JP2949847B2 - 光学式表面粗さ測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面粗さ測定装置に係
り、詳しくは、光の干渉を利用して表面粗さを測定する
光学式表面粗さ測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光学式表面粗さ測定装置
は、本出願人が実願平２−１６９３５号の願書に添付さ
れた明細書及び図面にて提案している。以下、この装置
を図３、４を参照して説明する。

【０００３】図３と図４は、上記の光学式表面粗さ測定
装置の一例を説明する構成図である。レーザ光源装置３
０には、偏波面が互いに直交しかつ周波数が僅かに異な
る２種類の直線偏光、例えばＰ偏光ＬＰとＳ偏光ＬＳと
を含むレーザ光Ｌを出力するゼーマンレーザが用いられ
る。このレーザ光源３０と無偏光ビームスプリッタ３２
と検光子３３と基準用光センサ３４とはｘ軸に平行な直
線上に配置され、前記レーザ光源装置３０から出力され
たレーザ光Ｌは、無偏光ビームスプリッタ３２により２
本に分割され、そのうちの無偏光ビームスプリッタ３２
を透過したレーザ光は基準用光センサ３４により検出さ
れ、基準ビート信号ＦＢが出力される。上記Ｐ偏光Ｌ
Ｐ、Ｓ偏光ＬＳの周波数をそれぞれｆＰ、ｆＳとする
と、基準ビート信号ＦＢの周波数ｆＢは｜ｆＰ−ｆＳ｜
となる。

【０００４】一方、無偏光ビームスプリッタ３２によっ
て、ｙ軸のマイナス方向に反射されたレーザ光Ｌは、光
軸上に配置されたビームエキスパンダ７４によりビーム
径が拡大された後、ミラー７５によって反射され、ミラ
ー７５の下方に配置されたレボルバ８０に入射する。レ
ボルバ８０には、二重焦点レンズ７６と対物レンズ４４
とからなる高精度光学系と、偏光ビームスプリッタ８
２、ミラー８４と対物レンズ４５とからなる簡易光学系
とが取り付けられている。このレボルバ８０を手動で回
転させることにより前記高精度光学系と簡易光学系とを
切り換え配置することができる。このレボルバ８０の下
方には、駆動装置５８により上記対物レンズ４４の光軸
に直角なｘ−ｙ平面内において二次元方向へ移動させら
れる移動テーブル６０が配置されている。この移動テー
ブル６０上に被測定物１２が載置されている。

【０００５】また、検光子６１、計測用光センサ６２が
前記無偏光ビームスプリッタ３２のｙ軸プラス方向であ
って、前記ビームエキスパンダ７４の光軸と同一の直線
上に配置されている。

【０００６】以上のように構成された光学式表面粗さ測
定装置において、図３に示すように高精度光学系を切り
換え配置した場合、ミラー７５からのレーザ光Ｌは二重
焦点レンズ７６に入射する。高精度光学系における二重
焦点レンズ７６は、光学ガラスと複屈折性材料とから構
成されており、入射する光線の偏波面の方向によって屈
折率が異なるという性質を持っている。そのため、二重
焦点レンズ７６に入射したレーザ光ＬのうちＰ偏光ＬＰ
は平行光、Ｓ偏光ＬＳは収束光となって対物レンズ４４
に入射する。対物レンズ４４はその前焦点が二重焦点レ
ンズ７６の後焦点に位置するように構成されているた
め、平行光として入射したＰ偏光ＬＰは収束光として被
測定物１２の表面１８の一点に集光される一方、収束光
として入射したＳ偏光ＬＳは平行光とされて被測定物１
２の表面１８の比較的広い範囲に照射される。

【０００７】被測定物１２は、前記移動テーブル６０上
に搭載されており、その表面１８の一点に集光されるＰ
偏光ＬＰは、被測定物１２が移動テーブル６０により移
動させられるのに伴って表面１８の微小凹凸に対応して
生じるドップラーシフトΔｆｓと、移動テーブル６０の
移動の際の振動その他の外乱によるドップラーシフトΔ
ｆｄとを受け、その反射光の周波数はｆＰ＋Δｆｄ＋Δ
ｆｓとなる。これに対し、円形平行ビームの状態で表面
１８の比較的広い範囲に照射されるＳ偏光ＬＳは、表面
１８の微小凹凸による影響が平均化されて全体として相
殺されるため、外乱によるドップラーシフトΔｆｄの影
響を受けるだけで、その反射光の周波数はｆＳ＋Δｆｄ
となる。上記Ｐ偏光ＬＰは計測光であり、Ｓ偏光ＬＳは
参照光である。

【０００８】表面１８で反射されたＰ偏光ＬＰおよびＳ
偏光ＬＳは、それぞれ入射経路と逆の光路を辿って無偏
光ビームスプリッタ３２に入射させられ、これを透過し
計測用光センサ６２に受けられ、計測ビート信号ＦＤが
出力される。この計測ビート信号ＦＤはＰ偏光ＬＰとＳ
偏光ＬＳとの干渉によるうなりに対応するもので、その
周波数ｆＤは、 ｆＤ＝｜（ｆＰ＋Δｆｄ＋Δｆｓ）−（ｆＳ＋Δｆｄ）｜ ＝｜ｆＰ−ｆＳ＋Δｆｓ｜ であり、前記外乱によるドップラーシフトΔｆｄは相殺
される。

【０００９】上記計測ビート信号ＦＤおよび前記基準ビ
ート信号ＦＢは測定回路６４に供給され、計測ビート信
号ＦＤの周波数ｆＤ（＝｜ｆＰ−ｆＳ＋Δｆｓ｜）から
基準ビート信号ＦＢの周波数ｆＢ（＝｜ｆＰ＋ｆＳ｜）
を減算することにより、表面１８の凹凸によるドップラ
ーシフトΔｆｓのみが取り出され、このドップラーシフ
トΔｆｓを表わす信号が制御回路６６へ供給される。制
御回路６６は、例えばマイクロコンピュータにて構成さ
れ、前記駆動装置５８により移動テーブル６０をｘ−ｙ
方向へ順次移動させつつ、測定回路６４より供給される
信号（Δｆｓ）から下記の数１に基づいて各位置の変位
Ｚｓを算出し、被測定物１２の表面１８全体の表面粗さ
を表示器６８に三次元表示させる。

【００１０】

【数１】

【００１１】一方、レボルバ８０によって図４に示す簡
易光学系に切替えた場合は、ミラー７５からの反射レー
ザ光Ｌは偏光ビームスプリッタ８２によってＳ偏光ＬＳ
とＰ偏光ＬＰとに分割される。Ｓ偏光ＬＳは反射されて
ミラー８４に照射され、Ｐ偏光ＬＰはビームスプリッタ
８２を通過して対物レンズ４５に入射する。対物レンズ
４５に入射されたＰ偏光ＬＰは収束光として被測定物１
２の表面１８の一点に集光される。

【００１２】表面１８からの反射光は被測定物１２が移
動テーブル６０により移動させられるのにともなって表
面１８の微小凹凸に対応して生じるドップラーシフトΔ
ｆｓと、移動テーブル６０の移動の際の振動その他の外
乱によるドップラーシフトΔｆｄとを受け、その反射光
の周波数はｆＰ＋Δｆｄ＋Δｆｓとなる。また、参照ミ
ラー４２からの反射光は参照ミラー４２が固定であるた
めその周波数は変化せずｆＳのままである。上記Ｐ偏光
ＬＰは計測光であり、Ｓ偏光ＬＳは参照光である。

【００１３】Ｐ偏光ＬＰおよびＳ偏光ＬＳの反射光は偏
光ビームスプリッタ８２で合成されて計測用センサ６２
に受けられ、計測ビート信号ＦＤが出力される。この計
測ビート信号ＦＤはＰ偏光ＬＰとＳ偏光ＬＳとの干渉に
よるうなりに対応するもので、その周波数ｆＤは、｜ｆ
Ｐ−ｆＳ＋Δｆｄ＋Δｆｓ｜であり外乱によるドップラ
ーシフトΔｆｄの影響を受けているが、簡易光学系では
比較的表面粗さの大きな被測定物を低倍率の対物レンズ
４５によって測定しているので表面の粗さに比較して相
対的に外乱の影響は小さい。計測用光センサ６２で受光
された計測ビート信号ＦＤから前記高精度光学系と同様
にして被測定物１２の表面１８の表面粗さが計算され、
表示器６８で表示される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法では簡易光学系に切替えた場合、計測光Ｌｐと参照
光Ｌｓとでは計測用光センサ６２までの光学長さが必ず
しも等しくない。このため、計測用光センサ６２で受光
される計測光Ｌｐ、参照光Ｌｓは同時刻にレーザ光源装
置３０から照射されたものではない。従ってレーザ光源
装置３０が熱等の影響を受けて出力周波数が時間的に変
動すると、計測用光センサ６２で同時刻に受光される計
測光Ｌｐ、参照光Ｌｓにはそれぞれ異なった周波数変動
分ｆｔ１、ｆｔ２を受けている。従って、計測用光セン
サ６２で受光される計測ビート信号ＦＤの周波数ｆＤ
は、 ｆＤ＝｜（ｆＰ＋ｆｔ１＋Δｆｄ＋Δｆｓ）−（ｆＳ＋ｆｔ２）｜ ＝｜ｆＰ−ｆＳ＋Δｆｄ＋Δｆｓ＋ｆｔ１−ｆｔ２）｜ となり、測定時の外乱Δｆｄに加えて周波数変動分（ｆ
ｔ１−ｆｔ２）が誤差となっており、このため正確な測
定を妨げていた。

【００１５】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、その目的とするところは、簡易
光学系に切替えた場合に計測光と参照光の光学長さが等
しくなるように簡易光学系に参照光を反射する参照ミラ
ーを配置し、レーザ光源装置の周波数変動の影響を受け
ない表面粗さ測定ができる光学式表面粗さ測定装置を提
供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の光学式表面粗さ測定装置は、２種類の直線偏
光を含むレーザ光を出力するレーザ光源装置と、そのレ
ーザ光源装置のレーザ光に含まれる２種類の直線偏光の
うちの一方を平行光、他方を収束光とする二重焦点レン
ズを含み、一方の直線偏光を計測光として前記被測定物
の表面上に集光させると共に、他方の直線偏光を参照光
として平行光で、且つ該被測定物の表面上において該一
方の直線偏光の照射径よりも充分大きい照射径にて照射
する高精度光学系と、レーザ光に含まれる２種類の直線
偏光のうち一方のみを計測光として該被測定物の表面上
に集光させ、他方を参照光として参照ミラーに照射する
と共に、前記計測光の被測定物表面から前記検出部まで
の光学長さと前記参照光の前記参照ミラーから前記検出
部までの光学長さが等しくなる位置に前記参照ミラーを
配置して構成される簡易光学系と、レーザ光源装置と被
測定物との間に前記２種類の光学系のどちらか一方のみ
を切り換え配置する光学系切り換え手段とを備えてい
る。

【００１７】

【作用】上記の構成を有する本発明の光学式表面粗さ測
定装置は、レーザ光源装置から互いに偏波面が直交し、
かつ周波数が異なる２種類の直線偏光を含むレーザ光が
出力されると共に、被測定物の表面粗さが小さいときは
光学系切替え手段によって二重焦点レンズを含む高精度
光学系に切り換え、比較的大きいときは二重焦点レンズ
を含まない簡易光学系に切り換えて表面粗さ測定を行な
う。

【００１８】二重焦点レンズを含む高精度光学系に切り
換えた場合は、二重焦点レンズにより前記レーザ光源装
置からのレーザ光に含まれる２種類の直線偏光が共通の
光学軸上において平行光及び集束光とされると共に、そ
れら２種類の直線偏光のうちの一方の直線偏光は計測光
として被測定物の表面に集光され、他方の直線偏光は平
行光の状態で、被測定物の表面であって一方の直線偏光
の集光点に、その一方の直線偏光の照射径よりも充分に
大きい照射径にて照射される。上記一方および他方の直
線偏光の被測定物からの反射光の計測ビート信号には、
それら一方および他方の直線偏光の集光点および照射面
間の相対的な高さ位置の変化に対応した位相シフトが発
生する。このため、上記計測ビート信号における周波数
シフトあるいは位相変化を検出することにより、被測定
物の表面粗さが測定され得るのである。

【００１９】一方、二重焦点レンズを含まない簡易光学
系に切替えた場合は上記レーザ光に含まれる２種類の直
線偏光のうち一方の直線偏光成分のみが被測定物の表面
に集光される。上記被測定物からの反射光には、集光点
における相対的な高さ位置の変化に対応した位相シフト
が発生し、被測定物の表面粗さが測定され得るのであ
る。またこの時、被測定物の表面に集光される計測光と
参照ミラーに照射される参照光との光学長さが一致して
いるため、レーザ光源装置の周波数に変動が生じても受
光部でそれぞれのレーザ光を干渉させたときにキャンセ
ルされ、測定には影響を受けない。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。尚、本実施例において、図３に示す
従来装置と同一の部材は同一の符号を付し、詳細な説明
は省略する。

【００２１】図１、図２は本発明の一実施例を説明する
構成図である。

【００２２】本実施例と従来装置との違いは、従来装置
では簡易光学系内に配設されていた偏光ビームスプリッ
タ４０が、本実施例ではｘ方向に移動可能なスライダ５
０上に搭載されており、無偏光ビームスプリッタ３２と
ビームエキスパンダ７４との間の光軸中に挿入、排除す
ることができる点と、偏光ビームスプリッタ４０のｘ軸
マイナス方向に参照ミラー４２を配置した点である。

【００２３】スライダ５０は例えば一軸のクロスローラ
テーブルからなり、手動で動かすことができる。

【００２４】図１に示すように、スライダ５０をｘ軸の
マイナス方向に動かして偏光ビームスプリッタ８２を光
路中より排除し、且つ、レボルバ８０を回転させて二重
焦点レンズ７６と対物レンズ４４をセットした状態が高
精度光学系である。また図２に示すように、スライダ５
０をｘ軸のプラス方向に動かして偏光ビームスプリッタ
８２を光路中に挿入し、且つ、レボルバ８０を回転させ
て対物レンズ４５のみを被測定物１２と対応する位置に
セットした状態が簡易光学系である。ここスライダ５０
とレボルバ８０が光学系切替え手段として作用してい
る。高精度光学系の対物レンズ４４には比較的高倍率な
ものを用い、簡易光学系にはそれよりも低倍率の対物レ
ンズ４５を取り付ける。

【００２５】図１に示す高精度光学系に切替えた場合の
粗さ測定の原理は従来装置と全く同じであるのでその説
明は省略する。

【００２６】図２に示す簡易光学系に切替えた場合は無
偏光ビームスプリッタ３２からのレーザ光Ｌは偏光ビー
ムスプリッタ４０によってＰ偏光ＬＰとＳ偏光ＬＳとに
分割される。Ｐ偏光ＬＰは偏光ビームスプリッタ４０を
透過して対物レンズ４５に入射し、Ｓ偏光ＬＳは偏光ビ
ームスプリッタ４０で反射されて参照ミラー４２に照射
される。Ｐ偏光ＬＰは計測光、Ｓ偏光ＬＳは参照光であ
る。ここで、偏光ビームスプリッタ４０から参照ミラー
４２までの光学長さと偏光ビームスプリッタ４０からビ
ームエキスパンダ７４、ミラー７５、レボルバ８０、対
物レンズ４５を経由して被測定物１２の表面１８までの
光学長さとが等しくなるように簡易光学系が構成されて
いる。粗さ測定の原理は従来装置とまったく同じである
のでその説明は省略する。

【００２７】計測光Ｌｐと参照光Ｌｓとは計測用光セン
サ６２までの光学長さが等しいため、計測用光センサ６
２で受光される計測光Ｌｐ、参照光Ｌｓは同時刻にレー
ザ光源装置３０から照射されたものである。従ってレー
ザ光源装置３０が熱等の影響を受けて出力周波数が時間
的に変動しているとき、計測用光センサ６２で同時刻に
受光される計測光Ｌｐ、参照光Ｌｓは等しい周波数変動
ｆｔ３を受けている。従って、計測用光センサ６２で受
光される計測ビート信号ＦＤの周波数ｆＤは、｜（ｆＰ
＋ｆｔ３＋Δｆｄ＋Δｆｓ）−（ｆＳ＋ｆｔ３）｜＝｜
ｆＰ−ｆＳ＋Δｆｄ＋Δｆｓ｜となり、周波数変動分ｆ
ｔ３は相殺されているので周波数変動の影響は受けな
い。

【００２８】以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳
細に説明したが、本発明は他の態様で実施することもで
きる。

【００２９】例えば、図３、図４であげた従来装置にお
いて偏光ビームスプリッタ８２とミラー８４との間の距
離を偏光ビームスプリッタ８２から被測定物表面１８ま
での距離と等しくとって、参照光と計測光の光路差をな
くしてもよい。要は簡易光学系に切替えたときに参照光
と計測光の光学長さが等しくなるように光学系を構成す
ればよいのである。

【００３０】また、前記実施例では光学系切替え手段で
あるスライダ５０とレボルバ８０を手動で動かして光学
系を切替えていたが、これらを自動的に連動するように
制御回路６６から制御するようにしてもよい。

【００３１】また、前記実施例では、レーザ光源装置３
０として直交２周波のゼーマンレーザが用いられていた
が、音響光学変調素子などを備えた周波数シフタを用い
て２つの直線偏光間に所望の周波数差を形成する形状の
レーザ光源装置が用いられてもよいのである。この場合
には、上記音響光学変調素子の駆動周波数信号から基準
ビート信号ＦＢを検出することもできる。

【００３２】また、前記実施例では、ｘ方向およびｙ方
向へ駆動される移動テーブル６０によって被測定物１２
が２方向へ移動させられるように構成されていたが、上
記ｘ方向およびｙ方向のうちの一方の方向だけ移動させ
られて表面粗さが測定されてもよい。

【００３３】また、例えばミラー７５を半透鏡に置き替
えその上部に顕微鏡鏡筒を設けて測定状態をモニタでき
るようにしたり、レーザ光源装置３０と無偏光ビームス
プリッタ３２の間に光アイソレータを入れたりするな
ど、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良
を加えた態様で実施することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したことから明らかなように、
本発明によれば、二重焦点レンズを用いた高精度光学系
と、二重焦点レンズを用いない簡易光学系を切替えるこ
とができ、かつ、簡易光学系に切替えた場合計測光と参
照光の光学長さが等しいためレーザ光源装置に周波数変
動が生じても受光部でキャンセルすることができ誤差が
生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明を具体化した一実施例の構成を説
明する図であり、高精度光学系により被測定物の表面粗
さを測定する場合を示す斜視図である。

【図２】図２は本発明を具体化した一実施例の構成を説
明する図であり、簡易光学系により被測定物の表面粗さ
を測定する場合を示す斜視図である。

【図３】図３は従来の光学式表面粗さ測定装置の構成を
説明する図であり、高精度光学系により被測定物の表面
粗さを測定する場合を示す斜視図である。

【図４】図４は従来の光学式表面粗さ測定装置の構成を
説明する図あり、で簡易光学系により被測定物の表面粗
さを測定する場合を示す斜視図である。

【符号の説明】

３０ レーザ光源装置 ５０ スライダ ４０ 偏光ビームスプリッタ ４２ 参照ミラー ８０ レボルバ ７６ 二重焦点レンズ １２ 被測定物 １８ 表面 ６２ 測定用光センサ ＬＰ Ｐ偏光（直線偏光） ＬＳ Ｓ偏光（直線偏光）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに偏波面が直交し、且つ、周波数が
   異なる２種類の直線偏光を被測定物の表面に照射してそ
   の反射光を検出する検出部を備え、前記反射光のビート
   周波数の変化に基づいて該被測定物の表面粗さを測定す
   る光学式表面粗さ測定装置において、 前記２種類の直線偏光を含むレーザ光を出力するレーザ
   光源装置と、 そのレーザ光源装置のレーザ光に含まれる２種類の直線
   偏光のうちの一方を平行光、他方を収束光とする二重焦
   点レンズを含み、一方の直線偏光を計測光として前記被
   測定物の表面上に集光させると共に、他方の直線偏光を
   参照光として平行光で、且つ該被測定物の表面上におい
   て該一方の直線偏光の照射径よりも充分大きい照射径に
   て照射する高精度光学系と、 前記レーザ光に含まれる２種類の直線偏光のうち一方の
   みを計測光として該被測定物の表面上に集光させ、他方
   を参照光として参照ミラーに照射すると共に、前記計測
   光の被測定物表面から前記検出部までの光学長さと前記
   参照光の前記参照ミラーから前記検出部までの光学長さ
   が等しくなる位置に前記参照ミラーを配置して構成され
   る簡易光学系と、 前記レーザ光源装置と被測定物との間に前記２種類の光
   学系のどちらか一方のみを切り換え配置する光学系切り
   換え手段と を備えることを特徴とする光学式表面粗さ測定装置。