JPH04188003A - パターン・マッチング型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、測定方向への被測定物との間の相対移動を伴
って測定を行なう光ヘテロダイン干渉測定装置に関し、
特に被測定物との間の相対移動を狭い範囲にわたり行い
測定した重なり合う複数の狭走査範囲測定データを、重
複部分でのデータ整合をとることにより、任意の走査範
囲の測定データに変換するパターン・マツチング型光ヘ
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］ 同一の光源から出射された互いに周波数か異なる計測ビ
ームと参照ビームとを用いて、その計測ビームを対物レ
ンズにより被測定物の表面に集光させると共にその表面
で反射された反射光と前記参照ビームとを干渉させ、そ
の干渉光を光センサに入射させることにより計測ビート
信号を取り出し、その計測ビート信号の周波数変化や位
相変化に基−１Ｌｓ７・例え（ｆ表面形状や表面粗さな
宍’　（７）　渭Ｊ定を行なう”光ヘテロダイン干渉測
定装置が考えられている。このような光ヘテロダイン干
渉測定装置では測定方向に垂直な方向への被測定物との
間の相対移動すなわち走査は被測定物を搭載した移動テ
ーブルを利用していた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような光ヘテロダイン干渉測定装置
においては、被測定物を移動テーブル上に配設した後、
移動テーブルを測定方向に垂直な方向の広い走査範囲に
わたり移動させながら表面形状などの高感度な測定を行
なっていたため、移動テーブルの真直度などの運動精度
の影響を受は測定誤差が発生していた。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、その目的とするところは測定方向への被測定
物との間の相対移動を広い範囲にわたり行っても、被測
定物との間の相対移動の影響による測定誤差を除去した
測定データを得ることができるパターンマツチング型光
ヘテロダイン干渉測定装置を提供することにある。

゛　［課題を解決するための手段］ この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と参照ビー
ムとを用いて、その計測ビームを対物レンズにより被測
定物の表面に集光させると共にその表面で反射された反
射光と前記参照ビームとを干渉させ、その干渉光を光セ
ンサに入射させることにより計測ビート信号を取り出し
、その計測ビート信号の周波数変化や位相変化に基づい
て、測定方向に垂直な方向への被測定物との間の相対移
動を伴って測定を行なう光ヘテロダイン干渉測定装置に
おいて、測定方向への被測定物との間の相対移動を狭い
範囲にわたり行い測定した狭走査範囲測定データを複数
且つ重なり合うように得て、その重なり合う複数の狭走
査範囲測定データを重複部分でのデータ整合をとること
により、任意の走査範囲の測定データに変換するデータ
処理手段を有することを特徴としている。

［作用］ 上記の構成を有する本発明においては、まず測定方向へ
の被測定物との間の相対移動を狭い範囲で行い、狭走査
範囲の測定データを採取する。この狭い走査範囲での測
定データを採取した後、走査範囲が重なるような別の狭
い走査範囲で新たに測定データを採取する。これらの狭
い走査範囲の測定データ間の整合がとれていなくなって
いるので、上記データ処理手段で重なり合う測定データ
間でパターン・マツチングを行い測定データ間の整合を
とる。このような手順を繰り返すことにより、複数の狭
い走査範囲の測定データから任意の走査範囲の測定デー
タを得ることができる。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。なお、以下の各光学素子は図示していない機枠
に固定されて相対移動不能に設けられている。

最初に第１図を参照して本実施例を説明すると、Ｈｅ−
Ｎｅレーザー等のレーザー光源１０から出射された周波
数ｆ０の直線偏光レーザー光りは、戻り光がレーザー光
源１０に入らないようにする光アイソレータ１１を通過
したのちミラー１２によって反射され、偏光ビームスプ
リッタ１３に入射させられる。レーザー光源１０の姿勢
は、レーザー光りの偏波面（電気ベクトルの振動面）が
紙面（第１図が描かれている紙面）に対して方位角４５
度の角度で傾斜するように設定されており、そのレーザ
ー光りのうち偏波面か紙面と平行なＰ偏光成分は計測ビ
ームＬ、として上記偏光ビームスプリッタ１３を透過さ
せられ、偏波面が紙面と垂直なＳ偏光成分は参照ビーム
Ｌ、ｌとして偏光ビームスプリッタ１３により反射され
る。

偏光ビームスプリッタ１３を透過した計測ビームＬＭは
、音響光学変調器１４により＋ｆ、の周波数シフトを受
けて周波数がｆ。＋ｆ、とされた後、偏光ビームスプリ
ッタ１５に入射させられる。

また、偏光ビームスプリッタ１３で反射された参照ビー
ムＬＲはミラー１６によって更に反射され、音響光学変
調器１７により＋ｆ２の周波数シフトを受けてｆ。＋ｆ
２とされた後、ミラー１８によって反射されて偏光ビー
ムスプリッタ１５に入射させられる。上記周波数シフト
量ｆ、およびｆ２は、例えば８０ＭＨｚと８０．ＩＭＨ
ｚ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１５により重ね合わされた計測ビ
ームＬ、および参照ビームＬＲは、無偏光ビームスプリ
ッタ２０により２分され、その反射された光は偏光板２
１を通過することにより干渉光となりレンズ２２で集光
され基準ビート信号ＳＲ検出用の光検出器２３に照射さ
れる。偏光ビームスプリッタ２０を通過した計測ビーム
ＬＭおよび参照ビームＬ、は偏光ビームスプリッタ２４
により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ＬＲは偏光ビームスプリッタ２４により
反射される。偏光ビームスジ１月ツタ２４により反射さ
れたレーザー光は、１／４波長板２５を介してミラー２
６に照射される。ミラー２６により反射された参照ビー
ムＬＲは再び１７４波長板２５を通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２４を透過さ
せられて偏光板２７を通過した後レンズ２８により集光
され計測ビート信号ＳＭ検出用の光検出器２９に照射さ
れる。

一方、Ｐ偏光成分から成る計測ビームＬＭは、上記偏光
ビームスプリッタ２４を通過させられ無偏光ビームスプ
リッタ３０で分割され、無偏光ビームスプリッタ３０を
透過させられた後、１／４波長板３１を経て対物レンズ
３２で集光されて被測定物３３の表面３４に照射される
。被測定物３３は、モータ等の駆動源３５によって上記
計測ビームＬＭの光軸に対して直角なＸ−Ｙ平面内を２
次元方向へ移動させられる移動テーブル３６上に配置さ
れている。被測定物３３の表面３４で反射された計測ビ
ームＬ、は、対物レンズ３２を経て再び１７４波長板３
１を通過させられて無偏光ビームスプリッタ３０で分割
される。無偏光ビームスプリッタ３０を透過した計測ビ
ームＬＭは往路に対して偏波面が９０度回転した直線偏
光すなわちＳ偏光とされているため、偏光ビームスプリ
ッタ２４によって反射させられるとともに、偏光板２７
により前記参照ビームＬ、と干渉させられた後、計測ビ
ート信号ＳＭ検出用の光検出器２９に照射される。　　
゛ また、無偏光ビームスプリッタ３ｏにより反射された計
測ビームＬＭはレンズ４０．および円筒レンズ４１によ
り集光させられ４分割された光検出器４２に照射される
。光検出器４２の出力信号は増幅器４３により増幅され
焦点位置制御手段４４に送出されて、Ｚ軸モータ４５は
焦点位置制御手段４４によって、対物レンズ３２による
収束光のビームウェスト位置が常に被測定物３３の表面
３４に位置するように駆動される。このような機構によ
りオートフォーカス制御がなされる。

上記光検出器２３．２９に入射される干渉光の光強度Ｉ
５、ＩＤはそれぞれ次式（１）、（２）で表わされ、光
検出器２３．２９からはその光強度■８、Ｉｏに対応し
て変化する基準ビート信号ＳＲ１計測ビート信号ＳＭが
出力される。

ＩＢ＝Ａ、２＋Ａ、２＋２ＡＩＡ２ＣＯ５（（ｋ　１ｚ
、−に２Ｚ２）　　　２πｆｔ）　　　（１）ＩＤ＝Ａ
３’＋Ａ４”＋２　Ａ３Ａ、ＣＯ８（（ｋ　、　ｚ　３
−ｋｚＺ４）　　　２πｆ　ｔ）　　　（２）ここで、
Ａ１、Ａ３は計測ビームＬＭの振幅Ａ２、Ａ４は参照ビ
ームＬ８の振幅 に１は計測ビームＬＭの波数 に２は参照ビームＬＲの波数 ２、は計測ビームＬ、か光検出器２３ に到達するまでの光路長 Ｚ２は参照ビームＬＲが光検出器２３ に到達するまでの光路長 Ｚ３は計測ビームＬＭが光検出器２９ に到達するまでの光路長 Ｚ４は参照ビームＬＲか光検出器２９ に到達するまでの光路長 ｆはビート周波数で、＋ｆ、−ｆ２１ ｚ ｔは時間 そして、上記基準ビート信号ＳＲおよ・び計測ビート信
号ＳＭは、それぞれ増幅器５０．５１により増幅された
後、計測装置５２に供給される。計測装置５２は、例え
ば第２図のブロック線図に示されているように構成され
、上記ビート信号ＳＲ。

ＳＭは波形整形回路６０によってそれぞれ矩形のパルス
波形に整形された後、偏差カウンタ回路６１に供給され
る。偏差カウンタ回路６１は、図示しないタイミング信
号発生回路から供給されるタイミング信号にしたかって
計測ビート信号ＳＭのビート数ＣＤと基準ビート信号Ｓ
Ｒのビート数Ｃ３との偏差（ＣＤ−Ｃ，）を計数し、そ
の偏差（ＣＤ−ＣＢ）はラッチ回路６２に一時記憶され
る。

また、上記パルス波形に整形された基準ビート信号ＳＲ
および計測ビート信号ＳＭは、水晶振動子６４から出力
される一定のクロック周波数ｆｃの基準パルス信号ＫＳ
と共にＡ　Ｎ　Ｄ回路６５に供給される。基準ビート信
号ＳＲはＮＯＴ回路６３を経て、へＮＤ回路６５に供給
されるようになっており、ＡＮＤ回路６５を通過した基
準パルス信号ＫＳのパルス数ＣＩかカウンタ回路６６に
よって計数される。このパルス数Ｃ１は、基準ビート信
号ＳＲと計測ビート信号Ｓ　Ｎｉとの位相差に対応する
もので、ラッチ回路６７に一時記憶される。上記基準パ
ルス信号ＫＳのクロック周波数ｆｃは、例えば１００Ｍ
Ｈｚ程度に設定される。

そして、上記ラッチ回路６２．６７に一時記憶された偏
差（Ｃ，−Ｃ，）　、パルス数０１はマイクロコンピュ
ータ６８に読み込まれる。マイクロコンピュータ６８が
データ処理手段に相当する。マイクロコンピュータ６８
は、ＲＯ〜１６９に予め記憶されたプログラムにしたが
ってＲＡ　Ｍ　７０を利用し信号処理を行い、駆動制御
回路７１により前記駆動源３５を作動させて移動テーブ
ル３６をＸ−Ｙ方向へ移動させつつ、上記偏差（ＣＤ−
ＣＢ）およびパルス数０１に基づいて被測定物３３の表
面３４の凹凸形状を求め、その結果をデイスプレィ７２
に表示させる。

すなわち、基準ビート信号ＳＲと計測ビート信号ＳＭ間
の位相差の変化分は被測定物３３の表面３４の高さの変
化分に相当するので、被測定物３３の高さ方向の形状を
得ることができる。表面３４の高さの変化分をΔＺとす
ると、次式（３）て表わされる。ΔＺ１は次式（４）に
したがって算出されるか、これは１７２波長オーダーの
計測ビート信号ＳＭの位相変化に相当する。またΔＺ２
は１／２波長以下の計測ビート信号ＳＭの位相変化に相
当し、次式（５）にしたがって算出される。基準ビート
信号の周波数ｆＢ３クロック周波数ｆＣをそれぞれ１０
０ｋＨｚ、１００ＭＨｚとすると、ΔＺ２は１７２００
０波長のオーダーで算出されることとなる。

ΔＺ＝△Ｚ、＋ΔＺ　２　　　　　　　　　（３）λ △Ｚ、＝−（ＣＤ−ＣＢ）　　　　　（４）λ　　ｆＩ
ＩＣ。

△Ｚ　２　＝　−＝　　　　　　（５）２　　　　ｆｃ なお、（３）〜（５）式のλは、それぞれ計測ビームＬ
、の波長である。

次に、第１図乃至第６図、主に第３図のフローチャート
を参照して本実施例の光ヘテロダイン干渉測定装置の動
作を説明する。

ステップＳ１では、マイクロコンピュータ６８は、駆動
制御回路７１を介して前記駆動源３５を作動させて移動
テーブル３６をＸ−Ｙ方向へ移動させつつ、上記偏差Ｃ
ｃｖ　　ｃＢ）およびパルス数ＣＩに基づいて被測定物
３３の表面３４の凹凸形状を求めた測定データを採取す
る。この測定データを第４図に示す。ここで、Ａｚｊは
Ｘ座標Ｘ＋。

Ｙ座標Ｙ、での測定値を表わしている。この測定データ
Ａ、１は移動テーブル３６の運動精度の影響による測定
誤差を無視できる走査範囲（以下、狭い走査範囲と呼ぶ
。）で移動テーブル３６を駆動し測定したデータである
。

ステップＳ２では、前記ステップＳ１の走査範囲に重複
しＸ方向にずらした狭い走査範囲で、測定データが採取
される。この測定データを第５図に示す。ここで、Ｂｋ
ｌはＸ座標Ｘｋ、Ｙ座標Ｙ１での測定値を表わしている
。測定データＢｋ、　（ｋ＝１〜２．１＝１〜５）は測
定データＡ、１（ｉ＝４〜５、ｊ＝１〜５）と同じＸ座
標、同じＹ座標での測定データであるか、移動テーブル
３６の運動精度の影響を受は測定誤差を含んだ異なる値
を持っている。

ステップＳ３では、前記ステップＳ２で得られた測定デ
ータＢｋｌ　（ｋ＝１〜２．１＝１〜５）と測定データ
、Ａ、、（ｉ＝４〜５、ｊ−１〜５）のパターンマツチ
ングか線形モデルでの最小２乗法で行なわれる。線形モ
デルをｙ＝ａｘ＋ｂで表わすと、最小２乗条件は Ｓ＝Σ（ａ　　Ｂｈ＋＋ｂ　　Ａ＋＋）ｉ、ｊ、に、ま ただし、ｉ＝４〜５、ｊ＝１〜５、ｋ＝１〜２．１＝１
〜５ となり、各パラメータに対して最小となるためには、そ
の微分か零となればよい。

Ｓ □＝Ｏ ａ Ｓ □　＝Ｏ ｂ これを未知パラメータａＸｂに関して整理すると、Σ１
Σ１３ＨＡ１１−ΣＢｋｌΣＡ１゜Σ１ΣＢ、、”−（
ΣＢ、、）！ ΣＢｋ１２ΣＡｌｊ−ΣＢｋｌΣＢｋ１　Ａ　＋　Ｈｂ
＝□ Σ１ΣＢ、、２　　（ΣＢｋ、）　’ となるため、パラメータａ、ｂが算出される。

ここで、Σはｉ＝４〜５、ｊ＝１〜５、ｋ＝１〜２、Ｉ
＝１〜５に対して演算が行なわれる。

ステップＳ４では、前記ステップＳ３で求められたパラ
メータａ、　　ｂを利用して、測定データＢｋ１（ｋ＝
１〜５．１＝１〜５）を、 Ｂ　ｋｌ”＝　　ａＢ　ｈｌ＋　ｂ のように変換して変換データＢｋ、”（ｋ＝１〜５．１
＝１〜５）が得られる。

ステップ５では、前記ステップＳ４で得られた変換デー
タＢｋｌ”（ｋ＝１〜２．１＝１〜５）は測定データＡ
＋＋（ｉ＝４〜５、ｊ＝１〜５）と同じＸ座標、同じＹ
座標での測定データであるため、移動テーブル３６の運
動精度の影響による測定誤差を除去した広い走査範囲の
測定データＡ、１（ｉ＝１〜５、ｊ＝１〜５）　、Ｂ、
、”　（ｋ＝３〜５．１＝１〜５）が第６図のように求
められる。

このようなパターンマツチングを繰り返しＸ。

Ｙ方向に行なうことで、移動テーブルの運動精度の影響
による測定誤差を除去して、Ｘ−Ｙ２次元の任意の走査
範囲の測定データを得れるのである。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実
施例において前記第１実施例と実質的に共通する部分に
は同一の符号を付して説明を省略する。

第７図に示す第２実施例は、前記音響光学変調器１４を
ミラー１６と音響光学変調器１７との間に配置し、計測
ビームＬＭの周波数は、ｆ、のままにする一方、参照ビ
ームＬＲの周波数かｆ０＋ｆ、−ｆ２となるようにした
もので、前記実施例と実質的に同じものである。

本発明は以上詳述した実施例に限定されるものではなく
、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加え
ることができる。

例えば、第１の実施例では、レーザー光源１０及び音響
光学変調器１４．１７により計測ビームＬＭの周波数が
ｆ。＋ｆ、とされ、参照ビームＬ、ｌの周波数がｆ０＋
ｆ２とされているが、横ゼーマンレーザー等の２周波直
交レーザー光を放射するレーザー光源を用いることも可
能である。なお、２個の音響光学変調器１４．１７が用
いられているが、必要に応じて１個、或は３個以上の音
響光学変調器やその他の光学素子を採用することもでき
る。

また、第１の実施例の集光レンズ２２．２８は必ずしも
必要なく、省略することが可能である。

また、第１の実施例では、無偏光ビームスプリッタ３０
、レンズ４０、円筒レンズ４１、光検出器４２、増幅器
４３、焦点位置制御手段４４、Ｚ軸モータ４５を使用し
て、対物レンズ３２による収束光のビームウェスト位置
か常に被測定物３３の表面３４に位置するようにＺ軸モ
ータ４５か駆動されるでいるが、ナイフェツジ法や臨界
角法などのフォーカス検出光学系を使用してもよい。Ｚ
軸モータ４５の代わりに圧電アクチュエータなどの他の
アクチュエータを使用してもよい。

また、第１の実施例では、無偏光ビームスプリッタ３０
、レンズ４０、円筒レンズ４１、光検出器４２、増幅器
４３、焦点位置制御手段４４、Ｚ軸モータ４５を使用し
て、対物レンズ３２による収束光のビームウェスト位置
が常に被測定物３３の表面３４に位置するように駆動さ
れているが、無偏光ビームスプリッタ３０、レンズ４０
、円筒レンズ４１、光検出器４２、増幅器４３、焦点位
置制御手段４４、Ｚ軸モータ４５を省略して、光検出器
２９の出力信号強度が最大になるようにＺ軸モータ４５
を駆動して、対物レンズ３２による収束光のビームウェ
スト位置が常に被測定物３３の表面３４に位置するよう
にしてもよい。これは対物レンズ３２による収束光のビ
ームウェスト位置か被測定物３３の表面３４にある場合
か最も効率的に光検出器２９に計測ビームＬＭか照射さ
れることを利用している。

また、第１の実施例では、移動テーブル３６を移動させ
ることにより被測定物３３の表面３４を走査しているが
、被測定物３３を固定し光ヘテロダイン干渉測定装置を
移動して走査してもよい。

また、第１の実施例では、対物レンズ３２を光軸方向へ
移動させるようになっているが、被測定物３３を光軸方
向へ移動させるようにしても差し支えない。その場合に
、被測定物３３の表面３４の凹凸形状測定と並行してオ
ートフォーカス制御を行なう場合には、対物レンズ３２
の光軸方向における被測定物３３の移動量をモニタして
凹凸形状を測定することとなる。

また、第１の実施例では、測定データをＡＩＩ（ｉ＝１
〜５、ｊ＝１〜５）のようにしたが、Ｘ−Ｙ平面上の走
査範囲をさらに拡大、或は縮小した測定データとしても
よい。同様に、測定データの重なり部分を測定データＡ
、１（ｉ＝４〜５、ｊ＝１〜Ｓ）と測定データＢｋ、（
ｋ＝１〜２、Ｉ＝１〜５）としているが、重なり部分を
さらに拡大、或は縮小してもよい。

また、第１の実施例では、パターンマツチングを２次元
測定データＡ、１（ｉ＝４〜５、ｊ＝１〜５）と測定デ
ータＢｋ、（ｋ＝１〜２、Ｉ＝１〜５）とで行なったが
、１次元データで行なってもよい。

また、第１の実施例では、パターンマツチングを線形モ
デルｙ＝ａｘ＋ｂで行なったが、ＧＡＵＳＳ−ＮＥＷＴ
ＯＮ法や修正ＭＡＲＱＵＡＲＤＴ法などの非線形最小２
乗法で行なってもよい。

また、第１の実施例では、パターンマツチングを最小２
乗法で行なったが、動的計画法などの他の方法を用いて
もよい。

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。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、重なり合う複数の狭い走査範囲の測定データを重複部
分でのパターンマツチングにより任意の走査範囲の測定
データに変換するため、被測定物との間の相対移動を利
用した走査の運動精度により生じる測定誤差を除去でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図から第７図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は、パターンマツチング型光ヘテロダ
イン干渉測定装置の光学的構成を説明する図である。第
２図は第１図における計測装置の構成を説明するブロッ
ク線図である。第３図はパターンマツチング型光ヘテロ
ダイン干渉測定装置のデータ処理手段でのパターンマツ
チング手順を表わすフローチャートである。第４図、第
５図、および第６図はパターンマツチング型光ヘテロダ
イン干渉測定装置におけるパターンマツチングを説明す
るための測定データのパターンを表わす図である。第７
図は本発明の他の実施例の要部を説明する図である。 １０　レーザー光源 １４　音響光学変調器 １７　音響光学変調器 ２１　偏光板 ２２　レンズ ２３　光検出器 ２５１７４波長板 ２６　ミラー ２７　偏光板 ２８　レンズ ２９　光検出器 ３２　対物レンズ ３３　被測定物 ３４　表面 ３５　駆動源 ３６　移動テーブル５２　計測装置 ６８　マイクロコンピュータ（データ処理手段）６９　
　ＲＯＭ ７０　　ＲＡＭ ７１　駆動制御回路 ７２　デイスプレィ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同一の光源から出射された互いに周波数が異なる計
   測ビームと参照ビームとを用いて、該計測ビームを対物
   レンズにより被測定物の表面に集光させると共に該表面
   で反射された反射光と前記参照ビームとを干渉させ、該
   干渉光を光センサに入射させることにより計測ビート信
   号を取り出し、該計測ビート信号の周波数変化や位相変
   化に基づいて、測定方向への被測定物との間の相対移動
   を伴って測定を行なう光ヘテロダイン干渉測定装置にお
   いて、 測定方向への被測定物との間の相対移動を狭い範囲にわ
   たり行い測定した狭走査範囲測定データを複数且つ重な
   り合うように得て、該重なり合う複数の狭走査範囲測定
   データを重複部分でのデータ整合をとることにより、任
   意の走査範囲の測定データに変換するデータ処理手段を
   備えることを特徴とするパターン・マッチング型光ヘテ
   ロダイン干渉測定装置。