JPH02254306A - 光学測定装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は被測定面に証左されるレーザ光の反射光量に基
いてサーボ制御を行うことにより被測定面の形状測定を
非接触で行う光学測定装置に関するものである。

従来の技術 光デイスク装置などにおいて、レーザ光のディスク面で
の反射光に基き対物レンズにフォーカスサーボをかける
技術は公知であるが、本出願人が先に出願した特願昭５
９−２３９７５１号、特願昭６０−３９１７８号、特願
昭６２−７６９２７号などでは、ディスク面の反射率に
バラ付きがあってもサーボ系を正常に動作させることが
できる技術を提案している。

ところで本出願人は特願昭５９−２２８１１４号、特願
昭６０−１４８７１５号などにおいて、非球面のレンズ
やミラーなどの非球面形状を、レーザ光を直接被測定面
に照射することによって測定する光学測定装置を別に提
案している。

これは、２波長のレーザ光を測定光土佐とに夫々分離し
、測定光を被測定面に照射すると共に参照光を基準ミラ
ーに照射した後、各反射光を同一光検出器に夫々導き、
被測定面の動きによって測定光の反射光に生じる周波数
のドプラーシフトｉｔから被測定面の動きを検出すると
いう光ヘテロゲイン法に基く干渉測長法を用いたもので
、反射光を利用して得られる誤差信号や光量信号に応じ
てフォーカスサーボやｆ頃きサーボをかけることにより
、±０．１〜０．０１μｍの超高精度測定が実現可能で
ある。

発明が解決しようとする課題 ところで光学測定装置においては、光デイスク面の反射
率のバラ付きと異なり反射率は被測定面によって０％か
ら１００％まで広い範囲にわたっている。

従って上記従来の技術をそのまま適用しても、光学測定
装置における測定可能な反射率の範囲を広げることは困
難である。

父上記光学測定装置にように波長の互いに異なるレーザ
光を使用する場合波長によっては同一被測定面であって
も反射率が異なることもあるという特殊な使用条件を満
たさなければならない。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、広い範囲
の反射率に対してサーボゲインを略一定にすることがで
きる光学測定装置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 請求項１記載の光学測定装置は、被測定面に照射してレ
ーザ光の反射光に基いてサーボ制御を行う光学測定装置
において、被測定面の反射率に応じてサーボゲインの切
替えが可能なゲイン切替え手段を備えたことを特徴とす
る 請求項２記載の光学測定装置は、フォーカスサーボに用
いられるレーザ光の被測定面における反射率に応じてサ
ーボゲインの切替えが可能なゲイン切替え手段と、傾き
サーボに用いられるレーザ光の被測定面における反射率
に応じてサーボゲインの切替えが可能なゲイン切替え手
段とを備えると共に、量切替え手段の連動及び独立作動
を選択するための選択手段を備えたことを特徴とする。

尚、上記各構成において、レーザ光の被測定面からの反
射光量をモニター可能なモニター手段を設けると好適で
ある。

作　　　用 請求項１記載の発明によれば、被測定面の反射率に応じ
てサーボゲインを切替えることができるので、広い範囲
の反射率に対してサーボゲインを略一定にすることがで
き、測定可能な被測定面の範囲を拡大することができる
。

請求項２記載の発明によれば、使用するレーザ光ごとに
夫々のサーボゲインを連動して、又は独立して切替える
ことができるので、同一被測定面においてレーザ光の波
長に起因する反射率に相違に対しても、夫々のサーボゲ
インを略一定にすることができる。この結果、フォーカ
スサーボと傾きサーボとを夫々の反射率に応じて正常に
動作させることができるので、波長の異なるレーザ光を
用いた光学測定装置における超高精度測定の実現を可能
とすることができる。

尚、レーザ光の被測定面における反射光量をモニター可
能なモニター手段を設けることにより、測定中の被測定
面の反射率を確認しながらゲイン切替えを行うことがで
きる。

実施例 本発明の一実施例における光学測定装置を、第１図〜第
１４図を参照しながら説明する。

本装置は、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標位置を光ヘテロゲイン法に基
いて測定するものであり、半導体レーザ光（λ−７８０
ｎｍ）Ｇを被測定物１の被測定面２に集光し、その反射
光に基いてフォーカスサーボをかける七共に、測定用Ｈ
ｅ−Ｎｅゼーマンレーザ光（λ−６３３ｎｍ）Ｆを被測
定面２に垂直に集光し、その反射光に基いて傾き補正サ
ーボをかけながら被測定面２の形状測定を行うものであ
る。

第３図に示す同装置の全体構成において、３は本体ベー
スとしての下部石定盤、４はこの下部石定盤３との間に
Ｘテーブル５及びＹテーブル６を介してＸ−Ｙ方向に移
動可能な上部石定盤、７は上部石定盤４の前面に設けら
れＺ方向に移動可能に支持されたＺ移動部、８は被測定
物１を保持するＬ字状の保持台、９はこの保持台８をＹ
方向の軸Ｐ（第１１図参照）まわりに回転させるエアー
スピンドル、１０はこのエアースピンドル９を昇降可能
に支持し且つＺ方向の軸Ｑまわりに旋回可能な旋回台で
ある。

Ｚ移動部７は、第１図に示すように、リニアモータ１０
を介してバネ１１により上部右足Ｉ！１４に吊持されて
いる。Ｚ移動部７の内部には、第４図に示すように、半
導体レーザ光Ｇを放射する半導体レーザ１２が設置され
ている。半導体レーザ１２から放射された半導体レーザ
光Ｇは、レンズ１３、偏光プリズム１４、λ／４波長板
１５を通過してグイクロイックミラー１６で下向きに全
反射され、対物レンズ１７の開ロー杯に入射して被測定
物１の被測定面２に集光する。半導体レーザ光Ｇの集光
位置は、ゼーマンレーザ光ＦのＺ座標測定に用いられる
測定光Ｆｚ、の照射位置と略−敗する。被測定面２が傾
いていれば、半導体レーザ光Ｇの反射光の一部は前記対
物レンズ１７の開口外に向けて反射させられるが、残部
は対物レンズ１７の開口内に向けて反射させられる。対
物レンズ１７に戻った反射光はグイクロイックミラー１
６及び偏光プリズム１４で全反射され、レンズ１８で集
光されてハーフミラ−１９で二分割される。

分割された各反射光は、焦点前及び焦点後に設置された
夫々のピンホール２０を通過し、夫々の光検出器２１に
照射される。対物レンズ１７の集光位置が被測定面２に
あれば、第５図に示すように、各光検出器２１で検出さ
れる光量は最大となる、被測定面２と対物レンズ１７と
の間の距離（２方向）が変化すると、第６図に示すよう
に、各光検出器２１上の照射位置がズして光量が低下す
る、これら光検出器２１の出力の差から、第１図に示す
フォーカス誤差信号発生部２２でフォーカス誤差信号が
発生する。第１図においてスイッチＳＷ、が仮想線で示
す位置にあるとき、駆動回路２３はこのフォーカス誤差
信号がゼロとなるようにリニアモータ１０を制御し、Ｚ
移動部７をＺ方向に移動させる。このようにして、半導
体レーザ光Ｇと次に述べるゼーマンレーザ光Ｆの測定光
Ｆｚ。

の集光位置が常に被測定面２にあるようにフォーカスサ
ーボがかけられる。

２つの周波数ｆ５、ｆ２で発振するＨｅ−Ｎｅゼーマン
周波数安定化レーザ２４から放射されたレーザ光Ｆの一
部は、第１のハーフミラ−２５を透過した後、第２のハ
ーフミラ−２６で分離されて測定位置のｘ−Ｙ座標測定
に用いられる。一方、第１のハーフミラ−２５で反射さ
れたレーザ光Ｆｚは、測定位置のＺ座標測定に用いられ
る。このレーザ光Ｆｚは偏光プリズム２７で、測定光Ｆ
ｚ、と参照光Ｆｚ、とに分離される。測定光Ｆｚ、の周
波数ｆ、と参照光Ｆｚ、の周波数ｆ２との差は数百Ｋ１
１ｚで、互いに垂直な直線偏光となっている。尚、Ｘ−
Ｙ座標測定に使用されるレーザ光Ｆｘ、Ｆｙも、各光路
途中で夫々のコーナキューブ４４によって測定光Ｆｘ＋
、ＦＶ＋と参照光ｒ”ｘｇ、Ｆｙｚとに分離される。

Ｚ座標測定に用いられる測定光Ｆｚ、は、第７図に示す
ように、Ｐ偏波を全透過しＳ偏波を部分透過する特殊偏
光プリズム２８と、ファラデー素子２９と、λ／２板３
０とを通過し、Ｓ偏波となって偏光プリズム３１で全反
射される。そしてλ／４板３２、集光レンズ３３を通過
し、ミラー３４上に集光して反射された測定光Ｆｚ、は
前記λ／４板３２によってＰ偏波となり、前記偏光プリ
ズム３１を全透過して対物レンズ１７に入射し、被測定
面２に垂直に集光される。被測定面２からの反射光は上
記入射光と同一光路を戻るが、Ｓ偏波となって特殊偏光
プリズム２日で一部反射された後、偏光プリズム２７で
全反射され、Ｚ軸先検出器３．５に達する。被測定面２
の形状測定時は、被測定面２上の測定点のＺ座標の変動
速度に応じて前記反射光の周波数がドプラーシフトし、
ｆ、＋Δとなる。尚、反射光の光路が被測定面２の傾き
に応じてズレようとする際は、特殊偏光プリズム２８で
一部反射された反射光を４分割光検出器３６が検知し、
集光レンズ移動手段３７により集光レンズ３３をＸ−Ｙ
方向に移動させて入射光の対物しンズ１７への入射位置
を変化させることにより、常に反射光が同一光路を戻る
ように傾き補正サーボがかけられる。

一方、参照光Ｆｚｚは前記偏光プリズム２７で全反射さ
れた後、レンズ３８によってＺ軸ミラー３９上に集光さ
れ、反射されて前記Ｚ軸先検出器３５に達する０反射光
の周波数は、Ｘ、Ｙテーブル５．６の移動真直度などの
誤差により、ｒ！十δとなる。従ってＺ軸先検出器３５
では、（ｆ１＋Δ）−（ｆ２＋δ）がビート信号として
検出され、２座標検出装置３７において被測定面２の測
定位置のＺ座標が正確に得られる。

尚、被測定面２の測定位置のＸ、Ｙ座標は、Ｚ移動部７
に設置したＸ、Ｙ軸ミラー３８．３９に集光されたＦ　
ｘｌ、　Ｆ　ｙｔの反射光と、下部石定盤ｌ側に設置し
たＸ、Ｙ軸ミラー４０．４１に集光された参照光Ｆｘ１
．Ｆｙｉの反射光との周波数の差によって、Ｘ、Ｙ細光
検出器４２．４３で検出される。

被測定物１を保持する保持台８は、第８図に示すように
、Ｚ軸スライド板４５、Ｘ軸スライド板４６、基板４７
から基本構成されたスライドガイド装置を介してＺ−ｘ
方向移動可能にエアースピンドル９に取付けられている
。これらＺ軸スライド板４５、Ｘ軸スライド板４６、基
板４７は磁性体からなっている。Ｚ軸スライド板４５は
背面側に形成されたＸ方向の凹溝部４８が、Ｘ軸スライ
ド板４６の前面側に形成されたＸ方向の凸部４９に面接
触状態で嵌合している。Ｘ軸スライド板４６の背面側に
形成されたＸ方向の凹溝部５０は、基板４７の前面側に
形成されたＸ方向の凸部５１に面接触状態で嵌合してい
る。これら凹溝部４８５０及び凸部４９．５１の表面は
平滑に研磨されている。

Ｘ軸スライド板４６の上面に固定された保持部材５２は
、Ｚ軸道リネジ５３を回転可能に保持している。２軸送
りネジ５３のネジ蔀は、Ｚ軸スライド板４５の上部に螺
設された雌ネジ部５４に螺合している。Ｘ軸スライド板
４６の両側面に取付けられた枠部材５５の一方は、Ｘ軸
送りネジ５６を回転可能に保持している。Ｘ軸送りネジ
５６のネジ部は、基板４７の一側部に穿設された雌ネジ
部５７に螺合している。この基板４７の略中央部には、
２軸スライド板４５、Ｘ軸スライド板４６のスライドを
固定する固定ネジ５８のネジ部に螺合する雌ネジ部５９
が穿設されている。Ｘ軸スライド仮４６の略中央部には
、固定ネジ５８の軸部を挿通するＸ方向の長孔５０が開
設されている。

Ｚ軸スライド板４５の略中央部には前記軸部を挿通する
大径の角孔６１が開設されている。Ｘ軸スライド板４６
には四つの円孔６２が開設され、各円孔６２に非磁性体
からなる円筒カラー６３を周囲に備えた円柱状の磁石６
４が嵌着されている。

磁石６４の両端面は、Ｘ軸スライド板４６の表面より若
干沈んでいる０本実施例では磁石６４の磁性体に対する
吸着力により、Ｘ軸スライド板４６とＺ軸スライド板４
５及び基板４７との密着性を更に向上させている。磁石
６４の材質はサマリウムコバルトが好適であるが、それ
以外の材質を用いてもよい。

このようなスライドガイド装置において、保持台８上の
被測定物１をＸ方向に移動させる場合は、第９図に示す
ように、Ｚ軸道リネジ５３を回転操作してＺ軸スライド
板４５を微調スライドさせる。Ｘ方向に移動させる場合
は、第１０図に示すように、Ｘ送すネジ５６を回転操作
してＸ軸スライド板４６を微調スライドさせる。固定す
る際は固定ネジ５８によって締付ける０本実施例のスラ
イドガイド装置によれば、被測定面２の極座標測定時な
どにおいて生じるガタ付きが事実上全くなく、被測定面
２の超高精度測定の実現に寄与するところ大である。

前記旋回台１０は、第３図に示すように、エアースピン
ドル９が設置固定された支持板６５と、この支持板６５
を昇降可能に案内支持する四本の支持柱６６と、これら
支持柱６６が立設された旋回基盤６７とを備えている。

旋回基盤６７は枢支ピン６８によって旋回可能に枢支さ
れている。旋回基盤６７上には、支持板６５に穿設され
た雌ネジ部に螺合する送りネジ６９と、この送りネジ６
９を回転させるモータ７０とが配設されている。

送りネジ６９はその下部に固定されたギア７１とこのギ
ア７１に噛合するウオーム７２とを介して回転させられ
る。

このように構成された旋回台１０によれば、保持台８に
被測定物１を保持させて被測定面２の形状測定を行う場
合は、第１１図及び第１２図に実線で示す測定位置に保
持台８を設置する。より大きな被測定物ｌの形状測定を
行う場合は、第１１図に示すように、モータ７０を駆動
してエアースピンドル９をその上端部が上部石定盤２の
下端部よりも低い位置に下降させる０次にこの状態で旋
回台ｌＯを、第１２図に矢印で示す方向に枢支ビン６８
を中心として旋回させる。これにより、保持台８をＺ移
動部７下方の測定位置から退避位置に移動させることが
でき、Ｚ移動部７の下方空間を拡大することができる。

尚、極座標測定を行う場合は被測定面２の近似曲率中心
がエアースピンドル９の回転軸Ｐと一致するようにモー
タ７０でエアースピンドル９を昇降させる。

次に、第１図及び第２図を用いて、フォーカスサーボ系
の詳細な説明を行う。

第３図において、７３はＺ移動部７のＺ方向における平
衡位置からの変位量を検出する位置検出器、７４は位置
検出器７３からの出力によって位置信号を発生する位置
信号発生回路、７５は位置信号に基いてＺ移動部７のＺ
方向に位置を表示する位置表示手段、７６は０．３Ｈｚ
の周波数発振器７７は２移動部７をＺ方向に移動させる
ためのボリューム、７８はボリューム７７の操作設定電
圧に基きバネ１１の復元力の影響をなくすように位置信
号を増幅して駆動回路２３に信号を送る差動増幅器、７
９はゲインコントロール回路、８０は被測定面２の反射
率に応じてサーボゲインの切替え操作を行うための操作
部である。この操作部には、第２図に示すように、半導
体レーザ光Ｇ及びゼーマンレーザ光Ｆの被測定面２での
各反射率を三つの範囲に切替えるための反射率切替スイ
ッチと、両レーザ光Ｇ、Ｆの反射率切替えの連動と独立
作動とを選択するための連動スイッチと、各レーザ光Ｇ
、、Ｆの反射光量を表示する反射光量モニターメータと
を備えている。

これにより、被測定面２の反射率に応じて夫々のサーボ
ゲインを切替えることができるので、広い範囲の反射率
に対してサーボゲインを略一定にすることができ、高精
度測定可能な被測定面２の範囲を拡大することができる
。又同一被測定面２においてレーザ光Ｇ、Ｆの波長に起
因する反射率の相違にも対処することができるので、フ
ォーカスサーボと傾きサーボとを夫々の反射率に応じて
正常に動作させることができる。更に、測定中の被測定
面２の反射率を夫々のレーザ光Ｇ、Ｆにおいて確認しな
がらゲイン切替えを行うことができる。尚、本実施例で
は対応可能な反射率の範囲を３〜１００％としているが
、０〜１００％としてもよい。

以上のように構成された光学測定装置において非曲面レ
ンズを被測定物１としその被測定面２の形状測定を行う
には、先ず被測定物１を保持台８上に保持させる。この
とき、エアースピンドル９の回転軸Ｐが被測定面２の曲
率中心を通るようにエアースピンドル９を昇降又はスラ
イドガイド装置をＸ−Ｚ方向に微調スライドさせる０次
にボリューム７７を操作してＺ移動部７をＺ方向に移動
させ、第１３図に示すように、対物レンズ１７を被測定
面２の先端部に対するフォーカス位置の上方１〜２ＩＩ
ＩＩｌの位置に初期位置を設定する。このとき、同図に
示すようなスケール８１を上部石定盤４の前面側に設置
しておくと好適である。

スイッチＳｗ、をオンにすると、Ｚ移動部７はフォーカ
ス誤差信号が出るまで、すなわち対物レンズ１７がフォ
ーカス引き込み範囲に達するまで下降する。フォーカス
誤差信号が検出されたらスイッチＳｗｔを切替えてフォ
ーカスサーボをかける。これにより、対物レンズ１７を
フォーカス位置に引き込むことができる。

次に被測定面２のＸ−￥−Ｚ座標における測定原点Ｓ（
図示せず）を求める方法を、第１４図を参照しながら説
明する。

現在のレーザ光Ｇの被測定面２上の集光位置を初期原点
（Ｘａ、Ｚａ）Ｓ、とじ、この初期原点Ｓ０の同−Ｙ座
標位置での被測定面２の中心からのズレ量を求めて第１
の目標原点Ｓ１を得るため、同−Ｙ座標位置において初
期原点Ｓ６近傍の一定範囲で二位置のＸ−Ｚ座標を測定
する。夫々のＸＺ座標を、（Ｘ、、Ｚｄ、）、（Ｘ　ｔ
、　Ｚ　ｄｚ）とする。

測定によって得られた測定面（第１図実線）の計算球面
（第１図仮想線）からのズレ量をＺｄとすると、 Ｘ”　＋Ｙ”　＋　（Ｚ＋Ｒ−Ｚｄ）”　＝Ｒ２と置け
る。

但し、Ｒは初期原点Ｓ０近傍の曲率半径である。

一方、計算球面はＲ−、／”−主二ｒ−＝■］−測定面
はＲ−−ＸＩＸａ）”　−Ｚａ なので、Ｚｄは、 −−−＋ａ　　−Ｚａと なる。

ここでＸ（Ｒとすると、 Ｚｄ　＃Ｒ−Ｘ”÷２Ｒ−Ｒ＋　（ＸＩＸａ）”＋２Ｒ
＝Ｚａ ”’　（（ＸＩＸａ）”　−Ｘ”　）＋２Ｒ＝Ｚａ＃Ｘ
ａ　　−Ｘ＋Ｒ＋Ｘａ”＋２Ｒ−Ｚａここで、Ｘａ”＋
２Ｒ＝Ｚａなので、 Ｚｄ　＝Ｘａ−Ｘ＋Ｒ，となる。

故に、 Ｘａ　＝Ｒ＋Ｘ−Ｚｄ ”Ｒ・（Ｚｄｌ　　ｚａｚ）　”　（ＸＩ　　Ｘｚ）以
上のようにして、第１の目標原点Ｓ、を得ることができ
る。以下、同様にして、この第１の目標原点Ｓ１近傍の
同−Ｘ座標位置における二位置のＹ−Ｚ座標を測定し、
第１の目標原点Ｓ１の被測定面２の中心からのズレ量を
求めて第２の目標原点Ｓｔ　　（図示せず）を得る。

この第２の目標原点Ｓｚは被測定面２の中心に一致する
ので、この目標原点Ｓ２を被測定レンズ面のｘ−ｙ−ｚ
座標における測定原点Ｓとして被測定面２の形状測定を
行うことにより、Ｘ−Ｙ方向に対称な範囲を測定するこ
とができる。又これに基いて、極座標測定を行う場合の
測定位置を決めることもできる。

本発明は上記実施例に示すほか、種々の態様に構成する
ことができる。例えば使用するレーザ光の種類やその波
長及び反射率の切替え範囲などは上記実施例に示すもの
に限定されず、必要に応じて適宜設計することができる
。

発明の効果 請求項１記載の発明によれば、広い範囲の反射率に対し
てサーボゲインを略一定にすることができ、測定可能な
被測定面の範囲を拡大することができる。

請求項２記載の発明によれば、同一被測定面においてレ
ーザ光の波長に起因する反射率に相違に対しても夫々の
サーボゲインを略−・定にすることができるので、波長
の異なるレーザ光を用いた光学測定装置における超高精
度測定の実現を可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学測定装置におけるフォ
ーカスサーボ系のブロック図、第２図は同装置における
反射率切替え操作部の正面図、第３図は同装置の全体構
成を示す概略斜視図、第４図はその光路図、第５図は対
物レンズがフォーカス位置にあるときの光路図、第６図
は対物レンズがフォーカス位置から外れたときの光路図
、第７図は同装置における傾きサーボ系の光路図、第８
図は同装置において被測定物の保持枠をエアースピンド
ルに対してＸ−Ｚ方向に移動可能に案内支持するスライ
ドガイド装置の分解斜視図、第９図はその縦断側面図、
第１０図はその横断平面図、第１１図は同装置における
旋回台の正面図、第１２図はその平面図、第１３図は同
装置における対物レンズの位置設定の説明図、第１４図
は同装置において被測定面上のＹ方向における初期原点
から目標原点を求める概略説明図である。 ７９・・・・・・ゲインコントロール回路、８０・・・
・・・操作部、ＦＳＧ・・・・・・レーザ光。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第 図 ７９−−−ケ゛イ＞コ＞ｌ（１−４＠　１１８０・−８
作郁 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 ２を 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定面に照射してレーザ光の反射光に基いてサ
   ーボ制御を行う光学測定装置において、被測定面の反射
   率に応じてサーボゲインの切替えが可能なゲイン切替え
   手段を備えたことを特徴とする光学測定装置。
2. （２）フォーカスサーボに用いられるレーザ光の被測定
   面における反射率に応じてサーボゲインの切替えが可能
   なゲイン切替え手段と、傾きサーボに用いられるレーザ
   光の被測定面における反射率に応じてサーボゲインの切
   替えが可能なゲイン切替え手段とを備えると共に、両切
   替え手段の連動及び独立作動を選択するための選択手段
   を備えたことを特徴とする光学測定装置。
3. （３）レーザ光の被測定面からの反射光量をモニター可
   能なモニター手段を備えたことを特徴とする請求項１又
   は２記載の光学測定装置。