CN103307969A

CN103307969A - 白色光干涉测量装置

Info

Publication number: CN103307969A
Application number: CN2013100799999A
Authority: CN
Inventors: 宇佐美敦司; 长滨龙也
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: EP2639546A1; CN103307969B; JP2013195114A; JP5965167B2; EP2639546B1; US8953170B2; US20130242311A1

Abstract

本发明提供一种白色光干涉测量装置，其包括干涉物镜、出射白色光束的白色光源、使白色光束反射的分束器，该干涉物镜使由分束器反射的白色光束在光轴的方向上会聚而照射于测量工件，并且使从测量工件反射得到的测量光束与从向测量工件会聚的白色光束分支得到的参照光束相干涉，该白色光干涉测量装置在白色光源与干涉物镜之间具有将向干涉物镜入射的白色光束校正为圆偏振光的偏振光校正部。

Description

白色光干涉测量装置

技术领域

本发明涉及一种白色光干涉测量装置，特别涉及一种能够减少因测量工件的配置方向的不同而产生的测量值的差异、并能够提高测量精度和测量效率的白色光干涉测量装置。

背景技术

以往，在使用因光的干涉而产生的干涉条纹的强度信息精确地测量测量工件的三维形状的干涉测量装置中，广泛公知有光源使用宽带光（白色光）的白色光干涉测量装置。例如在图8中示出了日本特开2011－85413号公报（以下称作专利文献1）所公开的白色光干涉测量装置的概略结构。图8的白色光干涉测量装置包括干涉物镜20、射出白色光束8的白色光源6和使白色光束8反射的分束器16，该干涉物镜20使由分束器16反射的白色光束8在光轴O的方向上会聚而照射于测量工件2，并且使从测量工件2反射得到的测量光束与从向测量工件2会聚的白色光束8分支得到的参照光束相干涉。另外，附图标记10、22、24、26分别表示准直透镜、干涉光束、成像透镜、感光元件。

在此，使用图9的（A）、（B）说明通过使用白色光的干涉来在高度方向（Z方向）上获得较高的分辨率的技术。另外，图9的（A）表示Z方向上的构成白色光的每个波长的干涉条纹的强度分布，图9的（B）表示Z方向上的由各波长合成的干涉条纹的强度分布。如图9的（A）所示，在干涉物镜20的Z方向的焦点位置（Z＝0）处，各波长的干涉条纹的最大值重合，随着自焦点位置离开，各波长的相位逐渐偏移。因此，如图9的（B）所示，在焦点位置合成的干涉条纹的强度最大，随着自焦点位置离开，干涉条纹的强度一边振荡一边逐渐变小。因而，在白色光干涉测量装置中，通过检测在干涉物镜20的视野内的各位置处强度达到最大的Z方向的位置，能够高精度地测量干涉物镜20的视野内的测量工件2的三维形状。

但是，发明人等发现，在利用如图8所示的白色光干涉测量装置测量测量工件2的情况下，因测量工件2的配置方向不同，测量值有可能产生差异。例如，在将如图10所示的由细小的线L（宽度数μm）与间隙S（宽度数μm）构成的样品（以下称为L/S样品LSS）作为测量工件2进行测量的情况下，在图10的（A）的例如使L/S样品LSS的P方向与白色光干涉测量装置的特定方向（例如X方向）一致时和使L/S样品LSS的Q方向与白色光干涉测量装置的特定方向（例如X方向）一致时，测量值产生差异（光学分辨率或感光元件尺寸程度的差异）。

为了解决上述问题，考虑在配置有测量工件2的位置设置使测量工件2旋转的机构，利用该机构来调整测量工件2的配置。但是，在该情况下，产生了装置的成本上升和用于配置调整的测量效率降低的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题点而做成的，其课题在于提供一种能够减少因测量工件的配置方向的不同而产生的测量值的差异、并能够提高测量精度和测量效率的白色光干涉测量装置。

本申请的技术方案1的发明是通过以下技术来解决上述问题的发明：一种白色光干涉测量装置，其包括干涉物镜、出射白色光束的白色光源和使该白色光束反射的分束器，该干涉物镜使由该分束器反射的该白色光束在光轴的方向上会聚而照射于测量工件，并且使从该测量工件反射得到的测量光束与从向该测量工件会聚的该白色光束分支得到的参照光束相干涉，该白色光干涉测量装置在上述白色光源与上述干涉物镜之间具有将向该干涉物镜入射的上述白色光束校正为圆偏振光的偏振光校正部件。

在本申请的技术方案2的发明中，上述偏振光校正部件包括在上述白色光束的反射面上形成有电介质膜的上述分束器、配置于上述白色光源与该分束器之间的偏光板以及配置于该分束器与上述干涉物镜之间的1/4波片。

在本申请的技术方案3的发明中，上述偏振光校正部件包括形成为无偏振分束器的上述分束器和配置于上述白色光源与该分束器之间的偏光板及1/4波片。

在本申请的技术方案4的发明中，使上述分束器为立方分束器。

在本申请的技术方案5的发明中，使上述分束器为玻璃粘合分束器。

在本申请的技术方案6的发明中，白色光干涉测量装置包括配设于上述白色光源与分束器之间的准直透镜和配设于上述分束器与感光元件之间的成像透镜。

在本申请的技术方案7的发明中，上述干涉物镜直接在上述白色光源和感光元件的位置处聚焦。

根据本发明，能够减少因测量工件的配置方向的不同而产生的测量值的差异，能够提高测量精度和测量效率。

附图说明

参照附图说明优选实施例，其中类似的构件用相同的附图标记表示，并且，其中：

图1是本发明的第1实施方式的白色光干涉测量装置的概略示意图。

图2是本发明的第1实施方式的白色光干涉测量装置的干涉物镜的概略示意图（米洛（Mirau）型（A）、迈克尔逊（Michelson）型（B））。

图3是表示线栅偏振片的动作的示意图。

图4是表示具有偏光板、1/4波片的显微镜装置的示意图。

图5是本发明的第2实施方式的白色光干涉测量装置的概略示意图。

图6是本发明的第3实施方式的白色光干涉测量装置的概略示意图。

图7是本发明的第4实施方式的白色光干涉测量装置的概略示意图。

图8是以往技术的白色光干涉测量装置的概略示意图。

图9是用于说明白色光干涉测量装置的Z方向分辨率的示意图。

图10是表示在以往技术的白色光干涉测量装置中，因配置方向的不同而使测量值产生差异的测量工件的一个例子的示意图（俯视图（A）与沿着P方向的剖视图（B））。

附图标记说明

2、102…测量工件；6、106、206、306、406…白色光源；8、108、208、308、408…白色光束；10、110、210、310…准直透镜；16、66、116、216、316、416…分束器；20、120、220、320、420…干涉物镜；22、122、222、322、422…干涉光束；

24、74、124、224、324…成像透镜；26、76、126、226、326、426…感光元件；64、69、114、214、314、414…偏光板；68、118、218、318、418…1/4波片；100…白色光干涉测量装置；

104…镜筒；112、212、312、412…偏振光校正部。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式的一个例子。

首先，主要使用图1、图2说明第1实施方式的白色光干涉测量装置的结构。

白色光干涉测量装置100在镜筒104内包括白色光源106、准直透镜110、作为偏振光校正部件的偏振光校正部112、干涉物镜120、成像透镜124以及感光元件126。另外，测量工件102例如在未图示的XY载置台上能够沿Z方向被二维扫描。而且，镜筒104能够在未图示的Z载置台上移动。XY载置台与Z载置台固定在未图示的架台上，被依然未图示的控制装置控制。即，白色光干涉测量装置100能够不限定于干涉物镜120的视野地测量测量工件102的三维形状。另外，XY载置台不是必需结构，也可以利用Z载置台使测量工件移动。

如图1所示，上述白色光源106出射白色光束108。白色光源106例如形成为能够放射自然光的卤素光源。白色光束108是漫射光束，光波的正交的两个偏振分量（用空心虚线箭头表示的P偏振光Ppl和用空心箭头表示的S偏振光Spl）的相位关系成为无规则的状态（非偏振光）。如图1所示，上述准直透镜110将入射的白色光束108校准为平行光束。另外，从准直透镜110出射时的白色光束108仍然保持为非偏振光。

如图1所示，上述偏振光校正部112配置在准直透镜110与干涉物镜120之间，该偏振光校正部112包括偏光板114、分束器116以及1/4波片118。偏光板114将从准直透镜110出射的非偏振光的白色光束108转换为直线偏振光。即，利用偏光板114将P偏振光Ppl和S偏振光Spl预先做成产生了偏移的状态。另外，偏光板114也可以配置在准直透镜110与白色光源106之间。分束器116将成为直线偏振光的白色光束108向光轴O的干涉物镜120的方向反射。在分束器116的白色光束108的反射面上蒸镀（形成）有电介质膜，分束器116可以为普通的照明光学***所用的构件。因此，当利用分束器116反射白色光束108时，P偏振光Ppl的衰减多于S偏振光Spl的衰减，使P偏振光Ppl与S偏振光Spl产生偏移。但是，由于利用偏光板114预先做成P偏振光Ppl与S偏振光Spl产生了偏移的状态，因此能够减少分束器116的反射对偏振分量的偏移的影响。1/4波片118是使正交的两个偏振分量之间产生90度的相位差的双折射元件。因此，1/4波片118能够将形成为直线偏振光的白色光束108在被分束器116反射后转换为圆偏振光Cpl（带空心箭头的环）的白色光束108。即，偏振光校正部112能够将向干涉物镜120入射的白色光束108校正为P偏振光Ppl与S偏振光Spl没有偏移的状态的圆偏振光。

如图1所示，上述干涉物镜120将经由1/4波片118被分束器116反射的白色光束108在光轴O的方向上会聚而照射于测量工件102。在此，如图2的（A）、（B）所示，干涉物镜120包括物镜OL、参照镜RM以及分束器BS（或棱镜PS）。物镜OL将平行光束（白色光束108）会聚而照射于测量工件102。因此，向测量工件102会聚的白色光束108成为P偏振光Ppl与S偏振光Spl没有偏移的状态。分束器BS（或棱镜PS）使向测量工件102会聚的平行光束（白色光束108）的一部分反射而产生参照光束（即，参照光束是从会聚的白色光束108分支得到的）。参照镜RM配置在参照光束的焦点位置并反射参照光束。反射的参照光束在分束器BS（或棱镜PS）的位置与作为从测量工件102反射得到的光束的测量光束耦合。通过测量光束与参照光束耦合而得到的干涉光束122沿着光轴O向分束器116的方向返回。另外，图2的（A）是参照镜RM与分束器BS配置在光轴O上的米洛型的干涉物镜120，能够主要在为高倍率时使用。图2的（B）是参照镜RM相对于光轴O配置于外侧、棱镜PS配置在光轴O上的迈克尔逊型的干涉物镜120，与米洛型相比，能够主要在为低倍率时使用。

如图1所示，上述成像透镜124对透过分束器116的干涉光束122进行成像。上述感光元件126是像素二维排列的感光元件，接收由成像透镜124成像的干涉条纹。

另外，干涉光束122产生的干涉条纹可以说是因测量工件102与参照镜RM的形状的不同而产生的条纹。因此，在本实施方式中，通过使向测量工件102会聚的白色光束108为圆偏振光且为质量较高的照明光束，能够获得均质的干涉光束122。即，在本实施方式中，将向测量工件102会聚的白色光束108校正为圆偏振光并非为了避免在从干涉物镜120到感光元件126之间产生杂射光、反射光，而是为了获得质量较高的照明光束。即使产生了如上所述的杂射光、反射光，在利用了白色光干涉原理的本实施方式的白色光干涉测量装置100中也不会对干涉条纹的对比度带来较大的影响，能够以较高的分辨率实现测量工件102的计测（因此，也具有使用后述的立方分束器的第2实施方式的存在意义）。

在此，以往技术的图8所示的分束器16一般是与本实施方式的分束器116相同地在其反射面蒸镀有电介质膜的结构。因此，在以往技术中，向干涉物镜20入射的白色光束8的P偏振光Ppl与S偏振光Spl产生了偏移。在不对其校正而偏移的状态下，测量如图10所示的L/S样品LSS时，认为会产生与如图3所示那样的对线栅偏振片WG照射光的情况相同的现象（线栅偏振片WG使入射光束ILF的P偏振光Ppl透过，在反射光束OLF中仅含有S偏振光Spl）。即，在以往技术中，在向L/S样品LSS照射的白色光束8中，P偏振光Ppl与S偏振光Spl已经存在有偏移，因此认为，从L/S样品LSS反射得到的测量光束的强度产生了由L/S样品LSS的配置方向的不同引起的测量值的差异。

与此相对，在本实施方式中，虽然是与以往技术相同地在分束器116上蒸镀有电介质膜那样的结构，但是能利用偏振光校正部112的偏光板114和1/4波片118使P偏振光Ppl与S偏振光Spl没有偏移的圆偏振光的白色光束108入射于干涉物镜120。因此，即使测量工件102是图3所示的线栅偏振片WG那样的构件，也能够减少因其配置方向的不同而使测量值产生差异的情况。因而，不需要使测量工件102旋转的机构、利用该机构对测量工件102进行调整的工序，而且能够提高测量精度和测量效率。

另外，在本实施方式中，分束器116是与以往相同的结构即可，由于不是特殊的分束器，因此能够便宜地构成白色光干涉测量装置100。

另外，在以图像观察为主的显微镜装置中，如图4所示，存在有组合配置偏光板64、69、1/4波片68、并使圆偏振光的照明光束IF入射于测量工件的技术。具体地说，在图4中，在物镜OL与测量工件之间配置1/4波片68，并且在成像透镜74的跟前追加配置偏光板（分析仪）69。但是，这种配置的目的是为了切断直接且严重地影响利用感光元件76观察的图像那样的、主要来自（不是本实施方式的干涉物镜120）物镜表面的（相位反转了的）反射光束RL。即，如图4所示的显微镜装置的构思、基于该构思的构成也与本实施方式这样的利用白色光干涉原理的技术不同。

列举第1实施方式说明了本发明，但是本发明并不限定于第1实施方式。即，当然能够进行不脱离本发明的主旨的范围内的改进和设计的变更。

例如，在第1实施方式中，偏振光校正部112包括了形成有电介质膜的分束器116、配置于准直透镜110与分束器116之间的偏光板114以及配置于分束器116与干涉物镜120之间的1/4波片118，但是本发明并不限定于此。例如，也可以像图5所示的第2实施方式那样。另外，在此，说明与第1实施方式不同的偏振光校正部212，关于除此以外的说明，为了避免重复而省略。

在第2实施方式中，如图5所示，偏振光校正部212包括形成为无偏振分束器的分束器216和配置于分束器216与准直透镜210之间的偏光板214及1/4波片218（偏光板214及1/4波片218也可以配置于白色光源206与准直透镜210之间）。另外，分束器216是立方分束器，在白色光束208的反射面上形成有金属膜。即，利用偏光板214暂且将从准直透镜210出射的非偏振光的白色光束208做成直线偏振光，并立即利用1/4波片218做成圆偏振光Cpl。由于在分束器216中没有偏振，因此从分束器216出射的白色光束208也成为保持着圆偏振光Cpl的状态。即，能够使P偏振光Ppl与S偏振光Spl没有偏移的白色光束208入射于干涉物镜220。

在第2实施方式中，除了光轴O上的光学元件之外，也能利用从白色光源206到1/4波片218之间的结构来获得效果，因此可以说仅需要调整照明***，该调整较容易。

另外，像图6所示的第3实施方式那样，形成为无偏振分束器的分束器316也可以为玻璃粘合分束器。在该情况下，也在白色光束308的反射面上形成有金属膜。在第3实施方式的分束器316中，像立方分束器那样，能够减少由于其背面反射产生杂光（不需要的光）而导致由感光元件326接收的干涉条纹的对比度降低的可能。

在上述实施方式中，使用了准直透镜和成像透镜，但是也可以不使用这些透镜而像图7所示的第4实施方式那样构成白色光干涉测量装置。在此，与第1实施方式不同，干涉物镜420直接在白色光源406和感光元件426的位置处聚焦。在第4实施方式中，由于能够减少所使用的光学元件，因此能够以更低的成本构成白色光干涉测量装置。

本领域技术人员显而易见的是，上述实施例仅是说明性的，表示本发明的应用原理。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够容易地设计出众多的和各种各样的其他安排。

产业上的可利用性

本发明能够广泛应用于利用分束器使白色光束反射并向干涉物镜入射的、利用白色光干涉的图像测量装置（包括光学显微镜）。

2012年3月16日提交的日本专利申请2012-59993号公报的说明书、附图和权利要求书的全部内容通过引用合并在此。

Claims

1.一种白色光干涉测量装置，其包括干涉物镜、出射白色光束的白色光源、使该白色光束反射的分束器，该干涉物镜使由该分束器反射的该白色光束在光轴的方向上会聚而照射于测量工件，并且使从该测量工件反射得到的测量光束与从向该测量工件会聚的该白色光束分支得到的参照光束相干涉，其特征在于，

该白色光干涉测量装置在上述白色光源与上述干涉物镜之间具有将向该干涉物镜入射的上述白色光束校正为圆偏振光的偏振光校正部件。

2.根据权利要求1所述的白色光干涉测量装置，其特征在于，

上述偏振光校正部件包括在上述白色光束的反射面上形成有电介质膜的上述分束器、配置于上述白色光源与该分束器之间的偏光板以及配置于该分束器与上述干涉物镜之间的1/4波片。

3.根据权利要求1所述的白色光干涉测量装置，其特征在于，

上述偏振光校正部件包括形成为无偏振分束器的上述分束器和配置于上述白色光源与该分束器之间的偏光板及1/4波片。

4.根据权利要求3所述的白色光干涉测量装置，其特征在于，

上述分束器形成为立方分束器。

5.根据权利要求3所述的白色光干涉测量装置，其特征在于，

上述分束器形成为玻璃粘合分束器。

6.根据权利要求1所述的白色光干涉测量装置，其特征在于，

该白色光干涉测量装置包括配设于上述白色光源与分束器之间的准直透镜和配设于上述分束器与感光元件之间的成像透镜。

7.根据权利要求1所述的白色光干涉测量装置，其特征在于，

上述干涉物镜直接在上述白色光源和感光元件的位置处聚焦。