JPH0255722B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般的な自由曲面のほか、非球面レ
ンズや非球面ミラー等の表面形状を高精度に非接
触で光学的に測定する２次元乃至３次元測定装置
に関するもので、レーザ光を対物レンズで被測定
物体面上に集光し、その反射光の周波数の被測定
物体面の移動によつて生ずるドプラーシフトを検
出して面形状を測定する光学測定装置に関するも
のである。

従来の技術 ２波長のレーザ光をそれぞれ測定光と参照光と
し、それぞれ異なる反射面から反射させ、再び、
それらの光を同一光検出器上に導びき、ビート周
波数を検出し、反射面の動きによつて生ずる反射
光の周波数のドプラーシフトの量から、反射面の
動き量を検出する装置は光ヘテロダイン法による
レーザ測長機として知られており、商品化されて
いる（例えばHP5526A）。これは、ダイナミツク
レンジが広く、最も精度の高い測長器として知ら
れている。これを３次元移動台に取付けた３次元
測定機が市販されている。このような従来装置で
は、移動台にコーナキユーブやミラーを取付け、
移動台の動きをレーザ測長機で測定している。被
測定物の形状を測定する為には、何らかの測定プ
ローブを具え、被測定物の面形状に沿つて、測定
プローブをほぼ一定圧力で接触するように移動台
を移動させ、移動台の移動量から、被測定物の位
置の３次元座標を測定している。

上述の３次元測定機は、測定プローブを介して
被測定物の３次元座標を測定する構成である為、
レーザ測長機自体がいくら高精度であつても、測
定プローブの精度、接触圧力の変化、機構的バツ
クラツシユ等で測定精度は落ちてしまう。数値的
には、レーザ測長機の測定精度は、±0.01μｍ程度
得られるが、測定プローブを介した３次元測定機
の測定精度は、せいぜい±0.2μｍ程度である。

そこで、測定プローブを介せず、直接レーザ光
を被測定物体面に照射し、この反射光から光ヘテ
ロダイン法によるレーザ測長法で表面形状を測定
しようとする装置として、本出願人による出願特
許、特願昭57−189761号に記載された装置があ
る。この装置は、測定光を対物レンズで被測定物
体面上に集光し、対物レンズと被測定物体面との
距離を一定に保つ為のフオーカスサーボ、被測定
面が傾いた場合でも入射光と反射光がほぼ同一光
路をとるように、対物レンズ又は、入射光の光路
を光軸に垂直な方向に動かす傾き補正サーボを備
えることによつて、測定プローブを介せず、直接
レーザ光を被測定物体面に照射し、この反射光か
ら光ヘテロダイン法によつて表面形状が測定でき
る。

又、本出願人による出願特許、特願昭58−
62444号には、測定光を対物レンズの開口一杯に
入射させ、被測定面から反射した測定光の一部を
分離し分離された光を凸レンズを介してハーフミ
ラーで分離し、集光点前後にピンホールを置き、
ピンホールを通過するそれぞれの光の強度の差か
らフオーカス誤差信号を検出する方法と、測定位
置のXY座標を光学的に測定する方法が記されて
いる。

発明が解決しようとする問題点 上述の特願昭57−189761の明細書に記載された
方法では、測定光の一部から非点収差法によつて
フオーカス誤差信号を得ている。この方式には、
以下のような問題点があつた。即ち、被測定面の
傾きが大きい場合でも測定可能とする為には、対
物レンズの入射瞳径に比べ、入射測定光の光束径
を十分小としなければならない。又、フオーカス
サーボは、測定光の反射光の一部を分離して非点
収差法で誤差信号を得ているが、被測定面の傾き
が大きい場合、反射光の一部が対物レンズの開口
によつて遮幣される為、フオーカス誤差信号を生
ずるという問題点がある。一方、入射測定光の光
束径を小さくした場合フオーカス誤差信号の検出
感度が下がるという問題点がある。なんとなれ
ば、フオーカス誤差信号の検出感度は、対物レン
ズの開口数（NA）の２乗に反比例するが、入射
測定光の光束径を小さくすれば、実質的NAが小
さくなる為である。以上のように、前述の明細書
に記載された方法では、測定光からフオーカス誤
差信号をとつている為、フオーカス感度を上げる
事と、傾きの大きい面を測定する事が相反する要
求となるという問題点があつた。

さらに、上述の特願昭58−62444号の記載され
た方式は、測定光を対物レンズの開口一杯に入射
させている為、フオーカス誤差信号の検出感度は
十分高いし、被測定面が傾いて反射測定光の一部
が対物レンズ開口によつて遮幣されてもフオーカ
ス誤差が生じない方法ではあるが、光ヘテロダイ
ン干渉させる測定光が、被測定面の傾きによつ
て、一部遮幣され、やはり測定困難となるという
問題点があつた。

問題点を解決する為の手段 本発明は、上記の問題点を解決する手段とし
て、フオーカス誤差信号を検出する光と測定光と
を分け、フオーカス信号検出光は、対物レンズの
開口一杯に入射させ、フオーカス感度を十分高く
すると共に、測定光は、光束径を細くし、上述の
傾き補正サーボによつて傾きの大きい面でも測定
できるようにしたものである。測定光は、波長
0.633nｍのHe−Neゼーマンレーザを使用する
が、フオーカス信号検出光は、波長0.82nｍの半
導体レーザを使用し、ダイクロイツクミラーによ
つて、これらの光の合成、分離を行なうことがで
きる。

作 用 本発明は、光ヘテロダイン干渉測長法によつ
て、被測定物体の表面形状を測定できるようにす
る為、上記の手段によつて、被測定面の傾きにか
かわらず、対物レンズと被測定位置との距離を一
定とすると共に、測定光の反射光は常に同じ方向
及び位置に戻るようにしたものであつて、被測定
物体のＺ方向厚さ成分を、レーザ光で直接測定で
き、極めて高精度の、面形状の光学測定装置が得
られるものである。

実施例 第１図において、ゼーマンレーザ１から出た、
周波数F₁の測定光とF₂の参照光は、ハーフミラ
ー３で、Ｘ座標とＺ座標を測定する光に分離され
る。Ｚ座標を測定する為の光については、偏光プ
リズム４で、測定光と参照光とに分離される。測
定光は、偏光プリズム４，５で反射し、λ／４波
長板６を通過し、ダイクロイツクミラー７を透過
し、対物レンズ８によつて被測定面９上に集光さ
れる。被測定面９は、移動テーブル２９によつて
Ｘ−Ｙ方向に移動するので、被測定物上の測定位
置のＺ座標の変位速度ｖによつて、反射光の周波
数は、Δだけドプラーシフトし、F₁＋Δとなる。
ここで、Δ＝2V／ＣF₁（Ｃ；光速度）である。この 反射測定光は、再びダイクロイツクミラー７を透
過し、λ／４波長板６でＰ偏波となり、Ｓ偏波は
全反射、Ｐ偏波は30％透過する偏光プリズム５で
分離され、この偏光プリズム５からの反射光は偏
光プリズム４を全透過し、光検出器１３上に照射
される。偏光プリズム５の透過光はレンズ１０を
通して、４分割光検出器１１上に照射される。光
検出器１１は、被測定面の傾きによつて生ずる光
分布のずれを検出し、傾き補正サーボの誤差信号
を出力し、第１図のＸ方向に、対物レンズ保持テ
ーブル４０を、駆動モータ２２によつて移動させ
る。

一方、周波数F₂の参照光は、偏光プリズム４
を全透過し、λ／４板２３を通過し、レンズ２４
によつて、ミラー２７上に集光される。ミラー２
７は移動テーブル２９上に、被測定物９と共に固
定された、平面度がλ／30（λ＝0.633nｍ）程度
の平面度の良いミラーである。ミラー２７からの
反射光は、同一光路を戻り、偏光プリズム４を全
反射し、光検出器１３上に照射される。光検出器
１３上では測定光と参照光の差のビート周波数を
検出し、この積分から、被測定面の厚さの測定を
行なう。

半導体レーザ２０から出た光は、偏光プリズム
１５、λ／４波長板１４を通過して、ダイクロイ
ツクミラー７を全反射し、対物レンズ８の開口一
杯に入射し、被測定面上の測定光の照射位置とほ
ぼ同一に集光される。この反射光は被測定面が傾
いていれば一部対物レンズ８の開口外に出るが、
一部は対物レンズの開口内に戻り、再びダイクロ
イツクミラー７を全反射し、偏光プリズム１５全
反射し、レンズ１７を通過し、ハーフミラー４１
で等分割され、焦点前と、焦点後に置かれたピン
ホール１８を通過し、光検出器１９上に照射され
る。被測長物と、対物レンズの距離の変化に応じ
て、２つのピンホール前後の集光位置がずれる
為、光検出器１９のそれぞれの出力の差からフオ
ーカス誤差信号が得られる。このフオーカス誤差
信号がゼロに近づくように、モータ２１によつ
て、対物レンズ保持テーブル４０をＺ方向に動か
し、常に測定光及び前記半導体レーザの光の集光
位置が被測定面９上にあるようにする。

上記のフオーカスサーボと傾き補正サーボによ
つて、被測定面の位置や傾きにかかわらず、測定
光が被測定面から反射し、入射光と同一位置、方
向に戻る様子を、第２図及び第３図に示す。第２
図は、被測定面が傾いていない場合、第３図は大
きく傾いた場合を示すが、いずれの場合でも、正
確なフオーカス誤差信号が得られると共に、測定
光の反射光の光路にも変化がないよう傾き補正サ
ーボが動作し、支障なく、参照光と干渉し、ビー
ト周波数を検出できる。

本実施例に使用した対物レンズは、NA＝0.6
で、平行光を一点に集光できる性能を有し、集光
点での波面収差は、RMS（Root Mean Square）
で0.04λ（λ＝0.633μｍ）であつた。従つて、測定
光は、対物レンズの中心部を透過しても、周辺部
を透過しても、集光点までの光路長は、0.04×
0.633＝0.025μｍ程度の差しかない。又、対物レ
ンズの周辺で収差があつた場合でも、被測定面が
傾いて、測定光が対物レンズの周辺を通過した場
合、フオーカス用半導体レーザの光も測定光の光
路と同様に対物レンズの周辺を通つた光が戻るの
で、収差によつて焦点位置がずれた場合、そのず
れた位置にフオーカスサーボがかかる為、収差の
影響はある程度補正される方向になる。測定位置
のＸ座標は、常に対物レンズ８の中心部となる
為、測定位置のＸ座標は、移動テーブル２９の移
動量と対物レンズ保持テーブルの移動量との差と
なる。そこで、それぞれの移動テーブルに固定さ
れたミラー３２，３３へ、それぞれ測定光F₁と
参照光F₂を照射させ、やはり光ヘテロダイン法
によつて、Ｘ座標を高精度に測定できる。

さらに、図では省略しているが、ゼーマンレー
ザの光をさらに分離し、移動台４０と２９の上に
それぞれミラーをつけ、Ｘ方向と同様の方法で、
測定位置のＹ座標も高精度に測定できる。

前述の記述では、フオーカスサーボの為、対物
レンズ保持テーブル４０をＺ方向に駆動してい
る。しかし、被測定物保持テーブル２９をＺ方向
に駆動してフオーカスサーボをかけることもでき
る。この場合、レンズ２４の焦点位置にミラー２
７を置いてあるので、ミラー２７がＺ方向に移動
すると、焦点ずれを起こすが、レンズ２４はｆ＝
160mmの長焦点レンズを使用したので、焦点深度
は±10mm程度はある。従つて±10mm程度は、被測
定物保持テーブル２９をＺ方向に移動させられ
る。

傾き補正サーボに関して、前述の方法では、対
物レンズ８をＺ軸に垂直な方向に動かしたが、対
物レンズに入射させる測定光の位置を、Ｚ軸に垂
直な方向に動かすことも可能である。

参照光を反射させるミラー２７は、前述のよう
に平面度の良いミラーであるので、移動台２９を
Ｚ軸に垂直な方向に動かした時、移動真直度が十
分でなくても、測定誤差とはならない。被測定面
の形状として、このミラーの面形状との差を測定
しているので、測定精度は、ミラーの面精度でき
まることになる。

以上のように本実施例の装置においては、Ｚ方
向のみならず、Ｘ−Ｙ座標もすべて、レーザ測定
法で測定しているので、全座標の測定精度±
0.05μｍ適度が達成可能である。

他の実施例として、被測定物の移動台として、
Ｘ−Ｙ方向ではなく、極座標即ち、Ｒ−Ｏ方向の
移動台とすることも可能である。

上述の実施例においては、被測定面が粗面であ
る場合は測定ができない。理由は容易にわかるよ
うに、測定光は被測定面上に直径2μｍ程度のス
ポツトで集光されているが、粗面の場合、反射光
は、被測定面をＺ軸に垂直な方向に移動させる
と、ミクロンオーダーの移動量で反射光の方向が
変化する為、参照光と干渉させられず、測定不能
となるからである。このような粗面の測定も、本
発明の装置においては、以下のように、可能とな
つている。

第４図は、粗面の形状測定に適した装置を示
す。上述実施例の装置と切替えて使用する装置
で、単にレンズ４２とミラー４３からなるキヤツ
ツアイをキヤツツアイ固定部４４を介して、対物
レンズ保持テーブル４０に取付けただけであつ
て、きわめて容易に脱着可能である。フオーカス
サーボは、粗面であつても、反射光が対物レンズ
８の開口内に戻りさえすれば、サーボがかかる。
従つて、対物レンズ保持テーブルと被測定面上の
測定点との距離は常に一定となる為、対物レンズ
保持テーブルに固定されたキヤツツアイから、反
射した測定光を参照光と干渉させて対物レンズ保
持テーブルのＺ方向の移動量を測定することが可
能となる。この場合、傾き補正サーボは働かせな
い。この方法は、被測定面に直接測定光を照射し
て測定するのではないので上述実施例の装置に比
べて測定精度は±0.2μｍと落ちるが、本発明の装
置はキヤツツアイを付加するだけで粗面も測定可
能となるということを説明した。

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、光ヘテ
ロダイン法により干渉測長法で、被測定物体面の
形状を直接測定できる構造を持ち、従来装置の技
術的に可能な機械精度の不足に起因する測定精度
の限界をほとんど打破し、干渉測長法の精度、即
ち、±0.1〜0.01μｍの精度で、種々の表面形状を
持つ面の形状を測定でき、いわゆる光学的粗面に
ついても、±0.2μｍの精度で測定でき、その工業
的利用価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学測定装置の光
学系の構成を示す図、第２図と第３図は被測定物
に照射される測定光とフオーカスサーボ光の振舞
いを示す要部拡大図、第４図は本発明の他の実施
例の光学系の構成を示す図である。 ２，２５，２６，２７，３０，３２，３３，３
４……ミラー、３，４１……ハーフミラー、４，
１５，３６……偏光ビームスプリツタ、５……特
殊偏光ビームスプリツタ、６，１４，２３，３１
……λ／４波長板、７……ダイクロツクミラー、
８……対物レンズ、９……被測定物、１１，１
３，１９，３８……光検出器、１２，３７……偏
光板、１８……ピンホール、２０……半導体レー
ザ、２１，２２，２８……モータ、２９……被測
定物固定テーブル、３５……コーナキユーブ、３
９……波長板、４０……対物レンズ保持テーブ
ル、４２……レンズ、４３……ミラー、４４……
キヤツツアイ固定部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 周波数F₁の測定光と周波数F₂の参照光を発
   生する第１の光放射手段と、前記測定光と参照光
   の光路を分離する第１の光分離手段と、前記測定
   光を被測定物体面上に集光させる為の対物レンズ
   であつて、その入射瞳部で前記測定光の光束径よ
   り大きい入射瞳径を持つ対物レンズと、前記被測
   定物体面上から反射し、再び前記対物レンズを通
   過した測定光と前記参照光を第１の光検出器上で
   干渉させるように配置された光学系と、前記第１
   の光検出器上に発生したビート信号の周波数の変
   動を検出し、前記被測定物体面の形状を測定可能
   とする為の信号処理手段と、前記対物レンズの光
   軸方向をＺ方向とした時、前記被測定物体、前記
   光源および対物レンズを含む光学系の位置をＺ方
   向に垂直な方向に相対的に移動可能とした第１の
   移動手段群と、前記対物レンズ又は前記被測定物
   体をＺ方向に移動させる第２の移動手段と、前記
   測定光と異なる波長の第２の光放射手段と、この
   第２の光放射手段からの放射光の光束径を前記対
   物レンズの入射瞳部で前記測定光の光束径より大
   きい放射光とする為のレンズと、前記放射光と前
   記測定光の光路を混合分離する為のダイクロイツ
   クミラーと、前記被測定物体面から反射された前
   記放射光からフオーカス誤差信号を検出する為の
   第２の光検出器群と、前記フオーカス誤差信号に
   応じて前記第２の移動手段を移動させ、前記被測
   定物体面と前記対物レンズとの距離を一定とする
   為のフオーカスサーボ手段と、前記被測定物体面
   から反射した前記測定光の一部を受光して前記被
   測定物体面の傾きによつて生ずる前記測定光の反
   射光の位置のずれを検出する第３の光検出器と、
   その第３の光検出器の出力から得られる誤差信号
   に応じて前記対物レンズ又は前記第１の光放射手
   段をＺ軸に垂直な方向に移動させる為の第３の移
   動手段と、この第３の移動手段によつて、前記被
   測定物体面の傾きによらず、前記測定光の反射光
   が同一方向、同一位置に戻らせることを可能とし
   た傾き補正サーボ手段とを備えた光学測定装置。