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SURFACE SHAPE MEASUREMENT DEVICE AND SURFACE SHAPE MEASUREMENT METHOD

Foreign code F200010169
File No. (S2018-0962-N0)
Posted date Jun 3, 2020
Country WIPO
International application number 2019JP033990
International publication number WO 2020045589
Date of international filing Aug 29, 2019
Date of international publication Mar 5, 2020
Priority data
  • P2018-160900 (Aug 29, 2018) JP
Title SURFACE SHAPE MEASUREMENT DEVICE AND SURFACE SHAPE MEASUREMENT METHOD
Abstract The present invention provides a surface shape measurement device and a surface shape measurement method, which do not require a physical reference plane and can improve measurement accuracy without using a mechanical adjustment mechanism. An illumination light condensing point PQ and a reference light condensing point PL are arranged as mirror images of each other with respect to a virtual plane VP, and each datum of object light O that is the reflected light of spherical wave illumination light Q and in-line spherical wave reference light L is recorded in a hologram. In the virtual plane VP, a reproduction object light hologram hV for measurement is generated, and a spherical wave light hologram sV representing spherical wave light emitted from the reference light condensing point PL is analytically generated. From the phase distribution obtained by dividing the reproduction object light hologram hV by the spherical wave light hologram sV, the height distribution of the object 4 on the surface to be measured is obtained. The phase data of the reflected light from the surface to be measured is acquired, and is compared with the phase distribution of the spherical wave obtained analytically on the plane cut surface, so that a highly accurate surface shape measurement is realized without requiring a reference plane such as a glass substrate.
Outline of related art and contending technology BACKGROUND ART
Conventionally, such as reflected light or transmitted light to techniques for analyzing light, the intensity of the light and the phase of the data is also referred to as a recording medium such as a photographic plate in the hologram recorded in the holography analysis. Is holographic in recent years, a light receiving element using a semiconductor memory, and the intensity of light acquired as a digital data phase, or a computer generated hologram, the analysis is performed. In this way is the holography, referred to as digital holography.
In the digital holography, the hologram data acquisition and processing of high speed and high accuracy in order to achieve a variety of techniques have been proposed, which imaging applications. For example, the one-shot the hologram recorded at the spatial frequency filtering and the spatial heterodyne modulation data and is applied, the complex amplitude of the in-line hologram for reproducing the object image at a high speed and accurately generating digital holography has been known (for example, see Patent Document 1).
In order to solve the problem of the conventional optical microscope, by using holography, the imaging lens without using a large numerical aperture of the object light of a method of recording the one-shot, and the recorded plane wave object beam expanded by the computer 3 high-resolution three-dimensional image accurately reproducing the known method (for example, see Patent Document 2). According to this method, a distortion-free high-resolution three-dimensional moving image can be recorded or reproduced 3 utilizes three-dimensional microscope lens 3 are realized. In such a microscope, because imaging lens is not used, with a conventional optical microscope, the lens and the imaging medium under the influence of the problem can be solved.
In addition, the internal structure of the biological tissue and cells in culture in order to measure a high resolution, and a wavelength swept laser light reflection type microscope lens-less holographic high-resolution tomographic imaging method is used has been known (for example, see Patent Document 3).
Further, different incident direction of illumination light emitted from an object is irradiated with a large numerical aperture of the object light, the incident direction of illuminating light is recorded as the hologram data for each, of these plurality of large numerical aperture combined with a single hologram of the hologram, greater than 1 based on the number of the synthetic aperture method of reproducing the object light has been known (for example, see Patent Document 4). According to this method, typically having a resolution that exceeds the diffraction limit of the ultra-high resolution three-dimensional microscope 3 can be realized.
In addition, the accuracy of the optical recording and optical recording by one-shot digital holography of the plane wave expansion device used has been known (for example, see Patent Document 5). According to the ellipsometry device, including non-parallel angle of incidence of the illumination light by the incident light having a large number of reflected light can be recorded in the hologram data at once, a number corresponding to the frequency of the incident angle for each vector Ψ angle ellipsometry, Δ can be obtained, the measurement efficiency can be improved.
In addition, the image pickup element, one of the image forming lens 2, cube type beam splitter, and an element having a reference plane a Fizeau arranged in series to the measurement object, measured from the reference plane and the interference fringes of the reflected light and a shape measurement interference measuring apparatus has been known (for example, see Patent Document 6).
Scope of claims (In Japanese)[請求項1]
 ホログラフィを用いる表面形状計測装置において、
 被測定面を照明する球面波照明光(Q)の反射光である物体光(O)と前記物体光(O)に対してインラインとなるインライン球面波参照光(L)の2つの光のデータをそれぞれ物体光オフアクシスホログラム(I OR)および参照光オフアクシスホログラム(I LR)としてイメージセンサを用いて取得するデータ取得部と、
 前記データ取得部によって取得されたデータから前記被測定面の画像を再生して表面形状のデータを取得する画像再生部と、を備え、
 前記データ取得部は、
 前記被測定面に接するように仮想的に設定した仮想平面(VP)に対して前記球面波照明光(Q)の集光点である照明光集光点(P Q)と前記インライン球面波参照光(L)の集光点である参照光集光点(P L)とが互いに鏡像配置となり、前記インライン球面波参照光(L)が前記仮想平面(VP)を斜めに通過して前記イメージセンサに入射するように構成された光学系を備え、
 前記画像再生部は、
 前記2種類のオフアクシスホログラム(I OR,I LR)のデータ、前記参照光集光点(P L)の位置情報、および前記参照光集光点(P L)から放たれる光が球面波であることを用いる計算処理によって、前記物体光(O)の光波を表す物体光ホログラム(g)を生成する物体光ホログラム生成部と、
 前記物体光ホログラム(g)を光伝播変換および回転変換して、前記仮想平面(VP)における再生物体光ホログラム(h V)を生成する再生物体光ホログラム生成部と、
 計算処理によって、前記物体光ホログラム(g)に光伝搬変換を行って前記物体光(O)が集光する位置を検出してその位置を、前記参照光集光点(P L)の位置情報を高精度化した情報を有する、形状計測用の参照点(S1)として設定する参照点検出部と、
 前記参照点(S1)から放たれた球面波光の前記仮想平面(VP)におけるホログラムである球面波光ホログラム(s V)を解析的に生成する解析光ホログラム生成部と、
 前記再生物体光ホログラム(h V)を前記球面波光ホログラム(s V)で除算して計測用ホログラム(J V OS=h V/s V)を生成し、前記計測用ホログラム(J V OS)の位相分布から前記物体の被測定面における高さ分布を求める形状計測部と、を備えることを特徴とする表面形状計測装置。

[請求項2]
 前記データ取得部は、前記イメージセンサの直前に配置され、前記物体光(O)または前記インライン球面波参照光(L)と、前記2種類のオフアクシスホログラム(I OR,I LR)を取得するために用いられるオフアクシス参照光(R)と、を合波して前記イメージセンサに入射させるための、キューブ型ビームスプリッタから成るビーム結合器を備え、
 前記画像再生部は、前記ビーム結合器の屈折率を考慮した平面波展開法によって前記ビーム結合器を通過する光の光伝播計算を行うことにより、前記参照光集光点(P L)から放たれて前記ビーム結合器を通過し、前記イメージセンサの受光面であるホログラム面に至る光波であって、前記インライン球面波参照光(L)に相当する光波を表すインライン参照光ホログラム(j L)を計算処理によって生成する、ことを特徴とする請求項1に記載の表面形状計測装置。

[請求項3]
 前記光学系は、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)とを集光する集光レンズと、前記集光レンズによる集光位置に配置されて通過光量を制限する瞳孔板と、前記瞳孔板に組み合わせて配置された結像レンズと、を備えて、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)とを前記イメージセンサに結像させる、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の表面形状計測装置。

[請求項4]
 前記光学系は、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)とを集光する凹面鏡と、前記凹面鏡による集光位置に配置されて通過光量を制限する瞳孔板と、前記瞳孔板に組み合わせて配置された結像レンズと、を備えて、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)とを前記イメージセンサに結像させる、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の表面形状計測装置。

[請求項5]
 物体の被測定面の形状をホログラフィを用いて計測する表面形状計測方法において、
 イメージセンサの光軸上にインライン球面波参照光(L)の集光点である参照光集光点(P L)を配置し、前記光軸から外れた位置に球面波照明光(Q)の集光点である照明光集光点(P Q)を配置し、前記参照光集光点(P L)と照明光集光点(P Q)とを結ぶ線分を垂直に2等分する平面である仮想平面(VP)を設定し、
 前記被測定面が前記仮想平面(VP)に接するように前記物体を配置し、前記被測定面から反射される前記球面波照明光(Q)の反射光である物体光(O)のデータを、前記イメージセンサを用いて物体光オフアクシスホログラム(I OR)として取得し、
 前記物体が配置されていない状態で、前記仮想平面(VP)を通過して前記イメージセンサに入射する前記インライン球面波参照光(L)のデータを、前記イメージセンサを用いて参照光オフアクシスホログラム(I LR)として取得し、
 前記2種類のオフアクシスホログラム(I OR,I LR)のデータから、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)の両方の情報を含む複素振幅インラインホログラム(J OL)を生成し、
 前記インライン球面波参照光(L)が球面波光であることを用いる計算処理によって、前記イメージセンサの受光面であるホログラム面における前記インライン球面波参照光(L)の光波を表すインライン参照光ホログラム(j L)を生成し、
 前記複素振幅インラインホログラム(J OL)と前記インライン参照光ホログラム(j L)とを用いて、前記物体光(O)の光波を表す物体光ホログラム(g)を生成し、
 前記物体光ホログラム(g)を光伝播変換および回転変換して、前記仮想平面(VP)における再生物体光ホログラム(h V)を生成し、
 計算処理によって、前記物体光ホログラム(g)に光伝搬変換を行って前記物体光(O)が集光する位置を検出してその位置を、前記参照光集光点(P L)の位置情報を高精度化した情報を有する、形状計測用の参照点(S1)として設定し、
 前記参照点(S1)から放たれた球面波光の前記仮想平面(VP)におけるホログラムである球面波光ホログラム(s V)を解析的に生成し、
 前記再生物体光ホログラム(h V)を前記球面波光ホログラム(s V)で除算して計測用ホログラム(J V OS=h V/s V)を生成し、前記計測用ホログラム(J V OS)の位相分布から前記物体の被測定面における高さ分布を求める、ことを特徴とする表面形状計測方法。

[請求項6]
 異なる波長(λ j,j=1,2)の光によって、前記物体光(O)および前記インライン球面波参照光(L)のデータを前記各波長(λ 1,λ 2)毎に、前記2種類のオフアクシスホログラム(I j OR,I j LR,j=1,2)として取得し、
 前記各波長(λ 1,λ 2)毎に、前記計測用ホログラム(J j V OS=h j V/s j V,j=1,2)を生成し、
 前記2つの計測用ホログラム(J j V OS,j=1,2)の比を求めるヘテロダイン変換の結果である変調波(HW=J 1 V OS/J 2 V OS)を生成し、前記変調波(HW)に含まれる変調波長(λ B=λ 1λ 2/(λ 2-λ 1))および変調位相分布(θ B(x’,y’)=θ 1-θ 2)を用いて、前記物体の被測定面における高さ分布を求める、ことを特徴とする請求項5に記載の表面形状計測方法。

[請求項7]
 前記被測定面が前記仮想平面(VP)に接するように前記物体を配置するために試料台が用いられ、
 前記試料台の調整は、
 前記試料台に、参照平面を有する参照平面基板を固定して前記参照平面基板からの反射光のデータを前記物体光オフアクシスホログラム(I OR)として取得し、
 前記物体光オフアクシスホログラム(I OR)と前記参照光オフアクシスホログラム(I LR)とを用いて前記複素振幅インラインホログラム(J OL)を生成し、
 前記複素振幅インラインホログラム(J OL)の位相分布の変化が低減するように前記試料台の位置と傾きを変えることによって行う、ことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の表面形状計測方法。

[請求項8]
 光伝播計算により、前記物体光ホログラム(g)を前記参照光集光点(P L)の位置(z=ρ)に伝播させて成る評価ホログラム(h0)を生成し、
 点光源を表すプローブ関数(fp)と前記評価ホログラム(h0)との相関関数計算により、前記評価ホログラム(h0)の面内において、前記物体光(O)が集光した位置(x1,y1,ρ)を検出して仮集光点(P1)とし、
 前記評価ホログラム(h0)を光伝播計算により前記光軸方向に試験伝播させ、前記評価ホログラム(h0)の面内における前記仮集光点(P1)の位置を固定して前記相関関数計算を行い、前記光軸方向において前記物体光(O)が集光した位置(x1,y1,z1)を検出してその位置を、前記形状計測用の参照点(S1)に設定する、ことを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれか一項に記載の表面形状計測方法。
  • Applicant
  • ※All designated countries except for US in the data before July 2012
  • UNIVERSITY OF HYOGO
  • Inventor
  • SATO KUNIHIRO
IPC(International Patent Classification)
Specified countries National States: AE AG AL AM AO AT AU AZ BA BB BG BH BN BR BW BY BZ CA CH CL CN CO CR CU CZ DE DJ DK DM DO DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM GT HN HR HU ID IL IN IR IS JO JP KE KG KH KN KP KR KW KZ LA LC LK LR LS LU LY MA MD ME MG MK MN MW MX MY MZ NA NG NI NO NZ OM PA PE PG PH PL PT QA RO RS RU RW SA SC SD SE SG SK SL SM ST SV SY TH TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN ZA ZM ZW
ARIPO: BW GH GM KE LR LS MW MZ NA RW SD SL SZ TZ UG ZM ZW
EAPO: AM AZ BY KG KZ RU TJ TM
EPO: AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
OAPI: BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW KM ML MR NE SN ST TD TG

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