JPS60100007A - 光ヘテロダイン干渉法による表面測定装置 - 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】 本発明はレーザを用いた光ヘテロダイン干渉法による表
面測定装置に関するものである。従来行なわれている光
干渉による表面状態の測定では単一周波数成分を持つ２
つの光波の干渉による。いわゆるホモダイン光干渉で、
測定量は０１ミクロンメートルのオーダーである。

近年機械加工等の精度が向上し−０，０１ミクロンメー
トルオーダーの表面粗さ測定の要求も増し、新たな高精
度測定器の開発が待たれている。光ヘテロダイン干渉は
ホモダイン干渉に比べて２桁以上も高精度に表面状態を
計ることができる方法である。光ヘテロダイン干渉は２
つの異なる周波数成分を持つ光を干渉させて、その強度
を光電変換して、差の周波数のビート信号を得る方法で
ある。

例えば周波数ｆ、、ｆ２の光波をＥ、、　Ｅ２とすれば Ｅ＋　（ｔｌ＝Ａ、、　（ｔｌｃｏｓ（２πｆ、ｔ＋ダ
Ｉ（ｔ））Ｅ、、　（ｔｌ＝Ａ２（ｔｌｃｏｓ（２πｆ
２　を＋６（ｔ））ここで−Ａ、、、Ａ２は振幅、ダ１
．グ、は位相を示す。

この２つの光波を干渉させると−その強度Ｉ　（ｔｌは Ｉ　（ｔｌ＝　ｌ　Ｅ、　（ｔｌ＋　Ｅ２（ｔｌ　ｌ　
２　となる、これを光検出器で電流量（１）に変換する
とｉ（ｔ＞ｃｘＡ、　’　＋Ａ２　’　＋２Ａ４　Ａ、
、　ｃｏｓ　（２πΔｆｔ＋Δグ）但し　Δｆ二ｆ、　
−ｆ２−　Δダーグ１−グ。

なる電気信号が得られる。

ここでΔｆは１０５〜１０６Ｈｚのオーダーで十分に電
気的検出が可能で、このビート信号の周波数、位相の変
化を検出することにより、もとの光波が持っている光の
周波数領域での情報を高精度に取り出すことができる。

本発明による光ヘテロダイン干渉法による表面測定装置
では音響光学素子（以下にＡ・０と略す）を用いて前記
周波数の異なる２本の光線を発生させ、干渉されたビー
ト信号相互の位相検出を行なうと共に一被測定物の物体
面からの反射光の反射方向を共に検出して一従来の光ヘ
テロダイン干渉法に比べて広範囲な測定範囲の計測を高
精度に実現させるもので、＠に非球面形状の計測に適し
た表面測定装置を提供するものである。

第１図に本発明の実施例である表面測定装置のブロック
線図を示す。

Ｈｅ−Ｎｅレーザ管あるいは半導体レーザ等によるレー
ザ発振部１００がら放射された周波数ｆ　ｏをもつ１本
の光ビーム１０１は音響光学素子（Ａφ０）１０３に入
射される。Ａ・０１０６はｆｍなる周波数の正弦波発振
器１１１を入力とするＡ−０ドライバー１１２によって
超音波進行波をその内部に発生させ、光と超音波の相互
作用により光ヘテロダイン干渉の基礎となる周波数の異
なる２本の光ビーム１０４及び１０５の２ビームを発生
させる。なお光線１０８は非回折光で計測には用いない
光である。

ここでＡ・０ドライバー１１２は一般に電圧制御発振器
（ＶＣＤ）、平衡変調器、高周波パワーアンプ等から構
成され一超音波駆動信号の周波数ｆａ酸成分対して、ｆ
　ａ　−ｆ　ｍ及びｆ　ａ　−４−ｆ　ｍなる周波数成
分を持つ信号を発生させ、Ａ−０１０３内部を透過する
光の周波数シフトを行なうもので、光ビーム１０４はｆ
ｏ＋ｆａ−ｆｍ−光ビーム１０５はｆｏ＋ｆａ＋ｆｍな
る周波数を持ち、その差の周波数は２ｆｍである。

ここで光ビーム１０４及び１０５の間の距離は周波数ｆ
ｍに比例する。光ビーム１０４及び１０５の２つの光線
をひとつの単位としてプローブ光線となし、該プローブ
光線を２つの方向に分割する。

１０２は偏光ビームスプリッタ−及び１／４波長板から
構成される光アイソレータで、Ａ・０１０３と測定する
物体面１０７０間に設置する。

２つの光ビーム１０４及び１０５は光アイソレータ１０
２で２つの方向に分割する。一方は物体面１０７に照射
しない参照光１０１１０５となし、他方は集光用レンズ
１０６を通して物体面１０７に照射する。物体面１０７
からの反射光を再び集光用レンズ１０６を通して光アイ
ソレータ１０２により再び進路を曲げ物体反射光１２０
゜１２１とする。１２２及び１２６は参照光１０４．１
０５及び物体反射光１２０−１２１の干渉を行なわせる
光電変換部で１例えばＰＩＮフォトダイオード及び電流
−電圧変換器等で構成され。

ＰＩＮフォトダイオードから得られたビート電流信号を
電流−電圧変換する。

ここで参照光１０１１０５は被測定物体面の表面情報を
ふくまず一物体反射光１２０及び１２１は光ビームが照
射されたポイントの表面情報即ち表面の粗さあるいは表
面の傾き角度等の表面情報を含む。物体反射光１２０及
び１２１の光電変換部１２３は第１の光電変換部１２３
１及び第２の光電変換部１２３１　１２３３とから成る
。

第１の光電変換部１２３１は主として物体反射光のビー
ト信号の位相を検出するもので、第２の光電変換部１２
３２．１２６３は主として物体反射光の反射方向による
光量を検出するもので、物体面１０７の形状、粗さ等の
差により、照射されたプローブ光の反射方向に差が生ず
るのを検出する。例えば物体面１０７の形状が１０７１
の如き場合には、第２の光電変換部１２６２に物体反射
光が入射し、物体面１０７の形状が１０７２の如き場合
には第２の光電変換部１２６６に物体反射光が入射し、
いずれの部分に物体反射光があるかによって形状を区別
することができる。物体面１０７が入射方向に対して垂
直な面であれば、いずれの槙２の光電変換部１２３１　
１２３３にも物体反射光は入射されず、光電変換部１２
６１のみに入射され面形状は平坦であることが判定され
る。一般に物体反射光は幅の広いビーム径を有し。

第１の光電変換部１２６１を中心として、３つの光電変
換部のうちのいずれかの２つに反射光が入射するように
設置するのが望ましい。

線であるが一物体反射光１２０及び１２１は物体面１０
７０表面形状、表面粗さ等の凹凸による２つのビームの
間の光路長の差により一両者の位相が異なり一干渉され
たビート信号の位相の変化として現われてくる。

光電変換部１２２及び１２６の出力信号となる電圧信号
の直流成分をカットすれば、得られる交流電圧信号１２
４及び１２５は各々 Ａ、’ｃｏｓ（２ｙｒ　拳２ｆｍｔ＋θ１）　及びＡ２
’ｃｏｓ（２π＊　２ｆｍｔ＋θ２）　で表わされる。

θ１は参照信号の初期位相で一定量であり、θ２は物体
面１０７の表面凹凸量によって変化する量で、こ−の差
θ２−θ、の変化を検出すればよい。

１１４は位相比較器で参照光光電変換部１２２と物体反
射光光電変換部１２３からの信号相互の位相差を検出す
る。１２６は位相比較器１１４と物体反射光光電変換部
１２３１１２３３がらのデータに基すき物体面１０７０
表面状態を演算するデータ処理部である。

本実施例では参照光の出力信号と物体反射光光電変換部
１２３の第１の光電変換部１２６１の出力信号との位相
差を検出する例を示しているが。

物体反射光の反射角度が大きく、物体反射光光電変換部
１２６の第１の光電変換部１２３１に反射光が余り入射
されない様な場合には一第２０光電変換部１２３２ある
いは１２３６からの出力信号との位相差を検出してもよ
い。さらには物体面１０７の形状がある一方方向のみの
凹又は凸の状態を有する場合には第２の光電変換部は１
２６２及び１２３３の２つを同時に用いる必要はなく、
反射の状態に応じてどちらかの１つのみを用いてもよい
。

次に位相比較器１１４の出力と物体反射光の第２の光電
変換部の出力からデータ演算を行なうデータ処理部１２
６の動作の説明をする。

２つの光ビーム１０４及び１０５が物体面１０７に照射
されたとき２本の光ビームの間にＺなる表面凹凸量があ
り１位相比較器１１４の出力データがθ＝θ２−θ、で
あったとすればＺ−λ・θ／４πで表わされる。但しλ
はレーザ光線の波長である。例えばλ＝０．６３２８ミ
クロンメートルとしたとき、θ。＝１°当りのＺは８．
８オングストロームである。

位相比較器１１４は一π４θ〈πあるいは０〈θイ２π
のいずれかのモードで位相角を測ることができるが−例
えばＯイθ〈２πモードで動作しているとき−θ＝３π
はθ＝πとしてしか計測せずｍ一般的にθ二２ｎπ」−
θ。（ｎは整数）においてｎは不定でθ。のみの計測と
なる。

２ビームのプローブ光１０１１０５が物体面の範囲が位
相角Ｏ〈θ≦２π又は−π≦θイπでの測定範囲である
。

位相比較器１１４が一π〈θ〈πのモードで動λ では−π≦θ≦０で表示、０≦Ｚ≦−なる凸状態と判定
してしまい、正確な表面状態の復調ができない不都合が
ある。即ち位相比較器１１４だけではＩＺＩ〉二なる表
面状態の計測は不可能である。

４ 第２図（ａｌは物体面１０７及び光電変換部１２３とに
対する入射光線と反射光線の関係を示す模式図、第２図
ｆｂｌは第２図（ａｌの物体面１０７を拡大して示す側
面図、第２図（Ｃ）は位相角を示す模式図である。

第２図（ａｌにおいて２０は入射光線である。前述して
きた様に実際は２本の光ビームであるが一図では省略し
て１本の光ビームとして記述する。なお反射光線につい
ても同様である。入射光線２０が物体面１０７の平面部
１０７６に照射された場合は、正反射してその反射光２
５は入射光線２０と逆向きに進み、光アイソレータ１０
２で直角に進路を変えて第１′の物体反射光光電変換部
１２６１に主として入射する。このときの位相の状態を
第２図（Ｃ）の位相角０の状態とする。入射光線２０が
物体面１０７の面状態１０７２にも照射されれば、反射
光は２１の進路を通り、光アイソレータ１０２で再び進
路を変え２２の方向に進み物体反射光の第２の光電変換
部１２６６にも入射（ｃ）のＰとする。

このとき位相比較器１１４が−π≦θ≦πのモードで動
作していれば一位相角はＯＡＰの軌跡で０ＢＣＰの軌跡
でθ＝−（２π−θ。）で計測されねばならない。この
上記に示した位相角の変換を第２の光電変換部１２３３
への入射光量の電圧データにより行なわせる。

前述した如く、物体反射光はある程度ビーム径の広い光
線であるため、光電変換部１２３１と１２３２に同時に
入射され、第１の光電変換部１２６１で位相の計測を、
第２の光電変換部１２３３で反射方向の検出を行なって
測定された位相角θ。の変換を行なうか１行なわないか
を判断処理することができる。さらに例えば入射光線２
０が物体面１０７の面状態１０７１に照射され、反射光
２３が光アイソレータ１０２によって進路を変え２４の
方向に進み物体反射光の第２０光電変換部１２３２にも
入射されて−　（このとき第１の光電変換部１２３１に
も入射される）第２図（Ｃ１λ の位相角Ｐの状態になれば＋　Ｚ（−でθ＝００に対応
する面状態であると判断される。

λ 以上の例で示した如〈従来のＺ〈−なる測定範囲であっ
たものが一本発明による物体反射光の反射方向を検出す
ることにより位相角の絶対値がλ ２πまでの範囲で（即ちＩＺＩ≦−）表面状態を正確に
復調できる。

さらには物体反射光の大きさの変化をも同時にる。即ち
位相角が２πを何回転したかを光量変化から検出可能で
ある。

Ｚが大きくなるに従って物体反射光の反射の方向が大き
くなり一例えば第２０光電変換部１２６２への入射光量
が増大すると第１の光電変換部１２３１への入射光量が
減小するから、両者のゲインを検出し、ゲインがある値
ｇｏとなれば位相角は２πを１回転したと判断でき１例
えばθ−２π十〇。でＺ〉二であると判断処理できる。

物体面１０７に入射する２ビーム光を順次重ね合せて物
体面上を線走査あるいは面走査を行ない。

測定された位相集合の積分を行なうことにより。

一般の形状計測が可能である。

第３図は第１図に用いられる光ヘテロダイン干渉の光学
系の詳細を示す模式図であり、１６０及び１３４はシリ
ンドリカルレンズで各々の焦点距離は１１　とする。１
３１及び１６２は平凸レンズで各々の焦点距離は１２と
する。１３３は偏光ビームスプリッター−１６５は１／
４波長板、１０６はレーザ集光レンズで焦点距離はｌ。

とする。

一般にＡ・０１０６は光と超音波の相互作用により、光
波の変調を行なうもので、Ａ・０１０６に入射する光の
ビーム幅は広いのが好ましいため。

シリンドリカルレンズ１３０と平凸レンズ１６１の組み
合せで幅の広いだ円ビームを発生させる。

さらに直線偏光レーザを用いることにより、偏光ビーム
スプリッタ−１３３と１／４波長板１６５の組み合せか
ら参照光と物体光の分離を行なう。

光電変換部１２２及び１２３からのビート信号１２４と
１２５は一般に振幅が異なり一位相比較器１１４にはで
きるだけ振幅が近い状態の電気信号を入力するのが好ま
しいため一照射する物体面１０７０反射率に応じて−例
えばレーザ管を回転させ直線偏光の軸を調整すればよい
。あるいは偏光板を回転させて直線偏光軸を回転しても
よい。

さらにビート信号１２４．１２５のＳ／Ｎ比を良くする
ため、偏光ビームスプリッタ−１３３は干渉光がだ円ビ
ームとなる場所に設置するのが好ましい。

第３図の実施例ではＡ・０１０６によって分離された２
つの光ビームは図示していないが、実際には非常に接近
した２ビームに分離している。また非回折光は図から省
略している。

この２ビ一ム分離を与える周波数をｆｍとしたとき一物
体面上での分離距離ｄは で与えられる。

但し■はＡ・０１０３を伝わる超音波の速度である。し
かも■はＡ・０１０６の媒質で決まるもので−例えばＶ
＝３．８ｋｍ／５ｅｃ＝　Ａ’、　＝１５ｇ−１２＝５
００＋ｗ−ｌｏ　＝７ｍｍとすれば。

ｆ　ｍ　＝　１．　ＯＯｋ　Ｈｚで、ｄ−７ミクロンメ
ートルである。

また物体照射面でのビームスポット径は集光レンズ１０
６に入射されるビームの径（このときは円形ガウスビー
ムに変換されている）とレンズの焦点距離ｌ。に関係す
るが、小さいビーム径及び２ビームの間かくｄをより小
さくするには、シリンドリカルレンズ１３４と焦光レン
ズ１０６の間にビームエクスパンダ−を入れればよい。

以上述べた如く本発明による光ヘテロダイン干渉法によ
る表面測定装置は従来の光ヘテロダイン干渉法と比べて
、広い測定範囲で正確な計測が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による光ヘテロダイン干渉法に
よる表面測定装置のブロック線図、第２図（ａｌは物体
面及び光電変換部に対する入射光線と反射光線の関係を
示す模式図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）の物体面を拡
大して示す側面図、第２図（ｃ）は位相角を示す模式図
、第３図は第１図に用いられる光ヘテロダイン干渉法の
光学系の詳細を示す模式１００・・・・・・レーザ発振
部。 １０３・・・・・・音響光学素子。 １０４−１０５・・・・・・参照光、１０７・・・・・
・物体面、１１４・・・・・・位相比較器、 １２０−１２１・・・・・・物体反射光、１２２・・・
・・・参照光光電変換部。 １２６・・・・・・物体反射光光電変換部。 １２６・・・・・・データ処理部。 １２６１・・・・・・物体反射光の第１０光電変換部、
１２６２．１２６３・・・・・・物体反射光の第２の光
電変換部。 第　２　図 （Ｃ） 特開昭ＧＯ−１００００７（６）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ発振部から放射される光を音響光学素子により周
   波数の異なる２つの光線に分割し、該２つの周波数成分
   を有する２つの光線を被測定面である物体面に照射する
   光ヘテロダイン干渉法による表面測定装置において、前
   記音響光学素子から放射される周波数の異なる２つの光
   線をひとつの単位のグローブ光線となし、該プローブ光
   線を２つの方向に分割し一一方のプローブ光線は前記物
   体面に照射しない参照光となし、他方のプローブ光線は
   前記物体面に照射し、該物体面に照射された光の反射光
   を物体反射光となし、前記参照光を光電変換してビート
   信号を作成する参照光光電変換部と２前記物体反射光な
   光電変換してビート信号を作成する第１と第２の複数の
   物体反射光光電変換部と、前記参照光光電変換部と前記
   物体反射光光電変換部からの信号相互の位相差を検出す
   る位相比較器と、該位相比較器と前記物体反射光光電変
   換部からのデータに基すき前記物体表面の表面状態を演
   算するデータ処理部とから構成される光ヘテロダイン干
   渉法による表面測定装置。