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JPH0465601A - Optical heterodyne interference measuring instrument - Google Patents

Optical heterodyne interference measuring instrument

Info

Publication number
JPH0465601A
JPH0465601A JP2176887A JP17688790A JPH0465601A JP H0465601 A JPH0465601 A JP H0465601A JP 2176887 A JP2176887 A JP 2176887A JP 17688790 A JP17688790 A JP 17688790A JP H0465601 A JPH0465601 A JP H0465601A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
measurement
frequency
beam splitter
reflected
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2176887A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takuji Teramoto
寺本 卓司
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Brother Industries Ltd filed Critical Brother Industries Ltd
Priority to JP2176887A priority Critical patent/JPH0465601A/en
Publication of JPH0465601A publication Critical patent/JPH0465601A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To vary the measurement resolution and response speed by varying the frequency difference between measurement light and reference light according to the property of an object of measurement, the purpose of measurement, etc., so that the frequency difference can be varied by a frequency control means. CONSTITUTION:The measurement beam LM passed through a polarization beam splitter 16 is shifted in frequency by +f1 through an acoustooptic modulator 18 to have a frequency f0+f1 and then the beam is made incident on a polarization beam splitter 20. Further, the reference beam LR which is reflected by the polarization beam splitter 16 is further reflected by a mirror 22 and shifted in frequency by +f2 through the polarization beam splitter 16 to have a frequency f0+f2, and then the beam is reflected by a mirror 26 and made incident on the polarization beam splitter 20. The measurement beam LM and reference beam LR which are put one over the other by said polarization beam splitter 20 have their beats due to interference detected and a reference beat signal RBS of reference beat frequency fB represented as ¦f1-f2¦ is outputted.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光ヘテロダイン干渉測定装置に係り、特に、そ
の測定分解能や応答速喰を可変とする技術に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an optical heterodyne interference measurement device, and particularly to a technique for making the measurement resolution and response speed variable.

従来の技術とその課題 光周波数シックにより計測光および参照光の周波数を互
いに相違させるとともに、その計測光を測定対象に照射
した後参照光と干渉させて光センサに入射させることに
より計測ビート信号を取り出し、その計測ビート信号の
位相変化に基づいて前記測定対象の物理量、例えば表面
粗さや凹凸形状、移動速度、変位量、ガス濃度などを測
定する光へテロダイン干渉測定装置が知られている。か
かる測定装置の測定分解能や応答速度は、従来、計測光
と参照光との周波数差や波長2位相測定の時間分解能等
によって一定に定められ、測定対象の特質や測定目的等
に応じて変更することはできなかった。このため、必要
以上の分解能で測定が行われて測定時間が長くなったり
、測定時間は短いが充分な測定分解能を得られなかった
りするなどの不都合があった。
Conventional technology and its challenges In addition to making the frequencies of the measurement light and reference light different from each other using optical frequency chic, the measurement light is irradiated onto the measurement target and then interfered with the reference light to enter the optical sensor, thereby generating the measurement beat signal. An optical heterodyne interference measurement device is known that measures physical quantities of the object to be measured, such as surface roughness, unevenness, moving speed, displacement amount, gas concentration, etc., based on the phase change of the measured beat signal. Conventionally, the measurement resolution and response speed of such measurement devices are fixed based on the frequency difference between the measurement light and the reference light, the time resolution of wavelength two-phase measurement, etc., and are changed depending on the characteristics of the measurement target, the measurement purpose, etc. I couldn't do that. For this reason, there are disadvantages such as measurement being performed with a resolution higher than necessary, resulting in a long measurement time, or measurement time being short but sufficient measurement resolution cannot be obtained.

本発明はこのような事情を背景として為されたもので、
その目的とするところは、測定分解能や応答速度を変更
できるようにすることにある。
The present invention was made against the background of the above circumstances.
The purpose is to be able to change measurement resolution and response speed.

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本発明は、前述した光ヘ
テロダイン干渉測定装置において、前記計測光と参照光
との周波数差を変化させるように前記光周波数シックを
制御する周波数制御手段を設けたことを特徴とする。
Means for Solving the Problems In order to achieve the object, the present invention controls the optical frequency thick so as to change the frequency difference between the measurement light and the reference light in the optical heterodyne interference measurement device described above. It is characterized in that a frequency control means is provided.

作用および発明の効果 このような光ヘテロダイン干渉測定装置においては、計
測光と参照光との周波数差が周波数制御手段によって変
更され得るため、測定対象の特質や測定目的等に応じて
その周波数差を変更することにより、測定分解能や応答
速度を変えることができる。すなわち、上記周波数差は
計測ビート信号の基準ビート周波数(計測光の位相変化
がない場合の周波数)に相当し、測定分解能はその基準
ビート周波数に比例して低下するのに対し、応答速度は
基準ビート周波数に比例して速くなるのである。したが
って、計測光の波長などの他の条件が同じであれば、上
記周波数差を大きくすれば測定分解能は低くなるものの
応答速度は速くなり、周波数差を小さくすれば応答速度
は遅くなるものの測定分解能は高くなるのである。
Operation and Effects of the Invention In such an optical heterodyne interference measurement device, the frequency difference between the measurement light and the reference light can be changed by the frequency control means, so the frequency difference can be changed depending on the characteristics of the measurement object, the measurement purpose, etc. By changing it, measurement resolution and response speed can be changed. In other words, the above frequency difference corresponds to the reference beat frequency of the measurement beat signal (the frequency when there is no phase change in the measurement light), and while the measurement resolution decreases in proportion to the reference beat frequency, the response speed corresponds to the reference beat frequency. The speed increases in proportion to the beat frequency. Therefore, if other conditions such as the wavelength of the measurement light are the same, increasing the frequency difference will decrease the measurement resolution but increase the response speed, and decreasing the frequency difference will decrease the response speed but increase the measurement resolution. becomes higher.

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
EXAMPLE Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail based on the drawings.

第1回は、本発明が光ヘテロダイン干渉を利用した微細
形状測定装置に適用された一例を説明する光学的構成図
であり、He −N eレーザ等のレーザ光a10から
出射された周波数がf。の直線偏光レーザ光りは、戻り
光がレーザ光源10に入らないようにするアイソレータ
12を通過したのちミラー14によって上方へ反射され
、偏光ビームスプリッタI6に入射させられる。レーザ
光源10の姿勢は、レーザ光りの偏波面(電気ヘクトル
の振動面)が紙面に対して45°の角度で傾斜するよう
に設定されており、そのレーザ光りのうち偏波面が紙面
と平行なP偏光成分は計測ビームL、とじて上記偏光ビ
ームスプリッタ16を通過させられ、偏波面が紙面と垂
直なS偏光成分は参照ビームL、lとして偏光ビームス
プリッタ16により反射される。上記計測ビームL、4
は計測光に相当し、参照ビームL、は参照先に相当する
The first part is an optical configuration diagram illustrating an example in which the present invention is applied to a fine shape measuring device using optical heterodyne interference. . The linearly polarized laser light passes through an isolator 12 that prevents the return light from entering the laser light source 10, is reflected upward by a mirror 14, and is made incident on a polarizing beam splitter I6. The attitude of the laser light source 10 is set so that the plane of polarization of the laser beam (the plane of vibration of the electric hector) is inclined at an angle of 45° with respect to the plane of the paper. The P polarized light component is passed through the polarizing beam splitter 16 as a measurement beam L, and the S polarized light component whose plane of polarization is perpendicular to the plane of the drawing is reflected by the polarizing beam splitter 16 as reference beams L and I. The above measurement beam L, 4
corresponds to the measurement light, and the reference beam L corresponds to the reference destination.

偏光ビームスプリンタ16を透過した計測ビームトイは
、音響光学変調器18により+[lの周波数シフトを受
けて周波数がfo+f、 とされた後、偏光ビームスプ
リッタ20に入射させられる。
The measurement beam toy that has passed through the polarization beam splitter 16 undergoes a frequency shift of +[l by the acousto-optic modulator 18 to have a frequency of fo+f, and is then made incident on the polarization beam splitter 20.

また、偏光ビームスプリッタ16で反射された参照ビー
ムしいはミラー22によって更に反射され、音響光学変
調器24により十f、の周波数シフトを受けて周波数が
f0+f、とされた後、ミラー26で反射されて偏光ビ
ームスプリンタ20に入射させられる。上記音響光学変
調器18.24は周波数シフタに相当し、制御装置28
(第2図参照)から出力される周波数制御信号SFI、
SF2に従って周波数制御回路30が制御されることに
より、それ等の音響光学変調器18.24によって与え
られる周波数シフトf、、f!はそれぞれ変更される。
The reference beam reflected by the polarizing beam splitter 16 or further reflected by the mirror 22 is subjected to a frequency shift of 10 f by the acousto-optic modulator 24 to have a frequency of f0+f, and then reflected by the mirror 26. The polarized beam is incident on the polarized beam splinter 20. The acousto-optic modulator 18.24 corresponds to a frequency shifter, and the control device 28
(See Figure 2) Frequency control signal SFI output from
By controlling the frequency control circuit 30 according to SF2, the frequency shifts f,, f! provided by those acousto-optic modulators 18,24! are changed respectively.

上記周波数制御回路30は、例えば第3因に示されてい
るように構成される。周波数シンセサイザ32.34は
基準発振器36から供給される基準周波数信号に基づい
て周波数逓倍信号を出力するとともに、その周波数逓倍
信号の周波数ff2はそれぞれ前記周波数制御信号SF
I、SF2に従って制御され、これがRFアンプ384
0を介し7て前記音響光学変調器18.24に供給され
ることにより、計測ビームL、4.参照ビームL7はそ
れぞれ上記周波数f+、fzだけ周波数シフトされる。
The frequency control circuit 30 is configured, for example, as shown in the third factor. The frequency synthesizers 32 and 34 output frequency multiplied signals based on the reference frequency signal supplied from the reference oscillator 36, and the frequency ff2 of the frequency multiplied signals is equal to the frequency control signal SF.
I, SF2, and this is the RF amplifier 384
0 through 7 to the acousto-optic modulator 18.24 so that the measurement beams L, 4. The reference beams L7 are frequency shifted by the frequencies f+ and fz, respectively.

前記偏光ビームスプリッタ20により重ね合わされた計
測ビームL、4および参照ビームLllは、その後無偏
光ビームスプリッタ42によって2分され、その無偏光
ビームスプリッタ42により反射されたものは、偏光板
44によって干渉光とされた後集光レンズ46によって
参照用光センサ48に照射される。この参照用光センサ
48においては、計測ビームL。と参照ビームLRとの
干渉によるビートが検知され、それ等の周波数の差すな
わちl  (fO+j、I ) −(fo 十ft )
  l =r、−r21で表される基準ビート周波数f
Bの基準ビート信号RBSが出力される。
The measurement beams L, 4 and the reference beam Lll superimposed by the polarizing beam splitter 20 are then split into two by a non-polarizing beam splitter 42, and the beams reflected by the non-polarizing beam splitter 42 are converted into interference light by a polarizing plate 44. After that, the light is irradiated onto the reference optical sensor 48 by the condensing lens 46. In this reference optical sensor 48, the measurement beam L. A beat due to interference between the reference beam LR and the reference beam LR is detected, and the difference in their frequencies, i.e., l (fO+j, I ) − (fo + ft )
Reference beat frequency f expressed as l = r, -r21
A reference beat signal RBS of B is output.

上記無偏光ビームスプリッタ42を透過した計測ビーム
L、および参照ビームLxは、偏光ビームスプリッタ5
0により再び偏波面の向きによって分離され、S偏光成
分から成る参照ビームLRは偏光ビームスプリッタ50
により反射される。
The measurement beam L and the reference beam Lx transmitted through the non-polarizing beam splitter 42 are transmitted to the polarizing beam splitter 5.
0, the reference beam LR consisting of the S polarization component is separated again by the direction of the polarization plane and is sent to the polarization beam splitter 50.
reflected by.

偏光ビームスプリッタ50で反射された参照ビームLl
lは、1/4波長板52を介してミラー54に照射され
、そのミラー54により反射されて再び174波長板5
2を透過させられることによりP偏光とされる。そして
、このP偏光とされた参照ビームLRは、上記偏光ビー
ムスプリッタ50を透過させられ、偏光板56を通過し
た後集光レンズ58によって計測用光センサ60に照射
される。
Reference beam Ll reflected by polarizing beam splitter 50
l is irradiated onto the mirror 54 via the 1/4 wavelength plate 52, reflected by the mirror 54, and then applied to the 174 wavelength plate 5 again.
2 is transmitted, and becomes P-polarized light. The P-polarized reference beam LR is transmitted through the polarizing beam splitter 50, passes through the polarizing plate 56, and then is irradiated onto the measuring optical sensor 60 by the condenser lens 58.

一方、P偏光成分から成る計測ビームL1は、上記偏光
ビームスプリッタ50を通過させられ、無偏光ビームス
プリッタ62および1/4波長板64を経て対物レンズ
66により被測定物68の表面70に集光される。被測
定物68は、モータ等の駆動装置72によって上記計測
ビームLMO光軸に対して直角なX−Y平面内を二次元
方向へ移動させられる移動台74に配置されており、被
測定物68の移動に伴って計測ビームLHはその表面7
0の微小凹凸に対応するドツプラーシフトf。
On the other hand, the measurement beam L1 consisting of the P-polarized component is passed through the polarizing beam splitter 50, passes through the non-polarizing beam splitter 62 and the quarter-wave plate 64, and is focused onto the surface 70 of the object to be measured 68 by the objective lens 66. be done. The object to be measured 68 is placed on a moving table 74 that can be moved in two dimensions in an X-Y plane perpendicular to the optical axis of the measurement beam LMO by a drive device 72 such as a motor. As the measurement beam LH moves, the surface 7
Doppler shift f corresponding to minute irregularities of 0.

を受ける。このため、その被測定物68の表面70で反
射された計測ビームLxの周波数はf0十f+ +fゎ
となる。このドツプラーシフトf、は、表面70の凹凸
による光路長変化に伴う単位時間当たりの計測ビームL
イの位相変化量に対応する。
receive. Therefore, the frequency of the measurement beam Lx reflected by the surface 70 of the object to be measured 68 is f0f++f. This Doppler shift f is the measurement beam L per unit time due to the change in optical path length due to the unevenness of the surface 70.
This corresponds to the amount of phase change in A.

上記被測定物68の表面70は本実施例の測定対象であ
り、その凹凸寸法が測定すべき物理量である。
The surface 70 of the object to be measured 68 is the object of measurement in this embodiment, and its unevenness is the physical quantity to be measured.

また、対物レンズ66はZ軸上−タ76により光軸方向
へ移動させられるようになっている。このZ軸上−タ7
6は、前記制御装置28から出力される焦点位置制御信
号DDに従って駆動制御装置78が制御されることによ
り、計測ビームLMの集光点が表面70と一致するよう
に、換言すれば表面70に対する計測ビームL。の照射
点が対物レンズ66の焦点位置と一致するように、その
対物レンズ66を移動させる。
Further, the objective lens 66 can be moved in the optical axis direction by a Z-axis motor 76. This Z-axis top-ta 7
6 is configured such that the drive control device 78 is controlled in accordance with the focus position control signal DD output from the control device 28 so that the focal point of the measurement beam LM coincides with the surface 70, in other words, Measurement beam L. The objective lens 66 is moved so that the irradiation point coincides with the focal position of the objective lens 66.

表面70で反射された計測ビームL、は、対物レンズ6
6を経て再び1ノ4波長板64を通過させられることに
より、往路に対して偏波面が90゜回転した直線偏光す
なわちS偏光とされ、無偏光ビームスプリンタ62によ
り一部が反射される。
The measurement beam L, reflected by the surface 70, is reflected by the objective lens 6.
6 and again passes through the 1/4 wavelength plate 64 to become linearly polarized light, that is, S-polarized light, with the plane of polarization rotated by 90 degrees with respect to the outward path, and a portion of the light is reflected by the non-polarizing beam splinter 62.

無偏光ビームスプリッタ62で反射された計測ビームL
。は、集光レンズ80および円柱レンズ82を経て4分
割光センサ84に照射される。円柱レンズ82は計測ビ
ームしいに非点収差を与えるもので、4分割光センサ8
4は、表面7oに対する計測ビームLHの照射点が対物
レンズ66の焦点位置と一致する時に計測ビームLMの
横断面形状が円形となる位置に配置され、焦点ずれに対
応する焦点ずれ信号SAを前記制御装置28に出力する
Measurement beam L reflected by non-polarizing beam splitter 62
. is irradiated onto a four-split optical sensor 84 via a condensing lens 80 and a cylindrical lens 82. The cylindrical lens 82 provides astigmatism to the measurement beam, and the 4-split optical sensor 8
4 is arranged at a position where the cross-sectional shape of the measurement beam LM becomes circular when the irradiation point of the measurement beam LH on the surface 7o coincides with the focal position of the objective lens 66, and the reference numeral 4 outputs a defocus signal SA corresponding to the defocus. Output to the control device 28.

また、無偏光ビームスプリッタ62を透過した残りの計
測ビームLMは、偏光ビームスプリッタ50により反射
され、偏光板56により前記参照ビームLllと干渉さ
せられた後、集光レンズ58により計測用光センサ60
に入射させられる。この計測用光センサ60においては
、参照ビームしっと表面70で反射された計測ビームL
sとの干渉によるビートが検知され、それ等の周波数の
差すなわちl  (fo + f、+ + fo ) 
  (La + ft )=lfa十folで表される
計測ビート周波数f、の計測ビート信号MBSが出力さ
れる。
Further, the remaining measurement beam LM that has passed through the non-polarizing beam splitter 62 is reflected by the polarizing beam splitter 50, and after being caused to interfere with the reference beam Lll by the polarizing plate 56, it is transmitted to the measuring optical sensor 60 by the condensing lens 58.
is made incident on the In this measurement optical sensor 60, the measurement beam L reflected by the reference beam and the surface 70 is
A beat due to interference with s is detected, and the difference in their frequencies, i.e., l (fo + f, + + fo )
A measurement beat signal MBS having a measurement beat frequency f expressed as (La+ft)=lfa+fol is output.

そして、かかる計測ビート信号MBSおよび前記基準ビ
ート信号RBSは、図示しない波形整形回路によってそ
れぞれ矩形のパルス波形に整形された後、第4図に示さ
れている測定回路86の偏差カウンタ88に供給される
。この偏差カウンタ88は、図示しないタイミング信号
発生回路から供給されるタイミング信号に従って計測ビ
ート信号MBSのビート数C1と基準ビート信号RBS
のビート数08との偏差E(−CM Cm)を計数し、
その偏差Eはラッチ器90に一時記憶された後、前記制
御装置28に取り込まれる。
The measurement beat signal MBS and the reference beat signal RBS are each shaped into a rectangular pulse waveform by a waveform shaping circuit (not shown) and then supplied to the deviation counter 88 of the measurement circuit 86 shown in FIG. Ru. The deviation counter 88 calculates the number of beats C1 of the measurement beat signal MBS and the reference beat signal RBS according to a timing signal supplied from a timing signal generation circuit (not shown).
Count the deviation E (-CM Cm) from the beat number 08,
The deviation E is temporarily stored in the latch device 90 and then taken into the control device 28.

また、上記パルス波形に整形された基準ビート信号RB
Sおよび計測ビート信号MBSは、水晶振動子92から
出力される一定のクロンク周波数fcの基準パルス信号
KSと共にAND回路94に供給される。基準ビート信
号RBSはNOT回路96を経てAND回路94に供給
されるようになっており、AND回路94を通過した基
準パルス信号KSのパルス数CIがカウンタ98によっ
て計数される。このパルス数01は、基準ビート信号R
BSと計測ビート信号MBSとの1位相2π以下の位相
差に相当するもので、ラッチ器100に一時記憶された
後、制御装置28に取り込まれる。
Also, the reference beat signal RB shaped into the above pulse waveform
S and measurement beat signal MBS are supplied to an AND circuit 94 together with a reference pulse signal KS of a constant clock frequency fc output from a crystal oscillator 92. The reference beat signal RBS is supplied to an AND circuit 94 via a NOT circuit 96, and a counter 98 counts the number of pulses CI of the reference pulse signal KS that has passed through the AND circuit 94. This pulse number 01 is the reference beat signal R
This corresponds to a phase difference of one phase 2π or less between BS and the measurement beat signal MBS, and is temporarily stored in the latch device 100 and then taken into the control device 28.

制御装置28はマイクロコンピュータを含んで構成され
ており、RAMの一時記憶機能を利用しつつROMに予
め記憶されたプログラムに従って信号処理を行うもので
、前記焦点ずれ信号SAおよび偏差E、パルス数01の
他に、第2図に示されているように切換えスイッチ10
2から切換え信号SSが供給されるようになっている。
The control device 28 is configured to include a microcomputer, and performs signal processing according to a program stored in advance in the ROM while utilizing the temporary storage function of the RAM. In addition, as shown in FIG.
A switching signal SS is supplied from 2.

この切換えスイッチ102は、要求される測定分解能に
応じて測定者により切換え操作されるもので、複数の分
解能から所望する一つが選択されるようになっている。
This changeover switch 102 is operated by the measurer according to the required measurement resolution, and a desired one is selected from a plurality of resolutions.

また、かかる制御装置28は、第5図に示されているよ
うに機能的に3つのブロックを備えている。周波数制御
ブロック104は、前記切換え信号SSに応じて測定分
解能を変更するためのもので、前記音響光学変調器18
.24による周波数シフトの周波数f1とf2との差へ
f、換言すれば基準ビート信号RBSの基準ビート周波
数f。
Further, the control device 28 is functionally equipped with three blocks as shown in FIG. The frequency control block 104 is for changing the measurement resolution according to the switching signal SS, and is for changing the measurement resolution according to the switching signal SS.
.. 24 to the difference between frequencies f1 and f2, in other words, the reference beat frequency f of the reference beat signal RBS.

が、予め定められた複数の値の中から切換え信号SSが
表す分解能に対応する値となるように、周波数制御信号
SFIおよびSF2を互いに関連付けて制御する。具体
的には、高分解能測定が選択された場合には周波数差Δ
fが小さくなり、低分解箭測定が選択された場合には周
波数差Δfが大きくなるように、周波数制御信号SFI
およびSF2を出力するのである。この周波数制御ブロ
ック104は、前記周波数制御回路30と共に周波数制
御手段を構成している。
The frequency control signals SFI and SF2 are controlled in relation to each other so that the frequency control signals SFI and SF2 are set to a value corresponding to the resolution represented by the switching signal SS from among a plurality of predetermined values. Specifically, if high-resolution measurement is selected, the frequency difference Δ
The frequency control signal SFI is set so that f becomes small and the frequency difference Δf becomes large when low resolution measurement is selected.
and SF2 are output. This frequency control block 104 constitutes frequency control means together with the frequency control circuit 30.

測定ブロック106は、前記偏差Eおよびパルス数C1
に基づいて表面70の凹凸寸法を算出する。すなわち、
表面70の凹凸寸法をΔZとすると、前記トンプラーシ
フトf、はドツプラーの公式から次式(])で表される
一方、ドツプラーシフトf0は(rM  rs)で表さ
れるところがら、上記偏差已に基づいて変位量Z1が次
式(2)に従って算出される。かかる(2)式は計測ビ
ート信号MBSのビート周波数f、の変化、すなわちト
ンプラーシフ)foに基づいて変位量Z1を算出するも
のであるが、このビート周波数f、4の変化は単位時間
当りにおける1位相2πをオーダーとする計測ビート信
号MBSの位相変化に対応するもので、変位量Z、はλ
/2のオーダーで求められる。また、λ/2よりも小さ
い部分の変位量Z2については、光ヘテロダイン干渉の
計算式より上記パルス数01に基づいて次式(3)に従
って算出される。
The measurement block 106 measures the deviation E and the number of pulses C1.
The unevenness dimension of the surface 70 is calculated based on the following. That is,
If the unevenness dimension of the surface 70 is ΔZ, the Toppler shift f is expressed by the following formula (]) from Doppler's formula, while the Doppler shift f0 is expressed as (rM rs). Based on this, the displacement amount Z1 is calculated according to the following equation (2). Equation (2) calculates the displacement Z1 based on the change in the beat frequency f of the measured beat signal MBS, that is, the Tonpraschiff fo, and the change in the beat frequency f, 4 is 1 per unit time. It corresponds to the phase change of the measurement beat signal MBS whose phase is on the order of 2π, and the displacement Z is λ
It is found on the order of /2. Further, the displacement amount Z2 of the portion smaller than λ/2 is calculated according to the following equation (3) based on the above pulse number 01 from the optical heterodyne interference calculation equation.

なお、(1)式のV2は移動台74の移動に伴う表面7
0の凹凸の上下方向、すなわち計測ビームトイの光軸方
向における変位速度で、(1)〜(3)式のλはそれぞ
れ計測ビームL、の波長である。
Note that V2 in equation (1) is the surface 7 due to the movement of the moving table 74.
0 is the displacement speed in the vertical direction of the unevenness, that is, in the optical axis direction of the measurement beam toy, and λ in equations (1) to (3) is the wavelength of the measurement beam L, respectively.

λ −E ・ ・ ・(2) そして、上記変位1z−と22とを加算することにより
、移動台74の移動に伴う被測定Th68の表面70の
変位量ΔZが算出され、これが予め定められた一定時間
毎に繰り返されることにより表面70の凹凸形状が測定
されて、表示信号SDにより表示器108(第2図参照
)に表示される。
λ - E ・ ・ ・ (2) Then, by adding the above-mentioned displacement 1z- and 22, the displacement ΔZ of the surface 70 of the measured Th 68 due to the movement of the moving table 74 is calculated, and this is the predetermined amount. By repeating this at regular intervals, the uneven shape of the surface 70 is measured and displayed on the display 108 (see FIG. 2) using the display signal SD.

ここで、上記基準ビート周波数r、すなわち周波数シフ
トfIとf2との周波数差Δfは、前記周波数制御ブロ
ック104から出力される周波数制御信号SFIおよび
SF2に基づいて設定される。例えば、周波数制御信号
SFIに基づいて制御される音響光学変調器18による
周波数シフトr、を80MHz、周波数制御信号SF2
に基づいて制御される音響光学変調器24による周波数
シフトf2を80.1MHzとすると、上記周波数差Δ
f(”fl)は100kHzとなり、(3)式のf、と
して100kHzが設定されるのである。
Here, the reference beat frequency r, that is, the frequency difference Δf between the frequency shifts fI and f2 is set based on the frequency control signals SFI and SF2 output from the frequency control block 104. For example, if the frequency shift r by the acousto-optic modulator 18 controlled based on the frequency control signal SFI is set to 80 MHz, the frequency control signal SF2
If the frequency shift f2 by the acousto-optic modulator 24 controlled based on is 80.1 MHz, the frequency difference Δ
f("fl) is 100 kHz, and 100 kHz is set as f in equation (3).

また、前記クロック周波数feすなわち位相変化を測定
する際の測定周波数を100MHz、波長λを632.
8 n mとすると、表面70の変位量ΔZの測定分解
能は前記(3)式から0.3164nmとなり、応答速
度Cは次式(4)から31.64mm/秒となる。
Further, the clock frequency fe, that is, the measurement frequency when measuring the phase change is 100 MHz, and the wavelength λ is 632.
8 nm, the measurement resolution of the displacement ΔZ of the surface 70 is 0.3164 nm from the above equation (3), and the response speed C is 31.64 mm/sec from the following equation (4).

一方、前記切換えスイッチ102により低分解能測定が
選択され、例えば周波数制御信号SF1に基づいて制御
される音響光学変調器18による周波数シフトf、は8
0MHzのままで、周波数制御信号SF2に基づいて制
御される音響光学変調器24による周波数シフトf2が
80.5MHzに変更されると、周波数差Δt (=r
* )は50OkHzとなる。したがって、クロック周
波数f。
On the other hand, when low resolution measurement is selected by the changeover switch 102, the frequency shift f by the acousto-optic modulator 18 controlled based on the frequency control signal SF1 is 8
When the frequency shift f2 by the acousto-optic modulator 24 controlled based on the frequency control signal SF2 is changed to 80.5 MHz while keeping the frequency as 0 MHz, the frequency difference Δt (=r
*) is 50OkHz. Therefore, the clock frequency f.

および波長λか上記と同様にそれぞれ100MHz63
2、8 n mとすると、表面70の変位量Δ2の測定
分解能は1.582nmとなり、応答速度Cは158.
2mm/秒となる。すなわち、低分解能測定の場合には
測定分解能は低下するものの、応答速度Cは速くなるの
で、表面70の凹凸がゑ、峻な場合や駆動装置72によ
り移動台74を高速移動させた場合でも良好に測定を行
うことができるようになる。
and wavelength λ or 100MHz63 respectively as above
2.8 nm, the measurement resolution of the displacement Δ2 of the surface 70 is 1.582 nm, and the response speed C is 158.
2 mm/sec. That is, in the case of low-resolution measurement, although the measurement resolution decreases, the response speed C increases, so it is suitable even when the surface 70 has steep irregularities or when the movable table 74 is moved at high speed by the drive device 72. be able to take measurements.

なお、上記(3)式の基準ビート周波数fiは、周波数
制御信号SFI、SF2の替わりに切換え信号SSに基
づいて設定されるようにしたり、基準ビート信号RBS
を取り込んで求めるようにしたりU7ても差支えない。
Note that the reference beat frequency fi in equation (3) above may be set based on the switching signal SS instead of the frequency control signals SFI and SF2, or may be set based on the reference beat signal RBS.
There is no problem with incorporating and calculating U7.

第5図に戻って、焦点位置制御ブロック110は、焦点
ずれ信号SAが零となるように焦点位置制御信号DDを
出力して、Z軸上−タ76をフィードバック制御するも
ので、これにより、対物レンズ66の焦点位置と被測定
物68の表面70とが常に一致させられ、計測ビームL
、は表面70の凹凸に拘らずその表面70上の1点に照
射されることとなる。
Returning to FIG. 5, the focus position control block 110 outputs the focus position control signal DD so that the focus shift signal SA becomes zero, and performs feedback control on the Z-axis sensor 76. The focal position of the objective lens 66 and the surface 70 of the object to be measured 68 are always aligned, and the measurement beam L
, will be irradiated to one point on the surface 70 regardless of the unevenness of the surface 70.

このように、本実施例の微細形状測定装置においては、
切換えスイッチ102が切り換えられることにより音響
光学変調器18.24による周波数シフトの周波数差Δ
fが変更され、これに伴って測定分解能や応答速度Cが
変更されるため、被測定物68の表面70の凹凸形状や
測定の目的等に応じて、所望する測定分解能や応答速度
Cを選択することができるのである。
In this way, in the fine shape measuring device of this example,
By switching the changeover switch 102, the frequency difference Δ of the frequency shift by the acousto-optic modulator 18.24 is changed.
Since f is changed and the measurement resolution and response speed C are changed accordingly, the desired measurement resolution and response speed C are selected according to the uneven shape of the surface 70 of the object to be measured 68, the purpose of measurement, etc. It is possible.

また、本実施例では対物レンズ66の焦点位置が常に表
面70と一致するように制御されるため、表面70の凹
凸に拘らず計測ビームLMの焦点ずれが回避され、球面
波の状態で表面70に照射されることに起因する測定誤
差が防止される利点がある。
Furthermore, in this embodiment, since the focal position of the objective lens 66 is controlled to always coincide with the surface 70, the measurement beam LM is prevented from defocusing regardless of the unevenness of the surface 70, and the surface 70 is in the state of a spherical wave. This has the advantage of preventing measurement errors caused by irradiation.

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実
施例において前記第1実施例と実質的に共通する部品に
は同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following embodiments, parts that are substantially the same as those in the first embodiment are given the same reference numerals and detailed explanations will be omitted.

第6回の微細形状測定装置において、レーザ光源10は
偏波面が紙面と平行なP偏光のレーザ光りを出射するよ
うに配設されており、そのレーザ光りは無偏光ビームス
プリッタ112により計測ビームトイと参照ビームL、
とに分割される。計測ビームL、は、無偏光ビームスプ
リッタ114により更に2分割され、その無偏光ビーム
スプリッタ114で反射されたものは無偏光ビームスプ
リッタ116および前記集光レンズ46を経て参照用光
センサ48に入射させられる。また、無偏光ビームスプ
リンタ114を透過した計測ビームL、は、偏光ビーム
スプリッタ118を透過して前記無偏光ビームスプリッ
タ62等を経て表面70に照射されるとともに、その表
面70で反射された計測ビームLMは、無偏光ビームス
プリンタ62により分割されて一部が前記4分割光セン
サ84に入射させられ、残りは偏光ビームスプリッタ1
18および120で反射されて計測用光センサ60に入
射させられる。
In the 6th minute shape measuring device, the laser light source 10 is arranged to emit P-polarized laser light whose polarization plane is parallel to the plane of the paper, and the laser light is sent to the measurement beam toy by the non-polarizing beam splitter 112. reference beam L,
It is divided into The measurement beam L is further split into two by a non-polarizing beam splitter 114, and the beam reflected by the non-polarizing beam splitter 114 is incident on the reference optical sensor 48 via the non-polarizing beam splitter 116 and the condensing lens 46. It will be done. Furthermore, the measurement beam L that has passed through the non-polarizing beam splitter 114 is transmitted through the polarizing beam splitter 118, passes through the non-polarizing beam splitter 62, etc., and is irradiated onto the surface 70, and the measurement beam L is reflected from the surface 70. The LM is split by the non-polarizing beam splitter 62 and a part is made incident on the 4-split optical sensor 84, and the rest is sent to the polarizing beam splitter 1.
It is reflected by 18 and 120 and is made incident on the measuring optical sensor 60.

一方、参照ビームLRは、音響光学変調器18および2
4により十[、および−f2の周波数シフトを受けた後
、無偏光ビームスプリッタ122により2分割され、一
部は無偏光ビームスプリッタ116により前記計測ビー
ムLMと合波させられて参照用光センサ48に入射させ
られる。また、残りはミラー124で反射された後、偏
光ビームスプリッタ120により前記表面70で反射さ
れた計測ビームL、と重ね合わされ、偏光板56により
その計測ビームLM と干渉させられて計測用光センサ
60に入射させられる。
On the other hand, the reference beam LR is connected to the acousto-optic modulators 18 and 2.
After receiving a frequency shift of 10[, and -f2 by 4, it is split into two by a non-polarizing beam splitter 122, and a part is combined with the measurement beam LM by a non-polarizing beam splitter 116 to be sent to a reference optical sensor 48. is made incident on. The remaining portion is reflected by the mirror 124, and then superimposed by the polarizing beam splitter 120 on the measurement beam L reflected by the surface 70, and is caused to interfere with the measurement beam LM by the polarizing plate 56, and is sent to the measurement optical sensor 60. is made incident on.

このような測定装置においても、周波数制御回路30に
より参照ビームL、の周波数シフ)f−f2の値が変更
されることにより、計測ビームLxの周波数f。と参照
ビームL3の周波数f0+fl−f2との周波数差Δf
 (=f、=f。
Also in such a measuring device, the frequency f of the measurement beam Lx is changed by changing the value of the frequency shift (f−f2) of the reference beam L by the frequency control circuit 30. and the frequency f0+fl−f2 of the reference beam L3, the frequency difference Δf
(=f,=f.

f2)が変更され、前記実施例と同様な作用効果が得ら
れる。
f2) is changed, and the same effects as in the previous embodiment can be obtained.

また、第7図の実施例は、計測ビームL1.lの光軸方
向であるZ軸方向へ移動させられるZ軸移動テーブル1
26の変位量や移動速度を測定するだめの装置で、第1
実施例に比較して、偏光板64を透過した計測ビームL
HはそのままZ軸移動テーブル126にZ軸に対して直
角に設けられたミラー128に照射されるようになって
いる。この場合にも、測定対象は異なるものの測定原理
は前記第1実施例と同じであり、同様な作用効果が得ら
れる。
Further, in the embodiment of FIG. 7, the measurement beam L1. Z-axis moving table 1 that is moved in the Z-axis direction, which is the optical axis direction of
This is a device that measures the amount of displacement and movement speed of 26.
Compared to the example, the measurement beam L transmitted through the polarizing plate 64
H is directly irradiated onto a mirror 128 provided on a Z-axis moving table 126 at right angles to the Z-axis. In this case as well, although the object to be measured is different, the measurement principle is the same as in the first embodiment, and the same effects can be obtained.

以上、本発明の幾つかの実施例を図面に基づいて詳細に
説明したが、本発明は更に他の態様で実施することもで
きる。
Although several embodiments of the present invention have been described above in detail based on the drawings, the present invention can also be implemented in other embodiments.

例えば、前記実施例では対物レンズ66をZ軸方向へ移
動させて焦点合わせを行うようになっているが、移動台
74をZ軸方向へ移動させて焦点合わ廿を行うようにす
ることもできる。また、非点収差法以外の方法で焦点ず
れを検知するようにし7ても差支えない。但し、本発明
を実施する上においてこのような焦点合わせは必ずしも
必要なことではない。
For example, in the embodiment described above, focusing is performed by moving the objective lens 66 in the Z-axis direction, but it is also possible to perform focusing by moving the moving stage 74 in the Z-axis direction. . Further, defocus may be detected by a method other than the astigmatism method. However, such focusing is not necessarily necessary in carrying out the present invention.

また、前記実施例では計測ビート信号MBSの位相変化
量から表面70の変位量ΔZを演算するようになってい
るが、その位相変化量が零となるように移動台74をZ
軸方向へ移動させて、その移動量を表面70の凹凸寸法
として求めるようにしても良い。
Further, in the embodiment described above, the displacement amount ΔZ of the surface 70 is calculated from the phase change amount of the measurement beat signal MBS, but the moving table 74 is moved to Z so that the phase change amount becomes zero.
It may be moved in the axial direction and the amount of movement may be determined as the unevenness dimension of the surface 70.

また、前記実施例では基準ビート信号RBSが参照用光
センサ48から出力されるようになっているが、周波数
シンセサイザ32.34の出力信号等から基準ビート信
号RBSを生成することもできる。
Further, in the embodiment described above, the reference beat signal RBS is output from the reference optical sensor 48, but the reference beat signal RBS can also be generated from the output signals of the frequency synthesizers 32, 34, etc.

また、前記実施例では周波数制御回路30により音響光
学変調器18.24の周波数シフトが共に変更され得る
ようになっているが、一対の音響光学変調器18.24
の何れか一方の周波数シフトが変更され得るようになっ
ておれば良い。
Further, in the above embodiment, the frequency shifts of the acousto-optic modulators 18.24 can be changed together by the frequency control circuit 30, but the pair of acousto-optic modulators 18.24
It is only necessary that the frequency shift of either one of them can be changed.

また、前記実施例では光周波数シフタとして一対の音響
光学変調器18.24が用いられているが、周波数変換
機能を有する他の光学素子等を採用することもできる。
Further, in the embodiment described above, a pair of acousto-optic modulators 18 and 24 are used as optical frequency shifters, but other optical elements having a frequency conversion function may also be employed.

また、前記実施例では計測ビームL+4のみが表面70
に照射されるようになっているが、参照ビームLRを表
面70の比較的広い範囲、すなわち表面70の微小な凹
凸形状によるドツプラーシフトの影響を受けない程度の
範囲に照射するようにして、凹凸形状によるドツプラー
シフトの影響を受ケる計測ビームL7との光ヘテロダイ
ン干渉により表面70の凹凸形状を測定するように構成
することもできる。
Further, in the above embodiment, only the measurement beam L+4 is connected to the surface 70.
However, the reference beam LR is irradiated to a relatively wide range of the surface 70, that is, a range that is not affected by Doppler shift due to the minute unevenness of the surface 70, It can also be configured to measure the uneven shape of the surface 70 by optical heterodyne interference with the measurement beam L7, which is affected by Doppler shift due to the uneven shape.

その他−々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基
づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが
できる。
Although other examples are not provided, the present invention can be implemented with various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例である光ヘテロダイン干渉に
よる微細形状測定装置の光学的構成を説明する図である
。第2閃は第1図の装置に備えられている測定制御回路
を示すブロック図である。 第3圀は第1図の装置の周波数制御回路を説明するブロ
ック図である。第4図は第2図の測定回路を説明するブ
ロック図である。第5図は第2図の制御装置の機能ブロ
ック図である。第6図は本発明の他の実施例の光学的構
成を説明する図である。 第7図は本発明の更に別の実施例の光学的構成を説明す
る図である。 18゜ 24:音響光学変調器(光周波数シフタ)60:計測用
光センサ 70:表面 Lo :計測ビーム(計測光) LR:参照ビーム(参照光) MBS:計測ビート信号 (測定対象)
FIG. 1 is a diagram illustrating the optical configuration of a fine shape measuring device using optical heterodyne interference, which is an embodiment of the present invention. The second figure is a block diagram showing a measurement control circuit included in the apparatus of FIG. 1. The third panel is a block diagram illustrating the frequency control circuit of the device shown in FIG. 1. FIG. 4 is a block diagram illustrating the measurement circuit of FIG. 2. FIG. 5 is a functional block diagram of the control device shown in FIG. 2. FIG. 6 is a diagram illustrating the optical configuration of another embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram illustrating the optical configuration of yet another embodiment of the present invention. 18° 24: Acousto-optic modulator (light frequency shifter) 60: Measurement optical sensor 70: Surface Lo: Measurement beam (measurement light) LR: Reference beam (reference light) MBS: Measurement beat signal (measurement target)

Claims (1)

【特許請求の範囲】 光周波数シフタにより計測光および参照光の周波数を互
いに相違させるとともに、該計測光を測定対象に照射し
た後該参照光と干渉させて光センサに入射させることに
より計測ビート信号を取り出し、該計測ビート信号の位
相変化に基づいて前記測定対象の物理量を測定する光ヘ
テロダイン干渉測定装置において、 前記計測光と参照光との周波数差を変化させるように前
記光周波数シフタを制御する周波数制御手段を設けたこ
とを特徴とする光ヘテロダイン干渉測定装置。
[Scope of Claims] A measurement beat signal is generated by making the frequencies of measurement light and reference light different from each other using an optical frequency shifter, and by irradiating the measurement light onto a measurement object, making it interfere with the reference light, and making it enter the optical sensor. In an optical heterodyne interference measurement device that extracts a signal and measures a physical quantity of the measurement target based on a phase change of the measurement beat signal, the optical frequency shifter is controlled to change the frequency difference between the measurement light and the reference light. An optical heterodyne interference measurement device characterized by being provided with frequency control means.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP6750767B1 (en) * 2019-04-03 2020-09-02 日本製鉄株式会社 Measuring device and measuring method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11635520B2 (en) 2019-01-23 2023-04-25 Nippon Steel Corporation Measuring device and measuring method
JP6750767B1 (en) * 2019-04-03 2020-09-02 日本製鉄株式会社 Measuring device and measuring method

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