JPH0875433A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】表面形状を高精度、高感度に測定することがで
きるコンパクトな表面形状測定装置。 【構成】所定の周期で発振周波数と発光強度が変調され
たレーザ光は光ファイバー１６を介して検出器本体１１
に導かれ、ビームスプリッタ３６によって二つの方向に
分割される。一方は参照ミラー３７に照射されて、他方
は可変機構に支持された対物レンズ４５で集光され、光
触針として被測定面に照射される。被測定面の反射光は
光路を戻り、その一部はビームスプリッタ４１で折り曲
げられ、ホトダイオード４８で受光され、対物レンズ４
５の焦点ずれ信号となる。可変機構制御回路１５は対物
レンズ４５の位置を制御し、光触針の被測定面での合焦
点状態を確保する。ビームスプリッタ４１を直進した物
体光は、ビームスプリッタ３６において参照光と重畳さ
れる。両者の間に生じるヘテロダイン干渉の干渉信号を
ホトダイオード３８によって光電変換し、被測定物の表
面形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を被測定物に
照射して、表面形状や表面粗さ等を測定する非接触式表
面形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来の光学式粗さ計ピックアップには二種
類あり、一つは非点収差法又は臨界角法と呼ばれ、光ビ
ームを集光して焦点位置で被測定物に照射し、測定面の
凹凸により生じる焦点位置のずれ量を検出するものであ
る。他のひとつは、フォーカスサーボ式と呼ばれ、光ビ
ームを集光して被測定物に照射する際に、光ビームの焦
点が測定面を照射するように、測定面の凹凸に応じて対
物レンズを上下させ、その上下させる制御信号又はこの
対物レンズに同期させた差動変圧器の出力信号を検出信
号としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した非点収差法又
は臨界角法による光学式ピックアップは、高感度、高速
の測定ができるという利点がある反面、検出素子の線型
範囲が狭く、測定範囲が±１μｍ程度に限られるという
欠点がある。他方、フォーカスサーボ式のピックアップ
は、測定範囲は±４００μｍ程度と広範囲測定が可能で
ある反面、測定面の凹凸に応じて対物レンズを駆動させ
る為に、高速、高分解能の測定には適さないという欠点
がある。

【０００４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、前記両者を合わせ持った特徴を有し、高精度、
高感度、広範囲の測定ができる表面形状測定装置を提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、周波数変調したレーザビームを発生させる
レーザ光源部と、前記レーザビームの一部を被測定物に
照射する為の対物レンズ系と、該対物レンズ系を被測定
面に対して遠近移動させるレンズ駆動機構と、前記レー
ザ光源部から導入したレーザビームを分割し、分割した
一方のレーザビームを前記対物レンズ系を介して被測定
面に照射して反射光を得ると共に、他方のレーザビーム
を参照反射鏡に照射して反射光を得て、これら両反射光
を干渉させるマイケルソン型干渉光学系と、前記対物レ
ンズ系を介して被測定面からの反射光の一部を取り込
み、被測定面での対物レンズ系の焦点ずれを検出する検
出手段と、前記検出手段が検出した焦点ずれに基づいて
被測定面上で対物レンズ系の焦点が合うようにレンズ駆
動機構を駆動制御するレンズ駆動制御回路と、前記マイ
ケルソン型干渉光学系において生じるヘテロダイン干渉
による干渉光を受光し、受光した光干渉信号を電気信号
に変換する光電変換部と、前記光電変換部の検出信号に
基づいて被測定物の形状の変位量を算出すると共に、前
記レーザ光源の周波数変調を制御する制御部と、から成
ることを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明によれば、周波数変調されたレーザビー
ムの一部は、光触針として対物レンズ系によって集光さ
れ、その合焦点位置で被測定物に照射される。被測定面
の凹凸の為に焦点がずれた場合には、その凹凸に応じて
対物レンズ系が上下に可動制御されるため、レーザビー
ムは常に合焦点状態で被測定物に照射される。対物レン
ズ系を動かしても被測定物までの光路長には変化はな
く、測定値には直接影響しないので、凹凸方向について
広範囲の測定ができる。

【０００７】変位量の検出は、前記レーザビームの被測
定面での反射光の一部を導いた光干渉計におけるヘテロ
ダイン干渉のドップラー周波数偏移を利用している為
に、電気的ノイズの影響を受けにくいことに加え、検出
光は電気的に変換されて処理される為に、感度校正が不
要で、高精度、高感度測定ができる。

【０００８】

【実施例】以下添付図面に従って本発明に係る表面形状
測定装置の好ましい実施例を詳述する。図１は本発明に
係る表面形状測定装置の一実施例が示されており、この
表面形状測定装置は、レーザビームを発生させるレーザ
光源部１０と、粗さ検出器本体部１１と、レーザ光源の
制御及び検出器からの信号に基づいて被測定物Ｗの表面
形状変位等を算出する制御部１４とを有し、レーザ光源
部１０と検出器本体１１は両端に着脱自在な光コネクタ
１６Ａ、１６Ｂをもつ光ファイバー１６によって接続さ
れる。この光ファイバー１６はシングルモードファイバ
ーで構成される。

【０００９】検出器本体１１と制御部１４は電気ケーブ
ル２０によって接続され、検出器からの検出信号は制御
部１４へ送られる。一方、レーザ光源部１０は制御部１
４と電気ケーブル２１によって接続されることによって
構成される。本実施例におけるレーザ光源部１０は、図
１に示すように、レーザダイオード２４、ペルチエ素子
２５、コリメータレンズ２６、光アイソレータ２７、対
物レンズ２８から構成されている。

【００１０】発光源のレーザダイオード２４はペルチエ
素子（加熱及び／又は冷却素子）２５と図示しない温度
センサとが設けられており、後述する制御部１４の温度
コントローラによって一定の温度を保つように制御され
る。一方、レーザダイオード２４は電気ケーブル２１を
介して後述する制御部１４からの周波数変調電流を受け
て、周波数変調されたレーザ光を発光する。

【００１１】変調されたレーザ光は、コリメータレンズ
２６によって平行光にされ、反射光を防止する光アイソ
レータ２７を経て、対物レンズ２８により集光されて、
光ファイバー１６に入射する。変調されたレーザ光は、
この光ファイバー１６を介して検出器本体１１に導かれ
る。次に、検出器本体の構成について説明する。本体ケ
ース１２の下面には開口部１３が形成され、この開口部
を通して、後述するようにレーザ光の一部が光触針とし
て被測定物Ｗに照射される。

【００１２】検出器本体１１に導かれたレーザ光は、コ
リメートレンズ３５によって平行光にされ、この光軸Ｌ
₁ 上のビームスプリッタ３６で異なる２つの方向に分割
される。即ち、一方のレーザビームは光軸Ｌ₁ に直交す
る光軸Ｌ₂ に折り曲げられ、参照ミラー３７に照射さ
れ、他方のレーザビームは光軸Ｌ₁ を直進してビームス
プリッタ４１を経て、光路変換ミラー４２で光軸Ｌ₃ に
折り曲げられ、対物レンズ４５を介して、前記開口部１
３から被測定物Ｗに照射される。

【００１３】参照ミラー３７で反射された光（参照光）
はビームスプリッタ３６に戻り、後述する物体光と重畳
されて、ビームスプリッタ３６を挟んで参照ミラー３７
と対峙して配置されたホトダイオード３８によって受光
される。他方、被測定物Ｗで反射した光（物体光）は、
入射光路を逆に戻り、ビームスプリッタ４１で更に異な
る２方向に分割される。その一方は、光軸Ｌ₁ を直進し
て前記ビームスプリッタ３６で光路が折り曲げられると
共に、前記参照光と重畳され、ホトダイオード３８によ
って受光される。この干渉信号を基に検出器本体と被測
定面との距離が測定される。他方ビームスプリッタ４１
で光軸Ｌ₄ に折り曲げられた物体光の一部は、シリンド
リカルレンズ４６を介して、四分割ホトダイオード４８
に受光され、光電変換される。この信号をもとに、被測
定面での対物レンズ４５の焦点ずれが検出される。

【００１４】尚、光路変換ミラー４２は検出器本体の構
成上必須ではなく、光軸Ｌ₁ とＬ₃は同軸に配置しても
よい。前記ホトダイオード３８は電気ケーブル５１を介
して本体ケース１２に取り付けた着脱自在なコネクタ５
３と接続されており、電気ケーブル２０はコネクタ５３
を介して検出器本体１１と接続されると共に、着脱自在
なコネクタ５４を介して制御部１４と接続されている。
ホトダイオード３８で光電変換された検出信号を本体ケ
ースの外部に取り出し、後述する制御部１４と接続し易
くする為である。

【００１５】対物レンズ４５は図示しないリニアモータ
とその駆動機構によって可変に支持されており、四分割
ホトダイオード４８からの信号に基づいて、被測定面に
おける対物レンズ４５の焦点ずれを最小にするように、
前記リニアモータを制御する制御回路１５によって駆動
制御される。レンズ駆動制御回路１５は検出器本体１１
に組み込んでもよいし、後述する制御部１４に組み込ん
でもよい。

【００１６】制御部に組み込む場合は、四分割ホトダイ
オード４８と対物レンズ４５の駆動機構（リニアモー
タ）はそれぞれ図示しない電気ケーブルによって着脱自
在なコネクタ５３に接続され、電気ケーブル２０を介し
て制御部１４と接続される。一方、制御部１４は、前記
レンズ駆動制御回路１５の他、図２に示すように、主と
して鋸歯状波又は三角波発生器５５、温度コントローラ
５１、バンドパスフィルタ５７、波形整形器５８、５
９、周波数逓倍回路６０、６１、ゲート回路６２、及び
アップダウンカウンタ６３から構成されている。

【００１７】前記の如く構成された表面形状測定装置に
おける測定原理を鋸歯状波変調電流を用いた場合につい
て説明する。図２に制御部のブロック図を示す。鋸歯状
波又は三角波発生器５５は周期Ｔ_S （周波数ｆ_s 、角周
波数ω_s ）の鋸歯状波変調電流Ｓａ（図３（Ａ））をレ
ーザダイオード（光源部）及び波形整形器５８に出力す
る。尚、この鋸歯状波又は三角波発生器５５は、同図
（Ａ）に示すようにバイアス電流に対して変調幅が小さ
い鋸歯状波変調電流Ｓａを出力している。

【００１８】レーザダイオードは鋸歯状波変調電流Ｓａ
によって発振周波数と発光強度が変調される。尚、レー
ザダイオードには加熱及び／又は冷却素子（ぺルチエ素
子）２５及び温度センサが設けられており、温度コント
ローラ５６は温度センサによって検出される温度が一定
値になるように加熱及び／又は冷却素子（ペルチエ素
子）２５を制御する。これにより、レーザダイオードの
温度変化による波長変化を抑え、測定精度を上げてい
る。

【００１９】レーザダイオード２４から出力される変調
されたレーザビームは、コリメータレンズ２６、光アイ
ソレータ２７、及び対物レンズ２８を介して光ファイバ
ー１６の先端に集光され、光ファイバー１６を通して検
出器本体１１に導かれる。尚、レーザ光源部１０と検出
器本体１１とは両端が着脱自在な光コネクタ１６Ａ、１
６Ｂをもつ光ファイバー１６によって光学的に接続され
ているため、接続の着脱が容易である。

【００２０】検出器本体１１に入射したレーザビームは
コリメートレンズ３５で平行光にされ、ビームスプリッ
タ３６によって分割され、一方は光軸Ｌ₁ に直交する光
軸Ｌ ₂ に折り曲げられ、参照ミラー３７に照射され、他
方は、光軸Ｌ₁ を直進しビームスプリッタ４１を経て、
光路変換用ミラー４２で光軸Ｌ₃ に折り曲げられて対物
レンズ４５を介して被測定物Ｗに照射される。

【００２１】被測定物Ｗで反射したレーザ光（物体光）
は同じ光路を逆に戻り、ビームスプリッタ４１によって
その一部が光軸Ｌ₄ に折り曲げられる。光軸Ｌ₄ に光路
を変えられた物体光の一部はシリンドリカルレンズ４６
を経て、四分割ホトダイオード４８で受光され、光電変
換される。この信号は図示しない電気ケーブルを介して
レンズ駆動制御回路１５に送られ、被測定面における対
物レンズ４５の焦点ずれを算出する為の信号となる。

【００２２】他方、ビームスプリッタ４１を直進した物
体光はビームスプリッタ３６で光路が折り曲げられると
共に前述した参照光と重畳され、ホトダイオード３８に
よって受光され、光電変換される。この信号は、電気ケ
ーブル５１、２０を介して制御部１４へ送られる。制御
部１４は該干渉信号を処理し、被測定物Ｗの表面形状を
算出する。

【００２３】被測定物Ｗの表面の形状が変化すると、被
測定面と対物レンズ４５の焦点位置とにずれが生じる
が、そのずれは、被測定面の反射光の一部を導いたシリ
ンドリカルレンズ４６の集光に反映される。シリンドリ
カルレンズ４６は非点収差をもつ集光の特性を有し、そ
の像は四分割ホトダイオード４８で検出される。四分割
ホトダイオード４８はその受光面が上下左右に四分割さ
れており、各分割面に入射するレーザビームの光量に応
じた４つの電気信号をレンズ駆動制御回路１５制御部に
出力する。レンズ駆動制御回路１５制御部は、入力する
４つの電気信号のうち、上下の分割面に対応する電気信
号のレベルと左右の分割面に対応する電気信号のレベル
の差から、焦点のずれ方向とずれ量を算出し、これを最
小にする方向にリニアモータを駆動する制御信号を出力
する。

【００２４】対物レンズ４５の可変機構はこの制御信号
をもとに、対物レンズ４５を上下に駆動する。これによ
り、対物レンズ４５は被測定面の凹凸方向に追従して上
下に可動制御され、その結果、レーザビームは常に合焦
点状態で被測定面に照射される。尚、対物レンズ４５を
動かしても、被測定物までの光路長の変化は無く、該レ
ンズの移動は後述する被測定物の表面形状測定値には直
接影響しない。

【００２５】合焦点状態で被測定面に照射されたレーザ
光は、被測定面で反射され、入射光路を逆に戻って、そ
の一部がビームスプリッタ３６で参照光と重畳される。
物体光と参照光との間には検出器本体と被測定面との距
離に対応した時間遅れがあり、両者の周波数は異なる。
そのため、参照光と物体光とでヘテロダイン干渉が生じ
る。

【００２６】この干渉信号はホトダイオード３８により
検出される。このホトダイオード３８によって検出され
た信号Ｓｅ（図３（Ｃ））の周波数と位相は、参照鏡と
被測定面との光路距離差Ｄに比例する。尚、信号Ｓｅの
レベルは、レーザダイオード２４の周波数変調による発
光強度の変化、被測定面の反射率に影響される。本発明
では以下に示す原理により、前記ホトダイオード３８に
よって検出された信号からレーザダイオード２４の発光
強度の変化の影響を除去している。

【００２７】先ず、レーザダイオードの発振周波数の変
調と発光強度の変調について説明する。レーザダイオー
ドに、図３（Ａ）に示すような周期Ｔ_s 、変調幅Δｉの
鋸歯状波変調電流Ｓａ(t) を入力すると、レーザダイオ
ードの発振角周波数ω(t) 、発光強度Ｉ(t) も鋸歯状に
変調される( 図３（Ｂ）、（Ｃ）参照）。

【００２８】ここで、１変調周期（−Ｔ_s ／２≦ｔ≦Ｔ
_s ／２）において、鋸歯状波変調電流Ｓａ(t) を、次
式、 Ｓａ(t)＝ｉ₀＋Δｉ・ｔ／Ｔ_s＝ｉ₀＋α_i・ｔ …（１） とすると、発振角周波数ω(t) 、及び発光強度Ｉ(t)
は、次式、 ω(t)＝ω₀＋Δω・ｔ／Ｔ_s＝ω₀＋ｋ_wi・α_i・ｔ …（２） Ｉ(t)＝Ｉ₀＋ΔＩ・ｔ／Ｔ_s＝Ｉ₀＋ｋ_Ii・α_i・ｔ …（３） のように書くことができる。

【００２９】但し、ｉ₀ 、ω₀ 、Δｉ、Δω、ΔＩの定
義は、図４に示されている。 また、α_i＝Δｉ／Ｔ_s（電流変調率） ｋ_wi＝Δω／Δｉ（発振角周波数の変調定数） ｋ_Ii＝ΔＩ／Δｉ（発光強度の変調定数） である。

【００３０】次に、ホトダイオード３８によって検出さ
れる干渉信号について説明する。ビームスプリッタ３６
に到達するレーザダイオード２４の発光強度をηＩ(t)
とする。但し、ηはレーザ光の光ファイバー１６へのカ
ップリング率によって決まる定数とする。また、参照鏡
３７の反射光（参照光）の強度をＩ_r (t) 、被測定面の
反射光（物体光）をＩ₀ (t) とすると、Ｉ_r (t) 、Ｉ₀
(t) は、次式、 Ｉ_r(t)＝β_r・ηＩ(t) …（４） Ｉ₀(t)＝β₀・ηＩ(t) …（５） のようになる。但し、β_r ，β₀ は反射係数である。

【００３１】上記参照光と物体光とはヘテロダイン干渉
し、ホトダイオード３８により検出される干渉信号Ｓｅ
(t) は、次式のようになる。 Ｓｅ(t)＝Ｋ・ηＩ(t) ×〔β_r＋β₀＋２(β_rβ₀)^1/2cos(ω_bt＋φ_b）〕…（６） ここで、Ｋはホトダイオード３８の光電変換率、ω_b ，
φ_b はビート信号の角周波数及び位相であり、それぞれ
次式、 ω_b＝２Δω／Ｔ_S τ …（７） φ_b＝ω₀ τ …（８） で表される。式（７）、（８）中で、τは図５に示すよ
うに参照光と物体光との時間遅れである。

【００３２】式（６）のＩ(t) は、式（３）によって表
すことができるため、式（３）において、もし（ｋ_Ii・
α_i ・ｔ）が、Ｉ₀ と比べて小さく、次式、 Ｉ₀≫｜ｋ_Ii・α_i・ｔ_max ｜＝ｋ_Ii・α_i・Ｔ_s／２ ＝ｋ_Ii（Δｉ／Ｔ_s）（Ｔ_s／２）＝ｋ_Ii・Δｉ／２＝ΔＩ／２ …（９） を満たせば、（ｋ_Ii・α_i ・ｔ）を無視することができ
る。そして、この場合には、上記（６）式は、次式、 Ｓｅ(t)≒Ｋ・ηＩ₀〔β_r＋β₀＋２(β_rβ₀)^1/2cos(ω_bt＋φ_b）〕…（１０） となり、直流成分（β_r ＋β₀ ）をカットすれば、下記
式（１１）を得ることができる。

【００３３】 Ｓｅ(t)＝Ａ・cos( ω_bt＋φ_b）…（１１） ところで、上記式（９）を満たすためには、以下のよう
にすればよい。 (1) Ｉ₀ を大きくする。 (2) Δｉを小さくする。 (3) ｋ_Iiを小さくする。

【００３４】上記(1) と(2) は、式（１）に示した変調
電流Ｓａ(t) において、バイアス電流ｉ₀ を大きくし、
変調幅Δｉを小さくすることを意味する。また、(3) の
ｋ_Iiはレーザダイオードの固有特性により、この値を自
由に変えることはできないが、ｋ_Iiが小さく、しかもｋ
_wiが大きいレーザダイオードを選択し、使用すれば良
い。

【００３５】尚、本実施例では、前述したように鋸歯状
波又は三角波発生器５５は、図３（Ａ）に示すようにバ
イアス電流に対して変調幅が小さい鋸歯状波変調電流Ｓ
ａを出力し、これにより、ホトダイオード３８により検
出される干渉信号Ｓｅは、図３（Ｃ）に示すようにレー
ザダイオード２４の周波数変調による発光強度変化の影
響は無視できる程に小さい。

【００３６】さて、図２において、ホトダイオード３８
によって検出された干渉信号Ｓｅはバンドパスフィルタ
５７に出力される。バンドパスフィルタ５７は中心周波
数ｆ_s 、バンド幅Δν（例えばｆ_s ／１０）を有し、入
力信号Ｓｅからｆ_s の成分を取り出し、その取り出した
信号Ｓｆ（図３（Ｄ））を波形整形器５９に出力する。
波形整形器５９は入力信号Ｓｆを矩形波の信号Ｓｇ（図
３（Ｅ））に変換し、周波数逓倍回路６１はこの信号Ｓ
ｇの周波数が予め設定された倍率ｍ（図３ではｍ＝２）
になるように逓倍し、その逓倍した信号（パルス信号）
Ｓｇ′をゲート回路６２の入力Ｇ₁ に出力する（図３
（Ｇ）、（Ｈ）参照）。

【００３７】一方、波形整形器５８は鋸歯状波又は三角
波発生器５５から入力する鋸歯状波変調電流Ｓａを矩形
波の信号Ｓｂ（図３（Ｂ））に変換し、周波数逓倍回路
６０はこの信号Ｓｂの周波数を前記周波数逓倍回路６１
と同じ倍率で逓倍し、その逓倍した信号（パルス信号）
Ｓｂ′をゲート回路６２の入力Ｇ₂ に出力する（図３
（Ｆ）参照）。

【００３８】ゲート回路６２は、入力Ｇ₁ のパルス信号
Ｓｇ′と入力Ｇ₂ のパルス信号Ｓｂ′の周波数差による
新しいパルス信号を作り、アップダウンカウンタ６３の
アップ入力Ｕ又はダウン入力Ｄに出力する。従って、ア
ップダウンカウンタ６３はパルス信号Ｓｂ′とパルス信
号Ｓｇ′との周波数の差を積算することになる。ところ
で、被測定物が停止している場合には、周波数逓倍回路
６１から出力されるパルス信号Ｓｇ′の周波数は、周波
数逓倍回路６０から出力される基準のパルス信号Ｓｂ′
の周波数と一致し、アップダウンカウンタ６０のカウン
ト値は変化しないが、被測定物が移動すると、ドップラ
ー周波数偏移により波形整形器５９から出力される信号
Ｓｇ（周波数逓倍回路６１から出力されるパルス信号Ｓ
ｇ′）の周波数は変化する。

【００３９】即ち、被測定物が遠ざかる方向に移動する
と、パルス信号Ｓｇ′の周波数は大きくなり（図３
（Ｇ）参照）、被測定物がに近づく方向に移動すると、
パルス信号Ｓｇ′の周波数は小さくなる（図３（Ｈ）参
照）。従って、パルス信号Ｓｂ′とパルス信号Ｓｇ′の
パルス数の差は、被測定物の移動速度及び移動方向に対
応し、そのパルス数の差の積算値は被測定物の移動量に
対応する。これにより、被測定物を或る位置から他の位
置に移動させたときのアップダウンカウンタ６３のカウ
ント値の増減量に基づいて、被測定物の移動距離を測定
することができる。

【００４０】尚、変調電流波形は上記鋸歯状波に限ら
ず、三角波を用いてもよい。また、三角波を用いるとき
には、その折り返しの部分を位相反転させ、前半部分に
加えることにより、２倍の感度を得ることができる。図
６の応用例は、図１の実施例の検出器本体１１の代わり
に、接触式の検出器本体７１を用いたもので、図１の実
施例の中の同一又は類似の部材には同一の番号を付し、
その説明は省略する。

【００４１】図６に示した検出器本体は、本体ケース７
２の下面には、開口部７３が形成されこの開口部７３に
は板バネ７４を介して上下に可動する探触子７５が配置
されている。該探触子の運動線上には反射鏡７６が固着
されている。尚、探触子上に構成される反射鏡は、前記
の様に別体のミラーを固着してもよいし、探触子上に直
接鏡面加工してミラーを形成してもよい。

【００４２】検出器本体７１に導かれたレーザ光は、コ
リメートレンズ３５によって平行光にされ、この光軸Ｌ
₁ 上のビームスプリッタ３６で異なる２方向に分割され
る。そして、一方のレーザビームは、光路変換用ミラー
４２で光軸Ｌ₅ に折り曲げられ、前記反射鏡７６に照射
され、他方は光軸Ｌ₁ に直交する光軸Ｌ₂ 上に配置した
参照ミラー３７に照射されるように、光学系を配置す
る。また、ホトダイオード３８は光軸Ｌ₂ 上にビームス
プリッタ３６を挟んで参照ミラー３７と対峙して配置す
る。

【００４３】尚、光路変換用ミラー４２は検出器本体の
構成上必須ではなく、光軸Ｌ₁ と光軸Ｌ₅ は同軸に配置
してもよい。被測定物Ｗの表面に接触させた探触子７５
が、該被測定物の凹凸方向に可動し、かつ探触子７５の
運動線上に備えた反射鏡７６は、探触子の運動を誤差無
く反映している。前記反射鏡７６によって反射されるレ
ーザビーム（物体光）と、参照ミラー３７によって反射
されるレーザビーム（参照光）との間には、該反射鏡７
６の移動距離に対応した時間遅れがあり、両者の周波数
は異なる。そのため、物体光と参照光とでヘテロダイン
干渉が生じる。ホトダイオード３８によって受光され、
光電変換されたこの干渉信号をもとに、制御部１４にお
いて被測定面物の表面形状を測定する過程は図１の実施
例と同様である。

【００４４】上記の検出器本体７１を用いれば、図１の
実施例の非接触式検出器本体１１と互換性を有して取り
付けが可能で、同一の制御部（光源部を含む）を用いて
非接触式と接触式の両タイプの検出器を選択的に使用す
ることができる。図１の実施例の電気ケーブル２０の代
わりに、シングルモードファイバーで構成された光ファ
イバーを用いることも可能で、この場合、検出器本体の
受光部は、図１のホトダイオード３８の代わりに光路変
換用反射鏡と、対物レンズと、で構成され、制御部内に
ホトダイオード３８の代わりに光電変換素子を備え、検
出器本体と制御部とが，光コネクタにより着脱可能な光
ファイバーにより接続される構成からなる。

【００４５】前記の如く構成された、表面形状測定装置
においては、参照ミラー３７で反射されたレーザ光（参
照光）と被測定面で反射されたレーザ光（物体光）と
は、ビームスプリッタ３６によって重畳され、両者でヘ
テロダイン干渉が生じる。上記の経緯は図１の実施例に
記載と同様である。この干渉による検出光は、前記構成
の光路変換用反射鏡で光路が折り曲げられ、集光レンズ
により集光されて、シングルモードファイバーで構成さ
れた光ファイバーの端面に入射する。尚、光路変換用反
射鏡は構成上必須ではない。

【００４６】光ファイバーを介して制御部へ送られた検
出光は、制御部において光電変換されて処理される。制
御部における測定の原理は図１〜図６の実施例と同様で
ある。図１の実施例においては、検出光は検出器本体内
で電気信号に変換され、電気ケーブルを介して制御部へ
送られていたが、上記実施例においては、検出光は光フ
ァイバーを介して制御部へ送られ、制御部において光電
変換されるので、図１の実施例と比較して電気的ノイズ
に対して強く、しかも電気ケーブルによる周波数応答遅
れの問題もなく、高速応答性の面で有利である。

【００４７】図１の実施例及び図６の応用例では、レー
ザ光源部と制御部は独立したものとして説明したが、図
１、図６の想像線で囲んで示したようにレーザ光源部と
制御部とは一体にしてもよい。また、測定の際の走査方
法としては、検出器本体１１を固定して被測定物Ｗを動
かすことによって走査してもよいし、逆に、被測定物Ｗ
を固定して検出器本体を動かして走査してもよい。

【００４８】本発明に係る実施例では、レーザビームの
偏光を利用していないので、偏光を利用した干渉計と異
なり、偏光素子、偏光ビームスプリッタ等が不要にな
り、光学系が簡単になる利点がある。また、検出器本体
と、光源部及び制御部とは互いに着脱が容易であり、簡
単な光学系で装置全体をコンパクトにできる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明した様に本発明に係る表面形状
測定装置によれば、光触針としてのレーザビームは常に
合焦点状態で被測定面に照射され、その反射光の一部を
導入した光干渉計によって被測定物の表面形状が光学的
に測定される。従って、非接触式でありながら表面の凹
凸方向に関して広範囲な測定が可能となることに加え
て、高感度、高精度の測定ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例の全体構成を示す説明
図

【図２】図２は図１の本発明に係る形状測定装置におけ
る制御部の一実施例を示すブロック図

【図３】図３（Ａ）〜（Ｈ）は鋸歯状波の変調電流を用
いた場合のそれぞれ図３の各部から出力される信号波形
図

【図４】図４（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれレーザダイオー
ドに入力される鋸歯状波の変調電流、該変調電流によっ
て生じたレーザダイオードの発振角周波数及び発光強度
を示す波形図

【図５】図５は鋸歯状波の変調電流を用いた場合の物体
光と参照光の発振角周波数と発光強度変化を示す波形図

【図６】図６は本発明の応用例を示す要部概略図

【符号の説明】

１０…レーザ光源 １１…検出器本体 １２…本体ケース １４…制御部 １５…レンズ可変機構制御回路 １６…光ファイバー ２０…電気ケーブル ３６、４１…ビームスプリッタ ３７…参照ミラー ３８…ホトダイオード ４５…対物レンズ ４６…シリンドリカルレンズ ４８…四分割ホトダイオード ５３、５４…コネクタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周波数変調したレーザビームを発生させる
   レーザ光源部と、 前記レーザビームの一部を被測定物に照射する為の対物
   レンズ系と、 該対物レンズ系を被測定面に対して遠近移動させるレン
   ズ駆動機構と、 前記レーザ光源部から導入したレーザビームを分割し、
   分割した一方のレーザビームを前記対物レンズ系を介し
   て被測定面に照射して反射光を得ると共に、他方のレー
   ザビームを参照反射鏡に照射して反射光を得て、これら
   両反射光を干渉させるマイケルソン型干渉光学系と、 前記対物レンズ系を介して被測定面からの反射光の一部
   を取り込み、被測定面での対物レンズ系の焦点ずれを検
   出する検出手段と、 前記検出手段が検出した焦点ずれに基づいて被測定面上
   で対物レンズ系の焦点が合うようにレンズ駆動機構を駆
   動制御するレンズ駆動制御回路と、 前記マイケルソン型干渉光学系において生じるヘテロダ
   イン干渉による干渉光を受光し、受光した光干渉信号を
   電気信号に変換する光電変換部と、 前記光電変換部の検出信号に基づいて被測定物の形状の
   変位量を算出すると共に、前記レーザ光源の周波数変調
   を制御する制御部と、 を備えたことを特徴とする表面形状測定装置。