JPH0414283B2 - - Google Patents

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JPH0414283B2
JPH0414283B2 JP13901684A JP13901684A JPH0414283B2 JP H0414283 B2 JPH0414283 B2 JP H0414283B2 JP 13901684 A JP13901684 A JP 13901684A JP 13901684 A JP13901684 A JP 13901684A JP H0414283 B2 JPH0414283 B2 JP H0414283B2
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Japan
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surface roughness
signal
measured
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optical system
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Koji Nakazawa
Yoshitada Oshida
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Hitachi Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は光学式表面粗さ計に係り、特に光学部
品等の表面粗さを非接触で高精度に測定すること
を志向した光学式表面粗さ計に関するものであ
る。
〔発明の背景〕
まず、従来の光学部品等の表面粗さの測定手段
を説明する。
従来、光学部品等の測定物の表面形状や粗さを
測定するには、触針式表面粗さ計を用いていた
が、触針(ダイヤモンド)で直接測定物の表面を
こするために、該測定物の表面にはミクロ的に見
ると傷が付いてしまうという問題点があつた。こ
れを防止する対策として、光学的に非接触で測定
面と参照面との反射光を干渉させこの干渉縞から
測定の凹凸すなわち表面形状を測定する方法が試
みられている(FrancisA.Jenkins他:
Fundamentals of Optics ,Mc Gram Hill−
Kogakusha,1976)。
このような干渉縞から測定面の表面粗さを測定
する方法と、その問題点を図面を用いて説明す
る。
第2図は、従来の干渉縞測定方法を説明するた
めの要部断面図、第3図は、第2図に係る測定方
法で観察した干渉縞模様図、第4図は、第3図に
係る干渉縞の理想的な明暗の時間的変化図、第5
図は、第3図に係る干渉縞の明暗におよぼす外来
振動の影響図である。
第2図において、9は測定物、10は、X方向
に移動可能な参照ミラ固定ステージ、10aによ
つて保持された参照ミラ、5はハーフミラであ
り、照明光3はハーフミラ5で反射して測定物
9、参照ミラ10を照らす。測定物9と参照ミラ
10からの反射光4は互に干渉し、ハーフミラ5
を透過してモニタされる。この干渉縞は、例えば
第3図のように見える。同図中A,B点の光強度
をそれぞれIA,IBとし、いま参照ミラ10をX方
向に一定速度でゆつくりとモータ等で移動させる
ことにより光路長を変化させていくとIA,IBは時
間tまたは変位Xとともに理想的には第4図のご
とく変化すると考えられる。すなわち、Inioで干
渉縞は最も明るく見え、Inioで干渉縞は最も暗く
見える。しかし、実際には測定光学系の周囲から
の外来振動により、前記干渉縞の光強度Iは第5
図の実線のごとく変化し、理想的な波形(同図中
2点鎖線)とは異なる。この外来振動の周波数成
分は、測定光学系の防振台の上にのせた場合で
も、数10Hz以下の振動が無視できなくなり、測定
分解能を0.1μm以下に向上させようとしても再現
性のある測定ができず、また測定面分解能も0.1
mm程度が限界であつた。
光路長を変化させる手段としては、前述した参
照ミラ固定ステージ10aを直接移動させる方法
の他に、光路中に楔形プリズムを挿入し、この楔
形プリズムを該光路と直角方向にモータ等により
移動させる方法も知られている(特願昭57−
168313号)。この方法を用いると、前記した第2
図に係る方法に比べて、光路長の変化量を極めて
高精度化できるものの、外来振動の影響による測
定精度の劣化はやはりまぬがれることができない
という問題点が残つた。
また従来の干渉縞測定方法においては、2個の
干渉縞の位相関係を測定するのに、最も暗くなる
点(第4図のIAnio、IBnio)を基準にして相互間の
位相差δXを検出していた。ところがInio(または
Inac)の点を検出する精度は、∂I/∂t(または
∂I/∂x)がその近傍で0となる状態であるから、
最も検出精度が悪いという不具合があつた。した
がつてδX(第4図)の検出分解能は0.1μm程度が
限界であつた。
さらにまた、第5図のようなノイズの重畳した
波形(サンプリングデータ)から基本周波数成分
の波形を抽出する方法として、高速フーリエ変換
等の手法もあるが、その演算時間がぼう大になる
ため、この手法を適用して測定物9の表面粗さを
測定しようとしても、リアルタイムで実施するこ
とができないという問題点もあつた。
〔発明の目的〕
本発明は、上記した従来技術の問題点を改善し
て、外来振動の影響を受けることなく、非接触で
高精度に、しかもリアルタイムで表面粗さの測定
を可能とする光学式表面粗さ計の提供をその目的
とするものである。
〔発明の概要〕
本発明は、上記目的を達成するために、参照ミ
ラと測定物との各々に垂直に単一波長の可干渉光
を照射させる可干渉光照射光学系と、前記参照ミ
ラを、外来振動の振動周波数より高い周波数で光
軸方向に一次元に振動させる振動付与手段と、該
振動付与手段で振動し、且つ前記可干渉光照度光
学系によつて照射された参照ミラからの反射光と
前記可干渉光照射光学系によつて照射された測定
物からの反射光との干渉によつて生じる干渉縞の
光像を検出する検出光学系と、該検出光学系で検
出された干渉縞の光像を受光して画素毎に周期性
を有する信号に変換して出力する多画素イメージ
センサと、前記参照ミラの振動にともなつて前記
多画素イメージセンサの各画素から出力される周
期性を有する信号から基本周波数成分の信号を抽
出し、この抽出された基本周波数成分の信号につ
いての多画素イメージセンサにおける隣接する画
素間の位相差δtを測定物の表面に亘つて検出し、
該測定物の表面に亘つて検出される位相差δtにつ
いて、δt/T×λ/2の関係式(Tは前記基本周
波数成分の信号の周期、λは前記可干渉光の波
長)に基づく演算を施して測定物の表面粗さを測
定する演算処理手段とを備えたことを特徴とする
光学式表面粗さ計である。
更に詳しくは、外来振動の影響を受けないよう
に、問題となる外来振動(主に数10Hz以下)の振
動周波数より高い周波数で参照ミラを、光路長を
変化せしめるように光軸方向に一次元に振動させ
る振動付与手段を設け、参照ミラの振動にともな
つて多画素イメージセンサの各画素から出力され
る周期性を有する信号の基本周波数成分を外来振
動による周波数成分より著しく高くして多画素イ
メージセンサの隣接する画素間の位相差δtを弁別
して検出できるようにしたことにある。また、演
算処理手段において、画素間の位相差δtを、多画
素イメージセンサの各画素から出力される周期性
を有する信号から抽出される基本周波数成分の信
号の変化率が大きな個所で検出するようにして高
精度の面粗さの測定を可能にしたことにある。ま
た、高精度の基準の測定物を用いて、その面粗さ
Doを測定し、その後測定物を用いてその面粗さ
DMを測定し、この測定された面粗さDMを前記
測定された面粗さDoで補正することにより、更
に高精度の面粗さを測定することができる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を実施例によつて説明する。
第1図は、本発明の一実施例に係る光学式表面
粗さ計を示す略示図、第6図は、第1図における
多画素イメージセンサの出力の信号処理回路図で
ある。
第1図において、1は、レーザまたは照明ラン
プにフイルタを取付けた照明光学系、2は、コリ
メータなどの照明レンズ系、11はビームスプリ
ツタ、12−1,12−2は、いずれも対物レン
ズ、14は、その先端に参照ミラ13を取付け
た、高速駆動手段に係るピエゾ素子であり、この
ピエゾ素子14、参照ミラ13を光軸方向に高速
駆動(たとえば500Hz、振動5μm)することによ
り、光路長を変化させるものである。22は、多
数の受光素子が一次元的に配列されたエリアセン
サ(CCD、CCPDなど)、TVカメラなどの多画
素イメージセンサであり、この多画素イメージセ
ンサ22の出力の信号処理回路については、第6
図を用いて後述する。20は中間レンズ、21は
撮影レンズである。なお参照ミラ13側の対物レ
ンズ12−1の倍率は、測定物15側の対物レン
ズ12−2の倍率よりも低倍率にすることがで
き、また、これら対物レンズ12−1,12−2
および中間レンズ20、撮影レンズ21は、いず
れも複数枚のレンズから構成することができる。
16は、測定物15をその上に載置し、付属の
位置決め調整装置(図示せず)によつて該測定物
15の高さ方向、横方向の位置決めと、あおり調
整ができるようになつているステージ、17は、
このステージ16を載置固定し、モータ18によ
つて送り駆動される駆動テーブル、19は前記光
学系全体を載置する防振台である。
次に、前記多画素イメージセンサ22からの出
力の信号処理回路を、第6図を用いて説明する。
25は、多画素イメージセンサ22のi番目
(i=1,2,3,…)の素子出力とi+1番目
の素子出力を取出すアナログマルチプレクサ、2
6−1,26−2は、いずれもアンプ(もしくは
バツフア)、28−1,28−2は、いずれもバ
ンドパスフイルタ(略してBPF)(もしくはハイ
パスフイルタ(略してHPF))、30−1,30
−2は基準値設定部、30−1,31−2はコン
パレータ、32は理論演算回路、33はデジタル
演算回路、35はメモリ、36は減算回路、37
はDA変換器である。
このように構成した光学式表面粗さ計によつて
測定物15の表面粗さを測定する方法を説明す
る。
測定手順としては、最初に表面粗さや形状精度
の非常に良い完全鏡面に近い測定物を用いて光学
系の歪による演算出力DO(詳細後述)を全測定範
囲について求めておく。次に、実際に測定したい
測定物15を用いて演算出力DMを得る。第6図
に示すように、メモリ35にメモリされたこれら
2出力DO,DMを次段の減算回路36においてDM
−DOの減算を行ない、これにより測定物15の
表面粗さがデジタル的に出力される。これをDA
変換器37に通して該表面粗さがアナログ信号
Voutとして得られるものである。
前記DOの演算もDMの演算も同一の手順で行な
うわけであるが、以下実際に測定したい測定物1
5について上記演算出力DMを得るための手順を、
図面を用いて説明する。
第7図は、第1図における多画素イメージセン
サの一素子に結像される干渉縞の出力を模式的に
示す出力特性図、第8図は、第6図におけるバン
ドパスフイルタ通過後の出力図、第9図は、第6
図におけるコンパレータ通過後の出力図、第10
図は、第6図におけるピエゾ素子の振動波形図で
ある。
まず、測定物15をステージ16上に載置する
と、前記位置決め調整装置によつて、対物レンズ
12−2に対する焦点合わせと光軸に対する傾き
角の調整とが行なわれる。
照明用光源1からでた光は照明レンズ系2を通
り、ビームスプリツタ11で透過光3−1と反射
光3−2とに分れる。透過光3−1は対物レンズ
12−1を通つて、ピエゾ素子14の先端に取付
けられた参照ミラ13に入射し、一方反射光3−
2は対物レンズ12−2を通つて測定物15に入
射する。前記参照ミラ13は光軸方向に、ピエゾ
素子14によつて高速駆動されている。
参照ミラ13、測定物15からの反射光はビー
ムスプリツタ11でそれぞれ反射、透過後、互に
干渉する。この光は中間レンズ20、撮影レンズ
21を透過後、多画素イメージセンサ22に上記
干渉縞を結像する。
この場合、問題となつている外来振動の周波数
が1Hz、振幅が0.5μmとする振動速度は約3μm/
sとなり、これによつて生じる、ある測定点の干
渉光の周波数成分は、照明光の波長λを0.6μmと
すると約10Hzとなり、測定光学系を静止させた状
態でも、これだけの干渉光のゆらぎを生じる。こ
れに対して、本実施例では、ピエゾ素子14を光
軸方向に、例えば500Hz、振幅5μmで、第10図
に示すような鋸歯状波で駆動して参照ミラ13を
振動させると、振動速度は約2.5mm/sとなり、
干渉光の周波数成分は約8KHzとなる。従つて、
測定物15の特定の測定点に対応した多画素イメ
ージセンサ22の画素iに結像される干渉光の出
力信号Iは、第7図に示すように、参照ミラ13
の振動(光路長変化量xまたは時間t)に伴つて
約8KHzの基本周波数成分を有する波形として検
出され、外来振動は約10Hzであることからして上
記干渉光の出力信号Iの周期Tに対して約1/800
の変化として検出されることになる。
このことを、第6,8,9図を用いて説明する
と、アナログマルチプレクサ25により、多画素
イメージセンサ22のi番目(i=1,2,…)
の素子出力とi+1番目の素子出力を取り出し、
それぞれアンプ26−1,26−2を通過後、ア
ンプ出力27をバンドパスフイルタ28−1,2
8−2により、第7図に示すように参照ミラの振
動にともなつて各素子(画素)から出力される周
期性を有する信号から基本周波数成分の信号を抽
出するとその出力29−1,29−2は、第8図
に示すように、それぞれVi、Vi+1となる。こ
こでは直流成分は除去され、出力Viの正の値の
時間的積分値と負の値の時間的積分値は等しくな
る。コンパレータ31−1、31−2で出力Vi、
Vi+1をそれぞれ基準値設定部30−1,30
−2に設定した基準値と比較すると、第9図に示
すような矩形波CPi、CPi+1がそれぞれ得られ
る。コンパレータの基準値は一般にはOVでよい
(すなわち∂Vi/∂t,∂Vi+1/∂tが最大となる
ところ)。
次に論理演算回路32により、第9図における
2個の矩形波CPi,CPi+1の位相差δtに相当す
る矩形波を取出す。第9図では矩形波CPi,CPi
+1の立上り部分でδtを取出しているが、立下り
部分でも取出すことができる。矩形波δtと基準ク
ロツクパルスfOの論理積をとりカウンタでカウン
トすれば、δtに相当するデジタル出力D(δt)が
得られる。同様に矩形波CPi、CPi+1の周期T
または半周期T/2に相当する矩形波と基準クロ
ツクパルスfOの論理積をとりカウンタでカウント
すればTまたはT/2に相当するデジタル出力が
得られる。第6図に係る信号処理回路では、T/
2に相当するデジタル出力D(T/2)である。
次にデジタル演算回路33により、 λ/4×δt/T/2 ……(1) の掛算、割算を行なう。このようにして得られた
ものは、測定物15表面のi番目の点とi+1番
目の点との間の段差である。ただしλは光の波長
である。または、 により平均化出力を得ることもできる。上記演算
はデジタル演算回路33で行なつているが、アナ
ログ演算回路を用いてもできることは言うまでも
ない。
上記(1)または(2)式の演算が終了すると、演算終
了信号(クロツクパルス)34によりマルチプレ
クサ25のチヤンネルがi+1、i+2に順次切
換えられる。一方、上記演算出力は演算終了信号
34によりメモリ35に記憶される。
多画素イメージセンサ22の全測定範囲につい
て上記演算およびメモリが終了したら、送りテー
ブル17がモータ18により必要量だけ送られ同
様な測定が繰返され、演算出力DMが測定物15
の表面の全測定範囲について求まる。前述したよ
うに、完全鏡面に近い測定物について予め求めて
あるDOとの減算DM−DOが減算回路36で行なわ
れ、これがDA変換器37へ通され、測定物15
の表面粗さがアナログ信号Voutとして得られる。
なお、第6図に係る信号処理回路においては
δt,T/2の測定時間と、前記(1),(2)式の演算時
間との関係は、第10図に示すように、ピエゾ素
子14の振動の往行程が測定時間、復行程が演算
時間となるようにしているので、表面粗さのリア
ルタイム測定が可能である。具体例を説明する。
対物レンズとして100倍の高倍率のものを用い
ることにより、測定面分解能0.5μm、表面粗さ測
定精度1nmが得られた。また、高速デジタル演
算回路を用いることにより、測定範囲2mmの表面
粗さを4秒以下で測定、演算することができた。
以上説明した実施例によれば、参照ミラ13を
ピエゾ素子14によつて高速駆動し、信号処理回
路により前記(1)式(もしくは(2)式)の演算を行な
わせるようにしたので、外来振動の影響を受ける
ことなく非接触で高精度に、しかもリアルタイム
で表面粗さを測定することができるという効果が
ある。また、干渉縞の光強度の変化が最大となる
ところ、すなわち∂Vi/∂t,∂Vi+1/∂tが最大
となるところで位相差δtを検出するようにしたの
で、測定精度がきわめてよいという効果がある。
さらに、参照ミラ13側の対物レンズ12−1の
倍率を測定物15側の対物レンズ12−2の倍率
よりも低倍率にし開口数NAを落とすことにより
参照ミラ13の表面粗さが多少悪くても、見かけ
上完全鏡面に近いものとして取扱うことができる
ので、高精度な表面粗さの測定が可能になるとい
う利点もある。
なお、本実施例においては、コンパレータの基
準値を、バンドパスフイルタ28−1,28−2
出力のOVを用いて設定するようにしたが、第1
1図に示すように、ピーク値検出回路などにより
Inac,Inioを検出し、その平均値(Inac+Inio)/
2を基準値として用いてもよい。
また、位相差δtを検出する個所は、∂Vi/∂t,
∂Vi+1/∂tが必ずしも最大となるところでなく
ても、その近傍であればよい。
さらに、対物レンズ12−1,12−2の倍率
は同倍率であつてもよく、また、対物レンズ12
−1,12−2を取除いても低倍率の干渉縞測定
ができることは言うまでもない。
さらにまた、第1図に破線で示すように、λ/
4板23、検光子(偏光板)24を挿入すれば、
平面偏光レーザ光源を用いて、測定物15と参照
ミラ13の反射率が異なる場合にもコントラスト
の良い干渉縞を得ることができる。
最後に、本実施例においては、表面粗さをリア
ルタイムで測定するようにしたが、測定中には演
算を行なわず、D(δt)、D(T/2)のデータを
メモリに記憶させておき、測定終了後にまとめて
演算させ、Voutを出力させることもできる。
次に、他の実施例を説明する。
第12図は、本発明の他の実施例に係る光学式
表面粗さ計の要部を示す略示図である。
前記第1図に係る実施例では、ピエゾ素子14
を用いて光路長を高速に変化せしめるようにした
が、この実施例は参照ミラ6を励磁コイル8で加
振される音叉7に取付けて、対物レンズ12−1
に入射させる光3−1を反射させることにより光
路長を変化させるようにしたものである。
このように構成しても、前記第1図に係る実施
例と同様の効果を奏するものである。
〔発明の効果〕
以上詳細に説明したように本発明によれば、外
来振動の影響を受けることなく、非接触で高精度
に、しかもリアルタイムで表面粗さの測定を可能
にする光学式表面粗さ計を実現することができる
効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例に係る光学式表面
粗さ計を示す略示図、第2図は、従来の干渉縞測
定方法を説明するための要部断面図、第3図は、
第2図に係る測定方法で観察した干渉縞模様図、
第4図は、第3図に係る干渉縞の理想的な明暗の
時間的変化図、第5図は、第3図に係る干渉縞の
明暗におよぼす外来振動の影響図第6図は、第1
図における多画素イメージセンサの信号処理回路
図、第7図は、第1図における多画素イメージセ
ンサの一素子に結像される干渉縞の出力を模式的
に示す出力特性図、第8図は、第6図におけるバ
ンドバスフイルタ通過後の出力図、第9図は、第
6図におけるコンパレータ通過後の出力図、第1
0図は、第6図におけるピエゾ素子の振動波形
図、第11図は、コンパレータの基準値の他の例
を示す波形図、第12図は、本発明の他の実施例
に係る光学式表面粗さ計の要部を示す略示図であ
る。 3−2……反射光、6……参照ミラ、7……音
叉、8……励磁コイル、12−1,12−2……
対物レンズ、13……参照ミラ、14……ピエゾ
素子、15……測定物、22……多画素イメージ
センサ、25……アナログマルチプレクサ、26
−1,26−2……アンプ、28−1,28−2
……バンドバスフイルタ、30−1,30−2…
…基準値設定部、31−1,31−2……コンパ
レータ、32……論理演算回路、33……デジタ
ル演算回路、35……メモリ、36……減算回
路、37……DA変換器、δt……光強度の変化の
位相差、T……光強度の明暗の周期。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 参照ミラと測定物との各々に垂直に単一波長
    の可干渉光を照射させる可干渉光照射光学系と、
    前記参照ミラを、外来振動の振動周波数より高い
    周波数で光軸方向に一次元に振動させる振動付与
    手段と、該振動付与手段で振動し、且つ前記可干
    渉光照射光学系によつて照射された参照ミラから
    の反射光と前記可干渉光照射光学系によつて照射
    された測定物からの反射光との干渉によつて生じ
    る干渉縞の光像を検出する検出光学系と、該検出
    光学系で検出された干渉縞の光像を受光して画素
    毎に周期性を有する信号に変換して出力する多画
    素イメージセンサと、前記参照ミラの振動にとも
    なつて前記多画素イメージセンサの各画素から出
    力される周期性を有する信号から基本周波数成分
    の信号を抽出し、この抽出された基本周波数成分
    の信号についての多画素イメージセンサにおける
    隣接する画素間の位相差δtを測定物の表面に亘つ
    て検出し、該測定物の表面に亘つて検出される位
    相差δtについて、δt/T×λ/2の関係式(Tは
    前記基本周波数成分の信号の周期、λは前記可干
    渉光の波長)に基づく演算を施して測定物の表面
    粗さを測定する演算処理手段とを備えたことを特
    徴とする光学式表面粗さ計。 2 前記可干渉光照射光学系及び検出光学系にお
    いて、参照ミラ及び測定物の前にそれぞれ対物レ
    ンズを設置したことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の光学式表面粗さ計。 3 前記対物レンズの前に設置した対物レンズの
    倍率を、測定物の前に設置した対物レンズの倍率
    より低倍率にしたことを特徴とする特許請求の範
    囲第2項記載の光学式表面粗さ計。 4 前記演算処理手段は、位相差δtを、前記基本
    周波数成分の信号の変化率が大きな個所で検出す
    るように構成したことを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載の光学式表面粗さ計。
JP13901684A 1984-07-06 1984-07-06 光学式表面粗さ計 Granted JPS6118804A (ja)

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