JPS60100006A - 光ヘテロダイン干渉法による表面測定装置 - 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】 本発明はレーザを用いた光ヘテロダイン干渉法による表
面測定装置に関するものである。従来性なわれている光
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一
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＝ｏ、ｏｘ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一新たな高精
度測定器の開発が待たれている。光ヘテロダイン干渉は
ホモダイン干渉に比べて２桁以上も高精度に表面状態を
計ることができる方法である。光へテロダイン干渉は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
な光電変換して、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ｆ、、ｆ２の光波をＥ、−Ｅ２とすれば Ｅ、（ｔｌ＝Ａ、（ｔ）ｃｏｓ（２πｆ、ｔ＋ダｌ　ｆ
ｔ））Ｅ、　（ｔ）＝　Ａ２（ｔｌｃｏｓ（２πｆ２ｔ
＋ダｚ（ｔｌ）ここで−Ａ、、Ａ２は振幅−９６，−９
６２は位相を示す。

この２つの光波を干渉させると、その強度Ｉ　（ｔ）は Ｉ（ｔ）＝　ｌ　Ｅ、　（ｔ）−１−Ｅ２（ｔｌ　ｌ　
２　となる。

これを光検出器で電流ｉ　（ｔｌに変換すると１（ｔｌ
ｏｃＡ、　”　＋Ａ２”　＋２Ａ、　Ａ２ｃｏｓ（２π
Δｆｔ十Δダ）但Ｌ　１ｆ＝ｆ＋−ｆ２−ＡＩ−４−１
ｔなる電気信号が得られる。

ここでΔｆは１０５〜１０Ｈｚ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ができる。

本発明による光ヘテロダイン干渉法による表面測定装置
では音響光学素子（以下にＡ・０と略す）を用いて前記
周波数の異なる２つの光線を発生させ、干渉されたビー
ト信号の位相検出を行なうと共に、ゲイン検出も行なっ
て、表面測定例えば表面粗さ１表面形状−微小角度等の
測定範囲を広げ、測定の信頼性を高めることを目的とす
る。

第１図に本発明の実施例である表面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ｆｏをもつ１
本の光ビーム１０１は音響光学素子（Ａ・０）１０３に
入射される。Ａ・０１０３はｆｍ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ダ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は一般に電圧制御発振器
（ＶＣＤ）、平衡変調器、高周波パワーアンプ等から構
成され、超音波駆動信号の周波数ｆａ酸成分対して−ｆ
　ａ　−ｆ　ｍ及びｆ　ａ　−１−ｆ　ｍなる周波数成
分を持つ信号を発生させ、Ａ・０１０３内部を透過する
光の周波数シフトを行なうもので、光ビーム１０４はｆ
　ｏ　−１−ｆ　ａ　−ｆ　ｍ−光ビーム１０５はｆｏ
−１−ｆａ−１−ｆｍなる周波数を持ち−その差の周波
数は２ｔｍである。

ここで光ビーム１０４及び１０５の間の距離は周波数ｆ
ｍに比例する。光ビーム１０４及び１０５の２つの光線
をひとつの単位としてプローブ光線となし、該プローブ
光線を２つの方向に分割する。

１０２は偏光ビームスプリッタ−及び１７４波長板から
構成される光アイソレータで−Ａ−０１０６と測定する
物体面１０７０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１０７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１２０゜１２１とする。１２２及び１２３は参照光１
０４゜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。

表面情報をふくまず、物体反射光１２０及び１２１は光
ビームが照射されたポイントの表面情報即ち表面の粗さ
あるいは表面の傾き角度等の表面情報を含む。

光１２０−１２１は物体面１０７の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１２５は各々 Ａ、’ｃｏｓ（２π・２　ｆｍｔ＋θ１）　及びＡ２’
ｃｏｓ（２ｙｔ　ｍ　２ｔｍｔ十θ２）　で表わされる
。

θ、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θ２−６１が
実際の表面凹凸量に相当し一位相比較器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なる表面凹凸量があれば。

Ｚ＝λ・θ／４π、（θ＝０２−θ１）　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Ｈｅ　
−Ｎ　ｅ　ｖ−ザな用いれば、λ＝０．６３２８ミクロ
ンメートルであり１位相差１°当りのＺは８．８オング
ストロームとなる、電気的に１°の位相検出は十分に可
能であり一従来のホモダイン干渉法と比べて１００倍以
上の高感度計測が可能である。

ここで位相計１１４は−π≦θ４πあるいは０〈θ≦２
πのいずれかのモードで位相角を測ることができるが、
例えばＯ４０〈２πモードで動作しているとき、θ＝３
πはθ＝πとしてしか計測せず、一般的にθ＝　２　ｎ
π十θ。（ｎは整数）においで−〇は不定でθ。のみの
計測となる。

２ビームのプローブ光１０４，１０５が物体面の範囲が
位相角０≦θ≦２π又は−π≦θ≦πでの測定範囲であ
る。

位相計１１４が一π≦θ〈πのモードで動作しλ と誤って判定してしまい、正確な表面状態の復調ができ
ない不都合がある。即ち位相計１１４だけではＩＺｌ）
−なる表面状態を計測できない。

１１５は参照光と物体反射光のゲインを測定するゲイン
検出器で、物体反射光の光量変化を検出するものである
。ここで参照光の光量は一定である。

表面の粗さ、形状等によって、物体面に照射されたプロ
ーブ光の反射光は反射の方向が異なり。

光電変換部１２６での光量が変化する。粗さが犬−形状
変化が大きくなるに従って反射光の反射角度が大きくな
りゲイン検出器１１５のゲイン測定値が小さくなる。１
２６は位相比較器１１４及びゲイン検出器１１５のデー
タに基すきプローブ光が照射された物体面１０７０表面
状態を演算するデ−タ処理部１２６は位相計１１４から
の位相データによりｈｏを、ゲイン検出器１２６によっ
てｎの値をめ、Ｚを算出するものである。ゲイン検出器
１１５の出力データはアナログ的に細かい変化を正確に
検出する必要はなく−ｎ＝ｏ−１，２・・・・等に対・
応したディスクリートな情報で十分である。

第２図（ａｌは２ビーム光が物体の表面に照射されてい
るときの入射光と反射光の関係を示す側面図。

第２図（ｂ）は物体表面の斜面角とゲインとの関係を示
す特性図、第２図（ｃ）は位相の関係を示す特性図であ
る。

第２図（ａｌの２０は平面部２１に入射する２ビーム光
で、その反射光は入射光２０と等しい方向に反射される
。２２は斜面部２３に入射する２ビーム光でその反射方
向は斜面角βが大きくなるに従って入射光線からはずれ
てくるため、第２図（ｂ）に示す如く、斜面角βに従っ
てゲインが小さくなる。

２ビーム光の間かくと斜面角βによって決まる２ビーム
光の光路差が大きくなるため第２図（ｂｌのＡ−Ｂはｎ
＝ｏ、Ｂ−Ｃはｎ＝１−Ｃ−Ｄはｎ＝２の状態となるか
らゲインがＢ状態、Ｃ状態の２値をデータ処理部１２６
に予じめ記憶しておけば、測定されたゲインの値がらｎ
の値が決定できる。

従って第２図（Ｃ）に示す如くｎ＝０では位相角はＰ（
、、Ｐ、−ｎ＝ｌでは位相角はＰ。−Ｐ２ではな（てＰ
。、Ｐ、、Ｐ２．ｎ＝２では位相角はＰ、Ｐ３ではなく
ｐ。、ｐ、、ｐ２−　ｐ。

Ｐ３の関係で決まる位相角の軌跡をとらえればよいこと
になる。

即ち各々の測定される位相情報θ。に対してｎ　＝　Ｑ
ではθ＝θｏ−ｎ＝１ではθ＝２π−θ０−ｎ　＝　２
ではθ＝２π十θ。・・・・・・という関係で実質の位
相差を算出し、表面情報を復調すればよい。

尚、線上、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−０１
０３の偏向作用を用いる走査の方法がある。

第３図は第１図に用いられる光ヘテロダイン干渉の光学
系の詳細を示す模式図であり、１３０及び１３４はシリ
ンドリカルレンズで各々の焦点距離はｌ、とする。１３
１及び１６２は平凸レンズで各々の焦点距離は１２とす
る。１３６は偏光ビームスプリッタ−５１３５は１７４
波長板。

１０６はレーザ集光レンズで焦点距離はｌｏとする。

一般にＡ・０１０６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
スプリンター１６３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一位相比較器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。また非回折光は図から省
略している。

この２ビ一ム分離を与える周波数をｆｍとしたとき一物
体面上での分離距離ｄは ｌｌ・■ 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・０１０６の媒質で決まるもので１例えばＶ
　＝　３．８　ｋｍ／５ｅｃ＝　ｌ　１＝　１５　ｍｍ
ｍｍ−１２＝５００．１６＝７ｍｍとすれば−ｆ　ｍ　
＝　１００　ｋ　Ｈｚ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
るが一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１６４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℃・
。

以上述べた如く本発明の光ヘテロダイン干渉法による表
面測定装置では、物体反射光の位相と共測が可能となり
一測定対象範囲が広くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ヘテロダイン干渉法による表面
測定装置のブロック線図、第２図（ａ）は２ビーム光が
物体表面に照射されているときの入射光と反射光の関係
を示す側面図、第２図（ｂ）は物体表面の斜面角とゲイ
ンとの関係を示す特性図、第２図（ｃｌは位相関係を示
す特性図−第３図は第１図に用いられる光ヘテロダイン
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。 １０３・・・・・・音響光学素子。 １０４’−１０５・・・・・・参照光２１０７・・・・
・・物体面、１１４・・・・・・位相比較器。 １１５・・・・・・ゲイン検出器− １２０，１２１・・・・・・物体反射光、１２６・・・
・・・データ処理部。 第２図 （Ｇ） ３ （ｂ） （Ｃ）

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測定装置において、前
   記音響光学素子から放射される周波数の異なる２つの光
   線をひとつの単位のプローブ光線となし、該プローブ光
   線を２つの方向に分割し、一方のプローブ光線は前記物
   体面に照射しない参照光となし、他方のプローブ光線は
   前記物体面に照射し、該物体面に照射された光の反射光
   を物体反射光となし一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
   、該各光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、前記物体反射光の反射光量の変化を検出す
   るゲイン検出器を設け、前記位相比較器と前記ゲイン検
   出器からのデータに基すき前記物体面の表面状態を演算
   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
   法による表面測定装置。