JPH0465615A - 光学式表面粗さ測定装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は光学式の表面粗さ測定装置に係り、詳しくは、
光の反射位置が表面の凹凸に応じて変化するのに伴って
反射光の収束発散状態が変化することを利用して表面の
凹凸を測定する装置に関するものである。

従来の技術 被測定物の表面粗さや微細な凹凸形状等を測定する光学
式表面粗さ測定装置の一種に、光軸に対して交差する方
向へ相対移動させられる被測定物の表面にビームウェス
トが略位置する状態でその表面の微小範囲に計測光を集
光させるとともに、その表面で反射された計測光の収束
発散状態の変化を検出することにより、その表面の凹凸
による計測光の反射位置の変位量を測定する形式のもの
がある。そして、上記収束発散状態の変化を検出する一
つの手段として、光波分割プリズムと２−分割光センサ
により集光位置のずれを検出するフーコー法が知られて
いる。

かかるフーコー法について第２図を参照しつつ具体的に
説明すると、Ｂ点が対物レンズ１０の焦点位置にあれば
、Ｂ点からの光線は対物レンズ１０を通過した後に平行
光線となり、集光レンズ２２によって収束光とされた後
、光軸上に頂点が位置するように配置された三角柱形状
の分割プリズムＩ２により、光軸と直交する頂点の稜線
を境として互いに反対側の方向へ屈折させられて交差す
る一対の光束り、、Ｌ２に分割される。一方の光束り、
は、図において光軸から上方に離隔した位置にある２分
割光センサ１４上の中心に集光させられ、他方の光束Ｌ
２は、光軸から下方に離隔した位置にある２分割光セン
サ１６上の中心に集光させられる。このとき、２分割光
センサ１４および１６のそれぞれの中心を境に図におけ
る上下に一対ずつ配置された受光部１５ａ、１５ｂ、お
よび受光部１７ａ、１７ｂからのそれぞれの出力の差動
信号は零となる。

ところが、出射点がＡ点側に移動すると対物レンズ１０
を出た光線は発散光となるため、分割プリズム１２によ
り屈折して分割された一対の光束り、、Ｌ、の集光位置
（ビームウェスト）が、出射点がＢ点である場合に比べ
てそれぞれ遠くなる。

このため、一対の光束Ｌ＋　、Ｌｚは主に一対の２分割
光センサ１４．１６の内側部分、すなわち受光部１５ａ
、１７ａに照射されることになり、このときの受光部１
５ａ、１５ｂ、１７ａ　　１７ｂの出力差動信号は負と
なる。逆に、出射点が０点側に移動すると対物レンズ１
０を出た光線は収束光となるため、分割プリズム１２を
出た一対の光束り、、Ｌ２の集光位置が、出射点がＢ点
である場合に比べてそれぞれ近くなる。このため、一対
の光束Ｌ１．Ｌ２は主に一対の２分割光センサ１４．１
６の外側部分、すなわち受光部１５ｂ、１７ｂに照射さ
れることになり、このときの受光部１５ａ、１５ｂ、１
７ａ、１７ｂの出力差動信号は正となる。したがって、
この差動信号の正負によって出射点の移動状態を検知す
ることができ′るのである。

フーコー法は、このように光の収束発散状態の変化から
光の出射位置を検出する方法であり、第３図はこのフー
コー法を利用して表面の凹凸を測定する装置の一例を示
す骨子図である。ががる第３図において、レーザ発振器
１８から出射された直線偏光レーザ光りは、光軸上に配
置されたビームエキスパンダ２０によりビーム径が拡大
されて円形平行光とされた後、偏光ビームスプリンタ２
４に入射させられる。レーザ発振器１８の姿勢は、レー
ザ光りの偏波面（電気ベクトルの振動面）が紙面と直角
となるように設定されており、入射面が紙面と平行にな
るように配置された偏光ビームスプリッタ２４によりレ
ーザ光りは下方へ反射される。反射されたレーザ光りは
、ス波長板２６を通過したあと前記対物レンズ１０によ
って被測定物２８の表面３０に照射される。

上記被測定物２８は、偏光ビームスプリッタ２４によっ
て反射されたレーザ光りの光軸上において、表面３０が
対物レンズ１０によって集光させられるレーザ光りのビ
ームウェストと略一致する位置に配置されているととも
に、駆動装置３２によってレーザ光りの光軸と直角な平
面内を移動させられる移動テーブル３４上に載置されて
いる。

したがって、レーザ光りは表面３０の微小範囲に照射さ
れることとなり、被測定物２８が移動テーブル３４と共
に光軸と直角な方向へ移動させられることにより、その
表面３０上におけるレーザ光りの反射位置は表面３０の
凹凸に対応じて光軸方向へ変位させられる。レーザ光り
は計測光に相当する。

表面３０で反射されたレーザ光りは、対物レンズ１０を
経て区波長板２６を再び通過させられることにより、往
路に比較して偏波面の向きが９０゜回転させられ、偏光
ビームスプリッタ２４を透過して集光レンズ２２によっ
て収束光とされたあと、分割プリズム１２により屈折さ
せられて一対の光束Ｌ＋、Ｌｘに分割される。そして、
それら一対の光束り、、Ｌ、は、光軸から離隔してそれ
ぞれ配置された２分割光センサ１４および１６の受光部
１５ａ、１５ｂ、および受光部１７ａ、１７ｂにそれぞ
れ受光される。かかる受光部１５ａ、１５ｂ、および受
光部１７ａ、１７ｂの受光量は、表面３０の凹凸による
レーザ光りの反射位置の変位に伴って、前記第２図に示
されている原理に従って増減させられるため、その受光
量に対応する出力信号Ｓａ、Ｓｂが供給される測定回路
３６においては、それ等の信号Ｓａ、ＳｂＯ差を求め、
その差動信号の正負の値から例えばデータマツプ等によ
り表面３０の凹凸を求める。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、かかる従来の測定方法においては、被測
定物を相対移動させる際の振動その他の外乱によりその
被測定物が計測光の光軸方向に変位させられると、その
変位量を含んで表面粗さが測定されるため、必ずしも充
分な測定精度が得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、被測定物の振動等による影響を排
除して測定精度を向上させることにある。

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本発明の要旨とするとこ
ろは、光軸に対して交差する方向へ相対移動させられる
被測定物の表面にビームウェストが略位置する状態でそ
の表面の微小範囲に計測光を集光させるとともに、その
表面で反射された計測光の収束発散状態の変化を検出す
ることにより、その表面の凹凸による計測光の反射位置
の変位量を測定する方式の光学式表面粗さ測定装置であ
って、（ａ）光軸が同じで偏波面が互いに直交する２種
類の偏光成分を含む光を出射する光源装置と、（ｂ）前
記２種類の偏光成分をそれぞれ独立に集光し、その２種
類の偏光成分の一方を計測光として、そのビームウェス
トが前記被測定物の表面と略一致するようにその表面の
微小範囲に照射するとともに、上記２種類の偏光成分の
他方を参照光として上記被測定物の表面の比較的広い範
囲に照射する対物レンズと、（Ｃ）前記表面で反射され
且つ前記対物レンズを通過させられた前記計測光および
参照光を分離する偏光ビームスプリンタと、（ｄ）その
偏光ビームスプリッタによって分離された前記計測光の
光軸と直交する一直線を境とする少なくとも半分を屈折
させるとともに、上記光軸を含み且つ上記一直線に垂直
な平面上における光軸から離隔した位置に集光させるこ
とにより、前記表面における計測光の反射位置の変位に
応じてその計測光の収束発散状態が変化させられるのに
伴って、前記屈折させた計測光の集光位置をその進行方
向の前後に移動させる計測用光学素子と、（ｅ）その計
測用光学素子により屈折させられた前記計測光の進行方
向の両側に配設され、その計測光の集光位置の移動に対
応じて相反的に増減するその計測光の光量をそれぞれ検
出する計測用光センサと、げ）前記偏光ビームスプリッ
タによって分離された前記参照光の光軸と直交する一直
線を境とする少なくとも半分を屈折させるとともに、上
記光軸を含み且つ上記一直線に垂直な平面上における光
軸から離隔した位置に集光させることにより、前記表面
における参照光の反射位置の変位に応じてその参照光の
収束発散状態が変化させられるのに伴って、前記屈折さ
せた参照光の集光位置をその進行方向の前後に移動させ
る参照用光学素子と、（（イ）その参照用光学素子によ
り屈折させられた前記参照光の進行方向の両側に配設さ
れ、その参照光の集光位置の移動に対応じて相反的に増
減する参照光の光量をそれぞれ検出する参照用光センサ
と、（ｈ）前記計測用光センサから出力される計測信号
の差動をとるとともに、前記参照用光センサから出力さ
れる参照信号の差動をとり、それ等の差動信号の差に基
づいて前記表面の凹凸を測定する測定手段とを有するこ
とにある。

作用 このような光学式表面粗さ測定装置においては、光軸が
同じで偏波面が互いに直交する２種類の偏光成分を含む
光が光源装置から出射され、対物レンズによって、上記
２種類の偏光成分の一方が計測光として被測定物の表面
の微小範囲に集光させられるとともに、２種類の偏光成
分の他方が参照光として被測定物の表面の比較的広い範
囲に集光させられる。そして、その表面で反射された計
測光および参照光は、上記対物レンズを通過させられた
あと偏光ビームスプリフタによって分離され、それぞれ
計測用光学素子および参照用光学素子に入射させられる
。

計測用光学素子に入射して少なくとも半分が屈折させら
れるとともに光軸から離隔した位置に集光させられる計
測光は、被測定物の表面における反射位置の変位に応じ
て収束発散状態が変化させられるのに伴って、その集光
位置が進行方向の前後に移動させられ、その集光位置の
移動に対応じて相反的に増減する進行方向の両側におけ
る計測光の光量が計測用光センサによってそれぞれ検出
される。また、参照用光学素子に入射して少なくとも半
分が屈折させられるとともに光軸から離隔した位置に集
光させられる参照先は、被測定物の表面における反射位
置の変位に応じて収束発散状態が変化させられるのに伴
って、その集光位置が進行方向の前後に移動させられ、
その集光位置の移動に対応じて相反的に増減する進行方
向の両側における参照光の光量が参照用光センサによっ
てそれぞれ検出される。そして、測定手段によりそれら
計測用光センサおよび参照用光センサから出力される信
号の差動をそれぞれとるとともに、それ等の差動信号の
差から被測定物の表面の凹凸が測定される。

このとき、参照用光センサから出力される参照信号の差
動は、参照光が照射された部分の変位量Ｄｏ＋に相当す
るが、参照光が被測定物の表面の比較的広い範囲に照射
されることにより表面の凹凸による影響が平均化される
ため、その変位量Ｄｚ＋は、振動等による被測定物全体
の変位量ｄ°に対応する。また、・計測用光センサから
出力される計１１Ｊ信号の差動は、計測光が照射された
部分の変位量ＤＭに相当するが、計測光が被測定物の表
面の微小範囲に照射されることから、この変位量ＤＨは
、上記被測定物全９体の変位量ｄ“と表面の凹凸による
変位量ｄとを合わせた変位量（ｄ士ｄ”）に対応する。

したがって、それ等の差動信号の差、すなわち変位量Ｄ
Ｉ＋　（−ｄ”）と変位量り。（＝ｄ＋（１“）との差
は、被測定物の表面の凹凸のみによる変位量ｄに相当し
、振動等の外乱による影響が相殺されて表面の凹凸が高
い精度で測定される。

なお、上記変位量ＤＲ，ＤＭは必ずしも長さ寸法として
求められる必要はなく、差動信号の差から表面の凹凸が
最終的に長さ寸法として求められれば良く、例えば、計
測光および参照先によるそれぞれの差動信号の何れか一
方が零となるように対物レンズと被測定物とを光軸方向
へ相対移動させて、他方の差動信号から直接表面の凹凸
を求めるようにすることもできる。

発明の効果 このように、本発明の光学式表面粗さ測定装置によれば
、計測光による表面粗さ測定とは別に、被測定物表面の
比較的広い範囲に照射された参照先により被測定物表面
全体の変位量が求められ、この参照先によって測定され
た変位量と計測光によって求められた変位量との差に基
づいて表面の凹凸が測定されることにより、振動等の外
乱による影響が相殺されて被測定物の表面の凹凸が高い
精度で測定されるのである。

また、本発明によれば、被測定物の表面における反射位
置の変位によって光量が相反的に増減させられる屈折後
の光の進行方向の両側においてその光量を検出するとと
もに、それ等の差動をとるようになっているため、光源
装置の出力変動等に起因するノイズが除去される利点が
ある。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、以下の実施例において前記第３図の従来例と
共通する部分には同一の符号を付して詳しい説明を省略
する。

第１図において、レーザ発振器１８の姿勢はレーザ光り
の偏波面が紙面に対して４５゛傾斜するように設定され
ており、ごのレーザ発振器１８から出射されたレーザ光
りは、ビームエキスパンダ２０によりビーム径が拡大さ
れて円形平行光とされた後、無偏光ビームスプリッタ４
０によって下方へ反射され、二重焦点レンズ４２に入射
させられる。二重焦点レンズ４２は、光学ガラスと複屈
折性材料とを含んで構成されており、入射する光線の偏
波面の方向によって屈折率が異なる特性を備えている。

具体的には、レーザ光りのうち偏波面が紙面と平行なＰ
偏光成分のレーザ光ＬＰについては、前記被測定物２８
の表面３．０上にビームウェストが略位置して表面３０
の微小範囲に照射されるように集光する一方、偏波面が
紙面に直角なＳ偏光成分のレーザ光り、については、ビ
ームウェストが表面３０よりも下方となって表面３０の
比較的広い範囲に照射されるように集光するようになっ
ている。

本実施例においては、上記レーザ発振器１８゜ビームエ
キスパンダ２０．およヒ無偏光ヒームスブリッタ４０に
よって光源装置４４が構成されており、二重焦点レンズ
４２は対物レンズに相当する。また、レーザ光ＬＰ、Ｌ
Ｓはそれぞれ計測光参照光に相当する。

上記レーザ光ＬＰは表面３０の微小範囲に照射されるこ
とから、被測定物２８が移動テーブル３４と共に光軸ｊ
と直角方向へ移動させられることにより、その反射位置
が表面３０の凹凸に応じて光軸ｊ方向へ変位させられる
とともに、移動テーブル３４の振動などにより被測定物
２８が上下に移動した場合にも反射位置は光軸ｊ方向へ
変位する。一方、レーザ光り、は表面３０の比較的広い
範囲に照射されることから、被測定物２８の上下移動に
応じてその反射位置は変位させられるものの、表面３０
の凹凸による影響は平均化されて反射位置の変位には殆
ど影響しない。すなわち、レーザ光Ｌｐの表面３０にお
ける反射位置の変位量り、は、その表面３０の凹凸によ
る変位量ｄと被測定物２８全体の振動等による変位置ｄ
°とを合わせた変位量（ａ十ｄ”）となり、レーザ光り
。

の表面３０における反射位置の変位量ＤＲは、振動等に
よる被測定物２８全体の変位量ｄ°となるのである。

表面３０で反射されたレーザ光り、およびり。

は、二重焦点レンズ４２を逆に通過して無偏光ビームス
プリンタ４０を透過させられ、偏光ビームスプリンタ４
６に入射させられる。偏光ビームスプリッタ４６の入射
面は紙面と平行で、偏波面が紙面と平行なレーザ光ＬＰ
はその偏光ビームスプリッタ４６を透過させられる一方
、偏波面が紙面と直′角なレーザ光り、はその偏光ビー
ムスプリッタ４６により右方へ反射される。

そして、偏光ビームスプリンタ４６を透過したレーザ光
り、は、前記集光レンズ２２によって収束光とされたあ
と前記分割プリズム１２に入射させられる。この分割プ
リズム１２は、その一対の屈折面がなす稜線１３が光軸
ｊと直交して紙面に対して垂直となる状態に配設されて
おり、第１図において光軸ｊに対するレーザ光ＬＰの右
半分および左半分の光束をそれぞれ光軸ｊの反対側の方
向に屈折させることにより、互いに交差する２つのレー
ザ光ＬＰ１．　　ＬＰ２に分割する。本実施例において
は、上記分割プリズム１２および集光レンズ２２が計測
用光学素子に相当し、上記稜線１３が計測光の光軸と直
交する一直線に相当する。

一方の光束ＬＦＩは、光軸ｊから左方に離隔した位置に
配設された２分割光センサ１４上の中心に集光させられ
、また、他方の光束ＬＰ２は、光軸ｊから右方に離隔し
た位置に配設された２分割光センサ１６上の中心に集光
させられる。これら２分割光センサ１４および１６と前
記集光レンズ２２との距離は、集光レンズ２２に入射す
るレーザ光り、が平行光であるとき、すなわち、前記被
測定物２８に照射されるレーザ光ＬＰのビームウェスト
が表面３０と略一致している状態のときに、上記レーザ
光ＬＰＩＩ　　Ｌ；ｚの集光位置がそれぞれ２分割光セ
ンサ１４および１６上の中心に一致するように設定され
ている。

２分割光センサ１４は、上記レーザ光ＬＰＩの進行方向
の両側、すなわち第１図における直線ｍを含んで紙面に
垂直な平面を境界とする右側および左側の両方に跨がっ
て配設されており、その双方の側におけるレーザ光ＬＰ
Ｉの光量をそれぞれ検出する一対の受光部１５ａ、１５
ｂを備えている。

また、２分割光センサ１６は、上記レーザ光ＬＰ２の進
行方向の両側、すなわち第１図における直線ｎを含んで
紙面に垂直な平面を境界とする左側および右側の両方に
跨がって配設されており、その双方の側におけるレーザ
光ＬＰ２の光量をそれぞれ検出する一対の受光部１７ａ
、１７ｂを備えている。そして、それらレーザ光Ｌ　ｐ
　＋　、　　Ｌ　ｐ　２の集光位置がそれぞれ２分割光
センサ１４および１６上の中心に一致しているときには
、上記受光部１５ａ１５ｂの受光量の検出出力、および
受光部１７ａ１７ｂの受光量の検出出力がそれぞれ略等
しくなるように調整されている。上記２分割光センサ１
４および１６は計測用光センサに相当する。

ここで、表面３０の凸状に変位した微小範囲部分で反射
されたレーザ光り、は、二重焦点レンズ４２を通過した
後に発散状態となり、集光レンズ２２および分割プリズ
ム１２によって集光させられるレーザ光Ｌ□、Ｌｐ□の
集光位置が２分割光センサ１４，１６上の中心位置より
もそれぞれ遠くなるため、レーザ光ＬＰＩ＋　　ＬＺが
主に光軸ｊに近い内側にそれぞれ照射されて、受光部１
５ａ、１７ａの検出出力を加算した計測信号Ｓａは大き
くなる一方、受光部１５ｂ、１７ｂの検出出力を加算し
た計測信号ｓｂは小さくなる。このときの受光量の差は
、上記表面３０上の凸形状による上方への変位量に対応
じている。

逆に、表面３０の凹状に変位した微小範囲部分で反射さ
れたレーザ光り、ｐは、二重焦点レンズ４２を通過した
後に収束状態となり、集光レンズ２２および分割プリズ
ム１２によって集光させられるレーザ光ＬＰＩＩ　　Ｌ
Ｐ２の集光位置が２分割光センサ１４，１６上の位置よ
りもそれぞれ近くなるため、レーザ光ＬＰＩ＋　　ＬＰ
２が主に光軸Ｊから遠い外側にそれぞれ照射されて、受
光部１５ａ、１７ａの検出出力を加算した計測信号Ｓａ
は小さくなる一方、受光部１５ｂ、１７ｂの検８出力を
加算した計測信号ｓｂは大きくなる。このときの受光量
の差は、上記表面３０上の凹形状による下方への変位量
に対応じている。

一方、偏光ビームスプリンタ４６によって反射されたレ
ーザ光り、は、前記集光レンズ２２と同様の集光レンズ
５８によって収束光とされたあと、前記分割プリズム１
２と同様の分割プリズム４８に入射させられる。この分
割プリズム４８は、その一対の屈折面がなす稜線４９が
光軸にと直交して紙面に対して垂直となる状態に配設さ
れており、第１図において光軸ｋに対するレーザ光り、
の下半分および上半分の光束をそれぞれ光軸・ｋの反対
側の方向に屈折させることにより、互いに交差する２つ
のレーザ光Ｌｓ＋＋Ｌｓ□に分割する。本実施例におい
ては、上記分割プリズム４８および集光レンズ５８は参
照用光学素子に相当し、上記稜線４９が参照光の光軸と
直交する一直線に相当する。

一方の光束しいは、光軸ｋから上方に離隔した位置に配
設された２分割光センサ５０上の中心に集光させられ、
また、他方の光束り、□は、光軸ｋから下方に離隔した
位置に配設された２分割光センサ５２上の中心に集光さ
せられる。これら２分割光センサ５０および５２と前記
集光レンズ５８との距離は、集光レンズ５８に入射する
レーザ光Ｌ’ｓが平行光であるとき、すなわち、前記被
測定、物２８に照射されるレーザ光り、のビームウェス
、トが表面３０と略一致している状態のときに上記レー
ザ光Ｌ□、Ｌ、の集光位置がそれぞれ２分割光センサ５
０および５２上の中心に一致するように設定されている
。

２分割光センサ５０は、上記レーザ光ＬＳＩの進行方向
の両側、すなわち第１図における直線ｔを含んで紙面に
垂直な平面を境界とする下側および上側の両方に跨がっ
て配設されており、その双方の側におけるレーザ光Ｌ　
ｓｔの光量をそれぞれ検出する一対の受光部５１ａ、５
１ｂを備えている。

また、２分割光センサ５２は、上記レーザ光Ｌ８□の進
行方向の両側、すなわち第１図における直線Ｕを含んで
紙面に垂直な平面を境界とする上側および下側の両方に
跨がって配設されており、その双方の側におけるレーザ
光り、□の光量をそれぞれ検出する一対の受光部５３ａ
、５３ｂを備えている。

レーザ光り、は二重焦点レンズ４２によるビームウェス
トが表面３０よりも下方に位置しているため、その表面
３０で反射されて二重焦点レンズ４２を逆方向に通過し
た光は発散光となり、レーザ光Ｌ　’ｌＩ＋　　Ｌ１２
の直線ｔ、ｕの上側および下側におけるそれぞれの受光
量に差を生じるため、上記受光部５１ａ、５１ｂおよび
受光部５３ａ、５３ｂには予めこの光量差に対応するバ
イアスがかけられており、前記レーザ光ＬＰのビームウ
ェストが表面３０と略一致させられた状態において、そ
れらの検出出力の差が零になるように設定されている。

上記２分割光センサ５０および５２は参照用光センサに
相当する。

ここで、表面３０が全体的に上方向に変位した際番こそ
の表面３０の比較的広い範囲で反射されたレーザ光り、
は、その発散状態が上記変位に対応じて拡大され、集光
レンズ５８および分割プリズム４８によって集光させら
れるレーザ光り、、；　　Ｌ、ｔの集光位置がそれ以前
よりもそれぞれ遠くなるため、光軸ｋに近い内側におけ
る照射量と光軸ｋから遠い外側における照射量との差が
それ以前よりも大きくなる。このときにおける受光部５
１ａ。

５３ａの検出出力を加算した参照信号ＳＲａと受光部５
１ｂ、５３ｂの検出出力を加算した参照信号ＳＲｂとの
差の増加分は、上記表面３０全体の上方への変位量に対
応じている。

逆に、表面３０が全体的に下方向に変位した際にその表
面３０の比較的広い範囲で反射されたレーザ光り、は、
その発散状態が上記変位に対応じて縮小され、集光レン
ズ５８および分割プリズム４８によって集光させられる
集光位置がそれ以前よりも近く４るため、光軸ｋに近い
内側における照射量と光軸ｋから遠い外側における照射
量との差がそれ以前よりも小さくなる。このときにおけ
る受光部５．１ａ、５３ａの検出出力を加算した参照信
号ＳＲａと受光部５１ｂ、５３ｂの検出出力を加算した
参照信号ＳＲｂとの差の減少分は、上記表面３０全体の
下方への変位量に対応じている。

そして、前記計測信号Ｓａ、Ｓｂ、および上記参照信号
ＳＲａ、、ＳＲｂは、測定回路５４に供給される。測定
回路５４は、例えばマイクロコンピュータを備えて構成
され、予め定められたプログラムに従って信号処理を行
うことにより、計測信号Ｓａ、Ｓｂの差動をとるととも
に参照信号ＳＲａ、ＳＲｂの差動をとり、それ等の差動
信号ｅとＲｅとの差から、予め記憶されたデータマツプ
や演算式等により表面３０の凹凸を求める。このデータ
マツプや演算式は、レーザ光り、、Ｌｓの反射位置と差
動信号ｅ、Ｒｅとの関係を実験等により求めて定められ
る。この測定回路５４は測定手段に相当する。

ここで、上記計測信号Ｓａとｓｂとの差動信号ｅは前記
変位量り、４すなわち被測定物２８全体の振動等による
変位量ｄ゛と表面３０の凹凸による変位量ｄとを合わせ
た変位量〜（ｄ＋ｄ’）に対応し、参照信号ＳＲａとＳ
Ｒｂとの差動信号Ｒｅは前記変位量Ｄ１すなわち被測定
物２８全体の振動等による変位置ｄ°に対応するため、
それ等の差動信号ｅとＲｅとの差は、被測定物２８の表
面３０の凹凸のみによる変位量ｄに対応し、振動等の外
乱による影響が相殺されて表面３０の凹凸が高い精度で
測定される。

また、本実施例の測定装置では２分割光センサ１４．１
６、および５０．５２が用いられ、表面３０で反射され
たレーザ光り、、Ｌ、を集光レンズ２２．５８により集
光するとともに分割プリズム１２．４８により屈折させ
て分割した後、表面３０における反射位置の変位に伴っ
てそれぞれの集光位置が前後に移動させられるのに対応
じてそれぞれの光量が相反的に増減させられるレーザ光
ＬＰＩ、　　ＬＰ２およびＬ　ＳＩ＋　　Ｌｓ２の進行
方向の両側においてその光量をそれぞれ受光検出し、そ
れらを部分加算した出力の差動をとるようになっている
ため、光源装置４４の出力変動等に起因するノイズが除
去される利点がある。

以上、本発明の一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、前記実施例では差動信号ｅとＲｅとの差から表
面３０の凹凸を測定するようになっているが、例えば二
重焦点レンズ４２と被測定物２８とを相対的に上下方向
へ接近離間させる駆動装置を設け、差動信号ｅおよびＲ
ｅの何れか一方が零となるように上記駆動装置をフィー
ドバック制御して、差動信号Ｒｅ、ｅの他方のみから表
面３０の凹凸を求めるようにすることもできる。

また、差動信号ｅの変化が零となるように集光レンズ２
２と２分割光センサ１４，１６とを光軸ｊ方向へ相対移
動させるとともに、差動信号Ｒｅの変化が零となるよう
に集光レンズ５８と２分割光センサ５０，５２とを光軸
に方向へ相対移動させ、それらの移動量の差に基づいて
表面３０の凹凸を測定することも可能である。

また、前記実施例ではレーザ光り、が常に発散光の状態
で集光レンズ５８に入射させられるとともに、集光レン
ズ５８と２分割光センサ５０，５２との距離が集光レン
ズ５８の焦点距離に一致させられていたが、レーザ光り
、のビームウェストが表面３０と略一致している状態に
おいて、集光レンズ５８により集光させられるレーザ光
り、の集光位置と略一致する位置に２分割光センサ５０
゜５２を配置したり、或いは、集光レンズ５８に入射さ
せられる前のレーザ光り、を平行光とするために、偏光
ビームスプリンタ４６と集光レンズ５８との間に他の集
光レンズを配設したりしてもよく、この場合には、２分
割光センサ５０および５２の受光部５１ａ、５１ｂ、お
よび５３ａ、５３ｂに予め所定のバイアスをかける必要
がなくなる。

また、前記実施例ではビームエキスパンダ２０を出て横
断面が円形の平行光とされたレーザ光りが二重焦点レン
ズ４２に入射させられるようになっているが、収束光若
しくは発散光の状態でレーザ光りを二重焦点レンズ４２
に入射させるようにしても良い。その場合には、表面３
０で反射されたレーザ光ＬＰ、ＬＳが平行光となるよう
に偏光ビームスプリンタ４６と集光レンズ２２．５８と
の間に他のレンズをそれぞれ設けたり、収束光若しくは
発散光が集光レンズ２２．５８により集光させられる集
光位置に２分割光センサ１４，１６および５０．５２を
それぞれ配置したりするなどすれば良い。

また、前記実施例では対物レンズとして二重焦点レンズ
４２が用いられているが、偏波面の向きに応じて屈折作
用を為す複数のレンズを組み合わせて用いることもでき
る。

また、焦点距離が異なる複数の二重焦点レンズを回転式
のレボルバ等に取り付け、二重焦点レンズを交換するこ
とによって測定倍率を変化させたり、二重焦点レンズと
被測定物２８との間に別の対物レンズを入れてそれ等の
組合せにより表面３０上に大小のスポットを形成したり
、レーザ発振器１８と無偏光ビームスプリッタ４０との
間に光アイソレータを入れたりすることもできる。

また、前記実施例においては、分割プリズム１２および
４８によりそれぞれ屈折させられて分割された一対ずつ
のレーザ光ＬＰＩＩ　　ＬＰ□およびＬ　Ｓ　Ｉ　＋Ｌ
５□の光量がそれぞれ２分割光センサ１４．１６、およ
び５０．５２によって検出されていたが、レーザ光Ｌｐ
およびり、それぞれの少なくとも半分の光束について屈
折集光させることによりそれぞれの光量変化が検出され
ればよく、必ずしも分割プリズム１２．４８を用いたり
、一対ずつの２分割光センサ１４，１６、および５０．
５２を設ける必要はない。

また、前記実施例においては、測定用光学素子および参
照用光学素子として分割プリズム１２と集光レンズ２２
、および分割プリズム４８と集光レンズ５８が用いられ
ていたが、凹面鏡などの他の光学部品を利用して測定用
光学素子や参照用光学素子を構成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光学式表面粗さ測定装
置の構成を説明する骨子図である。第２図は分割プリズ
ムと集光レンズを用いて光の収束発散状態の変化を検出
する原理を説明する図である。第３図は分割プリズムと
集光レンズを利用した従来の光学式表面粗さ測定装置の
一例を説明する骨子図である。 １３　： １４゜ ２８　＝ ４２　： ４４　： 稜線（一直線） １６：２分割光センサ（計測用光センサ）被測定物　　
　　３０：表面 二重焦点レンズ（対物レンズ） 光源装置 ４６：偏光ビームスプリンタ １１１ａｌｌ１ ４９：稜！（一直線） ５０．５２：２分割光センサ（参照用光センサ）５４：
測定回路（測定手段）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光軸に対して交差する方向へ相対移動させられる被測定
   物の表面にビームウェストが略位置する状態で該表面の
   微小範囲に計測光を集光させるとともに、該表面で反射
   された該計測光の収束発散状態の変化を検出することに
   より、該表面の凹凸による該計測光の反射位置の変位量
   を測定する方式の光学式表面粗さ測定装置であって、 光軸が同じで偏波面が互いに直交する２種類の偏光成分
   を含む光を出射する光源装置と、前記２種類の偏光成分
   をそれぞれ独立に集光し、該２種類の偏光成分の一方を
   計測光として、そのビームウェストが前記被測定物の表
   面と略一致するように該表面の微小範囲に照射するとと
   もに、該２種類の偏光成分の他方を参照光として該被測
   定物の表面の比較的広い範囲に照射する対物レンズと、 前記表面で反射され且つ前記対物レンズを通過させられ
   た前記計測光および参照光を分離する偏光ビームスプリ
   ッタと、 該偏光ビームスプリッタによって分離された前記計測光
   の光軸と直交する一直線を境とする少なくとも半分を屈
   折させるとともに、該光軸を含み且つ該一直線に垂直な
   平面上における該光軸から離隔した位置に集光させるこ
   とにより、前記表面における該計測光の反射位置の変位
   に応じて該計測光の収束発散状態が変化させられるのに
   伴って、前記屈折させた計測光の集光位置をその進行方
   向の前後に移動させる計測用光学素子と、 該計測用光学素子により屈折させられた前記計測光の進
   行方向の両側に配設され、該計測光の集光位置の移動に
   対応して相反的に増減する該計測光の光量をそれぞれ検
   出する計測用光センサと、前記偏光ビームスプリッタに
   よって分離された前記参照光の光軸と直交する一直線を
   境とする少なくとも半分を屈折させるとともに、該光軸
   を含み且つ該一直線に垂直な平面上における該光軸から
   離隔した位置に集光させることにより、前記表面におけ
   る該参照光の反射位置の変位に応じて該参照光の収束発
   散状態が変化させられるのに伴って、前記屈折させた参
   照光の集光位置をその進行方向の前後に移動させる参照
   用光学素子と、該参照用光学素子により屈折させられた
   前記参照光の進行方向の両側に配設され、該参照光の集
   光位置の移動に対応して相反的に増減する該参照光の光
   量をそれぞれ検出する参照用光センサと、前記計測用光
   センサから出力される計測信号の差動をとるとともに、
   前記参照用光センサから出力される参照信号の差動をと
   り、それ等の差動信号の差に基づいて前記表面の凹凸を
   測定する測定手段と を有することを特徴とする光学式表面粗さ測定装置。