JP3936167B2

JP3936167B2 - Surface measuring device

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Publication number: JP3936167B2
Application number: JP2001333413A
Authority: JP
Inventors: 貴史布施; 文之高橋; 博之塚原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2021-10-30
Also published as: JP2003139517A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉光学系を用いてディスク表面の形状を計測する表面計測装置に関する。
【０００２】
たとえば磁気ディスクにおいては、その大容量化や小型化が進められ、記録密度の向上が図られている。これに呼応して、磁気ヘッドの低浮上量化も進められている。磁気ヘッドの低浮上量化が進むと、磁気ディスク表面の平滑化も一層求められる。
【０００３】
なぜなら、磁気ディスク装置では、磁気ディスク上に磁気ヘッドスライダが位置しており、この磁気ヘッドスライダがディスクの回転とともに浮上し、非接触での記録、再生を行う。しかし、ディスク表面に磁気ヘッドスライダが追随できないような微小凸部があると、ここに磁気ヘッドスライダがぶつかるおそれがある。又、磁気ヘッドスライダが追随できないような微小凹凸部があるとヘッド浮上量が変動し、磁気記録の電磁変換特性に影響を与えることが懸念されている。
【０００４】
そこで、磁気ディスクの表面状態を知る必要があり、磁気ディスクの表面状態（主に微小うねり、ナノレベルの凹凸）を計測する表面計測装置の高精度化も要求されている。
【０００５】
【従来の技術】
表面計測装置は、接触式と非接触式に大別される。接触式の表面計測装置としては、触針式のものがあり、これには、針をディスク表面上で二次元的に移動させて表面の微小うねりを計測するものや、ディスク表面に針を載せた状態でディスクを回転させながら円周方向の微小うねりを測定するもの等がある。しかし、接触式のものは、ディスクにダメージを与えるおそれがあるだけでなく、計測速度が非常に遅いという欠点があり、非接触式のものが注目されている。
【０００６】
図１３〜図１５は従来の非接触の表面計測装置の概念的構成を示している。図１３の従来例では、静止状態のディスク１の表面全体に光を当て、干渉光学系２を介して得られたディスク全面の干渉縞パターンを一括してエリアセンサ３で撮像し、ディスク１の表面形状を計測するものである。
【０００７】
又、図１４の従来例は、静止状態のディスク１の表面の一部分（計測視野）１ａに光を当て、干渉光学系２を介して得られた表面の一部分１ａの干渉縞パターンをエリアセンサ３で撮像するという動作を、干渉光学系２やエリアセンサ３を二次元的にずらしながら行うことで、ディスク１全面の表面形状を計測するものである。
【０００８】
図１５の従来例は、ディスク１をスピンドルモータ４で回転させ、干渉光学系２や０次元センサ５を用いてディスク１表面の計測ポイントＰの形状を計測するという動作を、干渉光学系２や０次元センサ５を相対的にディスク１の半径方向にずらしながら行うことで、ディスク１全面の表面形状を計測するものである。なお、このタイプの場合、０次元センサを横方向に並べて１次元センサとして計測する場合もある。
【０００９】
干渉光学系を用いて非接触で表面形状を測定する表面計測装置の具体例としては、図１６に示すものがある。この図１６の干渉光学系２０において、白色光源１１から出た光は、干渉フィルタ１２により単色化され、ハーフミラー１４に入射する。その後、ハーフミラー１４により図１６の下方に折り曲げられ、対物レンズ１５で集束された後、ハーフミラー１６に入射し、ここを透過した光が、ステージ２２上のディスク１３の表面に到達する。一方ハーフミラー１６で反射した光は、理想的な平面を持つ参照ミラー１８に到達する。ディスク１３での反射光と参照ミラー１８での反射光はそれぞれいままで通った光路と逆の光路をたどり、今度はハーフミラー１４を透過して結像レンズ１９を通り、エリアセンサ（カメラ）２１上に干渉縞パターン画像を結像する。
【００１０】
この干渉縞パターン画像は、たとえば図１７（ａ）のような画像になり、参照ミラー１８の傾きをθｙ方向とθｚ方向に調整してそれぞれの計測器での計測に都合のよいたとえば同図（ｂ）のような画像になるように調整する。参照ミラー１８が理想的な平面を持っていれば、同図（ｂ）の縞間隔ｄだけ離れたディスク１３上の２地点の高さの差は、干渉フィルタ１２で単色化した光の波長の半分となる。
【００１１】
以上のようにして得られた干渉縞パターン画像から算出した表面形状（表面の高さ）の一例を同図（ｃ）に示す。この図はエリアセンサ２１による計測視野のひとつ分についての高さデータである。
【００１２】
この表面計測装置は、参照ミラー１８が理想的な平面を持つことを前提として、その精度が保証されるものであるが、現実には、参照ミラー１８が理想的な平面を持つことはない。このため、たとえば図１８（ａ）のように、参照ミラー１８が理想とする平面を有しないとすると、得られる高さデータは、同図（ｂ）で示す真の表面高さに参照ミラー１８の誤差が重畳した同図（ｃ）のようになるため、真の表面高さが得られない。ただし、同図（ｃ）において参照ミラー１８の誤差分を点線で示し、誤差が重畳した高さデータを実線で示した。
【００１３】
真の表面高さを求めるためには、参照ミラー１８の誤差分を算出し、同図（ｃ）で得られた、誤差が重畳した高さデータから差し引く必要がある。参照ミラー１８の誤差分は、図１９に示すように測定対象として理想平面に近い基準平面板２３をステージ２２上に設置して干渉縞パターンを撮像し、高さを算出する。具体的には、基準平面版２３としてくせのないミラーを設置し、このミラー平面のいろいろな場所の干渉画像をステージ２２を使ってミラーを動かして求め、算出した高さを平均する場合が多い。これが、たとえば同図（ｂ）のようになったとすれば、このデータを使って、高さデータを補正し、図２０に示すようにディスク表面高さを求めていけばよい。
【００１４】
図２０（ａ）は誤差が重畳した高さデータ、同図（ｂ）は求まった参照ミラー１８の誤差分、同図（ｃ）は同図（ａ）のデータから同図（ｂ）の誤差分を減算して算出した真の対象の表面高さである。しかし、誤差分のデータを取得し、基準平面板２３を外し、図１６のようにディスク１３を再び設置した後に、干渉縞が図１７（ａ）のような状態にあると、この状態から図１７（ｂ）の状態に調整する必要があるが、ここでは、参照ミラー１８を動かす調整方法はとれない。なぜなら、参照ミラー１８を動かすと、参照ミラー１８上の照明光が当たる位置がずれることにより、図１９で求めた参照ミラー１８の誤差量が変わり、再び原器である基準平面板２３を使って校正用データを作成する必要が生じることになり、校正の作業が際限なく続くことになるからである。このために、従来は、参照ミラー１８は固定しておき、図１６のように光学系全体ＢＬ１をあおるようにθ１ｙ方向とθ１ｘ方向に動かすか、ディスク１３側のステージ全体ＢＬ２をあおるようにθ２ｙ方向かθ２ｘ方向に動かしている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示した表面計測装置のように、ディスク全面の干渉縞パターンを一括して撮像しディスク表面形状を計測する場合、光学的な分解能の不足により短周期の微小うねり計測に十分な分解能を得ることができない。
【００１６】
一方、図１４に示した表面計測装置のように、ディスク表面の一部分の干渉縞パターンを撮像し、ディスクの表面形状を計測する場合、分解能は十分であるが計測視野が限定されるため、長周期の微小うねりを計測することができない。
【００１７】
図１４に示した表面計測装置の問題点に関しては、例えば、特開平７−１７４５３５号公報に記載されているように、小さい計測視野を二次元方向（ｘ，ｙ軸方向）に移動させて重複部分の情報を基に大きな範囲を計測する例もあるが、このようなｘ，ｙ軸方向に計測視野を移動させてディスク全面の高さデータを得る方式は、ディスク周方向に連続した高さデータを得るのに時間がかかる。
【００１８】
図１５に示した表面計測装置のように、ディスクを回転させながらディスク表面形状を計測する場合、ディスク回転時の振動が計測値にノイズとして重畳してしまうため、ディスクの表面形状を精密に計測することが困難である。この方式の表面計測装置において、ディスク回転時の振動ノイズを計測値から取り除くためには、問題となる振動より十分高速あるいは低速な時間でデータをサンプリングし、その後のフィルタリング処理で振動成分を取り除くことになるが、このようにすると、振動成分（周波数）に比べて高速なサンプリングを行わなければならなくなり、計測部および処理部が高価になってしまう。逆に振動成分に比べて低速なサンプリングを行うと、計測時間が非常に長くなる。
【００１９】
一方、表面計測装置の具体例として挙げた図１６に示す表面計測装置では、上記の通り、参照ミラー１８は固定しておき、図１６のように光学系全体ＢＬ１をあおるように動かすか、ディスク１３側のステージ全体ＢＬ２をあおるように動かす必要があるため、装置規模が大きくなるという問題がある。さらに光学系全体ＢＬ１を動かすかディスク１３側のステージ全体ＢＬ２を動かすかにかかわらず、基準平面板等の校正原器をあらかじめ用意する必要があり、装置稼動中は恒常的な原器の保持と保守を行う必要がある。このように、従来装置では、保守手順が煩雑になり、かつ装置規模が大きくなってしまうという問題点がある。
【００２０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、第１の課題は、校正原器が不要で、しかも装置規模を小さくできる表面計測装置を実現することになる。
【００２１】
第２の課題は、長周期及び短周期の微小うねりを短時間に精密に計測できる表面計測装置を実現することになる。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１に係る発明は、図１の原理図に示すように、参照ミラー３１からの反射光とディスク３２表面上の計測視野３２ａからの反射光とを干渉させて干渉縞パターンを生じさせる干渉光学系３３と、干渉縞パターンを撮像するためのエリアセンサ３４と、エリアセンサ３４とディスク３２との相対位置を変化させる移動手段３９と、移動手段３９によりディスク３２表面上の計測視野３２ａを連続的にずらせながら、各計測視野３２ａについてエリアセンサ３４に干渉縞パターンの撮像を繰り返させる撮像制御手段３５と、エリアセンサ３４で得られた各干渉縞パターン画像からそれぞれ位相を抽出し、ディスク３２表面上の各計測視野３２ａ内の座標点の高さ算出する高さ算出手段３６と、高さ算出手段３６で求めた複数の計測視野３２ａでの高さデータの、複数の計測視野３２ａ間における平均値を求め、この平均値を校正用データとする校正用データ算出手段３７と、高さ算出手段３６で求めた高さデータを校正用データ算出手段３７で求めた校正用データで校正し、校正後の高さデータを求める校正高さ算出手段３８とからなる。
【００２３】
この表面計測装置では、エリアセンサ３４とディスク３２との相対位置を移動手段３９で変化させることにより、計測視野３２ａを移動させながら、ディスク３２表面を撮像する。図２に示すように、各計測視野３２ａにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，... と名前を付けたとき、計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，...の高さデータ（形状画像）は、高さ算出手段３６から得られる。
【００２４】
このとき、参照ミラー３１の校正は、ディスク３２自身を基準平面とみなして行う。その方法は、校正用データの作成に用いる計測視野を決める。この校正用データ算出用の計測視野が、Ｎ個の計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，...であるとすると、Ｎ個の計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，...の高さデータ（形状画像）から、校正用データ（形状画像）を算出する。
【００２５】
校正用データは、計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，...の形状画像のある座標位置(xn,yn)の高さデータをｆa(xn,yn)，ｆb(xn,yn)，ｆc(xn,yn)，...とし、校正用データ（形状画像）のある位置(xn,yn)の高さデータをfv(xn,yn)とすると、たとえば、
fv(xn,yn)＝｛fa(xn,yn)＋fb(xn,yn)+fc(xn,yn)+...｝／Ｎ
として求められる。
【００２６】
上式において、fv(xn,yn)中のディスク３２の凹凸成分は加算平均により平準化されて無くなるので、ディスク３２の位置に理想的な平面をおいた場合と同じ状況になる。一方、ｆa(xn,yn)，ｆb(xn,yn)，ｆc(xn,yn)，...には参照ミラー３１の誤差分が常に存在するため、fv(xn,yn)中の参照ミラー３１の誤差分の精度は加算平均により向上する。よって、Ｎを大きくすれば、このfv(xn,yn)は、校正用データとしてきわめて精密なものとなる。
【００２７】
本発明では、このfv(xn,yn)を用いて、高さデータｆa(xn,yn)，ｆb(xn,yn)，ｆc(xn,yn)，...の校正を行う。校正後の計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，...の、ある位置(xn,yn) における高さデータをfa'(xn,yn)，ｆb'(xn,yn)，ｆc'(xn,yn)，...とすると、校正後の高さデータは、たとえば、
fa'(xn,yn)＝fa(xn,yn)−fv(xn,yn)
fb'(xn,yn)＝fb(xn,yn)−fv(xn,yn)
fc'(xn,yn)＝fc(xn,yn)−fv(xn,yn)
.............
として求められる。この処理をディスク表面の全域に渡って行うことにより、表面高さを精密に求めることができる。
【００２８】
さらに、本発明では、ディスク自身を校正用データの作成に用いることにより、基準平面板等の校正原器が不要になり、校正も極めて簡便に行える。しかも、干渉縞を調整するために参照ミラーの傾斜角を変えても、データ処理だけで、その傾斜角での校正用データを容易に取得でき、従来のように、校正用データの取得後に光学系全体あるいはステージ全体を動かす必要はなく、装置規模を小さくできる。
【００２９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、撮像制御手段は、エリアセンサとディスクとの相対位置を変化させることにより、ディスク表面上の計測視野をその一部が重複するように連続的にずらせながら（図２（ｂ）参照）、各計測視野についてエリアセンサに干渉縞パターンの撮像を繰り返させるものであることを特徴とするものである。
【００３０】
この発明によれば、隣接する計測視野間の重複部分での高さデータが等しくなるように、各計測視野の高さデータを繋ぐことにより、ディスク表面の広範囲の高さデータが精密に求められるため、長周期の微小うねりであっても精密に計測できる。
【００３１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、移動手段は、ディスクを回転駆動すると共に、ディスクを半径方向に移動させることができるものであり、撮像制御手段は、エリアセンサが円周方向に並んだ矩形の計測視野を重複させながら連続的に撮像できるように、移動手段とエリアセンサを制御するものであることを特徴とするものである。この発明では計測視野が円周方向に移動することになり、円周方向の長周期及び短周期の微小うねりを短時間に精密に計測できる。
【００３２】
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明において、ディスクの円周方向に不規則に並んだ複数の計測視野内の高さデータから、校正用データを求めることを特徴とするものである。この発明によれば、校正用データに周期的なノイズ成分が織り込まれない。
【００３３】
請求項５に係る発明は、請求項２に係る発明において、各計測視野内の高さデータについて、それぞれ、ディスクの円周方向に隣接した高さデータ同士の差分値を算出し、この差分データを連結して円周方向に連続した一連の差分データを作成し、これを表面形状画像データとして出力する画像結合手段を設け、画像結合手段では、隣接計測視野との非重複部分の差分データはそのまま一連の高さデータの一部として採用し、隣接計測視野との重複部分の差分データは、何れかの計測視野の差分データを計測視野の重複を解消するように選択し一連の高さデータの一部として採用するようにしたことを特徴とするものである。
【００３４】
この発明によれば、ディスク表面の広範囲の高さデータが容易かつ精密に求められる。
【００３５】
【実施の形態】
図３は本発明の実施の形態例を示す図である。この図において、干渉光学系６０は、以下の光路が形成されるように構成されている。まず、白色光源（メタルハライドランプ）５１から出た光は、干渉フィルタ５２により単色化され、ハーフミラー５４に入射する。その後、ハーフミラー５４により図３の下方に折り曲げられ、対物レンズ５５で集束された後、ハーフミラー５６に入射し、ここを透過した光が、回転ステージ６２上のディスク５３の表面に到達する。一方ハーフミラー５６で反射した光は、理想的な平面を持つ参照ミラー５８に到達する。ディスク５３での反射光と参照ミラー５８での反射光はそれぞれいままで通った光路と逆の光路をたどり、今度はハーフミラー５４を透過して結像レンズ５９を通り、矩形の計測視野を持つパーシャルスキャンあるいはハイフレームレートＣＣＤ等でなるエリアセンサ６１上に干渉縞パターン画像を結像する。
【００３６】
上記回転ステージ６２は、ディスク５３を保持しディスク５３を回転させるものである（回転中心軸は対物レンズ５５の光軸と平行）。この回転ステージ６２は、回転ステージ６２を図３における左右方向に移動させる直動ステージ６３上に載せられている。上記回転ステージ６２と直動ステージ６３とが、エリアセンサ６１とディスク５３との相対位置を変化させる移動手段を構成している。
【００３７】
制御部７０内の撮像制御手段７１は、回転ステージ６２，直動ステージ６３をそれぞれドライバ７３，７４を介して駆動し、ディスク５３表面上の矩形の計測視野５３ａをその一部が重複するように連続的にずらせながら、各計測視野５３ａについてエリアセンサ３４に干渉縞パターンの撮像を繰り返させるものである。又、干渉光学系６０内の参照ミラー５８は、傾斜可能に設けられており、参照ミラー駆動部７５を介して制御部７０が所望の角度に傾斜できるようになっている。
【００３８】
メモリ８１はエリアセンサ６１で取得した干渉縞パターン画像を連続的に蓄積するもので、ここに蓄積されたデータは、高さ算出手段８２や制御部７０で読み出せるようになっている。又、制御部７０は、縞間隔等の調整時にメモリ８１から直接データを読み出し、干渉縞パターン画像を出力手段７６に表示させたり、干渉縞パターン画像に基づき、参照ミラー５８の傾斜角調整を行えるようになっている。なお、参照ミラー５８の傾斜角調整は、自動でも手動でも行える。
【００３９】
高さ算出手段８２は、エリアセンサ６１で得られた各干渉縞パターン画像からそれぞれ位相を抽出し、ディスク５３表面上の各計測視野５３ａ内の座標点の高さ算出するものである。本形態例のように、回転するディスクの干渉縞画像から高さを算出するには、高精度干渉法でも位相シフト法のような同じ個所で複数枚の干渉画像が必要な方法は適用が難しい。
【００４０】
高精度干渉法の中でも、空間的に変調した１枚の干渉縞画像（キャリア縞画像）から高精度な高さが検出できる方法として、空間キャリア法がある。これは本発明に適用可能である。空間キャリア法は、光源に白色光源、撮像系（エリアセンサ）にＣＣＤを使用できるため、安価な光学系が構築可能である。
【００４１】
ここで、図４のマイケルソン型干渉光学系を用いて空間キャリア法を説明する。この構成は、光源５１から出た光がレンズ９２で平行光に変えられ、ビームスプリッタ９３に入り、分岐した一方の光が対象９４に入射し、分岐した他方の光が参照ミラー９５に入射し、対象９４と参照ミラー９５での反射光がビームスプリッタ９３で合成され、レンズ９６によりカメラ９７上に結像するようになっている。
【００４２】
対象９４側と参照ミラー９５側の光路差をΔＬ(x,y)，対象の高さをd(x,y)，位相差をφ(x,y)，照射光の波長をλとすると、カメラ９７で観測される干渉稿強度g(x,y)は次式で表せる。
【００４３】
ｇ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)cos(φ(x,y)) …（１）
φ(x,y)＝２πΔＬ(x,y)／λ …（２）
ｄ(x,y)＝ΔＬ(x,y)／２ …（３）
ここでａ(x,y)，ｂ(x,y)はそれぞれ干渉稿のバックグラウンド強度、明暗振幅である。従来の干渉法では、干渉画像の明暗から物体の高さ情報を示す位相φ(x,y)を求めている。ところが光路差ΔＬ(x,y)が波長以下の場合、ａ(x,y)，ｂ(x,y)とφ(x,y)の区別が困難であるため干渉画像を用いた高さ計測が不可能となる。
【００４４】
一方、高精度干渉法は干渉稿の位相項にキャリア成分δを導入することで、位相φ(x,y)を波長以下の精度で計測することができる。この場合干渉稿強度ｇ(x,y)は次式のようになる。
【００４５】
ｇ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)cos(φ(x,y)＋δ) …（４）
この（４）式で、空間的に変化するδを導入する方法を空間キャリア法という。高精度干渉法として空間キャリア法とともに良く知られている方式に、位相シフト法がある。位相シフト法の場合、（４）式のδを時間的に変化させて撮像した複数枚の干渉画像を使用する。このためディスクを回転させながら動的計測を行う場合には、この位相シフト法は向いていない。これに対して、空間キャリア法は一枚のキャリア画像から位相が検出できるため、本発明には好適である。
【００４６】
実際に位相変調されたキャリア画像を得るには、図５に示すように、参照ミラーをθ₀だけ傾ければよい。例えばｘ方向に空間周波数f₀のキャリア成分を入れると（４）式は以下のようになる。
【００４７】
ｇ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)cos(φ(x,y)＋２πf₀ｘ) …（５）
空間的にキャリアを導入した干渉稿画像から位相φ(x,y)を求める方法には、フーリエ変換法，ＱＭＭ(Quadrature multiplicative moire)アルゴリズム，位相シフト電子モアレ法などがある。微小うねり計測においては、計測すべき位相φ(x,y)の周波数帯域が広いため、後で述べる周波数成分の分別が比較的容易なフーリエ変換法を用いると便利である。ただし、ＱＭＭアルゴリズムや他の位相検出方法を使用することも可能である。以下にフーリエ変換法について説明する。
【００４８】
フーリエ変換法は、キャリア稿の入った干渉画像をフーリエ変換し、周波数空間で位相φ(x,y)を分離・検出する。（４）式をｘ方向でフーリエ変換すると、
Ｇ(ｆ)＝Ａ(ｆ)＋Ｃ(ｆ−ｆ₀)＋Ｃ*(−(ｆ＋ｆ₀)) …（６）
となる。ここでＡ(ｆ)はａ(x,y)のフーリエスペクトルである。またＣ(ｆ)は、
Ｃ(x,y)＝ｂ(x,y)exp[φ(x,y)]／２ …（７）
のフーリエスペクトルである。図６は（６）式のスペクトル成分を周波数空間で示した図である。フーリエ変換法では以下の手順で位相検出を行う。
【００４９】
１）図６(ａ)のＣ(ｆ−ｆ₀)以外のスペクトル成分を取り除く(図６(ｂ))。
２）Ｃ(ｆ−ｆ₀)をｆ₀だけ平行移動し原点に移動する(図６(ｃ))。
３）逆変換し、（６）式のｃ(x,y)を求める。
【００５０】
４）ｃ(x,y)の実部Ｒｅ［ｃ(x,y)］，虚部Ｉｍ［ｃ(x,y)］からφ(x,y)を求める。
φ(x,y)＝tan［Ｉｍ［ｃ(x,y)］／Ｒｅ［ｃ(x,y)］］ …（８）
ここでは、手順１）でａ(x,y)とφ(x,y)の周波数成分を分別し、ａ(x,y)の成分を取り除き、又、手順４）の比を計算することで、（６）式にかかっていたｂ(x,y)の成分を取り除いている。
【００５１】
以上の手順によりφ(x,y)を求めれば、（２），（３）式から対象（ディスク）９４の高さ変化ｂ(x,y)を、次式
ｄ(x,y)＝λφ(x,y)／４π …（９）
で求めることができる。
【００５２】
校正用データ算出手段８３は、校正用データ算出手段３７と同様な構成を有するもので、校正用データ算出用の複数の計測視野を決め、この複数の計測視野５３ａでの高さ算出手段８２で求めた高さデータの、複数の計測視野５３ａ間における平均値を求め、この平均値を校正用データとするものである。校正高さ算出手段８４は、高さ算出手段８２で求めた高さデータから校正用データ算出手段８３で求めた校正用データを減算し、校正後の高さデータを求めるものである。
【００５３】
ここで、本形態例は、ディスク５３表面上の矩形の計測視野５３ａを、その一部が重複するように、円周方向に連続的にずらせながら、各計測視野５３ａについてエリアセンサ３４に干渉縞パターンの撮像を繰り返して撮像させるものである。このため、校正高さ算出手段８４から出力された高さデータ（形状画像）は、図７に示すように、隣接画像同士が一部重なっている。ディスク５３の全面の形状画像を得るためには、この重複部分のデータの重なりを無くす必要がある。
【００５４】
本形態例の画像結合手段８５は、この機能をも有する。この画像結合手段８５は、各計測視野５３ａ内の高さデータについて、それぞれ、ディスク５３の円周方向に隣接した高さデータ同士の差分値を算出し、この差分データを連結して円周方向に連続した一連の差分データを作成し、これを表面形状画像データとして出力する。
【００５５】
そこで、画像結合手段８５では、隣接計測視野との非重複部分の差分データはそのまま一連の高さデータの一部として採用し、隣接計測視野との重複部分の差分データは、何れかの計測視野の差分データを計測視野の重複を解消するように選択し一連の高さデータの一部として採用する。
【００５６】
図８は画像結合手段８５の結合動作を説明する図である。図８（ａ）は、隣接した画像１，画像２の重なり状態を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）において２つの画像が重複した付近を拡大して示したものである。図中の各正方形は画像１と画像２の画素を表している。図８（ｃ）は、図８（ｂ）にける四角の点線で囲まれた一列の画素列を取り出し、ディスクの周方向（Ｙ方向）の位置に対応するよう並べたものである。それぞれの画素の高さ計測値は、ディスクの真の高さH(x,y)と、撮像時刻ｔに光学系に加わった振動成分δ(t) が足し合わされたものとなる。
【００５７】
説明を簡単にするため、図８と以降の説明はディスク５３の半径方向の画素位置ｘを固定して考え、そのときのディスクの高さをH(y)と表記する。又、δ(t) は撮像時間中の振動成分変位を積分したものであるが、簡易的に撮像時刻ｔの関数として表記する。以上の約束のもと、画像１と画像２の画素位置毎の計測値を図８（ｃ）に示し、各隣接画素間の高さデータの差分値（校正高さ算出手段８４の出力の差分値）を高さデータの隣に示した。
【００５８】
図８（ｃ）からも明らかなように、円周方向に隣接画素の差分を取ることで振動成分δ（ｔ）がキャンセルされる。画像の結合処理は、上記差分値を画像１と画像２から選択的に新たな結合画像（データ）領域にコピーすることで行う。例えば図８（ｃ）の例では、画像１と画像２の差分値のうち点線の四角で囲まれたそれぞれの部分を、結合画像（図８（ｃ）右側示した）の高さデータとして採用することで、新規の結合画像を作成する例である。この場合、重複部分については、画像１の差分値をコピーし、非重複部分はそれぞれの画像の差分値をコピーしている。
【００５９】
なお、新しく得られた高さの差分画像はそのまま表面形状を示す高さデータとして用いることができるが、画素間の加算処理を行うことで、任意の画素を基準とした高さ画像に変換することもできる。たとえば、図８（ｃ）の結合画像の最上段の画素のレベルをＨ（１）−Ｈ（２）から４段目の画素レベルＨ（４）−Ｈ（５）までを加算すれば、Ｈ（１）を基準にした４段目の画素レベルＨ（１）−Ｈ（５）が得られる。
【００６０】
図９は画像結合における結合画像に適用する画素（差分値）の選択方法を説明する図である。図９（ａ）は、撮像視野のアスペクト比が小さい場合、図９（ｂ）は撮像視野のアスペクト比が大きい場合である。図９（ａ）の場合、隣接画像間の角度差が大きいため、画像１と画像２の重複部分の中でも最も重複度が高い分岐画素Ｂの前後で、差分値をコピーする画像を切り替える必要がある。具体的には、分岐画素Ｂより画像１寄りのエリアＬ１では、画像１の差分値を用い、分岐画素Ｂより画像２寄りのエリアＬ２では、画像２の差分値を用いる。したがって、低アスペクト比のエリアセンサ６１を使用する場合、設定した計測視野の重複量と視野サイズ、撮像半径位置から、上記分岐画素位置をあらかじめ算出する手段を備える必要がある。
【００６１】
一方、高アスペクト比の撮像視野（ｂ）の場合は、隣接画像間の角度差が小さいため、近似的に重複部分の全画素が完全に重複しているとみなせるため、重複部分の全てを分岐画素Ｂとして使用可能であり、この重複部分では、画像１，画像２のどちらの差分値を用いてもよい。すなわち、低アスペクト比のエリアセンサ６１を使用するれば、図９（ａ）の場合のような面倒な分岐画素の計算を省略することが可能である。本形態例では、画像の径方向（Ｘ方向）の同一列がディスクの同一半径であるとみなして画像結合を単純化している。低アスペクト比の計測視野の場合、同一列が全て同一半径とみなすには誤差が大きくなるため、同一半径となる画素位置を精密に計算するプロセスも必要となる。低アスペクト比のエリアセンサ６１を使用すれば、この例のように同一列の画素＝同一半径位置とほぼみなせるため計算が容易となる。低アスペクト比の計測視野を得る手段として、市販されているパーシャルスキャンＣＣＤカメラ（部分画素読み出しカメラ）を使用すれば安価でかつ容易に上記のような低アスペクト比画像を得ることができる。
【００６２】
図１０は結合画像（高さ差分画像あるいは高さ変換画像）に対する処理を示す図である。本形態例では図１０（ａ）から分かる通り、ディスク５３を回転させながら計測視野を重複させて撮像するため、重複量は画像の左右（図１１）で異なる。したがって、結合画像に分割画像からデータを単純にコピーすると、図１０（ｂ）に示すように、画像がゆがんで見えてしまう。これは計測後に高さ画像（データ）の視認性に影響する。この場合、ディスク５３の内周側の分解能を粗くして、画像のリサンプリングを行ない、図１０（ｃ）のような視認性のよいデータ形式に直すことは可能である（補間処理）。
【００６３】
図１１は隣接画像が所定の量だけ重複するようにディスク回転速度を決定する方法を示す図である。回転中心から計測位置までの距離をR(mm)、円周方向の計測視野サイズをYf(mm)、半径方向の計測視野中央での重複量をYo(mm)、エリアセンサ６１のフレーム周波数をFf(fps) とすると、
ディスク５３の回転数Ns(rpm) は、
Ns ＝ Ff ×θ×60／2 ×π
で算出できる。ただし、
θ ＝ sin^-1｛(Yf-Yo) ／R ｝
である。
【００６４】
上記画像結合手段８５により、各計測視野５３ａでの形状画像（データ）が結合され、制御部７０に出力される。
本形態例における表面計測の一連動作は、上記制御部７０によって、次のようになされる。まず、図示していないディスクのハンドラでもって、回転ステージ６２上に被測定ディスク５３が設置される。設置完了の信号を受け、制御部７０はディスク５３を調整用の所定位置まで動かして計測準備を行う。初めに、計測に最も都合のよい干渉縞を得るように、縞間隔等の調整を行う。具体的には、撮像により得られた干渉縞パターン画像が、図１７（ｂ）のようになるように、参照ミラー駆動部７５を介して参照ミラー５８の傾斜角を調整する。
【００６５】
この干渉縞の調整は、回転ステージ６２や直動ステージ６３によりディスク５３を動かして、計測に最も都合のよい干渉縞を得るようにしてもよい。なお、直動ステージ６３は、図３では回転ステージ６２を動かしているが、光学系を動かすように構成してもよい。
【００６６】
この調整が終了すると、制御部７０はディスク５３を計測用の所定位置まで移動させて、撮像動作に移り、最初の計測視野での干渉縞パターンの撮像を開始し、取得データをメモリ８１に蓄積する。
【００６７】
ここでは、表面計測用に撮像した計測視野の高さデータを利用して校正用データを作成する場合であって、同一半径上に連続して位置するＮ個の計測視野について連続撮像する場合を例にとって説明する（もちろん、本発明は、このような計測手順に限定されるものではない）。
【００６８】
同一半径上に連続して位置するＮ個の計測視野についての連続撮像が終了し、これら取得データがメモリ８１に蓄積されると、メモリ８１内の干渉縞パターン画像データは、高さ算出手段８２に読み出され、高さデータに変換される。さらに高さ算出手段８２で算出した高さデータは校正用データ算出手段８３に出力され、ここで、前述の通り、高さデータを平均化するなどして校正用データが作成される。
【００６９】
本形態例では、Ｎ個の高さデータ群（計測視野）全てを用いて、校正用データを算出している。高さ算出手段８２により算出された高さデータと校正用データ算出手段８３により算出された校正用データとは、校正高さ算出手段８４に出力され、ここで、校正された高さデータが算出され、画像結合手段８５に出力される。
【００７０】
画像結合手段８５では、前述の画像結合が行われ、結合画像データが制御部７０に送られる。制御部７０は、この結合画像データを出力手段７６に表示したり、図示しない記憶装置に蓄積する。その後、次のＮ個の計測視野についての連続撮像を開始し、同様の処理を実行することで、次の結合画像データを取得する。そして、一つの半径位置の撮像が終了すると、次の半径位置での計測に移り、同様な計測を行って、その半径位置での結合画像データを取得する。全半径位置での計測が終了すると、計測動作を終了し、ディスク５３全面での計測結果を出力手段７６に表示する。
【００７１】
なお、メモリ８１の記憶容量が大きい場合や、複数のメモリ８１を切り替えて使用するような構成の場合は、複数の半径位置に跨って、連続撮像を続けることもできる。又、このような場合には、回転ステージ６２と直動ステージ６３を適宜動かして、螺旋状に計測視野を移動させるようにしてもよい。制御部７０は、ディスク交換がなされ次のディスクが用意されると、上述の動作を繰り返す。
【００７２】
校正用データの算出方法は、表面計測用に撮像した計測視野の高さデータを利用して行ってもよいが（これが、最も効率的である）、校正用データ作成のためだけに別途撮像して得た高さデータを用いるようにしてもよい。このようにすれば、所望の高さデータを用いて校正用データを作成できる。
【００７３】
画像撮像時の等間隔に撮像されたデータを校正用データ作成にそのまま用いると、周期的なノイズ成分（振動成分）が校正用データに織込まれてしまう可能性がある。これを避けるために、図１２（ａ）に示すように、等間隔ではない計測視野の画像データを使って校正用データを求めて校正に利用するようにしてもよい。
【００７４】
あるいは、ある円周方向あるいは半径方向に特有の成分が校正用データに織込まれてしまう可能性を避けるため、校正用データ作成のためだけに別途撮像し、この撮像の際、計測視野をディスク上で円周方向だけでなく半径方向にも動かしながら（たとえば螺旋状に動かしながら）、エリアセンサ６１への撮像指示信号（トリガ）を所望のタイミングで発生させることにより、図１２（ｂ）に示すような計測視野を選択し、校正用データを得るようにしてもよい。なお、所望の位置に計測視野が到達したことの検知は、回転ステージ６３等に原点位置にあることを示す信号を発するような手段を設けるとともに、回転ステージ６３の駆動源として、パルスモータ等を用いれば、容易に行える。
【００７５】
又、図１２（ｃ）に示すように、各高さデータのうち高さ勾配がほぼ等しい画像データ（たとえば、高さのピークを示す計測視野Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を使って校正用データを算出するようにすれば、校正用データが、算出する計測視野の高さ勾配の変化の度合いに影響を受けずに、精度良く校正用データを作成できる。
【００７６】
又、校正用データを得る際に、同一の計測視野を複数回撮像し、得られた高さデータを平均化したものを、校正用データの作成の際に用いる高さデータとすれば、校正用データの精度を一層向上できる。
【００７７】
さらに、高さ算出の際に、キズ，ゴミや算出中のエラーにより異常な値を示した領域の高さデータを除外して校正データを算出することにより、校正データの精度を向上させることができる。
【００７８】
上記形態例によれば、ディスク５３自身を校正用データの作成に用いることにより、基準平面板等の校正原器が不要になり、校正も極めて簡便に行える。しかも、縞の間隔と向きを調整するために参照ミラー５８の傾斜角を変えても、データ処理だけで、その傾斜角での校正用データを容易に取得でき、従来のように、校正用データの取得後に光学系全体あるいはステージ全体を動かす必要はなく、装置規模を小さくできる。
【００７９】
なお、上記形態例での干渉光学系はハーフミラーを用いて構成したものであるが、図４に示すようにビームスプリッタを用いて構成してもよい。又、本発明に係る表面計測装置の計測対象は、当然ながら、磁気ディスクに限らず、ディスク状物体であればどのようなものでもよい。
【００８０】
本発明の代表的な態様を付記として以下に示す。
（付記１）参照ミラーからの反射光とディスク表面上の計測視野からの反射光とを干渉させて干渉縞パターンを生じさせる干渉光学系と、
前記干渉縞パターンを撮像するためのエリアセンサと、
該エリアセンサとディスクとの相対位置を変化させる移動手段と、
該移動手段によりディスク表面上の計測視野を連続的にずらせながら、各計測視野について前記エリアセンサに干渉縞パターンの撮像を繰り返させる撮像制御手段と、
前記エリアセンサで得られた各干渉縞パターン画像からそれぞれ位相を抽出し、ディスク表面上の各計測視野内の座標点の高さ算出する高さ算出手段と、
該高さ算出手段で求めた複数の計測視野での高さデータの、複数の計測視野間における平均値を求め、この平均値を校正用データとする校正用データ算出手段と、
前記高さ算出手段で求めた高さデータを前記校正用データ算出手段で求めた校正用データで校正し、校正後の高さデータを求める校正高さ算出手段と、
を備えた表面計測装置。
【００８１】
（付記２）前記撮像制御手段は、前記エリアセンサとディスクとの相対位置を変化させることにより、ディスク表面上の計測視野をその一部が重複するように連続的にずらせながら、各計測視野について前記エリアセンサに前記干渉縞パターンの撮像を繰り返させるものであることを特徴とする付記１記載の表面計測装置。
【００８２】
（付記３）前記移動手段は、ディスクを回転駆動すると共に、ディスクを半径方向に移動させることができるものであり、
前記撮像制御手段は、前記エリアセンサが円周方向に並んだ矩形の計測視野を重複させながら連続的に撮像できるように、前記移動手段と前記エリアセンサを制御するものであることを特徴とする付記１又は２記載の表面計測装置。
【００８３】
（付記４）表面計測用に撮像した計測視野の高さデータを利用して校正用データを作成することを特徴とする付記１〜３の何れかに記載の表面計測装置。
（付記５）校正用データ作成のためだけに計測視野の撮像を行い、これにより得られた高さデータを用いて、校正用データを作成することを特徴とする付記１〜３の何れかに記載の表面計測装置。
【００８４】
（付記６）同一の計測視野を複数回撮像し、得られた高さデータを平均化したものを、校正用データの作成の際に用いる高さデータとすることを特徴とする付記５の何れかに記載の表面計測装置。
【００８５】
（付記７）ディスクの円周方向に不規則に並んだ複数の計測視野内の高さデータから、前記校正用データを求めることを特徴とする付記４又は５記載の表面計測装置。
【００８６】
（付記８）各計測視野内の高さデータについて、それぞれ、ディスクの円周方向に隣接した高さデータ同士の差分値を算出し、この差分データを連結して円周方向に連続した一連の差分データを作成し、これを表面形状画像データとして出力する画像結合手段を設け、
該画像結合手段では、隣接計測視野との非重複部分の差分データはそのまま前記一連の高さデータの一部として採用し、隣接計測視野との重複部分の差分データは、何れかの計測視野の差分データを計測視野の重複を解消するように選択し前記一連の高さデータの一部として採用するようにしたことを特徴とする付記２に記載の表面計測装置。
【００８７】
（付記９）前記高さ算出手段は、空間キャリア法により高さデータを得ることを特徴とする付記１〜８の何れかに記載の表面計測装置。
（付記１０）重複部分での差分データの選択に際して、重複部分の画素の中でももっとも重複度の高い分岐画素を算出する手段を有し、重複度の高い分岐画素の前後で差分データを採用する画像を切り替えることを特徴とする付記８又は９記載の表面計測装置。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、基準平面板等の校正原器が不要になり、校正を極めて簡便に行えるとともに、精密な計測を小さい装置規模で行うことができる。
【００８９】
請求項２に係る発明によれば、ディスク表面の広範囲の高さデータが精密に求められるため、長周期の微小うねりであっても精密に計測できる。
請求項３に係る発明によれば、計測視野が円周方向に移動することになり、円周方向の長周期及び短周期の微小うねりを短時間に精密に計測できる。
【００９０】
請求項４に係る発明によれば、校正用データに周期的なノイズ成分が織り込まれることを防止できる。
請求項５に係る発明によれば、ディスク表面の広範囲の高さデータが容易かつ精密に求められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理図である。
【図２】校正用データの作成を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態例を示す図である。
【図４】マイケルソン型干渉光学系の構成図である。
【図５】図４の他の状態を示す図である。
【図６】空間キャリア法の説明図である。
【図７】画像の重なりを示す図である。
【図８】画像結合手段での結合動作の一例を示す図である。
【図９】差分値の選択方法を示す図である。
【図１０】結合画像に対する処理を示す図である。
【図１１】ディスク回転速度の決定方法の一例を示す図である。
【図１２】計測視野の選び方を示す図である。
【図１３】第１の従来技術の構成図である。
【図１４】第２の従来技術の構成図である。
【図１５】第３の従来技術の構成図である。
【図１６】干渉光学系を用いた表面計測装置の具体例を示す図である。
【図１７】図１６の装置での調整等を説明する図である。
【図１８】参照ミラーによる誤差の説明図である。
【図１９】基準平面板を用いた校正用データ取得の説明図である。
【図２０】校正動作の説明図である。
【符号の説明】
３１参照ミラー
３２ディスク
３２ａ計測視野
３３干渉光学系
３４エリアセンサ
３５撮像制御手段
３６高さ算出手段
３７校正用データ算出手段
３８校正用高さ算出手段
３９移動手段
５１白色光源
５２干渉フィルタ
５３ディスク
５３ａ計測視野
５４ハーフミラー
５５対物レンズ
５６ハーフミラー
５８参照ミラー
５９結像レンズ
６０干渉光学系
６１エリアセンサ
６２回転ステージ
６３直動ステージ
７０制御部
７１撮像制御手段
７５参照ミラー駆動部
７６出力手段
８１メモリ
８２高さ算出手段
８３校正用データ算出手段
８４校正高さ算出手段
８５画像結合手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface measuring apparatus that measures the shape of a disk surface using an interference optical system.
[0002]
For example, in a magnetic disk, its capacity and size have been reduced, and the recording density has been improved. In response to this, the flying height of the magnetic head has been reduced. As the flying height of the magnetic head is reduced, the smoothness of the magnetic disk surface is also required.
[0003]
This is because in the magnetic disk device, the magnetic head slider is positioned on the magnetic disk, and the magnetic head slider floats with the rotation of the disk and performs recording and reproduction in a non-contact manner. However, if there is a minute projection on the disk surface that cannot be followed by the magnetic head slider, the magnetic head slider may collide there. In addition, there is a concern that if there are minute irregularities that the magnetic head slider cannot follow, the flying height of the head will fluctuate and affect the electromagnetic conversion characteristics of magnetic recording.
[0004]
Therefore, it is necessary to know the surface state of the magnetic disk, and there is a demand for higher accuracy of the surface measuring device that measures the surface state of the magnetic disk (mainly micro waviness and nano level unevenness).
[0005]
[Prior art]
Surface measuring devices are roughly classified into contact type and non-contact type. Contact type surface measuring devices include stylus type devices that measure the micro-waviness of the surface by moving the needle two-dimensionally on the disk surface, or place the needle on the disk surface. There are those that measure the micro-waviness in the circumferential direction while rotating the disk in a heated state. However, the contact type has not only the possibility of damaging the disc, but also has a drawback that the measurement speed is very slow, and the non-contact type is attracting attention.
[0006]
13 to 15 show a conceptual configuration of a conventional non-contact surface measuring apparatus. In the conventional example of FIG. 13, light is applied to the entire surface of the stationary disk 1, and the interference fringe pattern on the entire disk surface obtained through the interference optical system 2 is collectively imaged by the area sensor 3. The surface shape is measured.
[0007]
Further, in the conventional example of FIG. 14, light is applied to a part (measurement visual field) 1 a of the surface of the disk 1 in a stationary state, and the interference fringe pattern of the part 1 a of the surface obtained through the interference optical system 2 is displayed in the area sensor 3. The surface shape of the entire surface of the disk 1 is measured by performing the image pickup operation while shifting the interference optical system 2 and the area sensor 3 two-dimensionally.
[0008]
In the conventional example of FIG. 15, the operation of rotating the disk 1 with the spindle motor 4 and measuring the shape of the measurement point P on the surface of the disk 1 using the interference optical system 2 or the zero-dimensional sensor 5 The surface shape of the entire surface of the disk 1 is measured by moving the 0-dimensional sensor 5 while relatively shifting it in the radial direction of the disk 1. In the case of this type, the 0-dimensional sensor may be arranged in the horizontal direction and measured as a 1-dimensional sensor.
[0009]
A specific example of a surface measuring apparatus that measures a surface shape in a non-contact manner using an interference optical system is shown in FIG. In the interference optical system 20 of FIG. 16, the light emitted from the white light source 11 is monochromatic by the interference filter 12 and enters the half mirror 14. Thereafter, the light is bent downward in FIG. 16 by the half mirror 14, converged by the objective lens 15, then incident on the half mirror 16, and the light transmitted therethrough reaches the surface of the disk 13 on the stage 22. On the other hand, the light reflected by the half mirror 16 reaches the reference mirror 18 having an ideal plane. The reflected light from the disk 13 and the reflected light from the reference mirror 18 follow the optical paths opposite to the optical paths that have passed so far, and this time pass through the half mirror 14 and pass through the imaging lens 19, and the area sensor (camera) 21. An interference fringe pattern image is formed on top.
[0010]
This interference fringe pattern image becomes, for example, an image as shown in FIG. 17A, and the inclination of the reference mirror 18 is adjusted in the θy direction and the θz direction, which is convenient for measurement by each measuring instrument, for example ( Adjust so that the image shown in b) is obtained. If the reference mirror 18 has an ideal plane, the difference in height between the two points on the disk 13 separated by the stripe interval d in FIG. It becomes half.
[0011]
An example of the surface shape (surface height) calculated from the interference fringe pattern image obtained as described above is shown in FIG. This figure shows height data for one field of view measured by the area sensor 21.
[0012]
This surface measuring device is guaranteed to have accuracy on the assumption that the reference mirror 18 has an ideal plane, but in reality, the reference mirror 18 does not have an ideal plane. Therefore, for example, as shown in FIG. 18 (a), if the reference mirror 18 does not have an ideal plane, the obtained height data has the true surface height shown in FIG. (C) in which the above error is superimposed, the true surface height cannot be obtained. However, in FIG. 8C, the error of the reference mirror 18 is indicated by a dotted line, and the height data on which the error is superimposed is indicated by a solid line.
[0013]
In order to obtain the true surface height, it is necessary to calculate the error amount of the reference mirror 18 and subtract it from the height data obtained by superimposing the error obtained in FIG. As shown in FIG. 19, the error of the reference mirror 18 is calculated by measuring the interference fringe pattern by setting a reference plane plate 23 close to an ideal plane as a measurement target on the stage 22 and calculating the height. Specifically, in many cases, a non-destructive mirror is installed as the reference plane plate 23, and interference images at various locations on the mirror plane are obtained by moving the mirror using the stage 22, and the calculated heights are averaged. . If this is as shown in FIG. 5B, for example, the height data is corrected using this data, and the disk surface height is obtained as shown in FIG.
[0014]
20A shows the height data on which the error is superimposed, FIG. 20B shows the obtained error of the reference mirror 18, and FIG. 20C shows the error of FIG. 20B from the data of FIG. The true object surface height calculated by subtracting the minutes. However, after acquiring the error data, removing the reference plane plate 23, and setting the disk 13 again as shown in FIG. 16, the interference fringes are in the state shown in FIG. Although it is necessary to adjust to the state of 17 (b), the adjustment method which moves the reference mirror 18 cannot be taken here. This is because, when the reference mirror 18 is moved, the position of the reference mirror 18 on which the illumination light hits shifts, so that the error amount of the reference mirror 18 obtained in FIG. 19 changes, and the reference plane plate 23 that is the original is used again. This is because it is necessary to create calibration data, and the calibration work will continue indefinitely. For this reason, conventionally, the reference mirror 18 is fixed and moved in the θ1y direction and the θ1x direction so as to cover the entire optical system BL1 as shown in FIG. 16, or θ2y so as to cover the entire stage BL2 on the disk 13 side. Direction or θ2x direction.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
When the interference fringe pattern on the entire surface of the disk is imaged collectively and the disk surface shape is measured as in the surface measuring apparatus shown in FIG. 13, the resolution sufficient for short period micro-waviness measurement is obtained due to the lack of optical resolution. Can't get.
[0016]
On the other hand, when the interference fringe pattern of a part of the disk surface is imaged and the surface shape of the disk is measured as in the surface measurement apparatus shown in FIG. 14, the resolution is sufficient but the measurement field of view is limited. It is not possible to measure the minute waviness of the cycle.
[0017]
Regarding the problems of the surface measuring apparatus shown in FIG. 14, for example, as described in JP-A-7-174535, a small measurement field of view is moved in the two-dimensional direction (x, y-axis direction) to overlap. There is an example in which a large range is measured based on the information of the part, but such a method of obtaining the height data of the entire disk surface by moving the measurement visual field in the x and y axis directions is a continuous height in the disk circumferential direction. It takes time to get data.
[0018]
When measuring the disk surface shape while rotating the disk as in the surface measuring apparatus shown in FIG. 15, the vibration during the disk rotation is superimposed on the measurement value as noise, so the disk surface shape is accurately measured. Difficult to do. In this type of surface measurement device, in order to remove vibration noise during disk rotation from the measured value, sample the data at a time sufficiently faster or slower than the vibration in question, and then remove the vibration component by subsequent filtering processing However, if it does in this way, it will be necessary to perform sampling faster than a vibration component (frequency), and a measurement part and a processing part will become expensive. Conversely, when sampling is performed at a lower speed than the vibration component, the measurement time becomes very long.
[0019]
On the other hand, in the surface measurement apparatus shown in FIG. 16 given as a specific example of the surface measurement apparatus, as described above, the reference mirror 18 is fixed and the entire optical system BL1 is moved as shown in FIG. Since the entire stage BL2 on the 13th side needs to be moved up, there is a problem that the apparatus scale becomes large. Furthermore, regardless of whether the entire optical system BL1 is moved or the entire stage BL2 on the disk 13 side is moved, it is necessary to prepare a calibration master such as a reference plane plate in advance. Maintenance is required. As described above, the conventional apparatus has problems that the maintenance procedure becomes complicated and the apparatus scale becomes large.
[0020]
The present invention has been made to solve the above problems, and a first problem is to realize a surface measuring apparatus that does not require a calibration prototype and can reduce the scale of the apparatus.
[0021]
The second problem is to realize a surface measuring apparatus that can accurately measure long-period and short-period microwaviness in a short time.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
As shown in the principle diagram of FIG. 1, the invention according to claim 1 that solves the above problem causes interference light to interfere with reflected light from the reference mirror 31 and reflected light from the measurement visual field 32a on the surface of the disk 32. An interference optical system 33 for generating a pattern, an area sensor 34 for imaging an interference fringe pattern, a moving means 39 for changing the relative position of the area sensor 34 and the disk 32, and a moving means 39 on the surface of the disk 32 The phase is extracted from each interference fringe pattern image obtained by the imaging control means 35 that causes the area sensor 34 to repeat imaging of the interference fringe pattern for each measurement visual field 32a while continuously shifting the measurement visual field 32a. The height calculation means 36 for calculating the height of the coordinate point in each measurement visual field 32 a on the surface of the disk 32 and the height calculation means 36 were used. The average value of the height data in the plurality of measurement visual fields 32a is obtained between the plurality of measurement visual fields 32a, and the height obtained by the calibration data calculation means 37 and the height calculation means 36 using the average value as calibration data. The calibration data is calibrated with the calibration data obtained by the calibration data calculation means 37, and the calibration height calculation means 38 obtains height data after calibration.
[0023]
In this surface measurement apparatus, the surface of the disk 32 is imaged while moving the measurement visual field 32a by changing the relative position of the area sensor 34 and the disk 32 by the moving means 39. As shown in FIG. 2, when each measurement visual field 32a is named A, B, C, D,..., The height data (shape image) of the measurement visual fields A, B, C, D,. ) Is obtained from the height calculation means 36.
[0024]
At this time, calibration of the reference mirror 31 is performed by regarding the disk 32 itself as a reference plane. In this method, the measurement visual field used to create calibration data is determined. If the measurement fields for calculating the calibration data are N measurement fields A, B, C,..., The height data (shapes) of the N measurement fields A, B, C,. Calibration data (shape image) is calculated from the image.
[0025]
The calibration data is the height data of the coordinate position (xn, yn) where the shape image of the measurement visual fields A, B, C,... Is fa (xn, yn), fb (xn, yn), fc (xn , yn), ..., and if the height data at the position (xn, yn) where the calibration data (shape image) is located is fv (xn, yn), for example,
fv (xn, yn) = {fa (xn, yn) + fb (xn, yn) + fc (xn, yn) + ...} / N
As required.
[0026]
In the above equation, the unevenness component of the disk 32 in fv (xn, yn) is leveled by averaging and disappears, so the situation is the same as when an ideal plane is placed at the position of the disk 32. On the other hand, since fa (xn, yn), fb (xn, yn), fc (xn, yn),... Always have an error of the reference mirror 31, the reference mirror in fv (xn, yn) The accuracy of 31 errors is improved by averaging. Therefore, if N is increased, this fv (xn, yn) becomes extremely accurate as calibration data.
[0027]
In the present invention, the height data fa (xn, yn), fb (xn, yn), fc (xn, yn),... Are calibrated using this fv (xn, yn). The height data at a certain position (xn, yn) of the measurement visual fields A, B, C,... After calibration are expressed as fa ′ (xn, yn), fb ′ (xn, yn), fc ′ (xn, yn ), ..., the height data after calibration is, for example,
fa '(xn, yn) = fa (xn, yn) −fv (xn, yn)
fb ′ (xn, yn) = fb (xn, yn) −fv (xn, yn)
fc ′ (xn, yn) = fc (xn, yn) −fv (xn, yn)
.............
As required. By performing this process over the entire area of the disk surface, the surface height can be determined accurately.
[0028]
Furthermore, in the present invention, by using the disk itself for the creation of calibration data, a calibration master such as a reference flat plate becomes unnecessary, and calibration can be performed very easily. Moreover, even if the tilt angle of the reference mirror is changed in order to adjust the interference fringes, calibration data at that tilt angle can be easily acquired by data processing alone. It is not necessary to move the entire system or the entire stage, and the apparatus scale can be reduced.
[0029]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the imaging control means changes the relative position between the area sensor and the disk so that a part of the measurement visual field on the disk surface overlaps. While continuously shifting (see FIG. 2B), the area sensor is made to repeatedly capture the interference fringe pattern for each measurement visual field.
[0030]
According to the present invention, the height data of a wide range of the disk surface is accurately obtained by connecting the height data of each measurement visual field so that the height data at the overlapping portion between adjacent measurement visual fields becomes equal. Therefore, it is possible to accurately measure even a long period micro swell.
[0031]
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the moving means can rotate the disk and move the disk in the radial direction, and the imaging control means can be an area sensor. The moving means and the area sensor are controlled so that images can be continuously captured while overlapping the rectangular measurement visual fields arranged in the circumferential direction. In the present invention, the measurement visual field moves in the circumferential direction, so that long-period and short-period micro-waviness in the circumferential direction can be accurately measured in a short time.
[0032]
The invention according to claim 4 is characterized in that, in the invention according to claim 3, calibration data is obtained from height data in a plurality of measurement visual fields that are irregularly arranged in the circumferential direction of the disk. is there. According to the present invention, periodic noise components are not woven into the calibration data.
[0033]
The invention according to claim 5 is the invention according to claim 2, wherein, for the height data in each measurement visual field, a difference value between height data adjacent to each other in the circumferential direction of the disk is calculated, and the difference data is calculated. Are connected to create a series of difference data continuous in the circumferential direction, and image combining means for outputting this as surface shape image data is provided. In the image combining means, the difference data of the non-overlapping portion with the adjacent measurement visual field is Adopted as a part of a series of height data as it is, the difference data of the overlapping part with the adjacent measurement field of view, select the difference data of any measurement field of view to eliminate the overlap of the measurement field of view, and a series of height data It is characterized in that it is adopted as a part of.
[0034]
According to the present invention, a wide range of height data on the disk surface is easily and accurately obtained.
[0035]
[Embodiment]
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of the present invention. In this figure, the interference optical system 60 is configured such that the following optical path is formed. First, the light emitted from the white light source (metal halide lamp) 51 is monochromatic by the interference filter 52 and enters the half mirror 54. Thereafter, the light is bent downward in FIG. 3 by the half mirror 54, converged by the objective lens 55, then incident on the half mirror 56, and the light transmitted therethrough reaches the surface of the disk 53 on the rotary stage 62. On the other hand, the light reflected by the half mirror 56 reaches the reference mirror 58 having an ideal plane. The reflected light from the disk 53 and the reflected light from the reference mirror 58 follow the optical paths opposite to the optical paths that have been passed so far, and this time pass through the half mirror 54 and pass through the imaging lens 59 to have a rectangular measurement field. An interference fringe pattern image is formed on an area sensor 61 formed of a partial scan or a high frame rate CCD.
[0036]
The rotary stage 62 holds the disk 53 and rotates the disk 53 (the rotation center axis is parallel to the optical axis of the objective lens 55). The rotary stage 62 is placed on a linear motion stage 63 that moves the rotary stage 62 in the left-right direction in FIG. The rotary stage 62 and the linear motion stage 63 constitute moving means for changing the relative position between the area sensor 61 and the disk 53.
[0037]
The imaging control means 71 in the control unit 70 drives the rotary stage 62 and the linear motion stage 63 via drivers 73 and 74, respectively, so that the rectangular measurement visual field 53a on the surface of the disk 53 partially overlaps. While continuously shifting, the area sensor 34 repeats imaging of the interference fringe pattern for each measurement visual field 53a. Further, the reference mirror 58 in the interference optical system 60 is provided so as to be tiltable, and the control unit 70 can be tilted to a desired angle via the reference mirror driving unit 75.
[0038]
The memory 81 continuously accumulates the interference fringe pattern images acquired by the area sensor 61, and the data accumulated here can be read by the height calculation means 82 and the control unit 70. The control unit 70 reads data directly from the memory 81 when adjusting the fringe interval and the like, displays the interference fringe pattern image on the output means 76, and adjusts the tilt angle of the reference mirror 58 based on the interference fringe pattern image. It is like that. The tilt angle of the reference mirror 58 can be adjusted automatically or manually.
[0039]
The height calculation means 82 extracts the phase from each interference fringe pattern image obtained by the area sensor 61 and calculates the height of the coordinate point in each measurement visual field 53 a on the surface of the disk 53. To calculate the height from the interference fringe image of the rotating disk as in this embodiment, it is difficult to apply a method that requires a plurality of interference images at the same location, such as the phase shift method, even in the high-precision interference method. .
[0040]
Among the high-accuracy interferometry methods, there is a spatial carrier method as a method capable of detecting a high-precision height from one spatially modulated interference fringe image (carrier fringe image). This is applicable to the present invention. Since the spatial carrier method can use a white light source as a light source and a CCD as an imaging system (area sensor), an inexpensive optical system can be constructed.
[0041]
Here, the spatial carrier method will be described using the Michelson interference optical system of FIG. In this configuration, the light emitted from the light source 51 is converted into parallel light by the lens 92, enters the beam splitter 93, one branched light enters the target 94, and the other branched light enters the reference mirror 95. The reflected light from the object 94 and the reference mirror 95 is synthesized by the beam splitter 93 and imaged on the camera 97 by the lens 96.
[0042]
If the optical path difference between the object 94 side and the reference mirror 95 side is ΔL (x, y), the height of the object is d (x, y), the phase difference is φ (x, y), and the wavelength of the irradiation light is λ, The interference draft intensity g (x, y) observed by the camera 97 can be expressed by the following equation.
[0043]
g (x, y) = a (x, y) + b (x, y) cos (φ (x, y)) (1)
φ (x, y) = 2πΔL (x, y) / λ (2)
d (x, y) = ΔL (x, y) / 2 (3)
Here, a (x, y) and b (x, y) are the background intensity and the brightness amplitude of the interference manuscript, respectively. In the conventional interferometry, the phase φ (x, y) indicating the height information of the object is obtained from the contrast of the interference image. However, when the optical path difference ΔL (x, y) is less than the wavelength, it is difficult to distinguish a (x, y), b (x, y) and φ (x, y), so height measurement using an interference image is performed. Is impossible.
[0044]
On the other hand, in the high-precision interferometry, the phase φ (x, y) can be measured with an accuracy below the wavelength by introducing the carrier component δ into the phase term of the interference draft. In this case, the interference manuscript strength g (x, y) is expressed by the following equation.
[0045]
g (x, y) = a (x, y) + b (x, y) cos (φ (x, y) + δ) (4)
A method of introducing a spatially varying δ in the equation (4) is called a spatial carrier method. A phase shift method is well known as a high-precision interferometry method together with the spatial carrier method. In the case of the phase shift method, a plurality of interference images picked up by changing δ in equation (4) with time are used. Therefore, this phase shift method is not suitable for performing dynamic measurement while rotating the disk. On the other hand, the spatial carrier method is suitable for the present invention because the phase can be detected from one carrier image.
[0046]
To obtain the actual phase-modulated carrier image, the reference mirror is moved to θ as shown in FIG. ₀ Just tilt it. For example, the spatial frequency f in the x direction ₀ When the carrier component is added, equation (4) becomes as follows.
[0047]
g (x, y) = a (x, y) + b (x, y) cos (φ (x, y) + 2πf ₀ x) (5)
Methods for obtaining the phase φ (x, y) from the interfering draft image in which carriers are spatially introduced include a Fourier transform method, a QMM (Quadrature multiplicative moire) algorithm, a phase shift electronic moire method, and the like. In microwaviness measurement, since the frequency band of the phase φ (x, y) to be measured is wide, it is convenient to use a Fourier transform method that can relatively easily separate frequency components described later. However, it is also possible to use a QMM algorithm or other phase detection methods. The Fourier transform method will be described below.
[0048]
In the Fourier transform method, an interference image containing a carrier draft is Fourier transformed, and the phase φ (x, y) is separated and detected in a frequency space. When the equation (4) is Fourier transformed in the x direction,
G (f) = A (f) + C (f−f ₀ ) + C * (-(f + f ₀ )) ... (6)
It becomes. Here, A (f) is a Fourier spectrum of a (x, y). C (f) is
C (x, y) = b (x, y) exp [φ (x, y)] / 2 (7)
Is the Fourier spectrum. FIG. 6 is a diagram showing the spectrum component of the equation (6) in the frequency space. In the Fourier transform method, phase detection is performed by the following procedure.
[0049]
1) C (f−f) in FIG. ₀ ) Other spectral components are removed (FIG. 6B).
2) C (f−f ₀ ) F ₀ And move to the origin (Fig. 6 (c)).
3) Inverse transformation is performed to obtain c (x, y) in equation (6).
[0050]
4) Obtain φ (x, y) from the real part Re [c (x, y)] and imaginary part Im [c (x, y)] of c (x, y).
φ (x, y) = tan [Im [c (x, y)] / Re [c (x, y)]] (8)
Here, the frequency component of a (x, y) and φ (x, y) is separated in step 1), the component of a (x, y) is removed, and the ratio of step 4) is calculated. , The component of b (x, y) applied to the equation (6) is removed.
[0051]
If φ (x, y) is obtained by the above procedure, the height change b (x, y) of the target (disk) 94 from the equations (2) and (3) is expressed by the following equation:
d (x, y) = λφ (x, y) / 4π (9)
Can be obtained.
[0052]
The calibration data calculation means 83 has the same configuration as the calibration data calculation means 37, determines a plurality of measurement fields for calibration data calculation, and uses the height calculation means 82 in the plurality of measurement fields 53a. An average value of the obtained height data between the plurality of measurement visual fields 53a is obtained, and this average value is used as calibration data. The calibration height calculation means 84 subtracts the calibration data obtained by the calibration data calculation means 83 from the height data obtained by the height calculation means 82 to obtain height data after calibration.
[0053]
Here, in this embodiment, the rectangular measurement visual field 53a on the surface of the disk 53 is continuously shifted in the circumferential direction so that a part of the measurement visual field 53a is overlapped. The pattern is repeatedly imaged. For this reason, as shown in FIG. 7, the height data (shape image) output from the calibration height calculation unit 84 partially overlaps adjacent images. In order to obtain the shape image of the entire surface of the disk 53, it is necessary to eliminate the overlapping of the data in the overlapping portion.
[0054]
The image combining unit 85 of this embodiment also has this function. The image combining means 85 calculates the difference value between the height data adjacent to each other in the circumferential direction of the disk 53 for the height data in each measurement visual field 53a, and connects the difference data in the circumferential direction. A series of continuous difference data is created and output as surface shape image data.
[0055]
Therefore, in the image combining means 85, the difference data of the non-overlapping portion with the adjacent measurement visual field is directly adopted as a part of the series of height data, and the difference data of the overlapping portion with the adjacent measurement visual field is any measurement visual field. The difference data is selected so as to eliminate duplication of measurement fields of view, and is adopted as a part of a series of height data.
[0056]
FIG. 8 is a diagram for explaining the combining operation of the image combining means 85. FIG. 8A shows an overlapping state of adjacent images 1 and 2, and FIG. 8B shows an enlarged view of the vicinity where two images overlap in FIG. 8A. Each square in the figure represents a pixel of image 1 and image 2. FIG. 8C shows one pixel row surrounded by the dotted line in FIG. 8B and arranged so as to correspond to the position in the circumferential direction (Y direction) of the disk. The height measurement value of each pixel is obtained by adding the true height H (x, y) of the disc and the vibration component δ (t) added to the optical system at the imaging time t.
[0057]
In order to simplify the explanation, FIG. 8 and the following explanation consider the pixel position x in the radial direction of the disk 53 as being fixed, and the height of the disk at that time is denoted as H (y). Further, δ (t) is obtained by integrating the vibration component displacement during the imaging time, and is simply expressed as a function of the imaging time t. Under the above promise, the measured values for the pixel positions of the image 1 and the image 2 are shown in FIG. 8C, and the difference value of the height data between the adjacent pixels (the difference in the output of the calibration height calculation means 84). Value) is shown next to the height data.
[0058]
As is clear from FIG. 8C, the vibration component δ (t) is canceled by taking the difference between adjacent pixels in the circumferential direction. The image combining process is performed by selectively copying the difference value from the image 1 and the image 2 to a new combined image (data) area. For example, in the example of FIG. 8C, each portion surrounded by a dotted square among the difference values between the image 1 and the image 2 is adopted as the height data of the combined image (shown on the right side of FIG. 8C). This is an example of creating a new combined image. In this case, the difference value of the image 1 is copied for the overlapping portion, and the difference value of each image is copied for the non-overlapping portion.
[0059]
The newly obtained height difference image can be used as height data indicating the surface shape as it is, but is converted into a height image based on an arbitrary pixel by performing an addition process between pixels. You can also. For example, if the level of the uppermost pixel in the combined image of FIG. 8C is added from H (1) -H (2) to the pixel level H (4) -H (5) in the fourth stage, H A pixel level H (1) -H (5) in the fourth stage based on (1) is obtained.
[0060]
FIG. 9 is a diagram for explaining a method of selecting pixels (difference values) to be applied to a combined image in image combining. FIG. 9A shows a case where the aspect ratio of the imaging field is small, and FIG. 9B shows a case where the aspect ratio of the imaging field is large. In the case of FIG. 9A, since the angular difference between adjacent images is large, it is necessary to switch the image to which the difference value is copied before and after the branch pixel B having the highest degree of overlap among the overlapping portions of the image 1 and the image 2. is there. Specifically, the difference value of the image 1 is used in the area L1 closer to the image 1 than the branch pixel B, and the difference value of the image 2 is used in the area L2 closer to the image 2 than the branch pixel B. Therefore, when the area sensor 61 having a low aspect ratio is used, it is necessary to include means for calculating the branch pixel position in advance from the set overlapping amount of the measurement visual field, the visual field size, and the imaging radius position.
[0061]
On the other hand, in the case of the imaging field of view (b) with a high aspect ratio, since the angle difference between adjacent images is small, it can be considered that all pixels of the overlapping portion are approximately completely overlapped. It can be used as the pixel B. In this overlapping portion, either the difference value between the image 1 and the image 2 may be used. That is, if the area sensor 61 having a low aspect ratio is used, it is possible to omit troublesome calculation of branch pixels as in the case of FIG. In the present embodiment, the image combination is simplified by regarding the same column in the radial direction (X direction) of the images as the same radius of the disk. In the case of a low-aspect-ratio measurement visual field, it is necessary to have a process for precisely calculating the pixel position having the same radius, since an error becomes large if all the same columns are considered to have the same radius. If the area sensor 61 having a low aspect ratio is used, the calculation can be easily performed because the pixels in the same column can be almost regarded as the same radial position as in this example. If a commercially available partial scan CCD camera (partial pixel readout camera) is used as a means for obtaining a low aspect ratio measurement visual field, the above low aspect ratio image can be easily obtained at low cost.
[0062]
FIG. 10 is a diagram illustrating processing for a combined image (a height difference image or a height conversion image). In this embodiment, as can be seen from FIG. 10 (a), the image is overlapped with the measurement field of view while rotating the disk 53, so the amount of overlap differs between the left and right images (FIG. 11). Therefore, when data is simply copied from the divided image to the combined image, the image looks distorted as shown in FIG. This affects the visibility of the height image (data) after measurement. In this case, the resolution on the inner circumference side of the disk 53 can be made coarse, the image can be resampled, and the data format having good visibility as shown in FIG. 10C can be restored (interpolation process).
[0063]
FIG. 11 is a diagram showing a method of determining the disk rotation speed so that adjacent images overlap by a predetermined amount. The distance from the rotation center to the measurement position is R (mm), the measurement field size in the circumferential direction is Yf (mm), the overlap amount in the center of the measurement field in the radial direction is Yo (mm), and the frame frequency of the area sensor 61 is Ff (fps)
The rotational speed Ns (rpm) of the disk 53 is
Ns = Ff × θ × 60/2 × π
It can be calculated by However,
θ = sin ^-1 {(Yf-Yo) / R}
It is.
[0064]
The image combining means 85 combines the shape images (data) in the respective measurement visual fields 53 a and outputs them to the control unit 70.
A series of surface measurement operations in the present embodiment is performed by the control unit 70 as follows. First, the disk to be measured 53 is placed on the rotary stage 62 with a disk handler (not shown). In response to the installation completion signal, the control unit 70 moves the disk 53 to a predetermined position for adjustment and prepares for measurement. First, the fringe spacing and the like are adjusted so as to obtain the interference fringes most convenient for measurement. Specifically, the inclination angle of the reference mirror 58 is adjusted via the reference mirror driving unit 75 so that the interference fringe pattern image obtained by the imaging becomes as shown in FIG.
[0065]
The interference fringes may be adjusted by moving the disk 53 with the rotary stage 62 or the linear motion stage 63 to obtain the interference fringes most convenient for measurement. Note that the linear motion stage 63 moves the rotary stage 62 in FIG. 3, but it may be configured to move the optical system.
[0066]
When this adjustment is completed, the control unit 70 moves the disk 53 to a predetermined position for measurement, moves to an imaging operation, starts imaging an interference fringe pattern in the first measurement visual field, and accumulates acquired data in the memory 81. To do.
[0067]
In this case, the calibration data is created using the height data of the measurement visual field imaged for surface measurement, and the N measurement visual fields that are continuously located on the same radius are continuously imaged. This will be described by way of example (of course, the present invention is not limited to such a measurement procedure).
[0068]
When the continuous imaging of N measurement visual fields that are continuously located on the same radius is completed and the acquired data is accumulated in the memory 81, the interference fringe pattern image data in the memory 81 is the height calculation means 82. To be converted into height data. Further, the height data calculated by the height calculating means 82 is output to the calibration data calculating means 83, where the calibration data is created by averaging the height data as described above.
[0069]
In the present embodiment, calibration data is calculated using all N height data groups (measurement visual fields). The height data calculated by the height calculator 82 and the calibration data calculated by the calibration data calculator 83 are output to the calibration height calculator 84, where the calibrated height data is calculated. And output to the image combining means 85.
[0070]
The image combining unit 85 performs the above-described image combination and sends combined image data to the control unit 70. The control unit 70 displays the combined image data on the output unit 76 or stores it in a storage device (not shown). Thereafter, continuous imaging for the next N measurement visual fields is started, and the same combined processing is executed to acquire the next combined image data. Then, when imaging at one radial position is completed, the measurement proceeds to the next radial position, and the same measurement is performed to obtain combined image data at that radial position. When the measurement at all the radial positions is finished, the measurement operation is finished, and the measurement result on the entire surface of the disk 53 is displayed on the output means 76.
[0071]
In the case where the storage capacity of the memory 81 is large or a configuration in which a plurality of memories 81 are switched and used, continuous imaging can be continued across a plurality of radial positions. In such a case, the measurement visual field may be moved spirally by appropriately moving the rotary stage 62 and the linear motion stage 63. The controller 70 repeats the above operation when the disk is replaced and the next disk is prepared.
[0072]
The calculation method of calibration data may be performed using the measurement field height data imaged for surface measurement (this is the most efficient), but only for the purpose of creating calibration data. The height data obtained in this way may be used. In this way, calibration data can be created using desired height data.
[0073]
If data imaged at equal intervals at the time of image capturing is used as they are for the creation of calibration data, periodic noise components (vibration components) may be incorporated into the calibration data. In order to avoid this, as shown in FIG. 12A, calibration data may be obtained using image data of a measurement visual field that is not equally spaced and used for calibration.
[0074]
Alternatively, in order to avoid the possibility that a specific component in a certain circumferential direction or radial direction is woven into the calibration data, a separate image is taken only for the creation of the calibration data, and the measurement field of view is recorded on the disk during this imaging. While moving not only in the circumferential direction but also in the radial direction (for example, moving in a spiral manner) above, an imaging instruction signal (trigger) to the area sensor 61 is generated at a desired timing, so that FIG. A measurement visual field as shown may be selected to obtain calibration data. For detecting that the measurement visual field has reached a desired position, a means for generating a signal indicating that the measurement position is at the origin position is provided on the rotary stage 63 or the like, and a pulse motor or the like is used as a drive source for the rotary stage 63. If used, it can be done easily.
[0075]
Further, as shown in FIG. 12C, image data (for example, measurement visual fields A, B, C, and D indicating the peak of height) is used for calibration among the height data. If the data is calculated, the calibration data can be accurately generated without being affected by the degree of change in the height gradient of the measurement visual field to be calculated.
[0076]
In addition, when obtaining the calibration data, if the same measurement field of view is imaged multiple times and the obtained height data is averaged as the height data used when creating the calibration data, calibration is performed. The accuracy of the data can be further improved.
[0077]
Furthermore, when calculating the height, it is possible to improve the accuracy of the calibration data by calculating the calibration data by excluding the height data of the area that showed abnormal values due to scratches, dust and errors during the calculation. it can.
[0078]
According to the above embodiment, by using the disk 53 itself for the creation of calibration data, a calibration master such as a reference plane plate is not required, and calibration can be performed very easily. Moreover, even if the inclination angle of the reference mirror 58 is changed in order to adjust the interval and direction of the fringes, calibration data at that inclination angle can be easily obtained by data processing alone. It is not necessary to move the entire optical system or the entire stage after obtaining the above, and the apparatus scale can be reduced.
[0079]
In addition, although the interference optical system in the said form example is comprised using the half mirror, you may comprise using a beam splitter as shown in FIG. In addition, the measurement target of the surface measuring apparatus according to the present invention is not limited to the magnetic disk, and may be any disk-like object.
[0080]
Representative embodiments of the present invention are shown below as additional notes.
(Additional remark 1) The interference optical system which makes the reflected light from a reference mirror interfere with the reflected light from the measurement visual field on the disk surface, and produces an interference fringe pattern,
An area sensor for imaging the interference fringe pattern;
Moving means for changing the relative position of the area sensor and the disk;
Imaging control means for causing the area sensor to repeat imaging of the interference fringe pattern for each measurement visual field while continuously shifting the measurement visual field on the disk surface by the moving means;
A height calculating means for extracting the phase from each interference fringe pattern image obtained by the area sensor and calculating the height of coordinate points in each measurement visual field on the disk surface;
A calibration data calculation means for obtaining an average value between a plurality of measurement visual fields of the height data in a plurality of measurement visual fields obtained by the height calculation means, and using the average value as calibration data;
Calibration height calculation means for calibrating the height data obtained by the height calculation means with the calibration data obtained by the calibration data calculation means, and obtaining height data after calibration;
Surface measuring device with
[0081]
(Additional remark 2) The said imaging control means changes each measurement visual field, shifting the measurement visual field on the disk surface continuously so that the part may overlap by changing the relative position of the said area sensor and a disk. The surface measurement apparatus according to appendix 1, wherein the area sensor is configured to repeat imaging of the interference fringe pattern.
[0082]
(Supplementary Note 3) The moving means can rotate the disk and move the disk in the radial direction.
The imaging control means controls the moving means and the area sensor so that the area sensor can continuously take images while overlapping the rectangular measurement visual fields arranged in the circumferential direction. The surface measurement apparatus according to appendix 1 or 2.
[0083]
(Additional remark 4) The surface measurement apparatus in any one of Additional remarks 1-3 characterized by producing the data for calibration using the height data of the measurement visual field imaged for surface measurement.
(Supplementary note 5) Any one of Supplementary notes 1 to 3, wherein the measurement visual field is imaged only for the creation of calibration data, and the calibration data is created using the height data obtained thereby. The surface measuring device described.
[0084]
(Supplementary note 6) Any one of Supplementary note 5 characterized in that the same measurement visual field is imaged a plurality of times, and the obtained height data is averaged to be used as height data when creating calibration data. The surface measuring device according to crab.
[0085]
(Supplementary note 7) The surface measurement apparatus according to supplementary note 4 or 5, wherein the calibration data is obtained from height data in a plurality of measurement visual fields arranged irregularly in a circumferential direction of the disk.
[0086]
(Supplementary Note 8) For the height data in each measurement field of view, a difference value between the height data adjacent to each other in the circumferential direction of the disk is calculated, and the series of continuous data in the circumferential direction by connecting the difference data. An image combining means for creating difference data and outputting it as surface shape image data is provided,
In the image combining means, the difference data of the non-overlapping portion with the adjacent measurement visual field is directly adopted as a part of the series of height data, and the difference data of the overlapping portion with the adjacent measurement visual field is used for any measurement visual field. The surface measurement apparatus according to appendix 2, wherein the difference data is selected so as to eliminate duplication of measurement visual fields and is adopted as a part of the series of height data.
[0087]
(Supplementary note 9) The surface measurement apparatus according to any one of supplementary notes 1 to 8, wherein the height calculation means obtains height data by a spatial carrier method.
(Additional remark 10) The image which has a means to calculate the branch pixel with the highest duplication degree among the pixels of the overlap part when selecting the difference data in the overlap part, and adopts the difference data before and after the branch pixel with the high duplication degree 10. The surface measuring device according to appendix 8 or 9, characterized in that:
[0088]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, a calibration prototype such as a reference plane plate is not required, calibration can be performed very easily, and precise measurement can be performed on a small apparatus scale.
[0089]
According to the second aspect of the present invention, since a wide range of height data on the disk surface is precisely obtained, even a long period of minute waviness can be precisely measured.
According to the third aspect of the present invention, the measurement visual field moves in the circumferential direction, and it is possible to accurately measure a long period and a short period of minute waviness in the circumferential direction in a short time.
[0090]
According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to prevent a periodic noise component from being woven into the calibration data.
According to the fifth aspect of the invention, a wide range of height data on the disk surface can be obtained easily and precisely.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle diagram of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the creation of calibration data.
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a Michelson interference optical system.
FIG. 5 is a diagram showing another state of FIG. 4;
FIG. 6 is an explanatory diagram of a spatial carrier method.
FIG. 7 is a diagram illustrating overlapping of images.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a combining operation in an image combining unit.
FIG. 9 is a diagram illustrating a method for selecting a difference value.
FIG. 10 is a diagram illustrating processing for a combined image.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a method for determining a disk rotation speed.
FIG. 12 is a diagram showing how to select a measurement visual field.
FIG. 13 is a configuration diagram of the first prior art.
FIG. 14 is a configuration diagram of a second prior art.
FIG. 15 is a configuration diagram of a third prior art.
FIG. 16 is a diagram showing a specific example of a surface measuring apparatus using an interference optical system.
FIG. 17 is a diagram for explaining adjustment and the like in the apparatus of FIG.
FIG. 18 is an explanatory diagram of an error caused by a reference mirror.
FIG. 19 is an explanatory diagram of calibration data acquisition using a reference flat plate.
FIG. 20 is an explanatory diagram of a calibration operation.
[Explanation of symbols]
31 Reference mirror
32 discs
32a Measurement field of view
33 Interferometric optics
34 Area sensor
35 Imaging control means
36 Height calculation means
37 Calibration data calculation means
38 Height calculation means for calibration
39 Moving means
51 White light source
52 Interference filter
53 discs
53a Measurement field of view
54 half mirror
55 Objective lens
56 half mirror
58 Reference Mirror
59 Imaging lens
60 Interferometric optics
61 Area sensor
62 Rotating stage
63 linear motion stage
70 Control unit
71 Imaging control means
75 Reference mirror drive
76 Output means
81 memory
82 Height calculation means
83 Calibration data calculation means
84 Calibration height calculation means
85 Image combining means

Claims

An interference optical system that causes interference fringe patterns by causing interference between reflected light from the reference mirror and reflected light from the measurement field on the disk surface;
An area sensor for imaging the interference fringe pattern;
Moving means for changing the relative position of the area sensor and the disk;
Imaging control means for causing the area sensor to repeat imaging of the interference fringe pattern for each measurement visual field while continuously shifting the measurement visual field on the disk surface by the moving means;
A height calculating means for extracting the phase from each interference fringe pattern image obtained by the area sensor and calculating the height of coordinate points in each measurement visual field on the disk surface;
A calibration data calculation means for obtaining an average value between a plurality of measurement visual fields of the height data in a plurality of measurement visual fields obtained by the height calculation means, and using the average value as calibration data;
Calibration height calculation means for calibrating the height data obtained by the height calculation means with the calibration data obtained by the calibration data calculation means, and obtaining height data after calibration;
Surface measuring device with

The imaging control means changes the relative position between the area sensor and the disk, and continuously shifts the measurement visual field on the disk surface so that a part of the measurement visual field overlaps. The surface measuring apparatus according to claim 1, wherein imaging of the interference fringe pattern is repeated.

The moving means can rotate the disk and move the disk in the radial direction.
The imaging control means controls the moving means and the area sensor so that the area sensor can continuously take images while overlapping the rectangular measurement visual fields arranged in the circumferential direction. The surface measurement apparatus according to claim 1 or 2.

4. The surface measuring apparatus according to claim 3, wherein the calibration data is obtained from height data in a plurality of measurement visual fields that are irregularly arranged in a circumferential direction of the disk.

For the height data in each field of view, calculate the difference value between the height data adjacent to each other in the circumferential direction of the disc, and create a series of differential data that is connected in the circumferential direction by connecting the difference data. And image combining means for outputting this as surface shape image data,
In the image combining means, the difference data of the non-overlapping portion with the adjacent measurement visual field is directly adopted as a part of the series of height data, and the difference data of the overlapping portion with the adjacent measurement visual field is used for any measurement visual field. 3. The surface measuring apparatus according to claim 2, wherein difference data is selected so as to eliminate duplication of measurement visual fields and is adopted as a part of the series of height data.