JP2808713B2 - Optical micro displacement measuring device - Google Patents

Optical micro displacement measuring device

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JP2808713B2
JP2808713B2 JP21864289A JP21864289A JP2808713B2 JP 2808713 B2 JP2808713 B2 JP 2808713B2 JP 21864289 A JP21864289 A JP 21864289A JP 21864289 A JP21864289 A JP 21864289A JP 2808713 B2 JP2808713 B2 JP 2808713B2
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保次 服部
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、被測定物の微小変位や表面粗さを光学的手
段により測定する光学式微小変位測定装置に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical micro-displacement measuring device for measuring a micro-displacement and a surface roughness of an object to be measured by optical means.

<従来の技術> 従来より、焦点ずれを検出して被測定物の微小変位や
表面粗さを測定する装置としては、例えば臨界角法を用
いたもの(特開昭59−90007号公報参照)、非点収差法
を用いたもの(特開昭60−186705号公報参照)、あるい
はフーコー法を用いたもの(光技術コンタクトvol26,N
o.11,1988,P773〜784)などが知られている。
<Prior Art> Conventionally, as a device for detecting a defocus and measuring a minute displacement and a surface roughness of an object to be measured, for example, a device using a critical angle method (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-9007) Using the astigmatism method (see JP-A-60-186705) or using the Foucault method (optical technology contact vol26, N
o. 11, 1988, pages 773 to 784).

ここで、臨界角法は、プリズムの有する固有の臨界角
近傍に入射する光ビーム強度が微小な角度変化に対して
急激な変化を呈する性質を利用したものであり、かかる
臨界角法による従来の光学式微小変位測定装置の構成を
第10図に示す。同図中、101はレーザー光源、102はコリ
メートレンズ、103は偏光ビームスプリッタ、104は1/4
波長板、105は対物レンズ、106は被測定物、107はビー
ムスプルリッタ、108a,108bは臨界角プリズム、109a,10
9bは2分割受光素子であり、レーザー光源101からのレ
ーザ光はコリメートレンズ102により平行光束に変換さ
れ、S偏光で偏光ビームスプリッタ103を介して1/4波長
板104へ導かれる。この1/4波長板104に導かれたレーザ
光は円偏光の光束に変換された後、対物レンズ105を介
して被測定物106の表面に集光される。被測定物106で反
射されたレーザ光は1/4波長板104でP偏光にされた後、
偏光ビームスプリッタ103を透過してビームスプリッタ1
07に導かれ、分光される。分光された光はそれぞれ、反
射面が臨界角に設定されている臨界角プリズム108a,108
bで反射され、それぞれ2分割受光素子109a,109bに入射
され、光量が検出される。
Here, the critical angle method utilizes the property that the intensity of a light beam incident near the intrinsic critical angle of a prism exhibits a rapid change with respect to a small angle change. FIG. 10 shows the configuration of the optical minute displacement measuring device. In the figure, 101 is a laser light source, 102 is a collimating lens, 103 is a polarizing beam splitter, 104 is 1/4
Wave plate, 105 is an objective lens, 106 is an object to be measured, 107 is a beam splitter, 108a and 108b are critical angle prisms, 109a and 10
Reference numeral 9b denotes a two-division light receiving element. The laser light from the laser light source 101 is converted into a parallel light beam by the collimator lens 102, and is guided to the quarter-wave plate 104 via the polarization beam splitter 103 as S-polarized light. The laser beam guided to the quarter-wave plate 104 is converted into a circularly polarized light beam, and then condensed on the surface of the object 106 via the objective lens 105. After the laser light reflected by the DUT 106 is converted into P-polarized light by the quarter-wave plate 104,
Transmission through the polarization beam splitter 103, beam splitter 1
Guided to 07 and split. Critical angle prisms 108a and 108 whose reflected surfaces are set at critical angles
The light is reflected by b, enters the two-divided light receiving elements 109a and 109b, and the amount of light is detected.

このように、被測定物106が対物レンズ105の焦点に位
置している場合には、反射光は平行光となり、臨界角プ
リズム108a,108bにおける反射率は全光束で一定とな
り、2分割受光素子109a,109bに受光される光量は等し
くなる。しかし、被測定物106が対物レンズ105の焦点よ
り遠くに位置している場合には反射光は収束光となるの
で臨界角プリズム108a,108bに入る光束の入射角はその
光軸に対して臨界角プリズム108aで図中下側、臨界角プ
リズム108bで図中右側は臨界角より小さくなり、反射率
が低下して、2分割受光素子109a,109bに受光される光
量に差が生じる。同様に被測定物106が対物レンズ105の
焦点より近い地点に位置している場合には反射光は発散
光となり、上述した場合とは逆になり、2分割受光素子
109a,109bに受光される光量に差が生じる。このような
光量の差から被測定物106の、対物レンズ105の焦点位置
からの変位を検出し、被測定物106の微小変位や表面粗
さを測定することができる。
As described above, when the object to be measured 106 is located at the focal point of the objective lens 105, the reflected light is parallel light, and the reflectivity of the critical angle prisms 108a and 108b is constant for all luminous fluxes, and the two-divided light receiving element The light amounts received by 109a and 109b are equal. However, when the DUT 106 is located farther than the focal point of the objective lens 105, the reflected light becomes convergent light, so that the incident angle of the light flux entering the critical angle prisms 108a and 108b is critical with respect to its optical axis. The lower side in the drawing of the angular prism 108a and the lower right side of the drawing in the critical angle prism 108b are smaller than the critical angle, the reflectance is reduced, and a difference occurs in the amount of light received by the two-divided light receiving elements 109a and 109b. Similarly, when the measured object 106 is located at a point closer to the focal point of the objective lens 105, the reflected light becomes divergent light, which is opposite to the above-described case, and is divided into two light receiving elements.
There is a difference between the amounts of light received by 109a and 109b. The displacement of the object 106 from the focal position of the objective lens 105 can be detected from such a difference in the amount of light, and the minute displacement and the surface roughness of the object 106 can be measured.

一方、非点収差法は、円筒レンズを用いて検出像に非
点収差を与え、測定対象物の位置の移動変位量を像の変
形に変換するものであり、この方法による微小変位測定
装置では、被測定物が対物レンズの合焦点位置の場合に
は、受光ビームは円形状となるが、結像位置が近い場合
には縦長な楕円形状になり、また、遠い場合には横長な
楕円形状となるので、これを4分割フォトダイオードで
光電変換し、縦方向,横方向のそれぞれの和を求め、更
にそれらの差の出力信号を求め、被測定物の移動変位量
に比例した出力を得るものである。
On the other hand, the astigmatism method is to give astigmatism to a detected image using a cylindrical lens, and to convert the amount of displacement of the position of the measurement object into deformation of the image. When the object to be measured is at the in-focus position of the objective lens, the received light beam has a circular shape, but when the imaging position is close, the light-receiving beam has a vertically long elliptical shape. Then, this is photoelectrically converted by a four-division photodiode, and the sum of each of the vertical and horizontal directions is obtained. Further, the output signal of the difference is obtained, and an output proportional to the displacement of the object to be measured is obtained. Things.

また、フーコー法により微小変位測定装置は、光学的
ナイフエッジ効果を持つ分割プリズムを用いて被測定物
からの反射光束を2光束に分割し、2分割フォトダイオ
ードに入射させるものであり、対物レンズと被測定面と
の距離が変化すると被測定物からの反射光束の広がり角
が変化するため、2分割フォトダイオードの受光量に差
が生ずるので、これにより被測定物の変位量を求めるも
のである。
Further, the micro-displacement measuring apparatus according to the Foucault method splits a reflected light beam from an object to be measured into two light beams by using a split prism having an optical knife edge effect, and causes the light beam to enter a two-divided photodiode. When the distance between the object and the surface to be measured changes, the divergence angle of the reflected light beam from the object to be measured changes, so that a difference occurs in the amount of light received by the two-divided photodiode. is there.

<発明が解決しようとする課題> 前述した光学式微小変位測定装置において被測定物が
傾いた場合には、反射光束軸は入射光束軸に対して平行
移動してしまう。例えば第10図に示す装置で被測定物10
6がθだけ傾いた場合、第11図に示すように、入射光束
軸110に対して、反射光束軸111はΔxだけ平行移動する
ことになる。そして、このとき被測定物106は対物レン
ズ105の焦点距離をfとすると、 Δx=ftan2θ の関係が成り立つ。
<Problems to be Solved by the Invention> When the object to be measured is tilted in the above-described optical micro-displacement measuring device, the axis of the reflected light beam moves parallel to the axis of the incident light beam. For example, the device to be measured 10
When 6 is inclined by θ, the reflected light beam axis 111 moves parallel to the incident light beam axis 110 by Δx as shown in FIG. Then, at this time, assuming that the object to be measured 106 has a focal length f of the objective lens 105, a relationship of Δx = ftan2θ holds.

ところで、第10図に示した装置では反射光を分光して
それぞれを2分割受光素子109a,109bで受光するように
しており、上述した光軸のずれΔxは、2分割受光素子
109a,109bにおいて互いに逆向きに生じるので、Δxに
よる受光光量の差は相殺される構成となっている。しか
しながら、被測定物106の傾き角θが大きくなった場
合、反射光束が2分割受光素子109a,109bの受光面から
外れてしまい、微小変位や表面粗さを測定できなくなる
という問題がある。そして、従来の微小変位測定装置は
全て同様な問題を有している。
By the way, in the apparatus shown in FIG. 10, the reflected light is split and received by the two-divided light receiving elements 109a and 109b.
Since the directions 109a and 109b occur in opposite directions, the difference in the amount of received light due to Δx is offset. However, when the inclination angle θ of the measured object 106 is large, the reflected light flux deviates from the light receiving surfaces of the two-divided light receiving elements 109a and 109b, so that there is a problem that a minute displacement and a surface roughness cannot be measured. All of the conventional minute displacement measuring devices have the same problem.

本発明はこのような事情に鑑み、被測定物が大きく傾
いた場合でも、微小変位や表面粗さの測定が可能な光学
式微小変位測定装置を提供することを目的とする。
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide an optical micro-displacement measuring device capable of measuring a micro-displacement and a surface roughness even when an object to be measured is greatly inclined.

<課題を解決するための手段> 前記目的を達形する光学式微小変位測定装置は、光源
からの光束を被測定物体に照射する照明光学系と、 被測定物体からの反射光束から焦点誤差を検出する焦
点誤差検出光学系とを有する光学式微小変位測定装置で
あって、上記焦点誤差検出光学系に入る反射光束の一部
を分割する分割光学部材と、この分割光学部材により分
割された分割拘束を受ける光軸のずれ検出用受光素子
と、上記分割光学部材に入る反射光束の光束の光軸を当
該光軸に対して直交する面内における少なくとも一方向
以上に移動させうる光軸移動手段と、上記光軸のずれ検
出用受光素子が受ける光量から上記反射光束の光軸のず
れを検出する出力を得る電気回路と、上記出力を特定の
値になるように上記光軸移動手段を制御して上記焦点誤
差検出光学系の受光素子の中心と反射光束軸の中心とを
一致させる制御回路とを具えることを特徴とする。
<Means for Solving the Problems> An optical micro-displacement measuring apparatus that achieves the above object is an illumination optical system that irradiates a light beam from a light source to an object to be measured, and a focus error from a reflected light beam from the object to be measured. An optical micro-displacement measuring device having a focus error detection optical system for detecting, a split optical member for splitting a part of a reflected light beam entering the focus error detection optical system, and a split split by the split optical member. A light receiving element for detecting a displacement of an optical axis to be constrained, and an optical axis moving means for moving an optical axis of a light beam of a reflected light beam entering the split optical member in at least one direction in a plane orthogonal to the optical axis And an electric circuit for obtaining an output for detecting the shift of the optical axis of the reflected light beam from the amount of light received by the light receiving element for detecting the shift of the optical axis, and controlling the optical axis moving means so that the output has a specific value. Then Characterized in that it comprises a control circuit for matching the centers of the reflected light bundle axis of the error detecting optical system of the light receiving element.

<作用> 被測定物が傾いて反射光束の光軸がずれると分割光学
部材を介してその反射光束の一部を受ける分割受光素子
の光量の分布が変化する。これより光軸のずれ量を検出
する差動出力を得てこれを例えば零になるように光軸移
動手段を制御することにより、反射光束の光軸のずれが
補正され、焦点誤差検出光学系に入る反射光束もその光
軸が受光素子の中心と一致するようになる。
<Operation> When the object to be measured is tilted and the optical axis of the reflected light beam shifts, the distribution of the amount of light of the divided light receiving element that receives a part of the reflected light beam via the divided optical member changes. From this, a differential output for detecting the amount of deviation of the optical axis is obtained, and the optical axis moving means is controlled so that it becomes zero, for example, whereby the deviation of the optical axis of the reflected light beam is corrected, and the focus error detection optical system The optical axis of the reflected light beam entering the light receiving element also coincides with the center of the light receiving element.

<実 施 例> 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。<Examples> Hereinafter, the present invention will be described based on examples.

第1図には焦点誤差光学系に臨界角法を用いた一実施
例に係る光学式微小変位測定装置を示す。
FIG. 1 shows an optical micro-displacement measuring apparatus according to an embodiment using a critical angle method for a focus error optical system.

第1図中、11はレーザ光源、12はコリメートレンズ、
13は偏光ビームスプリッタ、14は1/4波長板、15は対物
レンズ、16は被測定物であり、レーザ光源11からのレー
ザ光はコリメートレンズ12により平行光線に変換され、
例えばS偏光でビームスプリッタ13を介して1/4波長板1
4へ導かれる。この1/4波長板14に導かれたレーザ光は円
偏光の光束に変換された後、対物レンズ15を介して被測
定物16の表面に集光される。そして、被測定物16で反射
されたレーザ光は1/4波長板14でP偏光にされた後、偏
光ビームスプリッタ13を通過する。
In FIG. 1, 11 is a laser light source, 12 is a collimating lens,
13 is a polarizing beam splitter, 14 is a 1/4 wavelength plate, 15 is an objective lens, 16 is an object to be measured, and a laser beam from a laser light source 11 is converted into a parallel beam by a collimating lens 12,
For example, a 1/4 wavelength plate 1 through the beam splitter 13 with S-polarized light
Guided to 4. The laser light guided to the 波長 wavelength plate 14 is converted into a circularly polarized light beam, and then condensed on the surface of the DUT 16 via the objective lens 15. Then, the laser light reflected by the DUT 16 is turned into P-polarized light by the quarter-wave plate 14, and then passes through the polarization beam splitter 13.

偏光ビームスプリッタ13を通過した光束は、反射鏡駆
動手段17により保持された反射鏡18で反射された後、ビ
ームスプリッタ19で分割され、分割光の一方は臨界角プ
リズム20に反射されて2分割受光素子21に入り、分割光
の他方はそのまま2分割受光素子22に入る。
The light beam that has passed through the polarizing beam splitter 13 is reflected by a reflecting mirror 18 held by a reflecting mirror driving means 17 and then split by a beam splitter 19, and one of the split lights is reflected by a critical angle prism 20 and split into two. The light enters the light receiving element 21 and the other of the divided light enters the light receiving element 22 as it is.

ここで、臨界角プリズム20及び2分割受光素子21は臨
界角法による焦点誤差検出光学系を構成しており、従来
の項での説明と同様に、被測定物の変位により臨界角プ
リズム20に入る反射光束の入射角が変化し、2分割受光
素子21の両側での受光量に差が生じるので、これにより
被測定物16の微小変位や表面粗さを測定することができ
る。
Here, the critical angle prism 20 and the two-division light receiving element 21 constitute a focus error detecting optical system based on the critical angle method, and the critical angle prism 20 is moved to the critical angle prism 20 by the displacement of the object to be measured, as described in the conventional section. Since the incident angle of the reflected light beam changes and the amount of light received on both sides of the two-divided light receiving element 21 differs, the minute displacement and the surface roughness of the object 16 can be measured.

一方、2分割受光素子22は被測定物16の傾きによる反
射光束の光軸のずれ(第11図のΔx参照)を検出するも
のであり、2分割受光素子22の分割方向は被測定物の16
の傾きによる反射光束軸の移動方向と直交する方向であ
る。なお、23は減算機、24はコントローラであり、減算
機23は2分割受光素子22の光量の差を出力し、この出力
によりコントローラ24が反射鏡駆動手段17を制御するよ
うになっている。
On the other hand, the two-divided light receiving element 22 detects a shift of the optical axis of the reflected light beam due to the inclination of the DUT 16 (see Δx in FIG. 11). 16
Is a direction orthogonal to the direction of movement of the reflected light beam axis due to the inclination of. Incidentally, reference numeral 23 denotes a subtractor, and 24 denotes a controller. The subtractor 23 outputs a difference between the light amounts of the two-divided light receiving elements 22, and the controller 24 controls the reflector driving means 17 based on the output.

この制御の方法をさらに詳細に説明する。反射光束軸
がずれた場合に2分割受光素子22の両側における受光量
に差が出るので、減算機23がこの光量の差を出力させた
場合にはその出力が例えば零になるように制御すればよ
い。第2図は光軸ずれに対する反射鏡18の制御方法を説
明する図であり、光軸ずれ量がX方向にΔxとした場合
の反射鏡18の移動すべき量Δmは次式で表される。な
お、反射鏡18における反射角をφとする。
This control method will be described in more detail. If the axis of the reflected light beam is shifted, there is a difference in the amount of light received on both sides of the two-divided light receiving element 22, so that when the subtractor 23 outputs this difference in the amount of light, it is controlled so that the output becomes zero, for example. I just need. FIG. 2 is a diagram for explaining a method of controlling the reflecting mirror 18 with respect to the optical axis shift. When the optical axis shifting amount is Δx in the X direction, the amount Δm to be moved of the reflecting mirror 18 is expressed by the following equation. . Note that the angle of reflection at the reflecting mirror 18 is φ.

すなわち、このΔmだけ反射鏡駆動手段17により反射
鏡18を平行移動するようにすれば、光軸のずれが補正さ
れ、光軸ずれ量は0となる。
That is, if the reflecting mirror 18 is moved in parallel by the reflecting mirror driving means 17 by Δm, the optical axis shift is corrected, and the optical axis shift amount becomes zero.

ここで、このような光軸ずれの補正をする場合に、2
分割受光素子22の受光面の大きさがどれくらい必要かを
考えてみる。被測定物16が傾いた場合の反射光束の全て
を2分割受光素子22で受けるには、第3図に示すよう
に、被測定物16からの反射光が発散光となった場合の光
束を、被測定物16の傾きがない場合に全てを受光できれ
ばよい。したがって、対物レンズ15の焦点距離をf1、変
位の測定範囲をΔZ,入射光束をφ、光長長をlとし、被
測定物16が焦点の位置からΔZ/2だけ対物レンズ15側へ
移動したときに光束がSの距離から発散光として進むと
すれば、 となり、受光面の径φ′は となる。
Here, when correcting such an optical axis shift, 2
Let us consider how much the size of the light receiving surface of the divided light receiving element 22 is necessary. In order to receive all of the reflected light flux when the DUT 16 is tilted by the two-divided light receiving element 22, as shown in FIG. 3, the reflected light flux from the DUT 16 becomes divergent light. It is only necessary that all of the light can be received when the measured object 16 has no inclination. Therefore, the focal length of the objective lens 15 is f 1 , the displacement measurement range is ΔZ, the incident light beam is φ, the light length is 1, and the object 16 moves from the focal point position to the objective lens 15 side by ΔZ / 2. If the luminous flux travels as divergent light from the distance of S when And the diameter φ 'of the light receiving surface is Becomes

このような受光面を有する2分割受光素子22を用いれ
ば被測定物16の傾きを全て補正することができる。そし
て、上述したように反射鏡18を移動することにより光軸
のずれを補正した場合、焦点誤差検出光学系に入る反射
光束軸も同時に補正され、2分割受光素子21の中心と反
射光束の光軸とは常に一致するようになり、安定な光量
を確保できると共に、正確な焦点誤差情報を得ることが
できる。
If the two-divided light receiving element 22 having such a light receiving surface is used, all inclinations of the DUT 16 can be corrected. When the deviation of the optical axis is corrected by moving the reflecting mirror 18 as described above, the axis of the reflected light beam entering the focus error detection optical system is also corrected at the same time, and the center of the two-part light receiving element 21 and the light of the reflected light beam are reflected. The axis always coincides with the axis, and a stable light amount can be secured, and accurate focus error information can be obtained.

第4図には他の実施例に係る光学式微小変位測定装置
の構成を示す。同図に示すように、本実施例は焦点誤差
検出光学系に臨界角法を、光軸移動手段に移動可能反射
鏡を用いる点は第1図に示す実施例と同様であり、同一
作用を示す部材には同一符号を付して重複する説明は省
略する。
FIG. 4 shows a configuration of an optical minute displacement measuring apparatus according to another embodiment. As shown in the figure, the present embodiment is the same as the embodiment shown in FIG. 1 in that the critical angle method is used for the focus error detection optical system and the movable reflecting mirror is used for the optical axis moving means. The same reference numerals are given to the members shown, and the duplicate description will be omitted.

本実施例では、光軸の2軸方向のずれを検出するため
に4分割受光素子22Aを用い、光軸を2軸方向に移動可
能とするために、それぞれ反射鏡駆動手段17A,17Bに載
置された2枚の反射鏡18A,18Bに反射された光をビーム
スプリッタ19に入射するようにしている。ここで、反射
鏡18Aはその移動により受光素子22Aの図中上下方向へ光
軸を移動させるものであり、反射鏡18Bはその移動によ
り受光素子22Aの図中左右方向へ光軸を移動させるもの
である。なお、焦点誤差検出光学系にも4分割受光素子
21Aを用いている。
In the present embodiment, a four-divided light receiving element 22A is used to detect the displacement of the optical axis in two axial directions, and mounted on reflector driving means 17A and 17B, respectively, so that the optical axis can be moved in two axial directions. The light reflected by the two placed reflecting mirrors 18A and 18B is made to enter the beam splitter 19. Here, the reflecting mirror 18A moves the optical axis in the vertical direction in the figure of the light receiving element 22A by its movement, and the reflecting mirror 18B moves the optical axis in the horizontal direction of the light receiving element 22A in the figure by the movement. It is. It should be noted that the focus error detection optical system also has a four-division light receiving element.
21A is used.

本実施例において光軸ずれを補正する制御は、第5図
に示すように4分割受光素子22Aの受光面をA〜Dの4
つに分割した場合、X方向(図中左方向)に光軸がずれ
ている場合には、 差動出力(A+C)−(B+D) によって、また、Y方向(図中上方向に)光軸がずれて
いる場合には 差動出力(A+B)−(C+D) によって、それぞれ光軸のずれを検出し、それぞれ反射
鏡18B,18Aを移動させることにより補正することにな
る。
In this embodiment, the control for correcting the optical axis shift is performed by setting the light receiving surface of the four-division light receiving element 22A to four of A to D as shown in FIG.
When the optical axis is shifted in the X direction (left direction in the figure), the differential output (A + C)-(B + D) is used, and the optical axis in the Y direction (upward in the figure) If there is a deviation, the deviation of the optical axis is detected by the differential output (A + B)-(C + D), and correction is made by moving the reflecting mirrors 18B and 18A, respectively.

第6図には焦点誤差検出光学系に非点収差法を、光軸
移動手段に移動可能反射鏡を1枚用いた実施例を示す。
本実施例において光軸ずれの補正を行う構成は第1図の
ものと同様であり、同様な作用を有する部材に同一符号
を付して重複する説明は省略する。一方、焦点誤差検出
光学系においては、ビームスプリッタ19の後方に対物レ
ンズ25を置いて光束を収束させ、この収束光をビームス
プリッタ27で分岐し、円柱レンズ27a,27bをそれぞれ通
過させた後、4分割受光素子28a,28bで受光するように
している。つまり、収束光に円柱レンズ17a,27bにより
非点収差を与えて受光素子28a,28bで縦長又は横長の楕
円にし、これにより被測定物16の合焦点位置からのずれ
を検出している。
FIG. 6 shows an embodiment in which the astigmatism method is used for the focus error detecting optical system and one movable reflecting mirror is used for the optical axis moving means.
In this embodiment, the configuration for correcting the optical axis shift is the same as that in FIG. 1, and the members having the same functions are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. On the other hand, in the focus error detection optical system, the objective lens 25 is placed behind the beam splitter 19 to converge the light beam, the converged light is split by the beam splitter 27, and after passing through the cylindrical lenses 27a and 27b, Light is received by the quadrant light receiving elements 28a and 28b. In other words, the convergent light is given astigmatism by the cylindrical lenses 17a and 27b to make the light receiving elements 28a and 28b into a vertically or horizontally long ellipse, thereby detecting the deviation of the measured object 16 from the focused position.

また、第7図には他の実施例に係る光学式微小変位測
定装置を示す。本実施例は、焦点誤差検出光学系をフー
コー法にした以外は第6図に示す装置と同様であり、同
一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
フーコー法により焦点誤差検出光学系では、ビームスプ
リッタ19の後方に置いた集光レンズ29により反射光束を
収束光束とした後、光波分割プリズム30で分割し、2分
割した光束をそれぞれ2分割受光素子31a,31bで受光す
るものであり、2分割受光素子31a,31bの受光量の差に
より被測定物16の変位量を測定するものである。
FIG. 7 shows an optical minute displacement measuring apparatus according to another embodiment. This embodiment is the same as the apparatus shown in FIG. 6 except that the focus error detection optical system uses the Foucault method, and the same members are denoted by the same reference numerals and redundant description will be omitted.
In the focus error detecting optical system by the Foucault method, the reflected light beam is converted into a convergent light beam by the condenser lens 29 placed behind the beam splitter 19, then split by the light wave splitting prism 30, and each of the split light beams is split into two light receiving elements. Light is received by 31a and 31b, and the displacement of the DUT 16 is measured based on the difference in the amount of light received by the two-divided light receiving elements 31a and 31b.

一方、第8図に示す他の実施例は、焦点誤差検出誤差
系には臨界角法を用いて基本的には第1図に示す装置と
同様であり、同一作用を示す部材には同一符号を付して
重複する説明は省略する。そして、本実施例では光軸位
置移動手段として、平行平板ガラス駆動装置32に保持さ
れた平行平板ガラス33を採用している。この平行平板ガ
ラス33は、その駆動装置32により互いに直交する2軸を
中心に回動されるようになっており、これにより、平行
平板ガラス33が反射光束の光軸に対して傾くことにな
り、透過後の光束の光軸は2軸方向にそれぞれ平行移動
されていることになる。よって、ビームスプリッタ19で
の分割光は4分割受光素子22Aにより受光して平行平板
ガラス33の回転軸と一致する2軸方向の光軸ずれを検出
しており、この検出データに応じて平行平板ガラス駆動
装置32を制御している。
On the other hand, in the other embodiment shown in FIG. 8, the focus error detection error system uses the critical angle method and is basically the same as the apparatus shown in FIG. And a duplicate description is omitted. In this embodiment, as the optical axis position moving means, the parallel flat glass 33 held by the parallel flat glass driving device 32 is employed. The parallel flat glass 33 is rotated about two axes orthogonal to each other by the driving device 32, whereby the parallel flat glass 33 is inclined with respect to the optical axis of the reflected light beam. The optical axes of the transmitted light beams are translated in two axial directions. Therefore, the light split by the beam splitter 19 is received by the four-division light receiving element 22A, and the optical axis shift in the two axial directions coinciding with the rotation axis of the parallel flat glass 33 is detected. The glass driving device 32 is controlled.

また、第9図に示す実施例は光軸移動手段のコーナー
キューブプリズム34を用いたものであり、光軸を2軸方
向に移動可能としたものである。すなわち、光源11から
の例えばP偏光の光はコリメートレンズ12で平行光にさ
れて偏光ビームスプリッタ13を透過し、1/4波長板14及
び集光レンズ15を介して被測定物16に導かれ、反射した
光束はS偏光となって偏光ビームスプリッタ13に入りに
反射され、1/4波長板35により円偏光に変換されてコー
ナーキューブプリズム34に入るようになっており、この
コーナーキューブプリズム34で反射された光は1/4波長
板35及び偏光ビームスプリッタ13を直交してビームスプ
リッタ19に入射するようになっている。よって、コーナ
ーキューブプリズム34を特効する2軸方向に平行移動す
ることによりビームスプリッタ19に入射する光束の光軸
を2軸方向に移動できるようになっている。また、ビー
ムスプリッタ19で一部分割された光を4分割受光素子22
Aで受光してその光軸の2軸方向のずれを検出してお
り、このずれ情報に応じてコーナーキューブプリズム34
を移動して光軸補正を行っている。
The embodiment shown in FIG. 9 uses a corner cube prism 34 as an optical axis moving means, and can move the optical axis in two axial directions. That is, for example, P-polarized light from the light source 11 is converted into parallel light by the collimating lens 12, passes through the polarizing beam splitter 13, and is guided to the DUT 16 via the / 4 wavelength plate 14 and the condenser lens 15. The reflected light flux becomes S-polarized light, is reflected by the polarization beam splitter 13, is converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 35, and enters the corner cube prism 34. The light reflected by the light beam enters the beam splitter 19 at right angles to the quarter-wave plate 35 and the polarization beam splitter 13. Accordingly, the optical axis of the light beam incident on the beam splitter 19 can be moved in the biaxial directions by parallel moving the corner cube prism 34 in the biaxial directions. The light partially split by the beam splitter 19 is divided into four light receiving elements 22.
The light is received by A and the displacement of the optical axis in the two axes direction is detected.
Is moved to perform optical axis correction.

なお、本実施例では焦点誤差検出光学系には臨界角法
を採用しており、基本的には例えば第8図の装置と同様
であり、同一作用を示す部材には同一符号を付して重複
する説明は省略する。
In this embodiment, the critical angle method is adopted for the focus error detecting optical system, and is basically the same as the apparatus of FIG. 8, for example. Duplicate description will be omitted.

以上説明した各実施例では、被測定物16が傾いてもそ
の光軸のずれが補正されるので、被測定物16の傾きに関
係なく微小変位や表面粗さを測定することができ、被測
定物16が曲率を持っている場合や被測定物16にくぼみな
どがある場合に特に有用である。
In each of the embodiments described above, even if the DUT 16 is tilted, the deviation of the optical axis is corrected, so that the minute displacement and the surface roughness can be measured irrespective of the tilt of the DUT 16, This is particularly useful when the measured object 16 has a curvature or when the measured object 16 has a depression or the like.

なお、反射光束の光軸を移動する手段は上述したもの
に限定されるものではなく、例えば上述した平行平板ガ
ラスの代りには屈折率が1より大きい光学材料であれば
使用でき、その形状,材料は特に限定されず、また、コ
ーナーキューブプリズムの代りには円錐プリズムなど他
のプリズムも使用することができる。
The means for moving the optical axis of the reflected light beam is not limited to the one described above. For example, an optical material having a refractive index larger than 1 can be used instead of the above-mentioned parallel plate glass. The material is not particularly limited, and other prisms such as a conical prism can be used instead of the corner cube prism.

また、焦点誤差検出光学系も特に限定されるものでは
なく、公知の他の方法を採用することができるのは言う
までもない。
Also, the focus error detecting optical system is not particularly limited, and it is needless to say that other known methods can be adopted.

<発明の効果> 以上説明したように、本発明の光学式微小変位測定装
置によれば、被測定物の傾きによる反射光束の光軸のず
れを補正することができるので、被測定物が大きく傾い
た場合にもその傾きに関係なくその微小変位や表面粗さ
を正確に測定することができ、特に被測定物が曲率を持
っている場合や被測定物にくぼみ等がある場合などの測
定に有用である。
<Effects of the Invention> As described above, according to the optical micro-displacement measuring apparatus of the present invention, the displacement of the optical axis of the reflected light beam due to the inclination of the measured object can be corrected. Even when tilted, the micro displacement and surface roughness can be accurately measured regardless of the tilt, especially when the measured object has a curvature or when the measured object has a dent etc. Useful for

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例に係る光学式微小変位測定装
置の概略を示す構成図、第2図及び第3図はその部分構
成を説明する説明図、第4図は他の実施例の概略構成
図、第5図はその受光素子を示す説明図、第6図〜第9
図はそれぞれ他の実施例に係る光学式微小変位測定装置
を示す概略構成図、第10図及び第11図は従来技術に係る
微小変位測定装置を説明する説明図である。 図面中、 11は光源、 12はコリメートレンズ、 13は偏光ビームスプリッタ、 14は1/4波長板、 15は対物レンズ、 16は被測定物、 17,17A,17Bは反射鏡駆動装置、 18,18A,18Bは反射鏡、 19はビームスプリッタ、 20は臨界角プリズム、 21は2分割受光素子、 21Aは4分割受光素子、 22は2分割受光素子、 22Aは4分割受光素子、 23は減算機、 24は駆動装置コントローラ、 25は集光レンズ、 26はビームスプリッタ、 27a,27bは円柱レンズ、 28a,28bは4分割受光素子、 29は集光レンズ、 30は光波分割プリズム、 31a,31bは2分割受光素子、 32は平行平板ガラス駆動装置、 33は平行平板ガラス、 34はコーナーキューブプリズム、 35は1/4波長板である。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an optical micro-displacement measuring apparatus according to one embodiment of the present invention, FIGS. 2 and 3 are explanatory views for explaining a partial configuration thereof, and FIG. 4 is another embodiment. FIG. 5 is an explanatory view showing the light receiving element, and FIGS.
The drawings are each a schematic configuration diagram showing an optical micro-displacement measuring device according to another embodiment, and FIGS. 10 and 11 are explanatory diagrams for explaining a micro-displacement measuring device according to the prior art. In the drawing, 11 is a light source, 12 is a collimating lens, 13 is a polarizing beam splitter, 14 is a quarter-wave plate, 15 is an objective lens, 16 is an object to be measured, 17, 17A and 17B are reflector driving devices, 18, 18A and 18B are reflecting mirrors, 19 is a beam splitter, 20 is a critical angle prism, 21 is a two-part light receiving element, 21A is a four-part light receiving element, 22 is a two-part light receiving element, 22A is a four-part light receiving element, and 23 is a subtractor , 24 is a drive controller, 25 is a condensing lens, 26 is a beam splitter, 27a and 27b are cylindrical lenses, 28a and 28b are 4-split light receiving elements, 29 is a condensing lens, 30 is a light wave splitting prism, 31a and 31b Reference numeral 32 denotes a parallel plate glass driving device, reference numeral 33 denotes a parallel plate glass, reference numeral 34 denotes a corner cube prism, and reference numeral 35 denotes a quarter-wave plate.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 11/00 - 11/30 G01C 3/00 - 3/32──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G01B 11/00-11/30 G01C 3/00-3/32

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】光源からの光束を被測定物体に照射する照
明光学系と、 被測定物体からの反射光束から焦点誤差を検出する焦点
誤差検出光学系とを有する光学式微小変位測定装置であ
って、 上記焦点誤差検出光学系に入る反射光束の一部を分割す
る分割光学部材と、 この分割光学部材により分割された分割光束を受ける光
軸のずれ検出用受光素子と、 上記分割光学部材に入る反射光束の光束の光軸を当該光
軸に対して直交する面内における少なくとも一方向以上
に移動させうる光軸移動手段と、 上記光軸のずれ検出用受光素子が受ける光量から上記反
射光束の光軸のずれを検出する出力を得る電気回路と、 上記出力を特定の値になるように上記光軸移動手段を制
御して上記焦点誤差検出光学系の受光素子の中心と反射
光束軸の中心とを一致させる制御回路とを 具えることを特徴とする光学式微小変位測定装置。
An optical minute displacement measuring device comprising: an illumination optical system for irradiating a light beam from a light source onto a measured object; and a focus error detection optical system for detecting a focus error from a reflected light beam from the measured object. A splitting optical member that splits a part of the reflected light beam entering the focus error detection optical system; a light-receiving element for detecting a shift of an optical axis that receives the split light beam split by the splitting optical member; An optical axis moving means for moving the optical axis of the light beam of the incoming reflected light beam in at least one direction in a plane orthogonal to the optical axis; and the reflected light beam based on the amount of light received by the light-receiving element for detecting deviation of the optical axis. An electric circuit for obtaining an output for detecting the deviation of the optical axis, and controlling the optical axis moving means so that the output has a specific value, and controlling the center of the light receiving element of the focus error detection optical system and the reflected light beam axis. Match with center Optical minute displacement measuring apparatus characterized by comprising a control circuit for.
【請求項2】光源からの光束を被測定物体に照射する照
明光学系と、 被測定物体からの反射光束から焦点誤差を検出する焦点
誤差検出光学系とを有する光学式微小変位測定装置であ
って、 上記焦点誤差検出光学系に入る反射光束の一部を分割す
る分割光学部材と、 この分割光学部材により分割された分割光束を受ける少
なくとも2分割以上の受光素子と、 上記分割光学部材に入る反射光束の光束の光軸を当該光
軸に対して直交する面内における少なくとも一方向以上
に移動させうる光軸移動手段と、 上記分割受光素子が受ける光量から上記反射光束の光軸
のずれを検出する少なくとも一つの差動出力を得る電気
回路と、 上記差動出力を特定の値になるように上記光軸移動手段
を制御して上記焦点誤差検出光学系の受光素子の中心と
反射光束軸の中心とを一致させる制御回路とを 具えることを特徴とする光学式微小変位測定装置。
2. An optical micro-displacement measuring apparatus comprising: an illumination optical system for irradiating a light beam from a light source onto an object to be measured; and a focus error detection optical system for detecting a focus error from a light beam reflected from the object to be measured. A split optical member for splitting a part of the reflected light beam entering the focus error detection optical system; a light receiving element for receiving at least two split light beams split by the split optical member; and entering the split optical member. An optical axis moving means for moving the optical axis of the light beam of the reflected light beam in at least one direction in a plane perpendicular to the optical axis; and a shift of the optical axis of the reflected light beam from the amount of light received by the divided light receiving elements. An electric circuit for obtaining at least one differential output to be detected; and a center of a light receiving element of the focus error detection optical system and reflected light by controlling the optical axis moving means so that the differential output has a specific value. Optical minute displacement measuring apparatus characterized by comprising a control circuit to match the center of the shaft.
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