JPH04116412A - 形状測定法 - 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〉 本発明は半導体レーザの複合共振作用を利用して、被測
定体の表面形状を測定する方法及び装置に関する。

〈従来の技術〉 従来、物の形状を高精度に測定する方法に関しては、次
の三つの方法が代表的である。

■ダイアモンド針で試料表面をなぞり、その変化を差動
変圧針で検出する方法 ■全反射の臨界角付近の急激な反射率変化を利用する方
法 ■顕微鏡対物レンズと被測定面との間に参照面として挿
入した平行平板ハーフミラ−と被測定表面とのミウラ干
渉を利用する方法 ここで、上記■の方法は、簡便でダイナミックレンジが
大きいので広く利用されているが、検出器が大型となり
接触圧が高圧となる欠点がある。

また、上記■の方法は、臨界角を利用しているので、極
めて感度が高く、へオーダーの検出が可能であるものの
、レンズ、プリズム、光検出器等の多くの光学部品を使
用しなければならす、前記■と同様に検出器が小型に出
来なかった。また、光ビームのスボッｌ−を利用してい
るので、空間分解能が低く、更にダイナミックレンジが
１μｍ程度と小さかった。

一方、上記■の方法は、光干渉を利用し、計算機処理に
よりλ以下の高い分解能が得られるが、平行平板ハーフ
ミラ−用のアクチュエータが必要で、光学系を中心に装
置が大型であった。

つまり、これらの方法では、装置が大型となり、応用に
制限があった。

これらの方法に対して、特願昭６０ｉ０８２０２号ては
、半導体レーザの複合共振作用を利用する微小隙間の測
定方法が開示されている。即ち、第５図に示すように、
半導体レーザ１の一方の出力端面４からの出射光５を、
出力端面４から隔離して配置した被測定体６の表面て反
射させて、その反射光７を半導体レーザ１に帰還さぜる
と、半導体レーザ内部光９と帰還光７により複合共振す
る。その時の半導体レーザ１の他方の出力端面２からの
光出力８を光検出器３で検出する。

ここで、半導体レーザ１の出力端面２、出力端面４及び
被測定体６は、いわゆる複合共振系を構成しているので
、半導体レーザ１のＴ　Ｌ特性（光出力対電流特性）は
、半導体レーザ１と被測定体６との微小隙間（スペーシ
ング）により、第６図に示すように変化する。即ち、１
ノ一ザ発振閾値Ｉ　ｌｈは、出力端面４の反射率をＲ１
、被測定体６の表面反射率をＲ４、スペーシングをｈ、
空間での光伝播定数をｋ（＝２π／λ）、光結合効率（
反射光の半導体レーザ出射口への帰還率）をηとすると
、反射体がないときのレザ発振閾値をｌ１ｈ（０）とし
て、次のように表される（例えば、末松安晴：半導体レ
ーザと光集積回路、ｐ、　２５５．オーム社昭和５９年
）。

（＋ｈ−１ｌｈ（ｏ）’［１−（１−Ｒ＋）　ηＦＴ７
ｃｏｓ（２ｋｈ）］・・（１） 尚、レーザ光は拡散して広がるのでスペーシングｈが大
きい程、光結合効率ηは小さくなる。

現在市販されている通常の半導体レーザては、帰還光７
と半導体レーザ内部光９が干渉するので、スペーシング
ｈが、これらの光の半波長（λ／２）を周期として光出
力は第７図に示すように変化する。これは、上記（１）
式の余弦項に対応している。

この光出力のピーク値ｖ６．の逆数はスペーシングｈに
対し、第８図及び下式（２）に示すように直線関係とな
るが、駆動バイアス電流１に応じて、その勾配と縦軸切
片が異なる。

］、　／　Ｖ　ｐ、　ｔ　＝　ａ　（Ｉ　）　ｈ　十ｂ
　（１）　−（２）ここで、ａ（ｒ、）は駆動バイアス
電流Ｔによ−って決まる本測定系の感度を表す定数であ
る。

従って、予めａ（Ｉ）及びｂ（１）を測定しておけば、
上記（２）式により、位相変化分を無視した場合のスペ
ーシングｈを測定できる訳である。位相変化分について
は、上記半導体レーザ１或いは被測定体６を振幅幅λ／
２（λは波長）で強制振動した場合、各振動周期内で光
出力が最大値となる振動位相から測定できる。

〈発明が解決しようとする課題〉 第５図に示す方法は、微小隙間の静的及び動的な測定が
可能であり、構成が簡単で測定精度が高い等の利点を有
する。

しかし、その反面、光検出器３の出力はスペシングｈの
増大に伴って減少していくので、測定のダイナミックレ
ンジが制限されてしまう。

このため、半導体レーザの照射領域が制限され、空間的
な測定分解能がミクロンオーダーで大きく、更に被測定
体の反射率の影響をその都度較正しなければならない等
の欠点があった。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、
確実に形状を測定することが出来ると共に光検出器から
の出力が減少せず、ダイナミックレンジに制限のない形
状測定法及び形状測定装置を提供することを目的とする
。

〈課題を解決するための手段〉 斯かる目的を達成する本発明の形状測定法の構成は半導
体レーザの一方の出力端面から出射光を被測定体に照射
し、該被測定体からの反射光を当該半導体レーザに帰還
させることにより複合共振させ、該半導体レーザの他方
の出力端面からの光出力を検出し、前記半導体レーザを
前記被測定体に対して接近離反自在に支持するアクチュ
エータを前記光出力に基づいて駆動して該半導体レーザ
の一方の出力端面と該被測定体との距離を一定に保ち、
前記アクチュエータの移動量を前記被測定体の表面形状
として取り出すことを特徴とする。

また、前記目的を達成する本発明の形状測定装置の構成
は一方の出力端面から出射光を被測定体に照射し、帰還
したその反射光により複合共振する半導体レーザと、該
半導体レーザの他方の出力端面からの光出力を検出する
光検出器と、該光検出器の出力を電流から電圧に変換す
る電流電圧変換回路と、基準となる電圧を発生する基準
電圧発生回路と、該電流電圧変換回路の出力と該基準電
圧発生回路の出力とを比較し、その差分電圧を発生させ
るコントローラと、前記半導体レーザを前記被測定体に
対して接近離反自在に支持するアクチュエータと、該コ
ント０−ラからの出力を増幅して前記アクチュエタに駆
動する増幅器とからなることを特徴とする。

更に、前記半導体レーザの一方の出力端面の前方におい
て、バネにより弾性的に支持された触針を前記被測定体
に付勢し、該触針の裏面に前記半導体レーザの一方の出
力端面から出射光を照射して、その反射光を前記半導体
レーザに帰還させるようにしてもよい。

く作用〉 半導体レーザの一方の出力端面からの出射光を被測定体
に照射し、その反射光を半導体レーザに帰還させると、
半導体レーザは複合共振する。

その半導体レーザの他方の出力端面からの光出力を光検
出器で検出すると、その出力電流は第２図に示すように
半導体レーザの一方の出力端面と被測定体との距離に敏
感に反応する。

そこで、この出力電流を電圧電流変換器により電圧に変
換し、更に増幅し、コントローラにおいて基準電圧発生
器からの基準電圧と比較し、その差分電圧を求める。

この差分電圧は、半導体レーザの一方の出力端面と被測
定体との距離が一定ならば、一定であり、その距離の変
化により敏感に変化する。

従って、この差分電圧により半導体レーザを支持するア
クチュエータを駆動すると、差分電圧が０ならば、アク
チュエータは伸縮せず、また差分電圧が正又は負である
と、アクチュエタはは伸長又は縮小する。ここで、差分
電圧の正負に対するアクチュエータの伸縮の関係を適当
にとると、半導体レーザの一方の出力端面と被測定体と
の距離が縮小すると、伸ばす方向に制御し、逆にその距
離が拡大すると、縮める方向に制御して、結局、その距
離を一定に制御することができる。

このように、半導体レーザの一方の出力端面と被測定体
との距離を一定に制御すると、半導体レーザを支持する
アクチュエータの移動量は被測定体の表面形状或いは表
面粗さそのものを表していることになり、この移動量を
被測定体の表面形状として取り出すことにより、被測定
体の表面形状を測定できたことになる。

また、バネにより弾性的に支持された触針を被測定体に
付勢し、この触針の裏側に半導体レーザを照射すると、
この触針は被測定体の表面形状に倣って移動するので、
結局、被測定体の表面形状が測定でき、特に空間分解能
が向上する利点がある。

〈実施例〉 以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳
細に説明する。

第１図に本発明の第一の実施例に係る形状測定装置を示
す。同図に示すように半導体レーザ１と光検出器３はブ
ロック１２上に対向して配置されると共にこのブロック
１２はアクチュエータ１０に吊り下げられている。アク
チュエータ１０は、上下に伸縮自在な構造を有し、図示
しない構造物に支持され、第８図中Ｑで示すように被測
定体６の表面に対して平行な方向に移動可能となってい
る。半導体レーザ１の一方の出力端面４は、ブロック１
２の出力端面にから数十μｍ以上突き出していることが
必要であり、その出力端面４と被測定体６との距離はり
。とする。半導体レーザ１の他方の出力端面２は光検出
器３に向かい合っている。

半導体レーザ１は、増幅器２０を介してコントローラ２
４に接続されており、コントローラ２４から出力された
電流が増幅器２０により増幅されて半導体レーザ１が発
振されるようになっている。

光検出器３は電圧電流変換回路２１、増幅器２２を介し
てコントローラ２４に接続されており、光検出器３から
の出力電流が電圧電流変換回路２１により電流から電圧
に変換され、更に増幅器２２により増幅されてコントロ
ーラ２４に出力されるようになっている。

コントローラ２４は基準電圧発生器２３と接続しており
、半導体レーザ１を駆動する電流を出力すると共に基準
電圧発生器２３からの出力電圧ＶＲと増幅器２２からの
出力電圧Ｖ。との差分電圧（Ｖｏ　ＶＲ）を演算するよ
うになっている。

アクチュエータ１０はアクチュエータ増幅器２５を介し
てコントローラ２４に接続され、このコントローラ２４
からの電圧（ｖｏ−ｖｎ）がアクチュエータ増幅器２５
により増幅されて、アクチュエータ１０が駆動されるよ
うになっている。

半導体レーザ１と光検出器３とは一体構造となっている
ことが望ましいが、本実施例のように別個の部品として
ブロック１２上に固定されていても良い。

上記構成を有する本実施例の形状計測装置により、被測
定体６の形状を測定する場合には、次のようにして行う
。

先ず、コントローラ２４からの信号を増幅器２０を介し
て増幅し、半導体レーザＩの一方の出力端面４からの出
射光を被測定体６に照射させて、その反射光を半導体レ
ーザ１に帰還させる。半導体レーザ１では、内部光と反
射光との間で複合共振作用を生じ、半導体レーザＩの他
方の出力端面２からの光出力が光検出器３て検出されて
出力電流となる。光検出器３の出力電流は、半導体レー
ザ１の出力端面４と被測定体６との距離り。に依存して
第２図に示すように変化する。第２図は、第７図の拡大
図に相当するものである。第２図に示すように、光検出
器３の出力は、使用している半導体レーザ１の波長λに
関連して、周期的に出力が変動する。ピーク点Ａは、出
力端面４と被測定体６の距離ｈ０が波長λの整数倍とな
るときであり、最小点Ｂは整数倍から半波長ずれている
ときである。

いま、任意の距離り。における、光検出器３の出力をＰ
。とする。第１図に示すようにアクチュエータ１０を被
測定体６に対して、図中ψで示す方向に相対的に移動さ
せると、被測定体６の表面粗さに応じて、被測定体６と
出力端面４との距離り。が変化する。例えば、この距離
ｈ、が減少する方向、即ち表面が高くなる方向に変化す
ると、光検出器３の出力Ｐ。は増大する。逆に、距離り
。が増大する方向、即ち表面が低くなる方向に変化する
と、光検出器３の出力Ｐ。は減少する。その出力Ｐ。の
変化δＰは、第２図に示すように距離り。の僅がな変化
δに対して大きなものとなる。

このように距離り。の僅かな変化に敏感に反応する光検
出器３の出力は、電圧電流変換器２１により、電流から
電圧に変換され、その後増幅器２２により増幅されて電
圧Ｖ。とじてコントローラ２４に入力される。

コントローラ２４は、基準電圧発生器２３からの電圧ｖ
Ｒと電圧Ｖ。とを比較し、差分電圧に等しい電圧（ＶＯ
ＶＲ）をアクチュエータ増幅器２５に出力する。アクチ
ュエータ増幅器２５では、その電圧（ｖｏ　　Ｖａ＋）
によりアクチュエータ１０を駆動して伸縮させる。アク
チュエータＩＯの伸縮により半導体レーザ１の出力端面
４と被測定体６との距離り。が変化することになる。そ
こで、アクチュエータ１０の伸縮する方向は、出力端面
４と被測定体６との距離り。

の変化δを打ち消す方向、つまり、出力Ｐ。が増大する
ならば、減少させる方向に、出力Ｐ。

が減少するならば、増大する方向にする。この結果、前
記基準電圧として適当な値を選んでおくことにより、出
力端面４と被測定体６との距離り。は時間的に一定に保
たれることになる。

このように半導体レーザ１の出力端面４と被測定体６と
の距離り。は時間的に一定に保たれる結果、アクチュエ
ータ１０の伸縮量は被測定体６の表面形状そのものを表
していることになり、アクチュエータ１０の伸縮量を取
り出すことで、被測定体６の表面形状又は粗さを測定で
きることになる。しかも、光検出器３の出力Ｐの変化δ
Ｐは、距離り。の変化δに比べて大きく変化するので、
微細な形状測定が可能である。

尚、上記実施例では、半導体レーザｌの出力端面４から
被測定体６の表面に直接照射しているので、表面上での
空間分解能がμｍオーダーで低いが、本発明は、このよ
うなものに限られない。

例えば、第３図に示す第二の実施例のように触針３０を
利用すると、空間分解能の改善に有効である。

即ち、半導体レーザ１と光検出器３とがブロックＩ２に
設置されると共にこのブロック１２がアクチュエータ１
０を介してホルダ３２に取り付けられている。ホルダ３
２の下部には、バネ３Ｉが水平に支持され、そのバネ３
１の先端下側には触針３０が固定され、この触針３０は
半導体レーザｌの出力端面４の下方において被゛測定体
６に接触している。触針３０としては、ダイアモンドの
ように硬く、耐磨耗性の優れた材料で形成され、先端は
０．１μｍ程度に細く加工されている。触針３０は、バ
ネ３１の先端に、例えば、エポキシ系の接着剤で固定さ
れ、また、バネ３１も同じく接着剤でホルダ３２に固定
されている。バネ３１の先端上側、つまり、触針３０の
取り付けられた裏側の面は、半導体レーザ１から照射さ
れる光を受ける面であり、半導体レーザ１の出力端面４
との距離り。は１０μｍ以下に固定されている。

本実施例において、被測定体６の形状を測定するには、
先ずバネ３１が自由に支持されている状態で、ホルダ３
２を下降させ、触針３ｏを被測定体６に接触させ、バネ
３１が一定のたわみを持つようにする。この際、光検出
器６の出力は、第２図に示すように右方から左方に徐々
にピーク出力が増大するように変化する。適当な距離り
。でホルダ３２の下降を停止した後、ホルダ３２を第３
図中啼で示すように水平に移動させてゆけば、バネ３１
により付勢された触針３０が被測定体６の表面をなぞっ
て、その起伏に応じて上下する。半導体レーザ１からの
干出射光は、触針３０の取り付けられたバネ３１の先端
裏側に照射され、その反射光が帰還し、光検出器３で光
出力が検出されるのは前述した実施例と同様である。そ
して、コントローラ２４からの出力をアクチュエータ増
幅器２５が増幅して、それに対応してアクチュエータ１
０が伸縮し、前述したように距離り。が一定となるよう
に制御する。また、アクチュエータ増幅器２５の出力を
取り出せば、被測定体６の表面形状、表面粗さが測定で
きる。

このように、本実施例では触針３０を被測定体６に付勢
すると共にこの触針３０の裏側に半導体レーザ１からの
照射光を照射しているので、被測定体６に直接照射する
場合に比較し、空間分解能が向上する。

更に、光検出器３の出力をより大きく安定化するには、
第４図に示すように触針３０の取り付けられるバネ３１
の先端上側に、Ａｕ等の高反射率で化学的に安定な薄膜
を蒸着、スパッタリング等で付着した微小ブロック３４
を取り付けるようにすると良い。

この様にすると、半導体１ノーサ１からの出射光が微小
ブロック３４て効率的に反射するので、光検出器３の出
力が更に安定する。

また、空間分解能を改善するには、特許願昭和６２−１
４０１０４号に記載される溝付半導体レーザを利用して
も良い。

〈発明の効果〉 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発
明は、半導体レーザの一方の出力端面と被測定体との距
離を一定となるようにアクチュエータを駆動するので、
アクチュエータの移動量を被測定体の形状或いは表面粗
さとして検出することが出来る。また、半導体レーザの
一方の出力端面と被測定体との距離を一定となるように
制御するので、その距離が大きくならず、従って、光検
出器の出力の減少を回避することが出来る。更に、本発
明は、次のような実用上極めて有効な利点を有し、細い
管内の形状測定等が可能な超小型の形状測定装置を実現
することが出来る。

（１）半導体レーザ、光検出器及びアクチュエータ等の
構成を一体化すると、構造が簡単になり、小型化に適す
る。

（２）外部共振系を利用しているので、半導体し】　９ ザと被測定体との僅かな距離変動に対して大きな出力変
化を取り出せ、高精度測定が可能である。

（３）半導体レーザとして溝付半導体レーザを使用する
と、高い空間分解能が得られる。

（４）触針を被測定体に付勢し、これの裏側で半導体レ
ーザからの出射光を反射させることで、高い空間分解能
を得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の形状測定装置の一実施例を示す構成図
、第２図は光検出器の出力電流に対する半導体レーザの
出力端面と被測定体との距離との関係を示すグラフ、第
３図は本発明の形状測定装置の第二の実施例を示す構成
図、第４図は本発明の形状測定装置の第三の実施例の要
部を示す構成図、第５図は先願に開示された形状測定装
置の構成図、第６図は半導体レーザの光出力に対する電
流特性を示すグラフ、第７図は複合共振する半導体レー
ザの光出力に対するスペーシング／発振波長の関係を示
すグラフ、第８図は複合共振する半導体レーザの光出力
のピーク値の逆数に対するスペーシングの関係を示すグ
ラフである。 図面中、 １は半導体レーザ、 ２．４は半導体レーザの出力端面、 ３は光検出器、 ６は被測定体、 ＩＯはアクチュエータ、 １２．３２はブロック、 ２０は増幅器、 ２１は電圧電流変換回路、 ２２は増幅器、 ２３は基準電圧発生器、 ２４はコントローラ、 ２５はアクチュエータ増幅器、 ３０は触針、 ３１はバネ、 ３４は微小ブロックである。 第 図 第 図 第 図 第 図 電 流■

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザの一方の出力端面から出射光を被測
   定体に照射し、該被測定体からの反射光を当該半導体レ
   ーザに帰還させることにより複合共振させ、該半導体レ
   ーザの他方の出力端面からの光出力を検出し、前記被測
   定体に対して前記半導体レーザを接近離反自在に支持す
   るアクチュエータを前記光出力に基づいて駆動して該半
   導体レーザの一方の出力端面と該被測定体との距離を一
   定に保ち、前記アクチュエータの移動量を前記被測定体
   の表面形状として取り出すことを特徴とする形状測定法
   。
2. （２）一方の出力端面から出射光を被測定体に照射し、
   帰還したその反射光により複合共振する半導体レーザと
   、該半導体レーザの他方の出力端面からの光出力を検出
   する光検出器と、該光検出器の出力を電流から電圧に変
   換する電流電圧変換回路と、基準となる電圧を発生する
   基準電圧発生回路と、該電流電圧変換回路の出力と該基
   準電圧発生回路の出力とを比較し、その差分電圧を発生
   させるコントローラと、前記半導体レーザを前記被測定
   体に対して接近離反自在に支持するアクチュエータと、
   該コントローラからの出力を増幅して前記アクチュエー
   タに駆動する増幅器とからなることを特徴とする形状測
   定装置。
3. （３）前記半導体レーザの一方の出力端面の前方におい
   て、バネにより弾性的に支持された触針を前記被測定体
   に付勢し、該触針の裏側に前記半導体レーザの一方の出
   力端面から出射光を照射して、その反射光を前記半導体
   レーザに帰還させることを特徴とする請求項（２）記載
   の形状測定装置。