JPS61259105A - 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、工作物の表面粗さや微小変位（上下変位）等
を非接触式に測定する光学式微小変位計に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

近年の目覚ましい精密加工技術の発展により、表面に微
小な形状を加工した製品や部品が増えてきた。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つた代表
例といえる。又、シリコンウェハにエツチングにより作
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。そし
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、レーザディス
クや磁気テープ、フィルムなどの表面粗さも同じような
オーダである。こうした表面粗さの測定は、現在殆ど触
針式微小変位計で行われている。

しか゛しながら、これらの製品や部品の多くは商品とし
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る。そこで、こうした、ニ
ーズを満足させるために非接触式微小変位計の開発が進
められてきている。その中で、現在量も実用的と考えら
れているのは光学式である。

その測定原理は多様だが、例えば臨界角法を用いたもの
では、第１０図に示したものがある。これは、レーザダ
イオード１からの赤外レーザ光が、コリメータレンズ２
．偏光ビームスブリフタ３゜λ／４板４．対物レンズ５
を通って試料６上に投射され、反射された光は対物レン
ズ５．λ／４板４、偏光ビームスプリッタ３．ビームス
プリ７り７を通って臨界角プリズム８又は９で反射した
光は夫々二つのフォトダイオードｔｏ、ｔｔ又は１２．
１３（第１１図参照）に入射するように構成されている
。そして、試料６の測定面が対物レンズ５の焦点位置に
ある場合、測定面で反射された光は対物レンズ５によっ
て平行光束となり、臨界角プリズム８又は９に入射する
が、この待人射光が丁度臨界角近傍で入射するように臨
界角プリズム８又は９を設定しておくと、各二個のフォ
トダイオード１０．１１又は１２．１３には第１１図（
ｂ）に示した如く同一光量の光が到達する。又、測定面
が焦点位置より対物レンズ５に近い位置にある場合、反
射光は対物レンズ５を通った後発散光となり臨界角プリ
ズム８又９に入射するが、この時光軸の両側で入射角が
異なるため、全反射の条件を満たさない側の光はプリズ
ム８又９の外へ出てしまい且つ全反射の条件を満たす側
の光は全反射されるので、第１１図（ａ）に示した如く
フォトダイオード１０又１２には少量の光しか到達せず
且つフォトダイオード１１又１３には充分な光が到達す
る。又、測定面が焦点位置より対物レンズ５から遠い位
置にある場合は、上記と逆になり、第１１図（Ｃ）に示
した如くフォトダイオード１０又は１２には充分な光が
到達し且つフォトダイオード１１又は１３には少量の光
しか到達しない、従って、各二つのフォトダイオード１
０゜１１又は１２．１３の出力差を読み取りつつ試料６
を移動させて走査することにより、その表面粗さや微小
変位等を測定することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、このような臨界角法を用いた微小変位計では
、　　２ｎ−以下という高い分解能は実現できているが
、測定範囲が２μｍと狭いため、その測定対象は表面に
大きな振幅のうねりや凹凸がない鏡面状の試料に限られ
ていた。即ち、前述の如く多種多様の試料の測定のため
に夫々で要求される分解能と測定範囲を実現することが
要求されているが、従来の微小変位計はその要求を満た
すことができなかった。

一方、測定範囲を拡大する一つの方法として対物レンズ
をＮＡの小さな焦点深度の深い低倍のレンズに交換する
方法があるが、従来行われている対物レンズの交換方式
例えばターレット式では、対物レンズ部がかなり大きな
ものとなる他、芯ズレが生じ易く且つ同焦などを必要な
精度に保つことが困難である。又単−の対物レンズを交
換する方式でも芯ズレ等を高精度に抑えたり同焦を必要
な精度に保つことが困難な他、対物レンズを交換する作
業が煩わしく、特にインプロセス計測等を行うことは極
めて困難である。又、複数の分解能。

測定範囲の異なる微小変位計を用意しておき、測定対象
に応じて微小変位計を交換するのも煩わしく、測定対象
が同じでも同一箇所を測定することは殆ど不可能であり
、経済的な損失も多いという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、一台の微小変位計で測定
対象、ｔｍ定目的に応じて分解能５測定範囲を任意に設
定し得るようにして、複数の微小変位計を用途別に用意
する必要がなくなり、同一対象に対して異なるレンジで
の測定がほぼ同時にでき、インプロセス計測にも応用し
得るようにした光学式微小変位計を提供することを目的
としている。

〔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、対物レンズの後方においてＮＡを
変化させる手段を存するようにし才、試料への入射側の
ＮＡを変化させ、分解能、測定範囲を任意に設定し得る
ようにしたものである。

（実施例） 以下図示した各実施例に基づき、上記従来例と同一の部
材に同一符号を付して本発明の詳細な説明する。

第１図は第一実施例の光学系を示しており、これはコリ
メータレンズ２と偏光ビームスプリッタ３との間に光束
制限絞り１４を配置した以外は従来例と同じである。光
束制限絞り１４は、例えば第２図に示した如きカメラ等
に用いられる虹彩絞りでも良く、その絞り羽根１５を開
閉するための回転リング１６の外周部には成る範囲に亘
ってうソーク１７が設けられていると共に、エンコーダ
ＤＣモータ１８の輪にはラック１７と噛合するビニオン
１９が固着されている。

第３図は上記実施例の信号処理系を示しており、２０は
測定レンジ設定回路、２１は制御回路、２２はモータ駆
動回路、２３は絞り径検出回路、２４はレーザダイオー
ド駆動回路である。

本発明による光学式微小変位計は上述の如く構成されて
いるから、測定レンジ設定回路２０により測定レンジを
設定すると、制御回路２１を介してモータ駆動回路２２
が制御され、モータ１８が駆動される。モータ１８が駆
動されると、ピニオン１９及びラック１７を介して回転
リング１６が回転され、絞り羽根１５が開作動又は閉作
動せしめられる。この時、モータ１８のエンコーダ部か
らの信号は絞り径検出回路２３に送られて絞り径の検出
が行われている。絞り径が測定レンジ設定回路で設定さ
れたレンジに対応すると、制御回路２１、モータ駆動回
路２２を介してモータ１８は停止せしめられる。

今、絞り１４が絞られているとすると、この時の光束は
第１図に示した光束ｂ（斜線部分）となる、この状態は
、絞り１４を絞らない場合の光束ａの状態に較べて試料
６に入射する光束のＮＡを小さくした状態であ、って、
これは対物レンズ５のＮＡを小さくしたことと等価であ
る。ＮＡを小さくした場合の測定範囲の拡大の様子は第
４図の計算結果即ち変位−出力関係に示されており、こ
れは実験結果と一致する。従って、光束制限絞り１４の
径を変えることで測定範囲を任意に設定することができ
る。但し、ＮＡを小さくして測定範囲を拡大すると、分
解能がそれに伴って低下し、又第５図の表に示した如く
試料６上の測定スポットのサイズも大きくなるので、対
象、目的に合わせて測定範囲を設定する必要がある。又
、絞り１４を絞ると光量が低下し、結果としてＳ／Ｎ比
が低下するので、絞り径検出回路２３からの信号を利用
してレーザダイオード駆動回路２４を制御回路２１によ
り制御し、絞り径が小さくなった時はレーザ光量が増加
するように設定することも可能である。

ここでは虹彩絞りを例にあげて説明したが光束制限絞り
１４ば、同心円状に透明電極を配設した液晶絞りや、第
６図に示した如く径の異なる絞りを複数個円周上に配列
したターレット型絞り２５や、第７図に示した如く径の
異なる絞りを複数個直線上に並べた切替型絞り２６など
、光束を制限できるものなら何でも良い、又、モータ１
８を用いて絞り径を変えているが、手動でも良いのは言
うまでも無い。

又、光束制限絞り１４の位置は、コリメータレンズ２と
偏光ビームスプリンタ３との間としたが、偏光ビームス
プリンタ３と対物レンズ５との間に置くことも可能であ
る。但し、その場合試料６から反射して戻ってくる光に
対しても実効的ＮＡを小さくすることになり、試料６に
傾きがあると絞り１４によりけられが生じ、傾きに対し
ては極めて弱いものとなる。

以上のように、本発明の光学式微小変位計によれば、測
定試料表面の大きなうねりや凹凸を見たい時には、絞り
１４を絞ってＮＡを小さくすることにより測定範囲が拡
大し、表面の大まかなプロファイルの測定が可能となる
。又、この時測定スポットサイズも大きくなるので、表
面のごみ等の小さな凹凸の影響を受けずに測定できる。

更に、試料への入射側のＮＡのみを小さくしているので
、試料に傾きがあっても対物レンズ自体のＮＡを小さく
した時よりも影響を受けにくい、又、絞り１４を開いて
ＮＡを大きくしていくと、測定範囲は縮小するが、分解
能が向上するので、従来通りの高分解能微小変位計とし
て使用できる。

従って、絞り１４の絞り具合一つで、一台の微小変位計
を高分解能微小変位計から測定レンジの広い微小変位計
へと自由に変えることができ、測定対象や測定目的に応
じて微小変位計の性能を任意にセットすることができる
。

第８図は第二実施例の光学系を示しており、これはコリ
メータレンズ２の代りに焦点距離可変のズームレンズ系
２７を配置した以外は従来例と同じである。ズームレン
ズ系２７は、焦点距離可変のコリメータレンズとして機
能し、この焦点距離を任意に変化させることでレーザビ
ームを例えば光束ｂ（斜線部分）のような任意の径をも
った光束に変換できるものとする。このズーミングは手
動でも良いし、何等かの電動系に°より行っても良い。

この例の場合、試料６への入射側のＮＡのみをズームレ
ンズ系２７のセツティングだけで小さくもできるので、
第一実施例と同様な効果がある。

又、光量が絞られることがないので、ＳＮ比を一定に保
てるという利点もある。

第９図は第三実施例の光学系を示しておりこれは第一実
施例の光束制限絞り１４の位置に偏光板２８をレーザダ
イオード１の偏光の向きに合わせて配置し、偏光ビーム
スプリッタ３を無偏光のビームスプリッタ２９に交換し
、ビームスプリッタ２９とビームスプリッタ７との間に
新たに無偏光のビームスプリフタ３０を設け、ビームス
プリッタ３０．新たな偏光板３１．コリメータレンズ３
２、レーザダイオード３３をビームスプリフタ２９、偏
光板２８．コリメータレンズ２．レーザダイオード１と
光学的に同様な位置関係に配置した以外は従来例と同じ
である。但し、ここでコリメータレンズ３２の焦点距離
はコリメータレンズ２の焦点距離と異っており、第９図
の場合は短いので、コリメータレンズ３２を経た光束Ｃ
（斜線部分）は光束ａよりも細くなり、入射側のＮＡが
小さくなる。

尚、試料６からの反射光のうちビームスプリγり２９又
は３０で反射した成分はレーザダイオード１又は３３側
へ進むことになるが、λ／４蜘尋板４を二回通って偏光
方向が偏光板２８又は３１と直交した状態となるので、
レーザダイオード１又は３３に戻ってバンクトークノイ
ズを生じることは無い、又、反射面が多いので、特に光
束Ｃ側の損失が多いが、ビームスプリッタ２９及び３０
の反射率を２５％程度にすることで光束Ｃ側の反射損失
はある程度緩和される。又、光束が特にけられることは
ない、又、レーザダイオード、コリメータレンズ、偏光
板、ビームスプリフタで構成される投光系の数は、反射
損失をレーザ光量でカバーし得る範囲であれば二つ以上
いくつ設けても良い。

この例の場合、発振させるレーザをレーザダイオード及
び３３で切り替えることにより、瞬時に微小変位計の特
性が変えられるという第−及び第二実施例には無い効果
がある。又、レーザダイオード１及び３３を十分速い而
も各々異った周波数で変調をかけるか或いは同じ周波数
で高速で交互に点灯させることにより、微小変位計に高
分解能と広い測定範囲の両方の特性を同時に持たせるこ
とも可能である。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による光学式微小変位計は、一台の
微小変位計で測定対象、測定目的に応じて分解能、測定
範囲を任意に設定し得るので、複数の微小変位計を用途
別に用意する必要がなくなり、同一対象に対して異なる
レンジでの測定がほぼ同時にでき、インプロセス計測に
も応用し得るという実用上重要な利点を存している。

【図面の簡単な説明】

第１図は零殉明による光学式微小変位計の第一実施例の
光学系を示す図、第２図は第一実施例の光束制限絞りの
斜視図、第３図は第一実施例の信号処理系のブロック図
、第４図はＮＡに応じた変位−出力関係を示す図、第６
図及び第７図は夫々光束制限絞りの他の例を示す斜視図
、第８図及び第９図は夫々第二実施例及び第三実施例の
光学系を示す図、第１０図及び第１１図は夫々従来例の
光学系及びフォトダイオード上の受光状態を示す図であ
る。 １・・・・レーザダイオード、２・・・・コリメータレ
ンズ、３・・・・偏光ビームスプリフタ、４・・・・λ
／４板、５・・・・対物レンズ、６・・・・試料、７・
・・・ビームスプリッタ、８，９・・・・臨界角プリズ
ム、１０．１１．１２．１３・・・・フォトダイオード
、１４・・・・光束制限絞り、　　″″ 第２図 ：１−４図 １６図　　　　オフ図 第８図 才９図 第１０図　　　　　　才１１図 手続補正書（方式）　　　　　　　６ 昭和６０年　９月１３日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 対物レンズの後方においてＮＡを変化させる手段を有し
   ていることを特徴とする光学式微小変位計。