JPS6118804A

JPS6118804A - 光学式表面粗さ計

Info

Publication number: JPS6118804A
Application number: JP13901684A
Authority: JP
Inventors: Koji Nakazawa; 中沢　宏治; Yoshisada Oshida; 良忠押田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-07-06
Filing date: 1984-07-06
Publication date: 1986-01-27
Also published as: JPH0414283B2

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】〔発明の利用分野〕本発明は光学式表面粗さ１１に係９、％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
のには、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
物の表面にはばクロ的に見ると傷が付いてしまうという
問題点があった。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
縞から測定面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：　Ｆｕｎｄａｒｎｅｎｔａｌｓ　ｏ
ｆ　０ｐｔｉｃｓ　、　ＭｅＧｒａｍ　Ｈｉ　Ｉ　Ｉ　
−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だめの要部
断面図、第６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６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１０αによって保持された参
照ミラ、５はハーフばうであり、照明光６はハーフミラ
５で反射して測定物９、参照ミラ１０ヲ照らす。測定物
９と参照ミラ１０からの反射光４は互に干渉し、ノ・−
フミラ５を透過してモニタされる。この干渉縞は、例え
１”；ｉ’第３図のように見える。同図中Ａ、Ｂ点の光
強度をそれぞれ工Ａｌ：ｉ：Ｉｔとし、いま参照ξう１
０をＸ方向に一定速度でゆっくりとモータ等で移Ｉｌｂ
きせることによシ尤路長を変化させていくと工Ａ、より
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、■園で干渉縞は最
も明るく見え、１關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シ、前
記干渉縞の元強度工は第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、測定光学系を防振台の上にのせた
場合でも、数１０Ｈ２以下の振動が無視できなくなシ、
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劇
程度が限界であった。

光路長を変化させる手段としては、前述した参照ξう固
定ステージを１０４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シ移動させる方法も知られてい
る（特願昭５７−１６８３１．．３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シまぬがれることができな
いという問題点が残った。

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図の工
Ａａｍ、ｌＢや）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１顯（−！たはニー）の点を検出
する精度は！シδｔａ工（または　／ａ′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った。した
がってδＸ（第４図）の検出分解能は０．１μｍ程度が
限界であった。

さらｌｃｔだ、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、
その演算時間がぼり大になるため、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゛問題点もあった。

〔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〕

本発明に係る光学式表面粗さ計の構成は、参照εうと測
定物とに光を入射させ、これらからの反射光を互いに干
渉させて前記測定物の表面粗きを測定する光学式表面粗
さ計において、参照ミラに光が到達して反射してくる光
路長を外来振動の振動速度よりも速い速度で変化させる
高速駆動手段と、前記参照ばうからの反射光と測定面か
らの反射光との干渉によって生じる干渉縞を受像する多
画素イメージセンサと、この多画素イメージセンサの各
画素間の時間にともなう光強度の変化の位相差を検出し
、この光強度の明暗周期に対する前記位相差の比を、演
算することができる信号処理回路とを具備せしめるよう
にしたものである。

さらに詳しくは、外来振動の影響を受けないようにする
ために、問題となる外来振動（主に数１０Ｈ２以下）の
振動速度よりも、さらに速い速度で光路長を変化せしめ
る高速駆動手段を設け、この高速駆動手段によって測定
点における干渉縞の光強度の明暗の繰返し周波数を該外
来振動による干渉縞の繰返し周波数よりも高くなるよう
にし、その結果として外来振動による干　　　７渉縞の
繰返し周波数と測定手段による干渉縞の繰返し周波数と
を容易に弁別することができるようにしたものである。

さらに、前記各測定点における干渉縞の光強ａ工度工の時間的変化　’ａ　ｔ　が最大となるところで、
各測定点の干渉縞相互間の位相差を検出することにより
、きわめて高精度な面粗さ測定を可能ｒこしたものであ
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によって説明する。

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グにフィ
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はビームスグリツタ、’１２−１　、
１２−２は、いずれも対物レンズ、１４は、その先端に
参照ξう１３を取付けた、高速駆動手段に係るピエゾ素
子であυ、このピエゾ素子１４は、参照ミラ１′３を元
軸方向に高速駆動（たとえば５００Ｈｚ、蛋幅５μｍ）
することによシ、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（ＣＯＤ　、　ＣＧＰＤ７”、Ｃど）　、　Ｔ
Ｖ　、ｌ’７メシ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ξう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１
２−２の倍率よりも低倍率になっており、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さ
れている。

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）によって該測定。

物１５の高さ方向、横方向の位置決めと、おお。

り引！４整ができるようしてなっているステージ、１７
は、このステージ１６を載置固定し、モータ１８によっ
て送シ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１番目（Ｌ　＝　
１．２　、　Ｍ　、・・・・・　）の素子出力と＝＋１
番目の素子出力を取出すアナログマルチブレフサ、２６
−１．２６−２は、いずれもアンプ（も、＜。２．ッ、
ア３．２Ｂ−１，２８，２計いアｎもバンドパスフィル
タ（略してＢＰＦ　）（もしくはバイパスフィルタ（略
してＨＰＦ））、３０−１．５０−２は基準値設定部、
５１−１．３１−２はコンパレータ、６２は理論演算回
路、６６はデジタル演算回路、３５はメモリ、６６は減
算回路、３７はＤＡ変挨器である。

このように構成した光学式表面粗さ計によって測定物１
５０表面゛徂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。２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５５にメ
モリされたこ力、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１Ｃ
より測謂物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■ｔｗｏ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１５について上
記演算出力り、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ィルタ通過後
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って、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からでた元は照明レンズ系２を通シ、ビー
ムスグリツタ１１で透過光３−１と反射光６−２とに分
れる。透過＄　３−１は対物レンズ１２−１を通って、
ピエゾ素子１４の先端に取付けられた参照イ２１３に入
射し、一方反射光３−２は対物レンズ１２−２を通って
測定物１５に入射する。Ｂσ記参照ξう１６は元軸方向
に、ピエゾ素子１４によって高速駆動されている。

参照ξう１６．測定物１５からの反射光はビームスグリ
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＋７２２［Ｊ：肥土渉縞を結像する。

この場合、問題となっている外来振動の周波数が””Ｚ
　＋振幅が０．５μｍとすると振動速度は約６”１乙と
なり、これによって生じる、ある測定点の干渉明暗の繰
返し周波数は、照明光の波長λを０．６μｍとすると約
１０Ｈ２となり測定光学系を静止させた状態でも、これ
だけの干渉縞のゆらぎが生じる。これに対して、本実施
例では、ピエゾ素子１４を元軸方向に、たとえば周波数
５００Ｈ２、振幅５μｍの、第１０図に示すような鋸歯
状波で振動させると、振動速度は約２．５ａｘ／ｓとな
り、干渉縞明暗の繰返し周波数は約ｆ３ＫＨ７゜となる
。したがって測定物１５の特定の測定点に対応して多画
素イメージセンサ２２の１素子に結像される干渉縞み出
力信号工は、第７図に示すように、光路長変化量Ｘまた
け時間１に伴なって上記８　ｋＨ２の基本周波数となっ
て検出され、外米微動の彰響け、出力信号の周期Ｔの時
間的変化として検出される。

このことを、第６．８．９図を用いて説明すると、アナ
ログマルチブレフサ２５ＶＣ，よす、多画素イメージセ
ンサ２２のＬ番目（Ｌ＝１．２゜・・・・・・）の素子
出力と＝＋ｉ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
ドパスフィルタ２８−１．２８−２１Ｃより、第７図に
示す干渉縞の基本周波数成分を取り出すと、その出力２
９−１゜２９−２は、第８図に示すように、それぞれＶ
Ｌ。

Ｖ　Ｌ　−１−１となる。ここでは直流成分は除去され
、出力ＶＬ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５１−１゜６１−２で
出力ＶＬ　、　ＶＱ＋ｌ　をそれぞれ基準値設定部３０
−１　、３０−２　Ｋ設定した基準値と比較すると、第
９図に示すようｒ、Ｈ矩形波ｃｐ　Ｑ　、　ＣＰ　Ｌ＋
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ｆｔ　ｂちθＶＬ　／　ａ　ｔ　、　
ａＶＬ＋＋％ｔが最大となるところ）。

次に論理演算回路５２ＶＣより、第９図における２個の
矩形波ＣＰＬ　、　ＣＰＬ＋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ＣＰ　Ｌ。

Ｃ”Ｌ＋１の立上り部分でδｔを取出しているが、立下
り部分でも取出すどとができる０矩形波δｔと基準クロ
ックパルスｆＯの論理積をとリ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ＣＰＱ　、ｃｐ、、＋１の周期Ｔまたは
半周期′／２ＶＣ相当する矩形波と基準クロックパルス
ｆＯの論理積をとりカー２ンタテカウンにすればＴ＝ｉ
たはＴ／／！ｒｃ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、′ｒ／／２に相当するデ
ンタル出力Ｄ（／ｌ）である。

次にデジタル演算回路６３により、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表面のに番目の点とＡ＋１番目の点との間
の段差である。ただしλは尤の波長である。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
タル演算回路ろ３で行なっているが、アナログ演算回路
を用いてもできることほぎうまでもない。

上記（１）マたは（２）式の演算が終了すると、演算［
子信号（クロックパルス）３４１Ｃよりマルチプレクサ
２５０チヤンネルがｉｒ＋１．Ｌ→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によシメモ
リ５５に記憶される。

多画素イメージセン・す、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ｔ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
ついて予め求めである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５７へ通され、測
定物１５の表面粗さがアナログ信号Ｖ＋ｅｗｉ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、／２
の測定時間と、前記ｔ１１　、　ｔ２ｊ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。

対物レンズとしで１００倍の高倍率のものを用いること
により、測定面分解能０．５μｍ１表面粗き測定精度１
ｎｍが得られた。壕だ、高速デジタル演算回路を用いる
ことによシ、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１４Ｖｃよって高速駆動し、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ａＶ；、／ａｔ。

ａＶｊ、−Ｈ／ａｔ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
う効果もある。さらに、参照ξう１６側の対物レンズ１
２−１の倍率を測定物１５１１１１ｊｌの対物レンズ１
２−２の倍率よりも低倍率にし開口数ＮＡを落とすこと
によシ参照ξう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、
バンドパスフィルタ２８−１．２８−２出力のＯｖを用
いて設定するようにしたが、第１１図に示すように、ピ
ーク値検出回路などによりニー、工輻を検出し、その平
均値（工輻十王−”）／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、ａｖｒ／ａｔθＶ
Ｌ、／ａｔ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の着出は同倍率
であってもよく、また、対物レンズ１２−１．１２−２
ｆ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Ｖｃまた、第１図に破線で示すように、λ／４板２
６．検尤子（偏光板）２４を挿入すれば、平′面偏尤し
−ザｊｔ源を用いて、測定物１５と参照ミラ１６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、ｖｃｒＸＬｉ
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ＶＣ係る夷通例では、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５１
７Ｗ’ｒｍ付けて、対物レンズ１２−ＩＶＣ入射させる
尤６−１を反射させることによシ尤路長を変化させるよ
うにしたものである。

このようＶＣ，構成しても、前記第１図に係る実施例と
同様の効果に！するものでおる。

〔発明の効果〕

以上詳？１８ｉｒｃ説明したように不発ＦＪＪ４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とする
光学式表面粗さ計を提供することができる。

【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因、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６図に
係る干渉縞の明暗におよぼす外来振動の影響回路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、第フ図Ｖこ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ィルタ
通Ａ後の出力図、８９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、第１１図は、コンパレータの基準値
の他の例を示す波形図、Ｍ１２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。 ′５−２・・・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１５　・・・参照ばラ　
　　　　　１４　・・・ピエゾ素子１５・・・測定物　
　　　　　　２２・・・多画累イメージセンサ２５　・・・アナログマルチプレクサ２６’−１、２６−２・・・アンプ２８−１　、２８−−２　　・・バンドパスフィルタ３
０−１．３０−２・・・基準値設定部５１−１，１１−
２・・・コンパレータ６２・・・論理演算回路６５・・・デジタル演算回路５５・・・メモリ３６・・・減算回路６７・・・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

【特許請求の範囲】１、参照ミラと測定物とに光を入射させ、これらからの
反射光を互いに干渉させて前記測定物の表面粗さを測定
する光学式表面粗さ計において、参照ミラに光が到達し
て反射してくる光路長を、外来振動の振動速度よりも速
い速度で変化させる高速駆動手段と、前記参照ミラから
の反射光と測定面からの反射光との干渉によって生じる
干渉縞を受像する多画素イメージセンサと、この多画素
イメージセンサの各画素間の時間にともなう光強度の変
化の位相差を検出しこの光強度の明暗周期に対する前記
位相差の比を演算することができる信号処理回路とを具
備したことを特徴とする光学式表面粗さ計。２、参照ミラの前、および測定物の前に、それぞれ対物
レンズを設けるようにしたものである特許請求の範囲第
１項記載の光学式表面粗さ計。３、参照ミラの前に設けた対物レンズの倍率を、測定面
の前に設けた対物レンズの倍率よりも低倍率にした（開
口数ＮＡを小さくした）ものである特許請求の範囲第２
項記載の光学式表面粗さ計。４、干渉縞の光強度Ｉの時間ｔに対する変化率∂Ｉ／∂
ｔが最大となるところで、多画素イメージセンサの各画
素間の時間にともなう光強度の変化の位相差を検出する
ことができる。コンパレータとコンパレータの基準値設
定部とを設けるようにしたものである特許請求の範囲第
１項記載の光学式表面粗さ計。