JPH0718963Y2 - 光学式表面粗さ測定装置 - Google Patents
光学式表面粗さ測定装置Info
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- JPH0718963Y2 JPH0718963Y2 JP1989056385U JP5638589U JPH0718963Y2 JP H0718963 Y2 JPH0718963 Y2 JP H0718963Y2 JP 1989056385 U JP1989056385 U JP 1989056385U JP 5638589 U JP5638589 U JP 5638589U JP H0718963 Y2 JPH0718963 Y2 JP H0718963Y2
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- linearly polarized
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
- G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は表面粗さ測定装置に係り、詳しくは、光の干渉
を利用して表面粗さを測定する光学式の表面粗さ測定装
置に関するものである。
を利用して表面粗さを測定する光学式の表面粗さ測定装
置に関するものである。
従来の技術 表面粗さ測定装置の一種に、互いに偏波面が直交し且つ
周波数が異なる２種類の直線偏光の一方を被測定物の表
面の微小範囲に集光させるとともに、その２種類の直線
偏光の他方を被測定物の表面の比較的広い範囲に平行ビ
ームの状態で照射し、その表面で反射された計測光およ
び参照光を互いに干渉させることによって計測ビート信
号を取り出し、その表面の凹凸に対応する計測ビート信
号の位相変化または周波数変化に基づいて表面粗さを測
定するようにした光学式表面粗さ測定装置が知られてい
る。たとえば、特許番号87−1924に係わる光学式表面粗
さ測定装置はその一例である。
周波数が異なる２種類の直線偏光の一方を被測定物の表
面の微小範囲に集光させるとともに、その２種類の直線
偏光の他方を被測定物の表面の比較的広い範囲に平行ビ
ームの状態で照射し、その表面で反射された計測光およ
び参照光を互いに干渉させることによって計測ビート信
号を取り出し、その表面の凹凸に対応する計測ビート信
号の位相変化または周波数変化に基づいて表面粗さを測
定するようにした光学式表面粗さ測定装置が知られてい
る。たとえば、特許番号87−1924に係わる光学式表面粗
さ測定装置はその一例である。
かかる光学式表面粗さ測定装置においては、２種類の直
線偏光の一方は計測光として被測定物の表面の微小範囲
に集光され、他方は参照光として平行ビームの状態で被
測定物の表面の比較的広い範囲に照射されるため、被測
定物がそれ等のビームの光軸と交差する方向へ相対移動
させられることにより、計測光はその被測定物の表面の
微小な凹凸に対応して光路長が変化させられ、それに伴
って位相や周波数変化が変化させられるが、参照光は微
小凹凸の影響が平均化されて相殺されるため、その表面
の凹凸による位相変化や周波数変化を生じない。そし
て、それ等の計測光と参照光とを干渉させることによっ
て得られる計測ビート信号の位相や周波数は、上記計測
光の位相変化や周波数変化に伴って変化させられるた
め、この位相変化や周波数変化に基づいて表面粗さが測
定され得るのである。なお、計測光および参照光は共に
被測定物の表面に照射されるため、被測定物を相対移動
させる際の振動その他の外乱による影響は互いに相殺さ
れて、計測ビート信号の位相変化や周波数変化には影響
しない。
線偏光の一方は計測光として被測定物の表面の微小範囲
に集光され、他方は参照光として平行ビームの状態で被
測定物の表面の比較的広い範囲に照射されるため、被測
定物がそれ等のビームの光軸と交差する方向へ相対移動
させられることにより、計測光はその被測定物の表面の
微小な凹凸に対応して光路長が変化させられ、それに伴
って位相や周波数変化が変化させられるが、参照光は微
小凹凸の影響が平均化されて相殺されるため、その表面
の凹凸による位相変化や周波数変化を生じない。そし
て、それ等の計測光と参照光とを干渉させることによっ
て得られる計測ビート信号の位相や周波数は、上記計測
光の位相変化や周波数変化に伴って変化させられるた
め、この位相変化や周波数変化に基づいて表面粗さが測
定され得るのである。なお、計測光および参照光は共に
被測定物の表面に照射されるため、被測定物を相対移動
させる際の振動その他の外乱による影響は互いに相殺さ
れて、計測ビート信号の位相変化や周波数変化には影響
しない。
第３図は、上記の光学式表面粗さ測定装置の一例を説明
する図である。レーザ光源30は、例えば偏波面が互いに
直交し且つ周波数が僅かに異なる２種類の直線偏光、す
なわちＰ偏光LpとＳ偏光Lsとを含むレーザ光Ｌを出力す
るゼーマンレーザから構成される。レーザ光源30から出
力されたレーザ光Ｌは、無偏光ビームスプリッタ32によ
り分割され、その無偏光ビームスプリッタ32により反射
されたレーザ光Ｌは、基準用光センサ34により検出さ
れ、基準ビート信号FBが出力される。上記Ｐ偏光LP,S偏
光Lsの周波数をそれぞれfp，fsとすると、基準ビート信
号FBの周波数fBの周波数fB｜fs−fp｜となる。
する図である。レーザ光源30は、例えば偏波面が互いに
直交し且つ周波数が僅かに異なる２種類の直線偏光、す
なわちＰ偏光LpとＳ偏光Lsとを含むレーザ光Ｌを出力す
るゼーマンレーザから構成される。レーザ光源30から出
力されたレーザ光Ｌは、無偏光ビームスプリッタ32によ
り分割され、その無偏光ビームスプリッタ32により反射
されたレーザ光Ｌは、基準用光センサ34により検出さ
れ、基準ビート信号FBが出力される。上記Ｐ偏光LP,S偏
光Lsの周波数をそれぞれfp，fsとすると、基準ビート信
号FBの周波数fBの周波数fB｜fs−fp｜となる。
無偏光ビームスプリッタ32を透過したレーザ光Ｌは、偏
光ビームスプリッタ36により前記Ｐ偏光LpとＳ偏光Lsと
に分割され、そのうち、偏光ビームスプリッタ36を直進
した一方のＰ偏光Lpは、凸レンズ38,40によって構成さ
れるビームエキスパンダによりビーム径が拡大され、横
断面が円形の円形平行ビームに変換されるとともに、そ
れ等の間に介在させられたミラー42によって進行方向が
対物レンズ44の光軸方向に曲げられる。また、偏光ビー
ムスプリッタ36によって反射された他方のＳ偏光Lsは、
ミラー46によって再び反射された後、凸レンズ48,50に
よって構成されるビームエキスパンダによりビーム径が
拡大され、横断面が円形の円形平行ビームに変換される
とともに、それ等の間に介在させられた偏光ビームスプ
リッタ52によって進行方向が対物レンズ44の光軸方向に
曲げられ、上記Ｐ偏光LPと光軸が一致させられる。な
お、このＳ偏光Lsの円形平行ビームのビーム径は、Ｐ偏
光LPの円形平行ビームのビーム径よりも小さい。また、
Ｐ偏光LPは、上記偏光ビームスプリッタ52を透過した
後、凸レンズ50によって対物レンズ44の光軸上に集光さ
せられる。
光ビームスプリッタ36により前記Ｐ偏光LpとＳ偏光Lsと
に分割され、そのうち、偏光ビームスプリッタ36を直進
した一方のＰ偏光Lpは、凸レンズ38,40によって構成さ
れるビームエキスパンダによりビーム径が拡大され、横
断面が円形の円形平行ビームに変換されるとともに、そ
れ等の間に介在させられたミラー42によって進行方向が
対物レンズ44の光軸方向に曲げられる。また、偏光ビー
ムスプリッタ36によって反射された他方のＳ偏光Lsは、
ミラー46によって再び反射された後、凸レンズ48,50に
よって構成されるビームエキスパンダによりビーム径が
拡大され、横断面が円形の円形平行ビームに変換される
とともに、それ等の間に介在させられた偏光ビームスプ
リッタ52によって進行方向が対物レンズ44の光軸方向に
曲げられ、上記Ｐ偏光LPと光軸が一致させられる。な
お、このＳ偏光Lsの円形平行ビームのビーム径は、Ｐ偏
光LPの円形平行ビームのビーム径よりも小さい。また、
Ｐ偏光LPは、上記偏光ビームスプリッタ52を透過した
後、凸レンズ50によって対物レンズ44の光軸上に集光さ
せられる。
対物レンズ44は、その前焦点が前記凸レンズ50の後焦点
と一致する位置に配置されている。このため、凸レンズ
50によって集光された前記Ｐ偏光LPは、対物レンズ44に
よって再び円形平行ビームとされて前記被測定物12の表
面18の比較的広い範囲に照射される一方、凸レンズ50に
よって円形平行ビームとされたＳ偏光Lsは、対物レンズ
44によって被測定物12の表面18の一点に集光される。被
測定物12は、駆動装置58により上記対物レンズ44の光軸
に直角なＸ−Ｙ平面内において二次元方向へ移動させら
れる移動テーブル60上に載置されており、その表面18の
一点に集光されるＳ偏光Lsは、被測定物12が移動テーブ
ル60により移動させられるのに伴って表面18の微小凹凸
に対応して生じるドップラーシフトΔfsと、移動テーブ
ル60の移動の際の振動その他の外乱によるドップラーシ
フトΔfdとを受け、その反射光の周波数はfs＋Δfd＋Δ
fsとなる。これに対し、円形平行ビームの状態で表面18
の比較的広い範囲に照射されるＰ偏光Lpは、表面18の微
小凹凸による影響が平均化されて全体として相殺される
ため、外乱によるドップラーシフトΔfdの影響を受ける
だけで、その反射光の周波数はfp＋Δfdとなる。上記Ｓ
偏光Lsは計測光であり、Ｐ偏光LPは参照光である。
と一致する位置に配置されている。このため、凸レンズ
50によって集光された前記Ｐ偏光LPは、対物レンズ44に
よって再び円形平行ビームとされて前記被測定物12の表
面18の比較的広い範囲に照射される一方、凸レンズ50に
よって円形平行ビームとされたＳ偏光Lsは、対物レンズ
44によって被測定物12の表面18の一点に集光される。被
測定物12は、駆動装置58により上記対物レンズ44の光軸
に直角なＸ−Ｙ平面内において二次元方向へ移動させら
れる移動テーブル60上に載置されており、その表面18の
一点に集光されるＳ偏光Lsは、被測定物12が移動テーブ
ル60により移動させられるのに伴って表面18の微小凹凸
に対応して生じるドップラーシフトΔfsと、移動テーブ
ル60の移動の際の振動その他の外乱によるドップラーシ
フトΔfdとを受け、その反射光の周波数はfs＋Δfd＋Δ
fsとなる。これに対し、円形平行ビームの状態で表面18
の比較的広い範囲に照射されるＰ偏光Lpは、表面18の微
小凹凸による影響が平均化されて全体として相殺される
ため、外乱によるドップラーシフトΔfdの影響を受ける
だけで、その反射光の周波数はfp＋Δfdとなる。上記Ｓ
偏光Lsは計測光であり、Ｐ偏光LPは参照光である。
表面18で反射されたＰ偏光LPおよびＳ偏光Lsは、それぞ
れ入射経路と逆の光路を辿って偏光ビームスプリッタ36
に入射させられ、その偏光ビームスプリッタ36により合
成された後、無偏光ビームスプリッタ32により反射され
て計測用光センサ62に受けられ、計測ビート信号FDが出
力される。この計測ビート信号FDはＰ偏光LPとＳ偏光Ls
との干渉による唸りに対応するもので、その周波数f
Dは、｜（fs＋Δfd＋Δfs）−（fp＋Δfd）｜＝｜fs−f
p＋Δfs｜であり、前記外乱によるドップラーシフトΔf
dは相殺される。
れ入射経路と逆の光路を辿って偏光ビームスプリッタ36
に入射させられ、その偏光ビームスプリッタ36により合
成された後、無偏光ビームスプリッタ32により反射され
て計測用光センサ62に受けられ、計測ビート信号FDが出
力される。この計測ビート信号FDはＰ偏光LPとＳ偏光Ls
との干渉による唸りに対応するもので、その周波数f
Dは、｜（fs＋Δfd＋Δfs）−（fp＋Δfd）｜＝｜fs−f
p＋Δfs｜であり、前記外乱によるドップラーシフトΔf
dは相殺される。
上記計測ビート信号FDおよび前記基準ビート信号FBは測
定回路64に供給され、計測ビート信号FDの周波数fD（＝
｜fs−fp＋Δfs｜）から基準ビート信号FBの周波数f
B（＝｜fs−fp｜）を減算することにより、表面18の凹
凸によるドップラーシフトΔfsのみが取り出され、この
ドップラーシフトΔfsを表す信号が制御回路66へ供給さ
れる。制御回路66は、例えばマイクロコンピュータにて
構成され、前記駆動装置58により移動テーブル60をＸ−
Ｙ方向へ順次移動させつつ、測定回路64より供給される
信号（Δfs）から次式（１）に基づいて各位置の変位Zs
を算出し、被測定物12の表面18全体の表面粗さを表示器
68に三次元表示させる。
定回路64に供給され、計測ビート信号FDの周波数fD（＝
｜fs−fp＋Δfs｜）から基準ビート信号FBの周波数f
B（＝｜fs−fp｜）を減算することにより、表面18の凹
凸によるドップラーシフトΔfsのみが取り出され、この
ドップラーシフトΔfsを表す信号が制御回路66へ供給さ
れる。制御回路66は、例えばマイクロコンピュータにて
構成され、前記駆動装置58により移動テーブル60をＸ−
Ｙ方向へ順次移動させつつ、測定回路64より供給される
信号（Δfs）から次式（１）に基づいて各位置の変位Zs
を算出し、被測定物12の表面18全体の表面粗さを表示器
68に三次元表示させる。
考案が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来の装置では、レーザ光Ｌから計
測光としてのＳ偏光Lsと参照光としてのＰ偏光LPとが偏
光ビームスプリッタ36により分離されて、２つの光路を
伝播し、その後において、計測光および参照光を共通の
光軸上において平行光および集光光とするために偏光ビ
ームスプリッタ52に対して計測光が角度をもって入射さ
せられることから、上記部分での消光比が低下し、信号
成分の出力が弱くなってS/N（信号対雑音）比が低下す
ることに加え、上記２つの光路における空気の揺らぎに
よって計測光と参照光とにノイズが混入することにおい
てもS/N比が低下し、表面粗さの測定精度が充分に得ら
れないという問題があった。
測光としてのＳ偏光Lsと参照光としてのＰ偏光LPとが偏
光ビームスプリッタ36により分離されて、２つの光路を
伝播し、その後において、計測光および参照光を共通の
光軸上において平行光および集光光とするために偏光ビ
ームスプリッタ52に対して計測光が角度をもって入射さ
せられることから、上記部分での消光比が低下し、信号
成分の出力が弱くなってS/N（信号対雑音）比が低下す
ることに加え、上記２つの光路における空気の揺らぎに
よって計測光と参照光とにノイズが混入することにおい
てもS/N比が低下し、表面粗さの測定精度が充分に得ら
れないという問題があった。
本考案はこのような事情を背景として為されたもので、
その目的とするところは、S/N比を高めて被測定物の表
面粗さを高い精度にて測定できるようにすることにあ
る。
その目的とするところは、S/N比を高めて被測定物の表
面粗さを高い精度にて測定できるようにすることにあ
る。
課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本考案の要旨とするとこ
ろは、互いに偏波面が直交し且つ周波数が異なる２種類
の直線偏光を被測定物の表面にそれぞれ照射するととも
に、該被測定物からの反射光をそれぞれ検出し、それら
反射光のビート周波数の変化に基づいて該被測定物の表
面粗さを測定する形式の光学式表面粗さ測定装置であっ
て、（ａ）前記２種類の直線偏光を含むレーザ光を出力
するレーザ光源装置と、（ｂ）前記レーザ光に含まれる
２種類の直線偏光のうちの一方を平行光、他方を収束光
とする二重焦点レンズを含み、一方の直線偏光を前記被
測定部材の表面上に集光させるとともに、他方の直線偏
光を平行光とし、且つ該被測定部材の表面であって該一
方の直線偏光の集光点に、該他方の直線偏光を該一方の
直線偏光の照射径よりも充分大きい照射径にて照射する
光学装置とを含むことにある。
ろは、互いに偏波面が直交し且つ周波数が異なる２種類
の直線偏光を被測定物の表面にそれぞれ照射するととも
に、該被測定物からの反射光をそれぞれ検出し、それら
反射光のビート周波数の変化に基づいて該被測定物の表
面粗さを測定する形式の光学式表面粗さ測定装置であっ
て、（ａ）前記２種類の直線偏光を含むレーザ光を出力
するレーザ光源装置と、（ｂ）前記レーザ光に含まれる
２種類の直線偏光のうちの一方を平行光、他方を収束光
とする二重焦点レンズを含み、一方の直線偏光を前記被
測定部材の表面上に集光させるとともに、他方の直線偏
光を平行光とし、且つ該被測定部材の表面であって該一
方の直線偏光の集光点に、該他方の直線偏光を該一方の
直線偏光の照射径よりも充分大きい照射径にて照射する
光学装置とを含むことにある。
作用 上記の光学式表面粗さ測定装置においては、レーザ光源
装置から互いに偏波面が直交し且つ周波数が異なる２種
類の直線偏光を含むレーザ光が出力されるとともに、光
学装置においては、二重焦点レンズにより上記レーザ光
に含まれる２種類の直線偏光が共通の光軸上において平
行光および収束光とされるとともに、それら２種類の直
線偏光のうちの一方の直線偏光は測定光として被測定部
材の表面に集光され、他方の直線偏光は平行光の状態
で、被測定部材の表面であって一方の直線偏光の集光点
に、その一方の直線偏光の照射径よりも充分に大きい照
射径にて照射される。上記一方および他方の直線偏光の
被測定部材からの反射光の計測ビート信号には、それら
一方および他方の直線偏光の集光点および照射面間の相
対的な高さ位置の変化に対応した位相シフトが発生す
る。このため、上記計測ビート信号における周波数シフ
ト或いは位相変化を検出することにより、被測定部材の
表面粗さが測定され得るのである。
装置から互いに偏波面が直交し且つ周波数が異なる２種
類の直線偏光を含むレーザ光が出力されるとともに、光
学装置においては、二重焦点レンズにより上記レーザ光
に含まれる２種類の直線偏光が共通の光軸上において平
行光および収束光とされるとともに、それら２種類の直
線偏光のうちの一方の直線偏光は測定光として被測定部
材の表面に集光され、他方の直線偏光は平行光の状態
で、被測定部材の表面であって一方の直線偏光の集光点
に、その一方の直線偏光の照射径よりも充分に大きい照
射径にて照射される。上記一方および他方の直線偏光の
被測定部材からの反射光の計測ビート信号には、それら
一方および他方の直線偏光の集光点および照射面間の相
対的な高さ位置の変化に対応した位相シフトが発生す
る。このため、上記計測ビート信号における周波数シフ
ト或いは位相変化を検出することにより、被測定部材の
表面粗さが測定され得るのである。
考案の効果 上記のように、二重焦点レンズにより前記レーザ光に含
まれる２種類の直線偏光が共通の光軸上において平行光
および収束光とされるとともに、それら２種類の直線偏
光のうちの一方の直線偏光は計測光として被測定部材の
表面に集光され、他方の直線偏光は平行光の状態で、被
測定部材の表面であって一方の直線偏光の集光点に、そ
の焦光点に比べて充分に大きい照射径にて照射されるの
で、上記計測光および参照光は、従来のように、平行光
および集光光とするための２つの光路に分離されること
がなく、共通の光路に沿って伝播する。したがって、レ
ーザ光に含まれる２種類の直線偏光の分離、合波に関連
して消光比が低下して信号成分の出力が弱くなるという
問題が解消されてS/N（信号対雑音）比が向上すること
に加え、２種類の直線偏光である計測光および参照光は
その光路において空気の揺らぎが存在しても同様の影響
を受けることから、その空気の揺るぎによるノイズがビ
ート信号の段階で解消されることによってもS/N比が高
められる。それ故、本考案の表面粗さ測定装置によれ
ば、表面粗さの測定精度が充分に得られるようになるの
である。
まれる２種類の直線偏光が共通の光軸上において平行光
および収束光とされるとともに、それら２種類の直線偏
光のうちの一方の直線偏光は計測光として被測定部材の
表面に集光され、他方の直線偏光は平行光の状態で、被
測定部材の表面であって一方の直線偏光の集光点に、そ
の焦光点に比べて充分に大きい照射径にて照射されるの
で、上記計測光および参照光は、従来のように、平行光
および集光光とするための２つの光路に分離されること
がなく、共通の光路に沿って伝播する。したがって、レ
ーザ光に含まれる２種類の直線偏光の分離、合波に関連
して消光比が低下して信号成分の出力が弱くなるという
問題が解消されてS/N（信号対雑音）比が向上すること
に加え、２種類の直線偏光である計測光および参照光は
その光路において空気の揺らぎが存在しても同様の影響
を受けることから、その空気の揺るぎによるノイズがビ
ート信号の段階で解消されることによってもS/N比が高
められる。それ故、本考案の表面粗さ測定装置によれ
ば、表面粗さの測定精度が充分に得られるようになるの
である。
実施例 以下、本考案の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、以下の実施例は前記第３図の従来例に本考案
を適用した場合のものであり、共通する部分には同一の
符号を付して詳しい説明を省略する。
る。なお、以下の実施例は前記第３図の従来例に本考案
を適用した場合のものであり、共通する部分には同一の
符号を付して詳しい説明を省略する。
第１図において、前記無偏光ビームスプリッタ32を透過
したレーザ光Ｌ、すなわちＰ偏光LpおよびＳ偏光Lsは、
同軸上に配置された凸レンズ70および72によって構成さ
れるビームエキスパンダ74によりビーム径が拡大され、
横断面が円形の円形平行ビームに変換された後、二重焦
点レンズ76に入射させられる。この二重焦点レンズ76
は、第２図に詳しく示すように、たとえば光学ガラスに
より凸状に形成された第１レンズ78と、たとえば方解石
や水晶のような１軸受結晶の複屈折性材料により凹状に
形成された第２レンズ80とが組み合わせられることによ
り構成されている。従来複屈折性材料は、その光学軸と
入射光線の偏波面との角度によって屈折率が異なるとい
う性質を備えており、その複屈折性材料から成る第２レ
ンズ80におけるＳ偏光Lsの屈折率がＰ偏光LPの屈折率よ
りも大きくなるように、又その第２レンズ80の光学軸が
Ｓ偏光LsまたはＰ偏光LPの偏波面と平行となるように二
重焦点レンズ76が配置されている。上記複屈折材料が正
の１軸結晶であるか負の１軸結晶であるかにしたがっ
て、上記の光学軸をＳ偏光Lsの偏波面と平行とするか或
いはＰ偏光LPの偏波面と平行とするかが決定される。
したレーザ光Ｌ、すなわちＰ偏光LpおよびＳ偏光Lsは、
同軸上に配置された凸レンズ70および72によって構成さ
れるビームエキスパンダ74によりビーム径が拡大され、
横断面が円形の円形平行ビームに変換された後、二重焦
点レンズ76に入射させられる。この二重焦点レンズ76
は、第２図に詳しく示すように、たとえば光学ガラスに
より凸状に形成された第１レンズ78と、たとえば方解石
や水晶のような１軸受結晶の複屈折性材料により凹状に
形成された第２レンズ80とが組み合わせられることによ
り構成されている。従来複屈折性材料は、その光学軸と
入射光線の偏波面との角度によって屈折率が異なるとい
う性質を備えており、その複屈折性材料から成る第２レ
ンズ80におけるＳ偏光Lsの屈折率がＰ偏光LPの屈折率よ
りも大きくなるように、又その第２レンズ80の光学軸が
Ｓ偏光LsまたはＰ偏光LPの偏波面と平行となるように二
重焦点レンズ76が配置されている。上記複屈折材料が正
の１軸結晶であるか負の１軸結晶であるかにしたがっ
て、上記の光学軸をＳ偏光Lsの偏波面と平行とするか或
いはＰ偏光LPの偏波面と平行とするかが決定される。
以上のように構成された二重焦点レンズ76では、ビーム
エキスパンダ74によりビーム径が大きく拡大されたＳ偏
光LsまたはＰ偏光LPは第１レンズ78においては共に集光
されるが、第２レンズ80においては、Ｓ偏光Lsは比較的
大きく拡散されて平行光線とされる一方、Ｐ偏光LPは僅
かに拡散されて光軸上に集光される。前述のように、対
物レンズ44は、その前焦点が上記Ｐ偏光LPの集光点に位
置し且つその後焦点が被測定物12の表面18上に位置する
ように配設されているので、上記Ｓ偏光Lsはその表面18
上の一点に集光され、上記Ｐ偏光LPは平行光線の状態
で、Ｓ偏光Lsの照射径よりも充分に大きい径にてＳ偏光
Lsの集光点を照射する。また、被測定物12により反射さ
れたＳ偏光LsおよびＰ偏光LPは、往路と同じ光路を無偏
光ビームスプリッタ32まで戻され、そこで反射されるこ
とにより計測用光センサ62により受光される。
エキスパンダ74によりビーム径が大きく拡大されたＳ偏
光LsまたはＰ偏光LPは第１レンズ78においては共に集光
されるが、第２レンズ80においては、Ｓ偏光Lsは比較的
大きく拡散されて平行光線とされる一方、Ｐ偏光LPは僅
かに拡散されて光軸上に集光される。前述のように、対
物レンズ44は、その前焦点が上記Ｐ偏光LPの集光点に位
置し且つその後焦点が被測定物12の表面18上に位置する
ように配設されているので、上記Ｓ偏光Lsはその表面18
上の一点に集光され、上記Ｐ偏光LPは平行光線の状態
で、Ｓ偏光Lsの照射径よりも充分に大きい径にてＳ偏光
Lsの集光点を照射する。また、被測定物12により反射さ
れたＳ偏光LsおよびＰ偏光LPは、往路と同じ光路を無偏
光ビームスプリッタ32まで戻され、そこで反射されるこ
とにより計測用光センサ62により受光される。
ここで、表面18の一点に集光されるＳ偏光Lsは、被測定
物12が移動テーブル60により移動させられるのに伴って
表面18の微小凹凸に対応して生じるドップラーシフトΔ
fsと、移動テーブル60の移動の際の振動その他の外乱に
よるドップラーシフトΔfdとを受け、その反射光の周波
数はfs＋Δfd＋Δfsとなる。これに対し、円形平行ビー
ムの状態で表面18の比較的広い範囲に照射されるＰ偏光
LPは、表面18の微小凹凸による影響が平均化されて全体
として相殺されるため、外乱によるドップラーシフトΔ
fdの影響を受けるだけで、その反射光の周波数はfp＋Δ
fdとなる。上記Ｓ偏光Lsは計測光であり、Ｐ偏光LPは参
照光である。
物12が移動テーブル60により移動させられるのに伴って
表面18の微小凹凸に対応して生じるドップラーシフトΔ
fsと、移動テーブル60の移動の際の振動その他の外乱に
よるドップラーシフトΔfdとを受け、その反射光の周波
数はfs＋Δfd＋Δfsとなる。これに対し、円形平行ビー
ムの状態で表面18の比較的広い範囲に照射されるＰ偏光
LPは、表面18の微小凹凸による影響が平均化されて全体
として相殺されるため、外乱によるドップラーシフトΔ
fdの影響を受けるだけで、その反射光の周波数はfp＋Δ
fdとなる。上記Ｓ偏光Lsは計測光であり、Ｐ偏光LPは参
照光である。
前記計測用光センサ62に受けられた計測ビート信号FDは
Ｐ偏光LPとＳ偏光Lsとの干渉による唸りに対応するもの
で、その周波数fDは、｜（fs＋Δfd＋Δfs）−（fp＋Δ
fd）｜＝｜fs−fP＋Δfs｜であり、前記外乱によるドッ
プラーシフトΔfdは相殺されている。
Ｐ偏光LPとＳ偏光Lsとの干渉による唸りに対応するもの
で、その周波数fDは、｜（fs＋Δfd＋Δfs）−（fp＋Δ
fd）｜＝｜fs−fP＋Δfs｜であり、前記外乱によるドッ
プラーシフトΔfdは相殺されている。
この結果、かかる本実施例の光学式表面粗さ測定装置に
おいても、被測定物12が移動テーブル60によってＸ−Ｙ
平面内を二次元方向へ移動させられることにより、表面
18の一点に集光されるＳ偏光Lsはその表面18の微小凹凸
に対応して生じるドップラーシフトΔfSと、移動テーブ
ル60の移動の際の振動その他の外乱によるドップラーシ
フトΔfdとを受けるのに対し、平行ビームの状態で表面
18の比較的広い範囲に照射されるＰ偏光LPは、表面18の
微小凹凸による影響が平均化されて全体として相殺され
るため、外乱によるドップラーシフトΔfdを受けるだけ
である。このため、前記第３図の従来例と同様に、測定
回路64においてはそれ等の反射光を干渉させることによ
って得られる計測ビート信号FDと基準ビート信号FBとに
基づいて、被測定物12の表面18全体に亘る表面粗さが前
記（１）式に従って順次測定され、表示器68に三次元表
示される。なお、上記測定回路64においては、λ/2単位
以上の凹凸においては、前記計測ビート信号FDのビート
数CIおよび基準ビート信号FBのビート数DBをそれぞれ計
数することにより、次式（２）から、ｚ方向の変位量Δ
Zs1が算出される。
おいても、被測定物12が移動テーブル60によってＸ−Ｙ
平面内を二次元方向へ移動させられることにより、表面
18の一点に集光されるＳ偏光Lsはその表面18の微小凹凸
に対応して生じるドップラーシフトΔfSと、移動テーブ
ル60の移動の際の振動その他の外乱によるドップラーシ
フトΔfdとを受けるのに対し、平行ビームの状態で表面
18の比較的広い範囲に照射されるＰ偏光LPは、表面18の
微小凹凸による影響が平均化されて全体として相殺され
るため、外乱によるドップラーシフトΔfdを受けるだけ
である。このため、前記第３図の従来例と同様に、測定
回路64においてはそれ等の反射光を干渉させることによ
って得られる計測ビート信号FDと基準ビート信号FBとに
基づいて、被測定物12の表面18全体に亘る表面粗さが前
記（１）式に従って順次測定され、表示器68に三次元表
示される。なお、上記測定回路64においては、λ/2単位
以上の凹凸においては、前記計測ビート信号FDのビート
数CIおよび基準ビート信号FBのビート数DBをそれぞれ計
数することにより、次式（２）から、ｚ方向の変位量Δ
Zs1が算出される。
ΔZs1＝（λ/2）Σ（CI−DB） …（２） また、λ/2単位以下の凹凸については、前記計測ビート
信号FDと基準ビート信号FBとの位相差が100MHz程度のク
ロック信号を計数するクロックカウンタにより検出さ
れ、λ/2000程度の分解能により集光点S1におけるｚ方
向の微小変位ΔZs2が測定される。すなわち、前記周波
数シフトΔfsは、ドップラ効果の基本式から次式（３）
に示すように表される。
信号FDと基準ビート信号FBとの位相差が100MHz程度のク
ロック信号を計数するクロックカウンタにより検出さ
れ、λ/2000程度の分解能により集光点S1におけるｚ方
向の微小変位ΔZs2が測定される。すなわち、前記周波
数シフトΔfsは、ドップラ効果の基本式から次式（３）
に示すように表される。
Δfs＝（2/λ）・（ΔZs2／Δｔ） …（３） この（３）式を積分することにより、集光点S1における
ｚ方向の微小変位ΔZs2が次式（４）のように表される
ことから、この（４）式に従って微小変位ΔZs2が算出
される。
ｚ方向の微小変位ΔZs2が次式（４）のように表される
ことから、この（４）式に従って微小変位ΔZs2が算出
される。
そして、上記ｚ方向の変位量ΔZs1と微小変位ΔZs2とが
加えられることにより、凹凸量、すなわち表面粗さが求
められるのである。
加えられることにより、凹凸量、すなわち表面粗さが求
められるのである。
上述のように、本実施例によれば、二重焦点レンズ76に
よりレーザ光Ｌに含まれるＳ偏光LsおよびＰ偏光LPは共
通の光軸上において平行光および収束光とされるととも
に、それら２種類の直線偏光のうちのＳ偏光Lsが計測光
として被測定部材12の表面18に集光されると同時に、Ｐ
偏光LPが平行光の状態で、被測定部材12の表面18であっ
てＳ偏光Lsの集光点に、その集光点に比べ充分に大きい
照射径にて照射されるので、上記計測光および参照光
は、従来のように、レーザ光Ｌに含まれる２種類の直線
偏光を平行光および集光光とするための２つの光路に分
離されることがなく、共通の光路に沿って伝播させられ
る。したがって、レーザ光に含まれる２種類の直線偏光
を分離及び合波するための偏光ビームスプリッタなどを
用いることにより消光比が低下して信号成分の出力が弱
くなるという問題が解消されてS/N（信号対雑音）比が
向上する。加えて、本実施例では、上記のように２種類
の直線偏光であるＳ偏光LsおよびＰ偏光LPが同じ光路に
沿って伝播させられることから、この光路において空気
の揺らぎが存在しても同様の影響を受けることになり、
その空気の揺らぎによるノイズがビート信号FDの段階で
解消されてS/N比が高められる。それ故、本考案の表面
粗さ測定装置によれば、表面粗さの測定精度が充分に得
られるようになるのである。
よりレーザ光Ｌに含まれるＳ偏光LsおよびＰ偏光LPは共
通の光軸上において平行光および収束光とされるととも
に、それら２種類の直線偏光のうちのＳ偏光Lsが計測光
として被測定部材12の表面18に集光されると同時に、Ｐ
偏光LPが平行光の状態で、被測定部材12の表面18であっ
てＳ偏光Lsの集光点に、その集光点に比べ充分に大きい
照射径にて照射されるので、上記計測光および参照光
は、従来のように、レーザ光Ｌに含まれる２種類の直線
偏光を平行光および集光光とするための２つの光路に分
離されることがなく、共通の光路に沿って伝播させられ
る。したがって、レーザ光に含まれる２種類の直線偏光
を分離及び合波するための偏光ビームスプリッタなどを
用いることにより消光比が低下して信号成分の出力が弱
くなるという問題が解消されてS/N（信号対雑音）比が
向上する。加えて、本実施例では、上記のように２種類
の直線偏光であるＳ偏光LsおよびＰ偏光LPが同じ光路に
沿って伝播させられることから、この光路において空気
の揺らぎが存在しても同様の影響を受けることになり、
その空気の揺らぎによるノイズがビート信号FDの段階で
解消されてS/N比が高められる。それ故、本考案の表面
粗さ測定装置によれば、表面粗さの測定精度が充分に得
られるようになるのである。
以上、本考案の一実施例を図面に基づいて詳細に説明し
たが、本考案は他の態様で実施することもできる。
たが、本考案は他の態様で実施することもできる。
例えば、前記実施例では、レーザ光源30として直交２周
波のゼーマンレーザが用いられていたが、音響光学変調
素子などを備えた周波数シフタを用いて２つの直線偏光
間に所望の周波数差を形成する形式のレーザ光源が用い
られていてもよいのである。この場合には、上記音響光
学変調素子の駆動周波数信号から基準ビート信号FBを検
出することもできる。
波のゼーマンレーザが用いられていたが、音響光学変調
素子などを備えた周波数シフタを用いて２つの直線偏光
間に所望の周波数差を形成する形式のレーザ光源が用い
られていてもよいのである。この場合には、上記音響光
学変調素子の駆動周波数信号から基準ビート信号FBを検
出することもできる。
また、前記実施例では、ｘ方向およびｙ方向へ駆動され
る移動テーブル60によって被測定物12が２方向へ移動さ
せられるように構成されていたが、上記ｘ方向およびｙ
方向のうちの一方の方向だけ移動させられて表面粗さが
測定されてもよい。
る移動テーブル60によって被測定物12が２方向へ移動さ
せられるように構成されていたが、上記ｘ方向およびｙ
方向のうちの一方の方向だけ移動させられて表面粗さが
測定されてもよい。
また、前記実施例では、Ｓ偏光Lsを計測光として用い、
Ｐ偏光LPを参照光として用いているが、二重焦点レンズ
76の光学軸の向きをレーザ光の光軸まわりに90°回転さ
せることにより、Ｓ偏光Lsを参照光とし、Ｐ偏光LPを計
測光としてもよいのである。
Ｐ偏光LPを参照光として用いているが、二重焦点レンズ
76の光学軸の向きをレーザ光の光軸まわりに90°回転さ
せることにより、Ｓ偏光Lsを参照光とし、Ｐ偏光LPを計
測光としてもよいのである。
また、前記実施例の二重焦点レンズ76は、その第１レン
ズ78と第２レンズ80の位置が反対であってもよいし、３
以上のレンズにより構成されていてもよいのである。ま
た、第２レンズ80は、三方晶系、正方晶系、六方晶系な
どの１軸結晶だけでなく、斜方晶系、単斜晶系、三斜晶
系など２軸結晶であってもよい。要するに、二重焦点レ
ンズ76は、レーザ光Ｌに含まれる２種類の直線偏光のう
ちの一方を平行光、他方を収束光とするものであればよ
いのである。
ズ78と第２レンズ80の位置が反対であってもよいし、３
以上のレンズにより構成されていてもよいのである。ま
た、第２レンズ80は、三方晶系、正方晶系、六方晶系な
どの１軸結晶だけでなく、斜方晶系、単斜晶系、三斜晶
系など２軸結晶であってもよい。要するに、二重焦点レ
ンズ76は、レーザ光Ｌに含まれる２種類の直線偏光のう
ちの一方を平行光、他方を収束光とするものであればよ
いのである。
その他一々例示はしないが、本考案は当業者の知識に基
づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することが
できる。
づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することが
できる。
第１図は、本考案の一実施例である光学式表面粗さ測定
装置の構成を説明する図である。第２図は、第１図の実
施例の二重焦点レンズの構成を詳しく説明する図であ
る。第３図は、従来の光学式表面粗さ測定装置の一例を
説明する図である。 30:レーザ光源 12:被測定物、18:表面 76:二重焦点レンズ LP:P偏光（直線偏光） LS:S偏光（直線偏光）
装置の構成を説明する図である。第２図は、第１図の実
施例の二重焦点レンズの構成を詳しく説明する図であ
る。第３図は、従来の光学式表面粗さ測定装置の一例を
説明する図である。 30:レーザ光源 12:被測定物、18:表面 76:二重焦点レンズ LP:P偏光（直線偏光） LS:S偏光（直線偏光）
Claims (1)
- 【請求項１】互いに偏波面が直交し且つ周波数が異なる
２種類の直線偏光を被測定物の表面にそれぞれ照射する
とともに、該被測定物からの反射光をそれぞれ検出し、
それら反射光のビート周波数の変化に基づいて該被測定
物の表面粗さを測定する形式の光学式表面粗さ測定装置
であって、 前記２種類の直線偏光を含むレーザ光を出力するレーザ
光源装置と、 前記レーザ光に含まれる２種類の直線偏光のうちの一方
を平行光、他方を収束光とする二重焦点レンズを含み、
一方の直線偏光を前記被測定部材の表面上に集光させる
とともに、他方の直線偏光を平行光とし、且つ該被測定
部材の表面であって該一方の直線偏光の集光点に、該他
方の直線偏光を該一方の直線偏光の照射径よりも充分大
きい照射径にて照射する光学装置と を含むことを特徴とする光学式表面粗さ測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1989056385U JPH0718963Y2 (ja) | 1989-05-16 | 1989-05-16 | 光学式表面粗さ測定装置 |
| US07/518,432 US5051575A (en) | 1989-05-16 | 1990-05-03 | Optical surface roughness measuring apparatus using double-focus lens for producing parallel and converged beams for measurement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1989056385U JPH0718963Y2 (ja) | 1989-05-16 | 1989-05-16 | 光学式表面粗さ測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02146306U JPH02146306U (ja) | 1990-12-12 |
| JPH0718963Y2 true JPH0718963Y2 (ja) | 1995-05-01 |
Family
ID=13025784
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1989056385U Expired - Lifetime JPH0718963Y2 (ja) | 1989-05-16 | 1989-05-16 | 光学式表面粗さ測定装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5051575A (ja) |
| JP (1) | JPH0718963Y2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2798185B2 (ja) * | 1990-07-26 | 1998-09-17 | キヤノン株式会社 | 光磁気式情報再生装置用光学ヘッド |
| US5686731A (en) * | 1996-04-30 | 1997-11-11 | Ati Systems, Inc. | Multi-parameter scanning system with moveable field mask |
| DE10016377B4 (de) * | 2000-04-04 | 2009-01-08 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Vorrichtung zum Vereinigen von Licht |
| US7402773B2 (en) * | 2005-05-24 | 2008-07-22 | Disco Corporation | Laser beam processing machine |
| US8075274B2 (en) * | 2009-05-13 | 2011-12-13 | Hamilton Sundstrand Corporation | Reinforced composite fan blade |
| JP4611431B1 (ja) * | 2009-06-29 | 2011-01-12 | 西進商事株式会社 | レーザー照射装置及びレーザー加工方法 |
| CN108317975B (zh) * | 2018-01-30 | 2024-04-09 | 广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司 | 路面抗滑纹理测试装置及其扫描机构 |
-
1989
- 1989-05-16 JP JP1989056385U patent/JPH0718963Y2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1990
- 1990-05-03 US US07/518,432 patent/US5051575A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02146306U (ja) | 1990-12-12 |
| US5051575A (en) | 1991-09-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |