JP2517551B2

JP2517551B2 - 位相分布測定装置

Info

Publication number: JP2517551B2
Application number: JP61106439A
Authority: JP
Inventors: 実吉井; 哲志野瀬; 雄吉丹羽
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-05-09
Filing date: 1986-05-09
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPS62263427A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は位相分布測定装置に関し、特に被測定物の屈
折率分布等を検出するのに好適な位相分布測定装置に関
する。

〔従来技術〕

従来、被測定物の面精度、厚み、均質性等を検知する
方法として、マツハツエンダータイプ、フイゾータイ
プ、トワイマン・グリーンタイプ等の干渉計を用いた方
法があった。この種の干渉計は全て被測定物を介して得
られる位相差が生じた波面を検出して被測定物の物理情
報を知るものであり、単に干渉縞を観察又は光強度分布
に変換して処理したり、位相干渉計の如く干渉縞の各位
置に於る時間的な位相変化を検出したりして測定を行な
う。

この種の干渉計を用いて被測定物の屈折率分布を測定
する場合、一般に屈折率分布を存する試料に平面波を透
過させ、この平面波の位相変化を干渉縞の強度分布に変
換し測定する。試料の厚さをｄ、平面波の位相変化をΔ
φ、屈折率差をΔｎとすると、屈折率差Δｎは以下の式
であることが出来る。

Δｎ＝Δφ/d この方式で測定精度を決定づけるパラメータは、言う
までもなく位相差Δφであり、干渉縞を観察したり、直
接光強度分布に変換して処理する方式では位相差Δφを
高精度に検出することは出来ない。又、位相干渉計はあ
る程度精度良くΔφを検出できるが、２つの検出器の配
置が互いに干渉する等で十分な精度では測定できないと
いう欠点がある。

一方、光ヘテロダインを用いた干渉方式は非常に高精
度にΔφを検出出来る可能性があるが、従来知られてい
る光ヘテロダイン干渉方式を用いた装置は被測定物の面
精度を測定する装置だけであり、屈折率分布や厚みの均
質性等の測定は不可能であった。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上述従来例の欠点に鑑み、屈折率分
布や厚みの均質性等の測定を充分精度良く測定するべ
く、特に外乱の影響を排除して高精度に被測定物からの
透過光の位相分布が測定できる位相分布測定装置を提供
することにある。

上記目的を達成するために、第１発明に係る位相分布
測定装置は、互いの位相差が時間毎に変化する第１の光
波と第２の光波を発生させる手段と、前記第１の光波と
第２の光波の一方を被測定物に指向し透過せしめた後、
第１の光波と第２の光波とを合波せしめ、更に合波され
た光波を第１光路と第２光路に分岐する光学手段と、前
記第１光路上の前記光学手段による被測定物結像面の一
点にて得られる被測定物を透過した光波を含む干渉光波
を受光する第１の受光手段と、前記第２光路上の前記光
学手段による被測定物結像面の複数点にてそれぞれ得ら
れる被測定物を透過した光波を含む干渉光波を受光する
第２の受光手段と、前記第１と第２の受光手段夫々によ
り得られる第１の光波と第２の光波との干渉信号の位相
比較を前記複数点に関して実行し、該位相比較に基づい
て被測定物を通過した光波の位相分布を検出する検出手
段とを有する事を特徴としている。

また、第２発明に係る位相分布測定装置は、互いの位
相差が時間毎に変化する第１の光波と第２の光波を発生
させる手段と、前記第１の光波と第２の光波の一方を被
測定物に指向し透過せしめた後、第１の光波と第２の光
波とを合波せしめ、合波された光波を結像光学系を介し
た後更に第１光路と第２光路に分岐する光学手段と、前
記第１光路上の前記結像光学系による被測定物結像面の
一点にて得られる干渉光波を受光する第１の受光手段
と、前記第２光路上の前記結像光学系による被測定物結
像面の複数点にて得られる干渉光波を受光する第２の受
光手段と、前記第１と第２の受光手段夫々により得られ
る第１の光波と第２の光波との干渉信号の位相比較を前
記複数点に関して実行し、該位相比較に基づいて被測定
物を通過した光波の位相分布を検出する検出手段とを有
する事を特徴としている。

尚、本発明の更なる特徴は如何に示す実施例に記載さ
れている。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る位相分布測定装置の構成例を示
す図である。図中、１は被測定物で、内部に屈折率分布
を有する透明な試料、２はレーザ等の可干渉光源、３は
λ/2板で、可干渉光源２から出射する光束の偏光面を紙
面法線に対して45°傾ける。４は偏光ビームスプリツタ
ー（以下、PBSと記す。）で、λ/2板３を通過した光束
を偏光面のＰ方位とＳ方位に分け、大略等強度の互いに
偏光面が直交する２つの光波を生成する。５及び６は夫
々PBS4で生成した２つの光波を回折する音響光学変調素
子（以下、A/O素子と記載する。）、７及び８はA/O素子
で回折された光波を反射し光路を変える平面反射鏡、９
は２つの光波を同一方向へ指向する為のPBS、10はA/O素
子５、６で生じた回折光から所定次数の光波のみを選択
的に取り出すアパーチヤー、11はビーム径を拡大させる
為のビームエキスパンダー光学系、12は光波を再度分離
するPBS、13及び14はPBS12で分離された２つの光波を反
射し光路を変える平面反射鏡、15は平面反射鏡14で反射
された光波と平面反射鏡13で反射され被測定物１を透過
した光波とを重ね合わせ合波するPBS、16はPBS15を介し
て得られる光波を後述する検出器19、20に導く結像光学
系で、被測定物１を検出器19、20のセンサ面上に結像す
る様に構成されている。17は合波されたＰ方位とＳ方位
の光波を夫々円偏光に変換するλ/4板、18はλ/4板15を
通過し円偏光となった光波を分割して検出器19、21に導
くPBS、19は微小開口により位置を固定した検出器、20
は２次元走査が可能な検出器を示す。

第２図はA/O素子の原理説明図である。図中、21はテ
ルライトガラスやTeO₂,PbMoO₄等の結晶からなる基板、2
2は基板21に超音波を発生せしめる駆動部、23は基板上
の超音波から成る進行波を示す。

基板21にその端部から超音波を励起すると、超音波に
よる進行波が発生して波長に応じた屈折率の粗密が形成
される。この屈折率の粗密は進行型の所謂位相回折格子
としての機能を有する為、進行波に光束を入射させるに
際しレーザ光等の光波の周波数をドツプラーシフトさせ
る。このシフト量は超音波（進行波）の周波数に等しく
なり、超音波の進行方向側に回折される光波は、即ち図
示する＋１次の光波はプラス側に、進行方向と逆側に回
折される光波、即ち図示する−１次の光波はマイナス側
に周波数がシフトする。従って、第１図に於て、例えば
A/O素子５及び６を夫々80MHz、81MHzの超音波で駆動し
たとすると、夫々のA/O素子５及び６に入射する光波の
±１次回折光は±80MHz、±81MHzの周波数シフトを受け
ることになる。ここで、測定に使用する２つの光波とし
て互いに＋１次回折光を用いるとすれば、A/O素子５及
び６を介して得られる測定用の第１の光波と第２の光波
との周波数差は1MHzとなる。

以下、第１図に戻って、本位相分布測定装置に関し詳
述する。

可干渉光源２から出射した光束、例えばレーザ光等の
光束はλ/2板３を介してPBS4によって透過光、反射光に
分割される。ここで、反射光はＳ方位の偏光面（以下、
Ｓ偏光と記す。）を有する光波であり、紙面に垂直な方
向に直線偏向している。この光波はA/O素子６により回
折を受ける。ここで、A/O素子６に発生させる超音波の
周波数を81MHzとし、＋１次回折光を測定に用いるとす
れば、＋１次回折光である光波（以下、第１の光波と記
す。）は＋81MHzの周波数シフトを受けて、平面反射鏡
８、PBS9、アパーチヤ10、ビームエキスパンダー光学系
11、PBS12、平面反射鏡14の順に光路を経てPBS15に指向
される。

一方、PBS4を透過した透過光はＰ方位の偏光面（以
下、Ｐ偏光と記す。）を有する光波であり、紙面に平行
な方向に直線偏光しており、この光波はA/O素子５によ
り回折を受ける。ここで、A/O素子５に発生させる超音
波の周波数を80MHzとし、＋１次回折光を測定に用いる
とすれば、＋１次回折光である光波（以下、第２の光波
と記す。）は＋80MHzの周波数シフトを受けて、平面反
射鏡７、PBS9、アパーチヤ10、ビームエキスパンダー光
学系11、PBS12、平面反射鏡13、被測定物１の順に光路
を経てPBS15に指向される。従って、第２の光波の位相
は被測定物１の屈折率分布に応じた位相変化を受けてお
り、この第２の光波と第１の光波とはPBS15により合波
され、結像光学系16を介し、λ/4板17を通過して互いに
逆回りの円偏光とすることによって干渉縞を形成する。

今、被測定物１を通過した第２の光波と1MHzだけ周波
数が異なる平面波の第１の光波とを合波した際の光強度
分布ｉ（x,y,t）は、被測定物１の位置x,yに於る第２の
光波の位相変化をΔφ（x,y）とすれば、ｉ（x,y,t）＝ａ（x,y）＋ｂ（x,y）cos｛２π×10⁶ｔ
＋ＫΔφ（x,y）｝ ……（１）で表わすことが出来る。尚、ここでＫは波数でありＫ＝
２π／λ（λは波長）で示される。

従って、上記（１）に示す様に、第２の光波の位相変
化Δφ（x,y）はビート信号1MHz＝２π×10⁶の位相変化
として求まる。

前述の如くλ/4板17により互いに逆回りの円偏光とな
った第１の光波と第２の光波とは、PBS18によって分割
され、一方は位相固定の微小開口の検出器19のセンサ面
へ、他方は２次元走査可能な検出器20へ結像され、夫々
の検出器で1MHzのビート信号が検出される。ここで、検
出器19に結像される光波は、被測定物１の任意の位置
（ｘ₀,Y₀）を通過した第２の光波と第１の光波とから成
り、この２つの光波の干渉による1MHzのビート信号が検
出器19で検出され測定に於る参照信号となる。

第３図は検出器19から出力される参照信号であるビー
ト信号Ｒと、検出器20から出力される位相情報（Δφ）
を有するビート信号Ｓとを時間ｔ軸上で示したものであ
る。検出器20の光波の検出位置を１次元或いは２次元走
査することにより、第３図に示す如き信号を得て各位置
（x,y）に於る参照信号Ｒからの信号Ｓの位相差Δφ
（x,y）を電気的に検出することにより、第２の光波の
相対的な位相差Δφ（x,y）、即ち被測定物１の屈折率
分布を測定出来る。

第４図はビート信号Ｒ、Ｓから屈折率分布を得るまで
の概略ブロツク図を示しており、30は位相検出器、31は
マイクロプロセツサ、32はCRT、プリンタ等の出力装置
を示す。検出器19及び20から得られたビート信号Ｒ及び
Ｓは位相検出器30で処理され、位相差Δφ（x,y）が算
出されるが、この際、マイクロプロセツサ31によって検
出器20の走査位置（x,y）を指定し、順次その走査位置
（x,y）に於るビート信号R,Sを位相検出器30に取り込み
処理する。尚、ビート信号Ｒは実質的に一定である。位
相検出器30で検出された位相差Δφ（x,y）の信号はA/D
変換されてマイクロプロセツサ31に入力される。マイク
ロプロセツサ31では所定の換算手順に従って位相差Δφ
（x,y）から屈折率分布ｎ（x,y）を求め、出力装置32へ
ｎ（x,y）に関する信号を出力する。そして、出力装置3
2は被測定物の屈折率分布に関する情報を数値或いは画
像の形式で表示する。

第５図（Ａ）〜（Ｄ）はマイクロプロセツサー内で行
なわれる屈折率分布への換算手順を示す図で、簡単に説
明を行なう為にＩ次元（ｘ）データを処理する場合を示
してあるが、原理的には２次元（x,y）データを処理す
る場合でも処理方法に変わりはない。第５図（Ａ）は位
相差Δφの直接データを示し、このデータは第２の光波
の波面の位相が±π/2の範囲内で折り返された形で測定
される。次に、この折り返されたデータから干渉縞の次
数の回復を行ない、第５図（Ｂ）に示す如きデータを得
る。更に、第５図（Ｂ）のデータには干渉計のテイルト
と被測定物の厚さの不均一性等のノイズデータが含まれ
ている為、この種のノイズデータをコンピユータ上で補
正し、第５図（Ｃ）に示す如き位相差Δφの分布を得
る。最後に、被測定物の既知の厚さｄと、Δｎ＝Δφ/d
なる関係を用いて、第５図（Ｄ）に示す相対的な屈折率
分布Δｎを得る。

本実施例に於る微小開口の検出器19としては、APD
（アバランシエ・フオト・ダイオード）、ピンホールと
PINフオトダイオードやフオトマル等を組み合わせたセ
ンサを用いることが出来る。又、走査可能な検出器20と
しては、微小開口を走査するイメージデイテクター、コ
ンピユータによって位置制御可能なステージ上に設置し
たAPD又はピンホールとPINフオトダイオードやフオトマ
ル等のセンサとの組み合わせを用いることが出来る。

更に、本実施例では異なる周波数の光波を得るのにA/
O素子を用いているが、この他ブラツグセル等の素子を
用いても光波にドツプラシフトを与えることが出来る。
又、可干渉光源としてゼーマンレーザを用いれば、同一
光源から異周波数の光束を出射せしめることが出来、構
成が簡便となる。

又、本実施例でλ/2板３を用いるのは、PBS4で光束を
等強度に分割して干渉縞の明暗比を向上させる為であ
り、λ/2板３の代わりに可干渉光源２を光軸回りに回転
させ、可干渉光源から出射する光束の偏光方向がPBS4の
直交偏波面に対して45°になるよう配置しても良い。
又、検出器19及び20に合波した光波を指向するPBS18は
ハーフミラーで置き換えることも出来る。

第６図は本発明に係る位相分布測定装置の他の構成例
を示す図である。図中、第１図と同部材には同符番を符
してあり、100及び101はピンホールを示す。

本実施例に係る装置は被測定物１が可干渉光源２から
出射される光束の光束径程度の大きさを持つ場合に好適
な構成を備えている。即ち、第１図の装置がビームエキ
スパンダー系を有していたのに対し、本実施例ではビー
ムエキスパンダー系は不要であり、A/O素子５及び６を
直接マツハツエンダータイプの干渉計部に配している。
従って、装置構成が簡便となり光学素子の数も減少する
為、組立てに際し調整に係る時間も短縮される。

第７図は本発明に係る位相分布測定装置の更なる構成
例を示す図である。図中、第６図と同部材には同符番が
符してあり、110及び111はビームエキスパンダー光学系
を示す。

本実施例に係る装置は第６図に示す装置と基本構成は
同一で、且つ、第１図の装置同様にある程度の大きさを
有する被測定物１の測定を可能にするものである。即
ち、本実施例ではビームエキスパンダー光学系110,111
を干渉計部の２つの光波の光路中に配し、夫々の光波の
光束径を拡大している。従って、小型且つ汎用性の高い
測定装置を提供出来る。尚、第１図及び第７図に示す如
きビームエキスパンダー光学系11,110,111は収差が測定
誤差範囲内に納まる程小さい必要があることは言うまで
もない。

以上説明した各実施例では、PBS12,15及び平面反射鏡
13,14で光路を定められた干渉計部は所謂マツハツエン
ダータイプの干渉計で構成されており、第２の光波が被
測定物を一度しか通過しない為に本位相分布測定装置に
用いる干渉計としては最も好ましい。しかしながら、光
学調整は若干面倒であるが、例えばフイゾータイプやト
ワイマングリーンタイプの干渉計を適用することも可能
である。この種の干渉計で被測定物の屈折率分布を測定
する際は、反射鏡を介して光波が被測定物を往復する
（２度通過する）為、光波が被測定物の同一位置を通過
する様に補償してやる必要がある。従って、測定精度を
向上させる為には、一般に被測定物の後方に配置される
反射鏡と被測定物とを近接させるか、好ましくは密着さ
せて測定するのが良い。

本発明によれば、検出器の感度や精度によっては位相
変化の検出精度を数千分のλの値まで得ることが期待出
来、例えば、被測定物の厚さを0.1mm、Δｎ0.1程度の
場合には10^-5程度の繰り返し精度で屈折率分布を求める
ことが可能である。更に前述の様にマイクロプロセツサ
等の処理装置を用い、検出器の走査と位相検出とをプロ
グラム化することにより自動的に屈折率分布を測定出
来、且つ高速測定も可能である。

〔発明の効果〕

以上、本発明にかかる位相分布測定装置によれば、被
測定物を透過した光波の干渉信号の位相分布を、結像面
での受光によって被測定物の各位置に正確に対応した信
号と基準となる信号との比較に基づいて高精度に検出で
きるため、とりわけ屈折率分布等の測定に際し充分高精
度な測定を可能とするものである。

特に第１発明によれば、位相比較の際の基準信号用と
なる第１光路側で得られる干渉光波も、位相比較の際の
位相測定したい各点の測定信号用となる第２光路側で各
点それぞれに対応して得られる干渉光波も、共に被測定
物を透過した光波を含むようにしているので、被測定物
に発生した外乱要因を位相比較により基本的に相殺する
ことができ、正確な位相分布測定ができる。

一方第２発明によれば、第１光路と第２光路に分岐す
る手前に両光路共通の結像光学系を配置する形態を採っ
ているため、第１の受光手段と第２の受光手段の各々に
結像する干渉光波の結像条件を互いに等しくすることが
でき、結像光学系による外乱要因に起因する位相変化分
は基本的に相殺され、正確な位相分布測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る位相分布測定装置の構成例を示す
図。第２図は音響光学（A/O）素子の機能説明図。第３図は参照ビート信号Ｒと位相情報を有するビート信
号Ｓとを示す図。第４図は屈折率分布測定の際の概略ブロツク図。第５図（Ａ）〜（Ｄ）はマイクロプロセツサ内に於る位
相差データから屈折率分布を得るまでの換算手順を示す
図。第６図及び第７図は本発明に係る位相分布測定装置の他
の構成例を示す図。１……被測定物、２……可干渉光源、３……λ/2板、4,
9,12,15,18……偏光ビームスプリツター（PBS）、5,6…
…音響光学（A/O）素子、7,8,13,14……平面反射鏡、1
0,100,101……アパーチヤ、11,110,111……ビームエキ
スパンダー光学系、16……結像光学系、17……λ/4板、
19……微小開口センサを有する検出器、20……２次元走
査可能な検出器、21……基板、22……駆動部、23……進
行波、30……位相検出器、31……マイクロプロセツサ、
32……出力装置、

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いの位相差が時間毎に変化する第１の光
波と第２の光波を発生させる手段と、前記第１の光波と
第２の光波の一方を被測定物に指向し透過せしめた後、
第１の光波と第２の光波とを合波せしめ、更に合波され
た光波を第１光路と第２光路に分岐する光学手段と、前
記第１光路上の前記光学手段による被測定物結像面の一
点にて得られる被測定物を透過した光波を含む干渉光波
を受光する第１の受光手段と、前記第２光路上の前記光
学手段による被測定物結像面の複数点にてそれぞれ得ら
れる被測定物を透過した光波を含む干渉光波を受光する
第２の受光手段と、前記第１と第２の受光手段夫々によ
り得られる第１の光波と第２の光波との干渉信号の位相
比較を前記複数点に関して実行し、該位相比較に基づい
て被測定物を通過した光波の位相分布を検出する検出手
段とを有する位相分布測定装置。
【請求項２】互いの位相差が時間毎に変化する第１の光
波と第２の光波を発生させる手段と、前記第１の光波と
第２の光波の一方を被測定物に指向し透過せしめた後、
第１の光波と第２の光波とを合波せしめ、合波された光
波を結像光学系を介した後更に第１光路と第２光路に分
岐する光学手段と、前記第１光路上の前記結像光学系に
よる被測定物結像面の一点にて得られる干渉光波を受光
する第１の受光手段と、前記第２光路上の前記結像光学
系による被測定物結像面の複数点にて得られる干渉光波
を受光する第２の受光手段と、前記第１と第２の受光手
段夫々により得られる第１の光波と第２の光波との干渉
信号の位相比較を前記複数点に関して実行し、該位相比
較に基づいて被測定物を通過した光波の位相分布を検出
する検出手段とを有する位相分布測定装置。
【請求項３】前記第１の受光手段は被測定物を透過した
光波を含む干渉光波を前記測定物結像面の一点にて受光
し、前記第２の受光手段は被測定物を透過した光波を含
む干渉光波を前記測定物結像面の複数にて受光する特許
請求の範囲第２項に記載の位相分布測定装置。