JPS59214706A - 光ヘテロダイン干渉法による表面形状測定装置 - 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】 いる光へテロダイン干渉法による表ｍ１形状測定ンステ
ムに関するものである。

近年精密機械産業ておいては、高精度機械加」−。

技術が進歩し、加工物の表面粗さ及び表面形状を非接触
で高精度Ｋ　ｉ−１測する要求か出て（・る。

従来の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つの光波の干渉で、℃・わゆるホモダイン干
渉であって測定量は０１ミクロンノートルのオーダで高
精度計測とは言えなし・。

」・たｎ［述のホモタイン干渉で干渉縞の強ル゛と干渉
％相互の位相１１ｒ報からデータ処理して微小な光路升
即ち表面情報に変換する方法があるか、データ処理及び
゛Φ′子回路か複雑となり、コスト高になると見・う欠
点を有している６ さらに表面形状計測にお〜・てはね走査あるいは面走介
を行う場合に測定物を移動さすことによる移動のｉ良通
性か悪いことによる形状誤差を伴う。

木づ？、明による六面形状測定装置は、光ヘテロダイン
干渉による位相情報復調から表面粗き情報を求め、■気
的手段によって光ビームを走査して、走査によって得ら
れた表面粗さデータ集合ケ積分して表ａ１１形状を求め
るものである。

以下に元ヘテロダイン干渉法について述べる。

光ヘデ」コダイン干渉は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℃、差σ月、’
１１波強のヒート信号を得る方法である。

例えは周波ａｆ、、ｆ、１７）光波なＥｌ、Ｅ２と一１
″ねは Ｅ−１（ｔｊ−Ａ１　（ｔｉｃ　ｏ　ｓ　（２πｆ、を
十１（ｔ））Ｅ２（ｔ）＝Ａ２（１）ｃ　ｏ　ｓ　（２
πｆ２ｔ＋ｕ２（ｔ））ここで、Ａ５、Ａ２は振幅、ｓ
、　、　９３２は位相ケ示す。この２つの光波を干渉さ
せると、その強度■（ｔ）は １い）＝ｌＩるｒ　（ｔ）十Ｅ２　（ｔ）　１２　　と
なる。

これを光検出器で電流１（ｔ）Ｋ変換するとｉ　（ｔ）
　Ｃ（Ａ、”　＋Ａ２”−１−２Ａ４Ａ、、　ｃｏｓ　
（２πΔｒｔ十Δグ）イ１↓　し　　　Δ　ｆ　＝ｆ、
　　−ｆ　２　、　　　Ａ９イ・−９イＩ　　　　ｕ２
なる電気信号が得られる。

ここでΔｆば１０５〜１０６１１Ｚのオーダて十分テ電
気的検出が可能で、このビート信号の周波数、位相の変
化を検出することてより、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ができる。

光へテロダイン干渉を行わせる手段としては、ゼーマン
レーザ、音響光学素子を用いる方法が一般的であり、本
発明では音響光学素子（以下匠Ａ・０と略す）を用も・
、前記ビート信号のうちでΔｆは一定とし、位相Δ２を
電気的に淋出１−るものである。さらにＡ−０により光
ビームの走査を行い、走査による位相ジャンプをなくし
、正確に表面情報を得るものである。

第１図は本発明の実施例である表示形状測定装置に用い
らねる音響光学素子の動１作説明を行うための・皮３＜
Ｂフロック線図であり、１はレーザ発振器から発射さｈ
た周波数ｆ。を有する光ビーム、２は音響光学素子（Ａ
・０）、６はＡ・０２内部如形成される超音波進行波に
よる等位相波面である０４はΔ・Ｏｌ−ライバー、５は
直流重圧発生器、６は周波ｉｆｍの正弦波を発生させる
正弦波発振器である。

７及び８はΔ・０２如よって発生させられた周波数がｆ
＋、ｆ２　（ｒ＋〜ｆ’ｉ　　）の空間的如分離された
第１及び第２の光ビームで、９及び１０は光ビーノ、７
．８と同じ周波数で角度θｄだけ偏向された状態を示す
光ビーム、１１は非回折光である。

Ａ・０２は超音波と光の音響光学効果により光の種々の
変調を行うことが可能で、本発明の場合は光偏向として
の働きを行わせる。光偏向は超音波によって物質中に屈
折率の周期的な変動が生じ、これか光の回折格子（超音
波の等位相波面３と同じ）となって、ブラッグ角θ□で
入射した光を回折させる現象である。そしてこの回折特
性ばＡ・０２の構成及びＡ・０２を駆動する電気信号の
動性すこよって決まる。

Ａ・０ドライバー４は高周波パワーアンプ°、ＶＣＯ１
平衡変調器等から構成され、Ａ・○ドライバー４への電
気入力が直流電圧及び正弦波である。

直流電圧発生器５からＶｉなる直流電圧がＡ−０ドライ
バー４の■ＣＯ入力端に印加されると、直流′重圧Ｖ　
＋　Ｋ応じた周波数ｆａなる高周波信号が発生する。さ
らに正弦波発生器６から周波数ｒｍなる正弦波信号なＡ
・０ドライバー４に印加し、ＡＭ変調を行わせ、キャリ
アー周波数ｆａの成分を抑圧して、ｆａ−１−ｆ＋ｎ及
びｆ’、−ｆｍなるサイドバンドパワーを持った信号に
変換し、Ａ・０２に印加づ−れば、超音波トランスデー
−ザーにより印加された電気信号が超音波に変換されろ
。

このとさ、ｒａなる尚周波の周波数（で対応した超音波
の波長の周期毎に、低周波の周波数２ｆｍＫ村応じた非
常に接近した２つの超音波波面が形成さλ′１、光の回
折格子となり、周波数ンフトされた２本の尤ビーｌ、７
及び８が回折される。

ここで光ビーム７及び８の周波数は ｒｌ−［。ｌ　ｆｄ−ｒｍ及び”２　＝”　０　＋ｆ　
ａ−１−ｆｍで、その差の周波数は２　ｆ　’ｍである
。

さらに電流電圧発生器５により電圧をＶＪｔで変えると
、Ａ　−０）ライバー４のＶＣＯにより周波数ｒａ′な
る高周波信号が発生されて、回折格子の波長か変化して
偏向角が変わり、２本の光ビームは９及び１０の体筒ま
で偏向される。

以りの様ＫＡ−０偏向は直流電圧■ｌを変えることりこ
より、超音波周波数を変えて角度偏向し、さら（ｌこ］
１弦波佃号を同時に印加することにより、周波数の異な
る角度偏向された２ビームを発生させることができる。

ここで直流印加電圧ΔＶ、により、Δｆ８なる帯域の高
周波信号が得られるならば 偏光角；Δθｄニーλ・Δ「Ｓ／Ｖａ ２ビーム角；　Δθ８−　λ−２ｒｒｎ／Ｖａとなる。

たたし、ｖａばＡ・０媒質中を伝播′１−る超音波速度
、λはレーザ波長である。

さらに光偏向に：ＩＯいては偏向角Δθｄ全般ｆ／（Ｔ
わたって光の回折効率が一定になることか必要であるが
、一般的ＶＣは回折角がブラッグ角θ、からはずれろた
めに回折効率は偏向角が大きくなるにつれて低下１−ろ
。

この欠点を防ぐために超音波の波長に応じて、回折格子
の傾きを変化させ、常にブラッグ角θ１、を満たすよう
にすればよく、”ｐｈａｓｅｄ　　＝＋ｒｒ；１ｙｂ　
ｅ　；、＋　ｍ　　ｓ　ｔ　ｃ　ｃ　ｒ　ｉ　ｎ　ｇ　
”法かよく知られており、イントラアクション社から製
品として発表されて（・る。

以」二の説明の如き性質を持つ音響光学素子を用い、適
応する電気駆動条件を与えること妃よって光ヘテロゲイ
ン干渉のための２ビ一ム光発生及び２ビーム光の位置（
角度）偏向が可能となる。

次に２ビーム光を物体表面に照射した場合を第２図の模
式的断面図で説明する。

今、周波数ｆ１、ｆ２を有する光ビーム７及び８が物体
１ｒｔｉＡ、ＩＪに照射され、Ａ　１３間の凹凸量がΔ
Ｚあるとずれば、物体で反射された光は２ΔＺなる光路
差を持ち、光電変換受光器で干渉され光電変換されたビ
ート信号は位相がΔりだけ変調される３、 このΔＺとΔグの関係は ΔＸ−λ×Δグ／（４Ｘπ） で表わされる。

λはレーザ発振波長で１１・−Ｎ、レーザの場合は、λ
−０６３３ミクロンメートルであるから、Δり・　１°
　の場合はΔＺ−８８オングストロームでＬＤ）る。

１１”ｉ、気的に位相差Δグを計測１−ることによって
；２ビームが照射されている場所の表面の凹凸量（表面
粗さ）が計測できる。

凹凸の２方向を考慮ずれば、一度に測定できる表面粗さ
の最大値ΔＺは、±１である。

本発明による表面形状計測は表面粗さの位相情報集合は
、１、戸、２、・・・・・、グ、・）を積分、ｌ＝、９
６ｐ・して表面形状を得るもので、表面粗さ位相集合（
り、いｙｌ、２、・・・・、＄ｐｎ）を得るのに、前述
の２ビーム光の分離距離毎に光ビームの位置偏向を行わ
せれば、物体表面走査の連続性が保証される９、さらに
、光ビーム走査を行う場合には、表面粗さ以外の走査に
よる位相変化があられれる。この走査位相集合を（９！
５．、．９！３ｓ□、・・・・・・、Ｏ，ｎ）とする。

従って実際に測定される位相としては、表面粗さ位相と
走査位相の和となり、その測定位相集合は（５１６（ｓ
十ｐ　）１　％　９！５（ｓ＋ｐ　）２、−−　Ｓ５’
（Ｒ＋Ｐ　）　ｎ　）となる０従って、走査位相ｙ８１
　を求めて、 ９６、、−　　二ｕ（ｓ＋ｐ　）　ｉ　　　　５Ｚｆ　
ｌＩｉ如従って９６　ｐ　ｉ　　を得ることが必要であ
る。

前述したことを以下図面眞従って説明する。

第３図は本発明の表面形状測定装置に基づく物体表面へ
のＡ−ＯＩＬよる走査の状態を示す模式的断面図である
。

６０はレーザを照射して測定する物体面である。

６１及び６２はペアーどなっている周波数の異なる第１
と第２の光ビームで、各々が集光面のビーノ・スポット
径（Ｉ　Ｏを有し、そのビーム中心間か＜　＆：１．　
Ｓ　、、てル）る。

この２つの光ビート間距離Ｓ。０１−何月１する光学系
のレンズの焦点距離及びｒｍ周波数Ｖこよって決まり、
１力向の位置ｒ１、２・・・１°ｎの偏向は、同じくレ
ンズの焦点距離及び直流印加電圧即ち発生されろ超音波
周波数によって決まる。光学系ＶＣついては後述する。

第１１図はＡ・０を駆動する直流電圧と時間との関係を
示１−タイムチャートであり、今、時刻ｔ１でＶ・　ｖ
ｌにおける光ビーム６１．６２が夏“１、ｒ２の場所に
あり、そのときの表面の凹凸量ΔＺ１をΔ１の時間に測
定したとづ−る。

次ＶＣは、時刻ｔ２ｖｃおいて光ビーム６１．６２を移
動し、＠１の光ビーム６１が！°２の場所に、第２の光
ビーム３２が！３の場所に偏向されることが必要で、＼
’２””Ｉ　＋ΔＶｉを加えればよい。

ΔＶ１はＳ。の移動距離を与える電圧増加量である。

同じくΔｔの１時間内π表面凹凸量ΔＺ２を１ｌｌｌ＋
定する。この様に表面凹凸を測る第１の光ビーム６１及
び第２の光ビーム３２が物体面上を走査１−るとぎに、
第１の光ビーム６１が第２の光ビーム６２位置（物体表
面照射位置）Ｋ、第２の光ビーム６２は第１と第２の光
ビーム間隔距離Ｓ。たけ離れた位置（物体表明照射位置
）Ｋ移動させるべく、偏向の電圧を制御づ−れば、常に
２光ビームは相互て重ね合せ走査され一定の距薦（だけ
偏向される。

この様１ｔｔｌ偏向走査されて得られた表Ｗ■粗さ位相
は照射される光ビームのスポット面積の範囲で物体の形
状ｖｃ沿った微分値を得るもので、この微分値を積分す
ることてより、形状が復調さｉ＋る。

しかし、従来の如く光ビームを同定し、物体面６０を移
動させれば、移動テーブルの７ラノタ一等１ｔＣより、
物体面が傾き、測定される位相か異なってしまい正確な
形状復調ができなし・１、また光ビームを走査１−る場
合に、前述の止ね合せ走査しな（・場合にも、測定場所
のジャンプか起こり、べ）に１．り表面形状の正確な復
−、′！ｌばできない。

第５図は物体形状と位相の関係の例を示１−もので、第
５図（ｅｌ）は本発明の表面形状ａａｊ定装ヱＩ゛の朋
叫例による光ビームと被測定物体との位置関係を／ｊ＜
１−模式的断面図で、段差Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３を有−４′
る。この表面に光ビーム５１及び５２を照射すイ）。今
、尤ビーム５１及び５２か凹凸の無い平面部５３　Ｋ　
＋’＠射されたときは、２光ビ一ム間に凹凸による光路
差かな（・ため、２光ビ一ム間の位相差はＯであるが、
段差Ｚ１に照射されるとダ、−４πＺ１／λ なる位相差か生じる。この関係で段差２．１．Ｚ３に対
して位相差戸２、ダ、が生じる。これを電気的Ｏて測定
される位相は物体反射光信号と参照信号との位相差であ
って平面部５３での２光ビ一ム間の位相差を基準とした
ときの物体面を走査した位相特性を第５図（ｂ　）、に
示す。

第５図（Ｉ））は純粋に表面情報のみをふくんだ、（・
わば理想位相特性図である。これは前述の第５図（２１
）の表面形状の微分値を与えイ）ものて、この表面粗さ
位相集合を積分′１−れば、第５図（２］）に記した表
面形状が求められることにプ工ろが、実際圧測定で４ら
れる位相特性図は第５図（（）Ｖこ示す如くになる。

こ」１ば、後述する光学系を用（・た、光ビームスキャ
ンによるため、使用するレンズ及びレンズ系（７）　セ
ツティング誤差、被測定物体のセツティング誤差による
光路ずれ等のために発生ずるもので、図示の通り、ル）
る関数ｆ（ＯＳ）Ｋ従って変化づる。

関数ｆ（ダ、）は物体表面が理想的に鏡面で表面凹凸を
持たなくとも光ビームスキャンを行うことで必然的に発
生するもので、前述の走査位相ｌＳ１である。ｆ（＄　
Ｓ）は一般的如は奇関数となるものて、：３次関数的に
表わされる場合が多し・。光ビームスキャンがレンズの
中心伺近にあるとぎは直線的となり、レンズの中心から
はずれてくると直線からの変化か次第に大きくなるよう
な位相変化を示−４−６このようにして測定で得られた
Ｏ（ｓ　１．　Ｉ））　ｉから関数形ｆ（り、ｌ）をみ
つけて、り（ｓｌ、）　ｉ　　Ｘ　ｓｉにより、第５図
（＋））Ｋ示した形の純粋な表面凹凸による位相をみつ
ける必要がある。

今、測定しようとする段差Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３等による位
相が平面部の粗さによる位相と比べて十分に大きいと１
″ればＸ８１の変化率よりも位相り１．５１２．５１．
、が十分Ｆ大きイタメ、場所１’＋、’−２，１’３．
１’、等の位相をカントして、それぞれの場ノブ［の近
くの位相を直線で近似して坦十分な精度でｆ’Ｊ！ｒ、
）を得ることができ、従って物体表面による位相ダ、を
取り出すことができる。

また、最小自乗法、チェピンエフ多項式近似等によっ−
（数学的に走査位相関数ｆｃ９３．）を求めれば更に精
度が向上１−る。

次に本発明の実施例である表面形状測定装置にブロック
線図を第６図に示す。

６０はレーザ発振部で１−１　ｅ−Ｎ　ｅレーザ、ある
いは半導体レーザ等が用いられる。レーザ発振部６０か
ら発射されたレーザ光線である光ビーム１は、第１図で
説明したＡ・０２によって、周波数の異なる２つの光ビ
ーム７及び８に分離され、かつ偏向される。

６１は偏光ビームスプリッタ−及び上坂長板がら成る光
アイソレータで、Ａ・０２と測定１−る物体６４との間
に設置′１−る。

光ビーム７及び８は光アイソレータ６１により２方向に
分離せられ、一方は物体面６４に照射しなし・参照光と
なし、他方はレンズ６３により集光されて物体面６４（
で照射され、その反射光を再びレンズ６６を通して、光
アイソレータ６１で再び進路を変え、物体反射光となす
。

６２及び６５は前述の参照光及び物体反射光の光重変換
部で、例えばＩ）　Ｉ　Ｎフメトタイオード等で構成さ
れ、得られたビート電流信号をさらに電流−電圧変換を
行わせ、直流成分をカッｌ−してそれぞれ交流電圧信号
である参照光信号６６及び物体反射光信号６７を作成し
、位相比較器６８に入力１−る。

参照光信号６６及び物体反射光信号６７は共に２光ビー
ムの干渉へ５すなわちビート信号で、参照光信号６６は
物体表面６４の情報をふくまず、物体反射光信号６７は
物体表面６４の情報をふくみ、その表ｒ（ｔｊ状態に応
じて位相変化を有する。

位相比較器６８は上記の参照光信号６６と物体反射光信
号６７の間の位相差Δ２を求める。

このよつｋ（して得られた位相情報が前述の（５ｌ（ｓ
　、１．１＋　）　１、ｕ（ＩＭＦ）２、”　−Ｉｔｓ
　＋　ｐ　）　ｎ　）集合であり、第５図て説明した様
にデータ処理部６９で表１ｎ１粗さ位相集合（ダ、１１
％　＋’２、・・・・・・φ１．ｎ）を求め、積分して
表面形状を求める。

第７図の模式図で本発明に用いる光学系の実施例ヲｙｓ
〈−Ｊ−ｏ　７１及び７５はシリンドリカルレンズで各
々の焦点距離をｅ、とする。７２及び７６は平凸レンズ
で各々の焦点距離を４２とする。

一般ＫＡ・０２は超音波と光の相、Ｆｌ−作用を用いる
ものであるから、相互作用の時間が長い方が分解点数が
高まるため、Ａ・０２へ入射さぜるビーム径は広い程良
（・０そのためにシリンドリカルレンズ７１と平凸レン
ズ７２の組み合せで一つの径方向匠広がった、だ円ビー
ムを形成する。

７４は偏光ビームスグリツタ−１７６は１波長板である
。６３は光ビームを細いビーム径に集光１−るための集
光レンズで、その焦点距離（はｌ　ｆｌである。

レーザ発振部６０から発射される光ビーノ・はある任意
の偏光軸を持つ直線偏光で、その偏光＋＋ｑ＋＋　＋＊
、レーザ管を回転させることで容易ＶＣ調整できる。

一般にビー！・信号である参照光信号６６及び物体反射
光信号６７の振幅は異なり、位相比較器６８（（ば、で
きるだけ振幅の近い状態の電気信号を人力するのが好ま
しいため、照射する物体面６４０反射率に応じて直線偏
光軸を調整する。

第８図疋第７図の光学系匠おける２ビ一ム分離の光路を
詳しく説明した要部模式図を示す。

８１及び８２が実際に分離されている光ビーノ・を表わ
す。また物体反射光で重なりのある光ビーム部分８６が
干渉されたビート信号が得らλ土ろ領域である。

前述の各レンズの焦点距離を用いると、２つの光ビーム
のスポット中心間の距離ハ ５ｏ＝２１１２−　ｄＯ−λ−ｒｒｎ／（ｄｌ・Ｖ、）
とｔ〔す、土た、偏向される距離Ｓｄは３１８０周波数
差として、 Ｓｄ　−ｅ、・　ｌｏλΔｆ、／　（ｅ、−’Ｖ、）と
なる。

説明した光学系から明らかな如く、偏向′１−れば２光
ビームはレンズの長軸方向に移動し、従って２光ビーム
の重ね合せられた干渉光は第８図て（・うと偏向によっ
て左右方向に移動するために前述の走査による位相の変
化が起こることになる。

以上説明した如く、本発明による表面形状測定装置゛は
、光へテロタ゛イン干渉の持つ高精度ｉ１ｄ！１１を基
礎とし、振動等の外乱の影響を受けることなく、表面粗
さと共に表面形状も同時にＧ−Ｉ測１−ることが可能て
応用範囲の広い装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である表面形状測定装置に用（
・られる音響光学素子の動作説明をするための要部ブロ
ック線図、第２図は第１図で示した光ビームか物体表面
に照射されたときの様子を表わした模式的断面図、第３
図は第１図で示した光ビームを物体表面に走査したとき
の様子を示１−模式的断面図、第４図は第３図における
物体表面走査を制御するためＡ・０ドライバーｒ供給す
る直流電圧の状態を示すタイムチャート、第５１＃ｌに
＋）は本発明の実施例である表面形状測定装置のＡ・０
からの光ビームと被測定物体との位置関係を示′１−模
式的断面図、第５図（ｂ）は笛５図に＋）Ｋ基づ（理想
的な位相特性図、第５図（Ｃ）は第５図（ａ）に基づき
実際に得られろ位相特性図、第０図は本発明の実施例で
ある表面形状測定装置の要部ブロック線図、第７図は第
６図の表面形状測定装置に用いられる光学系の実施例を
示す模式図、第８図は第７図の光学系における２ビ一ム
分離の光路を詳しく説明した要部模式図である。 １・・・・光ビーム、　２・・・・・音響光学素子、４
・・・・音響光学素子ドライバー、 ５・・・・・・直流電圧発生器、　６・・・・正弦波発
振器、７．６１・・・・・第１の光ビーム、 ８．６２・；・・・第２の光ビーム、 ６０・・・レーザ発振部、 ６２．６５　・・・光電：変換部、 ６８・・・・・・位相比較器、 ６９・・・・・データ処理部。 特許出願人　シチズン時計株式会社 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 ／、　７２１３　′４

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ発振部と、該レーザ発振部から放射されろ光ビー
   ムを入射する音響光学素子と、該音響光学素子を駆動す
   るだめの音響光学素子ドライ・く−と、前記光ビームを
   前記音響光学素子で光偏向制徊１１−べく前記音響光学
   素子ドライバーに供給する直流電圧信号を出力する直流
   型°圧発生器と、前記光ビームを前記音響光学素子でそ
   れぞれ周波数を異ならせ且つ空間的に分離した第１の光
   ビーム及び第２の光ビームを発生′１−べく前記音響光
   学素子ドライバーに供給する正弦波信号を出力する正弦
   波発振器と、前記直流電圧発振器の直流電圧何月により
   前記第１の光ビームを前記第２の光ビームの物体表面照
   射位置へ且つ前記第２の光ビームを前記第１と第２の光
   ビームの中心間隔、距離だけ離した物体表面照射位置へ
   と順次偏向させる２ビーム走査を行って得られる前記物
   体表面からの物体反射光と前記物体表面に光ビーム照射
   させな（・参照光をそれぞれ光電変換してビート信号を
   作成１−る各光電変換部と、該各党電変換部からの各ビ
   ート信号の位相差を検出する位相比較器と、該位相比較
   器の位相差情報から前記物体表面の位相情報のみを取り
   出し且つ積分処理を行うデータ処理部とから構成されて
   いる事を特徴と′１−る光ヘテロダイン干渉法による表
   面形状測定装置。