JPH01280205A - レーザ走査型表面粗さ測定装置 - 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】 技術分野 本発明は表面粗さ測定装置に係り、詳しくは、被測定部
材に照射される計測レーザ光の光路長がその表面の凹凸
に従って変動することにより参照レーザ光と合波された
ときのビートの位相が変化するヘテロダイン干渉に基づ
いて表面粗さを測定する装置に関するものである。

従来技術 表面粗さ測定装置の一種に、被測定部材の表面に照射さ
れたレーザ光の周波数が、ドツプラー効果によりその表
面の凹凸に従って変化することに基づいて、その被測定
部材の表面粗さを非接触で測定する形式のものがある。

例えば、共通の直交２周波レーザ光源から出力される偏
波面が互いに直交する２種類の直線偏光を、偏光ビーム
スプリッタ等により参照レーザ光と計測−ザ光とに分離
し、参照−ザ光（周波数ｆ、、）を位置固定に設けられ
たミラーなどに集光させる一方、計測−ザ光（周波数ｆ
、）を回転テーブルやＸ−Ｙテーブル等の載置台上に載
置されて移動させられる被測定部材の表面に垂直に集光
させると、参照−ザ光の反射光の周波数はｆ、のままで
あるが、計測レーザ光の反射光の周波数は、被測定部材
の移動に伴う表面の微小変位によりドツプラーシフトを
受けて、ドツプラー効果の基本式から次式（１）で表さ
れる周波数Δｆヨだけ変化する。但し、λは計測レーザ
光の波長で、ΔＺ／Δｔは表面に垂直な方向、換言すれ
ば光軸方向の微小変位速度である。

Δｆ、＝　（２／λ）・　（ΔＺ／Δｔ）・・・（１）
したがって、かかる周波数Δｒいに基づいて、例えば次
式（２）に従って前記被測定部材の表面の変位量Ｚ、換
言すれば表面粗さを求めることができる。但し、ｆ、は
前記２種類の反射光を合成することによって得られる計
測ビート周波数（ｆ、−丁、−Δｆ、）であり、ｆ、は
前記参照レーザ光と計測レーザ光とを合成することによ
って得られる基準ビート周波数（ｆ、　−ｆ、　）であ
り、Ｃ。

は計測ビートの計数値であり、Ｃ８は基準ビートの計数
値である。

ｚ＝（λ／２）べ屓、ｄｔ ＝　（λ／２）・　（Ｃ＋＋　　　Ｃ０）・　・　・（
２）発明が解決しようとする課題 しかしながら、このように被測定部材を移動させながら
表面粗さを測定しようとすると、その被測定部材を移動
させるための移動装置が必要であるばかりなく、その移
動装置のモータの振動や載置台のピッチング、ローリン
グ、歳差運動等による誤差が避けられないという問題が
あった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その
目的とするところは、被測定部材を移動させることなく
、より高い精度で表面粗さを測定できるようにすること
にある。

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するため、本発明は、被測定部材の表
面に照射される計測レーザ光の光路長がその表面の凹凸
に従って変動することにより、その計測レーザ光とは周
波数が異なる参照レーザ光と合波されたときのビートの
位相が変化するヘテロゲイン干渉に基づいて、その被測
定部材の表面粗さを非接触で測定する形式の表面粗さ測
定装置であって、（ａ）前記計測レーザ光の向きを変化
させる偏向器と、（ｂ）その偏向器によって向きが変え
られた前記計測レーザ光を、位置固定に配置された前記
被測定部材の表面に集光させるレンズ装置とを含み、前
記偏向器により前記被測定部材に対する前記計測レーザ
光の照射位置を変更してその被測定部材の表面粗さを測
定するようにしたことを特徴とする。

作用および発明の効果 すなわち、本発明のレーザ走査型表面粗さ測定装置は、
被測定部材を移動させる代わりに偏向器によって計測レ
ーザ光の向きを変化させることにより、被測定部材に対
する計測レーザ光の照射位置を変更し、その計測レーザ
光の光路長が測定部材の表面の凹凸に従って変動させら
れるのに伴って、参照レーザ光と合波されたときのビー
トの位相が変化させられるようにしたのであり、このよ
うにすれば、被測定部材を移動させるための移動装置が
不要となって装置が簡単かつ安価に構成されるとともに
、その被測定部材を移動させる際の振動等に起因する測
定誤差が解消して測定精度が向上する。

なお、かかるヘテロダイン干渉による位相変化と前記従
来例で説明したドツプラー効果による周波数変化とは、
本質的に同じ現象に基づくものである。

実施例 以下、本発明の幾つかの実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。

第１図において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光ＳｔＯ
から出力されたレーザ光は、周波数シフタ１２によって
互いに偏波面が直交し且つ周波数が異なる２つの直線偏
光から成るビート光に変換される。上記２つの直線偏光
は、たとえば周波数がｆ、であるＳ偏光と周波数がｆｐ
であるＰ偏光とから成り、ビート光のビート周波数、す
なわち基準ビート周波数ｆ、（＝ｆ、−ｆｐ）が１００
ｋＨｚ程度となるように設定されている。そして、かか
るビート光は無偏光ビームスプリッタ１４において反射
ビート光と透過ビート光に分離され、反射ビート光は偏
光子１６を通って基準ビート光センサ１８により検出さ
れる。この基準ビート光センサ１８からは、上記基準ビ
ート周波数ｆ１１を表す１００ｋＨｚ程度の基準ビート
信号ＫＢＳが出力される。

一方、上記無偏光ビームスプリッタ１４を通過した透過
ビート光は、ビームエクスパンダ２０によって例えば直
径３ｍｌ１１程度に拡げられ、音響光学偏向器２２に入
射させられる。音響光学偏向器２２は、二酸化テルルや
モリブデン酸塩などの単結晶またはガラスから成り、圧
電素子２３に加えられる超音波の周波数ｆｕに対応して
形成される周期的な屈折率変化を有する回折格子により
、ビート光を光軸に対して角度θだけ偏向させる。この
偏向角度θは、上記周波数ｆ、が変化させられることに
よって変化させられ、ビート光の向きは第１図において
実線で示されている位置から破線で示される位置まで変
化させられる。周波数ｆ、は、例えば６０ＭＨｚ程度を
中心周波数として変化させられる。

上記音響光学偏向器２２で回折させられたビート光は、
その音響光学偏向器２２から距離ｌだけ離間した位置に
配置された焦点距離がｌのリレーレンズ２４に入射させ
られ、音響光学偏向器２２による向きの変化が２×θの
位置変化に変更される。その後、かかるビート光は偏光
ビームスプリッタ２６により前記Ｓ偏光とＰ偏光に分離
され、偏光ビームスプリッタ２６の入射面に平行な偏波
面を備えたＰ偏光はその偏光ビームスプリッタ２６を透
過させられ、計測レーザ光として対物レンズ２日により
被測定部材３０の表面に集光される一方、偏光ビームス
プリッタ２６の入射面に直交する偏波面を備えたＳ偏光
はその偏光ビームスプリッタ２６によりそれまでの光路
と直角な方向へ反射され、参照レーザ光として対物レン
ズ３２によりミラー３４に集光される。上記被測定部材
３０は予め定められた一定位置に位置固定に配置されて
いるが、その被測定部材３０に対するＰ偏光の照射位置
は、前記音響光学偏向器２２による偏向に伴って変化さ
せられる。本実施例では、上記リレーレンズ２４および
対物レンズ２８により、レーザ光を被測定部材３０の表
面に集光させるレンズ装置が構成されている。

上記被測定部材３０．ミラー３４に集光されたＰ偏光お
よびＳ偏光は、それ等の被測定部材３０゜ミラー３４に
よってそれぞれ反射され、それぞれ往路と全く逆の光路
を辿って前記無偏光ビームスプリッタ１４に到達し、こ
こで反射されることにより偏光子３６を通して計測ビー
ト光センサ３８により検出される。この計測ビート光セ
ンサ３８により検出されるビート光は、前記被測定部材
３０、ミラー３４によってそれぞれ反射されたＰ偏光と
Ｓ偏光とが合波されたもので、その計測ビート光センサ
３８からは、それ等の反射光の周波数差であるところの
計測ビート周波数ｆ０を表す測定ビート信号ＢＳが出力
される。

ここで、上記ミラー３４によって反射されたＳ偏光の光
路長は変化しないが、被測定部材３ｏの表面で反射され
たＰ偏光の光路長は、照射位置の変化に伴って表面の微
小な凹凸に従って変化させられ、その凹凸の変位量をΔ
ＺとするとＰ偏光の光路長は２ΔＺだけ変化させられる
。このため、前記計測ビート光センサ３８によって検出
される計測ビート光のビートの位相は、ヘテロゲイン干
渉の基本式より次式（３）で表される位相差Δφだけ前
記基準ビート光のビートに対して変化させられる。また
、単位時間当りの位相差Δφが１位相２πよりも大きい
場合、すなわち変位量ΔＺの変化速度ΔＺ／Δｔがλ／
２よりも大きい場合には、上記計測ビート光のビート周
波数ｆｏは、基準ビート光のビート周波数ｆ、に対して
（２／λ）・（ΔＺ／Δｔ）だけ変化させられ、その計
測ビート周波数ｆ０は次式（４）で表される。この周波
数の変化量（２／λ）・　（ΔＺ／Δｔ）は前記ドツプ
ラー効果による周波数のシフト量に相当する。なお、Ｐ
偏光およびＳ偏光は、前記音響光学偏向器２２を通過す
る際に周波数シフトを受けるが、そのシフト量は共に２
ｆ、で同じであるため、上記計測ビート周波数ｆｏには
影響しない。また、上記（３）式、（４）式のλはＰ偏
光、厳密には往路において音響光学偏向器２２により１
回周波数シフトを受けたＰ偏光の波長である。

Δφ＝＝（２π／λ）・２ΔＺ　　　　・・・（３）ｆ
ｏ　＝−（２／Ｊ）　　・　（ΔＺ／Δｔ）　＋（Ｂ・
・・（４） なお、前記偏光子１６および３６は、それぞれＰ偏光お
よびＳ偏光の偏波面に対して略４５°傾斜した軸を備え
ており、その軸の傾斜角度を変化させることにより、基
準ビート光センサ１８．計測ビート光センサ３８に受け
られるＰ偏光およびＳ偏光の相対的強度が調節されるよ
うになっている。

そして、このようなレーザ走査型表面粗さ測定装置は、
例えば第２図のブロック線図に示されているような測定
回路を備えている。図において、前記基準ビート光セン
サ１８．計測ビート光センサ３８から出力された基準ビ
ート信号ＫＢＳ、計測ビート信号ＢＳは、先ず、増幅機
能および波形整形機能を有する波形整形器４０．４２に
供給され、矩形のパルス波形に整形された後、カウンタ
４４．４６へ供給される。カウンタ４４，４６において
は、それぞれタイミング信号発生回路４８から供給され
るタイミング信号に従って上記基準ビート信号ＫＢＳ、
計測ビート信号ＢＳが計数され、それ等の計数値Ｃ，，
Ｃ，は引算器５０において引算されるとともに、その結
果（Ｃｓ　　Ｃｏ）は−時記憶される。

一方、カウンタ４４，４６の計数タイミング差に相当す
る期間、たとえばカウンタ４４の計数開始時点からカウ
ンタ４６の計数開始時点までに相当する期間が、基準信
号発生器５２から出力される一定のクロック周波数を備
えた基準パルス信号ＫＳに基づいて、位相差カウンタ５
４により計数される。位相差カウンタ５４の計数値ＣＩ
は、計測ビート信号ＢＳと基準ビート信号ＫＢＳとの位
相差に対応するものであり、その計数値Ｃ３はラッチ５
６に一時記憶される。また、上記基準パルス信号ＫＳの
周波数を、例えば１００ＭＨｚ程度に設定すると、基準
ビート信号ＫＢＳの周波数ｆ１−ｒｐが１００に七とす
れば、１位相２πは１０００パルスで表されることとな
る。

そして、前記引算器５０によって得られた引算値（Ｃｓ
　　ＣＤ）およびラッチ５６に一時記憶された計数値Ｃ
Ｉは、タイミング発生回路４８から供給されるタイミン
グ信号に従って、データバスライン５８を介してマイク
ロコンピュータ６０に採り込まれる。マイクロコンピュ
ータ６０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを含んで構成され
ており、ＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつＲＯＭに予
め記憶されたプログラムに従って信号処理を行い、偏向
器駆動制御装置６２の作動を制御して前記音響光学偏向
器２２の周波数ｆ、を連続的に変化させるとともに、上
記引算値（ｃｍ　−Ｃｏ　）および計数値ＣＩに基づい
て被測定部材３００表面粗さを算出する。

すなわち、上記引算値（ＣＩ　　ＣＤ）は、前記基準ビ
ート信号ＫＢＳと計測ビート信号ＢＳとの位相差Δφが
２π以上の場合、換言すれば位相差Δφが次式（５）で
表される場合の整数Ｎに対応するもので、位相差Δφが
２πのときには表面２８の変位量ΔＺは前記（３）式か
らλ／２であるところから、λ／２のオーダーにおける
変位量Ｚ、が次式（６）に従って求められる。また、λ
／２よりも小さい部分の変位量Ｚ２については、前記計
数値Ｃ１に基づいて次式（７）に従ってλ／２０００の
オーダーで算出される。かかる（７）式は前記（３）式
に基づいて求められたものであり、また、Ｘは上記（５
）式のＸと同じもので、位相差Δφのうち１位相２πの
オーダーよりも小さい部分に対応し、前記計数値Ｃ１を
用いて（２πＣ＋／１０００）で表される。

そして、上記変位量Ｚ、と２２とを加算することにより
、被測定部材３０の表面粗さが算出され、表示器６４に
表示される。なお、位相差Δφが２πよりも小さい場合
、換言すれば変位量ΔＺがλ／２よりも小さい場合には
、上記引算値（Ｃｌ−〇、）すなわち整数ＮはＯとなり
、（７）式のみに基づいて表面粗さが算出される。

Δφ＝２Ｎπ十Ｘ　　　　　　　　　　・・・（５）Ｚ
１＝（λ／２）・Ｎ −（λ／２）・　（Ｃ−Ｃｏ）　　　・・・（６）Ｚ２
＝（λ／４π）・Ｘ ＝（λ／４π）・　（２πＣ，／１０００）・・・（７
） ここで、かかる本実施例のレーザ走査型表面粗さ測定装
置は、被測定部材３０を移動させる代わりに、音響光学
偏向器２２によってレーザ光の向きを変化させることに
より、被測定部材３０に対するレーザ光の照射位置を変
更して表面粗さを測定するようになっているため、被測
定部材３０を移動させるための移動装置が不要になって
装置が筒車かつ安価に構成されるとともに、被測定部材
３０を移動させる際の振動等に起因する測定誤差が解消
して優れた測定精度が得られるようになるのである。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実
施例において前記第１実施例と共通する部分には同一の
符号を付して説明を省略する。

先ず、第３図の実施例は前記第１実施例に比較して、前
記参照レーザ光（Ｓ偏光）と計測レーザ光（Ｐ偏光）と
を分離するための偏光ビームスプリッタ２６を無偏光ビ
ームスプリッタ１４とビームエクスパンダ２０との間に
配置したものである。

この場合には、Ｐ偏光のみが音響光学偏向器２２によっ
てｆｕの周波数シフトを２回受けるため、例えば第４図
に示されているように、上記計測ビート光センサ３８か
ら出力された計測ビート信号ＢＳをアンプ６６で増幅し
た後、復調器６８により上記音響光学偏向器２２による
周波数シフト量２ｆｕを取り除き、その後に前記波形整
形器４２に供給するなど、音響光学偏向器２２による周
波数シフトの影響を信号処理等によって除去する必要が
ある。

また、第５図の実施例は、上記偏光ビームスプリッタ２
６をビームエクスパンダ２０と音響光学偏向器２２との
間に配置するとともに、その偏光ビームスプリッタ２６
によって反射された参照し一ザ光（Ｓ偏光）を、λ／２
板７０を通して音響光学偏向器７２に入射させた後、対
物レンズ７４によりミラー３４に集光させるようにした
ものである。音響光学偏向器７２は、計測レーザ光（Ｐ
偏光）が偏向させられる前記音響光学偏向器２２と同じ
周波数ｆ、の超音波で作動させられるようになっており
、これにより、参照レーザ光および計測レーザ光は同じ
大きさの周波数シフトを受けることとなる。このため、
この場合には前記第２実施例のように音響光学偏向器２
２による周波数シフトの影響を除去するための信号処理
が不要で、第１実施例と同様に前記第２図に示されてい
る測定回路によって信号処理を行えば良い。

また、第６図の実施例は、Ｐ偏光については偏向させる
がＳ偏光については直進させる偏向特性を有する音響光
学偏向器７６を、前記音響光学偏向器２２の代わりに用
いたもので、Ｐ偏光は前記第１実施例と同様に計測レー
ザ光として被測定部材３０の表面上を走査されるが、Ｓ
偏光は参照レーザ光として被測定部材３０の表面上の一
点に照射される。被測定部材３０は位置固定に配置され
ているため、Ｓ偏光の光路長は変化せず、Ｐ偏光の光路
長のみが表面の凹凸に従って変化させられる。これによ
り、前記第１実施例と同様にして表面粗さを測定するこ
とができるが、上記参照レーザ光および計測レーザ光は
同じ光学系を通って被測定部材３０に照射されるため、
光学系の相違による測定誤差や外部振動等に起因する測
定誤差が防止される。

以上、本発明の幾つかの実施例を図面に基づいて詳細に
説明したが、本発明は他の態様で実施することもできる
。

例えば、前記実施例では超音波回折格子によって偏向す
る音響光学偏向器２２，７２．７６が用いられているが
、電界に応じて屈折率を変える電気光学効果による偏向
器や熱に応じて屈折率を変える熱光学効果による偏向器
など、他の原理による偏向器を採用することも可能であ
る。

また、前記実施例では周波数シフタ１２によって互いに
偏波面が直交し且つ周波数が異なる２種類の直線偏光か
ら成るビート光が得られるようになっているが、２周波
直交ゼーマンレーザなどを用いることも可能である。

また、前記実施例では被測定部材３０の表面粗さを測定
する場合について説明したが、かかる本実施例の表面粗
さ測定装置を用いてビデオディスクやディジタルオーデ
ィオディスクなどの記録面の凹凸形状等を測定すること
も可能である。

その他−々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基
づいて種々の変更、改良を加゛えた態様で実施すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるレーザ走査型表面粗さ
測定装置の光学的構成を説明する図である。第２図は第
１図の測定装置に備えられている測定回路の構成を説明
するブロック線図である。 第３図は本発明の他の実施例を説明する光学的構成図で
ある。第４図は第３図の実施例における測定回路の一部
を示すブロック線図である。第５図は本発明の更に別の
実施例を説明する光学的構成図である。第６図は本発明
の更に別の実施例を説明する光学的構成図である。 ２２．７６：音響光学偏向器 ２４：リレーレンズ　　２８：対物レンズ３０：被測定
部材 出願人　　ブラザー工業株式会社 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定部材の表面に照射される計測レーザ光の光路長が
   該表面の凹凸に従って変動することにより、該計測レー
   ザ光とは周波数が異なる参照レーザ光と合波されたとき
   のビートの位相が変化するヘテロダイン干渉に基づいて
   、該被測定部材の表面粗さを非接触で測定する形式の表
   面粗さ測定装置であって、 前記計測レーザ光の向きを変化させる偏向器と、該偏向
   器によって向きが変えられた前記計測レーザ光を、位置
   固定に配置された前記被測定部材の表面に集光させるレ
   ンズ装置と を含み、前記偏向器により前記被測定部材に対する前記
   計測レーザ光の照射位置を変更して該被測定部材の表面
   粗さを測定するようにしたことを特徴とするレーザ走査
   型表面粗さ測定装置。