JP2000258117A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被測定体表面の高さ位置を非接触で高精度にか
つ高速に測定する。 【解決手段】光源１１から発せられた光を導いて被測定
体表面１ａに集光させるとともに、被測定体表面で反射
した光を、被測定体表面の集光点に対する共役点にピン
ホール１４ａを有するピンホール部材１４を介して受光
素子１５に導く共焦型光学系とピンホール部材１４を光
軸方向に所定の周波数ｆで振動させるドライバ２０と、
受光素子１５で得られた受光信号を、ピンホール部材１
４の振動周波数ｆと同一または２倍の周波数で同期検波
する同期検波回路２１と、同期検波回路２１からの同期
検波出力に応じて、被測定体表面に最小スポット径の光
スポットが形成されるように集光状態を調節する集光調
節部（例えば光学系を上下動させるドライバ２２）と、
集光調節部による集光調節結果に基づいて被測定体表面
１ａの光軸方向の位置を求める演算部２４とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定体表面の高
さ位置を測定する位置測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より被測定体の表面粗さを測定する
表面粗さ計や表面の変位を測定する変位計等が様々な分
野での計測に使用されている。これら表面粗さ計や変位
計は、被測定体表面の高さあるいは高さ変化分を測定す
るものである。

【０００３】従来より使用されている表面粗さ計や変位
計としては、被測定体表面に接触してその高さを測定す
るタイプのものが知られている。このタイプのものは構
造は比較的簡単であるが、表面に接触する必要があるた
め用途が限られるという問題がある。

【０００４】そこで、ここでは、非接触で被測定体表面
の高さを高精度に検出する手段として、共焦型レーザ顕
微鏡を用いることを考える。

【０００５】図１は、共焦型レーザ顕微鏡の原理説明図
である。

【０００６】レーザ点光源１１から射出したレーザ光１
１ａは、ハーフミラー１２を透過し対物レンズ１３を経
由して、被測定体１の表面１ａに小さなスポットを形成
する。この被測定体１で反射したレーザ光は対物レンズ
１３を経由しハーフミラー１２で反射され、中央にピン
ホール１４ａが形成されたピンホール部材１４の，その
中央に形成されたピンホール１１ａを経由して受光素子
１５で受光される。ここで、ピンホール１４ａは、被測
定体表面１ａに形成されたスポットに対し共役な位置に
形成されている。

【０００７】図２は、被測定体表面の高さ位置Ｚに対す
る受光光量を示した図である。

【０００８】図１に示す受光素子１５での受光光の光量
は、被測定体表面１ａの微小な高さ変動によって大きく
変化し、被測定体表面１ａが、その表面１ａに最小スポ
ット径の光スポットが照射される高さＺ₀位置にあると
きに受光光量は最大となり、被測定体表面１ａの高さＺ
がそれよりも高くても低くても受光光量が低下する。

【０００９】そこで、図１に示す光学系と被測定体１と
の相対的な高さ位置を調整して受光光量の最大点を見つ
けることにより、被測定体表面１ａの高さ位置が計測さ
れる。また、それを被測定体表面１ａの多数の点につい
て行なうと、表面粗さを計測することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ここで、図１に示す装
置を用いて被測定体表面１ａの高さ位置を測定しようと
したとき、測定開始時点で受光素子１５から出力される
信号はある受光光量をあらわす信号であるが、それが最
大の受光光量を表わす信号であるか否かは不明であり、
また、被測定体１を光学系に近づけると受光光量が増え
るのかそれとも光学系からは遠ざけると受光光量が増え
るのかも不明であり、したがって被測定体１を光軸方向
に動かしてみて受光光量が低下したときは、逆の方向に
動かし、受光光量のピーク点を通過して始めて最大受光
光量に対応する被測定体の高さ位置を知ることができ
る。

【００１１】このように、上記の共焦型レーザ顕微鏡を
採用した場合、被測定体表面の高さ位置を非接触で高精
度に測定することはできるものの、測定点１つにつき上
記のような手順を繰り返す必要があり、測定に時間がか
かり高速測定には不向きであるという問題がある。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑み、被測定体表面
の高さ位置を非接触で高精度に測定することができると
いう点はそのまま踏襲しつつ、高速測定を可能にした位
置検出装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の位置検出装置は、光源から発せられた光を導いて被
測定体表面に集光させるとともに、被測定体で反射した
光を、被測定体表面の集光点に対する共役点にピンホー
ルを有するピンホール部材を介して受光素子に導く共焦
型光学系と、上記ピンホール部材を光軸方向に所定の周
波数で振動させるピンホール駆動部と、上記受光素子で
得られた受光信号を、ピンホール部材の振動周波数と同
一もしくは２倍の周波数で同期検波する同期検波部と、
同期検波部からの同期検波出力に応じて、被測定体表面
に最小スポット径の光スポットが形成されるように集光
状態を調節する集光調節部と、集光調節部による集光調
節結果に基づいて被測定体の光軸方向の位置を検出する
位置検出部とを備えたことを特徴とする。

【００１４】ここで、上記本発明の位置検出装置におい
て、上記共焦型光学系に対する被測定体の相対位置を光
軸に交わる方向に移動させる被測定体移動部を備えるこ
とが好ましい。

【００１５】上記集光調節部は、上記共焦型光学系を調
節することにより集光調節を行なうものであってもよ
く、あるいは、上記集光調節部は、被測定体の光軸方向
の位置を調節することにより集光調節を行なうものであ
ってもよい。

【００１６】本発明の位置検出装置は、ピンホール部材
を光軸方向に振動させるとともに、受光素子で得られた
受光信号をピンホール部材の振動周波数と同一の周波数
で同期検波するものであり、後述するように、その同期
検波出力によれば被測定体表面が光学系から離れすぎて
いるのか近づき過ぎているのかがわかり、光学系と被測
定体との間の距離を直ちに調整することができる。した
がって、非接触で高精度な測定を高速に行なうことがで
きる。

【００１７】光学系に対する被測定体の相対位置を光軸
に交わる方向に移動させるように構成したときは、常に
サーボしながら被測定体表面の各点の高さを連続的に測
定することも可能である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１９】図３は、本発明の位置検出装置の一実施形
態の構成を示す図である。図１に示す位置検出装置の要
素と同じ要素には図１に付した符号と同一の符号を付し
て示し、相違点を中心に説明する。

【００２０】ここでは、被測定体１は載置台１６の上に
載せられており、その載置台１６は、外部からの制御信
号により指示を受けたドライバ１７により、矢印Ａ−
Ａ’方向に自在に移動される。その載置台１６の移動位
置はセンサ１８により検出され、外部に位置信号が出力
される。 また、ここには、所定の周波数ｆで発振する
発振器１９が備えられており、この発振器１９から出力
された周波数ｆの発振信号はドライバ２０に入力され、
このドライバ２０により、ピンホール板１４が光軸方向
（矢印Ｂ−Ｂ’方向）に微小振動される。

【００２１】また、発振器１９から出力された周波数ｆ
の発振信号は同期検波回路２１に入力されるとともに、
その同期検波回路２１には受光素子１５で得られた受光
信号も入力され、同期検波回路２１ではその受光信号が
周波数ｆで同期検波される。あるいは、図１に破線で示
すように、発振器１９と同期検波回路２１との間に、発
振器１９から出力された周波数ｆの発振信号を周波数２
ｆの信号に逓倍する逓倍回路２５を配置し、同期検波回
路２１では受光信号を周波数２ｆで同期検波してもよ
い。

【００２２】その同期検波出力は、ドライバ２２に入力
され、ドライバ２２はその入力に応じて、光学系全体
を、被測定体１に接離するＣ−Ｃ’方向に移動させる。
この光学系の高さ位置はセンサ２３により検出され、演
算器２４によりその高さ位置が被測定体１の表面の凹凸
をあらわす信号に変換されて外部に出力される。

【００２３】図４は光学系に対する被測定体の相対的な
高さ位置Ｚ（横軸）に対する同期検波回路２１の出力を
示す図であり、図４（Ａ）は周波数ｆで同期検波したと
きのもの、図４（Ｂ）は周波数２ｆで同期検波したとき
のものである。

【００２４】受光素子１５での受光光量が図２に示す曲
線であらわされるとき、ピンホール板１４を周波数ｆで
振動させそのときに得られた受光信号を周波数ｆあるい
は周波数２ｆで同期検波すると、その同期検波出力は、
それぞれ図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、最大受光光
量を示す高さ位置Ｚ０を中心とした奇関数となる。した
がって被測定体表面の高さ位置が微小に変化したときプ
ラスの信号あるいはマイナスの信号が出力され、プラス
の信号が出力されるかマイナスの信号が出力されるかに
応じて、ドライバ２２は信号がゼロになるように光学系
を一義的にＣ方向あるいはＣ’方向に動かせばよく、載
置台１６をＡ−Ａ’方向に移動させている間、常にサー
ボを行なうことができる。したがって、被測定体表面の
凹凸分布を高速に測定することができる。

【００２５】尚、図３に示す実施形態では、被測定体表
面でのスポット径が最小となるように光学系全体の高さ
を調整しているが、被測定体表面でのスポット径が最小
となるように調整すればよく、したがって光学系の一部
の要素のみ調整すればよいように光学系を構成してもよ
く、あるいは光学系では高さ調節を行なわずに、載置台
の方を上下に移動させるようにしてもよい。また、上記
実施形態では載置台をＡ−Ａ’方向に移動させることに
より、光学系と被測定体との、図の左右方向の相対位置
を変えているが、載置台の方は固定しておき、光学系の
方の左右方向に移動させてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定体表面の高さ位置を非接触で高精度にかつ高速に
測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】共焦型レーザ顕微鏡の原理説明図である。

【図２】被測定体表面の高さ位置に対する受光光量を示
した図である。

【図３】本発明の位置検出装置の一実施形態の構成を示
す図である。

【図４】光学系に対する被測定体の相対的な高さ位置
（横軸）に対する同期検波回路の出力を示す図である。

【符号の説明】

１１ レーザ点光源 １１ａ レーザ光 １２ ハーフミラー １３ 対物レンズ １４ ピンホール部材 １４ａ ピンホール １５ 受光素子 １６ 載置台 １７ ドライバ １８ センサ １９ 発振器 ２０ ドライバ ２１ 同期検波回路 ２２ ドライバ ２３ センサ ２４ 演算器 ２５ 逓倍回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から発せられた光を導いて被測定体
   表面に集光させるとともに、該被測定体で反射した光
   を、該被測定体表面の集光点に対する共役点にピンホー
   ルを有するピンホール部材を介して受光素子に導く共焦
   型光学系と、 前記ピンホール部材を光軸方向に所定の周波数で振動さ
   せるピンホール駆動部と、 前記受光素子で得られた受光信号を、前記ピンホール部
   材の振動周波数と同一もしくは２倍の周波数で同期検波
   する同期検波部と、 前記同期検波部からの同期検波出力に応じて、前記被測
   定体表面に最小スポット径の光スポットが形成されるよ
   うに集光状態を調節する集光調節部と、 前記集光調節部による集光調節結果に基づいて前記被測
   定体の光軸方向の位置を検出する位置検出部とを備えた
   ことを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記共焦型光学系に対する被測定体の相
   対位置を光軸に交わる方向に移動させる被測定体移動部
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の位置検出装
   置。
3. 【請求項３】 前記集光調節部が、前記共焦型光学系を
   調節することにより集光調節を行なうものであることを
   特徴とする請求項１又は２記載の位置検出装置。
4. 【請求項４】 前記集光調節部が、被測定体の光軸方向
   の位置を調節することにより集光調節を行なうものであ
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の位置検出装
   置。