JP2009258022A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定面の面粗度の影響による誤差を緩和させると共に、測定目的に応じた最適な精度で被測定面の変位を検出する。
【解決手段】光源１０２から射出された射出光Ｌは光調整部材１３０Ａに入射され、光調整部材１３０Ａにより射出光Ｌの解像度が調整される。光調整部材１３０Ａでは、射出光Ｌの近軸光線が遮光されて、射出光Ｌの解像度が低下するように調整される。解像度が調整された射出光Ｌは、第１の対物レンズ１１４により被測定面ＴＧに集光される。被測定面ＴＧにはビーム径が広がった状態の射出光Ｌが集光される。被測定面ＴＧに集光された射出光Ｌは被測定面ＴＧで反射され、反射された反射光Ｌrが受光素子１２０によって受光される。これにより、非接触センサ１００Ａの分解能を低下させることができ、被測定面ＴＧの面粗さの影響による測定誤差を緩和させて、より正確に被測定面ＴＧの変位を検出することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学的非点収差法を用いて対物レンズと被測定面との間の変位を検出するようにした変位検出装置に関する。詳細には、光源と対物レンズとの間に光調整部材を配置して被測定面に集光される射出光の解像度を調整したり、対物レンズと受光素子との間に光調整部材を配置して被測定面で反射する反射光の入射角を規制することで、被測定面の面粗度を正確に測定するものである。

従来から、被測定面の変位や形状を測定する装置として変位検出装置が広く利用されている。変位検出装置では、非接触センサの光源から射出したレーザ光を対物レンズを介して被測定面に集光し、被測定面で反射した反射光から非点収差法によりフォーカスエラー信号を生成する。そして、このフォーカスエラー信号を用いてサーボをかけて対物レンズの焦点距離を移動させて調整し、対物レンズに連結部材を介して一体的に取り付けられたリニアスケールの目盛を読み取ることで被測定面の変位を検出する。

しかし、上述した変位検出装置ではフォーカスエラー信号自体のリニアリティが悪いため、高い検出精度が得られないという問題があった。そこで、特許文献１には、非接触センサのフォーカスエラー信号に対応する校正された出力信号を校正テーブルから出力するようにした変位検出装置が提案されている。この変位検出装置においては、変位検出の高精度化を図るために、対物レンズの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を大きくして被測定物に集光させる光ビーム径を小さくしている。射出光のビーム径（波長）として例えば２μｍ程度のレーザ光を用いており、数ｎｍ〜１００数ｎｍ程度のリニアスケールの検出精度を得ている。

特開平５−８９４８０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される変位検出装置では、変位検出装置の高分解能化に伴い、射出光が被測定面上の加工による凹凸や表面上に付着したゴミ等までも過剰に検出してしまう場合がある。このような場合には、被測定面の面粗度により射出光が散乱反射してしまうので、ノイズ成分の影響が大きくなり、測定誤差が生じてしまうという問題がある。さらには、被測定面の面粗度を高精度に検出してしまうため、被測定面の凹凸波形が大きく出力されてしまい、本来求められる被測定面の変位や形状等の変位情報が得られないという問題もある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定面の面粗度の影響による誤差を緩和させると共に、測定目的に応じた最適な精度により被測定面の変位を検出することが可能な変位検出装置を提供するものである。

本発明に係る変位検出装置は、上記課題を解決するものであり、光源と、当該光源から射出された射出光を被測定面に集光する対物レンズと、前記対物レンズにより前記被測定面に集光されて当該被測定面で反射された反射光を用いて前記対物レンズの焦点距離に基づいた変位情報を検出する受光素子とを有する非接触センサと、前記受光素子により検出された前記変位情報に基づいて前記対物レンズの前記焦点距離を調整する制御部と、前記対物レンズに連結部材を介して取り付けられたリニアスケールを有し、前記制御部により前記対物レンズの前記焦点距離が調整されたときの前記リニアスケールの変位量を測定する変位量測定部とを備え、前記光源と前記対物レンズとの間および前記対物レンズと前記受光素子との間の少なくとも一方には、前記射出光および／または前記反射光を通過させる開口部と、前記射出光および／または前記反射光のうち特定の光を遮光する遮光部とを有する光調整部材が配置されている。

本発明の変位検出装置において光調整部材を光源と対物レンズとの間に配置した場合、光源から射出された射出光は光調整部材に入射され、光調整部材により射出光の解像度が調整される。例えば、射出光は、光調整部材によって射出光の近軸光線が遮光されて、射出光の解像度が低下するように調整される。解像度が調整された射出光は、対物レンズにより被測定面に集光（結像）される。集光される射出光は、光調整部材により解像度が下げられており、ビーム径（ビームスポット）は光調整部材を用いない場合と比較して若干広がっている。被測定面に集光された射出光は被測定面で反射され、反射された反射光が受光素子によって受光される。

制御部は、受光素子により検出された変位情報に基づいて対物レンズの焦点距離を調整する。変位量測定部では、制御部により対物レンズの焦点距離が調整されたときの対物レンズの変位量を測定する。変位量測定部は、対物レンズに取り付けられたリニアスケールを有しており、対物レンズの焦点距離の調整に伴いリニアスケールも移動するので、このときのリニアスケールの変位量を測定する。

また本発明の変位検出装置において対物レンズと受光素子との間に光調整部材を配置した場合、集光された射出光は被測定面で反射され、反射光として光調整部材に入射される。光調整部材では、被測定面で反射した反射光のうち特定の入射角を有した反射光の入射が規制される。これにより、例えば、被測定面の測定において測定誤差を生じさせるような入射角を有する反射光の入射が規制され、特定の入射角を有する反射光のみが受光素子によって受光される。

本発明によれば、光源と対物レンズとの間に光調整部材を配置するので、解像度を低下させた射出光を被測定面に集光させることができる。これにより、非接触センサの分解能を低下させることができ、測定目的に応じた最適な検出精度により被測定面の変位を検出することができる。

また本発明によれば、対物レンズと受光素子との間に光調整部材を配置するので、被測定面の測定において測定誤差を生じさせるような入射角を有する反射光の入射を規制でき、被測定面の面粗度を正確に測定することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
＜変位検出装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置１０Ａのブロック構成を示す図である。図１に示すように、変位検出装置１０Ａは、非接触センサ１００Ａと、制御部２００と、サーボ制御部２１０と、アクチュエータ３００と、変位量測定部４００と、信号処理部４０４と、表示部１４０とを備える。なお、図１では非接触センサ１００Ａの構成を便宜上簡略化して図示している。

図２は、非接触センサ１００Ａの構成を示す斜視図である。図２に示すように、非接触センサ１００Ａは、光源１０２と、コリメートレンズ１０４と、光調整部材１３０Ａと、偏光ビームスプリッタ１０８と、λ／４板１１０と、ミラー１１２と、第１の対物レンズ１１４と、第２の対物レンズ１１６と、非点成生レンズ１１８と、受光素子１２０とを有する。

光源１０２は、例えば半導体レーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオード、発光ダイオード等から構成される。光源１０２は、レーザ光等の射出光Ｌをコリメートレンズ１０４に向けて射出する。コリメートレンズ１０４は、光源１０２から射出された射出光Ｌを平行光に変換する。平行光に変換された射出光Ｌは光調整部材１３０Ａに入射される。

光調整部材１３０Ａは、被測定面ＴＧに結像される射出光Ｌのビーム径を光調整部材１３０Ａが無い場合と比べて広げると共に、射出光Ｌの解像度を低くするための部材である。そのため、被測定面ＴＧの面粗度が大きく、射出光Ｌのビーム径を絞り過ぎると被測定面ＴＧの凹凸を過剰に検出してしまうときの対策に有効である。光調整部材１３０Ａは、図２に示すように、コリメートレンズ１０４と偏光ビームスプリッタ１０８との間に配置される。

図３（Ａ）は光調整部材１３０Ａの構成を示す平面図であり、図３（Ｂ）はそのＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３（Ｃ）は光調整部材１３０Ａの機能例を説明するための図である。

光調整部材１３０Ａは、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、平面視円形状をなすカバーガラス１３４と、このカバーガラス１３４上に積層された所定パターンからなる金属層１３６とで構成される。金属層１３６は、射出光Ｌの近軸光線を遮光する遮光部１３６ａと、射出光Ｌを被測定面ＴＧに向かって通過させる開口部１３２ａとを有する。遮光部１３６ａは、金属層１３６の中央部であって、かつ、光軸Ｌo上に位置するように設けられる。また遮光部１３６ａは、平面視円形状をなし、少なくとも近軸光線を遮光可能な面積を有する。

開口部１３２ａは、遮光部１３６ａの外周縁に沿うようにして環状にパターン形成されている。開口部１３２ａの開口径Ｔを調整することで、コリメートレンズ１０４からの平行光の通過する光量の調整が可能となっている。光調整部材１３０Ａの外形や遮光部１３６ａ、開口部１３２ａの形状は円形状や環状形状に限定されることはなく、矩形等の形状であっても良い。

光調整部材１３０Ａは、例えばカバーガラス１３４上に金属層１３６を成膜し、成膜した金属層１３６をフォトリソグラフィーにより所定形状にパターニングすることにより形成される。金属層１３６には、例えばＣｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｇ等の材料が用いられる。

このような構成により、図３（Ｃ）に示すように、コリメートレンズ１０４を通過して光調整部材１３０Ａに入射した射出光Ｌは、射出光Ｌのうち近軸光線（第１の射出光）Ｌnが遮光部１３６ａによって遮光され、近軸光線Ｌnの周辺の周辺光（第２の射出光）Ｌcが開口部１３２ａを介してカバーガラス１３４（光調整部材１３０Ａ）を通過する。また、開口部１３２ａを通過する周辺光Ｌcは、開口部１３２ａによってそのビーム径が若干広がった状態で光調整部材１３０Ａを通過する。

図２に戻り、偏光ビームスプリッタ１０８は、光調整部材１３０Ａを通過した射出光Ｌを透過させてλ／４板１１０に入射させる。λ／４板１１０は、入射された直線偏光である射出光Ｌを右向きの円偏光に変換する。λ／４板１１０を通過した射出光Ｌは、ミラー１１２によって被測定面ＴＧ側に反射され、第１の対物レンズ１１４に入射される。

第１の対物レンズ１１４は、所定の開口数を有するレンズ等からなる光学素子であり、焦点距離ｆ１が合うように移動可能に設置されている。第１の対物レンズ１１４に入射された射出光Ｌは被測定面ＴＧに集光される。被測定面ＴＧに集光される射出光Ｌは、光調整部材１３０Ａにより解像度が低下しており、ビーム径は光調整部材１３０Ａを用いない場合と比較して若干広がっている。

被測定面ＴＧに集光された射出光Ｌは、被測定面ＴＧで反射される。被測定面ＴＧで反射された反射光Ｌｒは、第１の対物レンズ１１４を通過してミラー１１２で反射されてλ／４板１１０に入射される。

λ／４板１１０は、入射された右向きの偏光光である反射光をさらに右向きに回転させて、射出光Ｌと１／２波長ずれた直線偏光からなる反射光Ｌｒに変換する。λ／４板１１０を通過した反射光Ｌｒは、偏光ビームスプリッタ１０８に再び入射される。

偏光ビームスプリッタ１０８は、入射された反射光Ｌｒが射出光Ｌに対して１／２波長ずれているため、反射光Ｌｒを第２の対物レンズ１１６側に反射させる。偏光ビームスプリッタ１０８で反射された反射光Ｌｒは第２の対物レンズ１１６に入射される。

第２の対物レンズ１１６は、所定の開口数を有するレンズ等からなる光学素子であり、入射された反射光を所定のビーム径で非点成生レンズ１１８に集光させる。非点成生レンズ１１８は、円柱を軸方向に２つに割った形状をなし、曲率がある断面では光を集光・発散させ、平面の断面内では光をそのまま透過させる。非点成生レンズ１１８に入射された反射光Ｌｒは受光素子１２０に集光される。

受光素子１２０は、非点成生レンズ１１８により集光された反射光Ｌｒに基づいてフォーカスエラー信号（変位情報）ＳFEを生成してサーボ制御部２１０に供給する。受光素子１２０は、４分割ダイオードにより構成されている。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、４分割ダイオードに集光される反射光Ｌｒのビーム径を示す図である。被測定面ＴＧが第１の対物レンズ１１４の焦点距離ｆ１（図１参照）にあるときには、図４（Ａ）に示すように、集光された光が円形の光スポットＬRになる。また、第１の対物レンズ１１４が被測定面ＴＧに対して焦点距離ｆ１より遠ざかると、図４（Ｂ）に示すように、横に広がった楕円形の光スポットＬRxになり、焦点距離ｆ１より近づくと図４（Ｃ）に示すように、縦に広がった楕円形の光スポットＬRyになる。

ここで、分割された各フォトダイオードから出力される出力信号をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、焦点距離ｆ１のずれを表すフォーカスエラー信号ＳFEは、以下の式（１）で与えられる。
ＳFE＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ） （１）

このとき、上記式（１）で与えられるフォーカスエラー信号ＳFEは図５のグラフに示すような特性を有する。図５の特性において、原点Ｏを合焦位置とし、第１の対物レンズ１１４と被測定面ＴＧとの間の距離をｄとするとき、原点Ｏにおいて、焦点距離ｆ１と距離ｄとが等しくなる。

図１に戻り、サーボ制御部２１０は、制御部の一例であり、受光素子１２０から出力されるフォーカスエラー信号ＳFEに基づいて第１の対物レンズ１１４の焦点距離ｆ１の調整を行う。このサーボ制御部２１０は、図示しないサーボアンプと比較回路とを有する。サーボアンプは、供給されたフォーカスエラー信号ＳFEを増幅して比較回路に供給する。比較回路は、予め設定されている基準値とフォーカスエラー信号ＳFEとを比較する。基準値は、焦点距離ｆ１の誤差が許容できる範囲内に設定され、例えば比較回路のＲＯＭに記憶されている。サーボ制御部２１０は、基準値とフォーカスエラー信号ＳFEとを比較した結果、フォーカスエラー信号ＳFEの値が基準値の許容範囲を超える場合、フォーカスエラー信号ＳFEがゼロ値となるような駆動信号（電流信号）Ｓdを生成してアクチュエータ３００に供給する。

アクチュエータ３００は、可動コイル３０２と永久磁石３０４と連結部材５００とを有する。この可動コイル３０２の下部には連結部材５００の上端部が取り付けられる。連結部材５００の下端部には第１の対物レンズ１１４が取り付け、固定される。可動コイル３０２は、サーボ制御部２１０から供給された駆動信号Ｓdに従ってフォーカスエラー信号ＳFEがゼロ値となるように連結部材５００を矢印Ｄ１，Ｄ２方向に移動させる。この移動に連動して、連結部材５００に一体的に取り付けられている第１の対物レンズ１１４も矢印Ｄ１，Ｄ２方向に移動し、被測定面ＴＧとの間の距離ｄが常に第１の対物レンズ１１４の焦点距離ｆ１に等しい値となるようにフィードバック制御される。なお、アクチュエータ３００は、図２に示すように、第１の対物レンズ１１４の近傍に取り付けても良い。

アクチュエータ３００としてボイスコイルモータを使用しているので、被測定面ＴＧの変位に対する直線性が高い。ボイスコイルモータは、可動コイル３０２に供給される電流に対して直線的に変位するモータだからである。したがって、可動コイル３０２に供給される電流を測定することにより簡易に変位量の検出も行うこともできる。なお、アクチュエータ３００としては、ボイスコイルモータに限られず、ＤＣサーボモータ、ステッピングモータあるいは圧電素子等に代替しても良い。

変位量測定部４００は、リニアスケール４０８と格子干渉計４０２とを有する。リニアスケール４０８は、例えばクロムからなる目盛（遮光パターン）４０６が所定ピッチで形成されたものであり、連結部材５００の所定位置に取り付け、固定される。リニアスケール４０８には、目盛４０６の略中央位置に原点４１０が設けられる。ここで、リニアスケール４０８の目盛４０６は、第１の対物レンズ１１４の光軸Ｌoの延長線Ｏa上に合わせて付けられている。言い換えれば、リニアスケール４０８が第１の対物レンズ１１４の光軸Ｌoに対して同軸（インライン）上に配置されていることになる。なお、リニアスケール４０８としては、例えば、光の干渉縞を目盛４０６として記録した光学式スケール（ホログラムスケール）を用いることができる。光学式スケールに代替して、磁気式スケールまたは容量式スケールを用いても良い。

格子干渉計４０２は、図示しないシャーシ等に固定され、リニアスケール４０８の目盛４０６の値を読み取って目盛読み取り信号Ｓvを生成し、生成した目盛読み取り信号Ｓvを信号処理部４０４に供給する。被測定面ＴＧが変位したときには、焦点距離ｆ１を保持するように第１の対物レンズ１１４とリニアスケール４０８とが同一方向に同一距離だけ変位するので、格子干渉計４０２はこの変位量をリニアスケール４０８の目盛４０６から読み取る。格子干渉計４０２は、光軸Ｌoの延長線Ｏaの方向の矢印Ｄ１，Ｄ２（上下）方向に移動させることが可能であり、その移動した地点でシャーシ等に固定することが可能である。

信号処理部４０４は、格子干渉計４０２から出力された目盛読み取り信号Ｓvに基づいて被測定面ＴＧの変位量を算出する。そして、信号処理部４０４は、制御部２００からの制御信号Ｓsに基づいて所定の画像信号処理を行い、算出した変位量に基づく画像信号Ｓiを生成して表示部１４０に出力する。信号処理部４０４により生成された画像信号Ｓiは図示しないデータロガーに記憶しても良い。

表示部１４０は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display），ＰＤＰ（Plasma Display Panel）またはＥＬ(Electro Luminescence)等から構成される。表示部１４０は、信号処理部４０４から出力された画像信号Ｓiに基づく表示を行い、表示部１４０の画面上に被測定面ＴＧの変位を表示する。これにより、容易に自動計測が可能になる。

制御部２００は、サーボ制御部２１０および信号処理部４０４の動作を制御するものであり、例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)とＲＯＭ(Read-Only Memory)とＲＡＭ(Random Access Memory)とから構成される。

＜実験データ比較例＞
次に、従来の変位検出装置を用いて被測定面ＴＧを測定した場合と本発明に係る変位検出装置１０Ａを用いて被測定面ＴＧを測定した場合の測定結果について説明する。以下の図６，７では、表示部１４０の画面に表示された測定結果の一例を示し、縦軸が面粗度であり、横軸が被測定面ＴＧの測定位置である。また図６，７では被測定面ＴＧの基準位置（０ｍｍ）から所定方向に向かって射出光Ｌを走査していくものとする。

図６は、従来の変位検出装置を用いて被測定面ＴＧを測定した場合の測定結果を示す図である。図６に示すように、従来では光源から射出される射出光の解像度が高いため、被測定面ＴＧの凹凸パターンを高分解能で検出してしまう。これにより、図６に示すグラフには凹凸波形が大きく表れてしまう。また、被測定面ＴＧの位置Ｐに例えばごみ等の付着物が付着している場合には、この付着物を高分解能で検出してしまい、大きな凹パターンとして表れる。

次に、本発明に係る変位検出装置１０Ａを用いた場合について説明する。図７は、本発明に係る変位検出装置１０Ａを用いて被測定面ＴＧを測定した場合の測定結果を示す図である。上述した光調整部材１３０Ａをコリメートレンズ１０４と偏光ビームスプリッタ１０８との間に配置することにより、射出光Ｌの解像度が低くなるように調整されるため、被測定面ＴＧの凹凸パターンの分解能を低くできる。これにより、従来の図６と比較して、凹凸パターンによる波形パターンを小さくすることができる。さらに、被測定面ＴＧの位置Ｐに例えばごみ等の付着物が付着している場合でも、従来の図６と比較して小さな凹パターンとすることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、光源１０２と第１の対物レンズ１１４との間に光調整部材１３０Ａを配置するため、射出光Ｌの解像度を低下させると共にビーム径を広げて被測定面ＴＧに射出光Ｌを集光させることができる。これにより、非接触センサ１００Ａの分解能を低下させることができ、測定条件に応じた最適な精度により被測定面ＴＧの面粗度を検出することができる。

また、上述した変位検出装置１０Ａによって得られた変位量は、第１の対物レンズ１１４と一体的に移動するようにされたリニアスケール４０８が第１の対物レンズ１１４の光軸Ｌoと同軸上、いわゆるインライン上に配置されていることから、アッベ誤差が発生しない。このため、リニアスケール４０８の変位量と第１の対物レンズ１１４の変位量とが１：１に対応するので、きわめて高精度に変位量を検出することができる。

また、リニアスケール４０８の検出範囲（目盛４０６のフルスケール）内であれば、検出精度を損なうことなく広い検出範囲が得られる。

また、フィードバック制御としているので、被測定面ＴＧの反射率によってフォーカスエラー信号ＳFEの感度が変わってしまっても測定誤差が生じないうえサーボ系やアクチュエータ３００の素子のばらつきやドリフトを原因として誤差が発生することがなく、調整・校正の手間が省略できて長期に渡って安定した検出を行うことができる。

さらに、リニアスケール４０８に原点４１０を形成することにより、その原点４１０の位置を基準位置として被測定面ＴＧの変位量を検出することができるという利点を有する。

［第２の実施の形態］
次に、上述した光調整部材１３０Ａとは異なる他の光調整部材１３０Ｂの構成例について説明する。図８（Ａ）は光調整部材１３０Ｂの構成を示す平面図であり、図８（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図８（Ｃ）は光調整部材１３０Ｂの機能例を説明するための図である。

光調整部材１３０Ｂは、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示すように、平面視円形状をなし、例えば金属材料やガラス材料の平板部材から構成される。光調整部材１３０Ｂは、光調整部材本体１３８ｂと、射出光Ｌの近軸光線を遮光する遮光部１３６ｂと、射出光Ｌを被測定面ＴＧに向けて通過させる開口部１３２ｂとを有する。

遮光部１３６ｂは、光調整部材本体１３８ｂの中央部に設けられ、射出光Ｌの光軸Ｌo上に位置している。遮光部１３６ｂは平面視円形状の領域であり、少なくとも近軸光線を遮光することが可能な面積を有する。開口部１３２ｂは、円弧状に湾曲した楕円形状からなり、本例では４個の開口部１３２ｂが遮光部１３６ｂの外周縁に沿うようにして等間隔で形成されている。

このような構成により、光調整部材１３０Ｂに入射される射出光Ｌは、近軸光線Ｌnが遮光部１３６ｂによって遮光され、その周辺の周辺光Ｌcが開口部１３２ａを介して光調整部材１３０Ｂを通過する。光調整部材１３０Ｂを通過した周辺光Ｌcは、第１の対物レンズ１１４によって被測定面ＴＧに集光される。被測定面ＴＧに集光される射出光Ｌは、光調整部材１３０Ｂにより解像度が低下しており、ビーム径は光調整部材１３０Ｂを用いない場合と比較して若干広がっている。

本実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、光源１０２と第１の対物レンズ１１４との間に光調整部材１３０Ｂを配置するため、非接触センサ１００Ａの分解能を低下させることができ、被測定面ＴＧの面粗さの影響による誤差を緩和させて、より正確に被測定面ＴＧの変位を検出することができる。

［第３の実施の形態］
以下、本発明に係る第３の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態において光調整部材１３０Ｃは、被測定物からの回折光の進入を阻止する部材として機能する点において上記第１および第２の実施の形態と異なる。なお、上述した第１の実施の形態で説明した変位検出装置１０Ａ，非接触センサ１００Ａと共通する構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図９は、非接触センサ１００Ｂの構成を示す斜視図である。図９に示すように、非接触センサ１００Ｂは、光源１０２と、コリメートレンズ１０４と、光調整部材１３０Ｃと、偏光ビームスプリッタ１０８と、λ／４板１１０と、ミラー１１２と、第１の対物レンズ１１４と、第２の対物レンズ１１６と、非点成生レンズ１１８と、受光素子１２０とを有する。光調整部材１３０Ｃは、特定の角度の入射角を制限するものであり、図９に示すように、偏光ビームスプリッタ１０８と第２の対物レンズ１１６との間に配置される。なお、光調整部材１３０Ｃは上記第１の実施の形態と同様の構成のものが用いられる。

図１０は、図９に示す光調整部材１３０Ｃの機能例を示す図である。なお、図１０では非接触センサ１００Ｂのうち便宜上光調整部材１３０Ｃおよび第１の対物レンズ１１４のみを図示している。図１０に示すように、光調整部材１３０Ｃの開口部１３２ｃを通過した射出光Ｌは、第１の対物レンズ１１４により被測定面ＴＧに集光される。集光された射出光Ｌは被測定面ＴＧで反射される。このとき、被測定面ＴＧが回折格子等の凹凸パターンである場合には、射出光Ｌは光軸Ｌoに対して例えば角度θ₁で入射し、凹凸パターンにより角度θ₂で回折する。角度θ₁で入射する入射光を入射光Ｌs1とし、角度θ₂で回折する反射光を回折光Ｌs2とする。回折光Ｌs2は、回折格子の凹凸パターンに応じて決まった角度で回折するものである。角度θ₂で反射する回折光Ｌs2は、位相がずれているため、受光素子１２０の検出において誤差を生じさせることが十分に予測できる。

このような場合、光調整部材１３０Ｃの開口部１３２ｃの開口径Ｈを下記式（２）に基づいて設定することにより回折光Ｌs2の入射角を規制することができる。
ｓｉｎθ₁±ｓｉｎθ₂＝ｍλ／ｄ （２）
ここで、ｄは格子間隔（格子周期）であり、ｍは次数（回折次数）であり、λは波長である。

このとき、光調整部材１３０Ｃの開口部１３２ｃの開口径Ｈを上記式（２）に基づいて｜θ₁｜≠｜θ₂｜となるように設定することで、回折格子による回折光の影響を控えて安定したフォーカス精度を得ることができる。つまり、上記第１の実施の形態で説明したようにビームスポットの解像度を変えるだけでなく、特定の回折光の進入を阻止する効果も得られる。これにより、被測定面の面粗度の影響による誤差を緩和することができ、より正確に被測定面の変位を検出できる。

［第４の実施の形態］
次に、上記第３の実施の形態で説明した光調整部材１３０Ｃの他の構成例について説明する。図１１（Ａ）は光調整部材１３０Ｄの構成を示す平面図であり、図１１（Ｂ）はそのＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は光調整部材１３０Ｄの機能例を説明するための図である。

光調整部材１３０Ｄは、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すように、被測定面ＴＧで散乱する所定の回折光を遮光する遮光部として機能する光調整部材本体１３４ｄと、回折光以外の反射光を通過させる開口部１３２ｄとを有する。光調整部材本体１３４ｄは、平面視円形状をなし、例えば金属材料やガラス材料からなる平板部材から構成される。光調整部材本体１３４ｄは、開口部１３２ｄを除いた部分が回折光を遮光する遮光部として機能する。例えば、開口部１３２ｄの両側の周縁領域が遮光部Ｒ１，Ｒ２（図１２（Ｂ）参照）として機能する。

開口部１３２ｄは、細長の楕円形状（トラック形状）をなし、光調整部材本体１３４ｄの略中央部に形成される。詳細には、開口部１３２ｄは、互いに対向する一対の長手部１３２ｄｓと、この一対の長手部をその両端側で連結する一対の円弧状部とから構成される。光調整部材１３０Ｄは、開口部１３２ｄの長手部１３２ｄｓを回折格子の凹凸パターンの溝延在方向（以下格子方向Ｍという）に沿うようにして図示しないシャーシに取り付けられる（図１２参照）。開口部１３２ｄの短手方向の開口径Ｗ１および長手方向の開口径Ｗ２は、上記式（２）式を満たすように選定される。つまり、回折光の入射を規制できるような開口径に選定される。このように構成された光調整部材１３０Ｄは、上述したように、フォトリソグラフィーにより所定形状にパターニングすることにより形成することができる。

次に、光調整部材１３０Ｄの機能例について説明する。図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示すように、回折格子により光軸Ｌoに対して角度θ₄で回折した反射光を回折光Ｌs4とし、回折光以外の反射光を反射光Ｌs3とする。回折光Ｌs4は、回折格子の凹凸パターンに応じて決まった角度で回折する。

被測定面ＴＧで回折した回折光Ｌs4は、第１の対物レンズ１１４を通過して光調整部材本体１３４ｄの遮光領域Ｒ１，Ｒ２によって遮光される。一方、被測定面ＴＧで反射した回折光Ｌs4以外の反射光Ｌs3は、第１の対物レンズ１１４および光調整部材１３０Ｄの開口部１３２ｄを通過して受光素子１２０に受光される。

本実施の形態によれば、第１の対物レンズ１１４と受光素子１２０との間に反射光Ｌrの入射角を規制するための光調整部材１３０Ｄを配置するため、被測定面ＴＧの凹凸パターンの測定において測定誤差を生じさせるような入射角を有する回折光Ｌs4の入射を規制できる。これにより、被測定面の面粗度の影響による誤差を緩和することができ、より正確に被測定面の変位を検出できる。

［第５の実施の形態］
次に、上記第３の実施の形態で説明した光調整部材１３０Ｃの他の構成例について説明する。図１３（Ａ）は光調整部材１３０Ｅの構成を示す平面図であり、図１３（Ｂ）はそのＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は光調整部材１３０Ｅの機能例を説明するための図である。なお、上記図１２（Ａ），（Ｂ）と共通する部分については説明を省略する。

光調整部材１３０Ｅは、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すように、被測定面ＴＧで散乱する回折光Ｌs4を遮光する遮光部として機能する光調整部材本体１３４ｅと、被測定面ＴＧで反射した反射光を通過させる開口部１３２ｅとを有する。

開口部１３２ｅは半円形状をなし、本例では２個の開口部１３２ｅ，１３２ｅが互いの直線部１３２ｅｓを対向させると共に所定の間隔を隔てて形成されている。光調整部材１３０Ｅは、開口部１３２ｅの直線部１３２ｅｓを格子方向Ｍに沿うようにして図示しないシャーシに取り付けられる（図１４参照）。開口部１３２ｅの開口径Ｗ３は、上記式（２）式を満たすように選定される。つまり、回折光の入射を規制できるような開口径に選定される。

光調整部材本体１３４ｅは、平面視円形状をなし、例えば金属材料やガラス材料からなる平板部材から構成される。光調整部材本体１３４ｅは、開口部１３２ｅを除いた部分が回折光Ｌs4を遮光する遮光部として機能する。例えば、開口部１３２ｅの周縁領域が遮光部Ｒ３，Ｒ４（図１４（Ｂ）参照）として機能する。また、開口部１３２ｅ，１３２ｅによって囲まれた中央部の領域が上記第１の実施の形態で説明したように近軸光線を遮光する遮光部Ｒ５（図１４（Ｂ）参照）として機能する。

次に、光調整部材１３０Ｅの機能例について説明する。回折光Ｌs4は、第１の対物レンズ１１４を通過して光調整部材本体１３４ｅの遮光部Ｒ３，Ｒ４によって遮光される。一方、被測定面ＴＧで反射した回折光Ｌs4以外の反射光Ｌs3は、第１の対物レンズ１１４および光調整部材１３０Ｅの開口部１３２ｅ，１３２ｅを通過して受光素子１２０に受光される。

本実施の形態によれば、第１の対物レンズ１１４と受光素子１２０との間に反射光Ｌrの入射角を規制するための光調整部材１３０Ｅを配置するため、被測定面ＴＧの凹凸パターンの測定において測定誤差を生じさせるような入射角を有する反射光Ｌrの入射を規制できる。これにより、被測定面の面粗度の影響による誤差を緩和することができ、より正確に被測定面の変位を検出できる。

［第６の実施の形態］
以下、本発明に係る第６の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態に係る光調整部材１３０Ｆが、解像度を低下させる機能や散乱光の遮光機能を有する複数の開口部を備えている点において上記第１〜第５の実施の形態と異なっている。なお、上述した第１〜５の実施の形態で説明した変位検出装置１０Ａ、非接触センサ１００Ａと共通する構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１５は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置１０Ｂの構成を示す図である。変位検出装置１０Ｂは、図１５に示すように、非接触センサ１００Ｃと、制御部２００と、サーボ制御部２１０と、アクチュエータ３００と、変位量測定部４００と、信号処理部４０４と、表示部１４０と、操作部１４２とを備える。

操作部１４２は、例えばキーボードやリモートコントローラ等から構成され、後述する光調整部材１３０Ｆの複数の開口部から何れかを選択するためのものである。操作部１４２は、ユーザにより所定操作が行われると、所定操作に対応した操作信号Ｓoを生成して制御部２００に出力する。

制御部２００は、操作部１４２から出力された操作信号Ｓoに基づいて駆動部１２２を回転駆動するための駆動信号Ｓcを生成して駆動部１２２に出力する。例えば制御部２００は、ユーザの操作部１４２の操作により開口部１３０Ｆ₇（図１７参照）が選択された場合には、開口部１３０Ｆ₇が射出光Ｌの光軸Ｌo上に位置するような駆動信号Ｓcを生成する。

駆動部１２２は、制御部２００から供給される駆動信号Ｓcに基づいて、駆動部１２２に軸Ｏ_R（図１６参照）を介して連結された光調整部材１３０Ｆを回転駆動させて所定位置で停止させる。例えば、開口部１３０Ｆ₇に対応した駆動信号Ｓcが供給された場合には、開口部１３０Ｆ₇が光軸Ｌo上に位置するように光調整部材１３０Ｆを回転させて停止させる。

次に、非接触センサ１００Ｃの構成について説明する。図１６は、非接触センサ１００Ｂの構成を示す図である。非接触センサ１００Ｃは、図１６に示すように、光源１０２と、コリメートレンズ１０４と、光調整部材１３０Ｆと、偏光ビームスプリッタ１０８と、λ／４板１１０と、ミラー１１２と、第１の対物レンズ１１４と、第２の対物レンズ１１６と、非点成生レンズ１１８と、受光素子１２０とを有する。光調整部材１３０Ｆは、コリメートレンズ１０４と偏光ビームスプリッタ１０８との間に配置される。なお、光調整部材１３０Ｆは、偏光ビームスプリッタ１０８と第２の対物レンズ１１６との間に配置しても良いし、偏光ビームスプリッタ１０８とλ／４板１１０との間に配置しても良い。

図１７は、光調整部材１３０Ｆの構成を示す図である。光調整部材１３０Ｆは、図１７に示すように、所定パターンからなる複数の開口部１３０Ｆ₁，１３０Ｆ₂，１３０Ｆ₃，１３０Ｆ₄，１３０Ｆ₅，１３０Ｆ₆，１３０Ｆ₇，１３０Ｆ₈を有する。開口部１３０Ｆ₁〜１３０Ｆ₈のそれぞれは、光調整部材１３０Ｆの軸Ｏ_Rを中心として光調整部材１３０の周縁部に沿うようにして等間隔に形成されている。また、開口部１３０Ｆ₁〜１３０Ｆ₈が光軸Ｌo上を基準位置で停止したとき、開口部１３０Ｆ₁〜１３０Ｆ₈の中心が光軸Ｌo上に位置している。

開口部１３０Ｆ₁は、上記第１の実施の形態の光調整部材１３０Ａと同様に、射出光Ｌの解像度を低下させる機能を有する。開口部１３０Ｆ₂は、開口部１３０Ｆ₁と同様に射出光Ｌの解像度を低下させる機能を有する。開口部１３０Ｆ₂の内径は開口部１３０Ｆ₁の内径よりも小さく選定され、開口部１３０Ｆ₂の外径は開口部１３０Ｆ₁の外径と同一に選定される。開口部１３０Ｆ₃は、開口部１３０Ｆ₁と同様に射出光Ｌの解像度を低下させる機能を有する。開口部１３０Ｆ₃の内径は開口部１３０Ｆ₂の内径よりも小さく選定され、開口部１３０Ｆ₃の外径は開口部１３０Ｆ₁の外径と同一に選定される。

開口部１３０Ｆ₄は、９個の円形状の開口部から構成されており、上記第１の実施の形態の光調整部材１３０Ａ，１３０Ｃと同様に射出光Ｌの解像度を低下させたり、所定の入射角の回折光を遮光する機能を有する。開口部１３０Ｆ₅は、４個の円形状の開口部から構成されており、上記第１および第３の実施の形態の光調整部材１３０Ａ，１３０Ｃ等と同様に射出光Ｌの解像度を低下させたり、所定の入射角の回折光を遮光する機能を有する。開口部１３０Ｆ₆は、３個の楕円形状の開口部から構成されており、上記第１の実施の形態の光調整部材１３０Ａ，１３０Ｃと同様に射出光Ｌの解像度を低下させたり、所定の入射角の回折光を遮光する機能を有する。

開口部１３０Ｆ₇は、上記第４の実施の形態と同様に、所定の入射角の回折光を遮光する機能を有する。開口部１３０Ｆ₈は、上記第５の実施の形態と同様に、所定の入射角の回折光を遮光する機能を有する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、操作部１４２を操作することで、例えば被測定面ＴＧの特性や形状などに応じて、これらに適合した開口部１３０Ｆ₁〜１３０Ｆ₈を選択することができる。例えば、被測定面ＴＧが回折格子の凹凸パターンである場合には、回折光の入射角を規制することが可能な開口部１３０Ｆ₇，１３０Ｆ₈を操作部１４２により適宜選択できる。これにより、被測定面ＴＧに応じた最適な検出精度によって被測定面ＴＧの変位の測定をすることができ、測定目的に合った被測定面ＴＧの変位情報を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。

例えば、上記第１，２，５の実施の形態で説明した光調整部材１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｅ等を偏光ビームスプリッタ１０８とλ／４板１１０との間等に配置しても良い。これによれば、光調整部材によって射出光Ｌの近軸光線を遮光すると共に反射光Ｌrの入射角も規制することができるので、被測定面ＴＧの面粗度に応じた最適な精度による被測定面ＴＧの変位の測定が可能となる。

また、上記第１，２の実施の形態と、上記第３〜５の実施の形態とを組み合わせることもできる。すなわち、光調整部材１３０Ａ，１３０Ｂの何れかをコリメートレンズ１０４と偏光ビームスプリッタ１０８との間に配置し、光調整部材１３０Ｃ〜１３０Ｅの何れかを偏光ビームスプリッタ１０８と非点成生レンズ１１８との間に配置する。これにより、射出光Ｌの解像度を低下させると共に、反射光Ｌrの特定の入射角を有する回折光を遮光することができるため、より正確に被測定面ＴＧの変位を検出できる。

また、上記第１の実施の形態では、アクチュエータ３００としてボイスコイルモータを使用しているので、被測定面ＴＧの変位に対する直線性が高い。ボイスコイルモータは、可動コイル３０２に供給される電流に対して直線的に変位するモータだからである。したがって、可動コイル３０２に供給される電流を測定することにより簡易に変位量の検出も行うこともできる。なお、アクチュエータ３００としては、ボイスコイルモータに限られず、ＤＣサーボモータ、ステッピングモータあるいは圧電素子等に代替しても良い。

また上記第１の実施の形態では、フォーカスエラー信号ＳFEを得るために非点収差法を利用しているが、これに限らず、臨界角法、ナイフエッジ法等に代替しても良い。いずれの方法においても、フォーカスエラー信号ＳFEがゼロ値になるように制御するので、被測定面ＴＧの反射率が異なっても精度良く変位を検出することができる。

また、光源１０２，偏光ビームスプリッタ１０８，ミラー１１２，受光素子１２０から構成される検出光学系は、連結部材５００に取り付けて、第１の対物レンズ１１４と一体的に移動するように構成しても良く、図示しないシャーシに固定しても良い。第１の対物レンズ１１４と一体的に移動するように構成することにより、変位量の検出範囲がリニアスケール４０８のフルスケールに拡大する。シャーシに固定するようにした場合、すなわち、分散型に構成した場合には、アクチュエータ３００を比較的小さくすることができ、第１の対物レンズ１１４等を含む変位検出装置１０Ａの重量を軽くすることができる。これによって、変位量をより高速に検出することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る変位検出装置の構成を示す図である。 非接触センサの構成を示す斜視図である。 光調整部材の構成を示す図である。 受光素子の受光動作を示す図である。 フォーカスエラー信号の特性を示す図である。 従来の変位検出装置を用いて被測定面を測定した場合の測定結果を示す図である。 本発明に係る変位検出装置を用いて被測定面を測定した場合の測定結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光調整部材の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る変位検出装置の構成を示す図である。 光調整部材の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る光調整部材の構成を示す図である。 光調整部材の機能例を説明するための図である。 本発明の第５の実施形態に係る光調整部材の構成を示す図である。 光調整部材の機能例を説明するための図である。 本発明の第６の実施形態に係る変位検出装置の構成を示す図である。 非接触センサの構成を示す斜視図である。 光調整部材の構成を示す図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ・・・変位検出装置、１００Ａ，１００Ｂ・・・非接触センサ、１０２・・・光源、１０８・・・偏光ビームスプリッタ、１１４・・・第１の対物レンズ、１２０・・・受光素子、１３０Ａ，１３０Ｂ、１３０Ｃ，１３０Ｄ，１３０Ｅ，１３０Ｆ・・・光調整部材、１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ，１３２ｅ，１３２ｆ・・・開口部、１３６ａ、１３６ｂ，１３６ｃ，１３６ｄ，１３６ｅ，１３６ｆ・・・遮光部、２００・・・制御部、２１０・・・サーボ制御部、４００・・・変位量測定部、４０８・・・リニアスケール、ＳFE・・・フォーカスエラー信号

Claims (6)

1. 光源と、当該光源から射出された射出光を被測定面に集光する対物レンズと、前記対物レンズにより前記被測定面に集光されて当該被測定面で反射された反射光を用いて前記対物レンズの焦点距離に基づいた変位情報を検出する受光素子とを有する非接触センサと、
   前記受光素子により検出された前記変位情報に基づいて前記対物レンズの前記焦点距離を調整する制御部と、
   前記対物レンズに連結部材を介して取り付けられたリニアスケールを有し、前記制御部により前記対物レンズの前記焦点距離が調整されたときの前記リニアスケールの変位量を測定する変位量測定部とを備え、
   前記光源と前記対物レンズとの間および前記対物レンズと前記受光素子との間の少なくとも一方には、前記射出光および／または前記反射光を通過させる開口部と、前記射出光および／または前記反射光のうち特定の光を遮光する遮光部とを有する光調整部材が配置された変位検出装置。
2. 前記光調整部材は、
   前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記被測定面に集光される前記射出光の解像度を調整する
   請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記遮光部は、前記射出光の光軸上に設けられ、前記射出光のうち近軸光線を含む第１の射出光を遮光し、
   前記開口部は、前記第１の射出光周辺の第２の射出光を前記対物レンズ側に通過させる
   請求項２に記載の変位検出装置。
4. 前記光調整部材は、
   前記対物レンズと前記受光素子との間に配置され、前記被測定面で反射する反射光の入射角を規制する
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の変位検出装置。
5. 前記遮光部は、前記反射光のうち光軸に対して第１の入射角を有する第１の反射光を規制し、
   前記開口部は、前記反射光のうち前記第１の入射角よりも前記光軸との角度が小さい第２の入射角を有する第２の反射光を前記受光素子側に通過させる
   請求項４に記載の変位検出装置。
6. 前記被測定面は回折格子の凹凸パターンにより構成され、
   前記回折格子に入射する入射角度をθ₁，前記回折格子で回折する回折角度をθ₂とし、前記回折格子の格子間隔をｄとし、回折次数をｍとし、波長をλとしたとき、
   ｓｉｎθ₁±ｓｉｎθ₂＝ｍλ／ｄ
   の関係を満たし、
   前記光調整部材の前記開口部の開口径は、前記入射角度θ₁および回折角度θ₂が｜θ₁｜≠｜θ₂｜となるように設定される
   請求項５に記載の変位検出装置。

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