JPH0418764B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、測定物の表面と平坦な透明体であ
るオプテイカルフラツトの表面との間に形成され
る微小隙間にレーザ光を照射し該レーザ光のオプ
テイカルフラツト表面および測定物表面からの反
射光の干渉を利用して前記微小隙間の寸法を測定
する微小すきま測定装置に関する。

［発明の技術的背景と問題点］ レーザ光の干渉を利用して微小隙間の寸法を測
定する微小隙間測定装置は、例えば磁気デイスク
装置において浮動ヘツドスライダの浮上する隙間
を測定したり、鏡面研磨面等においてその面の粗
さを測定するのに有効である。

第４図はこのような微小隙間測定装置の測定原
理を説明するための図である。同図において、１
はオプテイカルフラツト、３は測定物であり、オ
プテイカルフラツト１の表面１ａと測定物３の表
面３ａとの間に微小隙間５が形成されている。図
示しないレーザ光光源から発生され集光されたレ
ーザ光１１１は図示のようにオプテイカルフラツ
ト１の上方から入射してオプテイカルフラツト１
を通過し更に微小隙間５を通つて測定物３の表面
３ａを照射する。そして、この入射レーザ光１１
１の一部はオプテイカルフラツト１の表面１ａに
より反射光１１３として反射され、また一部は測
定物３の表面３ａにより反射光１１５として反射
される。このように反射された反射光１１３およ
び１１５は、微小隙間５の寸法に応じて相対的な
位相が変化するため、それらの干渉光強度は第４
図の上方に描かれているグラフで示すようにレー
ザ光の波長をλとすると微小隙間５の寸法がλ／
２変化する毎に明レベルＡと暗レベルＢとの間を
周期的に変化する。オプテイカルフラツト表面１
ａと測定物表面３ａとの間で形成される微小隙間
５におけるくさび状隙間角度は実際には非常に小
さく、測定物表面３ａで反射される反射光１１５
の一部はオプテイカルフラツト表面１ａと測定物
表面３ａとの間で反射を繰返し、その都度オプテ
イカルフラツト表面１ａで反射される反射光１１
３と多重干渉する。この場合において、レーザ光
の多重干渉光強度Ｉと微小隙間５の寸法ｈとの関
係は次式により規定される。

ここにおいて、Ｒはオプテイカルフラツト１の
反射率、Ｓは測定物３の反射率、λはレーザ光の
波長である。従つて、上式(1)において逆に干渉光
強度Ｉを測定することにより微小隙間５の寸法を
算出することができるのである。

第５図は上述した測定原理を利用した従来の微
小隙間測定装置の一例である。同図において、オ
プテイカルフラツト１および測定物３で形成され
る微小隙間５には直線偏光レーザ発振器２１から
発生するレーザ光が偏光プリズム２３および偏光
板２５を通過し集光レンズ２７で集光されて微小
スポツトのレーザ光１２１として入射する。そし
て、この入射レーザ光のオプテイカルフラツト表
面１ａによる反射光と測定物表面３ａによる反射
光との干渉光１２３は集光レンズ２７、偏向板２
５を介してその偏光面が90゜回転させられて偏光
プリズム２３により側方に反射され、レーザ光強
度検出素子２９に入射してその光強度が測定され
る。このようにして測定された光強度に基づき上
式(1)から微小隙間５の寸法を算出することができ
るのである。

ところで、上述したようにオプテイカルフラツ
ト表面１ａおよび測定物表面３ａで反射されて偏
光プリズム２３に入射する干渉光１２３は偏光プ
リズム２３においてその全光量が完全に側方に反
射されるのでなく、該光の一部は偏光プリズム２
３を直進し、矢印１２５で示すようにレーザ発振
器２１に入射する。この結果、レーザ発振器２１
と微小隙間５との間をレーザ光が往復することに
なり、レーザ発振器２１とオプテイカルフラツト
１または測定物３との間の相対位置変動に起因し
てビート、すなわちうなりが発生し、レーザ光強
度検出素子２９の出力が変動するという問題があ
る。従つて、このため従来の装置においては微小
隙間５の測定精度、特に動的に変動する隙間の測
定精度が低下するという問題がある。

［発明の目的］ この発明は、上記に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、微小隙間を高精度に測定
することができる微小すきま測定装置を提供する
ことにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成するため、レーザ光光源と、偏
光プリズムと、偏光面回転手段と、集光レンズと
が一直線上に光軸を合わせて順次配置され、前記
偏光プリズムにより反射された光を検出する検出
手段とを有し、前記レーザ光光源より出射したレ
ーザ光を前記偏光プリズム及び前記偏光面回転手
段の順に透過させ、前記集光レンズにより集光し
てオプテイカルフラツトの表面と測定物の表面と
の間に形成される微小すきまに照射し、前記オプ
テイカルフラツト表面からの前記レーザ光の反射
光と前記測定物表面からの前記レーザ光の反射光
とを相互に干渉させて該干渉光の強度を前記検出
手段により検出することにより前記微小すきまの
寸法を測定する微小すきま測定装置において、前
記レーザ光光源と前記偏光プリズムとの間に前記
レーザ光のビーム径とほぼ等しい開口を有する絞
りを備え、前記レーザ光光源、偏光プリズム、偏
光面回転手段及び集光レンズが配置される直線が
前記オプテイカルフラツト表面の法線に対して所
定角度傾斜されていることを要旨とする。

［発明の実施例］ 以下、図面を用いてこの発明の実施例を説明す
る。

第１図はこの発明の一実施例に係る微小隙間測
定装置の構成図である。同図に示す微小隙間測定
装置は、第５図に示す従来の装置と同様にオプテ
イカルフラツト１と測定物３との間の微小隙間５
を測定するものであるが、直線偏向レーザ発振器
７から微小隙間５に照射される集光レーザ光１１
７が微小隙間５、すなわちオプテイカルフラツト
表面１ａおよび測定物表面３ａに対して直角でな
く若干傾斜している。詳しくは、オプテイカルフ
ラツト表面１ａに対して直角な法線をとする
と、レーザ発振器７からのレーザ入射光１１７は
法線に対して微小角度θだけ傾斜するように
レーザ発振器７は設定されている。従つて、この
レーザ入射光１１７のオプテイカルフラツト表面
１ａによる反射光１１９は法線に対して角度
θ傾斜している。なお、このようなレーザ光の傾
斜はオプテイカルフラツト表面１ａと測定物表面
３ａとの間の角度が非常に小さいので、オプテ
イカルフラツト表面１ａの法線は実質的に測
定物表面３ａの法線でもあり、上述したようにオ
プテイカルフラツト表面１ａの法線に対して
傾斜するように設定されたレーザ光は測定物表面
３ａの法線に対してもほぼ角度θ傾斜しているも
のである。

また、レーザ発振器７の出力端の側近には絞り
９が配設されている。なお、この絞り９と微小隙
間５との間の距離はｌである。絞り９の中央に形
成された開口９ａの直径はレーザ発振器７から発
生するレーザビームの径にほぼ相当する大きさで
ある。レーザ発振器７から発生したレーザ光はこ
の開口９ａを通過した後、更に偏光プリズム１
１、偏光板１３を通過し集光レンズ１５で集光さ
れて微小スポツトのレーザ光１１７として法線
PQに対して入射角θ傾斜してオプテイカルフラ
ツト１に入射しオプテイカルフラツト１を通過し
て微小隙間５に入射する。そして、オプテイカル
フラツト１に入射したレーザ光１１７の一部はオ
プテイカルフラツト表面１ａで反射され、また微
小隙間５に入射したレーザ光１１７は測定物表面
３ａで反射される。この入射レーザ光１１７のオ
プテイカルフラツト表面１ａによる反射光と測定
物表面３ａによる反射光とは互いに干渉し干渉光
１１９として法線に対して反射角θ傾斜して
集光レンズ１５、偏光板１３を通過して偏光プリ
ズム１１により大部分の光は側方に反射され、レ
ーザ光強度検出素子１７に入射してその光強度が
測定される。その結果、上述したようにこの測定
された光強度に基づき上式(1)から微小隙間５の寸
法を算出することができる。

ところで、前記干渉光１１９のうち偏光プリズ
ム１１で側方に反射されずに偏光プリズム１１を
透過した微弱な干渉光１１９′は、上述したレー
ザ光の傾斜のために絞り９の開口９ａよりもわず
かにずれた位置に達し、ここで完全に遮断され
る。従つて、この透過光１１９′は従来のように
レーザ発振器７に入射してレーザ発振器７と微小
隙間５との間で往復するということがなくなる。
このため従来のようなビート、すなわちうなりが
なくなり、安定した干渉光強度検出を行なうこと
ができるのである。

第２図は、第１図に示した微小隙間測定装置に
おいてレーザ光を角度θ傾斜したことにより微小
隙間５の測定精度に与える影響を説明するための
図であつて、オプテイカルフラツト１、測定物３
および微小隙間５の部分を拡大してレーザ入射光
１１７およびオプテイカルフラツト表面１ａによ
る反射光１１９ａおよび測定物表面３ａによる反
射光１１９ｂの関係を詳細に示しているものであ
る。

第２図において、レーザ入射光１１７が入射角
θで入射し反射角θでオプテイカルフラツト表面
１ａで反射される点をＡ、レーザ入射光１１７が
オプテイカルフラツト１を通過して微小隙間５に
入射し、微小隙間５の空気の屈折率n′により屈折
角θで屈折して測定物表面３ａで反射される点を
Ｂ、点Ｂで反射されたレーザ光１１９ｂがオプテ
イカルフラツト１に入射する点をＣ、点Ｃから反
射光１１９ａに降した垂線の足、すなわち垂線と
反射光１１９ａとの交点をＮ、オプテイカルフラ
ツト１の屈折率をｎ、オプテイカルフラツト表面
１ａと測定物表面３ａとの間の寸法をｈとする
と、オプテイカルフラツト表面１ａからの反射光
１１９ａおよび測定物表面３ａからの反射光１１
９ｂの同一波面位置ＮまたはＣにおける光路差
ΔPは次式で表される。

ΔP＝n′（＋）−ｎ・ …(2) ここで、，，はそれぞれ微小隙間５
の寸法ｈ、入射角θ、屈折角θ′を用いて次式のよ
うに表される。

＝＝ｈ／cosθ′ …(3) ＝・sinθ＝2h tanθ′・sinθ …(4) 従つて、式(3)および(4)を式(2)に代入すると、光
路差ΔPは次式のように表される。

ΔP＝2n′・hcosθ′ …(5) この結果から垂直入射の場合に対する傾斜入射
の場合の光路差の差を計算するに、今絞り９と微
小隙間５との間の距離を100mm、レーザビーム
径を１mm、反射光１１９が絞り９に戻つてきた場
合のその絞り９における位置を絞り９の開口９ａ
から３mm離れた位置とすると、レーザ光の入射角
θは約1゜程度であり、屈折角θ′もほぼ同程度とし
て前記光路差の差は0.2％以下である。従つて、
微小隙間５の変化に対する干渉光強度特性は垂直
入射として扱つても問題がないことがわかる。

第３図ａ，ｂは、それぞれ従来の垂直入射方式
の微小隙間測定装置および本実施例で示す傾斜入
射方式の微小隙間測定装置で測定した固定微小隙
間に対する干渉光強度出力のオシロスコープ波形
を示すものである。同図において、横軸は時間、
縦軸は光強度出力、Ａは明レベル、Ｂは暗レベル
を示す。また、測定する微小隙間の大きさは測定
感度の最も高い明レベルＡと暗レベルＢの中間レ
ベルになるように設定されている。同図からわか
るように、第３図ａで示す従来によるものよりも
第３図ｂで示す本実施例による方がビート成分が
除去されていることがよくわかる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、レー
ザ光をオプテイカルフラツト表面および測定物表
面の法線に対して傾斜されて微小隙間に照射し、
かつ、絞りを設けているので、オプテイカルフラ
ツト表面または測定物表面からの反射光はレーザ
光光源への再入射を完全に遮断されるため、レー
ザ光光源と微小隙間との間でレーザ光が往復して
発生するビート、すなわちうなりがなくなり、安
定した干渉光強度を検出することができ、微小隙
間の測定精度、特に動的に変動する微小隙間の測
定精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す微小すきま
測定装置の構成図、第２図は第１図の装置におけ
るレーザ光の傾斜入射の影響を説明するための第
１図の装置の部分拡大図、第３図ａ，ｂはそれぞ
れ従来の垂直入射方式の微小すきま測定装置およ
び第１図に示す傾斜入射方式の微小すきま測定装
置で測定した固定微小隙間に対する干渉光強度出
力のオシロスコープ波形を示す図、第４図は微小
すきま測定装置の測定原理を説明するための図、
第５図は従来の微小すきま測定装置の構成図であ
る。 １…オプテイカルフラツト、１ａ…オプテイカ
ルフラツト表面、３…測定物、３ａ…測定物表
面、５…微小隙間、７…レーザ発振器、９…絞
り、１１…偏光プリズム、１３…偏光板、１５…
集光レンズ、１７…レーザ光強度検出素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザ光光源と、偏光プリズムと、偏光面回
   転手段と、集光レンズとが一直線上に光軸を合わ
   せて順次配置され、前記偏光プリズムにより反射
   された光を検出する検出手段とを有し、前記レー
   ザ光光源より出射したレーザ光を前記偏光プリズ
   ム及び前記偏光面回転手段の順に透過させ、前記
   集光レンズにより集光してオプテイカルフラツト
   の表面と測定物の表面との間に形成される微小す
   きまに照射し、前記オプテイカルフラツト表面か
   らの前記レーザ光の反射光と前記測定物表面から
   の前記レーザ光の反射光とを相互に干渉させて該
   干渉光の強度を前記検出手段により検出すること
   により前記微小すきまの寸法を測定する微小すき
   ま測定装置において、前記レーザ光光源と前記偏
   光プリズムとの間に前記レーザ光のビーム径とほ
   ぼ等しい開口を有する絞りを備え、前記レーザ光
   光源、偏光プリズム、偏光面回転手段及び集光レ
   ンズが配置される直線が前記オプテイカルフラツ
   ト表面の法線に対して所定角度傾斜されているこ
   とを特徴とする微小すきま測定装置。