(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を分岐し、分岐されたレーザ光を異なる周波数で変調し、各変調レーザ光を参照面と測定面に個別に照射し、前記参照面及び前記測定面からのそれぞれの反射光を合成し、合成された反射光の干渉成分を生成する光学手段と、
前記反射光の干渉成分を受光するライン型センサで構成され、前記参照面と測定面とで兼用される複数の画素からなる第１の画素群と、前記第１の画素群の両側に設けられた参照面専用の複数の画素からなる第２の画素群とを有する受光素子手段と、
前記第１の画素群の中の測定点の画素に対する参照面位相信号を、前記測定点の画素を中心に左右対称に位置する所定数の画素の信号の平均値に基づいて算出する参照面位相算出手段と、
前記測定点の画素の信号に基づいて前記測定点の画素に入射した前記反射光の測定点位相信号を算出する測定点位相算出手段と、
前記測定点位相信号から前記参照面位相信号を減算することによって前記測定面における前記測定点の高さに相当する信号を算出する高さ算出手段と
を備えたことを特徴とする光干渉計の干渉位相検出方式。
【請求項２】
前記参照面位相算出手段は、算出された参照面位相信号の所定時間分の平均値を算出することによって、前記測定点位相信号を中心とする参照面位相信号を生成し、
前記測定点位相算出手段は、前記測定点の画素の信号を前記所定時間の半分だけ遅延した前記測定点位相信号に基づいて前記測定点の画素に入射した前記反射光の測定点位相信号を算出することを特徴とする請求項１に記載の光干渉計の干渉位相検出方式。
【請求項３】
前記測定面兼用の画素群を所定数のグループに分割し、そのグループ毎に前記参照面位相算出手段によって参照面位相信号を算出し、算出された参照面位相信号及び前記グループ内に属する画素信号に基づいて前記グループ内の測定点の高さに相当する信号を算出することを特徴とする請求項１に記載の光干渉計の干渉位相検出方式。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光の位相干渉を用いた光干渉計を用いて磁気ディスクなどの表面欠陥を正確に検出する光干渉計の干渉位相検出方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年ではパーソナルコンピュータの情報記憶媒体としてハードディスク装置が標準装備されるようになり、その容量も数Ｇバイト程度のものが主流である。また、ノート型パソコンにおいては、小さな容積に対して高密度のハードディスク装置を内蔵可能にすることが望まれている。
【０００３】
ハードディスク装置の記憶密度を上げるためには磁気ヘッドの磁気ディスク表面からの浮上量を２０〜５０ｎｍ程度と極めて小さくしなければならない。このようなハードディスク装置に用いられる磁気ディスクの表面欠陥を検査する場合、その浮上量に応じた検出精度で行わなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、磁気ディスクの表面欠陥の検査は、グライドテスタと呼ばれる装置で行っていた。グライドテスタは、予め設定された浮上量で磁気ディスクを回転させ、そのときに磁気ヘッドがディスク表面の異常突起に何回衝突したかを検出し、その衝突回数に基づいてその磁気ディスクのグライドレベル（磁気ディスク表面の突起高さ）を判定している。
【０００５】
ところが、浮上量が２０〜５０ｎｍ程度の極めて小さな値になると、磁気ヘッドが異常突起に衝突する回数も増加し、衝突によって磁気ヘッドがディスク表面に接触し、磁気ヘッドが頻繁に破損することとなり、その交換や位置合わせなどに多大の時間を要するようになるため問題であった。
【０００６】
そこで、最近では、異常突起の高さを光学的に検出し、グライドテスタと同じような試験を行っている。このような装置を光学式グライドテスタと呼ぶ。図５は従来の光学式グライドテスタの概略構成を示す図である。光学式グライドテスタの基本構成は光干渉計である。レーザ装置３１は波長５３２ｎｍのレーザ光ｆ１を出射する。レーザ光ｆ１は変調手段３２によって変調される。変調手段３２は、ビームスプリッタ３３及び３４、光学音響素子（ＡＯＭ：Ａｃｃｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）３５及び３６、反射鏡３７及び３８から構成される。レーザ光ｆ１は、ビームスプリッタ３３によって反射レーザ光ｆ４と透過レーザ光ｆ２に分岐される。透過レーザ光ｆ２は光学音響素子３５に入射し、そこで周波数ｆｍの変調が加えら、レーザ光ｆ３（＝ｆ２＋ｆｍ）として出射される。一方、反射レーザ光ｆ４は反射鏡３７によって再び反射し、光学音響素子３６に入射し、そこで周波数ｆｎの変調が加えられ、レーザ光ｆ５（＝ｆ４＋ｆｎ）として出射される。光学音響素子３５から出射するレーザ光ｆ３は反射鏡３８で反射され、ビームスプリッタ３４に入射する。一方、光学音響素子３６から出射するレーザ光ｆ５もビームスプリッタ３４に入射する。ビームスプリッタ３４に入射したレーザ光ｆ３とレーザ光ｆ５は合成されて、分岐手段３９に入射する。
【０００７】
分岐手段３９はビームスプリッタ３４からのレーザ光ｆ３とｆ５の合成レーザ光ｆ３＋ｆ５を進行方向及び光路長が同じで所定距離だけ離れた２つのレーザ光ｆ３１＋ｆ５１及びｆ３２＋ｆ５２に分岐し、それらを偏光ビームスプリッタ３Ａに出射する。偏光ビームスプリッタ３Ａは２つのレーザ光ｆ３１＋ｆ５１及びｆ３２＋ｆ５２の一部（所定方向の直線偏光ｆ３１及びｆ３２）を反射して、参照面３Ｂに照射し、残りのレーザ光ｆ５１及びｆ５２を透過して、それを測定面３Ｃの各地点Ａ及びＢに照射する。なお、参照面３Ｂと偏光ビームスプリッタ３Ａとの間、及び測定面３Ｃと偏光ビームスプリッタ３Ａとの間には直線偏光を円偏光に変換する４分の１波長板３Ｄ及び４分の１波長板３Ｅが設けられている。参照面３Ｂで反射したレーザ光ｆ３１及びｆ３２は、直線偏光から円偏光に変換されているので、偏光ビームスプリッタ３Ａを透過して受光素子３Ｆ及び３Ｇに入射する。測定面３Ｃで反射したレーザ光ｆ５１及びｆ５２も同じく直線偏光から円偏光に変換されているので、偏光ビームスプリッタ３Ａで反射して受光素子３Ｆ及び３Ｇに入射する。
【０００８】
受光素子３Ｆ及び３Ｇは、参照面３Ｂで反射したレーザ光ｆ３１及びｆ３２と、測定面３Ｃで反射したレーザ光ｆ５１及びｆ５２の合成されたレーザ光ｆ６及びｆ７を入射し、それに応じた電気信号を位相差測定回路３Ｈに出力する。位相差測定回路３Ｈは受光素子３Ｆ及び３Ｇからの電気信号に基づいて測定面３Ｃの突起高さを測定する。
【０００９】
図６及び図７は、突起の高さがどのようにして測定されるのか、その検出原理を示す図であり、図６は測定面に突起又は段差等がない場合を示し、図７は測定面に高さΔδの突起又は段差等が存在する場合を示す。図６及び図７には、図５における偏光ビームスプリッタ３Ａ、参照面３Ｂ、測定面３Ｃ、受光素子３Ｆ及び３Ｇのみが示されている。レーザ光ｆ６及びｆ７の入射によって受光素子３Ｆ及び３Ｇからは、図６及び図７の右側に示すような干渉出力信号がそれぞれ出力される。レーザ装置３１からは波長５３２ｎｍのレーザ光が出力し、それを変調手段３２で変調周波数ｆｍ＝１５０ＭＨｚ、変調周波数ｆｎ＝１４０ＭＨｚのように約１０ＭＨｚの周波数差となるように変調する。これによって、受光素子３Ｆ及び３Ｇは周波数１０ＭＨｚ（周期１００ｎｓｅｃ）の干渉出力信号を出力するようになる。この干渉出力信号の１周期がレーザ光の波長の約２分の１である２６６ｎｍに相当するので、この受光素子３Ｆ及び３Ｇから出力される干渉出力信号の位相差を測定することによって、測定面における地点Ａ及びＢの高さ、すなわち突起の場合にはその突起の高さ、段差の場合にはその段差間距離を測定することができる。
【００１０】
図６の場合、測定面３Ｃには突起又は段差等が存在しないので、測定面３Ｃの地点Ａ及び地点Ｂで反射した光は同じ光路長を経由して受光素子３Ｆ及び３Ｇに入射する。従って、受光素子３Ｆ及び３Ｇの干渉出力信号の位相は同じである。一方、図７の場合、測定面３Ｃには段差が存在するので、図示のように受光素子３Ｆ及び３Ｇの干渉出力信号は段差間距離Δδに相当するΔｔの位相差を有する。この位相差Δｔが測定面３Ｃの地点Ａ及びＢ間の段差間距離に相当する。従って、この位相差Δｔを測定することによって、段差間距離Δδを検出することができる。この位相差Δｔの測定は、測定面の地点Ａの干渉出力信号を所定のスライス電圧でパルス化して得られた基準パルスＰＡと、測定面３Ｃの地点Ｂの干渉出力信号を同じく所定のスライス電圧でパルス化して得られた測定パルスＰＢとの位相を比較することによって行われる。
【００１１】
ところが、従来のように２本のレーザ光の一方を測定用とし、他方を基準用とした場合、欠陥の周辺に他の欠陥や、欠陥でなくても微少凹凸が存在する場合には、それらの影響を基準用のレーザ光も受けることになり、正確な測定を行うことができないという問題がある。また、測定用センサ系（受光素子３Ｇ）と基準用センサ系（受光素子３Ｆ）で発生するノイズ成分が自乗和平均され、トータルのＳ／Ｎが低下するという問題もある。
【００１２】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、１本のレーザ光を被測定面に照射することによって、被測定面の段差間距離又は突起物の高さに相当する位相差を測定することのできる光干渉計の干渉位相検出方式を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明に係る光干渉計の干渉位相検出方式は、レーザ光を分岐し、分岐されたレーザ光を異なる周波数で変調し、各変調レーザ光を参照面と測定面に個別に照射し、前記参照面及び前記測定面からのそれぞれの反射光を合成し、合成された反射光の干渉成分を生成する光学手段と、前記反射光の干渉成分を受光するライン型センサで構成され、前記参照面と測定面とで兼用される複数の画素からなる第１の画素群と、前記第１の画素群の両側に設けられた参照面専用の複数の画素からなる第２の画素群とを有する受光素子手段と、前記第１の画素群の中の測定点の画素に対する参照面位相信号を、前記測定点の画素を中心に左右対称に位置する所定数の画素の信号の平均値に基づいて算出する参照面位相算出手段と、前記測定点の画素の信号に基づいて前記測定点の画素に入射した前記反射光の測定点位相信号を算出する測定点位相算出手段と、前記測定点位相信号から前記参照面位相信号を減算することによって前記測定面における前記測定点の高さに相当する信号を算出する高さ算出手段とを設けたものである。
【００１４】
レーザ光はビームスプリッタによって互いに偏光面が直交するように分岐される。分岐されたレーザ光に対して周波数変調が加えられ、参照面と測定面に照射される。参照面と測定面で反射したレーザ光同士の干渉波形を観察することによって、参照面までの距離と測定面までの距離の差に相当する位相差を検出することができ、これにより測定面に存在する段差間距離又は突起物の高さなどを検出することができる。従来は、この干渉波形を基準点用と測定点用の２つに分岐してそれぞれ参照面及び測定面に照射し、それぞれの干渉波形を２つの受光素子で検出し、その検出信号に基づいて基準点と測定点の位相差すなわち測定面の段差間距離又は突起物の高さを検出していたのであり、つまり、基準の高さが点として把握されていた。この発明では、干渉波形を分岐することなく、１つの干渉波形を１つの受光素子で受光することによって、測定面の段差間距離又は突起物の高さを検出する。そこで、この発明では、受光素子を、前記参照面と測定面とで兼用される複数の画素からなる第１の画素群と、この第１の画素群の両側に設けられた参照面専用の複数の画素からなる第２の画素群とを有するライン型センサで構成する。測定点の画素の位相信号は、測定点の画素の信号に基づいて直接求める。一方、参照準面の画素の位相信号は、参照面位相算出手段によって、その測定点の画素を中心に左右対称に位置する所定数の画素の信号の平均値に基づいて求める。これを測定面兼用の各画素に対して行う。これによって、微少凹凸が存在する場合でも、予め参照面用の画素を特定したものに比べて、参照面位相のノイズは著しく低減され、再現性が向上するという効果がある。
【００１６】
請求項２に記載された本発明に係る光干渉計の干渉位相検出方式は、前記請求項１に記載の光干渉計の干渉位相検出方式の一実施態様として、前記参照面位相算出手段は、算出された参照面位相信号の所定時間分の平均値を算出することによって、前記測定点位相信号を中心とする参照面位相信号を生成し、前記測定点位相算出手段は、前記測定点の画素の信号を前記所定時間の半分だけ遅延した前記測定点位相信号に基づいて前記測定点の画素に入射した前記反射光の測定点位相信号を算出するようにしたものである。これによって、測定点の画素位置を基準面全体の中心に配置できる。
【００１７】
請求項３に記載された本発明に係る光干渉計の干渉位相検出方式は、前記請求項１に記載の光干渉計の干渉位相検出方式の一実施態様として、前記測定面兼用の画素群を所定数のグループに分割し、そのグループ毎に前記参照面位相算出手段によって参照面位相信号を算出し、算出された参照面位相信号及び前記グループ内に属する画素信号に基づいて前記グループ内の測定点の高さに相当する信号を算出するようにしたものである。基準面位相信号を当該グループ毎に算出することによって、演算を簡略化できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を添付図面に従って説明する。図１は、本発明の光干渉計の干渉位相検出方式の実施の形態に係る概略構成を示す図である。レーザ装置３１は波長５３２ｎｍのレーザ光ｆ１を出射する。ビームスプリッタ３３は、２つの偏光レーザ光（透過レーザ光ｆ２と反射レーザ光ｆ３）を光学音響素子３５及び３６に出力する。光学音響素子３５は、透過レーザ光ｆ２に周波数ｆｍの変調を加え、それをレーザ光ｆ４（＝ｆ２＋ｆｍ）として反射鏡３８に出射する。光学音響素子３６は反射レーザ光ｆ３に周波数ｆｎの変調を加え、それをレーザ光ｆ５（＝ｆ３＋ｆｎ）として反射鏡３７に出射する。光学音響素子３５から出射するレーザ光ｆ４は反射鏡３８で反射し、ビームスプリッタ３４に入射する。一方、光学音響素子３６から出射するレーザ光ｆ５も反射鏡３７で反射し、ビームスプリッタ３４に入射する。ビームスプリッタ３４に入射したレーザ光ｆ４とレーザ光ｆ５は合成されて、偏光ビームスプリッタ３Ａに入射される。
【００１９】
偏光ビームスプリッタ３Ａはレーザ光ｆ４を反射して４分の１波長板３Ｄを介して参照面３Ｂに照射し、またレーザ光ｆ５を透過して４分の１波長板３Ｅを介して測定面３Ｃに照射する。４分の１波長板３Ｄ及び３Ｅを通過した直線偏光は円偏光に変換される。参照面３Ｂで反射したレーザ光ｆ４は、直線偏光から円偏光に変換されているので、偏光ビームスプリッタ３Ａを透過して偏光板２を介して受光素子３Ｍに入射する。一方、測定面３Ｃで反射したレーザ光ｆ５も同じく直線偏光から円偏光に変換されているので、偏光ビームスプリッタ３Ａで反射して偏光板２を介して受光素子３Ｍに入射する。すなわち、４分の１波長板３Ｄ及び３Ｅは入射光と戻り光の偏光を直交させ、戻り光を偏光板２へ導く。偏光板２は参照面３Ｂで反射したレーザ光ｆ４と測定面３Ｃで反射したレーザ光ｆ５とから干渉成分を取り出し、それを受光素子３Ｍに出力する。
【００２０】
受光素子３Ｍは、図２に示すように測定面兼用画素群Ｍ１と参照面専用画素群Ｍ２，Ｍ３とからなるライン形センサで構成されている。測定面兼用画素群Ｍ１は長手方向に並んだ６４個の画素で構成されている。測定面兼用画素群Ｍ１を構成する６４個の画素は８個を１グループとする画素グループＡ〜Ｈに分割される。各グループＡ〜Ｈの画素はＡ０〜Ａ７，Ｂ０〜Ｂ７，Ｃ０〜Ｃ７，Ｄ０〜Ｄ７，Ｅ０〜Ｅ７，Ｆ０〜Ｆ７，Ｇ０〜Ｇ７，Ｈ０〜Ｈ７の符号で区別することとする。各画素グループＡ〜Ｈの各画素は連続的に配置されている。参照面専用画素群Ｍ２は、測定面兼用画素群Ｍ１の画素グループＡ〜Ｈの１画素の８個分の大きさの画素からなる４つの画素Ｌ０〜Ｌ３で構成されており、全体として画素グループＡ〜Ｈの画素数に換算して３２画素分のサイズからなる。同じく、参照面専用画素群Ｍ３も、測定面兼用画素群Ｍ１の画素グループＡ〜Ｈの１画素の８画素分の大きさの画素からなる４つの画素Ｒ０〜Ｒ３で構成されている。これは参照準面専用画素群Ｍ２，Ｍ３を磁気ディスクの半径方向におけるレーザ光の入力信号を平均化するための用いるためである。
【００２１】
このライン型センサの受光素子３Ｍの長手方向と被測定面である磁気ディスクの半径方向とが一致するように配置される。測定面兼用画素群Ｍ１の６４個の各画素から高さ信号を得るために、この実施の形態では、図１の信号処理回路１を用いている。すなわち、従来は測定点用と基準点用の２つの受光素子を用いて各画素における高さ信号を得ていた。この実施の形態では、１つの受光素子３Ｍを用いて各画素に対応した高さ信号を得るようにしている。
【００２２】
図３は図１の信号処理回路１の詳細構成の一部を示す図であり、図２の画素グループＡ及びＢの各画素Ａ０〜Ａ７，Ｂ０〜Ｂ７の高さ信号を出力する部分の回路構成を示す図である。画素グループＣ〜Ｈも同様の構成なので、図示は省略してある。図１では、図３の信号処理回路１の主要な部分のみが示されている。
【００２３】
図３の信号処理回路の中の半径方向平均回路１Ａ、位相検出器２Ａ、移動平均回路４Ａ、位相検出器５０〜５７、遅延回路６０〜６７及び減算回路７０〜７７が画素グループＡの各画素Ａ０〜Ａ７の高さ信号を出力するものであり、半径方向平均回路１Ｂ、位相検出器２Ｂ、移動平均回路４Ｂ、位相検出器５８〜５Ｆ、遅延回路６８〜６Ｆ及び減算回路７８〜７Ｆが画素グループＢの各画素Ｂ０〜Ｂ７の高さ信号を出力するものである。
【００２４】
半径方向平均回路１Ａは、測定点である画素グループＡを中心として対称とみなせる区間（例えば左右に３２画素相当分）の画素出力を平均化するものである。すなわち、半径方向平均回路１Ａは、画素グループＡの左側に位置する３２画素相当分の画素Ｌ０〜Ｌ３の画素出力と、その右側に位置する３２画素分の画素Ｂ０〜Ｂ７，Ｃ０〜Ｃ７，Ｄ０〜Ｄ７，Ｅ０〜Ｅ７の画素出力とを入力し、これらの出力の平均値を算出するものであり、磁気ディスクの半径方向における画素出力を平均化するものである。
【００２５】
位相検出器２Ａは、この半径方向平均回路１Ａから出力される画素出力の平均値に基づいた位相信号を出力する。位相検出方式は従来と同様の処理にて行われるので、ここでは省略する。
【００２６】
移動平均回路４Ａは、遅延回路の組み合わせから構成されるものであり、測定点である画素グループＡが平均エリアの中心に位置するように、各画素出力（画素Ｌ０〜Ｌ３の画素出力と、その右側に位置する３２画素分の画素Ｂ０〜Ｂ７，Ｃ０〜Ｃ７，Ｄ０〜Ｄ７，Ｅ０〜Ｅ７の画素出力）の平均値に基づいて算出された位相信号を磁気ディスクの円周方向における位相信号の平均値として算出するものである。すなわち、移動平均回路４Ａは、図４に示すように位相検出器２Ａから出力された各時刻ｔ１〜ｔ７における位相信号を記憶しておき、その平均値を算出することによって、画素グループＡの位相信号が図４（Ａ）のように平均エリアの中心（時刻ｔ４における画素グループＡ）に位置するように設定するものである。図４（Ｂ）は、画素グループＥの位相信号が平均エリアの中心に位置する場合の様子を示したものである。なお、移動平均回路４Ａの平均化に際して、フィルタ特性を持たせるために各時刻の信号に重み付けを行ってもよい。
【００２７】
位相検出器５０〜５７は画素グループＡの各画素Ａ０〜Ａ７の画素出力を入力し、それに基づいた位相信号を出力する。遅延回路６０〜６７は各位相検出器５０〜５７からの位相信号を移動平均回路４Ａの遅延時間の半分だけ遅延するものである。これは、移動平均回路４Ａが測定点を平均エリアの中心に位置するために所定時刻遅延しているものに対応させたものであり、測定点についてみれば所定時刻の半分だけ遅延することによって対応つけることができる。減算回路７０〜７７は、各遅延回路６０〜６７の出力から移動平均回路４Ａの出力を減算することによって各画素Ａ０〜Ａ７の入射光に対応する地点の高さ信号Ｔ０〜Ｔ７を出力するようになる。他の画素グループＢ〜Ｈについても同様の処理にて、高さ信号を出力する。
【００２８】
なお、上述の実施の形態では、測定点を含む画素グループの隣接する画素グループから所定領域内の画素群の信号を平均化することによって参照面における位相信号を得る場合について説明したが、これに限らず、測定点を含む画素グループから所定領域離れた画素グループから所定領域内の画素群の信号を平均化するようにしてもよい。これは、測定点の画素に隣接する画素は測定点の画素の影響を受ける割合が高いので、参照面における位相信号としてはノイズを含むからである。また、上述の実施の形態では、画素グループの画素数を８画素の場合について説明したが、これは一例であり、これ以外の画素数でよいことはいうまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の光干渉計の干渉位相検出方式によれば、１本のレーザ光を被測定面に照射することによって、被測定面の段差間距離又は突起物の高さに相当する位相差を測定することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光干渉計の干渉位相検出方式の実施の形態に係る概略構成を示す図である。
【図２】  図１の受光素子の詳細構成を示す図である。
【図３】  図１の信号処理回路１の一部分の詳細構成を示す図である。
【図４】  図１の信号処理回路１の動作概念を示す図である。
【図５】  従来の光学式グライドテスタの概略構成を示す図である。
【図６】  測定面に突起又は段差等がない場合に突起又は段差の高さがどのようにして測定されるのか、その検出原理を示す図である。
【図７】  測定面に高さΔδの突起又は段差等が存在する場合に突起又は段差の高さがどのようにして測定されるのか、その検出原理を示す図である。
【符号の説明】
１…信号処理回路、２…偏光板、３１…レーザ装置、３２…変調手段、３３，３４…ビームスプリッタ、３５，３６…光学音響素子、３７，３８…反射鏡、３Ａ…偏光ビームスプリッタ、３Ｂ…参照面、３Ｃ…測定面、３Ｄ，３Ｅ…４分の１波長板、３Ｆ，３Ｇ…受光素子、３Ｈ…位相差測定回路、３Ｍ…ライン型受光素子、１Ａ，１Ｂ…半径方向平均回路、２Ａ，２Ｂ，Ａ０〜Ａ７，Ｂ０〜Ｂ７…位相検出器、４Ａ，４Ｂ…位相平均回路、６０〜６Ｆ…遅延回路、７０〜７Ｆ…減算回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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