JPH0287005A

JPH0287005A - 光ヘテロダイン干渉表面形状測定装置

Info

Publication number: JPH0287005A
Application number: JP63239941A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Fujita; 一彦藤田; Yoshinori Bessho; 別所　芳則
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1990-03-27
Also published as: US4995726A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は表面形状測定装置に係り、詳しくは、周波数が
異なる２種類のレーザビームによる光ヘテロダイン干渉
を利用して表面形状を測定する装置に関するものである
。

従来の技術表面粗さなどの表面形状を測定する装置の一種に、レー
ザ光源から出力された計測ビームを、その計測ビームの
光軸に対して交差する方向へ相対移動させられる被測定
物の表面に対物レンズによって集光させるとともに、そ
の表面の凹凸形状に対応する凹凸情報を有するその計測
ビームの反射光と、その反射光とは周波数が異なる参照
ビームとを干渉させることによってその凹凸情報に対応
する計測ビート信号を取り出し、その計測ビート信号の
位相変化に基づいてその表面の凹凸形状を測定する光ヘ
テロダイン干渉を利用したものがある。そして、このよ
うな表面形状測定装置において上記対物レンズと被測定
物との位置関係は、般に、上記反射光と参照ビームとの
合成光を検出する光センサから最も強い出力信号が得ら
れるように調整されるようになっていた。

発明が解決しようとする課題しかしながら、かかる従来の光ヘテロダイン干渉表面形
状測定装置によって測定された測定値は、他の原理によ
って表面形状を測定する測定装置、例えば触針式の測定
装置によって測定された測定値と必ずしも一致しないと
いう問題があった。このことは、例えばｒｏ　ｐｌｕｓ
　Ｅｌ　　（１９８８年４月号二株式会社新技術］ミュ
ニケーションズ発行）にも指摘されているところである
。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その
目的とするところは、光ヘテロダイン干渉を利用した表
面形状測定装置の測定精度を向上させることにある。

課題を解決するための手段そして、かかる目的を達成するために種々の実験、研究
を重ねたところ、被測定物と対物レンズとの位置関係に
よって測定値が異なることを見出した。すなわち、本発
明者等の実験では、光センサに入射する際の計測ビーム
の反射光が収束光となる位置関係では測定値は太き目に
なり、発散光となる位置関係では測定値は小さ目になっ
てしまうのに対し、平行光となる位置関係ではｒｓｏ（
国際標準化機構）に規定された測定方法による値に近い
測定値が得られたのである。因に、従来の光ヘテロダイ
ン干渉表面形状測定装置は、光センサの出力信号が最も
大きくなるように対物レンズと被測定物との位置関係が
調整されるようになっていたため、上記計測ビームの反
射光は光センサ上で収束する収束光となり、測定値は小
さ目になるのである。

本発明は斯る知見に基づいて為されたもので、その要旨
とするところは、前記光ヘテロダイン干渉表面形状測定
装置において、（ａ）前記対物レンズと前記被測定物と
を前記計測ビームの光軸方向へ相対移動させる駆動装置
と、ら）前記対物レンズの焦点位置と前記被測定物の表
面とが略一致するように前記駆動装置を制御する制御装
置とを設けたことにある。

作用および発明の効果このような光へテロダイン干渉表面形状測定装置におい
ては、対物レンズと被測定物とを相対移動させる駆動装
置が制御装置によって制御されることにより、対物レン
ズの焦点位置に被測定物の表面が位置させられるように
なっているため、その被測定物の表面で反射され且つ対
物レンズを通過させられた計測ビームの反射光は平行光
となり、同じく平行光である参照ビームとの干渉により
被測定物表面の微細な凹凸形状が高い精度で測定され得
るようになるのである。

ここで、上記制御装置は、例えば、前記反射光と前記参
照ビームとの合成光の光軸に直角な平面内に設けられて
その合成光を検出する複数の光センサを備え、その複数
の光センサからそれぞれ出力される前記計測ビート信号
の位相差または振幅に基づいて、その反射光が平行光と
なるように前記駆動装置を制御するように構成される。

更に具体的には、複数の光センサから出力される計測ビ
ート信号の位相差が零の場合には、反射光は平行光であ
り、この時、被測定物の表面は対物レンズの焦点位置に
位置させられるのである。

また、−直線上に位置する３個以上の光センサのうち互
いに隣接する光センサから出力された計測ヒート信号の
位相差がそれぞれ等しい場合にも、反射光は平行光であ
る。これは、反射光と参照ビームとの光軸が僅かに傾斜
していたり、それ等の光軸に対して光センサが傾斜して
いたりする場合に生じることである。

一方、振幅に基づいて制御する場合は、計測ビ−ムや参
照ビームの光強度分布と合成光の光強度分布とが略一致
するようにすれば良い。なお、被測定物が対物レンズの
焦点位置から遠く離れていると、光センサに入射する際
の反射光が発散光であっても、合成光の光強度分布が計
測ビームや参照ビームの光強度分布と一致する場合が生
じ得るが、これは、予め対物レンズの焦点位置よりも手
前か近傍に被測定物の表面が位置するように両者の位置
関係を調整しておくことによって防止できる。

実施例以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、以下の各光学素子は、図示しない機枠に固定
されて相対移動不能に設けられている。

第１図において、Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザ等のレーザ光源
１０から出力された周波数がｆ。の直線偏光レーザ光り
は、戻り光がレーザ光源１０に入らないようにするアイ
ソレータ１２を通過したのち無偏光ビームスプリッタ（
以下、Ｎ　Ｐ　Ｂ　Ｓ　（Ｎｏｎ−Ｐｏｌａｒｉｚｉｎ
ｇ　Ｂｅａｍ　５ｐｌｉｔｔｅｒの略記）という）１４
に入射させられ、計測ビームＬ、と参照ビームＬ１とに
分割される。ＮＰＢＳ　１４を透過した計測ビームＬ、
は、更にＮＰＢＳ　１６によ・って２分され、そのＮＰ
ＢＳ　１６により反射されたものは、基準ビート光作成
用として反射ミラー１８により反射された後ＮＰＢＳ２
０に入射させられる一方、ＮＰＢＳ１６を透過した計測
ビームＬ、は、偏光ビームスプリッタ（以下、Ｐ　Ｂ　
Ｓ　（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　ＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅ
ｒの略記）という）２２に入射させられる。レーザ光源
１０から出力されたレーザ光りの偏波面ば、このＰＢＳ
２２の入射面と平行、すなわちＰ偏光であり、計測ビー
ムＬＭはそのＰＢＳ２２をそのまま透過させられる。

上記ＰＢＳ２２を透過した計測ビームＬＭは、１７４波
長板２４により円偏光に変換された後、対物レンズ２６
によって被測定物２８の表面３０の微小範囲に集光され
る。被測定物２８は、ピエゾ素子などの駆動源を備えた
光軸方向駆動装置３２上に載置され、上記計測ビームＬ
Ｍの光軸方向へ移動させられるようになっている。この
光軸方向駆動装置３２は、対物レンズ２６と被測定物２
８とを計測ビームＬＨの光軸方向へ相対移動させる駆動
装置に相当する。

また、上記光軸方向駆動装置３２は、モータ等の駆動源
３４によって上記計測ビームＬ、の光軸に対して直角な
Ｘ−Ｙ平面内を二次元方向へ移動させられる移動テーブ
ル３６上に配設されている。

そして、この移動テーブル３６により、上記光軸方向駆
動装置３２上に載置された被測定物２８がＸ−Ｙ平面に
沿って移動させられると、換言すれば計測ビームＬ、の
光軸に対して直角な方向へ移動させられると、計測ビー
ムＬＭはその表面３０の微小凹凸に対応するドツプラー
シフトΔｆを受ける。このため、その被測定物２８の表
面３０で反射された計測ビームＬ、の反射光ＲＬ、の周
波数はｆ。＋Δｆとなる。このドツプラーシフトΔｆが
凹凸形状に対応する凹凸情報に相当する。

上記反射光ＲＬイは、対物レンズ２６を経て再び１７４
波長板２４を通過させられることにより、往路に対して
偏波面が９０°回転した直線偏光すなわちＳ偏光とされ
、ＰＢＳ２２によって反射される。その後、反射光ＲＬ
、は１／２波長板３８により再びＰ偏光に変換され、Ｎ
ＰＢＳ４０に入射させられる。

一方、前記ＮＰＢＳ１４によって反射された参照ビーム
ＬＲは、光周波数シフタとしての一対の音響光学変調器
４２．４４によりそれぞれ十ｆｆ２の周波数シフトを受
け、その周波数がｆ。

＋ｆ、−ｆ２に変換される。そして、このような周波数
シフトを受けた参照ビームＬ、は、反射ミラー１８によ
って反射されたのちＮＰＢＳ４６によって２分され、そ
のＮＰＢＳ４６により反射されたものは、前記ＮＰＢＳ
２０により基準ビート光作成用の計測ビームＬ、と合波
され、基準ビート検知用の光センサ４８に入射させられ
る。また、ＮＰＢＳ４６を透過した参照ビームＬ、は、
前記ＮＰＢＳ４０により前記反射光ＲＬＭと合波され、
計測ビート検知用の多分割光センサ５０に入射させられ
る。この多分割光センサ５０は、第２図に示されている
ように、上記反射光ＲＬ、と参照ビームＬＲとの合成光
の光軸上に位置する光センサ５０ｃと、その光軸に直角
な平面内において光センサ５０ｃを中心とする一円周上
に９０°間隔で配置された４個の光センサ５０ａ　　５
０ｂ　　５０ｄ、および５０ｅとから構成されている。

上記基準ビート検知用光センサ４８においては、参照ビ
ームＬ、と基準ビート光作成用の計測ビームＬ、との干
渉による唸りが検知され、それ等の周波数の差すなわち
ｌ　　（ｒｏ　＋ｆｌ　　　ｆ２　）　　　ｔ。

−１ｆｌ　　　ｆ２１で表される基準ビート周波数ｆ、
の基準ビート信号ＳＲが出力される。前記音響光学変調
器４２．４４による周波数シフ）−１−ｆｆ２は、この
基準ビート周波数ｆ、が例えば１００ｋＨｚ程度となる
ように設定される。また、計測ビート検知用多分割光セ
ンサ５０の各光センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ
、および５゜ｅにおいては、参照ビームＬ、と反射光Ｒ
Ｌ、との干渉による唸りがそれぞれ検知され、それ等の
周波数の差すなわちｌ　　（ｒｏ　＋ｆ＋　−ｆ２　）
　−（ｆｏ＋Δｆ）ｌ＝ｌｒＲ−△ｆ１で表される計測
ビート周波数ｆ［ｌの計測ビート信号ＳＭａ、ＳＭｂ、
ＳＭｃ、ＳＭｄ、およびＳＭｅがそれぞれ出力される。

そして、かかる表面形状測定装置は、例えば第３図のブ
ロック線図に示されているような測定回路を備えており
、前記多分割光センサ５ｏの各光センサ５０ａ、５０ｂ
、５０ｃ、５０ｄ　　５０ｅからそれぞれ出力された計
測ビート信号ＳＭａ。

ＳＭｂ、ＳＭｃ、ＳＭｄ、およびＳＭｅは、増幅器５２
ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ　　５２ｅによってそれぞ
れ増幅された後、波形モニタ回路５４へ供給される。波
形モニタ回路５４は、例えば第４図に示されている回路
を含んで構成され、位相差計５６．５８により計測ビー
ト信号ＳＭｂとＳＭｃとの位相差Φｂｃ＋　計測ビート
信号ＳＭｃとＳＭｄとの位相差Φ、をそれぞれ検出する
とともに、それ等の偏差ΔΦを減算器６ｏにより算出す
る。

また、上記波形モニタ回路５４に供給された計測ビート
信号ＳＭｃは、前記基準ビート検出用光センサ４８から
出力された基準ビート信号ＳＲと共に、図示しない波形
整形回路によってそれぞれ矩形のパルス波形に整形され
た後、偏差カウンタ回路６２に供給される。この偏差カ
ウンタ回路６２は、図示しないタイミング信号発生回路
から供給されるタイミング信号に従って計測ビート信号
ＳＭｃのビート数ＣＩ、と基準ビート信号ＳＲのビート
数Ｃ，との偏差（ｃｏ　　ＣＢ）を計数し、その偏差（
ＣＤ　−ＣＢ　）はラッチ回路６４に一時記憶される。

また、上記パルス波形に整形された基準ビート信号ＳＲ
および計測ビート信号ＳＭｃは、水晶振動子６６から出
力される一定のクロック周波数ｆｃの基準パルス信号Ｋ
Ｓと共にＡＮＤ回路６８に供給される。基準ビート信号
ＳＲはＮＯＴ回路７０を経てＡＮＤ回路６８に供給され
るようになっており、ＡＮＤ回路６８を通過した基準パ
ルス信号ＫＳのパルス数Ｃ１がカウンタ回路７２によっ
て計数される。このパルス数ＣＩは、基準ビート信号Ｓ
Ｒと計測ビート信号ＳＭｃとの位相差に対応するもので
、ラッチ回路７４に一時記憶される。

上記基準パルス信号ＫＳのクロック周波数ｆ。は、例え
ば１００ＭＨｚ程度に設定される。

そして、上記波形モニタ回路５４によって算出された偏
差ΔΦ、波形モニタ回路５４に供給された計測ビート信
号Ｓ　Ｍ　ｃ　、およびランチ回路６４゜７４に一時記
憶された偏差（Ｃｏ　Ｃｎ　）、パルス数０１は、それ
ぞれデータバスライン７６を介してＣＰＵ７　Ｂに読み
込まれる。ＣＰＵ７８は、ＲＡＭ８０およびＲＯＭＢ２
と共にマイクロコンピュータを構成しており、ＲＡＭ８
０の一時記憶機能を利用しつつＲＯＭ８２に予め記憶さ
れたプログラムに従って信号処理を行い、第１駆動制御
回路８４により前記光軸方向駆動装置３２を作動させて
被測定物２８を計測ビームＬ、の光軸方向へ移動させる
とともに、第２駆動制御回路８６により前記駆動源３４
を作動させて移動テーブル３６をＸ−Ｙ方向へ移動させ
る。また、上記偏差（ＣＤＣＢ）およびパルス数０１に
基づいて被測定物２８の表面３０の凹凸形状を求め、そ
の結果をデイスプレィ８８に表示させる。なお、上記第
１駆動制御回路８４は、例えばピエゾ素子に対する印加
電圧を変化させるものである。

次に、本実施例の作動を第５図のフローチャートを参照
しつつ説明する。

先ず、図示しない測定スイッチがＯＮ操作されるとステ
ップＳ１の判断がＹＥＳとなり、ステップＳ２が実行さ
れる。ステップＳ２においては、波形モニタ回路５４か
ら計測ビート信号ＳＭｃを読み込みつつ、第１駆動制御
回路８４によって光軸方向駆動装置３２を作動させるこ
とにより、計測ビート信号ＳＭｃの振幅すなわち光セン
サ５０Ｃが受光する光強度が最大となる位置へ被測定物
２８を計測ビームＬ４の光軸方向へ移動させる。

これにより、被測定物２８は、表面３０で反射された反
射光ＲＬ、が光センサ５０ｃの受光面上に収束させられ
る位置、換言すれば、表面３０が対物レンズ２６の焦点
位置よりも少し遠くなる位置に位置させられる。

続いてステップＳ３が実行され、上記第１駆動制御回路
８４によって光軸方向駆動装置３２を作動させることに
より、被測定物２８を対物レンズ２６に接近する方向へ
移動させるとともに、ステップＳ４において波形モニタ
回路５４から偏差ΔΦを読め込み、その偏差ΔΦが略零
であるか否かが判断される。偏差ΔΦが零の場合とは、
計測ビート信号ＳＭｂとＳＭｃとの位相差Φｂｃと、計
測ビート信号ＳＭｃとＳＭｄとの位相差Φ、とが等しい
場合で、これは、反射光ＲＬＭが平行光であること、換
言すれば対物レンズ２６の焦点位置に被測定物２８の表
面３０が位置させられていることを意味する。

すなわち、被測定物２８の表面３０が対物レンズ２６の
焦点位置に位置させられていると、反射光ＲＬ　Ｍば第
６図に示されているように平行光の状態で多分割光セン
サ５０に入射させられるため、同じく平行光である参照
ビームＬ、との干渉によって得られる計測ビート信号Ｓ
Ｍａ、ＳＭｂ、ＳＭｃ、ＳＭｄ、およびＳＭｅはその位
相が互いに等しく、位相差は生じないのである。このた
め、上記位相差ΦｂＣ＋　　Φ。、は共に零となり、そ
れ等の偏差ΔΦも零となるのである。

また、第７図に示されているように参照ビームＬＲと反
射光ＲＬ　Ｍとの光軸が傾斜していたり、それ等の光軸
に対して多分割光センサ５０が傾斜していたりすると、
反射光ＲＬ、が平行光であっても参照ビームＬＲとの干
渉のタイミングがずれる。このため、前記計測ビート信
号ＳＭｂ、ＳＭＣ１およびＳＭｄの位相は第８図に示さ
れているように互いにずらされるが、光センサ５０ｂ、
５０ｃ、５０ｄは一直線上に位置させられているととも
に、光センサ５０ｂと５０ｃとの間の離間距離と、光セ
ンサ５０ｃと５０ｄとの間の離間距離とは互いに等しい
ため、それ等の位相差Φ、ＣおよびΦｃｄは互いに等し
くなるのである。

これに対し、被測定物２８の表面３０が対物レンズ２６
の焦点位置からずれていると、多分割光センサ５０に入
射する際の反射光ＲＬ、は、第９図、第１０図に示され
ているように収束光となるか、または第１１図、第１２
図に示されているように発散光となる。このような収束
光や発散光は、その波面が球面となるため、光軸上に位
置する光センサ５０ｃによって得られる計測ビート信号
ＳＭｃに対して、その周囲に位置する光センサ５０ａ、
５０ｂ、５０ｄ、５０ｅによって得られる計測ビー１〜
信号Ｓ　Ｍ　ａ、Ｓ　Ｍ　ｂ　、　Ｓ　Ｍ　ｄ　、　Ｓ
　Ｍ　ｅの位相はずれる。したがって、中央の光センサ
５０Ｃに対して対称的な位置に設けられた光センサ５ｏ
ｂ、ｓｏｄによって得られる計測ビート信号ＳＭｂ、Ｓ
Ｍｄの位相差は殆どなく、計測ビート信号ＳＭｂとＳＭ
ｃとの位相差Φ、Ｃと、計測ビート信号Ｓ　Ｍ　ｃとＳ
Ｍｄとの位相差Φ。、とは、その大きさは略同じになる
ものの士が逆となってしまうのである。なお、上記第９
図〜第１２図における一点鎖線Ｐ、は対物レンズ２６の
焦点位置を表している。また、第９図は反射光ＲＬイが
光センサ５０ｃの受光面上に収束させられる状態、換言
すれば前記ステップＳ２において計測ビート信号ＳＭｃ
の振幅が最大となる位置に被測定物２８が位置させられ
た状態である。

そして、上記ステップＳ３およびｓ４は偏差ΔΦが略零
となるまで繰り返され、偏差ΔΦが略零になるとステッ
プＳ５が実行される。かがるステップＳ５においては、
光軸方向駆動装置３２による被測定物２８の光軸方向の
移動が停止させられ、被測定物２８は、上記のようにそ
の表面３ｏが対物レンズ２６の焦点位置Ｐ、と略一致す
る位置に位置決めされる。これば、例えばピエゾ素子に
対する印加電圧を一定値にロックすることによって行わ
れる。本実施例では、ＣＰＵ７８　　ＲＡＭ８０、ＲＯ
Ｍ８２によって行われる一連の信号処理ロジックのうち
上記ステップ８２〜ｓ５を実行する部分が、対物レンズ
２６の焦点位置Ｐ、と被測定物２８の表面３０とが略一
致するように光軸方向駆動装置３２を制御する制御装置
に相当し、これ等のステップを実行するために必要な多
分割光センサ５０．波形モニタ回路５４．および第１駆
動制御回路８４等を含んで構成されている。

続いて、ステップＳ６が実行され、前記第２駆動制御回
路８６により前記駆動源３４を作動させテ移動テーブル
３６をＸ−Ｙ方向へ移動させるとともに、ラッチ回路６
４．７４がら偏差（ＣＤＣＥ）、パルス数Ｃ１を読み込
んで表面３ｏの凹凸形状を測定する。すなわち、表面３
ｏの変位量をΔＺとすると、前記ドツプラーシフトΔｆ
はドツプラーの公式から次式（１）で表される一方、ド
ツプラーシフト八ｆは（ｆＤ−ｆＩ＋）で表されるとこ
ろから、上記偏差（ＣＤ　　ＣＢ）に基づいて変位量Ｚ
１が次式（２）に従って算出される。かがる（２）式は
計測ビート信号ＳＭｃのビート周波数ｆ、の変化、すな
わちドツプラーシフトΔｆに基づいて変位量Ｚ、を算出
するものであるが、このビート周波数ｆ、の変化は単位
時間当りにおける１位相２πをオーダーとする計測ビー
ト信号ＳＭｃの位相変化に対応するもので、変位量ＺＩ
はλ／２のオーダーで求められる。また、λ／２よりも
小さい部分の変位量Ｚ２については、光ヘテロダイン干
渉の計算式より上記パルス数０１に基づいて次式（３）
に従って算出される。基準ビート周波数ｆＢ。

クロック周波数ｆ。をそれぞれ１００ｋＨｚ、１００Ｍ
Ｈｚとすると、かかる変位量Ｚ２はλ／２０００のオー
ダーで算出されることとなる。なお、（１）式の■２は
移動テーブル３６の移動に伴う表面３０の凹凸の上下方
向、すなわち計測ビームＬ。

の光軸方向における変位速度で、（１）〜（３）式のλ
はそれぞれ計測ビームＬＭの波長である。

λ −（ｃｎ−ｃ、）　　　　　　・　・　・（２）そして
、上記変位量Ｚ、と７２とを加算することにより、移動
テーブル３６の移動に伴う被測定物２８の表面３０の変
位量が算出され、これが予め定められた一定時間毎に繰
り返されることにより表面３０の凹凸形状が測定されて
デイスプレィ８８に表示される。

これにより、本実施例の一連の作動は終了するが、かか
る本実施例の光ヘテロダイン干渉表面形状測定装置にお
いては、表面形状測定に先立って対物レンズ２６の焦点
位置Ｐ、に被測定物２８の表面３０が位置させられ、反
射光ＲＬ、が平行光の状態で多分割光センサ５０に入射
させられるようになっているため、同じく平行光である
参照ビームＬＲとの干渉により被測定物表面３０の微細
な凹凸形状が高い精度で測定され得るのである。

因に、本発明者等の実験では、かかる本実施例の測定装
置によって得られた測定値は、ｌ５Ｏ（国際標準化機構
）に規定された測定方法による測定値に近い値であった
のに対し、前記第９図〜第１２図に示されているように
反射光ＲＬイが収束光または発散光である場合には、測
定値が小さくなったり大きくなったりしたのである。例
えば、前記デイスプレィ８８に表示された凹凸形状の山
と谷との間の走査線数でそれ等の違いを比較すると、前
記第６図のように平行光の場合には走査線数は５７であ
るのに対し、第９図、第１０図のように収束光の場合に
は走査線数はそれぞれ５２゜５４と少なく、第１１図、
第１２図のように発散光の場合には走査線数はそれぞれ
６０．６２と多くなるのである。これは、収束光や発散
光の場合には球面波となるため、その波面収差の影響に
よって前記計測ビート周波数ｆ、に誤差が生じるためと
考えられる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実
施例において前記第１実施例と実質的に共通する部分に
は同一の符号を付して説明を省略する。

第１３図の回路は、前記第４図に示されている回路の替
わりに前記波形モニタ回路５４に備えられるもので、振
幅測定回路９０．９２により計測ビート信号ＳＭｂ、Ｓ
Ｍｃの振幅、すなわち光強度Ｔ、、Ｉｃがそれぞれ測定
されるとともに、それ等の光強度１ｂ、１ｃを表す信号
はＡ／Ｄコンバータ９４．９６によってそれぞれデジタ
ル変換された後除算回路９８に供給され、光強度比ＩＣ
／ｒｂが算出される。

そして、この実施例においては、第１４図のフローチャ
ートに示されているように前記ステップＳ４の替わりに
ステップＳ７が実行され、波形モニタ回路５４から上記
光強度比Ｌ　／１．を読み込むとともに、その光強度比
Ｉｃ／■１が予め定められた一定値ａと略一致するか否
かが判断される。この一定値ａは、レーザ光源１０から
出射されるレーザ光りの、光軸に垂直な平面内における
光強度分布、本実施例ではガウス分布と光センサ５０ｂ
、５０ｃの位置関係とに基づいて、反射光ＲＬＭと参照
ビームＬＨとの合成光の光強度分布がガウス分布と略一
致する場合の上記光強度比ＩＣ／ｌｂの値に定められて
いる。

ここで、反射光ＲＬ、と参照ビームＬＲの合成光の光強
度分布がガウス分布と略一致する場合とは、反射光ＲＬ
、がレーザ光源１０から出射されるレーザ光と同じ平行
光であること、換言すれば対物レンズ２６の焦点位置に
被測定物２８の表面３０が位置させられていることを意
味する。したがって、この場合にも光強度比■ｃ／Ｉｂ
が一定値ａと略一致させられることにより、対物レンズ
２６の焦点位置Ｐ、と被測定物２８の表面３０とが略一
致させられ、この状態で表面３０の凹凸形状が測定され
ることにより前記第１実施例と同様の効果が得られる。

この実施例では、ＣＰＵ７８゜ＲＡＭ８０．ＲＯＭＢ２
によって行われる一連の信号処理ロジックのうちステッ
プＳ２．Ｓ３．Ｓ７、およびＳ５を実行する部分が光軸
方向駆動装置３２を制御する制御装置に相当する。

また、第１５図の実施例は、前記レーザ光源１０から偏
波面が紙面に垂直なＳ偏光のレーザ光りが出射される場
合で、音響光学変調器４２．４４によって周波数シフト
された参照ビームＬ、はＮＰＢＳ　１００によってその
一部が反射され、基準ビート光作成用の計測ビームＬＭ
と共に基準ビート検知用の光センサ４８に入射させられ
る。また、ＮＰＢＳ　１００を透過した参照ビームＬＲ
はＰＢＳ１０２によって反射され、１７４波長板１０４
により円偏光に変換された後、集光レンズ１０６によっ
て反射ミラー１０８に集光される。そして、その反射ミ
ラー１０８によって反射された後、集光レンズ１０６を
経て再び１７４波長板１０４を通過させられることによ
り、往路に対して偏波面が９０°回転した直線偏光すな
わちＰ偏光とされ、ＰＢＳ　１０２をそのまま透過して
反射光ＲＬＭと共に計測ビート検知用の多分割光センサ
５０に入射させられる。なお、この実施例の制御回路は
前記第１実施例または第２実施例と同様に構成される。

以上、本発明の幾つか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
。

例えば、前記実施例では被測定物２８を光軸方向へ移動
させるようになっているが、対物レンズ２６を移動させ
るようにしても差支えない。

また、前記実施例では計測ビート信号ＳＭｃに基づいて
表面形状を測定するようになっているが、他の計測ビー
ト信号ＳＭａ、ＳＭｂ、ＳＭｄ、ＳＭｅを用いても良い
ことは勿論である。なお、第１実施例における偏差ΔΦ
や第２実施例における光強度比についても、それぞれ他
の計測ビート信号に基づいて算出するようにすることも
できる。

また、前記実施例では５個の光センサを備えた多分割光
センサ５０が用いられているが、この光センサの数を適
宜変更できることは勿論、多数の光センサが一列に設げ
られたＣＣＤセンサ等を利用することも可能である。そ
の場合には、反射光ＲＬ、と参照ビームＬＲとの合成光
の光強度分布が一層正確に求められるようになる。

また、前記実施例では波形モニタ回路５４によって偏差
ΔΦや光強度比を求めるようになっているが、ＣＰＵ７
　Ｂによる信号処理によってそれ等を求めることも可能
である。

また、前記実施例ではＣＰＵ７８からの信号に基づいて
第１駆動制御回路８４が制御されるようになっているが
、前記ステップ８２〜Ｓ５、或いはステップＳ２．Ｓ３
．Ｓ７．およびＳ５と同様な機能を果たすハードロジッ
ク回路を波形モニタ回路５４等に設けることも可能であ
る。

また、前記実施例では計測ビート信号に基づいて被測定
物２８の位置を調整するようになっているが、反射光Ｒ
Ｌ、のみを多分割光センサ等によって検出し、その光強
度分布等に基づいて被測定物２８の位置を調整すること
もできる。

また、前記実施例では基準ビート信号ＳＲが基準ビート
光検知用の光センサ４８から出力されるようになってい
るが、音響光学変調器４２．４４を駆動するための駆動
周波数信号から基準ビート信号ＳＲを検出するようにす
ることもできる。

また、前記実施例では音響光学変調器４２，４４が参照
ビームＬ、の光路上に配置されているが、それ等を計測
ビームＬ、や反射光Ｒ１−４の光路上に配置することも
できる。

また、前記実施例では光周波数シックとして一対の音響
光学変調器４２．４４が用いられているが、必要に応し
て１個、或いは３個以上の音響光学変調器やその他の光
学素子を採用することもできる。なお、光周波数シック
を用いる替わりに横ゼーマンレーザ等の２周波直交レー
ザ光を発射するレーザ光源を用いることも可能である。

また、前記実施例では計測ビームＬ、のみが表面３０に
照射されるようになっているが、参照ビームＬＲを表面
３０の比較的広い範囲、すなわち表面３０の微小な凹凸
形状によるドツプラーシフトの影響を受けない程度の範
囲に照射するようにして、凹凸形状によるドツプラーシ
フトの影響を受ける計測ビームＬ４との光ヘテロダイン
干渉により表面３０の凹凸形状を測定するように構成す
ることもできる。

また、前記実施例の測定回路は計測ビート信号ＳＭｃと
基準ビート信号ＳＲとの周波数差および位相差に基づい
て表面３０の変位量を求めるようになっているが、表面
３０の凹凸形状など測定条件によっては周波数差または
位相差の何れか一方のみで変位量を求めるようにしても
差支えない。

その他−々例示はしないが、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である光へテロダイン干渉表
面形状測定装置の光学的構成を説明する図である。第２
図は第１図の装置における多分割光センサを示す図であ
る。第３図は第１図の装置に備えられている測定回路の
一例を説明するブロック線図である。第４図は第３図の
測定回路における波形モニタ回路の一部を示すブロック
線図である。第５図は第１図の装置の作動を説明するフ
ローチャートである。第６図は第１図の装置において反
射光が平行光となっている状態を示す図である。第７図
は第６図において反射光と参照ビームとの光軸が僅かに
傾斜している状態を示す図である。第８図は第７図の状
態において多分割光センサの３つのセンサから出力され
る計測ビート信号の位相差を説明する図である。第９図
および第１０図は、それぞれ反射光が収束光の状態で光
センサに入射する状態を示す図である。第１１図および
第１２図は、それぞれ反射光が発散光の状態で光センサ
に入射する状態を示す図である。第１３図は本発明の他
の実施例の要部を示す図で、前記第４図に対応する図で
ある。第１４図は第１３図の実施例におけるフローチャ
ートである。第１５図は本発明の更に別の実施例の光学
的構成を説明する図である。１０：レーザ光源　　　２６：対物レンズ２８：被測定
物　　　　３０：表面３２：光軸方向駆動装置（駆動装置）５０：多分割光センサ５０　ａ、　　５０　ｂ、　　５０　ｃ。５０　ｃ　：０ｄ光センサ５４：波形モニタ回路　７８：ＣＰＵ８０　：ＲＡＭ　　　　　　８２　：ＲＯＭ８４：第１
駆動制御回路Ｌ：レーザ光　　　　　ＬＲ：参照ビームＬ、４：計測
ビーム　　　ＲＬＭ：反射光Ｐ、：焦点位置ＳＭａ、ＳＭｂ、ＳＭｃ、ＳＭｄ、ＳＭｅ　：計測ビー
ト信号第１０図第１１図第１２図第１４図！Ｐ−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザ光源から出力された計測ビームを、該計測
ビームの光軸に対して交差する方向へ相対移動させられ
る被測定物の表面に対物レンズによって集光させるとと
もに、該表面の凹凸形状に対応する凹凸情報を有する該
計測ビームの反射光と、該反射光とは周波数が異なる参
照ビームとを干渉させることによって該凹凸情報に対応
する計測ビート信号を取り出し、該計測ビート信号の位
相変化に基づいて該表面の凹凸形状を測定する光ヘテロ
ダイン干渉表面形状測定装置において、前記対物レンズと前記被測定物とを前記計測ビームの光
軸方向へ相対移動させる駆動装置と、前記対物レンズの
焦点位置と前記被測定物の表面とが略一致するように前
記駆動装置を制御する制御装置とを設けたことを特徴とする光ヘテロダイン干渉表面形状
測定装置。
（２）前記制御装置は、前記反射光と前記参照ビームと
の合成光の光軸に直角な平面内に設けられて該合成光を
検出する複数の光センサを備え、該複数の光センサから
それぞれ出力される前記計測ビート信号の位相差または
振幅に基づいて、該反射光が平行光となるように前記駆
動装置を制御するものである請求項１に記載の光ヘテロ
ダイン干渉表面形状測定装置。