WO2016084195A1 - 白色干渉装置及び白色干渉装置による位置及び変位測定方法 - Google Patents

白色干渉装置及び白色干渉装置による位置及び変位測定方法 Download PDF

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WO2016084195A1
WO2016084195A1 PCT/JP2014/081401 JP2014081401W WO2016084195A1 WO 2016084195 A1 WO2016084195 A1 WO 2016084195A1 JP 2014081401 W JP2014081401 W JP 2014081401W WO 2016084195 A1 WO2016084195 A1 WO 2016084195A1
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WO
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light
measurement
white light
displacement
interference
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PCT/JP2014/081401
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English (en)
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Inventor
智浩 青戸
恭平 林
Original Assignee
株式会社東京精密
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques

Definitions

  • the present invention relates to a white interference device that measures the position and displacement of a measurement object in a non-contact manner using a white interference method (low coherence interference method), and a position and displacement measurement method using the white interference device.
  • a white interference method low coherence interference method
  • An interferometer using an interferometry that detects interference fringes caused by coherent light interference is known.
  • the interferometry is characterized in that when a single wavelength is interfered by an optical interferometer such as a Michelson interferometer, the brightness increases as it approaches an integral multiple of the wavelength, and decreases as it approaches the middle.
  • an optical interferometer such as a Michelson interferometer
  • white interferometry low coherence interferometry
  • a white light source with a short coherence length maximum optical path difference that can obtain interference fringes. It is known that measurement can be performed without contact (see, for example, Patent Document 1).
  • the white interference device of Patent Document 1 includes a white light source, an optical coupler, a reference optical path length scanner unit, a sensor unit, a photodetector, a processing device, and the like.
  • the optical coupler serves as a half mirror or a beam splitter that divides white light from the white light source into reference light and measurement light.
  • the reference optical path length scanner unit reciprocally moves an optical element that changes a traveling direction of reference light entering from an optical coupler through an optical fiber, a reflecting element that reverses the traveling direction of reference light emitted from the optical element, and an optical element.
  • a linear motion stage and a reference scale head for acquiring the position of the optical element are provided.
  • the sensor unit adjusts the spot size of the measurement light by moving the condensing lens in synchronism with the condensing lens for diverging or converging the measurement light entering from the optical coupler through the optical fiber, and the reference optical path length scanner unit.
  • a lens moving unit is provided.
  • the photodetector detects interference fringes between the reference light returned from the reference light path length scanner unit and the measurement light returned from the sensor unit, and outputs an interference signal to the processing device.
  • the interference fringes detected by the photodetector are seen when there is no optical path difference between the measurement light and the reference light, that is, when the optical path lengths are almost equal, and when the optical path lengths match.
  • the amplitude of the interference fringes is maximized.
  • the maximum contrast position of the interference fringes at that time is the surface position of the measurement object.
  • the accuracy of determining the position of the optical element on the linear motion stage of the reference optical path length scanner unit indicating the maximum amplitude of the interference fringes is the measurement accuracy when measuring the position and displacement of the measurement object.
  • the white light interference device of Patent Document 1 can measure the position and displacement of the measurement object with nanometer accuracy by accurately scanning the optical path length of the reference light and obtaining phase information of the white light interference fringes.
  • the white light interference device in order to accurately measure the position and displacement of the measurement object, the accuracy (performance) of the linear motion stage that reciprocates the optical element greatly affects.
  • the white light interference device cannot accurately measure the position and displacement of the measurement object unless the straightness error of the linear motion stage and the error of pitching and yawing operations of the linear motion stage during movement are removed.
  • a linear motion stage is moved by irradiating measurement light onto a reference plane (for example, a mirror or a block gauge whose position is known) as a reference, and is obtained at that time.
  • the error is acquired based on reference data.
  • the measurement object is irradiated with measurement light to move the linear motion stage, and the difference between the measurement data obtained at that time and the reference data is taken to remove the error from the measurement data. .
  • the white light interference device of Patent Document 1 has a problem that the measurement needs to be acquired after acquiring the reference data, so that the measurement is troublesome twice. Also, if the measurement environment (disturbance effects: temperature, atmospheric pressure, humidity, etc.) at the time of acquisition of reference data and measurement data changes, the optical path length of the reference light due to linear motion stage, fiber thermal expansion and contraction, etc. Therefore, there is a problem that the error cannot be accurately removed from the measurement data.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a white interference device that is easy to measure and has high measurement accuracy, and a position and displacement measurement method using the white interference device.
  • a white light source a first optical coupler that divides white light emitted from the white light source into first reference light and first measurement light
  • a second optical coupler that divides white light emitted from the white light source into second reference light and second measurement light
  • a first reference emitted from the first optical coupler via an optical fiber a first optical coupler that divides white light emitted from the white light source into first reference light and first measurement light
  • a first reflecting element that reverses the traveling direction of light and returns it to the first optical coupler, and a traveling direction of the second reference light emitted from the second optical coupler through the optical fiber is reversed, and A second reflecting element to be returned to the second optical coupler, a linear motion stage for reciprocating the first reflecting element and the second reflecting element, and positions of the first reflecting element and the second reflecting element;
  • a reference optical path length scanner unit comprising a scale head for acquiring the first light and the first light
  • a first condenser lens that converges the first measurement light irradiated from the plastic via an optical fiber to irradiate the first measurement object and receives light reflected by the first measurement object.
  • the second measurement light emitted from the second optical coupler through the optical fiber is converged to irradiate the second measurement object and receive the light reflected by the second measurement object.
  • the second condensing lens, the first reference light returned from the reference optical path length scanner unit, and the first measurement light returned from the first condensing lens are caused to interfere with each other, and the interference intensity is determined as an electric signal.
  • a white light interference device includes a first optical coupler that divides white light emitted from a white light source into first reference light and first measurement light, and white light emitted from the white light source.
  • This is a so-called biaxial white interference device including a second reference light and a second optical coupler that divides the light into second measurement light.
  • the reference optical path length scanner unit is characterized in that the first reflective element and the second reflective element are not mounted on independent linear motion stages, but are mounted on one linear motion stage.
  • the straightness, pitching, and yawing of the linear motion stage are provided by mounting the first reflective element and the second reflective element on one linear motion stage of the reference optical path length scanner unit. Since it is only necessary to acquire such an error with only one linear motion stage, the optical axes of the first reflective element and the second reflective element can be easily adjusted. Also, the measurement error is reduced and the variation in measurement results is reduced compared to the case where the first reflective element and the second reflective element are mounted on the linear motion stages having different performances. Accuracy is improved.
  • a white interference device having three or more axes is also included in the scope of the present invention. In this case, the reflective elements after the third reflective element may be mounted on one linear motion stage.
  • the position and displacement of the first measurement object and the position and displacement of the second measurement object are simultaneously obtained using the white light interference device of one aspect of the present invention.
  • a position and displacement measurement method using a white light interference device wherein two or more points can be simultaneously measured by obtaining the difference.
  • the first measurement object in a biaxial form is irradiated onto the first measurement object to measure the position and displacement of the first measurement object, and the second measurement light is used.
  • the position and displacement of the reference target are simultaneously measured by irradiating a reference target (for example, a mirror) that is a second measurement object whose position is known in advance. That is, according to one embodiment of the present invention, the position and displacement of the first measurement object and the position and displacement of the reference target that is the second measurement object are simultaneously acquired, and the difference is obtained.
  • true measurement data can be obtained by removing errors in the measurement environment due to changes in temperature, atmospheric pressure, and humidity, in addition to the operation errors of pitching and yawing of the linear motion stage.
  • the linear motion stage of the reference optical path length scanner unit is adjusted while finely moving the calibration target on the high-accuracy stage using the white light interferometer of one aspect of the present invention.
  • a step of measuring the position of the calibration target and its displacement a plurality of times by moving a plurality of times, and generating first data obtained by extracting pitching and yawing components of the linear motion stage of the reference optical path length scanner unit, and a first measurement Obtaining the position and displacement of the object and the position and displacement of the second measurement object at the same time, obtaining the difference and removing the influence of the disturbance, and creating the second data; And a step of acquiring third data from a reference comparison with the second data.
  • a method for measuring position and displacement by a white light interference device is provided.
  • the linear motion stage of the reference optical path length scanner unit is moved a plurality of times to change the position of the calibration target and its displacement a plurality of times.
  • the first data obtained by measuring and extracting the pitching and yawing components of the linear motion stage of the reference optical path length scanner unit is created.
  • the errors of pitching and yawing of the linear motion stage are averaged by taking a plurality of data and averaging them. This improves the measurement accuracy.
  • the first data is used for data correction as a function of the position of the reference optical path length scanner.
  • Second data is created by removing the error in the measurement environment due to the change in.
  • the third data is obtained by comparing and referring to the first data and the second data. That is, it is possible to obtain true measurement data from which the error in the measurement environment due to changes in temperature, pressure, and humidity, and the averaged pitching and yawing operation errors of the linear motion stage of the reference optical path length scanner unit can be obtained.
  • a white interference device and a position and displacement measurement method using a white interference device that are easy to perform multipoint simultaneous measurement and have high measurement accuracy.
  • Reference diagram showing the basic configuration of the white light interference device Block diagram showing the configuration of the white light interference device of the embodiment (A) is a graph showing the intensity of the interference fringes of the reference target with respect to the position of the reference beam scanning stage, and (B) is the interference fringes of the calibration target on the high-precision stage (piezo stage, etc.) with respect to the position of the reference beam scanning stage.
  • FIG. 1 is a reference diagram showing a basic configuration of a white light interference device 10 for explaining a white light interference device according to an embodiment described later.
  • the white light interference device 10 includes an interferometer unit 12, a reference optical path length scanner unit 14, a sensor unit 16, and a processing device 18, and is a device that measures the position and displacement of a measurement object.
  • the interferometer unit 12 includes a white light source 20, an optical coupler 22, and a photodetector 24.
  • the optical coupler 22, the white light source 20, the reference optical path length scanner unit 14, the sensor unit 16, and the photodetector 24 are connected via an optical fiber 26.
  • the interferometer unit 12 divides the white light 20a from the white light source 20 into reference light and measurement light, and further causes the reference light and measurement light to interfere with each other.
  • the white light source 20 is a device that emits white light 20a, and has a high luminance and low coherence SLD (Super Luminescence Diode), a femtosecond laser whose pulse width is a femtosecond level, and a wavelength. A scanning laser or the like can be used.
  • the white light source 20 has low coherence and is selected from a wavelength range of about 600 nm to 800 nm, for example.
  • the optical coupler 22 is a device that splits light passing through the optical fiber 26.
  • the incident white light 20 a is divided into reference light 22 b and measurement light 22 c, the reference light 22 b is sent to the reference optical path length scanner unit 14, and the measurement light 22 c is sent to the sensor unit 16.
  • the optical coupler 22 may be, for example, a half mirror, a beam splitter, or other means having the same function. That is, the optical coupler 22 has a function of dividing light passing through the optical fiber 26 into two or more paths at a ratio of 1: 1 or other.
  • the photodetector 24 combines the reference light 22b returned from the reference optical path length scanner unit 14 and the measurement light 22c returned from the sensor unit 16 in the optical coupler 22, and supplies the signal to the processing device 18 as an interference signal 26a which is an electrical signal (analog). Output.
  • the optical fiber 26 is a light transmission path and has a function of transmitting and receiving light between devices.
  • the optical fiber 26 is made of quartz glass or plastic having a high transmittance, and propagates light only to the core by making the refractive index of the core higher than that of the outside.
  • the reference optical path length scanner unit 14 has a function of reflecting the reference light 22 b incident from the optical coupler 22 and returning it to the optical coupler 22. In the process of reflecting the reference light 22b incident from the interferometer unit 12 and returning it to the interferometer unit 12, the optical path length of the reference light 22b is changed.
  • the reference optical path length scanner unit 14 includes an optical element 28, a linear motion stage 30, a scale head 32, a linear scale 34, a reflective element 36, a fiber connector 38, and the like, and is connected to the optical fiber 26 and exits from the interferometer unit 12.
  • the reference light 22b is incident from the fiber connector 38.
  • a linear scale 34 indicating the position is disposed, and the linear motion stage 30 is installed so as to be able to reciprocate. By reading the scale on the linear scale 34 with the scale head 32 attached to the linear motion stage 30, the position of the linear motion stage 30 is acquired.
  • the optical element 28 is placed on the linear motion stage 30 so as to face the fiber connector 38 connected to the optical fiber 26, and the housing 40 so that the reflective element 36 faces the optical element 28 adjacent to the fiber connector 38. Fixed to.
  • the optical element 28 is a right-angle prism mirror or CCP (corner cube prism) that can be retroreflected, and makes light incident on surfaces combined at right angles, and reflects light in the incident direction by several reflections.
  • CCP corner cube prism
  • the linear motion stage 30 is a movable body that can slide in the same direction as the traveling direction of the reference light 22b or in the opposite direction. By moving the linear motion stage 30, the optical path length of the reference light 22b can be changed.
  • the movement of the linear motion stage 30 is generated when the processing device 18 generates a movement control signal 26 d based on the interference signal 26 a from the photodetector 24 and the scale signal 26 b from the scale head 32 and outputs it to the linear motion stage 30. Be controlled.
  • the scale head 32 reads position information on the linear scale 34 while moving together with the linear motion stage 30.
  • the linear motion stage 30 moves with rotating bodies, such as a wheel and a roller, you may grasp
  • the position of the linear motion stage 30 acquired by the scale head 32 is output by the scale head 32 as a scale signal 26 b and is subjected to signal processing by the processing device 18.
  • the linear scale 34 is obtained by adding a scale or the like to the movable range of the linear motion stage 30. By acquiring the movement amount of the linear motion stage 30, the optical path length of the reference light 22b can be grasped.
  • the reflection element 36 uses a mirror or the like and changes the traveling direction of light to the opposite direction.
  • the reflection element 36 is a terminal, and the light may be reciprocated a plurality of times from the fiber connector 38 to the reflection element 36 using a plurality of optical elements 28 therebetween.
  • change_quantity of the optical path length of the reference light 22b can be lengthened. That is, measurement is possible even when the distance from the sensor unit 16 to the measurement object 42 is long.
  • the fiber connector 38 is fixed to the casing 44 so as to hold the tip of the optical fiber 26 connected to the interferometer unit 12 and irradiate the optical element 28 of the linear motion stage 30 with the reference light 22b emitted from the optical fiber 26.
  • the optical path length of the reference light 22b reaches from the optical coupler 22 through the fiber connector 38 and the optical element 28 to the reflection element 36. Therefore, the optical path length of the reference light 22b is changed to the linear motion stage. It can be changed by twice the moving amount of 30.
  • the reference light 22 b reflected by the reflecting element 36 returns to the fiber connector 38 that holds the tip of the optical fiber 26 as it is, and returns to the interferometer unit 12 through the optical fiber 26.
  • the sensor unit 16 includes a fiber connector 46, condensing lenses 48 and 50, a lens moving mechanism 52, and the like, and irradiates the measuring light 22c toward the condensing lens 48 via the optical fiber 26 extending from the optical coupler 22. Then, the measurement light 22 c incident from the optical coupler 22 is reflected by the measurement object 42 and returned to the optical coupler 22.
  • the fiber connector 46 holds the end of the measurement light 22c of the optical fiber 26 on the measurement object 42 side.
  • the measurement light 22 c emitted from the optical fiber 26 reaches the condenser lens 48.
  • the condensing lenses 48 and 50 diverge or converge the measurement light 22c using two or more convex lenses or the like, thereby changing the focal length of the measurement light 22c, and the spot of the measurement light 22c with respect to the measurement object 42. Used for optimization of size (irradiation area).
  • the lens moving mechanism 52 is a device that moves the condenser lens 50 to change the focus of the measurement light 22c.
  • Examples of the lens moving mechanism 52 include a hollow voice coil motor, a small stage, and means using a liquid lens.
  • the A / D converter 54 is a device that converts the interference signal 26a, which is an analog signal, into a digital signal.
  • the counter 56 is a device that converts the scale signal 26b acquired from the scale head 32 into a numerical value. The counter value is regarded as equivalent because it has only converted the scale signal 26b into a numerical value.
  • the processing device 18 is a computer device that performs operation control of each member and calculation processing of acquired data as necessary.
  • the lens movement control signal 26c is output to the lens movement mechanism 52 in accordance with the scale signal 26b acquired from the reference optical path length scanner unit 14, and the spot size of the measurement light 22c is optimized.
  • an interference fringe 58 showing the maximum amplitude is determined based on the interference signal 26a from the photodetector 24.
  • the interference fringe 58 showing the maximum amplitude is determined by obtaining the intensity of the interference signal 26a with respect to the movement amount of the linear motion stage 30, that is, the scale signal 26b.
  • the processing device 18 controls the positions of the condenser lenses 50 and 48 of the lens moving mechanism 52 and the position of the linear motion stage 30 based on the interference signal 26a and the scale signal 26b. These position controls are performed synchronously.
  • the measurement method using the white interference method includes the steps of white light irradiation, sensor unit movement / fixation, optical path length scanning of reference light, spot size optimization of measurement light, interference fringe detection step, and displacement amount calculation.
  • white light 20 a is irradiated from the white light source 20, and the white light 20 a is sent to the optical coupler 22 via the optical fiber 26.
  • the optical coupler 22 divides the white light 20 a into reference light 22 b and measurement light 22 c, and sends the reference light 22 b to the reference optical path length scanner unit 14 and the measurement light 22 c to the sensor unit 16.
  • the tip of the sensor unit 16 is fixed toward the measurement object 42.
  • the linear motion stage 30 In the optical path length scanning step of the reference light, the linear motion stage 30 is moved over the entire range or a part of which the linear motion stage 30 is movable.
  • the interference signal 26 a is output from the photodetector 24 to the processing device 18 as the linear motion stage 30 moves.
  • the processing device 18 In the measurement light spot size optimization step, the processing device 18 generates a lens movement control signal 26c in synchronization with the optical path length scanning step of the reference light, drives the lens movement mechanism 52, and moves the condenser lens 50. . Then, the spot size of the measurement light 22c on the measurement object 42 is optimized.
  • the movement of the linear motion stage 30 of the reference optical path length scanner unit 14 and the movement of the condensing lens 50 of the sensor unit 16 are performed. , Work together to optimize the spot size of the measurement position.
  • the processing device 18 determines the position of the linear motion stage 30 showing the maximum amplitude of the interference fringe 58 based on the interference signal 26a.
  • the position of the linear motion stage 30 at that time, that is, the position indicated by the scale signal 26 b is set as the measurement position of the measurement object 42.
  • the amount of displacement of the measurement object 42 is obtained by the calculation unit of the processing device 18. And after calculating
  • the white light interference device 10 it is possible to measure the position of the measurement object with high accuracy on the order of micrometers without contacting the measurement object 42.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the white light interference device 100 according to the embodiment. Note that members that are the same as or similar to the reference white light interference device 10 shown in FIG. 1 are assigned the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted. Further, since the measurement principle of the white light interference device 100 is the same as that of the white light interference device 10, the description thereof is also omitted.
  • a white light interference device 100 in FIG. 2 includes a white light source 20, a first optical coupler 106 that divides white light emitted from the white light source 20 into a first reference light 102 and a first measurement light 104, and a white light source.
  • 20 includes a second optical coupler 112 that splits the white light emitted from 20 into the second reference light 108 and the second measurement light 110.
  • the white light interference device 100 also reverses the traveling direction of the first reference light 102 irradiated from the first optical coupler 106 via the optical fiber 114 and the collimator lens 116 and returns the first reference light 102 to the first optical coupler.
  • the second reflection light 118 is reflected from the second optical coupler 112 via the optical fiber 120 and the collimator lens 122, and the second reflection light is reversed and returned to the second optical coupler 112.
  • a linear movement stage 126 that reciprocates the element 124, the first reflecting element 118, and the second reflecting element 124 in the optical axis direction, and a scale head that acquires the positions of the first reflecting element 118 and the second reflecting element 124.
  • a reference beam scanning stage (reference beam path length scanner unit) 130 is provided.
  • the white light interference device 100 converges the first measurement light 104 emitted from the first optical coupler 106 via the optical fiber 132 to converge the calibration target (for example, mirror) 134 that is the first measurement object. And a first condenser lens 136 that receives the light (first measurement light) reflected by the calibration target 134.
  • the white light interference device 100 converges the second measurement light 110 irradiated from the second optical coupler 112 via the optical fiber 138 and irradiates the reference target 140 as the second measurement object.
  • a second condenser lens 142 that receives the light reflected by the reference target 140 (second measurement light) is provided.
  • the white light interference device 100 causes the first reference light 102 returned from the reference light scanning stage 130 to interfere with the first measurement light 104 returned from the first condenser lens 136, and the interference intensity is an electric signal.
  • a first photodetector 144 that outputs as a first interference signal is provided.
  • the white light interference device 100 causes the second reference light 108 returned from the reference light scanning stage 130 to interfere with the second measurement light 110 returned from the second condenser lens 142, and the interference intensity is an electric signal.
  • a second photodetector 146 that outputs the second interference signal is provided.
  • the white light interference device 100 includes a processing device 148 that acquires the first interference signal and the second interference signal and acquires a displacement amount of the measurement object.
  • reference numeral 150 denotes an optical circulator, which has a function of transmitting white light from the white light source 20 only to the first optical coupler 106.
  • Reference numeral 152 denotes an optical circulator, which has a function of transmitting white light from the white light source 20 only to the second optical coupler 112.
  • Reference numeral 154 denotes a high-precision stage that moves the calibration target 134 in the optical axis direction with high accuracy.
  • the white light interference device 100 is irradiated from the white light source 20 and the first optical coupler 106 that divides the white light emitted from the white light source 20 into the first reference light 102 and the first measurement light 104.
  • This is a so-called biaxial white interference device that includes a second optical coupler 112 that splits white light into second reference light 108 and second measurement light 110.
  • the first reflecting element (corresponding to the optical element 28 of the white light interference device 10 in FIG. 1) 118 and the second reflecting element 124 are mounted on independent linear motion stages. Instead, it is mounted on one linear motion stage 126.
  • the biaxial white interference device 100 by mounting the first reflective element 118 and the second reflective element 124 on one linear motion stage 126, the straightness of the linear motion stage 126, pitching, yawing, etc. Since it is only necessary to acquire the above error with only one linear motion stage 126, the optical axes of the first reflecting element 118 and the second reflecting element 124 can be easily adjusted.
  • two-point simultaneous measurement is possible because measurement errors are reduced and variations in measurement results are reduced as compared to a case where the first reflective element 118 and the second reflective element 124 are mounted on linear motion stages having different performances. This improves the measurement accuracy.
  • white light is branched from one white light source 20 and used while measuring and comparing the reference target 140, measurement errors due to temperature dependence of the light source wavelength can also be removed.
  • a white interference device having three or more axes is also included in the scope of the present invention.
  • the reflecting elements after the third reflecting element may be mounted on one linear motion stage 126.
  • the displacement amount of the calibration target 134 and the displacement amount of the reference target 140 are simultaneously obtained, and the difference is obtained by the processing device 148.
  • the first measurement light 104 is irradiated onto the calibration target 134 to measure the position and displacement of the calibration target 134
  • the second measurement light 110 is irradiated onto the reference target 140 to position the reference target 140.
  • the displacement is measured simultaneously, and the difference is obtained.
  • true measurement data can be obtained by removing errors in the measurement environment due to changes in temperature, atmospheric pressure, and humidity, in addition to operation errors in pitching and yawing of the linear motion stage for reference light.
  • the linear movement stage 126 is moved a plurality of times to measure the position and displacement of the calibration target 134 a plurality of times, and the first data obtained by extracting the pitching and yawing components of the linear movement stage 126. Create That is, by taking a plurality of data, the pitching and yawing errors of the linear motion stage 126 are averaged. This improves the measurement accuracy.
  • the amount of displacement of the calibration target 134 and the amount of displacement of the reference target 140 are simultaneously acquired while being finely moved by the high-precision stage 154, and the difference is obtained to determine the influence of disturbance, that is, temperature, pressure, and humidity. Second data from which errors in the measurement environment are removed is created.
  • the third data is acquired from the reference comparison between the first data and the second data. It is possible to obtain true measurement data from which the error in the measurement environment due to changes in temperature, atmospheric pressure, and humidity is eliminated, and the averaged pitching and yawing operation errors of the linear motion stage 126 are obtained.
  • 3A is a graph showing the intensity (interference waveform) of the interference fringes of the reference target 140 with respect to the position of the reference beam scanning stage 130
  • FIG. 3B is for calibration with respect to the position of the reference beam scanning stage. It is the graph which showed the intensity
  • FIG. 4 shows a displacement measurement value (A) measured while finely moving the calibration target 134 by the high-precision stage 154 for a certain period of time, and a displacement measurement value (B) obtained by measuring the fixed reference target 140.
  • the amount of change in the displacement measurement value (B) is due to environmental influences (temperature, pressure, and humidity changes).
  • Both measured values (A) and (B) include time-varying errors such as environmental influences.
  • the error of the measurement value (B) of the reference target 140 is mainly due to the influence of the environment. Since both measurements are performed at the same time, errors such as environmental influences included in the measurement values (A) and (B) are equal. Therefore, the difference between the measured value (A) and the measured value (B) is taken to remove the error of the environmental influence.
  • FIG. 5 is a graph after the error of the environmental influence is removed. That is, this data becomes data for removing an error of the environmental influence from the actually measured value.
  • FIG. 6 shows calibration data obtained by measuring the calibration target 134 a plurality of times and averaging the plurality of measurement data.
  • FIG. 6 includes averaged pitching and yawing operation error data of the linear motion stage 126.
  • FIG. 7 shows the white light interference device 101 that measures the position and displacement of the measurement object 156 using the calibration data shown in FIG.
  • the first measuring beam 104 is irradiated to the measuring object 156, and at the same time, the second measuring beam 110 is irradiated to the fixed reference target 140.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a method for calculating the position and displacement of the measurement object 156 by the processing device 148.
  • FIG. 8 first, the difference between the measured value of the measurement object 156 and the measured value of the reference target 140 is taken, and the error of the environmental influence is removed.
  • FIG. 9 is a graph showing the measurement value (C) of the measurement object 156 and the measurement value (D) of the reference target 140.
  • the measured value from which the error of the environmental influence is removed is compared with the calibration data in FIG. That is, the averaged pitching and yawing operation error data (calibration data) of the linear motion stage 126 shown in FIG. 10B is removed from the measured value obtained by removing the environmental influence error shown in FIG. Then, the corrected measurement value shown in FIG. 10C is acquired as true measurement data.
  • a method for calculating back the position and displacement (after compensation) from an arbitrary measurement value a method of linearly interpolating calibration data can be mentioned.
  • First reference light 104 ... First Measurement light, 106 ... first optical coupler, 108 ... second reference light, 110 ... second measurement light, 112 ... second optical coupler, 114 ... optical fiber, 116 ... collimator lens, 1 DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 ... 1st reflective element, 120 ... Optical fiber, 122 ... Collimator lens, 124 ... 2nd reflective element, 126 ... Linear motion stage, 128 ... Scale head, 130 ... Reference light scanning stage, 132 ... Optical fiber, 134 ... calibration target, 136 ... first condenser lens, 138 ... optical fiber, 140 ... reference target, 142 ... second condenser lens, 144 ... first photodetector, 146 ... second photodetector 148 ... Processing device, 150, 152 ... Optical circulator, 154 ... High precision stage

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Abstract

　白色干渉装置及び白色干渉装置による位置及び変位測定方法を提供する。白色干渉装置（１０１）によれば、第１の測定光（１０４）を測定対象物（１５６）に照射し、それと同時に第２の測定光（１１０）を固定の基準ターゲット（１４０）に照射する。まず、測定対象物（１５６）の測定値と基準ターゲット（１４０）の測定値との差分を取り、外乱影響の誤差を除去する。次に、外乱影響の誤差を除去した測定値と較正用データを用いて比較参照する。すなわち、外乱影響の誤差を除去した測定値から、直動ステージ（１２６）の平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差データを除去し、真の測定データを取得する。

Description

白色干渉装置及び白色干渉装置による位置及び変位測定方法
　本発明は、白色干渉法（低コヒーレンス干渉法）を用いて測定対象物の位置及び変位を非接触で測定する白色干渉装置及び白色干渉装置による位置及び変位測定方法に関する。
　コヒーレントな光の干渉によって生じる干渉縞を検出する、干渉法を用いた干渉計が知られている。
　前記干渉法とは、単一の波長をマイケルソン干渉計などの光学干渉計によって干渉させた際に、波長の整数倍に近付くに従って輝度が高くなり、その中間に近付くに従って輝度が低くなる特性を利用して、波長や位相差を、長さ測定に応用する技術である。
　また、干渉法のうち白色干渉法（低コヒーレンス干渉法）は、コヒーレンス長（干渉縞を得ることのできる最大の光路差）の短い白色光源を用いる手法であり、測定対象物の微細な形状を非接触で測定できることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１の白色干渉装置は、白色光源、光カプラ、参照光路長スキャナ部、センサ部、光検出器、及び処理装置等を備えている。
　前記光カプラは、前記白色光源からの白色光を参照光と測定光に分割するハーフミラー又はビームスプリッターの役割をする。
　前記参照光路長スキャナ部は、光カプラから光ファイバを介して入った参照光の進行方向を変える光学素子、光学素子から出た参照光の進行方向を反転する反射素子、光学素子を往復移動させる直動ステージ、及び光学素子の位置を取得する参照用スケールヘッドを備える。
　前記センサ部は、光カプラから光ファイバを介して入った測定光を発散又は収束させる集光レンズ、及び参照光路長スキャナ部と同期して集光レンズを移動させ測定光のスポットサイズを調整するレンズ移動部を備える。
　前記光検出器は、参照光路長スキャナ部から返った参照光とセンサ部から返った測定光の干渉縞を検出し、干渉信号を前記処理装置に出力する。
　なお、白色干渉法では、光検出器において検出される干渉縞は、測定光と参照光の光路差がないとき、すなわち、各光路長がほぼ等しいときに見られ、各光路長が一致したとき干渉縞の振幅が最大となる。そのときの干渉縞のコントラスト最大位置が測定対象物の表面位置となる。また、干渉縞の最大振幅を示す参照光路長スキャナ部の直動ステージ上の光学素子の位置の決定精度が測定対象物の位置及び変位を測定する際の測定精度となる。
　すなわち、特許文献１の白色干渉装置は、参照光の光路長を精度良く走査し白色干渉縞の位相情報を得ることによって、測定対象物の位置及び変位をナノメートル精度で測定可能である。
　ところで、特許文献１等に開示された白色干渉装置において、測定対象物の位置及び変位を精度良く測定するためには、光学素子を往復移動させる直動ステージの精度（性能）が大きく影響する。つまり、白色干渉装置では、直動ステージの真直度の誤差、及び移動中における直動ステージのピッチング、ヨーイングの動作の誤差を取り除かなければ、測定対象物の位置及び変位を精度良く測定できない。
　そこで、従来では、測定対象物を測定する前に、基準となる基準面（例えば、位置が既知のミラーやブロックゲージ）に測定光を照射して直動ステージを移動させ、その際に得られる基準データに基づいて前記誤差を取得している。その後、測定光を測定対象物に照射して直動ステージを移動させ、その際に得られる測定データと前記基準データとの差分を取ることにより、前記測定データから前記誤差を取り除くようにしている。
特開２０１２－８３２７４号公報
　しかしながら、特許文献１の白色干渉装置では、基準データを取得後に測定データを取得する必要があるので、測定が二度手間になるという問題があった。また、基準データの取得時と測定データの取得時における測定環境（外乱影響：温度、気圧、湿度等）が変化した場合には、直動ステージやファイバの熱膨縮等によって参照光の光路長が変化するので、測定データから正確な前記誤差を取り除くことができないという問題もあった。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、測定が容易で測定精度の高い白色干渉装置及び白色干渉装置による位置及び変位測定方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、前記目的を達成するために、白色光源と、前記白色光源から照射される白色光を第１の参照光と第１の測定光に分割する第１の光カプラと、前記白色光源から照射される白色光を第２の参照光と第２の測定光に分割する第２の光カプラと、前記第１の光カプラから光ファイバを介して照射された第１の参照光の進行方向を反転して前記第１の光カプラに返す第１の反射素子、前記第２の光カプラから光ファイバを介して照射された第２の参照光の進行方向を反転して前記第２の光カプラに返す第２の反射素子、前記第１の反射素子及び前記第２の反射素子を往復移動させる直動ステージ、及び前記第１の反射素子及び前記第２の反射素子の位置を取得するスケールヘッドからなる参照光路長スキャナ部と、前記第１の光カプラから光ファイバを介して照射された前記第１の測定光を収束させて第１の測定対象物に照射するとともに前記第１の測定対象物で反射した光を受光する第１の集光レンズと、前記第２の光カプラから光ファイバを介して照射された前記第２の測定光を収束させて第２の測定対象物に照射するとともに前記第２の測定対象物で反射した光を受光する第２の集光レンズと、前記参照光路長スキャナ部から返った前記第１の参照光と前記第１の集光レンズから返った前記第１の測定光を干渉させ、干渉強度を電気信号である第１の干渉信号として出力する第１の光検出器と、前記参照光路長スキャナ部から返った前記第２の参照光と前記第２の集光レンズから返った前記第２の測定光を干渉させ、干渉強度を電気信号である第２の干渉信号として出力する第２の光検出器と、前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号を同時に取得し、それらの前記干渉信号の最大振幅に対応する前記直動ステージの位置を読み取り、その位置を測定対象物の相対位置とする処理装置と、を備えることを特徴としている。
　本発明の一態様の白色干渉装置は、白色光源から照射される白色光を第１の参照光と第１の測定光に分割する第１の光カプラと、白色光源から照射される白色光を第２の参照光と第２の測定光に分割する第２の光カプラとを備えた、いわゆる２軸形態の白色干渉装置である。そして、参照光路長スキャナ部においては、第１の反射素子と第２の反射素子を、各々独立した直動ステージに搭載するのではなく、１つの直動ステージに搭載したことを特徴としている。
　２軸形態の白色干渉装置において、参照光路長スキャナ部の１台の直動ステージに第１の反射素子及び第２の反射素子を搭載することにより、直動ステージの真直度、ピッチング、及びヨーイング等の誤差を１台の直動ステージでのみ取得すればよいので、第１の反射素子及び第２の反射素子の光軸調整が容易になる。また、それぞれ性能の異なる直動ステージに第１の反射素子及び第２の反射素子を搭載したものと比較して、測定誤差が少なくなり測定結果のばらつきが少なくなるので、２点同時測定による測定精度が向上する。なお、３軸以上の形態の白色干渉装置も本発明の範疇に含まれる。この場合、第３の反射素子以降の反射素子も１つの直動ステージに搭載すればよい。
　前記目的を達成するために、本発明の一態様の白色干渉装置を用い、第１の測定対象物の位置及び変位量と、第２の測定対象物の位置及び変位量とを同時に取得し、その差分を求めることにより２点又はそれ以上の多点同時計測可能なことを特徴とする白色干渉装置による位置及び変位測定方法を提供する。
　本発明の一態様によれば、２軸形態の第１の測定光を第１の測定対象物に照射して第１の測定対象物の位置及び変位を測定するとともに、第２の測定光を、事前に位置が判明している、第２の測定対象物である基準ターゲット（例えばミラー）に照射して基準ターゲットの位置及び変位を同時に測定する。すなわち、本発明の一態様は、第１の測定対象物の位置及び変位と、第２の測定対象物である前記基準ターゲットの位置及び変位とを同時に取得し、その差分を求める。これにより、直動ステージのピッチング、ヨーイングの動作誤差の他、特に温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた真の測定データを得ることができる。
　本発明の一態様は、前記目的を達成するために、本発明の一態様の白色干渉装置を用い、高精度ステージ上の較正用ターゲットを微動させながら、参照光路長スキャナ部の直動ステージを複数回移動させて較正用ターゲットの位置及びその変位を複数回測定し、参照光路長スキャナ部の直動ステージのピッチング、ヨーイング成分を抽出した第１のデータを作成する工程と、第１の測定対象物の位置及び変位と、第２の測定対象物の位置及び変位を同時に取得し、その差分を求めて外乱影響を取り除いた第２のデータを作成する工程と、前記第１のデータと前記第２のデータとの参照比較から第３のデータを取得する工程と、を備えたことを特徴とする白色干渉装置による位置及び変位測定方法を提供する。
　本発明の一態様によれば、まず、高精度ステージ上の較正用ターゲットを微動させながら、参照光路長スキャナ部の直動ステージを複数回移動させて較正用ターゲットの位置及びその変位を複数回測定し、参照光路長スキャナ部の直動ステージのピッチング、ヨーイング成分を抽出した第１のデータを作成する。ここで、複数のデータを取り平均化することによって、直動ステージのピッチング、ヨーイングの誤差を平均化する。これによって、測定精度が向上する。前記第１のデータは参照光路長スキャナの位置の関数として、データ補正に用いられる。
　次に、第１の測定対象物の位置及び変位と、第２の測定対象物（基準ターゲット）の位置及び変位とを同時に取得し、その差分を求めて外乱影響、つまり、温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた第２のデータを作成する。
　そして、第１のデータと第２のデータを比較参照することにより第３のデータを取得する。つまり、参照光路長スキャナ部の直動ステージの平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差、及び温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた真の測定データを得ることができる。
　本発明によれば、多点同時測定が容易で測定精度の高い白色干渉装置及び白色干渉装置による位置及び変位測定方法を提供できる。
白色干渉装置の基本的な構成を示した参考図 実施の形態の白色干渉装置の構成を示したブロック図 （Ａ）は参照光走査ステージの位置に対する基準ターゲットの干渉縞の強度を示したグラフ、（Ｂ）は参照光走査ステージの位置に対する高精度ステージ（ピエゾステージ等）上の較正用ターゲットの干渉縞の強度を示したグラフ 較正用ターゲットを高精度ステージによって微動させながら変位を与え測定した測定値（Ａ）と固定の基準ターゲットを測定した測定値（Ｂ）とを示したグラフ 較正用ターゲットの変位から環境の影響（温度、気圧、湿度の変化）の誤差を除去したグラフ 較正用ターゲットと基準ターゲットの変位を複数回測定し、その複数回の測定データを平均化処理した較正用データのグラフ 較正用データを利用して測定対象物の位置及び変位を測定する白色干渉装置を示したブロック図 処理装置による測定対象物の位置及び変位算出方法を示したブロック図 測定対象物の測定値（Ｃ）と基準ターゲットの測定値（Ｄ）とを示したグラフ （Ａ）は環境の影響（温度、気圧、湿度の変化）の誤差を除去した測定値のグラフ、（Ｂ）は参照光路長スキャナ部の直動ステージの平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差データを示したグラフ、（Ｃ）は真の測定データを示したグラフ
　以下、添付図面に従って本発明に係る白色干渉装置及び白色干渉装置による位置及び変位測定方法の好ましい実施の形態について詳説する。
　図１は、後述する実施の形態の白色干渉装置を説明するための白色干渉装置１０の基本的な構成を示した参考図である。
　〔白色干渉装置１０の基本的な構成〕
　白色干渉装置１０は干渉計部１２、参照光路長スキャナ部１４、センサ部１６、及び処理装置１８を備え、測定対象物の位置及び変位を測定する装置である。
　干渉計部１２は白色光源２０、光カプラ２２、及び光検出器２４を備える。そして、光カプラ２２、白色光源２０、参照光路長スキャナ部１４、センサ部１６、及び光検出器２４は、光ファイバ２６を介して連結されている。干渉計部１２は、白色光源２０からの白色光２０ａを参照光と測定光に分割し、さらに参照光と測定光を干渉させる。
　白色光源２０は、白色光２０ａを照射する装置であり、高輝度で低コヒーレンス性であるＳＬＤ（Super Luminescence Diode：スーパールミネッセントダイオード）、パルス幅がフェムト秒レベルであるフェムト秒レーザー、及び波長走査型レーザー等を使用できる。白色光源２０は、低コヒーレンス性を有し、例えば６００ｎｍ～８００ｎｍ程度の波長範囲から選択される。
　光カプラ２２は、光ファイバ２６を通過する光を分割する装置である。入射した白色光２０ａを参照光２２ｂと測定光２２ｃに分割し、参照光２２ｂは参照光路長スキャナ部１４に送り、測定光２２ｃはセンサ部１６に送る。
　光カプラ２２は、例えばハーフミラー、ビームスプリッター、又はそれと同等の機能を有する他の手段でもよい。すなわち、光カプラ２２は、光ファイバ２６を通過する光を２つ又はそれ以上の経路に、１：１若しくは他の比率に分割する機能を備える。
　光検出器２４は、参照光路長スキャナ部１４から返る参照光２２ｂと、センサ部１６から返る測定光２２ｃを光カプラ２２において合成し、電気信号（アナログ）である干渉信号２６ａとして処理装置１８に出力する。
　光ファイバ２６は、光の伝送路であり、機器間で光を送受する機能を備える。光ファイバ２６は、透過率の高い石英ガラス製又はプラスチック製であり、外側よりも芯の屈折率を高くすることで光を芯にだけ伝搬させる。
　参照光路長スキャナ部１４は、光カプラ２２から入射した参照光２２ｂを反射して光カプラ２２に戻す機能を備える。そして、干渉計部１２から入射した参照光２２ｂを反射させて干渉計部１２に返す過程において、参照光２２ｂの光路長を変化させる機能を備える。
　参照光路長スキャナ部１４は、光学素子２８、直動ステージ３０、スケールヘッド３２、リニアスケール３４、反射素子３６、ファイバコネクタ３８等からなり、光ファイバ２６に接続され、干渉計部１２から出た参照光２２ｂがファイバコネクタ３８から入射される。
　参照光路長スキャナ部１４内には、位置を示すリニアスケール３４が配置され、直動ステージ３０が往復移動可能に設置される。直動ステージ３０に取り付けたスケールヘッド３２でリニアスケール３４上の目盛りを読み取ることによって、直動ステージ３０の位置が取得される。
　直動ステージ３０には、光学素子２８が光ファイバ２６に接続されるファイバコネクタ３８に対向して載置され、ファイバコネクタ３８に隣接して反射素子３６が光学素子２８に対向するようにハウジング４０に固定される。
　光学素子２８は、再帰性反射可能な直角プリズムミラー又はＣＣＰ（コーナーキューブ・プリズム）などが用いられ、直角に組み合わせた面に光を入射させ、数回の反射によって光を入射方向に反射する。
　直動ステージ３０は、参照光２２ｂの進行方向と同方向又は逆方向にスライド可能な移動体である。直動ステージ３０を移動させることで、参照光２２ｂの光路長を変化させることができる。直動ステージ３０の移動は、光検出器２４からの干渉信号２６ａ及びスケールヘッド３２からのスケール信号２６ｂに基づいて処理装置１８が移動制御信号２６ｄを生成し、直動ステージ３０に出力することによって制御される。
　スケールヘッド３２は、直動ステージ３０と共に移動しながらリニアスケール３４上の位置情報を読み取る。なお、直動ステージ３０が車輪やローラ等の回転体で移動する場合は、回転体の回転量から移動量を把握してもよい。スケールヘッド３２が取得した直動ステージ３０の位置は、スケールヘッド３２がスケール信号２６ｂとして出力し、処理装置１８で信号処理される。
　リニアスケール３４は、直動ステージ３０の可動範囲に目盛り等を付したものであり、直動ステージ３０の移動量を取得することで、参照光２２ｂの光路長を把握することができる。
　反射素子３６は、ミラーなどが用いられ、光の進行方向を反対方向に変更する。なお、反射素子３６は終端であり、ファイバコネクタ３８から反射素子３６に至るまで、間に光学素子２８を複数個用いて光を複数回往復させてもよい。これにより、参照光２２ｂの光路長の変化量を長くすることができる。すなわち、センサ部１６から測定対象物４２までの距離が長い場合でも測定可能になる。
　ファイバコネクタ３８は、干渉計部１２に接続する光ファイバ２６の先端を保持し、光ファイバ２６から出射された参照光２２ｂを直動ステージ３０の光学素子２８に照射するようにケーシング４４に固定される。
　直動ステージ３０を往復移動させると、参照光２２ｂの光路長は光カプラ２２からファイバコネクタ３８と光学素子２８を経て反射素子３６に至るまでとなるので、参照光２２ｂの光路長を直動ステージ３０の移動量の２倍で変化させることができる。
　反射素子３６で反射された参照光２２ｂは、そのまま同じ光路を逆戻りして光ファイバ２６の先端を保持するファイバコネクタ３８に到達し、光ファイバ２６内を通って干渉計部１２へ返る。
　センサ部１６は、ファイバコネクタ４６、集光レンズ４８、５０、レンズ移動機構５２等からなり、光カプラ２２から延びる光ファイバ２６を介して、集光レンズ４８に向けて測定光２２ｃを照射する。そして、光カプラ２２から入射した測定光２２ｃを測定対象物４２で反射させて光カプラ２２に戻す。
　ファイバコネクタ４６は、光ファイバ２６の測定光２２ｃの測定対象物４２側の終端を保持する。光ファイバ２６から出射された測定光２２ｃは、集光レンズ４８に至る。
　集光レンズ４８、５０は、凸レンズ等を２枚又は複数枚用いて測定光２２ｃを発散又は収束させることで、測定光２２ｃの焦点距離を変化させて、測定対象物４２に対する測定光２２ｃのスポットサイズ（照射面積）の最適化に用いる。
　レンズ移動機構５２は、集光レンズ５０を移動させて測定光２２ｃの焦点を可変にする装置である。レンズ移動機構５２の例としては、中空ボイスコイルモータや、小型ステージ、液体レンズを用いた手段などがある。
　Ａ／Ｄ変換器５４は、アナログ信号である干渉信号２６ａをデジタル信号に変換する装置である。カウンター５６は、スケールヘッド３２から取得したスケール信号２６ｂを数値に変換する装置である。カウンター値はスケール信号２６ｂを数値に変換しただけであるので等価と見なされる。
　処理装置１８は、必要に応じて各部材の動作制御、取得データの演算処理を行うコンピュータ装置である。
　動作制御としては、参照光路長スキャナ部１４から取得したスケール信号２６ｂに応じてレンズ移動機構５２にレンズ移動制御信号２６ｃを出力し、測定光２２ｃのスポットサイズの最適化を行う。
　処理装置１８の演算処理としては、光検出器２４からの干渉信号２６ａを基に、最大振幅を示す干渉縞５８を決定する。最大振幅を示す干渉縞５８は、直動ステージ３０の移動量、すなわちスケール信号２６ｂに対して干渉信号２６ａの強度を得ることで決定される。
　また、処理装置１８は、干渉信号２６ａ、スケール信号２６ｂを基に、レンズ移動機構５２の集光レンズ５０、４８の位置、直動ステージ３０の位置を制御する。これらの位置制御は同期して行う。
　〔白色干渉装置１０の基本動作〕
　白色干渉法による測定方法は、白色光照射、センサ部移動・固定、参照光の光路長スキャン、測定光のスポットサイズ最適化、干渉縞の検出ステップ、変位量の計算の各ステップからなる。
　白色光照射ステップは、白色光源２０から白色光２０ａを照射し、光ファイバ２６を介して光カプラ２２に白色光２０ａを送る。光カプラ２２で白色光２０ａを参照光２２ｂと測定光２２ｃに分割し、参照光２２ｂを参照光路長スキャナ部１４に、測定光２２ｃをセンサ部１６に送る。
　センサ部移動・固定ステップは、センサ部１６の先端部を測定対象物４２に向けて固定する。
　参照光の光路長スキャンステップは、直動ステージ３０を直動ステージ３０が移動可動な全範囲又は一部を移動させる。直動ステージ３０の移動とともに干渉信号２６ａは、光検出器２４から処理装置１８に出力される。
　測定光のスポットサイズ最適化ステップは、参照光の光路長スキャンステップに同期して、処理装置１８でレンズ移動制御信号２６ｃを生成し、レンズ移動機構５２を駆動させ、集光レンズ５０を移動させる。そして、測定光２２ｃの測定対象物４２におけるスポットサイズを最適化する。
　参照光２２ｂと測定光２２ｃの光路長がほぼ一致したとき干渉縞５８が得られることから、参照光路長スキャナ部１４の直動ステージ３０の移動と、センサ部１６の集光レンズ５０の移動は、測定位置のスポットサイズを最適化するように連動する。
　干渉縞の検出ステップは、処理装置１８が、干渉信号２６ａを基に、干渉縞５８の最大振幅を示す直動ステージ３０の位置を決定する。そのときの直動ステージ３０の位置、即ちスケール信号２６ｂが示す位置を測定対象物４２の測定位置とする。
　変位量の計算ステップは、処理装置１８の演算部で、測定対象物４２の変位量を求める。そして、測定対象物４２の変位量を求めた後、画面等に結果を出力する。
　このようにして、実施の形態の白色干渉装置１０では、測定対象物４２に非接触で、マイクロメートルオーダの高精度で測定対象物の位置を測定することが可能になる。
　〔実施の形態の白色干渉装置１００の基本構成〕
　図２は、実施の形態の白色干渉装置１００の構成を示したブロック図である。なお、図１に示した参考の白色干渉装置１０と同一又は類似の部材については同一の符号を付しその説明は省略する。また、白色干渉装置１００の測定原理は、白色干渉装置１０と同一なので、その説明も省略する。
　図２の白色干渉装置１００は、白色光源２０、白色光源２０から照射される白色光を、第１の参照光１０２と第１の測定光１０４に分割する第１の光カプラ１０６、及び白色光源２０から照射される白色光を、第２の参照光１０８と第２の測定光１１０に分割する第２の光カプラ１１２を備える。
　また、白色干渉装置１００は、第１の光カプラ１０６から光ファイバ１１４及びコリメータレンズ１１６を介して照射された第１の参照光１０２の進行方向を反転して第１の光カプラに返す第１の反射素子１１８、第２の光カプラ１１２から光ファイバ１２０及びコリメータレンズ１２２を介して照射された第２の参照光１０８の進行方向を反転して第２の光カプラ１１２に返す第２の反射素子１２４、第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４を光軸方向に往復移動させる直動ステージ１２６、及び第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４の位置を取得するスケールヘッド１２８からなる参照光走査ステージ（参照光路長スキャナ部）１３０を備える。
　更に、白色干渉装置１００は、第１の光カプラ１０６から光ファイバ１３２を介して照射された第１の測定光１０４を収束させて第１の測定対象物である較正用ターゲット（例えばミラー）１３４に照射するとともに較正用ターゲット１３４で反射した光（第１の測定光）を受光する第１の集光レンズ１３６を備える。
　更にまた、白色干渉装置１００は、第２の光カプラ１１２から光ファイバ１３８を介して照射された第２の測定光１１０を収束させて第２の測定対象物である基準ターゲット１４０に照射するとともに基準ターゲット１４０で反射した光（第２の測定光）を受光する第２の集光レンズ１４２を備える。
　また、白色干渉装置１００は、参照光走査ステージ１３０から返った第１の参照光１０２と第１の集光レンズ１３６から返った第１の測定光１０４を干渉させ、干渉強度を電気信号である第１の干渉信号として出力する第１の光検出器１４４を備える。
　また、白色干渉装置１００は、参照光走査ステージ１３０から返った第２の参照光１０８と第２の集光レンズ１４２から返った第２の測定光１１０を干渉させ、干渉強度を電気信号である第２の干渉信号として出力する第２の光検出器１４６を備える。
　また、白色干渉装置１００は、前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号を取得し、測定対象物の変位量を取得する処理装置１４８を備えている。
　なお、符号１５０は光サーキューレータであり、白色光源２０からの白色光を第１の光カプラ１０６にのみ送出する機能を備えている。また、符号１５２も光サーキューレータであり、白色光源２０からの白色光を第２の光カプラ１１２にのみ送出する機能を備えている。更に、符号１５４は、較正用ターゲット１３４を光軸方向に精度良く移動させる高精度ステージである。
　〔白色干渉装置１００の特徴〕
　実施の形態の白色干渉装置１００は、白色光源２０から照射される白色光を第１の参照光１０２と第１の測定光１０４に分割する第１の光カプラ１０６と、白色光源２０から照射される白色光を第２の参照光１０８と第２の測定光１１０に分割する第２の光カプラ１１２とを備えた、いわゆる２軸形態の白色干渉装置である。
　そして、参照光走査ステージ１３０においては、第１の反射素子（図１の白色干渉装置１０の光学素子２８に相当）１１８と第２の反射素子１２４を、各々独立した直動ステージに搭載するのではなく、１つの直動ステージ１２６に搭載している。
　２軸形態の白色干渉装置１００において、１台の直動ステージ１２６に第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４を搭載することにより、直動ステージ１２６の真直度、ピッチング、及びヨーイング等の誤差を１台の直動ステージ１２６でのみ取得すればよいので、第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４の光軸調整が容易になる。
　また、それぞれ性能の異なる直動ステージに第１の反射素子１１８及び第２の反射素子１２４を搭載したものと比較して、測定誤差が少なくなり測定結果のばらつきが少なくなるので、２点同時測定による測定精度が向上する。
　更に、白色光は、１台の白色光源２０から分岐させて、基準ターゲット１４０を測定・比較しながら使用するため、光源波長の温度依存性による測長誤差も除去できる。
　なお、３軸以上の形態の白色干渉装置も本発明の範疇に含まれる。この場合、第３の反射素子以降の反射素子も１台の直動ステージ１２６に搭載すればよい。
　白色干渉装置１００を使用した位置及び変位測定方法は、較正用ターゲット１３４の変位量と、基準ターゲット１４０の変位量とを同時に取得し、その差分を処理装置１４８が求める。
　すなわち、第１の測定光１０４を、較正用ターゲット１３４に照射して較正用ターゲット１３４の位置及び変位を測定するとともに、第２の測定光１１０を基準ターゲット１４０に照射して基準ターゲット１４０の位置及び変位を同時に測定し、その差分を求める。これにより、参照光用の直動ステージのピッチング、ヨーイングの動作誤差の他、特に温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた真の測定データを得ることができる。
　また、他の測定方法は、まず、直動ステージ１２６を複数回移動させて較正用ターゲット１３４の位置及び変位を複数回測定し、直動ステージ１２６のピッチング、ヨーイング成分を抽出した第１のデータを作成する。つまり、複数のデータを取ることによって、直動ステージ１２６のピッチング、ヨーイングの誤差を平均化する。これによって、測定精度が向上する。
　次に、高精度ステージ１５４によって微動させながら較正用ターゲット１３４の変位量と、基準ターゲット１４０の変位量とを同時に取得し、その差分を求めて外乱影響、つまり、温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた第２のデータを作成する。
　そして、第１のデータと第２のデータとの参照比較から第３のデータを取得する。直動ステージ１２６の平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差、及び温度、気圧、湿度の変化による測定環境の誤差を取り除いた真の測定データを得ることができる。
　以下、位置及び変位測定方法の一例を、図を用いて説明する。
　〔較正用データの作成方法〕
　図３（Ａ）は、参照光走査ステージ１３０の位置に対する基準ターゲット１４０の干渉縞の強度（干渉波形）を示したグラフであり、図３（Ｂ）は、参照光走査ステージの位置に対する較正用ターゲット１３４の干渉縞の強度（干渉波形）を示したグラフであり、測定位置に差を持たせて得られたものである。
　図４には、較正用ターゲット１３４を高精度ステージ１５４によって、一定時間微動させながら測定した変位測定値（Ａ）と、固定の基準ターゲット１４０を測定した変位測定値（Ｂ）が示されている。ここで、基準ターゲットは固定されているため、この変位測定値（Ｂ）の変化量は環境の影響（温度、気圧、湿度の変化）に起因するものである。
　双方の測定値（Ａ）、（Ｂ）は、環境の影響等、時間的に変化する誤差を含んでいる。また、基準ターゲット１４０の測定値（Ｂ）の誤差は、環境の影響が主成分である。双方の測定は同時に行われるため、測定値（Ａ）、（Ｂ）に含まれる環境の影響等の誤差は等しい。そこで、測定値（Ａ）と測定値（Ｂ）との差分を取り、環境の影響の誤差を除去する。図５は、環境の影響の誤差を除去した後のグラフである。すなわち、このデータが実測値から環境の影響の誤差を除去するデータとなる。
　図６は、較正用ターゲット１３４を複数回測定し、複数の測定データを平均化処理した較正用データである。図６には、直動ステージ１２６の平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差データが含まれている。
　図７には、図６の較正用データを利用して測定対象物１５６の位置及び変位を測定する白色干渉装置１０１が示されている。
　図７によれば、第１の測定光１０４を測定対象物１５６に照射し、それと同時に第２の測定光１１０を固定の基準ターゲット１４０に照射している。
　図８は、処理装置１４８による測定対象物１５６の位置及び変位算出方法を示したブロック図である。
　図８によれば、まず、測定対象物１５６の測定値と基準ターゲット１４０の測定値との差分を取り、環境の影響の誤差を除去する。図９は、測定対象物１５６の測定値（Ｃ）と基準ターゲット１４０の測定値（Ｄ）とが示されたグラフである。
　図８に戻り、次に、環境の影響の誤差を除去した測定値と図６の較正用データを比較参照する。すなわち、図１０（Ａ）で示す環境の影響の誤差を除去した測定値から、図１０（Ｂ）で示す直動ステージ１２６の平均化したピッチング、ヨーイングの動作誤差データ（較正用データ）を除去し、図１０（Ｃ）で示す、補正された測定値を真の測定データとして取得する。なお、任意の測定値から位置及び変位（補償後）を逆算する方法として、較正用データを線形補間する方法を挙げることができる。
　１０…白色干渉装置、１２…干渉計部、１４…参照光路長スキャナ部、１６…センサ部、１８…処理装置、２０…白色光源、２２…光カプラ、２４…光検出器、２６…光ファイバ、２８…光学素子、３０…直動ステージ、３２…スケールヘッド、３４…リニアスケール、３６…反射素子、３８…ファイバコネクタ、４０…ハウジング、４２…測定対象物、４４…ケーシング、４６…ファイバコネクタ、４８、５０…集光レンズ、５２…レンズ移動機構、５４…Ａ／Ｄ変換器、５６…カウンター、５８…干渉縞、１００…白色干渉装置、１０２…第１の参照光、１０４…第１の測定光、１０６…第１の光カプラ、１０８…第２の参照光、１１０…第２の測定光、１１２…第２の光カプラ、１１４…光ファイバ、１１６…コリメータレンズ、１１８…第１の反射素子、１２０…光ファイバ、１２２…コリメータレンズ、１２４…第２の反射素子、１２６…直動ステージ、１２８…スケールヘッド、１３０…参照光走査ステージ、１３２…光ファイバ、１３４…較正用ターゲット、１３６…第１の集光レンズ、１３８…光ファイバ、１４０…基準ターゲット、１４２…第２の集光レンズ、１４４…第１の光検出器、１４６…第２の光検出器、１４８…処理装置、１５０、１５２…光サーキューレータ、１５４…高精度ステージ

Claims (3)

  1. 　白色光源と、
    　前記白色光源から照射される白色光を第１の参照光と第１の測定光に分割する第１の光カプラと、
    　前記白色光源から照射される白色光を第２の参照光と第２の測定光に分割する第２の光カプラと、
    　前記第１の光カプラから光ファイバを介して照射された第１の参照光の進行方向を反転して前記第１の光カプラに返す第１の反射素子、前記第２の光カプラから光ファイバを介して照射された第２の参照光の進行方向を反転して前記第２の光カプラに返す第２の反射素子、前記第１の反射素子及び前記第２の反射素子を往復移動させる直動ステージ、及び前記第１の反射素子及び前記第２の反射素子の位置を取得するスケールヘッドからなる参照光路長スキャナ部と、
    　前記第１の光カプラから光ファイバを介して照射された前記第１の測定光を収束させて第１の測定対象物に照射するとともに前記第１の測定対象物で反射した光を受光する第１の集光レンズと、
    　前記第２の光カプラから光ファイバを介して照射された前記第２の測定光を収束させて第２の測定対象物に照射するとともに前記第２の測定対象物で反射した光を受光する第２の集光レンズと、
    　前記参照光路長スキャナ部から返った前記第１の参照光と前記第１の集光レンズから返った前記第１の測定光を干渉させ、干渉強度を電気信号である第１の干渉信号として出力する第１の光検出器と、
    　前記参照光路長スキャナ部から返った前記第２の参照光と前記第２の集光レンズから返った前記第２の測定光を干渉させ、干渉強度を電気信号である第２の干渉信号として出力する第２の光検出器と、
    　前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号を同時に取得し、それらの前記干渉信号の最大振幅に対応する前記直動ステージの位置を読み取り、その位置を測定対象物の相対位置とする処理装置と、
    　を備えることを特徴とする白色干渉装置。
  2. 　請求項１に記載の白色干渉装置を用い、第１の測定対象物の位置及び変位量と、第２の測定対象物の位置及び変位量とを同時に取得し、その差分を求めることにより２点又はそれ以上の多点同時計測可能なことを特徴とする白色干渉装置による位置及び変位測定方法。
  3. 　請求項１に記載の白色干渉装置を用い、
    　高精度ステージ上の較正用ターゲットを微動させながら、参照光路長スキャナ部の直動ステージを複数回移動させて較正用ターゲットの位置及びその変位を複数回測定し、参照光路長スキャナ部の直動ステージのピッチング、ヨーイング成分を抽出した第１のデータを作成する工程と、
    　第１の測定対象物の位置及び変位と、第２の測定対象物の位置及び変位を同時に取得し、その差分を求めて外乱影響を取り除いた第２のデータを作成する工程と、
    　前記第１のデータと前記第２のデータとの参照比較から第３のデータを取得する工程と、
    　を備えたことを特徴とする白色干渉装置による位置及び変位測定方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108332748A (zh) * 2017-12-18 2018-07-27 中国电子科技集团公司电子科学研究院 一种室内可见光定位方法及装置
EP4279861A1 (en) * 2022-05-19 2023-11-22 Unity Semiconductor A method and a system for characterising structures etched in a substrate

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012042348A (ja) * 2010-08-19 2012-03-01 Canon Inc 断層画像表示装置およびその制御方法
JP2012083274A (ja) * 2010-10-14 2012-04-26 High Energy Accelerator Research Organization 白色干渉法による振動測定装置及び振動測定方法
JP2012110575A (ja) * 2010-11-26 2012-06-14 Canon Inc 断層撮像方法および断層撮像装置
JP2014102192A (ja) * 2012-11-21 2014-06-05 Tokyo Seimitsu Co Ltd 白色干渉装置及び白色干渉装置の位置及び変位測定方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012042348A (ja) * 2010-08-19 2012-03-01 Canon Inc 断層画像表示装置およびその制御方法
JP2012083274A (ja) * 2010-10-14 2012-04-26 High Energy Accelerator Research Organization 白色干渉法による振動測定装置及び振動測定方法
JP2012110575A (ja) * 2010-11-26 2012-06-14 Canon Inc 断層撮像方法および断層撮像装置
JP2014102192A (ja) * 2012-11-21 2014-06-05 Tokyo Seimitsu Co Ltd 白色干渉装置及び白色干渉装置の位置及び変位測定方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ARAM LEE ET AL.: "Fiber-Based White-Light Interferometry for Nanoscale Distance Measurement and Control", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 24, no. 23, pages 2136 - 2138, XP011488539, DOI: doi:10.1109/LPT.2012.2223206 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108332748A (zh) * 2017-12-18 2018-07-27 中国电子科技集团公司电子科学研究院 一种室内可见光定位方法及装置
CN108332748B (zh) * 2017-12-18 2022-06-24 中国电子科技集团公司电子科学研究院 一种室内可见光定位方法及装置
EP4279861A1 (en) * 2022-05-19 2023-11-22 Unity Semiconductor A method and a system for characterising structures etched in a substrate
WO2023222393A1 (en) * 2022-05-19 2023-11-23 Unity Semiconductor A method and a system for characterising structures etched in a substrate
US11959736B2 (en) 2022-05-19 2024-04-16 Unity Semiconductor Method and a system for characterising structures etched in a substrate

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