JPH0344243B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザを光源とし、音響光学素子を用
いる光ヘテロダイン干渉法による表面形状測定シ
ステムに関するものである。

近年精密機械産業においては、高精度機械加工
技術が進歩し、加工物の表面粗さ及び表面形状を
非接触で高精度に計測する要求が出ている。

従来の光干渉による表面状態の測定では、単一
周波数成分を持つ２つの光波の干渉で、いわゆる
ホモダイン干渉であつて測定量は0.1ミクロンメ
ートルのオーダで高精度計測とは言えない。

また、前述のホモダイン干渉で干渉縞の強度と
干渉縞相互の位相情報からデータ処理して微小な
光路差即ち表面情報に変換する方法があるが、デ
ータ処理及び電子回路か複雑となり、コスト高に
なるという欠点を有している。

さらに表面形状計測においては線走査あるいは
面走査を行う場合に測定物を移動さすことによる
移動の直進性が悪いことによる形状誤差を伴う。

本発明による表面形状測定装置は、光ヘテロダ
イン干渉による位相情報復調から表面粗さ情報を
求め、電気的手段によつて光ビームを走査して、
走査によつて得られた表面粗さデータ集合を積分
して表面形状を求めるものである。

以下に光ヘテロダイン干渉法について述べる。

光ヘテロダイン干渉は２つの異なる周波数成分
を持つ光を干渉させて、その強度を光電変換し
て、差の周波数のビート信号を得る方法である。

例えば周波数f₁、f₂の光波をE₁、E₂とすれば E₁（ｔ）＝A₁（ｔ）cos（2πf₁t＋φ₁（ｔ）） E₂（ｔ）＝A₂（ｔ）cos（2πf₂t＋φ₂（ｔ）） ここで、A₁、A₂は振幅、φ₁、φ₂は位相を示
す。この２つの光波を干渉させると、その強度Ｉ
（ｔ）は Ｉ（ｔ）＝｜E₁（ｔ）＋E₂（ｔ）｜²となる。

これを光検出器で電流ｉ（ｔ）に変換すると ｉ（ｔ）∝A₁ ²＋A₂ ²＋2A₁A₂cos（2πΔft＋Δφ） 但しΔf＝f₁−f₂、Δφ＝φ₁−φ₂ なる電気信号が得られる。

ここでΔfは10⁵〜10⁶Hzのオーダで十分に電気的
検出が可能で、このビート信号の周波数、位相の
変化を検出することにより、もとの光波が持つて
いる光の周波数領域での情報を高精度に取り出す
ことができる。

光ヘテロダイン干渉を行わせる手段としては、
ゼーマンレーザ、音響光学素子を用いる方法が一
般的であり、本発明では音響光学素子（以下に
Ａ・Ｏと略す）を用い、前記ビート信号のうちで
Δfは一定とし、位相Δφを電気的に検出するもの
である。さらにＡ・Ｏにより光ビームの走査を行
い、走査による位相ジヤンプをなくし、正確に表
面情報を得るものである。

第１図は本発明の実施例である表示形状測定装
置に用いられる音響光学素子の動作説明を行うた
めの要部ブロツク線図であり、１はレーザ発振器
から発射された周波数f_pを有する光ビーム、２は
音響光学素子（Ａ・Ｏ）、３はＡ・O2内部に形成
される超音波進行波による等位相波面である。

４はＡ・Ｏドライバー、５は直流電圧発生器、
６は周波数f_nの正弦波を発生させる正弦波発振器
である。

７及び８はＡ・O2によつて発生させられた周
波数がf₁、f₂（f₁≠f₂）の空間的に分離された第１
及び第２の光ビームで、９及び１０は光ビーム
７，８と同じ周波数で角度θ_dだけ偏向された状態
を示す光ビーム、１１は非回折光である。

Ａ・O2は超音波と光の音響光学効果により光
の種々の変調を行うことが可能で、本発明の場合
は光偏向としての働きを行わせる。光偏向は超音
波によつて物質中に屈折率の周期的な変動が生
じ、これが光の回折格子（超音波の等位相波面３
と同じ）となつて、ブラツグ角θ_Bで入射した光を
回折させる現象である。そしてこの回折特性は
Ａ・O2の構成及びＡ・O2を駆動する電気信号の
特性によつて決まる。

Ａ・Ｏドライバー４は高周波パワーアンプ、
VCO、平衡変調器等から構成され、Ａ・Ｏドラ
イバー４への電気入力が直流電圧及び正弦波であ
る。

直流電圧発生器５からV_iなる直流電圧がＡ・Ｏ
ドライバー４のVCO入力端に印加されると、直
流電圧V_iに応じた周波数f_aなる高周波信号が発生
する。さらに正弦波発生器６から周波数f_nなる正
弦波信号をＡ・Ｏドライバー４に印加し、AM変
調を行わせ、キヤリアー周波数f_aの成分を抑圧し
て、f_a＋f_n及びf_a−f_nなるサイドバンドパワーを
持つた信号に変換し、Ａ・O2に印加すれば、超
音波トランスデユーサーにより印加された電気信
号が超音波に変換される。

このとき、f_aなる高周波の周波数に対応した超
音波の波長の周期毎に、低周波の周波数2f_nに対
応した非常に接近した２つの超音波波面が形成さ
れ、光の回折格子となり、周波数シフトされた２
本の光ビーム７及び８が回折される。

ここで光ビーム７及び８の周波数は f₁＝f_p＋f_a−f_n及びf₂＝f_p＋f_a＋f_nで、その差の
周波数は2f_nである。

さらに直流電圧発生器５により電圧をV_jに変
えると、Ａ・Ｏドライバー４のVCOにより周波
数f_a′なる高周波信号が発生されて、回折格子の
波長が変化して偏向角が変わり、２本の光ビーム
は９及び10の位置まで偏向される。

以上の様にＡ・Ｏ偏向は直流電圧V_iを変えるこ
とにより、超音波周波数を変えて角度偏向し、さ
らに正弦波信号を同時に印加することにより、周
波数の異なる角度偏向された２ビームを発生させ
ることができる。

ここで直流印加電圧ΔV_sにより、Δf_sなる帯域
の高周波信号が得られるならば 偏光角；Δθ_d＝λ・Δf_s／V_a ２ビーム角；Δθ_s＝λ・2f_n／V_a となる。ただし、V_aはＡ・Ｏ媒体中を伝播する
超音波速度、λはレーザ波長である。

さらに光偏向においては偏向角Δθ_d全般にわた
つて光の回折効率が一定になることが必要である
が、一般的には回折角がブラツグ角θ_Bからはずれ
るために回折効率は偏向角が大きくなるにつれて
低下する。

この欠点を防ぐために超音波の波長に応じて、
回折格子の傾きを変化させ、常にブラツグ角θ_Bを
満たすようにすればよく、“phased array beam
steering”法がよく知られており、イントラアク
シヨン社から製品として発表されている。

以上の説明の如き性質を持つ音響光学素子を用
い、適応する電気駆動条件を与えることによつて
光ヘテロダイン干渉のための２ビーム光発生及び
２ビーム光の位置（角度）偏向が可能となる。

次に２ビーム光を物体表面に照射した場合を第
２図の模式的断面図で説明する。

今、周波数f₁、f₂を有する光ビーム７及び８が
物体面Ａ、Ｂに照射され、AB間の凹凸量がΔZあ
るとすれば、物体で反射された光は2ΔZなる光路
差を持ち、光電変換受光器で干渉され光電変換さ
れたビート信号は位相がΔφだけ変調される。

このΔZとΔφの関係は ΔZ＝λ×Δφ／（４×π） で表わされる。

λはレーザ発振波長でH_e−N_eレーザの場合
は、λ＝0.633ミクロンメートルであるから、Δφ
＝1°の場合はΔZ＝8.8オングストロームである。

電気的に位相差Δφを計測することによつて、
２ビームが照射されている場所の表面の凹凸量
（表面粗さ）が計測できる。

凹凸の２方向を考慮すれば、一度に測定できる
表面粗さの最大値ΔZは、±λ/4である。

本発明による表面形状計測は表面粗さの位相情
報集合（φ_p1、φ_p2、…、φ_po）を積分_o 〓ⁱ⁼¹ φ_piして表
面形状を得るもので、表面粗さ位相集合（φ_p1、
φ_p2、…、φ_po）を得るのに、前述の２ビーム光の
分離距離毎に光ビームの位相偏向を行わせれば、
物体表面走査の連続性が保証される。

さらに、光ビーム走査を行う場合には、表面粗
さ以外の走査による位相変化があらわれる。この
走査位相集合を（φ_s1、φ_s2、…、φ_so）とする。

従つて実際に測定される位相としては、表面粗
さ位相と走査位相の和となり、その測定位相集合
は（φ_(s+p)1、φ_(s+p)2、…、φ_(s+p)o）となる。

従つて、走査位相φ_siを求めて、 φ_pi＝φ_(s+p)i−φ_si に従つてφ_piを得ることが必要である。

前述したことを以下図面に従つて説明する。

第３図は本発明の表面形状測定装置に基づく物
体表面へのＡ・Ｏによる走査の状態を示す模式的
断面図である。

３０はレーザを照射して測定する物体面であ
る。

３１及び３２はペアーとなつている周波数の異
なる第１と第２の光ビームで、各々が集光面のビ
ームスポツト径d_pを有し、そのビーム中心間から
はS_pである。

この２つの光ビーム間距離S_pは使用する光学系
のレンズの焦点距離及びf_n周波数によつて決ま
り、ｒ方向の位置r₁、r₂…r_oの偏向は、同じくレ
ンズの焦点距離及び直流印加電圧即ち発生される
超音波周波数によつて決まる。光学系については
後述する。

第４図はＡ・Ｏを駆動する直流電圧と時間との
関係を示すタイムチヤートであり、今、時刻t₁で
Ｖ＝V₁における光ビーム３１，３２がr₁、r₂の場
所にあり、そのときの表面の凹凸量ΔZ₁をΔ_tの時
間に測定したとする。

次には、時刻t₂において光ビーム３１，３２を
移動し、第１の光ビーム３１がr₂の場所に、第２
の光ビーム３２がr₃の場所に偏向されることが必
要で、V₂＝V₁＋ΔV_iを加えればよい。ΔV_iはS_pの
移動距離を与える電圧増加量である。

同じくΔtの時間内に表面凹凸量ΔZ₂を測定す
る。この様に表面凹凸を測る第１の光ビーム３１
及び第２の光ビーム３２が物体面上を走査すると
きに、第１の光ビーム３１が第２の光ビーム３２
位置（物体表面照射位置）に、第２の光ビーム３
２は第１と第２の光ビーム間隔距離S_pだけ離れた
位置（物体表明照射位置）に移動させるべく、偏
向の電圧を制御すれば、常に２光ビームは相互に
重ね合せ走査され一定の距離だけ偏向される。

この様に偏向走査されて得られた表面粗さ位相
は照射される光ビームのスポツト面積の範囲で物
体の形状に沿つた微分値を得るもので、この微分
値を積分することにより、形状が復調される。

しかし、従来の如く光ビームを固定し、物体面
３０を移動させれば、移動テーブルのフラツター
等により、物体面が傾き、測定される位相が異な
つてしまい正確な形状復調ができない。

また光ビームを走査する場合に、前述の重ね合
せ走査しない場合にも、測定場所のジヤンプが起
こり、やはり表面形状の正確な復調はできない。

第５図は物体形状と位相の関係の例を示すもの
で、第５図ａは本発明の表面形状測定装置の計測
例による光ビームと被測定物体との位置関係を示
す模式的断面図で、段差Z1、Z2、Z3を有する。
この表面に光ビーム５１及び５２を照射する。
今、光ビーム５１及び５２が凹凸の無い平面部５
３に照射されたときは、２光ビーム間に凹凸によ
る光路差がないため、２光ビーム間の位相差は０
であるが、段差Z1に照射されると φ₁＝4πZ1／λ なる位相差が生じる。この関係で段差Z1、Z3に
対して位相差φ₂、φ₃が生じる。これを電気的に
測定される位相は物体反射光信号と参照信号との
位相差であつて平面部５３での２光ビーム間の位
相差を基準としたときの物体面を走査した位相特
性を第５図ｂに示す。

第５図ｂは純粋に表面情報のみをふくんだ、い
わば理想位相特性図である。これは前述の第５図
ａの表面形状の微分値を与えるもので、この表面
粗さ位相集合を積分すれば、第５図ａに記した表
面形状が求められることになるが、実際に測定で
得られる位相特性図は第５図ｃに示す如くにな
る。

これは、後述する光学系を用いた、光ビームス
キヤンによるため、使用するレンズ及びレンズ系
のセツテイング誤差、被測定物体のセツテイング
誤差による光路ずれ等のために発生するもので、
図示の通り、ある関数ｆ（φ_s）に従つて変化する。
関数ｆ（φ_s）は物体表面が理想的に鏡面で表面凹
凸を持たなくとも光ビームスキヤンを行うことで
必然的に発生するもので、前述の走査位相φ_siで
ある。ｆ（φ_s）は一般的には奇関数となるもので、
３次関数的に表わされる場合が多い。光ビームス
キヤンがレンズの中心付近にあるときは直線的と
なり、レンズの中心からはずれてくると直線から
の変化が次第に大きくなるような変相変化を示
す。

このようにして測定で得られたφ_(s+p)iから関数
形ｆ（φ_s）をみつけて、φ_(s+p)i−φ_siにより、第５
図ｂに示した形の純粋な表面凹凸による位相をみ
つける必要がある。

今、測定しようとする段差Z1、Z2、Z3等によ
る位相が平面部の粗さによる位相と比べて十分に
大きいとすればφ_siの変化率よりも位相φ₁、φ₂、
φ₃が十分に大きいため、場所r₁、r₂、r₃、r₄等の
位相をカツトして、それぞれの場所の近くの位相
を直線で近似しても十分な精度でｆ（φ_s）を得る
ことができ、従つて物体表面による位相φ_pを取
り出すことができる。

また、最小自乗法、チエビシエフ多頂式近似等
によつて数学的に走査位相関係ｆ（φ_s）を求めれ
ば更に精度が向上する。

次に本発明の実施例である表面形状測定装置の
ブロツク線図を第６図に示す。

６０はレーザ発振部でH_e−N_eレーザ、あるい
は半導体レーザ等が用いられる。レーザ発振部６
０から発射されたレーザ光線である光ビーム１
は、第１図で説明したＡ・O2によつて、周波数
の異なる２つの光ビーム７及び８に分離され、か
つ偏向される。

６１は偏向ビームスプリツター及び1/4波長板
から成る光アイソレータで、Ａ・O2と測定する
物体６４との間に設置する。

光ビーム７及び８は光アイソレータ６１により
２方向に分離せられ、一方は物体面６４に照射し
ない参照光となし、他方はレンズ６３により集光
されて物体面６４に照射され、その反射光を再び
レンズ６３を通して、光アイソレータ６１で再び
進路を変え、物体反射光となす。

６２及び６５は前述の参照光及び物体反射光の
光電変換部で、例えばPINフオトダイオード等で
構成され、得られたビート電流信号をさらに電流
−電圧変換を行わせ、直流成分をカツトしてそれ
ぞれ交流電圧信号である参照光信号６６及び物体
反射光信号６７を作成し、位相比較器６８に入力
する。

参照光信号６６及び物体反射光信号６７は共に
２光ビームの干渉信号すなわちビート信号で、参
照光信号６６は物体表面６４の情報をふくまず、
物体反射光信号６７は物体表面６４の情報をふく
み、その表面状態に応じて位相変化を有する。

位相比較器６８は上記の参照光信号６６と物体
反射光信号６７の間の位相差Δφを求める。

このようにして得られた位相情報が前述の
（φ_(s+p)1、φ_(s+p)2、…φ_(s+p)o）集合であり、第５
図
で説明した様にデータ処理部６９で表面粗さ位相
集合（φ_p1、φ_p2、…φ_po）を求め、積分して表面
形状を求める。

第７図の模式図で本発明に用いる光学系の実施
例を示す。７１及び７５はシリンドリカルレンズ
で各々の焦点距離をl₁とする。７２及び７３は平
凸レンズで各々の焦点距離をl₂とする。

一般にＡ・O2は超音波と光の相互作用を用い
るものであるから、相互作用の時間が長い方が分
解点数が高まるため、Ａ・O2へ入射させるビー
ム径は広い程良い。そのためにシリンドリカルレ
ンズ７１と平凸レンズ７２の組み合せで一つの径
方向に広がつた、だ円ビームを形成する。

７４は偏向ビームスプリツター、７６は1/4波
長板である。６３は光ビームを細いビーム径に集
光するための集光レンズで、その焦点距離はl_pで
ある。

レーザ発振部６０から発射される光ビームはあ
る任意の偏光軸を持つ直線偏光で、その偏向軸は
レーザ管を回転させることで容易に調整できる。

一般にビート信号である参照光信号６６及び物
体反射光信号６７の振幅は異なり、位相比較器６
８には、できるだけ振幅の近い状態の電気信号を
入力するのが好ましいため、照射する物体面６４
の反射率に応じて直線偏光軸を調整する。

第８図に第７図の光学系における２ビーム分離
の光路を詳しく説明した要部模式図を示す。

８１及び８２が実際に分離されている光ビーム
を表わす。また物体反射光で重なりのある光ビー
ム部分８３が干渉されたビート信号が得られる領
域である。

前述の各レンズの焦点距離を用いると、２つの
光ビームのスポツト中心間の距離は S_p＝2l₂・l_p・λ・f_n／（l₁・V_a）となり、ま
た、偏向される距離S_dはΔf_sの周波数差として、 S_d＝l₂・l_pλΔf_s／（l₁・V_a） となる。

説明した光学系から明らかな如く、偏向すれば
２光ビームはレンズの長軸方向に移動し、従つて
２光ビームの重ね合せられた干渉光は第８図でい
うと偏向によつて左右方向に移動するために前述
の走査による位相の変化が起こることになる。

以上説明した如く、本発明による表面形状測定
装置は、光ヘテロダイン干渉の持つ高精度計測を
基礎とし、振動等の外乱の影響を受けることな
く、表面粗さと共に表面形状も同時に計測するこ
とが可能で応用範囲の広い装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である表面形状測定装
置に用いられる音響光学素子の動作説明をするた
めの要部ブロツク線図、第２図は第１図で示した
光ビームが物体表面に照射されたときの様子を表
わした模式的断面図、第３図は第１図で示した光
ビームを物体表面に走査したときの様子を示す模
式的断面図、第４図は第３図における物体表面走
査を制御するためＡ・Ｏドライバーに供給する直
流電圧の状態を示すタイムチヤート、第５図ａは
本発明の実施例である表面形状測定装置のＡ・Ｏ
からの光ビームと被測定物体との位置関係を示す
模式的断面図、第５図ｂは第５図ａに基づく理想
的な位相特性図、第５図ｃは第５図ａに基づき実
際に得られる位相特性図、第６図は本発明の実施
例である表面形状測定装置の要部ブロツク線図、
第７図は第６図の表面形状測定装置に用いられる
光学系の実施例を示す模式図、第８図は第７図の
光学系における２ビーム分離の光路を詳しく説明
した要部模式図である。 １……光ビーム、２……音響光学素子、４……
音響光学素子ドライバー、５……直流電圧発生
器、６……正弦波発振器、７，３１……第１の光
ビーム、８，３２……第２の光ビーム、６０……
レーザ発振部、６２，６５……光電変換部、６８
……位相比較器、６９……データ処理部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザ発振部と、該レーザ発振部から放射さ
   れる光ビームを入射する音響光学素子と、該音響
   光学素子を駆動するための音響光学素子ドライバ
   ーと、前記光ビームを前記音響光学素子で光偏向
   制御すべく前記音響光学素子ドライバーに供給す
   る直流電圧信号を出力する直流電圧発生器と、前
   記光ビームを前記音響光学素子でそれぞれ周波数
   を異ならせ且つ空間的に分離した第１の光ビーム
   及び第２の光ビームを発生すべく前記音響光学素
   子ドライバーに供給する正弦波信号を出力する正
   弦波発振器と、前記直流電圧発振器の直流電圧信
   号により前記第１の光ビームを前記第２の光ビー
   ムの物体表面照射位置へ且つ前記第２の光ビーム
   を前記第１と第２の光ビームの中心間隔距離だけ
   離した物体表面照射位置へと順次偏向させる２ビ
   ーム走査を行つて得られる前記物体表面からの物
   体反射光と前記物体表面に光ビーム照射させない
   参照光をそれぞれ光電変換してビート信号を作成
   する各光電変換部と、該各光電変換部からの各ビ
   ート信号の位相差を検出する位相比較器と、該位
   相比較器の位相差情報から前記物体表面の位相情
   報のみを取り出し且つ積分処理を行うデータ処理
   部とから構成されている事を特徴とする光ヘテロ
   ダイン干渉法による表面形状測定装置。