JPS61292004A - 光学式微小変位計 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は測定面上に微細光束を投射し、その投射光束を
検出して各種の測定、検査を行うようにした光学式微小
変位計に関するものである。

〔従来の技術〕

近年の目ざましい精密加工技術の発展により、表面に微
細な形状を加工した製品や部品が増えていて、例えば、
ダイヤモンドバイトによる超精密加工面の表面粗さはサ
ブμｍ以下を達成しているし、またレーザーディスクや
磁気テープ、フィルムなどの表面粗さも同じようなオー
ダーである。

更にＬＳＩパターン、回折格子、光ディスク、粗さ標準
片などの表面は規則的な微細形状をもったものの代表例
と云える。また、シリコンウェハにエツチングして作っ
た段差やアルミニウム表面の溝状の傷の断面、鋼材表面
を超精密加工した鏡面なども微細形状といえる。

ところで、従来かかる微細表面の粗さ測定には殆どの場
合触針式粗さ計が用いられて来たが、この方式のものは
表面に傷が付゛き易いため好ましくない。即ち、上記製
品や部品の多くは商品“とじて仕上がっており、傷をつ
けないで表面の微細形状を詳細に測定できることが望ま
れ、更に測定結果を次の加工や測定の際の参考データと
して役立てたり、商品取引上で必要なデータとして利用
することも多い。

こうした要求を満たすべくサブミクロンの分解能をもつ
高感度の非接触微小変位計が開発されているが、以下第
７図により臨界角法を利用したこの種従来の非接触微小
変位計の一例を説明すれば、図中、１はレザー光源、２
はコリメーターレンズ、３は偏光膜を有する偏光ビーム
スプリンター、４は１／４波長板、５は対物レンズ、６
は臨界角プリズム、７は二分割フォトディテクター、Ｓ
は測定面であって、レザー光源ｌから射出されたレーザ
光はコリメーターレンズ２により平行光束とされ、偏光
ビーム、スプリンタ−３，１／４波長板４及び対物レン
ズ５を経て測定面Ｓ上に収束されるが、この光束は測定
面Ｓより反射され、対物レンズ５及び１／４波長板４を
経て偏光ビームスプリッタ−３に入射する。偏光ビーム
スプリッタ−３に入射した反射光は１／４波長板４によ
り紙面に対し垂直方向に偏光されているから偏光ビーム
スプリッタ−３で反射されて、臨界角プリズム６に入射
し、その反射面により反射される光束を二分割フォトデ
ィテクター７で受光するようになっている。この場合、
臨界角プリズム６の反射面は合焦状態での入射光線に対
してはほぼ臨界角となるように設定されているから、合
焦状態から上下にずれた測定面Ｓ上の凹凸は二分割フォ
トディテクター７上に明暗となって現われる。この明暗
をディテクター７の領域７ａ、７ｂから電気信号として
取出し、この出力の差を検出することにより、その量及
び極性から凹凸の大きさ及び方向を知ることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記の如き従来の高感度非接触微小変位計では
、測定面の傾きが最大±５°以上大きくなると正しい測
定ができなくなると云う問題点があった。また一般にこ
のような微小変位計を用いる場合、前述の如く被測定物
の表面を連続的に測定しながら一連のデータを得たいと
云う要求があるが、概して被特定物の表面にはうねりや
びびりと云った長周期的構造が存在して測定面の傾きを
無視できない場合も多く、その場合、上記問題点のため
測定を続けることが難しいと云う問題もあった。更に、
測定面の設定角許容範囲が狭いため、上記の如き被測定
面の構造を考慮した場合、測定開始の際には煩雑なセツ
ティング操作を行わなければならず、インプロセス計測
等の連続測定を困難にすると云う問題点もあった。また
、ＬＳＩパターンなどの段差標本の傾斜部のプロフィー
ル測定や非球面レンズ、超精密ベアリング等の本来その
表面に傾斜構造をゆうする加工物の表面性状の検査等に
おいても非接触での高感度測定が要求されるようになっ
て来たが、かかる多様化する要求には、従来の高感度非
接触微小変位計では対応し得ないと云う問題もあった。

本発明は、上記問題点に鑑み、測定面に傾きがあっても
測定結果や測定作業に支障を来すこと、なく連続測定が
可能で１、而も測定対象範囲の広い高感度非接触微小変
位計を提供することを目的とするもので、ある。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明による
光学式微小変位計は、従来型の微小変位計の偏光ビーム
スプリッタ−と焦点エラー検出系との間に受光絞りを設
けて、測定面に入射する入射光束の開口数よりも検出側
の開口数を小さくすることにより、測定面が傾いても受
光素子上での検出光量に不均衡が生じないようにしたも
のである。

〔実施例〕

第１図は本発明の第一の実施例を示しているが、図中、
１）は半導体レーザより成る光源、１２はコリメーター
レンズ１，１３は偏光ビームスプリッタ−１）４は１／
４波長板、１５は対物レンズ、１６は臨界角プリズム、
１７は二分割フォトディテクター、１８は偏光ビームス
プリッタ−１３と臨界角プリズム１６及び二分割フォト
ディテクター１７を含む焦点エラー検出系１９との間に
設けられていて測定面Ｓからの反射光束を所定範囲に制
限するための受光絞りであって、受光絞り１８を除く他
の構成は第７図に示した従来の微小変位計と同じである
ので詳細な説明は省略する。

本発明の第一の実施例は上記のように構成されているか
ら、光源１）より出射したレーザ光は、　。

コリメーターレンズ１２により平行光束にされたのち、
偏光ビームスプリンター１３及び１／４波長板１４を通
過して対物レンズ１５により測定面Ｓ上に収束する。測
定面Ｓからの反射光は対物レンズ１５で平行光に戻り、
１／４波長板１４を通過して偏光ビームスプリッタ−１
３により焦点エラー検出系１９へと導かれる。この場合
、受光絞り１８により反射光束は制限されるため、検出
光束の測定面上におけるＮＡは制限される結果となる。

ここで、第２図に基づき受光絞り１８の作用を詳しく説
明する。第２図（ａ）は測定面Ｓの傾きがない場合、即
ち、測定面Ｓの法線が光軸０と一致している状態を示し
ている。この場合は、対物レンズ１５へ入射する前の入
射光束Ｌｉ　　（実線図示）と測定面Ｓから反射して対
物レンズ１５を通過した後の反射光束Ｌｒ　（破線図示
）は完全に一致する。これに対して第２図（ｂ）に示し
たように、測定面Ｓが水平面に対して角度θだけ傾いて
いる場合には、反射光束しいは測定面が傾いていない場
合のそれに対して２θだけ傾いて反射され、対物レンズ
１５へ入射する前の入射光束Ｌ１と測定面Ｓから反射し
て対物レンズ１５を通過した後の反射光束り、は一致ぜ
ず、光軸○に関して非対称となる。即ち、光軸○を含む
紙面に垂直な平面で分割された反射光束は反射光束Ｌｒ
−ａと反射光束り、−ｂとに分けられるが、第２図（ｂ
）の場合には反射光束り、−’ａの方が反射光束り、−
ｂよりも断面積が大きく、従って光量も反射光束Ｌｒ−
ａ側が多い。今、第１図において、受光絞り１８が設け
られていない場合を考えると、反射光束しわを検出する
二分割フォトディテクター１７上でも、反射光束Ｌｒ−
ａ側を受光するフォトディテクターの方が反射光束り、
−ｂ側を受光するフォトディテクターよりも多くの光量
を受光することになり、同じ合焦状態にありながら二分
割フォトディテクター１７上の二つの出力のバランスが
くずれて、正しい測定ができなくなる。

ここで第２図（Ｃ）に示すように受光絞り１８が設けら
れているとすると、反射光束り、−ａと反射光束り、−
ｂのうち受光絞り１８を通過した断面積の等しい反射光
束部分Ｌｒ＝ＣとＬｒ−ｄのみが二分割フォトディテク
ター１７上に到達するので、測定面Ｓが角度θだけ、傾
いたことによる二分割フォトディテクター１７上での光
量のアンバランスは、受光絞り１８により完全にうち消
される。従って、通常の臨界角法を用いた微小変位計の
構成に反射光束を制限する受光絞り１８を付加するだけ
で測定面Ｓに傾きがあっても精度の高い正しい測定が可
能となる。

上記実施例においては、受光絞り１８は偏光ビームスプ
リッタ−１３と焦点エラー検出系１９との間に設置され
ているが、これは焦点エラー検出系１９中の臨界角プリ
ズム１６と二分割フォトディテクター１７との間に設置
されてもよい。但しこの場合、一定の絞り径における測
定面Ｓの２軸方向の変位に対する対応中は、第１図の実
施例の場合にくらべて受光絞りの位置が対物レンズから
遠くなった分だけ狭くなる。従って第１図の実施例の場
合、受光絞り１８は偏光ビームスプリッタ−１３に近接
した位置に設置するが、着脱又は絞り口径を調整可能と
する必要がない場合には偏光ビームスプリッタ−１３の
反射面上に設置するのが良い。

第３図は本発明の第二の実施例を示しているが、この実
施例は、受光絞り１８と焦点エラー検出系１９との間に
無偏光ビームスプリッタ−２０が設けられて結像レンズ
２１により半導体装置検出素子（ＰＳＤ）２２上に反射
光束の一部を収束せしめるようにした点と、受光絞り１
８としてカメラ等に用いられる虹彩絞りが採用されて絞
り口径が可変であるように構成されている点で第１図の
実施例とは異なる。即ち、第４図乃至第６図において、
１８ａは絞り羽根、１８ｂは外周面の一部にラック１８
ｂ′が形成されていて周知の機構を介して絞り羽根１”
８ａに連結されて回動により絞り口径を変え得るように
構成された絞りリジグ、２３は回転子軸にラック１８ｂ
′に噛合するピニオン２３ａを固着したステップモータ
、２４は半導体位置検出素子２２に接続された位置検出
回路、２５はモータ駆動回路、２６は絞り径検出回路、
２７は制御回路、２８は外部条件設定回路、２９は記憶
回路、３０は半導体レーザ駆動回路、Ｄ＋は受光絞り１
Ｂの絞り径、Ｄ２は光学系の最大有効光束径、Ｄ、は測
定面Ｓが傾いた時の反射光束の光束径、０′は光束径り
、の中心位置である。

第二実施例は上記のように構成されているから、測定面
Ｓからの反射光束は偏光ビームスプリンター１３で偏向
された後、受光絞り１８を通過し、そのうちの一部は無
偏光ビームスプリッタ−２０により外部へ導びかれて結
像レンズ２１に入射し、半導体装置検出素子２２上に結
像される。今、測定面Ｓが傾いていない場合には、上記
検出素子２２上の像がほぼその中心位置に来るように半
導体検出素子２２の設置位置が調整されており、而もこ
の時の位置検出回路２４の出力が制御系回路２７を介し
て記憶回路２９に記憶されているものとすれば、測定面
Ｓが傾いている場合には、半導体装置検出素子２２上の
結像点は第３図に矢印で示す如き方向に測定面Ｓの傾き
に応じて変位する。

この変位位置は位置検出回路２４により電気信号として
出力され、記憶回路２９に記憶されている測定面Ｓに傾
きのない場合の結果と制御系回路２７において比較され
、その結果によりステップモータ２３がモータ駆動回路
２５を介して駆動され、ステップモータ２３に連動した
受光絞り１８を開閉する。かくして開閉される受光絞り
１８の絞り径は、絞り径検出回路２６により常にモニタ
ーされており、その結果により制御系回路２７を介して
半導体レーザ駆動回路３０が制御され、絞り径が変って
もＳ／Ｎ比は変化しないように半導体レーザ即ち光源１
）の射出光量が調整される。第６図は受光絞り１８の位
置における光束の様子を示している。即ち、測定面Ｓが
傾いていない場合は、測定面Ｓからの反射光束は、光軸
Ｏを中心とした円になり、測定面Ｓが傾いている場合は
、反射光束の中心０′は光軸０からずれた位置に来る。

この時、受光絞り１８を絞り込まずに位置検出回路２４
からの出力を記憶回路２９に記憶されている測定面Ｓに
傾きがない場合の結果と比較し、両者の間に外部条件設
定回路２８で設定した以上の差があれば、受光絞り１８
の絞り口径を外部条件設定回路２８で設定した微小量だ
け小さくする。かくして再び位置検出回路２４からの出
力を記憶回路２９に記憶されている内容と比較し、両者
間の差が大きければ、受光絞り１８の絞り口径を更に上
記微小量だけ小さくする。この手順を繰り返して受光絞
り１８の絞り口径を徐々に小さくして行くと、受光絞り
１８の絞り口径は最終的には測定面Ｓが傾いた時の反射
光束の光束径り、に内接する大きさＤｌ　となり、その
位置で受光絞り１８の調整は終了する。このようにして
得られた絞り口径ＤＩ　は、測定面Ｓのその時の傾きに
対して傾きの影響を除去し、且つ最も大きなＮＡを与え
る結果となる。

なお、ここでは記憶回路２９に記憶されている内容を測
定面Ｓが傾いていない時のものとして説明したが、記憶
回路２９に記憶する内容を順次更新して行き、内容が変
化しなくなったところで絞り口径の縮小を停止するよう
に構成してもよい。

また、受光絞り１８を虹彩絞りとして構成した場合を例
に挙げて説明したが、これは同心円状に透明電極を配設
した液晶絞り等として構成されてもよい。

上述のように第二の実施例によれば、測定面Ｓのその時
の傾きに応じて最も適切な受光絞り１８の絞り口径が自
動的に設定されるから、測定の初期設定または・最適設
定が自動化され得る。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明によれば、測定面が対物レンズの光軸
に対して傾いてい、でも、測定結果がその影響を受けに
くいので、表面にうねりやびびりのある試料の表面粗さ
測定や、段差標本の傾斜部のプロファイル測定、または
非球面レンズ、超精密ベアリング表面、あるいはネジ周
縁部等の球状面または円筒部等、本質的に傾斜を有する
ものの表面性状検査など、多方面の測定に対応できる微
小変位径を実現できる。

また、通常の平面状試料の測定においても、試斜面の傾
斜角の設定がラフでよく、測定の際の煩雑なセツティン
グ操作が不要になるという実用上きわめて有用な利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学式微小変位計の一実施例を示
す要部構成図、第２図は測定面に対する入射光束と反射
光束の変化の状態を示す説明図、第３図は本発明に係る
光学式微小変位計の他の実施例を示す要部構成図、第４
図は第３図の実施例において用いられる受光絞り装置の
一例を示す斜視図、第５図は第３図の実施例において用
いられる電気制御回路部分のブロック図、第６図は測定
面の傾きによる反射光束の変位の状態を示す説明図、第
７図は臨界角法を用いた光学式微小変位計の一従東側を
示す要部構成図である。 １）・・・・光源、１２・・・・コリメーターレンズ、
１３・・・・偏光ビームスプリッタ−１）４・・・・１
／４波長板、１５・・・・対物レンズ、１６・・・・臨
界角プリズム、１７・・・・二分割フォトディテクター
、１８・・・・受光絞り、１９・・・・焦点エラー検出
系、２０・・・・無偏光ビームスプリッタ−１２１・・
・・結像レンズ、２２・・・・半導体装置検出素子、２
３・・・・ステンプモータ、２４・０００位置検出回路
、２５・・・・モータ駆動回路、２６・・・・絞り径検
出回路、２７・・・・制御回路、２８・・・・外部条件
設定回路、２９・・・・記憶回路、３０・・・・半導体
レーザ駆動回路、Ｓ・・・・測定面。 第４図 １８ｂ ８ａ ７．８　　　　１６図 。２Ｄ・　　°′ ２３°２３Ｄ２・　　ゝ Ｏ、／ 第５図 ２２　１）Ｄ。 一］−−十一

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定面上に微細光束を投射し、その反射光束を一
   検出して各種の測定、検査を行うようにした光学式微小
   変位計において、投射側の開口数よりも検出側の開口数
   を小さくしたことを特徴とする光学式微小変位計。
2. （２）測定面上に微細光束を投射し、その反射光束を検
   出して各種の測定、検査を行うようにした光学式微小変
   位計において、投射側の開口数よりも検出側の開口数を
   小さくすると共に、検出側の開口数を可変としたことを
   特徴とする光学式微小変位計。