JPH0378609A - 光スキッド式表面粗さ計測装置 - Google Patents

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１ 本発明は、被測定面の表面粗さや表面形状を非接触で測
定する表面粗さ計測装ｆｉｔ二関し、特には、光スキッ
ド式表面粗さ計測装置に関するものである。

［従来技術１ 従来、被測定面の機械的振動の影響を受けにくい表面粗
さ計測方式としてスキッド法がある。スキッド法を光学
的な非接触計測にしたのが光スキッド式表面粗さ計測で
ある。通常その方式では、被測定面上に微小スポット状
の光束と、それを中心とする通常直径１００μ−以上の
光束を同時に投射し、その２光束の反射光を干渉させ、
被測定面の走査に伴って変化する干渉信号から被測定面
の凹凸量が求められる。上記の微小スポット状の光束は
、被測定面の凹凸と機械的振動の両方の影響を受けるの
に対し、直径１００μｍの光束の方は、凹凸の影響は平
均されて小さくされるが、機械的振動の影響は同じであ
るので、両光束の干渉によって生じる干渉信号には、機
械的振動の影響は大幅に除去され、被測定面の凹凸のみ
が表れるのである。上記の微小スポット状の光束と直径
１００μ鴎以上の光束を同時に被測定面上に投射する光
学的手段として、従来、入射する光の偏光方向によって
異なる２つの焦点距離を６つ、いわゆる２爪無点レンズ
が用いられ、直交する直線偏光の一方の成分の焦点が被
測定面上に合わされ微小スポットにされ、他方は焦点ず
れの状態にされて直径の大きなスポットにされて上記の
状態が実現されていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、２爪無点レンズは、方解石、結晶水晶な
どの高価な材料から、結晶の方位が決められてレンズ状
に研磨されて作成されるので、非常に高価なレンズであ
った。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、高価な２爪無点レンズの不要な、安価な光ス
キッド式表面粗さ計測装置の提供を目的１こしている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の光スキッド式表面粗
さ計測装置は、微小スポット状の第１の計測ビームと、
それを中心とする円環状の第２の計測ビームが同時に被
測定面上に投射される光学的手段と、被測定面上から反
射された前記第１゜第２の計測ビームとそれら２つの計
測ビームとは周波数がわずかに異なる参照ビームとが干
渉させられ、２種の干渉ビート光が生成される光学的手
段と前記の２種の干渉ビート光が光検出器により２種の
電気ビート信号に変換された後、それら２信号の位相差
が位相計で測定され、該位相差により被測定面の凹凸量
を出力する制御手段とを有している。

［作用１ 上記の構成を有する本発明により、微小スポット状の第
１の計測ビームと参照ビームの干渉の結果生ずる干渉信
号には、被測定面の凹凸の情報と機械的振動の情報が含
まれるが、円環状の第２の計測ビームと参照ビームの干
渉の結果生ずる干渉信号には、被測定面の凹凸は平均さ
れて小さくなり、機械的振動の情報だけが主に含まれる
ので、両信号の位相差が測定されることにより、被測定
面の凹凸のみが主に得られ、機械的振動の影響は大幅に
除去される。

［実施例１ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図は、一実施例の構成を説明する図である。

図において、Ｈｅ−Ｎｅレーザなどのレーザ光源１０は
、出射される単色のレーザ光の偏光方向が紙面に平行に
なるように光軸まわりの方位がＷＲ整されている。以下
図では、紙面に平行な偏光を記号→で表し、紙面に垂直
な偏光を信号−で表す、出射されたレーザ光はビームス
ブリγり１２で計測光と参照光に分岐される。ビームス
プリッタ１２で反射された計測光は、超音波光周波数変
調器１４（以下ＡＯモジュールと略記する。）で周波数
ｆの周波数変調を受け、ビームエキスパンダ１６でビー
ム径が拡大され、偏光ビームスプリッタ２０を通過させ
られ、１／４波長板に入射されて円偏光され、円錐台形
状のレンズ２４に入射されて第１の計測ビームと第１の
計測ビームを中心軸とする広がってゆく円環状の第２の
計測ビームにされ、対物レンＸ：２６により被測定試料
２８の表面へ収束される。そして、被測定試料２８の表
面で反射された前記第１．第２の計測ビームは光軸を逆
進するが、１／４波長板２２を再度通過させられるので
、入射時とは偏光方向が９０°回転させられた紙面に垂
直な直線偏光にされ、偏光ビームスブＩノフ夕２０で反
射され、４５°楕円の穴があけられた反射鏡４２へ向け
られる。−力、ビームスプリッタ１２を通過させられた
参照光は、反射鏡３０で向きが変えられ、ＡＯモジュー
ル３２へ入射させられ、Ａｏモジュール３２で周波数ｒ
２の周波数変調を受け、ビームエキスパンダ３４でビー
ム径が拡大され、反射＃ｔ４０で向きが変えられ、偏光
ビームスプリッタ２０に入射させられるが、偏光方向が
紙面に平行なので、偏光ビームスプリフタ２０を通過さ
せられ、前記の＃Ｓ１．第２の計測ビームと光軸が平行
に合わされる。そして、第１の計測ビームは反射鏡４２
の４５°楕円の穴を通過し、その穴を通過した一部の参
照ビームとともに、方向が光軸まわりに４５°回転して
配置されたポーラライザ４４を通され、互いに直交して
いた偏光方向が合わされ、うなり（ビート）の周波数が
ｆ、　−ｆ２の干渉光とされ、集光レンズ４６で集光さ
れ、光検出器４８で電気信号に変換される。また反射鏡
４２で反射された第２の計測ビームと残りの参照ビーム
は、同様に方向が光軸まわりに４５°回転して配置され
たポーラライザ５０を通され、互いに直交していた偏光
方向が合わされ、ビート周波数がｆ、−ｆ２の干渉光と
され、集光レンズ５２で集光され、光検出器５４で電気
信号に変換される。前記２種の周波数ｆ、−ｆ２の電気
信号は測定回路５６に導かれて、測定回路５６内の位相
計によって両信号の位相差が積算される。

本実施例は、円錐台形レンズ２４と対物レンズ２６が、
微小スポット状の第１の計測ビームと、前記第１の計測
ビームを中心とする円環状の第２の計測ビームが同時に
被測定面上に投射される光学的手段に対応し、偏光ビー
ムスプリッタ２０、反射＠４２、そして２つのポーララ
イザ４４．５０が、２種の干渉ビート光が生成される光
学的手段に対応する。

以下、第１図と第４図により本実施例の動作を説明する
。１／４波長板２２を通され円偏光にされた計測ビーム
は、第４図にあるように円錐台形レンズ２４に入射させ
られるが、円錐台形レンズ２４の円形の上平面を通過さ
せられた計測ビームは、上平面の直径をビーム径とする
第１の計測ビームにされ、円錐斜辺を通過させられた残
りの計測ビームは、前記の第１の計測ビームを中心軸と
して円錐状に広がってゆく円錐状の第２の計測ビームに
され、詳しくは無限回補正された顕微鏡対物レンズ２６
に入射される。ｉ＠１計測ビーム、第２計測ビームは、
中心軸を含む平面で切断されると、第１図にあるように
、ともに平行ビームであるため、対物レンズ２６の焦平
面に収束されるので、焦平面の位置に置かれた被測定面
上で、第１の計測ビームは微小スポットに、第２の計測
ビームは、第１の計測ビームを中心とする円環にされる
わけである。反射された第１の計測ビームの周波数は、
もとのレーザ光の周波数をｒｏｔ波艮を入。

とすると下式のように表される。

ユニで、「、はＡＯモジュール１４の変調周波数で定数
、ｆｌ　（ｔ）は被測定試料２８の機械的振動による周
波数変調項で時間関数、Φ（ｘ）は被測定試料２８の表
面の凹凸を表し、表面の位置を表す変数ｘ Ｘの関数、　　は試料表面が掃引される速度を表ｔ す。尚、（１）式の第４項が２倍されているのは、反射
により凹凸の量が実質２倍にされるからである。一方、
第２の計測ビームの周波数は下式にように表される。

（２）式第４項の積分は、比較的滑らかな試料面であれ
ば０と考えて良い。参照ビームの周波数はｆ。

＋ｆ２と表されるので、第１の計測ビームとの干渉の結
果、光検出器４８から得られる電気信号の周波数は、 となり、同じく第２の計測ビームと参照ビームとの干渉
の結果、光検出器５４から得られる電気信号の周波数は
、 ｒ＋−４２十ｆａ＜Ｌ）　　　　　　　　　　　　　−
（４）となる。そして（３）式と（４）式の位相差が位
相計で時間積分されると、 となる。ここで、×１は、試料面掃引中の時刻ｔ１にお
ける試料面の位置を表し、同様に×２は時刻ｔ２におけ
る位置を表す。

このように、機械的振動の影響ｒ、（ｔ）が除去されて
、試料面の各点×２の凹凸が×１を基準として求められ
るわけである。

第２図に本発明の別の実施例の構成を示す。図において
、偏光方向が直交する周波数のわずかに異なる２種のレ
ーザ光を同時に発振する直交２周波レーザ光源５８から
出射されたレーザ光は、ＡＯモジュール６０を通過させ
られ、ビームエキスバング６２でビーム径が拡大され、
反射１１６６で向きが変えられ、偏光ビームスプリッタ
２０で直交する２種の周波数のレーザ光が分離される。

偏光ビームスプリッタ２０を通過して分離されたレーザ
光は計測ビームにされ、以下第１図の実施例と同じ作用
を受けて第１の計測ビームと第２の計測ビームにされる
。一方、偏光ビームスプリッタ２０で反射されて分離さ
れたレーザ光は参照ビームにされ、１／４波長板６８を
通過させられ、反射鏡７０で反射され、１／４波長板を
再度通過させられて、入射時とは偏光方向が９０”回転
された直線偏光にされるので偏光ビームスプリッタ２０
を通過させられて、第１．第２の計測ビームと光軸が平
行に合わされ、以下第１図の実施例と同じ作用を受ける
。尚、ビームエキスバング６２のレンズ表面等からレー
ザ光源５８側に反射されるレーザ光は、ＡＯモジュール
により周波数変調されるため、レーザ光源５８は反射レ
ーザ光の影響を受けないようにされている。

第３図に更に別の実施例の構成を示す０本実施例は第２
図の実施例に光ファイバーが利用され、光送受信部１０
０と光センサヘッド部１２０が光ファイバーによって７
レキシブルに継げられ、実装が容易にされた装置である
。図において直交２周波レーザ光源５８から出射された
レーザ光はＡＯモジュール６０を通過させられ、集光レ
ンズ７２で定偏波光フアイバ−７４に入射させられる。

このとき、直交２周波レーザ光の２つの成分光が、定偏
波光フアイバ−７４の直交する２つの伝送モートド（Ｅ
　　とＨＥ　　に別々に入射させられるように、定偏波
光フアイバ−７４の光軸回りの向きが調整されている。

定偏波光７アイパー７４の他端は光センサヘッドｆｆｌ
５１２０に固定されていて、定偏波光フアイバ−７４か
ら出射されたレーザ光は集光レンズ８２によって平行ビ
ームにされ、以下第２図の実施例と同じ作用を受けるが
、２種の子種光は集光レンズ４６．５６で集光された後
、直接光検出器に入射されず、−旦シングルモード７Ｔ
イパ、あるいはマルチモード７Ｔイバ７６．７８に入射
されて光送受信ｇｌｏｏまで戻され、そこで光検出器４
８．５６で電気信号に変換される。

以上、本発明の一実施例を説明したが、本発明はその他
の態様においでも適用される。たとえば、円錐台形レン
ズ２４は、上下を逆にして配置されても良いし、対物レ
ンズ２６が無限遠補正のタイプでなければ、対物レンズ
との関係で曲率が設計された曲面を底面にもつ円錐上平
面下曲面レンズが使用されれば良い。なお、上述したの
はあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその精
神を逸脱しない範囲においで種々変更が加えられ得るも
のである。

［発明の効果１ 以上詳述したことから明らかなように本発明によれば、
高価な２重焦点レンズの不要な、安価な光スキッド式表
面粗さ計測装置が提供される６

【図面の簡単な説明】

牛 第１図から第李図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は一実施例の構成図であり、第２図は
別の実施例の構成図であり、第３図は更に別の実施例の
構成図であり、第４図は、円錐台形レンズと其物レンズ
の機能の説明図であ２０・・・ビームスプリフタ、２４
・・・円錐台形レンズ、２６・・・対物レンズ、４２・
・・波面分割反射鏡、４４・・・ポーラライザ（検光子
）、５０・・・ポーラライザ（検光子）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　微小スポット状の第１の計測ビームと、前記第１の
   計測ビームを中心とする円環状の第２の計測ビームとを
   同時に被測定面上に投射する光学的手段と、 前記被測定面上から反射された前記第１、第２の計測ビ
   ームと、それらとは周波数がわずかに異なる参照ビーム
   とを干渉させて、２種の干渉ビート光を生成する光学的
   手段と、 前記２種の干渉ビート光を光検出器により、２種の電気
   ビート信号に変換した後、前記２種の電気ビート信号の
   位相差を位相計により測定し、該位相差により被測定面
   の凹凸量を出力する制御手段とを有することを特徴とす
   る光スキッド式表面粗さ計測装置。