JP2808713B2 - 光学式微小変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜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。

＜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装置としては、例えば臨界角法を用
いたもの（特開昭59−90007号公報参照）、非点収差法
を用いたもの（特開昭60−186705号公報参照）、あるい
はフーコー法を用いたもの（光技術コンタクトvol26,N
o.11,1988,P773〜784）などが知られている。

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を
第10図に示す。同図中、101はレーザー光源、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
ムスプルリッタ、108a,108bは臨界角プリズム、109a,10
9bは２分割受光素子であり、レーザー光源101からのレ
ーザ光はコリメートレンズ102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1
07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,108
b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。

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、反射光は平行光となり、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,109b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で図中下側、臨界角プ
リズム108bで図中右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。

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、測定対象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。

また、フーコー法により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。

＜発明が解決しようとする課題＞ 前述した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。例えば第10図に示す装置で被測定物10
6がθだけ傾いた場合、第11図に示すように、入射光束
軸110に対して、反射光束軸111はΔｘ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、 Δｘ＝ftan2θ の関係が成り立つ。

ところで、第10図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、上述した光軸のずれΔｘは、２分割受光素子
109a,109bにおいて互いに逆向きに生じるので、Δｘに
よる受光光量の差は相殺される構成となっている。しか
しながら、被測定物106の傾き角θが大きくなった場
合、反射光束が２分割受光素子109a,109bの受光面から
外れてしまい、微小変位や表面粗さを測定できなくなる
という問題がある。そして、従来の微小変位測定装置は
全て同様な問題を有している。

本発明はこのような事情に鑑み、被測定物が大きく傾
いた場合でも、微小変位や表面粗さの測定が可能な光学
式微小変位測定装置を提供することを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 前記目的を達形する光学式微小変位測定装置は、光源
からの光束を被測定物体に照射する照明光学系と、 被測定物体からの反射光束から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、上記焦点誤差検出光学系に入る反射光束の一部
を分割する分割光学部材と、この分割光学部材により分
割された分割拘束を受ける光軸のずれ検出用受光素子
と、上記分割光学部材に入る反射光束の光束の光軸を当
該光軸に対して直交する面内における少なくとも一方向
以上に移動させうる光軸移動手段と、上記光軸のずれ検
出用受光素子が受ける光量から上記反射光束の光軸のず
れを検出する出力を得る電気回路と、上記出力を特定の
値になるように上記光軸移動手段を制御して上記焦点誤
差検出光学系の受光素子の中心と反射光束軸の中心とを
一致させる制御回路とを具えることを特徴とする。

＜作用＞ 被測定物が傾いて反射光束の光軸がずれると分割光学
部材を介してその反射光束の一部を受ける分割受光素子
の光量の分布が変化する。これより光軸のずれ量を検出
する差動出力を得てこれを例えば零になるように光軸移
動手段を制御することにより、反射光束の光軸のずれが
補正され、焦点誤差検出光学系に入る反射光束もその光
軸が受光素子の中心と一致するようになる。

＜実 施 例＞ 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図には焦点誤差光学系に臨界角法を用いた一実施
例に係る光学式微小変位測定装置を示す。

第１図中、11はレーザ光源、12はコリメートレンズ、
13は偏光ビームスプリッタ、14は1/4波長板、15は対物
レンズ、16は被測定物であり、レーザ光源11からのレー
ザ光はコリメートレンズ12により平行光線に変換され、
例えばＳ偏光でビームスプリッタ13を介して1/4波長板1
4へ導かれる。この1/4波長板14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15を介して被測
定物16の表面に集光される。そして、被測定物16で反射
されたレーザ光は1/4波長板14でＰ偏光にされた後、偏
光ビームスプリッタ13を通過する。

偏光ビームスプリッタ13を通過した光束は、反射鏡駆
動手段17により保持された反射鏡18で反射された後、ビ
ームスプリッタ19で分割され、分割光の一方は臨界角プ
リズム20に反射されて２分割受光素子21に入り、分割光
の他方はそのまま２分割受光素子22に入る。

ここで、臨界角プリズム20及び２分割受光素子21は臨
界角法による焦点誤差検出光学系を構成しており、従来
の項での説明と同様に、被測定物の変位により臨界角プ
リズム20に入る反射光束の入射角が変化し、２分割受光
素子21の両側での受光量に差が生じるので、これにより
被測定物16の微小変位や表面粗さを測定することができ
る。

一方、２分割受光素子22は被測定物16の傾きによる反
射光束の光軸のずれ（第11図のΔｘ参照）を検出するも
のであり、２分割受光素子22の分割方向は被測定物の16
の傾きによる反射光束軸の移動方向と直交する方向であ
る。なお、23は減算機、24はコントローラであり、減算
機23は２分割受光素子22の光量の差を出力し、この出力
によりコントローラ24が反射鏡駆動手段17を制御するよ
うになっている。

この制御の方法をさらに詳細に説明する。反射光束軸
がずれた場合に２分割受光素子22の両側における受光量
に差が出るので、減算機23がこの光量の差を出力させた
場合にはその出力が例えば零になるように制御すればよ
い。第２図は光軸ずれに対する反射鏡18の制御方法を説
明する図であり、光軸ずれ量がＸ方向にΔｘとした場合
の反射鏡18の移動すべき量Δｍは次式で表される。な
お、反射鏡18における反射角をφとする。

すなわち、このΔｍだけ反射鏡駆動手段17により反射
鏡18を平行移動するようにすれば、光軸のずれが補正さ
れ、光軸ずれ量は０となる。

ここで、このような光軸ずれの補正をする場合に、２
分割受光素子22の受光面の大きさがどれくらい必要かを
考えてみる。被測定物16が傾いた場合の反射光束の全て
を２分割受光素子22で受けるには、第３図に示すよう
に、被測定物16からの反射光が発散光となった場合の光
束を、被測定物16の傾きがない場合に全てを受光できれ
ばよい。したがって、対物レンズ15の焦点距離をf₁、変
位の測定範囲をΔZ,入射光束をφ、光長長をｌとし、被
測定物16が焦点の位置からΔZ/2だけ対物レンズ15側へ
移動したときに光束がＳの距離から発散光として進むと
すれば、 となり、受光面の径φ′は となる。

このような受光面を有する２分割受光素子22を用いれ
ば被測定物16の傾きを全て補正することができる。そし
て、上述したように反射鏡18を移動することにより光軸
のずれを補正した場合、焦点誤差検出光学系に入る反射
光束軸も同時に補正され、２分割受光素子21の中心と反
射光束の光軸とは常に一致するようになり、安定な光量
を確保できると共に、正確な焦点誤差情報を得ることが
できる。

第４図には他の実施例に係る光学式微小変位測定装置
の構成を示す。同図に示すように、本実施例は焦点誤差
検出光学系に臨界角法を、光軸移動手段に移動可能反射
鏡を用いる点は第１図に示す実施例と同様であり、同一
作用を示す部材には同一符号を付して重複する説明は省
略する。

本実施例では、光軸の２軸方向のずれを検出するため
に４分割受光素子22Aを用い、光軸を２軸方向に移動可
能とするために、それぞれ反射鏡駆動手段17A,17Bに載
置された２枚の反射鏡18A,18Bに反射された光をビーム
スプリッタ19に入射するようにしている。ここで、反射
鏡18Aはその移動により受光素子22Aの図中上下方向へ光
軸を移動させるものであり、反射鏡18Bはその移動によ
り受光素子22Aの図中左右方向へ光軸を移動させるもの
である。なお、焦点誤差検出光学系にも４分割受光素子
21Aを用いている。

本実施例において光軸ずれを補正する制御は、第５図
に示すように４分割受光素子22Aの受光面をＡ〜Ｄの４
つに分割した場合、Ｘ方向（図中左方向）に光軸がずれ
ている場合には、 差動出力（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ） によって、また、Ｙ方向（図中上方向に）光軸がずれて
いる場合には 差動出力（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ） によって、それぞれ光軸のずれを検出し、それぞれ反射
鏡18B,18Aを移動させることにより補正することにな
る。

第６図には焦点誤差検出光学系に非点収差法を、光軸
移動手段に移動可能反射鏡を１枚用いた実施例を示す。
本実施例において光軸ずれの補正を行う構成は第１図の
ものと同様であり、同様な作用を有する部材に同一符号
を付して重複する説明は省略する。一方、焦点誤差検出
光学系においては、ビームスプリッタ19の後方に対物レ
ンズ25を置いて光束を収束させ、この収束光をビームス
プリッタ27で分岐し、円柱レンズ27a,27bをそれぞれ通
過させた後、４分割受光素子28a,28bで受光するように
している。つまり、収束光に円柱レンズ17a,27bにより
非点収差を与えて受光素子28a,28bで縦長又は横長の楕
円にし、これにより被測定物16の合焦点位置からのずれ
を検出している。

また、第７図には他の実施例に係る光学式微小変位測
定装置を示す。本実施例は、焦点誤差検出光学系をフー
コー法にした以外は第６図に示す装置と同様であり、同
一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
フーコー法により焦点誤差検出光学系では、ビームスプ
リッタ19の後方に置いた集光レンズ29により反射光束を
収束光束とした後、光波分割プリズム30で分割し、２分
割した光束をそれぞれ２分割受光素子31a,31bで受光す
るものであり、２分割受光素子31a,31bの受光量の差に
より被測定物16の変位量を測定するものである。

一方、第８図に示す他の実施例は、焦点誤差検出誤差
系には臨界角法を用いて基本的には第１図に示す装置と
同様であり、同一作用を示す部材には同一符号を付して
重複する説明は省略する。そして、本実施例では光軸位
置移動手段として、平行平板ガラス駆動装置32に保持さ
れた平行平板ガラス33を採用している。この平行平板ガ
ラス33は、その駆動装置32により互いに直交する２軸を
中心に回動されるようになっており、これにより、平行
平板ガラス33が反射光束の光軸に対して傾くことにな
り、透過後の光束の光軸は２軸方向にそれぞれ平行移動
されていることになる。よって、ビームスプリッタ19で
の分割光は４分割受光素子22Aにより受光して平行平板
ガラス33の回転軸と一致する２軸方向の光軸ずれを検出
しており、この検出データに応じて平行平板ガラス駆動
装置32を制御している。

また、第９図に示す実施例は光軸移動手段のコーナー
キューブプリズム34を用いたものであり、光軸を２軸方
向に移動可能としたものである。すなわち、光源11から
の例えばＰ偏光の光はコリメートレンズ12で平行光にさ
れて偏光ビームスプリッタ13を透過し、1/4波長板14及
び集光レンズ15を介して被測定物16に導かれ、反射した
光束はＳ偏光となって偏光ビームスプリッタ13に入りに
反射され、1/4波長板35により円偏光に変換されてコー
ナーキューブプリズム34に入るようになっており、この
コーナーキューブプリズム34で反射された光は1/4波長
板35及び偏光ビームスプリッタ13を直交してビームスプ
リッタ19に入射するようになっている。よって、コーナ
ーキューブプリズム34を特効する２軸方向に平行移動す
ることによりビームスプリッタ19に入射する光束の光軸
を２軸方向に移動できるようになっている。また、ビー
ムスプリッタ19で一部分割された光を４分割受光素子22
Aで受光してその光軸の２軸方向のずれを検出してお
り、このずれ情報に応じてコーナーキューブプリズム34
を移動して光軸補正を行っている。

なお、本実施例では焦点誤差検出光学系には臨界角法
を採用しており、基本的には例えば第８図の装置と同様
であり、同一作用を示す部材には同一符号を付して重複
する説明は省略する。

以上説明した各実施例では、被測定物16が傾いてもそ
の光軸のずれが補正されるので、被測定物16の傾きに関
係なく微小変位や表面粗さを測定することができ、被測
定物16が曲率を持っている場合や被測定物16にくぼみな
どがある場合に特に有用である。

なお、反射光束の光軸を移動する手段は上述したもの
に限定されるものではなく、例えば上述した平行平板ガ
ラスの代りには屈折率が１より大きい光学材料であれば
使用でき、その形状，材料は特に限定されず、また、コ
ーナーキューブプリズムの代りには円錐プリズムなど他
のプリズムも使用することができる。

また、焦点誤差検出光学系も特に限定されるものでは
なく、公知の他の方法を採用することができるのは言う
までもない。

＜発明の効果＞ 以上説明したように、本発明の光学式微小変位測定装
置によれば、被測定物の傾きによる反射光束の光軸のず
れを補正することができるので、被測定物が大きく傾い
た場合にもその傾きに関係なくその微小変位や表面粗さ
を正確に測定することができ、特に被測定物が曲率を持
っている場合や被測定物にくぼみ等がある場合などの測
定に有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る光学式微小変位測定装
置の概略を示す構成図、第２図及び第３図はその部分構
成を説明する説明図、第４図は他の実施例の概略構成
図、第５図はその受光素子を示す説明図、第６図〜第９
図はそれぞれ他の実施例に係る光学式微小変位測定装置
を示す概略構成図、第10図及び第11図は従来技術に係る
微小変位測定装置を説明する説明図である。 図面中、 11は光源、 12はコリメートレンズ、 13は偏光ビームスプリッタ、 14は1/4波長板、 15は対物レンズ、 16は被測定物、 17,17A,17Bは反射鏡駆動装置、 18,18A,18Bは反射鏡、 19はビームスプリッタ、 20は臨界角プリズム、 21は２分割受光素子、 21Aは４分割受光素子、 22は２分割受光素子、 22Aは４分割受光素子、 23は減算機、 24は駆動装置コントローラ、 25は集光レンズ、 26はビームスプリッタ、 27a,27bは円柱レンズ、 28a,28bは４分割受光素子、 29は集光レンズ、 30は光波分割プリズム、 31a,31bは２分割受光素子、 32は平行平板ガラス駆動装置、 33は平行平板ガラス、 34はコーナーキューブプリズム、 35は1/4波長板である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01C 3/00 - 3/32

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からの光束を被測定物体に照射する照
   明光学系と、 被測定物体からの反射光束から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、 上記焦点誤差検出光学系に入る反射光束の一部を分割す
   る分割光学部材と、 この分割光学部材により分割された分割光束を受ける光
   軸のずれ検出用受光素子と、 上記分割光学部材に入る反射光束の光束の光軸を当該光
   軸に対して直交する面内における少なくとも一方向以上
   に移動させうる光軸移動手段と、 上記光軸のずれ検出用受光素子が受ける光量から上記反
   射光束の光軸のずれを検出する出力を得る電気回路と、 上記出力を特定の値になるように上記光軸移動手段を制
   御して上記焦点誤差検出光学系の受光素子の中心と反射
   光束軸の中心とを一致させる制御回路とを 具えることを特徴とする光学式微小変位測定装置。
2. 【請求項２】光源からの光束を被測定物体に照射する照
   明光学系と、 被測定物体からの反射光束から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、 上記焦点誤差検出光学系に入る反射光束の一部を分割す
   る分割光学部材と、 この分割光学部材により分割された分割光束を受ける少
   なくとも２分割以上の受光素子と、 上記分割光学部材に入る反射光束の光束の光軸を当該光
   軸に対して直交する面内における少なくとも一方向以上
   に移動させうる光軸移動手段と、 上記分割受光素子が受ける光量から上記反射光束の光軸
   のずれを検出する少なくとも一つの差動出力を得る電気
   回路と、 上記差動出力を特定の値になるように上記光軸移動手段
   を制御して上記焦点誤差検出光学系の受光素子の中心と
   反射光束軸の中心とを一致させる制御回路とを 具えることを特徴とする光学式微小変位測定装置。