JP6570035B2 - Displacement measuring apparatus and displacement measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、変位測定装置および変位測定方法に関するものである。 The present invention relates to a displacement measuring device and a displacement measuring method.
半導体や高機能光学部品などの精密部品や生体細胞など、微細形状を有する対象物の形状評価技術の重要性が増してきている。これら微細形状を有する対象物は、殆どの場合において容易に壊れやすいものが多く、その測定には、非接触方式の光学式測定装置が好まれる傾向にある。 The importance of shape evaluation technology for objects having fine shapes such as precision parts such as semiconductors and high-performance optical parts and biological cells is increasing. Many of these objects having fine shapes are easily broken in most cases, and a non-contact type optical measuring device tends to be preferred for the measurement.
従来、これらの微細形状を有する対象物の非接触形状測定には、例えば光学顕微鏡、レーザー干渉計、白色干渉計などが用いられている。単純な２次元的形状評価は従来の光学顕微鏡で充分であるが、近年では、微細形状の３次元的な形状情報の精密測定に対する需要が根強く、これら用途にはレーザー干渉計、白色干渉計などが多用されている（例えば、非特許文献１参照）。 Conventionally, for example, an optical microscope, a laser interferometer, a white interferometer, or the like is used for non-contact shape measurement of an object having these fine shapes. Conventional optical microscopes are sufficient for simple two-dimensional shape evaluation. However, in recent years, there is a strong demand for precise measurement of three-dimensional shape information of fine shapes. For these applications, laser interferometers, white interferometers, etc. Is frequently used (see Non-Patent Document 1, for example).
しかしながら、従来の測定手法は、３次元形状評価に対する要求を充分満たしているとは言い難いのが現状である。例えば、レーザー干渉計、白色干渉計は、原理的には高い測定分解能を有するものの、高い精度での傾き補正が必要であり、また測定対象物が限定される。さらに、測定対象面と参照基準面との比較により高精度測定を行うため、参照基準面には高い精度が求められ、その光学系は一般的に高価なものとなる。 However, it is difficult to say that conventional measurement methods sufficiently satisfy the requirements for three-dimensional shape evaluation. For example, a laser interferometer and a white interferometer have a high measurement resolution in principle, but require a highly accurate tilt correction, and a measurement object is limited. Further, since high-precision measurement is performed by comparing the measurement target surface with the reference standard surface, high accuracy is required for the reference standard surface, and the optical system is generally expensive.
これに対しレーザー共焦点顕微鏡は、非接触かつ大気中にて簡単に変位を測定可能である（例えば、特許文献１参照）。さらに、回折限界まで絞ったレーザー光により焦点面のみの信号を検出するため、高い面内分解能を有する。そのため、細胞観察等、透過型の試料において３次元内部観察が可能な顕微鏡として、生体医学においても多く用いられている。一方で、レーザー共焦点顕微鏡は、光軸方向に走査が必要で、機械移動による誤差やノイズ、走査時間等の問題点がある。 On the other hand, the laser confocal microscope can measure displacement easily in the air without contact (see, for example, Patent Document 1). Furthermore, since only the focal plane signal is detected by the laser beam focused to the diffraction limit, it has a high in-plane resolution. Therefore, it is often used in biomedical as a microscope capable of three-dimensional internal observation in a transmission type sample such as cell observation. On the other hand, the laser confocal microscope requires scanning in the optical axis direction, and has problems such as errors due to mechanical movement, noise, and scanning time.
これに対し、光源として白色光を用いた共焦点顕微鏡が提案されている（例えば、特許文献２参照）。白色光を用いた共焦点顕微鏡は、光軸方向に走査を必要とせず、従って変位分解能が機械走査精度に依存しないという特徴を有する。しかし、レーザー光に替えて白色光を用いた場合、その光源出力は低く、指向性、波長安定性が低いことも相まって、より高精度な測定の実現は困難である。 On the other hand, a confocal microscope using white light as a light source has been proposed (see, for example, Patent Document 2). A confocal microscope using white light does not require scanning in the optical axis direction, and therefore has a feature that displacement resolution does not depend on mechanical scanning accuracy. However, when white light is used instead of laser light, the light source output is low, and the directivity and wavelength stability are also low, so that it is difficult to realize more accurate measurement.
これに対して、光源に光周波数コム発生器で発生したパルスレーザー光を用いる手法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。光周波数コム発生器により発生したパルスレーザー光は、周波数領域において等間隔で並んだ離散的スペクトルを有しており、各周波数成分の周波数および光強度はごく安定化されている。そのため、このパルスレーザー光を用いた共焦点顕微鏡は、白色光を用いた共焦点顕微鏡に比べて高い面内分解能を実現しつつ、光軸方向についても原理的には高い分解能を実現できるとされている。 On the other hand, a method using pulsed laser light generated by an optical frequency comb generator as a light source has been proposed (see, for example, Patent Document 3). The pulse laser beam generated by the optical frequency comb generator has discrete spectra arranged at equal intervals in the frequency domain, and the frequency and light intensity of each frequency component are extremely stabilized. For this reason, the confocal microscope using pulsed laser light is capable of realizing higher resolution in the optical axis direction in principle while achieving higher in-plane resolution than confocal microscopes using white light. ing.
しかしながら、特許文献３に記載の方法では、実際には光源中の波長成分毎に強度のばらつきが存在する。そのため、最終的に得られた反射光を分析した際に、この強度ばらつきにより測定誤差が生じてしまうという課題があった。また、光周波数コムで発生したパルスレーザー光を試料に照射した場合の、試料表面における波長毎の反射率の差異や、最終的に光を検出器で取得するまでに通過する多くの光学素子における波長毎の透過率の差異によっても、光周波数コムで発生したパルスレーザー光と、検出器で得られたスペクトルとの間に差異が生じ、結果として無視できない測定誤差が生じるという課題もあった。更に、特許文献３で述べられているような超短パルスレーザーを光学素子に入射した場合に生じる群速度分散やチャープによっても、無視できない測定誤差が生じるという課題もあった。なお、より高精度な計測を行う際には、その正規化が必要である。正規化を行う際にはリファレンスが必要であるが、上記の理由から、光源をリファレンスとして正規化することは適さない。 However, in the method described in Patent Document 3, there is actually a variation in intensity for each wavelength component in the light source. For this reason, when the finally obtained reflected light is analyzed, there is a problem that a measurement error occurs due to this intensity variation. In addition, in the case of irradiating a sample with pulsed laser light generated by an optical frequency comb, the difference in reflectance at each wavelength on the sample surface, and in many optical elements that pass until the light is finally acquired by a detector The difference in transmittance for each wavelength also causes a difference between the pulse laser beam generated by the optical frequency comb and the spectrum obtained by the detector, resulting in a measurement error that cannot be ignored. In addition, there is a problem that a measurement error that cannot be ignored is caused even by group velocity dispersion or chirp generated when an ultrashort pulse laser as described in Patent Document 3 is incident on an optical element. It should be noted that normalization is necessary when performing highly accurate measurement. When normalization is performed, a reference is necessary. However, for the above reason, it is not suitable to normalize a light source as a reference.
本発明は、高分解能かつ高精度な変位測定を実現でき、レーザー波長光束群の強度を分析することを特徴する光学式の変位測定装置、およびそれを用いた変位測定方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical displacement measuring apparatus that can realize displacement measurement with high resolution and high accuracy and analyze the intensity of a laser wavelength beam group, and a displacement measuring method using the same. And
上記目的を達成するために、本発明に係る変位測定装置は、等周波数間隔多波長レーザー光源と、前記等周波数間隔多波長レーザー光源から照射されるレーザー光をコリメートしてコリメート光束を生成するコリメート部と、前記コリメート光束を集光して被測定物に入射する被測定物集光レンズと、前記被測定物からの反射光束を集光するピンホール集光レンズと、前記ピンホール集光レンズの後方焦点位置に配置したピンホールと、前記反射光束を集光するファイバ集光レンズと、前記ファイバ集光レンズの後方焦点位置に開口を配置したファイバと、前記ファイバで取得した光を分析するスペクトラムアナライザとを有し、前記ピンホール集光レンズ入射前に前記反射光束を分光し、その分光した光を、前記ピンホールの通過以外の条件を前記ファイバで取得した光と一致させて、前記ファイバで取得した光に対するリファレンスとすることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a displacement measuring apparatus according to the present invention includes a collimator that generates a collimated light beam by collimating a multi-wavelength laser light source with equal frequency intervals and laser light emitted from the multi-wavelength laser light source with equal frequency intervals. A measurement object condensing lens that collects the collimated light beam and enters the object to be measured, a pinhole condensing lens that condenses the reflected light beam from the measurement object, and the pinhole condensing lens A pinhole disposed at the rear focal position of the optical fiber, a fiber condensing lens for condensing the reflected light beam, a fiber having an aperture disposed at the rear focal position of the fiber condensing lens, and analyzing the light acquired by the fiber. A spectrum analyzer, spectrally divides the reflected light beam before the pinhole condenser lens is incident, and the spectrally separated light other than the passage of the pinhole. Was allowed to coincide with the light obtained in said fiber, characterized in that the reference to light obtained by said fiber.
本発明では、等周波数間隔多波長レーザー光源（例えばフェムト秒レーザー）をコリメートして得られたパルスレーザー光束を、被測定物集光レンズで集光した後に被測定物に入射し、得られた反射光をビームスプリッター等により測定光束群と参照光束群とに分け、測定光束群はピンホール集光レンズで集光し、ピンホールを通過した波長光束群をスペクトラムアナライザで検出するとともに、参照光束群の周波数スペクトルは、別途用意したスペクトラムアナライザで検出するよう光学系を構成する。 In the present invention, a pulsed laser beam obtained by collimating a multi-wavelength laser light source (for example, a femtosecond laser) with equal frequency intervals is collected by a measuring object condenser lens and then incident on the measuring object. The reflected light is divided into a measurement beam group and a reference beam group by a beam splitter, etc., the measurement beam group is collected by a pinhole condenser lens, and the wavelength beam group that has passed through the pinhole is detected by a spectrum analyzer, and the reference beam The optical system is configured so that the frequency spectrum of the group is detected by a separately prepared spectrum analyzer.
ここでは、等周波数間隔多波長レーザー光源としてフェムト秒レーザーを仮定して説明する。フェムト秒レーザーは、異なる波長を有する光束の重ね合わせによって得られており、被測定物集光レンズで集光した際に、焦点距離は軸上色収差により各波長光束によってそれぞれ異なるものとなる。被測定物で反射した波長光束群は、反射光の拡がりに差異が生じるために、軸上色収差が生じないと仮定したピンホール集光レンズで集光した際にも各波長光束によってそれぞれ異なる光軸方向位置に集光する。したがって、ピンホールを通過する光強度は各波長光束によって異なり、被測定物表面で集光、反射した合焦波長光束にピンホール位置を合わせた際には、その波長光束のピンホール通過強度が最も大きくなり、スペクトラムアナライザにより各波長光束の強度を取得、分析することで被測定物の変位を測定することができる。フェムト秒レーザーは、離散的な周波数スペクトルを有するため、連続スペクトルを有する白色光と比較して強度分析の際に合焦波長の特定が容易になり、測定分解能が向上する。もし光周波数コムの任意の離散スペクトルを検出できれば、原理的には光軸方向にサブｎｍの測定分解能が実現する。またフェムト秒レーザーは白色光と比較して強度が大きく、それによりノイズの影響が低減され、高精度な測定が期待できる。さらに、フェムト秒レーザーの周波数は精度良くコントロールされており、ごく安定である。そのため、各光束の波長もごく安定しているため、焦点距離も安定する。さらに、リファレンスを用いて正規化することで、より正確な測定が可能になる。従ってこのシステムは、安定した高分解能、高精度な変位測定器として用いることができる。 Here, a description will be given assuming a femtosecond laser as a multi-wavelength laser light source with equal frequency intervals. The femtosecond laser is obtained by superimposing light beams having different wavelengths, and when the light is collected by the measurement object condensing lens, the focal length is different for each wavelength light beam due to axial chromatic aberration. The group of wavelength beams reflected by the object to be measured has a difference in the spread of reflected light. Condensed at the axial position. Therefore, the intensity of light passing through the pinhole differs depending on each wavelength beam, and when the pinhole position is aligned with the focused wavelength beam condensed and reflected on the surface of the object to be measured, the pinhole passing intensity of that wavelength beam is The displacement of the object to be measured can be measured by acquiring and analyzing the intensity of each wavelength light beam by a spectrum analyzer. Since the femtosecond laser has a discrete frequency spectrum, the focus wavelength can be easily identified in the intensity analysis as compared with white light having a continuous spectrum, and the measurement resolution is improved. If an arbitrary discrete spectrum of the optical frequency comb can be detected, a sub-nm measurement resolution can be realized in the optical axis direction in principle. In addition, the femtosecond laser has a higher intensity than white light, thereby reducing the influence of noise and expecting highly accurate measurement. Furthermore, the frequency of the femtosecond laser is controlled with high accuracy and is very stable. Therefore, since the wavelength of each light beam is very stable, the focal length is also stable. Furthermore, more accurate measurement is possible by normalizing using the reference. Therefore, this system can be used as a stable high-resolution and high-precision displacement measuring instrument.
このように、本発明は、正規化の問題点を解決したものになっており、より高精度な計測が期待できる。さらに、前記公知例では用途として生体適用が述べられているが、一般に超短パルスレーザーは高エネルギーなため、生体組織を傷つける恐れがあり不向きである。これに対し本発明では、正規化によりノイズの低減が見込まれ、生体組織に配慮したより低出力な光源を用いた際にも同様に高精度な測定が期待できる。 As described above, the present invention solves the problem of normalization, and more accurate measurement can be expected. Furthermore, in the above-mentioned known examples, the application to living bodies is described as a use. However, since an ultrashort pulse laser is generally high energy, there is a risk of damaging a living tissue. On the other hand, in the present invention, noise can be reduced by normalization, and high-accuracy measurement can be similarly expected even when a light source having a lower output in consideration of living tissue is used.
また、本発明によれば、前記等周波数間隔多波長レーザー光源はフェムト秒レーザーであること、を特徴とする変位測定装置が得られる。 According to the present invention, there can be obtained a displacement measuring apparatus characterized in that the equal frequency interval multi-wavelength laser light source is a femtosecond laser.
また、本発明によれば、前記コリメート光束は、ファブリ・ペローエタロンを用いて周波数間隔が拡大されていること、を特徴とする変位測定装置が得られる。 Further, according to the present invention, there is obtained a displacement measuring apparatus characterized in that the collimated light beam has a frequency interval enlarged using a Fabry-Perot etalon.
また、本発明によれば、前記被測定物集光レンズは、軸上色収差により各波長で異なる後方焦点を有すること、を特徴とする、変位測定装置が得られる。 In addition, according to the present invention, it is possible to obtain a displacement measuring apparatus in which the measured object condensing lens has a different back focal point at each wavelength due to axial chromatic aberration.
また、本発明によれば、前記コリメート光束の進行方向を連続的に変化させて前記被測定物への入射を可能とするレーザー走査部を有すること、を特徴とする変位測定装置が得られる。 In addition, according to the present invention, there is obtained a displacement measuring apparatus characterized by having a laser scanning section that allows the collimated light beam to continuously travel in the traveling direction so as to be incident on the object to be measured.
また、本発明によれば、前記スペクトラムアナライザは、前記ファイバで取得した光を分光し、各波長成分の強度を解析すること、を特徴とする変位測定装置が得られる。 According to the invention, it is possible to obtain a displacement measuring apparatus characterized in that the spectrum analyzer analyzes light obtained by the fiber and analyzes the intensity of each wavelength component.
更に、本発明によれば、前記変位測定装置を用いて、前記被測定物の変位を測定すること、を特徴とする変位測定方法が得られる。 Further, according to the present invention, there is obtained a displacement measuring method characterized by measuring the displacement of the object to be measured using the displacement measuring device.
本発明によれば、等周波数間隔多波長レーザー光源（例えばフェムト秒レーザー）を測定光として用い、これを、被測定物に軸上色収差を生じる集光レンズを用いて集光、入射し、反射光束を集光レンズで集光し、ピンホールを通過した各波長光束の強度を測定することで被測定物の変位を取得する。この際、リファレンスを用いて正規化することでより正確な変位取得が可能になる。フェムト秒レーザーは、離散的な周波数スペクトルを有するため、連続スペクトルを有する白色光と比較して強度分析の際に合焦波長の特定が容易になり、測定分解能が向上する。用いるレーザー光源は、白色光と比較して高出力であり、また周波数が高精度に制御されているため、軸上色収差の生じる各波長光束は安定した焦点距離を有し、結果として高分解能かつ高精度な、光周波数コムを用いた光学式の変位測定装置、およびそれを用いた変位測定方法を提供することができる。 According to the present invention, a multi-wavelength laser light source (for example, a femtosecond laser) with equal frequency intervals is used as measurement light, and this is condensed, incident, and reflected using a condensing lens that produces axial chromatic aberration on the object to be measured. The light beam is condensed by a condenser lens, and the displacement of the object to be measured is obtained by measuring the intensity of each wavelength light beam that has passed through the pinhole. At this time, a more accurate displacement can be obtained by normalization using a reference. Since the femtosecond laser has a discrete frequency spectrum, the focus wavelength can be easily identified in the intensity analysis as compared with white light having a continuous spectrum, and the measurement resolution is improved. Since the laser light source used has a higher output than white light and the frequency is controlled with high accuracy, each wavelength light beam causing axial chromatic aberration has a stable focal length, resulting in high resolution and A highly accurate optical displacement measuring apparatus using an optical frequency comb and a displacement measuring method using the same can be provided.
本発明にかかる第一の実施形態を、図１から図１１を用いて説明する。
図１は、本発明にかかる第一の実施形態で用いる光学系の概略図である。本光学系は、フェムト秒レーザー点光源１と、フェムト秒レーザー点光源１から照射されるフェムト秒レーザー光２をコリメートしてコリメート光束３を生成するコリメート部４と、コリメート光束３を集光して被測定物１１に入射する被測定物集光レンズ６と、被測定物１１からの反射光束１７の進行方向を９０度変化する偏光ビームスプリッター１２と、反射光束１７を集光するピンホール集光レンズ７と、ピンホール集光レンズ７の後方焦点面に配置したピンホール５と、反射光束をコリメート光束に戻すアクロマティックレンズ９と、ピンホール通過後の反射光束を集光するファイバ集光レンズ８と、ファイバ集光レンズ８の後方焦点面に配置したファイバＡ１３と、ファイバＡ１３で取得した光を分析するスペクトラムアナライザ１５と、ピンホール集光レンズ７の通過前に反射光束１７を分光する無偏光ビームスプリッター１８と、リファレンス用の集光レンズ群およびファイバＢ１４と、ファイバＢ１４で取得した光を分析するスペクトラムアナライザ４０と、フェムト秒レーザー点光源１のレーザー発振を安定化するための周波数標準１０とからなる。
A first embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical system used in the first embodiment according to the present invention. This optical system collimates the femtosecond laser point light source 1, the femtosecond laser light 2 emitted from the femtosecond laser point light source 1 to generate a collimated light beam 3, and condenses the collimated light beam 3. The object collecting lens 6 incident on the object 11 to be measured, the polarization beam splitter 12 that changes the traveling direction of the reflected light beam 17 from the object 11 to be measured by 90 degrees, and the pinhole collection that condenses the reflected light beam 17. An optical lens 7, a pinhole 5 disposed at the rear focal plane of the pinhole condenser lens 7, an achromatic lens 9 that returns the reflected light beam to a collimated light beam, and a fiber light collecting light that collects the reflected light beam after passing through the pinhole. Lens 8, fiber A 13 disposed at the rear focal plane of fiber condenser lens 8, and spectrum analyzer for analyzing the light acquired by fiber A 13 5, a non-polarizing beam splitter 18 that splits the reflected light beam 17 before passing through the pinhole condenser lens 7, a reference condenser lens group and fiber B 14, and a spectrum analyzer 40 that analyzes the light acquired by the fiber B 14. And a frequency standard 10 for stabilizing the laser oscillation of the femtosecond laser point light source 1.
第一の実施形態で用いる光学系における、フェムト秒レーザー光２の性質について、図２を用いて説明する。図２は、図１に示す第一の実施形態の光学系における、フェムト秒レーザー光２の強度を、時間領域、周波数領域および波長領域で見た場合の模式図である。フェムト秒レーザー光２の強度を時間領域で表記すると、図２（ａ）のようになり、周波数領域で表記すると、図２（ｂ）のようになる。フェムト秒レーザー光２は、周波数が等間隔で並んだ光波成分の位相を制御して重ね合わせることで得られるパルス状のレーザー出力２０として表すことができる。周波数領域で見ると、等間隔ピーク群２１が得られる。これは櫛歯状に見えることから、光コムと呼ばれている。周波数領域における各々の出力ピークの周波数ｖｉは、以下の式で表される。 The property of the femtosecond laser light 2 in the optical system used in the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram when the intensity of the femtosecond laser light 2 in the optical system of the first embodiment shown in FIG. 1 is viewed in the time domain, the frequency domain, and the wavelength domain. When the intensity of the femtosecond laser light 2 is expressed in the time domain, it is as shown in FIG. 2A, and when expressed in the frequency domain, it is as shown in FIG. The femtosecond laser beam 2 can be expressed as a pulsed laser output 20 obtained by superimposing the light wave components with the frequencies arranged at equal intervals. When viewed in the frequency domain, a group of equally spaced peaks 21 is obtained. This is called an optical comb because it looks like a comb. Each frequency v i of the output peaks of the frequency domain can be expressed as the following formula.
式（２）より、フェムト秒レーザー光２は、波長領域においては、不等間隔ピーク群２２（図２（ｃ）参照）となることが分かる。本発明では、この性質を利用した共焦点顕微鏡を生成する。 From the equation (2), it can be seen that the femtosecond laser light 2 becomes a non-uniformly spaced peak group 22 (see FIG. 2C) in the wavelength region. In the present invention, a confocal microscope using this property is generated.
第一の実施形態で用いる光学系における、被測定物集光レンズ６で生じる軸上色収差、それによる波長による光路の違いおよび得られる強度の違いについて、図３、図４および図５を用いて説明する。図３は、図１に示す第一の実施形態で用いる光学系における、被測定物集光レンズ６にコリメート光束３が入射した場合に、軸上色収差により生じる後方焦点距離の波長による違いを示す模式図である。被測定物集光レンズ６に入射する光束の波長が長いほど、後方焦点距離が長くなる。いま、被測定物集光レンズ６の屈折率をｎ、後方焦点距離をｆとすると、被測定物集光レンズ６の硝材における波長による屈折率の差分Δｎに対しての後方焦点距離の差分Δｆは、以下の式で表される。 With reference to FIGS. 3, 4, and 5, the axial chromatic aberration generated in the object collecting lens 6 in the optical system used in the first embodiment, the difference in the optical path due to the wavelength, and the difference in the obtained intensity will be described. explain. FIG. 3 shows the difference in wavelength of the rear focal length caused by axial chromatic aberration when the collimated light beam 3 is incident on the object collecting lens 6 in the optical system used in the first embodiment shown in FIG. It is a schematic diagram. The longer the wavelength of the light beam incident on the measuring object condenser lens 6, the longer the rear focal length. Now, assuming that the refractive index of the object collecting lens 6 is n and the rear focal length is f, the difference Δf in the rear focal length with respect to the difference Δn in refractive index depending on the wavelength in the glass material of the object collecting lens 6. Is represented by the following equation.
式（３）において、被測定物集光レンズ６の硝材の屈折率は、各波長に対応した値が存在するため、結果的に被測定物集光レンズ６の後方焦点距離は、各波長に対応した大きさが存在する。そのため、波長を分析することで、被測定物集光レンズ６の後方焦点距離を特定することができる。 In the expression (3), the refractive index of the glass material of the object collecting lens 6 has a value corresponding to each wavelength. As a result, the rear focal length of the object collecting lens 6 is set to each wavelength. There is a corresponding size. Therefore, by analyzing the wavelength, the rear focal length of the measured object condensing lens 6 can be specified.
図４は、図１に示す第一の実施形態で用いる光学系における、被測定物集光レンズ６により異なる後方焦点に集光して被測定物１１の表面で反射し、それぞれの光路をとる各波長反射光束１７を、偏光ビームスプリッター１２を用いて直角に曲げ、軸上色収差の影響を受けないと仮定したピンホール集光レンズ７で集光した際の、波長によるピンホール面における集光径３４の違いを示す模式図である。ピンホール５は、被測定物１１の表面に対して共役な位置関係にあるため、被測定物集光レンズ６の後方焦点距離と被測定物１１との位置が一致し、被測定物１１の表面において合焦な波長光束２８は、ピンホール５の面において合焦するため、ピンホール５を通過する光束の割合は、この波長において最大になる。一方、被測定物集光レンズ６の後方焦点距離と被測定物１１の位置とが不一致で、被測定物１１の表面において非合焦な波長光束２９は、ピンホール５の面において非合焦なため、ピンホール５の面において拡がりを有し、ピンホール５によりカットされる光束の割合は大きくなる。いま、コリメート光束３のコリメート径をＤ、集光レンズ７の後方焦点距離をＦ、着目した波長における被測定物集光レンズ６の後方焦点距離をｆ、着目した波長における集光レンズ６の後方焦点と被測定物１１の表面との差分をΔｚ、ピンホール５の面における着目した波長光束の集光径をΔｄとすると、回折限界を無視した場合のΔｚとΔｄの関係性は、以下の式で表される。 FIG. 4 shows the optical system used in the first embodiment shown in FIG. 1, which is focused on different back focal points by the measured object condenser lens 6 and reflected by the surface of the measured object 11, and takes the respective optical paths. Each wavelength reflected light beam 17 is bent at a right angle by using the polarization beam splitter 12 and condensed on the pinhole condensing lens 7 that is assumed not to be affected by axial chromatic aberration. It is a schematic diagram which shows the difference of the diameter 34. FIG. Since the pinhole 5 is in a conjugate positional relationship with the surface of the device under test 11, the rear focal distance of the device under test focusing lens 6 and the position of the device under test 11 coincide with each other. Since the wavelength light beam 28 focused on the surface is focused on the surface of the pinhole 5, the ratio of the light beam passing through the pinhole 5 is maximized at this wavelength. On the other hand, the back focal distance of the object collecting lens 6 and the position of the object 11 do not coincide with each other, and the wavelength light flux 29 that is not focused on the surface of the object 11 is not focused on the surface of the pinhole 5. For this reason, the surface of the pinhole 5 is widened, and the ratio of the light beam cut by the pinhole 5 is increased. Now, the collimating diameter of the collimated light beam 3 is D, the rear focal distance of the condenser lens 7 is F, the rear focal distance of the object collecting lens 6 at the focused wavelength is f, and the rear of the condenser lens 6 at the focused wavelength. When the difference between the focal point and the surface of the object to be measured 11 is Δz, and the focused diameter of the focused light beam on the surface of the pinhole 5 is Δd, the relationship between Δz and Δd when the diffraction limit is ignored is as follows: It is expressed by a formula.
図５は、図１に示す第一の実施形態で用いる光学系における、固定された被測定物１１における反射光束１７をピンホール集光レンズ７で集光した際の、ピンホール５のつくる面における波長による強度分布の違いと、ピンホール５によりカットされる強度分布群とを示すグラフである。ガウス分布をとるコリメート光束３は、集光面においてもガウス分布をとる。被測定物１１の表面で合焦した反射光束１７は、ピンホール５の面において合焦し、ピンホール５の面において小さな径のガウス分布３８をとる。一方、被測定物１１の表面で非合焦な反射光束は、ピンホール５の面において非合焦であり、ピンホール５の面において式（４）に示す集光径Δｄをもつ。Δｄが大きい波長光束ほどピンホール径３６をもつピンホール５によりカットされる強度の割合が大きくなり、合焦した波長光束がピンホール５を通過する強度の割合が最も大きい。 FIG. 5 shows a surface formed by the pinhole 5 when the reflected light beam 17 on the fixed object to be measured 11 is collected by the pinhole condenser lens 7 in the optical system used in the first embodiment shown in FIG. It is a graph which shows the difference in the intensity distribution by the wavelength in, and the intensity distribution group cut by the pinhole 5. FIG. The collimated light beam 3 having a Gaussian distribution also has a Gaussian distribution on the condensing surface. The reflected light beam 17 focused on the surface of the object to be measured 11 is focused on the surface of the pinhole 5 and takes a Gaussian distribution 38 having a small diameter on the surface of the pinhole 5. On the other hand, the reflected light beam that is out of focus on the surface of the object to be measured 11 is out of focus on the surface of the pinhole 5 and has a condensing diameter Δd shown in Expression (4) on the surface of the pinhole 5. The ratio of the intensity that is cut by the pinhole 5 having the pinhole diameter 36 is larger as the wavelength light flux has a larger Δd, and the ratio of the intensity at which the focused wavelength light flux passes through the pinhole 5 is the largest.
第一の実施形態で用いる光学系における、被測定物１１に光軸方向変位ΔＺ２４が生じた場合の反射光束１７の光路およびスペクトラムアナライザ１５で得られる強度分布について、図６、図７、図８および図９を用いて説明する。図６は、図１に示す第一の実施形態の光学系における、被測定物１１の表面で合焦した反射光束１７をピンホール集光レンズ７で集光してピンホール５を通過する波長光束と、被測定物１１を光軸方向に光軸方向変位ΔＺ２４だけ移動した場合の、被測定物１１の表面で合焦した反射光束１７をピンホール集光レンズ７で集光してピンホール５を通過する合焦な波長光束２８を示す模式図である。被測定物１１に光軸方向変位２４が生じると、被測定物１１の表面で合焦する光束の波長は変化する。 In the optical system used in the first embodiment, the optical path of the reflected light beam 17 and the intensity distribution obtained by the spectrum analyzer 15 when the optical axis direction displacement ΔZ24 occurs in the DUT 11 are shown in FIGS. This will be described with reference to FIG. 6 shows the wavelength at which the reflected light beam 17 focused on the surface of the object to be measured 11 is condensed by the pinhole condenser lens 7 and passes through the pinhole 5 in the optical system of the first embodiment shown in FIG. The light beam and the reflected light beam 17 focused on the surface of the object to be measured 11 when the object to be measured 11 is moved in the optical axis direction by the optical axis direction displacement ΔZ24 are condensed by the pinhole condenser lens 7 and pinholed. 5 is a schematic diagram showing a focused wavelength light beam 28 passing through 5. FIG. When the optical axis direction displacement 24 occurs in the device under test 11, the wavelength of the light beam focused on the surface of the device under test 11 changes.
図７は、図６における各波長光束について、スペクトラムアナライザ１５で得られる強度分布を示すグラフである。被測定物１１に光軸方向変位ΔＺ２４が生じると、スペクトラムアナライザ１５で得られる強度分布について、ピークをもつコムが波長方向にシフトする。 FIG. 7 is a graph showing the intensity distribution obtained by the spectrum analyzer 15 for each wavelength beam in FIG. When the optical axis direction displacement ΔZ24 occurs in the DUT 11, the comb having a peak shifts in the wavelength direction in the intensity distribution obtained by the spectrum analyzer 15.
図８は、図１に示す第一の実施形態の光学系における、フェムト秒レーザー光２に一様強度のものを使用した場合に、スペクトラムアナライザ１５で得られる被測定物１１の各光軸方向変位ΔＺ２４における強度分布をシミュレーションにより確認した結果を示すグラフである。光周波数コム光源であるため、本来はグラフの波形は離散的になるが、いまは簡易的に連続的な波形で示している。被測定物１１の光軸方向変位ΔＺ２４にしたがってピークをもつ波長、すなわち被測定物１１の表面で合焦した波長が遷移することがわかる。 FIG. 8 shows the optical axis directions of the DUT 11 obtained by the spectrum analyzer 15 when the femtosecond laser light 2 having a uniform intensity is used in the optical system of the first embodiment shown in FIG. It is a graph which shows the result of having confirmed the intensity distribution in displacement ΔZ24 by simulation. Since it is an optical frequency comb light source, the waveform of the graph is originally discrete, but now it is simply shown as a continuous waveform. It can be seen that the wavelength having a peak according to the optical axis direction displacement ΔZ24 of the device under test 11, that is, the wavelength focused on the surface of the device under test 11 transitions.
図９は、図８に示すグラフにおける、ピークをもつ波長を抽出し、合焦波長と被測定物の各光軸方向変位ΔＺ２４との感度曲線を示したグラフである。この感度曲線は、波長による屈折率の変化量に依存し、小さな波長帯に限って見れば、図９に示すように線形曲線として表すことができる。 FIG. 9 is a graph showing the sensitivity curve between the focused wavelength and the optical axis direction displacement ΔZ24 of the object to be measured in the graph shown in FIG. This sensitivity curve depends on the amount of change in the refractive index depending on the wavelength, and can be expressed as a linear curve as shown in FIG.
本発明にかかる第一の実施形態における、正規化の方法について図１、図１０および図１１を用いて説明する。図１に示した第一の実施形態で用いる光学系において、ピンホール集光レンズ７の前に無偏光ビームスプリッター１８を設置して反射光束１７を分光し、分光したうちの一方の光束は生データ光束３２とし、もう一方の光束はリファレンス光束３３とする。生データ光束３２は、図１に示した第一の実施形態においてスペクトラムアナライザ１５で分析される光束と同様な光路をとり、ピンホール５を通過し、ファイバＡ１３により取得される。一方、リファレンス光束３３はピンホール５を通過せず、ファイバ集光レンズ４２により集光され、ファイバＢ１４により取得され、スペクトラムアナライザ４０で分析される。ファイバＡ１３で取得した光束の強度を、ファイバＢ１４で取得した光束の強度で、各波長ごとに割り、正規化することで、第一の実施形態で求めた際と同様に合焦波長を求めることができる。なお、スペクトラムアナライザ１５とスペクトラムアナライザ４０は、同一のものを接続し直して用いても差し支えない。 A normalization method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 10, and 11. In the optical system used in the first embodiment shown in FIG. 1, a non-polarizing beam splitter 18 is installed in front of the pinhole condenser lens 7 to split the reflected light beam 17, and one of the split light beams is raw. The data light beam 32 is used, and the other light beam is a reference light beam 33. The raw data beam 32 takes the same optical path as the beam analyzed by the spectrum analyzer 15 in the first embodiment shown in FIG. 1, passes through the pinhole 5, and is acquired by the fiber A13. On the other hand, the reference light beam 33 does not pass through the pinhole 5 but is collected by the fiber condenser lens 42, acquired by the fiber B 14, and analyzed by the spectrum analyzer 40. By dividing the intensity of the light beam acquired by the fiber A13 by the intensity of the light beam acquired by the fiber B14 for each wavelength and normalizing, the focus wavelength is obtained in the same manner as in the first embodiment. Can do. Note that the spectrum analyzer 15 and the spectrum analyzer 40 may be reconnected and used.
本発明にかかる第一の実施形態で用いる光学系は、フェムト秒レーザー点光源１に強度が波長で一様でないものを用いた際に、フェムト秒レーザー点光源１をリファレンスとして正規化することを前提としているが、その場合、光源の強度分布がリファレンスとして機能しない場合がある。例えば、光源が広い波長帯を有するために、ファイバＡ１３に入射するまでにレンズ群や偏光ビームスプリッター等において各波長の光が吸収、分散等されたとき、最終的にファイバＡ１３に入射する際に、それらによる波長ごとの強度の低下が異なることになる。また、フェムト秒レーザー光源を用いているために、レンズ群や偏光ビームスプリッター等で群速度分散やチャープが生じる。そのため、最終的にファイバＡ１３に入射する際に、光源と波長方向にズレが生じる。そのため、光源をリファレンスに用いると、図８に示したようなピークが見られない、もしくは実際の共焦点効果によるピークと異なる波長にピークが見られることがある。本発明にかかる第一の実施形態で用いる光学系では、生データ光束３２およびリファレンス光束３３の通過する光学部品の差異を減らすことでこれらの影響をキャンセルし、より精度の高い測定を行うことができる。 The optical system used in the first embodiment according to the present invention normalizes the femtosecond laser point light source 1 with reference to the femtosecond laser point light source 1 when the femtosecond laser point light source 1 is not uniform in wavelength. In this case, the intensity distribution of the light source may not function as a reference. For example, since the light source has a wide wavelength band, when light of each wavelength is absorbed or dispersed by the lens group, the polarization beam splitter, or the like before entering the fiber A13, the light finally enters the fiber A13. Therefore, the decrease in intensity for each wavelength is different. In addition, since a femtosecond laser light source is used, group velocity dispersion and chirp occur in the lens group, the polarization beam splitter, and the like. Therefore, when the light finally enters the fiber A13, a deviation occurs in the wavelength direction from the light source. Therefore, when a light source is used as a reference, a peak as shown in FIG. 8 may not be seen, or a peak may be seen at a wavelength different from the peak due to the actual confocal effect. In the optical system used in the first embodiment according to the present invention, it is possible to cancel these influences by reducing the difference between the optical components through which the raw data light beam 32 and the reference light beam 33 pass, and perform more accurate measurement. it can.
第一の実施形態で用いる光学系において、非合焦な反射光束のカットは、ピンホール５のみならず、ファイバＡ１３およびファイバＢ１４においても発生する。生データ光束３２およびリファレンス光束３３のどちらも、ファイバにおけるカットが発生するために、正規化した際にファイバによるカットがキャンセルされ、主にピンホール５におけるカットの影響が正規化した強度分布に出る。 In the optical system used in the first embodiment, the cut of the out-of-focus reflected light flux occurs not only in the pinhole 5 but also in the fiber A13 and the fiber B14. Since both the raw data light beam 32 and the reference light beam 33 are cut in the fiber, the cut by the fiber is canceled when normalized, and the influence of the cut in the pinhole 5 mainly appears in the normalized intensity distribution. .
図１０に、本発明にかかる第一の実施形態の光学系において、被測定物集光レンズ６により集光されて被測定物１１に入射したコリメート光束３が、被測定物１１の表面において反射した非合焦な波長光束２９、および無偏光ビームスプリッター１８で分光された生データ光束３２がピンホール５に入射し、ピンホール通過後の非合焦光束３０が、ファイバ集光レンズ８によりファイバ面における集光径３５を有してファイバＡ１３に入射する様子と、無偏光ビームスプリッター１８で分光されたリファレンス光束３３が、ピンホール集光レンズ４１、アクロマティックレンズ４３およびファイバ集光レンズ４２を介しファイバＢ１４に入射する様子を示す模式図を示す。ピンホール５に入射した生データ光束３２は、ピンホール５により周辺がカットされ、図１０に示すピンホール通過後の非合焦光束３０のような光路をとり、ファイバモードフィールド径３７を有すファイバＡ１３に入射し、ファイバＡ１３の端面でもう一度カットされる。一方、リファレンス光束３３は、図１０に示すピンホールを通過しなかった場合の非合焦光束３１のような光路をとり、ファイバＢ１４の端面でのみカットされる。なお、ピンホール集光レンズ４１、ファイバ集光レンズ４２およびアクロマティックレンズ４３の光学特性は、それぞれピンホール集光レンズ７、ファイバ集光レンズ８およびアクロマティックレンズ９の光学特性と整合がとれていることが望ましい。また、リファレンス側におけるピンホール集光レンズ４１、ファイバ集光レンズ４２およびアクロマティックレンズ４３は一つのレンズにまとめることができることは同業者によって自明であるが、図１０に示すような光学系の方がリファレンスとしては好ましい。 In FIG. 10, in the optical system according to the first embodiment of the present invention, the collimated light beam 3 that is collected by the measured object condenser lens 6 and incident on the measured object 11 is reflected on the surface of the measured object 11. The unfocused wavelength light beam 29 and the raw data light beam 32 dispersed by the non-polarizing beam splitter 18 are incident on the pinhole 5, and the non-focused light beam 30 after passing through the pinhole is made into a fiber by the fiber condenser lens 8. The light incident on the fiber A13 having a condensing diameter 35 on the surface, and the reference light beam 33 dispersed by the non-polarizing beam splitter 18 are passed through the pinhole condensing lens 41, the achromatic lens 43, and the fiber condensing lens 42. The schematic diagram which shows a mode that it injects into fiber B14 via is shown. The raw data beam 32 incident on the pinhole 5 is cut at the periphery by the pinhole 5, takes an optical path like the non-focused beam 30 after passing through the pinhole shown in FIG. 10, and has a fiber mode field diameter 37. The light enters the fiber A13 and is cut once again at the end face of the fiber A13. On the other hand, the reference light beam 33 takes an optical path like the non-focused light beam 31 when not passing through the pinhole shown in FIG. 10, and is cut only at the end face of the fiber B14. The optical characteristics of the pinhole condenser lens 41, the fiber condenser lens 42, and the achromatic lens 43 are matched with the optical characteristics of the pinhole condenser lens 7, the fiber condenser lens 8, and the achromatic lens 9, respectively. It is desirable. Further, it is obvious by those skilled in the art that the pinhole condensing lens 41, the fiber condensing lens 42, and the achromatic lens 43 on the reference side can be combined into one lens, but the optical system as shown in FIG. Is preferred as a reference.
第一の実施形態で用いる光学系における、スペクトラムアナライザ１５で分析し得られる強度分布について、図１１を用いて説明する。図１１は、（ａ）後述するシミュレーションに用いた光源スペクトルと、（ｂ）被測定物１１での反射光束１７がピンホール５を通過してファイバＡ１３に入射した生データ光束３２を、スペクトラムアナライザ１５で分析した場合の、被測定物１１の各光軸方向変位ΔＺ２４の強度分布をシミュレーションにより確認した結果と、（ｃ）被測定物１１での反射光束１７がピンホール５を通過せずファイバＢ１４に入射したリファレンス光束３３を、スペクトラムアナライザ４０で分析した場合の、被測定物１１の各光軸方向変位ΔＺ２４の強度分布をシミュレーションにより確認した結果と、（ｄ）ファイバＡ１３に入射した生データ光束３２の強度分布を、ファイバＢ１４に入射したリファレンス光束３３の強度分布で各光軸方向変位ΔＺ２４において割り、正規化したものをシミュレーションにより確認した結果を示すグラフ群である。図１１（ａ）に示すような波長で一様強度でない光源を用いた場合、図１１（ｂ）に示すように、ファイバＡ１３で取得した光の強度分布のみから合焦波長を特定することはできない。図１１（ｃ）に示すファイバＢ１４で取得した光の強度分布をリファレンスとして正規化することで、図１１（ｄ）に示すようなピークが見えるために、合焦波長を特定することが可能になる。 The intensity distribution obtained by the spectrum analyzer 15 in the optical system used in the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows a spectrum analyzer that shows (a) a light source spectrum used in a simulation to be described later, and (b) a raw data beam 32 incident on the fiber A13 after passing through the pinhole 5 with the reflected beam 17 from the DUT 11. 15 shows the result of confirming the intensity distribution of each displacement ΔZ24 in the optical axis direction of the measured object 11 by simulation, and (c) the reflected light beam 17 on the measured object 11 does not pass through the pinhole 5 and is a fiber. The result of confirming the intensity distribution of each optical axis direction displacement ΔZ24 of the DUT 11 when the reference light beam 33 incident on B14 is analyzed by the spectrum analyzer 40, and (d) raw data incident on the fiber A13 The intensity distribution of the light beam 32 is changed by the intensity distribution of the reference light beam 33 incident on the fiber B14 in each optical axis direction displacement ΔZ. Split in 4 is a graph group illustrating a result of evaluation by simulation obtained by normalizing. When a light source with non-uniform intensity at a wavelength as shown in FIG. 11 (a) is used, as shown in FIG. 11 (b), it is possible to specify the focused wavelength only from the intensity distribution of the light acquired by the fiber A13. Can not. By normalizing the intensity distribution of the light acquired by the fiber B14 shown in FIG. 11C as a reference, a peak as shown in FIG. 11D can be seen, so that the focusing wavelength can be specified. Become.
本発明にかかる第二の実施形態を、図１２から図１３を用いて説明する。図１２は、本発明にかかる第二の実施形態で用いる光学系の概略図である。主な構成は、図１に示した第一の実施形態で用いる光学系と同じであるが、第二の実施形態では、コリメート部４と被測定物１１の間の光路上に、ファブリ・ペローエタロン１９を導入している。その他の構成は、第一の実施形態の光学系と同様である。 A second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a schematic view of an optical system used in the second embodiment according to the present invention. The main configuration is the same as that of the optical system used in the first embodiment shown in FIG. 1, but in the second embodiment, a Fabry-Perot is placed on the optical path between the collimating unit 4 and the object to be measured 11. Etalon 19 has been introduced. Other configurations are the same as those of the optical system of the first embodiment.
第二の実施形態で用いる光学系における、ファブリ・ペローエタロン１９の性質について、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明にかかる第二の実施形態の光学系において、ファブリ・ペローエタロン１９を光路上に設置した場合および設置しない場合のそれぞれについて、被測定物１１に入射するコリメート光束３の光強度の、時間領域と周波数領域と空間周波数領域とにおける状態を示した模式図である。ファブリ・ペローエタロン１９が無い場合には、コリメート光束のパルス周期２６（Ｔ０）は、フェムト秒レーザー点光源１から生成されたフェムト秒レーザー光２のパルス周期と同じである。一方で、ファブリ・ペローエタロン１９がある場合のコリメート光束のパルス周期２７（Ｔ）は、フェムト秒レーザー点光源１から生成されたフェムト秒レーザー光２のパルス周期よりも短くなる。この周期が短くなったパルスレーザーを、周波数領域および波長領域で観察すると、光コムのピークが間引かれたような状態となる。結果として、スペクトラムアナライザ１５で得られる光コムのピークが間引かれ、スペクトラムアナライザ１５の分解能と光コム間引きの分解能とを一致させることで、システムの簡略化、高速化につながる利点がある。 The properties of the Fabry-Perot etalon 19 in the optical system used in the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 13 shows the light of the collimated light beam 3 incident on the object to be measured 11 when the Fabry-Perot etalon 19 is installed on the optical path and when it is not installed in the optical system according to the second embodiment of the present invention. It is the schematic diagram which showed the state in the time domain, the frequency domain, and the spatial frequency domain of intensity | strength. In the absence of the Fabry-Perot etalon 19, the pulse period 26 (T 0 ) of the collimated light beam is the same as the pulse period of the femtosecond laser light 2 generated from the femtosecond laser point light source 1. On the other hand, the pulse period 27 (T) of the collimated light beam in the presence of the Fabry-Perot etalon 19 is shorter than the pulse period of the femtosecond laser light 2 generated from the femtosecond laser point light source 1. When the pulse laser with the shortened period is observed in the frequency domain and the wavelength domain, the peak of the optical comb is thinned out. As a result, the peak of the optical comb obtained by the spectrum analyzer 15 is thinned out, and by matching the resolution of the spectrum analyzer 15 with the resolution of the optical comb thinning, there is an advantage that leads to simplification and high speed of the system.
なお、第一および第二の実施形態で用いる光学系においては、被測定物１１からの反射光束１７によるフェムト秒レーザー光源１の発振の不安定化を防ぐため、図１に示すように、フェムト秒レーザー点光源１と被測定物１１との間の光路上にアイソレータ１６を用いる。 In the optical system used in the first and second embodiments, in order to prevent instability of oscillation of the femtosecond laser light source 1 due to the reflected light beam 17 from the object to be measured 11, as shown in FIG. An isolator 16 is used on the optical path between the second laser point light source 1 and the DUT 11.
実際に、本発明にかかる第一の実施形態の光学系を構築して変位検出実験を行った。その結果を，図１４を用いて説明する。図１４は、第一の実施形態を構築し変位検出実験を行った結果、各光軸方向被測定物位置に対して得られた各正規化波形の最大の光強度を示す波長をプロットして得られた感度曲線である。３５μｍの光軸方向被測定物変位に渡って高い線形性を有することが分かる。これより、本発明の妥当性が示された。 Actually, the optical system of the first embodiment according to the present invention was constructed and a displacement detection experiment was performed. The result will be described with reference to FIG. FIG. 14 plots the wavelength indicating the maximum light intensity of each normalized waveform obtained for each optical axis direction object position as a result of constructing the first embodiment and conducting a displacement detection experiment. It is the obtained sensitivity curve. It can be seen that it has a high linearity over the optical axis direction measurement object displacement of 35 μm. This demonstrated the validity of the present invention.
本発明によれば、光周波数コムを共焦点顕微鏡に用いることで、高精度かつ高安定に、簡易的にＺ変位を測定することができると考えられ、その産業上の利用可能性は高い。 According to the present invention, it is considered that Z displacement can be easily measured with high accuracy and high stability by using an optical frequency comb for a confocal microscope, and its industrial applicability is high.
１ フェムト秒レーザー点光源
２ フェムト秒レーザー光
３ コリメート光束
４ コリメート部
５ ピンホール
６ 被測定物集光レンズ
７ ピンホール集光レンズ
８ ファイバ集光レンズ
９ アクロマティックレンズ
１０ 周波数標準
１１ 被測定物
１２ 偏光ビームスプリッター
１３ ファイバＡ
１４ ファイバＢ
１５ スペクトラムアナライザ
１６ アイソレータ
１７ 反射光束
１８ 無偏光ビームスプリッター
１９ ファブリ・ペローエタロン
２０ パルス状のレーザー出力
２１ 等間隔ピーク群
２２ 不等間隔ピーク群
２３ ピンホールによりカットされる領域
２４ 光軸方向変位ΔＺ
２５ 変位ΔＺがある場合でのピーク群
２６ エタロンが無い場合のコリメート光束のパルス周期Ｔ０
２７ エタロンがある場合のコリメート光束のパルス周期Ｔ
２８ 合焦な波長光束
２９ 非合焦な波長光束
３０ ピンホール通過後の非合焦光束
３１ ピンホールを通過しなかった場合の非合焦光束
３２ 生データ光束
３３ リファレンス光束
３４ ピンホール面における集光径
３５ ファイバ面における集光径
３６ ピンホール径
３７ ファイバモードフィールド径
３８ 合焦な波長光束の強度分布
３９ 非合焦な波長光束の強度分布
４０ スペクトラムアナライザ
４１ ピンホール集光レンズ
４２ ファイバ集光レンズ
４３ アクロマティックレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Femtosecond laser point light source 2 Femtosecond laser beam 3 Collimated light beam 4 Collimated part 5 Pinhole 6 Measured object condensing lens 7 Pinhole condensing lens 8 Fiber condensing lens 9 Achromatic lens 10 Frequency standard 11 Measured object 12 Polarizing beam splitter 13 Fiber A
14 Fiber B
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Spectrum analyzer 16 Isolator 17 Reflected light beam 18 Non-polarization beam splitter 19 Fabry-Perot etalon 20 Pulse-shaped laser output 21 Equally spaced peak group 22 Unequally spaced peak group 23 Area cut by pinhole 24 Optical axis direction displacement ΔZ
25 Peak group with displacement ΔZ 26 Collimated beam pulse period T 0 without etalon
27 Pulse period T of collimated beam with etalon
28 Focused wavelength light beam 29 Unfocused wavelength light beam 30 Non-focused light beam after passing through the pinhole 31 Non-focused light beam when not passing through the pinhole 32 Raw data light beam 33 Reference light beam 34 Collection on the pinhole surface Light diameter 35 Condensing diameter at the fiber surface 36 Pinhole diameter 37 Fiber mode field diameter 38 Intensity distribution of focused light flux 39 Intensity distribution of nonfocusing light flux 40 Spectrum analyzer 41 Pinhole condenser lens 42 Fiber condensing Lens 43 Achromatic lens
Claims (7)
前記等周波数間隔多波長レーザー光源から照射されるレーザー光をコリメートしてコリメート光束を生成するコリメート部と、
前記コリメート光束を集光して被測定物に入射する被測定物集光レンズと、
前記被測定物からの反射光束を集光するピンホール集光レンズと、
前記ピンホール集光レンズの後方焦点位置に配置したピンホールと、
前記反射光束を集光するファイバ集光レンズと、
前記ファイバ集光レンズの後方焦点位置に開口を配置したファイバと、
前記ファイバで取得した光を分析するスペクトラムアナライザとを有し、
前記ピンホール集光レンズ入射前に前記反射光束を分光し、その分光した光を、前記ピンホールの通過以外の条件を前記ファイバで取得した光と一致させて、前記ファイバで取得した光に対するリファレンスとすることを
特徴とする光学式の変位測定装置。 Equal frequency interval multi-wavelength laser light source,
A collimator that collimates the laser light emitted from the equal frequency interval multi-wavelength laser light source to generate a collimated light beam;
A measured object condensing lens that collects the collimated light flux and enters the measured object;
A pinhole condenser lens for condensing the reflected light beam from the object to be measured;
A pinhole disposed at a rear focal position of the pinhole condenser lens;
A fiber condensing lens for condensing the reflected luminous flux;
A fiber in which an aperture is disposed at a rear focal position of the fiber condenser lens;
A spectrum analyzer for analyzing the light acquired by the fiber,
The reflected light beam is split before entering the pinhole condenser lens, and the split light is matched with the light acquired by the fiber under conditions other than the passage of the pinhole, and a reference to the light acquired by the fiber. An optical displacement measuring device characterized by that.
A displacement measuring method, wherein the displacement of the object to be measured is measured using the displacement measuring device according to any one of claims 1 to 6.
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