JPH04102003A - 周波数変調光ヘテロダイン干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光ヘテロダイン干渉測定装置に係り、特に、計
測ビームおよび参照ビームをそれぞれ周波数変調して測
定を行う周波数変調光へテロゲイン干渉測定装置に関す
るものである。

従来の技術 光ヘテロゲイン干渉を利用して表面形状を測定する装置
の一種に、同一の光源から出射された互いに周波数が異
なる計測ビームおよび参照ビームをそれぞれ同じ周期で
周波数変調するとともに、その計測ビームの光軸と交差
する方向へ相対移動させられる被測定物の表面にその計
測ビームを対物レンズによって集光させ、その表面で反
射された計測ビームと前記参照ビームとを干渉させて光
センサに入射させることによりビート信号を取り出し、
そのビート信号のビート周波数の変化に基づいて前記表
面の凹凸形状を測定する周波数変調光ヘテロゲイン干渉
測定装置がある。このような測定装置によれば、光源の
光強度変化などによる振幅性のノイズに影響され難く、
高い測定精度を得られる利点がある。また、上記計測ビ
ームは、被測定物を対物レンズの光軸方向へ振動させる
ことによって周波数変調されるようになっているのが普
通であり、この対物レンズの振動により、空気のゆらぎ
や外部振動等の影響も受は難くなる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のように被測定物を振動させるには
大きな駆動力を必要とするとともに、高い周波数で振動
させること、言い換えれば変調周期を短くすることが困
難で、表面の凹凸に伴うビート信号のビート周波数変化
が小さく、必ずしも充分な測定感度が得られないという
問題があった。

また、被測定物の振動周波数は被測定物の重量に依存し
て変化し、これに伴って計測ビームの変調周期と参照ビ
ームの変調周期とがずれてしまうため、被測定物の重量
に応じてそれ等の変調周期を一致させるための調整手段
等を設けなければならなかった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その
目的とするところは、被測定物の重量に影響されること
なく比較的小さな駆動力で短い周期で計測ビームを周波
数変調できるようにすることにある。

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本発明は、同一の光源か
ら出射された互いに周波数が異なる計測ビームおよび参
照ビームをそれぞれ同じ周期で周波数変調するとともに
、その計測ビームの光軸と交差する方向へ相対移動させ
られる被測定物の表面にその計測ビームを対物レンズに
よって集光させ、その表面で反射された計測ビームと前
記参照ビームとを干渉させて光センサに入射させること
によりビート信号を取り出し、そのビート信号のビート
周波数の変化に基づいて前記表面の凹凸形状を測定する
周波数変調光ヘテロゲイン干渉測定装置において、前記
計測ビームを周波数変調するための手段として前記対物
レンズを光軸方向へ振動させるレンズ駆動装置が設けら
れていることを特徴とする。

作用および発明の効果 すなわち、対物レンズをその光軸方向へ振動させると、
その光軸上における光路長は変化しないものの、計測ビ
ームが反射される被測定物の表面と対物レンズによって
集光される計測ビームのビームウェストとの距離は、対
物レンズの振動に伴って周期的に変化する。ビームウェ
ストと表面とが一致していないと、計測ビームは球面波
の状態で被測定物の表面に照射されることとなり、ビー
ム周縁部とビーム中心部とで位相ずれが生じるが、この
位相のずれ量は、ビームウェストと表面との距離変化、
すなわち対物レンズの振動に伴って周期的に変化する。

そして、この位相ずれ量の周期的な変化により、計測ビ
ームに周波数変調がかけられるのである。

ここで、このように対物レンズを振動させて計測ビーム
を周波数変調する場合には、被測定物の重量によって変
調周期が全く影響されないため、計測ビームおよび参照
ビームを常に予め定められた同じ周期で周波数変調させ
ることができ、被測定物の重量に応じてそれ等の変調周
期を一致させるための調整手段等を設ける必要がない。

また、対物レンズは被測定物に比較して軽量であるため
、小さな駆動力で振動させることが可能であり、レンズ
駆動装置を小型且つコンパクトに構成できるとともに、
対物レンズを高速振動させて変調周期を短くすることに
より、表面の凹凸に伴うビート信号のビート周波数変化
を大きくして測定感度を向上させることができる。

更に、このように対物レンズを振動させて計測ビームを
周波数変調した場合でも、光源の光強度変化などによる
振幅性のノイズや空気のゆらぎ。

外部振動等の影響を受は難く、高い測定精度を得られる
ことは、被測定物を振動させて周波数変調する従来の場
合と同様である。

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。

第１図において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光源１０
から出射された周波数がｆｏの直線偏光レーザ光りは、
戻り光がレーザ光源１０に人らないようにするアイソレ
ータ１２を通過したのちミラー１４によって反射され、
偏光ビームスプリッタ１６に入射させられる。レーザ光
源ｌＯの姿勢は、レーザ光りの偏波面（電気ベクトルの
振動面）が紙面に対して４５°の角度で傾斜するように
設定されており、そのレーザ光りのうち偏波面が紙面と
平行なＰ偏光成分は計測ビームＬ、とじて上記偏光ビー
ムスプリッタ１６を通過させられ、偏波面が紙面と垂直
なＳ偏光成分は参照ビームし、として偏光ビームスプリ
ンタ１６により反射される。

偏光ビームスプリッタ１６を透過した計測ビームＬＭは
、音響光学変調器１８により十ｆ１の周波数シフトを受
けて周波数がｆｏ　＋ｆ、とされた後、偏光ビームスプ
リッタ２０に入射させられる。

また、偏光ビームスプリンタ１６で反射された参照ビー
ムＬ＋ｔはミラー２２によって更に反射され、音響光学
変調器２４により＋ｆ２の周波数シフトを受けて周波数
がｆ。＋ｆ２とされた後、ミラー２６で反射されて偏光
ビームスプリッタ２０に入射させられる。上記周波数シ
フト量ｆ１およびｆ！は、例えば８０ＭＨｚと８０．Ｉ
ＭＨｚなど数百ｋＨｚ程度の周波数差を有するように設
定される。

偏光ビームスプリッタ２０により重ね合わされた計測ビ
ームＬ、および参照ビームＬｍは、その後、偏光ビーム
スプリッタ２８により再び偏波面の向きによって分離さ
れ、Ｓ偏光成分から成る参照ビームＬｅ＋は偏光ビーム
スプリッタ２８により反射される。偏光ビームスプリッ
タ２８で反射された参照ビームＬＲは、１７４波長板３
０を介してミラー３２に照射される。ミラー３２はＰＺ
Ｔ圧電変位素子３４の端面に取り付けられ、ＰＺＴ変調
駆動回路３６によりＰＺＴ圧電変位素子３４が伸縮させ
られることによって図の右方向、すなわち参照ビームＬ
Ｒの光軸方向へ振動させられ、この振動に伴う光路長変
化によって参照ビームＬＨは周波数変調される。

上記ＰＺＴ圧電変位素子３４の振動周波数をｆ。

Ｈ２、振幅をｄ２とすると、その振動に伴う参照ビーム
Ｌ、の光路長変化ΔＺ２は次式（１）で表され、その光
路長変化による周波数変調の最大周波数偏移Δｆ２は次
式（２）で表される。なお、（２）式のに２は参照ビー
ムＬ、の波数である。

ΔＺ２　＝ｄ２・５ｉｎ（２πｆｓ　　ｔ）　　　・・
１１）Δｆ２＝ｄ２・ｆ、・ｋ２　　　　　　・・・（
２）そして、このようにミラー３２で反射されるととも
に周波数変調された参照ビームＬ、ｌは、再び１７４波
長板３０を透過させられることによりＰ偏光とされ、偏
光ビームスプリッタ２８を透過させられて偏光板３８を
通過した後光センサ４０に照射される。

一方、Ｐ偏光成分から成る計測ビームＬ、は、上記偏光
ビームスプリッタ２８を通過させられ、１７４波長板４
４を経て対物レンズ４６により集光されて被測定物４８
の表面５０に照射される。被測定物４８は、モータ等の
駆動装置５２によって上記計測ビームＬ、の光軸に対し
て直角なＸ−Ｙ平面内を二次元方向へ移動させられる移
動台５４に配置されている。また、上記対物レンズ４６
はＺ軸モータ５６に取り付けられ、モータ変調駆動回路
５８によりＺ軸方向、すなわち計測ビームＬ。の光軸方
向へ振動させられ、これにより、計測ビームＬ８が周波
数変調される。

すなわち、対物レンズ４６をその光軸方向へ振動させる
と、その対物レンズ４６によって集光される計測ビーム
ＬＭのビームウェストと表面５゜との距離は対物レンズ
４６の振動に伴って周期的に変化させられ、ビームウェ
ストと表面５ｏとが一致していないと計測ビームＬＭは
球面波の状態でその表面５０に照射されるため、ビーム
周縁部とビーム中心部とで位相ずれが生じるとともに、
この位相のずれ量はビームウェストと表面５ｏとの距離
変化、すなわち対物レンズ４６の振動に伴って周期的に
変化するため、この位相ずれ量の周期的な変化により計
測ビームＬ。に周波数変調がかけられるのである。

例えば、対物レンズ４６を位置固定に設けて被測定物４
８をＸ−Ｙ方向へ移動させつつ、通常の光ヘテロダイン
干渉によって表面５０の凹凸形状を測定する場合に、第
２図の（ａ）に示されているように、対物レンズ４６に
よって集光させられる計測ビームＬＨのビームウェスト
が表面５０と略−致させられていると、その計測ビーム
ＬＭの光束の中心部と周縁部とで光の位相ずれは殆どな
いが、Φ）に示されているようにビームウェストよりも
手前側に表面５０が位置していると、計測ビームトイは
球面波の状態でその表面５０に照射されることとなり、
光束の中心部と周縁部とで光の位相ずれが生じ、それが
平均化されることによって測定誤差が生じる。第２図の
一点鎖線は光の位相が等しい等価曲線である。

そして、この測定誤差について解析すると、計測ビーム
Ｌ、４のビームウェストでのスポット径、すなわち計測
ビーム、の光強度が中心部の１　／　ｅ　”（ｅ：自然
対数）となる部分の直径寸法を２ｗ。

とすると、半径寸法Ｗ０は、計測ビームＬｓの波長λお
よび対物レンズ４６による光の集束角θを用いて次式（
３）で表され、ビームウェストから距離りだけ離間した
位置でのスポット径の半径寸法Ｗ（Ｄ）および波面の曲
率半径Ｒ（Ｄ）は、それぞれ次式（４）および（５）で
表される。なお、上記集束角θは、対物レンズ４６の開
口数ＮＡに基づいて求められる。

□。＝λ／πθ　　　　　　　　　　　・・・（３）ｗ
（Ｄ　）　＝ｗｏ（ｌ　＋　Ｄ”／　Ｄｏ”）””　　
・・・（４）Ｒ（Ｄ）＝Ｄ＋Ｄ、”／Ｄ　　　　　　　
・−・（５）但し、Ｄ０＝πｗ０′／λ また、上記距離りでの波面の平均高さとＤとの誤差Ｅを
、仮に二次元的に算出すると次式（６）で表される。

Ｅ＝　ｆ　　（Ｒ−（Ｒ”−Ｘ”）””）　ｄ　Ｘ／ｗ
＝　（Ｒｗ　　ｗ（Ｒ”　　ｗ”）””／２（Ｒ”５ｉ
ｎ−’（ｗ／　Ｒ））　／　２　］／　ｗ・　・　・（
６） この誤差Ｅは、前記位相ずれに起因する測定誤差に相当
するもので、例えば表面５０に３０ｎｍの凸部が形成さ
れた試料を用いて、開口数ＮＡが異なる複数種類の対物
レンズ４６を取り替えつつ、表面５０をビームウェスト
と一致させた後試料を光軸と直角方向へ移動させて通常
の光ヘテロダイン干渉により上記３０ｎｍの凸部を測定
すると、その実験値Ｄ″は第３図に「○」で示されてい
る通すであったのに対し、対物レンズ４６の開口数ＮＡ
に応じてＤ＝３０　ｎｍの場合の誤差Ｅを上記（６）式
に従って求め、３０ｎｍからその誤差Ｅを差し引いた理
論値は第３図に「・」で示されている通りであった。か
かる第３図から明らかなように、上記（６）弐で算出さ
れる誤差Ｅは、実験値Ｄ１′の誤差と良い相関が得られ
ることが判る。なお、実際の計測ビームＬ、は立体的な
球面波であり、厳密には誤差Ｅも立体的に求める必要が
あるが、誤差Ｅを三次元で解析して求めると二次元の場
合よりも大きくなって実験値との差が拡大してしまい、
上記のように二次元で解析した方が良い相関が得られた
。これは、計測ビームＬ、の光強度はガウス分布を成し
ていて、周縁部の位相ずれが大きい部分の光強度が小さ
いため、その位相ずれの影響が軽減されるからと考えら
れる。

また、開口数ＮＡが０．９５の場合について、Ｄ＝３０
．６０．９０ｎｍの時の誤差Ｅを前記（６）弐に従って
算出すると、それぞれ７．９５２，１６．４４８．２５
．８５３となり、誤差Ｅは距離りに略比例して増加する
ことが判る。すなわち、表面５０の凹凸寸法が同しであ
れば、ビームウェストと表面５０とのずれ寸法りの大小
に拘らず誤差Ｅは路間しになるのである。

以上の説明から明らかなように、表面５０とビームウェ
ストとのずれ距離りに応じて誤差Ｅが生じるのであるが
、これは、表面５０の位置を一定として対物レンズ４６
を光軸方向へ距離りだけ移動させると、誤差Ｅに相当す
る分だけ計測ビームＬ、に位相変化が生しることを意味
する。言い換えれば、対物レンズ４６を動かさずに表面
５０を誤差Ｅだけ移動させたのと同様な作用が得られる
のである。例えば、開口数ＮＡが０．９５の対物レンズ
４６を３０ｎｍ移動させると、被測定物４８を約８ｎｍ
変位させたのと同等の作用が得られるのである。

したがって、前記Ｚ軸モータ５６によって対物レンズ４
６を前記周波数ｆｓＨｚ、振幅ｄ１で振動させると、そ
の振動に伴う計測ビームＬＭの光路長変化ΔＺ１は次式
（７）で表され、その光路長変化による周波数変調の最
大周波数偏移Δｆｔ　は次式（８）で表される。ここで
、（７）式のｄ　ｍａは前記距離りを振幅ｄ、とした場
合の誤差已に相当し、前記（６）式によって求められる
。また、（８）式のに１は計測ビームＬＭの波数である
。なお、最大周波数偏移Δｆ１が前記Δｆ２と一致する
ように、振幅ｄ。

およびｄ２は予め設定されている。

ΔＺＩ＝ｄｎａ・５ｉｎ（２ｘ　ｆｓ　ｔ）　　　・・
・（７）Δｆ、＝ｄ、、・ｆ、・ｋ、　　　　　　・・
・（８）本実施例では、対物レンズ４６を光軸方向へ振
動させるＺ軸モータ５６およびモータ変調駆動回路５８
によりレンズ駆動装置が構成されている。

そして、このように対物レンズ４６の振動によって周波
数変調されるとともに表面５０で反射された計測ビーム
Ｌ、は、対物レンズ４６を経て再び１７４波長板４４を
通過させられることにより、往路に対して偏波面が９０
°回転した直線偏光すなわちＳ偏光とされ、偏光ビーム
スプリッタ２８によって反射されるとともに、偏光板３
８により前記参照ビームＬ、と干渉させられた後光セン
サ４０に照射される。光センサ４０からは、それぞれ同
じ周期１／ｆ、で周波数変調された計測ビームＬ。と参
照ビームＬ、Ｉとの干渉により、それ等の周波数差でビ
ートを発生するビート信号ＢＳが計測手段６０に出力さ
れる。

上記ビート信号ＢＳのビート周波数ｆ、について具体的
に説明すると、例えば時間ｔ０における表面５０の位置
Ｓ１から光センサ４０の位置Ｓ３までの間の各部の計測
ビームＬ、の周波数が第４図において実線で示されてい
る通りであり、同時間ｔ０におけるミラー３２の位置Ｓ
２から光センサ４０の位置Ｓ３までの間の各部の参照ビ
ームＬ７の周波数が第４図において一点鎖線で示されて
いる通りであるとすると、位置Ｓ３における両者の周波
数差がその時間Ｌ０におけるビート周波数ｆ、となる。

このビート周波数ｆ、は、第５図に示されているように
、両ビームＬＭ、ＬＲの変調周期１／ｆ、と同し周期で
変化するとともに、ビート周波数［、の最大値ｆ％は、
両ビームＬ。

Ｌ、ｌの光路差すなわちＳｌから３３までの距離ＺとＳ
２からＳ３までの距離Ｚ２との差Ｚ　＋　　　Ｚ　ｚが
一定であれば変化しないが、駆動装置５２によって被測
定物４日がＸ−Ｙ方向へ移動させられ、表面５０の凹凸
に従って距離Ｚｌが変化するのに伴って光路差Ｚ＋　　
　Ｚｔが変化すると、換言すれば第４図に示されている
計測ビームＬｘが図の左右方向へ移動すると、最大（ｉ
　ｆ　ｂ　”も変化する。

前記計測手段６０はマイクロコンピュータ等にて構成さ
れ、前記ビート信号ＢＳのビート周波数の最大値ｆ％を
１／ｆ、の周期で取り出し、予め定められた最大値ｆ％
と光路差ＺＩ−７２との関係を表す演算式若しくはデー
タマツプ等に基づいて、最大値ｆ、１１の変化から光路
差Ｚ　、Ｚ　２の変化量すなわち表面５０の凹凸寸法を
求め、図示しない表示器に表示する。

ここで、かかる本実施例の周波数変調光ヘテロダイン干
渉測定装置においては、対物レンズ４６を振動させて計
測ビームＬ、を周波数変調するようになっているため、
被測定物４８の重量によって変調周期が全く影響されず
、計測ビームＬ、および参照ビームＬｌｌを常に予め定
められた一定の周期１／ｆ、で周波数変調させることが
でき、被測定物４８の重量に応じてそれ等の変調周期を
一致させるための調整手段等が不要である。

また、対物レンズ４６は被測定物４８に比較して軽量で
あるため、小さな駆動力で振動させることが可能であり
、小型でコンパクトなＺ軸モータ５６を採用できるとと
もに、対物レンズ４６を高速振動させて変調周期１／ｆ
、を短くすることにより、表面５０の凹凸に伴うビート
信号ＢＳのビート周波数ｆ％の変化を大きくして、測定
感度を向上させることができる。すなわち、変調周期１
／ｆ、を短くすると、第４図における計測ビームＬ、お
よび参照ビームＬ、の周波数変化の傾きが大きくなり、
光路差２．−２２の変化が小さくてもビート周波数の最
大値ｆｂ”が大きく変化するようになるのである。

また、このように対物レンズ４６を振動させて計測ビー
ムＬｘを周波数変調した場合でも、レーザ光源１０の光
強度変化などによる振幅性のノイズや空気のゆらぎ、外
部振動等の影響を受は難（、高い測定精度を得られるこ
とは、被測定物４８を振動させて周波数変調する従来の
場合と同様である。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明し
たが、本発明は他の態様で実施することもできる。

例えば、前記実施例では音響光学変調器１８により計測
ビームＬ。を＋ｆ１だけ周波数シフトさせるとともに、
音響光学変調器２４により参照ビームＬ、ｌを＋ｆ２だ
け周波数シフトさせるようになっているが、第６図に示
されているように音響光学変調器１８を音響光学変調器
２４とミラー２６との間に配設し、参照ビームＬｍのみ
を＋ｆ２−ｆ、たけ周波数シフトさせるようにしても、
前記実施例と実質的に同じである。なお、逆に計測ビー
ムＬ、４のみを周波数シフトさせたり、横ゼーマンレー
ザを用いて周波数が異なる計測ビームおよび参照ビーム
を直接取り出すようにしたりしても差支えない。

また、前記ＰＺＴ圧電変位素子３４およびＰＺＴ変調駆
動回路３６の替わりにモータおよびモータ変調駆動回路
を用いたり、Ｚ軸モータ５６およびモータ変調駆動回路
５８の替わりにＰＺＴ圧電変位素子およびＰＺＴ変調駆
動回路を用いたりするなど、他の振動駆動装置を採用す
ることも可能である。

また、前記参照ビームＬ、についても、ミラー３２の手
前に集光レンズを配置して振動させることにより、計測
ビームＬＨと同じ原理で周波数変調を行うようにしても
差支えない。

また、焦点ずれを検出する光学系を組み込んで、Ｚ軸モ
ータ５６およびモータ変調駆動回路５８をアクチュエー
タとしてオートフォーカス機構を構成し、測定開始初期
などに対物レンズ４６と被測定物４８との間の距離を調
整するようにしても良い。

また、前記実施例ではビート周波数の最大値ｆ、′の変
化から表面５０の凹凸寸法を求めるようになっているが
、その最大値ｆｂ１が一定に維持されるようにＰＺＴ圧
電変位素子などによって被測定物４８をＺ軸方向へ移動
させ、その移動量を表面５０の凹凸寸法として検出する
ようにしても良い。

その他−々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基
づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である周波数変調光ヘテロダ
イン干渉測定装置の基本的構成を説明する図である。第
２図は被測定物の表面に対して計測ビームが球面波の状
態で照射される場合の位相ずれを説明する図である。第
３図は計測ビームが球面波の状態で被測定物の表面に照
射されることに伴う誤差の理論値と実験値との相関を示
す図である。第４図は第１図の実施例における計測ビー
ムおよび参照ビームの周波数分布の一例を説明する図で
ある。第５図は第１図の実施例におけるビート信号のビ
ート周波数の一例を説明する図である。第６図は本発明
の他の実施例を説明する構成図で、第１図に相当する図
である。 １０：レーザ光源　　　４ｏ：光センサ４６：対物レン
ズ　　　４８：被測定物５０：表面 り阿　：計測ビーム ＢＳ：ビート信号 り、：参照ビーム

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 同一の光源から出射された互いに周波数が異なる計測ビ
   ームおよび参照ビームをそれぞれ同じ周期で周波数変調
   するとともに、該計測ビームの光軸と交差する方向へ相
   対移動させられる被測定物の表面に該計測ビームを対物
   レンズによって集光させ、該表面で反射された計測ビー
   ムと前記参照ビームとを干渉させて光センサに入射させ
   ることによりビート信号を取り出し、該ビート信号のビ
   ート周波数の変化に基づいて前記表面の凹凸形状を測定
   する周波数変調光ヘテロダイン干渉測定装置において、 前記計測ビームを周波数変調するための手段として前記
   対物レンズを光軸方向へ振動させるレンズ駆動装置が設
   けられていることを特徴とする周波数変調光ヘテロダイ
   ン干渉測定装置。