JPH01233310A - 光学式面形状測定方法および面形状測定用光学式プローブ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、粗さ、うねり、あるいは、より長い空間波長
成分をもつ面形状において、必要な高い空間周波数だけ
を取り出すため光学的に面形状を測定するための方法お
よびプローブに関する。

〔従来の技術〕

面のあらさや形状を非接触的に測定する方法として、従
来、光学式のプローブが種々考案され、実用されている
。・しかし、これらの方法は、プローブと被測定面との
相対移動のために′、プローブの分解能と同程度か、そ
れ以上の精度の機械的案内を必要としている。この難点
を緩和するために、コヒーレントなビームを２本に分け
、そのビームの反射面まで到達する光路差から、２点の
高さの差を検出し、その積分によって面形状を算出する
光学式の２点法とよばれている方法も提案されている。

そのほか、鏡面の形状測定には、平行なしザビームを被
測定面に垂直に入射し、その反射光の傾きから鏡面の形
状の微分情報を検出し、その積分から形状を求めるレー
ザオートコリメーションと呼ばれる方法もある。

また、プローブを３本塁べて、その出力の計算処理から
相対移動のときの並進とピッチングの誤差成分を取り除
く３点法と呼ばれる方法などが考えられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

レーザオートコリメーションや２点法では、プローブと
被測定面の相対移動時に生じる、面の高さ方向の並進誤
差は取り除けるが、ピッチング誤差は取り除けない。

一方、３点法と呼ばれる方法は、３本のプローブを必要
とするため、価格の面からも、また空間的制約からも実
用的ではないし、演算処理が複雑になるという難点もあ
る。

これら、２点法と３点法では、プローブと被測定面との
相対移動時に生じるヨーイングとローリングの誤差が、
一つのプローブによる測定における測定点のずれ以上に
大きな測定誤差をもたらす可能性がある。また、走査の
方向は、−最に２点法の２本（あるいは３点法の３本）
のビームのスポットを結ぶ線に沿う方向に選ぶ必要があ
る。更にスポットを結ぶ線と直交する方向にプローブを
走査するときは、１本（３点法では２本）のビームが基
準となる正しい面上を走査されるような特別な測定面を
用意しなければならないなど種々の問題を有し、かつ現
在の技術では、原理上測定精度がもっとも高くなり得る
３点法の弱点は、プローブを３本用意し、それを−直線
上に並べなければならないと云う大きな問題を残してい
た。

このため、本発明は、２本のビームの入射光軸の中心を
重ねる構造にすることにより、２本のビームだけで、移
動誤差や、振動の影響を３点法と同じかそれ以上に排除
できる構造にすることができ、しかも、３点法や２点法
のように空間的制約を受けない光学式面形状測定方法お
よび面形状測定用光学式プローブを提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明は光を被
測定面に照射し、その反射光を受光して、受光面での反
射光の像の位置や形で、被測定面の高さ方向の変位ある
いは傾きを検出する光学式のプローブにおいて、被測定
面上に、大きさの違う２つのスポットをそのスポ　−ツ
トの中心が、測定位置の位置決め精度以内で一致する様
に同時に照射し、それぞれの反射光の持つ、高さ方向変
位あるいは傾斜の情報の差を取り出すことにより、プロ
ーブと被測定物を相対的に移動する形式の形状測定が出
来、格別高精度の機械的基準を必要としなくなる。すな
わち移動精度は、ピッチングと高さ方向の並進誤差が取
り除けるだけでなく、移動に関するすべての自由度の誤
差の影響が著しく小さ（なる。

また、振動による誤差の心配もなくなるため、迅速な走
査が可能になり、短時間に形状の測定ができ、かつ、環
境の温度変化による光軸の振れなどの影響も受けに＜＜
、短時間の測定が可能なため、温度変化による被測定面
の形状変化の影響、測定系のドリフトの影響も受けにく
い特徴を有するものである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する
。

第１　（Ａ）（Ｂ）図は、原理的構造を示す図である。

第１図（Ａ）は、光源ｌの平行光線は、偏光ビームスプ
リッタ２で二つに分けられる。

偏光ビームスプリッタ３で反射された光はレンズ１５、
偏光ビームスプリッタ４を通り、ハーフプリズム７で曲
げられ、レンズ１７を通り、レンズ１５．１７の組み合
わせレンズの焦点位置Ｆｌに結像される。この光が被測
定面１８で反射されて、レンズ１７を通り、ハーフプリ
ズム７、偏光ビームスプリッタ６を通り、反射鏡８を経
て受光部９に達する。受光部９では、例えば非点収差法
と呼ばれる原理で被測定面と焦点Ｆｌの距離をフォトダ
イオードＰｄで検出する。

偏光ビームスプリッタ２で分けられたもう一方の光はレ
ンズ１６を通過後、偏光ビームスプリッタ５．４で曲げ
られ、ハーフプリズム７、レンズ１７を通り、レンズ１
６．１７を組み合わせた組み合わせレンズの焦点Ｆ２に
結像する。この結像点は先のビームの結像点とは、必要
なだけ光軸方向、（前方あるいは後方）にずれ第１図の
場合は後方にずれている。この、２番目のビームの被測
定面１８からの反射光は、ハーフプリズム７を通過後偏
光ビームスプリッタ６で曲げられ、受光部１０に入る。

受光部１０では、例えば非ル 点収〆と呼ばれる原理で被測定面と焦点Ｆ２の距離をフ
ォトダイオードＰｄ検出する。

なお、１１−１４は１／４人波長板で、ビームの偏光角
を変えるのに使う。

第一番目のビームがほぼ被測定面上に結像するとき、第
二番目のビームの、被測定面上でのスポットは第一番目
のそれより大きい、即ち、２つのビームスポットの大き
さの違いを第１図（Ｂ）で説明すると、偏光ビームスプ
リッタ２で分校した第１番目のビームＳはレンズ１７を
介して被測定面１８の表面に結像（Ｆｌ）する。

これに対し、直進した第２番目のビームＰはレンズ１７
を介して被測定面１８の内部で結像（Ｆ２）するように
同じ被測定面１８を照射する。

２つのビームの被測定面１８における状態は、記号Ｔで
示す小さいスポット、即ちオプチカルスタイラスと、ス
ポットＴを囲むように大きなスポットＫ、即ちオプチカ
ルスキッドに別れられる。小さいスポットＴは、例えば
、約１．２Ａ１１ｍと云うようにミクロンオーダまで絞
り込み、光触針として物体表面の粗さを検出する。また
太きいスボッ１−Ｋ（例えば、０．４−程度の径を有す
る）は、粗さのような高い周波数成分が平滑され、出力
に現れないので、小さいスポットＴとの出力の差を取る
ことによって、うねりや、それ以下の低い周波数成分が
除かれた粗さ情報が取り出せる。したがって、第二番目
のビームの反射光には、被測定面のより広い面積範囲の
形状情報が平均されて含まれる。したがって、２番目の
ビームから得た被測定面までの距離に関する情報には、
高い空間周波数に関する情報が含まれない。これは、機
械式のスキッド型あらさ測定器におけるスキッドと同じ
働きをする。

したがって、このプローブを測定したい方向に走査し、
１番目のビームによる距離の検出結果から、２番目のビ
ームによる距離の検出結果をひけば、必要とする高い空
間周波成分だけが取り出せる。振動による外乱や、走査
時の移動真直度の誤差は両方のビームに等しく含まれる
ので、その差をとると相殺される。

なお、光源として太さの違うビームを２本用意して、エ
アリ−ディスクの大きさを変えることも有効である。こ
のときには、レンズ１５．１６を省略してＦｌとＦ２を
一致させることもできる。

また、光学系としては、レンズ１５．１６の一方は省略
してもよい。

本発明の原理にとって、それぞれのビームによる距離検
出の機構はどんなものでも良いので、非点収差法の代わ
りに例えば、臨界角法と呼ばれる原理でＦｌ、Ｆ２と被
測定面の距離を検出することも可能である。

また、被測定面の傾斜による検出誤差の対策として反射
光を２本に分けて、それぞれのビームを４分割のフォト
ダイオードで観察するという周知の方法などもそのまま
適用できる。

なお、図１に示した原理では、２本のビームはその偏光
角の違いで区別して、別々の受光系に振り分けたが、２
本のビームの強度を違った周波数で時間的に変動させ、
反射光を一つの受光系で受ける形態も可能である。その
ときは、受光部の光電変換素子の電気出力に含まれる両
方のビームの情報を、光源の変動周波数を使って分離し
、それぞれの位置情報に変えた上で差をとる。

また、レンズ１７にアクチュエータを取り付け、大きい
スポットの方の受光系の検出した位置情報をフィト−バ
ックしてサーボ系を構成して、もう一方の検出系の出力
を直接測定値とすることも可能である。

第２図乃至第３図は、この発明の他の実施例を示すもの
で、先ず第２図を用いて説明する。

光源１からの平行光線は偏光ビームスプリッタ３で２つ
に分割され、直進光はｌ／４人波長板Ｉ！、レンズを介
して反射鏡８に集光する。そして、拡り角の大きい点光
源１ａからの光はコリメータレンズ１７を通り太い光束
の平行光線となり、ハーフプリズム７で曲げられ、被測
定面１８に向かう０黒光ＷＡ　１　ａはレンズ１７の焦
点の位置にある０反射光は、ハーフプリズム７、偏光ビ
ームスプリッタ６、収光レンズ１５を通り光スポットの
位置検出部９ａに達する０位置検出部９ａはレンズ１５
の焦点の位置におかれている。

一方、偏光ビームスプリッタ３で分割された拡り角の小
さい点光源１ｂからの細い光束の平行光は、ビームスプ
リッタ４で反射し、ハーフプリズム７を通り被測定面（
反射面）　１Ｂに達する。被測定面１８からの反射光は
ハーフプリズム７を通り偏光ビームスプリッタ６、反射
鏡８で曲げられ、レンズ１６を通り、光スポットの位置
検出部１０ａに達する０位置検出部１０ａはレンズ１６
の焦点の位置におかれている。

位置検出部９ａで検出される反射面の接線の情報には、
大きなスポットの入射する広い範囲の情報が平均されて
入る。また位置検出部１０ａで検出される反射面の接線
の情報には、スポット径に応じた高い空間周波数成分の
情報まで含まれる。これら両者の差からは、外乱振動や
走査時の移動真直度誤差の影響の入らない傾斜情報が得
られる。この情報を積分して、求めると被測定面の面形
状を導くことができる。

なお、第２図に示した原理でも、２本のビームはその偏
光角の違いで区別して、別々の受光系に振り分けたが、
二つの光源の強度を、それぞれ違った周波数で時間的に
変動させ、反射光を一つの受光系で受ける形態も可能で
ある。そのときは、受光部の光電変換素子の電気出力に
含まれる両方のビームの情報を、光源の変動周波数を使
って分離し、それぞれの位置情報に変えた上で差をとる
。

第３図は被測定面上のスポットの像を充電変換素子上に
結像して高さ方向の変位情報を検出する形式の変位プロ
ーブに本発明の原理を適用器Ａ、Ｂにより任意に変換さ
れた２つの光源ｌａ、ｌｂとなる。この二つの光源１ａ
、ｌｂから光束の違う平行光を作りハーフプリズム７を
介して被測定面１８に入射する。このとき二つの光源の
強度は別々の周波数の時間的な変動を与えておく、被測
定面１８のスポットは、レンズ１７を介して位置検出用
の光電変換素子９ａ上に結像する。光電変換素子の電気
的出力には光源の強度変化の周波数の対応した二つの周
波数成分が含まれるので、これを分離してそれぞれ位置
情報に変換した後に両者の差を取って必要な空間周波数
成分を誤差の無い形で取り出す。

なお、偏光角の違う２つの光束を入射光として、反射光
を偏光ビームスプリッタで二つに分離してそれぞれの位
置情報を取り出す形も可能である。

〔発明の効果〕

以上、詳述したように、本発明によると、同一の対物レ
ンズを介して、被測定物の同じ位置に大小二つのスポッ
トを投射し、反射光に含まれる情報を分離して取り出す
ことにより、振動や温度による影響のない物体表面の粗
さや、うねりを高精度に検出することができる光学式面
形状測定方法および面形状測定用光学式プローブを提供
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は（Ａ）（Ｂ）は本発明の一実施例を示す原理的
説明図、第２図乃至第３図は本発明の他の実施例を示す
原理的説明図である。 １、ｌａ、１ｂ−・光源 ２．３，４，５．６−・−・偏光ビームスプリッタ９．
１０−ｍ−受光部 ９ａ、１０ａ−・スポット位置検出部 １１、１２．１３．１４−１／４人波長板１５、１５ａ
　、　１５ｂ　、　１６．１７−−レンズ１８−−被測
定面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）光を被測定面に照射し、その反射光を受光し、受光
   面での反射光の像の位置や形で、被測定面の高さ方向の
   変位や傾きを検出する光学式プローブを用いるものにお
   いて、被測定面上に、大きさの異る２つのスポットを照
   射する際、スポットの中心が、被測定位置の位置決め精
   度以内で一致する様に同時に照射し、それぞれの反射光
   のもつ高さ方向の変位や傾斜の情報の差を取り出すよう
   にした事を特徴とする光学式面形状測定方法。 ２）上記大きさの異る２つのスポットの中、一方のスポ
   ットは被測定面に焦点が合うようにしたことを特徴とす
   る請求項１記載の光学式面形状測定方法。 ３）光を被測定面に照射し、その反射光を受光して、受
   光面での反射光の像の位置や形で、被測定面の高さ方向
   の変位あるいは傾きを検出する光学式のプローブにおい
   て、被測定面上に、大きさの違う２つのスポットをその
   スポットの中心が、測定位置の位置決め精度以内で一致
   する様に同時に照射し、それぞれの反射光の持つ、高さ
   方向の変位あるいは傾斜の情報の差を取り出すようにし
   たことを特徴とする面形状測定用の光学式プローブ。