物体の光干渉測定装置および光干渉測定方法
【課題】さらに付加的な情報の取得が可能で、かつ堅牢な装置構造と高度な測定精度とを有する光干渉測定技術の提供。
【解決手段】光干渉測定装置は、光源１からの出発ビーム２を測定ビーム３と第１の参照ビーム４ａとに分割するビームスプリッタ５ａと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器８ａとを備える。重ね合わせ手段と第１の検出器８ａとは互いに連携する。物体７によって反射された測定ビームと第１の参照ビームとが第１の検出器の検出面で重ね合わされる。ビームスプリッタ５ａは、出発ビーム２を測定ビーム３と、第１の参照ビーム４ａと、少なくとも第２の参照ビーム４ｂとに分割する。重ね合わせ手段と互いに連係する第２の検出器８ｂが備えられ、物体７によって散乱させられた第１の受信ビーム４ｂ’としての測定ビームと第２の参照ビーム４ｂとが第２の検出器８ｂの検出面で重ね合わされる。
【解決手段】光干渉測定装置は、光源１からの出発ビーム２を測定ビーム３と第１の参照ビーム４ａとに分割するビームスプリッタ５ａと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器８ａとを備える。重ね合わせ手段と第１の検出器８ａとは互いに連携する。物体７によって反射された測定ビームと第１の参照ビームとが第１の検出器の検出面で重ね合わされる。ビームスプリッタ５ａは、出発ビーム２を測定ビーム３と、第１の参照ビーム４ａと、少なくとも第２の参照ビーム４ｂとに分割する。重ね合わせ手段と互いに連係する第２の検出器８ｂが備えられ、物体７によって散乱させられた第１の受信ビーム４ｂ’としての測定ビームと第２の参照ビーム４ｂとが第２の検出器８ｂの検出面で重ね合わされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出発ビームを発生させる光源と、出発ビームを測定ビームと第１の参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを含む物体の光干渉測定装置、及び、光源によって出発ビームを発生させるＡステップと、前記出発ビームをビームスプリッタによって測定ビームと第１の参照ビームとに分割するＢステップと、前記第１の参照ビームと、物体によって少なくとも部分的に反射された前記測定ビームとを第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わせるＣステップとを含む物体光干渉測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の光干渉測定装置およびそのための方法は種々の形態のものが知られている。そのうち、たとえば代表的な構造は、出発ビームを発生させる光源としてのレーザーと、出発ビームを測定ビームと参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを含むレーザードップラー振動計として周知である。
【０００３】
測定ビームは物体上の測定点に向けて照射され、少なくとも部分的に反射された測定ビームが検出器の検出面で参照ビームと重ね合わされる結果、干渉信号の評価によって、たとえば、測定ビームの光軸方向への測定点における物体表面の動きを推定することができる。
【０００４】
その他に、ヘテロダイン構造を有し、その結果、測定光の位相復調によって被測定表面の変位方向を推定可能な装置も周知である。
【０００５】
二次元または三次元の振動情報を得るために、３個のレーザードップラー振動計の測定ビームをそれらの測定ビームがそれぞれ互いに斜めに物体上のほぼ１個の測定点に当たるように構成することも周知である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来の単一ビーム・レーザードップラー振動計に比較してさらに付加的な情報の取得を可能にするとともに、堅牢な装置構造と高度な測定精度とを有する物体の光干渉測定装置と物体の光干渉測定方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
光干渉測定装置に関して前記課題を解決するため、本発明による光干渉測定装置は、出発ビームを発生させる光源と、出発ビームを測定ビームと第１の参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを備え、
前記重ね合わせ手段と第１の検出器とは互いに連携するように形成されて、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームと第１の参照ビームとが第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされ、
前記ビームスプリッタは、前記出発ビームを測定ビームと、第１の参照ビームと、少なくとも第２の参照ビームとに分割するように形成され、
前記重ね合わせ手段と互いに連係する少なくとも第２の検出器が備えられ、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた第１の受信ビームとしての前記測定ビームと前記第２の参照ビームとが前記第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。
光干渉測定方法に関して前記課題を解決するため、本発明による光干渉測定方法は、光源によって出発ビームを発生させるＡステップと、前記出発ビームをビームスプリッタによって測定ビームと第１の参照ビームとに分割するＢステップと、前記第１の参照ビームと、物体によって少なくとも部分的に反射された前記測定ビームとを第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わせるＣステップとを備え、
前記Ｂステップにおいて、前記出発ビームはさらに少なくとも第２の参照ビームに分割され、前記第２の参照ビームは、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた前記測定ビームと、第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。
なお、本発明による光干渉測定装置及び光干渉測定方法の好ましい実施形態は従属請求項及び以下の記述内容から明らかにされる。
【０００８】
物体の光干渉測定を行う本発明による装置は、基本構成要素として、出発ビームを発生させる光源と、出発ビームを測定ビームと第１の参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを備えている。この重ね合わせ手段と第１の検出器とは互いに連携するように形成され、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた前記測定ビームと前記第１の参照ビームとは前記第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。
【０００９】
したがって、このような基本構造の点では、本発明による装置は従来公知の光波干渉計と同じであり、特に、従来から知られている代表的なレーザードップラー振動計はこうした構造を有している。
【００１０】
本発明の重要な点は、本発明による装置において、前記ビームスプリッタは前記出発ビームを測定ビームと、第１の参照ビームと、少なくとも第２の参照ビームとに分割するように形成されていることである。さらに、本発明による装置は少なくとも第２の検出器を有しており、重ね合わせ手段と第２の検出器とは互いに連携するように形成され、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた測定ビームと第２の参照ビームとは第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。
【００１１】
したがって、本発明による装置は少なくとも２つの検出器を有しており、これらの検出器においてそれぞれビームは、光干渉測定評価を行うために、重ね合わされる。ただし、本発明による装置は、従来公知の装置とは異なり、一方では、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームに関して第１の検出器によって評価が行われると共に、他方では、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた測定ビームに関して記第２の検出器によって評価が行われる１つの測定ビームを有しているにすぎない。
【００１２】
したがって、本発明による装置は、従来から公知の装置はそれぞれの検出器のためにそれぞれ専用の測定ビームを有しているとの点で、公知の装置とは根本的に異なる構造を有している。
【００１３】
本発明は、特に、本願出願人の以下の知見を基礎としている。
複数のレーザードップラー振動計が組み合わされて、たとえば３個の振動計が使用される場合に、３本の測定ビームが物体に照射される従来公知の装置では、測定点中心回りに物体を回転させる際に測定誤差が生ずることを避けるために、最適には一連の測定ビームの焦点は正確に重なり合っている必要がある。
【００１４】
しかしながら、物体上で測定ビームが重ね合わされる場合、つまり、複数の振動計の測定点が正確に合致している場合、観察されるチャネルの測定光の散乱光だけでなく、他のチャネルの測定光も収集され検出器上で干渉させられるため、各々の個別センサーによって他の２つの振動計の測定光も受信されることになる（光学的クロストーク）。一般に、使用されたレーザーの周波数は、復調帯域幅とヘテロダイン周波数シフトとの和によって定義される周波数間隔内で重なるため、センサーの測定能力がゼロになってしまうような可能性も導く重大な外乱悪影響を受けてしまう。
【００１５】
測定点を空間的に僅かにずらして並列させることによりこの問題が回避されるなら、上記の外乱悪影響は低減されるが、完全に除去されるわけではない。
【００１６】
それぞれが測定ビームを有する複数の振動計を使用する従来公知の方法も、基本的に、他の振動計の測定ビームの測定光の入射に起因する検出器同士の光学的クロストークという問題を有している。
【００１７】
したがって、従来の技術においては、光学的クロストークを少なくとも低減させるために、使用される複数の振動計の測定点は物体上において空間的に並列していなければならないという必然性が存在する。ただし、これによって測定点直径に関する限界が所与であり、その結果、一般に測定点の直径は３５μｍを下回ることはできないことになる。しかしながら、望ましいのは、３５μｍ以下とくに１５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の直径の測定点に関して多次元振動情報を得ることである。
【００１８】
従来の技術による解決方法では、各々の振動計チャネルと同軸での測定が行われる。測定ビームが斜めに入射する場合、散乱光束の主要部分はビームの被反射成分の周囲にある。したがって、散乱光束の軸に対する検出角度は入射角の２倍である。小さな焦点直径には高い開口数（ＮＡ）が要されるため、各々の個別ビームの測定点の所望の大きさによって測定ビームのビーム拡がり角が制約される。この関係は、顕微鏡レンズ開口（射出瞳）が均等に照射される場合、以下の関係式
【数１】
ここで、ｄは焦点の直径［ｍ］、λは測定ビームの波長［ｍ］、ＮＡはレンズの開口数である。
【００１９】
ビーム拡がり角は重なり合うことはできないため、ここからビーム間の可能最小角度が生ずる。ユーザーの調査報告によれば、従来の技術による解決方法においては、垂直に入射する振動計ビームが設けられる場合、斜めに入射する振動計の入射角は必然的に過大になるため、斜めに入射する振動計ビームの感度は大半の表面にとってもはや十分ではないことが判明している。したがって、２個の振動計の場合、１個の振動計の場合の入射角が過大にならないように、相対的に小さい斜め角が実現されなければならない。
【００２０】
したがって、一般に、複数の振動計が使用される場合、測定ビームのうちのいずれかを試料表面に対して垂直に向けることは不可能である。しかしながら、このことは測定技術的には望ましいのである。なぜなら、その場合には、１つのチャネルがｚ方向運動を直接測定するからである（測定表面の設定姿勢に対して垂直をなす測定ヘッドの所期配向）。ただし、これは、上述した散乱光問題により、従来の技術から公知の装置においては実現不能であり、あるいは、光が過少であるために、斜め測定を行う検出器における信号評価に際して、過度に高い雑音レベルを導く結果となる。
【００２１】
一般に従来の技術から公知の構造においては、各々の測定ビームのためにそれぞれ専用のレンズユニットが使用されなければならないため、空間分解された測定画像を撮影するカメラ用のさらに別なレンズユニットを収容し得るスペースは存在していない。したがって、一般に、従来の技術から公知の装置においては、ユーザーに対して調整を目的として測定点を示すことができるようにすべく、カメラには複色性ビームスプリッタを用い、使用された振動計のうちのいずれかの振動計のレンズユニットを経て入射が行われなければならない。このレンズユニットは、上述した理由から、従来公知の装置においては物体の表面に対して斜めの入射角を有しているため、カメラの画像も歪んでおり、特に、（さまざまな空間ポジションに関して）均等な鮮明さを有していない。これにより、物体を変位させるｘ−ｙテーブルを使用して走査測定を実施することは特に困難である。
【００２２】
本発明による装置および下記の本発明による方法は上述した短所をすべて回避することができる。単に１本の測定ビームが装置から発して物体の被測定表面に向けて照射され、一方で、測定ビームの被反射成分が、他方で、測定ビームの少なくとも被散乱成分が、それぞれ１個の検出器で評価されるために、従来公知の装置におけるように複数の測定ビームが物体に向けて照射されなければならないということがなく、複数の次元で振動情報を求めることができる。
【００２３】
これにより、光学的クロストークによる上述した問題と、それに応じた信号評価時の難点、測定ビームを物体上にフォーカスさせるために使用されるレンズユニットに関するスペース問題ならびに、物体への測定ビームの可能入射角に関する制限が取り除かれる。
【００２４】
上述した作業効果をもたらす本発明による光干渉測定方法では、Ａステップにおいて、光源により出発ビームが発生させられ、Ｂステップにおいて、ビームスプリッタによる測定ビームと第１の参照ビームとへの出発ビームの分割が行われる。Ｃステップにおいては、第１の検出器の少なくとも１つの検出面で、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームと第１の参照ビームとの重ね合わせが行われる。本発明で重要な点は、Ｂステップにおいて、出発ビームはさらに少なくとも第２の参照ビームに分割され、この第２の参照ビームは、第１の検出器上で重ね合わされる被反射測定ビームとは異なる角度域で、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた測定ビームと、第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされるということである。別の検出面で第２の参照ビームと重ね合わされることになる、異なる角度域に散乱させられたこの光は、以下において受信光と称され、その光学的ビーム経路は受信ビーム経路と称される。
【００２５】
本発明による装置は、好ましくは、本発明による方法ないしその方法の好ましい実施形態を実行するために構成されている。本発明による方法は、好ましくは、本発明による装置ないしその装置の好ましい実施形態によって実行されるように構成されている。
【００２６】
好適な実施形態では、第１の検出器により、実質的に、物体によって反射された測定ビーム成分、つまり、測定ビームの光軸と同軸的に反射された光線ないし光線束が測定される。これに対して、第２の検出器により、測定ビームの被散乱成分（受信ビーム）、つまり、測定ビームの光軸に対して斜めの、いわゆる不平行成分ないしその光線束が測定される。
【００２７】
本発明はさらに、たとえば物体から斜めの角度で収集され、第２の検出器にフォーカスされる散乱光も、物体の表面が移動する際にドップラー周波数シフトが生じるとの本願出願人の知見も基礎としている。ただしこの場合、従来公知の装置に使用された検出器測定信号の評価法は、そのまま適用することはできない。他方、本発明による装置または本発明による方法の範囲ではこれまで利用されていないが、文献から公知の、方向依存ドップラー効果に関する式は、位相シフトおよび／または周波数シフトを以下の式１に準拠して正しく記述するために使用することができる。
【数２】
【００２８】
式における幾何学的パラメータの内容は図１に示す概略図から読み取ることができる。他のパラメータは以下のように定義される。νｘは被測定物体のｘ方向の速度［ｍ／ｓ］であり、νｚは被測定物体のｚ方向の速度［ｍ／ｓ］であり、φＤは位相の導関数［２πｒａｄ／ｓ］である。
【００２９】
観察される座標系において測定ビームが垂直に入射する場合、式１は以下の式２に単純化される。
【数３】
【００３０】
好ましくは、先述した理由から、測定ビームは被測定物体の被測定面にほぼ垂直に入射される。
【００３１】
上述ように、本発明による装置は、好ましくは、測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路において、物体と第１の検出器の間に配置された第１のレンズユニットを含んでいる。
【００３２】
これにより、測定ビームを物体上の測定点にフォーカスさせることができる。好ましくは、このレンズユニットは０．０５以上、好ましくは０．１以上、特に好ましくは０．２以上の開口数を有している。これにより、特に、好ましくは緑の波長が使用されれば、このレンズユニットの開口がガウスビームで照明される場合にも、５μｍを著しく下回る小さな測定焦点が式０に基づいて生ずるという利点がもたらされる。測定表面にはそれ以外のレーザービームは当たらないため、測定ビームの焦点直径はシステム全体の測定点サイズに等しい。１本のレーザービームしか物体に当たらないということから、極度に小さな測定点が達成され、光学的クロストークは発生しない。この重要な知見が本発明の技術思想の１つである。
【００３３】
さらに、上述した第１のレンズユニットは、同じく、受信ビームのビーム経路において、物体と第２の検出器の間に配置されているのが有利である。したがって、こうすることにより、一方で、反射された測定ビームを第１の検出器にフォーカスさせ、他方で、散乱させられた測定ビーム（受信ビーム）を第２の検出器にフォーカスさせるのに、１個のレンズユニットが必要とされるにすぎない。
【００３４】
さらに別の好ましい実施形態において、本装置は、受信ビームのビーム経路において、物体と第２の検出との間に配置された第２のレンズユニットを含んでいる。それゆえ、第２のレンズユニットにより、散乱させられた測定ビームの第２の検出器へのフォーカシングを的確に選択することができる。特に、第２のレンズユニットの開口数は０．１５以下、好ましくは０．１以下、より好ましくは０．０６以下であるのが有利である。開口数は、受信ビームの開口数によって測定点サイズが影響されることがないため、より小さく選択することが可能である。これによって、測定ビームのビーム拡がり角の半分と受信ビームのビーム拡がり角の半分との和に少なくとも達しなければならない検出角度をより小さく選択することができるという利点が得られる。これは、さらに、ｚ方向におけるオーバーラップ範囲の増大をもたらすが、このことは結果的には測定深度範囲の増大となる。
【００３５】
さらに別の好ましい実施形態において、本発明による装置は第１の検出器によりヘテロダイン測定が行われるように形成されており、そのため、測定ビームと第１の参照ビームの間の、好ましくは光学的周波数シフタたとえばブラッグセルによって達成可能な、周波数シフトを行う構成要素が備えられている。これにより、それ自体公知の方法で、物体の被測定表面の運動方向も得られる。特に、すべての参照ビームにつき、それぞれ、測定ビームと参照ビームの間に周波数シフタが設けられ、すべての参照ビームに関してヘテロダイン構成が与えられていることが好ましい。特に、単に測定ビームのみが周波数変調されるにすぎないために、測定ビームはすべての参照ビームに比較して周波数に関してシフトされており、これによって、すべての検出器に関して完全にヘテロダイン構造が存在することを特徴とする好ましい実施形態を採用することで、特にシンプルな構造が実現する。
【００３６】
さらに別の好適実施形態において、本装置は、測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路に関して、共焦点顕微鏡として構成されている。これにより、非焦点ビームは検出器上に集束されないという利点が得られる。典型的な共焦点系は、測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路に絞り孔を設けることによって実現可能である。好ましくは、共焦点系は、検出器に絞り孔を組み込むように構成することにより実現可能である。
【００３７】
さらに別の好適実施形態において、出発ビームを測定ビームと、第１の参照ビームと、第２の参照ビームと、さらに少なくとも第３の参照ビームとに分割するビームスプリッタが形成されている。さらに、本装置は少なくとも第３の検出器を含み、重ね合わせ手段と第３の検出器とは互いに連携するように形成され、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた測定ビームと第３の参照ビームとは第３の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。これにより、物体の表面の振動または変位の三次元測定が可能となる。
【００３８】
特に、本装置は、測定ビームと受信ビームとによって定義される第１の面が測定ビームと第３の参照ビームとによって形成される第２の面と４５°以上の挟角、好ましくは８５°以上の挟角をなすように形成されているのが有利である。これにより、運動情報を十分正確に三次元に分離することが可能となる。
【００３９】
測定ビームと少なくとも第１の受信ビームとがなす角度は４０°以下、好ましくは３０°以下であるのが好ましい。特に、すべての受信ビームにつき、それぞれ、測定ビームと受信ビームとがなす角度は４０°以下、好ましくは３０°以下であるのが有利である。これにより、受信ビームにおける高い信号雑音比および大きな測定深度範囲が保証される。
【００４０】
光源は、好ましくは、単一縦モードレーザーとして形成されている。これにより、モード間の光学的ミキシング効果による外乱は生じないという利点が得られる。特に、光源は、さらに、単一横モードレーザーとして形成されているのが有利であり、これによりさらに、測定レーザービームは最適にフォーカスされると共に、極小の測定点直径が得られるという利点が得られる。Ｍ２因子が１．５以下のレーザーは良好な集束の実現に十分であることが判明した。
【００４１】
本願出願人の研究によれば、特に、光源は可視波長域のレーザー、好ましくは、波長５３２ｎｍのＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザーとして形成されるのが好適であることが判明した。
【００４２】
小さな測定点を達成するには、すべての検出器が、物体上の直径３５μｍ以下、特に１５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の測定面の被反射測定ビームまたは被散乱測定ビームの光だけを評価するのが好都合である。特に、本装置の光学素子、ここでは、たとえば１以上のレンズユニットは、物体上の直径３５μｍ以下、特に１５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の測定域を検出器の測定面にフォーカスするよう形成されているのが好ましい。
【００４３】
本発明による方法は、好ましくは、第１および第２の検出器の測定信号はそれぞれ位相復調されるため、物体の表面の変位の多次元評価が実施可能であるように形成されている。
【００４４】
本発明による装置のさらに別の好適実施形態において、第１の検出器の測定信号は、物体の表面の変位の評価を実施するため、位相復調され、第２の検出器の測定信号は、散乱させられた測定ビームの強度の評価を実施するために、振幅復調される。したがって、これにより、シンプルな方法で、測定ビームの光軸方向の変位ならびに散乱光の強度のいずれもが、従来達成不能であった優れた精度で測定される。これにより、多数の新たな適用分野が得られる。
【００４５】
一方で、表面に対する測定ビームの相対運動により、表面変化（比喩的な意味における「変位」）が第１の検出器の測定信号の位相復調によって求められ、さらに、不良粒子によって散乱させられた光が第２の検出器の測定信号の振幅復調によって求められることにより、これにより、特に、実質的に平滑な表面の不整性または不良粒子の侵入を検出することができる。
【００４６】
このことから、本発明による方法の好適な実施形態の１つでは、さらに物体の表面トポグラフィーを決定するステップが付加されており、この表面トポグラフィー決定ステップには、測定ビームに対する前記物体の相対運動、実質的には測定ビームの光軸に対して垂直な方向への前記物体の相対運動を行なうサブステップと、第１の検出器による変位の測定ならびに第２の検出器による散乱光の測定とを行なうサブステップとが含まれている。
以下、図面を参照しながら、その他の特徴を含む好適な実施形態例を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】方向依存ドップラー効果を記述する式１の幾何学的パラメータを説明するための、本発明による光干渉測定装置の基本構成を概略的に示す模式図である。
【図２】本発明による光干渉測定装置の実施形態を概略的に示す構成図である。
【図３】図２に示す実施形態の光源および検出器の空間的配置を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明による装置の、１個のレンズユニットを有した構成、（ｂ）は複数のレンズユニットを有した構成、それらにおけるビーム経路概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１は、１つの実施形態に基づいて作成された、上述した式１を適用するための幾何学的配置を示す模式図である。ここでは、本発明の実施形態の一例を、図２に示す概略的な構成図を用いて説明する。
【００４９】
この実施形態において、光源１は波長５３２ｎｍのレーザーとして形成されている。レーザーによって発生された出発ビーム２は、ビームスプリッタによって、測定ビーム３と、第１の参照ビーム４ａと、第２の参照ビーム４ｂと、第３の参照ビーム４ｃとに分割される。
【００５０】
ビームスプリッタは、そのために、複数のビームスプリッタ５ａ、５ｂおよび５ｃを含んでいる。測定ビーム３は、第１のレンズユニット６ａを経て、被測定物体７上の測定点Ａにフォーカスされる。測定点Ａにおける物体７の表面によって反射された測定ビームは、再び、第１のレンズユニット６ａのビーム経路に入射し、光の重ね合わせ手段を経て第１の検出器８ａにフォーカスされる。ここで第１の検出器８ａは２個の光検出器８ａ’と８ａ’’とを含んでいる。光の重ね合わせ手段は、反射鏡Ｍと、偏光ビームスプリッタＰＢＳとを含んでいる。検出器は、２個の光検出器８ａ’および８ａ’’上でビームを重ね合わせるため、さらに別のビームスプリッタ８ａ’’’を備えている。したがって、第１の光検出器の構造は、それ自体公知のいわゆる「平衡検波器」システムの構造と同じである。
【００５１】
ここでは、測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路の絞り孔Ａ（測定点Ａでもある）によって共焦点系が実現されている。
さらに、測定ビーム３のビーム経路には、測定ビームとすべての参照ビームとに関するヘテロダイン構造を形成すべく、ブラッグセルとして形成された周波数シフタ９が配置されている。別の形態として、周波数シフタ９は１つまたは２つの参照ビームのビーム経路に配置されてもよい。
【００５２】
第１の測定ビームはそれ自体公知の方法で、望遠鏡Ｔとλ／４波長板ＱＷＰとを経て、物体７上の測定点Ａにフォーカスさせられ、同様に、再入射した、反射測定ビームはこれらの光学素子を経て第１の検出器８ａにフォーカスされる。
【００５３】
図２に示す装置構成では、さらに、第１の検出器８ａと同様、２個の光検出器８ｂ’と８ｂ’’ならびに、平衡検波器システムに代わるビームスプリッタ８ｂ’’’を有する第２の検出器８ｂを含んでいる。物体７上の測定点Ａで散乱させられた測定光成分は第１の受信ビーム４ｂ’として部分的に第２のレンズユニット６ｂによって収集され、第２の検出器８ｂにおいて、反射鏡Ｍ及びさらに別の望遠鏡Ｔとを経て入ってくる第２の参照ビーム４ｂと重ね合わされる。
【００５４】
同様に、物体７の点Ａで異なる空間角で散乱させられた測定光成分を第２の受信ビーム４ｃ’として収集し、反射鏡Ｍを経て、第３の検出器８ｃにフォーカスさせる第３のレンズユニット６ｃが設けられている。この経路では、第３の検出器８ｃは上記の第２の検出器８ｂと同様な構造であり、２個の光検出器８ｃ’と８ｃ’’ならびにビームスプリッタ８ｃ’’’を有している。ここでも同様に、レンズユニット６ｃによって収集された測定ビームの散乱光成分は、光検出器８ｃ’および８ｃ’’の測定面にて、第３の参照ビーム４ｃと重ね合わされる。
【００５５】
この装置は、測定ビーム３が測定点Ａでの物体７の面法線に対してほぼ垂直をなして当たるように配置されるように形成されている。
【００５６】
第１のレンズユニット６ａによって発生させられた測定点は５μｍ以下の直径を有している。そのため、第１のレンズユニットは約０．２の開口数を有している。他方、第２と第３のレンズユニット６ｂおよび６ｃの開口数は約０．１である。
【００５７】
３個の検出器８ａ、８ｂおよび８ｃは、光検出器の測定信号の振幅復調および／または位相復調を実施すべく、それ自体公知の方法で形成された（図中不図示の）評価装置と接続されている。
【００５８】
したがって、たとえば物体７の表面上の測定点Ａの動きを三次元にて測定することができ、しかも、この測定は、従来の技術に関連して既述した外乱効果を生ずることなく、直径５μｍの単一の測定点にて実施可能となる。
【００５９】
三次元振動情報を評価するため、好ましくは式１に準拠して、方向依存ドップラー効果が利用される。式１に由来する幾何学的パラメータの意味は、図１に示す概略的な図解から理解することができる。
【００６０】
レーザーとして形成された光源からの出発ビームは測定ビーム３と複数の参照ビームとに分割されるが、その際、光源は、測定ビーム３が物体７の面法線と角度β１をなして測定点Ａに当たるように配置されている。この面法線は、さらに、ｘｙ面と、この面に対して垂直をなすｚ軸とを規定している。第２の検出器８ｂは、面法線に対して角度β２をなすように配置されている。
【００６１】
上述したように、図２は本発明による装置の１つの実施形態の概略的な構成を図示しており、その図では、わかり易くするために、すべてのビーム経路は二次元にて描画されている。
【００６２】
図３では、特に、測定点Ａにおける物体、つまり被測定物体７の面法線によって定義されたｘ、ｙおよびｚ座標に関する三次元図解の形で、光源１と、第１の検出器８ａと、第２の検出器８ｂと、第３の検出器８ｃとの実際の空間的配置が示されている。特に、４０°以下であるのが好ましい角度φｄｅｔが示されている。
【００６３】
図４には、本発明による装置の実施形態の２つの形態が図４の（ａ）と（ｂ）にそれぞれ部分的に示されている。図４の（ａ）には、単に１個のレンズユニットによって測定ビーム３が被測定物体７上の測定点Ａにフォーカスされると共に、それに対して斜めをなす空間角φｄｅｔにて第１の参照ビーム４ａが１個の同一のレンズユニットによって、その他の光学素子を経て、第２の検出器にフォーカスされるように構成された実施形態例が表されている。
【００６４】
他方、図４の（ｂ）には、第１のレンズユニット６ａによって測定ビーム３が物体７上の測定点Ａにフォーカスさせられ、測定ビーム３の散乱光成分は第２のレンズユニット６ｂにより、その他の光学素子を経て、第２の検出器８ｂにフォーカスされるように構成された実施形態例が表されている。
【符号の説明】
【００６５】
１ ：光源
２ ：出発ビーム
３ ：測定ビーム
４ａ ：第１の参照ビーム
４ｂ ：第２の参照ビーム
４ｂ’：第１の受信ビーム
５ａ ：ビームスプリッタ
７ ：物体（被測定物体）
８ａ ：第１の検出器
８ｂ ：第２の検出器
８ｃ ：第３の検出器
Ｍ ：反射鏡（重ね合わせ手段）
ＰＢＳ：偏光ビームスプリッタ（重ね合わせ手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出発ビームを発生させる光源と、出発ビームを測定ビームと第１の参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを含む物体の光干渉測定装置、及び、光源によって出発ビームを発生させるＡステップと、前記出発ビームをビームスプリッタによって測定ビームと第１の参照ビームとに分割するＢステップと、前記第１の参照ビームと、物体によって少なくとも部分的に反射された前記測定ビームとを第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わせるＣステップとを含む物体光干渉測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の光干渉測定装置およびそのための方法は種々の形態のものが知られている。そのうち、たとえば代表的な構造は、出発ビームを発生させる光源としてのレーザーと、出発ビームを測定ビームと参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを含むレーザードップラー振動計として周知である。
【０００３】
測定ビームは物体上の測定点に向けて照射され、少なくとも部分的に反射された測定ビームが検出器の検出面で参照ビームと重ね合わされる結果、干渉信号の評価によって、たとえば、測定ビームの光軸方向への測定点における物体表面の動きを推定することができる。
【０００４】
その他に、ヘテロダイン構造を有し、その結果、測定光の位相復調によって被測定表面の変位方向を推定可能な装置も周知である。
【０００５】
二次元または三次元の振動情報を得るために、３個のレーザードップラー振動計の測定ビームをそれらの測定ビームがそれぞれ互いに斜めに物体上のほぼ１個の測定点に当たるように構成することも周知である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来の単一ビーム・レーザードップラー振動計に比較してさらに付加的な情報の取得を可能にするとともに、堅牢な装置構造と高度な測定精度とを有する物体の光干渉測定装置と物体の光干渉測定方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
光干渉測定装置に関して前記課題を解決するため、本発明による光干渉測定装置は、出発ビームを発生させる光源と、出発ビームを測定ビームと第１の参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを備え、
前記重ね合わせ手段と第１の検出器とは互いに連携するように形成されて、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームと第１の参照ビームとが第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされ、
前記ビームスプリッタは、前記出発ビームを測定ビームと、第１の参照ビームと、少なくとも第２の参照ビームとに分割するように形成され、
前記重ね合わせ手段と互いに連係する少なくとも第２の検出器が備えられ、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた第１の受信ビームとしての前記測定ビームと前記第２の参照ビームとが前記第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。
光干渉測定方法に関して前記課題を解決するため、本発明による光干渉測定方法は、光源によって出発ビームを発生させるＡステップと、前記出発ビームをビームスプリッタによって測定ビームと第１の参照ビームとに分割するＢステップと、前記第１の参照ビームと、物体によって少なくとも部分的に反射された前記測定ビームとを第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わせるＣステップとを備え、
前記Ｂステップにおいて、前記出発ビームはさらに少なくとも第２の参照ビームに分割され、前記第２の参照ビームは、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた前記測定ビームと、第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。
なお、本発明による光干渉測定装置及び光干渉測定方法の好ましい実施形態は従属請求項及び以下の記述内容から明らかにされる。
【０００８】
物体の光干渉測定を行う本発明による装置は、基本構成要素として、出発ビームを発生させる光源と、出発ビームを測定ビームと第１の参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを備えている。この重ね合わせ手段と第１の検出器とは互いに連携するように形成され、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた前記測定ビームと前記第１の参照ビームとは前記第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。
【０００９】
したがって、このような基本構造の点では、本発明による装置は従来公知の光波干渉計と同じであり、特に、従来から知られている代表的なレーザードップラー振動計はこうした構造を有している。
【００１０】
本発明の重要な点は、本発明による装置において、前記ビームスプリッタは前記出発ビームを測定ビームと、第１の参照ビームと、少なくとも第２の参照ビームとに分割するように形成されていることである。さらに、本発明による装置は少なくとも第２の検出器を有しており、重ね合わせ手段と第２の検出器とは互いに連携するように形成され、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた測定ビームと第２の参照ビームとは第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。
【００１１】
したがって、本発明による装置は少なくとも２つの検出器を有しており、これらの検出器においてそれぞれビームは、光干渉測定評価を行うために、重ね合わされる。ただし、本発明による装置は、従来公知の装置とは異なり、一方では、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームに関して第１の検出器によって評価が行われると共に、他方では、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた測定ビームに関して記第２の検出器によって評価が行われる１つの測定ビームを有しているにすぎない。
【００１２】
したがって、本発明による装置は、従来から公知の装置はそれぞれの検出器のためにそれぞれ専用の測定ビームを有しているとの点で、公知の装置とは根本的に異なる構造を有している。
【００１３】
本発明は、特に、本願出願人の以下の知見を基礎としている。
複数のレーザードップラー振動計が組み合わされて、たとえば３個の振動計が使用される場合に、３本の測定ビームが物体に照射される従来公知の装置では、測定点中心回りに物体を回転させる際に測定誤差が生ずることを避けるために、最適には一連の測定ビームの焦点は正確に重なり合っている必要がある。
【００１４】
しかしながら、物体上で測定ビームが重ね合わされる場合、つまり、複数の振動計の測定点が正確に合致している場合、観察されるチャネルの測定光の散乱光だけでなく、他のチャネルの測定光も収集され検出器上で干渉させられるため、各々の個別センサーによって他の２つの振動計の測定光も受信されることになる（光学的クロストーク）。一般に、使用されたレーザーの周波数は、復調帯域幅とヘテロダイン周波数シフトとの和によって定義される周波数間隔内で重なるため、センサーの測定能力がゼロになってしまうような可能性も導く重大な外乱悪影響を受けてしまう。
【００１５】
測定点を空間的に僅かにずらして並列させることによりこの問題が回避されるなら、上記の外乱悪影響は低減されるが、完全に除去されるわけではない。
【００１６】
それぞれが測定ビームを有する複数の振動計を使用する従来公知の方法も、基本的に、他の振動計の測定ビームの測定光の入射に起因する検出器同士の光学的クロストークという問題を有している。
【００１７】
したがって、従来の技術においては、光学的クロストークを少なくとも低減させるために、使用される複数の振動計の測定点は物体上において空間的に並列していなければならないという必然性が存在する。ただし、これによって測定点直径に関する限界が所与であり、その結果、一般に測定点の直径は３５μｍを下回ることはできないことになる。しかしながら、望ましいのは、３５μｍ以下とくに１５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の直径の測定点に関して多次元振動情報を得ることである。
【００１８】
従来の技術による解決方法では、各々の振動計チャネルと同軸での測定が行われる。測定ビームが斜めに入射する場合、散乱光束の主要部分はビームの被反射成分の周囲にある。したがって、散乱光束の軸に対する検出角度は入射角の２倍である。小さな焦点直径には高い開口数（ＮＡ）が要されるため、各々の個別ビームの測定点の所望の大きさによって測定ビームのビーム拡がり角が制約される。この関係は、顕微鏡レンズ開口（射出瞳）が均等に照射される場合、以下の関係式
【数１】
ここで、ｄは焦点の直径［ｍ］、λは測定ビームの波長［ｍ］、ＮＡはレンズの開口数である。
【００１９】
ビーム拡がり角は重なり合うことはできないため、ここからビーム間の可能最小角度が生ずる。ユーザーの調査報告によれば、従来の技術による解決方法においては、垂直に入射する振動計ビームが設けられる場合、斜めに入射する振動計の入射角は必然的に過大になるため、斜めに入射する振動計ビームの感度は大半の表面にとってもはや十分ではないことが判明している。したがって、２個の振動計の場合、１個の振動計の場合の入射角が過大にならないように、相対的に小さい斜め角が実現されなければならない。
【００２０】
したがって、一般に、複数の振動計が使用される場合、測定ビームのうちのいずれかを試料表面に対して垂直に向けることは不可能である。しかしながら、このことは測定技術的には望ましいのである。なぜなら、その場合には、１つのチャネルがｚ方向運動を直接測定するからである（測定表面の設定姿勢に対して垂直をなす測定ヘッドの所期配向）。ただし、これは、上述した散乱光問題により、従来の技術から公知の装置においては実現不能であり、あるいは、光が過少であるために、斜め測定を行う検出器における信号評価に際して、過度に高い雑音レベルを導く結果となる。
【００２１】
一般に従来の技術から公知の構造においては、各々の測定ビームのためにそれぞれ専用のレンズユニットが使用されなければならないため、空間分解された測定画像を撮影するカメラ用のさらに別なレンズユニットを収容し得るスペースは存在していない。したがって、一般に、従来の技術から公知の装置においては、ユーザーに対して調整を目的として測定点を示すことができるようにすべく、カメラには複色性ビームスプリッタを用い、使用された振動計のうちのいずれかの振動計のレンズユニットを経て入射が行われなければならない。このレンズユニットは、上述した理由から、従来公知の装置においては物体の表面に対して斜めの入射角を有しているため、カメラの画像も歪んでおり、特に、（さまざまな空間ポジションに関して）均等な鮮明さを有していない。これにより、物体を変位させるｘ−ｙテーブルを使用して走査測定を実施することは特に困難である。
【００２２】
本発明による装置および下記の本発明による方法は上述した短所をすべて回避することができる。単に１本の測定ビームが装置から発して物体の被測定表面に向けて照射され、一方で、測定ビームの被反射成分が、他方で、測定ビームの少なくとも被散乱成分が、それぞれ１個の検出器で評価されるために、従来公知の装置におけるように複数の測定ビームが物体に向けて照射されなければならないということがなく、複数の次元で振動情報を求めることができる。
【００２３】
これにより、光学的クロストークによる上述した問題と、それに応じた信号評価時の難点、測定ビームを物体上にフォーカスさせるために使用されるレンズユニットに関するスペース問題ならびに、物体への測定ビームの可能入射角に関する制限が取り除かれる。
【００２４】
上述した作業効果をもたらす本発明による光干渉測定方法では、Ａステップにおいて、光源により出発ビームが発生させられ、Ｂステップにおいて、ビームスプリッタによる測定ビームと第１の参照ビームとへの出発ビームの分割が行われる。Ｃステップにおいては、第１の検出器の少なくとも１つの検出面で、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームと第１の参照ビームとの重ね合わせが行われる。本発明で重要な点は、Ｂステップにおいて、出発ビームはさらに少なくとも第２の参照ビームに分割され、この第２の参照ビームは、第１の検出器上で重ね合わされる被反射測定ビームとは異なる角度域で、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた測定ビームと、第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされるということである。別の検出面で第２の参照ビームと重ね合わされることになる、異なる角度域に散乱させられたこの光は、以下において受信光と称され、その光学的ビーム経路は受信ビーム経路と称される。
【００２５】
本発明による装置は、好ましくは、本発明による方法ないしその方法の好ましい実施形態を実行するために構成されている。本発明による方法は、好ましくは、本発明による装置ないしその装置の好ましい実施形態によって実行されるように構成されている。
【００２６】
好適な実施形態では、第１の検出器により、実質的に、物体によって反射された測定ビーム成分、つまり、測定ビームの光軸と同軸的に反射された光線ないし光線束が測定される。これに対して、第２の検出器により、測定ビームの被散乱成分（受信ビーム）、つまり、測定ビームの光軸に対して斜めの、いわゆる不平行成分ないしその光線束が測定される。
【００２７】
本発明はさらに、たとえば物体から斜めの角度で収集され、第２の検出器にフォーカスされる散乱光も、物体の表面が移動する際にドップラー周波数シフトが生じるとの本願出願人の知見も基礎としている。ただしこの場合、従来公知の装置に使用された検出器測定信号の評価法は、そのまま適用することはできない。他方、本発明による装置または本発明による方法の範囲ではこれまで利用されていないが、文献から公知の、方向依存ドップラー効果に関する式は、位相シフトおよび／または周波数シフトを以下の式１に準拠して正しく記述するために使用することができる。
【数２】
【００２８】
式における幾何学的パラメータの内容は図１に示す概略図から読み取ることができる。他のパラメータは以下のように定義される。νｘは被測定物体のｘ方向の速度［ｍ／ｓ］であり、νｚは被測定物体のｚ方向の速度［ｍ／ｓ］であり、φＤは位相の導関数［２πｒａｄ／ｓ］である。
【００２９】
観察される座標系において測定ビームが垂直に入射する場合、式１は以下の式２に単純化される。
【数３】
【００３０】
好ましくは、先述した理由から、測定ビームは被測定物体の被測定面にほぼ垂直に入射される。
【００３１】
上述ように、本発明による装置は、好ましくは、測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路において、物体と第１の検出器の間に配置された第１のレンズユニットを含んでいる。
【００３２】
これにより、測定ビームを物体上の測定点にフォーカスさせることができる。好ましくは、このレンズユニットは０．０５以上、好ましくは０．１以上、特に好ましくは０．２以上の開口数を有している。これにより、特に、好ましくは緑の波長が使用されれば、このレンズユニットの開口がガウスビームで照明される場合にも、５μｍを著しく下回る小さな測定焦点が式０に基づいて生ずるという利点がもたらされる。測定表面にはそれ以外のレーザービームは当たらないため、測定ビームの焦点直径はシステム全体の測定点サイズに等しい。１本のレーザービームしか物体に当たらないということから、極度に小さな測定点が達成され、光学的クロストークは発生しない。この重要な知見が本発明の技術思想の１つである。
【００３３】
さらに、上述した第１のレンズユニットは、同じく、受信ビームのビーム経路において、物体と第２の検出器の間に配置されているのが有利である。したがって、こうすることにより、一方で、反射された測定ビームを第１の検出器にフォーカスさせ、他方で、散乱させられた測定ビーム（受信ビーム）を第２の検出器にフォーカスさせるのに、１個のレンズユニットが必要とされるにすぎない。
【００３４】
さらに別の好ましい実施形態において、本装置は、受信ビームのビーム経路において、物体と第２の検出との間に配置された第２のレンズユニットを含んでいる。それゆえ、第２のレンズユニットにより、散乱させられた測定ビームの第２の検出器へのフォーカシングを的確に選択することができる。特に、第２のレンズユニットの開口数は０．１５以下、好ましくは０．１以下、より好ましくは０．０６以下であるのが有利である。開口数は、受信ビームの開口数によって測定点サイズが影響されることがないため、より小さく選択することが可能である。これによって、測定ビームのビーム拡がり角の半分と受信ビームのビーム拡がり角の半分との和に少なくとも達しなければならない検出角度をより小さく選択することができるという利点が得られる。これは、さらに、ｚ方向におけるオーバーラップ範囲の増大をもたらすが、このことは結果的には測定深度範囲の増大となる。
【００３５】
さらに別の好ましい実施形態において、本発明による装置は第１の検出器によりヘテロダイン測定が行われるように形成されており、そのため、測定ビームと第１の参照ビームの間の、好ましくは光学的周波数シフタたとえばブラッグセルによって達成可能な、周波数シフトを行う構成要素が備えられている。これにより、それ自体公知の方法で、物体の被測定表面の運動方向も得られる。特に、すべての参照ビームにつき、それぞれ、測定ビームと参照ビームの間に周波数シフタが設けられ、すべての参照ビームに関してヘテロダイン構成が与えられていることが好ましい。特に、単に測定ビームのみが周波数変調されるにすぎないために、測定ビームはすべての参照ビームに比較して周波数に関してシフトされており、これによって、すべての検出器に関して完全にヘテロダイン構造が存在することを特徴とする好ましい実施形態を採用することで、特にシンプルな構造が実現する。
【００３６】
さらに別の好適実施形態において、本装置は、測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路に関して、共焦点顕微鏡として構成されている。これにより、非焦点ビームは検出器上に集束されないという利点が得られる。典型的な共焦点系は、測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路に絞り孔を設けることによって実現可能である。好ましくは、共焦点系は、検出器に絞り孔を組み込むように構成することにより実現可能である。
【００３７】
さらに別の好適実施形態において、出発ビームを測定ビームと、第１の参照ビームと、第２の参照ビームと、さらに少なくとも第３の参照ビームとに分割するビームスプリッタが形成されている。さらに、本装置は少なくとも第３の検出器を含み、重ね合わせ手段と第３の検出器とは互いに連携するように形成され、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた測定ビームと第３の参照ビームとは第３の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされる。これにより、物体の表面の振動または変位の三次元測定が可能となる。
【００３８】
特に、本装置は、測定ビームと受信ビームとによって定義される第１の面が測定ビームと第３の参照ビームとによって形成される第２の面と４５°以上の挟角、好ましくは８５°以上の挟角をなすように形成されているのが有利である。これにより、運動情報を十分正確に三次元に分離することが可能となる。
【００３９】
測定ビームと少なくとも第１の受信ビームとがなす角度は４０°以下、好ましくは３０°以下であるのが好ましい。特に、すべての受信ビームにつき、それぞれ、測定ビームと受信ビームとがなす角度は４０°以下、好ましくは３０°以下であるのが有利である。これにより、受信ビームにおける高い信号雑音比および大きな測定深度範囲が保証される。
【００４０】
光源は、好ましくは、単一縦モードレーザーとして形成されている。これにより、モード間の光学的ミキシング効果による外乱は生じないという利点が得られる。特に、光源は、さらに、単一横モードレーザーとして形成されているのが有利であり、これによりさらに、測定レーザービームは最適にフォーカスされると共に、極小の測定点直径が得られるという利点が得られる。Ｍ２因子が１．５以下のレーザーは良好な集束の実現に十分であることが判明した。
【００４１】
本願出願人の研究によれば、特に、光源は可視波長域のレーザー、好ましくは、波長５３２ｎｍのＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザーとして形成されるのが好適であることが判明した。
【００４２】
小さな測定点を達成するには、すべての検出器が、物体上の直径３５μｍ以下、特に１５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の測定面の被反射測定ビームまたは被散乱測定ビームの光だけを評価するのが好都合である。特に、本装置の光学素子、ここでは、たとえば１以上のレンズユニットは、物体上の直径３５μｍ以下、特に１５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の測定域を検出器の測定面にフォーカスするよう形成されているのが好ましい。
【００４３】
本発明による方法は、好ましくは、第１および第２の検出器の測定信号はそれぞれ位相復調されるため、物体の表面の変位の多次元評価が実施可能であるように形成されている。
【００４４】
本発明による装置のさらに別の好適実施形態において、第１の検出器の測定信号は、物体の表面の変位の評価を実施するため、位相復調され、第２の検出器の測定信号は、散乱させられた測定ビームの強度の評価を実施するために、振幅復調される。したがって、これにより、シンプルな方法で、測定ビームの光軸方向の変位ならびに散乱光の強度のいずれもが、従来達成不能であった優れた精度で測定される。これにより、多数の新たな適用分野が得られる。
【００４５】
一方で、表面に対する測定ビームの相対運動により、表面変化（比喩的な意味における「変位」）が第１の検出器の測定信号の位相復調によって求められ、さらに、不良粒子によって散乱させられた光が第２の検出器の測定信号の振幅復調によって求められることにより、これにより、特に、実質的に平滑な表面の不整性または不良粒子の侵入を検出することができる。
【００４６】
このことから、本発明による方法の好適な実施形態の１つでは、さらに物体の表面トポグラフィーを決定するステップが付加されており、この表面トポグラフィー決定ステップには、測定ビームに対する前記物体の相対運動、実質的には測定ビームの光軸に対して垂直な方向への前記物体の相対運動を行なうサブステップと、第１の検出器による変位の測定ならびに第２の検出器による散乱光の測定とを行なうサブステップとが含まれている。
以下、図面を参照しながら、その他の特徴を含む好適な実施形態例を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】方向依存ドップラー効果を記述する式１の幾何学的パラメータを説明するための、本発明による光干渉測定装置の基本構成を概略的に示す模式図である。
【図２】本発明による光干渉測定装置の実施形態を概略的に示す構成図である。
【図３】図２に示す実施形態の光源および検出器の空間的配置を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明による装置の、１個のレンズユニットを有した構成、（ｂ）は複数のレンズユニットを有した構成、それらにおけるビーム経路概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１は、１つの実施形態に基づいて作成された、上述した式１を適用するための幾何学的配置を示す模式図である。ここでは、本発明の実施形態の一例を、図２に示す概略的な構成図を用いて説明する。
【００４９】
この実施形態において、光源１は波長５３２ｎｍのレーザーとして形成されている。レーザーによって発生された出発ビーム２は、ビームスプリッタによって、測定ビーム３と、第１の参照ビーム４ａと、第２の参照ビーム４ｂと、第３の参照ビーム４ｃとに分割される。
【００５０】
ビームスプリッタは、そのために、複数のビームスプリッタ５ａ、５ｂおよび５ｃを含んでいる。測定ビーム３は、第１のレンズユニット６ａを経て、被測定物体７上の測定点Ａにフォーカスされる。測定点Ａにおける物体７の表面によって反射された測定ビームは、再び、第１のレンズユニット６ａのビーム経路に入射し、光の重ね合わせ手段を経て第１の検出器８ａにフォーカスされる。ここで第１の検出器８ａは２個の光検出器８ａ’と８ａ’’とを含んでいる。光の重ね合わせ手段は、反射鏡Ｍと、偏光ビームスプリッタＰＢＳとを含んでいる。検出器は、２個の光検出器８ａ’および８ａ’’上でビームを重ね合わせるため、さらに別のビームスプリッタ８ａ’’’を備えている。したがって、第１の光検出器の構造は、それ自体公知のいわゆる「平衡検波器」システムの構造と同じである。
【００５１】
ここでは、測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路の絞り孔Ａ（測定点Ａでもある）によって共焦点系が実現されている。
さらに、測定ビーム３のビーム経路には、測定ビームとすべての参照ビームとに関するヘテロダイン構造を形成すべく、ブラッグセルとして形成された周波数シフタ９が配置されている。別の形態として、周波数シフタ９は１つまたは２つの参照ビームのビーム経路に配置されてもよい。
【００５２】
第１の測定ビームはそれ自体公知の方法で、望遠鏡Ｔとλ／４波長板ＱＷＰとを経て、物体７上の測定点Ａにフォーカスさせられ、同様に、再入射した、反射測定ビームはこれらの光学素子を経て第１の検出器８ａにフォーカスされる。
【００５３】
図２に示す装置構成では、さらに、第１の検出器８ａと同様、２個の光検出器８ｂ’と８ｂ’’ならびに、平衡検波器システムに代わるビームスプリッタ８ｂ’’’を有する第２の検出器８ｂを含んでいる。物体７上の測定点Ａで散乱させられた測定光成分は第１の受信ビーム４ｂ’として部分的に第２のレンズユニット６ｂによって収集され、第２の検出器８ｂにおいて、反射鏡Ｍ及びさらに別の望遠鏡Ｔとを経て入ってくる第２の参照ビーム４ｂと重ね合わされる。
【００５４】
同様に、物体７の点Ａで異なる空間角で散乱させられた測定光成分を第２の受信ビーム４ｃ’として収集し、反射鏡Ｍを経て、第３の検出器８ｃにフォーカスさせる第３のレンズユニット６ｃが設けられている。この経路では、第３の検出器８ｃは上記の第２の検出器８ｂと同様な構造であり、２個の光検出器８ｃ’と８ｃ’’ならびにビームスプリッタ８ｃ’’’を有している。ここでも同様に、レンズユニット６ｃによって収集された測定ビームの散乱光成分は、光検出器８ｃ’および８ｃ’’の測定面にて、第３の参照ビーム４ｃと重ね合わされる。
【００５５】
この装置は、測定ビーム３が測定点Ａでの物体７の面法線に対してほぼ垂直をなして当たるように配置されるように形成されている。
【００５６】
第１のレンズユニット６ａによって発生させられた測定点は５μｍ以下の直径を有している。そのため、第１のレンズユニットは約０．２の開口数を有している。他方、第２と第３のレンズユニット６ｂおよび６ｃの開口数は約０．１である。
【００５７】
３個の検出器８ａ、８ｂおよび８ｃは、光検出器の測定信号の振幅復調および／または位相復調を実施すべく、それ自体公知の方法で形成された（図中不図示の）評価装置と接続されている。
【００５８】
したがって、たとえば物体７の表面上の測定点Ａの動きを三次元にて測定することができ、しかも、この測定は、従来の技術に関連して既述した外乱効果を生ずることなく、直径５μｍの単一の測定点にて実施可能となる。
【００５９】
三次元振動情報を評価するため、好ましくは式１に準拠して、方向依存ドップラー効果が利用される。式１に由来する幾何学的パラメータの意味は、図１に示す概略的な図解から理解することができる。
【００６０】
レーザーとして形成された光源からの出発ビームは測定ビーム３と複数の参照ビームとに分割されるが、その際、光源は、測定ビーム３が物体７の面法線と角度β１をなして測定点Ａに当たるように配置されている。この面法線は、さらに、ｘｙ面と、この面に対して垂直をなすｚ軸とを規定している。第２の検出器８ｂは、面法線に対して角度β２をなすように配置されている。
【００６１】
上述したように、図２は本発明による装置の１つの実施形態の概略的な構成を図示しており、その図では、わかり易くするために、すべてのビーム経路は二次元にて描画されている。
【００６２】
図３では、特に、測定点Ａにおける物体、つまり被測定物体７の面法線によって定義されたｘ、ｙおよびｚ座標に関する三次元図解の形で、光源１と、第１の検出器８ａと、第２の検出器８ｂと、第３の検出器８ｃとの実際の空間的配置が示されている。特に、４０°以下であるのが好ましい角度φｄｅｔが示されている。
【００６３】
図４には、本発明による装置の実施形態の２つの形態が図４の（ａ）と（ｂ）にそれぞれ部分的に示されている。図４の（ａ）には、単に１個のレンズユニットによって測定ビーム３が被測定物体７上の測定点Ａにフォーカスされると共に、それに対して斜めをなす空間角φｄｅｔにて第１の参照ビーム４ａが１個の同一のレンズユニットによって、その他の光学素子を経て、第２の検出器にフォーカスされるように構成された実施形態例が表されている。
【００６４】
他方、図４の（ｂ）には、第１のレンズユニット６ａによって測定ビーム３が物体７上の測定点Ａにフォーカスさせられ、測定ビーム３の散乱光成分は第２のレンズユニット６ｂにより、その他の光学素子を経て、第２の検出器８ｂにフォーカスされるように構成された実施形態例が表されている。
【符号の説明】
【００６５】
１ ：光源
２ ：出発ビーム
３ ：測定ビーム
４ａ ：第１の参照ビーム
４ｂ ：第２の参照ビーム
４ｂ’：第１の受信ビーム
５ａ ：ビームスプリッタ
７ ：物体（被測定物体）
８ａ ：第１の検出器
８ｂ ：第２の検出器
８ｃ ：第３の検出器
Ｍ ：反射鏡（重ね合わせ手段）
ＰＢＳ：偏光ビームスプリッタ（重ね合わせ手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出発ビームを発生させる光源と、出発ビームを測定ビームと第１の参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを含む物体の光干渉測定装置であって、
前記重ね合わせ手段と第１の検出器とは互いに連携するように形成されて、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームと第１の参照ビームとが第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされ、
前記ビームスプリッタは、前記出発ビームを測定ビームと、第１の参照ビームと、少なくとも第２の参照ビームとに分割するように形成され、
前記重ね合わせ手段と互いに連係する少なくとも第２の検出器が備えられ、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた第１の受信ビームとしての前記測定ビームと前記第２の参照ビームとが前記第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされることを特徴とする光干渉測定装置。
【請求項２】
前記装置は、前記測定ビームと前記第１の参照ビームとのビーム経路において物体と第１の検出器との間に配置された第１のレンズユニットを含み、前記レンズユニットの開口数は０．１以上、好ましくは０．１５以上、より好ましくは０．２以上であることを特徴とする請求項１に記載の光干渉測定装置。
【請求項３】
前記第１のレンズユニットはさらに、前記第２の参照ビームのビーム経路において物体と第２の検出器との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光干渉測定装置。
【請求項４】
前記装置は、前記第２の参照ビームのビーム経路において物体と第２の検出器との間に配置された第２のレンズユニットを含み、前記第２のレンズユニットの開口数は０．１５以下、好ましくは０．１以下であることを特徴とする請求項３に記載の光干渉測定装置。
【請求項５】
前記第１の検出器によってヘテロダイン測定が行われるように構成され、その際、周波数シフタが、測定ビームと第１の参照ビームの間の周波数シフトを行うように、あるいは測定ビームとすべての参照ビームの間の周波数シフトを行うように設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項６】
測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路に関しては、共焦点顕微鏡として構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項７】
前記ビームスプリッタは、出発ビームを、前記測定ビームと、前記第１の参照ビームと、前記第２の参照ビームとに加えて、少なくとも第３の参照ビームとに分割するように形成され、
少なくとも第３の検出器が備えられ、重ね合わせ手段と前記第３の検出器とは互いに連携するように形成され、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた第２の受信ビームとしての測定ビームと第３の参照ビームとが前記第３の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされるように構成されているか、あるいは、
前記測定ビームと前記第２の参照ビームとによって定義される第１の面が前記測定ビームと前記第３の参照ビームとによって形成される第２の面と４５°以上の挟角、好ましくは８５°以上の挟角をなすように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項８】
測定ビームと少なくとも第１の受信ビームとがなす角度、好ましくは測定ビームとすべての受信ビームとがなす角度はそれぞれ３０°以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項９】
前記光源は、単一縦モードレーザーまたは単一横モードレーザーあるいはその両方として形成され、その際、Ｍ２因子が１．５以下のレーザーが用いられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項１０】
前記光源は可視波長域のレーザーとして形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項１１】
前記光源は波長５３２ｎｍのＤＰＳＳレーザーとして形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光干渉測定装置。
【請求項１２】
光源によって出発ビームを発生させるＡステップと、
前記出発ビームをビームスプリッタによって測定ビームと第１の参照ビームとに分割するＢステップと、
前記第１の参照ビームと、物体によって少なくとも部分的に反射された前記測定ビームとを第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わせるＣステップと、
を含む物体の光干渉測定方法であって、
前記Ｂステップにおいて、前記出発ビームはさらに少なくとも第２の参照ビームに分割され、前記第２の参照ビームは、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた前記測定ビームと、第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされることを特徴とする光干渉測定方法。
【請求項１３】
前記第１および第２の検出器の測定信号は、前記物体の表面の変位の多次元評価を行うために、それぞれ位相復調されることを特徴とする請求項１２に記載の光干渉測定方法。
【請求項１４】
前記第１の検出器の前記測定信号は、前記物体の表面の変位の評価を行うために、位相復調され、前記第２の検出器の前記測定信号は、散乱させられた前記測定ビームの強度の評価を行うために、振幅復調されることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の光干渉測定方法。
【請求項１５】
前記測定ビームに対する前記物体の相対運動、実質的には前記測定ビームの光軸に対して垂直な方向への前記物体の相対運動を行なうサブステップと、前記第１の検出器による前記変位の測定ならびに前記第２の検出器による前記散乱光の測定とを行なうサブステップとを含む前記物体の表面トポグラフィーを決定するステップがさらに含まれていることを特徴とする請求項１４に記載の光干渉測定方法。
【請求項１】
出発ビームを発生させる光源と、出発ビームを測定ビームと第１の参照ビームとに分割するビームスプリッタと、光の重ね合わせ手段と、第１の検出器とを含む物体の光干渉測定装置であって、
前記重ね合わせ手段と第１の検出器とは互いに連携するように形成されて、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームと第１の参照ビームとが第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされ、
前記ビームスプリッタは、前記出発ビームを測定ビームと、第１の参照ビームと、少なくとも第２の参照ビームとに分割するように形成され、
前記重ね合わせ手段と互いに連係する少なくとも第２の検出器が備えられ、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた第１の受信ビームとしての前記測定ビームと前記第２の参照ビームとが前記第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされることを特徴とする光干渉測定装置。
【請求項２】
前記装置は、前記測定ビームと前記第１の参照ビームとのビーム経路において物体と第１の検出器との間に配置された第１のレンズユニットを含み、前記レンズユニットの開口数は０．１以上、好ましくは０．１５以上、より好ましくは０．２以上であることを特徴とする請求項１に記載の光干渉測定装置。
【請求項３】
前記第１のレンズユニットはさらに、前記第２の参照ビームのビーム経路において物体と第２の検出器との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光干渉測定装置。
【請求項４】
前記装置は、前記第２の参照ビームのビーム経路において物体と第２の検出器との間に配置された第２のレンズユニットを含み、前記第２のレンズユニットの開口数は０．１５以下、好ましくは０．１以下であることを特徴とする請求項３に記載の光干渉測定装置。
【請求項５】
前記第１の検出器によってヘテロダイン測定が行われるように構成され、その際、周波数シフタが、測定ビームと第１の参照ビームの間の周波数シフトを行うように、あるいは測定ビームとすべての参照ビームの間の周波数シフトを行うように設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項６】
測定ビームと第１の参照ビームとのビーム経路に関しては、共焦点顕微鏡として構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項７】
前記ビームスプリッタは、出発ビームを、前記測定ビームと、前記第１の参照ビームと、前記第２の参照ビームとに加えて、少なくとも第３の参照ビームとに分割するように形成され、
少なくとも第３の検出器が備えられ、重ね合わせ手段と前記第３の検出器とは互いに連携するように形成され、物体によって少なくとも部分的に散乱させられた第２の受信ビームとしての測定ビームと第３の参照ビームとが前記第３の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされるように構成されているか、あるいは、
前記測定ビームと前記第２の参照ビームとによって定義される第１の面が前記測定ビームと前記第３の参照ビームとによって形成される第２の面と４５°以上の挟角、好ましくは８５°以上の挟角をなすように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項８】
測定ビームと少なくとも第１の受信ビームとがなす角度、好ましくは測定ビームとすべての受信ビームとがなす角度はそれぞれ３０°以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項９】
前記光源は、単一縦モードレーザーまたは単一横モードレーザーあるいはその両方として形成され、その際、Ｍ２因子が１．５以下のレーザーが用いられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項１０】
前記光源は可視波長域のレーザーとして形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光干渉測定装置。
【請求項１１】
前記光源は波長５３２ｎｍのＤＰＳＳレーザーとして形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光干渉測定装置。
【請求項１２】
光源によって出発ビームを発生させるＡステップと、
前記出発ビームをビームスプリッタによって測定ビームと第１の参照ビームとに分割するＢステップと、
前記第１の参照ビームと、物体によって少なくとも部分的に反射された前記測定ビームとを第１の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わせるＣステップと、
を含む物体の光干渉測定方法であって、
前記Ｂステップにおいて、前記出発ビームはさらに少なくとも第２の参照ビームに分割され、前記第２の参照ビームは、前記物体によって少なくとも部分的に散乱させられた前記測定ビームと、第２の検出器の少なくとも１つの検出面で重ね合わされることを特徴とする光干渉測定方法。
【請求項１３】
前記第１および第２の検出器の測定信号は、前記物体の表面の変位の多次元評価を行うために、それぞれ位相復調されることを特徴とする請求項１２に記載の光干渉測定方法。
【請求項１４】
前記第１の検出器の前記測定信号は、前記物体の表面の変位の評価を行うために、位相復調され、前記第２の検出器の前記測定信号は、散乱させられた前記測定ビームの強度の評価を行うために、振幅復調されることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の光干渉測定方法。
【請求項１５】
前記測定ビームに対する前記物体の相対運動、実質的には前記測定ビームの光軸に対して垂直な方向への前記物体の相対運動を行なうサブステップと、前記第１の検出器による前記変位の測定ならびに前記第２の検出器による前記散乱光の測定とを行なうサブステップとを含む前記物体の表面トポグラフィーを決定するステップがさらに含まれていることを特徴とする請求項１４に記載の光干渉測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−９６９９７（Ｐ２０１３−９６９９７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２４２６５０（Ｐ２０１２−２４２６５０）
【出願日】平成２４年１１月２日（２０１２．１１．２）
【出願人】（５９８１２６３２４）ポリテック・ゲー・エム・ベー・ハー (8)
【氏名又は名称原語表記】ＰＯＬＹＴＥＣ ＧＭＢＨ
【住所又は居所原語表記】ＰＯＬＹＴＥＣＰＬＡＴＺ １‐７， Ｄ‐７６３３７ ＷＡＬＤＢＲＯＮＮ， ＢＵＮＤＥＳＲＥＰＵＢＬＩＫ ＤＥＵＴＳＣＨＬＡＮＤ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月２日（２０１２．１１．２）
【出願人】（５９８１２６３２４）ポリテック・ゲー・エム・ベー・ハー (8)
【氏名又は名称原語表記】ＰＯＬＹＴＥＣ ＧＭＢＨ
【住所又は居所原語表記】ＰＯＬＹＴＥＣＰＬＡＴＺ １‐７， Ｄ‐７６３３７ ＷＡＬＤＢＲＯＮＮ， ＢＵＮＤＥＳＲＥＰＵＢＬＩＫ ＤＥＵＴＳＣＨＬＡＮＤ
【Ｆターム（参考）】
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