JPS62214309A - 表面粗さ・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】 〔発明の利用分野〕 本発明は表面粗さ・形状測定装置に係り、特に正弦波位
相変調されたレーザー光を参照光として用いた干渉法に
よる表面粗さ・形状測定装置に関する。

〔発明の背景〕 周知の如く、表面粗さ測定装置には、接触式と非接触式
との２つのタイプがある。接触式は触針で被測定物上を
移動する為、被測定物を傷付ける虞がある。この為、表
面粗さ測定装置としては非接触式が有利である。

従来、被測定物の表面粗さを非接触で測定する方法とし
てフェーズ・ロック干渉法がある。この方法を第５図に
示す干渉計について説明する。単色点光源１から発せら
れた光は、レンズ２によって平行な光に広げられ、ビー
ムスプリンタ３によって分割されて被測定物４及び反射
鏡５に入射される。

この被測定物４で反射した物体光と反射鏡５で反射した
参照光は互いに干渉し、レンズ６を介して光電検出器７
に専かれる。反射鏡５は、振動子８によって光の波長の
数分の一以下の微小振幅で正弦波上に振動が加えられて
いるのでその振幅をａ、周波数をｆとすると、干渉パタ
ーン上の任意の点Ｘでの光の複素振幅は次のように表わ
せるＶ　（ｘ、　ｔ）　　＝　ｕ　ｏ（ｘ）ｃｘｐ　　
　ｉ　　（ｗ、Ｌ　　＋φ。（ｘ）　　）十ｕ、　ｅｘ
ｐ（ｉ　　（ｗ、ｔ＋φ。

ただし、ｕｏ（ｘ）およびφ。（ｘ）はそれぞれ物体光
の振幅と位相であり、ｕ、およびφ、はそれぞれ参照光
の振幅と位相である。

これから強度は １　（ｘ、ｔ）　＝　ｕｏ　”（ｘ）　＋　ｕ、　ｚ＋
　２　ｕｏ（ｘ）ｕ、　ｃｏｓ　　（φｒ−φｏ（ｘ）
＋（４π／λ）　ａ　ｓｉｎ　（２ｒｃ　ｆｔ）　　・
（２）となる。これは三角関数の加法定理およびＢｅ５
ｓｅｌ関散の展開公式を利用すると、次のようになる。

Ｉ（ｘ、ｔ）　　＝ｌＪ０”（ｘ）＋ｕ、　　”＋２ｕ
、（ｘ）　ｕ、　ＣＯ３Ｃφ、−φ。（ｘ）　）×し。

〔（４π／λ）ａ） ＋２Ｊ２　　（（４π／λ）ａ） ＸＣＯ５（４Ｗ　ｆｔ）　＋・・・・・・１−２　ｕｏ
（ｘ）　ｕ、　ｓｉｎ　　（ψ、−φ。（×）〕Ｘ　１
２ＪＩ　（（４π／λ）ａ） ｓｉｎ　　（２π　ｆｔ） ”２Ｊ＋　　（（４π／λ）ａ） ｓｉｎ　（６πｆｔ）　＋−・”Ｊ　　−（３）これを
前記光電検出器７によって検出し、位相変調の周波数と
同じ周波数成分のみをフィルターで取り出すと、得られ
る信号は、 Ｓ（ｘ、ｔ）＝−４ｕｏ（ｘ）ｕｒＪ＋　　（（４ｙｒ
／λ）ａ）Ｘｓｉｎ　　（φ、−φｏ（ｘ）　）　Ｘ５
ｉｎ　　（２Ｔｔ　ｆ　ｔ　）　　　　　−（４）とな
る。φ１−φ。（ｘ）は位相変調しないときにできる干
渉縞の位相である。ｕ、（ｘ）は君、激に変化しないと
すると、Ｓ　（ｘ、　ｔ）の振幅はｓｉｎ　　（φ、−
φ。

（×）〕によって変化するこれは、 φ、−φ。（ｘ）　＝ｎ　７ｃｎ＝０．　　±１１　±
２　、　−　（５）のときＯになる。この条件は光電検
出器の位置に干渉縞の強度の最大または最小があること
に対応する。干渉縞の位置がずれると、Ｓ　（ｘ、　ｔ
）の振幅が大きくなり、また、ずれの方向によってＳ　
（ｘ、　ｔ）の符号が異なる。したがって、Ｓ　（ｘ、
　ｔ）の振幅を誤差信号として、これが０になるように
参照先の振動反射鏡を移動させて位相の直流分φ１を変
えると、干渉縞の強度の最大または最小が常に光電検出
器の位置に一致（フェーズ・ロック）するようにできる
。反射鏡５を移動させるのに必要な信号の大きさ、すな
わち位相の直流分の変化がら、物体光の位相が符号も含
めて求められる。そして、この位相から被測定物４の表
面粗さを測定するようにしている。

しかし、この方法は反射鏡５を振動させながら、１波長
内で精度よく変位させるのが難しいという問題があった
。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、反射
鏡を変位させずに振動のみで表面粗さを測定することが
できる表面粗さ・形状測定装置を提供することを目的と
する。

〔発明の概要〕

本発明は前記目的を達成するために、レーザー発振器と
、反射鏡と、この反射鏡を正弦波振動させる手段と、光
強度を電気信号に変換出力する光電変換手段と、前記レ
ーザー発振器から発振されるレーザー光を前記反射鏡お
よび被測定物に分割して入射させるとともに、これらの
反射光をそれぞれ参照光および物体光として干渉させ、
その干渉信号を前記光電変換手段に入射させる光学手段
と、前記光電変換手段からの電気信号をデジタル信号に
変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器によって変
換されたデジタル信号を記憶する記憶手段と、この記憶
手段に記憶されたデータに基づいて前記干渉信号をフー
リエ変換し、このフーリエ変換より被測定物の表面形状
に対応する位相を算出する手段と、この算出した位相お
よびレーザー光の波長に基づいて表面粗さを求める手段
とを備えたことを特徴としている。

〔発明の実施例〕

以下添付図面に従って本発明に係る表面粗さ・形状測定
装置の好ましい実施例を詳説する。

第１図において、レーザー発振器１ｏは可干渉なレーザ
ー光をビームスプリッタ１２に入射し、ビームスプリッ
タ１２はこのレーザー光を分割してそれぞれ反射鏡１４
および被測定物１６に入射させる。反射鏡１４は圧電素
子１８によって正弦波振動が加えられており、この反射
鏡Ｉ４によって反射する参照先は正弦波位相変調される
。この参照光と被測定物１６からの反射光（物体光）は
それぞれビームスプリッタ１２を通って干渉し、この干
渉信号はレンズ２ｏを通ってＣＣＤイメージセンサ２２
に入射される。

ここで、圧電素子１８による正弦波振動の振幅をａ、角
周波数をＷｃ、初期位相をθとすると、ＣＣＤイメージ
センサ２２上（Ｕ軸上）の光強度分布は、 Ｓ　（ｔ、ｕ）　　＝１　＋ｃｏｓ　（Ｚ　　ｃｏｓ（
ｗｃｔ十θ）＋α（Ｕ月　　　　　　　　・・・（６）
Ｚ＝（４π／λ）　ａ となる。ただし、上式において、光強度の直流分および
交流骨の振幅は１としている。そして、第（６）式にお
けるα（ｕ）が物体面の表面粗さに対応する位相である
。

ＣＣＤイメージセンサ２２によりＳ（ｔ、ｕ）を蓄積時
間Ｔａ、繰り返し時間Δｔで検出した場合、１つのフォ
トセンサから得られる信号は、次式、で表現できる。Ｃ
ＣＤイメージセンサ２２は上記第（７）式のｇ　（ｎΔ
ｔ）を示すアナログ信号を遂次出力し、このアナログ信
号はＡ／Ｄ変換器２４でデジタル信号に変換されたのら
メモリ２６に記憶される。

コンピュータ２８はメモリ２６に記憶されたデータから
離散フーリエ変換を実行し、表面粗さに対応する位相α
（ｕ）を求める。

すなわち、ｇ　（ｎΔｔ）　、Ｓ　（ｎΔｔ）の離散フ
ーリエ変換をＧ　（ｍΔｆ）　、Ｆ　（ｍΔｆ）とすた
だし、（ｎ＝ｏ、−、Ｎ−１）、　Δｆ＝１／ＮΔ　む
　、　　　　（ｍ＝　　−（Ｎ／２）　　　−１，−、
０，−、Ｎ／２）となる。したがって、ｇ　（ｎΔｔ）
よりＳ　（ｎΔｔ）の離散フーリエ変換Ｆ　（ｍΔｆ）
が求められる。そして、Ｆ　Ｃ１ωｃ／　２π）（＃＝
１．２．３）より位ト目α（ｕ）が得られ、この位相α
（ｕ）　とレーザー光の波長λから、表面粗さｒ＝（λ
／４π）α（ｕ）が求められる。

上記測定装置によりブロックゲージの表面粗さを測定し
た。ここで、ＣＣＤイメージセンサ２２からは光が照射
されている３４Ｘ３１画素からの信号のみを取り出した
。このときのクロック周波数はＬ　ＯＭｔｌｚ、　Ｔａ
　＝Δｔ　＝　（２ｘ／　ωｃ）／１６゜ωｃ／２π−
３００Ｈｚ、　Ｎ＝１２８．像の倍率は２．９である。

結像レンズの焦点面において零周波数成分付近だけを取
り出すことで得られる参照波面の傾きは、第２図のよう
になり、この第２図の値を除去した表面粗さ形状は第３
図のようになった。なお、上記実施例では離散フーリエ
変換を行うようにしたが、これに限らず高速フーリエ変
換など他のフーリエ変換を行うようにしてもよい。

次に、ＣＣＤイメージセンサで検出される干渉信号の積
分値をそのまま用いて表面粗さを得る更に他の実施例に
ついて説明する。

ＣＣＤイメージセンサの光強度分布５（ｔ）は、５（ｔ
）　＝ｘ＋　＋Ｓ、　ｃｏｓ（Ｚ　ｃｏｓ　（ｗｃｔ＋
θ）十α〕・・・（１１）となる（第（６）式参照）。

ただし、Ｘ、は光強度の直流分、Ｓｏは交流骨の振幅で
ある。

ここで、周期Ｔ＝２π／　ｗ　ｃの干渉信号に対して、
ＣＣＤイメージセンサにより次の積分検出値ｙエ　（ｉ
＝１〜４）を得る。

ｘ、　＝　Ｓ、ｃｏｓ　α、ｘ、＝Ｓｏｓｉｎ　αとす
ると、を得る。なお、ｇ直、ｈｔ　は２、θで決まる定
数である。この弐（１３）より となり、α＝ｊａｎ　−’　（Ｘ３／Ｘ２）が求められ
る。Ｚ、θの値は行列Ａが最も解きやすくなるように決
める。行列Ａの特異値Ｓｉ４二ついて、Ｃ＝（Σ１／　
Ｓ　ｉ”）　”２Ｓ　＋ｌＩ を求めた。第４図の結果より、Ｚ＝２．３１、θ＝４５
６が最適であることがわかる。

なお、これらの他の実施例も第１図に示した装置と同様
な装置によって実現でき、コンピュータ２８による処理
内容が異なるだけである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る表面粗さ・形状測定装
置によれば、干渉信号を演算処理することにより表面粗
さを計測するようにしたため、反射鏡は正弦波振動させ
るだけでよく、反射鏡を精度良く変位させる機構等が不
要となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る表面粗さ・形状測定装置の一実施
例を示す構成図、第２図及び第３図はそれぞれ第１図の
装置によって計測した参照波面の傾き及びこの傾きを除
去した表面粗さを示す図、第４図は更に他の測定方法に
於けるＺとθの最適値を示すグラフ図、第５図は従来の
フェーズ・ロック干渉法を説明する為に用いた構成図で
ある。 １０・・・レーザー発振Ｈ１１２・・・ビームスプリッ
タ、　　１４・・・反射鏡、　　１６・・・被測定物、
　１８・・・圧電素子、　２０・・・レンズ、　２２・
・・ＣＣＤイメージセンサ、　２４・・・Ａ／Ｄ変換器
、　２６・・・メモリ、　　２８・・・コンピュータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザー発振器と、反射鏡と、この反射鏡を正弦
   波振動をさせる手段と、光強度を電気信号に変換出力す
   る光電変換手段と、前記レーザー発振器から発振される
   レーザー光を前記反射鏡及び被測定物に分割して入射さ
   せるとともに、これらの反射光をそれぞれ参照光及び物
   体光として干渉させ、その干渉信号を前記光電変換手段
   に入射させる光学手段と、前記光電変換手段からの電気
   信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、この
   Ａ／Ｄ変換器によって変換されたディジタル信号を記憶
   する記憶手段と、この記憶手段に記憶されたデータに基
   づいて前記干渉信号をフーリエ変換し、このフーリエ変
   換より被測定物の表面形状に対応する位相を算出する手
   段と、この算出した位相及びレーザー光の波長に基づい
   て表面粗さを求める手段と、を備えた表面粗さ・形状測
   定装置。
2. （２）レーザー発振器と、反射鏡と、この反射鏡を同期
   Ｔで正弦波振動させる手段と、光強度をＴ／４時間蓄積
   しその蓄積時間毎に電気信号に変換出力する光電変換手
   段と、前記レーザー発振器から発振されるレーザー光を
   前記反射鏡及び被測定物に分割して入射させるとともに
   、これらの反射光をそれぞれ参照光及び物体光として干
   渉させ、その干渉信号を前記光電変換手段に入射させる
   光学手段と、前記光電変換手段からの電気信号をディジ
   タル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器
   によって変換されたディジタル信号を記憶する記憶手段
   に記憶された前記正弦波振動の１周期に対応する４つの
   データをｙ＿１、ｙ＿２、ｙ＿３及びｙ＿４とし、ｘ＿
   ２及びｘ＿３をそれぞれ、前記干渉信号の振幅をＳ＿０
   として、次式、 ｘ＿３＝Ｓ＿０ｃｏｓα、ｘ＿３＝Ｓ＿０ｓｉｎαで定
   義し、前記４つのデータｙ＿１、ｙ＿２、ｙ＿３、ｙ＿
   ４、前記正弦波振動の振幅及び初期位相で決まる定数ｇ
   ＿１、ｇ＿２、ｈ＿１、ｈ＿２に基づいて前記ｘ＿２及
   びｘ＿３を、次式、 ｘ＿２＝（ｙ＿１−ｙ＿２＋ｙ＿３−ｙ＿４）／２（ｇ
   ＿１−ｇ＿２）、ｘ＿３＝（ｙ＿１＋ｙ＿２−ｙ＿３−
   ｙ＿４）／２（ｈ＿１＋ｈ＿２）によって算出する第１
   の演算手段と、この算出したｘ＿２、ｘ＿３に基づいて
   被測定物の表面形状に対応する位相αを、次式、 α＝ｔａｎ＾−＾１（ｘ＿３／ｘ＿２） から算出する第２の演算手段と、この算出した位相α及
   びレーザー光の波長に基づいて表面粗さを求める手段と
   、を備えた表面粗さ・形状測定装置。