JPH05203431A

JPH05203431A - 表面形状測定装置

Info

Publication number: JPH05203431A
Application number: JP20712992A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Kitajima; 博愛北島
Original assignee: KYODO KUMIAI BURAITO KITAKIYUUSHIYUU
Current assignee: KYODO KUMIAI BURAITO KITAKIYUUSHIYUU
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1992-07-10
Publication date: 1993-08-10
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH07111334B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光点変位法の測定精度を高め、実用性を向上
する。【構成】１個または２個の光学系１，２を用いて被測
定物３の表面に２個の光スポット１３，２３を生じさ
せ、それぞれの光線の反射光１５，２５による出力信号
を用いて被測定物の表面形状を検出するようにした。【効果】１個の光スポットを用いる従来の装置と比べ
て得られる情報量が増加するので測定精度が向上し、ま
た被測定物の振動などの外乱を除去することが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光点変位法により被
測定物の微小な凹凸などの形状を非接触で測定する表面
形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学的手法により非接触で物体の表面状
態などを測定するものとしては、(a)光切断法などのよ
うに被測定物表面からの反射光の像を測定するもの、
(b) 光の散乱を利用して散乱角度分布やスペックルパタ
ーンを検出するもの、(c) 光波の干渉を利用するもの、
(d) 臨界角法によるもの、(e) 光点変位法によるもの、
などが知られている。上記の(a)の方式は比較的粗い面
に対する測定には適しているが、サブミクロン以下の粗
さの面の測定には不適当である。また、(b)乃至(d)はか
なり優れた分解能を有しているが実用的な測定範囲は数
ミクロンのオーダーであり、これ以上の分解能が必要な
場合には一般に(e)の光点変位法が利用されている。

【０００３】この光点変位法は、被測定物の表面に斜め
に光線を入射させ、表面で反射した反射光を受光する光
学系を備えており、表面の形状や位置に応じて変位する
反射光の光点の中心位置を電気信号に変換して被測定物
の表面形状を検出するものであり、その分解能は０．０
１μm以下で極めて高く、また実用測定範囲も１００μm
以上が可能である。従って、研磨面、切削面、半導体ウ
ェーハの表面などの粗さの測定やバイトの刃先、ダイヤ
モンド接触針の先端などの形状の検査等に適したものと
して広く利用されている。

【０００４】しかしながら、被測定物が振動しているよ
うな場合には、被測定物表面の粗さや形状に応じた出力
信号の変化に振動による出力信号の変化が重畳されたも
のとなり、両者を区別して表面の粗さや形状に応じた出
力信号のみを取り出すことができない。このため、例え
ば精密旋盤による切削工程や鏡面研磨工程などに組み込
んで被加工物の表面状態を検査するような用途には利用
できず、精密加工工程の自動化を妨げる大きな一因とな
っている。また、振動等の外乱による出力信号の変化が
ない場合でも、光点の中心位置の変化が被測定物表面の
位置の変化によるものか傾斜の変化によるものかを区別
しにくく、これが測定精度を向上できない一因になると
いう問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明はこのような
点に着目し、光点変位法による測定において被測定物の
振動などの外乱を除去し、また測定精度を向上すること
を課題としてなされたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を達成するた
めに、この発明では、被測定物表面に２種類の光線によ
り２個の光スポットを生じさせ、それぞれの光線の反射
光による出力信号を用いて被測定物の表面形状を検出す
るようにしている。上記の２個の光スポットは独立した
２個の光学系によって、あるいは１個の光学系によって
生じさせることができる。また、２種類の光線が被測定
物表面の同一箇所に双方向から入射して２個の光スポッ
トを生じ、且つそれぞれの反射光が互いに他の入射光の
光路方向に進行するように光学系を構成している。この
場合、同一光源から分かれた２本の光線あるいは機械的
に一体に結合された２個の光源の光線を用いることが望
ましい。

【０００７】また、２個の光スポットはいずれも同程度
に絞られた小径の光スポットとすることができ、あるい
は一方を小径の光スポットとし、他方を大径の光スポッ
トとすることができる。また、１個の光学系を用いたも
のにおいて光スポットの径を変動させ、この変動に同期
して小径の光スポットに対応する出力信号と大径の光ス
ポットに対応する出力信号を分離して取り出し、この２
種類の出力信号を用いて被測定物の表面形状を検出する
ようにしている。

【０００８】

【作用】２種類の光線の反射光による出力信号を用いる
ことにより得られる情報量が増加し、より精度のよい測
定が可能となる。例えば、２種類の光線が被測定物表面
の同一箇所に双方向から入射して２個の光スポットを生
じ、それぞれの反射光が互いに他の入射光の光路方向に
進行するようにした場合には、被測定物表面の位置が変
化した場合と傾斜が変化した場合とで各光スポットから
の反射光によるそれぞれの出力信号の変化の態様が異な
ったものとなるので、被測定物表面の位置の変化と傾斜
の変化とを明確に区別して精度よく測定することが可能
となる。

【０００９】また、光スポットの一方を小径とし、他方
を大径とした場合には、小径の光スポットからの反射光
による出力信号は被測定物表面の凹凸と機械的振動等に
よる被測定物の表面自体の変位の両方の情報を含んだも
のとなり、大径の光スポットからの反射光による出力信
号は、これに含まれてしまうような凹凸が平均化される
ので表面の変位の情報を主とするものとなる。従って、
両出力信号の差を求めることにより両方の信号に含まれ
ている表面の変位に対応した情報は相殺されることにな
り、表面の凹凸のみに対応した信号が取り出されて機械
的振動等による外乱が除去されるのである。

【００１０】

【実施例１】まず、図１乃至図７に示す実施例により一
般的な光点変位法の説明も交えながらこの発明の構成と
原理を説明する。なお、この実施例は請求項２及び４に
対応するものである。図１及び図２は、装置のＸ−Ｙ面
及びＹ−Ｚ面での基本的な配置を示す平面図及び側面図
であり、図において、１は第１の光学系、２は第２の光
学系、３は被測定物、４は演算手段である。

【００１１】光学系１は、平行またはほぼ平行な光線１
１を発して被測定物３に入射する光源１２、光線１１を
集光して被測定物３の表面に小さな光スポット１３を生
ずる集光レンズ１４、被測定物３からの反射光１５を平
行またはほぼ平行な光線にする対物レンズ１６、反射光
１５を受光してその受光状態に応じた電気信号を出力す
る半導体位置検出装置１７等から構成されている。また
光学系２は、同様に平行またはほぼ平行な光線２１を発
する光源２２、光線２１を集光して比較的大きな光スポ
ット２３を生ずる集光レンズ２４、反射光２５を平行ま
たはほぼ平行な光線にする対物レンズ２６、反射光２５
の受光状態に応じた電気信号を出力する半導体位置検出
装置２７等から構成されている。

【００１２】図２に示すように、各光学系１，２はレン
ズマウント１８及び２８に各レンズ１４，１６及び２
４，２６を保持し、光線１１，２１を斜めに被測定物３
に入射させ、表面３０で反射した反射光１５，２５が対
物レンズ１６，２６に入射するように構成されている。
上記の光線１１，２１の入射角度は一般に３０〜５０°
程度に選定される。また、光源１２，２２としては例え
ばレーザー光源が用いられ、各レンズには例えば二乗屈
折率分布円筒レンズが用いられる。半導体位置検出装置
１７，２７は、入射する反射光１５，２５の光点の中心
位置を電気信号に変換して出力するものであるが、光点
中心の幾何学的な位置でなく、受光部での光強度分布や
スポット径の変化等にも対応して実効的な光点の中心位
置を出力するように構成されている。なお、これらの各
光学系１，２の構成自体は従来から知られている光点変
位法による光学系と基本的には同じものであるから、構
成に関してはこれ以上の説明を省略する。

【００１３】次に、図２乃至図６により既に知られてい
る光点変位法による測定原理を説明する。なお、説明の
便宜上、主として第１の光学系１についての符号を用い
て説明するが、第２の光学系２についても動作は同様で
ある。図２において、実線は反射光１５が対物レンズ１
６の中心に入射し、そのまま直進して半導体位置検出装
置１７の中心に入射するような位置に被測定物３がある
状態を示している。ここで、被測定物３の表面３０が２
点鎖線３０ａまたは１点鎖線３０ｂで示す位置にそれぞ
れ距離ａまたはｂだけ変位すると、対物レンズ１６への
入射位置がずれて反射光は１５ａまたは１５ｂのように
曲げられ、出射角はそれぞれθ₁またはθ₂となる。この
ため、対物レンズ１６の出射端面から半導体位置検出装
置１７までの距離をＲとすれば、反射光の入射位置は半
導体位置検出装置１７の中心より近似的にそれぞれＲθ
₁またはＲθ₂だけ変位する。

【００１４】図６は半導体位置検出装置１７の動作説明
図である。今、有効長Ｓの中心Ｓ₀から距離Ａだけずれ
た位置に反射光１５の中心が入射すると、中心の端子Ｔ
₀を共通端子として両端の端子Ｔ₁，Ｔ₂に出力電流Ｉ₁，
Ｉ₂が流れ、これらの差と和の比は（Ｉ₂−Ｉ₁）／（Ｉ₂＋Ｉ₁）＝２Ａ／Ｓとなり、距離Ａと有効長Ｓの比に対応したものとなる。
従って、半導体位置検出装置１７に入射する光エネルギ
ーの大小や光点の大きさとは無関係に反射光１５の中心
位置Ａを検出できるのであり、上述したように反射光１
５の入射位置がＲθ₁またはＲθ₂だけ変位したことを電
気信号として検出し、演算手段４で所定の演算処理を行
うことにより被測定物３の表面３０のＺ軸方向の位置が
算出されるのである。

【００１５】図３は被測定物の表面に段差があり、その
部分に光線が入射した場合の説明図である。すなわち、
図のように被測定物の表面３０に高さｄの段差があって
光線１１が幅Ｗ₁で入射すると、光線１１の中心の反射
光は段差の影響で１５´−１または１５´−２のように
進み、両端の光線１１ａ及び１１ｂの反射光は１５´ａ
及び１５´ｂのように進んでそれぞれ対物レンズ１６に
入射し、その入射位置に応じてレンズ１６を通った後の
出射角が変化する。このため半導体位置検出装置１７に
入射する反射光の幅は段差のない場合よりも広くなる
が、上述のように半導体位置検出装置１７は入射光の光
点の大きさとは無関係にその実効的中心の位置１５´を
検出する。

【００１６】つまり入射光の幅Ｗ₁の中心に段差ｄがあ
る時には、光スポットの幅Ｗ₁´内における平均の位
置、すなわち段差ｄの１／２の高さに仮想表面３０´が
あり、中心が１５´、両端が１５´´ａ及び１５´´ｂ
のように反射光が対物レンズ１６に入射した場合と近似
的に等しくなるのである。また段差ｄの位置が幅Ｗ₁´
内で一方にずれていれば、そのずれに対応して検出され
る被測定物の仮想表面３０´の位置もずれて幅Ｗ₁´内
における平均の位置が検出される。

【００１７】次に、図４のように表面が三角形状の場合
について述べる。この場合は幾何学的には入射した光線
１１の中心の反射光は１５´のように、また幅Ｗ₂で入
射する両端の光線１１ｃ，１１ｄの反射光は１５´ｃ，
１５´ｄのようにそれぞれ対物レンズ１６に入射するの
で、光線１１ｃ，１１ｄに対応する幅Ｗ₂´の位置にあ
る仮想平面３０´からの反射光１５´´，１５´´ｃ，
１５´´ｄとは入射の位置と角度がかなり異なったもの
となる。しかし、ピーク付近に入射した光線は反射面内
に少し侵入してから再放射され、その放射角度は幾何学
的な反射角度より小さくなることが知られているので、
中心の反射光は１５´−３のように対物レンズ１６に入
射する。そして反射光１５´ｃと１５´ｄは互いに反対
方向に変位しているので、半導体位置検出装置１７の出
力電流は結果的には近似的に反射光１５´´に対応した
値となって出力され、仮想平面３０´の位置が検出され
ることになるのである。

【００１８】なお、光線１１による光スポットの生ずる
部分が傾斜した平面であれば対物レンズ１６への入射位
置が全体として一方向に平行移動するので、この平行移
動を検知して処理することにより表面の平均位置が検出
できる。以上のように被測定物３の表面の位置が検出さ
れるので、被測定物３に対して光学系１を相対的に移動
させることにより被測定物表面の凹凸を検出できるので
あり、被測定物３に生ずる光スポットが小径であればあ
るほど分解能が向上し、より微細な形状の測定が可能と
なる。

【００１９】一方、図５のように光線１１の有効幅Ｗ₃
に対応した光スポットの幅Ｗ₃´が被測定物の表面３０
の凹凸の平均ピッチよりもかなり大きい場合には、表面
３０から乱反射が生ずるが、反射光１５の主要な部分は
表面３０の凹凸を平均した仮想平面３０´からの反射光
の状態となり、半導体位置検出装置１７の出力電流はこ
れに対応したものとなる。すなわち、平面３０´の凹凸
は検出されないで平面３０´の平均位置が検出されるの
であり、被測定物３がＺ軸方向に振動したり全体が変位
したりするとその振動や変位が検出されることになる。

【００２０】従って、図１のように第１の光学系１で被
測定物３に小さな光スポット１３を生じさせ、第２の光
学系２で大きな光スポット２３を生じさせて測定する
と、光学系１では小さな光スポット１３に対応した細か
いピッチの凹凸が検出され、光学系２では光学系１で検
出されるような凹凸は検出されない。そして仮に被測定
物３が振動していれば、それによる被測定物３の表面の
変位も各光学系１，２の検出結果に含まれて同時に検出
される。そこで、両光学系の半導体位置検出装置１７，
２７の出力信号の差を求めることにより、両方の信号に
含まれている表面の変位に対応する信号成分は相殺さ
れ、振動の影響が取り除かれて表面の凹凸のみに対応し
た測定結果を得ることができるのであり、例えば機械的
振動を伴う加工工程にこの装置を組み込んで加工と同時
に表面形状を測定することも可能となる。

【００２１】光学系１による小さな光スポット１３と光
学系２による大きな光スポット２３は、集光レンズ１
４，２４の焦点距離と被測定物３までの距離を適切に選
定することによって容易に得られる。図７はこれを説明
したものであり、(a)は集光レンズ１４，２４からの出
射光線の強度分布の例を光線束で示した図、(b)は光軸
上の異なる位置での強度分布図である。

【００２２】図において、３２は光スポット径が最も小
さくなる最大解像力像平面、３２´はその面で得られる
強度分布、３３はガウス像平面、３３´はその面で得ら
れる強度分布、３４は最大コントラスト像平面、３４´
はその面で得られる強度分布、３５は光スポット径が大
きくなる大スポット径平面、３５´はその面で得られる
強度分布をそれぞれ示している。従って、光学系１では
例えば最大解像力像平面３２に、また光学系２では大ス
ポット径平面３５にそれぞれ被測定物の表面が位置する
ように各光学系１，２を構成することにより、焦点の絞
られた小さな光スポット１３と焦点がぼけて拡大された
大きな光スポット２３を生じさせることができるのであ
る。(a)において、破線で示した３２ａ及び３５ａは光
軸に対して傾斜して配置される被測定物表面の位置をそ
れぞれ示したものである。

【００２３】なお、図１に示したように光学系１及び２
を離して配置した場合には、例えば被測定物３が片持ち
で保持されて振動しているような時には、光スポットの
位置によって振幅が異なるため測定誤差を生ずる。この
振幅の差は振動の態様が事前に判明している時には演算
手段４での演算処理の際に補正することができるが、光
スポット１３，２３間の距離を小さくすれば補正の必要
性は低下し、同一箇所に光スポット１３，２３を生じさ
せることにより補正は全く不要となる。このように同一
箇所に光スポットを生じさせることは、両光学系１，２
を図１のように平行に配置せずに光軸が交差するように
配置することにより実現できるが、次に述べる実施例２
以降のような光学系であればこのような問題は生じな
い。また、被測定物３の表面の状態などによって表面位
置の変位に対する光学系１と２の検出感度に差が生ずる
が、この問題は校正手段を設けて事前に等しい感度に調
整できるようにし、あるいは演算処理の際に両光学系の
感度差を補正できるようにすることで容易に解決され
る。

【００２４】

【実施例２】次に図８及び９により請求項６及び８に対
応する実施例について説明する。図８は装置のＹ−Ｚ面
での基本的な配置を示す側面図、図９は動作原理の説明
図である。図において、４１は１個の光学系であって、
両端に２個の光源４２，５２を配置して双方向から光線
４２−１及び５２−１を送出し、小径に絞られた２つの
光スポット４６，５６を被測定物表面３０の同一箇所に
生じさせると共に、それぞれの反射光が互いに他の入射
光の光路方向に進行するように構成し、その光路中に設
けたハーフミラー４３，５３で反射光４２−２，５２−
２を屈曲させて、半導体位置検出装置４４，５４に入射
させるようにしてある。４５，５５は集光と対物を兼ね
たレンズであり、他の構成は前述の光学系１２，２２に
準じたものとなっている。なお演算手段は図示していな
い。

【００２５】図９において、被測定物表面３０が基準面
３０´´に対して角度θだけ傾斜している場合、表面３
０上の法線Ｎも基準面３０´´の法線Ｎ´に対して角度
θだけ傾斜しており、右側の光源４２からの光線４２−
１の反射光４２−２は基準面３０´´からの反射光４２
´−２より２θだけ偏向して検出装置５４に入射する。
なお、説明の便宜上図の光路は屈曲させないで描いてあ
る。一方、左側の光源５２からの光線５２−１の反射光
５２−２は基準面３０´´からの反射光５２´−２より
２θだけ偏向して検出装置４４に入射する。この時の偏
向方向はいずれも時計方向となり、仮に検出装置４４，
５４上の座標を図のように選定すれば、反射光４２−２
の入射位置は＋Ｂ側に、反射光５２−２は−Ａ側に振れ
ることになる。これに対して、被測定物表面３０が鎖線
３０ｄのように基準面３０´´に対して距離ｄだけ変位
したとすると、反射光はそれぞれ４２−２ｄ，５２−２
ｄで示すようにいずれも図の上方に変位し、反射光４２
−２ｄの入射位置は＋Ｂ側に、反射光５２−２ｄの入射
位置は＋Ａ側にそれぞれ振れることになる。

【００２６】すなわち、被測定物表面３０が傾斜してい
る場合には反射光の入射位置の正負が逆符号となり、位
置が変化した場合には入射位置の正負が同符号となるか
ら、この符号の一致不一致を検出することにより被測定
物表面３０の位置の変化と傾斜の変化とを区別すること
ができ、また、各反射光の入射位置の変化量自体は被測
定物表面３０の位置あるいは傾斜に対応したものとなる
ので、例えば検出装置４４，５４の出力信号の絶対値の
平均を求めることによって入射位置を検出できる。従っ
て、単に位置の変化を検出するだけでなく傾斜も検出す
ることによって得られる情報量が増加するので、位置検
出だけの場合よりも表面形状をより高精度に測定するこ
とが可能となるのである。

【００２７】

【実施例３】図１０は請求項６及び９に対応する実施例
であり、図８における左側の光源５２からの光路中に凸
レンズ５７を挿入し、破線で示すように光源５２から出
射された光線５２−１が一旦集光されて交差した後、や
や広がりながらレンズ５５に入射するように構成されて
いる。他は図８と同様であってすべて同じ符号で示して
ある。従って、この実施例では光線４２−１による光ス
ポット４６は図８と同じく小径に絞られたものとなる
が、光線５２−１の方はレンズ５５で絞り切れずに大径
の光スポット５６´となり、実施例１と同様な小径と大
径の光スポットを１個の光学系４１で生じさせることが
できる。このように構成されているので、この実施例に
よれば図９で説明した原理により被測定物表面３０の位
置の変化と傾斜の変化とを区別して検出し、しかも実施
例１と同様に、被測定物の振動等による表面３０の変位
も検出することが可能となり、被測定物の表面形状をよ
り高精度に測定することができるのである。

【００２８】

【実施例４】上述の実施例２及び３のように光学系４１
の両端に２個の光源４２，５２を設ける場合には、独立
した各光源４２，５２を最適位置に配置して被測定物表
面３０の同一箇所に小径に絞られた２個の光スポット４
６，５６を集中させることが意外に困難である。これを
解決したものが図１１乃至図１４に示した請求項７に対
応する実施例４である。図１１において、６１は平行な
２本の光線４２−１及び５２−１を送出するように構成
された光源装置、６２はハーフミラー、６３は対物レン
ズであり、他は実施例２と同一の符号で示してある。こ
の実施例では、１個の対物レンズ６３を使用して被測定
物表面３０に２個の光スポット４６，５６に生じさせて
いるが、原理的には実施例２と同じである。すなわち、
被測定物表面３０の位置や傾斜が変化すると、各光線４
２−１及び５２−１の反射光４２−２及び５２−２がそ
れぞれ検出装置５４，４４に入射する位置が変化し、被
測定物表面３０の位置と傾斜の変化を区別して検出する
ことができるのである。

【００２９】光源装置６１は１個の光源から光線４２−
１及び５２−１を分けて送出するものであってもよく、
また２個の光源を同一の基板に固定して１個の光源とし
て扱えるようにしたものでもよいが、いずれにしても独
立した２個の光源から２本の光線を別々に得るものでは
ないので、被測定物表面３０の同一箇所に２個の光スポ
ット４６，５６を生じさせるように光源を適正に配置す
ることが容易であり、実施例２よりも実用性が向上され
る。なお、図１１に鎖線で示すように一方の光路、例え
ば光線５２−１の光路にレンズ系６５を挿入することに
より、光線５２−１の焦点位置が変わって光スポット５
６が大径となるので、実施例３と同様に被測定物の振動
等による表面３０の変位も検出することが可能となり、
被測定物の表面形状をより高精度に測定することができ
る。

【００３０】光源装置６１において、一つの光線を平行
またはほぼ平行な２本の光線に分離するには、図１２に
示すようにビームスプリッタとミラーを使用する方法、
図１３に示すように偏光プリズム等を用いて偏光作用に
より分離する方法、図１４に示すようにレンズやミラー
を周期的に移動させて時分割的に２本の光線に分割する
方法等がある。図１２の(a)においては、光線７０をキ
ューブビームスプリッタ７１により分離し、一方はその
まま出射光７０ａとし、他方はミラー７２で反射させて
出射光７０ｂとしている。また(b)においては、プレー
トビームスプリッタ７３により分離し、一方はそのまま
出射光７０ａとし、他方はミラー７４で反射させて出射
光７０ｂとしている。いずれの場合も、ミラー７２また
は７４の位置を破線のように変化させることによって出
射光７０ａ，７０ｂの間隔ｈを調整することができる。

【００３１】図１３の(a)は、光線７０を偏光ビームス
プリッタ７５によりＰ偏光の出射光７０ＰとＳ偏光の出
射光７０Ｓとに分離し、出射光７０Ｐはそのままで、出
射光７０Ｓはミラー７６で反射させて出射するようにし
た方式である。また(b)は、ウォラストン偏光分離器７
７により入射光７０をＰ偏光の出射光７０ＰとＳ偏光の
出射光７０Ｓとに分離し、レンズ７８により両出射光７
０Ｐ，７０Ｓを平行にして出射させる方式である。(a)
ではミラー７６の位置調整により、(b)ではレンズ７８
の位置調整により出射光７０Ｐ，７０Ｓの間隔を変更で
きる。

【００３２】図１４の(a)では、平行光線８０が再び平
行光線８０´として出射するようにレンズ８１と８２を
配置し、レンズ８２を矢印のように光軸に垂直な方向に
変位させるアクチュエータ８３を設けてある。このアク
チュエータ８３を信号発生器８４の信号８５で駆動して
レンズ８２から出射される光線の方向を周期的に変化さ
せ、これをレンズ８６で互いに平行な出射光８０ａ，８
０ｂとしている。すなわち、後述の図１６に示す実施例
と同様に信号発生器８４の信号８５に同期して、例えば
そのＨレベルの時に出射光８０ａを、Ｌレベルの時に出
射光８０ｂをそれぞれ利用するような処理を行うことに
より、時分割的に２本の光線として扱うことができるの
である。

【００３３】図１４の(b)では、平行光線８０とその反
射光が中心を通るようにレンズ８１と８２を配置し、レ
ンズ８１，８２の間にミラー８７を設けてこれをアクチ
ュエータ８３で矢印の方向に変位させるようにしてあ
り、アクチュエータ８３を信号発生器８４の信号８５で
駆動してレンズ８２に入射される光線の位置を周期的に
変化させ、レンズ８２から方向が変わって出射される光
線と中心を通る光線とをレンズ８６で互いに平行にして
出射光８０ａ，８０ｂとしている。従って、信号発生器
８４の信号８５に同期して出射光８０ａと出射光８０ｂ
を時分割的に処理することにより、２本の光線として扱
うことができるのである。

【００３４】

【実施例５】次に、同一光路上において時分割的に２本
の光線に分割するようにした請求項１０に対応する図１
５の実施例について説明する。図１５においては、平行
な２本の光線９０が再び平行な光線９０´として出射す
るようにレンズ９１と９２を配置してあり、投光レンズ
９３を経た光線９０´が被測定物表面３０で焦点を結
び、その反射光９０´´が対物レンズ９４を経て検出装
置９５に入射するように構成してある。また、レンズ９
１にはこれを矢印のように光軸方向に変位させるアクチ
ュエータ９６を設け、これを信号発生器９７の信号９８
で駆動するようにしてある。

【００３５】上述のように構成されているので、アクチ
ュエータ９６の駆動によりレンズ９１が破線の位置に移
動した時には、レンズ９２からの出射光９０´は回折角
が変って破線のように広がるために焦点位置が対物レン
ズ９４側に移動し、被測定物表面３０での光スポットの
径が大きくなると共に、検出装置９５に入射するスポッ
ト径も大きくなる。一方、検出装置９５は光スポット径
の大小には関係なくスポットの中心位置を検出するか
ら、信号発生器９７の信号９８に同期してゲート９９を
作動させ、例えばそのＨレベルの時に実線の反射光９０
´´に対応した出力信号を出力し、Ｌレベルの時には破
線の反射光９０´´を出力することにより、時分割的に
小径の光スポットと大径の光スポットを利用した測定を
行うことができるのである。

【００３６】

【発明の効果】上述の実施例から明らかなように、この
発明は、光点変位法による表面形状測定装置において、
被測定物表面に２種類の光線により２個の光スポットを
生じさせ、それぞれの光線の反射光による出力信号を用
いて被測定物の表面形状を検出するようにしたものであ
り、１個の光スポットを用いていた従来の装置と比べて
得られる情報量が増加するので、より精度のよい測定が
可能となる。

【００３７】特に、２種類の光線が被測定物表面の同一
箇所に双方向から入射して２個の光スポットを生じ、そ
れぞれの反射光が互いに他の入射光の光路方向に進行す
るようにしたものでは、被測定物表面の位置が変化した
場合と傾斜が変化した場合とで各光スポットからの反射
光によるそれぞれの出力信号の変化の態様が異なったも
のとなるので、被測定物表面の位置の変化と傾斜の変化
とを明確に区別することができ、測定精度を向上するこ
とが可能となる。また、被測定物表面に双方向から入射
させる光線として、同一光源から分かれた２本の光線あ
るいは機械的に一体に結合された２個の光源の光線を用
いるようにしたものでは、小径に絞られた２個の光スポ
ットを被測定物表面の同一箇所に生じさせることが容易
であり、実用化が容易となる。

【００３８】また、光スポットの一方を小径とし、他方
を大径としたものでは、小径の光スポットからの反射光
による出力信号と大径の光スポットからの反射光による
出力信号の差を求めることにより、両方の信号に含まれ
ている表面の変位に対応した情報を相殺し、表面の凹凸
のみに対応した信号を取り出して機械的振動等による外
乱を除去することができる。従って、被測定物が振動し
ているような場合でも表面の粗さや形状に応じた出力信
号のみを取り出すことができ、例えば精密旋盤による切
削工程や鏡面研磨工程などに組み込んで被加工物の表面
状態を検査するような用途に利用することが可能となる
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の装置の基本的な構成を示す平面
図である。

【図２】同実施例の基本的な構成を示す側面図である。

【図３】同実施例の動作説明図である。

【図４】同実施例の動作説明図である。

【図５】同実施例の動作説明図である。

【図６】同実施例の半導体位置検出装置の動作説明図で
ある。

【図７】同実施例の集光レンズから出射される光線の強
度分布図である。

【図８】第２の実施例の装置の基本的な構成を示す側面
図である。

【図９】同実施例の動作説明図である。

【図１０】第３の実施例の基本的な構成を示す側面図で
ある。

【図１１】第４の実施例の基本的な構成を示す側面図で
ある。

【図１２】同実施例の光源装置の構成例を示す図であ
る。

【図１３】同実施例の光源装置の他の構成例を示す図で
ある。

【図１４】同実施例の光源装置の更に他の構成例を示す
図である。

【図１５】第５の実施例の基本的な構成を示す側面図で
ある。

【符号の説明】

１，２，４１光学系３被測定物４演算手段１１，２１，４２−１，５２−１，９０光線１２，２２，４２，５２，６１光源１３，２３，４６，５６，５６´ 光スポット１５，２５，４２−２，５２−２，９０´´ 反射光１７，２７，４４，５４，９５半導体位置検出装置３０被測定物表面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物の表面に斜めに光線を入射する
と共に表面からの反射光を受光する光学系を備え、表面
の形状や位置に応じて変位する反射光の光点の中心位置
を電気信号に変換して被測定物の表面形状を検出するよ
うに構成された表面形状測定装置において、被測定物表面に２種類の光線により２個の光スポットを
生じさせ、それぞれの光線の反射光による出力信号を用
いて被測定物の表面形状を検出することを特徴とする表
面形状測定装置。
【請求項２】２種類の光線による２個の光スポットを
独立した２個の光学系によって生じさせるように構成し
た請求項１記載の表面形状測定装置。
【請求項３】２個の光スポットが同程度に絞られた小
径の光スポットである請求項２記載の表面形状測定装
置。
【請求項４】２個の光スポットの一方が小径の光スポ
ットであり、他方が大径の光スポットである請求項２記
載の表面形状測定装置。
【請求項５】２種類の光線による２個の光スポットを
１個の光学系によって生じさせるように構成した請求項
１記載の表面形状測定装置。
【請求項６】光線が被測定物表面の同一箇所に双方向
から入射して２個の光スポットを生じ、且つそれぞれの
反射光が互いに他の入射光の光路方向に進行するように
光学系を構成した請求項５記載の表面形状測定装置。
【請求項７】同一光源から分かれた２本の光線あるい
は機械的に一体に結合された２個の光源の光線を被測定
物表面の同一箇所に双方向から入射させるように構成し
た請求項６記載の表面形状測定装置。
【請求項８】２個の光スポットが同程度に絞られた小
径の光スポットである請求項５，６または７記載の表面
形状測定装置。
【請求項９】２個の光スポットの一方が小径の光スポ
ットであり、他方が大径の光スポットである請求項５，
６または７記載の表面形状測定装置。
【請求項１０】光スポットの径を変動させ、この変動
に同期して小径の光スポットに対応する出力信号と大径
の光スポットに対応する出力信号を分離して取り出し、
この２種類の出力信号を用いて被測定物の表面形状を検
出するように構成した請求項５記載の表面形状測定装
置。