JPH09113216A - Relative displacement amount measuring method and device - Google Patents
Relative displacement amount measuring method and deviceInfo
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- JPH09113216A JPH09113216A JP7292009A JP29200995A JPH09113216A JP H09113216 A JPH09113216 A JP H09113216A JP 7292009 A JP7292009 A JP 7292009A JP 29200995 A JP29200995 A JP 29200995A JP H09113216 A JPH09113216 A JP H09113216A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 近接した2つの被測定面間の相対変位量を精
度良く測定し、またハードディスク上の磁気ヘッドの動
きの観測などふたつの被測定面を同時に測定できないと
きにも、第一の測定面の変位量と第2の測定面の表面状
態を対応させて観察できるようにする。
【解決手段】 2つのコヒーレント光をそれぞれの被測
定面に照射して反射する光線をこれと干渉性を有しかつ
周波数のずれた参照光と干渉させて2つのビート信号を
得て、それぞれを基準ビート信号と比較して求めた位相
差同士の差に基づいて、2つの被測定面間の相対変位量
を算定する。
(57) 【Abstract】 PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately measure the relative displacement between two measured surfaces that are close to each other, and when it is not possible to measure two measured surfaces at the same time, such as observing the movement of a magnetic head on a hard disk. , So that the displacement amount of the first measurement surface and the surface state of the second measurement surface can be associated and observed. SOLUTION: Two coherent light beams are radiated to respective measured surfaces and a reflected light beam is caused to interfere with a reference light beam having coherence and having a frequency shift to obtain two beat signals, and each of them is obtained. The relative displacement amount between the two measured surfaces is calculated based on the difference between the phase differences obtained by comparing with the reference beat signal.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、移動物体の変位を
非接触で測定する相対変位量の測定装置に係り、特に運
動する基板上で基板に対して相対的な運動をする物体の
基板に対する変位量を測定する相対変位量測定装置に関
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a relative displacement amount measuring device for measuring the displacement of a moving object in a non-contact manner, and more particularly to a substrate of an object which moves relative to the substrate on a moving substrate. The present invention relates to a relative displacement amount measuring device that measures a displacement amount.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、精密研磨面の検査や物体の微少変
位の測定あるいは位置決めなどに必要な微少な距離を測
定する装置が種々開発されてきた。例えば、光波干渉法
(2光束干渉法)、フリンジスキャン法、光ヘテロダイ
ン法、三角測量法、ホログラム干渉法、ドップラー速度
計測法、スペックル像移動計測法など光を利用した方法
が知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, various devices have been developed for measuring a minute distance necessary for inspecting a precision polished surface, measuring a minute displacement of an object, or positioning. For example, methods using light such as light wave interferometry (two-beam interferometry), fringe scan method, optical heterodyne method, triangulation method, hologram interferometry method, Doppler velocity measurement method, speckle image movement measurement method are known. .
【0003】光波干渉法は基準面を備えこの面からの反
射光と被測定物からの反射光とを干渉させて得られる干
渉縞により被測定物内の面内分布を求め、干渉縞の変動
から変位量を計測するもので、広い面における歪みの測
定などに有効である。例えば、マイケルソン干渉計、フ
ィゾー干渉計などがある。フリンジスキャン法は、被測
定物が光軸方向に微少移動することにより生ずる干渉縞
の変化から非測定物の移動量を算出するものである。ホ
ログラム干渉法は、被測定面の凹凸を反映した反射光と
基準面で反射した光とで形成されるホログラム像をCC
Dで受けて、その像の移動を信号処理することで移動量
と凹凸量を求めるものである。三角測量法は、照射光に
対する被測定面の関係が変化するために反射光の光軸が
平行移動するのをCCDなどのリニア光センサで捉えて
被測定面の変位を得る方法である。ドップラー速度計測
法は、被測定物が移動すると反射光の周波数がドップラ
ー効果により僅かにシフトすることに基づいて、周波数
を測定して移動量を求めるものである。高速で変動する
物体の計測に用いられる。スペックル像移動計測法は、
被測定面にある程度の粗さがあるときにその表面からの
反射光がスペックルを形成し、その表面が移動するとス
ペックルも変化することからスペックルの変化量より移
動量を測定するもので、表面が滑らかでない場合に有効
な方法である。The light wave interferometry has a reference surface and obtains an in-plane distribution in the object to be measured by an interference fringe obtained by causing the reflected light from this surface and the reflected light from the object to be measured to interfere with each other, and the fluctuation of the interference fringe is obtained. The amount of displacement is measured from, which is effective for measuring strain on a wide surface. For example, there are Michelson interferometer, Fizeau interferometer, and the like. The fringe scan method calculates the amount of movement of a non-measurement object from the change in interference fringes caused by a slight movement of the measurement object in the optical axis direction. The hologram interferometry method uses a CC image to form a hologram image formed by the reflected light that reflects the unevenness of the measured surface and the light that is reflected by the reference surface.
The amount of movement and the amount of unevenness are obtained by receiving the image at D and performing signal processing on the movement of the image. The triangulation method is a method of obtaining a displacement of a surface to be measured by capturing a parallel movement of the optical axis of the reflected light due to a change in the relationship of the surface to be measured with respect to the irradiation light with a linear optical sensor such as a CCD. The Doppler velocity measuring method is to measure the frequency and obtain the amount of movement based on the fact that the frequency of reflected light slightly shifts due to the Doppler effect when the object to be measured moves. It is used for measuring objects that change at high speed. The speckle image movement measurement method is
When the surface to be measured has a certain degree of roughness, the reflected light from the surface forms speckle, and when the surface moves, the speckle also changes, so the amount of movement is measured from the amount of change in speckle. It is an effective method when the surface is not smooth.
【0004】ヘテロダイン干渉法は、干渉する二つの光
の間に周波数偏移を与えて、両光波の周波数の差を周波
数とする低周波数のビート信号を生じさせ、光ヘテロダ
イン検出することにより位相差から光路長の変動を測定
するものである。図4は、ヘテロダイン干渉法の一例の
原理を表した図面である。図中、101は測定対象とな
る被測定面、102は発振周波数f0のレーザ光を発生
する安定化NeHeレーザ発振器、103はレーザ発振
器102から発射されたレーザ光を次段に伝搬する、入
射端と出射端にレンズを備えた光ファイバー系、104
は第1偏光ビームスプリッター、105は通過するレー
ザ光に周波数f1の周波数偏移を与える第1の音響光学
変調器(AOM)、106は第1の無偏光ビームスプリ
ッター、107は第1の反射鏡、108は第2の反射
鏡、109は周波数f2の周波数偏移を与える第2の音
響光学変調器、110は第2の無偏光ビームスプリッタ
ー、111は1/2波長板、112は第2の偏光ビーム
スプリッター、113は1/4波長板、114は第3の
反射鏡、115は第3の無偏光ビームスプリッター、1
16は第1の偏光板、117は第1光検出器、118は
第2の偏光板、119は第2光検出器である。In the heterodyne interferometry, a frequency shift is given between two interfering lights to generate a low-frequency beat signal having a frequency difference between the two light waves as a frequency, and a phase difference is detected by the optical heterodyne detection. To measure the variation of the optical path length. FIG. 4 is a drawing showing the principle of an example of the heterodyne interferometry. In the figure, 101 is a surface to be measured, 102 is a stabilized NeHe laser oscillator that generates a laser beam having an oscillation frequency f 0 , and 103 is a laser beam emitted from the laser oscillator 102 that propagates to the next stage. Optical fiber system with lenses at the end and the exit end, 104
Is a first polarization beam splitter, 105 is a first acousto-optic modulator (AOM) that gives a frequency shift of the frequency f 1 to the passing laser light, 106 is a first non-polarization beam splitter, and 107 is a first reflection A mirror, 108 is a second reflecting mirror, 109 is a second acousto-optic modulator that gives a frequency shift of frequency f 2 , 110 is a second non-polarizing beam splitter, 111 is a half-wave plate, and 112 is a second 2 is a polarizing beam splitter, 113 is a quarter wavelength plate, 114 is a third reflecting mirror, 115 is a third non-polarizing beam splitter, 1
Reference numeral 16 is a first polarizing plate, 117 is a first photodetector, 118 is a second polarizing plate, and 119 is a second photodetector.
【0005】安定化NeHeレーザ発振器102から発
射された発振周波数f0のレーザ光は、入射端と出射端
にレンズを備えた光ファイバー103により集束されて
第1偏光ビームスプリッター104に入射し、ここで互
いに直交するP波とS波の偏波成分に分離される。第1
偏光ビームスプリッター104を直進するP波は第1音
響光学変調器105を通過する間に周波数(f0+f1)
の偏光になって、第1無偏光ビームスプリッター106
に入射し、ここで垂直方向に屈折する成分と直進する成
分に分離する。直進する成分は第1反射鏡107で方向
を変えて第2の偏光ビームスプリッター112に入射し
これを直進して、第2偏光板118に達する。A laser beam having an oscillation frequency f 0 emitted from a stabilized NeHe laser oscillator 102 is focused by an optical fiber 103 having a lens at an entrance end and an exit end and enters a first polarization beam splitter 104, where It is separated into polarization components of P wave and S wave which are orthogonal to each other. First
The P-wave traveling straight through the polarization beam splitter 104 has a frequency (f 0 + f 1 ) while passing through the first acousto-optic modulator 105.
Becomes the polarized light of the first unpolarized beam splitter 106
And is split into a vertically refracted component and a straight component. The straight traveling component changes its direction in the first reflecting mirror 107 and is incident on the second polarization beam splitter 112, travels straight through it, and reaches the second polarizing plate 118.
【0006】一方、第1偏光ビームスプリッター104
で屈折したS波は第2反射鏡108で再度屈折して第2
音響光学変調器108に向かいこれを通過する間に周波
数(f0+f2)の偏光になって、第2無偏光ビームスプ
リッター110に入射する。ここで屈折する成分は第3
反射鏡114で再度屈折して第3無偏光ビームスプリッ
ター115に入射し、ここでは第1無偏光ビームスプリ
ッター106で屈折した成分と合波してビート周波数
(f1−f2)の干渉波を形成し第1偏光板116上に基
準ビート光を投影する。これを第1光検出器117が取
り込んで光強度の変化に対応する基準ビート信号に変換
する。この基準ビート信号はヘテロダイン干渉法による
計測装置内での光路差に基づいて固定的に決められる波
形であり、測定信号に対する比較の基準となる。On the other hand, the first polarization beam splitter 104
The S wave refracted by the second refracting mirror 108 is refracted again by the second reflecting mirror 108.
While passing through the acousto-optic modulator 108, it becomes polarized light having a frequency (f 0 + f 2 ) and enters the second non-polarizing beam splitter 110. The component that refracts here is the third
The light is refracted again by the reflecting mirror 114 and is incident on the third non-polarizing beam splitter 115. Here, it is combined with the component refracted by the first non-polarizing beam splitter 106 to generate an interference wave having a beat frequency (f 1 −f 2 ). The reference beat light is formed and projected on the first polarizing plate 116. The first photodetector 117 captures this and converts it into a reference beat signal corresponding to a change in light intensity. This reference beat signal is a waveform that is fixedly determined based on the optical path difference in the measuring device by the heterodyne interferometry and serves as a reference for comparison with the measurement signal.
【0007】さらに、第1偏光ビームスプリッター10
4で直進するS波成分は1/2波長板111で偏光が9
0度変化しP波となって第2偏光ビームスプリッター1
12に入射しこれを直進し、1/4波長板113で円偏
光光として被測定面101に照射され、反射光が再び1
/4波長板113を通過し第2偏光ビームスプリッター
112に入射する。この入射光は1/4波長板を2度通
過することにより偏光が合計90度変化してS波となっ
ている。従って第2偏光ビームスプリッター112では
図中下方向に屈折して、反射鏡107から入射してきた
周波数(f0+f1)の基準波と干渉して第2偏光板11
8上にビート周波数(f1−f2)の干渉波を形成し、こ
れを第2光検出器119が取り込んで光強度の変化に対
応する電気ビート信号に変換する。Further, the first polarization beam splitter 10
The S wave component that travels straight at 4 is polarized by the ½ wavelength plate 111.
2nd polarization beam splitter 1
The light is incident on 12 and goes straight on, and is irradiated as circularly polarized light on the surface to be measured 101 by the quarter-wave plate 113, and the reflected light is 1 again.
The light passes through the quarter-wave plate 113 and enters the second polarization beam splitter 112. This incident light passes through the quarter-wave plate twice, so that the polarized light changes 90 degrees in total and becomes an S wave. Therefore, the second polarization beam splitter 112 refracts downward in the figure, interferes with the reference wave of the frequency (f 0 + f 1 ) incident from the reflecting mirror 107, and interferes with the second polarizing plate 11
An interference wave having a beat frequency (f 1 -f 2 ) is formed on the optical pickup 8, and the second photodetector 119 captures the interference wave and converts it into an electric beat signal corresponding to a change in light intensity.
【0008】上記電気ビート信号と基準ビート信号の位
相差は被測定面まで往復したために付加された光路長に
起因するものと測定系の両波の光路差に起因するものと
基準ビート信号に含まれるものを和差したものになる
が、後者のふたつは測定装置に固有のものであるから、
位相差測定結果は被測定面の変動を代表するものという
ことができる。このように、ヘテロダイン干渉法は位相
量に基づいて測定するため光量変動に影響を受けにく
い。また、ヘテロダイン計測法は扱う信号が低周波であ
り、かつ検出する位相差が距離と比例関係にあるという
利点を有していることから、特に極微少な変位量を測定
するのに適している。The phase difference between the electric beat signal and the reference beat signal is included in the reference beat signal, which is caused by the optical path length added due to the round trip to the surface to be measured, and the optical path difference between both waves of the measurement system. However, since the latter two are peculiar to the measuring device,
The phase difference measurement result can be said to be representative of the fluctuation of the surface to be measured. In this way, the heterodyne interferometry is measured based on the phase amount, and thus is not easily affected by the fluctuation of the light amount. In addition, the heterodyne measurement method has the advantage that the signal to be handled has a low frequency and the detected phase difference is proportional to the distance. Therefore, the heterodyne measurement method is particularly suitable for measuring a very small displacement amount.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】これら従来の変位量測
定方法および装置は、装置と一体になった定盤の上に搭
載される試料の表面を測定するものであるから、計測装
置と被測定物が同一基板上に載っているならば、被測定
面の変動量を直接測定ができる。しかし、被測定物が搭
載される基板が装置の固定される定盤に対して運動する
場合にはそこに搭載された被測定物固有の運動や変動に
ついて正確な測定が不可能であった。すなわち、従来の
変位量測定方法および装置では、被測定物が測定装置の
定盤上に載った別の基板の上に載っている場合や、被測
定物が測定装置の定盤外に据えられているような場合に
は、別の基板の動きと複合した被測定面の動きは測定で
きても被測定物自体の変動量を知ることができなかっ
た。Since these conventional displacement amount measuring methods and devices measure the surface of a sample mounted on a surface plate integrated with the device, the measuring device and the object to be measured. If the objects are placed on the same substrate, the variation amount of the surface to be measured can be directly measured. However, when the substrate on which the object to be measured is mounted moves with respect to the surface plate to which the apparatus is fixed, it is impossible to accurately measure the movement and fluctuation peculiar to the object to be measured mounted thereon. That is, in the conventional displacement amount measuring method and device, when the object to be measured is placed on another substrate placed on the surface plate of the measuring device, or the object to be measured is placed outside the surface plate of the measuring device. In such a case, the movement of the surface to be measured combined with the movement of another substrate can be measured, but the amount of fluctuation of the object to be measured itself cannot be known.
【0010】実際に被測定物表面と被測定物が載ってい
る基板との相対的変位量を知る必要がある場合として、
例えば、トランスの表面における外壁の振動を解析する
ために位置の異なる部分間の振動位相差を測定する要求
や、NC工作機械におけるワークの板厚が加工中の温度
変化により変化するのを計測して補償する場合などがあ
るが、特にハードディスク開発においては回転するハー
ドディスク上のピックアップの浮上高さ、いわゆるフラ
イングハイトを正確に測定する要求が切実である。ハー
ドディスク上のフライングハイトは高密度記録に対応す
るため極めて小さくなってきており、これを測定するた
めには測定感度が極めて大きくなければならない。しか
も、フライングハイトはディスクの回転速度によって変
わるから、実際に稼動すると同じ条件下で測定しなけれ
ばならない。しかもハードディスクの基板の凹凸や表面
処理によって局所的に大きく変化するが、ピックアップ
が滑走している直下の部分の基板表面の状態はピックア
ップの陰になるため同時に測定することができない。ハ
ードディスクの性能評価には上記フライングハイトを測
定することが重要であるが、従来の変位量測定方法およ
び装置では上記制約のため適切な測定ができなかった。When it is necessary to know the relative displacement amount between the surface of the object to be measured and the substrate on which the object to be measured is actually placed,
For example, in order to analyze the vibration of the outer wall on the surface of the transformer, it is necessary to measure the vibration phase difference between the parts at different positions, and to measure that the plate thickness of the work in the NC machine tool changes due to the temperature change during processing. However, in developing a hard disk, there is an urgent need to accurately measure the flying height of a pickup on a rotating hard disk, that is, the so-called flying height. The flying height on the hard disk has become extremely small in order to support high-density recording, and in order to measure this, the measurement sensitivity must be extremely high. Moreover, since the flying height changes depending on the rotation speed of the disk, it must be measured under the same conditions when actually operating. Moreover, although the surface of the substrate of the hard disk changes greatly due to the unevenness of the substrate and the surface treatment, the state of the substrate surface immediately below the part where the pickup is sliding cannot be measured simultaneously because it is behind the pickup. It is important to measure the flying height for the performance evaluation of the hard disk, but the conventional displacement amount measuring method and apparatus could not perform the appropriate measurement due to the above restrictions.
【0011】本発明が解決しようとする課題は、ヘテロ
ダイン干渉法の利点を利用して近接した2点間の相対的
な変位量を精度良く測定し、特に試料を載置する基板表
面が変動する場合にもその動きを相殺して被測定面のみ
の変動を測定することができる相対変位量測定方法およ
び装置を提供することにある。また、ふたつの試料面を
同時に測定することができなくとも両者間の相対的変位
量を測定することができる相対変位量測定方法および装
置を提供することにある。The problem to be solved by the present invention is to measure the relative amount of displacement between two adjacent points with high accuracy by utilizing the advantage of the heterodyne interferometry, and in particular, the surface of the substrate on which the sample is mounted fluctuates. Even in such a case, it is an object of the present invention to provide a relative displacement amount measuring method and device capable of canceling the movement and measuring the fluctuation of only the surface to be measured. It is another object of the present invention to provide a relative displacement amount measuring method and device capable of measuring a relative displacement amount between two sample surfaces even if they cannot be simultaneously measured.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の相対変位量測定方法は、ふたつの被測定面
にそれぞれ光ビームを照射して、被測定面から反射して
くる反射光についてそれぞれ光ビート信号を生成せし
め、そのビート信号と基準信号間の位相差により両被測
定面間の相対的運動を測定することを特徴とする。ま
た、本発明の第2の相対変位量測定方法は、第1のコヒ
ーレント光を第1の被測定面に照射して反射する光線を
これとの干渉性を有しかつ周波数の異なる第1の参照光
と干渉させて第1のビート信号を得てこの位相を基準ビ
ート信号の位相と比較し第1の位相差を求め、第2のコ
ヒーレント光を第2の被測定面に照射して反射する光線
をこれとの干渉性を有しかつ周波数の異なる第2の参照
光と干渉させて第2のビート信号を得てこの位相を前記
基準ビート信号の位相と比較し第2の位相差を求め、こ
れら第1位相差と第2位相差の差から第1被測定面と第
2被測定面の相対変位量を求めることを特徴とする。本
発明の相対変位量測定方法は、第1コヒーレント光と第
2コヒーレント光が、それぞれ、1個のレーザ光を分離
して相対的に周波数偏移せしめたP波とS波であり、第
1参照光としてこの第2コヒーレント光を用い、第2参
照光として上記第1コヒーレント光を用いるものであっ
てもよい。また、基準ビート信号は第1コヒーレント光
と第2コヒーレント光を干渉させて得られる電気信号で
あってもよい。In order to solve the above-mentioned problems, the relative displacement amount measuring method of the present invention irradiates two measured surfaces with a light beam and reflects the reflected light from the measured surfaces. An optical beat signal is generated for each light, and the relative movement between both measured surfaces is measured by the phase difference between the beat signal and the reference signal. In addition, the second relative displacement amount measuring method of the present invention includes the first coherent light beam that irradiates the first surface to be measured and reflects a light beam that has coherence with the first light beam and has a different frequency. The first beat signal is obtained by interfering with the reference light, this phase is compared with the phase of the reference beat signal to obtain the first phase difference, and the second coherent light is irradiated onto the second measured surface and reflected. Light beam having a coherency with the second reference light beam having a different frequency to obtain a second beat signal, and this phase is compared with the phase of the reference beat signal to obtain a second phase difference. It is characterized in that the relative displacement amount between the first measured surface and the second measured surface is calculated from the difference between the first phase difference and the second phase difference. In the relative displacement amount measuring method of the present invention, the first coherent light and the second coherent light are P-wave and S-wave, respectively, in which one laser light is separated and relatively frequency-shifted. The second coherent light may be used as the reference light and the first coherent light may be used as the second reference light. Further, the reference beat signal may be an electric signal obtained by causing the first coherent light and the second coherent light to interfere with each other.
【0013】上記課題を解決するために、本発明の相対
変位量測定装置は、ふたつの被測定面にそれぞれ光ビー
ムを照射する照射装置と、被測定面から反射してくる反
射光を受光してそれぞれ光ビート信号を生成する光検出
装置と、ビート信号と基準信号間の位相差により両被測
定面間の相対的運動を測定する信号処理回路を備えるこ
とを特徴とする。また、被測定面に照射する前の光ビー
ムを干渉させて光ビート信号を取得して基準信号とする
基準信号発生装置を備えてもよい。In order to solve the above-mentioned problems, the relative displacement amount measuring apparatus of the present invention is such that an irradiation device for irradiating two measured surfaces with a light beam and a reflected light reflected from the measured surface are received. And a signal processing circuit for measuring the relative movement between the measured surfaces based on the phase difference between the beat signal and the reference signal. Further, a reference signal generation device may be provided that causes the light beams before being irradiated onto the surface to be measured to interfere with each other to acquire an optical beat signal and use it as a reference signal.
【0014】本発明の第2の相対変位量測定装置は、レ
ーザ発振器と、レーザ光を受光して互いに直交する第1
偏波と第2偏波に分割し、両偏波を相対的に周波数偏移
させてそれぞれ第1のコヒーレント光と第2のコヒーレ
ント光として供給する光分割装置と、第1コヒーレント
光を第1の被測定面に照射して反射する光線を受光して
供給する第1のプローブと、第2コヒーレント光を第2
の被測定面に照射して反射する光線を受光して供給する
第2のプローブと、第1プローブからの光と第2コヒー
レント光との干渉光を生成しこれを入力して第1のビー
ト信号を得る第1のビート信号発生装置と、第2プロー
ブからの光と第1コヒーレント光との干渉光を生成しこ
れを入力して第2のビート信号を得る第2のビート信号
発生装置と、第1ビート信号および第2ビート信号をそ
れぞれ基準のビート信号を基準として両者の位相差を求
め、その位相差に基づいた信号を表示する信号処理回路
を備えることを特徴とする。さらに第1コヒーレント光
と第2コヒーレント光との干渉光を生成しこれを入力し
て第3のビート信号を得る基準ビート信号発生装置を備
え、信号処理回路がこの第3ビート信号を入力して基準
信号とするものであってよい。また、第1プローブと第
2プローブが1個のステージ上に搭載されて両者からの
照射光の間隔が調整できるようにするとよい。A second relative displacement amount measuring device of the present invention is a laser oscillator and a first relative displacement amount measuring device which receives a laser beam and is orthogonal to each other.
A light splitting device that splits the polarized light into a polarized light and a second polarized light, relatively shifts the polarized light in frequency, and supplies the polarized light as a first coherent light and a second coherent light, respectively. And a second probe that receives and supplies a light beam that irradiates and is reflected by the surface to be measured of the second probe and a second coherent light beam.
Of the second probe and the second probe, which receives and supplies the light beam that irradiates and is reflected on the surface to be measured, and generates the interference light between the light from the first probe and the second coherent light, and inputs the interference light to generate the first beat. A first beat signal generator for obtaining a signal, and a second beat signal generator for producing an interference light of the light from the second probe and the first coherent light and inputting the interference light to obtain a second beat signal , A signal processing circuit for obtaining a phase difference between the first beat signal and the second beat signal with reference to a reference beat signal and displaying a signal based on the phase difference. Further, a reference beat signal generator for generating interference light of the first coherent light and the second coherent light and inputting the interference light to obtain a third beat signal is provided, and the signal processing circuit inputs the third beat signal. It may be a reference signal. In addition, it is preferable that the first probe and the second probe be mounted on one stage so that the interval of the irradiation light from both can be adjusted.
【0015】本発明の相対変位量測定方法は、ふたつの
被測定面にそれぞれ光ビームを照射して、被測定面から
反射してくる反射光についてそれぞれ光ビート信号を生
成せしめ、そのビート信号と別途準備される基準信号を
用いることにより、それぞれとの間の位相差が算定でき
るようになるため、被測定面同士が独立的に動く場合に
も関連して動き場合にも同じようにして両被測定面間の
相対的運動を測定することができる。また、本発明の第
2の相対変位量測定方法は、第1被測定面に照射して反
射する第1コヒーレント光をこれとの干渉性を有しかつ
周波数の異なる第1参照光と干渉させて第1ビート信号
を得てこの位相を基準ビート信号の位相と比較するた
め、第1位相差を求めることができ、第2被測定面に照
射して反射する第2コヒーレント光を光線をこれとの干
渉性を有しかつ周波数の異なる第2参照光と干渉させて
第2ビート信号を得てこの位相を前記基準ビート信号の
位相と比較するため、第2位相差を求めることができ、
第1位相差と第2位相差の差から第1被測定面と第2被
測定面の相対変位量を求めることができる。第1コヒー
レント光と第2コヒーレント光が、それぞれ、1個のレ
ーザ光を分離して相対的に周波数偏移せしめたP波とS
波であり、第1参照光としてこの第2コヒーレント光を
用い、第2参照光として上記第1コヒーレント光を用い
るものであるときは、それぞれの基準となる参照光が容
易に得られ、またビート周波数も容易に同じものとなる
ため、測定装置の構成が簡略化される。また、基準ビー
ト信号は第1コヒーレント光と第2コヒーレント光を干
渉させて得られる電気信号であるときは、参照光同士を
使用することから特別の調整をせずに同じ周波数の基準
信号を得ることができる。The relative displacement amount measuring method of the present invention irradiates two measured surfaces with a light beam and generates optical beat signals for the respective reflected lights reflected from the measured surfaces. By using a separately prepared reference signal, it becomes possible to calculate the phase difference between them, so the same applies to the case where the measured surfaces move independently and in relation to each other. The relative movement between the measured surfaces can be measured. In addition, the second relative displacement amount measuring method of the present invention causes the first coherent light that irradiates and reflects the first measured surface to interfere with the first reference light that has coherence and has a different frequency. Since the first beat signal is obtained and this phase is compared with the phase of the reference beat signal, the first phase difference can be obtained, and the second coherent light that irradiates and reflects the second measured surface is converted into a light beam. Since the second beat signal is obtained by interfering with the second reference light having the coherence with and different frequency, and this phase is compared with the phase of the reference beat signal, the second phase difference can be obtained.
The relative displacement amount of the first measured surface and the second measured surface can be obtained from the difference between the first phase difference and the second phase difference. The first coherent light and the second coherent light respectively separate the one laser light and relatively shift the frequency of the P wave and the S wave.
When the second coherent light is used as the first reference light and the first coherent light is used as the second reference light, the reference light serving as the respective reference is easily obtained and the beat Since the frequencies are easily the same, the structure of the measuring device is simplified. When the reference beat signal is an electric signal obtained by causing the first coherent light and the second coherent light to interfere with each other, the reference lights are used to obtain the reference signal having the same frequency without special adjustment. be able to.
【0016】従って、被測定面として一方を測定したい
磁気ヘッドに固定した平面、他方をハードディスク表面
とすれば、単一の相対変位量測定装置によりフライング
ハイトを直接的に測定することができる。また、フライ
ングハイトの変化に対応するハードディスク表面の凹凸
を観測することも可能である。Therefore, if one of the surfaces to be measured is a plane fixed to the magnetic head to be measured and the other is the surface of the hard disk, the flying height can be directly measured by a single relative displacement amount measuring device. It is also possible to observe irregularities on the hard disk surface corresponding to changes in flying height.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】本発明の相対変位量測定方法は、
光ヘテロダイン方式によりふたつの独立な被測定面を独
立に計測することで、ふたつの被測定面間の相対的運動
を測定することを原理とし、ふたつの被測定面にそれぞ
れ光ビームを照射して、被測定面から反射してくる反射
光についてそれぞれ光ビート信号を生成せしめ、そのビ
ート信号と基準ビート信号間の位相差により両被測定面
間の相対的運動を測定するものである。被測定面からの
反射光が基準光と干渉して作るビート信号が基準となる
ビート信号からの位相差にずれΔΨを生じ、これが被測
定面の変動ΔLに起因するとすれば、ΔΨ=4πΔL/
λの関係が成立する。従って被測定面の変動を求めるに
は位相差ΔΨを知ればよい。基準ビート信号に対してふ
たつの被測定面におけるふたつのΔΨを求める光回路を
構成することで、ふたつの被測定面同士の相対的変位量
を求めることが可能になる。被測定面がひとつの面内の
異なる位置にある場合は、一方の被測定面の他方に対す
る振動を測定することになり、例えばトランスの自励振
動時における鉄板の共振振動の観測などに用いることが
できる。また、測定装置と切り離された基板表面を第1
の被測定面とし、基板上に置かれた板の表面を第2の被
測定面とする場合として、NC工作機械における加工中
の温度上昇により変化するワーク板厚の変化をリアルタ
イムで測定する場合がある。なお、基準ビート信号は既
知の光を干渉させて基準干渉計により得ることができる
が、電子回路により電気的に作ることもできる。また、
本発明の相対変位量測定方法によれば、磁気ヘッドに固
定される被測定面とハードディスク表面上の磁気ヘッド
の下に来る位置においた第2の被測定面を測定して対応
することにより、回転するハードディスク磁気ディスク
の表面状態や回転状態によって磁気ヘッドのフライング
ハイトが変化する様子を観測することができる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The relative displacement amount measuring method of the present invention comprises:
By measuring two independent measured surfaces independently by the optical heterodyne method, the principle is to measure the relative movement between the two measured surfaces. An optical beat signal is generated for each of the reflected lights reflected from the surface to be measured, and the relative motion between the surfaces to be measured is measured by the phase difference between the beat signal and the reference beat signal. If the beat signal generated by the reflected light from the surface to be measured interferes with the reference light causes a deviation ΔΨ from the phase difference from the reference beat signal, and this is caused by the fluctuation ΔL of the surface to be measured, ΔΨ = 4πΔL /
The relationship of λ holds. Therefore, the phase difference ΔΨ may be known in order to obtain the fluctuation of the surface to be measured. By configuring an optical circuit that obtains two ΔΨ on the two measured surfaces with respect to the reference beat signal, it becomes possible to obtain the relative displacement amount between the two measured surfaces. When the surface to be measured is located at different positions within one surface, the vibration of one surface to be measured is measured, and it is used to observe the resonance vibration of the iron plate during the self-excited vibration of the transformer, for example. You can In addition, the substrate surface separated from the measuring device is
When measuring the change in the work plate thickness that changes due to the temperature rise during machining in the NC machine tool, in real time as the measured surface of No. 2 and the surface of the plate placed on the substrate as the second measured surface. There is. The reference beat signal can be obtained by a reference interferometer by causing known light to interfere with each other, but can also be electrically generated by an electronic circuit. Also,
According to the relative displacement amount measuring method of the present invention, the measured surface fixed to the magnetic head and the second measured surface located below the magnetic head on the hard disk surface are measured and corresponded to each other. It is possible to observe how the flying height of the magnetic head changes depending on the surface condition and rotating condition of the rotating hard disk magnetic disk.
【0018】[0018]
【実施例1】図1は、本発明の相対変位量測定装置の第
1実施例を示すブロック図である。図中、1は測定対象
となる第1の被測定面、2は第1被測定面の近傍にある
第2の被測定面である。3は安定化NeHeレーザ発振
器、4は光回路、5は第1プローブ、6は第2プロー
ブ、7は増幅器、8はインジケータ、9は信号処理回
路、10はディスプレーである。安定化NeHeレーザ
発振器3から発射された発振周波数f0のレーザ光は、
レンズ11により集束されて光ファイバー12のコアに
入射し、光ファイバー12内を伝搬して射出側端面で放
散し、レンズ13によりほぼ平行な光線となって、光回
路4に入射する。[Embodiment 1] FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a relative displacement amount measuring apparatus of the present invention. In the figure, 1 is a first measured surface to be measured, and 2 is a second measured surface in the vicinity of the first measured surface. 3 is a stabilized NeHe laser oscillator, 4 is an optical circuit, 5 is a first probe, 6 is a second probe, 7 is an amplifier, 8 is an indicator, 9 is a signal processing circuit, and 10 is a display. The laser light of the oscillation frequency f 0 emitted from the stabilized NeHe laser oscillator 3 is
The light is focused by the lens 11 and is incident on the core of the optical fiber 12, propagates in the optical fiber 12 and is diffused on the end face on the exit side, and is made into substantially parallel light rays by the lens 13 and is incident on the optical circuit 4.
【0019】光回路4は、第1偏光ビームスプリッター
14、第1音響光学変調器(AOM)15、第1音響光
学変調器を制御する第1AOMコントローラ16、第1
無偏光ビームスプリッター17、第1反射鏡18、第2
音響光学変調器(AOM)19、第2音響光学変調器を
制御する第2AOMコントローラ20、第2無偏光ビー
ムスプリッター21、第3無偏光ビームスプリッター2
2、第1光検出器23、第4無偏光ビームスプリッター
24、第4光検出器25を備えている。The optical circuit 4 includes a first polarization beam splitter 14, a first acousto-optic modulator (AOM) 15, a first AOM controller 16 for controlling the first acousto-optic modulator, and a first AOM controller 16.
Non-polarizing beam splitter 17, first reflecting mirror 18, second
Acousto-optic modulator (AOM) 19, second AOM controller 20 for controlling second acousto-optic modulator, second non-polarizing beam splitter 21, third non-polarizing beam splitter 2
2, a first photodetector 23, a fourth non-polarizing beam splitter 24, and a fourth photodetector 25.
【0020】光回路4に入射したレーザ光は第1偏光ビ
ームスプリッター14で互いに直交するP波とS波のふ
たつの偏波成分に分離される。第1偏光ビームスプリッ
ター14を直進するP波は第1AOMコントローラ16
により微小な変調周波数f1の周波数変調を施すように
制御された第1音響光学変調器15を通過する間に周波
数(f0+f1)の偏光になる。この偏光は第1無偏光ビ
ームスプリッター17で垂直方向に屈折する成分と直進
する成分に分離する。直進成分は第1偏波保持光ファイ
バー26に入射し第1プローブ5に伝搬される。また、
第1偏光ビームスプリッター14で屈折したS波は第1
反射鏡18で反射して第1音響光学変調器15と平行に
配設された第2音響光学変調器(AOM)19を通過し
て、第2無偏光ビームスプリッター21で垂直方向する
成分と直進する成分に分離する。第2音響光学変調器1
9は第2AOMコントローラ20により微小な変調周波
数f2の周波数変調を施すように制御されているため、
S波偏波成分は周波数(f0+f2)の偏光になってい
る。第2無偏光ビームスプリッター21を直進した成分
は第2偏波保持光ファイバー27を介して第2プローブ
6に伝搬される。The laser light incident on the optical circuit 4 is separated by the first polarization beam splitter 14 into two polarization components of P wave and S wave which are orthogonal to each other. The P wave traveling straight through the first polarization beam splitter 14 is the first AOM controller 16
As a result, polarized light of frequency (f 0 + f 1 ) is obtained while passing through the first acousto-optic modulator 15, which is controlled to perform frequency modulation of a minute modulation frequency f 1 . This polarized light is split by the first non-polarizing beam splitter 17 into a component refracted in the vertical direction and a component going straight. The rectilinear component enters the first polarization maintaining optical fiber 26 and is propagated to the first probe 5. Also,
The S wave refracted by the first polarization beam splitter 14 is the first
The component reflected by the reflecting mirror 18 passes through a second acousto-optic modulator (AOM) 19 arranged in parallel with the first acousto-optic modulator 15 and goes straight to a component in the vertical direction by a second non-polarizing beam splitter 21. Separate into the components to be used. Second acousto-optic modulator 1
9 is controlled by the second AOM controller 20 to perform frequency modulation of a minute modulation frequency f 2 ,
The S-wave polarization component is polarized at the frequency (f 0 + f 2 ). The component that has proceeded straight through the second non-polarizing beam splitter 21 is propagated to the second probe 6 via the second polarization maintaining optical fiber 27.
【0021】第1プローブ5は、第3無偏光ビームスプ
リッター30、第1の1/4波長板31、第1レンズ3
2、および第2反射鏡33からなり、第1偏波保持光フ
ァイバー26で伝搬されてくる周波数(f0+f1)のP
波偏光成分を直進させて第1被測定面1に投射して反射
してくる光線を第3無偏光ビームスプリッター30と反
射鏡33で屈折させて、第1マルチモードファバー28
に入射させる。第1プローブ5に入射したP波偏光成分
は、第1マルチモードファバー28に入射するまでにプ
ローブ内で第1の1/4波長板31を2度通過して偏光
が90度変化する上に、第1プローブ5と第1被測定面
1までを往復する光路を伝搬する間に進む位相差を有す
るようになっている。第2プローブ6は、第4無偏光ビ
ームスプリッター34、第2の1/4波長板35、第2
レンズ36、および第3反射鏡37からなり、第2偏波
保持光ファイバー27で伝搬されてくる周波数(f0+
f1)のS波偏光成分を第2被測定面2に投射して反射
してくる光線を第4無偏光ビームスプリッター34と第
3反射鏡37で屈折させて、第2マルチモードファバー
29に入射させる。第2プローブ6に入射したS波偏光
成分は、第2マルチモードファバー29に入射するまで
に第2の1/4波長板35で偏光が90度変化する上
に、第2プローブ6と第2被測定面2間の往復光路を伝
搬する間に進む位相差を有するようになっている。The first probe 5 includes a third unpolarized beam splitter 30, a first quarter-wave plate 31, and a first lens 3.
2 and the second reflecting mirror 33, and P of the frequency (f 0 + f 1 ) propagated in the first polarization maintaining optical fiber 26.
A light beam which is made to travel straight on the wave polarization component and is projected on the first measurement surface 1 and reflected is refracted by the third non-polarization beam splitter 30 and the reflection mirror 33, and the first multimode fiber 28
Incident on The P-wave polarization component that has entered the first probe 5 passes through the first quarter-wave plate 31 twice within the probe until it enters the first multi-mode fiber 28, and the polarization changes by 90 degrees. In addition, there is a phase difference that advances while propagating in the optical path that reciprocates between the first probe 5 and the first measured surface 1. The second probe 6 includes a fourth non-polarizing beam splitter 34, a second quarter-wave plate 35, a second
It is composed of the lens 36 and the third reflecting mirror 37, and has a frequency (f 0 +) propagated through the second polarization maintaining optical fiber 27.
The S-polarized light component of f 1 ) which is projected onto the second surface to be measured 2 and reflected is refracted by the fourth non-polarizing beam splitter 34 and the third reflecting mirror 37, and the second multimode fiber 29 Incident on. The S-wave polarization component that has entered the second probe 6 has its polarization changed by 90 degrees by the second quarter-wave plate 35 before it enters the second multi-mode fiber 29. It has a phase difference that advances while propagating in the reciprocal optical path between the two measured surfaces 2.
【0022】光回路4の第3無偏光ビームスプリッター
22は、第1マルチモードファバー28を介して第1プ
ローブ5から戻ってきた周波数(f0+f1)の偏波成分
と、第2無偏光ビームスプリッター21で屈折した周波
数(f0+f2)の偏波成分とを受けて干渉させ、周波数
(f1−f2)のビート光として第1光検出器23に送
る。第1プローブ5から戻ってきた偏波成分はほぼ90
度移相しているから、第2無偏光ビームスプリッター2
1で屈折した偏波成分と干渉することができる。第1光
検出器23は、この干渉により生じたビート光を受光し
てそのビートに対応する周波数(f1−f2)の第1ビー
ト信号を出力する。また、第4無偏光ビームスプリッタ
ー24も、同様に、第2マルチモードファバー29を介
して第2プローブ6から戻ってきた周波数(f0+f2)
の偏波成分と、第1無偏光ビームスプリッター17で屈
折した周波数(f0+f1)の偏波成分とを受けて干渉さ
せ、周波数(f1−f2)のビート光として第2光検出器
25に送る。第2光検出器25は、このビート光の強度
変化に対応する周波数(f1−f2)の第2ビート信号を
出力する。The third non-polarization beam splitter 22 of the optical circuit 4 has a polarization component of the frequency (f 0 + f 1 ) returned from the first probe 5 via the first multi-mode fiber 28 and a second non-polarization component. The polarization beam splitter 21 receives and interferes with the polarization component of the frequency (f 0 + f 2 ) refracted, and sends it to the first photodetector 23 as beat light of the frequency (f 1 −f 2 ). The polarization component returned from the first probe 5 is almost 90.
The second non-polarizing beam splitter 2
It can interfere with the polarized component refracted at 1. The first photodetector 23 receives the beat light generated by this interference and outputs a first beat signal having a frequency (f 1 -f 2 ) corresponding to the beat. Similarly, the fourth non-polarizing beam splitter 24 also returns the frequency (f 0 + f 2 ) returned from the second probe 6 via the second multi-mode fiber 29.
And the polarized component of the frequency (f 0 + f 1 ) refracted by the first non-polarizing beam splitter 17 to cause interference and the second optical detection as beat light of the frequency (f 1 −f 2 ). Send to container 25. The second photodetector 25 outputs a second beat signal having a frequency (f 1 −f 2 ) corresponding to the intensity change of the beat light.
【0023】第1ビート信号は第1偏光ビームスプリッ
ター14で分割されて以来ふたつの偏光が辿った光学的
な光路差を反映する位相を有し、測定装置内の固定的な
光路以外に第1プローブ5と第1被測定面1間の往復光
路に係る情報が含まれる。しかし、第1ビート信号自体
を観測しても基準位相が定まらないためこれら情報を取
り出すことはできない。そこで、位相の基準とするため
同じ周波数を有する基準ビート信号を用いて第1ビート
信号との位相差をとることにより、第1プローブ5と第
1被測定面1間の距離変化を知ることを可能とする。第
2ビート信号についても、同様に基準ビート信号と第2
ビート信号との位相差をとることにより、第2プローブ
6と第2被測定面2間の距離変化を知ることができる。
そこで、これら取得したビート信号と基準ビート信号と
の位相差同士を比較することにより、第1被測定面1間
と第2被測定面2間の距離、すなわち相対変位量を求め
ることができる。The first beat signal has a phase that reflects the optical path difference that two polarizations have followed since being split by the first polarization beam splitter 14, and the first beat signal has a phase other than the fixed optical path in the measuring device. Information about a round-trip optical path between the probe 5 and the first measured surface 1 is included. However, even if the first beat signal itself is observed, the reference phase cannot be determined, so that this information cannot be extracted. Therefore, it is necessary to know the change in the distance between the first probe 5 and the first measured surface 1 by obtaining the phase difference from the first beat signal using the reference beat signal having the same frequency as the phase reference. It is possible. Similarly, for the second beat signal, the reference beat signal and the second beat signal
By taking the phase difference from the beat signal, it is possible to know the change in the distance between the second probe 6 and the second measured surface 2.
Therefore, by comparing the phase differences between the acquired beat signal and the reference beat signal, the distance between the first measured surface 1 and the second measured surface 2, that is, the relative displacement amount can be obtained.
【0024】第1ビート信号と第2ビート信号は増幅器
7を介して信号処理回路9で変位量を求め、結果を液晶
表示器10に表示すると共に、外部の装置が入力できる
ような信号形態で出力する。なお、増幅器7で増幅した
差信号をインジケータ8に表示して操作者が計測状態を
監視できるようにしてある。信号処理回路9は位相検出
部と演算処理部を備え、内部で発生する基準ビート信号
を基準とする第1ビート信号の位相差と第2ビート信号
の位相差を検出し、両位相差の差を算出して第1被測定
面と第2被測定面の相対変位量を求める。なお、第1プ
ローブ5と第2プローブ6の位置と出射方向は測定目的
および被測定物に従って変更できるようにするため分離
して設けても良いが、測定目的によっては所定の状態に
固定することが望ましい。そのため、ふたつのプローブ
を一体に構成したり、各々別個に構成したプローブ部分
を剛性の大きい部材に固設することができる。回転する
ハードディスク上の磁気ヘッドのフライングハイトを測
定する時は、磁気ヘッドの動きと共にその動きの原因と
なるハードディスク表面の状態を観測しなければならな
い。しかし磁気ヘッドの直下のハードディスク表面は磁
気ヘッドの隠されているため、両者を同時に測定するこ
とはできない。このようなときには、第1プローブ5で
磁気ヘッドの一部に照準して第1ビート信号をとると共
に、第2プローブ6を磁気ヘッドの直下に送り込まれる
ハードディスクの部分に照準して第2ビート信号をと
り、信号処理回路9においてそのハードディスクの部分
が照準位置から磁気ヘッド直下に移動する時間に基づい
た補正を行うことにより、両測定位置の対応をとること
ができる。A displacement amount of the first beat signal and the second beat signal is obtained by a signal processing circuit 9 via an amplifier 7, and the result is displayed on a liquid crystal display 10 and in a signal form that an external device can input. Output. The difference signal amplified by the amplifier 7 is displayed on the indicator 8 so that the operator can monitor the measurement state. The signal processing circuit 9 includes a phase detection unit and an arithmetic processing unit, detects the phase difference between the first beat signal and the second beat signal based on the internally generated reference beat signal, and detects the difference between the two phase differences. Is calculated to obtain the relative displacement amount between the first measured surface and the second measured surface. The positions and emission directions of the first probe 5 and the second probe 6 may be provided separately so that they can be changed according to the measurement purpose and the object to be measured, but depending on the measurement purpose, they should be fixed in a predetermined state. Is desirable. Therefore, the two probes can be integrally formed, or the probe portions that are separately formed can be fixed to a member having high rigidity. When measuring the flying height of a magnetic head on a rotating hard disk, it is necessary to observe the movement of the magnetic head and the state of the hard disk surface that causes the movement. However, since the surface of the hard disk directly below the magnetic head is hidden by the magnetic head, both cannot be measured at the same time. In such a case, the first probe 5 aims at a part of the magnetic head to obtain a first beat signal, and the second probe 6 aims at a part of the hard disk fed immediately below the magnetic head to cause a second beat signal. Then, the signal processing circuit 9 corrects the hard disk portion based on the time it takes to move from the aiming position to just below the magnetic head.
【0025】図2はプローブ部分の1態様を示すブロッ
ク図である。図2に示すように、第1プローブ5と第2
プローブ6をベース38に搭載し両者の距離を可動式ス
テージ39を用いて調整できるように構成することがで
きる。なお、例えば光回路4で適当な波長板を用いるこ
とにより適当な偏光に変換すれば同じことなので、図1
においては部品機能の対称性を重んじた構成としたが、
図2における第2プローブ6では、ビームの入出力関係
を図1とは反対に表現してある。光回路4で偏光状態を
変えなければ、第2偏波保持光ファイバー27で伝搬さ
れてくるのはS波偏光成分であり、第2被測定面から戻
ってくるのはP波偏光成分であって、第4無偏光ビーム
スプリッター34ではS波偏光成分が屈折しP波偏光成
分が直進する関係を考慮するからである。FIG. 2 is a block diagram showing one embodiment of the probe portion. As shown in FIG. 2, the first probe 5 and the second probe 5
The probe 6 can be mounted on the base 38 and the distance between the two can be adjusted using the movable stage 39. It should be noted that, for example, if the optical circuit 4 uses an appropriate wave plate to convert the polarized light into an appropriate polarized light, the same result is obtained.
In the above, the structure that emphasizes the symmetry of the parts functions is used.
In the second probe 6 in FIG. 2, the input / output relationship of the beam is expressed opposite to that in FIG. Unless the polarization state is changed in the optical circuit 4, the S-polarization component propagates in the second polarization maintaining optical fiber 27, and the P-wave polarization component returns from the second surface to be measured. This is because the fourth non-polarizing beam splitter 34 considers the relationship in which the S-wave polarization component is refracted and the P-wave polarization component goes straight.
【0026】[0026]
【実施例2】図3は、本発明の相対変位量測定装置の第
2の実施例を示すブロック図である。第2実施例が第1
実施例と大きく違うところは、基準ビート信号を電気的
に生成する代わりに、レーザ光から分離されて音響光学
変調器により周波数変調されたP波とS波の偏波成分か
ら直接光学的に作成されたビート光を光検出器で電気信
号に変換して基準ビート信号とするところである。この
ため、第1実施例の光回路4に代替する光回路40は光
回路4の構成に第5無偏光ビームスプリッター41、第
6無偏光ビームスプリッター42、第4反射鏡43、第
7無偏光ビームスプリッター44、第3光検出器45が
付加されており、また増幅器7は第1光検出器23、第
2光検出器25以外に第3光検出器45の出力を取り込
んで処理する構成となっている。Second Embodiment FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the relative displacement amount measuring device of the present invention. The second embodiment is the first
The major difference from the embodiment is that instead of electrically generating the reference beat signal, it is directly optically created from the polarization components of the P wave and S wave separated from the laser light and frequency-modulated by an acousto-optic modulator. The beat light thus generated is converted into an electric signal by a photodetector and used as a reference beat signal. Therefore, the optical circuit 40 substituting for the optical circuit 4 of the first embodiment has the same configuration as the optical circuit 4 except that the fifth non-polarizing beam splitter 41, the sixth non-polarizing beam splitter 42, the fourth reflecting mirror 43, and the seventh non-polarizing beam are used. A beam splitter 44 and a third photodetector 45 are added, and the amplifier 7 receives and processes the output of the third photodetector 45 in addition to the first photodetector 23 and the second photodetector 25. Has become.
【0027】図3においては、図1と同じ機能を表す部
分に同じ参照番号を付し、説明を省略した。図3を参照
すると、第1偏光ビームスプリッター14で変調周波数
f1の周波数変調を受けたP波は、第5無偏光ビームス
プリッター41で直進して第1無偏光ビームスプリッタ
ー17に進む成分と反射して第7無偏光ビームスプリッ
ター44に進む成分に分かれる。また、第2偏光ビーム
スプリッター19で変調周波数f2の周波数変調を受け
たS波は、第6無偏光ビームスプリッター42で直進し
て第2無偏光ビームスプリッター21に進む成分と反射
して第4反射鏡43を経由して第7無偏光ビームスプリ
ッター44に進む成分に分かれる。P波とS波のいずれ
かあるいは両方の光路中に適当な移相子を介在させて両
波が干渉するようにすれば、第7無偏光ビームスプリッ
ター44で合波して第3光検出器45に入射する光は両
波の光路長差に基づいて決まる位相を有する周波数(f
1−f2)のビート光となる。第3光検出器45はこのビ
ート光を電気信号に変換して、増幅器7に供給する。信
号処理回路9では第3光検出器45から与えられるビー
ト信号を基準ビート信号として、第1実施例で説明した
処理を行い、第1被測定面1間と第2被測定面2間の相
対変位量を算出する。In FIG. 3, the parts having the same functions as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof is omitted. Referring to FIG. 3, the P wave subjected to the frequency modulation of the modulation frequency f 1 by the first polarization beam splitter 14 goes straight on by the fifth non-polarization beam splitter 41 and is reflected by the component which proceeds to the first non-polarization beam splitter 17. Then, it is divided into components which proceed to the seventh non-polarizing beam splitter 44. The S wave that has been frequency-modulated at the modulation frequency f 2 by the second polarization beam splitter 19 is reflected by the sixth non-polarization beam splitter 42 to go straight to the second non-polarization beam splitter 21 and is reflected by the fourth component. It is divided into components that travel to the seventh non-polarizing beam splitter 44 via the reflecting mirror 43. If an appropriate phase shifter is interposed in the optical path of either or both of the P wave and the S wave so that both waves interfere with each other, they are combined by the seventh non-polarizing beam splitter 44 and the third photodetector is used. The light incident on the light beam 45 has a phase (f
It becomes a beat light of 1- f 2 ). The third photodetector 45 converts this beat light into an electric signal and supplies it to the amplifier 7. In the signal processing circuit 9, the beat signal provided from the third photodetector 45 is used as a reference beat signal to perform the processing described in the first embodiment, and the relative distance between the first measured surface 1 and the second measured surface 2 is increased. Calculate the amount of displacement.
【0028】上記ふたつの実施例において、被測定面に
照射するコヒーレントな光ビームを1個の安定化レーザ
発振器の出力から分割して得ているが、信号処理上、適
当な基準ビート信号を仲介としているため、それぞれが
周波数の近い可干渉性を有するコヒーレントな光線であ
ればよく、同じ発振器からの光に限られるわけではな
い。光回路の構成は、説明を容易にするため光素子を具
体的に配列しているが、本発明の構成を満たす種々の変
形が可能なことはいうまでもない。In the above two embodiments, the coherent light beam for irradiating the surface to be measured is obtained by dividing it from the output of one stabilizing laser oscillator. In signal processing, an appropriate reference beat signal is mediated. Therefore, coherent light beams having coherence with frequencies close to each other may be used, and the light beams are not limited to light from the same oscillator. In the configuration of the optical circuit, the optical elements are specifically arranged for ease of explanation, but it goes without saying that various modifications satisfying the configuration of the present invention are possible.
【0029】[0029]
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の相対変位量
測定方法および装置は、可干渉性を有する2つの光線を
2つの対象に照射してそれぞれ基準光とのビート光を発
生せしめ、これらふたつのビート信号を基準ビート信号
と位相比較した位相差の差に基づいて2つの対象の間の
相対変位量を測定するから、変動する基板上にある物体
の基板に対する相対変位量を測定することができ、特に
ハードディスク上の磁気ヘッドのフライングハイトをデ
ィスク表面状態と対応させながら観測することができ、
産業上の利用性が高い。As described above, the relative displacement amount measuring method and apparatus of the present invention irradiate two objects with two coherent light rays to generate beat light with reference light. Since the relative displacement between two objects is measured based on the phase difference between the two beat signals compared with the reference beat signal, the relative displacement of the object on the fluctuating substrate with respect to the substrate is measured. In particular, the flying height of the magnetic head on the hard disk can be observed while making it correspond to the disk surface state,
High industrial availability.
【図1】本発明の第1実施例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明のプローブの実施態様例を示すブロック
図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of an embodiment of the probe of the present invention.
【図3】本発明の第2実施例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.
【図4】ヘテロダイン干渉法の一例の原理を表した図面
である。FIG. 4 is a drawing showing the principle of an example of heterodyne interferometry.
1、2、101 被測定面 3、102 安定化NeHeレーザ発振器 4、40 光回路 5、6 プローブ 7 増幅器 8 インジケータ 9 信号処理回路 10 ディスプレー 11、13 レンズ 12 光ファイバー 14、104、112 偏光ビームスプリッター 15、19、105、109 音響光学変調器(AO
M) 16、20 AOMコントローラ 17、21、22、24、30、34、41、42、4
4、106、110、115 無偏光ビームスプリッタ
ー 18、43 反射鏡 23、25、45、45、117、119 光検出器 26、27 偏波保持光ファイバー 31、35、113 1/4波長板 32、36 レンズ 33、37、107、108、114 反射鏡 28、29 マルチモードファバー 103 光ファイバー系 111 1/2波長板 116、118 偏光板1, 2, 101 Surface to be measured 3, 102 Stabilized NeHe laser oscillator 4, 40 Optical circuit 5, 6 Probe 7 Amplifier 8 Indicator 9 Signal processing circuit 10 Display 11, 13 Lens 12 Optical fiber 14, 104, 112 Polarizing beam splitter 15 , 19, 105, 109 Acousto-optic modulator (AO
M) 16, 20 AOM controller 17, 21, 22, 24, 30, 34, 41, 42, 4
4, 106, 110, 115 Non-polarizing beam splitter 18, 43 Reflector 23, 25, 45, 45, 117, 119 Photodetector 26, 27 Polarization-maintaining optical fiber 31, 35, 113 Quarter wave plate 32, 36 Lens 33, 37, 107, 108, 114 Reflecting mirror 28, 29 Multimode fiber 103 Optical fiber system 111 1/2 wavelength plate 116, 118 Polarizing plate
Claims (9)
照射して、被測定面から反射してくる反射光についてそ
れぞれ光ビート信号を生成せしめ、該ビート信号と基準
信号間の位相差により両被測定面間の相対的運動を測定
する相対変位量測定方法。1. A light beam is applied to each of the two measured surfaces to generate an optical beat signal for each of the reflected lights reflected from the measured surface, and both are generated by the phase difference between the beat signal and the reference signal. A relative displacement amount measuring method for measuring a relative motion between measured surfaces.
に照射して反射する光線をこれとの干渉性を有しかつ周
波数の異なる第1の参照光と干渉させて第1のビート信
号を得てこの位相を基準ビート信号の位相と比較し第1
の位相差を求め、 第2のコヒーレント光を第2の被測定面に照射して反射
する光線をこれとの干渉性を有しかつ周波数の異なる第
2の参照光と干渉させて第2のビート信号を得てこの位
相を前記基準ビート信号の位相と比較し第2の位相差を
求め、 前記第1位相差と第2位相差の差から第1被測定面と第
2被測定面の相対変位量を求める相対変位量測定方法。2. A first beat by irradiating a first coherent light beam onto a first surface to be measured and causing a reflected light beam to interfere with a first reference light beam having a different coherence and a different frequency. The signal is obtained and this phase is compared with the phase of the reference beat signal.
Of the second coherent light is radiated to the second surface to be measured and the light reflected by the second coherent light is caused to interfere with the second reference light having a different coherency and a different frequency. A beat signal is obtained, this phase is compared with the phase of the reference beat signal to obtain a second phase difference, and the difference between the first phase difference and the second phase difference is used to calculate the first measured surface and the second measured surface. A relative displacement measuring method for obtaining a relative displacement.
って、 前記第1コヒーレント光と第2コヒーレント光が、それ
ぞれ、1個のレーザ光を分離して相対的に周波数偏移せ
しめたP波とS波であり、 前記第1参照光として該第2コヒーレント光を用い、 前記第2参照光として該第1コヒーレント光を用いるこ
とを特徴とする相対変位量測定方法。3. The relative displacement amount measuring method according to claim 2, wherein each of the first coherent light and the second coherent light separates one laser light and relatively shifts the frequency. A relative displacement amount measuring method comprising a P wave and an S wave, wherein the second coherent light is used as the first reference light, and the first coherent light is used as the second reference light.
って、 前記基準ビート信号が前記第1コヒーレント光と第2コ
ヒーレント光を干渉させて得られる電気信号であること
を特徴とする相対変位量測定方法。4. The relative displacement amount measuring method according to claim 3, wherein the reference beat signal is an electric signal obtained by causing the first coherent light and the second coherent light to interfere with each other. Displacement measurement method.
位量を測定する装置において、 ふたつの被測定面にそれぞれ光ビームを照射する照射装
置と、 被測定面から反射してくる反射光を受光してそれぞれ光
ビート信号を生成する光検出装置と、 該ビート信号と基準信号間の位相差により両被測定面間
の相対的運動を測定する信号処理回路を備える相対変位
量測定装置。5. An apparatus for measuring a small amount of displacement by using an optical heterodyne detection method, wherein an irradiation apparatus for irradiating two measured surfaces with a light beam and a reflected light reflected from the measured surface are received. And a relative displacement amount measuring device comprising a photodetector device for respectively generating an optical beat signal, and a signal processing circuit for measuring a relative motion between both measured surfaces by a phase difference between the beat signal and the reference signal.
って、 さらに被測定面に照射する前の光ビームを干渉させて光
ビート信号を取得して前記基準信号とする基準信号発生
装置を備えることを特徴とする相対変位量測定装置。6. The relative displacement amount measuring device according to claim 5, further comprising: interfering a light beam before irradiating the surface to be measured to obtain an optical beat signal and using it as the reference signal. A relative displacement amount measuring device comprising:
に分割し、両偏波を相対的に周波数偏移させてそれぞれ
第1のコヒーレント光と第2のコヒーレント光として供
給する光分割装置と、 前記第1コヒーレント光を第1の被測定面に照射して反
射する光線を受光して供給する第1のプローブと、 前記第2コヒーレント光を第2の被測定面に照射して反
射する光線を受光して供給する第2のプローブと、 前記第1プローブからの光と前記第2コヒーレント光と
の干渉光を生成しこれを入力して第1のビート信号を得
る第1のビート信号発生装置と、 前記第2プローブからの光と前記第1コヒーレント光と
の干渉光を生成しこれを入力して第2のビート信号を得
る第2のビート信号発生装置と、 前記第1ビート信号および第2ビート信号をそれぞれ基
準のビート信号を基準として両者の位相差を求め、該位
相差に基づいた信号を表示する信号処理回路を備える相
対変位量測定装置。7. A laser oscillator, which receives a laser beam, divides it into a first polarized wave and a second polarized wave which are orthogonal to each other, and relatively shifts the frequencies of both polarized waves to obtain a first coherent light. A light splitting device that supplies as second coherent light, a first probe that receives and supplies a light beam that irradiates the first measured surface with the first coherent light and receives and reflects the light beam, and the second coherent light A second probe that receives and supplies a light beam that irradiates and reflects the second surface to be measured, and generates interference light between the light from the first probe and the second coherent light, and inputs the interference light. A first beat signal generating device for obtaining a first beat signal; and a second beat signal for generating an interference light between the light from the second probe and the first coherent light and inputting the interference light Beat signal generator, and the first B A relative displacement amount measuring device including a signal processing circuit that obtains a phase difference between the first beat signal and the second beat signal with a reference beat signal as a reference and displays a signal based on the phase difference.
って、 さらに前記第1コヒーレント光と前記第2コヒーレント
光との干渉光を生成しこれを入力して第3のビート信号
を得る基準ビート信号発生装置を備え、 前記信号処理回路が該第3ビート信号を入力して前記基
準信号とすることを特徴とする相対変位量測定装置。8. The relative displacement amount measuring device according to claim 7, further comprising generating interference light between the first coherent light and the second coherent light and inputting the interference light to obtain a third beat signal. A relative displacement amount measuring device comprising a reference beat signal generator, wherein the signal processing circuit inputs the third beat signal and uses it as the reference signal.
定装置であって、 前記第1プローブと第2プローブが1個のステージ上に
搭載されて両者からの照射光の間隔が調整できるように
構成されることを特徴とする相対変位量測定装置。9. The relative displacement amount measuring device according to claim 7 or 8, wherein the first probe and the second probe are mounted on a single stage so that an interval of irradiation light from both can be adjusted. A relative displacement amount measuring device comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7292009A JPH09113216A (en) | 1995-10-13 | 1995-10-13 | Relative displacement amount measuring method and device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7292009A JPH09113216A (en) | 1995-10-13 | 1995-10-13 | Relative displacement amount measuring method and device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09113216A true JPH09113216A (en) | 1997-05-02 |
Family
ID=17776353
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7292009A Pending JPH09113216A (en) | 1995-10-13 | 1995-10-13 | Relative displacement amount measuring method and device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09113216A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119509716A (en) * | 2024-11-18 | 2025-02-25 | 上海交通大学 | A method, device and system for weak measurement sensing based on coherent states |
-
1995
- 1995-10-13 JP JP7292009A patent/JPH09113216A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119509716A (en) * | 2024-11-18 | 2025-02-25 | 上海交通大学 | A method, device and system for weak measurement sensing based on coherent states |
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