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JP2025008158A - Distance measurement device and distance measurement method - Google Patents

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JP2025008158A
JP2025008158A JP2023110091A JP2023110091A JP2025008158A JP 2025008158 A JP2025008158 A JP 2025008158A JP 2023110091 A JP2023110091 A JP 2023110091A JP 2023110091 A JP2023110091 A JP 2023110091A JP 2025008158 A JP2025008158 A JP 2025008158A
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JP
Japan
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distance
light
candidate
optical fiber
measurement
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Application number
JP2023110091A
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Japanese (ja)
Inventor
祐基 水嶋
Yuki Mizushima
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.)
Shizuoka University NUC
Original Assignee
Shizuoka University NUC
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Publication date
Application filed by Shizuoka University NUC filed Critical Shizuoka University NUC
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Abstract

To obtain a desired measurable range.SOLUTION: A distance measuring device 1 includes: a light source unit 3 for generating measurement light L1; one optical fiber 2 that applies irradiation light L2 as one portion of the measurement light L1 to a measurement object surface 9a and includes an optical fiber end face 2a for reflecting end face reflection light L3 as the remainder of the measurement light L1; a spectroscope 51 for obtaining a spectrum of interference light L5 generated by interference between return light L4 and the end face reflection light L3 while the return light L4 impinges on the optical fiber 2 again after the irradiation light L2 is reflected on the measurement object surface 9a; and a computer 6 for obtaining distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement object surface 9a by using the spectrum of the interference light L5.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、距離計測装置及び距離計測方法に関する。 The present invention relates to a distance measurement device and a distance measurement method.

本願発明者らによる特許文献1は、光ファイバを用いて液膜の厚さを得る技術を開示する。この技術は、移動する液膜に向けて光ファイバから計測光を出射する。そして、液膜気液界面において反射して再び光ファイバに入射する光の光強度を得る。光ファイバに戻る光の光強度は、計測光を出射する光ファイバの端面から液膜気液界面までの距離に応じて減衰する。従って、どの程度の光強度の減衰を生じたかを知ることによって、光ファイバの端面から液膜気液界面までの距離を知ることができる。 Patent Document 1 by the present inventors discloses a technique for obtaining the thickness of a liquid film using an optical fiber. In this technique, measurement light is emitted from an optical fiber toward a moving liquid film. Then, the light intensity of the light that is reflected at the liquid film gas-liquid interface and enters the optical fiber again is obtained. The light intensity of the light that returns to the optical fiber attenuates according to the distance from the end face of the optical fiber that emits the measurement light to the liquid film gas-liquid interface. Therefore, by knowing the degree of attenuation of the light intensity, the distance from the end face of the optical fiber to the liquid film gas-liquid interface can be known.

特開2022-77303号公報JP 2022-77303 A

微小な膜厚や微小な距離を計測する技術分野において、計測対象とする範囲はさまざまである。しかし、光強度を利用する計測手法では、外乱の影響を受けやすいなどの理由より距離を得ることができる計測対象範囲が制限されることあった。 In technical fields where minute film thicknesses and minute distances are measured, the range of the measurement target varies widely. However, with measurement methods that use light intensity, the measurement range from which distance can be obtained is often limited due to factors such as susceptibility to disturbances.

そこで、本発明は、所望の計測対象範囲における距離を得ることができる距離計測装置及び距離計測方法を提供する。 Therefore, the present invention provides a distance measurement device and a distance measurement method that can obtain the distance in a desired measurement range.

本発明の一形態である距離計測装置は、計測光を発生する光源と、計測光の一部である照射光を計測対象面に照射すると共に計測光の残りである反射光を反射する光ファイバ端面を含む1本の光ファイバと、照射光が計測対象面において反射した後に再び光ファイバに入射した戻り光であって、戻り光と反射光とが干渉して生じる干渉光のスペクトルを得る分光部と、干渉光のスペクトルを用いて、光ファイバ端面から計測対象面までの距離を得る距離取得部と、を備える。 A distance measurement device according to one embodiment of the present invention includes a light source that generates measurement light, an optical fiber that irradiates a measurement target surface with illumination light that is a part of the measurement light and that includes an optical fiber end face that reflects reflected light that is the remainder of the measurement light, a spectroscopic section that obtains a spectrum of interference light that is generated by interference between the return light and the reflected light, which is return light that is reflected by the measurement target surface and then re-enters the optical fiber, and a distance acquisition section that obtains the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface using the spectrum of the interference light.

本発明の別の形態である距離計測方法は、光源が発生した計測光の一部である照射光を計測対象面に照射すると共に計測光の残りである反射光を反射する光ファイバ端面を含む1本の光ファイバから照射光を計測対象物に向けて出射するステップと、照射光が計測対象面において反射した後に再び光ファイバに入射した戻り光であって、戻り光と反射光とが干渉して生じる干渉光のスペクトルを得るステップと、干渉光のスペクトルを用いて、光ファイバ端面から計測対象面までの距離を得るステップと、を有する。 A distance measurement method according to another embodiment of the present invention includes the steps of irradiating a surface to be measured with illumination light, which is a portion of the measurement light generated by a light source, and emitting the illumination light toward the object to be measured from an optical fiber including an end face of the optical fiber that reflects reflected light, which is the remainder of the measurement light; obtaining a spectrum of interference light that is generated by interference between the return light and the reflected light, which is return light that is reflected by the surface to be measured and then reenters the optical fiber; and obtaining the distance from the end face of the optical fiber to the surface to be measured using the spectrum of interference light.

距離計測装置及び距離計測方法は、光ファイバ端面で生じる反射光と、計測対象面で生じる照射光の反射に起因して再び光ファイバに入射する戻り光と、が干渉して生じる干渉光を得る。そして、距離計測部は、干渉光のスペクトルを用いて、光ファイバ端面から計測対象面までの距離を得る。干渉光のスペクトルは、干渉光の光強度に比べて外乱の影響を受けにくい。従って、干渉光の光強度を用いた距離計測に適さない計測対象範囲における距離を得ることができる。 The distance measurement device and distance measurement method obtain interference light that is generated by interference between reflected light generated at the end face of the optical fiber and return light that reenters the optical fiber due to reflection of the irradiated light generated at the measurement target surface. The distance measurement unit then obtains the distance from the end face of the optical fiber to the measurement target surface using the spectrum of the interference light. The spectrum of the interference light is less susceptible to disturbances than the light intensity of the interference light. Therefore, it is possible to obtain the distance in a measurement target range that is not suitable for distance measurement using the light intensity of the interference light.

一形態の距離計測装置は、干渉光の光強度を得る光強度取得部をさらに備えてもよい。距離取得部は、干渉光のスペクトルを用いて第1候補距離を得る第1候補距離取得部と、干渉光の光強度を用いて第2候補距離を得る第2候補距離取得部と、第1候補距離又は第2候補距離のいずれかを光ファイバ端面から計測対象面までの距離として選択する距離出力部と、を含んでもよい。この構成によれば、干渉光のスペクトルを用いた距離計測が適切である計測対象範囲と、干渉光の光強度を用いた距離計測が適切である計測対象範囲と、を合算した広い計測対象範囲を得ることができる。 The distance measurement device of one embodiment may further include a light intensity acquisition unit that acquires the light intensity of the interference light. The distance acquisition unit may include a first candidate distance acquisition unit that acquires a first candidate distance using the spectrum of the interference light, a second candidate distance acquisition unit that acquires a second candidate distance using the light intensity of the interference light, and a distance output unit that selects either the first candidate distance or the second candidate distance as the distance from the end face of the optical fiber to the measurement target surface. With this configuration, it is possible to obtain a wide measurement target range that combines the measurement target range in which distance measurement using the spectrum of the interference light is appropriate and the measurement target range in which distance measurement using the light intensity of the interference light is appropriate.

一形態の距離計測装置における距離取得部は、第1候補距離取得部によって第1候補距離を得る動作と、第2候補距離取得部によって第2候補距離を得る動作と、距離出力部が干渉光の光強度と閾値とを比較して、干渉光の光強度が閾値以上である場合に第1候補距離を光ファイバ端面から計測対象面までの距離として選択する動作と、干渉光の光強度が閾値未満である場合に、第2候補距離を光ファイバ端面から計測対象面までの距離として選択する動作と、を実行してもよい。この動作によれば、光ファイバ端面から計測対象面までの距離として第1候補距離及び第2候補距離のいずれかを容易に選択することができる。 The distance acquisition unit in one embodiment of the distance measurement device may perform the following operations: an operation of acquiring a first candidate distance by a first candidate distance acquisition unit; an operation of acquiring a second candidate distance by a second candidate distance acquisition unit; an operation of the distance output unit comparing the light intensity of the interference light with a threshold value, and selecting the first candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface if the light intensity of the interference light is equal to or greater than the threshold value; and an operation of selecting the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface if the light intensity of the interference light is less than the threshold value. This operation makes it easy to select either the first candidate distance or the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface.

一形態の距離計測装置における距離取得部は、距離出力部が干渉光の光強度と閾値とを比較する動作と、干渉光の光強度が閾値以上である場合に、第1候補距離取得部によって第1候補距離を得て、第1候補距離を光ファイバ端面から計測対象面までの距離として出力する動作と、干渉光の光強度が閾値未満である場合に、第2候補距離取得部によって第2候補距離を得て、第2候補距離を光ファイバ端面から計測対象面までの距離として出力する動作と、を実行してもよい。この動作によっても、光ファイバ端面から計測対象面までの距離として第1候補距離及び第2候補距離のいずれかを容易に出力することができる。 The distance acquisition unit in one embodiment of the distance measurement device may perform the following operations: the distance output unit compares the light intensity of the interference light with a threshold; if the light intensity of the interference light is equal to or greater than the threshold, the first candidate distance acquisition unit acquires a first candidate distance and outputs the first candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface; and if the light intensity of the interference light is less than the threshold, the second candidate distance acquisition unit acquires a second candidate distance and outputs the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface. This operation also makes it possible to easily output either the first candidate distance or the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface.

一形態の距離計測装置における距離取得部は、照射光をファイバ端面から出射しないときに光強度取得部が出力するノイズ信号の強度に基づいて、ノイズ信号に由来して第2候補距離に重畳される不確かさを示す誤差距離を得る誤差距離取得部と、第2候補距離に占める誤差距離の割合を得る誤差評価値を得る評価値取得部と、を含んでもよい。この構成によれば、光強度とは異なる視点の閾値によって第1候補距離及び第2候補距離のいずれかを選択することができる。 The distance acquisition unit in one embodiment of the distance measurement device may include an error distance acquisition unit that acquires an error distance indicating the uncertainty derived from the noise signal and superimposed on the second candidate distance based on the intensity of the noise signal output by the light intensity acquisition unit when the irradiation light is not emitted from the fiber end face, and an evaluation value acquisition unit that acquires an error evaluation value that obtains the proportion of the error distance in the second candidate distance. With this configuration, it is possible to select either the first candidate distance or the second candidate distance based on a threshold value of a viewpoint different from the light intensity.

一形態の距離計測装置における距離取得部は、第1候補距離取得部によって第1候補距離を得る動作と、第2候補距離取得部によって第2候補距離を得る動作と、距離出力部が誤差評価値と閾値とを比較して、誤差評価値が閾値以上である場合に第1候補距離を光ファイバ端面から計測対象面までの距離として選択する動作と、誤差評価値が閾値未満である場合に、第2候補距離を光ファイバ端面から計測対象面までの距離として選択する動作と、を実行してもよい。この動作によっても、光ファイバ端面から計測対象面までの距離として第1候補距離及び第2候補距離のいずれかを容易に選択することができる。 The distance acquisition unit in one embodiment of the distance measurement device may perform the following operations: an operation of acquiring a first candidate distance by a first candidate distance acquisition unit; an operation of acquiring a second candidate distance by a second candidate distance acquisition unit; an operation of the distance output unit comparing an error evaluation value with a threshold value, and selecting the first candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface if the error evaluation value is equal to or greater than the threshold value; and an operation of selecting the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface if the error evaluation value is less than the threshold value. This operation also makes it easy to select either the first candidate distance or the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface.

一形態の距離計測装置における距離出力部は、距離出力部が干渉光の光強度と閾値とを比較する動作と、誤差評価値が閾値以上である場合に、第1候補距離取得部によって第1候補距離を得て、第1候補距離を光ファイバ端面から計測対象面までの距離として出力する動作と、誤差評価値が閾値未満である場合に、第2候補距離取得部によって第2候補距離を得て、第2候補距離を光ファイバ端面から計測対象面までの距離として出力する動作と、を実行してもよい。この動作によっても、光ファイバ端面から計測対象面までの距離として第1候補距離及び第2候補距離のいずれかを容易に出力することができる。 The distance output unit in one embodiment of the distance measurement device may perform the following operations: the distance output unit compares the light intensity of the interference light with a threshold; if the error evaluation value is equal to or greater than the threshold, the first candidate distance acquisition unit obtains a first candidate distance and outputs the first candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface; and if the error evaluation value is less than the threshold, the second candidate distance acquisition unit obtains a second candidate distance and outputs the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface. This operation also makes it possible to easily output either the first candidate distance or the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface.

本発明によれば、所望の計測可能範囲を得ることができる距離計測装置及び距離計測方法が提供される。 The present invention provides a distance measurement device and a distance measurement method that can obtain a desired measurable range.

図1は、実施形態の距離計測装置の構成要素を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing components of a distance measuring device according to an embodiment. 図2(a)は、実施形態の距離計測装置を液膜の計測に適用した場合の構成を示す図である。図2(b)は、実施形態の距離計測装置を計測対象物までの距離の計測に適用した場合の構成を示す図である。Fig. 2A is a diagram showing a configuration in which the distance measurement device according to the embodiment is applied to measurement of a liquid film, and Fig. 2B is a diagram showing a configuration in which the distance measurement device according to the embodiment is applied to measurement of a distance to a measurement target. 図3は、図1に示すコンピュータの構成要素を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating components of the computer shown in FIG. 図4は、計測対象面までの距離と信号強度との関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the distance to the measurement target surface and the signal intensity. 図5は、図1に示すコンピュータが実行する距離計測方法を示すフロー図である。FIG. 5 is a flowchart showing a distance measuring method executed by the computer shown in FIG. 図6(a)は、光検出器の出力信号に重畳するノイズを示すグラフである。図6(b)は、図6(a)に示すノイズが距離に及ぼす影響を説明するグラフである。Fig. 6(a) is a graph showing noise superimposed on the output signal of the photodetector, and Fig. 6(b) is a graph explaining the effect of the noise shown in Fig. 6(a) on distance. 図7は、変形例の距離計測装置の構成要素を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing components of a distance measuring device according to a modified example. 図8は、図7に示すコンピュータが実行する距離計測方法を示すフロー図である。FIG. 8 is a flowchart showing a distance measuring method executed by the computer shown in FIG. 図9は、さらに別の変形例である距離計測装置の構成要素を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing components of a distance measurement device according to still another modified example. 図10は、変形例の距離計測装置が実施する距離計測方法を示すフロー図である。FIG. 10 is a flowchart showing a distance measuring method performed by the distance measuring device of the modified example. 図11は、実施例の結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the results of the example.

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Below, the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In the description of the drawings, the same elements are given the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.

図1は、距離計測装置1を模式的に示す図である。距離計測装置1は、1本の光ファイバ2から計測対象物9に向けて計測光を出射する。距離計測装置1は、計測対象物9で反射されて、光ファイバ2に戻る戻り光を得る。そして、距離計測装置1は、戻り光を用いて計測対象物9までの距離を得る。 Figure 1 is a diagram showing a schematic diagram of a distance measurement device 1. The distance measurement device 1 emits measurement light from a single optical fiber 2 toward a measurement object 9. The distance measurement device 1 obtains return light that is reflected by the measurement object 9 and returns to the optical fiber 2. The distance measurement device 1 then obtains the distance to the measurement object 9 using the return light.

距離計測装置1の適用先として、例えば、半導体製造プロセスが挙げられる。半導体の製造プロセスでは、ウェハの回転を伴う処理が多い。ウェハを回転させるときには、ウェハの偏心や傾斜を抑制するためのウェハアライメントが重要である。さらに、今後の半導体チップにおける集積度の向上に伴い、ウェハ面内の不均一な汚染やレジスト材などのふちだれを防止することも重要になることが予想される。つまり、ウェハアライメントの重要性は、今後ますます高まることが予想されている。この場合において、ウェハアライメントを評価するためには、マイクロメートルレベルの測定精度が要求され、さらにはサブマイクロメートルレベルの測定精度が要求されることも予想される。さらに、ウェハの回転に伴う振動の計測のニーズも生じることが予想される。 The distance measurement device 1 can be applied, for example, to semiconductor manufacturing processes. Many processes in semiconductor manufacturing processes involve the rotation of wafers. When rotating the wafer, wafer alignment is important to suppress eccentricity and tilt of the wafer. Furthermore, as the integration density of semiconductor chips increases in the future, it is expected that it will become more important to prevent uneven contamination within the wafer surface and edge dripping of resist material. In other words, the importance of wafer alignment is expected to increase in the future. In this case, it is expected that measurement accuracy at the micrometer level, and even sub-micrometer level, will be required to evaluate wafer alignment. Furthermore, it is expected that a need will arise to measure vibrations associated with wafer rotation.

具体的には、半導体製造プロセスでは、レジスト膜の形成(塗膜)、ウェハの研磨、ウェハの洗浄などの工程において、ウェハの傾斜や平坦度をその場で計測することが望まれる。これらの工程において、距離計測装置1を用いてレジスト膜の膜厚や、ウェハまでの距離を計測した結果に基づいてウェハの傾斜や平坦度を得る。また、ウェハまでの距離を計測した結果を、ウェハの位置決め精度を確認するために用いることもあり得る。位置決め精度の確認という視点からすれば、計測対象は半導体ウェハに限定されず、磁気ディスク基板や精密機械加工などの分野にも適用してもよい。さらには、軸受の隙間をその場で観察するために距離計測装置1を用いることもできる。 Specifically, in the semiconductor manufacturing process, it is desirable to measure the tilt and flatness of the wafer on-site during processes such as forming a resist film (coating), polishing the wafer, and cleaning the wafer. In these processes, the distance measurement device 1 is used to measure the thickness of the resist film and the distance to the wafer, and the tilt and flatness of the wafer are obtained based on the results. The results of measuring the distance to the wafer may also be used to check the positioning accuracy of the wafer. From the perspective of checking the positioning accuracy, the measurement target is not limited to semiconductor wafers, and may also be applied to fields such as magnetic disk substrates and precision machining. Furthermore, the distance measurement device 1 can also be used to observe the bearing gap on-site.

距離計測装置1及び距離計測方法は、これらのニーズに対応することが可能なものとして鋭意検討された結果、得たものである。 The distance measurement device 1 and distance measurement method were developed as a result of extensive research into a method that could meet these needs.

まず、「計測対象物9までの距離」について、2つ例を提示する。本実施形態でいう「距離」は、図2(a)に例示する計測対象物9の「厚さ」と、図2(b)に例示する計測対象物9までの「距離」と、を含む。なお、図2(a)及び図2(b)の例示では、光ファイバ端面2aから出射される光及び反射される光は、光ファイバ2の光軸に対して傾けて図示されている。これは、説明の便宜上のものである。光ファイバ端面2aから出射される光及び反射される光は、光ファイバ2の光軸に対して平行であってもよいし、傾いていてもよい。例えば、光ファイバ端面2aから出射される光及び反射される光は、光ファイバ2の光軸に対して略平行であってもよい。換言すると、光ファイバ端面2aから出射される光及び反射される光は、光ファイバ端面2aに対して略垂直であってもよい。 First, two examples of the "distance to the measurement object 9" are presented. The "distance" in this embodiment includes the "thickness" of the measurement object 9 illustrated in FIG. 2(a) and the "distance" to the measurement object 9 illustrated in FIG. 2(b). In the examples of FIG. 2(a) and FIG. 2(b), the light emitted from the optical fiber end face 2a and the reflected light are illustrated tilted with respect to the optical axis of the optical fiber 2. This is for convenience of explanation. The light emitted from the optical fiber end face 2a and the reflected light may be parallel to the optical axis of the optical fiber 2 or tilted. For example, the light emitted from the optical fiber end face 2a and the reflected light may be approximately parallel to the optical axis of the optical fiber 2. In other words, the light emitted from the optical fiber end face 2a and the reflected light may be approximately perpendicular to the optical fiber end face 2a.

第1に、距離計測装置1は、図2(a)に例示する液膜の厚さ(以下「膜厚」と称する)を得る。つまり、「計測対象物9」とは、液体91であり、「計測対象面までの距離」とは、光ファイバ2の光ファイバ端面2aから気液界面91a(計測対象面9a)までの距離である。液体91が流れる流路の底面101と光ファイバ端面2aとが相互に一致する場合には、光ファイバ端面2aから気液界面91aまでの距離は、液体91の気液界面91aから液固界面91bまでの距離9H、すなわち「膜厚」である。 First, the distance measurement device 1 obtains the thickness of the liquid film (hereinafter referred to as the "film thickness") as shown in FIG. 2(a). In other words, the "measurement object 9" is the liquid 91, and the "distance to the measurement target surface" is the distance from the optical fiber end face 2a of the optical fiber 2 to the gas-liquid interface 91a (measurement target surface 9a). When the bottom surface 101 of the flow path through which the liquid 91 flows and the optical fiber end face 2a are coincident with each other, the distance from the optical fiber end face 2a to the gas-liquid interface 91a is the distance 9H from the gas-liquid interface 91a to the liquid-solid interface 91b of the liquid 91, that is, the "film thickness".

液膜の厚さを得るために距離計測装置1を適用する例示としては、例えば、ウェハ表面にレジスト液を塗布する工程があり得る。また、液膜の厚さを得るために距離計測装置1を適用する例示としては、火力発電等に用いるガスタービンにおいて、静翼に付着する液体(水)の観察もあり得る。例えば、発電機タービン内面の複数個所に本実施形態の距離計測装置1を配置する。この構成によると、複数点のリアルタイムでの連続計測による液膜面の傾斜移動計測及び/又は振幅計測等が可能となる。 An example of an application of the distance measurement device 1 to obtain the thickness of a liquid film may be, for example, a process of applying a resist liquid to the surface of a wafer. Another example of an application of the distance measurement device 1 to obtain the thickness of a liquid film may be the observation of liquid (water) adhering to a stationary blade in a gas turbine used for thermal power generation or the like. For example, the distance measurement device 1 of this embodiment is disposed at multiple locations on the inner surface of a generator turbine. With this configuration, it becomes possible to measure the tilt movement and/or amplitude of the liquid film surface by continuous measurement at multiple points in real time.

第2に、距離計測装置1は、図2(b)に例示する物体92までの隔たり(以下「離間距離」と称する)を得る。つまり、「計測対象物9」とは、物体92であり、「計測対象面までの距離とは、光ファイバ端面2aから物体92の表面92aまでの距離9Hである。物体92の例示は、シリコンウェハである。 Secondly, the distance measurement device 1 obtains the distance to the object 92 (hereinafter referred to as the "separation distance") as shown in FIG. 2(b). In other words, the "measurement object 9" is the object 92, and the "distance to the measurement object surface" is the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the surface 92a of the object 92. An example of the object 92 is a silicon wafer.

距離計測装置1は、計測対象物9に対する設置態様によって、2つの距離測定の態様を任意に選択することができる。従って、図2(a)に示す膜厚を計測する態様と、図2(b)に示す離間距離を計測する態様と、において、距離計測装置1の構成上の相違はない。 The distance measurement device 1 can arbitrarily select between two distance measurement modes depending on the installation mode relative to the measurement object 9. Therefore, there is no difference in the configuration of the distance measurement device 1 between the mode for measuring the film thickness shown in FIG. 2(a) and the mode for measuring the separation distance shown in FIG. 2(b).

以下の説明において用いるいくつかの光について述べる。以下の説明では、「計測光L1」、「照射光L2」、「端面反射光L3」、「戻り光L4」、「干渉光L5」を例示する。計測光L1は、後述する光源ユニット3が発生する光である。計測光L1は、あらかじめ定めた特定の波長のみを含む特定波長成分と、複数の波長を含み実質的に波長ごとに強度の偏りがない白色光成分とを含む。計測光L1は、光ファイバ端面2aにおいて、その一部が外部に出射され、残りが反射する。外部に出射される光は、照射光L2である。反射される光は、端面反射光L3である。 Several types of light used in the following explanation will be described. In the following explanation, "measurement light L1", "illumination light L2", "end surface reflected light L3", "return light L4", and "interference light L5" will be exemplified. Measurement light L1 is light generated by light source unit 3, which will be described later. Measurement light L1 includes a specific wavelength component that includes only a specific predetermined wavelength, and a white light component that includes multiple wavelengths and has substantially no bias in intensity for each wavelength. A portion of measurement light L1 is emitted to the outside, and the remainder is reflected at optical fiber end surface 2a. The light emitted to the outside is illumination light L2. The light that is reflected is end surface reflected light L3.

照射光L2は、計測対象物9に至り、計測対象物9の気液界面91a(図2(a)参照)又は物体92の表面92a(図2(b)参照)で反射される。反射された照射光L2の一部又は全部は、光ファイバ端面2aから再び光ファイバ2のコア21に入射する。光ファイバ端面2aから再び光ファイバ2のコア21に入射した光は、戻り光L4である。戻り光L4及び端面反射光L3は、コア21内において互いに干渉する。戻り光L4及び端面反射光L3が互いに干渉した光は、干渉光L5である。 The irradiation light L2 reaches the measurement object 9 and is reflected by the gas-liquid interface 91a (see FIG. 2(a)) of the measurement object 9 or the surface 92a (see FIG. 2(b)) of the object 92. A part or all of the reflected irradiation light L2 enters the core 21 of the optical fiber 2 again from the optical fiber end face 2a. The light that enters the core 21 of the optical fiber 2 again from the optical fiber end face 2a is the return light L4. The return light L4 and the end face reflected light L3 interfere with each other within the core 21. The light that results from the interference between the return light L4 and the end face reflected light L3 is the interference light L5.

再び図1を参照する。図1に示すように、距離計測装置1は、光源ユニット3と、導光ユニット4と、光ファイバ2と、受光ユニット5と、コンピュータ6と、を有する。 Refer back to FIG. 1. As shown in FIG. 1, the distance measurement device 1 has a light source unit 3, a light guide unit 4, an optical fiber 2, a light receiving unit 5, and a computer 6.

光源ユニット3は、コンピュータ6から受ける指令に応じて白色光L11及び特定波長光L12を発生すると共に、白色光L11及び特定波長光L12を導光ユニット4に渡す。導光ユニット4は、受けた白色光L11及び特定波長光L12を合波して計測光L1を生成し、計測光L1を光ファイバ2に渡す。光ファイバ2は、受光ユニット5から受けた計測光L1を計測対象物9に向けて出射する。光ファイバ2は、計測対象物9において反射した計測光L1を戻り光L4として受け入れる。そして、光ファイバ2は、戻り光L4及び端面反射光L3を含む干渉光L5を受光ユニット5に渡す。受光ユニット5は、干渉光L5に関する情報を取得し、当該情報をコンピュータ6に渡す。コンピュータ6は、干渉光L5に関する情報を利用して計測対象面9aまでの距離9Hを得る。 The light source unit 3 generates white light L11 and specific wavelength light L12 in response to a command received from the computer 6, and passes the white light L11 and specific wavelength light L12 to the light guide unit 4. The light guide unit 4 combines the received white light L11 and specific wavelength light L12 to generate measurement light L1, and passes the measurement light L1 to the optical fiber 2. The optical fiber 2 emits the measurement light L1 received from the light receiving unit 5 toward the measurement object 9. The optical fiber 2 receives the measurement light L1 reflected by the measurement object 9 as return light L4. The optical fiber 2 then passes the interference light L5, which includes the return light L4 and the end surface reflected light L3, to the light receiving unit 5. The light receiving unit 5 acquires information about the interference light L5 and passes the information to the computer 6. The computer 6 uses the information about the interference light L5 to obtain the distance 9H to the measurement object surface 9a.

光源ユニット3は、計測光L1を発生する。光源ユニット3は、コンピュータ6から渡される指令に基づいて、計測光L1の出射と停止とを切り替えてもよい。光源ユニット3には、導光ユニット4が光学的に接続されている。光源ユニット3は、白色光源31とレーザ光源32とを含む。白色光源31は、複数の波長を含み実質的に波長ごとに強度の偏りがない白色光L11を発生する。レーザ光源32は、あらかじめ定めた特定の波長のみを含む特定波長光L12を発生する。 The light source unit 3 generates measurement light L1. The light source unit 3 may switch between emitting and stopping measurement light L1 based on a command passed from the computer 6. The light source unit 3 is optically connected to the light guide unit 4. The light source unit 3 includes a white light source 31 and a laser light source 32. The white light source 31 generates white light L11 that includes multiple wavelengths and has substantially no bias in intensity for each wavelength. The laser light source 32 generates specific wavelength light L12 that includes only a predetermined specific wavelength.

導光ユニット4は、第1カプラ41、第2カプラ42、第3カプラ43を有する。導光ユニット4は、光源ユニット3から光ファイバ2へ光を渡す機能と、光ファイバ2から受光ユニット5に光を渡す機能と、を有する。 The light guide unit 4 has a first coupler 41, a second coupler 42, and a third coupler 43. The light guide unit 4 has a function of transmitting light from the light source unit 3 to the optical fiber 2, and a function of transmitting light from the optical fiber 2 to the light receiving unit 5.

まず、光源ユニット3から光ファイバ2へ光を渡す機能について説明する。第1カプラ41は、白色光源31及び第3カプラ43に接続されている。第1カプラ41は、白色光源31から受けた白色光L11を第3カプラ43に渡す。第2カプラ42は、レーザ光源32及び第3カプラ43に接続されている。第2カプラ42は、レーザ光源32から受けた特定波長光L12を第3カプラ43に渡す。第3カプラ43は、第1カプラ41から受けた白色光L11と第2カプラ42から受けた特定波長光L12とを合波する。白色光L11と特定波長光L12とが合波された結果、計測光L1が生じる。第3カプラ43は、光ファイバ2に接続されている。第3カプラ43は、光ファイバ2に計測光L1を渡す。 First, the function of passing light from the light source unit 3 to the optical fiber 2 will be described. The first coupler 41 is connected to the white light source 31 and the third coupler 43. The first coupler 41 passes the white light L11 received from the white light source 31 to the third coupler 43. The second coupler 42 is connected to the laser light source 32 and the third coupler 43. The second coupler 42 passes the specific wavelength light L12 received from the laser light source 32 to the third coupler 43. The third coupler 43 combines the white light L11 received from the first coupler 41 and the specific wavelength light L12 received from the second coupler 42. As a result of combining the white light L11 and the specific wavelength light L12, the measurement light L1 is generated. The third coupler 43 is connected to the optical fiber 2. The third coupler 43 passes the measurement light L1 to the optical fiber 2.

次に、光ファイバ2から光源ユニット3へ光を渡す機能について説明する。第3カプラ43は、光ファイバ2から干渉光L5を受ける。第3カプラ43は、第1カプラ41及び第2カプラ42のそれぞれに干渉光L5を渡す。第1カプラ41は、干渉光L5を分光器51に渡す。第2カプラ42は、光検出器52に干渉光L5を渡す。 Next, the function of passing light from the optical fiber 2 to the light source unit 3 will be described. The third coupler 43 receives the interference light L5 from the optical fiber 2. The third coupler 43 passes the interference light L5 to each of the first coupler 41 and the second coupler 42. The first coupler 41 passes the interference light L5 to the spectroscope 51. The second coupler 42 passes the interference light L5 to the photodetector 52.

光ファイバ2は、導光ユニット4の第3カプラ43に接続された光ファイバ基端と、計測対象物9に向く光ファイバ出射端と、を有する。光ファイバ出射端は、光ファイバ端面2a(図2(a)等参照)を含む。 The optical fiber 2 has an optical fiber base end connected to the third coupler 43 of the light guide unit 4, and an optical fiber output end facing the measurement object 9. The optical fiber output end includes an optical fiber end face 2a (see FIG. 2(a) etc.).

なお、図2(a)等に示す光ファイバ端面2aは、光ファイバ2の光軸に対して直交する。光ファイバ端面2aは、光ファイバ2の光軸に対して傾く斜面であってもよい。 The optical fiber end surface 2a shown in FIG. 2(a) etc. is perpendicular to the optical axis of the optical fiber 2. The optical fiber end surface 2a may be an inclined surface inclined with respect to the optical axis of the optical fiber 2.

受光ユニット5は、分光器51(分光部)と光検出器52(光強度取得部)とを有する。分光器51は、干渉光L5のスペクトルを得る。干渉光L5のスペクトルは、干渉光L5が含む波長ごとの光強度を示す。分光器51は、干渉光L5のスペクトルをコンピュータ6に渡す。以下の説明において、コンピュータ6が扱う干渉光L5のスペクトルを干渉光スペクトルデータD1と称する。光検出器52は、干渉光L5の光強度を得る。干渉光L5の光強度は、波長ごとの光強度の総和である。光検出器52は、干渉光L5の光強度をコンピュータに渡す。以下の説明において、コンピュータ6が扱う干渉光L5の光強度を干渉光強度データD2と称する。 The light receiving unit 5 has a spectroscope 51 (spectroscope section) and a photodetector 52 (light intensity acquisition section). The spectroscope 51 obtains the spectrum of the interference light L5. The spectrum of the interference light L5 indicates the light intensity for each wavelength contained in the interference light L5. The spectroscope 51 passes the spectrum of the interference light L5 to the computer 6. In the following description, the spectrum of the interference light L5 handled by the computer 6 is referred to as interference light spectrum data D1. The photodetector 52 obtains the light intensity of the interference light L5. The light intensity of the interference light L5 is the sum of the light intensities for each wavelength. The photodetector 52 passes the light intensity of the interference light L5 to the computer. In the following description, the light intensity of the interference light L5 handled by the computer 6 is referred to as interference light intensity data D2.

コンピュータ6は、光源ユニット3の動作を制御する指令を光源ユニット3に渡す。コンピュータ6は、受光ユニット5から受ける情報に基づいて計測対象面9aまでの距離9Hを得る。受光ユニット5から受ける情報とは、干渉光スペクトルデータD1及び干渉光強度データD2である。 The computer 6 sends commands to the light source unit 3 to control the operation of the light source unit 3. The computer 6 obtains the distance 9H to the measurement target surface 9a based on the information received from the light receiving unit 5. The information received from the light receiving unit 5 is the interference light spectrum data D1 and the interference light intensity data D2.

まず、図3を参照して、コンピュータ6のハードウェア構成について説明する。コンピュータ6は、CPU(Central Processing Unit)であるプロセッサ61と、主記憶部62と、メモリ63と、外部通信部64と、操作部65と、出力部66とを有する。コンピュータ6は、これらのハードウェアと、プログラム等のソフトウェアとにより構成されている。 First, the hardware configuration of the computer 6 will be described with reference to FIG. 3. The computer 6 has a processor 61, which is a CPU (Central Processing Unit), a main storage unit 62, a memory 63, an external communication unit 64, an operation unit 65, and an output unit 66. The computer 6 is composed of this hardware and software such as programs.

プロセッサ61は、オペレーティングシステムやアプリケーション・プログラムなどを実行する。主記憶部62は、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)により構成される。メモリ63は、ハードディスク及びフラッシュメモリなどにより構成される記憶媒体である。メモリ63は、一般的に主記憶部62よりも大量のデータを記憶する。操作部65は、キーボード、マウス、タッチパネル、及び、音声入力用マイクなどにより構成される。出力部66は、ディスプレイ及びプリンタなどにより構成される。例えば、コンピュータ6は、計測対象面9aまでの距離9H等をディスプレイ等に表示してもよい。 The processor 61 executes an operating system, application programs, etc. The main memory unit 62 is composed of a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory). The memory 63 is a storage medium composed of a hard disk, a flash memory, etc. The memory 63 generally stores a larger amount of data than the main memory unit 62. The operation unit 65 is composed of a keyboard, a mouse, a touch panel, a microphone for voice input, etc. The output unit 66 is composed of a display, a printer, etc. For example, the computer 6 may display the distance 9H to the measurement target surface 9a, etc. on a display, etc.

メモリ63は、あらかじめ、計測対象面9aまでの距離9Hを得るプログラムP1及び処理に必要なデータを格納している。計測対象面9aまでの距離9Hを得るプログラムP1は、計測対象面9aまでの距離9Hを得るためのいくつかの機能要素をコンピュータ6に実行させる。例えば、計測対象面9aまでの距離9Hを得るプログラムP1は、プロセッサ61又は主記憶部62によって読み込まれ、プロセッサ61、主記憶部62、メモリ63、外部通信部64、操作部65、及び出力部66の少なくとも1つを動作させる。 The memory 63 stores in advance a program P1 for obtaining the distance 9H to the measurement target surface 9a and data necessary for processing. The program P1 for obtaining the distance 9H to the measurement target surface 9a causes the computer 6 to execute several functional elements for obtaining the distance 9H to the measurement target surface 9a. For example, the program P1 for obtaining the distance 9H to the measurement target surface 9a is loaded by the processor 61 or the main memory unit 62, and causes at least one of the processor 61, the main memory unit 62, the memory 63, the external communication unit 64, the operation unit 65, and the output unit 66 to operate.

図1に示すように、プロセッサ61は、メモリ63から読み込んだ計測対象面9aまでの距離9Hを得るプログラムP1を実行することによって、第1候補距離取得部6a、第2候補距離取得部6b及び距離出力部6cとして機能する。 As shown in FIG. 1, the processor 61 functions as a first candidate distance acquisition unit 6a, a second candidate distance acquisition unit 6b, and a distance output unit 6c by executing a program P1 that obtains a distance 9H to the measurement target surface 9a read from the memory 63.

コンピュータ6は、干渉光スペクトルデータD1を用いて得た第1候補距離データD3と、干渉光強度データD2を用いて得た第2候補距離データD4と、をそれぞれ算出する。そして、コンピュータ6は、所定の判定条件を用いて、第1候補距離データD3及び第2候補距離データD4のいずれか一方を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。第1候補距離データD3は、比較的短い計測対象面9aまでの距離9Hの計測に適する。第2候補距離データD4は、比較的長い計測対象面9aまでの距離9Hの計測に適する。つまり、互いに計測に適した距離の範囲が異なっている。そして、所定の判定条件に基づく判定によって、第1候補距離データD3又は第2候補距離データD4を選ぶので、結果としてコンピュータ6が出力する計測対象面9aまでの距離9Hの範囲は、第1候補距離データD3が対象とする距離計測の範囲と、第2候補距離データD4が対象とする距離計測の範囲と、を合わせたものとなる。 The computer 6 calculates the first candidate distance data D3 obtained using the interference light spectrum data D1 and the second candidate distance data D4 obtained using the interference light intensity data D2. Then, the computer 6 selects either the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 as the distance 9H to the measurement target surface 9a using a predetermined judgment condition. The first candidate distance data D3 is suitable for measuring the distance 9H to the measurement target surface 9a, which is relatively short. The second candidate distance data D4 is suitable for measuring the distance 9H to the measurement target surface 9a, which is relatively long. In other words, the range of distances suitable for measurement differs from each other. Then, the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 is selected by judgment based on the predetermined judgment condition, so that the range of the distance 9H to the measurement target surface 9a output by the computer 6 is the combination of the range of distance measurement targeted by the first candidate distance data D3 and the range of distance measurement targeted by the second candidate distance data D4.

第1候補距離取得部6aは、メモリ63から干渉光スペクトルデータD1を読み出す。第1候補距離取得部6aは、干渉光スペクトルデータD1を用いて第1候補距離データD3を得る。そして、第1候補距離取得部6aは、第1候補距離データD3をメモリ63に格納する。 The first candidate distance acquisition unit 6a reads out the interference light spectrum data D1 from the memory 63. The first candidate distance acquisition unit 6a obtains the first candidate distance data D3 using the interference light spectrum data D1. Then, the first candidate distance acquisition unit 6a stores the first candidate distance data D3 in the memory 63.

干渉光スペクトルデータD1を用いて距離を得る手法として、例えば、いわゆる干渉分光法を用いてよい。干渉光L5のスペクトルは、照射光L2が伝わる媒質の屈折率と距離とに依存する。照射光L2が伝わる媒質とは、図2(a)の例示によれば液体であり、図2(b)の例示によれば空気である。そして、計測対象面9aまでの距離9Hと干渉光L5のスペクトルとの関係は、下記式(1)により定義される。
d=Δm/2n×(λ1×λ2/(λ1-λ2))・・・(1)
d:第1候補距離データD3。
Δm:干渉光スペクトルのピーク数。
n:媒質の屈折率。
λ1、λ2:波長。
As a method for obtaining the distance using the interference light spectrum data D1, for example, so-called interference spectroscopy may be used. The spectrum of the interference light L5 depends on the refractive index and distance of the medium through which the irradiation light L2 propagates. The medium through which the irradiation light L2 propagates is a liquid according to the example of FIG. 2(a), and is air according to the example of FIG. 2(b). The relationship between the distance 9H to the measurement target surface 9a and the spectrum of the interference light L5 is defined by the following formula (1).
d=Δm/2n×(λ1×λ2/(λ1-λ2))...(1)
d: first candidate distance data D3.
Δm: the number of peaks in the interference light spectrum.
n: refractive index of the medium.
λ1, λ2: wavelengths.

第2候補距離取得部6bは、メモリ63から干渉光強度データD2を読み出す。第2候補距離取得部6bは、干渉光強度データD2を用いて第2候補距離データD4を得る。そして、第2候補距離取得部6bは、第2候補距離データD4をメモリ63に格納する。干渉光強度データD2を用いて第2候補距離データD4を得る手法としては、本願発明者らによる特開2022-77303号公報に記載された手法を適用してよい。 The second candidate distance acquisition unit 6b reads out the interference light intensity data D2 from the memory 63. The second candidate distance acquisition unit 6b acquires the second candidate distance data D4 using the interference light intensity data D2. The second candidate distance acquisition unit 6b then stores the second candidate distance data D4 in the memory 63. The method of acquiring the second candidate distance data D4 using the interference light intensity data D2 may be the method described in JP 2022-77303 A by the present inventors.

距離出力部6cは、メモリ63から第1候補距離データD3、第2候補距離データD4及び干渉光強度データD2を得る。距離出力部6cは、所定の判定条件を用いて第1候補距離データD3又は第2候補距離データD4の一方を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。距離出力部6cは、計測対象面9aまでの距離9Hをメモリに格納する。 The distance output unit 6c obtains the first candidate distance data D3, the second candidate distance data D4, and the interference light intensity data D2 from the memory 63. The distance output unit 6c selects either the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 as the distance 9H to the measurement target surface 9a using a predetermined judgment condition. The distance output unit 6c stores the distance 9H to the measurement target surface 9a in the memory.

所定の判定条件として、「干渉光強度が強度閾値以上であるか?」を用いてよい。図4は、計測対象面9aまでの距離9Hと光検出器52から出力される信号強度を示す。つまり、光検出器52から出力される信号強度とは、つまり干渉光強度である。図4のグラフG4に示すように、計測対象面9aまでの距離9Hが大きくなるほど信号強度(干渉光強度)が弱まる。信号強度が大きいことは、S/N比などの観点からすれば有利である。しかし、信号強度が大きい範囲R1では、計測対象面9aまでの距離9Hの増加(又は減少)に対して、信号強度が大きく変化する。このような関係においては、信号強度に基づく計測対象面9aまでの距離9Hの算出は不利である。そこで、範囲R1のように信号強度の絶対値が大きく、計測対象面9aまでの距離9Hの増加(又は減少)に対して、信号強度が大きい範囲では、干渉光スペクトルデータD1に基づく第1候補距離データD3を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。一方、範囲R2のように信号強度の絶対値が小さく、計測対象面9aまでの距離9Hの増加(又は減少)に対して、信号強度が小さい範囲では、干渉光強度データD2に基づく第2候補距離データD4を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。 As a predetermined judgment condition, "Is the interference light intensity equal to or greater than the intensity threshold?" may be used. FIG. 4 shows the distance 9H to the measurement target surface 9a and the signal intensity output from the photodetector 52. In other words, the signal intensity output from the photodetector 52 is the interference light intensity. As shown in graph G4 of FIG. 4, the signal intensity (interference light intensity) weakens as the distance 9H to the measurement target surface 9a increases. A high signal intensity is advantageous from the viewpoint of S/N ratio, etc. However, in the range R1 where the signal intensity is high, the signal intensity changes significantly with an increase (or decrease) in the distance 9H to the measurement target surface 9a. In such a relationship, it is disadvantageous to calculate the distance 9H to the measurement target surface 9a based on the signal intensity. Therefore, in the range R1 where the absolute value of the signal intensity is large and the signal intensity is high with respect to an increase (or decrease) in the distance 9H to the measurement target surface 9a, the first candidate distance data D3 based on the interference light spectrum data D1 is selected as the distance 9H to the measurement target surface 9a. On the other hand, in a range such as range R2 where the absolute value of the signal strength is small and the signal strength is small relative to an increase (or decrease) in the distance 9H to the measurement target surface 9a, the second candidate distance data D4 based on the interference light intensity data D2 is selected as the distance 9H to the measurement target surface 9a.

つまり、信号強度(干渉光強度)に対して強度閾値VTHを設定する。信号強度が強度閾値VTHより大きい場合には、干渉光スペクトルデータD1に基づく第1候補距離データD3を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。一方、信号強度が強度閾値VTHより小さい場合には、干渉光強度データD2に基づく第2候補距離データD4を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。 That is, an intensity threshold VTH is set for the signal intensity (interference light intensity). When the signal intensity is greater than the intensity threshold VTH , first candidate distance data D3 based on the interference light spectrum data D1 is selected as the distance 9H to the measurement target surface 9a. On the other hand, when the signal intensity is less than the intensity threshold VTH , second candidate distance data D4 based on the interference light intensity data D2 is selected as the distance 9H to the measurement target surface 9a.

一例として、第1候補距離データD3が採用される距離の範囲は、1μm以上100μm未満としてよい。そして、第2候補距離データD4が採用される距離の範囲は、100μm以上としてよい。この場合には、第2候補距離データD4が100μmとなる信号強度(干渉光強度)が強度閾値VTHとして設定される。 As an example, the range of distances for which the first candidate distance data D3 is used may be 1 μm or more and less than 100 μm. The range of distances for which the second candidate distance data D4 is used may be 100 μm or more. In this case, the signal intensity (interference light intensity) at which the second candidate distance data D4 is 100 μm is set as the intensity threshold VTH .

また、第1候補距離データD3が採用される距離の範囲の一部と第2候補距離データD4が採用される距離の範囲の一部とが重複してもよい。例えば、50μm以上100μm未満の範囲は、第1候補距離データD3及び第2候補距離データD4のいずれを用いてもよいとすることも可能である。この場合には、第2候補距離データD4が50μmとなる信号強度が第1強度閾値として採用され、第2候補距離データD4が100μmとなる信号強度が第2強度閾値として採用される。そして、計測によって得た第2候補距離データD4が第1強度閾値以上である場合に、第1候補距離データD3を採用する。計測によって得た第2候補距離データD4が第2強度閾値未満である場合に、第2候補距離データD4を採用する。計測によって得た第2候補距離データD4が第1強度閾値未満第2強度閾値以上である場合に、第1候補距離データD3又は第2候補距離データD4の何れか一方を選択する。例えば、第2候補距離データD4が第1強度閾値未満第2強度閾値以上である場合に、第1候補距離データD3又は第2候補距離データD4のいずれを選択するかは予め定めてもよい。 In addition, a part of the distance range in which the first candidate distance data D3 is adopted and a part of the distance range in which the second candidate distance data D4 is adopted may overlap. For example, it is possible to use either the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 in the range of 50 μm or more and less than 100 μm. In this case, the signal strength at which the second candidate distance data D4 is 50 μm is adopted as the first intensity threshold, and the signal strength at which the second candidate distance data D4 is 100 μm is adopted as the second intensity threshold. Then, when the second candidate distance data D4 obtained by measurement is equal to or greater than the first intensity threshold, the first candidate distance data D3 is adopted. When the second candidate distance data D4 obtained by measurement is less than the second intensity threshold, the second candidate distance data D4 is adopted. When the second candidate distance data D4 obtained by measurement is less than the first intensity threshold and equal to or greater than the second intensity threshold, either the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 is selected. For example, if the second candidate distance data D4 is less than the first intensity threshold and greater than or equal to the second intensity threshold, it may be determined in advance whether the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 is to be selected.

<計測対象面9aまでの距離9Hを得る方法>
次に、図5を参照しながら、コンピュータ6が実行する計測対象面9aまでの距離9Hを得る方法について説明する。
<Method of Obtaining Distance 9H to Measurement Target Surface 9a>
Next, a method for obtaining the distance 9H to the measurement target surface 9a, which is executed by the computer 6, will be described with reference to FIG.

まず、計測対象面9aに向けて照射光L2を出射する(S11)。このステップS11は、コンピュータ6、光源ユニット3、導光ユニット4及び光ファイバ2によって行われる。 First, the irradiation light L2 is emitted toward the measurement target surface 9a (S11). This step S11 is performed by the computer 6, the light source unit 3, the light guide unit 4, and the optical fiber 2.

次に、干渉光スペクトルデータD1と干渉光強度データD2とを得る(S12)。このステップS12は、光ファイバ2、導光ユニット4、受光ユニット5及びコンピュータ6によって行われる。ステップS12の結果、干渉光スペクトルデータD1と干渉光強度データD2がメモリ63に格納される。 Next, the interference light spectrum data D1 and the interference light intensity data D2 are obtained (S12). This step S12 is performed by the optical fiber 2, the light guide unit 4, the light receiving unit 5, and the computer 6. As a result of step S12, the interference light spectrum data D1 and the interference light intensity data D2 are stored in the memory 63.

次に、第1候補距離データD3を得る(S13)。このステップS13は、第1候補距離取得部6aを構成するプロセッサ61及び干渉光強度データD2を格納するメモリ63によって行われる。ステップS13の結果、第1候補距離取得部6aは、第1候補距離データD3をメモリ63に格納する。 Next, first candidate distance data D3 is obtained (S13). This step S13 is performed by the processor 61 constituting the first candidate distance acquisition unit 6a and the memory 63 storing the interference light intensity data D2. As a result of step S13, the first candidate distance acquisition unit 6a stores the first candidate distance data D3 in the memory 63.

次に、第2候補距離データD4を得る(S14)。このステップS14は、第2候補距離取得部6bを構成するプロセッサ61及び干渉光スペクトルデータD1を格納するメモリ63によって行われる。ステップS14の結果、第2候補距離取得部6bは、第2候補距離データD4をメモリ63に格納する。 Next, second candidate distance data D4 is obtained (S14). This step S14 is performed by the processor 61 constituting the second candidate distance acquisition unit 6b and the memory 63 storing the interference light spectrum data D1. As a result of step S14, the second candidate distance acquisition unit 6b stores the second candidate distance data D4 in the memory 63.

次に、計測対象面9aまでの距離9Hとして第1候補距離データD3又は第2候補距離データD4のいずれかを選択する(S15)。このステップS15は、距離出力部6cを構成するプロセッサ61及び、第1候補距離データD3、第2候補距離データD4及び干渉光強度データD2を格納するメモリ63によって行われる。ステップS15の結果、距離出力部6cは、選択した候補距離を計測対象面9aまでの距離9Hとしてメモリ63に格納する。 Next, either the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 is selected as the distance 9H to the measurement target surface 9a (S15). This step S15 is performed by the processor 61 constituting the distance output unit 6c, and the memory 63 storing the first candidate distance data D3, the second candidate distance data D4, and the interference light intensity data D2. As a result of step S15, the distance output unit 6c stores the selected candidate distance in the memory 63 as the distance 9H to the measurement target surface 9a.

<作用効果>
従来、微小な距離を計測する方式は、いくつか存在する。例えば、微小な距離を計測する方式として、超音波エコー方式、飛行時間に基づく光学方式、共焦点に基づく光学方式、渦電流や静電容量に基づく電気方式などが例示できる。しかし、これらの方式には固有の特徴を有する。超音波エコー方式は、比較的長い距離(メートル単位)の計測は得意であるが、微小な距離(マイクロメートル単位)の計測や高速な計測が不得意である。飛行時間に基づく光学方式は、比較的長い距離(メートル単位)の計測には有利であるが、微小な距離(マイクロメートル単位)の計測には不利である。共焦点に基づく光学方式は、比較的短い距離(マイクロメートル単位)の計測に用いることができるが、ナノオーダー単位の分解能に関して課題がある。また、ゼロ点補正や高速計測が不利であるという課題もある。渦電流や静電容量に基づく電気方式は、比較的短い距離(マイクロメートル単位)の計測が可能であり実績も多い。しかし、測定空間の外乱を受けやすいという課題を有しており、測定結果に及ぼす外乱の影響を抑制するための校正作業が必須である。
<Action and effect>
Conventionally, there are several methods for measuring minute distances. For example, examples of methods for measuring minute distances include an ultrasonic echo method, an optical method based on time of flight, an optical method based on confocal, and an electrical method based on eddy current or capacitance. However, these methods have their own unique characteristics. The ultrasonic echo method is good at measuring relatively long distances (in meters), but is not good at measuring minute distances (in micrometers) or at high speed. The optical method based on time of flight is advantageous for measuring relatively long distances (in meters), but is disadvantageous for measuring minute distances (in micrometers). The optical method based on confocal can be used to measure relatively short distances (in micrometers), but has issues with nano-order resolution. In addition, there is also an issue that it is disadvantageous in zero point correction and high-speed measurement. The electrical method based on eddy current or capacitance is capable of measuring relatively short distances (in micrometers) and has a proven track record. However, it has an issue of being easily affected by disturbances in the measurement space, and calibration work is essential to suppress the effects of disturbances on the measurement results.

そこで、本実施形態の距離計測装置1は、上記の方式が不得意としている較的短い距離(マイクロメートル単位)の計測を計測範囲とする。実施形態の距離計測装置1の計測対象範囲は、一例として、10nm以上100μm未満である。さらに、実施形態の距離計測装置1の計測対象範囲は、一例として、10nm以上1mm未満とすることもできる。そのうえ、距離計測装置1は、ゼロ点補正や校正の必要もなく、且つ高速計測も可能である。例えば、実施形態の距離計測装置1のサンプリング周波数は、例えば100kHzとすることも可能である。要するに、本実施形態の距離計測装置1は、微小変位をその場でモニタリングすることが可能である。本実施形態の距離計測装置1は、ひとつの計測対象物9について複数の箇所において距離を計測することにより、計測対象物9の傾きを得ることが可能である。さらに、高速に距離の情報を得ることが可能であるので、計測対象物9の振動計測に用いることも可能である。 Therefore, the distance measuring device 1 of the present embodiment has a measurement range of relatively short distances (in micrometers), which is a weakness of the above-mentioned method. The measurement target range of the distance measuring device 1 of the present embodiment is, for example, 10 nm or more and less than 100 μm. Furthermore, the measurement target range of the distance measuring device 1 of the present embodiment can be, for example, 10 nm or more and less than 1 mm. Furthermore, the distance measuring device 1 does not require zero point correction or calibration, and can also measure at high speed. For example, the sampling frequency of the distance measuring device 1 of the present embodiment can be, for example, 100 kHz. In short, the distance measuring device 1 of the present embodiment can monitor minute displacements on the spot. The distance measuring device 1 of the present embodiment can obtain the inclination of a measurement target 9 by measuring the distance at multiple points for one measurement target 9. Furthermore, since distance information can be obtained at high speed, it can also be used to measure the vibration of the measurement target 9.

つまり、距離計測装置1は、計測光L1を発生する光源ユニット3と、計測光L1の一部である照射光L2を計測対象面9aに照射すると共に計測光L1の残りである端面反射光L3を反射する光ファイバ端面2aを含む1本の光ファイバ2と、照射光L2が計測対象面9aにおいて反射した後に再び光ファイバ2に入射した戻り光L4であって、戻り光L4と端面反射光L3とが干渉して生じる干渉光L5のスペクトルを得る分光器51と、干渉光L5のスペクトルを用いて、光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hを得るコンピュータ6と、を備える。 In other words, the distance measurement device 1 includes a light source unit 3 that generates measurement light L1, an optical fiber 2 that irradiates the measurement target surface 9a with irradiation light L2, which is a part of the measurement light L1, and includes an optical fiber end face 2a that reflects end face reflected light L3, which is the remainder of the measurement light L1, a spectroscope 51 that obtains the spectrum of interference light L5 that is generated by interference between the return light L4 and the end face reflected light L3, which is return light L4 that is reflected by the measurement target surface 9a and then re-enters the optical fiber 2, and a computer 6 that obtains the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a using the spectrum of interference light L5.

距離計測方法は、光源ユニット3が発生した計測光L1の一部である照射光L2を計測対象面9aに照射すると共に計測光L1の残りである端面反射光L3を反射する光ファイバ端面2aを含む1本の光ファイバ2から照射光L2を計測対象物9に向けて出射するステップS11と、照射光L2が計測対象面9aにおいて反射した後に再び光ファイバ2に入射した戻り光L4であって、戻り光L4と端面反射光L3とが干渉して生じる干渉光L5のスペクトルを得るステップS12と、干渉光L5のスペクトルを用いて、光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hを得るステップS13~S17と、を有する。 The distance measurement method includes step S11 of irradiating the measurement target surface 9a with irradiation light L2, which is a part of the measurement light L1 generated by the light source unit 3, and emitting the irradiation light L2 toward the measurement target 9 from an optical fiber 2 including an optical fiber end face 2a that reflects the end face reflected light L3, which is the remainder of the measurement light L1; step S12 of obtaining a spectrum of interference light L5, which is return light L4 that is reflected by the measurement target surface 9a and then re-enters the optical fiber 2, and is generated by interference between the return light L4 and the end face reflected light L3; and steps S13 to S17 of obtaining a distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a using the spectrum of interference light L5.

距離計測装置1及び距離計測方法は、光ファイバ端面2aで生じる端面反射光L3と、計測対象面9aで生じる照射光L2の反射に起因して再び光ファイバ2に入射する戻り光L4と、が干渉して生じる干渉光L5を得る。そして、距離計測装置1及び距離計測方法は、干渉光L5のスペクトルを用いて、光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hを得る。干渉光L5のスペクトルは、干渉光L5の光強度に比べて外乱の影響を受けにくい。従って、距離計測装置1及び距離計測方法は、干渉光L5の光強度を用いた距離計測に適さない計測対象範囲における距離を得ることができる。 The distance measurement device 1 and the distance measurement method obtain interference light L5 that is generated by interference between end face reflected light L3 generated at the optical fiber end face 2a and return light L4 that is re-entered into the optical fiber 2 due to reflection of the irradiation light L2 generated at the measurement target surface 9a. The distance measurement device 1 and the distance measurement method then obtain the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a using the spectrum of the interference light L5. The spectrum of the interference light L5 is less susceptible to disturbances than the light intensity of the interference light L5. Therefore, the distance measurement device 1 and the distance measurement method can obtain the distance in a measurement target range that is not suitable for distance measurement using the light intensity of the interference light L5.

距離計測装置1は、干渉光L5の光強度を得る光検出器52をさらに備える。コンピュータ6は、干渉光L5のスペクトルを用いて第1候補距離を得る第1候補距離取得部6aと、干渉光L5の光強度を用いて第2候補距離を得る第2候補距離取得部6bと、第1候補距離又は第2候補距離のいずれかを光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する距離出力部6cと、を含む。この構成によれば、干渉光L5のスペクトルを用いた距離計測が適切である計測対象範囲と、干渉光L5の光強度を用いた距離計測が適切である計測対象範囲と、を合算した広い計測対象範囲を得ることができる。 The distance measurement device 1 further includes a photodetector 52 that obtains the light intensity of the interference light L5. The computer 6 includes a first candidate distance acquisition unit 6a that obtains a first candidate distance using the spectrum of the interference light L5, a second candidate distance acquisition unit 6b that obtains a second candidate distance using the light intensity of the interference light L5, and a distance output unit 6c that selects either the first candidate distance or the second candidate distance as the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a. With this configuration, it is possible to obtain a wide measurement target range that combines the measurement target range in which distance measurement using the spectrum of the interference light L5 is appropriate and the measurement target range in which distance measurement using the light intensity of the interference light L5 is appropriate.

距離計測装置1の距離出力部6cは、干渉光L5の光強度が閾値以上である場合に、第1候補距離を光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hとして選択し、干渉光L5の光強度が示す干渉光L5の光強度の光強度が閾値未満である場合に、第2候補距離を光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。この構成によれば、光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hとして第1候補距離及び第2候補距離のいずれかを容易に選択することができる。 The distance output unit 6c of the distance measurement device 1 selects the first candidate distance as the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a when the light intensity of the interference light L5 is equal to or greater than the threshold, and selects the second candidate distance as the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a when the light intensity of the interference light L5 indicated by the light intensity of the interference light L5 is less than the threshold. With this configuration, it is possible to easily select either the first candidate distance or the second candidate distance as the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a.

換言すると、コンピュータ6は、第1候補距離取得部6aによって第1候補距離データD3を得る動作と、第2候補距離取得部6bによって第2候補距離データD4を得る動作と、距離出力部6cが干渉光の光強度と閾値とを比較して、干渉光の光強度が閾値以上である場合に第1候補距離データD3を光ファイバ端面2aから計測対象物9までの距離として選択する動作と、干渉光の光強度が閾値未満である場合に、第2候補距離データD4を光ファイバ端面2aから計測対象物9までの距離として選択する動作と、を実行する。この動作によれば、光ファイバ端面2aから計測対象物9までの距離として第1候補距離及び第2候補距離のいずれかを容易に選択することができる。 In other words, the computer 6 executes the following operations: the first candidate distance acquisition unit 6a acquires first candidate distance data D3; the second candidate distance acquisition unit 6b acquires second candidate distance data D4; the distance output unit 6c compares the light intensity of the interference light with a threshold value, and if the light intensity of the interference light is equal to or greater than the threshold value, selects the first candidate distance data D3 as the distance from the optical fiber end face 2a to the measurement object 9; and if the light intensity of the interference light is less than the threshold value, selects the second candidate distance data D4 as the distance from the optical fiber end face 2a to the measurement object 9. This operation makes it easy to select either the first candidate distance or the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face 2a to the measurement object 9.

<変形例>
以上、本発明である距離計測装置及び距離計測方法の例示について説明した。距離計測装置及び距離計測方法は、上記の例示に限定されることなくさまざまな形態で実施してよい。
<Modification>
While the distance measurement device and the distance measurement method according to the present invention have been described above by way of example, the distance measurement device and the distance measurement method are not limited to the above examples and may be embodied in various forms.

上記の実施形態では、第1候補距離データD3及び第2候補距離データD4の選択に際し、干渉光強度データD2と強度閾値VTHとを用いた判定条件を設定した。判定条件は別の内容であってもよい。 In the above embodiment, when selecting the first candidate distance data D3 and the second candidate distance data D4, the judgment condition is set using the interference light intensity data D2 and the intensity threshold value VTH . However, the judgment condition may be different.

図6(a)に示すように、光検出器52から出力される信号には、所定のノイズが重畳する。このノイズとして、例えば、光検出器52が発生する暗電流に起因するノイズが例示できる。つまり、ノイズは、光検出器52に光が入射されていない状態であるときに、光検出器52から出力される信号であるといえる。このノイズは、干渉光強度にばらつきをもたらす。例えば、図6(b)に示すように、光検出器52の出力信号にはノイズ振幅(±ΔV)が重畳する。ノイズ振幅(±ΔV)は、例えば光検出器52の出力信号の最大値(VMAX)に対するプラスマイナス5%と仮定してもよい。いま、光検出器52の出力信号の最大値(VMAX)が1Vであるとすると、ノイズ振幅(±ΔV)は、0.1Vである。このノイズ振幅(±ΔV)を距離に換算するとノイズ距離(±ΔL)となる。つまり、真の信号成分が示す距離がLであり、真の信号成分が示す距離Lにノイズ距離(±ΔL)が重畳すると、計測値は-ΔL<L<ΔLの範囲で揺らぐ。 6(a), a certain noise is superimposed on the signal output from the photodetector 52. For example, the noise may be caused by a dark current generated by the photodetector 52. In other words, the noise is the signal output from the photodetector 52 when no light is incident on the photodetector 52. This noise causes variation in the intensity of the interference light. For example, as shown in FIG. 6(b), a noise amplitude (±ΔV) is superimposed on the output signal from the photodetector 52. The noise amplitude (±ΔV) may be assumed to be, for example, plus or minus 5% of the maximum value (VMAX) of the output signal from the photodetector 52. Now, if the maximum value (VMAX) of the output signal from the photodetector 52 is 1V, the noise amplitude (±ΔV) is 0.1V. This noise amplitude (±ΔV) is converted into a distance to become a noise distance (±ΔL). In other words, if the distance indicated by the true signal component is L, and the noise distance (±ΔL) is superimposed on the distance L indicated by the true signal component, the measurement value fluctuates in the range of -ΔL<L<ΔL.

そこで、干渉光強度に占めるノイズ強度の割合を誤差評価値として用いる。干渉光強度に占めるノイズ強度の割合は、計測される距離が短くなるほど増加する。つまり、干渉光強度に占めるノイズ強度の割合が大きくなると、その光干渉強度に基づく距離も信頼性が低下する。そこで、干渉光強度に占めるノイズ強度の割合(誤差評価値)が閾値以上である場合には、第1候補距離データD3を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。この誤差評価値が閾値未満である場合には、第2候補距離データD4を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。 The proportion of noise intensity in the interference light intensity is used as the error evaluation value. The proportion of noise intensity in the interference light intensity increases as the measured distance becomes shorter. In other words, as the proportion of noise intensity in the interference light intensity increases, the reliability of the distance based on the light interference intensity also decreases. Therefore, if the proportion of noise intensity in the interference light intensity (error evaluation value) is equal to or greater than a threshold value, the first candidate distance data D3 is selected as the distance 9H to the measurement target surface 9a. If this error evaluation value is less than the threshold value, the second candidate distance data D4 is selected as the distance 9H to the measurement target surface 9a.

一例として、ノイズ閾値NTHは、0.2(20%)としてもよい。このノイズ閾値NTHを距離に換算すると、100μmに相当する。 As an example, the noise threshold N TH may be set to 0.2 (20% ) , which corresponds to a distance of 100 μm.

図7は、上述した候補距離の選択を行う距離計測装置1Aの例示である。距離計測装置1Aは、光源ユニット3と、導光ユニット4と、光ファイバ2と、受光ユニット5と、コンピュータ6Aと、を有する。これらのうち、光源ユニット3、導光ユニット4、光ファイバ2及び受光ユニット5の詳細は、実施形態と同じである。つまり、変形例の距離計測装置1Aは、コンピュータ6Aが行う処理が実施形態の処理と相違する。 Figure 7 is an example of a distance measurement device 1A that selects the candidate distance described above. The distance measurement device 1A has a light source unit 3, a light guide unit 4, an optical fiber 2, a light receiving unit 5, and a computer 6A. Of these, the details of the light source unit 3, the light guide unit 4, the optical fiber 2, and the light receiving unit 5 are the same as in the embodiment. In other words, the processing performed by the computer 6A in the modified distance measurement device 1A differs from that in the embodiment.

コンピュータ6Aは、変形例の計測対象面9aまでの距離9Hを得るプログラムP1をプロセッサ61によって実行することにより、いくつかの機能構成要素を実現する。コンピュータ6Aは、第1候補距離取得部6aと、第2候補距離取得部6bと、ノイズ距離取得部6d(誤差距離取得部)と、ノイズ評価値取得部6eと、距離出力部6fと、を有する。このうち、第1候補距離取得部6a及び第2候補距離取得部6bの詳細は、実施形態と同じであるから、詳細な説明は省略する。 The computer 6A realizes several functional components by executing a program P1, which obtains a distance 9H to a measurement target surface 9a of a modified example, by a processor 61. The computer 6A has a first candidate distance acquisition unit 6a, a second candidate distance acquisition unit 6b, a noise distance acquisition unit 6d (error distance acquisition unit), a noise evaluation value acquisition unit 6e, and a distance output unit 6f. Of these, the details of the first candidate distance acquisition unit 6a and the second candidate distance acquisition unit 6b are the same as those in the embodiment, so detailed explanations are omitted.

ノイズ距離取得部6dは、メモリ63からノイズ強度データD6を得る。ノイズ距離取得部6dは、ノイズ強度をノイズ距離データD7に換算する。ノイズ距離取得部6dは、ノイズ距離データD7をメモリ63に格納する。 The noise distance acquisition unit 6d obtains noise intensity data D6 from the memory 63. The noise distance acquisition unit 6d converts the noise intensity into noise distance data D7. The noise distance acquisition unit 6d stores the noise distance data D7 in the memory 63.

ノイズ評価値取得部6eは、メモリ63から干渉光強度データD2及びノイズ強度データD6を得る。ノイズ評価値取得部6eは、干渉光強度データD2及びノイズ強度データD6を用いてノイズ評価値データD8を得る。ノイズ評価値は、例えば、ノイズ強度を干渉光強度で除算した値であってもよい。ノイズ評価値取得部6eは、ノイズ評価値データD8をメモリ63に格納する。 The noise evaluation value acquisition unit 6e acquires the interference light intensity data D2 and the noise intensity data D6 from the memory 63. The noise evaluation value acquisition unit 6e acquires the noise evaluation value data D8 using the interference light intensity data D2 and the noise intensity data D6. The noise evaluation value may be, for example, a value obtained by dividing the noise intensity by the interference light intensity. The noise evaluation value acquisition unit 6e stores the noise evaluation value data D8 in the memory 63.

距離出力部6fは、メモリ63からノイズ閾値NTHとノイズ評価値データD8と第1候補距離データD3と第2候補距離データD4とを得る。距離出力部6fは、ノイズ評価値データD8がノイズ閾値NTH以上であるか否かを判定する。距離出力部6fは、ノイズ評価値データD8がノイズ閾値NTH以上である場合に、第1候補距離データD3を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。距離出力部6fは、ノイズ評価値データD8がノイズ閾値NTH未満である場合に、第2候補距離データD4を計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。 The distance output unit 6f obtains the noise threshold NTH , the noise evaluation value data D8, the first candidate distance data D3, and the second candidate distance data D4 from the memory 63. The distance output unit 6f determines whether the noise evaluation value data D8 is equal to or greater than the noise threshold NTH . If the noise evaluation value data D8 is equal to or greater than the noise threshold NTH , the distance output unit 6f selects the first candidate distance data D3 as the distance 9H to the measurement target surface 9a. If the noise evaluation value data D8 is less than the noise threshold NTH , the distance output unit 6f selects the second candidate distance data D4 as the distance 9H to the measurement target surface 9a.

<計測対象面9aまでの距離9Hを得る方法>
図8を参照しながら変形例である計測対象面9aまでの距離9Hを得る方法について説明する。変形例である計測対象面9aも、実施形態の計測対象面9aまでの距離9Hを得る方法と同様にコンピュータ6Aが実行する。
<Method of Obtaining Distance 9H to Measurement Target Surface 9a>
A method for obtaining the distance 9H to the measurement target surface 9a, which is a modified example, will be described with reference to Fig. 8. The method for obtaining the distance 9H to the measurement target surface 9a, which is a modified example, is also executed by the computer 6A in the same manner as the method for obtaining the distance 9H to the measurement target surface 9a of the embodiment.

まず、ノイズ強度データD6を得る(S20)。このステップS21は、受光ユニット5及びコンピュータ6によって行われる。コンピュータ6は、計測光L1の出射を停止させる旨の指令を光源ユニット3に与える。そして、コンピュータ6は、受光ユニット5から出力される信号をノイズ強度データD6としてメモリ63に格納する。 First, noise intensity data D6 is obtained (S20). This step S21 is performed by the light receiving unit 5 and the computer 6. The computer 6 issues a command to the light source unit 3 to stop emitting the measurement light L1. The computer 6 then stores the signal output from the light receiving unit 5 in the memory 63 as noise intensity data D6.

次に、計測対象面9aに向けて照射光L2を出射する(S21)。そして、干渉光スペクトルデータD1と干渉光強度データD2とを得る(S22)。これらのステップS21,S22は、実施形態のステップS11,S12と同じであるから詳細な説明は省略する。 Next, the irradiation light L2 is emitted toward the measurement target surface 9a (S21). Then, the interference light spectrum data D1 and the interference light intensity data D2 are obtained (S22). These steps S21 and S22 are the same as steps S11 and S12 in the embodiment, so a detailed description is omitted.

次に、第1候補距離データD3を得る(S23)。そして、第2候補距離データD4を得る(S24)。これらのステップS23、S24も実施形態のステップS13、S14と同じであるから詳細な説明は省略する。 Next, first candidate distance data D3 is obtained (S23). Then, second candidate distance data D4 is obtained (S24). These steps S23 and S24 are the same as steps S13 and S14 in the embodiment, so detailed explanations are omitted.

次に、ノイズ距離データD7を得る(S25)。このステップS25は、ノイズ距離取得部6dを構成するプロセッサ61及びノイズ強度データD6を格納するメモリ63によって行われる。ステップS25の結果、ノイズ距離取得部6dは、ノイズ距離データD7をメモリ63に格納する。 Next, noise distance data D7 is obtained (S25). This step S25 is performed by the processor 61 constituting the noise distance acquisition unit 6d and the memory 63 that stores the noise intensity data D6. As a result of step S25, the noise distance acquisition unit 6d stores the noise distance data D7 in the memory 63.

次に、ノイズ評価値データD8を得る(S26)。このステップS26は、ノイズ評価値取得部6eを構成するプロセッサ61及びノイズ距離データD7及び第1候補距離データD3を格納するメモリ63によって行われる。ステップS26の結果、ノイズ評価値取得部6eは、ノイズ評価値データD8をメモリ63に格納する。 Next, noise evaluation value data D8 is obtained (S26). This step S26 is performed by the processor 61 constituting the noise evaluation value acquisition unit 6e and the memory 63 storing the noise distance data D7 and the first candidate distance data D3. As a result of step S26, the noise evaluation value acquisition unit 6e stores the noise evaluation value data D8 in the memory 63.

次に、計測対象面9aまでの距離9Hとして第1候補距離データD3又は第2候補距離データD4のいずれかを選択する(S27)。このステップS27は、距離出力部6cを構成するプロセッサ61及び、第1候補距離データD3、第2候補距離データD4及びノイズ評価値データD8を格納するメモリ63によって行われる。ステップS27の結果、距離出力部6cは、選択した候補距離を計測対象面9aまでの距離9Hとしてメモリ63に格納する。 Next, either the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 is selected as the distance 9H to the measurement target surface 9a (S27). This step S27 is performed by the processor 61 constituting the distance output unit 6c, and the memory 63 storing the first candidate distance data D3, the second candidate distance data D4, and the noise evaluation value data D8. As a result of step S27, the distance output unit 6c stores the selected candidate distance in the memory 63 as the distance 9H to the measurement target surface 9a.

<作用効果> <Effects>

コンピュータ6は、照射光L2をファイバ端面から出射しないときに光検出器52が出力するノイズ信号の強度に基づいて、ノイズ信号に由来して第2候補距離に重畳される不確かさを示す誤差距離を得るノイズ距離取得部6dと、第2候補距離に占める誤差距離の割合を得る誤差評価値を得るノイズ評価値取得部6eと、を含み、距離出力部6cは、誤差評価値が閾値未満である場合に、第1候補距離を光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hとして選択し、誤差評価値が閾値以上である場合に、第2候補距離を光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hとして選択する。この構成によっても、光ファイバ端面2aから計測対象面9aまでの距離9Hとして第1候補距離及び第2候補距離のいずれかを容易に選択することができる。 The computer 6 includes a noise distance acquisition unit 6d that acquires an error distance indicating the uncertainty derived from the noise signal and superimposed on the second candidate distance based on the intensity of the noise signal output by the photodetector 52 when the irradiation light L2 is not emitted from the fiber end face, and a noise evaluation value acquisition unit 6e that acquires an error evaluation value that obtains the proportion of the error distance in the second candidate distance. The distance output unit 6c selects the first candidate distance as the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a when the error evaluation value is less than a threshold value, and selects the second candidate distance as the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a when the error evaluation value is equal to or greater than the threshold value. With this configuration, it is easy to select either the first candidate distance or the second candidate distance as the distance 9H from the optical fiber end face 2a to the measurement target surface 9a.

換言すると、変形例のコンピュータ6は、第1候補距離取得部6aによって第1候補距離データD3を得る動作と、第2候補距離取得部6bによって第2候補距離データD4を得る動作と、距離出力部6fがノイズ評価値データD8とノイズ閾値NTHとを比較して、ノイズ評価値データD8がノイズ閾値NTH以上である場合に第1候補距離データD3を光ファイバ端面2aから計測対象物9までの距離として選択する動作と、ノイズ評価値データD8がノイズ閾値NTH未満である場合に、第2候補距離データD4を光ファイバ端面2aから計測対象物9までの距離として選択する動作と、を実行する。この動作によっても、光ファイバ端面2aから計測対象物9までの距離として第1候補距離データD3及び第2候補距離データD4のいずれかを容易に選択することができる。 In other words, the computer 6 of the modified example executes an operation of obtaining the first candidate distance data D3 by the first candidate distance acquisition unit 6a, an operation of obtaining the second candidate distance data D4 by the second candidate distance acquisition unit 6b, an operation of the distance output unit 6f comparing the noise evaluation value data D8 with the noise threshold NTH and selecting the first candidate distance data D3 as the distance from the optical fiber end face 2a to the measurement object 9 if the noise evaluation value data D8 is equal to or greater than the noise threshold NTH , and an operation of selecting the second candidate distance data D4 as the distance from the optical fiber end face 2a to the measurement object 9 if the noise evaluation value data D8 is less than the noise threshold NTH. This operation also makes it easy to select either the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 as the distance from the optical fiber end face 2a to the measurement object 9.

その他の変形例として、図9に示す距離計測装置1Bを例示する。図9に示すように、光源ユニット3Bは、白色光源31のみによって構成され、レーザ光源32を備えない構成とすることも可能である。 As another modified example, the distance measurement device 1B shown in FIG. 9 is exemplified. As shown in FIG. 9, the light source unit 3B can be configured with only a white light source 31 and without a laser light source 32.

<距離出力部の変形例>
実施形態では、第1候補距離データD3及び第2候補距離データD4をそれぞれ算出し、光強度又はノイズ評価値のいずれかを用いた判定処理によって、第1候補距離データD3及び第2候補距離データD4のいずれかを距離として選択した。例えば、距離出力部6fは、これとは異なる処理によって距離を得てもよい。具体的には、図10に示すように、まず、距離出力部6fは、光強度を用いた判定処理によって、干渉光スペクトルデータD1に基づく値がよいか、干渉光強度データD2に基づく値がよいかを判定する(S31)。このとき、第1候補距離取得部6a及び第2候補距離取得部6bは、それぞれ第1候補距離データD3及び第2候補距離データD4を算出していない。距離出力部6fの判定処理によって、干渉光スペクトルデータD1に基づく値がよいと判定された場合に(S31:YES)、第1候補距離取得部6aが第1候補距離データD3を算出し(S32)、第1候補距離データD3を計測対象面までの距離として出力する(S33)。また、距離出力部6fの判定処理によって、干渉光強度データD2に基づく値がよいと判定された場合に(S31:NO)、第2候補距離取得部6bが第2候補距離データD4を算出し(S34)、第2候補距離データD4を計測対象面までの距離として出力する(S35)。このような動作によっても、干渉光L5のスペクトルを用いた距離計測が適切である計測対象範囲と、干渉光L5の光強度を用いた距離計測が適切である計測対象範囲と、を合算した広い計測対象範囲を得ることができる。
<Modification of distance output unit>
In the embodiment, the first candidate distance data D3 and the second candidate distance data D4 are calculated, and either the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 is selected as the distance by a judgment process using either the light intensity or the noise evaluation value. For example, the distance output unit 6f may obtain the distance by a process different from this. Specifically, as shown in FIG. 10, the distance output unit 6f first judges whether the value based on the interference light spectrum data D1 or the value based on the interference light intensity data D2 is better by a judgment process using the light intensity (S31). At this time, the first candidate distance acquisition unit 6a and the second candidate distance acquisition unit 6b have not calculated the first candidate distance data D3 and the second candidate distance data D4, respectively. When the judgment process of the distance output unit 6f judges that the value based on the interference light spectrum data D1 is better (S31: YES), the first candidate distance acquisition unit 6a calculates the first candidate distance data D3 (S32) and outputs the first candidate distance data D3 as the distance to the measurement target surface (S33). Furthermore, when the distance output unit 6f judges that the value based on the interference light intensity data D2 is good (S31: NO), the second candidate distance acquisition unit 6b calculates second candidate distance data D4 (S34) and outputs the second candidate distance data D4 as the distance to the measurement target surface (S35). Even with this operation, it is possible to obtain a wide measurement target range that combines the measurement target range in which distance measurement using the spectrum of the interference light L5 is appropriate and the measurement target range in which distance measurement using the light intensity of the interference light L5 is appropriate.

変形例では、コンピュータ6が干渉光の光強度と閾値とを比較する動作と、干渉光の光強度が閾値以上である場合に、第1候補距離取得部6aによって第1候補距離データD3を得て、第1候補距離データD3を光ファイバ端面2aから計測対象物9までの距離として出力する動作と、干渉光の光強度が閾値未満である場合に、第2候補距離取得部6bによって第2候補距離データD4を得て、第2候補距離データD4を光ファイバ端面2aから計測対象物9までの距離として出力する動作と、を実行する。この動作によっても、光ファイバ端面2aから計測対象物9までの距離として第1候補距離データD3及び第2候補距離データD4のいずれかを容易に選択することができる。 In the modified example, the computer 6 performs the following operations: compares the light intensity of the interference light with a threshold value; obtains first candidate distance data D3 by the first candidate distance acquisition unit 6a when the light intensity of the interference light is equal to or greater than the threshold value, and outputs the first candidate distance data D3 as the distance from the optical fiber end face 2a to the measurement object 9; and obtains second candidate distance data D4 by the second candidate distance acquisition unit 6b when the light intensity of the interference light is less than the threshold value, and outputs the second candidate distance data D4 as the distance from the optical fiber end face 2a to the measurement object 9. This operation also makes it easy to select either the first candidate distance data D3 or the second candidate distance data D4 as the distance from the optical fiber end face 2a to the measurement object 9.

<実施例>
実施例として、図2(b)に例示する計測対象物9までの距離を測定した。計測対象物9は、ガラス板であり当該ガラス板をステッピングモータ駆動の電動ステージに配置した。そして、電動ステージに、所定距離だけ移動させる指令を与えると共に移動後のガラス板と光ファイバ端面2aとの間の距離を計測した。図11は、計測結果を示すグラフである。横軸は電動ステージの移動量を示し、縦軸は距離計測装置1の出力を示す。この計測は、干渉光のスペクトルを用いて距離を得る手法を採用したものである。グラフG10に示すように、電動ステージの移動量と距離計測装置1の出力値とは、よく一致することを確かめることができた。
<Example>
As an example, the distance to the measurement object 9 illustrated in FIG. 2(b) was measured. The measurement object 9 was a glass plate, and the glass plate was placed on an electric stage driven by a stepping motor. Then, a command was given to the electric stage to move it a predetermined distance, and the distance between the glass plate and the optical fiber end face 2a after the movement was measured. FIG. 11 is a graph showing the measurement results. The horizontal axis indicates the movement amount of the electric stage, and the vertical axis indicates the output of the distance measurement device 1. This measurement employs a method of obtaining the distance using the spectrum of interference light. As shown in graph G10, it was confirmed that the movement amount of the electric stage and the output value of the distance measurement device 1 matched well.

1…距離計測装置、2…光ファイバ、2a…光ファイバ端面、6…コンピュータ(距離取得部)6a…第1候補距離取得部、6b…第2候補距離取得部、6c,6f…距離出力部、6e…評価値取得部、9…計測対象物、9a…計測対象面、91a…気液界面(計測対象面)、L1…計測光、L2…照射光、L3…端面反射光、L4…戻り光、L5…干渉光。 1...distance measurement device, 2...optical fiber, 2a...optical fiber end face, 6...computer (distance acquisition section), 6a...first candidate distance acquisition section, 6b...second candidate distance acquisition section, 6c, 6f...distance output section, 6e...evaluation value acquisition section, 9...measurement object, 9a...measurement object surface, 91a...air-liquid interface (measurement object surface), L1...measurement light, L2...irradiation light, L3...end face reflected light, L4...return light, L5...interference light.

Claims (8)

計測光を発生する光源と、
前記計測光の一部である照射光を計測対象面に照射すると共に前記計測光の残りである反射光を反射する光ファイバ端面を含む1本の光ファイバと、
前記照射光が前記計測対象面において反射した後に再び前記光ファイバに入射した戻り光であって、前記戻り光と前記反射光とが干渉して生じる干渉光のスペクトルを得る分光部と、
前記干渉光のスペクトルを用いて、前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離を得る距離取得部と、を備える距離計測装置。
a light source that generates measurement light;
an optical fiber including an end face of the optical fiber that irradiates a surface to be measured with irradiation light that is a part of the measurement light and reflects reflected light that is the remainder of the measurement light;
a spectroscopic unit for obtaining a spectrum of interference light generated by interference between the return light and the reflected light, the return light being reflected by the measurement target surface and then entering the optical fiber again, the interference light being a return light;
a distance acquisition unit that acquires the distance from the end face of the optical fiber to the measurement target surface by using the spectrum of the interference light.
前記干渉光の光強度を得る光強度取得部をさらに備え、
前記距離取得部は、
前記干渉光のスペクトルを用いて第1候補距離を得る第1候補距離取得部と、
前記干渉光の光強度を用いて第2候補距離を得る第2候補距離取得部と、
前記第1候補距離又は前記第2候補距離のいずれかを前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離として出力する距離出力部と、を含む、請求項1に記載の距離計測装置。
a light intensity acquiring unit for acquiring the light intensity of the interference light,
The distance acquisition unit is
a first candidate distance acquisition unit that acquires a first candidate distance using a spectrum of the interference light;
a second candidate distance acquisition unit that acquires a second candidate distance using the light intensity of the interference light;
The distance measurement device according to claim 1 , further comprising: a distance output unit that outputs either the first candidate distance or the second candidate distance as a distance from the optical fiber end face to the measurement target surface.
前記距離取得部は、
前記第1候補距離取得部によって前記第1候補距離を得る動作と、
前記第2候補距離取得部によって前記第2候補距離を得る動作と、
前記距離出力部が前記干渉光の光強度と閾値とを比較して、前記干渉光の光強度が閾値以上である場合に前記第1候補距離を前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離として選択する動作と、前記干渉光の光強度が閾値未満である場合に、前記第2候補距離を前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離として選択する動作と、を実行する、請求項2に記載の距離計測装置。
The distance acquisition unit is
an operation of obtaining the first candidate distance by the first candidate distance obtaining unit;
an operation of obtaining the second candidate distance by the second candidate distance obtaining unit;
The distance measurement device of claim 2, wherein the distance output unit performs the following operations: comparing the light intensity of the interference light with a threshold value, and selecting the first candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface if the light intensity of the interference light is greater than or equal to the threshold value; and selecting the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface if the light intensity of the interference light is less than the threshold value.
前記距離取得部は、
前記距離出力部が前記干渉光の光強度と閾値とを比較する動作と、
前記干渉光の光強度が閾値以上である場合に、前記第1候補距離取得部によって前記第1候補距離を得て、前記第1候補距離を前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離として出力する動作と、
前記干渉光の光強度が閾値未満である場合に、前記第2候補距離取得部によって前記第2候補距離を得て、前記第2候補距離を前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離として出力する動作と、を実行する、請求項2に記載の距離計測装置。
The distance acquisition unit is
an operation of the distance output unit comparing the light intensity of the interference light with a threshold;
an operation of obtaining the first candidate distance by the first candidate distance acquisition unit when the light intensity of the interference light is equal to or greater than a threshold value, and outputting the first candidate distance as a distance from the end face of the optical fiber to the measurement target surface;
The distance measurement device of claim 2, further comprising: when the light intensity of the interference light is less than a threshold value, the second candidate distance acquisition unit obtains the second candidate distance and outputs the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface.
前記距離取得部は、
前記照射光を前記ファイバ端面から出射しないときに前記光強度取得部が出力するノイズ信号の強度に基づいて、前記ノイズ信号に由来して前記第2候補距離に重畳される不確かさを示す誤差距離を得る誤差距離取得部と、
前記第2候補距離に占める前記誤差距離の割合を得る誤差評価値を得る評価値取得部と、を含む、請求項2に記載の距離計測装置。
The distance acquisition unit is
an error distance acquisition unit that acquires an error distance indicating an uncertainty derived from a noise signal and superimposed on the second candidate distance, based on the intensity of the noise signal output by the light intensity acquisition unit when the irradiation light is not emitted from the fiber end face;
The distance measurement device according to claim 2 , further comprising: an evaluation value acquisition unit that acquires an error evaluation value that obtains a ratio of the error distance to the second candidate distance.
前記距離取得部は、
前記第1候補距離取得部によって前記第1候補距離を得る動作と、
前記第2候補距離取得部によって前記第2候補距離を得る動作と、
前記距離出力部が前記誤差評価値と閾値とを比較して、前記誤差評価値が閾値以上である場合に前記第1候補距離を前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離として選択する動作と、前記誤差評価値が閾値未満である場合に、前記第2候補距離を前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離として選択する動作と、を実行する、請求項5に記載の距離計測装置。
The distance acquisition unit is
an operation of obtaining the first candidate distance by the first candidate distance obtaining unit;
an operation of obtaining the second candidate distance by the second candidate distance obtaining unit;
The distance measurement device of claim 5, wherein the distance output unit performs the following operations: comparing the error evaluation value with a threshold value, and selecting the first candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface if the error evaluation value is greater than or equal to the threshold value; and selecting the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface if the error evaluation value is less than the threshold value.
前記距離出力部は、
前記距離出力部が前記干渉光の光強度と閾値とを比較する動作と、
前記誤差評価値が閾値以上である場合に、前記第1候補距離取得部によって前記第1候補距離を得て、前記第1候補距離を前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離として出力する動作と、
前記誤差評価値が閾値未満である場合に、前記第2候補距離取得部によって前記第2候補距離を得て、前記第2候補距離を前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離として出力する動作と、を実行する、請求項5に記載の距離計測装置。
The distance output unit is
an operation of the distance output unit comparing the light intensity of the interference light with a threshold;
an operation of obtaining the first candidate distance by the first candidate distance obtaining unit and outputting the first candidate distance as a distance from the optical fiber end face to the measurement target surface when the error evaluation value is equal to or greater than a threshold value;
The distance measurement device of claim 5, further comprising: when the error evaluation value is less than a threshold value, the second candidate distance acquisition unit acquires the second candidate distance and outputs the second candidate distance as the distance from the optical fiber end face to the measurement target surface.
光源が発生した計測光の一部である照射光を計測対象面に照射すると共に前記計測光の残りである反射光を反射する光ファイバ端面を含む1本の光ファイバから前記照射光を計測対象物に向けて出射するステップと、
前記照射光が前記計測対象面において反射した後に再び前記光ファイバに入射した戻り光であって、前記戻り光と前記反射光とが干渉して生じる干渉光のスペクトルを得るステップと、
前記干渉光のスペクトルを用いて、前記光ファイバ端面から前記計測対象面までの距離を得るステップと、を有する距離計測方法。
a step of irradiating a surface of a measurement object with irradiation light, which is a part of measurement light generated by a light source, and emitting the irradiation light toward the measurement object from an optical fiber including an optical fiber end face that reflects reflected light, which is the remainder of the measurement light;
obtaining a spectrum of interference light generated by interference between the return light and the reflected light, the return light being reflected by the measurement target surface and then entering the optical fiber again;
and obtaining a distance from the end face of the optical fiber to the measurement target surface using the spectrum of the interference light.
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