JP2000121318A - 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Info
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Abstract
よって、被測定面の段差間距離又は突起物の高さに相当
する位相差を測定できるようにする。 【解決手段】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、
基準面と測定面に照射し、そこからのそれぞれの反射光
の干渉成分を受光素子手段で受光することによって測定
面における基準面からの高さを検出する。受光素子手段
は反射光の干渉成分を受光するライン型センサで構成さ
れ、測定面兼用の複数の画素群と、この画素群の両側に
設けられた基準面専用の複数の画素群とを有する。基準
面位相算出手段は測定面兼用の画素群の中の測定点の画
素に対する基準面位相信号を、測定点の画素を中心に左
右対称に位置する所定数の画素群の信号の平均値に基づ
いて算出する。測定点位相算出手段は測定点の画素の信
号に基づいて測定点の画素に入射した反射光の測定点位
相信号を算出する。高さ算出手段は測定点位相信号から
基準面位相信号を減算することによって基準面から測定
点までの高さに相当する信号を算出する。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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5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。
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。
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。
して測定されるのか、その検出原理を示す図であり、図
6は測定面に突起又は段差等がない場合を示し、図7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6及び図7には、図5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6及び図7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。
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7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。
一方を測定用とし、他方を基準用とした場合、欠陥の周
辺に他の欠陥や、欠陥でなくても微少凹凸が存在する場
合には、それらの影響を基準用のレーザ光も受けること
になり、正確な測定を行うことができないという問題が
ある。また、測定用センサ系(受光素子3G)と基準用
センサ系(受光素子3F)で発生するノイズ成分が自乗
和平均され、トータルのS/Nが低下するという問題も
ある。
であり、1本のレーザ光を被測定面に照射することによ
って、被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。
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、基準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におけ
る基準面からの高さを検出する光干渉計の干渉位相検出
方式において、前記反射光の干渉成分を受光するライン
型センサで構成され、測定面兼用の複数の画素群と、こ
の画素群の両側に設けられた基準面専用の複数の画素群
とを有する受光素子手段と、前記測定面兼用の画素群の
中の測定点の画素に対する基準面位相信号を、前記測定
点の画素を中心に左右対称に位置する所定数の画素群の
信号の平均値に基づいて算出する基準面位相算出手段
と、前記測定点の画素の信号に基づいて前記測定点の画
素に入射した前記反射光の測定点位相信号を算出する測
定点位相算出手段と、前記測定点位相信号から前記基準
面位相信号を減算することによって前記測定点の高さに
相当する信号を算出する高さ算出手段とを設けたもので
ある。
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の相当する位相差を検出する。従来
は、この干渉波形を基準点用と測定点用の2つに分岐し
て、それぞれの干渉波形を2つの受光素子で検出し、そ
の検出信号に基づいて基準点と測定点の位相差すなわち
測定面の段差間距離又は突起物の高さを検出していた。
この発明では、干渉波形を分岐することなく、1つの干
渉波形を1つの受光素子で受光することによって、測定
面の段差間距離又は突起物の高さを検出する。そこで、
この発明では、受光素子を測定面兼用の複数の画素群
と、この画素群の両側に設けられた基準面専用の複数の
画素群とを有するライン型センサで構成する。測定点の
画素の位相信号は、測定点の画素の信号に基づいて直接
求める。一方、基準面の画素の位相信号は、基準面位相
算出手段によって、その測定点の画素を中心に左右対称
に位置する所定数の画素群の信号の平均値に基づいて求
める。これを測定面兼用の画素に対して行う。これによ
って、微少凹凸が存在する場合でも、予め基準面用の画
素を特定したものに比べて、基準面位相のノイズは著し
く低減され、再現性が向上するという効果がある。
る光干渉計の干渉位相検出方式は、前記請求項1に記載
の光干渉計の干渉位相検出方式の一実施態様として、前
記基準面専用の画素を前記測定面兼用の画素よりも大き
な画素面積で構成しているものである。これにより基準
面専用画素からの信号を処理する回路の数を大幅に省略
することができる。
る光干渉計の干渉位相検出方式は、前記請求項1に記載
の光干渉計の干渉位相検出方式の一実施態様として、前
記基準面算出手段は、算出された基準面位相信号を所定
時間だけ遅延し、これらの遅延信号の平均値を算出する
ことによって、前記測定点位相信号を中心とする基準面
位相信号を生成し、前記測定点位相算出手段は、前記測
定点の画素の信号を前記所定時間の半分だけ遅延した前
記測定点位相信号に基づいて前記測定点の画素に入射し
た前記反射光の測定点位相信号を算出するようにしたも
のである。これによって、測定点の画素位置を基準面全
体の中心に配置できる。
る光干渉計の干渉位相検出方式は、前記請求項1に記載
の光干渉計の干渉位相検出方式の一実施態様として、前
記測定面兼用の画素群を所定数のグループに分割し、そ
のグループ毎に前記基準面位相算出手段によって基準面
位相信号を算出し、算出された基準面位相信号及び前記
グループ内に属する画素信号に基づいて前記グループ内
の測定点の高さに相当する信号を算出するようにしたも
のである。基準面位相信号を当該グループ毎に算出する
ことによって、演算を簡略化できる。
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実施の形態に係る概略構成を示す図
である。レーザ装置31は波長532nmのレーザ光f
1を出射する。ビームスプリッタ33は、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。光学音響素子35
は、透過レーザ光f2に周波数fmの変調を加え、それ
をレーザ光f4(=f2+fm)として反射鏡38に出
射する。光学音響素子36は反射レーザ光f3に周波数
fnの変調を加え、それをレーザ光f5(=f3+f
n)として反射鏡37に出射する。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。
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3M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
M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3Mに出力する。
兼用画素群M1と基準面専用画素群M2,M3とからな
るライン形センサで構成されている。測定面兼用画素群
M1は長手方向に並んだ64個の画素で構成されてい
る。測定面兼用画素群M1を構成する64個の画素は8
個を1グループとする画素グループA〜Hに分割され
る。各グループA〜Hの画素はA0〜A7,A0〜A
7,B0〜B7,C0〜C7,E0〜E7,F0〜F
7,G0〜G7,H0〜H7の符号で区別することとす
る。各画素グループA〜Hの各画素は連続的に配置され
ている。基準面専用画素群M2は画素グループA〜Hの
画素の16個分の大きさの画素L0〜L3で構成されて
いる。同じく、基準面専用画素群M3も16画素分の大
きさの画素R0〜R3で構成されている。これは基準面
専用画素群M2,M3を磁気ディスクの半径方向におけ
るレーザ光の入力信号を平均化するための用いるためで
ある。
方向と被測定面である磁気ディスクの半径方向とが一致
するように配置される。測定面兼用画素群M1の64個
の各画素から高さ信号を得るために、この実施の形態で
は、図1の信号処理回路1を用いている。すなわち、従
来は測定点用と基準点用の2つの受光素子を用いて各画
素における高さ信号を得ていた。この実施の形態では、
1つの受光素子3Mを用いて各画素に対応した高さ信号
を得るようにしている。
一部を示す図であり、図2の画素グループA及びBの各
画素A0〜A7,B0〜B7の高さ信号を出力する部分
の回路構成を示す図である。画素グループC〜Hも同様
の構成なので、図示は省略してある。図1では、図3の
信号処理回路1の主要な部分のみが示されている。
路1A、位相検出器2A、移動平均回路4A、位相検出
器50〜57、遅延回路60〜67及び減算回路70〜
77が画素グループAの各画素A0〜A7の高さ信号を
出力するものであり、半径方向平均回路1B、位相検出
器2B、移動平均回路4B、位相検出器58〜5F、遅
延回路68〜6F及び減算回路78〜7Fが画素グルー
プBの各画素B0〜B7の高さ信号を出力するものであ
る。
素グループAを中心として対称とみなせる区間(例えば
左右に32画素相当分)の画素出力を平均化するもので
ある。すなわち、半径方向平均回路4Aは、画素グルー
プAの左側に位置する32画素相当分の画素L0〜L3
の画素出力と、その右側に位置する32画素分の画素B
0〜B7,C0〜C7,D0〜D7,E0〜E7の画素
出力とを入力し、これらの出力の平均値を算出するもの
であり、磁気ディスクの半径方向における画素出力を平
均化するものである。
4Aから出力される画素出力の平均値に基づいた位相信
号を出力する。位相検出方式は従来と同様の処理にて行
われるので、ここでは省略する。
せから構成されるものであり、測定点である画素グルー
プAが平均エリアの中心に位置するように、各画素出力
(画素L0〜L3の画素出力と、その右側に位置する3
2画素分の画素B0〜B7,C0〜C7,D0〜D7,
E0〜E7の画素出力)の平均値に基づいて算出された
位相信号を磁気ディスクの円周方向における位相信号の
平均値として算出するものである。すなわち、移動平均
回路4Aは、図4に示すように位相検出器2Aから出力
された各時刻t1〜t7における位相信号を記憶してお
き、その平均値を算出することによって、画素グループ
Aの位相信号が図4(A)のように平均エリアの中心
(時刻t4における画素グループA)に位置するように
設定するものである。図4(B)は、画素グループEの
位相信号が平均エリアの中心に位置する場合の様子を示
したものである。なお、移動平均回路4Aの平均化に際
して、フィルタ特性を持たせるために各時刻の信号に重
み付けを行ってもよい。
各画素A0〜A7の画素出力を入力し、それに基づいた
位相信号を出力する。遅延回路60〜67は各位相検出
器50〜57からの位相信号を移動平均回路4Aの遅延
時間の半分だけ遅延するものである。これは、移動平均
回路4Aが測定点を平均エリアの中心に位置するために
所定時刻遅延しているものに対応させたものであり、測
定点についてみれば所定時刻の半分だけ遅延することに
よって対応つけることができる。減算回路70〜77
は、各遅延回路60〜67の出力から移動平均回路4A
の出力を減算することによって各画素A0〜A7の入射
光に対応する地点の高さ信号H0〜H7を出力するよう
になる。他の画素グループB〜Hについても同様の処理
にて、高さ信号を出力する。
む画素グループの隣接する画素グループから所定領域内
の画素群の信号を平均化することによって基準面におけ
る位相信号を得る場合について説明したが、これに限ら
ず、測定点を含む画素グループから所定領域離れた画素
グループから所定領域内の画素群の信号を平均化するよ
うにしてもよい。これは、測定点の画素に隣接する画素
は測定点の画素の影響を受ける割合が高いので、基準面
における位相信号としてはノイズを含むからである。ま
た、上述の実施の形態では、画素グループの画素数を8
画素の場合について説明したが、これは一例であり、こ
れ以外の画素数でよいことはいうまでもない。また、基
準面専用の画素は通常の画素よりも大きいものを用いる
場合について説明したが、すべて同じ画素で構成しても
よいことはいうまでもない。
よれば、1本のレーザ光を被測定面に照射することによ
って、被測定面の段差間距離又は突起物の高さに相当す
る位相差を測定することができるという効果がある。
の形態に係る概略構成を示す図である。
示す図である。
ある。
す図である。
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。
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。
2…変調手段、33,34…ビームスプリッタ、35,
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、3
D,3E…4分の1波長板、3F,3G…受光素子、3
H…位相差測定回路、3M…ライン型受光素子、1A,
1B…半径方向平均回路、2A,2B,A0〜A7,B
0〜B7…位相検出器、4A,4B…位相平均回路、6
0〜6F…遅延回路、70〜7F…減算回路
Claims (4)
- 【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、基準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
よって測定面における基準面からの高さを検出する光干
渉計の干渉位相検出方式において、 前記反射光の干渉成分を受光するライン型センサで構成
され、測定面兼用の複数の画素群と、この画素群の両側
に設けられた基準面専用の複数の画素群とを有する受光
素子手段と、 前記測定面兼用の画素群の中の測定点の画素に対する基
準面位相信号を、前記測定点の画素を中心に左右対称に
位置する所定数の画素群の信号の平均値に基づいて算出
する基準面位相算出手段と、 前記測定点の画素の信号に基づいて前記測定点の画素に
入射した前記反射光の測定点位相信号を算出する測定点
位相算出手段と、 前記測定点位相信号から前記基準面位相信号を減算する
ことによって前記測定点の高さに相当する信号を算出す
る高さ算出手段とを備えたことを特徴とする光干渉計の
干渉位相検出方式。 - 【請求項2】 前記基準面専用の画素は前記測定面兼用
の画素よりも大きな画素面積で構成されていることを特
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。 - 【請求項3】 前記基準面算出手段は、算出された基準
面位相信号の所定時間分の平均値を算出することによっ
て、前記測定点位相信号を中心とする基準面位相信号を
生成し、 前記測定点位相算出手段は、前記測定点の画素の信号を
前記所定時間の半分だけ遅延した前記測定点位相信号に
基づいて前記測定点の画素に入射した前記反射光の測定
点位相信号を算出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。 - 【請求項4】 前記測定面兼用の画素群を所定数のグル
ープに分割し、そのグループ毎に前記基準面位相算出手
段によって基準面位相信号を算出し、算出された基準面
位相信号及び前記グループ内に属する画素信号に基づい
て前記グループ内の測定点の高さに相当する信号を算出
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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