JPH0221203A - Phase difference detection device - Google Patents

Phase difference detection device

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JPH0221203A
JPH0221203A JP17115388A JP17115388A JPH0221203A JP H0221203 A JPH0221203 A JP H0221203A JP 17115388 A JP17115388 A JP 17115388A JP 17115388 A JP17115388 A JP 17115388A JP H0221203 A JPH0221203 A JP H0221203A
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JP
Japan
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phase difference
frequency
wave
acousto
measured
Prior art date
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Pending
Application number
JP17115388A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Bessho
別所 芳則
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Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain extremely stable beat frequency by interposing an acousto- optical modulation element to one of two optical paths and forming frequency difference between the laser beams of two optical paths. CONSTITUTION:The linear polarized laser beam of single frequency from a laser beam source is split into an S-wave and a P-wave, both of which have planes of polarization crossing each other at a right angle, by a polarized beam splitter 12. For example, the plane of polarization of laser beam is rotated by 45 deg. with respect to the incident surface of the splitter 12. The P-wave transmitted through the splitter 12 is condensed to an object 16 to be measured by the first lens 14 and the transmitted P-wave is brought to parallel beam by the second lens 18 and reflected by a mirror 24 to reach a polarized beam splitter 28 through the first acousto-optical modulation element 26. This modulation element 26 is equipped with a light pervious substrate 30 and the ultrasonic oscillator 32 provided to the end part thereof and transmitted beam is deflected by diffraction action according to the cyclical refractive index change corresponding to the surface elastic wave generated from the oscillator 32 to shift frequency.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、微小透明物体の厚み、形状などを検出するデ
ジタル式位相差顕微鏡などに用いられ得る位相差検出装
置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to a phase difference detection device that can be used in digital phase contrast microscopes and the like for detecting the thickness, shape, etc. of minute transparent objects.

従来の技術 ガラス板上の透明電極のような透明微小物体や、生きた
細胞や組織などのように、無色透明でただ屈折率や厚み
が周囲と異なるにすぎない部分が多くコントラストが極
めて弱い被測定物体の厚み、寸法、形状などを観測する
ために、位相差顕微鏡が開発されている。このような位
相差顕微鏡の一種に、レーザ光を出力するゼーマンレー
ザと、偏光ビームスプリフタにてレーザ光をS波および
P波に分割して一方を被測定物体中を通過させた後、再
び偏光ビームスプリフタによって合波する光学系と、こ
の合波光を検出することにより干渉ビート信号を出力す
るホトセンサと、その干渉ビート信号と基準ビート信号
との位相差を検出して、位相差を示すアナログ信号を出
力する位相計とを備え、被測定物体をレーザ光に対して
直交する方向へ相対移動させつつ逐次得られた位相差に
基づいて被測定物体の厚みや形状などを表示するものが
ある。
Conventional technology Transparent micro objects, such as transparent electrodes on a glass plate, and living cells and tissues, which are colorless and transparent but have many parts that have only a different refractive index or thickness than their surroundings, have extremely weak contrast. Phase contrast microscopes have been developed to observe the thickness, dimensions, shape, etc. of measurement objects. One type of phase contrast microscope is a Zeeman laser that outputs laser light, and a polarization beam splitter that splits the laser light into S waves and P waves, passes one through the object to be measured, and then splits the laser light into S waves and P waves. An optical system that combines the waves using a polarizing beam splitter, a photosensor that outputs an interference beat signal by detecting this combined light, and a phase difference between the interference beat signal and the reference beat signal that is detected and shown. It is equipped with a phase meter that outputs an analog signal, and displays the thickness and shape of the object to be measured based on the sequentially obtained phase differences while moving the object to be measured relative to the direction perpendicular to the laser beam. be.

発明が解決しようとする課題 このようなデジタル式位相差顕微鏡においては、高い安
定性能を備えたレーザ光源、たとえば高安定化ゼーマン
レーザが用いられるが、このような高安定化ゼーマンレ
ーザでも、−aに、それから出力されるレーザ光につい
て10−9程度の高い周波数安定度が得られるけれども
、それから出力される直交2周波のレーザ光のビート周
波数については10−3程度の低い周波数安定度しか得
られない。このため、被測定物体の通過による位相差を
高い精度にて測定することができず、被測定物体の厚み
や形状などを充分な精度で検出することが出来ない場合
があった。
Problems to be Solved by the Invention In such a digital phase contrast microscope, a laser light source with high stability performance, such as a highly stabilized Zeeman laser, is used, but even with such a highly stabilized Zeeman laser, -a Although a high frequency stability of about 10-9 can be obtained for the laser beam outputted from it, a low frequency stability of about 10-3 can be obtained for the beat frequency of the orthogonal two-frequency laser beam outputted from it. do not have. For this reason, the phase difference caused by the passage of the object to be measured cannot be measured with high accuracy, and the thickness, shape, etc. of the object to be measured cannot be detected with sufficient accuracy in some cases.

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、
その目的とするところは、たとえば位相差顕微鏡におい
て、被測定物体の通過による位相差、およびこの位相差
に基づいて得られる被測定物体の厚みや形状などを充分
な精度で検出することを可能とするために、被測定物体
の通過による位相差を高精度にて検出できる位相差検出
装置を提供することにある。
The present invention has been made against the background of the above circumstances,
The purpose of this is to enable, for example, a phase contrast microscope to detect the phase difference caused by the passage of an object to be measured, and the thickness and shape of the object to be measured based on this phase difference with sufficient accuracy. In order to achieve this, it is an object of the present invention to provide a phase difference detection device capable of detecting a phase difference caused by passage of an object to be measured with high accuracy.

課題を解決するための手段 斯る目的を達成するため、本発明の要旨とするところは
、被測定物体を透過した光が受ける位相差を高精度に検
出する位相差検出装置であって、(a)レーザ光を出力
するレーザ光源と、(b)前記レーザ光を2つの光路に
分離し、一方の光路のレーザ光を前記被測定物体に通過
させた後、その2つの光路のレーザ光を合波する光学装
置と、(C1前記2つの光路のレーザ光間に周波数差を
形成するためにそれら光路の少なくとも一方に設けられ
、通過するレーザ光の周波数を変化させる音響光学変調
素子と、(d)前記光学装置により合波されたレーザ光
を受光し、前記2つの光路のレーザ光間に形成される周
波数差と同様の周波数を基本的に備え且つ前記被測定物
体による位相差情報を含む位相差ビート信号を出力する
ホトセンサと、(e)前記音響光学変調素子により形成
される周波数差を有する基準ビート信号と前記位相差ビ
ート信号とに基づいて、前記被測定物体により与えられ
た位相差を計数するデジタル式位相差検出回路とを、含
むことにある。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the gist of the present invention is to provide a phase difference detection device that detects with high precision the phase difference received by light transmitted through an object to be measured. a) a laser light source that outputs a laser beam; (b) the laser beam is separated into two optical paths, the laser beam of one optical path is passed through the object to be measured, and then the laser beam of the two optical paths is an optical device for multiplexing; (C1 an acousto-optic modulator that is provided in at least one of the two optical paths to create a frequency difference between the laser beams in the two optical paths and changes the frequency of the laser beam that passes therethrough; d) Receives the laser beam multiplexed by the optical device, has basically the same frequency as the frequency difference formed between the laser beams of the two optical paths, and includes phase difference information due to the object to be measured. (e) a photo sensor that outputs a phase difference beat signal; and (e) a phase difference given by the object to be measured based on the reference beat signal having a frequency difference formed by the acousto-optic modulator and the phase difference beat signal. and a digital phase difference detection circuit for counting.

作用および発明の効果 このようにすれば、前記2つの光路の少なくとも一方に
介在させられた音響光学変調素子により、2つの光路の
レーザ光間に周波数差が形成されるので、極めて安定し
たビート周波数が得られる。
Operation and Effect of the Invention In this way, the acousto-optic modulation element interposed in at least one of the two optical paths creates a frequency difference between the laser beams in the two optical paths, so that an extremely stable beat frequency can be achieved. is obtained.

すなわち、音響光学変調素子には、水晶のような超音波
発振子からの表面弾性波が伝播される基板が設けられて
おり、その超音波発振子は、結晶振動子を備えた発振回
路からの安定した周波数の駆動信号により励振されるよ
うになっているため、このように構成された音響光学変
調素子を透過したレーザ光には、極めて安定した周波数
シフトが付与されるのである。したがって、ビート周波
数の安定度が低いレーザ光源を用いる従来の場合に比較
して、高い精度にて位相差が測定され得て、被測定物体
の厚みや形状などを充分な精度で検出することが出来る
のである。
In other words, the acousto-optic modulator is provided with a substrate on which surface acoustic waves from an ultrasonic oscillator such as a crystal are propagated, and the ultrasonic oscillator receives signals from an oscillation circuit equipped with a crystal oscillator. Since the laser beam is excited by a drive signal with a stable frequency, an extremely stable frequency shift is imparted to the laser beam that has passed through the acousto-optic modulation element configured in this manner. Therefore, compared to the conventional case using a laser light source with low beat frequency stability, the phase difference can be measured with high accuracy, and the thickness and shape of the object to be measured can be detected with sufficient accuracy. It can be done.

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、以下の説明において、各光学素子は、図示し
ない機枠に固定されて、相対位置が変化しないように設
けられている。
EXAMPLE Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail based on the drawings. In the following description, each optical element is fixed to a machine frame (not shown) so that its relative position does not change.

第1図において、レーザ光源10からは、単一周波数の
直線偏光であるレーザ光が出力されるようになっており
、偏光ビームスプリッタ12により、偏波面が互いに直
交するS波(S偏光成分)とP波(P偏光成分)とに分
割される。上記レーザ光の偏向面の偏光ビームスプリッ
タ12に対する相対回転位置はこのように設定されてい
る。たとえば、上記レーザ光の偏向面は偏光ビームスプ
リッタ12の入射面に対して45°回転させられている
のである。偏光ビームスプリッタ12を透過させられた
P波は、第2レンズ18により被測定物体16に集光さ
せられるとともに、この被測定物体16を透過したP波
は第2レンズ18により平行光線に変換される。上記第
ルンズ14および第2レンズ18は、被測定物体16か
ら焦点距離だけ離れてそれぞれ位置させられているので
ある。また、被測定物体16は、X−Y駆動装置20に
よって位置決めされるX−Yテーブル22上に載置され
ており、被測定物体16に対するP波の透過点が走査さ
れるようになっている。
In FIG. 1, a laser light source 10 outputs laser light that is linearly polarized light with a single frequency, and a polarization beam splitter 12 generates S waves (S polarized light components) whose polarization planes are orthogonal to each other. and P waves (P polarized light components). The relative rotational position of the deflection plane of the laser beam with respect to the polarizing beam splitter 12 is set in this manner. For example, the plane of deflection of the laser beam is rotated by 45 degrees with respect to the plane of incidence of the polarizing beam splitter 12. The P waves transmitted through the polarizing beam splitter 12 are focused on the object to be measured 16 by the second lens 18, and the P waves transmitted through the object to be measured 16 are converted into parallel light beams by the second lens 18. Ru. The first lens 14 and the second lens 18 are each positioned apart from the object to be measured 16 by the focal length. The object to be measured 16 is placed on an X-Y table 22 that is positioned by an X-Y drive device 20, so that the point at which the P wave passes through the object to be measured 16 is scanned. .

上記のように被測定物体16を透過したP波は、ミラー
24によって反射された後、第1音響光学変調素子26
を通過させられて、偏光ビームスプリッタ28に到達す
る。第1音響光学変調素子26は、所謂AOMとして知
られているものであり、高い音響光学効果を有する透光
性の基板30と、この基板30の端部に設けられた超音
波発振子32とを備え、超音波発振子32から発生させ
られる表面弾性波に対応した周期的な屈折率変化に従う
回折作用により、透過光を偏向させるとともに周波数を
シフトさせる。上記超音波発振子32には、固有の振動
周波数f1を有する水晶振動子34を備えたよく知られ
た発振駆動回路36の出力信号が供給される。
The P wave transmitted through the object to be measured 16 as described above is reflected by the mirror 24 and then transmitted to the first acousto-optic modulation element 26.
and reaches the polarizing beam splitter 28. The first acousto-optic modulator 26 is known as a so-called AOM, and includes a transparent substrate 30 having a high acousto-optic effect, and an ultrasonic oscillator 32 provided at the end of this substrate 30. , the transmitted light is deflected and its frequency is shifted by a diffraction effect according to a periodic change in refractive index corresponding to a surface acoustic wave generated from the ultrasonic oscillator 32. The ultrasonic oscillator 32 is supplied with an output signal from a well-known oscillation drive circuit 36 including a crystal oscillator 34 having a unique oscillation frequency f1.

前記偏光ビームスプリンタ12により反射されたS波は
、ミラー38により反射された後、第2音響光学変調素
子40を透過させられて、偏光ビームスブリフタ28に
到達する。第2音響光学変調素子40も、高い音響光学
効果を有する透光性の基板42と、この基板42の端部
に設けられた超音波発振子44とを備え、超音波発振子
44から発生させられる表面弾性波に対応した周期的な
屈折率変化に従う回折作用により、透過光を偏向させる
とともに周波数をシフトさせる。上記超音波発振子44
には、固有の振動周波数f2を有する水晶振動子46を
備えたよく知られた発振駆動回路48の出力信号が供給
される。
The S wave reflected by the polarization beam splinter 12 is reflected by the mirror 38 and then transmitted through the second acousto-optic modulation element 40 to reach the polarization beam splitter 28 . The second acousto-optic modulator 40 also includes a transparent substrate 42 having a high acousto-optic effect and an ultrasonic oscillator 44 provided at the end of this substrate 42. Due to the diffraction effect that follows periodic changes in the refractive index corresponding to the surface acoustic waves generated, the transmitted light is deflected and its frequency is shifted. The ultrasonic oscillator 44
is supplied with the output signal of a well-known oscillation drive circuit 48 comprising a crystal oscillator 46 having a natural oscillation frequency f2.

第1音響光学変調素子26および第2音響光学変調素子
40においては、よく知られているように、上記表面弾
性波の角周波数をΩとし、回折光の次数をmとすると、
周波数mΩだけがシフトさせられる。たとえば、1次回
折光の場合には周波数Ωだけシフトさせられるのである
。これにより、第1音響光学変調素子26を通過したP
波、および第2音響光学変調素子40を通過したS波に
は、水晶振動子34および46の作動に基づいた極めて
高い安定度、たとえば周波数安定度が10−8程度の正
確な周波数f、およびf2のシフトがそれぞれ施される
のである。なお、第1図の第1音響光学変調素子26お
よび第2音響光学変調素子40においては、0次回折光
がそれぞれ偏光ビームスプリンタ28へ到達するように
見えるが、第1音響光学変調素子26および第2音響光
学変調素子40を通過した1次回折光が偏向ビームスプ
リンタ28へ到達するようになっている。
In the first acousto-optic modulator 26 and the second acousto-optic modulator 40, as is well known, when the angular frequency of the surface acoustic wave is Ω and the order of the diffracted light is m,
Only the frequency mΩ is shifted. For example, in the case of first-order diffracted light, the frequency is shifted by Ω. As a result, P that has passed through the first acousto-optic modulator 26
wave, and the S wave that has passed through the second acousto-optic modulation element 40, has an extremely high stability based on the operation of the crystal oscillators 34 and 46, for example, an accurate frequency f with a frequency stability of about 10-8, and A shift of f2 is applied to each. Note that in the first acousto-optic modulation element 26 and the second acousto-optic modulation element 40 in FIG. The first-order diffracted light that has passed through the second acousto-optic modulator 40 reaches the deflection beam splinter 28.

偏光ビームスプリフタ28は上記P波およびS波を合波
するものである。このようにして合波された位相差ビー
ト光は、上記P波およびS波の偏波面に対してそれぞれ
45°傾斜させられた検光子50を通してホトセンサ5
2により検出され、位相差ビート信号fカが出力される
。上記偏光ビームスプリッタ12.28、およびミラー
24゜38は、所謂マンハツエンダー干渉計を構成し、
レーザ光を2つの光路に分離し、τ方の光路のレーザ光
を前記被測定物体に通過させた後、その2つの光路のレ
ーザ光を合波する光学装置56を構成している。なお、
検光子50は、ホトセンサ52により検出されるP波成
分とS波成分との割合を調節するためのものである。上
記位相差ビート光の強度i、は、次式(1)のように表
され得、基本ビート周波数(rt   fz)を有する
とともに、被測定物体16から付与される位相差情仰を
含んでいる。同様に、位相差ビート信号fDも(1)式
により表され得る。たとえば上記周波数f1およびf2
には8QM)Izおよび79MHzがそれぞれ選択され
、このような場合には、上記基本ビート周波数(f+ 
  rt)はIMHzとなる。
The polarizing beam splitter 28 combines the P wave and the S wave. The thus combined phase difference beat light passes through an analyzer 50 tilted at 45 degrees with respect to the polarization planes of the P wave and S wave, respectively, and passes through a photo sensor 5.
2, and a phase difference beat signal f is output. The polarizing beam splitter 12.28 and the mirror 24.38 constitute a so-called Mannhat-Zender interferometer.
An optical device 56 is configured that separates the laser beam into two optical paths, passes the laser beam on the optical path in the τ direction through the object to be measured, and then combines the laser beams on the two optical paths. In addition,
The analyzer 50 is for adjusting the ratio of the P wave component and the S wave component detected by the photosensor 52. The intensity i of the phase difference beat light can be expressed as in the following equation (1), and has a fundamental beat frequency (rt fz) and also includes a phase difference effect imparted from the object to be measured 16. . Similarly, the phase difference beat signal fD can also be expressed by equation (1). For example, the frequencies f1 and f2
8QM)Iz and 79MHz are selected respectively, and in such a case, the above fundamental beat frequency (f+
rt) is IMHz.

1、、= ’l + 2cos (2π(rt−rg)
+Δl・ 2π/λ+Φ、ty) 但し、ΔlはP波の光路とS波の光路との光路差(一定
)、λはレーザ光の波長、Φ8.は被測定物体16の(
x、y)座標点における位相差である。
1,, = 'l + 2cos (2π(rt-rg)
+Δl・2π/λ+Φ, ty) However, Δl is the optical path difference (constant) between the optical path of the P wave and the optical path of the S wave, λ is the wavelength of the laser beam, and Φ8. is the ( of the object to be measured 16)
x, y) is the phase difference at the coordinate point.

また、周波数f、である発振駆動回路36の出力信号お
よび周波数f!である発振駆動回路48の出力信号は、
それぞれ信号合成回路54へ供給されており、ビート周
波数(ft   f2)を有する基準ビート信号f、が
信号合成回路54から出力される。この基準ビート信号
r、は、(2)式により表され得る。
Furthermore, the output signal of the oscillation drive circuit 36 having the frequency f, and the frequency f! The output signal of the oscillation drive circuit 48 is
A reference beat signal f having a beat frequency (ft f2) is output from the signal synthesis circuit 54. This reference beat signal r can be expressed by equation (2).

f 5=co!  (2π(ft  fz)  )  
 ・・・(21上記(1)式および(2)式から明らか
なように、P波の光路とS波の光路との光路差Δlは一
定であるから、基本的には、(11式から(2)式を差
し引くと、すなわち位相差ビート信号fDから基・準ビ
ート信号f、を差し引くと、被測定物体16の(x、y
)座標点における位相差ΦX、が算出される。なお、位
相差Φ8.は、被測定物体16の密度をn、厚さをhと
すると、次式(3)により表され得る。
f5=co! (2π(ft fz) )
...(21) As is clear from equations (1) and (2) above, the optical path difference Δl between the optical path of the P wave and the optical path of the S wave is constant, so basically, from equation (11) When formula (2) is subtracted, that is, when the reference/standard beat signal f is subtracted from the phase difference beat signal fD, the (x, y
) The phase difference ΦX at the coordinate point is calculated. Note that the phase difference Φ8. can be expressed by the following equation (3), where n is the density and h is the thickness of the object to be measured 16.

Φ□=n −h・2π/λ  ・ ・ ・(3)第2図
は、位相差Φ8.を算出するためのデジタル回路を示し
ている。図において、位相差ビート信号fDおよび基準
ビート信号f8は、増幅・波形整形器60および62に
より増幅され且つ矩形波に整形された後、第1カウンタ
64および第2カウンタ66へ供給される。これらカウ
ンタ64および66は、たとえばリングカウンタのよう
に構成されることにより、矩形波とされた位相差ビート
信号fDおよび基準ビート信号f、をそれぞれ計数する
ものであり、図示しないタイミング制御信号に従って計
数内容を第1ラツチ68および第2ラツチ70へ出力す
る。ラッチ68および70は、前記タイミング制御信号
に同期した信号に応答してカウンタ64および66から
供給された計数内容を新たに記憶するとともに減算器7
2へ記憶内容を供給する。減算器72は、ラッチ68お
よび70から供給された計数内容の差を算出して第3ラ
ツチ74へ供給する。第3ラツチ74は前記タイミング
制御信号に同期した信号に従って減算器72から供給さ
れた計数内容の差を新たに記憶するとともにデータバス
ライン76へ記憶内容を出力する。この第3ラツチ74
からは、位相差ビート信号f、と基準ビート信号fll
との位相差を2πの倍数(整数)にて表した信号が出力
される。すなわち、位相差ビート信号rDと基準ビート
信号r、との位相差φ8.が次式(4)で表されるもの
とすると、N xyを表す信号が第3ラツチ74から出
力されるのである。
Φ□=n −h・2π/λ ・ ・ ・ (3) Figure 2 shows the phase difference Φ8. This shows a digital circuit for calculating . In the figure, the phase difference beat signal fD and the reference beat signal f8 are amplified and shaped into rectangular waves by amplifiers and waveform shapers 60 and 62, and then supplied to a first counter 64 and a second counter 66. These counters 64 and 66 are configured, for example, as ring counters to count the phase difference beat signal fD and the reference beat signal f, which are made into rectangular waves, respectively, and count according to a timing control signal (not shown). The contents are output to the first latch 68 and the second latch 70. The latches 68 and 70 newly store the count contents supplied from the counters 64 and 66 in response to a signal synchronized with the timing control signal, and the subtracter 7
The memory contents are supplied to 2. Subtractor 72 calculates the difference between the counts supplied from latches 68 and 70 and supplies it to third latch 74. The third latch 74 newly stores the difference between the count contents supplied from the subtracter 72 in accordance with a signal synchronized with the timing control signal, and outputs the stored contents to the data bus line 76. This third latch 74
, a phase difference beat signal f, and a reference beat signal fll are obtained.
A signal representing the phase difference with respect to the signal as a multiple (integer) of 2π is output. That is, the phase difference between the phase difference beat signal rD and the reference beat signal r is φ8. is expressed by the following equation (4), a signal representing Nxy is output from the third latch 74.

Φ、、=<2π・NXy+φmV)   ・ ・ ・(
4)また、位相差ビート信号f、および基準ビート信号
f、は、他の増幅・波形整形器78および80により増
幅され且つ矩形波に整形された後、アンドゲート82へ
供給されている。これによりアンドゲート82は、上記
位相差ビート信号fDおよび基準ビート信号f、の位相
差のうち、2πよりも小さい位相差に対応した時間だけ
開かれる。
Φ,,=<2π・NXy+φmV) ・ ・ ・(
4) Furthermore, the phase difference beat signal f and the reference beat signal f are amplified and shaped into rectangular waves by other amplification/waveform shapers 78 and 80, and then supplied to the AND gate 82. As a result, the AND gate 82 is opened for a time corresponding to a phase difference smaller than 2π among the phase differences between the phase difference beat signal fD and the reference beat signal f.

クロック信号発生器84は、水晶振動子86の固有振動
に基づいて予め定められた正確な周波数のクロック信号
SKを発生し、第3カウンタ88へ供給する。このため
、第3カウンタ88には、2πよりも小さい位相差に対
応した数のクロック信号SKが計数される。第3カウン
タ88は、前記タイミング制御信号に従って計数内容を
第4ラツチ90へ出力すると同時に、次の計数に備えて
クリアされる。第4ラツチ90は、上記タイミング制御
信号に同期した信号に応答して入力信号を新たに記憶す
るとともに記憶内容をデータバスライン76へ供給する
。位相差ビート信号f、と基準ビート信号f、との位相
差Φ8.のうち、2πよりも小さい部分、すなわち式(
4)のφ8.を表す信号が第3ラツチ74から出力され
るのである。位相差を2πの倍数N Xyにて表す信号
、および位相差φUを表す信号が出力される上記回路が
デジタル式位相差検出回路91を構成している。
The clock signal generator 84 generates a clock signal SK of a predetermined accurate frequency based on the natural vibration of the crystal oscillator 86 and supplies it to the third counter 88 . Therefore, the third counter 88 counts the number of clock signals SK corresponding to the phase difference smaller than 2π. The third counter 88 outputs the count to the fourth latch 90 in accordance with the timing control signal, and at the same time is cleared in preparation for the next count. A fourth latch 90 responds to a signal synchronized with the timing control signal to newly store the input signal and supply the stored contents to the data bus line 76. The phase difference between the beat signal f and the reference beat signal f is Φ8. The part smaller than 2π, that is, the formula (
4) φ8. The third latch 74 outputs a signal representing . The above-mentioned circuit, which outputs a signal representing the phase difference as a multiple of 2π NXy and a signal representing the phase difference φU, constitutes the digital phase difference detection circuit 91.

CPU92は、予めメモリ (ROM、、RAMなど)
94に記憶されたプログラムに従って入力信号を処理し
つつ、モータ駆動回路98を介して駆動電力をx−y駆
動装置20へ供給し、x−yテーブル22をXまたはY
方向へ所定の速度で移動させる。これにより、CPU9
2は、前記単位時間毎に位相差Φxyを算出して記憶す
るとともに、表示器96上に表示する。第3図は、被測
定物体16がガラス板上の透明電極である場合の表示例
を示している。第3図の縦軸の位相差は厚み寸法に対応
し、横軸の時間は送り距離(走査距離)に対応するので
、図に示された曲線から、透明電極の厚み寸法t、幅寸
法W、断面プロファイル、電極間距離dなどが測定され
得る。
The CPU 92 has memory (ROM, RAM, etc.)
While processing the input signal according to a program stored in
direction at a predetermined speed. As a result, CPU9
2 calculates and stores the phase difference Φxy for each unit time, and displays it on the display 96. FIG. 3 shows an example of a display when the object to be measured 16 is a transparent electrode on a glass plate. The phase difference on the vertical axis in Figure 3 corresponds to the thickness dimension, and the time on the horizontal axis corresponds to the feeding distance (scanning distance). , cross-sectional profile, inter-electrode distance d, etc. can be measured.

上述のように、本実施例によれば、第1音響光学変調素
子26および第2音響光学変調素子40による周波数シ
フトは、水晶振動子34および46による10−’程度
の高い周波数安定度に基づいて発振駆動回路36.48
から発生する駆動信号にて行われ、それら第1音響光学
変調素子26および第2音響光学変調素子40がS波お
よびP波の光路に介挿されることにより、基準ビート信
号のビート周波数(r+−rz)および位相差ビート信
号の基本的なビート周波数(fl−f2)が決定される
ので、極めて高い精度にて位相差の測定が行われ得る。
As described above, according to this embodiment, the frequency shift by the first acousto-optic modulator 26 and the second acousto-optic modulator 40 is based on the high frequency stability of about 10-' by the crystal oscillators 34 and 46. Oscillation drive circuit 36.48
The beat frequency (r+- rz) and the fundamental beat frequency (fl-f2) of the phase difference beat signal, the phase difference can be measured with extremely high accuracy.

したがって、被測定物体160寸法や形状を充分な精度
にて測定することができる。
Therefore, the dimensions and shape of the object to be measured 160 can be measured with sufficient accuracy.

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説
明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号
を付して説明を省略する。
Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following description, parts common to those in the above-described embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

第4図においては、第1音響光学変調素子26および第
2音響光学変調素子40が、S波の光路に介挿されてい
る。レーザ光(S波)の周波数をroとすると、上記の
第1音響光学変調素子26および第2音響光学変調素子
40を通過したS波の周波数はfo−11,−f2とな
る。第5図は、この作用を詳しく示す図である。図にお
いて、第1音響変調素子26を透過した光のうちO次回
折光は遮光板100により阻止され、1次回折光だけが
第2音響変調素子40へ到達する。この1次回折光はf
lのシフトを受け、その周波数はf0+r、となる。続
いて、第2音響変調素子40を透過した光のうちO次回
折光は遮光板102により阻止され、−1次回折光だけ
が偏光ビームスプリッタ28へ到達する。この−1次回
折光は−f2のシフトをさらに受け、結局その周波数は
f0+f、−f2となるのである。一方、P波の周波数
は[。であるから、ホトセンサ52から出力される位相
差ビート信号f、の基本周波数は、前述の実施例と同様
に(fl  fz)となる。したがって、前述の実施例
と同様の作用効果が得られるのである。
In FIG. 4, a first acousto-optic modulator 26 and a second acousto-optic modulator 40 are inserted in the optical path of the S wave. When the frequency of the laser beam (S wave) is ro, the frequencies of the S wave that have passed through the first acousto-optic modulator 26 and the second acousto-optic modulator 40 are fo-11 and -f2. FIG. 5 is a diagram showing this effect in detail. In the figure, the O-order diffracted light of the light transmitted through the first acoustic modulation element 26 is blocked by the light shielding plate 100, and only the first-order diffraction light reaches the second acoustic modulation element 40. This first-order diffracted light is f
After receiving a shift of l, its frequency becomes f0+r. Subsequently, the O-order diffracted light of the light transmitted through the second acoustic modulation element 40 is blocked by the light shielding plate 102, and only the -1st-order diffracted light reaches the polarizing beam splitter 28. This -1st-order diffracted light is further shifted by -f2, and its frequency eventually becomes f0+f, -f2. On the other hand, the frequency of P waves is [. Therefore, the fundamental frequency of the phase difference beat signal f output from the photosensor 52 is (fl fz) as in the above-described embodiment. Therefore, the same effects as in the previous embodiment can be obtained.

第6図は第1図に対応する他の実施例であり、第7図は
第4図に対応する他の実施例を示している。第6図およ
び第7図においては、前記偏光ビームスプリッタ12に
替えて無偏光ビームスプリッタ104が設けられるとと
もに、無偏光ビームスプリッタ104により分割された
2つの光路のうちの一方にλ/2板106が配設されて
いる。
FIG. 6 shows another embodiment corresponding to FIG. 1, and FIG. 7 shows another embodiment corresponding to FIG. 4. 6 and 7, a non-polarizing beam splitter 104 is provided in place of the polarizing beam splitter 12, and a λ/2 plate 106 is provided in one of the two optical paths split by the non-polarizing beam splitter 104. is installed.

このような実施例においては、レーザ光源10から出力
された直線偏光、たとえばS波は無偏光ビームスプリン
タ104により2分され、一方のS波は前述の実施例と
同様に偏光ブームスプリッタ28により反射されてホト
センサ52に向かい、他方のS波はλ/2板106によ
って偏波面が回転させられるので、偏光ビームスプリッ
タ28を透過でき、ホトセンサ52に向かう。これによ
り、第6図および第7図に示された実施例においても、
前述の実施例と同様の作用効果が得られる。
In such an embodiment, the linearly polarized light, e.g. The polarization plane of the other S wave is rotated by the λ/2 plate 106, so that it can pass through the polarizing beam splitter 28, and it heads toward the photosensor 52. As a result, even in the embodiments shown in FIGS. 6 and 7,
The same effects as in the previous embodiment can be obtained.

第8図の実施例においては、レーザ光源10から出力さ
れたレーザ光(直線偏光)は、偏光ビームスプリッタ1
10によってS偏光およびP偏光に分離される。一方の
P偏光は、第1音響光学変調素子26によりf、の周波
数シフトが付与された後、ミラー112により反射され
て無偏光ビームスプリンタ114へ到達する。他方のS
偏光は、第2音響光学変調素子40によりf2の周波数
シフトが付与された後、ミラー116により反射されて
無偏光ビームスプリッタ114へ到達する。
In the embodiment of FIG. 8, the laser light (linearly polarized light) output from the laser light source 10 is transmitted to the polarizing beam splitter 1
10 into S-polarized light and P-polarized light. One of the P-polarized lights is given a frequency shift of f by the first acousto-optic modulator 26, and then reflected by the mirror 112 and reaches the non-polarized beam splinter 114. the other S
After the polarized light is given a frequency shift of f2 by the second acousto-optic modulator 40, it is reflected by the mirror 116 and reaches the non-polarizing beam splitter 114.

このようにして無偏光ビームスプリンタ114へ到達し
たS偏光およびP偏光は互いに合波され、たとえばf0
+f、およびf、+f、の2周波数を有し且つ偏波面が
互いに直交する2波から成る合成光とされる。この合成
光の一部は、検光子118を通してホトセンサ120に
より検出され、基準ビート信号fllが出力される。ま
た、上記合成光の他の一部は、第1図或いは第4図の実
施例と同様に構成された光路において、偏光ビームスプ
リッタ12によりS偏光およびP偏光に分離された後、
P偏光が被測定物体16を通過させられてから、偏光ビ
ームスプリンタ28により再びS偏光およびP偏光が合
波され、ホトセンサ52により検出されるとともに、位
相差ビート信号f。
The S-polarized light and the P-polarized light that have reached the non-polarized beam splinter 114 in this way are combined with each other, for example f0
The combined light is made up of two waves having two frequencies, +f, and f, +f, and whose planes of polarization are orthogonal to each other. A part of this combined light is detected by a photosensor 120 through an analyzer 118, and a reference beat signal fll is output. The other part of the combined light is separated into S-polarized light and P-polarized light by the polarization beam splitter 12 in the optical path configured similarly to the embodiment shown in FIG. 1 or 4, and then
After the P-polarized light passes through the object to be measured 16, the S-polarized light and the P-polarized light are combined again by the polarization beam splinter 28, and detected by the photosensor 52, and a phase difference beat signal f.

が出力される。本実施例においては、基準ビート信号f
Ilが検光子118を通してホトセンサ120により検
出される特徴があるが、その他は、前述の実施例と同様
である。
is output. In this embodiment, the reference beat signal f
There is a feature that Il is detected by a photosensor 120 through an analyzer 118, but other aspects are the same as in the previous embodiment.

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、
本発明はその他の態様においても適用される。
Although one embodiment of the present invention has been described above based on the drawings,
The invention also applies in other aspects.

たとえば、前述の実施例では、X−Yテーブル22を一
次元方向へ移動させつつ位相差を検出し、被測定物体1
6における一次元方向の厚み変化などが測定されていた
が、X−Yテーブル22を固定した状態で位相差を検出
し、被測定物体16の表面の変位を測定してもよいし、
X−Yテーブル22を二次元方向へ移動させつつ位相差
を順次記憶し、その位相差に基づいて二次元画像を表示
させてもよいのである。
For example, in the embodiment described above, the phase difference is detected while moving the X-Y table 22 in one dimension, and the object to be measured 1
Although the thickness change in the one-dimensional direction in 6 was measured, the phase difference may be detected with the X-Y table 22 fixed, and the displacement of the surface of the object to be measured 16 may be measured.
It is also possible to sequentially store phase differences while moving the X-Y table 22 in two-dimensional directions, and display a two-dimensional image based on the phase differences.

また、前述の実施例の発振駆動回路36.48は、水晶
発振子34.46を用いることにより高い周波数安定度
の駆動信号が出力されるように構成されていたが、他の
結晶を用いたり、他の方式の高安定度発振回路が用いら
れてもよい。
Furthermore, although the oscillation drive circuits 36 and 48 of the above embodiments were configured to output drive signals with high frequency stability by using the crystal oscillators 34 and 46, other crystals may be used. , other types of high stability oscillation circuits may be used.

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり
、本発明はその情神を逸脱しない範囲で種々変更が加え
られ得るものである。
The above-mentioned embodiment is merely one embodiment of the present invention, and various modifications may be made to the present invention without departing from its spirit.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の一実施例の装置の構成を示す図であ
る。第2図は、第1図の実施例の回路を示すブロック線
図である。第3図は、第2図の回路からの出力例を示す
図である。第4図、第6図、第7図、および第8図は、
本発明の他の実施例の構成を示す第1図に相当する図で
ある。第5図は第4図の第1および第2音響光学変調素
子周辺を拡大してその作用を詳しく示す図である。 lO:レーザ光源 16:被測定物体 26:第1音響光学変調素子 40:第2音響光学変調素子 52:ホトセンサ 56:光学装置 91:デジタル式位相差検出回路
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing the circuit of the embodiment of FIG. 1. FIG. 3 is a diagram showing an example of the output from the circuit of FIG. 2. Figures 4, 6, 7, and 8 are
FIG. 2 is a diagram corresponding to FIG. 1 showing the configuration of another embodiment of the present invention. FIG. 5 is an enlarged view of the first and second acousto-optic modulation elements in FIG. 4 and their effects in detail. lO: Laser light source 16: Measured object 26: First acousto-optic modulator 40: Second acousto-optic modulator 52: Photosensor 56: Optical device 91: Digital phase difference detection circuit

Claims (1)

【特許請求の範囲】 被測定物体を透過した光が受ける位相差を高精度に検出
するための位相差検出装置であって、レーザ光を出力す
るレーザ光源と、 前記レーザ光を2つの光路に分離し、一方の光路のレー
ザ光を前記被測定物体に通過させた後、該2つの光路の
レーザ光を合波する光学装置と、前記2つの光路のレー
ザ光間に周波数差を形成するために該光路の少なくとも
一方に設けられ、通過するレーザ光の周波数を変化させ
る音響光学変調素子と、 前記光学装置により合波されたレーザ光を受光し、前記
2つの光路のレーザ光間に形成される周波数差と同様の
周波数を基本的に備え且つ前記被測定物体による位相差
情報を含む位相差ビート信号を出力するホトセンサと、 前記音響光学変調素子により形成される周波数差を有す
る基準ビート信号と前記位相差ビート信号とに基づいて
、前記被測定物体により与えられた位相差を計数するデ
ジタル式位相差検出回路と、を含むことを特徴とする位
相差検出装置。
[Scope of Claims] A phase difference detection device for detecting with high precision the phase difference experienced by light transmitted through an object to be measured, comprising: a laser light source that outputs laser light; and a laser light source that directs the laser light into two optical paths. an optical device that separates the laser beams of the two optical paths and combines the laser beams of the two optical paths after passing the laser beams of one optical path to the object to be measured; and for forming a frequency difference between the laser beams of the two optical paths. an acousto-optic modulator that is provided on at least one of the optical paths and changes the frequency of the laser beam that passes therethrough; a reference beat signal having a frequency difference formed by the acousto-optic modulation element; a digital phase difference detection circuit that counts the phase difference given by the object to be measured based on the phase difference beat signal.
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