JP2000121317A - 光干渉計の干渉位相検出方式 - Google Patents

光干渉計の干渉位相検出方式

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JP2000121317A
JP2000121317A JP10289741A JP28974198A JP2000121317A JP 2000121317 A JP2000121317 A JP 2000121317A JP 10289741 A JP10289741 A JP 10289741A JP 28974198 A JP28974198 A JP 28974198A JP 2000121317 A JP2000121317 A JP 2000121317A
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laser beam
laser
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interference
measurement surface
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Tsuneo Yamaha
常雄 山羽
Shigeru Serikawa
滋 芹川
Nobuhiko Suzuki
信彦 鈴木
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Hitachi High Tech Corp
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Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定面の反射率が変動した場合でも、正確に
その段差間距離又は突起物の高さに相当する位相差を測
定できるようにする。 【解決手段】 レーザ光はビームスプリッタによって互
いに偏光面が直交するように分岐される。分岐されたレ
ーザ光に対して周波数変調が加えられ、参照面と測定面
に照射される。参照面と測定面で反射したレーザ光同士
の干渉波形を観察することによって測定面の段差間距離
又は突起物の高さなどに相当する位相差を検出する。こ
のとき、参照面は常に同じ面なので、その反射率は一定
であるのに対して、測定面の反射率は常に変動する。反
射率が低下すると反射光のショットノイズ成分によって
干渉波形のS/N指数が著しく低下する。従って、この
発明では測定面の反射率の変動に応じて分岐前のレーザ
光をその光軸を中心に所定角度だけ回転させる偏光角調
整手段を設けた。このように参照面及び測定面に照射さ
れるレーザ光の強度を調節することによって、反射光の
ショットノイズによる影響を少なくし、干渉波形のS/
N指数が著しく低下しないようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、光の位相干渉を
用いた光干渉計を用いて磁気ディスクなどの表面欠陥を
正確に検出する光干渉計の干渉位相検出方式に関する。
【0002】
【従来の技術】近年ではパーソナルコンピュータの情報
記憶媒体としてハードディスク装置が標準装備されるよ
うになり、その容量も数Gバイト程度のものが主流であ
る。また、ノート型パソコンにおいては、小さな容積に
対して高密度のハードディスク装置を内蔵可能にするこ
とが望まれている。
【0003】ハードディスク装置の記憶密度を上げるた
めには磁気ヘッドの磁気ディスク表面からの浮上量を2
0〜50nm程度と極めて小さくしなければならない。
このようなハードディスク装置に用いられる磁気ディス
クの表面欠陥を検査する場合、その浮上量に応じた検出
精度で行わなければならない。
【発明が解決しようとする課題】従来、磁気ディスクの
表面欠陥の検査は、グライドテスタと呼ばれる装置で行
っていた。グライドテスタは、予め設定された浮上量で
磁気ディスクを回転させ、そのときに磁気ヘッドがディ
スク表面の異常突起に何回衝突したかを検出し、その衝
突回数に基づいてその磁気ディスクのグライドレベル
(磁気ディスク表面の突起高さ)を判定している。
【0004】ところが、浮上量が20〜50nm程度の
極めて小さな値になると、磁気ヘッドが異常突起に衝突
する回数も増加し、衝突によって磁気ヘッドがディスク
表面に接触し、磁気ヘッドが頻繁に破損することとな
り、その交換や位置合わせなどに多大の時間を要するよ
うになるため問題であった。
【0005】そこで、最近では、異常突起の高さを光学
的に検出し、グライドテスタと同じような試験を行って
いる。このような装置を光学式グライドテスタと呼ぶ。
図4は従来の光学式グライドテスタの概略構成を示す図
である。光学式グライドテスタの基本構成は光干渉計で
ある。レーザ装置31は波長532nmのレーザ光f1
を出射する。レーザ光f1は変調手段32によって変調
される。変調手段32は、ビームスプリッタ33及び3
4、光学音響素子(AOM:Accusto−Opti
c Modulator)35及び36、反射鏡37及
び38から構成される。レーザ光f1は、ビームスプリ
ッタ33によって反射レーザ光f4と透過レーザ光f2
に分岐される。透過レーザ光f2は光学音響素子35に
入射し、そこで周波数fmの変調が加えら、レーザ光f
3(=f2+fm)として出射される。一方、反射レー
ザ光f4は反射鏡37によって再び反射し、光学音響素
子36に入射し、そこで周波数fnの変調が加えられ、
レーザ光f5(=f4+fn)として出射される。光学
音響素子35から出射するレーザ光f3は反射鏡38で
反射され、ビームスプリッタ34に入射する。一方、光
学音響素子36から出射するレーザ光f5もビームスプ
リッタ34に入射する。ビームスプリッタ34に入射し
たレーザ光f3とレーザ光f5は合成されて、分岐手段
39に入射する。
【0006】分岐手段39はビームスプリッタ34から
のレーザ光f3とf5の合成レーザ光f3+f5を進行
方向及び光路長が同じで所定距離だけ離れた2つのレー
ザ光f31+f51及びf32+f52に分岐し、それ
らを偏光ビームスプリッタ3Aに出射する。偏光ビーム
スプリッタ3Aは2つのレーザ光f31+f51及びf
32+f52の一部(所定方向の直線偏光f31及びf
32)を反射して、参照面3Bに照射し、残りのレーザ
光f51及びf52を透過して、それを測定面3Cの各
地点A及びBに照射する。なお、参照面3Bと偏光ビー
ムスプリッタ3Aとの間、及び測定面3Cと偏光ビーム
スプリッタ3Aとの間には直線偏光を円偏光に変換する
4分の1波長板3D及び4分の1波長板3Eが設けられ
ている。参照面3Bで反射したレーザ光f31及びf3
2は、直線偏光から円偏光に変換されているので、偏光
ビームスプリッタ3Aを透過して受光素子3F及び3G
に入射する。測定面3Cで反射したレーザ光f51及び
f52も同じく直線偏光から円偏光に変換されているの
で、偏光ビームスプリッタ3Aで反射して受光素子3F
及び3Gに入射する。
【0007】受光素子3F及び3Gは、参照面3Bで反
射したレーザ光f31及びf32と、測定面3Cで反射
したレーザ光f51及びf52の合成されたレーザ光f
6及びf7を入射し、それに応じた電気信号を位相差測
定回路3Hに出力する。位相差測定回路3Hは受光素子
3F及び3Gからの電気信号に基づいて測定面3Cの突
起高さを測定する。
【0008】図5及び図6は、突起の高さがどのように
して測定されるのか、その検出原理を示す図であり、図
5は測定面に突起又は段差等がない場合を示し、図6は
測定面に高さΔδの突起又は段差等が存在する場合を示
す。図5及び図6には、図4における偏光ビームスプリ
ッタ3A、参照面3B、測定面3C、受光素子3F及び
3Gのみが示されている。レーザ光f6及びf7の入射
によって受光素子3F及び3Gからは、図5及び図6の
右側に示すような干渉出力信号がそれぞれ出力される。
レーザ装置31からは波長532nmのレーザ光が出力
し、それを変調手段32で変調周波数fm=150MH
z、変調周波数fn=140MHzのように約10MH
zの周波数差となるように変調する。これによって、受
光素子3F及び3Gは周波数10MHz(周期100n
sec)の干渉出力信号を出力するようになる。この干
渉出力信号の1周期がレーザ光の波長の約2分の1であ
る266nmに相当するので、この受光素子3F及び3
Gから出力される干渉出力信号の位相差を測定すること
によって、測定面における地点A及びBの高さ、すなわ
ち突起の場合にはその突起の高さ、段差の場合にはその
段差間距離を測定することができる。
【0009】図5の場合、測定面3Cには突起又は段差
等が存在しないので、測定面3Cの地点A及び地点Bで
反射した光は同じ光路長を経由して受光素子3F及び3
Gに入射する。従って、受光素子3F及び3Gの干渉出
力信号の位相は同じである。一方、図6の場合、測定面
3Cには段差が存在するので、図示のように受光素子3
F及び3Gの干渉出力信号は段差間距離Δδに相当する
Δtの位相差を有する。この位相差Δtが測定面3Cの
地点A及びB間の段差間距離に相当する。従って、この
位相差Δtを測定することによって、段差間距離Δδを
検出することができる。この位相差Δtの測定は、測定
面の地点Aの干渉出力信号を所定のスライス電圧でパル
ス化して得られた基準パルスPAと、測定面3Cの地点
Bの干渉出力信号を同じく所定のスライス電圧でパルス
化して得られた測定パルスPBとの位相を比較すること
によって行われる。
【0010】ところが、干渉出力信号の振幅すなわち干
渉効率は測定面3Cの反射率によって変動するものであ
る。すなわち、光学式グライドテスタは、参照面3Bと
測定面3Cに対して均等にレーザ光f31,f32,f
51,f52が照射するようにパワー配分してあるが、
測定面3Cの反射率が変動することによって、干渉出力
信号の振幅すなわち干渉効率が低下し、それに伴ってS
/Nが悪化し、測定精度が低下するという欠点を有す
る。また、干渉効率が低下しても、干渉出力信号の直流
分の変化は少なく、この直流分によるショットノイズが
一定であるため、S/Nが低下するという問題を有す
る。
【0011】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、測定面の反射率が変動して場合でも、正確にそ
の段差間距離又は突起物の高さに相当する位相差を測定
することのできる光干渉計の干渉位相検出方式を提供す
ることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】出願時の請求項1に記載
された発明に係る光干渉計の干渉位相検出方式は、レー
ザ光を分岐し、分岐されたレーザ光を異なる周波数で変
調し、参照面と測定面に照射し、そこからのそれぞれの
反射光の干渉成分を受光することによって測定面の位相
を検出する光干渉計の干渉位相検出方式において、前記
測定面の反射率に応じて前記分岐前のレーザ光をその光
軸を中心に所定角度だけ回転させる偏光角調整手段を設
けたものである。
【0013】レーザ光はビームスプリッタによって互い
に偏光面が直交するように分岐される。分岐されたレー
ザ光に対して周波数変調が加えられ、参照面と測定面に
照射される。参照面と測定面で反射したレーザ光同士の
干渉波形を観察することによって測定面の段差間距離又
は突起物の高さに相当する位相差を検出する。このと
き、参照面は常に同じ面なので、その反射率は一定であ
るのに対して、測定面の反射率は検出されるディスクの
製造工程によって変動したり、製造ロットによって変動
したり、ディスク内でその平均的な反射率が変動したり
する場合がある。反射率が低下すると反射光のショット
ノイズ成分によって干渉波形のS/N指数が著しく低下
する。従って、この発明では測定面の反射率の変動に応
じて分岐前のレーザ光をその光軸を中心に所定角度だけ
回転させる偏光角調整手段を設けた。このように参照面
及び測定面に照射されるレーザ光の強度を調節する(パ
ワー配分する)ことによって、反射光のショットノイズ
による影響を少なくし、干渉波形のS/N指数が著しく
低下しないようにした。
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を添
付図面に従って説明する。図1は、本発明の光干渉計の
干渉位相検出方式の第1の実施の形態に係る概略構成を
示す図である。この干渉位相検出方式においては、レー
ザ装置31から出力されるレーザ光f0をその光軸を中
心に所定角度だけ回転させる偏光角調整手段1を有する
ものである。この偏光角調整手段1は具体的には2分の
1波長板で構成され、変調手段32のビームスプリッタ
33に入射するレーザ光f1 の偏光角を調節するもので
ある。なお、偏光角調整手段1の代わりにレーザ装置3
1自体を回転制御してもよいことはいうまでもない。図
1では、分岐手段39及び受光素子3Fを省略してあ
る。
【0014】レーザ装置31は波長532nmのレーザ
光f0を出射する。このレーザ光f0は直線偏光なの
で、偏光角調整手段1を通過することによってその偏光
面が光軸回りに所定角度だけ回転させられた直線偏光f
1となり、ビームスプリッタ33に入射するようにな
る。ビームスプリッタ33は、レーザ光f1の入射角度
(偏光角度)に応じたそれぞれ異なる強度の2つの偏光
レーザ光(透過レーザ光f2と反射レーザ光f3)を光
学音響素子35及び36に出力する。なお、反射レーザ
光f2と透過レーザ光f3の両方の強度はビームスプリ
ッタ33の入射レーザ光の強度に等しく、その強度の比
率がレーザ光f1の偏光角度(ビームスプリッタ33へ
の入射角度)に依存している。
【0015】従って、測定面3Cの反射率が低い場合に
は、測定面3Cに到達するレーザ光f5の強度がレーザ
光f4の強度よりも強くなるように、レーザ光f0のビ
ームスプリッタ33の入射角度(偏光角度)を調節す
る。このように強度の調節された透過レーザ光f2は光
学音響素子35に入射し、そこで周波数fmの変調が加
えら、レーザ光f4(=f2+fm)として反射鏡38
に出射される。一方、反射レーザ光f3は光学音響素子
36に入射し、そこで周波数fnの変調が加えられ、レ
ーザ光f5(=f3+fn)として反射鏡37に出射さ
れる。光学音響素子35から出射するレーザ光f4は反
射鏡38で反射し、ビームスプリッタ34に入射する。
一方、光学音響素子36から出射するレーザ光f5も反
射鏡37で反射し、ビームスプリッタ34に入射する。
ビームスプリッタ34に入射したレーザ光f4とレーザ
光f5は合成されて、偏光ビームスプリッタ3Aに入射
される。なお、ここでは図4の分岐手段39は省略して
ある。
【0016】偏光ビームスプリッタ3Aはレーザ光f4
を反射して4分の1波長板3Dを介して参照面3Bに照
射し、またレーザ光f0+f2を透過して4分の1波長
板3Eを介して測定面3Cに照射する。4分の1波長板
3D及び3Eを通過した直線偏光は円偏光に変換され
る。参照面3Bで反射したレーザ光f4は、直線偏光か
ら円偏光に変換されているので、偏光ビームスプリッタ
3Aを透過して偏光板2を介して受光素子3Gに入射す
る。一方、測定面3Cで反射したレーザ光f5も同じく
直線偏光から円偏光に変換されているので、偏光ビーム
スプリッタ3Aで反射して偏光板2を介して受光素子3
Gに入射する。すなわち、4分の1波長板3D及び3E
は入射光と戻り光の偏光を直交させ、戻り光を偏光板2
へ導く。偏光板2は参照面3Bで反射したレーザ光f4
と測定面3Cで反射したレーザ光f5とから干渉成分を
取り出し、それを受光素子3Gに出力する。
【0017】受光素子3Gは、参照面3Bで反射したレ
ーザ光f4と、測定面3Cで反射したレーザ光f5との
干渉成分に応じた電気信号を位相差測定回路3Hに出力
する。参照面3Bで反射したレーザ光f4をaSinω
1tとし、測定面3Cで反射したレーザ光f5をbSi
n(ω2t+φ)とすると、偏光板2を通過する干渉成
分は図2(A)に示すような式で表される。ここで、a
は参照面3Bの反射率であり、固定値である。bは測定
面3Cの反射率であり、Θはレーザ方位角すなわち偏光
角調整手段1によって回転されたレーザ光の回転角度で
あり、φは測定面3Cの段差に応じた両レーザ光f4,
f5間の位相差である。
【0018】図2(B)は測定面3Cの反射率b及びレ
ーザ方位角Θをパラメータとした場合における偏光板2
を通過後の干渉成分の振幅を示す図である。この図から
明らかなように反射率bの大きさに係わらずレーザ方位
角Θは約45度付近の方が干渉振幅は大きいことがわか
る。しかしながら、反射率bが小さくなると干渉成分が
ショットノイズの影響を受けるようになるため、レーザ
方位角Θは45度付近よりも小さくした方がよい。図3
(B)は、測定面3Cの反射率b及びレーザ方位角Θを
パラメータとした場合におけるS/Nの指数、すなわち
干渉振幅を平均値の平方根で割った値である。この演算
式は図3(A)に示す通りである。図3(B)から明ら
かなように、測定面3Cの反射率bが低下した場合に
は、測定面3Cに供給されるレーザ光成分を増加する方
向にレーザ方位角Θを回転させればよいことがわかる。
図3(C)は反射率bが約0.37の場合におけるレー
ザ方位角ΘとそのS/N指数との関係を示す図である。
レーザ方位角Θが35度付近にピークがあることが分か
る。従って、反射率bが0.37のような場合にはレー
ザ方位角Θを約35度付近にすれば、S/Nのよい干渉
振幅信号を得られることになる。
【0019】なお、図1の実施の形態では、測定面3C
の反射率に応じて偏光角調整手段1を調整する場合につ
いて説明したが、レーザ光f6の一部を用いて、図3
(A)のような演算式に対応した値を検出する手段を設
け、その値を偏光角調整手段1にフィードバックするよ
うにしてもよい。これによって、測定面3Cの反射率が
変動した場合でも、最適な干渉振幅信号を得ることがで
きる。
【0020】
【発明の効果】本発明の光干渉計の干渉位相検出方式に
よれば、測定面の反射率が変動して場合でも、正確にそ
の段差間距離又は突起物の高さに相当する位相差を測定
することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の光干渉計の干渉位相検出方式の実施
の形態に係る概略構成を示す図である。
【図2】 参照面と測定面で反射したレーザ光の干渉成
分の干渉式と、この干渉式に対応した干渉振幅の様子を
示す図である。
【図3】 参照面と測定面で反射したレーザ光の干渉成
分のS/N指数を示す式と、この式に対応したS/N指
数の様子を示す図である。
【図4】 従来の光学式グライドテスタの概略構成を示
す図である。
【図5】 測定面に突起又は段差等がない場合に突起又
は段差の高さがどのようにして測定されるのか、その検
出原理を示す図である。
【図6】 測定面に高さΔδの突起又は段差等が存在す
る場合に突起又は段差の高さがどのようにして測定され
るのか、その検出原理を示す図である。
【符号の説明】
1…偏光角調整手段、2…偏光板、31…レーザ装置、
32…変調手段、33,34…ビームスプリッタ、3
5,36…光学音響素子、37,38…反射鏡、3A…
偏光ビームスプリッタ、3B…参照面、3C…測定面、
3D,3E…4分の1波長板、3F,3G…受光素子、
3H…位相差測定回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 信彦 東京都渋谷区東3丁目16番3号 日立電子 エンジニアリング株式会社内 Fターム(参考) 2F064 AA09 CC01 CC10 FF01 GG12 GG22 GG23 GG33 GG34 GG38 GG70 HH05 2F065 AA49 BB03 CC03 DD04 EE03 FF49 FF52 GG04 HH04 HH13 JJ15 LL12 LL33 LL34 LL36 LL37 LL46 LL57 NN08

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ光を分岐し、分岐されたレーザ光
    を異なる周波数で変調し、参照面と測定面に照射し、そ
    こからのそれぞれの反射光の干渉成分を受光することに
    よって測定面の位相を検出する光干渉計の干渉位相検出
    方式において、 前記測定面の反射率に応じて前記分岐前のレーザ光をそ
    の光軸を中心に所定角度だけ回転させる偏光角調整手段
    を設けたことを特徴とする光干渉計の干渉位相検出方
    式。
  2. 【請求項2】 前記所定角度は前記反射光の干渉成分の
    S/N指数が最大となるように制御することを特徴とす
    る請求項1に記載の光干渉計の干渉位相検出方式。
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