JP2014173900A - Measuring device - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の波長を用いて被検面の位置を高精度に計測する上で有利な技術を提供する。
【解決手段】
被検面の位置を計測する計測装置は、第1波長基準素子を用いて設定された第1波長と、環境の変化に対する波長の依存性が前記第1波長基準素子より大きい第2波長基準素子を用いて設定された第2波長とを含む光を前記被検面および参照面に照射する照射部と、前記光が照射された前記被検面からの被検光と、前記光が照射された前記参照面からの参照光との位相差を検出する検出部と、前記第1波長と前記第2波長との合成波長を用いて前記被検面の位置を決定する制御部と、を含み、前記制御部は、前記第2波長の波長を、前記被検光と前記参照光との光路長差を変化させたときの当該変化の前後における、前記第1波長における位相差の変化量と前記第2波長における位相差の変化量と、前記第1波長における前記被検光の光路上の屈折率と、前記第2波長における前記光路上の屈折率と、に基づいて求める。
【選択図】図1A technique advantageous in measuring the position of a test surface with a plurality of wavelengths with high accuracy is provided.
[Solution]
The measuring device for measuring the position of the test surface includes a first wavelength set using the first wavelength reference element, and a second wavelength reference element having a wavelength dependency on an environmental change larger than the first wavelength reference element. An irradiation unit that irradiates the test surface and the reference surface with light including a second wavelength set using the test light; test light from the test surface irradiated with the light; and the light is irradiated A detection unit that detects a phase difference with reference light from the reference surface, and a control unit that determines a position of the test surface using a combined wavelength of the first wavelength and the second wavelength. The control unit is configured to change the wavelength of the second wavelength before and after the change when the optical path length difference between the test light and the reference light is changed. The amount of change in phase difference at the second wavelength and the optical path of the test light at the first wavelength The refractive index, the refractive index of the optical path in the second wavelength, determined on the basis of.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、被検面の位置を計測する計測装置に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus that measures the position of a surface to be measured.
被検面の位置を計測する計測装置として、複数の波長を合成した合成波長を使用した合成波長方式の光波干渉計測装置が知られている。光波干渉計測装置は、複数の波長を有する光を被検面および参照面に照射し、被検面で反射された反射光と参照面で反射された参照光との干渉信号を検出することで、被検面と参照面との距離を計測する。これにより、被検面の位置を決定することができる。このような計測装置において高精度に被検面の位置を計測するには、計測に用いられる各波長の精度を向上させることが重要となる。 As a measuring device for measuring the position of the surface to be measured, a combined wavelength type optical interference measuring device using a combined wavelength obtained by combining a plurality of wavelengths is known. The light wave interference measurement device irradiates the test surface and the reference surface with light having a plurality of wavelengths, and detects an interference signal between the reflected light reflected by the test surface and the reference light reflected by the reference surface. The distance between the test surface and the reference surface is measured. Thereby, the position of the test surface can be determined. In such a measuring apparatus, in order to measure the position of the test surface with high accuracy, it is important to improve the accuracy of each wavelength used for measurement.
特許文献1には、複数の波長を1つのファブリペローエタロンの異なる透過スペクトルに設定し、そのうち2つの波長のビート周波数を周波数カウンタで検出することによりエタロンのFSR(自由スペクトル領域)を保証する方法が開示されている。このようにエタロンのFSRを保証することで、当該FSRと透過スペクトル数とによって各波長の精度を向上させることができる。また、特許文献2には、既知の波長を有する基準光と未知の波長を有する被測定光とを用いたマイケルソン型干渉計において、当該未知の波長を決定する方法が開示されている。特許文献2では、基準光と被測定光との各々について、固定ミラーと移動ミラーとを用いて干渉信号を生成し、移動ミラーを一定速度で移動させている際における干渉信号の変化に基づいて当該未知の波長を決定することができる。
特許文献1に開示された方法では、ファブリペローエタロンの透過スペクトルに設定された2つの波長のビート周波数を周波数カウンタで検出している。周波数カウンタの計測レンジは、一般に数十GHz程度であるため、当該2つの波長における周波数間隔を、例えば、数百GHz程度にまで離したい場合などでは、ビート周波数を周波数カウンタで検出することが困難となりうる。また、ファブリペローエタロンは、それに用いられる媒質により、温度などの環境依存や波長分散を有するが、特許文献1に開示された方法では、それらを考慮していない。そのため、例えば、周囲の環境(温度)が変化すると、被検面の位置の計測結果に誤差が生じてしまいうる。
In the method disclosed in
特許文献2に開示された方法では、干渉信号の変化の計測をクロックパルスによる計時で行っているため、移動ミラー(被検面)の移動が一定速度であることが前提となる。したがって、例えば、被検面の移動が一定速度でない場合は、未知の波長を決定することが困難となりうる。
In the method disclosed in
そこで、本発明は、複数の波長を用いて被検面の位置を高精度に計測する上で有利な技術を提供することを例示的目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique that is advantageous in measuring the position of the test surface with high accuracy using a plurality of wavelengths.
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、被検面の位置を計測する計測装置であって、第1波長基準素子を用いて設定された第1波長と、環境の変化に対する波長の依存性が前記第1波長基準素子より大きい第2波長基準素子を用いて設定された第2波長とを含む光を前記被検面および参照面に照射する照射部と、前記光が照射された前記被検面からの被検光と、前記光が照射された前記参照面からの参照光との位相差を検出する検出部と、前記第1波長と前記第2波長との合成波長を用いて前記被検面の位置を決定する制御部と、を含み、前記制御部は、前記第2波長の波長を、前記被検光と前記参照光との光路長差を変化させたときの当該変化の前後における、前記第1波長における位相差の変化量と前記第2波長における位相差の変化量と、前記第1波長における前記被検光の光路上の屈折率と、前記第2波長における前記光路上の屈折率と、に基づいて求める、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a measurement apparatus according to one aspect of the present invention is a measurement apparatus that measures the position of a test surface, and includes a first wavelength set using a first wavelength reference element, and an environment. An irradiating unit that irradiates the test surface and the reference surface with light including a second wavelength that is set using a second wavelength reference element that has a wavelength dependency on the change of the second wavelength reference element that is greater than the first wavelength reference element; A detection unit that detects a phase difference between the test light from the test surface irradiated with light and the reference light from the reference surface irradiated with the light; the first wavelength and the second wavelength; A control unit that determines a position of the test surface using a synthetic wavelength of the first and second wavelengths, and the control unit changes the optical path length difference between the test light and the reference light by changing the wavelength of the second wavelength. The amount of change in phase difference at the first wavelength and the second wave before and after the change when And the amount of change in phase difference in the refractive index of the optical path of the test light at the first wavelength, and the refractive index of the optical path in the second wavelength, obtained based on, characterized in that.
本発明によれば、例えば、複数の波長を用いて被検面の位置を高精度に計測する上で有利な技術を提供することができる。 According to the present invention, for example, it is possible to provide a technique that is advantageous in measuring the position of a test surface with a plurality of wavelengths with high accuracy.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same reference number is attached | subjected about the same member thru | or element, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態の計測装置100の構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、第1実施形態の計測装置100の構成を示す図である。第1実施形態の計測装置100は、被検面7と参照面9との間の距離を計測することにより、被検面7の位置を計測する計測装置であり、照射部10と、検出部11と、環境計測部13と、制御部12とを含む。照射部10は、光源1および3と、第1波長基準素子としてのガスセル5と、第2波長基準素子としてのファブリペローエタロン2と、波長制御部4と、偏光ビームスプリッタ8とを含む。また、検出部11は、位相検出器11aと11bとを含み、参照面9で反射された参照光と被検面7で反射された被検光との位相差を検出する。
<First Embodiment>
The configuration of the
光源1から射出された光は、ビームスプリッタ81aに入射し、2つの光に分離(分岐)される。ビームスプリッタ81aで反射された光は、ビームスプリッタ81bにおいて2つの光に更に分離され、第1波長基準素子としてのガスセル5、および第2波長基準素子としてのファブリペローエタロン2にそれぞれ入射する。一方で、ビームスプリッタ81aを透過した光は、偏光ビームスプリッタ8に入射する。また、光源3から射出された光は、ミラー84aを介してビームスプリッタ81aに入射し、2つの光に分離(分岐)される。ビームスプリッタ81aを透過した光は、ビームスプリッタ81bを透過し、ミラー84bを介して、第2波長基準素子としてのファブリペローエタロン2に入射する。一方で、ビームスプリッタ81aで反射された光は、偏光ビームスプリッタ8に入射する。ここで、第1実施形態における光源1および3は、例えば、別素子の半導体レーザを用いているが、それに限られるものではなく、光通信に用いられる多波長光源と同様に、複数の半導体レーザを1つの素子として集積した構造としてもよい。この場合、例えば、コストおよび寸法の観点で有利となる。
The light emitted from the
ガスセル5には、光源1から射出された光が入射し、ガスセル5を透過した後の光量は、検出器83aによって検出される。第1実施形態では、光源1から射出された光の波長として、1.5μm近傍の波長を使用する。そのため、ガスセル5の封入ガスとしては、アセチレンが用いられる。封入ガスとしては、アセチレン以外にも、1.5μm近傍の波長帯において使用することができる一酸化炭素やシアン化水素などが用いられる。これらのガスはそれぞれ、波長の帯域や中心波長精度が異なるため、必要に応じて選択すればよい。また、ファブリペローエタロン2には、光源1から射出された光と、光源3から射出された光とが入射し、ファブリペローエタロン2を透過した後に、分光素子82aにより再び分離される。ファブリペローエタロン2を透過した後の光量は、光源1から射出された光においては検出器83b、光源3から射出された光においては検出器83cによってそれぞれ検出される。第1実施形態では、分光素子82aとして、ダイクロイックミラーが用いられる。分光素子82aとしては、ダイクロイックミラー以外にも、例えば、プリズムやバルク型の回折格子、アレイ導波路型の回折格子を使用することができ、必要な波長分解能とコストから選択すればよい。
The light emitted from the
ここで、ガスセル5およびファブリペローエタロン2を用いて、光源1から射出された光の波長と、光源3から射出された光の波長とを設定する方法について、図2を参照しながら説明する。図2は、ガスセル5およびファブリペローエタロン2を用いて、光源1および光源3から射出された光の波長を設定する方法を説明するための図である。図2(a)はガスセル5の透過スペクトルを、図2(b)はファブリペローエタロン2の透過スペクトルを、図2(c)は光源1および光源3から射出された光のスペクトルをそれぞれ示す。また、光源1および3から射出された光の波長の設定は、波長制御部4によって行われ、波長制御部4は、光源1と光源3とファブリペローエタロン2とを制御する。
Here, a method for setting the wavelength of the light emitted from the
波長制御部4は、検出器83aの信号を用いて、光源1から射出された光の波長をガスセル5の吸収線である基準波長λ1に安定化するように光源1の制御を行う。光源1から射出された光の波長の安定化は、例えば、検出器83aにより検出された光量が許容範囲内になるように、光源1から射出された光の波長を波長制御部4が調整することにより行われる。波長制御部4は同時に、検出器83bの信号を用いて、ファブリペローエタロン2の透過スペクトルのうちの1つが基準波長λ1と一致するように、ファブリペローエタロン2の光路長を制御する。ここで、ファブリペローエタロン2の内部媒質は真空であるとし、光路長はファブリペローエタロンの温度を変えることにより制御されるものとする。また、波長制御部4は、検出器83cの信号を用いて、光源3から射出された光の波長をファブリペローエタロン2の透過スペクトルのうちの1つに安定化するように光源3の制御を行う。光源3から射出された光の波長の安定化は、例えば、検出器83cにより検出された光量が許容範囲内になるように、光源3から射出された光の波長を波長制御部4が調整することにより行われる。ここで、光源3から射出された光は、波長λ2および波長λ3のいずれかに安定化することができ、かつ波長λ2と波長λ3との間を走査することができる。以下では、光源3から射出された光の波長(λ2およびλ3)を走査波長とよぶ。
The wavelength control unit 4 controls the
光源1から射出されてビームスプリッタ81aを透過した光と、光源3から射出されてビームスプリッタ81aで反射された光とは、上述したように、偏光ビームスプリッタ8に入射し、2つの光に分離(分岐)される。偏光ビームスプリッタ8で反射された光は、参照面9としてのコーナーキューブによって反射され、参照光として再び偏光ビームスプリッタ8に入射する。そして、参照光は、偏光ビームスプリッタ8で反射されて分光素子82bに入射する。一方で、偏光ビームスプリッタ8を透過した光は、被検面7(被検物)としてのコーナーキューブによって反射され、被検光として再び偏光ビームスプリッタ8に入射する。そして、被検光は、偏光ビームスプリッタ8を透過し、分光素子82bに入射する。分光素子82bに入射した参照光および被検光は、光源1から射出された光(波長λ1)と光源3から射出された光(波長λ2又は波長λ3)とに分離され、位相検出器11aと11bとで構成される検出部11に入射する。光源1から射出された光は位相検出器11aに入射し、光源1から射出された光における参照光と被検光との干渉信号の位相、即ち、参照光と被検光との位相差が検出される。光源3から射出された光は位相検出器11bに入射し、光源3から射出された光における参照光と被検光との干渉信号の位相、即ち、参照光と被検光との位相差が検出される。ここで、第1実施形態では、分光素子82aと同様に、分光素子82bとして、ダイクロイックミラーが用いられる。分光素子82bとしては、ダイクロイックミラー以外にも、例えば、プリズムやバルク型の回折格子、アレイ導波路型の回折格子を使用することができ、必要な波長分解能とコストから選択すればよい。
The light emitted from the
制御部12は、光源1から射出された光の波長(波長λ1)と、光源3から射出された光の波長(波長λ2又はλ3)と、位相検出器11aおよび11bによって検出された位相差とを用いて、参照面9と被検面7との距離を決定する。これにより、被検面7の位置を決定することができる。また、第1実施形態の計測装置100では、被検面7の近傍に、被検光の光路上における環境を計測する環境計測部13が配置されている。環境計測部13は、例えば、温度センサ、気圧センサおよび湿度センサを含み、被検光の光路上における環境の情報として、温度、気圧および湿度を計測することができる。制御部12は、環境計測部13によって計測された当該情報(温度、気圧および湿度)を用いて、既知の分散式(例えばエドレンの式)により、被検光の光路上における屈折率(大気屈折率)を求める。このように求められた屈折率は、後述する、計測波長の校正を行う際に用いられる。
The
このように構成された計測装置100において、光源1および3から射出された光の波長は、ガスセル5およびファブリペローエタロン2を用いて安定化(設定)される。ここで、ガスセルおよびファブリペローエタロンの特徴について説明する。ガスセルは、周囲環境の変化に対する透過スペクトルの依存性が低い、即ち、透過スペクトルが安定しているため、波長基準として使用することができるというメリットを有する。一方で、ガスセルは、ガス種に応じて透過スペクトルが決定されるため、所望の波長に変更することができない、狭いスペクトル間隔を単一ガスで作り出すことができないというデメリットを有する。また、ファブリペローエタロンは、ミラー間隔やエタロン媒質などの設計により、任意にスペクトル間隔を設定することができ、温度制御などによりスペクトル間隔を変更することができるというメリットを有する。一方で、ファブリペローエタロンは、周囲環境の変化に対する透過スペクトルの依存性が高い、即ち、透過スペクトルが不安定であり、波長基準として使用できないというデメリットを有する。第1実施形態の計測装置100では、このようなガスセルおよびファブリペローエタロンの特徴を利用して、光源1から射出された光の波長が、基準波長λ1としてガスセル5によって設定される。また、光源3から射出された光の波長が、走査波長(λ2又はλ3)として、基準波長λ1を基準にファブリペローエタロン2によって設定される。
In the measuring
しかしながら、上述したように、ファブリペローエタロン2は、周囲環境の変化に対する透過スペクトルの依存性が高い、即ち、温度変化によって透過スペクトルが容易に変化しうる。そのため、光源3から射出された光の波長(走査波長(λ2又はλ3))に誤差が生じてしまうことがある。このように走査波長に誤差が生じていると(波長が不確定な状態では)、基準波長と走査波長との合成波長に誤差が生じてしまい、被検面の位置を高精度に計測することが困難となってしまいうる。そこで、第1実施形態の計測装置100では、被検光の光路上における環境の情報によって算出された屈折率と、被検光と参照光との光路長差を変化させたときの当該変化の前後における被検光と参照光との位相差の変化量とに基づいて走査波長を計算する。そして、計測装置100は、基準波長と走査波長との合成波長を、計算した走査波長を用いて校正する。以下に、当該合成波長を校正する方法について、図3を参照しながら説明する。ここで、第1実施形態の計測装置100における合成波長Λ12の校正は、例えば装置出荷時や装置起動時など、被検面の位置を計測する前に行われることを想定している。しかしながら、それに限られるものではなく、当該校正は、例えば、被検面の位置を計測している途中で行われてもよい。本実施形態の計測装置が被検物の位置を計測する際には、上述の被検物の表面を被検面として基準波長と走査波長との合成波長を用いてその位置を決定する。被検物の表面の位置を計測することにより、被検物の表面の形状を求めることができる。
However, as described above, the Fabry-
図3は、基準波長と走査波長との合成波長を校正する方法を示すフローチャートである。走査波長の計算および合成波長の校正は、制御部12によって行われるものとする。S31では、制御部12は、第1波長λ1(基準波長)および第2波長λ2(走査波長)において、被検光と参照光との位相差をそれぞれ検出するように検出部11を制御する。上述したように、第1波長λ1における当該位相差は位相検出器11aにより検出され、第2波長λ2における当該位相差は位相検出器11bにより検出される。位相検出器11aおよび11bによって検出された位相差の情報は、制御部12に供給されて記憶される。S32では、制御部12は、被検光と参照光との光路長をΔLだけ変化させる。当該光路長の変化は、例えば、被検面7と偏光ビームスプリッタ8(照射部10)との距離を変化させることや、参照面9と偏光ビームスプリッタ8(照射部10)との距離を変化させることによって行われる。S33では、制御部12は、被検光と参照光の光路長をΔLだけ変化させた状態で、第1波長λ1および第2波長λ2において、被検光と参照光との位相差をそれぞれ検出するように検出部11を制御する。これにより、被検光と参照光との光路長をΔLだけ変化させる前と変化させた後とにおける、被検光と参照光との位相差の変化量を求めることができる。ここでは、第1波長λ1における当該位相差の変化量をΔΦ1、および第2波長λ2における当該位相差の変化量をΔΦ2とする。このように求められた変化量ΔΦ1および変化量ΔΦ2は制御部12に記憶される。
FIG. 3 is a flowchart showing a method for calibrating the combined wavelength of the reference wavelength and the scanning wavelength. The calculation of the scanning wavelength and the calibration of the combined wavelength are performed by the
S34では、制御部12は、被検光の光路上における環境を計測するように環境計測部13を制御し、環境計測部13により計測された当該環境の情報に基づいて第1波長λ1および第2波長λ2における大気屈折率を算出する。大気屈折率は、環境計測部13により計測された当該環境の情報(温度、気圧および湿度)を用いて、既知の分散式(例えばエドレンの式)によって算出される。エドレンの式は、波長、温度、気圧および湿度をパラメータとして大気屈折率を算出する式のことである。ここでは、第1波長λ1における大気屈折率を示す変数をn1、および第2波長λ2における大気屈折率を示す変数をn2とする。このように求められた大気屈折率n1およびn2は制御部12に記憶される。
In S34, the
S35では、制御部12は、S31〜S34においてそれぞれ取得したパラメータに基づいて第2波長λ2を計算する。被検光と参照光との光路長の変化量ΔLは、式(6)によって表される。そして、式(6)に基づいて、第2波長λ2が式(7)によって表される。ここで、第1波長λ1は、基準波長であり既知であるため、第2波長λ2を式(7)によって求めることができる。
In S35, the
S36では、制御部12は、式(7)によって計算された第2波長λ2を用いて、第1波長λ1と第2波長λ2との合成波長Λ12を求める。合成波長Λ12は、式(8)によって求めることができ、これにより、基準波長と走査波長との合成波長を校正することができる。
In S36, the
このように、第1実施形態の計測装置100は、走査波長に誤差が生じている場合であっても、図3に示すフローチャートに従って、走査波長(第2波長λ2)および合成波長Λ12を校正することにより、被検面の位置を高精度に決定することができる。ここで、図3に示すフローチャートでは、被検光の光路上における波長分散が目標値に対して小さい場合、即ち、n2/n1=1の場合において合成波長Λ12を校正する方法が示されている。しかし、実際には、被検光の光路上における波長分散が無視できない場合(n2/n1≠1)がある。そのため、以下に、被検光の光路上における波長分散の影響度を考慮して合成波長Λ12を校正する方法について、図4を参照しながら説明する。図4は、被検光の光路上における波長分散の影響度を考慮して合成波長Λ12を校正する方法を示すフローチャートである。
As described above, the measuring
S41では、制御部12は、第1波長λ1(基準波長)および第2波長λ2(走査波長)において、被検光と参照光との位相差をそれぞれ検出するように検出部11を制御する。S42では、制御部12は、被検光と参照光との光路長をΔLだけ変化させる。S43では、制御部12は、被検光と参照光の光路長をΔLだけ変化させた状態で、第1波長λ1および第2波長λ2において、被検光と参照光との位相差をそれぞれ検出するように検出部11を制御する。S44では、制御部12は、被検光の光路上における環境を計測するように環境計測部13を制御し、環境計測部13により計測された当該環境の情報に基づいて第1波長λ1および第2波長λ2における大気屈折率を算出する。ここで、S41〜S44は、図3に示すフローチャートにおけるS31〜S34と同様であるため、詳細な説明を省略する。
In S41, the
S45では、制御部12は、第1波長λ1における大気屈折率n1と第2波長λ2における大気屈折率n2との比(n2/n1)を求める。ここで、S45を最初に行う場合は、n2/n1=1としてもよい。S46では、制御部12は、S41〜S45においてそれぞれ取得したパラメータに基づいて、式(7)を用いて第2波長λ2を計算する。S46は、図3に示すフローチャートにおけるS35と同様であるため、詳細な説明を省略する。S47では、制御部12は、S46において計算した第2波長λ2が許容範囲内に収まっているか否かを判断する。第2波長λ2が許容範囲内に収まっていない場合はS44に戻り、S46において計算した第2波長λ2を用いて、既知の分散式(例えばエドレンの式)によって大気屈折率n2を計算する。このように、S44〜S47を繰り返すことにより、第2波長λ2の誤差を徐々に小さくしていくことができ、第2波長λ2を許容範囲内に収めることができる。ここで、許容範囲とは、第1波長λ1と第2波長λ2との合成波長Λ12の干渉次数における計算結果に影響を及ぼさなくなるような第2波長λ2の範囲をいう。合成波長Λ12の干渉次数は、合成波長Λ12によって被検面の位置を計算する際に用いられる。一方で、第2波長λ2が許容範囲内に収まっている場合はS48に進む。S48では、制御部12は、許容範囲内に収まった第2波長λ2を用いて、第1波長λ1と第2波長λ2との合成波長Λ12を式(8)によって求める。ここで、S48は、図3に示すフローチャートにおけるS36と同様であるため詳細な説明を省略する。
In S45, the
上述したように、第1実施形態の計測装置100は、被検光と参照光との光路長の変化に応じた、被検光と参照光との位相差の変化量を取得し、当該変化量を用いることにより基準波長である第1波長λ1によって合成波長Λ12を計算することができる。これにより、第2波長λ2を、周囲環境の変化に対する透過スペクトルの依存性が高いファブリペローエタロン2によって設定したとしても、合成波長Λ12を精度よく求めることができる。即ち、合成波長Λ12の誤差を低減することができ、被検面の位置を高精度に計測することができる。ここで、第1実施形態の計測装置100は、被検光と参照光との光路長を変化させる前と、変化させた後とにおいて位相差を検出すればよい。そのため、例えば、基板ステージの制御に使用される干渉計のように、被検面の移動が一定速度でない場合であっても、検出される位相差に影響することない。即ち、被検光と参照光との光路長が一定の割合で変化しない場合であっても、合成波長Λ12を精度よく求めることができ、被検面の位置を高精度に計測することができる。また、第1実施形態では、第1波長基準素子としてガスセルを用いたが、それに限られるものではなく、例えば、透過スペクトルが安定である媒質を有するファブリペローエタロンを用いてもよい。
As described above, the
次に、第2波長λ2と第3波長λ3との合成波長Λ23を求める方法について説明する。第3波長λ3は、第2波長λ2と同様に、光源3から射出された光の波長であって、ファブリペローエタロン2において、第2波長λ2と異なる透過スペクトルにロックされている。そのため、第2波長λ2と第3波長λ3との合成波長Λ23は、第1波長λ1と第2波長λ2との干渉次数差、第2波長λ2と第3波長λ3との干渉次数差、および第1波長λ1と第2波長λ2との合成波長Λ12を用いて決定することができる。合成波長Λ23は、第1波長λ1と第2波長λ2とにおけるエタロンの干渉次数差をN12、第2波長λ2と第3波長λ3とにおけるエタロンの干渉次数差をN23としたとき、式(9)によって表すことができる。ここで、式(9)で表される合成波長Λ23は、ファブリペローエタロン2の媒質における波長分散が十分小さく、FSRが波長によらず一定であることを前提としている。即ち、ファブリペローエタロン2の媒質における波長分散が小さいときは、例えば、図5の線51で示すように、FSRがエタロンの干渉次数に対して一定となり、そのときに、合成波長Λ23を式(9)によって表すことができる。
Next, a method for obtaining the combined wavelength Λ 23 of the second wavelength λ 2 and the third wavelength λ 3 will be described. Similarly to the second wavelength λ 2 , the third wavelength λ 3 is the wavelength of light emitted from the
一方で、ファブリペローエタロンの媒質における波長分散が大きく、無視できない場合がある。この場合、FSRがエタロンの干渉次数に対して一定とならない。この場合では、干渉次数に対するFSRを図5の線52で示すように近似し、近似したときの傾き(波長分散係数)をαとして、式(9)に波長分散を補正する項を付け加える。これにより、第2波長λ2と第3波長λ3との合成波長Λ23を式(10)によって表すことができる。ここで、cは光速、FSR12は第2波長λ2から第1波長λ1までにおけるFSRの平均値であり、FSR12は式(11)によって表される。
On the other hand, there are cases where the wavelength dispersion in a Fabry-Perot etalon medium is large and cannot be ignored. In this case, the FSR is not constant with respect to the etalon interference order. In this case, the FSR with respect to the interference order is approximated as indicated by the
また、傾きα(波長分散係数α)は下記手順に従って求めることができる。まず、式(12)によりファブリペローエタロン2の共振器長dを求める。ここで、N1は第1波長λ1におけるエタロンの干渉次数であり、既知の値である。nm1は第1波長λ1におけるファブリペローエタロン2の媒質の屈折率であり、既知の分散式により求めることができる。例えば、屈折率nm1は、エタロンの媒質が空気の場合はエドレンの式、エタロンの媒質がガラスの場合はセルマイヤーの分散式により求めることができる。
Further, the inclination α (wavelength dispersion coefficient α) can be obtained according to the following procedure. First, the resonator length d of the Fabry-
これにより、第1波長λ1におけるFSRであるFSR1、および第2波長λ2におけるFSRであるFSR2は、式(13)によってそれぞれ求めることができ、傾きαは式(14)によって求めることができる。ここで、nm2は第2波長λ2におけるファブリペローエタロン2の媒質の屈折率であり、第1波長λ1における屈折率nm1と同様に、既知の分散式によって求めることができる。
As a result, FSR 1 that is FSR at the first wavelength λ 1 and FSR 2 that is FSR at the second wavelength λ 2 can be obtained by the equation (13), respectively, and the inclination α can be obtained by the equation (14). Can do. Here, n m @ 2 is the refractive index of the medium Fabry-
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態の計測装置について説明する。第1実施形態の計測装置100では、合成波長Λ12を、例えば装置出荷時や装置起動時などに校正する方法について説明したが、それに限られるものではなく、被検面の位置を計測している際にリアルタイムでそれらを校正してもよい。そのため、第2実施形態では、合成波長Λ12を、被検面7を照射部10に対して相対的に変化させている際(被検面7の位置を計測している際)にリアルタイムで校正する方法について、図6および図7を参照しながら説明する。ここで、第2実施形態の計測装置における装置構成は、第1実施形態の計測装置100と同様であるため、ここでは説明を省略する。
Second Embodiment
A measurement apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. In the
図6は、被検面7の位置を計測している際にリアルタイムで合成波長を校正する方法を示すフローチャートである。また、図7は、被検面7を移動させた際において検出部11により検出された、第1波長λ1における位相差Φ1の変化を、時刻に対するグラフとして示した図である。S61では、制御部12は、参照面9と被検面7との位相差を検出するように検出部11を制御する。S62では、制御部12は、時刻tnから時刻tn+Δまでにおける位相差の情報を蓄積する。ここで、Δは蓄積時間のことであり、任意に設定することができる。例えば、第1波長λ1においては、時刻tnから時刻tn+Δまでの位相差Φ1の情報が制御部12に蓄積され、図7に示すように、時刻tnから時刻tn+Δまでに、位相差がΦ1(tn)からΦ1(tn+Δ)まで変化している。また、第2波長λ2においても、第1波長λ1と同様に、時刻tnから時刻tn+Δまでにおける位相差の情報が制御部12に蓄積される。S63では、制御部12は、S62において蓄積された位相差の情報から、式(15)に示す条件を満たすように時間sを決定し、時刻tnにおける位相差Φ(tn)と、時刻tn+sにおける位相差Φ(tn+s)を抽出する。ここで、Aは位相差の変化量における閾値のことであり、任意に設定することができる。例えば、第1波長λ1においては、図7に示すように、制御部に蓄積された位相差の情報から、時刻tnにおける位相差Φ1(tn)と、時刻tn+sにおける位相差Φ1(tn+s)が抽出される。また、第2波長λ2においても、第1波長λ1と同様に、時刻tnにおける位相差Φ2(tn)と、時刻tn+sにおける位相差Φ2(tn+s)が抽出される。
FIG. 6 is a flowchart showing a method for calibrating the synthetic wavelength in real time while measuring the position of the test surface 7. FIG. 7 is a graph showing the change of the phase difference Φ 1 at the first wavelength λ 1 detected by the
S64では、制御部12は、S63において抽出された位相差Φ(tn)と位相差Φ(tn+s)とに基づいて、図3に示すフローチャートに基づいて第2波長λ2を算出し、合成波長Λ12を校正する。S65では、制御部12は、被検面7の位置の計測が終了したか否かを判定する。被検面7の位置の計測が終了したと判定された場合は、制御部12は、合成波長Λ12を校正するフローを終了する。一方で、被検面7の位置の計測が終了していないと判定された場合は、制御部12は、S62に戻り、再び合成波長Λ12を校正する工程を行う。この際、nには1が足され、二回目のS62では、制御部12は、時刻tn+1から時刻tn+1+Δまでにおける位相差の情報を蓄積する。このように、制御部12において被検面7の位置を計測している際に各波長の位相差を蓄積していき、リアルタイムに第1波長λ1と第2波長λ2との合成波長Λ12を校正することで、高精度に被検面の位置を決定することができる。
In S64, the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
Claims (11)
第1波長基準素子を用いて設定された第1波長と、環境の変化に対する波長の依存性が前記第1波長基準素子より大きい第2波長基準素子を用いて設定された第2波長とを含む光を前記被検面および参照面に照射する照射部と、
前記光が照射された前記被検面からの被検光と、前記光が照射された前記参照面からの参照光との位相差を検出する検出部と、
前記第1波長と前記第2波長との合成波長を用いて前記被検面の位置を決定する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記第2波長の波長を、
前記被検光と前記参照光との光路長差を変化させたときの当該変化の前後における、前記第1波長における位相差の変化量と前記第2波長における位相差の変化量と、
前記第1波長における前記被検光の光路上の屈折率と、
前記第2波長における前記光路上の屈折率と、に基づいて求める、ことを特徴とする計測装置。 A measuring device for measuring the position of a surface to be tested,
A first wavelength set using the first wavelength reference element, and a second wavelength set using a second wavelength reference element whose wavelength dependency on environmental change is larger than the first wavelength reference element. An irradiation unit for irradiating the test surface and the reference surface with light;
A detector for detecting a phase difference between the test light from the test surface irradiated with the light and the reference light from the reference surface irradiated with the light;
A control unit that determines a position of the test surface using a combined wavelength of the first wavelength and the second wavelength;
Including
The control unit determines the wavelength of the second wavelength,
The amount of change in phase difference at the first wavelength and the amount of change in phase difference at the second wavelength before and after the change when the optical path length difference between the test light and the reference light is changed,
A refractive index on an optical path of the test light at the first wavelength;
A measurement apparatus characterized in that it is obtained based on a refractive index on the optical path at the second wavelength.
前記第1波長における前記被検光の光路上の屈折率を示す変数をn1、前記第2波長における当該光路上の屈折率を示す変数をn2、前記第1波長をλ1としたとき、前記第2波長を、式(1)で表される波長λ2により計算し、前記第1波長と前記第2波長との合成波長を決定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の計測装置。 The controller is configured to change the phase difference change ΔΦ 1 at the first wavelength and the second wavelength at the second wavelength before and after the change in the optical path length difference between the test light and the reference light. The change amount ΔΦ 2 of the phase difference is acquired by the detection unit,
When the variable indicating the refractive index on the optical path of the test light at the first wavelength is n 1 , the variable indicating the refractive index on the optical path at the second wavelength is n 2 , and the first wavelength is λ 1 , Calculating the second wavelength by the wavelength λ 2 represented by the formula (1), and determining a combined wavelength of the first wavelength and the second wavelength;
The measuring apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の計測装置。 Wherein, when the synthetic wavelength and the second wavelength and the first wavelength is lambda 12, to determine the synthetic wavelength lambda 12 according to equation (2),
The measuring apparatus according to claim 2.
前記制御部は、前記第1波長と前記第2波長とにおける前記第2波長基準素子の次数差をN12、前記第2波長と前記第3波長とにおける前記第2波長基準素子の次数差をN23、前記第2波長と前記第3波長との合成波長をΛ23としたとき、当該合成波長Λ23を式(3)に従って計算し、
前記合成波長Λ23を用いて前記被検面の位置を決定する、ことを特徴とする請求項2又は3に記載の計測装置。 The light irradiated to the test surface and the reference surface by the irradiation unit includes a third wavelength set by the second wavelength reference element,
The control unit determines an order difference of the second wavelength reference element between the first wavelength and the second wavelength as N 12 , and an order difference of the second wavelength reference element between the second wavelength and the third wavelength. N 23 , where the combined wavelength of the second wavelength and the third wavelength is Λ 23 , the combined wavelength Λ 23 is calculated according to equation (3),
4. The measuring apparatus according to claim 2, wherein the position of the test surface is determined using the synthetic wavelength [Lambda] 23 .
前記制御部は、前記第1波長と第2波長とにおける前記第2波長基準素子の次数差をN12、前記第2波長と前記第3波長とにおける前記第2波長基準素子の次数差をN23、前記第1波長と前記第2波長との合成波長をΛ12、前記第1波長と前記第2波長との間における複数のFSRの平均値をFSR12、前記第2波長基準素子における波長分散係数をα、前記第2波長と前記第3波長との合成波長をΛ23としたとき、当該合成波長Λ23を式(4)に従って計算し、
前記合成波長Λ23を用いて前記被検面の位置を決定する、ことを特徴とする請求項2又は3に記載の計測装置。 The light irradiated to the test surface and the reference surface by the irradiation unit includes a third wavelength set by the second wavelength reference element,
The control unit determines the order difference of the second wavelength reference element between the first wavelength and the second wavelength as N 12 , and sets the order difference between the second wavelength reference element as the second wavelength and the third wavelength as N 12 . 23 , a combined wavelength of the first wavelength and the second wavelength is Λ 12 , an average value of a plurality of FSRs between the first wavelength and the second wavelength is FSR 12 , and a wavelength in the second wavelength reference element the dispersion coefficient alpha, when the synthetic wavelength and the second wavelength and the third wavelength and lambda 23, calculates the synthetic wavelength lambda 23 according to equation (4),
4. The measuring apparatus according to claim 2, wherein the position of the test surface is determined using the synthetic wavelength [Lambda] 23 .
ことを特徴とする請求項5に記載の計測装置。 The chromatic dispersion coefficient α is obtained according to the equation (5) when the FSR at the first wavelength is FSR 1 and the FSR at the second wavelength is FSR 2 .
The measuring apparatus according to claim 5.
前記制御部は、前記環境計測部で計測された情報を用いて前記屈折率を取得する、ことを特徴とする請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載の計測装置。 It further includes an environment measurement unit that measures the environment on the optical path,
The measurement apparatus according to claim 1, wherein the control unit acquires the refractive index using information measured by the environment measurement unit.
前記制御部は、エドレンの式により前記屈折率を取得する、ことを特徴とする請求項9に記載の計測装置。 The information includes temperature, pressure and humidity on the optical path,
The measuring apparatus according to claim 9, wherein the control unit acquires the refractive index according to Edren's equation.
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|---|---|---|---|---|
| JP2021060312A (en) * | 2019-10-08 | 2021-04-15 | 株式会社ミツトヨ | Analyzer, method for analysis, interference measurement system, and program |
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