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JP5412959B2 - Optical applied measuring equipment - Google Patents

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JP5412959B2
JP5412959B2 JP2009129962A JP2009129962A JP5412959B2 JP 5412959 B2 JP5412959 B2 JP 5412959B2 JP 2009129962 A JP2009129962 A JP 2009129962A JP 2009129962 A JP2009129962 A JP 2009129962A JP 5412959 B2 JP5412959 B2 JP 5412959B2
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  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、光を用いて物体の表面形状などの物理特性を計測する光応用計測装置に関するものである。   The present invention relates to an optical applied measurement apparatus that measures physical properties such as the surface shape of an object using light.

縞を解析することにより、物体の変位や表面の形状を計測する各種の技術が存在する。2光束干渉計、格子パターン投影表面形状測定機などである。2光束干渉計は、古くから精密計測の要の手法として利用されており、また格子パターン投影表面形状測定機も自動車、半導体、飛行機などの形状計測技術として広く普及してきている。   There are various techniques for measuring the displacement of the object and the shape of the surface by analyzing the fringes. A two-beam interferometer, a grating pattern projection surface shape measuring machine, and the like. The two-beam interferometer has long been used as an essential technique for precision measurement, and a lattice pattern projection surface shape measuring machine has been widely used as a shape measuring technique for automobiles, semiconductors, airplanes, and the like.

2光束干渉計は、2光束の分岐のさせ方に数え切れないほどのバリエーションがあるが、基本的に2光束を干渉させるという意味では共通なのでここでは分岐のさせ方については問題としない。その他のバリエーションとしては低コヒーレンス干渉計と高コヒーレンス光を用いた干渉計(一般的な言葉ではないが以下では高コヒーレンス干渉計と呼ぶ)に分けて考えることができる。低コヒーレンス干渉計は、干渉させる2光束の光路(一つ一つを以下では腕と呼ぶことにする)の光路長が一致したときに現れるいわゆる0次の干渉縞を検出することで、急峻で大きな起伏のある物体の表面形状や物体内部の層間間隔の計測などに利用されている。高コヒーレンス干渉計は、レンズ表面のように段差のないなだらかな曲面や平坦な物体の計測に用いられる。構造上の大きな違いは低コヒーレンス干渉計では2つの腕の光路長が同じでなければならず、高コヒーレンス干渉計は2つの腕は必ずしも等光路長である必要はない。コヒーレンス度が高ければ何十mも差があっても干渉縞を観測することができる。   The two-beam interferometer has numerous variations in how to split the two light beams, but is basically common in the sense of causing the two light beams to interfere with each other. Other variations can be divided into a low-coherence interferometer and an interferometer using high-coherence light (which is not a general term, but is hereinafter referred to as a high-coherence interferometer). A low-coherence interferometer detects a so-called zeroth-order interference fringe that appears when the optical path lengths of two light beams that interfere with each other (each of which will be referred to as an arm hereinafter) coincide with each other. It is used to measure the surface shape of objects with large undulations and the interlayer spacing inside objects. The high coherence interferometer is used for measuring a smooth curved surface or a flat object having no step like the lens surface. The major difference in structure is that the optical path lengths of the two arms must be the same in the low coherence interferometer, and the two arms do not necessarily have the same optical path length in the high coherence interferometer. If the degree of coherence is high, interference fringes can be observed even if there is a difference of tens of meters.

低コヒーレンス干渉計は、腕の一方の光路長を変化させて、2つの腕の光路長が正確に一致する位置を0次の干渉縞から求める手法である。図9にマイケルソン干渉計を用いた低コヒーレンス干渉計の構造を示す。Zテーブル116を用いて一方の腕の光路長を変化させながらCCDカメラ108の、ある画素の値を観測すると図2のような波形が観測される。両腕の光路長が等しくなる付近で干渉縞が発生し激しく振動している。振動振幅(干渉振幅)の最大の位置が求めるべき等光路長の位置、0次干渉の位置である。0次干渉の位置をすべての画素について求めれば物体の表面形状を求めることができる。   The low coherence interferometer is a technique for obtaining a position where the optical path lengths of two arms are exactly the same from the zeroth-order interference fringes by changing the optical path length of one arm. FIG. 9 shows the structure of a low coherence interferometer using a Michelson interferometer. When the value of a certain pixel of the CCD camera 108 is observed while changing the optical path length of one arm using the Z table 116, a waveform as shown in FIG. 2 is observed. Interference fringes are generated in the vicinity of the equal optical path lengths of both arms and vibrates violently. The maximum position of the vibration amplitude (interference amplitude) is the position of the equal optical path length to be obtained and the position of the zeroth order interference. The surface shape of the object can be determined by determining the position of the zero-order interference for all pixels.

高コヒーレンス干渉計は、コヒーレント長が長いから一方の腕を変化させても干渉の振幅はほとんど変化せず、図10のような波形が観測される。この場合0次干渉縞を特定することは不可能であるから物体表面の絶対位置を特定することはできないが、縞一本に相当する光路差であるλ/2のレンジで、Aの画素はBの画素より何nm高いといった形で相対的に表面形状を求めることができる。具体的には、一方の腕を数回規定量変化させて、少なくとも3枚の縞がシフトしたデータを得て、それらのデータから縞の初期位相を各画素毎に求めることで実現される。位相が表面形状高さに比例している。このような手法は縞走査法あるは位相シフト法と呼ばれる。以下では位相シフト法と称する。   Since the high coherence interferometer has a long coherence length, the amplitude of interference hardly changes even if one arm is changed, and a waveform as shown in FIG. 10 is observed. In this case, it is impossible to specify the zeroth-order interference fringe, so the absolute position of the object surface cannot be specified. However, in the range of λ / 2, which is the optical path difference corresponding to one fringe, the pixel A is The surface shape can be obtained relatively in the form of how many nm higher than the B pixel. Specifically, it is realized by changing one arm several times a predetermined amount, obtaining data in which at least three stripes are shifted, and obtaining the initial phase of the stripe for each pixel from those data. The phase is proportional to the surface shape height. Such a method is called a fringe scanning method or a phase shift method. Hereinafter, it is referred to as a phase shift method.

格子パターン投影法は、光の波としての干渉現象を用いるわけではなく、たとえば透過率あるいは反射率が周期的に変化して縞状になったパターンの像を照明光源とレンズを用いて物体の表面上に投影する手法である。縞を斜め方向から物体に投影して、投影方向とは異なる方向から縞を観察すると物体の起伏に応じて縞が歪んで観測される。縞の歪みに物体の起伏情報が含まれていることになるので、2光束干渉計とは原理的には異なるが同じように縞の位相を求めることで物体の表面形状高さを計測することが可能になる。具体的には高コヒーレンス干渉計と同様に縞を規定量シフトさせて位相を求める位相シフト法をもちいて実現される。   The grid pattern projection method does not use the interference phenomenon as a wave of light. For example, an image of an object that is striped by periodically changing the transmittance or reflectivity of an object using an illumination light source and a lens is used. This is a method of projecting onto the surface. When a stripe is projected onto an object from an oblique direction and the stripe is observed from a direction different from the projection direction, the stripe is distorted and observed according to the undulation of the object. Since the undulation information of the object is included in the fringe distortion, the surface shape height of the object is measured by obtaining the phase of the fringe in the same way, although it is different in principle from the two-beam interferometer. Is possible. Specifically, it is realized by using a phase shift method for obtaining a phase by shifting a fringe by a specified amount as in the high coherence interferometer.

以上簡単に従来の干渉計および格子パターン投影法の得失を解説したが、詳しくはたとえば非特許文献1に述べられている。
吉澤徹編著「最新光三次元計測」朝倉書店、2006年
Although the advantages and disadvantages of the conventional interferometer and grating pattern projection method have been briefly described above, details are described in Non-Patent Document 1, for example.
Edited by Toru Yoshizawa, “Latest 3D optical measurement”, Asakura Shoten, 2006

これらの手法の、課題の一つは、計測の高速性である。近年、精密計測を生産工程中であるいは加工マシン上で実施する、インライン計測あるいはオンマシン計測が普及してきている。これらの計測においては精度のみでなく、それ以上に速度が重要であることは言を俟たない。特に非常に汎用性が高く重要な測定法である低コヒーレンス干渉計測法は、非常に多くのデータを必要とし、計測時間が著しくかかる典型的な手法である。   One of the challenges of these methods is the high speed of measurement. In recent years, in-line measurement or on-machine measurement in which precision measurement is performed in a production process or on a processing machine has become widespread. Needless to say, speed is more important than just accuracy in these measurements. In particular, the low-coherence interferometry, which is an extremely versatile and important measurement method, is a typical method that requires a great deal of data and takes a considerable amount of measurement time.

一般に、デジタルデータ入力のためにはサンプリング定理に従う必要がある。サンプリング定理によれば最高周波数の少なくとも倍の周波数でサンプリングをする必要がある。つまり図2の一回の明暗の変化内で2回以上データをとらなければならない、一回の明暗がλ/2であるから、λ=550nmとして130nm以下の間隔でデータをとる必要がある。一般的には精度を重視して数十nm間隔でサンプリングされることが多い。100nmと考えても100μm程度を計測するためには1000点を超えるデータが必要となる。これでは高速な計測は難しい。   In general, it is necessary to follow the sampling theorem for digital data input. According to the sampling theorem, it is necessary to sample at a frequency at least twice the maximum frequency. That is, data must be taken twice or more within one change of light and dark in FIG. 2. Since one light and dark is λ / 2, it is necessary to take data at intervals of 130 nm or less with λ = 550 nm. In general, sampling is often performed at intervals of several tens of nanometers with an emphasis on accuracy. Even if it is considered to be 100 nm, in order to measure about 100 μm, data exceeding 1000 points is required. This makes high-speed measurement difficult.

近年、高速化のために一般的なサンプリング定理を満たさない粗い間隔でデータをとっても、もとの波形を復元することができる手法が開発され実用化されている。低コヒーレンス干渉の波形は、一般波形と異なり、高周波成分が制限されているだけでなく、低周波成分も制限されているいわゆる峡帯域波形であるから、一般的なサンプリング定理を満たしていなくても元の波形を復元することができるのである。   In recent years, a technique capable of restoring the original waveform even if data is taken at a rough interval that does not satisfy a general sampling theorem for speeding up has been developed and put into practical use. Unlike the general waveform, the low coherence interference waveform is a so-called gorgeous band waveform that not only restricts high-frequency components but also restricts low-frequency components, so even if it does not satisfy the general sampling theorem The original waveform can be restored.

このような高速手法であっても現実的にはなかなか精度を保ちながら十分な高速化を実現することは難しいのが実情である。実際の計測においては、一方の腕の光路長を連続的に変化させながらある間隔、例えば100nm間隔毎にデータを取得することになるが、表面形状計測の場合データとしては画像であり、CCDあるいはCMOS等の2次元検出器を使用することになり、これら2次元検出器で画像を得る場合はある程度の露光時間(シャッター時間)を確保する必要があるが、露光時間中に光路長が大きく移動すると、良いサンプル値が得られなくなる。例えば、極端な場合露光時間中に明暗一周期分移動したとすると、干渉縞がえられないのと同等となってしまい計測不可能なる。そこまで行かないにしても、平滑化の効果でコントラストが低下してしまい、好ましくない。逆に露光時間を小さくしてしまうと十分なS/Nを持った信号光が得られないためやはり精度、信頼性的にも好ましくない。結局は、高速化により精度の低下を招くか、または、移動速度を低くして低速で計測をすることになる。   In reality, even with such a high-speed method, it is difficult to realize sufficient speedup while maintaining accuracy. In actual measurement, data is acquired at a certain interval, for example, every 100 nm while continuously changing the optical path length of one arm, but in the case of surface shape measurement, the data is an image, and the CCD or When two-dimensional detectors such as CMOS are used, and it is necessary to secure a certain exposure time (shutter time) when images are obtained with these two-dimensional detectors, the optical path length moves greatly during the exposure time. Then, a good sample value cannot be obtained. For example, in an extreme case, if it is moved by one period of light and dark during the exposure time, the interference fringes are not obtained and measurement is impossible. Even if it does not go so far, the contrast is lowered due to the smoothing effect, which is not preferable. Conversely, if the exposure time is reduced, signal light having a sufficient S / N cannot be obtained, which is also not preferable in terms of accuracy and reliability. Eventually, the increase in speed causes a decrease in accuracy, or the movement speed is lowered and the measurement is performed at a low speed.

高コヒーレンス干渉法に関しては、通常縞の位相を機械的にシフトさせた、それぞれ時間的にずれのある3枚以上の画像を用いるが、偏光を利用して位相がシフトした3枚の画像を同時に得ることができるリアルタイム位相シフト干渉計が提案されている。しかしながら、格子パターン投影法においてはそのような高速化手法がないのが実情である。   For high coherence interferometry, usually use three or more images that are mechanically shifted in the phase of fringes, each shifted in time, but simultaneously use three images that are shifted in phase using polarized light. Real time phase shift interferometers have been proposed that can be obtained. However, the fact is that there is no such speed-up method in the lattice pattern projection method.

本発明は、このような高速化の課題の解決を与えるものである。   The present invention provides a solution to the problem of speeding up.

この課題を解決するために、
強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を直線偏光化し、その偏光方位を変化させる直線偏光変化手段と、
前記直線偏光変化手段を通過した光を少なくとも2つの異なる直線偏光成分に分割する検光手段と、
分割された入射光のそれぞれを受光し、光量に応じて光電変換し、電気信号として出力する、同期した動作を行う少なくとも2つの蓄積型検出器と、
前記蓄積型検出器から出力された複数の信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記直線偏光変化手段および検光手段の組み合わせによる透過率の変化周波数とを近い値とし、前記蓄積型検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を露光蓄積し得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期的変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施するように光応用計測装置を構成する。
To solve this challenge,
Periodic change signal light generating means for generating signal light whose intensity periodically changes on the time axis;
Linearly polarized light changing means for linearly polarizing the periodic change signal light and changing the polarization direction thereof;
Analyzing means for dividing the light that has passed through the linearly polarized light changing means into at least two different linearly polarized light components;
Receiving each of the divided incident light, photoelectrically converting it according to the amount of light, and outputting it as an electrical signal, at least two storage-type detectors performing synchronized operations;
An analysis device that analyzes a plurality of signals output from the storage type detector,
The frequency of the periodic change signal light and the change frequency of the transmittance due to the combination of the linearly polarized light changing means and the detecting means are close to each other, and the accumulation type detector uses at least one period of the periodic change signal light. The optical application is performed so as to perform periodic change signal light analysis processing for calculating a value and / or phase proportional to the amplitude of the periodic change signal light from the plurality of electrical signals obtained by exposing and storing the light. Configure the measuring device.

前記蓄積型検出器を、2次元のアレイ状に検出器が配列された蓄積型画像検出器とし、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されるようにすることもできる。   The storage type detector is a storage type image detector in which detectors are arranged in a two-dimensional array, and the periodic change signal light analysis process is performed for each pixel of the image by the analysis device. You can also.

前記検光手段を、前記蓄積型画像検出器の各画素毎に取り付け、隣接する画素が異なる偏光方向の光を受光するようにすることもできる。   The light detection means may be attached to each pixel of the storage type image detector so that adjacent pixels receive light of different polarization directions.

または、強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を受光し光量に応じて光電変換して得られる信号と、自身で生成あるいは外部から与えられる位相の異なった少なくとも2種類の基底電気信号との積に比例する信号を出力する少なくとも2つの相関検出器と、
前記複数の相関検出器から出力された信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記基底電気信号の変化周波数とを近い値とし、前記相関検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を相関検出して得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施するように光応用計測装置を構成する。
Alternatively, a periodic change signal light generating means for generating signal light whose intensity periodically changes on the time axis,
A signal proportional to the product of a signal obtained by receiving the periodic change signal light and performing photoelectric conversion according to the amount of light, and at least two types of base electrical signals having different phases, which are generated by themselves or given from the outside, is output. At least two correlation detectors;
An analysis device that analyzes signals output from the plurality of correlation detectors,
The frequency of the periodic change signal light and the change frequency of the base electrical signal are close to each other, and a plurality of electrical signals obtained by correlation detection of signal light of at least one period of the periodic change signal light by the correlation detector. The optical applied measurement apparatus is configured to perform a period change signal light analysis process in which a value and / or a phase proportional to the amplitude of the period change signal light is calculated from the signal by the analysis apparatus.

前記相関検出器を、2次元のアレイ状に検出器が配列された相関画像検出器とし、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されるようにすることもできる。   The correlation detector may be a correlation image detector in which detectors are arranged in a two-dimensional array, and the periodic change signal light analysis processing may be performed for each pixel of the image by the analysis device. it can.

前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの光を2分岐して参照鏡からの反射光と物体から反射光を重ねあわせて干渉させる2光束干渉計と、
2つの光路のうち、少なくとも一方の光路長を変更可能な光路長変化手段とにより構成され、
光路長変化手段による定速の光路長変化により干渉の強度値を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成するように光応用計測装置を構成する。
The period change signal light generating means includes:
A two-beam interferometer that bifurcates the light from the light source and causes the reflected light from the reference mirror and the reflected light from the object to interfere with each other;
An optical path length changing means capable of changing at least one of the two optical paths, and
The optical applied measurement device is configured to generate the periodically changing signal light by periodically changing the intensity value of interference by changing the optical path length at a constant speed by the optical path length changing means.

前記光源は低コヒーレントな光を射出する光源であり、前記2光束干渉計の2つの光路の光路長はほぼ等しい等光路長干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させながら前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を複数回繰り返し、2つの光路が正確に等光路長となる位置を検出することで対象物体表面の起伏形状を求めるようにする。   The light source is a light source that emits low-coherent light, is an equal optical path length interferometer in which two optical paths of the two-beam interferometer are substantially equal, and the optical path length of one optical path is changed by the optical path length changing means. The undulating shape of the surface of the target object is obtained by detecting the position where the two optical paths are exactly equal in optical path length by repeating the periodic change signal light analysis process a plurality of times while changing at a constant speed. .

前記周期変化信号光解析処理は、2つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、3回から10回程度となるよう間隔をあけて実施し、2つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅が最大となる位置を、補間法によって前記間隔より細かい分解能で求めるようにして高速化する。   The period-change signal light analysis processing is performed at intervals so as to be about 3 to 10 times in the interference section observed near the position where the optical path lengths of the two optical paths are equal, and the optical paths of the two optical paths. The position where the lengths coincide with each other is speeded up by obtaining the position where the amplitude obtained by the periodic change signal light analysis processing is maximized with a resolution smaller than the interval by an interpolation method.

前記周期変化信号光解析処理は、2つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、3回から10回程度となるよう間隔をあけて実施し、2つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅と位相を用いて、振幅が最大でかつ前記周期変化信号光をCos波とみなした場合の位相が2π・n(nは整数)である位置を求めるようにして高速化しても良い。
The period-change signal light analysis processing is performed at intervals so as to be about 3 to 10 times in the interference section observed near the position where the optical path lengths of the two optical paths are equal, and the optical paths of the two optical paths. The position where the lengths exactly match is determined by using the amplitude and phase obtained by the periodic change signal light analysis processing, and the phase when the amplitude is maximum and the periodic change signal light is regarded as a Cos wave is 2π · n ( The speed may be increased by obtaining a position where n is an integer .

あるいは、前記光源は高コヒーレントな光を射出する光源であり、前記2光束干渉計の、2つの光路の光路長は必ずしも等光路長ではない干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めるようにする。   Alternatively, the light source is a light source that emits highly coherent light, and the optical path lengths of the two optical paths of the two-beam interferometer are not necessarily equal optical path lengths, and one of the optical paths is changed by the optical path length changing means. The period change signal light analysis process is performed by the analysis device while changing the optical path length at a constant speed, and the undulation shape of the surface of the target object is obtained from the calculated phase information.

このとき、前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの照明光を格子縞パターンとして物体に投影する格子パターン投影機と、
投影される格子パターンを連続的にシフトさせる位相シフト機構とにより構成され、
位相シフト機構による定速の格子パターン位相のシフトにより、対象物体上の各点の輝度を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成する機能を有するように光応用計測装置を構成する。
At this time, the period change signal light generating means is
A light source, and a lattice pattern projector that projects illumination light from the light source onto the object as a checkered pattern;
A phase shift mechanism that continuously shifts the projected grating pattern, and
The optical applied measurement device is configured to have a function of generating periodically changing signal light by periodically changing the brightness of each point on the target object by shifting the lattice pattern phase at a constant speed by the phase shift mechanism.

前記位相シフト機構により格子縞パターンを定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めるように光応用計測装置を構成することもできる。   An optical applied measurement device is used to change the lattice fringe pattern at a constant speed by the phase shift mechanism and perform the periodic change signal light analysis processing by the analysis device, and obtain the undulation shape of the target object surface from the calculated phase information. It can also be configured.

以上のように構成することで、高速性に優れた光応用計測装置が実現できる。   By configuring as described above, it is possible to realize an optical applied measuring device excellent in high speed.

以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。   In the following, embodiments that are considered to be the best for concrete implementation of the present invention will be described.

まず、本発明を具現化した実施形態の第一の例を、図1を参照して説明する。   First, a first example of an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIG.

光源101は、放電タイプあるいはフィラメントタイプの広帯域光源あるいはLED、またはコヒーレント長の短い比較的帯域幅の広いレーザであり、帯域幅をコントロールするために帯域フィルタ102を有している。帯域フィルタ102により帯域がコントロールされた照明光は、ハーフミラー103によって対物レンズ104方向へ向かい、対物レンズ104を通過して物体106方向に照射される。対物レンズ104と物体106との間にあるハーフミラー105により照明光は物体方向と参照ミラー107方向に分けられ、それぞれで反射してきた光が再びハーフミラー105によって重ね合わされ再び対物レンズ104を通過し、ハーフミラー103を透過して蓄積型画像検出器であるCCDカメラ108の方へ向かう。   The light source 101 is a discharge type or filament type broadband light source or LED, or a laser having a relatively wide bandwidth and a short coherent length, and has a band filter 102 for controlling the bandwidth. The illumination light whose band is controlled by the band filter 102 is directed toward the objective lens 104 by the half mirror 103, passes through the objective lens 104, and is irradiated toward the object 106. The illumination light is divided into the object direction and the reference mirror 107 direction by the half mirror 105 between the objective lens 104 and the object 106, and the light reflected by each of them is again superimposed by the half mirror 105 and passes through the objective lens 104 again. Then, the light passes through the half mirror 103 toward the CCD camera 108 which is a storage type image detector.

CCDカメラ108は2台用意されている。ハーフミラー109によりCCDカメラ108へ入射する光を分岐することで光学的にはどちらも同一位置と見なせるように配置されている。それぞれのCCDカメラ108a、108bの前には偏光フィルタ(以下検光子と称する)110a、110bが配置され、2台のCCDカメラ108a、108bはそれぞれに対しπ/4異なる偏光成分を受光するように構成されている。ハーフミラー109は偏光に関係なく、光の強度を2等分するだけの機能を持つ無偏光ハーフミラーである。   Two CCD cameras 108 are prepared. By splitting the light incident on the CCD camera 108 by the half mirror 109, both are optically arranged so that they can be regarded as the same position. Polarizing filters (hereinafter referred to as analyzers) 110a and 110b are arranged in front of the CCD cameras 108a and 108b, respectively, so that the two CCD cameras 108a and 108b receive π / 4 different polarization components. It is configured. The half mirror 109 is a non-polarization half mirror having a function of only dividing light intensity into two regardless of polarization.

ハーフミラー103とハーフミラー109の間には、回転直線偏光を生成する機構が挿入されている。
偏光フィルタ(以下偏光子と称する)111により直線偏光とし、その後λ/4位相差板112により円偏光とし、さらにもう一枚のλ/4位相差板113をベアリング中空部に配置して内側軌道輪(以下内輪と称する)をモータ114により回転させて、回転する直線偏光を得ている。
A mechanism for generating rotating linearly polarized light is inserted between the half mirror 103 and the half mirror 109.
A polarization filter (hereinafter referred to as a polarizer) 111 converts the light into linearly polarized light, and then a λ / 4 retardation film 112 converts it into circularly polarized light. Further, another λ / 4 retardation film 113 is arranged in the bearing hollow portion to form an inner track. A ring (hereinafter referred to as an inner ring) is rotated by a motor 114 to obtain rotating linearly polarized light.

回転直線偏光を生成する機構も色々と考えられる。もっとも単純な実現方法は、偏光板を回転させる手法である。先ほどと同様にベアリングの中空部に偏光板を取り付け、内輪をモータにより回転させることで実現できる。ただしこの場合は、偏光板への入射光が完全に無偏光状態であれば良いが、偏光していると偏光の方向によって透過光強度が変化してしまう。先の例では、偏光方向の変化により透過強度が変化してしまうことはない。   Various mechanisms for generating rotating linearly polarized light are also conceivable. The simplest realization method is a method of rotating the polarizing plate. As before, it can be realized by attaching a polarizing plate to the hollow part of the bearing and rotating the inner ring by a motor. However, in this case, it is sufficient that the incident light to the polarizing plate is completely unpolarized, but if it is polarized, the transmitted light intensity changes depending on the direction of polarization. In the previous example, the transmission intensity does not change due to the change in the polarization direction.

あるいは、偏光子により直線偏光化した光を、液晶などの旋光性を有する電気光学素子を用いて電気的に回転させることも可能である。偏光の方位を、ある方位から直交する方位へと変化させ、またもとの方位へ変化させる動作を繰り返せば、回転直線偏光と同じことになる。   Alternatively, light linearly polarized by a polarizer can be electrically rotated using an electro-optical element having optical activity such as liquid crystal. If the operation of changing the azimuth of polarized light from a certain azimuth to an orthogonal azimuth and changing it to the original azimuth is repeated, it becomes the same as rotating linearly polarized light.

変化する偏光方位の速度は角速度ωで表すことができ、角速度ωで回転する直線偏光が2つのCCDカメラ108a、108b前面の検光子110a、110bを透過する透過率の変化はπ/2の位相差を持つ正弦波K(1+Cos(2ωt))、K(1+Sin(2ωt))で表すことができる。ここにtは時間を、Kは偏光素子の特性によって決まる実透過率に合わせるための係数を示している。Kは固定値である。   The speed of the changing polarization azimuth can be expressed by an angular speed ω, and the change in transmittance through which linearly polarized light rotating at the angular speed ω passes through the analyzers 110a and 110b in front of the two CCD cameras 108a and 108b is about π / 2. It can be expressed by a sine wave K (1 + Cos (2ωt)) and K (1 + Sin (2ωt)) having a phase difference. Here, t represents time, and K represents a coefficient for adjusting to the actual transmittance determined by the characteristics of the polarizing element. K is a fixed value.

物体106は、光軸方向へ移動可能なZテーブル116上に載っており、Zテーブル116の移動によりハーフミラー103によって分けられた2つの腕の光路長差を変化させることが可能である。Zテーブル116を移動させることでハーフミラー103により重ね合わされCCDカメラ108に向かう反射光が干渉する。両腕からの光の位相差が0あるいは波長λの倍数n・λ(nは整数)であれば正の干渉で強め合い、位相差が半波長λ/2あるいは半波長+波長の倍数(1/2+n)λずれていれば負の干渉で弱め合う。Zテーブル116を一定速度で移動させると、位相差が連続的に変化することになるから正の干渉と負の干渉が移動量λ/2(位相差は移動量の倍)の周期で繰り返す振動波形が得られることになる。Zテーブル116の移動速度をvとすれば、信号光の強度はa+b×Cos(4πvt/λ+φ)と表される。ここに、aは干渉が無い(しない)場合の光強度であり、bは振動振幅(いわゆる干渉縞のビジビリティ)を表している。φは初期位相であり物体の起伏に応じて位置(XY座標値)によって異なる値を持つ。   The object 106 is placed on the Z table 116 that can move in the optical axis direction, and the optical path length difference between the two arms separated by the half mirror 103 can be changed by the movement of the Z table 116. By moving the Z table 116, the reflected light directed to the CCD camera 108 interferes with the half mirror 103. If the phase difference of light from both arms is 0 or a multiple of wavelength λ n · λ (n is an integer), it is strengthened by positive interference, and the phase difference is half wavelength λ / 2 or half wavelength + multiple of wavelength (1 / 2 + n) If they are shifted by λ, they are weakened by negative interference. When the Z table 116 is moved at a constant speed, the phase difference continuously changes, so that positive interference and negative interference repeat with a period of movement amount λ / 2 (the phase difference is twice the movement amount). A waveform will be obtained. If the moving speed of the Z table 116 is v, the intensity of the signal light is expressed as a + b × Cos (4πvt / λ + φ). Here, a represents the light intensity when there is no interference (does not), and b represents the vibration amplitude (so-called interference fringe visibility). φ is an initial phase, and has a different value depending on the position (XY coordinate value) according to the undulation of the object.

ここで、Zテーブル116の速度および回転直線偏光の回転速度(角速度)を調節してω=2πv/λとすれば、CCDカメラそれぞれで得られる信号V1およびV2は、(a+b×Cos(2ωt+φ))×K(1+Cos(2ωt))と(a+b×Cos(2ωt+φ))×K(1+Sin(2ωt))とをそれぞれ露光時間Δt積分した以下の式となる。   Here, if the speed of the Z table 116 and the rotational speed (angular speed) of the rotating linearly polarized light are adjusted to be ω = 2πv / λ, the signals V1 and V2 obtained by the CCD cameras are (a + b × Cos (2ωt + φ) ) × K (1 + Cos (2ωt)) and (a + b × Cos (2ωt + φ)) × K (1 + Sin (2ωt)) are respectively obtained by integrating the exposure time Δt.

また、露光時間Δtを適切に選んで2ωΔt=2π・nとなるようにすればSin(n・2ωt)、Cos(n・2ωt)の積分は0となり、結局以下のように表すことができる。   If the exposure time Δt is appropriately selected so that 2ωΔt = 2π · n, the integration of Sin (n · 2ωt) and Cos (n · 2ωt) becomes 0, and can be expressed as follows.

さらにKaΔtが別に何らかの形で得られるとすれば、得られた信号値V1,V2からそれぞれKaΔtを引くことで、bおよびφの値は以下の式により簡単に求めることができる。   Further, if KaΔt can be obtained in some form, the values of b and φ can be easily obtained by subtracting KaΔt from the obtained signal values V1 and V2, respectively.

今、ある程度帯域の広い帯域フィルタ102により図2のようないわゆる低コヒーレンス干渉波形が得られる場合を考えてみる。この場合、波長λを帯域の中心(重心)波長と考え、0次の干渉位置から離れるほど、コヒーレンスが低下することにより減衰するモデルで考えることができる。この場合、0次の干渉位置から十分離れ振動波形が現れない位置(すなわちコヒーレント長を超える光路長差がある領域)では、振動波形の振幅を表すbは0であるから、直接KaΔtの値が得られることになる。KaΔtの値が得られれば上記の式から振動振幅bの値あるいは初期位相φを求めることができることになる。   Consider a case where a so-called low coherence interference waveform as shown in FIG. In this case, the wavelength λ is considered as the center (center of gravity) wavelength of the band, and can be considered as a model that attenuates as the coherence decreases as the distance from the zeroth-order interference position increases. In this case, at the position where the vibration waveform does not appear sufficiently away from the 0th-order interference position (that is, the region where the optical path length difference exceeds the coherent length), b representing the amplitude of the vibration waveform is 0, so the value of KaΔt is directly Will be obtained. If the value of KaΔt is obtained, the value of the vibration amplitude b or the initial phase φ can be obtained from the above formula.

今、KaΔtは既に得られているものとすれば、図2にv・Δtで示すような数周期の振動分を露光して得られるV1、V2を用いてその位置での振動振幅bを求めることができる。振動振幅は露光時間内で一定ではないが、その露光範囲内での平均のbが得られると考えることができる。   Assuming that KaΔt has already been obtained, the vibration amplitude b at that position is obtained using V1 and V2 obtained by exposing vibrations of several cycles as shown by v · Δt in FIG. be able to. Although the vibration amplitude is not constant within the exposure time, it can be considered that an average b within the exposure range is obtained.

図3は、このようにして得られる図2の振動波形の局所振幅b(z)の値の変化を描いたものである。
例えば、図3の黒丸ように一定間隔でbの値を求めていけば、その最大値を示す位置がほぼ0次の干渉位置であるとわかる。さらに、補間法を用いれば最大位置をより精度良く推定することもできる。例えば、bの最大の値b(z0)とその前後の値b(z1)、b(z−1)の3点からガウス関数にフィッティングして最大位置Zpeakを推定することを考えると以下のように計算することができる。
FIG. 3 depicts a change in the value of the local amplitude b (z) of the vibration waveform of FIG. 2 obtained in this way.
For example, if the value of b is obtained at regular intervals as indicated by the black circles in FIG. Furthermore, the maximum position can be estimated with higher accuracy by using the interpolation method. For example, considering that the maximum position Zpeak is estimated by fitting a Gaussian function from three points of the maximum value b (z0) of b and values b (z1) and b (z-1) before and after the maximum value b (z0) as follows. Can be calculated.

低コヒーレンス干渉計測は先に述べたように高速化が難しいが、このような手法を用いれば、大幅な高速化が可能になる。例えば、コヒーレント長30μmの照明光を使用した場合を考えてみる。正確ではないがここではコヒーレント長が図3の山の、裾野の長さに相当すると考えることにする。このコヒーレント長内で最低3点のbの値が得られれば(数4)より0次干渉の位置を求めることができるから、10μm間隔で値を取得すればよい、しかも露光中に振動波形が変化するのが前提であるから、Zテーブル116を高速で移動しても十分露光時間をとることができる。   As described above, it is difficult to increase the speed of low-coherence interferometry, but if such a method is used, it is possible to significantly increase the speed. For example, consider a case where illumination light having a coherent length of 30 μm is used. Although it is not accurate, it is assumed here that the coherent length corresponds to the length of the bottom of the mountain in FIG. If b values of at least three points within this coherent length can be obtained, the position of the zeroth order interference can be obtained from (Equation 4), and values can be obtained at intervals of 10 μm, and vibration waveforms can be generated during exposure. Since it is premised on a change, a sufficient exposure time can be taken even if the Z table 116 is moved at a high speed.

例えば100μmの計測範囲を計測するのには、十数枚程度の画像の取得だけでことたりるから、30フレーム/秒のフレームレートの、通常のTVカメラを用いたとしても、データ取得のためにわずか0.4s程度しか必要としない。従来手法に比較すれば桁違いの高速化が可能となる。   For example, to measure a measurement range of 100 μm, it is only necessary to acquire about a dozen images, so even if a normal TV camera with a frame rate of 30 frames / second is used, data acquisition is possible. Only about 0.4 s is required. Compared with the conventional method, the speed can be increased by an order of magnitude.

振動波形の振幅bだけでも前記のように0次干渉位置を特定できるが、位相を考慮すればさらに高精度な計測が可能になる。0次の干渉位置は、正の干渉が最大の位置であるから位相は特定されている。すなわちCos波で考えるとφ=2π・nの位置である。bの値から概略の0次干渉位置を推定し、その近辺で上記を満たす位相を与える位置を最終結果とすればさらに精度が上がると考えられる。   As described above, the zero-order interference position can be specified only by the amplitude b of the vibration waveform, but more accurate measurement is possible if the phase is taken into consideration. The phase of the zeroth-order interference position is specified because positive interference is the maximum position. That is, the position is φ = 2π · n in terms of Cos wave. If a rough zero-order interference position is estimated from the value of b and a position that gives a phase that satisfies the above condition is used as the final result, the accuracy can be further improved.

ここでは、検出器としてCCDカメラを想定したが、蓄積型検出器であればなんでもよい。2次元検出器である必要さえなく、いわゆるラインセンサと呼ばれる1次元検出器でも良いし、1点のみを検出する0次元検出器であっても良い。   Although a CCD camera is assumed here as a detector, any detector may be used as long as it is a storage type detector. There is no need to be a two-dimensional detector, and a one-dimensional detector called a so-called line sensor may be used, or a zero-dimensional detector that detects only one point may be used.

また、Zテーブル116により物体106を移動させることを考えたが、対物レンズ104のNAが小さくデフォーカスが大きく問題にならないのであれば、参照ミラー107を移動させる構造としても良い。また、干渉計をマイケルソンタイプとしているが、ミロー干渉計であってもリニック干渉計であっても良い。低コヒーレンス干渉計として機能する干渉計であれば何でも良い。検出器の数や、補間演算の方法などもここでは一例を示しただけであり、他の手法であっても良い。   Further, although the object 106 is moved by the Z table 116, the reference mirror 107 may be moved if the NA of the objective lens 104 is small and defocusing is not a big problem. Moreover, although the interferometer is a Michelson type, it may be a Miro interferometer or a linic interferometer. Any interferometer that functions as a low coherence interferometer may be used. The number of detectors, the method of interpolation calculation, and the like are only shown here, and other methods may be used.

次に、帯域フィルタ102を著しく絞って、あるいは、コヒーレンシイの高いレーザを用いて高コヒーレンス干渉計とした場合を考えてみる。高コヒーレンス干渉計では0次の干渉位置は求められないが、初期位相を求めることにより相対計測が可能であることは先に述べた通りである。低コヒーレンス干渉では、広い計測レンジに渡り、ある間隔毎に振動波形の振幅・位相を求めたが、高コヒーレンス干渉では、初期位相を求めるだけでよい(逆に言えばそれしかできない)から、わずか1回の計測のみで良い。   Next, let us consider a case where the band-pass filter 102 is significantly narrowed or a high coherence interferometer is formed by using a laser having high coherency. As described above, the high-coherence interferometer cannot obtain the zeroth-order interference position, but can obtain the relative measurement by obtaining the initial phase. With low coherence interference, the amplitude and phase of the vibration waveform were obtained at certain intervals over a wide measurement range, but with high coherence interference, it is only necessary to obtain the initial phase (in other words, only that is possible). Only one measurement is required.

低コヒーレンス干渉のときと同様にZテーブル116を移動し初期位相を求めれば良いわけであるが、この場合は、前記のaΔtに相当する値はわからないから、低コヒーレンス干渉のときと同様の計算手法では初期位相は求められない。この場合は、検出器は少なくとも3台必要となる。例えば、図4に示すように1:2の強度比に光を分割する光学素子401とハーフミラー109とを組み合わせて、強度が1/3ずつにわかれるように構成し、それぞれ異なる偏光方向を透過(例えば、0度、π/3、2π/3の方位角の偏光光を透過)する検光子110a,110b,110cを、3つの検出器108a,108b,108cに前置して構成する。(数3)の未知数はa、b、φの3つであるから3つ以上のデータが得られれば初期位相φを求めることができる。   Similar to the case of low coherence interference, it is sufficient to move the Z table 116 and obtain the initial phase. However, in this case, since the value corresponding to the aΔt is not known, the same calculation method as in the case of low coherence interference is used. Then, the initial phase cannot be obtained. In this case, at least three detectors are required. For example, as shown in FIG. 4, an optical element 401 that divides light into an intensity ratio of 1: 2 and a half mirror 109 are combined so that the intensity can be divided by 1/3, and each transmits a different polarization direction. For example, analyzers 110a, 110b, and 110c that transmit polarized light having azimuth angles of 0 degrees, π / 3, and 2π / 3 are configured in front of three detectors 108a, 108b, and 108c. Since there are three unknowns (a, b, and φ) in (Equation 3), the initial phase φ can be obtained if three or more data are obtained.

または、図5に示すようにCCDカメラの隣接する4画素にそれぞれ異なる偏光方位の検光子をつけることでも同様のことが実現できる。この場合、画素数が1/4で、それぞれの偏光方向が異なる4枚の画像が得られると考えることができる。画素に入射する結像光のスポットサイズは通常サンプリング定理を満たすように数画素レベルのサイズを持たせるのが普通であるから、このような位置による偏光分割でも基本的に問題はない。   Alternatively, as shown in FIG. 5, the same can be realized by attaching analyzers having different polarization directions to four adjacent pixels of the CCD camera. In this case, it can be considered that four images having a ¼ pixel number and different polarization directions can be obtained. Since the spot size of the imaging light incident on the pixel usually has a size of several pixel levels so as to satisfy the sampling theorem, there is basically no problem even in the polarization division based on such a position.

図6は、実施例1を示す図1とほぼ同じであるが、検出器周辺部分のみが異なっている。実施例1においては入射光の時間的な振動波形に対し、回転直線偏光生成機構と検光子により周期的に透過率を変化させ、露光時間分積分処理を行っていた。これは、入射光に、正弦波を乗じて時間積分していることであるから、つまり入射時間変化波形と正弦波との相関値を求めていることになる。複数の検出器に前置される検光子の方向が異なることにより、透過率の変化波形の周波数は同じで、位相が異なる正弦波で複数の相関値を同時に求めていることになる。例えば、2台の検出器とπ/4偏光軸の異なる検光子を用いた場合、π/2位相が異なる正弦波、つまり、Sin波、Cos波との相関を同時に検出することになる。いわゆる直交関数による展開となる。   FIG. 6 is substantially the same as FIG. 1 showing the first embodiment, but only the peripheral portion of the detector is different. In the first embodiment, with respect to the temporal vibration waveform of incident light, the transmittance is periodically changed by the rotating linearly polarized light generation mechanism and the analyzer, and integration processing is performed for the exposure time. This is because the incident light is multiplied by the sine wave and time-integrated, that is, the correlation value between the incident time change waveform and the sine wave is obtained. Since the directions of the analyzers placed in front of the plurality of detectors are different, the frequency of the change waveform of the transmittance is the same, and a plurality of correlation values are simultaneously obtained with sine waves having different phases. For example, when two detectors and analyzers having different π / 4 polarization axes are used, correlations between sine waves having different π / 2 phases, that is, Sin waves and Cos waves are detected simultaneously. The expansion is based on a so-called orthogonal function.

このような、相関検出は実施例1のように光学的に行うこともできるが、電気的に行うことも可能である。つまり、入射光に比例して発生するフォトダイオードの電流信号に、電気的に正弦波信号(基底電気信号)を乗じ、ある時間積算する回路を作ればよい。このような機能を持つ素子を、2次元的に並べることで2次元相関検出器117が製作できる。さらに、互いに位相の異なる複数の正弦波信号と相関検出が同時にできるように、1つのフォトダイオードに対して複数の相関検出回路を持つようにすれば、実施例1と全く同じことが電気的にできることになる。 Such correlation detection can be performed optically as in the first embodiment, but can also be performed electrically. That is, a circuit for multiplying a current signal of a photodiode generated in proportion to incident light by a sine wave signal (basic electrical signal) and integrating the signal for a certain time may be formed. A two-dimensional correlation detector 117 can be manufactured by two-dimensionally arranging elements having such functions. Further, if a plurality of correlation detection circuits are provided for one photodiode so that a plurality of sine wave signals having different phases can be detected simultaneously, the same operation as that of the first embodiment is electrically performed. It will be possible.

次に、格子パターン投影法による実施例を図7と図8を用いて示す。マスクパターン118は、図8のような正弦波状の透過率分布を持つ正弦波格子パターンであり、照明光源101により透過照明され、照明光学系により物体106上に投影されている。   Next, an example of the grid pattern projection method will be described with reference to FIGS. The mask pattern 118 is a sinusoidal lattice pattern having a sinusoidal transmittance distribution as shown in FIG. 8, is transmitted and illuminated by the illumination light source 101, and is projected onto the object 106 by the illumination optical system.

物体106に投影された格子パターンは、照明光学系とは異なる方向の光軸を持つ結像光学系により撮像される。対物レンズ104による結像光路中に、実施例1と同様に、偏光板111、λ/4位相差板112、モータ114により定速回転するλ/4位相差板113が挿入され、光量を1/3づつに分割するプリズム401,109、およびそれぞれ異なる偏光方位角を有する検光子110a,110b,110cとCCDカメラ108a、108b、108cとにより構成されている。   The grating pattern projected onto the object 106 is imaged by an imaging optical system having an optical axis in a direction different from that of the illumination optical system. As in the first embodiment, a polarizing plate 111, a λ / 4 phase difference plate 112, and a λ / 4 phase difference plate 113 that is rotated at a constant speed by a motor 114 are inserted into the image forming optical path by the objective lens 104, and the amount of light is reduced to 1. / Prisms 401 and 109 divided into three, analyzers 110a, 110b and 110c having different polarization azimuth angles, and CCD cameras 108a, 108b and 108c.

基本的な動作、演算等、実施例1における高コヒーレンス干渉計の場合と全く同様である。異なる点は、Zテーブルを移動させたときに、時間的に振動する波形を得るために、実施例1においては光波干渉という物理原理を用いたのに対し、ここでは、あらかじめ透過率が振動波形状となったマスクパターン118の結像投影によっているという点だけである。   Basic operations, calculations, and the like are exactly the same as in the case of the high coherence interferometer in the first embodiment. The difference is that in order to obtain a waveform that oscillates in time when the Z table is moved, the physical principle of light wave interference is used in the first embodiment. It is only that it is based on the imaging projection of the mask pattern 118 that has been shaped.

すなわち、Zテーブル116を移動することにより、物体106上の各点の輝度は、マスクパターン118の透過率変化に伴って正弦波的に上下する。その周期と、結像光学系の透過率変化の周期とを一致させた状態で、一定時間露光すると、3つのCCDカメラ108a、108b、108cそれぞれの同一座標値の値は、それぞれ位相の異なる正弦波により相関検出した結果が得られることになる。それらの結果から、投影された格子パターンの初期位相φを演算できる。初期位相φは物体106の起伏情報を含んでいるため、表面形状計測が可能となる。   That is, by moving the Z table 116, the brightness of each point on the object 106 increases and decreases sinusoidally as the transmittance of the mask pattern 118 changes. When exposure is performed for a predetermined time in a state where the cycle and the cycle of transmittance change of the imaging optical system are matched, the values of the same coordinate values of the three CCD cameras 108a, 108b, and 108c are sine having different phases. The result of correlation detection using waves is obtained. From these results, the initial phase φ of the projected grating pattern can be calculated. Since the initial phase φ includes the undulation information of the object 106, the surface shape can be measured.

格子パターン投影法に関しても図5のような偏光分割が可能であるし、また、実施例2と同様に相関検出部分は、電気的に行うことも可能である。   With respect to the lattice pattern projection method, polarization splitting as shown in FIG. 5 is possible, and the correlation detection portion can be electrically performed as in the second embodiment.

この例では、時間的に振動する波形を得るために、Zテーブル116の移動を行っているが、他の手法ももちろん考えることができる。例えばマスクパターン118を、リニアアクチュエータを用いて移動させることでも可能であるし、照明光学系全体をリニアに移動させるようなことでも実現できる。その手法は何でも良い。   In this example, the Z table 116 is moved in order to obtain a waveform that oscillates with time, but other methods can of course be considered. For example, the mask pattern 118 can be moved by using a linear actuator, or can be realized by linearly moving the entire illumination optical system. Any method can be used.

インラインやオンマシン計測のように、高速であることに価値のある用途において本発明は大きな需要があると考えられる。   The present invention is considered to be in great demand in applications that are valuable for high speed, such as in-line and on-machine measurements.

本発明の第一の実施例を示した図である。It is the figure which showed the 1st Example of this invention. 低コヒーレンス干渉波形を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a low coherence interference waveform. 図2の波形の、振動振幅の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the vibration amplitude of the waveform of FIG. 3種類の偏光方向に分離する方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method to isolate | separate into three types of polarization directions. 複数種類に偏光方向を分離する他の手法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other method of isolate | separating a polarization direction into multiple types. 本発明の第二の実施例を示した図である。It is the figure which showed the 2nd Example of this invention. 本発明の第三の実施例を示した図である。It is the figure which showed the 3rd Example of this invention. マスクパターンを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mask pattern. 従来の低コヒーレンス干渉計測を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conventional low coherence interference measurement. 高コヒーレンス光による干渉波形を示す図である。It is a figure which shows the interference waveform by high coherence light.

101…光源
102…帯域フィルタ
103…ハーフミラー
104…対物レンズ
105…ハーフミラー
106…物体
107…参照ミラー
108a、108b、108c…CCDカメラ
109…ハーフミラー
110a、110b、110c…検光子
111…偏光フィルタ
112…λ/4位相差板
113…λ/4位相差板
114…モータ
115…解析装置
116…Zテーブル
117…2次元相関検出器
118…マスクパターン
401…光学素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Light source 102 ... Band-pass filter 103 ... Half mirror 104 ... Objective lens 105 ... Half mirror 106 ... Object 107 ... Reference mirror 108a, 108b, 108c ... CCD camera 109 ... Half mirror 110a, 110b, 110c ... Analyzer 111 ... Polarizing filter DESCRIPTION OF SYMBOLS 112 ... (lambda) / 4 phase difference plate 113 ... (lambda) / 4 phase difference plate 114 ... Motor 115 ... Analysis apparatus 116 ... Z table 117 ... Two-dimensional correlation detector 118 ... Mask pattern 401 ... Optical element

Claims (12)

強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を直線偏光化し、その偏光方位を変化させる直線偏光変化手段と、
前記直線偏光変化手段を通過した光を少なくとも2つの異なる直線偏光成分に分割する検光手段と、
分割された入射光のそれぞれを受光し、光量に応じて光電変換し、電気信号として出力する、同期した動作を行う少なくとも2つの蓄積型検出器と、
前記蓄積型検出器から出力された複数の信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記直線偏光変化手段および検光手段の組み合わせによる透過率の変化周波数とを近い値とし、前記蓄積型検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を露光蓄積し得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期的変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施することを特徴とする光応用計測装置。
Periodic change signal light generating means for generating signal light whose intensity periodically changes on the time axis;
Linearly polarized light changing means for linearly polarizing the periodic change signal light and changing the polarization direction thereof;
Analyzing means for dividing the light that has passed through the linearly polarized light changing means into at least two different linearly polarized light components;
Receiving each of the divided incident light, photoelectrically converting it according to the amount of light, and outputting it as an electrical signal, at least two storage-type detectors performing synchronized operations;
An analysis device that analyzes a plurality of signals output from the storage type detector,
The frequency of the periodic change signal light and the change frequency of the transmittance due to the combination of the linearly polarized light changing means and the detecting means are close to each other, and the accumulation type detector uses at least one period of signal light of the periodic change signal light. Performing periodic change signal light analysis processing for calculating a value and / or a phase proportional to the amplitude of the periodic change signal light by the analysis device from a plurality of electrical signals obtained by exposure and accumulation of Optical application measuring device.
前記蓄積型検出器は、2次元のアレイ状に検出器が配列された蓄積型画像検出器であり、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されることを特徴とする請求項1記載の光応用計測装置。 The storage-type detector is a storage-type image detector in which detectors are arranged in a two-dimensional array, and the periodic change signal light analysis process is performed for each pixel of the image by the analysis device. The optical applied measuring device according to claim 1, wherein 前記検光手段は、前記蓄積型画像検出器の各画素毎に取り付けられ、隣接する画素が異なる偏光方向の光を受光することを特徴とする請求項2記載の光応用計測装置。 3. The applied optical measurement apparatus according to claim 2, wherein the light detection unit is attached to each pixel of the storage type image detector, and adjacent pixels receive light having different polarization directions. 強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を受光し光量に応じて光電変換して得られる信号と、自身で生成あるいは外部から与えられる位相の異なった少なくとも2種類の基底電気信号との積に比例する信号を出力する少なくとも2つの相関検出器と、
前記複数の相関検出器から出力された信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記基底電気信号の変化周波数とを近い値とし、前記相関検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を相関検出して得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施することを特徴とする光応用計測装置。
Periodic change signal light generating means for generating signal light whose intensity periodically changes on the time axis;
A signal proportional to the product of a signal obtained by receiving the periodic change signal light and performing photoelectric conversion according to the amount of light, and at least two types of base electrical signals having different phases, which are generated by themselves or given from the outside, is output. At least two correlation detectors;
An analysis device that analyzes signals output from the plurality of correlation detectors,
The frequency of the periodic change signal light and the change frequency of the base electrical signal are close to each other, and a plurality of electrical signals obtained by correlation detection of signal light of at least one period of the periodic change signal light by the correlation detector. An optical applied measurement apparatus, wherein a periodic change signal light analysis process is performed for calculating a value and / or phase proportional to the amplitude of the periodic change signal light from the signal by the analysis apparatus.
前記相関検出器は、2次元のアレイ状に検出器が配列された相関画像検出器であり、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されることを特徴とする請求項4記載の光応用計測装置。 The correlation detector is a correlation image detector in which detectors are arranged in a two-dimensional array, and the periodic change signal light analysis processing is performed for each pixel of an image by the analysis device. The optical applied measuring device according to claim 4. 前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの光を2分岐して参照鏡からの反射光と物体から反射光を重ねあわせて干渉させる2光束干渉計と、
2つの光路のうち、少なくとも一方の光路長を変更可能な光路長変化手段とにより構成され、
光路長変化手段による定速の光路長変化により干渉の強度値を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成する機能を有することを特徴とする請求項1から5のいずれかの項記載の光応用計測装置。
The period change signal light generating means includes:
A two-beam interferometer that bifurcates the light from the light source and causes the reflected light from the reference mirror and the reflected light from the object to interfere with each other;
An optical path length changing means capable of changing at least one of the two optical paths, and
6. The function according to claim 1, further comprising a function of generating periodically changing signal light by periodically changing the intensity value of interference by changing the optical path length at a constant speed by the optical path length changing means. Optical application measuring device.
前記光源は低コヒーレントな光を射出する光源であり、前記2光束干渉計の2つの光路の光路長はほぼ等しい等光路長干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させながら前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を複数回繰り返し、2つの光路が正確に等光路長となる位置を検出することで対象物体表面の起伏形状を求めることを特徴とする請求項6記載の光応用計測装置。 The light source is a light source that emits low-coherent light, is an equal optical path length interferometer in which two optical paths of the two-beam interferometer are substantially equal, and the optical path length of one optical path is changed by the optical path length changing means. The periodic change signal light analysis processing is repeated a plurality of times by the analysis device while changing at a constant speed, and the undulation shape of the surface of the target object is obtained by detecting the position where the two optical paths have the same optical path length accurately. The optical applied measuring device according to claim 6. 前記周期変化信号光解析処理は、2つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、3回から10回程度となるよう間隔をあけて実施し、2つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅が最大となる位置を、補間法によって前記間隔より細かい分解能で求めることを特徴とする請求項7記載の光応用計測装置。 The period-change signal light analysis processing is performed at intervals so as to be about 3 to 10 times in the interference section observed near the position where the optical path lengths of the two optical paths are equal, and the optical paths of the two optical paths. 8. The applied optical measurement according to claim 7, wherein a position where the lengths exactly coincide is obtained with a resolution finer than the interval by an interpolation method, wherein a position where the amplitude obtained by the periodic change signal light analysis processing is maximized is obtained. apparatus. 前記周期変化信号光解析処理は、2つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、3回から10回程度となるよう間隔をあけて実施し、2つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅と位相を用いて、振幅が最大でかつ前記周波数変化信号光をCos波とみなした場合の位相が2π・n(nは整数)である位置を求めることを特徴とする請求項7記載の光応用計測装置。
The period-change signal light analysis processing is performed at intervals so as to be about 3 to 10 times in the interference section observed near the position where the optical path lengths of the two optical paths are equal, and the optical paths of the two optical paths. The position where the lengths exactly match is determined by using the amplitude and phase obtained by the periodic change signal light analysis processing, and the phase when the amplitude is maximum and the frequency change signal light is regarded as a Cos wave is 2π · n ( The optical applied measuring device according to claim 7 , wherein a position where n is an integer) is obtained .
前記光源は高コヒーレントな光を射出する光源であり、前記2光束干渉計の2つの光路の光路長は必ずしも等光路長ではない干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めることを特徴とする請求項6記載の光応用計測装置。 The light source is a light source that emits highly coherent light, the optical path lengths of the two optical paths of the two-beam interferometer are not necessarily equal optical path lengths, and the optical path length of one optical path by the optical path length changing means. 7. The applied optical measurement device according to claim 6, wherein the periodic change signal light analysis process is performed by the analysis device while the undulation shape of the target object surface is obtained from the calculated phase information. . 前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの照明光を格子縞パターンとして物体に投影する格子パターン投影機と、
投影される格子パターンを連続的にシフトさせる位相シフト機構とにより構成され、
位相シフト機構による定速の格子パターン位相のシフトにより、対象物体上の各点の輝度を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成する機能を有すること特徴とする請求項1から5のいずれかの項記載の光応用計測装置。
The period change signal light generating means includes:
A light source, and a lattice pattern projector that projects illumination light from the light source onto the object as a checkered pattern;
A phase shift mechanism that continuously shifts the projected grating pattern, and
6. A function of generating a periodic change signal light by periodically changing the luminance of each point on the target object by shifting the phase of the lattice pattern at a constant speed by a phase shift mechanism. The optical applied measuring device according to any one of the items.
前記位相シフト機構により格子縞パターンを定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めることを特徴とする請求項11記載の光応用計測装置。
The grid pattern is changed at a constant speed by the phase shift mechanism, the period change signal light analysis processing is performed by the analysis device, and the undulation shape of the target object surface is obtained from the calculated phase information. 11. An optical applied measuring device according to 11 .
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