| 【発明の名称】 |
多波長光ヘテロダイン装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】横山 修子
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】波長がそれぞれλ１λ２さらにλｎでありかつ周波数差がそれぞれｆ１ｆ２さらにｆｎである互いに直交した２つの偏光を持つ第１、第２さらに第ｎの周波数が安定化されたｎ個の直交２周波レーザ光のそれぞれの直交した２つの偏光の方位が一致するように合波せしめ、直交した偏光の一方の方位を有する偏光群と該偏光群と直交した方位を有する偏光群に分割した後光路差を与え、再び直交した偏光群を重ね合わせて出力するヘテロダイン干渉計かあるいは該ヘテロダイン干渉計と等価なヘテロダイン光学系に前記合波せしめた光を入力光として入射せしめ、該入力光の前記周波数差ｆｎ及びそれらの組合せによって生ずる全交流信号のうち、特定の前記周波数差の差ｆｎ−ｆｍ（ｍ≠ｎ）（ｍはｎより小さい整数）の周波数を有する交流信号成分と前記ヘテロダイン光学系の出力光の全交流信号のうち、周波数差の差が前記ｆｎ−ｆｍの周波数を有する交流信号成分を選択的に検出して両者の位相差を求めると共に、入力光と出力光の全交流信号のうち前記第１の直交２周波レーザ光の周波数差ｆ１の成分の選択的な検出を行い、該成分の位相差を求めることを特徴とする多波長光ヘテロダイン装置 |
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固定された標的間の距離や比較的厚い表面膜の厚さを光ヘテロダイン干渉計の精度で測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術分野】固定された標的間の距離の測定については古典的な方法があり、ここでは多波長の干渉縞の明暗の位置のずれを利用して行われていた、また近年ＣＯ２レーザの発振可能波長範囲が広いことを利用した広範囲における測定法が報告されている。また、半導体レーザの発振波長を周期的に変化させる測定法についての報告も多い。
【０００３】以上の方法のうち古典的な方法は適用範囲および計測精度の面、実時間性の面で議論の対象とならない。また、半導体レーザを用いる方法は半導体レーザ光の波長のあやふやさに係る多大の問題を有している。
【０００４】ＣＯ２レーザを用いる法は赤外における大気の屈折率のこともあり計測範囲、計測精度の面で非常に優れた方法であるが、使用するレーザ光の波長の変調のため、鏡の機械的な運動を必要としており、凹凸を有する面の走引等に要求される高速の実時間測定には不向きである。赤外線で光が見えないのも不便な面である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述のＣＯ２レーザより測定範囲は小さいが機械的な運動部分がなくそのためビデオレート等の高速走引が原理的に可能な三次元構造物、例えばガラス板上に規則的に設けられたスペーサの柱の干渉計レベルの精度での高速測定さらには偏光解析において現在未知数として残されている反射膜の干渉次数などの決定が可能な装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、複数すなわちｎ個の直交２周波レーザ光を出す安定化レーザの使用を前提にしているが、手段に関する原理の説明は第１、第２の２つのレーザ光で出来るので２つの直交２周波レーザを用いるとした説明とする。
【０００７】第１、第２の直交２周波レーザの一方の偏光の波長をλ１、λ２とすると、光速をＣとして周波数はν１＝Ｃ／λ１、ν２＝Ｃ／λ２となる。また両レーザの波数をκ１、κ２とするとκ１＝２πν１／Ｃ、κ２＝２πν２／Ｃである。光の電界の振幅を第１のレーザ光の直交した２つの偏光に対し、Ｅ１１，Ｅ１２とし、周波数の差をｆ１それによる波数の差をΔκ１、第２のレーザ光についてもそれぞれ、Ｅ２１、Ｅ２２、ｆ２、Δκ２とすると、光はすべてコヒーレントであるので、干渉光の電界ＥＴは式１で与えられる。ここでｔは時間、Ｚ、Ｚ０は光の進行方向の距離である。従って干渉光の強度Ｉは式２の形となる。式中のＤＣ−ｃｏｍｐ．は直流項で手段の本筋とは関係ない項である。
【０００８】Ｉは検出された電気交流信号であるが、式２をスペクトルの形で考えるとｆ１とｆ２のスペクトルがあり電気信号のビートが生じていることがわかる。
【０００９】電気信号のビートは自乗検波するとか、整流検波あるいは他の非線型性を持った素子によりビートの包絡線を交流信号として取り出すことが出来る。そこで自乗検波を行って、（Ｉ２を求めて信号より高周波の成分を取り除き）有効な交流成分Ｉ２（ＡＣ）を求めると式３のようになる。式３のｃｏｓの中身の第３項は定数であるので無視しかつここでは０とおく。
【００１０】すると（κ１−κ２）Ｚという値は周波数ｆ１−ｆ２で振動する余弦波の位相になっている。従ってこの振動のＺ＝Ｚ１における位相と、Ｚ＝Ｚ２における位相の差を測定すればＺ１とＺ２の間の距離が判る。つまりＺ＝Ｚ１とＺ＝Ｚ２の２点における周波数がｆ１−ｆ２である交流信号成分の位相差を測定することにより（κ１−κ２）を空間的な周波数として変化するＺの値を知ることができるが、この測定については一般の干渉計のごとくＺを連続的に変化させる必要はない。
【００１１】またκ１−κ２という量は式４に示すごとく合成波長λｓ＝λ１λ２／（λ２−λ１）という量の逆数である。合成波長はλ１とλ２の値が近い程大きな値となる。そして、交流信号成分（ｆ１−ｆ２）の位相差の２πの差は距離の差がλｓであることに対応するので交流信号成分（ｆ１−ｆ２）の位相差が２π／ｘであればＺ１−Ｚ２はλｓ／ｘという値と言うことになる。
【００１２】以上が本発明の主要部であるが、干渉光の強度Ｉすなわち全交流信号電流は一般のヘテロダイン干渉計の交流信号成分をも含んでいる。例えば式２のＩの第２項である。Ｚ＝Ｚ１とＺ＝Ｚ２における周波数がｆ１の交流信号成分の位相差の２π／ｘの変化はＺ２−Ｚ１ではλ１／ｘとなり、光の波長の１／ｘのスケールで長さの決定ができる。これが本発明に係る装置の最小分解である。
【００１３】
【発明の実施の形態】直交２周波レーザの種類は多いが現時点ではＨｅＮｅレーザが現実的である。内部共振器型ＨｅＮｅレーザにおける直交偏光の周波数差ｆｎの最大のものは、Ｌを共振器長としてＣ／２Ｌで与えられるモード間ビート周波数で１ＧＨｚから５００ＭＨｚが現実的な値である。またλｎとしては１．５２μｍ、１．０５μｍ、０．６３３μｍ、０．６１２μｍ、０．６１４μｍ、０．５９４μｍ、０．５４４μｍ、が実用できる。また、直交２周波レーザは単一モードレーザと光音響素子（ＡＯＭ）を組合せて作ることも出来る。この場合、偏光の周波数差は８０ＭＨｚ前後のもの（ＡＯＭを１個使用）と数ＫＨｚから１００ＫＨｚのもの（ＡＯＭを２個使用）となる。モード間ビートは周波数引き寄せ現象を利用するとビート周波数は１０−５程度の不安定度にすることができ利用することが出来るが、それでも信号処理の方法によっては、電子回路の周波数一位相特性によって位相差の測定の精度を向上させることはかなりむつかいときがあり、ＡＯＭを用いた方が楽である。ＡＯＭを２個用い周波数差ｆｎを１０〜１００ＫＨｚとしたものが市販されているが、これは有害無益であり、ＡＯＭを１個用い８０ＭＨｚ程度の周波数差ｆｎを用いる方が有利である。
【００１４】一方、前記のヘテロダイン光学系の入力光と出力光の処理は各レーザ光を分波器で分波して行ってもよいが、１個の検知器で複数のレーザ光を検知し、周波数差ｆｎやその差ｆｎ−ｆｍを電気的なヘテロダイン方式を用いて、それらの交流成分を選択的に検出する方がまとまりが良い。
【００１５】ＨｅＮｅレーザの発振波長が０．６３３μｍのものと０．６１２μｍを用いると、合成波長λｓは約１９μｍ、０．６３３μｍと０．６０４μｍを用いるとλｓは約１３μｍとなる。これに対しモード間ビート周波数が１ＧＨｚのＨｅＮｅレーザのビートの波長は３０ｃｍであるので２π／ｘのｘを３６０００（０．０１ｄｅｇ．の分解）とすると測長のスケールを３０ｃｍまで広げることが出来る。
【００１６】半導体レーザを１ＧＨｚで変調しても等価なことができる。また、ＡＯセルを使用する場合には入力光の周波数差に係る参照信号を光を介して得るよりもＡＯセルを励起する発振器から得る方がはるかに得策である。さらに取扱う最低周波数を１０ＭＨｚ以上としておけばビデオレートでの走査が可能である。実施例においてはＡＯセルの発振器から参照信号を得るが、最低周波数については上の条件を無視する。
【００１７】ヘテロダイン干渉計と等価なヘテロダイン光学系の一つとして直交２周波レーザを光源とした偏光解析装置がある。反射面の複素反射率をｔａｎψ・ｅｘｐｉΔとおき、ψ、Δの関係を図に画くと円に近い図となる。そして、例えばＳｉ上にＳｉＯ２の膜があり膜厚が大きくなるとψ、Δの測定点はこの円上をぐるぐる回る。何回回ったのかは１個の直交２周波レーザでは判らない。この場合、前記のｆ１−ｆ２成分の位相差とｆ１成分の位相差を測定すれば何回目かが判り膜厚の決定ができる。
【００１８】ヘテロダイン干渉計とそれに等価な光学系を図に示す。図１の（ａ）は典型的なヘテロダイン干渉計で本発明の場合は光路長が変化する必要がない。Ｐは直交した偏光を重ね合わせる偏光子、Ｄは検知器である。ＰＢＳは偏光ビーム分割器である。図１の（ｂ）は反射のνとν＋ｆの偏光の反射のリターデーションを求める場合、（ｃ）はバビネソレイユ補償板で透過のリターデーションを表したものである。
【００１９】次に周波数差がｆの直交２周波としてＡＯＭを用いる場合、ｆの値を大きくした方が有利であり、図２のようなものを用いる。（ａ）はレーザのパワの利用率が高いがＡＯＭの高分散が望まれＴｅＯ２結晶などを用いる。この結晶には旋光性があり直交２周波光をつくるのに好都合である。（ｂ）は分散の小さいガラスを用いる形式で前者に比較すると安価である。また、人射光の偏光の方位を４５°とする必要がある。
【００２０】
【実施例】図３に本発明の実施例を示す。第１のレーザ１の出す単一周波数ν１の光３１は、発振周波数がｆ１である発振器８で励起されたＡＯＭ３によって周波数差がｆ１の直交２周波光３３がつくられる。第２のレーザの出す周波数がν２の光もｆ２の発振器９とＡＯＭ４で周波数差がｆ２の直交２周波光３４がつくられる。そして半透鏡６で光３３と光３４の偏光方位が一致するように合波されて合波光３５がヘテロダイン光学系１８の入力光となる。ヘテロダイン光学系の出力光３６は検知器７で検知される。この検知器７の光電流の全交流信号は周波数ｆ１とｆ２のスペクトルを持っている。この全交流信号の中から周波数ｆ１−ｆ２の成分を引き出すのは式３で示されるように光電流の自乗をミキサ１３で行い、不必要な交流成分をローパスフィルタ１５で取り除けばよい。このようにして引出された周波数がｆ１−ｆ２の成分（信号成分）はＡＯＭの周波数ｆ１、ｆ２の２つの発振器の周波数の差ｆ１−ｆ２をミキサ１４で求め（参照信号）、両者の位相の差を位相差計１６で求める。この位相差の角度は合成波長λｓ＝λ１λ２／（／λ２−λ１）（λ１＝Ｃ／ν１λ２＝Ｃ／ν２）を２πとして測られた長さになっている。本来は入力光のｆ１−ｆ２成分を計測して、これを参照信号とすべきであるが、これはいたずらに装置の複雑化に寄与するのみである。入力光のｆ１−ｆ２成分と発振器のそれとは装置特有の一定の差があるのみであるからである。
【００２１】検知器７の光電流のうち周波数がｆ１である成分は、発振周波数がｆ１−Δｆの局部発振器１０の出力とミキサ１２でミクスされた後ローパスフィルタ１５でΔｆの交流信号として取り出される。そしてこの信号は周波数ｆ１の発振器８と局部発振器１０をミキサ１１でミクスして得られる周波数がΔｆの参照信号との間の位相差が位相差計１７で求められる。この位相差計で得られる位相差の角度はλ１を２πとして測られた長さになっている。
【００２２】以上を組合すと図４のごとく、光路差が増加するとｆ１−ｆ２の位相差計１６の出力角度は上図のごとく、ｆ１の位相差計１７の出力角度は下図のごとく変化する。光路が変化せず一定であるときにはそれぞれの位相差計は縦の点線との交点の角度を示す。この２つの角度から高位の桁の長さと下位の桁の長さが別個の位相差計で示されることになっている。すなわちλ１／ｘの最小目盛りで合成波長λｓの範囲の測長が可能になる。
【００２３】以上は、λ１、λ２のレーザを用いた場合についての説明を行ったが、合成波長λｓを次々に大きくするためさらに波長が接近したレーザの組を加えるか、あるいは一つの利得曲線中で発振する２本のレーザスペクトルを使用し前述の１ＧＨｚのモード間隔のレーザ光にするとかさらには高周波で変調された半導体レーザの変調波長まで接続を行うことも出来る。
【００２４】図３で示した実施例は原理的なものであり、現実にはこの図のような構成では信号処理は行えない。以下その主な点を列挙する。
Ｉ） ＡＯＭの発振器８、９は基本波の他に高周波を持っており、それの除去のため発振器８、９、とミキサ１４の間にはローパスフィルタ、トィンティーフィルタや同調フィルタ、さらにアッテネータ（ＡＴＴ）を挿入しなければならない。
ＩＩ） ミキサ１３で光電流信号の自乗を行う際、該ミキサのＬＯ入力側には増幅器、ＲＦ入力側にはＡＴＴを入れた方がよい。
ＩＩＩ） ｆ１の発振器８の信号を取り出してミキサ１１のＲＦ入力に入れる際、（ｆ１−ｆ２）信号への影響を与えてはならない。そのため２０ｄｂ程度のＡＴＴやエミッタホロワなどをその入口に挿入した方がよい。
ＩＶ） 同様の理由で、発振器８、９とミキサ１４のＬＯ，ＲＦ入力の間にはＡＴＴを入れた方がよい。
Ｖ） さらに検知器としてアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）を採用することが必要となった場合、ＡＰＤは入力光の全強度によって信号の位相のシフト量が変化するのでその対策を行う必要がある。
【００２５】
【発明の効果】段差のある柱の高さ、２次元の面の凹凸等固定標的間の長さの測定がほぼ完全に実時間的にヘテロダイン干渉測長の精度で行うことができる。
【００２６】
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９２０６０８１３
【氏名又は名称】横山 修子
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）１月１６日 |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２０１７２７ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−４０９４２ |
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