JPH0256604B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、マイケルソン干渉計型のレーザ干渉
測長器あるいは光ヘテロダイン法を利用したレー
ザ干渉測長器を利用して面形状を測定する装置
や、面に記録された情報あるいは欠陥を検出する
装置等に使用される光学装置であつて、レーザ光
を対物レンズで被照射面上に絞り込み、その反射
光から、被照射面の何らかの情報、例えば表面の
凹凸、反射率、欠陥などを検出したり、反射光の
波面のずれあるいは周波数のドプラーシフトか
ら、面形状や面の動き等を測定したりする光学装
置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 従来のこの種光学装置においては、第１図に示
すように、被照射面３は、対物レンズ２の焦点位
置にあるが、この場合、反射光が対物レンズ２を
再び通り過ぎると、入射光と同一の方向に戻ると
いう性質がある。従つて、反射光を再びレンズを
使用して結像すると、被照射面３に少し傾きがあ
つても、同一の点に結像される。従つて、この結
像点は不動点となり、この結像点か、あるいはそ
の近くに光検出器を置いて情報の検出を行なつて
いた。ところが実際は、このような従来装置にお
いても、被照射面３の傾きに対する許容度はきわ
めてきびしい。なぜならば、第１図に示すよう
に、被照射面３がθ₁傾くと、反射光は2θ₁傾くの
で、入射光が平行光の場合、対物レンズ２透過後
の反射光の中心位置は、F₁sin2θ₁だけ変化する。
なおF₁は対物レンズ２の焦点距離である。この
現象は光学システムに悪影響を及ぼすので、従来
の装置における被照射面の傾きの許容度はきわめ
てきびしい。一例として、レーザ干渉測定器では
0.005゜以内、光デイスクでは0.2゜以内である。光
デイスクでは、この精度内に入るようシステムが
設計されているが、干渉測長器では普通被測定物
にコーナキユーブを取付け、コーナキユーブの動
きで被測定物の動きを測定する等の方法がとられ
ている。

発明の目的 本発明は上記従来の欠点を解消するもので、被
照射面が傾いていても、傾きが対物レンズの開口
角以内であれば、反射光が入射光と同一の経路を
たどり、したがつて被照射面の傾きに対する許容
度が非常に大きい光学装置を得ることを目的とす
る。

発明の構成 上記目的を達するため、本発明の光学装置は、
光放射手段からの放射光を被照射物体面上に集光
する対物レンズと、前記被照射物体面からの反射
光の一部を受光して前記被照射物体面の傾きによ
つて生ずる前記反射光の位置や分布のずれを検出
する第１の光検出器と、この第１の光検出器の出
力から得られる誤差信号に応じて前記対物レンズ
または光放射手段を光軸に対して垂直な方向に移
動させる駆動手段とを有し、前記被照射物体面か
らの反射光が入射光とほぼ同一光路をとる構成と
したものである。

実施例の説明 以下、本発明の一実施例について、図面に基づ
いて説明する。

先ず、基本的な原理について第２図及び第３図
により説明する。被照射面４がθ₂傾くと、反射光
は2θ₂傾き、対物レンズ５透過後の反射光の中心
位置はF₂sin2θ₂だけ変化する。なおF₂は対物レン
ズ５の焦点距離である。ところが、対物レンズ５
か、あるいは入射光の中心をF₂sinθ₂だけ平行移
動させれば反射光は入射光と同一の光路を戻る。
すなわち第２図のように、反射光の位置ずれがあ
れば、例えば反射光の一部を、四分割されている
光検出器６で受け、位置ずれに応じて発生する誤
差信号によつて、対物レンズ５を光軸に対して垂
直な方向に動かし、第３図のように、反射光位置
が一定になるようサーボをかける。光検出器の形
状や誤差信号のとり方は種々考えられる。例え
ば、反射光をビームスプリツタ７で分離しなくて
も、第４図のごとく入射光の大きさの穴８ａのあ
いた四分割の光検出器８を使用すれば、誤差信号
が得られる。また、受光位置によつて両側の端子
に発生する電圧が変わる、市販の光位置検出器を
使用しても良い。

被照射面４が焦点位置からずれた場合、反射光
の光路は一定でなくなるので良くない。そこで例
えば、反射光をレンズと円柱レンズとで絞り込
み、生じた非点収差から誤差信号を取り出し、対
物レンズ５あるいは被照射物体を光軸方向に動か
し、フオーカスサーボをかける。非点収差からフ
オーカス誤差信号を取り出す方法は、最も一般的
な方法であるが、他にナイフエツジ法等種々の方
式が知られており、本発明にかかる光学装置にも
使用可能である。

対物レンズ５あるいは被照射物体を上記の誤差
信号によつて動かす駆動機構は、送りネジをモー
タで動かす方法や、リニアモータを使用する等の
方法が可能である。

レーザ干渉測長器に本発明にかかる光学装置を
適用すると、傾きを持つた曲面の厚さを直接精密
に測定することなども可能である。被照射面４の
傾きは対物レンズ５の開口角度まで許容されるの
で、例えば、NA（開口数）＝0.6の対物レンズ５を
使用した場合、開口角は光軸から36゜であるので、
±30゜程度の傾きを持つた被照射面４まで十分測
定可能である。但し、こうした使い方では、対物
レンズ５に入射する入射光の光束径は、対物レン
ズ５の入射瞳径より十分小さくしなければならな
い。例えば、NAが0.6の対物レンズ５で、±30゜の
傾きを持つた被照射面４まで光束がけられること
なく測定可能である為には、入射光の光束径は対
物レンズ５の入射瞳径の1/6以下である必要があ
る。

また、入射光が発散光や集束光であつた場合
で、対物レンズ５を光軸方向に動かすと、焦点位
置がずれ、誤差発生の原因となる。従つてこの場
合は入射光が平行光である方が良い。

被照射面４の傾きに応じて対物レンズ５を移動
させた場合、集光点の位置は対物レンズ５の移動
量だけ移動する。これは入射光が平行光であれば
厳密に成り立つ。上記のレーザ干渉測長器を利用
した曲面厚さの測定器や欠陥検査装置等において
は、測定点の位置をＸ−Ｙ座標で知る必要があ
る。この場合、測定点の位置は、被測定物の移動
量（X₁、Y₁）から対物レンズ５の移動量（X₂、
Y₂）を引いた（X₁−X₂、Y₁−Y₂）になる。対物
レンズ５を移動させずに入射光を移動させた場合
は、測定点位置は動かない。

レーザ干渉測長器は測定精度が0.01μｍまでと
極めて高いが、これに本発明にかかる光学装置を
組合せると効果は非常に大きい。例えば、非球面
レンズ面の精密な形状測定は、従来技術的に極め
て困難であるとされていた。非球面レンズ面は、
Ｘ−Ｙ座標に対する関数型によつて厚さＺの値が
きめられ、形状が決定される。本発明にかかる光
学装置を利用すれば、レンズ面の任意のＸ−Ｙ座
標位置に対する厚さＺの値をレーザ干渉測長器の
精度で測定できるので、実測寸法の、与えられた
関数により導出された数値とのずれを実時間で自
動的に測定可能なシステムとなる。

第５図は、光ヘテロダイン法を利用したレーザ
干渉測長器に、本発明にかかる光学装置を適用し
た表面形状の測定装置であり、以下これについて
説明する。発振周波数f₁、f₂のゼーマンレーザ９
から出た光は、λ／４板１０で、２つの偏光方
向、つまり、電場が紙面に垂直な方向に偏波した
f₂の光と、紙面に平行な方向に偏波したf₁の光に
分けられる。そして、ビームスプリツタ１１で一
部の光が分離され、ビート周波数（f₁−f₂）が光
検出器１２により検出される。ビームスプリツタ
１１を通過した光のうちf₂の光は偏光プリズム１
３によつて上方に反射し、固定ミラー１４で反射
して光検出器１５上に達する。一方、f₁の被測定
物１６の表面で反射するが、被測定物１６が移動
すると、移動速度のＺ成分v_Zによつて、反射光の
周波数はドプラーシフトし、f₁からf₁（１−2v_Z／ｃ） となる。反射光は一部が偏光プリズム１７によつ
て分けられ、上記の位置サーボとフオーカスサー
ボの誤差信号を発生させる為、光検出器１８，１
９上に達する。前記偏光プリズム１７はＰ偏波が
全透過し、Ｓ偏波が一部反射し、残りが透過する
性質を持つ。偏光プリズム１７を透過した反射光
は、偏光プリズム１３で全反射し、光検出器１５
上に達する。光検出器１５上でf₂とf₁＋Δfとのビ
ート周波数f₁＋Δf−f₂が得られ、光検出器１２上
で得られたビート周波数f₁−f₂との差からΔfが求
まり、これを積分して変位Ｚが求まる。こうして
求めたＺの測定精度は、0.1〜0.01μｍ程度であ
る。対物レンズ２０のＺ方向の動きを測定して被
照射面の変位を測定することができるが、この場
合の測定精度は数μｍである。なお、２１はビー
ムスプリツタ、２２はλ／４板、２４〜２６はレ
ンズ、２７は円柱レンズ、２８は測定値表示部、
２９は被測定物測定位置表示部、３０は対物レン
ズ駆動装置、３１は被測定物駆動装置である。

発明の効果 以上説明したように本発明によれば、被照射面
が傾いていても、傾きが対物レンズの開口角以内
であれば、反射光が入射光と同一の経路をたどる
ので、被照射面の傾きに対する許容度が非常に大
きな光学装置を得ることができ、その工業的利用
価値は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の光学系における光路の説明
図、第２図及び第３図は本発明の実施例の原理説
明図、第４図は本発明の一実施例における光学装
置に使用される光検出器の説明図、第５図は本発
明の一実施例における光学装置の概略構成図であ
る。 ８，１２，１５，１８，１９……光検出器、９
……ゼーマンレーザ、１０，２２，２３……λ／
４板、１１，２１……ビームスプリツタ、１３，
１７……偏光プリズム、１４……固定ミラー、１
６……被測定物、２０……対物レンズ、２４〜２
６……レンズ、２７……円柱レンズ、２８……測
定値表示部、２９……被測定物測定位置表示部、
３０……対物レンズ駆動装置、３１……被測定物
駆動装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光放射手段からの反射光を被照射物体面上に
   集光する対物レンズと、前記被照射物体面からの
   反射光の一部を受光して前記被照射物体面の傾き
   によつて生ずる前記反射光の位置や分布のずれを
   検出する第１の光検出器と、この第１の光検出器
   の出力から得られる誤差信号に応じて前記対物レ
   ンズまたは放射光を光軸に対して垂直な方向に移
   動させる駆動手段とを有し、前記被照射物体面か
   らの反射光が入射光とほぼ同一光路をとる構成と
   した光学装置。 ２ 被照射物体面からの反射光の一部を受光し、
   被照射物体面の対物レンズによる放射光の集光位
   置からのずれによつて生ずる前記反射光の光路の
   変化を検出する第２の光検出器と、前記対物レン
   ズと前記第２の光検出器との間に位置し、前記反
   射光の光路を前記第２の光検出器上で好適な焦点
   誤差信号を得ることのできる形に変換する為の、
   光透過性あるいは反射性または遮光性の光学手段
   とを備え、焦点誤差信号によつて前記対物レンズ
   または前記被照射物を光軸方向に移動させ、常に
   前記被照射物体面上に焦光位置を位置させる構成
   とした特許請求の範囲第１項記載の光学装置。 ３ 放射光の対物レンズに入射する直前における
   光束径を対物レンズの入射瞳より小さくした特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の光学装置。 ４ 放射光を、略平行光とした特許請求の範囲第
   １項ないし第３項のいずれかに記載の光学装置。 ５ 対物レンズの、放射光の光軸に対して垂直な
   方向の移動量を測定する手段を備えた特許請求の
   範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の光学
   装置。 ６ 放射光の光軸に対して垂直な方向への対物レ
   ンズの移動量の測定値を、被照射物体の光軸に対
   して垂直な方向への動き量の測定値から減算する
   手段を備えた特許請求の範囲第１項ないし第５項
   のいずれかに記載の光学装置。 ７ 放射光の被照射物体面からの反射光と、前記
   放射光の対物レンズに到達する前で一部分離され
   た第２の放射光、あるいは前記放射光とは別の第
   ３の放射光を、同一の受光面または光検出器上で
   干渉させる光学系と、前記反射光と前記第２又は
   第３の放射光との干渉によつて、前記受光面又は
   前記光検出器上で生ずる干渉縞の変化またはビー
   ト周波数の変化から、前記被照射物体面の変位等
   の情報を検出する検出手段とを備えた特許請求の
   範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の光学
   装置。