JPH0326765B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般的な自由曲面、又は非球面のレ
ンズやミラーの表面形状等を、高精度に、光学的
に非接触で測定する３次元測定器に関するもの
で、特にレーザ光を対物レンズで、被測定物体面
上に集光し、その反射光の周波数の被測定物体面
の移動によつて生ずるドプラーシフトを検出し
て、面形状を測定する光学測定装置に関するもの
である。

従来例の構成とその問題点 光ヘテロダイン法を利用したレーザ測長器とし
ては、ヒユーレツトパツカード社の製品がある
（例えば、HP5526A）。これは、現在、簡便かつ、
最も精度の高い測長器として知られている。ま
た、これを３次元移動台に取付けて、３次元測定
器や、精密旋盤として使用できることが知られて
いる。

ところで、従来装置では、移動台にコーナーキ
ユーブやミラーを取付け、移動台の動きのみをレ
ーザ測長器で測定したに溜まり、３次元測定器の
場合は、何らかの測定プローグによつて被測定物
の面形状に沿つて、移動台を移動させる。ところ
が、測定プローグは接触型と非接触型があるが、
いずれも測定精度が、レーザ測定器の精度に比べ
一桁程度落ちる。

発明の目的 本発明は、上記の従来の欠点を解消するもの
で、被測定物体面の形状を、レーザ測長法で直接
測定することを可能としたものである。

測定光を対物レンズで被測定物体面上に集光
し、対物レンズと被測定物体面との距離を一定に
保つようフオーカスサーボをかけることにより、
反射光は、入射光と同一の方向にもどり、従つ
て、参照光と干渉し、ビート周波数を検出して、
被測定物体面の変位が測定可能となる。

被測定物体面がガラス面のように反射率の低い
面や、表面がある程度、滑らかな研磨面でない場
合、又、表面が傾いている場合等で、十分の量の
反射光がもどらない場合でも測定が可能なよう
に、新たに開発されたパワーの強いレーザ光源を
使用する等して、多くの種類の面の形状を高い精
度で測定できるような光学測定装置を得ることを
目的とする。

発明の構成 上記目的を達する為、本発明の光学測定装置
は、測定光（周波数f₁）と、参照光（周波数f₂）
の２つの周波数変動を十分小さく、既ち、周波数
変動を発振周波数で割つたものが10^-9程度に安定
化された放射光を発生する放射光源と、この放射
光源からの放射光を一定のスポツトサイズと広が
り角を持つ放射光に変換する光学系と、この放射
光を測定光f₁と参照光f₂に光路を分離する光分離
手段と、測定光を被測定物体面上に集光する対物
レンズと、前記被測定物体面からの反射光の一部
を受光して、焦点が被測定物体面からずれた場合
の焦点誤差信号を検出する第２の光検出器群、及
び、焦点誤差信号を発生するように、反射光の光
路内に設置された光学系と、この焦点誤差信号に
応じて対物レンズと被測定物体面との距離を一定
となるよう対物レンズを移動させる移動台を有
し、被測定物体面から反射した測定光と、参照光
とを干渉させ、これらのビート周波数の変動から
被測定物体面の形状を高精度に測定できる構成と
したものである。

実施例の説明 以下、本発明の実施例について、図面に基づい
て説明する。

第１図において、光源１はHe−Neレーザで、
管軸に垂直な方向に磁場をかけ、発振周波数f₁及
びf₂の２つの互いに偏光方向の直交した光を発す
ると共に、この発振周波数を安定化したレーザ
で、例えば雑誌Ｏ pLUS Ｅの1981年６月号及
び７月号に内容は記述されている。このレーザ
は、レーザパワーが従来のものより強く、周波数
の安定度も10^-9とかなり良い。

２と３はビームエクスパンダーで、対物レンズ
６の入射瞳径一杯に光が入る程度の平行光に広げ
られる。周波数f₁の光は、電場が紙面に平行な方
向に偏向しており、偏光ビームスプリツタ３を全
透過する。これを測定光と呼ぶ。一方、周波数f₂
の光は、紙面に垂直な方向に偏向しており、偏光
ビームスプリツタ３で全反射する。これを参照光
と呼ぶ。測定光は、偏光プリズム４を全透過し、
λ／４板５を通過して、対物レンズ６によつて、
被測定物体７の表面に絞り込まれる。被測定物体
７は、移動台１４に固定され、Ｘ−Ｙ方向に移動
させることができる。被測定物体面からの反射光
は、再び対物レンズ６を通過し、λ／４板を通過
し、偏光方向が入射光とは90゜変化する。偏光プ
リズム４は、Ｐ偏波は全透過し、Ｓ偏波は一部透
過し、一部反射するように設計されており、被測
定物体面からの反射光はＳ偏波となる為、一部は
偏光プリズム４を透過し、一部は反射する。偏光
プリズム４を反射した光は、レンズ１７で絞ら
れ、ハーフミラー１８で２つに分けられ、焦点前
後におかれた円形開口１９、及び２１を通過し、
光検出器２０，２２に達する。被測定物体７の表
面から焦点位置がずれると、ずれる方向によつ
て、開口１９と２１のいずれかで光を一部遮断さ
れ、光検出器２０と２２に入る光量に差がでる。
この光検出器２０と２２の出力の差を誤差信号と
して、対物レンズ６をＺ方向に移動させることに
よつて、常に被測定物体面上に焦点を結ばせるこ
とができる。この焦点検出法は、Y.Fainman et.
al Appl.Opt／Vol.21、No.17、P3200に記述され
ている。

被測定物体をＸ−Ｙ方向に移動させると被測定
物体の厚さ変化に応じて、測定光の反射光の周波
数はドプラーシフトする。ここで反射光の周波数
をf₁＋Δf＋εと記す。Δf＋εがドプラーシフト
の量である。Δf＋εと書いたのは以下の理由に
よる。本測定装置は、0.1〜0.01μｍの極めて高精
度の測定をめざしているので、移動台１４も高い
精度のものが必要であるが、移動台１４をＸ−Ｙ
方向に移動させた場合、Ｚ方向にもわずかに変位
する。現在、エアー軸受けや、オイル軸受等の最
も高精度の移動台でも、移動の真直度を0.2μｍ以
下に押えることはむずかしい。従つて、反射光の
ドプラーシフト量は、移動台１４をＸ−Ｙ方向に
移動させた時に、真直度不足の為にＺ方向にずれ
ることによる量をε、測定したい被測定物体面の
厚さ変化による量をΔfと置いた。以上のように
測定光の反射光は、周波数f₁＋Δf＋εとなり、偏
光ビームスプリツタ３を全反射し、偏光板２３、
レンズ１５を通過して光検出器１６上に達する。

一方、参照光はλ／４板８、ミラー９、レンズ
１０、ミラー１１，１２を介して、移動台１４上
に固定されたミラー１３上に達する。ミラー１３
は平面度が0.01μｍ程度と極めて高いもので、従
つて、移動台１４に際しての、Ｚ方向の変位分の
み、参照光の反射光はドプラーシフトとし、参照
光の反射光の周波数はf₂＋εとなる。レンズ１０
の焦点距離は十分長く、従つて焦点深度は深く、
又、移動台１４のＺ方向の変位は、焦点深度に比
べ十分小さいので、参照光の方はフオーカスサー
ボは不用である。参照光の反射光は、同経路をも
どり、λ／４板８を再び通過し、偏光方向が入射
光90゜変化するので、偏光ビームスプリツタ３を
全透過し、光検出器１６上に達する。ここで被測
定物体７からの測定光の反射光やミラー１３から
の反射光の一部が一定量以上レーザに戻れば、レ
ーザの発振モーボが不安定になり、測定が困難に
なるため、レーザへの戻り光が極めて微弱になる
ような工夫が必要である。つまり、偏光ビームス
プリツタ３はＳ偏光が全反射、Ｐ偏光が全透過す
る働きがあり、これらの消光比は充分大きくする
必要がある。またλ／４板５と８は性能の良いも
のを使用し、回転とアオリの微調整によつてレー
ザ波長に対しほぼ完全にλ／４になるよう調整す
る必要がある。測定光と参照光は互いに偏光方向
が直交しているので、これらの45゜方向の成分の
み、偏光板２３を通過させることにより、偏光方
向をそろえることにより、光検出器１６上でビー
ト周波数 （f₁＋Δf＋ε）−（f₂＋ε）＝f₁−f₂＋Δfを検出す
る。一方、f₁−f₂は、あらかじめレーザ１の出射
光を一部分離し、検出しておいて、これらの周波
数を比較することにより、被測定物の厚さの情報
Δfを検出することができる。

ドプラーシフトは、反射面がＺ方向にｖの速度
で動いた場合、入射光の周波数をf₁とすると反射
光はf₁（１−2v／ｃ）となり、ドプラーシフト量Δf＝ 2v／ｃf₁となる。従つて変阻は、ΔZ＝∫vdt＝ｃ／2f₁ ∫Δfdtとなる。ここで測定精度は、f₁の安定度に
左右される。すなわちf₁の安定度が測定の信頼度
となる。

被測定物体の表面としては、種々のものが考え
られる。これらを、傾き、表面精度、反射率の３
点に分けて以下に記す。

第２図は被測定面がθだけ傾いた場合の反射光
の光路の説明図である。対物レンズの開口数NA
＝sinαで表わされる。傾きθがα内であれば、対
物レンズの中に反射光はもどる。ところが傾きが
α以内であつても、第４図に示すように、傾きが
ゼロである時に比べて検出されるビート周波数の
振巾は落ちる。ビート周波数の振巾は、第３図に
示すように、対物レンズの開口Ａと、反射光の分
布Ｂの重なり部分Ｃの面積に比例する。従つて、
対物レンズのNAが高い程、傾きの大きい面まで
測定できる。入射光は対物レンズ開口一杯に入れ
ることにより、傾きの許容量は大きくなる。

表面精度については、表面形状が対物レンズに
よつて絞られる測定光のスポツト径に比べ、荒い
場合は、上述の傾きと同様に考えられる。また、
表面形状がスポツト径と同等か、より細かい場合
は、反射光は表面で回折され、一部は対物レンズ
の外側に散乱される。しかし、測定光によつて照
射された部分の形状が、すべての位置で傾きがα
を越えた場合以外は、必ず一部は対物レンズ内に
もどり、この光によつてビート周波数を検出する
ことができる。

表面の反射率については、例えばレンズの面形
状を測定する場合は、ガラス面なので、反射率は
４％程度になる。従つて、十分パワーの測定光を
照射する必要がある。実験によると、レーザパワ
ーが0.5ｍＷ以上あれば、研磨され傾きのないガ
ラス面は測定できた。

しかしながら、上記の傾き、面精度、反射率が
いずれも悪い場合は、反射光量が減るので測定が
むずかしくなる。そこで、光検出器の検出感度を
上げると共に、レーザはできるだけパワーの強い
ものを使用し、対物レンズのNAは高い方が良
い。NAは0.95の対物レンズまで製造されている
が、対物レンズ出射端と被測定物表面との距離、
即ちworking Distance（WD）が短くなり、被測
定物表面が傾いていると、対物レンズと被測定物
が接触し、測定不能となる。この点を考慮して、
本測定装置にはNAが0.5から0.6のものを使用し
た。ただし、用途によつて、他のNAのものが適
当な場合もある。例えば、表面は傾きが小さい
が、細かい表面形状を測定したい場合は、より高
NAのものを使うし、レンズをあまり近づけられ
ない面を測定する時は、より低NAのレンズを使
う。

本実施例では、被測定物体を固定する移動台１
４をＸ−Ｙ方向に、対物レンズをＺ方向に移動さ
せた。しかし、対物レンズ、レーザ等を含む光学
系をＸ−Ｙ方向に移動させても、また、被測定物
をＺ方向に移動させても、設計上の自由度の問題
で、本発明の原理は同じであることは言うまでも
ない。

被測定物体と対物レンズの相対位置をＸ−Ｙ方
向に移動させることによつて、被測定物体の広い
Ｘ−Ｙ位置における厚さを測定することができる
が、ある位置で、表面に欠陥があつたり、ホコリ
がついていたりして、反射光が十分対物レンズに
もどらず、従つて測定不能となつた場合がある。
光ヘテロダイン法による測定は連続的な厚さの変
化を積分して厚さを測定するものであるから、一
箇所でも測定不能となると、以後測定不能とな
る。その解決策として、第５図に示すように
（X_a、Y_a）の位置が測定不能となつた場合、その
直前の測定位置（X_a、Y_b）にもどすと共に、
（X_b、Y_b）における測定値Z_bの値を再度入力させ
る。その後は、測定不能の点（X_a、Y_a）を避け、
第５図のように迂回して測定を続けることができ
る。

被測定物体の厚さＺを測定する場合、精度を上
げる為には、測定位置であるＸ−Ｙ座標も精度良
く測定しなければならない。その為に、前記の周
波数安定化ゼーマンレーザの光を一部分離する
か、他に同様の光源からの光を、第６図のように
測定光を対物レンズと共に固定されたミラー２７
に参照光を被測定物体と共に固定されたミラー２
９に当て、反射光のビート信号を光検出器３２で
検出して、Ｘ、Ｙ方向の移動量を精度良く測定で
きる。λ／４板２５，２６と、コーナキユーブプ
リズム３０の働きで、ミラー２７，２９には、そ
れぞれ２度反射する。この構造はミラー２７，２
９の傾きに強い構造である。

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、光ヘテ
ロダイン法による干渉測長法で、被測定物体面の
形状を直接測定できる構造を持ち、その他の技術
的に可能な機械精度の不足による従来装置におけ
る測定精度の限界をほとんど打ちやぶり、干渉測
長法の精度、即ち0.1〜0.01μｍの精度で、種々の
表面形状を持つ面の形状を測定でき、その工業的
利用価値は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光学測定装
置の概略構成図、第２図、第３図および第４図は
本発明の光学測定装置において、被測定物体面が
傾いた場合についての説明図、第５図は被測定面
に異常があつた場合の測定シーケンスの説明図、
第６図は本発明の実施例の要部構成図である。 １……レーザ光源、２……ビームエクスパンダ
ー、３，２４……偏光ビームスプリツタ、４……
特称仕様の偏光プリズム、５，８，２５，２６…
…λ／４板、６……対物レンズ、７……被測定物
体、９，１１，１２，１３，２７，２８，２９…
…ミラー、１０，１５，１７……レンズ、１４…
…移動台、１６，２０，２２，３２……光検出
器、１８……ハーフミラー、１９，２１……円形
開口、２３，３１…偏光板、３０……コーナーキ
ユーブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周波数f₁の測定光と周波数f₂の参照光を発生
   する光放射手段と、これらの光を別の光路に分離
   する第１の光分離手段と、前記測定光を被測定物
   体面上に集光させるための対物レンズと、被測定
   物体面から反射して、再び前記対物レンズを通過
   した測定光と、前記被測定物体と同一架台上に固
   定されたミラーに照射させ、反射した前記参照光
   を第１の光検出器上で干渉させる光学系と、前記
   光検出器上で発生したビート周波数の変動を検出
   し、前記被測定物体面の変位を測定可能とするた
   めの信号処理手段と、前記被測定物の位置と前記
   光源、対物レンズ等を含む光学系の位置を、前記
   測定光の光軸方向を、互いに垂直な座標Ｘ−Ｙ−
   Ｚにおいて、Ｚ方向とした時、Ｘ−Ｙ方向に相対
   的に移動可能とした移動手段と、前記被測定物体
   面から反射した測定光を一部第２の光分離手段に
   よつて分離した光、又は別の第２の光源からの光
   を前記対物レンズを通して前記被測定物体面上に
   照射させ、反射した光を、測定光の反射光から分
   離する第３の光分離手段によつて分離された光を
   受光するフオーカス誤差信号検出用の第２の光検
   出器群と、前記第２、又は第３の光分離手段と前
   記第２の光検出器群の間に位置し、前記反射光の
   光路を、前記第２の光検出器群上で好適な焦点誤
   差信号を得ることができる形に変換するための光
   学手段を備え、前記光検出器群から得られた焦点
   誤差信号によつて、前記対物レンズと前記被測定
   物体面との距離を一定に保つよう、前記対物レン
   ズ、又は、前記被測定物体をＺ軸方向に移動させ
   る手段を備えた光学測定装置。 ２ 放射光の対物レンズに入射する直前における
   光束径を、対物レンズの入射瞳に比べ、同等か又
   は、大きくしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の光学測定装置。 ３ 参照光は、被測定物体を固定した架台上に固
   定され、測定光の光軸（Ｚ軸）方向に垂直な方向
   に面があるよう置かれたミラーに入射した後反射
   し、第１の光検出器上に達することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の光学測定装置。 ４ 測定光と参照光を発生する放射射手段とし
   て、He−Neレーザのレーザ管軸に対し垂直な方
   向に磁場をかけ、ゼーマン効果によつて発振周波
   数の異なる２つの光を発生し、それぞれの発振周
   波数を安定化させた横ゼーマン周波数安定型レー
   ザを使用したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の光学測定装置。 ５ 測定光と参照光の合計の出射パワーが0.5ｍ
   Ｗ以上であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の光学測定装置。 ６ 対物レンズは、開口数（NA）が0.5以上であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光学測定装置。 ７ 対物レンズと被測定物との相対位置をＸ−Ｙ
   方向に移動させ、被測定物体面の厚さＺを連続
   的、又は離散的に測定する過程で光検出器上のビ
   ート周波数が、一時的に検出不能になつた時、そ
   の前に測定したＸ−Ｙ座標位置に前記相対位置を
   もどし、その時のＺの測定値を再度出力し、その
   後、検出不能であつたＸ−Ｙ座標位置をさけて、
   Ｘ−Ｙ方向の相対位置を動かし、測定を続けるよ
   うなシーケンスをほどこしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の光学測定装置。 ８ 被測定物体と共に固定され、Ｘ軸方向に垂直
   な方向に反射面を持つミラーM_X1、又はＹ軸方向
   に垂直な反射面を持つミラーM_Y1、及び、対物レ
   ンズと共に固定され、Ｘ軸方向に垂直な方向に反
   射面を持つミラーM_X2、又は、Ｙ軸方向に垂直な
   方向に反射面を持つミラーM_Y2を有し、光放射手
   段からの放射光を測定光、参照光共一部分離した
   放射光、或いは、前記光放射手段と同様な第３の
   光放射手段からの放射光を、測定光と参照光に分
   け、測定光をＸ方向はミラーM_X1に、参照光はミ
   ラーM_X2に入射させ、或はＹ方向は測定光をミラ
   ーM_Y1、参照光をミラーM_Y2に入射させ、これら
   の反射光を光検出器上で干渉させることにより、
   対物レンズと被照射物体とのＸ或いは、Ｙ方向の
   相対位置を測定することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の光学測定装置。