号７６２を示して位相比較動作を説明する。二つの信号の周波数は共にｆ１−ｆ２であり、いずれも２ビーム光が干渉して得られたビート信号である。参照光信号７５２はサンプル情報を含まないため、位相は一定である。物体光７４はサンプルの高さに応じて位相が変化するため、物体光信号７６２は位相が変化する。参照光信号７５２の位相を０に設定したとき、検出した位相差が物体光の位相に相当する。位相φと高さの関係は、レーザ光の波長をλとしたとき、位相の１度は反射光検出の場合はλ／７２０となり、透過光検出の場合はλ／３６０となる。波長が６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザの場合の位相の１度は反射の場合で０．８８ｎｍ、透過の場合で１．８ｎｍとなる。以上のことから、ヘテロダイン干渉の場合は従来のホモダイン干渉と比較して数１０倍以上の高感度な高さ形状が測定できることになる

図７に示した従来のヘテロダイン干渉装置はＡＯＤ７２から２ビーム光を発生させる構成である。図８（ａ）にＡＯＤ７２から２ビーム光を発生させる場合、ＡＯＤ７２を駆動する信号系を示して動作を説明する。発振周波数ｆａを発する発振器８２と、発振周波数ｆｍを発する発振器８３に対して振幅変調部８４で二つの信号間の振幅変調を行い、２周波数成分のｆａ±ｆｍを有する信号でＡＯＤ７２を駆動する。ＡＯＤ７２に入射したレーザ光７００は回折と周波数シフトを受けて、異なる方向に進行する２ビーム光８５と８６に分離する。この分離の大きさθｍは周波数ｆｍに比例し、回折される角度θａは周波数ｆａに比例する。また、２ビーム光８５と８６の間の周波数の差は２ｆｍで、その２つの光波が干渉したとき、周波数が２ｆｍのビート信号が得られる。通常のＡＯＤの駆動周波数はｆａが４０ＭＨｚ、ｆｍが２００ＫＨｚ程度である。したがって、ビート信号の周波数は４００ＫＨｚ程度である。

図８（ｂ）に３次元形状が測定されるサンプルに２ビーム光を照射した様子を示す。２ビーム光の強度分布は８５０と８６０に示すように、ピーク強度間の距離が各ビームスポット径程度に分離した状態で用いることが多い。このような状態はビート周波数が数１００ＫＨｚ程度の場合である。微小なスポット径に集光した２ビーム光８５０と８６０が照射された２点間にΔｈの高さの差があれば、２ビーム光の間に光路長の差が生じ、それがビート信号の位相の変化として検出される。したがって、図７に示したヘテロダイン干渉装置はサンプルに照射された２ビーム光の間の位相の変化を検出する差動型の構成であって、ポイント計測法である。本技術の詳細は本願発明者により、技術文献、「光学」第２１巻 第５号（１９９２）ｐｐ３２７〜 ｐｐ３３２に詳細に述べられている。

発明が解決しようとする課題

従来のヘテロダイン干渉装置は、周波数の異なる接近した２本の光波をサンプルに照射し、そのスポット光が照射された２点間の光路差を位相に変換して高さ形状を測定する差動型構成である。すなわち、ポイント計測である。そのため、広がりをもつサンプルの場合、２ビーム光を２次元面内で走査する必要がある。２次元走査するには走査を行わせる２次元走査光学系を付加する必要があり、そのために光学装置が複雑、大型化する問題点がある。また、サンプルを機械的に２次元移動させる場合は、測定時間が長くなるという問題点もある。

さらには、ビート信号に着目すると、ビート信号の周波数が２００ＫＨｚ程度以上ということも問題である。ヘテロダイン光学装置をポイント計測から面計測へと機能アップを計る場合、例えばＣＣＤカメラなどでビート画像を検出する必要がある。そのためには、ＣＣＤカメラの応答周波数帯、例えば５０Ｈｚ程度、のビート画像であることが必要になる。したがって、ＡＯＤから発せられるビート信号の周波数を現状の１０００分の１以下の低周波数に設定する必要がある。上記の諸課題を解決するため、本発明はビート信号の低周波数化、例えば１００Ｈｚ以下を実現し、通常のＣＣＤカメラなどを用いた面計測が可能なヘテロダイン干渉光学装置を実現することで、計測時間が短く、計測精度が高い高さ形状測定を実現することを目的とする。

課題を解決するための手段

上記の目的を達成するために、本発明のうちの請求項１に記載のヘテロダイン干渉装置は、レーザ光源から発せられるレーザ光を該レーザ光の周波数を変換する第１の音響光学素子と第２の音響光学素子に入射すると共に前記第１と第２の音響光学素子を音響光学素子駆動部から出力される異なる周波数の信号で駆動して、前記第１と第２の音響光学素子の各々から周波数が異なる物体光と参照光の二つの光波を作成し、第１の周波数を有する物体光は高さ形状が測定されるサンプルに照射して反射あるいは透過させ、第２の周波数を有する参照光と前記物体光を干渉させて前記物体光と参照光の周波数の差の周波数を有して干渉光強度が時間的に正弦波状に変化する２次元広がりを有するビート画像を作成するヘテロダイン干渉光学系と、前記ビート画像の周波数近傍の周波数帯域で応答して前記ビート画像を検出するカメラから成る画像検出部と、前記ビート画像の１周期の期間内の定められたタイミングに同期して前記ビート画像を複数枚検出するように画像検出動作を制御する画像検出制御部と、前記検出された複数枚の画像間の強度を演算して前記ビート画像の位相を算出する画像処理部と、該画像処理部で得られた位相から前記物体の高さ形状を算出する形状算出部とから構成される。

また、請求項２に記載の発明は請求項１に記載のヘテロダイン干渉装置に関わり、前記ヘテロダイン干渉光学系で作成される前記の物体光と参照光の光波の各々は共に周波数が異なる２つに分離して進行する２ビーム光から構成され、前記物体光と参照光の各々は前記２ビーム光を構成する各光波が実質的に重ね合わせられた状態で進行して前記２ビーム光の差の周波数を有するビート光波を発生する状態であり、前記物体光と参照光を干渉させて前記のビート画像を作成するように構成される。また、請求項３に記載の発明は請求項１に記載のヘテロダイン干渉装置に関わり、前記画像検出制御部は前記ビート画像の１周期を３、あるいは４分割したタイミングを設定し、該タイミングに応じて前記画像検出部で３、あるいは４枚のビート画像を検出するように構成される。

発明の効果

本発明によるヘテロダイン干渉装置は、市販されているレベルのＣＣＤカメラで２次元のビート画像を検出して高さ形状を含めた３次元形状を測定する装置である。従来のヘテロダイン干渉装置はビート画像信号の周波数が数１００ＫＨｚ程度以上であるため、面計測が不可能であった。そのため、広がりのあるサンプルを計測する場合、測定時間が長くなるという問題があったが、本発明で面計測が可能となり、測定時間が大幅に短縮されるという効果がある。さらには、検出されたビート画像に対して、時間的位相シフト法を採用して複数の画像の強度を演算して位相情報を算出するため、レーザ光の強度変動などの影響を受けなで正確な位相検出が可能で、３次元計測精度が大幅に向上するという効果もある。上記の低周波数のビート画像の作成に対しては、２個の音響光学素子を用い、２組のビート光波を作成し、ビート光波どうしを干渉させてビート画像を得る構成である。このビート画像の周波数は音響光学素子を駆動する信号の周波数で容易に変えることが可能なため、使用するＣＣＤカメラの応答速度に合わせて自在に設定することができ、調整が簡略できるという効果がある。

本発明によるヘテロダイン干渉装置は、微少なスポットに集光したレーザ光が照射されたポイント位置の計測を面の計測にまで拡大すると共に、その画像を通常のカメラ、例えばＣＣＤカメラ、で計測可能にする構成である。ヘテロダイン干渉には周波数の異なる二つの光波を干渉させる必要がある。周波数の異なる二つの光波を作成するために２個の音響光学素子（ＡＯＤ）を用いる。ＡＯＤは駆動周波数に応じてレーザ光の周波数をシフトさせる働きがあり、二つのＡＯＤを異なる周波数で駆動して、レーザ光源から放射されるレーザ光（周波数ｆ０）とは周波数が異なり、周波数ｆ１とｆ２を有する二光波を作成する。

周波数がｆ１の光はサンプルに照射し、サンプルで反射、あるいは透過した光を物体光とする。周波数がｆ２の光はサンプルには照射しないで参照光となし、物体光と参照光を干渉させる。物体光と参照光は周波数が異なるため、干渉することにより、差の周波数（ｆ１−ｆ２＝ｆ３）で強度が正弦的に変化するビート画像が得られる。このビート画像は２次元的な広がりを持っており、その全体をＣＣＤなどのカメラで検出する。現在市販されているＣＣＤカメラの周波数応答は１００Ｈｚ程度であるため、２次元のビート画像を検出するためには、ビート画像の周波数が１００Ｈｚ以下であることが必要である。１００Ｈｚ以下のビート周波数を得るためには、ＡＯＤの駆動周波数差を１００Ｈｚ以下にする必要があるが、通常のＡＯＤは５０ＭＨｚ程度の周波数で駆動しているため、５０ＭＨｚの周波数領域で１００Ｈｚほどの差を付けることは困難である。そのため、本発明ではＡＯＤを２周波数成分の信号で駆動する。

第１のＡＯＤ（ＡＯＤ１）をｆａ±ｆ１の２周波数成分の信号で駆動すると、ＡＯＤ１からは光周波数がｆ０＋ｆａ＋ｆ１とｆ０＋ｆａ−ｆ１の２ビーム光が得られる。第２のＡＯＤ（ＡＯＤ２）をｆａ±ｆ２の２周波数成分の信号で駆動すると、ＡＯＤ２からは光周波数がｆ０＋ｆａ＋ｆ２とｆ０＋ｆａ−ｆ２の２ビーム光が作成される。これらの２組の２ビーム光はわずかに分離しているが、実質的には重なり合って進行する。そのため、物体光としての２ビーム光と参照光としての２ビーム光は干渉してビート周波数が２ｆ１と２ｆ２のビート信号を発する。これらの２組のビート光波を干渉させたビート画像の周波数は２（ｆ１−ｆ２）である。

周波数ｆａを５０ＭＨｚとしたとき、周波数ｆ１を５ＫＨｚ、周波数ｆ２を５ＫＨｚ＋５０Ｈｚに設定すれば、ビート画像の周波数は１００Ｈｚとなる。高い周波数ｆａに５０Ｈｚの差を付けるのは困難であるが、低い周波数ｆ１、ｆ２に５０Ｈｚの差を付けるのは容易である。このような２周波数成分の信号でＡＯＤを駆動して２組のビート信号どうしを干渉させることで、各ビート信号の有する周波数領域よりも低い周波数（１００Ｈｚ以下）を有するビート画像に設定でき、２次元画像を検出するヘテロダイン干渉が実現できる。

ＣＣＤカメラで検出されたビート画像には物体の高さ（凹凸）情報が含まれている。すなわち、物体に照射された２ビーム光はサンプルの凹凸に応じて光路長が変化し、それが位相の変化となってビート画像の強度の変化として検出されるため、ビート画像の強度を解析することが重要である。ところが、１枚だけのビート画像の強度から位相を検出することができない。すなわち、時間的に正弦波状に変化するビート画像強度の振幅、バイアス強度が不定のため、どの位相で画像を検出したかを決定できないためである。そのため、ビート画像の１周期の特定のタイミングに同期して複数の画像を検出する。

正弦波信号の位相算出に位相シフト法が多く用いられている。時間的に静止した干渉縞の強度から位相を算出するとき、干渉縞を空間的に移動させ、各空間位置で検出した複数の画像強度から位相を算出するのが位相シフト法である。本発明においても、時間的に正弦波状に強度が変化するビート画像に対して、その１周期の期間の特定のタイミング毎に複数の画像を検出する。このとき、ビート画像の１周期を３、または４分割したタイミング、すなわち、π／４、あるいはπ／３のステップで画像を検出する。このとき、３あるいは４枚のビート画像を検出する。以上のビート画像の検出を時間的位相シフトと称する。

時間的位相シフトで検出した画像に対して、特定のアルゴリズムにしたがって画像解析を行う。ここで重要なことは、ビート画像強度の振幅、バイアス強度が未知であっても、複数の画像間で演算することで、未知であった振幅、バイアス強度がキャンセルされて正確な位相の値が決定できることである。位相が決定できれば、レーザ光の波長と位相の値からサンプルの高さ分布が検出できる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１に本発明によるヘテロダイン干渉装置の動作を説明する構成ブロック図を示す。１０はレーザ光源で周波数ｆ０のレーザ光１００を発する。１１はヘテロダイン干渉光学系で、第１の音響光学素子（第１のＡＯＤ）１１０、第２の音響光学素子（第２のＡＯＤ）１１２、及びビームスプリッターや多数のレンズなどから構成される。レーザ光１００はビームスプリッターで２方向に分割され、一方の光は第１のＡＯＤ１１０に入射し、他方の光は第２のＡＯＤ１１２に入射する。二つの音響光学素子は音響光学素子駆動部１３で駆動され、それぞれ周波数が異なるビーム１０２と１０４に変換される。ビーム１０２はビームスプリッター１１４を通って高さ形状が測定されるサンプル１２に照射される。サンプル１２で反射したレーザ光は同じビームスプリッター１１４で反射され、物体光としてＣＣＤカメラなどから成る画像検出部１４に入射する。反射光だけでなく、サンプル１２を透過した光でも同様である。第２のＡＯＤを通ったビーム１０４はミラー１１６で反射され、参照光として画像検出部１４に入射する。

画像検出部１４に入射する物体光と参照光の周波数は互いに異なるため、二つの光が干渉したときは、物体光と参照光の差の周波数のビート信号が得られる。また、物体光と参照光は広がりを持つため、干渉した光も広がりを有する。したがって、画像検出部１４は広がりを持ったビート画像を検出する。ビート画像は時間的には正弦波状に強度が変化するもので、画像検出制御部１５でビート画像の検出タイミングを決定する。すなわち、ビート画像の１周期をＮ分割したタイミングを決定する。通常はＮ＝３またはＮ＝４とするため、３枚あるいは４枚のビート画像を検出する。このときのタイミングを変化させて画像を検出する動作が時間的位相シフトである。

画像検出部１４で検出された複数のビート画像は画像処理部１６で画像強度の相互の演算を行う。この演算は一般に用いられる位相シフトによる画像演算で、画像強度に対応する位相を算出する。形状算出部１７は画像処理部１６で検出された位相データをサンプル１２の高さに変換するもので、画像全体の位相データから３次元形状を算出する。

図２に音響光学素子駆動部１３の構成例を示して、レーザ光の周波数変調動作を説明する。２０はＤＣ電圧源で、電圧Ｖの直流電圧を発生する。２１は電圧制御発振器（ＶＣＯ）で、直流電圧を交流信号に変換するもので、直流電圧Ｖが印加されたとき、周波数ｆの交流信号を発生する。例えば、Ｖ＝０．５ｖｏｌｔのとき、周波数４０ＭＨｚの交流信号を発生する。２２はＶＣＯ２１で発生した周波数ｆで、２５の振幅変調回路１と２６の振幅変調回路２にそれぞれ印加される。２３と２４は交流信号源で、それぞれ周波数ｍとｎの交流信号を発生し、周波数ｍは振幅変調回路１に入力され、周波数ｎは振幅変調回路２に入力される。振幅変調回路１は交流信号ｆとｍの間で振幅変調を行い、周波数がｆ±ｍの２周波数成分を有する第１のＡＯＤ駆動信号２５２を作成し、第１のＡＯＤ１１０を駆動する。振幅変調回路２は交流信号ｆとｎの間で振幅変調を行い、周波数がｆ±ｎの２周波数成分を有する第２のＡＯＤ駆動信号２６２を作成し、第２のＡＯＤ１１２を駆動する。

第１のＡＯＤ駆動信号２５２で駆動される第１のＡＯＤ１１０は２本に分離した２ビーム光２７２と２７４を発生する。第２のＡＯＤ駆動信号２６２で駆動される第２のＡＯＤ１１２は２本に分離した２ビーム光２８２と２８４を発生する。２組の２ビーム光の各々はＡＯＤ内を進行する超音波によりドップラーシフトを受けて光の周波数が変調される。この超音波はＡＯＤ駆動信号に応じて発生するため、光周波数は駆動信号２５２と２６２に応じて変調される。ＡＯＤに入射するレーザ光の周波数をｆ０としたとき、２ビーム光を構成するビーム２７２の周波数はｆ０＋ｆ＋ｍ、ビーム２７４の周波数はｆ０＋ｆ−ｍである。したがって、２ビーム光２７２と２７４の差周波数は２ｍである。同じく、２ビーム光を構成するビーム２８２の周波数はｆ０＋ｆ＋ｎ、ビーム２８４の周波数はｆ０＋ｆ−ｎである。したがって、２ビーム光２８２と２８４の差周波数は２ｎである。例えば、周波数ｍ、ｎを１０００Ｈｚと１０５０Ｈｚに設定したとき、２ｍ＝２０００Ｈｚ、２ｎ＝２１００Ｈｚである。

２組の２ビーム光の間の分離角度は周波数ｍ、ｎに比例するため、周波数ｍ、ｎが低いほど２ビームへの分離が小さくなる。通常のＡＯＤでは周波数が２００ＫＨｚ程度で３ｍｒａｄ程度の分離角度となるため、周波数が１ＫＨｚ程度では分離角度がマイクロｒａｄ程度で、実質的に重なった状態の１ビーム状態で進行する。周波数ｍ、ｎが１ＫＨｚ程度の場合、物体光となる２ビーム２７２、２７４と参照光となる２ビーム２８２、２８４の各々は２ＫＨｚ程度のビート周波数を発するため、物体光と参照光が干渉したとき、各々の周波数差の２（ｍ−ｎ）がビート画像の周波数である。周波数ｍ、ｎを１０００Ｈｚと１０５０Ｈｚに設定したとき、２（ｍ−ｎ）＝１００Ｈｚとなり、ＣＣＤカメラで検出できる程度に十分な低周波数のビート画像が得られる。

図３にビート画像の検出方法を示す。図３（ａ）３１はＣＣＤカメラで検出されたビート画像の画素位置（ｘ、ｙ）である。全画素の画像強度はサンプル各位置の凹凸量に応じて変動しており、全画素の強度を位相に変換して高さを算出する。点（ｘ、ｙ）の強度をＩ（ｘ、ｙ）とすれば、
Ｉ（ｘ、ｙ）＝Ｉｂ（ｘ、ｙ）＋Ｉａ・ｃｏｓ（φ（ｘ、ｙ））で表される。ここで、Ｉｂはバイアス強度、Ｉａは振幅、φは位相である。ビート画像の強度から位相を算出する場合、Ｉｂ及びＩａの値が未知であるため、一つの画像の強度値だけからは位相を算出することができない。そこで、複数のビート画像を検出して、ビート画像間の強度を演算することで位相を検出する必要がある。

図３（ｂ）にビート画像の点（ｘ、ｙ）における強度の時間に対する画像検出の方法を示す。３２はビート画像の点（ｘ、ｙ）における強度の時間的な変化を表し、正弦波状に強度が変化する様子を示す。ビート画像の強度信号３２の１周期の期間をＴとしたとき、Ｔを４分割したタイミングごとに画像を検出する。画像３３はｔ＝０での検出、画像３４はｔ＝Ｔ／４での検出、画像３５はｔ＝２Ｔ／４での検出、画像３６はｔ＝３Ｔ／４での検出である。検出した位置（ｘ、Ｙ）での画像強度をＩ０、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とする。図３（ｂ）の実施例では周期Ｔを４分割したタイミングで４枚のビート画像を検出する例を示したが、他の実施例として、周期Ｔを３分割したタイミングで３枚のビート画像を検出してもよい。この場合はｔ＝０、Ｔ／３、２Ｔ／３のタイミングでビート画像を検出する。

図４に検出したビート画像の強度Ｉ０、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３から位相を算出するときの演算例を示す。式１は点（ｘ、ｙ）における４枚のビート画像の強度で、位相φを求める。ビート画像信号の１周期を４分割したタイミングで画像検出を行っているため、位相のシフト量はπ／２のステップとなっている。式２はＩ０、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の４つの画像強度に対して、２組の強度の差の商を演算するもので、バイアス強度Ｉｂと振幅Ｉａの各々がキャンセルされることになる。したがって（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ０−Ｉ２）の演算により、ｔａｎ（φ）が求められ、式３により位相φが決定できる。以上は画像の点（ｘ、ｙ）での位相算出であるが、この演算を全画素に対して行えば、サンプルの凹凸に対応する位相分布が決定できる。

式４と式５に検出した位相φをサンプルの高さに変換する関係式を示す。式４はサンプルに照射したレーザ光が反射した場合、式５は同じく透過した場合の関係式で、λはレーザ光の波長、ｈは高さである。波長λが６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザの場合、反射の場合で位相の１度はλ／７２０で０．８８ｎｍである。透過の場合は同じくλ／３６０で、１．７６ｎｍに相当する。

図５にヘテロダイン干渉光学系の構成例を示す。レーザ光源１０から発せられたレーザ光１００はレンズ系５０によりビーム径を変換されてビームスプリッター（ＢＳ）５２に入射する。ＢＳ５２を透過したレーザ光は第１の音響光学素子（ＡＯＤ）に入射して回折、周波数シフト作用を受けて物体光としてサンプル５３に入射し、透過光が反射ミラーで反射する。ＢＳ５２で反射したレーザ光は反射ミラー５５で反射され、第２のＡＯＤ１１２に入射し、回折、周波数シフト作用を受けて参照光となる。なお、物体光はサンプル５３を透過した例で示したが、サンプルで反射した場合でも同様である。

物体光と参照光はＢＳ５６で重ね合わせられて干渉して低周波数のビート画像となる。ビート画像はレンズ５７でビーム形状を変換して画像を撮影するのに適した大きさになって、ＣＣＤカメラ５８で画像検出される。

以上の説明で明らかなごとく、本発明は通常のＣＣＤカメラで検出される低周波数領域の２次元ビート画像を作成すると共に、そのビート画像信号の１周期の特定のタイミングごとに画像を検出する構成である。すなわち、物体光と参照光の両方をビート信号としてそのビート信号間の差周波数のビート画像を作成することで低周波数化を実現し、従来の静的な干渉計測で用いられていた位相シフト法をヘテロダイン干渉計測に応用して高精度な位相検出を行う構成である。

本発明のヘテロダイン干渉装置の構成と動作を説明するブロック図である。 本発明の音響光学素子を駆動する音響光学素子駆動部の構成を表す図である。 （ａ）はＣＣＤカメラで画像を検出するときの観測点を示す図、（ｂ）はビート画像を検出するときのタイミングを説明する図である。 画像強度から位相を検出するときの式の説明である。 ヘテロダイン干渉計の構成を表す図である。 従来のヘテロダイン干渉法の原理を説明する図である。 （ａ）は従来の差動型ヘテロダイン干渉計の構成を説明する図、（ｂ）はビート信号の位相を検出する図である。 （ａ）は従来の音響光学素子から２ビーム光を作成するときの構成を示す図、（ｂ）は２ビーム光がサンプルに照射されたときの様子を示す図である。

１１０ 第１の音響光学素子
１１２ 第２の音響光学素子
１３ 音響光学素子駆動部
１４ 画像検出部
１５ 画像検出制御部
１６ 画像処理部
１７ 形状算出部

Claims (3)

1. レーザ光源から発せられるレーザ光を該レーザ光の周波数を変換する第１の音響光学素子と第２の音響光学素子に入射すると共に前記第１と第２の音響光学素子を音響光学素子駆動部から出力される異なる周波数の信号で駆動して、前記第１と第２の音響光学素子の各々から周波数が異なる物体光と参照光の二つの光波を作成し、第１の周波数を有する物体光は高さ形状が測定されるサンプルに照射して反射あるいは透過させ、第２の周波数を有する参照光と前記物体光を干渉させて前記物体光と参照光の周波数の差の周波数を有して干渉光強度が時間的に正弦波状に変化する２次元広がりを有するビート画像を作成するヘテロダイン干渉光学系と、前記ビート画像の周波数近傍の周波数帯域で応答して前記ビート画像を検出するカメラから成る画像検出部と、前記ビート画像の１周期の期間内の定められたタイミングに同期して前記ビート画像を複数枚検出するように画像検出動作を制御する画像検出制御部と、前記検出された複数枚の画像間の強度を演算して前記ビート画像の位相を算出する画像処理部と、該画像処理部で得られた位相から前記物体の高さ形状を算出する形状算出部とから構成されることを特徴とするヘテロダイン干渉装置。
2. 前記ヘテロダイン干渉光学系で作成される前記の物体光と参照光の光波の各々は共に周波数が異なる２つに分離して進行する２ビーム光から構成され、前記物体光と参照光の各々は前記２ビーム光を構成する各光波が実質的に重ね合わせられた状態で進行して前記２ビーム光の差の周波数を有するビート光波を発生する状態であり、前記物体光と参照光を干渉させて前記のビート画像を作成することを特徴とする請求項１に記載のヘテロダイン干渉装置。
3. 前記画像検出制御部は前記ビート画像の１周期を３、あるいは４分割したタイミングを設定し、該タイミングに応じて前記画像検出部で３、あるいは４枚のビート画像を検出することを特徴とする請求項１に記載のヘテロダイン干渉装置。

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