JP6501307B2

JP6501307B2 - ヘテロダイン干渉装置

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Publication number: JP6501307B2
Application number: JP2016050282A
Authority: JP
Inventors: 宏夫藤田; 義次服部
Original assignee: ツクモ工学株式会社
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2036-03-14
Also published as: JP2017166876A

Description

本発明は、ヘテロダイン干渉法を原理として、対象物の高さ形状をサブミクロンメートル領域で測定することができるヘテロダイン干渉装置に関する。

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る。

上記のホモダイン干渉法に対して、更なる高精度な測定ができる干渉計測法として、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既知である。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方向に分けられる。ＢＳ６１１を透過したレーザ光６１２は、高さ形状が測定される対象物６２に照射され、それが対象物６２で反射されて物体光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。符号６４は周波数シフター駆動信号部であり、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は参照光６１５となる。なお、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。

上述したように、ヘテロダイン干渉法では物体光６１３と参照光６１５の周波数を異なる値に設定している。ここで、レーザ光源６１から発せられるレーザ光の周波数、及び物体光６１３の周波数をｆ０とし、周波数が変換される参照光６１５の周波数をｆ１とする。そして、物体光６１３と参照光６１５をフォトダイオードなどで構成される光電変換部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程度であって、光領域の周波数が有する位相などの情報をビート周波数の領域の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の位相は対象物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、ビート信号６１６と同一の周波数の比較信号６１７を発する比較信号器６６を用いることが必要である。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、対象物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対象物６２の高さを算出する。但し、従来のヘテロダイン干渉法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。

このようなヘテロダイン干渉法を用いたヘテロダイン干渉装置の具体的な構成例について、図７（ａ）を参照しながら説明する。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として符号７５の受光器１で光電変換されて参照光信号７５２になる。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を介して対象物６２に照射されて反射し、更にビームスプリッター７２５で反射して、物体光７４として符号７６の受光器２で光電変換されて物体光信号７６２になる。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、同じ周波数であって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は対象物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対象物６２の高さ情報を算出する。

図７（ｂ）は、参照光信号７５２と物体光信号７６２の位相比較動作を説明するための図である。二つの信号の周波数は共にｆ１−ｆ２であり、何れも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は対象物６２の情報を含まないため、位相は一定である。物体光７４は対象物６２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。すなわち、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。ここで、位相φと高さの関係は、レーザ光の波長をλとした場合、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。従って、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となり、透過の場合で１．８ｎｍとなる。すなわち、ヘテロダイン干渉の場合は、ホモダイン干渉と比較して数１０倍以上の高感度で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。この点につき、図８（ａ）に示すＡＯＤ７２を駆動する信号系を参照しながらその動作を説明する。この構成では、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４０〜５０ＭＨｚ程度であり、ｆｍが２００ＫＨｚ程度である。従って、ビート信号の周波数は４００ＫＨｚ程度である。

図８（ｂ）は、高さ形状が測定される対象物６２に２ビーム光を照射した様子を示している。２ビーム光の強度分布は、符号８５０と符号８６０で示すように、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。すなわち、図７に示したヘテロダイン干渉装置は対象物に照射された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と言える。なお、本技術についての詳細な説明は、下記の非特許文献１に詳細に述べられている。

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本の光波を対象物に照射し、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、広がりをもつ対象物の場合、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、対象物を機械的に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。

更に、ビート信号に着目すると、ビート信号の周波数が４００ＫＨｚ程度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方法が考えられる。そのためには、ＣＣＤカメラの応答周波数帯である、５０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度のビート画像を得ることが必要になる。そのためには、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しなければならない。

このような問題点に対し、本願発明者らは、下記の特許文献１に示されているヘテロダイン干渉装置を提案している。図９は、特許文献１に開示した装置の構成を示している。符号９０はレーザ光源であって、周波数ｆ０のレーザ光９００を発する。レーザ光９００は、ヘテロダイン干渉光学系９１に含まれる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音響光学素子（１−ＡＯＤ）９１０に入射し、他方の光は第２音響光学素子（２−ＡＯＤ）９１２に入射する。二つの音響光学素子は音響光学素子駆動部９３で駆動され、それぞれ周波数が異なるビーム９０２と９０４に変換される。ビーム９０２はビームスプリッター９１４を通って高さ形状が測定される対象物９２に照射される。対象物９２で反射したレーザ光は同じビームスプリッター９１４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９４に入射する。２−ＡＯＤ９１２を通ったビーム９０４はミラー９１６で反射され、参照光として画像検出部９４に入射する。

ところで、物体光であるビーム９０２と参照光であるビーム９０４は互いに周波数が異なるため、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。従って、画像検出部９４では広がりを持ったビート画像を検出することができる。しかし、画像検出部９４としてＣＣＤカメラを用いる場合、通常のＡＯＤは５０ＭＨｚ程度の周波数で駆動していて、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ため、このままではＣＣＤカメラの応答周波数帯に適合するビート画像を検出することはできない。そのため特許文献１の装置では、ＡＯＤを２周波数成分の信号で駆動している。

ここで、図１０に示す音響光学素子駆動部９３の構成例を参照しながら、ＡＯＤを２周波数成分の信号で駆動する方法について説明する。ＤＣ電圧源９２０で発生させた電圧Ｖの直流電圧は、直流電圧を交流信号に変換する電圧制御発振器（ＶＣＯ）９２１に印加される。これにより、符号９２２で示す交流信号源で周波数ｆの交流信号が発生し、符号９２５で示す振幅変調回路１と符号９２６で示す振幅変調回路２にそれぞれ印加される。符号９３と９４は交流信号源であって、それぞれ周波数ｍとｎの交流信号を発生させ、周波数ｍの交流信号は振幅変調回路１に入力され、周波数ｎの交流信号は振幅変調回路２に入力される。そして振幅変調回路１は、周波数ｆの交流信号と周波数ｍの交流信号間で振幅変調を行って、周波数がｆ±ｍの２周波数成分を有する１−ＡＯＤ駆動信号９５２を作成し、１−ＡＯＤ９１０を駆動する。また振幅変調回路２は交流信号ｆとｎの間で振幅変調を行って、周波数がｆ±ｎの２周波数成分を有する２−ＡＯＤ駆動信号９６２を作成し、２−ＡＯＤ９１２を駆動する。

１−ＡＯＤ駆動信号９５２で駆動される１−ＡＯＤ９１０は、２本に分離した２ビーム光９７２と９７４を発生させる。また、２−ＡＯＤ駆動信号９６２で駆動される２−ＡＯＤ９１２は、２本に分離した２ビーム光９８２と９８４を発生させる。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９５２と９６２に応じて変調される。ここで、各ＡＯＤに入射するレーザ光の周波数をｆ０とする場合、２ビーム光を構成するビーム９７２の周波数はｆ０＋ｆ＋ｍ、ビーム９７４の周波数はｆ０＋ｆ−ｍである。そして２ビーム光９７２と９７４が干渉することで、周波数が２ｍとなるビート光波となる。同じく、２ビーム光を構成するビーム９８２の周波数はｆ０＋ｆ＋ｎ、ビーム９８４の周波数はｆ０＋ｆ−ｎである。また２ビーム光９８２と９８４が干渉することで、周波数が２ｎとなるビート光波となる。そして、物体光となる２ビーム光９７２と９７４と、参照光となる２ビーム光９８２と９８４が干渉すると、各々の周波数差である２（ｍ−ｎ）を周波数に持つビート画像が得られる。

ここで、例えば周波数ｆを５０ＭＨｚ、周波数ｍを１０５０Ｈｚ、周波数ｎを１０００Ｈｚ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ｆに５０Ｈｚの差を付けるのは困難であるが、低い周波数ｍ、ｎに５０Ｈｚの差を付けるのは容易である。このようにＡＯＤを２周波数成分の信号で駆動することによって、画像検出部９４は広がりを持ったビート画像を検出することができる。その後は、特許文献１で開示した如く、画像検出制御部９５、画像処理部９６、及び形状算出部９７の作用下で、対象物９２の高さ形状を算出することができる。

藤田宏夫著「光学」第２１巻第５号（１９９２）ｐ３２７〜ｐ３３２

特開２０１３−２５７３０２号公報

このように、特許文献１のヘテロダイン干渉装置によれば、周波数の低いビート画像を得ることができるため、面計測が可能となって計測時間が短くなるという効果を奏することができるが、更に低い周波数のビート画像を得ることができれば、より余裕をもって計測することができる。このため本発明では、得られるビート画像の更なる低周波数化を実現することを目的とする。

本発明は、レーザ光を発するレーザ光源と、前記レーザ光がそれぞれ入射され且つ音響光学素子駆動部から出力される相互に異なる周波数の信号で駆動される第１音響光学素子及び第２音響光学素子を有し、該第１音響光学素子から出射されるレーザ光を高さ形状を測定する対象物に照射することで該対象物にて反射或いは透過する物体光を得るとともに該第２音響光学素子から該物体光とは周波数が異なる参照光を得ることで、該物体光と該参照光の周波数の差の周波数を有するともに干渉光強度が時間的に正弦波状に変化して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該ビート画像を検出する画像検出部と、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該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、前記画像処理部で得られた位相から前記対象物の高さ形状を算出する形状算出部とを備えるヘテロダイン干渉装置であって、
前記音響光学素子駆動部は、キャリア信号と該キャリア信号の周波数よりも低い周波数となる第１変調信号との間で振幅変調された２周波成分を有する第１信号で前記第１音響光学素子を駆動することにより、該第１音響光学素子から２つのレーザ光を発生させ、また該キャリア信号と該キャリア信号の周波数よりも低く且つ第１変調信号の周波数とは異なる周波数となる第２変調信号との間で振幅変調された２周波成分を有する第２信号で前記第２音響光学素子を駆動することにより、該第２音響光学素子から２つのレーザ光を発生させるものであり、
前記ヘテロダイン干渉光学系は、前記第１音響光学素子から発生した２つのレーザ光の何れか一方と、前記第２音響光学素子から発生した２つのレーザ光の何れか一方との間で前記ビート画像を作成するヘテロダイン干渉装置である。

前記第２信号の周波数は、前記第１信号の周波数に対して１０Ｈｚ〜１００Ｈｚの差を有することが好ましい。

本発明によるヘテロダイン干渉装置によれば、特許文献１のヘテロダイン干渉装置で得られるビート画像に対し、周波数が１／２になるビート画像を得ることができる。このため、特許文献１のヘテロダイン干渉装置が持つ、測定時間が大幅に短縮されるという効果、レーザ光の強度変動などの影響を受け難いために計測精度が大幅に向上するという効果、及び、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できるので調整が簡略化できるという効果が、より確実なものになる。

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。ヘテロダイン干渉光学系の構成例を示す図である。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装置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。特許文献１における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。特許文献１における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。

以下、図面を参照しながら本発明に従うヘテロダイン干渉装置の一実施形態について説明する。図１は、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。図１において、レーザ光源１０は、周波数がｆ０になるレーザ光１００を発する。ヘテロダイン干渉光学系１１は、第１音響光学素子（１−ＡＯＤ）１１０、第２音響光学素子（２−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。レーザ光源１０出射されたレーザ光１００は、ヘテロダイン干渉光学系１１におけるビームスプリッターで２方向に分割され、一方のレーザ光は１−ＡＯＤ１１０に入射し、他方の光は２−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対象物１２に照射される。対象物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。なお、反射光だけでなく、対象物１２を透過した光を物体光とすることも可能である。２−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。

本実施形態のヘテロダイン干渉装置では、特許文献１のヘテロダイン干渉装置と同様に、ＡＯＤを２周波数成分の信号で駆動しているが、ＡＯＤから出射される２ビーム光のうち、１つのビームを選択することによって、特許文献１の装置よりも低い周波数のビート画像を得ることができる。この点につき、図２に示す音響光学素子駆動部１３の構成例を参照しながら説明する。

ＤＣ電圧源２０で発生させた電圧Ｖの直流電圧は、直流電圧を交流信号に変換する電圧制御発振器（ＶＣＯ）２１に印加される。これにより、符号２２で示す交流信号源から周波数ｆの交流信号（キャリア信号）が発生し、符号２５で示す振幅変調回路１と符号２６で示す振幅変調回路２にそれぞれ印加される。なお、キャリア信号はそれ自身でＡＯＤを駆動できるほどの周波数を有していて、周波数ｆは１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度である。符号２３は交流信号源であって、ここではキャリア信号の周波数ｆよりも低い周波数ｍの交流信号（第１変調信号）を発生させる。また符号２４で示す交流信号源からは、キャリア信号の周波数ｆよりも低く、且つ第１変調信号の周波数ｍとは異なる周波数ｎの交流信号（第２変調信号）を発生させる。なお、周波数ｍと周波数ｎは１０Ｈｚ〜１０ＫＨｚ程度である。また周波数ｍと周波数ｎとの差は１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度である。そして、周波数ｍの交流信号は振幅変調回路１に入力され、周波数ｎの交流信号は振幅変調回路２に入力される。振幅変調回路１は、周波数ｆの交流信号と周波数ｍの交流信号間で振幅変調を行って、周波数がｆ±ｍの２周波数成分を有する１−ＡＯＤ駆動信号（第１信号）２５２を作成し、１−ＡＯＤ１１０を駆動する。また振幅変調回路２は交流信号ｆとｎの間で振幅変調を行って、周波数がｆ±ｎの２周波数成分を有する２−ＡＯＤ駆動信号（第２信号）２６２を作成し、２−ＡＯＤ１１２を駆動する。

１−ＡＯＤ駆動信号２５２で駆動される１−ＡＯＤ１１０は、２本に分離した２ビーム光２７２と２７４を発生させる。また、２−ＡＯＤ駆動信号２６２で駆動される２−ＡＯＤ１１２は、２本に分離した２ビーム光２８２と２８４を発生させる。ここで、各ＡＯＤに入射するレーザ光の周波数をｆ０とする場合、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。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。ここで本実施形態では、２ビーム光２７２と２７４のうち、ビーム２７２のみを選択し、これを物体光として使用する。同様に、２ビーム光２８２と２８４のうち、ビーム２８２のみを選択し、これを参照光として使用する。そして、物体光となるビーム２７２と参照光となるビーム２８２が干渉すると、各々の周波数差であるｍ−ｎを周波数に持つビート画像が得られる。すなわち、特許文献１の装置ではビート画像の周波数が２（ｍ−ｎ）であったが、本実施形態ではｍ−ｎになるため、より低い周波数のビート画像が得られることになる。

物体光と参照光は広がりを持つため、これらが干渉したビート画像も広がりを有する。すなわち、画像検出部１４では広がりを持ったビート画像を検出することが可能であるため、対象物１２の高さ形状を面で計測することができる。

ところで物体光は、対象物１２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、ビート画像の強度は、時間的には正弦波状に変化するため、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。これは、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。このため、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し、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。本実施形態では、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ものとする。そして、画像検出部１４で検出された複数のビート画像を用いて、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対象物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。

ここで、複数のビート画像から位相を算出し、それを高さに変換する手順について図３を参照しながら説明する。図３（ａ）において符号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方法で算出する。

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。符号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。ここでは、ビート画像の強度信号３２の１周期の期間をＴとする場合、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）の実施形態では周期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、他の実施形態として、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。

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図４に示す。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。従って（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、対象物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を対象物の高さに変換する関係式を示す。式４は対象物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あり、λはレーザ光の波長、ｈは高さである。波長λが６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いる場合、位相が１度であれば、反射の時はλ／７２０になるので０．８８ｎｍである。透過の場合は同じくλ／３６０になるので１．７６ｎｍに相当する。

図５は、本発明に従う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音響光学素子（１−ＡＯＤ）１１０に入射して回折し、周波数シフト作用を受けて物体光として対象物５３に入射し、透過光が反射ミラーで反射する。一方、ＢＳ５２で反射したレーザ光は反射ミラー５５で反射され、第１音響光学素子（２−ＡＯＤ）１１２に入射して回折し、周波数シフト作用を受けて参照光となる。なお、物体光は対象物５３を透過した例で示したが、対象物５３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ともに、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。すなわち本発明では、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ことができる。更に本発明では、特許文献１のヘテロダイン干渉装置で得られるビート画像に対し、周波数が１／２になるビート画像を得ることができるため、ＣＣＤカメラでの検出をより余裕をもって行う事が可能である。

１０：レーザ光源
１１０：第１音響光学素子
１１２：第２音響光学素子
１２：対象物
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

レーザ光を発するレーザ光源と、前記レーザ光がそれぞれ入射され且つ音響光学素子駆動部から出力される相互に異なる周波数の信号で駆動される第１音響光学素子及び第２音響光学素子を有し、該第１音響光学素子から出射されるレーザ光を高さ形状を測定する対象物に照射することで該対象物にて反射或いは透過する物体光を得るとともに該第２音響光学素子から該物体光とは周波数が異なる参照光を得ることで、該物体光と該参照光の周波数の差の周波数を有するともに干渉光強度が時間的に正弦波状に変化して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該ビート画像を検出する画像検出部と、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該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、前記画像処理部で得られた位相から前記対象物の高さ形状を算出する形状算出部とを備えるヘテロダイン干渉装置であって、
前記音響光学素子駆動部は、キャリア信号と該キャリア信号の周波数よりも低い周波数となる第１変調信号との間で振幅変調された２周波成分を有する第１信号で前記第１音響光学素子を駆動することにより、該第１音響光学素子から２つのレーザ光を発生させ、また該キャリア信号と該キャリア信号の周波数よりも低く且つ第１変調信号の周波数とは異なる周波数となる第２変調信号との間で振幅変調された２周波成分を有する第２信号で前記第２音響光学素子を駆動することにより、該第２音響光学素子から２つのレーザ光を発生させるものであり、
前記ヘテロダイン干渉光学系は、前記第１音響光学素子から発生した２つのレーザ光の何れか一方と、前記第２音響光学素子から発生した２つのレーザ光の何れか一方との間で前記ビート画像を作成するヘテロダイン干渉装置。
前記第２信号の周波数は、前記第１信号の周波数に対して１０Ｈｚ〜１００Ｈｚの差を有する請求項１に記載のヘテロダイン干渉装置。