JP6570035B2

JP6570035B2 - 変位測定装置および変位測定方法

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Publication number: JP6570035B2
Application number: JP2016067247A
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Inventors: 裕樹清水; 高　偉; 偉高; 拓仲村
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Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2036-03-30
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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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

米国特許３、０１３、４６７号明細書特開２００８−２６８３８７号公報特開２００５−９９４３０号公報

丸目克彦、「位置決め用変位センサ」、精密工学会誌６７（２）、2001年、pp.193-197

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明にかかる第一の実施形態の変位測定装置を示す概略構成図である。図１に示す第一の実施形態の変位測定装置の、フェムト秒レーザー光の強度を、（ａ）時間領域、（ｂ）周波数領域、および（ｃ）空間周波数領域で観測した場合のグラフである。図１に示す第一の実施形態の変位測定装置の、被測定物集光レンズにコリメート光束を入射した場合に生じる軸上色収差による、波長による焦点距離の違いを示す説明図である。図１に示す第一の実施形態の変位測定装置の、固定された被測定物にコリメート光束を被測定物集光レンズにより集光して入射した場合に発生する、各波長の反射光束群と、それらをビームスプリッターにより９０°方向を変えた後、ピンホール集光レンズで集光した際に、ピンホールのつくる面における波長による集光径の違いとを示す説明図である。図１に示す第一の実施形態の変位測定装置の、固定された被測定物における反射光束をピンホール集光レンズで集光した際の、ピンホールのつくる面における波長による強度分布の違いと、ピンホールによりカットされる強度分布群とを示すグラフである。図１に示す第一の実施形態の変位測定装置の、被測定物表面で合焦した反射光束をピンホール集光レンズで集光してピンホールを通過する波長光束と、被測定物を光軸方向に変位ΔＺだけ移動した場合の、被測定物表面で合焦した反射光束をピンホール集光レンズで集光してピンホールを通過する波長光束とを示す説明図である。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で得られる強度分布を示すグラフである。図１に示す第一の実施形態の変位測定装置の、フェムト秒レーザー光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で得られる各光軸方向の被測定物変位における強度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。図８に示すグラフにおける、合焦波長と各光軸方向の被測定物変位との感度曲線を示すグラフである。本発明にかかる第一の実施形態の変位測定装置の、被測定物集光レンズにより集光されて被測定物に入射したコリメート光束が、被測定物表面において非合焦で反射した光、および非合焦光束がピンホールを通過後、ファイバ集光レンズによりファイバ表面で拡がりを有してファイバＡに入射する様子と、無偏光ビームスプリッターで分光された非合焦光束がピンホール集光レンズ、アクロマティックレンズおよびファイバ集光レンズを通過しファイバＢに入射する様子とを示す説明図である。本発明にかかる第一の実施形態の変位測定装置の、（ａ）シミュレーションに用いた光源スペクトル、（ｂ）被測定物で反射し、ピンホールを通過してファイバＡに入射した光束を、スペクトラムアナライザで分析した場合の各光軸方向の被測定物変位の強度分布をシミュレーションした結果、（ｃ）被測定物で反射し、ピンホールを通過せずファイバＢに入射した光束を、スペクトラムアナライザで分析した場合の各光軸方向の被測定物変位の強度分布をシミュレーションした結果、（ｄ）ファイバＡに入射した光束の強度分布を、ファイバＢに入射した光束の強度分布で、各光軸方向の被測定物変位において割り、正規化したものをシミュレーションした結果を示すグラフである。本発明にかかる第二の実施形態の変位測定装置を示す概略構成図である。本発明にかかる第二の実施形態の変位測定装置の、（ｂ）ファブリ・ペローエタロンを光路上に設置した場合および（ａ）設置しない場合のそれぞれについて、被測定物に入射するコリメート光束の光強度の、時間領域と、周波数領域と、波長領域における状態を示したグラフである。本発明にかかる第一の実施形態の変位測定装置の変位検出実験の、各光軸方向の被測定物変位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を示すグラフである。

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。

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ｖ_ｉは、以下の式で表される。

ここでｖ_ｒｅｐは出力ピーク間の周波数間隔、ｖ_ｃｅｏはキャリアエンベロープオフセット周波数で、ｉは整数である。式（１）をもとに、それぞれの周波数を有する光波成分の波長λ_ｉは、光の速度をｃとした場合、以下の式で表される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（Ｔ_０）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。

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。

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。

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。

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Ｔ_０
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

Claims

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
特徴とする光学式の変位測定装置。
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、請求項１に記載の変位測定装置。
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、請求項１乃至２のいずれか１項に記載の変位測定装置。
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、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変位測定装置。
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、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変位測定装置。
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、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変位測定装置。
請求項１乃６のいずれか１項に記載の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。