CN102297659B

CN102297659B - 位移检测装置

Info

Publication number: CN102297659B
Application number: CN201110165182.4A
Authority: CN
Inventors: 田宫英明
Original assignee: Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: US20110317172A1; JP2012007925A; TWI500899B; US8363230B2; DE102011076983A1; KR101775442B1; CN102297659A; KR20110139674A; JP5504068B2; TW201215844A

Abstract

一种位移检测装置，其包括：光源；第一光束分光器，其适于将从光源发出的光分为第一光束和第二光束；反射构件，其适于反射第一光束；物镜，其适于将第二光束会聚在待测表面上；第一光接收部，其适于接收被反射的第一光束与被反射的第二光束的干涉光；相对位置信息输出部，其适于输出待测表面在高度方向上的相对位置信息；第二光束分光器，其适于取出被反射的第二光束的一部分；像散产生器，其适于在取出的第二光束中产生像散；第二光接收部，其适于接收具有像散的第二光束；和绝对位置信息输出部，其适于产生待测表面在高度方向上的绝对位置信息。

Description

位移检测装置

技术领域

本发明涉及一种用于通过使用光的非接触式传感器精确地检测待测表面的位移的位移检测装置。

背景技术

传统上，位移检测装置被广泛地用于测量待测表面的位移和形状。

在这些位移检测装置中，存在使用光以非接触的方式检测待测表面的位移的位移检测装置。在这样的位移检测装置中，例如，从光源发出的光被物镜会聚在待测表面上。另外，由待测表面反射的光被像散光学元件(astigmaticopticalelement)会聚使得在所述光中产生像散，并且已经产生像散的光被入射到光接收元件上。

基于光接收元件所接收到的光的强度，通过像散方法生成焦点误差信号(focuserrorsignal)，并且操作伺服机构(servo)以使物镜位移，从而使会聚的光的焦点位置位于待测表面上。

另外，线性标尺经由连接构件被一体地安装到物镜，使得线性标尺由于与物镜的位移连动而移动。由固定到固定点的检测头读取移动的线性标尺的刻度，由此检测待测表面在高度方向上的位移。

但是，在这样的位移检测装置中，由于焦点误差信号本身的线性不良，所以不能获得高的检测精度。

为了解决该问题，在日本特开平05-89480号公报中提出了使用校正表格来校正非接触式传感器的焦点误差信号的方法。

在日本特开平05-89480号公报所公开的位移检测装置中，为了提高位移检测的精度，物镜的NA(数值孔径)被设置得大，因此减小了会聚于待测表面的光束直径。例如，当形成于待测表面的光束直径为大约2μm时，线性标尺的检测精度将在数nm至数百nm之间的范围内。

发明内容

但是，在日本特开平05-89480号公报所公开的位移检测装置中，通过减小在待测表面上成像的光的光束直径而实现高的分辨率。由此，来自待测表面的反射光容易受到表面粗糙度的影响，使得在待测表面上成像的光被散射，由此造成测量误差。

另外，由于通过减小光束直径来实现高的分辨率，因此，存在如下情况：检测到附着于待测表面的微细异物等，使得不能总是精确地获得比如待测表面的位移、形状等位移信息。

另外，在当前的半导体制造设备、检查设备等中使用具有倾斜机构的超高精度定位台架(stage)。在这样的超高精度定位台架中，需要在抑制传感器本身所产生的热的状态下在高度方向上进行高速测量。

但是，在比如日本特开平05-89480号公报所公开的位移检测装置等先前的位移检测装置中，需要进行控制以使光束的像总是位于待测表面上。

由此，在日本特开平05-89480号公报所公开的现有技术中，物镜被例如驱动机构驱动而在光轴方向上上下移动，所述驱动机构例如是使用磁体和线圈的致动器；但是，由于致动器的结构和质量，物镜上下移动的机械响应频率受到限制。

另外，由于线圈等被致动，物镜会被加热，因此，测量位置会偏离。

由于上述原因，在传统方法中，使用条件受到限制。

考虑到上述问题，本发明的目的在于提供一种位移检测装置，该装置具有比较宽的使用条件并且能够精确地检测高度方向上的位置。

为了解决上述问题，根据本发明的方面的位移检测装置包括光源；第一光束分光器，其适于将从所述光源发出的光分成第一光束和第二光束；和反射构件，其适于反射由所述第一光束分光器分出的所述第一光束。

上述位移检测装置还包括：物镜，其适于将由所述第一光束分光器分出的所述第二光束会聚在待测表面上；和第一光接收部，其适于接收由所述反射构件反射的所述第一光束与由所述待测表面反射的所述第二光束的干涉光。

上述位移检测装置还包括相对位置信息输出部，其适于基于由所述第一光接收部接收的所述干涉光的强度输出所述待测表面在高度方向上的相对位置信息。

上述位移检测装置还包括：第二光束分光器，其适于取出由所述待测表面反射的所述第二光束的一部分；和像散产生器，其适于在由所述第二光束分光器取出的所述第二光束中产生像散。

上述位移检测装置还包括：第二光接收部，其适于接收已经由所述像散产生器产生像散的所述第二光束；和绝对位置信息输出部，其适于基于由所述第二光接收部所接收的光的强度产生所述待测表面在高度方向上的绝对位置信息，并且输出所产生的绝对位置信息。

利用根据本发明的位移检测装置，基于来自待测表面的反射光与来自反射构件的反射光的干涉光获得相对位置信息。换句话说，根据待测表面的高度而周期性变化的干涉光的强度被用作标尺。

另外，利用根据本发明的位移检测装置，基于来自待测表面的反射光输出绝对位置信息。由此，能够基于绝对位置信息确定由前述干涉光形成的标尺的基准点和基准位置，从而能够正确地检测到待测表面的位移。

利用根据本发明的位移检测装置，基于来自待测表面的反射光与来自反射构件的反射光的干涉光获得相对位置信息，并且基于来自待测表面的反射光获得绝对位置信息。

由此，可以在不采用传统的微细制造标尺的情况下检测到位移。而且，也不需要如传统技术中那样以与物镜连动的方式驱动标尺。

由于不需要传统的驱动机构，所以能够减小使用期间产生的热。另外，由于不需要驱动机构，所以不存在响应频率的问题，因此能够放宽使用条件。

附图说明

图1是示意性示出根据本发明的第一实施方式的位移检测装置的构造的图；

图2是示意性示出相对位置信息输出部的构造的框图；

图3A至图3C均是示出由第二光接收部接收到的光斑的图；

图4是用于说明焦点误差信号的图；

图5是示意性示出根据本发明的第二实施方式的位移检测装置的构造的图；

图6是示意性示出根据本发明的第三实施方式的位移检测装置的构造的图。

具体实施方式

下面将参考图1至图6说明根据本发明的优选实施方式的位移检测装置。但是，应注意，本发明并不局限于这些实施方式。

另外，下面说明的各透镜均可以是单个透镜或者透镜组。

另外，在本发明中，与实施方式无关地，当单模的半导体激光器被用作光源时，由于能够发出具有高相干性的光束，所以能够扩展测量范围。在该情况中，优选地，控制光源的温度以稳定所发出的光的波长。

另外，当多模的半导体激光器被用作光源时，由于从多模的半导体激光器发出的光的相干性比从单模的半导体激光器发出的光的相干性低，所以将抑制光接收元件的光接收面上的散斑(speckle)。然而，在该情况中，测量范围变为相干距离。

另外，优选地，光源以可拆卸的方式安装到位移检测装置的主体。利用这样的配置，在光源超过使用寿命或者当需要改变光源的波长时，易于更换光源。

另外，光源可以是经由光纤等供给光的外部光源。在该情况中，作为热源的光源可以被移动到外部。另外，通过将光源以可拆卸的方式安装到光纤，能够在与位移检测装置分开的位置维护光源，从而提高可加工性。

另外，也可以从外部经由气体空间、液体空间、真空空间等供给光源的光。在这样的情况中，不仅热源可以与装置主体分开地配置，而且连接到装置主体的如光纤等构件也可以被取消，从而不会有振动传递到装置主体。

另外，为了减小由于温度波动造成的光源的波长波动的影响，优选地，消色差透镜(achromaticlens)例如被用作物镜以校正色象差(chromaticaberration)。

1.第一实施方式

图1是示意性示出根据本发明的第一实施方式的位移检测装置100的构造的图。根据本实施方式的位移检测装置100包括光源1、适于将从光源1发出的光分成第一光束和第二光束的第一光束分光器3、和适于反射由第一光束分光器3分出的第一光束的反射构件8。

位移检测装置100还包括：物镜5，其适于将由第一光束分光器3分出的第二光束会聚在待测物体9的待测表面上；和第一光接收部30，其适于接收由反射构件8反射的第一光束与由待测物体9的待测表面反射的第二光束的干涉光。

位移检测装置100还包括相对位置信息输出部60，所述相对位置信息输出部60适于基于由第一光接收部30接收到的干涉光的强度而输出待测物体9的待测表面在高度方向上的位移。

位移检测装置100还包括：第二光束分光器20，其适于取出由待测表面反射的第二光束的一部分；和像散产生器10，其适于在由第二光束分光器20取出的第二光束中产生像散。

位移检测装置100还包括：第二光接收部40，其适于接收已经由像散产生器10产生像散的第二光束；和绝对位置信息输出部50，其适于基于由第二光接收部40检测到的接收光的强度而生成待测表面在高度方向上的绝对位置信息，并输出所述绝对位置信息。

光源1可以由例如半导体激光二极管、超辐射发光二极管、发光二极管等构成。顺便提及，如下所述，在本发明中，由于来自光源的光的干涉光用于进行测量，所以来自光源的光的相干距离越大，测量范围越宽。

从光源1发出的光被比如准直透镜等透镜2准直成为例如平行光。另外，由透镜2准直的光被第一光束分光器(比如偏振光束分光器等)3分成两个光束。

例如，在来自光源1的光中，s偏振光被第一光束分光器3反射，p偏振光透过第一光束分光器3。

由第一光束分光器3所反射的s偏振光构成的第一光束被聚光透镜7会聚到反射构件(比如镜等)8。反射构件8的光反射膜由比如金等金属制成。由此，与由介电多层膜制成的通常反射膜相比，能够抑制由湿度变化引起的偏振光的波长和特性的变化，从而可以稳定地进行位置检测。

由反射构件8反射的第一光束经由聚光透镜7再次入射到第一光束分光器3。顺便提及，相位板(phaseplate)(比如1/4波长板等)6被配置在第一光束分光器3和反射构件8之间的光路中。由此，在第一光束朝向反射构件8前进和从反射构件8返回时，第一光束两次透过相位板6，由此，第一光束的偏振方向被转动90°，使得第一光束被转换成p偏振光。

另外，已经被转换为p偏振光的第一光束透过第一光束分光器3并且入射到聚光透镜11。

另一方面，由透过第一光束分光器3的p偏振光构成的第二光束透过相位板(比如1/4波长板等)4，由此成为圆偏振光，该圆偏振光被物镜5会聚在待测物体9的待测表面上。物镜5的NA值越大，分辨率越高；物镜5的NA值越小，待测表面的测量范围越宽。

顺便提及，由物镜5会聚的第二光束不是必须在待测表面上形成像。

通过使成像位置从待测表面偏移以增大待测表面上的光斑直径，能够减小由待测表面的表面粗糙度和/或附着到待测表面的异物等引起的测量误差的影响。另外，在日本特开平05-89480号公报所公开的现有技术中，物镜被致动以跟随待测表面上下移动，使得光在待测表面上形成像。相反地，本实施方式中的物镜5被固定在位移检测装置100中。

因此，在本实施方式中，由物镜5形成第二光束的像的位置不会由于待测表面的凹凸而变化。由此，由物镜5形成第二光束的像的位置可以用作获得待测表面的绝对位移的基准点。

入射到待测表面上的第二光束被反射，并且经由物镜5再次入射到相位板(比如1/4波长板等)4。第二光束从圆偏振光被相位板4转换成为s偏振光，并且被第一光束分光器3反射。

另外，由第一光束分光器3反射的第二光束入射到聚光透镜11上。

顺便提及，优选地，第一光束分光器3和反射构件8之间的光路长度等于第一光束分光器3与由物镜5会聚的第二光束的焦点位置之间的光路长度(即，第一光束分光器3与测量绝对位移用的基准点之间的光路长度)。

利用这样的配置，即使存在由压力、湿度和温度的波动而引起的光源波长的波动，也可以使施加到第一光束的影响等于施加到第二光束的影响。由此，可以与周围环境无关地稳定由第一光接收部接收的第一光束与第二光束的干涉光的强度(将在下面详细说明)，从而能够更精确地进行测量。

透过聚光透镜11的第一光束和第二光束均被第二光束分光器20分成两个光束。

在本实施方式中，第二光束分光器20由例如光束分光器12和偏光板21构成。

由光束分光器12反射的第一光束和第二光束入射到用于接收光束的第一光接收部30。

另外，透过光束分光器12的第一光束和第二光束透过偏光板21，由此，仅作为来自待测物体9的反射光的第二光束被光接收部40接收。

第一光接收部30包括半反射镜(halfmirror)31和偏振光束分光器32，其中，第一光接收部30适于将由光束分光器12反射的第一光束和第二光束分成两个光束，并且偏振光束分光器32适于将由半反射镜31分出的两个光束中的一个光束进一步分成两个光束。第一光接收部30还包括第一光接收元件33和第二光接收元件34，以分别接收由偏振光束分光器32分出的两个光束。

第一光接收部30还包括布置在由半反射镜31分出的两个光束中的另一个光束的光路中的相位板(比如1/4波长板等)35、和适于将透过相位板35的光束分成两个光束的偏振光束分光器36。第一光接收部30还包括第三光接收元件37和第四光接收元件38，以分别接收由偏振光束分光器36分出的两个光束。

入射到半反射镜31的第一光束和第二光束分别被分光。

透过半反射镜31的第一光束和第二光束入射到偏振光束分光器32。偏振光束分光器32被倾斜地布置成使得第一光束的偏振方向与第二光束的偏振方向均相对于偏振光束分光器32的入射面倾斜45°角，其中，第一光束的偏振方向与第二光束的偏振彼此相差90°。

利用这样的配置，第一光束和第二光束两者具有相对于偏振光束分光器32的p偏光成分和s偏光成分。由此，透过偏振光束分光器32的第一光束和第二光束例如成为具有相同偏振方向的p偏振光，使得第一光束和第二光束能够彼此干涉。

类似地，由偏振光束分光器32反射的第一光束和第二光束成为相对于偏振光束分光器32具有相同偏振方向的s偏振光，使得第一光束和第二光束能够彼此干涉。

由偏振光束分光器32反射的第一光束和第二光束的干涉光被第一光接收元件33接收。另外，透过偏振光束分光器32的第一光束和第二光束的干涉光被第二光接收元件34接收。

另外，由第一光接收元件33光电转换的信号的相位与由第二光接收元件34光电转换的信号的相位彼此相差180°。

在第一光接收元件33和第二光接收元件34中获得由“Acos(Kx+δ)”表示的干涉信号。“A”表示干涉信号的振幅，“K”表示由“2П/Λ”表示的波数，其中“Λ”表示光源1的波长。

另外，“x”表示由待测物体9的待测表面反射的第二光束的光路长度的变化量，其中第二光束的光路长度根据待测表面的形状而变化。

由于反射构件8被固定，所以第一光束的光路长度不变化。由此，第一光接收元件33和第二光接收元件34接收如下的干涉光：在该干涉光中，每当第二光束的光路长度根据待测表面的形状而改变Λ/2时，产生一个周期的明暗条纹。

另一方面，由半反射镜31反射的第一光束和第二光束入射到相位板(比如1/4波长板等)35。作为偏振方向彼此相差90°的的直线偏振光束的第一光束和第二光束透过相位板35，由此成为具有彼此相反的转动方向的两个圆偏振光束。

另外，由于具有彼此相反的转动方向的两个圆偏振光束位于相同的光路中，所以它们相互叠加由此成为直线偏振光，该直线偏振光入射到偏振光束分光器36。

该直线偏振光的s偏光成分被偏振光束分光器36反射并且被第三光接收元件37接收。另外，p偏光成分透过偏振光束分光器36并且由第四光接收元件38接收。

通过使具有彼此相反的转动方向的两个圆偏振光束相互叠加而产生入射到偏振光束分光器36的直线偏振光。由此，如果第二光束的光路长度变化并且由此第一光束的相位和第二光束的相位相互偏移，则叠加的直线偏振光的偏振方向将转动。

如果第二光束的光路长度改变Λ/2，则直线偏振光将精确地转动180°。由此，第三光接收元件37和第四光接收元件38接收如下的干涉光：在该干涉光中，每当第二光束的光路长度改变Λ/2时，产生一个周期的明暗条纹，用“Acos(Kx+δ’)”表示由第三光接收元件37和第四光接收元件38光电转换的信号。这里，“δ’”表示初始相位。

另外，由第三光接收元件37光电转换的信号的相位和由第四光接收元件38光电转换的信号的相位彼此相差180°。

顺便提及，偏振光束分光器36被布置在相对于偏振光束分光器32成45°的位置，其中，偏振光束分光器36适于对由第三光接收元件37和第四光接收元件38接收的光束进行分光，偏振光束分光器32适于对由第一光接收元件33和第二光接收元件34接收的光束进行分光。

由此，第三光接收元件37和第四光接收元件38所获得的信号的相位与第一光接收元件33和第二光接收元件34所获得的信号的相位相差90°。

由此，可以如下地获得Lissajous信号：使用由第一光接收元件33和第二光接收元件34获得的信号作为正弦信号，使用由第三光接收元件37和第四光接收元件38获得的信号作为余弦信号。

由相对位置信息输出部60算出这些光接收元件所获得的信号，并且计算待测表面的位移量。

例如，如图2所示，在相对位置信息输出部60中，由差分放大器61a对第一光接收元件33所获得的信号和第二光接收元件34所获得的信号进行差分放大，从而消除干涉信号的DC成分，其中，第一光接收元件33所获得的信号的相位和第二光接收元件34所获得的信号的相位彼此相差180°。

另外，由A/D转换器62a对该信号进行A/D转换，并且由波形校正处理部63校正信号的信号振幅、偏移和相位。在增量信号产生器(incrementalsignal)64中，该信号被计算为例如A相增量信号。

类似地，第三光接收元件37和第四光接收元件38中获得的信号由差分放大器61b进行差分放大并且由A/D转换器62b进行A/D转换。另外，由波形校正处理部63校正信号的信号振幅、偏移和相位，并且从增量信号产生器64输出该信号作为B相增量信号，其中，B相增量信号的相位与A相增量信号的相位不同。

由脉冲判断电路等(图中未示出)判断以上述方式获得的两个相位的增量信号是正的还是负的，由此可以检测待测表面在高度方向上的位移量是在正方向上还是在负方向上。

另外，可以通过利用计数器(图中未示出)计数增量信号的每单位时间内的相位变化而进行测量，以观察第一光束和第二光束的干涉光强度已经改变了多少个上述周期。由此，能够通过上述处理检测待测表面在高度方向上的位移量。

顺便提及，由本实施方式的相对位置信息输出部60输出的相对位置信息可以是上述两个相位的增量信号，或者是包括基于两个相位的增量信号计算的位移的大小和方向的信号。

接着，下面将说明由第二光束分光器20分出的两个光束中的另一个光束、即透过光束分光器12的光束。

仅允许第二光束透过的偏光板21被布置在透过光束分光器12的第一光束和第二光束的光路中。利用这样的配置，仅第二光束(来自待测物体9的待测表面的反射光)被取出，并且除去偏移的光。

另外，铬膜或者介电多层膜可以形成在偏光板21上，由此偏光板也可以作为光束分光器。

在这样的情况中，由于光束分光器12的功能和偏光板21的功能由一个部件来完成，所以能够减少部件的数目。

另外，透过偏光板21的第二光束入射到第二光接收部40。

另外，由像散产生器10在入射到第二光接收部40的第二光束中产生像散。

在本实施方式中，相对于光束的光轴倾斜的光束分光器12被设置在由聚光透镜11会聚的第一光束和第二光束的光路中，由此在透过光束分光器12的光束中产生像散。

也可以通过设置柱状透镜产生像散；但是，在本实施方式中，优选采用光束分光器12，这是因为，光束分光器12在产生像散的同时将光束分成沿不同方向的两个光束，因此能够减少部件的数目。

如图3A至图3C所示，第二光接收部40包括第五光接收元件41、第六光接收元件42、第七光接收元件43和第八光接收元件44。第二光束的形成在第二光接收部上的光斑的形状根据待测表面在高度方向上的位置而变化。

例如，如图3A所示，在照射到待测表面的第二光束的焦点位于比待测表面高的位置的情况中，第二光束在第二光接收部40上的光斑A1成为椭圆形。

另外，如图3B所示，在照射到待测表面的第二光束的焦点位于待测表面上的情况中，第二光束在第二光接收部40上的光斑A2成为圆形。

另外，如图3C所示，在照射到待测表面的第二光束的焦点位于比待测表面低的位置的情况中，第二光束在第二光接收部40上的光斑A3成为椭圆形，其中，椭圆形光斑A3的长轴方向与椭圆形光斑A1的长轴方向相比转动90°。

假设第五光接收元件41、第六光接收元件42、第七光接收元件43和第八光接收元件44的输出信号分别为A、B、C和D，则可以通过下式(1)表示焦点误差信号S_FE(其表示照射到待测表面的第二光束从焦点位置的偏移)：

S_FE＝(A+C)-(B+D)(1)

图4是示出由式(1)获得的焦点误差信号的特性的图。在图4中，横轴表示待测表面在高度方向上的位置，纵轴表示焦点误差信号。

如点B所示，例如，当照射到待测表面的第二光束的焦点位于待测表面上时，焦点误差信号等于零。

在本实施方式中，由于物镜5被固定，所以照射到待测表面的第二光束的焦点位置保持恒定。由此，在焦点误差信号等于零时，待测表面的高度恒定地相同，因此，焦点误差信号等于零时的位置可以用作检测位移用的基准点。

用于获得焦点误差信号的运算部可以内置于第二光接收部40，或者被配置在绝对位置信息输出部50中。另外，绝对位置信息输出部50对焦点误差信号进行A/D转换，并且输出转换后的值。

顺便提及，光散射体(例如，毛玻璃等)可以配置在光束分光器12和第二光接收部40之间的光路中。利用这样的配置，可以在与入射到第二光接收部40的第二光束的光轴方向垂直的截面中获得均一的光强度分布。由此，可以降低待测表面上的微细缺陷和微细异物等被检测到的可能性，可以降低表面粗糙度的影响，因此可以测量待测表面的平均高度。

另外，如果前述的光散射体以例如1kHz的频率振动以多样地改变散射方向，则光接收元件41、42、43和44上的散斑将被平均化，因此将减小散斑对比度。

另外，具有预定形状的光圈(aperture)可以配置在物镜5和第二光接收部40之间的第二光束的光路中，从而遮断从待测表面反射并且以特定入射角和入射位置再次入射到物镜5的光。利用这样的配置，能够防止由附着到待测表面的异物和/或待测表面的凹凸引起的衍射光作为杂散光被第二光接收部40接收。

另外，第一光接收部的光接收元件和第二光接收部的光接收元件也可以用光纤接收干涉光和/或已经产生像散的光。通过使用光纤，各位置的光接收元件可以被配置在与位移检测装置100的光学系统分离的位置。

由此，通过将光接收元件配置在绝对位置信息输出部50和相对位置信息输出部60的附近，能够缩短从光接收元件至绝对位置信息输出部50和相对位置信息输出部60的通信距离，因此能够提高响应速度。

如上所述，在位移检测装置100中，从光源1发出的光被分为两个光束，其中，第一光束入射到反射构件8，而第二光束入射到待测表面。

另外，通过利用来自待测表面的反射光获得焦点误差信号来检测绝对位置信息，基于来自反射构件8的反射光与来自待测表面的反射光的干涉光而获得相对位置信息。

在传统技术中，仅基于焦点误差信号来检测高度方向上的位置。由此，需要使用校正表格来补偿焦点误差信号的非线性。

但是，在本实施方式的位移检测装置100中，测量来自固定的反射构件8的反射光与来自待测表面的反射光的干涉光。干涉光的强度根据待测表面的位移量而周期性变化。换句话说，通过使用干涉光的强度变化作为标尺能够可靠地保持信号的线性。由于干涉光的强度变化的周期由光的波长确定，所以干涉光的强度变化能够用作精确的微细标尺。

另外，基于干涉光的强度变化所获得的标尺的基准点可以基于焦点误差信号获得，所述焦点误差信号基于来自待测表面的反射光获得。

由此，在本实施方式中，例如，通过以焦点误差信号等于零的位置作为基准计数由相对位置信息输出部产生的脉冲(即，相位信息)，能够精确地检测位移。

另外，在本实施方式中，由于获得绝对位置信息(比如焦点误差信号等)用于确定作为基准的绝对位置，因此不需要如传统技术那样使物镜5跟随待测表面上下移动。

由此，取消了用于使物镜5移动的驱动机构，因此能够减少热产生。另外，不存在由驱动机构的响应频率引起的对使用条件的限制。

另外，优选地，在焦点误差信号的任意位置，可以将相对位置信号输出部中的干涉光的计数值改变为任意值。

由此，即使待测表面脱离测量范围，只要再次检测到待测表面，就能迅速地计数初始位置信息。

此外，还可以预先使待测表面上下移动以进行测量，从而预先获得绝对位置信息和相对位置信息。在该情况中，通过获得绝对位置信息与相对位置信息的差并且获得绝对位置信息与相对位置信息之间的相关性，可以对焦点误差信号的零交点附近的波形进行线性校正。

另外，通过获得绝对位置信息与相对位置信息之间的相关性并且使用该相关性作为校正值，即使在待测表面脱离视线因此不能进行检测的情况中，也可以仅根据基于焦点误差信号获得的绝对位置信息输出部50的位置信息来检测位移。

另外，由于在位移检测装置100的实际使用环境中基于在该环境中获得的信息直接校正位移检测装置100，因此，可以以更高的精度检测位移。

另外，也可以使用不同的根据环境的测量方法。例如，在空气极大地波动的环境中，可以使用从绝对位置信息输出部50输出的信息检测位移，而不是使用从相对位置信息输出部60输出的信息检测位移。

而在要求高速响应的情况中或者在待测表面的表面粗糙度大的情况中，可以使用从相对位置信息输出部60输出的信息检测位移，而不是使用从绝对位置信息输出部50输出的信息检测位移。

另外，优选地，待测物体9的待测表面经受镜面处理，用于反射从光源1发出的光，使得可以获得具有更高的S/N比的信号。

另外，待测物体可以是各种物体，而不受特别地限制。例如，能够反射具有与从光源1发出的光的波长相同的波长的光的衍射光栅可以用作待测物体9。

在该情况中，优选地，位移检测装置由本实施方式的位移检测装置100和使用用于检测二维表面的在表面方向上的位置的所谓的“线性标尺”的线性编码器构成。

例如，衍射光栅被附着到台架，由线性编码器测量在沿着衍射光栅表面的方向上的位移，并且由本实施方式的位移检测装置100测量在与衍射光栅表面垂直的方向上的位移。

利用这样的配置，可以检测台架在三维方向上的位移，因此可以精确地进行台架在比如微加工设备等要求精确的三维位置控制的设备中的定位。

在该情况中，用于反射来自光源1的光的反射膜可以在衍射光栅的表面形成为平的。位移检测装置100测量来自反射膜的反射光以检测在高度方向上的位移。

由于在从光源1发出的光中没有由衍射光栅引起的衍射光，因此，可以精确地检测位移。另外，线性标尺使用发出能够透过反射膜的光的光源来检测衍射光等。

另外，反射膜还可以形成在衍射光栅的后侧。在该情况中，从光源1发出的光的波长和衍射光栅的材料被选择成使得从光源1发出的光对于衍射光栅的材料具有透过性。利用这样的配置，能够抑制在从光源1入射的光中产生衍射光。

另外，可以通过使从线性标尺发出的光倾斜地入射到衍射光栅来控制产生衍射光的方向，使得位移检测装置100检测不到衍射光。

2.第二实施方式

在第一实施方式中，使用一个光源。在下面说明的第二实施方式中，使用具有不同波长的两个光源。

图5是示意性示出根据本发明的第二实施方式的位移检测装置200的构造的图。

根据本实施方式的位移检测装置200包括第一光源101a和适于将从第一光源101a发出的光分成第一光束和第二光束的第一光束分光器103。

位移检测装置200还包括适于反射由第一光束分光器103分出的第一光束的反射构件108。

位移检测装置200还包括：第二光源101b，其适于发出具有与从第一光源101a发出的光的波长不同的波长的光；和物镜105，其适于将从第一光源101a发出并由第一光束分光器103分出的第二光束和从第二光源101b发出的第三光束会聚到待测物体109上。

位移检测装置200还包括第二光束分光器112和像散产生器110，其中，第二光束分光器112适于从第一光束、第二光束和第三光束中取出第三光束，并且像散产生器110适于在所取出的第三光束中产生像散。

位移检测装置200还包括：第一光接收部130，其适于接收由反射构件108反射的第一光束和由待测表面反射的第二光束的干涉光；和第二光接收部140，其适于接收由第二光束分光器112取出的第三光束。

位移检测装置200还包括：相对位置信息输出部160，其适于基于由第一光接收部130获得的信号输出相对位置信息；和绝对位置信息输出部150，其适于基于由第二光接收部140获得的信号输出绝对位置信息。

与第一实施方式类似，第一光源101a和第二光源101b可以是比如半导体激光二极管、超辐射发光二极管、发光二极管等各种光源中的一种光源。但是，从第一光源101a发出的光的波长和从第二光源101b发出的光的波长彼此不同。

优选地，在从第一光源101a发出的光中，p偏光成分和s偏光成分相对于第一光束分光器(比如偏振光束分光器等)103彼此相等。

另外，从第二光源101b发出的光相对于第一光束分光器103是p偏振光。由此，可以通过设置偏光板(图中未示出)等来对准从第二光源101b发出的光的偏振方向。

从第一光源101a发出的光被光束组合器(比如波长选择过滤器等)113反射并入射到透镜(比如准直透镜等)102上。

例如，由透镜102准直的光入射到光束分光器(比如偏振光束分光器等)103，在该光束分光器处，光被分成由s偏光成分构成的第一光束和由p偏光成分构成的第二光束。

由光束分光器103反射的第一光束透过相位板(比如1/4波长板等)106以成为圆偏振光，并且该圆偏振光经由聚光透镜107入射到反射构件108上。

另外，由反射构件108反射的第一光束透过聚光透镜107并入射到相位板106上以成为p偏振光。

已经被转换成为p偏振光的第一光束透过第一光束分光器103并入射到聚光透镜111上。

另一方面，透过光束分光器103的第二光束透过相位板(比如1/4波长板等)104并被物镜105会聚到待测物体109的待测表面上。

由待测物体反射的第二光束经由物镜105再次入射到相位板104上。

第二光束两次透过相位板104，由此成为s偏振光，并且该s偏振光由第一光束分光器103反射且入射到聚光透镜111上。

在本实施方式中，入射到聚光透镜111上的第一光束和第二光束由第一光接收部130全部接收而不被分光。

第二光束分光器(比如波长选择过滤器等)112布置在由聚光透镜111会聚的光的光路中。第二光束分光器112反射与从第一光源101a发出的光具有相同的波长的光并透过与从第二光源101b发出的光具有相同波长的光。

由此，第一光束和第二光束由第二光束分光器112反射，并且入射到第一光接收部130上。

第一光接收部130接收第一光束与第二光束的干涉光，其中第一光束从第一光源101a发出并且由反射构件108反射，第二光束从第一光源101a发出并由待测表面反射。

第一光接收部130可以具有与第一实施方式中的第一光接收部30的构造相同的构造。

由第二光束分光器112反射的第一光束和第二光束入射到半反射镜131上以被分别地分成两个光束。

透过半反射镜131的第一光束和第二光束入射到偏振光束分光器132上。

偏振光束分光器132被倾斜地布置成使得偏振光束分光器132的入射面相对于第一光束的偏振方向和第二光束的偏振方向倾斜45°角。由此，在第一光束和第二光束中产生相对于偏振光束分光器132的s偏光成分和p偏光成分。s偏光成分和p偏光成分分别由偏振光束分光器132分光和取出，由此第一光束和第二光束彼此干涉。

由偏振光束分光器132反射的第一光束的s偏光成分和第二光束的s偏光成分的干涉光被第一光接收元件133接收。另外，透过偏振光束分光器132的第一光束的p偏光成分和第二光束的p偏光成分的干涉光由第二光接收元件134接收。

另外，由半反射镜131反射的第一光束和第二光束透过相位板(比如1/4波长板等)135，由此成为具有彼此相反的转动方向的圆偏振光束。具有彼此相反的转动方向的两个圆偏振光束彼此叠加以成为偏振方向转动的直线偏振光。

该直线偏振光的s偏光成分由偏振光束分光器136反射并且由第三光接收元件137接收。另外，p偏光成分透过偏振光束分光器136并且由第四光接收元件138接收。

在相对位置信息输出部160中，通过对由四个光接收元件133、134、137、138获得的信号进行与第一实施方式(见图2)中所述的处理相同的处理而输出比如两个相位的增量信号等相对位置信息。

另一方面，从第二光源101b发出的第三光束透过光束组合器113。透过光束组合器113的第三光束例如由透镜102准直且入射到第一光束分光器(比如偏振光束分光器等)103上。

由于第三光束相对于第一光束分光器103是p偏振光，所以第三光束透过第一光束分光器103并且由物镜105会聚在待测物体109的待测表面上。

在本实施方式中，物镜105被固定，并且第三光束的焦点位置保持恒定。焦点位置不是必须位于待测表面上，但是可以位于待测表面附近。通过使成像位置从待测表面偏移由此增大光斑的直径，可以降低由待测表面的表面粗糙度和附着到待测表面的异物等引起的测量误差的影响。

由待测表面反射的第三光束经由物镜105再次入射到第一光束分光器103上。

相位板(比如1/4波长板等)104布置在第一光束分光器103与待测表面之间的光路中。当第三光束向待测表面前进和从待测表面返回时，第三光束两次透过相位板104以成为p偏振光。由此，第三光束由第一光束分光器103反射并入射到聚光透镜111上。

入射到聚光透镜111上的第三光束透过第二光束分光器(比如波长选择过滤器等)112并且由第二光接收部140接收。

在本实施方式中，像散产生器110也由聚光透镜111和第二光束分光器112构成。第三光束的会聚光透过相对于光轴倾斜地配置的第二光束分光器112，由此在第三光束中产生像散。

由于像散产生器110由聚光透镜111和第二光束分光器112构成，所以无需采用柱状透镜等就能够产生像散，因此能够减少部件的数目。

与第一实施方式类似(见图3A至图3C)，第二光接收部140包括四个光接收元件，并且绝对位置信息输出部150通过使用光接收元件所获得的信号产生焦点误差信号。

在本实施方式中，从第一光源101a发出的光入射到反射构件108和待测表面，并且基于反射构件108的反射光与待测表面的反射光的干涉光而产生相对位置信息。

另外，从第二光源101b发出的光入射到待测表面，并且基于待测表面的反射光而产生绝对位置信息。

由此，在本实施方式中，还可以确定基准点(比如，例如检测到焦点误差信号的零交点的位置等)，并且基于由相对位置信息输出部160产生的相对位置信息获得相对于基准点的位移。

另外，由于无需驱动物镜105就能够测量在高度方向上的位移，所以不需要设置驱动机构。由此，既不存在由驱动机构产生的热，也不限制驱动机构的响应频率。结果，放宽了使用条件，因此可以在各种环境下进行测量。

另外，在本实施方式中，用于检测相对位置信息的光的波长和用于检测绝对位置信息的光的波长彼此不同，并且这些光束由第二光束分光器(比如波长选择过滤器等)进行分光。由于两个光源的输出能够被最大化地使用，所以可以以更高的S/N比进行位移检测。

另外，第一光源101a和第二光源101b可以交替地发光。在该情况中，交替地获得相对位置信息和绝对位置信息，并且通过使信息同步而检测到位移。

通过使光源交替发光，能够进一步减少杂散光(即，在来自第一光源101a的光入射到第二光接收部140的情况和/或在来自第二光源101b的光入射到第一光接收部130的情况中产生的光)，因此能够以更高的精度进行位置检测。

3.第三实施方式

在本发明中，基于来自待测表面的反射光的像散而获得位移的绝对位置信息，基于来自待测表面的反射光与来自比如反射构件等特定的固定基准面的反射光的干涉光而获得相对位置信息。

在通过像散方法获得焦点误差信号的情况中，需要将光一定程度地会聚在待测表面上。但是，当测量干涉光的强度的变化周期时，光不是必须会聚在待测表面上。

在本实施方式中，使用两个光源，并且从两个光源发出的光分别用于测量像散和测量干涉光。另外，从两个光源发出的光以不同的光斑直径分别地会聚在待测表面上。

利用这样的配置，用于获得焦点误差信号的光能够一定程度地会聚在待测表面上，而用于测量干涉光的光能够以大于用于获得焦点误差信号的光的光斑直径的光斑直径入射到待测表面上。

由此，可以在保持高的测量精度的同时在宽的范围中进行相对位置检测。

图6是示意性示出根据本发明的第三实施方式的位移检测装置300的构造的图。

根据本实施方式的位移检测装置300包括第一光源201a和第一光束分光器203，第一光束分光器203适于将从第一光源201a发出的光分成第一光束和第二光束。

位移检测装置300还包括适于反射由第一光束分光器203分出的第一光束的反射构件208。

位移检测装置300还包括：第二光源201b，其适于发出具有与从第一光源201a发出的光的波长不同的波长的光；和物镜205，其适于将从第一光源201a发出并由第一光束分光器203分出的第二光束和从第二光源201b发出的第三光束会聚到待测物体209上。

位移检测装置300还包括第二光束分光器212和像散产生器210，其中第二光束分光器212适于从第一光束、第二光束和第三光束中取出第三光束，并且像散产生器210适于在取出的第三光束中产生像散。

位移检测装置300还包括：第一光接收部230，其适于接收由反射构件208反射的第一光束与由待测表面反射的第二光束的干涉光；和第二光接收部240，其适于接收由第二光束分光器212取出的第三光束。

位移检测装置300还包括：相对位置信息输出部260，其适于基于由第一光接收部230获得的信号输出相对位置信息；和绝对位置信息输出部250，其适于基于由第二光接收部240获得的信号输出绝对位置信息。

与第一实施方式和第二实施方式类似，第一光源201a和第二光源201b可以是比如半导体激光二极管、超辐射发光二极管、发光二极管等各种光源中的一种光源。但是，从第一光源201a发出的光的波长和从第二光源201b发出的光的波长彼此不同。

优选地，在从第一光源201a发出的光中，s偏光成分和p偏光成分相对于第一光束分光器(比如偏振光束分光器等)203彼此相等。

而且，从第二光源201b发出的光相对于第一光束分光器203是p偏振光。另外，偏光板可以用于仅取出p偏振光。

从第一光源201a发出的光由光束组合器213反射并且入射到第一光束分光器(比如偏振光束分光器等)203上。第二光束分光器212反射具有与从第一光源201a发出的光的波长相同的波长的光并且透过具有与从第二光源201b发出的光的波长相同的波长的光。

从第一光源201a发出并且入射到第一光束分光器203上的光被分成由s偏光成分构成的第一光束和由p偏光成分构成的第二光束。

由光束分光器203反射的第一光束例如被透镜207准直成为平行光并入射到反射构件208上。另外，该光由反射构件208反射并透过透镜207以成为会聚光，并且该会聚光再次入射到第一光束分光器203上。

相位板(比如1/4波长板等)206布置在第一光束分光器203和反射构件208之间的光路中，使得再次入射到第一光束分光器203上的第一光束成为p偏振光。由此，第一光束透过第一光束分光器203并入射到透镜211上。

透过第一光束分光器203的第二光束被透镜205准直成为例如平行光，该平行光入射到待测物体209的待测表面上。由待测表面反射的第二光束被物镜205转换成为会聚光并且入射在第一光束分光器203上。

相位板(比如1/4波长板等)204布置在第一光束分光器203和待测物体209之间的光路中，使得再次入射在第一光束分光器203上的第二光束成为s偏振光。由此，第二光束由第一光束分光器203反射并入射在透镜211上。

另一方面，从第二光源201b发出的第三光束例如由准直透镜202准直成为平行光、透过光束组合器(比如波长选择过滤器等)213、并且入射到第一光束分光器203上。

由于第三光束相对于第一光束分光器203是p偏振光，所以第三光束透过第一光束分光器203并由物镜205会聚在待测表面上。另外，由待测表面反射的第三光束透过物镜205以成为平行光，并入射到第一光束分光器203上。

在前述的处理中，由于第三光束两次透过相位板(比如1/4波长板等)204，由此其偏振方向转动90°，因此，第三光束被第一光束分光器203反射。另外，被反射的第三光束入射到透镜211上。

在本实施方式中，从第一光源201a发出的光作为发散光入射到物镜205和透镜207上，并且这些透镜也用作例如准直透镜以准直从第一光源201a发出的光。

利用这样的配置，第一光束和第二光束能够以大于由从第二光源201b发出的第三光束在待测表面上形成的光斑直径的光斑直径入射到待测表面和反射构件208上。

顺便提及，来自第一光源201a的光和来自第二光源201b的光可以以不同的光斑直径以各种已知光学系统入射到待测表面上，而不限于这里所示例的光学系统。

另外，与第二实施方式(见图5)类似，在本实施方式中，入射到会聚透镜211上的第一光束和第二光束全部由第一光接收部接收而不被分光。

入射到透镜211上的第一光束和第二光束例如被准直并且被第二光束分光器(比如波长选择过滤器等)212反射。

由第二光束分光器212反射的第一光束和第二光束被透镜214会聚在第一光接收部230上。

另外，在本实施方式中，第一光接收部230可以具有与第一实施方式(见图1)的第一光接收部30的构造相同的构造。

第一光接收部230测量第一光束与第二光束的干涉光。

由第二光束分光器212反射的第一光束和第二光束入射到半反射镜231上，以被分成均包括第一光束和第二光束的两个光束。

透过半反射镜231的第一光束和第二光束入射到偏振光束分光器232上。

偏振光束分光器232被倾斜地布置，使得偏振光束分光器232的入射面相对于第一光束的偏振方向和第二光束的偏振方向倾斜45°角。由此，在第一光束和第二光束中均产生相对于偏振光束分光器232的p偏光成分和s偏光成分，因此第一光束和第二光束可以彼此干涉。

由偏振光束分光器232反射的第一光束的s偏光成分和第二光束的s偏光成分由第一光接收元件233接收。另外，由p偏振光构成并且透过偏振光束分光器232的第一光束和第二光束的干涉光由第二光接收元件234接收。

另外，由半反射镜231反射的第一光束和第二光束透过相位板(比如1/4波长板等)235，由此成为具有彼此相反的转动方向的圆偏振光。具有彼此相反的转动方向的两个圆偏振光相互叠加，以成为偏振方向根据待测表面的位移而转动的直线偏振光。

该直线偏振光的s偏光成分被偏振光束分光器236反射并由第三光接收元件237接收。另外，p偏光成分透过偏振光束分光器236并且由第四光接收元件238接收。

另外，与第二实施方式(见图2)类似，相对位置信息输出部260基于由光接收元件233、234、237、238获得的信号获得相对位置信息，并输出相对位置信息。

另一方面，入射到透镜211上的第三光束透过第二光束分光器(比如波长选择过滤器等)212并由第二光接收部240接收。

在本实施方式中，像散产生器210也由会聚透镜211和相对于会聚透镜211的光轴倾斜地配置的第二光束分光器212构成。利用这样的配置，无需采用柱状透镜等就能够产生像散，因此能够减少部件的数目。

与第一实施方式(见图3A到图3C)类似，第二光接收部240包括四个光接收元件，并且绝对位置信息输出部250利用由光接收元件获得的信号产生绝对位置信息(比如焦点误差信号等)，并输出所产生的绝对位置信息。

这样，在本实施方式中，基于由待测表面反射的光获得绝对位置信息，基于由待测表面反射的光与由固定的反射构件反射的光的干涉光获得相对位置信息。

由此，可以基于比如焦点误差信号等绝对位置信息确定基准位置，并基于相对位置信息获得相对于该基准位置的位移。

由于无需上下驱动物镜205就能够获得绝对位置信息和相对位置信息，因此，可以取消传统技术中的驱动机构。结果，能够减少热，并且能够减少由响应频率引起的对使用条件的限制。

另外，在本实施方式中，例如，入射到待测表面上用于获得相对位置信息的光的光斑直径可以被设定成大于用于获得绝对位置信息的光的光斑直径。由此，可以扩展相对位置信息的测量范围。

顺便提及，在第二实施方式和第三实施方式中，也优选地，在焦点误差信号的任意位置，可以将相对位置信息输出部中的干涉光的计数值改变为任意值。

由此，即使待测表面超出测量范围，只要再次检测到待测表面，就能快速地计数初始位置信息。

另外，本实施方式与第一实施方式的相同之处在于，可以预先使待测表面上下移动以进行测量，从而预先获得绝对位置信息和相对位置信息并获得校正值。

通过利用校正值校正绝对位置信息，即使在待测表面脱离视线并且因此不能进行检测时，也能够根据基于由焦点误差信号获得的绝对位置信息计数位移。

另外，优选地，待测物体的待测表面经受镜面处理，用于反射从光源发出的光，从而可以获得具有更高的S/N比的信号。

另外，在第二实施方式和第三实施方式中，待测物体可以是各种物体，而不受特别的限制。由此，如果衍射光栅被用作待测物体，则可以检测三维位移。

在这样的情况中，用于反射来自光源1的光的反射膜可以在衍射光栅的表面上形成为平的，或者形成在衍射光栅的后侧。

另外，与第一实施方式类似，优选反射构件的光反射膜由比如金等金属制成。由此，能够抑制由湿度的变化引起的偏振光的波长和特性的变化，从而可以稳定地进行位置检测。

另外，光散射体(例如，毛玻璃等)可以配置在第二光束分光器和第二光接收部之间的光路中。

另外，具有预定形状的光圈可以配置在物镜和第二光接收部之间的第三光束的光路中，使得由待测表面反射并再次以特定入射角和入射位置入射到物镜上的光被遮断。

另外，第一光接收部和第二光接收部的光接收元件还可以利用光纤接收干涉光和/或已经产生像散的光。

上面已经说明了根据本发明的位移检测装置的优选实施方式。应理解，本发明并不局限于上述实施方式，并且在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种变形和变化。

Claims

1.一种位移检测装置，其包括：

第一光源和第二光源；

第一光束分光器，其适于将从所述第一光源发出的光分成第一光束和第二光束；

第一准直透镜，其适于准直由所述第一光束分光器分出的第一光束；

反射构件，其适于反射由所述第一准直透镜准直的所述第一光束；

物镜，其适于将由所述第一光束分光器分出的所述第二光束和从所述第二光源发出的第三光束准直并入射到待测表面上；

第一光接收部，其适于接收由所述反射构件反射的所述第一光束与由所述待测表面反射的所述第二光束的干涉光；

相对位置信息输出部，其适于基于由所述第一光接收部接收的所述干涉光的强度输出所述待测表面在高度方向上的相对位置信息；

第二光束分光器，其适于从所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束中取出由所述待测表面反射的所述第三光束；

像散产生器，其适于在由所述第二光束分光器取出的所述第三光束中产生像散；

第二光接收部，其适于接收已经由所述像散产生器产生像散的所述第三光束；和

绝对位置信息输出部，其适于基于由所述第二光接收部所接收的光的强度产生所述待测表面在高度方向上的绝对位置信息，并且输出所产生的绝对位置信息。

2.根据权利要求1所述的位移检测装置，其特征在于，所述第一光源和所述第二光源发出具有不同波长的光束，从所述第二光源发出的第三光束经由所述第一光束分光器入射到所述待测表面上。