JP2010025922A - 干渉装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】干渉装置(100)は、スペクトル幅の広い光を照射する広域スペクトル光源(11)と、広域スペクトル光源から光を分岐するビームスプリッター(BS)と、ビームスプリッターで分岐された一方の光(L2)を、スペクトル幅内の第1波長領域と該第1波長領域と異なる第2波長領域とで位相を変調する位相変調部(30)と、位相が変調された光束を第1反射面(RMR)に照射し、ビームスプリッターで分岐された他方の光を第2反射面(SA)に照射し、第1反射面で反射した第1反射光と第2反射面で反射した第2反射光を合成して合成光とする光分割合成部(PBS、26)と、を備える。
【選択図】図1
Description
この構成により、参照ミラーなどを移動させる必要が無くなり、さらに異なる波長領域に対して任意の位相変調を行うことができる。
この構成により、参照ミラーなどを移動させる精密な機械的な機構が不要となり、さらに異なる波長領域に対して任意の位相変調を行うことができるのでより少ないデータ数で干渉縞の解析を行うことができる。
また、本件の干渉装置は、波長ごとに任意に位相変調することができる。このため、短時間にかつ、少ないデータ数で所望の測定を行うことが可能になる。
図1は、干渉装置を用いて被検物SA内の三次元形状を測定する面形状測定装置100の概略構成である。
光源発生部10は、光源11と、ビームスプリッターBSと、偏光板12,13,15と、レンズLEと、ミラーMRとから構成される。
干渉形成部20は、偏光ビームスプリッターPBSと、λ/4波長板21,23と、偏光板26と、対物光学系22,24と、結像光学系28と、参照ミラーRMRと、検出部CDとから構成される。
図2は、干渉装置を用いて分光反射率や分光透過率などの分光特性を測定し、被検物SA内の材料などを分析する分光分析装置200の概略構成である。
干渉形成部20は、偏光ビームスプリッターPBSと、λ/4波長板21,23と、偏光板26と、対物光学系22,24,27と,コリメータ光学系29と、参照ミラーRMRと、反射ミラーMRと、検出部CDとから構成される。
偏光ビームスプリッターPBSを通過した光束L1は、偏光板26及び対物光学系27を経て被検物SAに向かう。
次に、光源発生部10の位相変調部30の構成を説明する。図3及び図4は複数の種類の位相変調部30(第1位相変調部30A、第2位相変調部30B、第3位相変調部30C、第4位相変調部30D)を示した概略図である。
図3(a)に示された第1位相変調部30Aは、波長分散素子の一つである回折格子31と、集光レンズ33と、空間位相変調器37と、この空間位相変調器37の背後に直接配置された反射ミラーMRとから構成される。
図3(b)に示される第2位相変調部30Bは、図3(a)に示された第1位相変調部30Aの回折格子31の代わりに三角プリズムTPを使用している点で異なっている。三角プリズムTPは光束L2を波長ごとに異なる角度に屈折し、波長ごとに屈折された光束L2は集光レンズ33を経て空間位相変調器37へ入射する。したがって空間位相変調器37は波長ごとに異なった位相変調をかけることができる。
図4(a)に示される第3位相変調部30Cは、図3(b)に示された第2位相変調部30Bの三角プリズムTPの代わりダイクロイックプリズムDPを使用している点で異なっている。ダイクロイックプリズムDPは光束L2を波長ごとに異なる角度に反射し、波長ごとに反射された光束L2は空間位相変調器37へ入射する。したがって空間位相変調器37は波長ごとに異なった位相変調をかけることができる。特に3つの波長を出力するマルチモード半導体レーザーを使用する際には好ましい。なお、ダイクロイックプリズムDPは屈折率の高い層と低い層を交互に10層〜20層真空蒸着したもので、光の色による波長ごとの屈折率の違いを利用して、特定の波長だけを入射させる機能を有している。なお、本形態では空間位相変調器を用いる必要はなく、ピクセル配列ではない位相変調素子で十分である。
図4(b)に示される第4位相変調部30Dと図3(a)に示された第1位相変調部30Aとは、空間位相変調器37の配置が異なっている。回折格子31は光束L2を波長ごとに異なる角度に回折し、波長ごとに回折された光束L2は集光レンズ33を経てミラーMR1へ入射する。集光した光束L2はミラーMR1で反射され空間位相変調器37に進む。光束L2は波長ごとに空間位相変調器37の異なるピクセルに入射する。空間位相変調器37はピクセルごとに異なった位相変調をかけることができる。空間位相変調器37で波長ごとに位相変調させられた光束L2はそのまま透過してミラーMR2で反射され、集光レンズ33及び回折格子31に戻り、ビームスプリッターBSへと向かう。
空間位相変調器37に液晶を利用した空間光変調器を用いる場合、位相変調幅はある範囲に制限されている。このため、図5の点線矢印で示されるように、経過時間に応じて位相を直線状に限りなく変調させることができない。したがって、図5で示されるように、625nmの波長の光束L2に対して2πごとに位相を折り畳んだ形で位相変調を行い、650nmの波長の光束L2に対しても2πごとに位相を折り畳んだ形で位相変調を行う。この位相を折り畳んだ回数を記憶しておけば位相変調量を把握することができる。
次に、実施形態1の面形状測定装置100における位相変調部30の動作について説明する。
位相変調部30が光束L2を位相変調する際の位相変調勾配2πf(k)、位相変調量φは、式(1)、式(2)のように表される。
2πf(k)=ak+b …式(1)
φ=2πf(k)t=(ak+b)t …式(2)
ここで、kは波数であり、f(k)は変調周波数であり、tは時間であり、a及びbは係数である。
2πfc=akc+b …式(3)
φ=a(k−kc)t+2πfct=a(k−kc)t+φc …式(4)
ここで、fcは基準波数kcにおける変調周波数であり、φcは基準波数kcにおける位相変調量である。
ここで、S(k)は光源スペクトル、f(k)は変調周波数であり、zは光束L1(測定光)と光束L2(参照光)との光路長差である。
ここで、エンベロープ関数G(τ)は、τ=0でピークを持つ白色干渉信号のエンベロープ形状を表す。
式(6)から理解されるように、光源11のスペクトル幅内の基準波数kcにおける変調周波数fcを固定した状態でも、式(1)の係数aの設定によってエンベロープがピークとなる時刻を任意に変更できる。
実施形態では、光束L2の波長による変調周波数の違いを大きくして、すなわち係数aを大きくしてエンベロープのピークが表れるまでの走行時間を短くした。また逆に、光束L2の波長による変調周波数の違いを小さくして、すなわち係数aを小さくして、エンベロープのピークが現れるまでの走査時間を長くすることも可能である。波長による変調周波数の違いを小さくすると、干渉信号I(t)の時間軸を拡大して検出できるので、位相解析などを行うことなく信号強度が最大となる点を探すだけで、光路長差zを高精度に決定することが可能になる。
特に位相変調部30の位相変調を使う場合の効果を明りょうにするために、参照ミラーを移動させる干渉装置と対比しながら説明する。図8及び図9は下段に異なる3つの代表波長と波長ごとの強度、上段に光源11の多数の波長に対する平均強度を示している。説明の都合上、光源11から射出され分岐された光束L2の波長のうち、3つの代表波長655nm、640nm、625nmを例に説明する。
式(7)において、位相変調部30は、fc=64/256、fmin=14/256、fmax=114/256に設定する。
これまでに説明した実施形態では、波長ごとに時刻tに比例した位相変調を与えているが、波長ごとの位相変調量が所定の関係になっていれば時刻tに比例していなくてもよい。その場合、波数k対する位相変調量φ(k、t)は、基準波数kcにおける位相変調量φ(kc、t)に対して式(8)の関係を満たすように制御する。αは一定の係数である。
φ(k,t)=φ(kc、t){1+α(k−kc)} …式(8)
時間tに比例した位相変調を行わない場合には、基準波数kcの波長に対する位相変化量が等間隔になるようにサンプリングすることが望ましい。なお、基準波数kcは、光源スペクトルの使用範囲の中心波数に設定するのが望ましい。
11 … 光源
12,13,15 … 偏光板
20 … 干渉形成部
21,23 … 波長板
26 … 偏光板
22,24,27 … 対物光学系
28 … 結像光学系
30(A〜D) … 位相変調部
31 … 回折格子
33 … 集光レンズ
37 … 空間位相変調器
40 … コンピュータ
41 … 形状算出部
42 … 位置算出部
44 … 分光測定部
100 … 面形状測定装置
200 … 分光分析装置
BS … ビームスプリッター
CD … 検出部
DP … ダイクロイックプリズム
LE … レンズ
L1,L2 … 光束
MR(1,2) … ミラー
PBS … 偏光ビームスプリッター
PS1,PS2 … 実線
PX … ピクセル
RMR … リファレンスミラー(参照ミラー)
SA … 被検物
TP … 三角プリズム
Claims (27)
- スペクトル幅の広い光を照射する広域スペクトル光源と、
前記スペクトル幅内の第1波長領域と該第1波長領域と異なる第2波長領域とで位相を変える位相変調部と、
前記位相変調部で変調された光束と変調されていない光束とを使って干渉光を形成する干渉光形成部と、
を備えることを特徴とする干渉装置。 - 前記位相変調部は、前記第1波長領域と前記第2波長領域とで単位時間当たりの線形の位相勾配を変えることができることを特徴とする請求項1に記載の干渉装置。
- 前記位相変調部は、前記第1波長領域の位相勾配と前記第2波長領域の位相勾配との違いを大きくすることを特徴とする請求項2に記載の干渉装置。
- 前記位相変調部は、前記第1波長領域の位相勾配と前記第2波長領域の位相勾配との違いを小さくすることを特徴とする請求項2に記載の干渉装置。
- 前記位相変調部は、前記第1波長領域の位相変調量と前記第2波長領域の位相変調量とを所定の関係に制御することを特徴とする請求項1に記載の干渉装置。
- 前記所定の関係は、以下の式の関係であることを特徴とする請求項5に記載の干渉装置。
φ(k,t)=φ(kc、t){1+α(k−kc)}
ここで、φ(k、t)は波数k対する位相変調量、φ(kc、t)は基準波数kcにおける位相変調量、αは一定の係数とする。 - 前記位相変調部は、波長分散素子と位相を変化できるピクセルを平面上に配列した空間位相変調器とを有することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の干渉装置。
- 前記波長分散素子は、前記第1波長領域の光束と前記第2波長領域の光束とに空間分散させるプリズムを含むことを特徴とする請求項7に記載の干渉装置。
- 前記波長分散素子は、前記第1波長領域の光束と前記第2波長領域の光束とに空間分散させる回折格子を含むことを特徴とする請求項7に記載の干渉装置。
- 前記空間位相変調器は、印加電圧によって屈折率を変化できる液晶型ピクセルを有することを特徴とする請求項7に記載の干渉装置。
- 前記広域スペクトル光源は前記第1波長領域と前記第2波長領域とを含む多数の特定波長を射出するマルチモード半導体レーザー光源であり、前記干渉装置は多波長干渉装置であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の干渉装置。
- 前記広域スペクトル光源は前記第1波長領域と前記第2波長領域とを含む多数の波長を射出するスーパールミネッセンスダイオード又は白色ランプであり、前記干渉装置は白色干渉装置であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の干渉装置。
- 前記位相変調部で変調された光束の光量と変調されていない光束の光量とを均等にする光量調整部を備えることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の干渉装置。
- スペクトル幅の広い光を照射する広域スペクトル光源と、
前記広域スペクトル光源から光を分岐するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターで分岐された一方の光を、前記スペクトル幅内の第1波長領域と該第1波長領域と異なる第2波長領域とで位相を変調する位相変調部と、
前記位相が変調された光束を第1反射面に照射し、前記ビームスプリッターで分岐された他方の光を第2反射面に照射し、前記第1反射面で反射した第1反射光と前記第2反射面で反射した第2反射光を合成して合成光とする光分割合成部と、
を備えることを特徴とする干渉装置。 - 前記位相変調部は、前記第1波長領域と前記第2波長領域とで単位時間当たりの線形の位相勾配を変えることができることを特徴とする請求項14に記載の干渉装置。
- 前記位相変調部は、前記第1波長領域の位相勾配と前記第2波長領域の位相勾配との違いを大きくすることを特徴とする請求項15に記載の干渉装置。
- 前記位相変調部は、前記第1波長領域の位相勾配と前記第2波長領域の位相勾配との違いを小さくすることを特徴とする請求項15に記載の干渉装置。
- 前記位相変調部は、前記第1波長領域の位相変調量と前記第2波長領域の位相変調量とを所定の関係に制御することを特徴とする請求項14に記載の干渉装置。
- 前記所定の関係は、以下の式の関係であることを特徴とする請求項18に記載の干渉装置。
φ(k,t)=φ(kc、t){1+α(k−kc)}
ここで、φ(k、t)は波数k対する位相変調量、φ(kc、t)は基準波数kcにおける位相変調量、αは一定の係数とする。 - 前記第1反射面又は前記第2反射面は測定対象物であり、
前記合成光により形成される干渉縞画像を検出する検出部と、
前記干渉縞画像を解析して前記測定対象物の位置又は形状を算出する位置形状算出部と、
を備えることを特徴とする請求項14に記載の干渉装置。 - 前記合成光が試料に照射されることによる干渉光を検出する検出部と、
前記干渉光を解析して分光特性を測定する分光測定部と、
を備えることを特徴とする請求項14に記載の干渉装置。 - 前記第1反射光又は前記第2反射光が試料に照射されることによる干渉光を検出する検出部と、
前記干渉光を解析して分光特性を測定する分光測定部と、
を備えることを特徴とする請求項14に記載の干渉装置。 - 前記位相変調部は、前記第1波長領域の位相変調量と前記第2波長領域の位相変調量とを任意に設定できることを特徴とする請求項14から請求項22に記載の干渉装置。
- 前記位相変調部は、波長分散素子と位相を変化できるピクセルを平面上に配列した空間位相変調器とを有することを特徴とする請求項14から請求項23のいずれか一項に記載の干渉装置。
- 前記波長分散素子は、前記第1波長領域の光束と前記第2波長領域の光束とに空間分散させるプリズムを含むことを特徴とする請求項24に記載の干渉装置。
- 前記波長分散素子は、前記第1波長領域の光束と前記第2波長領域の光束とに空間分散させる回折格子を含むことを特徴とする請求項24に記載の干渉装置。
- 前記空間位相変調器は、印加電圧によって屈折率を変化できる液晶型ピクセルを有することを特徴とする請求項24に記載の干渉装置。
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