JPS59208409A - 光ヘテロダイン干渉法による表面粗さ測定装置 - 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】 本発明はレーザな用いた光へテロダイン干渉法による表
面粗さ測定システムに関するものである。

従来行なわれている光干渉による表面状態の測定では単
一周波数成分を持つ２つの光波の干渉による、いわゆる
ホモダイン光干渉で、測定量は０．１ミクロンメートル
のオーダーである。

近年機械加工等の精度が向上し、０．（１１ミクロンメ
ートルオーダーの表面粗さ測定の要求も増し、新たな高
精度測定器の開発が待たれている。光ヘテロゲイン干渉
はホモダイン干渉に比べて２桁以上も高精度に表面粗さ
を計ることができる方法である。光ヘテロダイン干渉は
２つの異なる周波数成分を持つ光を干渉させて、その強
度を光電変換して、差の周波数のビート信号を得る方法
である。

例えば周波数１１、ｆ２の光波をＥ、、Ｅ２とすれば Ｅ、　（ｔ）＝Ａ、　（ｔ）ｃｏｓ　（２π「１ｔ１−
〆、　１ｌｌ）Ｅ、、（１１＝Ａ２（１）ｃｏｓ　（２
ｙｒ　ｆ　２　　ｔ　＋’１２ＩＩ）ここで、Ａ、＋　
Ａ２は振幅、ｙｌ、〆２は位相を示す。

この２つの光波を干渉させると、その強度１（ｔ）は １（１）＝　ｌ　Ｅ、　（１）＋Ｅ、、　（１）　＋　
２　　　　　　　　　どなる。

これを光検出器で電流ｉ　（ｔ）に変換すると１（１）
”Ａ＋”　＋Ａ、”　−１−２Ａ、　Ａ２ｃｏｓ（２π
Δｆ１＋Δグ）但し　Δｆ　＝　ｒ、　−ｒ２、　ΔＶ
＝１−ダ。

なる電気信号が得られる。

ここでΔｆは１０５〜ｌｏ’ｆＴｚのオーダーで十分に
電気的検出が可能で−このビート□信号の周波数、位相
の変化を検出することにより、もとの光波が持っている
光の周波数領域での情報を高精度に取り出すことかで゛
きる。

光ヘテロダイン干渉を行なわせる手段としては。

ゼーマンレーザを用いる方法、音響光学素子（以下にＡ
・０とする）を用いる方法が一般的であるが、本発明に
よる光ヘテロダイン干渉法による表面粗さ測定装置では
、Ａ−０を用い−」二記ビー１・信号のうちで、位相検
出を行ない、測定された位相を表面粗さ肝として換算す
る表面粗さ測定装置を実現するものである。

第１図は従来行なわれているＡ・０を用いた表面粗さ測
定装置のブロック線図であり、１００はレーザ発振部で
例えばＩ−１ｅ　−Ｎ　ｅレーザである。

１０１はレーザ発振部１００から発射された光線で−そ
の周波数は（０である。１０２はビームスプリッター−
１０６は音響光学素子（Ａ・０）である。

このＡ・０１０３は電気信号の駆動により、内部の媒質
に超音波進行波を発生させ、光と超音波の相互作用によ
り、偏向・光周波数シフト等の作用を行なうものである
。

１１１は周波数ｆｍの正弦波発振器、１１２はＡ−０ド
ライバーで−ダブルバランスミキサー構成をなし、超音
波の周波数をｆａとしたとき、ｆ　ａ　］−ｆ　ｍ、ｆ
　ａ　−ｆ　ｍなろ２つの周波数成分を持つ信号を作成
する。乙のような信号をＡ・０１０３に印加するとＡ・
０１０６への入射光線１０１は偏向・変調され、各々の
周波数がｆ　Ｏｌ−ｆ　ａ　十ｆ　ｍ及びｆｏ−１−ｆ
ａ−ｆｍなる２つの光ビーム１０４，１０５が得られる
。

この２つのビーム１０４及び１０５はレンズ１０６によ
り集光されて物体面１０７に照射される。この照射され
た２つの光ビーム１０４．１０５は物体面１０７の凹凸
の差に応じた光路差により、各々の位相が異なるよう位
相変調される。

この位相変調された２本の光ビーム１０４．１０５は物
体面１０７で反射して再びＡ・０１０３に帰され、再び
偏向・変調され、４本のビーム１０８になり、ビームス
プリッタ−１０２により進路を変え、レンズ１０９によ
って集光されて受光器１１０で光電変換され、ビート信
号となる。このビート信号の電流信号は ’−Ｉｏ　Ｃ２＋０．５　拳ｃｏｓθ−１−ＣＯ３２ｒ
ｃ　１１　２　ｆ　ｍ　ｔ　−４−ｃｏｓ（２π−２ｆ
ｍｔ＋θ）＋０．５　ａｃｏｓ（２πｅＪ　ｆｍｔ＋θ
）〕で表わすことができる。θは位相差である。

ここで電流信号をフィルタリングして４ｆｍの周波数成
分を受光器１１０から取り出す。１１３は発振器１１１
０周波数てい倍器で４ｆｍの周波数を有する正弦波信号
を作成する。

干渉信号の４ｆｍ＋θ成分の信号を電流−電圧変換して
、位相検出器１１４で、基準とする発振器１１１から作
ったｃｏｓ　（２ｒｃ　−４ｆ　ｍ　ｔ　）と物体反射
光の信号ｃｏｓ　（２π・４ｆｍｔ＋θ）の位相検出を
行ない位相差θを求め、表面凹凸量をデータ処理部１２
６で演算する。

以上の方法においては、物体面１０７からの反射光を再
びＡ・０１０３に帰して４ビームの干渉となしているた
め反射光のバスが長くなり光軸の調整が複雑になること
及び、電気信号と光信号の位相を比較することによる振
動等による外乱をふくみやすくなること−さらに受光器
１１０の個所で周波数フィルターを用いること、４倍の
周波数てい倍をすることによる電気回路の複雑化によっ
て実用的とは言えない欠点を有する。

第２図に本発明の実施例である表面粗さ測定装置のブロ
ック線図を示す。

Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザ管あるいは半導体レーザ等による
レーザ発振部１００から放射された周波数（ｏをもつ１
本の光ビーム１０１は音響光学素子（Ａ・０）１０３に
入射されろ。Ａ−０１０３は（ｍなる周波数の正弦波発
振器１１１を入力とするＡ・０ドライバー１１２によっ
て超音波進行波をその内部に発生させ、光と超音波の相
互作用により光ヘテロゲイン干渉の基礎となる周波数の
異なる２本の光ビーム１０４及び１０５の２ビームを発
生させる。ここでＡ・０ドライバー１１２はＶＣＯ，高
周波パワーアンプ、平衡変調器等から構成され、ある高
周波信号の周波数ｆａに対してＡＭ変調を行ない−キャ
リアー周波数ｆａ成分を抑圧して、ｆ　ａ　−ｆ　ｍ及
びｆ　ａ　−（−ｆ　ｍの周波数成分を持つサイドバン
ドバクを発生させることが必要である。

この様にして光ビーム１０４はｆｏ−１−ｆａ−ｆｍ光
ビーム１０５はｆ　ｏ　十ｆ　ａ　＋　ｆ　ｍなる周波
数成分を有する。

さらにこのときの光ビーム１０４と１０５との間の距離
は周波数ｆｍに比例するため、周波数ｆｍを可変とすれ
ば表面粗さ測定のプローブ光の間かくを変えることがで
きる。

１０２は偏光ビームスプリッタ−及び１／４波長板から
構成される光アイソレータで、Ａ・０１０３と測定する
物体面１０７の間に設置する。

２つの光ビーム１０４及び１０５は光アイソレータ１０
２で２つの方向に分割する。一方は物体面１０７に照射
しない参照光１０４．１０５となし、他方は集光用レン
ズ１０６を通して物体面１０７に照射する。物体面１０
７からの反射光を再び集光用レンズ１０６を通して光ア
イソレータ１０２により再び進路を曲げ物体反射光１２
０．１２１とする。１２２及び１２３は参照光１０４．
１０５及び物体反射光１２０，１２１の干渉を行なわせ
る光電変換部で、例えばＰＩＮフォトダイオード及び電
流−電圧変換器等で構成され、ＰＩＮフォトダイオード
から得られたビート電流信号を電流−電圧変換する。

ことで参照光１０４．１０５に対して物体反射光１２０
，１２１は物体面１０７０表面粗さの凹凸による２つの
光ビーム間の光路長の差により、両者の位相が異なり、
干渉されたビート信号の位相の変化としてそのまま現わ
れてくる。光電変換部１２２及び１２６の電圧信号の直
流カットをすれば、得られる交流電圧信号１２４及び１
２５は各々 Ａ、’ｃｏｓ（２πｅ　２　ｆ　ｍ　を十〇、）　　　
及びＡ２’ｃｏｓ（２ｙｔ　ａ　２ｆｍ　ｔ＋０２）　
で表わされる。

θ１は参照信号の初期位相で一定量であり、θ２は物体
の表面凹凸量により変化する量で、この差θ２−０．が
実際の表面凹凸量に相当し、位相比較器１１４で検出す
る。

今、２つの光ビーム１０４及び１０５が物体面１０７に
照射されたときＺなろ表面凹凸量があれば、 Ｚ二λ・θ／４π　　　　　　で表わされる。

λはレーザ波長、θは位相である。レーザとして１（ｅ
−Ｎｅし７−ザな用いれば、λ＝０．６３２８ミクロン
メートルであるから、一度の測定量としては、−０，１
５８４２≦０．１５８ミクロンメートルの凹凸測定量が
得られる。位相差１°当りのＺは８．８オングストロー
ムであり、電気的に１°の位相測定は十分に可能である
ため、従来のホモダイン干渉法による測定に比べて１０
０倍以上の高精度で表面粗さの計測が可能である。

２つの光ビームによる物体面上を走査することにより線
上、あるいは面上の計測を行ない、参照信号の初期位相
との差をマイクロプロセンサー等のデータ処理部１２６
で演算処理すれば表面粗さのプロフィールが容易に得ら
れる。

尚、線上、あるいは面上の走査を行なうには。

■ＸＹステージの移動、■電磁ミラーによる光ビームの
走査、■Ａ・０１０３の偏向走査による方法がある。

以上述べた如く、本発明による表面粗さ測定システムに
よれば、２ビーム干渉による光信号で位相を比較するた
め振動等の外乱の影響を受は難く、しかも反射光の光路
が短くなり、光学系の調整が容易になり、さらにフィル
ター、周波数てい倍器等の電気回路が不要になり、装置
がコンパクトになる等の利点がある。

第３図は第２図に用いられる光ヘテロダイン干渉の光学
系を詳細示す模式図であり、１６０及び１６４はシリン
ドリカルレンズで各々の焦点距離はｌ、とする。１６１
及び１３２は平凸レンズで各々の焦点距離は１２とする
。１６６は偏光ビームスプリッタ−１１３５は１／４波
長板、１０６はレーザ集光レンズで焦点距離はｌ。とす
る。

一般にＡ・０１０３は光と超音波の相互作用により、光
波の変調を行なうもので、Ａ・０１０６に入射する光の
ビーム幅は広いのが好ましいため、シリンドリカルレン
ズ１３０と平凸レンズ１３１の組み合せで幅の広いだ円
ビームを発生させる。

さらに直線偏光レーザを用いることにより、偏光ビーム
スプリッタ−１３６と１／４波長板１６５の組み合せか
ら参照光と物体光の分離を行なう。

光電変換部１２２及び１２３からのビート信号１２４と
１２５は一般に振幅が異なり、位相比較器１１４にはで
きるだけ振幅が近い状態の電気信号を入力するのが好ま
しいため、照射する物体面１０７の反射率に応じて、例
えばレーザ管を回転させ直線偏光の′軸を調整すればよ
い。あるいは偏光板を回転させて直線偏光軸を回転して
もよい。

さらにビート信号１２４．１２５のＳ／Ｎ比を良くする
ため、偏光ビームスプリッタ−１３３は干渉光がだ円ビ
ームとなる場所に設置するのが好ましい。

第３図の実施例ではＡ・０１０６によって分離された２
つの光ビームは図示していないが、実際には非常に接近
した２ビームに分離している。

この２ビ一ム分離を与える周波数をｆｍとしたとき、物
体面上での分離距離ｄは １１　・■ で与えられる。

但し■はＡ−０１０３を伝わる超音波の速度である。し
かも■はＡ・０１０３の媒質で決まるもので、例えばＶ
＝３．８ｋｍ／ｓｅｃ、　ｌ、　＝１５ｍｍ、ｌ、、　
−５００ｍｍ、　ｌｌｏ　＝　７ｍｍとすれば、ｆ　ｍ
　＝　ｌ　ＯＯｋ　ｌｌｚで、ｄ＝７ミクロンメートル
である。

また物体照射面でのビームスポット径は集光レンズ１０
６に入射されるビームの径（このときは円形ガウスビー
ムに変換されている）とレンズの焦点距離ｌ。に関係す
るが、小さいビーム径及び２ビームの間かくｄをより小
さくするには、シリンドリカルレンズ１３４と焦光レン
ズ１０６の間にビームエクスパンダ−を入れればよい。

このような手段により数１００ｋＨｚのビート信号で２
〜３ミクロンメートル領域の表面粗さを数１０オングス
トロームの精度で測定することが可能となる。

以上述べた如く本発明による表面粗さ測定装置では従来
に比べ、高精度な測定装置を、簡単な構成で実現できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光ヘテロゲイン干渉法による表面粗さ測
定装置のブロック線図、第２図は本発明の実施例による
光ヘテロダイン干渉法による表面粗さ測定装置のブロッ
ク線図、第３図は第２図に用いられる光ヘテロゲイン干
渉法の光学系の詳細を示す模式図である。 １００・・・・・・レーザ発振部、 １０２・・・・・・光アイソレータ、 １０６・・・・・・音響光学素子、 １０４．１０５・・・・・・参照光、 １０７・・・・・・物体面、１１４・・・・・・位相比
較器、１２０．１２１・・・・・・物体反射光、１２２
．１２３・・・・・・光電変換部、１２６・・・・・・
データ処理部、 １３６・・・・・・偏光ビームスプリッタ−１１３５・
・・・・・１／４波長板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ発振部から放射される光を音響光学素子により周
   波数の異なる２つの光線に分割し、該２つの周波数成分
   を有する２つの光線を被測定面である物体面に照射する
   光ヘテロダイン干渉法による表面粗さ測定装置において
   、前記音響光学素子と前記物体面との間に設けられた偏
   光ビームスプリッタ−及び１／４波長板からなる光アイ
   ソレータと、前記２つの周波数成分を有する２つの光線
   を一前記光アイソレータにより２つの方向に分割し、一
   方は前記物体面に照射しない参照光となし、他方は前記
   物体面に照射し且つ前記物体面からの反射光を前記光ア
   イソレータにより再び進路を曲げ物体反射光となし、前
   記参照光及び前記物体反射光を各々光電変換してビート
   信号を作成する各光電変換部と、該各党電変換部からの
   信号相互の位相差を検出する位相比較器と、該位相比較
   器からの位相差情報に基づき前記物体面の凹凸量を演算
   するデータ処理部とから構成される光ヘテロダイン干渉
   法による表面粗さ測定装置。