JPH0560558A - 光学式微小変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光束の強度分布の不均一さに基づく変位誤差
が生じないようにする。 【構成】 半導体レーザ１の出射光を１／２波長板１０
通過後偏光ビームスプリッタ３に入射するようにする。
よって、半導体レーザ１からＰ偏光で出射すると、２分
割検出器９Ａ，９Ｂに入射するのはＰ偏光となり、半導
体レーザ１の活性層に直交する方向で強度分布が不均一
な方向は２分割検出器９Ａ，９Ｂの分割線方向に一致す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の微小変位や
表面粗さを光学的手段により測定する光学式微小変位測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、焦点ずれを検出して被測定物
の微小変位や表面粗さを測定する光学式微小変位測定装
置としては、例えば、臨界角法を用いたもの（光技術コ
ンタクトＶｏｌ．２６，Ｎｏ．１１，１９８８，ｐ．７
４８〜７５５）、非点収差法を用いたもの（光技術コン
タクトＶｏｌ．２６，Ｎｏ．１１，１９８８，ｐ．７５
６〜７６２）、フーコー法を用いたもの（光技術コンタ
クトＶｏｌ．２６，Ｎｏ１１，１９８８，ｐ．７７３〜
７８４）等がある。

【０００３】ここで、臨界角法は、プリズムの有する固
有の臨界角近傍に入射する光ビーム強度が微小な角度変
化に対して急激な変化を呈する性質を利用したものであ
り、かかる臨界角法による従来の光学式微小変位測定装
置の構成の一例を図４に示す。同図中、１０１はレーザ
光源である半導体レーザ、１０２はコリメートレンズ、
１０３は偏光ビームスプリッタ、１０４は１／４波長
板、１０５は対物レンズ、１０６は被測定物、１０７は
ビームスプリッタ、１０８Ａ，１０８Ｂは臨界角プリズ
ム、１０９Ａ、１０９Ｂは２分割受光素子であり、半導
体レーザ１０１からのレーザ光はコリメートレンズ１０
２により平行光束に変換され、Ｓ偏光で偏光ビームスプ
リッタ１０３を介して１／４波長板１０４へ導かれる。
この１／４波長板１０４に導かれたレーザ光は円偏光の
光束に変換された後、対物レンズ１０５を介して被測定
物１０６の表面に集光される。被測定物１０６で反射さ
れたレーザ光は１／４波長板１０４でＰ偏光にされた
後、偏光ビームスプリッタ１０３を透過してビームスプ
リッタ１０７に導かれ、分光される。分光された光はそ
れぞれ、反射面が臨界角に設定されている臨界角プリズ
ム１０８Ａ，１０８Ｂで反射され、それぞれ２分割受光
素子１０９Ａ，１０９Ｂ，に入射され、光量が検出され
る。

【０００４】このように、被測定物１０６が対物レンズ
１０５の焦点に位置している場合には、反射光は平行と
なり、臨界角プリズム１０８Ａ，１０８Ｂにおける反射
率は全光束で一定となり、２分割受光素子１０９Ａ，１
０９Ｂに受光される光量は等しくなる。しかし、被測定
物１０６が対物レンズ１０５の焦点より遠くに位置して
いる場合には反射光は収束光となるので臨界角プリズム
１０８Ａ，１０８Ｂに入る光束の入射角はその光軸に対
して臨界角プリズム１０８Ａで図中右側、臨界角プリズ
ム１０８ｂで図中上側は臨界角より小さくなり、反射率
が低下して、２分割受光素子１０９Ａ，１０９Ｂに受光
される光量に差が生じる。同様に被測定物１０６が対物
レンズ１０５の焦点より近い地点に位置している場合に
は反射光は発散光となり、上述した場合とは逆になり、
２分割受光素子１０９Ａ，１０９Ｂに受光される光量に
差が生じる。このような光量の差から被測定物１０６
の、対物レンズ１０５の焦点位置からの変位を検出し、
被測定物１０６の微小変位や表面粗さを測定することが
できる。

【０００５】一方、非点収差法は、円筒レンズを用いて
検出像に非点収差を与え、測定物の位置の移動変位量を
像の変形に変換するものであり、この方法による微小変
位測定装置では、被測定物が対物レンズの合焦点位置の
場合には、受光ビームは円形状となるが、結像位置が近
い場合には縦長な楕円形状になり、また、遠い場合には
横長な楕円形状となるので、これを４分割フォトダイオ
ードで光電変換し、縦方向、横方向のそれぞれの和を求
め、更にそれらの差の出力信号を求め、被測定物の移動
変位量に比例した出力を得るものである。

【０００６】また、フーコー法による微小変位測定装置
は、光学的ナイフエッジ効果を持つ分割プリズムを用い
て被測定物からの反射光束を２光束に分割し、２分割フ
ォトダイオードに入射させるものであり、対物レンズと
被測定面との距離が変化すると被測定物からの反射光束
の広がり角が変化するため、２分割フォトダイオードの
受光量に差が生ずるので、これにより被測定物の変位量
を求めるものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の光学式
微小変位測定装置において被測定物が傾いた場合には、
反射光束軸は入射光束軸に対して平行移動してしまう。
例えば図４に示す装置で被測定物１０６がθだけ傾いた
場合、図５に示すように、入射光束軸１１０に対して、
反射光束軸１１１は△Ｘだけ平行移動することになる。
そして、このとき被測定物１０６は対物レンズ１０５の
焦点距離をｆとすると、 △Ｘ＝ｆ・ｔａｎ２θ の関係が成り立つ。

【０００８】ところで、図４に示した装置では反射光を
分光してそれぞれを２分割受光素子１０９Ａ，１０９Ｂ
で受光するようにしており、その各受光素子をＡ，Ｂ，
Ｃ，Ｄとすると、 〔（Ａ−Ｂ）＋（Ｃ−Ｄ）〕／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ） を変位出力とする。そして、上述した光軸のずれ△Ｘは
２分割受光素子１０９Ａ，１０９Ｂにおいて互いに逆向
きに生じる、つまり２分割受光素子１０９ＡでＡが大と
なれば、２分割受光素子１０９ＢではＤが大となるの
で、△Ｘによる受光量の差は相殺される構成となってい
る。

【０００９】しかし、反射光束の強度分布が△Ｘ方向に
亘って不均一なことに基づき、△Ｘによる受光量の差が
相殺されず、測定誤差が生ずるという問題がある。すな
わち、半導体レーザ１０１からの光束は図６に示すよう
に、活性層１０１ａに垂直な方向に長い楕円となり、活
性層１０１ａに平行な方向と偏光方向とが一致する。一
方、臨界角法等での検出感度はＰ偏光（図４において偏
光方向が紙面に平行な偏光）の方がよいので、偏光ビー
ムスプリッタ１０２へはＳ偏光（遍光方向がＰ偏光と直
交する）として入射するので、ビーム形状は図６のよう
に横長の楕円となる。ところが、図６の垂直方向の強度
分布は回折の影響等によりガウシアン分布にはならず図
７（Ａ），図７（Ａ）に示すような不均一なものとな
る。したがって、このような光束が上記△Ｘ方向にずれ
た場合、図８（Ｂ），図８（Ｂ）のようになり、誤差が
補正されないという問題がある。

【００１０】本発明はこのような事情に鑑み、反射光束
の強度分布の不均一さに基づく変位誤差の生じない光学
式微小変位測定装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る微小変位測定装置は、半導体レーザからの光束
を被測定物に照射する照射光学系と、該被測定物からの
反射光束により焦点誤差を検出する焦点誤差検出光学系
とを有する光学式微小変位測定装置であって、光束の偏
光方向を９０度回転させる素子を有し、上記焦点誤差検
出光学系の分割検出器に入る反射光束の偏光方向と半導
体レーザの活性層に平行な方向のビーム径とが一致し且
つこれらの方向が分割検出器の分割線と直交することを
特徴とする。

【００１２】

【作用】照射光学系は通常偏光ビームスプリッタと１／
４波長板とを有して半導体レーザから出射した光束と焦
点誤差検出光学系の分割検出器に入る反射光束とは偏光
方向が９０度ずれている。しかし上記構成では偏光方向
を９０度回転させる素子を有するので、半導体レーザか
ら出射した光束と反射光束とは偏光方向が一致すること
になる。一方、分割検出器の感度上、反射光束の偏向方
向は分割線に直交しているのが好ましく、また、半導体
レーザから出射する光束は活性層に平行な方向に偏光し
ている。したがって、上記構成の装置では、半導体レー
ザの活性層に平行な方向と分割検出器の分割線とが直交
し、活性層に平行な方向のビームの強度分布はガウシア
ン分布となっているので、精度が向上する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１４】図１には一実施例に係る光学式微小変位測
定装置の構成を示す。同図中，１はレーザ光源である半
導体レーザ、２はコリメートレンズ、３は偏光ビームス
プリッタ、４は１／４波長板、５は対物レンズ、６は被
測定物、７はビームスプリッタ、８Ａ、８Ｂは臨界角プ
リズム、９Ａ，９Ｂは２分割受光素子であり、１０は１
／２波長板である。本実施例の装置では、半導体レーザ
１からのレーザ光はＰ偏光の状態で出射される。そし
て、コリメートレンズ２により平行光束に変換された
後、１／２波長板１０によりＳ偏光とされる。このＳ偏
光は、偏光ビームスプリッタ３を介して１／４波長板１
０４へ導かれる。、１／４波長板４に導かれたレーザ光
は円偏光の光束に変換された後、対物レンズ５を介して
被測定物６の表面に集光される。被測定物６で反射され
たレーザ光は１／４波長板４でＰ偏光にされた後、偏光
ビームスプリッタ３を透過してビームスプリッタ７に導
かれ、分光される。分光された光はそれぞれ、反射面が
臨界角に設定されている臨界角プリズム８Ａ，８Ｂで反
射され、それぞれ２分割受光素子９Ａ，９Ｂに入射さ
れ、光量が検出される。

【００１５】本実施例では半導体レーザ１から出射され
る光束は縦長楕円形状のＰ偏光であり、これは１／２波
長板１０通過後には同じく縦長楕円形状のＳ偏光とな
る。偏光ビームスプリッタ３で反射され、１／４波長板
４を往復通過して偏光ビームスプリッタ３を通過した後
は再びＰ偏光となり高感度な状態が確保されるが、ビー
ム形状は縦長の楕円形状のままである。したがって、２
分割受光素子９Ａ，９Ｂに入る反射光も縦長楕円形状の
ビームであり、図２、図３に示すように、２分割受光素
子９Ａ，９Ｂの分割線方向に不均一な強度分布を有する
ことになる。しかし、図示のように分割線に直交する方
向の強度分布はガウシアン分布となる。したがって、被
測定物６の傾きに起因して２分割受光そし９Ａ，９Ｂに
入射するビームが分割線に直交する方向にずれても、上
述したように９Ａと９Ｂとにおいて逆方向にずれるの
で、９Ａの出力差との和をとることにより完全に補正さ
れることになる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
偏光方向を９０度回転する素子を備えているので、焦点
誤差検出光学系の分割検出器に入る反射光束の偏向方向
が分割線に直交し、且つこの偏向方向は半導体レーザの
活性層に平行な方向と一致する。したがって、光束の強
度分布の不均一さに基づく変位誤差の発生を防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係る光学式微小変位測定装置を示す
構成図である。

【図２】図１の分割検出器上の反射光束を示す説明図で
ある。

【図３】図１の分割検出器上の反射光束を示す説明図で
ある。

【図４】従来技術に係る光学式微小変位測定装置の一例
を示す構成図である。

【図５】被測定物が傾いていた場合の光束ずれを示す説
明図である。

【図６】半導体レーザの出射ビームを示す説明図であ
る。

【図７】半導体レーザのビームの強度分布を示す説明図
である。

【図８】半導体レーザのビームの強度分布を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ コリメートレンズ ３ 偏光ビームスプリッタ ４ １／４波長板 ５ 対物レンズ ６ 被測定物 ７ ビームスプリッタ ８Ａ，８Ｂ 臨界角プリズム ９Ａ，９Ｂ ２分割受光素子 １０ １／２波長板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザからの光束を被測定物に照
   射する照射光学系と、該被測定物からの反射光束により
   焦点誤差を検出する焦点誤差検出光学系とを有する光学
   式微小変位測定装置であって、光束の偏光方向を９０度
   回転させる素子を有し、上記焦点誤差検出光学系の分割
   検出器に入る反射光束の偏光方向と半導体レーザの活性
   層に平行な方向のビーム径とが一致し且つこれらの方向
   が分割検出器の分割線と直交することを特徴とする光学
   式微小変位測定装置。