JPH04120405A - 形状測定装置 - 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〉 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ａ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、臨界角を利用してぃるので、極
めて感度が高く、入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
用しなければならず、前記■と同様に検出器が小型に出
来なかった。また、光ビームのスポットを利用している
ので、空間分解能が低く、更にダイナミックレンジが１
μＪ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６０−１０８２０２号で
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３図に示すように
、半導体レーザｌ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の表面で
反射させて、その反射光７を半導体レーザ１に帰還させ
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ｌ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ｌのＩＬ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４図に示すように変化する。即ち、レー
ザ発振閾値Ｉ　１ｍは、出力端面４の反射率をＲ８、被
測定体６の表面反射率をＲｒ、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ーザ発振閾値をＩＩ＆（０）として
、次のように表される（例えば、末松安晴二半導体レー
ザと光集積回路、ｐ、　２５５．オーム社昭和５９年）
。

Ｉ　、ｈ＝　Ｉ　ｔｈ（０）”［１−（１−Ｒｒ）７７
　ＦＴ７ｃＱｓ（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では、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５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Ｖ、、、の逆数はスペーシングｈ
に対し、第６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Ｉに応じて、その勾配と縦軸
切片が異なる。

１／Ｖ−、ｔ＝ａ（Ｉ）ｈ＋ｂ（Ｉｌ・（２１ここで、
ａ（１）は駆動バイアス電流Ｉ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（Ｉ）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ｌ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３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の出力はスペーシング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Ｍ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太き（、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構成は半導体レーザの一
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、被測定体に付勢された触針と、一方の出力端面から
出射光を前記触針裏側の面に照射し、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。

〈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
に付勢された触針に照射し、その反射光を半導体レーザ
に帰還させると、半導体し一すは複合共振する。

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
定体に付勢された触針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、アクチュエー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
に付勢された触針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触針との
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。

更に、半導体レーザから触針に照射しているので、空間
分解能が向上する。

〈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図に本発明の一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ｌと光検出器３はブロッ
ク１２上に隣接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を介して基本部１５に吊り下げら
れている。

アクチュエータＩＯは、上下に伸縮自在な構造を有し、
被測定体６に対して半導体レーザ１を自在に接近させ、
離反させることができる。また、基本部１５は、第１図
中φ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ｌの一方の出力
端面４は、ブロック１２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、半導体レーザｌの他
方の出力端面２は光検出器３に向かい合っている。

更に、ブロック１２の下部には、バネ３１が水平に支持
され、そのバネ３１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１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１３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ｌの出力端面４との距離ｈ０は１０μｍ以下に固定
されている。

一方、半導体レーザＩは、増幅器２０を介してコントロ
ーラ２４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ｌ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■、と増幅器２２からの
出力電圧Ｖ。どの差分電圧（ｖ、−Ｖａ）を演算するよ
うになっている。

アクチュエータＩＯ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−Ｖｉ）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ｌ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、基本部１５を図示してないアクチュエータにより
下降させ、半導体レーザ１、光検出器３、ブロック１２
、触針３０等を被測定体６にゆっくりと接近させる。触
針３０が被測定体６に接触した瞬間、バネ３１が撓み、
半導体し一す１と触針３０との距離ｈ０がδだけ変化す
る。この時、半導体レーザ１等の移動を停止し、その後
、基本部１５を第１図中ゆ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。

次に、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１の一方の出力端面４からの出
射光を被測定体６に付勢された触針３０の裏側の面１３
に照射させて、その反射光を半導体レーザｌ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１の他方の出力端面２か
らの光出力が光検出器３で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ｈ０に依存して第２図に示すよう
に変化する。

第２図は、第５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と触針３０との距離ｈ
０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ｈ０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ｌＯを被
測定体６に対して、図中φで示す方向に相対的に移動さ
せると、被測定体６の表面形状或いは表面粗さに応じて
、触針３０と出力端面４との距離ｈ０が変化する。例え
ば、この距離ｈａ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Ｐ０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Ｐ０は減少する。そ
の出力Ｐ０の変化δＰは、第２図に示すように距離り、
の僅かな変化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■。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
ｌｌと電圧ｖ０とを比較し、差分電圧に等しい電圧（■
。−Ｖ、、）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（Ｖ、−Ｖ、
）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ｌの出力端
面４と被測定体６との距離ｈ０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ｈ０の変化δを打ち消す方向
、つまり、出力Ｐ０が増大するならば、減少させる方向
に、出力Ｐ０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と触針３０との距離ｈ０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と触針３０との
距離ｈ０は時間的に一定に保たれる結果、アクチュエー
タＩＯ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ＩＯの伸縮量を取り
出すことで、被測定体６の表面形状或いは粗さを測定で
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ｈ０の変化δに比べて太き（変化するので、
微細な形状測定が可能である。

このように触針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。

尚、触針３０を支持するバネ３１の初期設定における撓
みは、サブミクロンであって、触針３０が被測定体６を
押す力は極めて小さいものであり、被測定体６０表面損
傷は最小に抑えることが出来る。確認実験に使用したバ
ネの場合、撓みこわさは１．２μｇ／μｍであり、第２
図において、δＰはピーク出力の０．５％程度が検出可
能であって、そのピーク点と隣接する最小点との距離は
半波長の０．６μｍであるので、その０．５％、即ち０
．００３μｍの撓みを検出することができ、僅かな撓み
でしかない。従って、被測定体６の表面を押し付ける力
は、０．００３６μｇである。

〈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に付勢
した触針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表
面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に付勢さ
れた触針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、これにより最近高感度
形状計測の代表として捉えられているいわゆるＳＴＭと
同程度の極めて高い形状計測が可能であり、ＳＴＭに比
較し被測定体の表面を伝導体に処理する必要がなく、ま
た、触針としては丈夫なダイアモンド針を用いればよい
ので、安価で耐久性があり、使用しやすく、特に細い管
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。また、アクチュエータとして小さいものを選択すれ
ば、検出器本体としては半導体レーザといわゆるフォト
ディレクタの光検出器だけであり、その大きさを１ｍｍ
とすることができる。

（２）外部共振系を利用しているので、半導体レーザと
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）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図は先願に開示された形状測定装置の構成図、第４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５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６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、 １０はアクチュエータ、 １２はブロック、 １３は触針の裏側の面、 １５は基本部、 Ｏは増幅器、 １は電圧電流変換回路、 ２は増幅器、 ３は基準電圧発生器、 ４はコントローラ、 ５はアクチュエータ増幅器、 ０は触針、 １はバネである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、被測定体に付勢された触針と、一
   方の出力端面から出射光を前記触針裏側の面に照射し、
   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。