JPH0742087Y2 - 光学式表面粗さ測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は表面粗さ測定装置に係り、詳しくは、光の干渉
を利用して表面粗さを測定する光学式の表面粗さ測定装
置に関するものである。

従来の技術 表面粗さ測定装置の一種に、互いに偏波面が直交し且つ
周波数が異なる２種類の直線偏光を用いて、光の干渉を
利用して測定するようにしたものがある。例えば、第２
図に示されている装置はその一例で、空気ベアリング等
による支持された回転テーブル10上に被測定物12を載置
する一方、図示しない直交２周波レーザ光源から出力さ
れたレーザ光Ｌをウォラストンプリズム14によってＰ偏
光L_pとＳ偏光L_sとに分割し、対物レンズ16によって上記
被測定物12の表面18の回転中心位置20とその回転中心位
置20に近接する近接位置22とにそれぞれ集光させるとと
もに、それ等の反射光を上記対物レンズ16およびウォラ
ストンプリズム14によって再び合成するようになってい
る。上記中心位置20に集光されるＰ偏光L_pは、その中心
位置20における表面18の凹凸変化が零であるため、回転
テーブル12の振動などの外乱によるドップラーシフトΔ
f_dを受けるだけで、元の周波数をf_pとすると反射光の周
波数はf_p＋Δf_dとなる。また、近接位置22に集光させる
Ｓ偏光L_sは、上記外乱によるドップラーシフトΔf_dと、
被測定物12の回転に伴って表面78の凹凸が移動すること
によって生じるドップラーシフトΔf_sとを受けるため、
元の周波数をf_sとすると反射光の周波数はf_s＋Δf_d＋Δ
f_sとなる。このため、それ等の反射光が合成されること
によって得られる計測ビーム信号のビート周波数は｜
（f_s＋Δf_d＋Δf_s）−（f_p＋Δf_d）｜＝｜f_s−f_p＋Δf_s
｜となり、外乱によるドップラーシフトΔf_dの影響を受
けないとともに、例えば反射前のＰ偏光L_pとＳ偏光L_sと
を合成することによって得られる基準ビート信号のビー
ト周波数｜f_s−f_p｜を上記周波数｜f_s−f_p＋Δf_s｜から
差し引くことにより、表面18の凹凸に対応して生じるド
ップラーシフトΔf_sだけが取り出され、これに基づいて
表面粗さが測定される。

また、これとは別の光学式表面粗さ測定装置として、互
いに偏波面が直交し且つ周波数が異なる２種類の直線偏
光の一方を計測光として被測定物の表面の微小範囲に集
光させるとともに、その２種類の直線偏光の他方を参照
光としてその被測定物の表面の比較的広い範囲に平行ビ
ームの状態で照射し、その表面で反射された計測光およ
び参照光を互いに干渉させることによって計測ビート信
号を取り出し、その表面の凹凸に対応する計測ビート信
号の位相変化または周波数変化に基づいて表面粗さを測
定するようにした光学式表面粗さ測定装置が知られてい
る。特許番号87-1924の光学式表面粗さ測定装置はその
一例である。

すなわち、かかる光学式表面粗さ測定装置においては、
２種類の直線偏光の一方は計測光として被測定物の表面
の微小範囲に集光され、他方は参照光として平行ビーム
の状態で被測定物の表面の比較的広い範囲に照射される
ため、被測定物がそれ等のビームの光軸と交差する方向
へ相対移動させられることにより、計測光はその被測定
物の表面の微小な凹凸に対応して光路長が変化させら
れ、それに伴って位相や周波数が変化させられるが、参
照光は微小凹凸の影響が平均化されて相殺されるため、
その表面の凹凸による位相変化や周波数変化を生じな
い。そして、それ等の計測光と参照光とを干渉させるこ
とによって得られる計測ビート信号の位相や周波数は、
上記計測光の位相変化や周波数変化に伴って変化させら
れるため、この位相変化や周波数変化に基づいて表面粗
さが測定され得るのである。なお、計測光および参照光
は共に被測定物の表面に照射されるため、被測定物を相
対移動させる際の振動その他の外乱による影響は互いに
相殺されて、計測ビート信号の位相変化や周波数変化に
は影響しない。

第３図は、このような光学式表面粗さ測定装置の一例を
説明する構成図で、レーザ光源30は、例えば偏波面が互
いに直交し且つ周波数が僅かに異なる２種類の直線偏
光、すなわちＰ偏光L_pとＳ偏光L_sとを含むレーザ光Ｌを
出力するゼーマンレーザから構成される。レーザ光源30
から出力されたレーザ光Ｌは、無偏光ビームスプリッタ
32により分割され、その無偏光ビームスプリッタ32によ
り反射されたレーザ光Ｌは、基準用光センサ34により検
出され、基準ビート信号F_Bが出力される。上記Ｐ偏光
L_p,S偏光L_sの周波数をそれぞれf_p,f_sとすると、基準ビ
ート信号F_Bの周波数f_Bは｜f_s−f_p｜となる。

無偏光ビームスプリッタ32を透過したレーザ光Ｌは、偏
光ビームスプリッタ36により前記Ｐ偏光L_pとＳ偏光L_sと
に分割され、偏光ビームスプリッタ36を直進したＰ偏光
L_pは、凸レンズ38,40によって構成されるビームエキス
パンダによりビーム径が拡大され、横断面が円形の円形
平行ビームに変換されるとともに、それ等の間に介在さ
せられたミラー42によって対物レンズ44の光軸方向に進
行方向が曲げられる。また、偏光ビームスプリッタ36に
よって反射されたＳ偏光L_sは、ミラー46によって再び反
射された後、凸レンズ48,50によって構成されるビーム
エキスパンダによりビーム径が拡大され、横断面が円形
の円形平行ビームに変換されるとともに、それ等の間に
介在させられた偏光ビームスプリッタ52によって対物レ
ンズ44の光軸方向に進行方向が曲げられ、上記Ｐ偏光L_p
と光軸が一致させられる。なお、このＳ偏光L_sの円形平
行ビームのビーム径は、Ｐ偏光L_pの円形平行ビームのビ
ーム径よりも小さい。また、Ｐ偏光L_pは、上記偏光ビー
ムスプリッタ52を透過した後凸レンズ50によって対物レ
ンズ44の光軸上に集光させられる。

対物レンズ44は、その前焦点が前記凸レンズ50の後焦点
と一致する位置に配置されており、その凸レンズ50によ
って集光された前記Ｐ偏光L_pは、再び円形平行ビームと
されて前記被測定物12の表面18の比較的広い範囲に照射
され、凸レンズ50によって円形平行ビームとされたＳ偏
光L_sは、被測定物12の表面18の一点に集光される。被測
定物12は、駆動装置58により上記対物レンズ44の光軸に
直角なＸ−Ｙ平面内において二次元方向へ移動させられ
る移動テーブル60上に載置されており、その表面18の一
点に集光されるＳ偏光L_sは、被測定物12が移動テーブル
60により移動させられるのに伴って表面18の微小凹凸に
対応して生じるドップラーシフトΔf_sと、移動テーブル
60の移動の際の振動その他の外乱によるドップラーシフ
トΔf_dとを受け、その反射光の周波数はf_s＋Δf_d＋Δf_s
となる。これに対し、円形平行ビームの状態で表面18の
比較的広い範囲に照射されるＰ偏光L_pは、表面18の微小
凹凸による影響が平均化されて全体として相殺されるた
め、外乱によるドップラーシフトΔf_dの影響を受けるだ
けで、その反射光の周波数はf_p＋Δf_dとなる。上記Ｓ偏
光L_sは計測光でＰ偏光L_pは参照光である。

表面18で反射されたＰ偏光L_pおよびＳ偏光L_sは、それぞ
れ入射経路と逆の経路を辿って偏光ビームスプリッタ36
に入射させられ、その偏光ビームスプリッタ36により合
成された後、無偏光ビームスプリッタ32により反射され
て計測用光センサ62に受けられ、計測ビート信号F_Dが出
力される。この計測ビート信号F_DはＰ偏光L_pとＳ偏光L_s
との干渉による唸りに対応するもので、その周波数f
_Dは、｜（f_s＋Δf_d＋Δf_s）−（f_p＋Δf_d）｜＝｜f_s−f
_p＋Δf_s｜であり、前記外乱によるドップラーシフトΔf
_dは相殺される。

上記計測ビート信号F_Dおよび前記基準ビート信号F_Bは測
定回路64に供給され、計測ビート信号F_Dの周波数f_D（＝
｜f_s−f_p＋Δf_s｜）から基準ビート信号F_Bの周波数f
_B（＝｜f_s−f_p｜）を減算することにより、表面18の凹
凸によるドップラーシフトΔf_sのみが取り出され、この
ドップラーシフトΔf_sを表す信号が制御回路66へ供給さ
れる。制御回路66は、例えばマイクロコンピュータにて
構成され、前記駆動装置58により移動テーブル60をＸ−
Ｙ方向へ順次移動させつつ、測定回路64から供給される
信号（Δf_s）から次式（１）に基づいて各位置の変位Z_p
を算出し、被測定物12の表面18全体の表面粗さを表示器
68に三次元表示させる。

Z_p＝（λ/2）∫Δf_sdt ・・・（１） 考案が解決しようとする課題 しかしながら、前者の方法では、回転テーブルを使用し
ているとともに、ウォラストンプリズムの分岐角度が固
定であるため、一円周上の凹凸データしか得られず、被
測定物の表面全体に亘る表面粗さを測定することは極め
て困難であった。

また、後者においては、一つの凸レンズ（第３図の従来
例では凸レンズ50）によって計測光を平行ビームに変換
するとともに既に平行ビームとされた参照光を光軸上に
集光させるようになっているため、計測光の光軸を参照
光の光軸と一致させるための偏光ビームスプリッタに計
測光は角度をもって入射させられることとなり、この部
分での消光比が低下し、信号成分の出力が弱くなってS/
N（信号対雑音）比が悪くなるという問題があった。

本考案はこのような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、被測定物の表面全体に亘る表
面粗さ測定を容易に行うことができるとともに、高いS/
N比が得られるようにすることにある。

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、本考案は、互いに偏波面
が直交し且つ周波数が異なる２種類の直線偏光の一方を
計測光として被測定物の表面の微小範囲に集光させると
ともに、その２種類の直線偏光の他方を参照光としてそ
の被測定物の表面の比較的広い範囲に平行ビームの状態
で照射し、その表面で反射された計測光および参照光を
互いに干渉させることによって計測ビート信号を取り出
し、その表面の凹凸に対応するその計測ビート信号の位
相変化または周波数変化に基づいて表面粗さを測定する
光学式表面粗さ測定装置であって、（ａ）前記２種類の
直線偏光の一方を横断面が円形の円形平行ビームに変換
するとともに、他方を、内径がその円形平行ビームのビ
ーム径と略同じで、その円形平行ビームの外周側を同軸
で進行させられる環状の環状平行ビームに変換する変換
手段と、（ｂ）前記円形平行ビームおよび前記環状平行
ビームの何れか一方のみを光軸上に集光させる凸レンズ
を有して、それ等の円形平行ビームおよび環状平行ビー
ムの一方を前記参照光として平行ビームの状態で前記被
測定物の表面に照射するとともに、他方を前記計測光と
してその被測定物の表面に集光させる照射手段とを有す
ることを特徴とする。

なお、上記照射手段の凸レンズとしては、例えば前記円
形平行ビームのビーム径と略同じ径寸法の貫通孔が中央
部に設けられ、前記環状平行ビームのみを光軸上に集光
させる円環形状を成すものが用いられるが、逆に、円形
平行ビームのビーム径と略同じ径寸法の凸レンズを用い
てその円形平行ビームのみを光軸上に集光させることも
できる。また、その凸レンズとして円環形状のものを採
用した場合には、照射手段としては、例えば、その凸レ
ンズによって集光された環状平行ビームを参照光として
再び平行ビームに変換して前記被測定物の表面に照射す
るとともに、その凸レンズの貫通孔内を通過させられた
前記円形平行ビームを計測光としてその被測定物の表面
に集光させる対物レンズを含んで構成される。

作用および考案の効果 このような光学式表面粗さ測定装置においては、２種類
の直線偏光が変換手段によって円形平行ビームおよびそ
の円形平行ビームの外周側を同軸で進行する環状の環状
平行ビームに変換され、その後、照射手段によりそれ等
の平行ビームの一方は参照光として平行ビームの状態で
被測定物の表面の比較的広い範囲に照射され、他方は計
測光として被測定物の表面の微小範囲に集光される。し
たがって、前記従来の技術で説明した後者の場合と同様
に、被測定物を例えば二次元方向へ相対移動させること
により、その被測定物の表面全体に亘る表面粗さ測定を
容易に行うことができるのである。

また、上記照射手段は円形平行ビームおよび環状平行ビ
ームの何れか一方のみを光軸上に集光させる凸レンズを
備えているため、変換手段においては、円形平行ビーム
と環状平行ビームとを同軸で進行させる際に、必ずしも
偏光ビームスプリッタに角度をもって偏光を入射させる
必要がない。このため、消光比の低下を防止できて、高
いS/N比が得られるようになる。

実施例 以下、本考案の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、以下の実施例は前記第３図の従来例に本考案
を適用した場合のものであり、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、前記ミラー46によって反射されたＳ偏
光L_sは、同軸上に配置された凸レンズ48および70によっ
て構成されるビームエキスパンダによりビーム径が拡大
され、横断面が円形の円形平行ビームに変換されるとと
もに、前記対物レンズ44の光軸上に配置されたミラー72
によってその対物レンズ44の光軸方向に進行方向が曲げ
られ、ミラー42によって進行方向が曲げられるＰ偏光L_p
と光軸が一致させられる。凸レンズ48,70の光軸は対物
レンズ44の光軸と直角に交差させられており、上記ミラ
ー72は、それ等の光軸に対して45°傾斜する姿勢でその
交点に配置されているとともに、その光軸方向における
形状がＳ偏光L_sの円形平行ビームの横断面形状と略同じ
大きさの円形となる楕円形状を成している。

一方、凸レンズ38,40によって大径の円形平行ビームに
変換され、対物レンズ44の光軸上を進行させられる前記
Ｐ偏光L_pは、上記ミラー72の存在によってその中央部に
おける光の進行が遮断される。このため、かかるＰ偏光
L_pは、内径が前記Ｓ偏光L_sの円形平行ビームのビーム径
と略同じで、その円形平行ビームの外周側を同軸で進行
させられる環状の環状平行ビームとなる。本実施例で
は、凸レンズ38,40,48,70、およびミラー42,72によって
変換手段が構成されている。

また、第３図の従来例において凸レンズ50が配置されて
いた部分には、その凸レンズ50と後焦点距離が等しい凸
レンズ74が配置されている。この凸レンズ74は、前記Ｓ
偏光L_sの円形平行ビームのビーム径と略同じ径寸法の貫
通孔76が中央部に形成された円環形状を成しており、そ
のＳ偏光L_sは円形平行ビームのままその貫通孔76内を通
過させられ、Ｐ偏光L_pの環状平行ビームのみが光軸上に
集光させられる。そして、その凸レンズ74によって集光
されたＰ偏光L_pは、対物レンズ44により再び平行ビーム
とされて前記被測定物12の表面18の比較的広い範囲に照
射され、円形平行ビームのまま対物レンズ44に入射させ
られるＳ偏光L_sは、被測定物12の表面18の一点に集光さ
れる。これ等の凸レンズ74および対物レンズ44によって
照射手段が構成されている。

したがって、かかる本実施例の光学式表面粗さ測定装置
においても、被測定物12が移動テーブル60によってＸ−
Ｙ平面内を二次元方向へ移動させられることにより、表
面18の一点に集光されるＳ偏光L_sはその表面18の微小凹
凸に対応して生じるドップラーシフトΔf_sと、移動テー
ブル60の移動の際の振動その他の外乱によるドップラー
シフトΔf_dとを受けるのに対し、平行ビームの状態で表
面18の比較的広い範囲に照射されるＰ偏光L_pは、表面18
の微小凹凸による影響が平均化されて全体として相殺さ
れるため、外乱によるドップラーシフトΔf_dを受けるだ
けである。このため、前記第３図の従来例と同様に、そ
れ等の反射光を干渉させることによって得られる計測ビ
ート信号F_Dと基準ビート信号F_Bとに基づいて、被測定物
12の表面18全体に亘る表面粗さ測定が行われ、表示器68
に三次元表示される。

しかも、この実施例では、ミラー72によってＳ偏光L_sの
円形平行ビームが対物レンズ44の光軸方向へ曲げられ、
Ｐ偏光L_pの光軸と一致させられるとともに、貫通孔76を
有する円環形状の凸レンズ74によってＰ偏光L_pの環状平
行ビームのみが光軸上に集光されるようになっているた
め、前記第３図の従来例のようにＳ偏光L_sを偏光ビーム
スプリッタ52に角度をもって入射させることによる消光
比の低下が防止され、高いS/N比が得られるのである。

以上、本考案の一実施例を図面に基づいて詳細に説明し
たが、本考案は他の態様で実施することもできる。

例えば、前記実施例ではミラー72によってＳ偏光L_sをＰ
偏光L_pの光軸と一致させるようになっているが、Ｓ偏光
L_sの円形平行ビームを通過させる楕円形状の貫通孔が形
成されたミラーを用いることにより、Ｐ偏光L_pの進行方
向を曲げてＳ偏光L_sの光軸と一致させるとともに、その
Ｐ偏光L_pを環状平行ビームとすることもできる。

また、前記実施例では凸レンズ48,70によりＳ偏光L_sを
円形平行ビームとした後ミラー72によって反射するよう
になっているが、凸レンズ70としてその円形平行ビーム
のビーム径と略同じ径寸法の凸レンズを用いることによ
り、ミラー72により反射した後の光軸上にその凸レンズ
を配置することもできる。

また、前記実施例ではミラー72の存在によってＰ偏光L_p
を環状平行ビームとするようになっているが、Ｐ偏光L_p
の中央のみの光の進行を遮断する遮光板等を別個に設け
ることも可能である。

また、前記実施例ではＳ偏光L_sの進行方向を変えるため
にミラー72が用いられているが、Ｓ偏光L_sは既に円形平
行ビームとされているため、偏光ビームスプリッタを用
いることもできる。要するに、偏光ビームスプリッタに
角度をもって偏光を入射させることにより、その消光比
が低下させられることのない限りにおいて、変換手段は
適宜に構成されるのである。

また、前記実施例ではミラー42,72によってＰ偏光L_p,S
偏光L_sが対物レンズ44の光軸方向に曲げられるようにな
っているが、Ｐ偏光L_pとＳ偏光L_sの光軸を一致させた後
に、更に別のミラー，プリズム等を用いてそれ等の光軸
を対物レンズ44の光軸方向へ曲げるようにしても差支え
ない。

また、前記実施例では対物レンズ44によってＰ偏光L_pを
表面18上に照射するとともに、Ｓ偏光L_sを表面18上に集
光させるようになっているが、例えば凸レンズ74の焦点
位置に被測定物12の表面18を位置させることにより、そ
の凸レンズ74を対物レンズとして使用することも可能で
ある。その場合には、その凸レンズ74のみで照射手段が
構成されることとなり、一点に集光されるＰ偏光L_pは計
測光で、平行ビームのまま照射されるＳ偏光L_sは参照光
となる。なお、更に幾つかのレンズを組み合わせて照射
手段を構成することもできる。

また、前記実施例の凸レンズ74には貫通孔76が設けられ
ているが、その部分の凸面を平坦面にしたものなど、少
なくとも光学的に光をそのまま通過させるようになって
おれば、必ずしも貫通孔76を設ける必要はない。

また、前記実施例ではＰ偏光L_pの環状平行ビームを円環
形状の凸レンズ74で集光させるようになっているが、逆
に、Ｓ偏光L_sの円形平行ビームのビーム径と略同じ径寸
法の凸レンズを用いてそのＳ偏光L_sの円形平行ビームの
みを集光させるようにしても良い。

また、前記実施例ではＰ偏光L_pが環状平行ビームに変換
され、Ｓ偏光L_sが円形平行ビームに変換されているが、
Ｐ偏光L_pを円形平行ビームに変換してＳ偏光L_sを環状平
行ビームに変換するようにしても差支えない。

また、前記実施例では、基準ビート信号F_Bがレーザ光源
30から出力されたレーザ光Ｌを分割して検出することに
より発生させられていたが、単一周波数のレーザ光を出
力するレーザ光源とレーザ光の周波数をシフトさせる一
対の音響光学変調素子とを用いて偏波面が互いに直交す
る周波数が異なる２成分を含むレーザ光を出力させる場
合には、音響光学変調素子の駆動周波数信号から基準ビ
ート信号F_Bを検出することもできる。

また、前記実施例では移動テーブル60が二次元方向へ移
動させられていたが、一次元方向であってもよい。その
場合には、被測定物12の表面18において一方向に沿って
表面粗さが検出される。

また、前記実施例ではドップラーシフトによる周波数変
化から表面粗さを求めるようになっているが、計測ビー
ト信号F_Dの位相変化から表面粗さを求めるようにしても
良いことは勿論である。

その他一々例示はしないが、本考案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図は本考案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図である。第２図は従来の光学式表
面粗さ測定装置の一例を説明する図である。第３図は従
来装置の更に別の例を説明する図である。 12:被測定物、18:表面 38,40,48,70:凸レンズ 42,72:ミラー、44:対物レンズ 74:凸レンズ、76:貫通孔 L_p:P偏光（直線偏光） L_s:S偏光（直線偏光）

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに偏波面が直交し且つ周波数が異なる
   ２種類の直線偏光の一方を計測光として被測定物の表面
   の微小範囲に集光させるとともに、該２種類の直線偏光
   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
   囲に平行ビームの状態で照射し、該表面で反射された計
   測光および参照光を互いに干渉させることによって計測
   ビート信号を取り出し、該表面の凹凸に対応する該計測
   ビート信号の位相変化または周波数変化に基づいて表面
   粗さを測定する光学式表面粗さ測定装置であって、 前記２種類の直線偏光の一方を横断面が円形の円形平行
   ビームに変換するとともに、他方を、内径が該円形平行
   ビームのビーム径と略同じで、該円形平行ビームの外周
   側を同軸で進行させられる環状の環状平行ビームに変換
   する変換手段と、 前記円形平行ビームおよび前記環状平行ビームの何れか
   一方のみを光軸上に集光させる凸レンズを有して、該円
   形平行ビームおよび該環状平行ビームの一方を前記参照
   光として平行ビームの状態で前記被測定物の表面に照射
   するとともに、他方を前記計測光として該被測定物の表
   面に集光させる照射手段と を有することを特徴とする光学式表面粗さ測定装置。
2. 【請求項２】前記照射手段の凸レンズは、前記円形平行
   ビームのビーム径と略同じ径寸法の貫通孔が中央部に設
   けられ、前記環状平行ビームのみを光軸上に集光させる
   円環形状を成すものであり、該照射手段は、該凸レンズ
   によって集光された該環状平行ビームを参照光として再
   び平行ビームに変換して前記被測定物の表面に照射する
   とともに、該凸レンズの貫通孔内を通過させられた前記
   円形平行ビームを計測光として該被測定物の表面に集光
   させる対物レンズを有するものである請求項１に記載の
   光学式表面粗さ測定装置。