JP2012002703A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面の変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させる変位検出装置を提供する。
【解決手段】変位検出装置１では、対物レンズ３が光源２からの出射光を被測定面１０１に向けて集光する。被測定面１０１からの反射光の光路は、分離光学系４により光源２から出射光の光路と分離される。分離光学系４を通った反射光は、集光手段７により集光され、非点収差発生手段８により非点収差が発生した状態で受光部９に入射する。位置情報生成部１０は、受光部９で検出した光量から得られるフォーカスエラー信号を用いて被測定面１０１の位置情報を生成する。そして、集光手段７、非点収差発生手段８又は受光部９は、対物レンズ３により集光された出射光の焦点が被測定面１０１の奥側に位置するときに、フォーカスエラー信号の値が０になるように光軸上の位置が設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から出射された光を用いた非接触センサによって被測定面の変位を検出する変位検出装置に関する。

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。従来の変位検出装置では、光源から出射した光を対物レンズで被測定面に集光し、被測定面で反射した反射光を非点光学素子で集光して受光素子に入射させて、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、フォーカスエラー信号を用いてサーボ機構を駆動させ、対物レンズの焦点位置が被測定面となるように対物レンズを変位させる。このとき、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（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に開示された変位検出装置では、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面に集光させるビーム径を小さくしている。例えば、被測定面に結像されるビーム径を２μｍ程度にすると、リニアスケールの検出精度は、数ｎｍ〜１００数ｎｍ程度になる。

特開平５−８９４８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された変位検出装置では、微細な凹凸の変位測定には向くものの、被測定面に結像された光が被測定面の面粗度によって散乱するため、測定面の変位測定に誤差が生じるという問題がある。

また、被測定面の表面に付着した微細なゴミ等を検出する場合があり、要求される被測定面の変位や形状等の変位情報が正確に得ることができない問題がある。さらに、被測定面に集光された光が被測定面上で結像するため、被測定面の温度上昇による測定への影響や、被測定面の劣化等も問題になる。

本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面の変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させる変位検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の変位検出装置は、光源と、対物レンズと、分離光学系と、集光手段と、非点収差発生手段と、受光部と、位置情報生成部とを備えている。対物レンズは、光源からの出射光を被測定面に向けて集光し、分離光学系は、被測定面からの反射光の光路を光源から出射光の光路と分離する。集光手段は、分離光学系によって出射光の光路と分離された反射光を集光し、非点収差発生手段は、集光手段によって集光された反射光に非点収差を発生させる。

受光部は、非点収差発生手段により非点収差が発生した反射光の光量を検出し、位置情報生成部は、受光部により検出された光量から得られるフォーカスエラー信号を用いて被測定面の位置情報を生成する。そして、集光手段、非点収差発生手段又は受光部は、対物レンズによって集光された出射光の焦点が被測定面の手前又は奥側に位置するときに、フォーカスエラー信号の値が０になるように光軸上の位置が設定されている。

上記構成の変位検出装置では、対物レンズによって集光された出射光の焦点が被測定面の手前又は奥側で結像されている状態でフォーカスエラー信号が０となり、出射光の焦点が被測定面からずれた状態で対物レンズが基準位置にあると判断する。そのため、被測定面上の出射光の径（ビーム径）を所定の大きさにすることができ、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等を変位量として検出することを抑制することができる。その結果、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面の変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させることができる。

また、光源からの出射光は、被測定面上の一点で結像せずに面反射するため、被測定面の温度上昇や、被測定面の劣化等を防止或いは抑制することができる。

本発明によれば、被測定面の面粗度、汚れ、微細なゴミ等の付着によって被測定面の変位量の測定に誤差が生じる可能性を減少させることができる。

本発明の変位検出装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。 本発明の変位検出装置の第１の実施の形態に係る受光部の照射像の例を示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第１の実施の形態に係る受光部によって検出された光量から得られるフォーカスエラー信号の特性を示す図である。 本発明の変位検出装置の第１の実施の形態に係る被測定面上のビーム径と発散光の角度との関係を示すグラフである。 本発明の変位検出装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。 本発明の変位検出装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。

以下、本発明の変位検出装置を実施するための形態について、図１〜図６を参照して説明する。各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

〈１．変位検出装置の第１の実施の形態〉
まず、変位検出装置の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。
図１は、変位検出装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。

図１に示すように、変位検出装置１は、光源２と、対物レンズ３と、分離光学系４と、ミラー５と、２つのコリメータレンズ６，７と、非点収差発生手段８と、受光部９と、位置情報生成部１０と、筐体１１とを備えている。光源２、対物レンズ３、分離光学系４、ミラー５、２つのコリメータレンズ６，７、非点収差発生手段８、受光部９、位置情報生成部１０は、それぞれ筐体１１に配設されている。

光源２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から構成されている。この光源２は、筐体１１に着脱可能に取り付けられている。光源２を筐体１１に着脱可能に取り付けることにより、筐体１１を設置箇所から取り外さなくても、劣化した光源２を新しい光源と交換することができる。これにより、光源２を交換する度に筐体１１の設置位置がずれる心配が無く、信頼性を必要とする測定や製造装置に変位検出装置１を使用する場合に有利となる。

対物レンズ３は、光源２からの出射光を被測定面１０１に向けて集光する。この対物レンズ３は、レンズ保持部（不図示）に固定されており、レンズ保持部は、アクチュエータ（不図示）によって対物レンズ３の光軸方向に移動可能になっている。レンズ保持部を移動させるアクチュエータとしては、例えば、可動コイルと永久磁石から構成することができる。

また、レンズ保持部には、リニアスケール（不図示）が固定されている。このリニアスケールの目盛りは、対物レンズ３の光軸と同軸上に配置されている。このリニアスケールとしては、例えば、光の干渉縞を目盛りとして記録した光学式スケール（ホログラムスケール）や、磁気式スケール等を用いることができる。なお、リニアスケールには、目盛りの略中央位置に原点（基準点）が形成されているとよい。

分離光学系４は、偏光ビームスプリッタ１５と、位相板１６から構成されており、被測定面１０１からの反射光の光路を光源２から出射光の光路と分離する。偏光ビームスプリッタ１５は、光源２からの出射光を反射し、被測定面１０１によって反射された反射光を透過させる。位相板１６は、偏光ビームスプリッタ１５とミラー５との間に配置されており、偏光ビームスプリッタ１５によって反射された出射光と、被測定面１０１によって反射された反射光の偏光状態を変える。

ミラー５は、偏光ビームスプリッタ１５によって反射された出射光と、被測定面１０１によって反射された反射光の光軸方向を変える。具体的には、偏光ビームスプリッタ１５によって反射された出射光の光軸を対物レンズ３に向け、被測定面１０１によって反射されて対物レンズ３を通過した反射光の光軸を位相板１６（偏光ビームスプリッタ１５）に向ける。

ミラー５の表面には、金属皮膜が施されている。これにより、一般的な誘電体多層膜で生じる湿度の変化による偏光や波長特性の変化を抑えることができ、安定な位置検出が可能になる。

コリメータレンズ６は、光源２と偏光ビームスプリッタ１５との間に配置されており、光源２からの出射光を平行光にする。コリメータレンズ７は、偏光ビームスプリッタ１５と非点収差発生手段８との間に配置されている。このコリメータレンズ７は、集光手段の一具体例を示すものであり、偏光ビームスプリッタ１５を透過した反射光を集光して受光部９へ導く。

なお、対物レンズ３及びコリメータレンズ６，７には、光源２の波長変動による焦点距離の変動を受け難くする色消し対策（色収差補正）を施してもよい。このようにすることで、光源２の波長や温度を監視しなくてもよく、被測定面１０１の変位量を測定した測定値に補正を行う必要が無くなる。

また、本実施の形態では、光源２から出射された出射光の光路中にコリメータレンズ６を配置し、被測定面１０１によって反射された反射光の光路中にコリメータレンズ７を配置した。これにより、出射光の光路長と反射光の光路長を任意に設定することが可能になる。その結果、設計の自由度を向上させることができ、最適な部品配置を実現することができる。さらに、コリメータレンズ６によりカップリング効率の向上を図ることができ、コリメータレンズ７により後述するフォーカスエラー信号の特性を変化させて、例えば、対物レンズ３を変位させるためのサーボ機構が駆動する範囲（サーボ引き込み範囲）を広げることができる。

非点収差発生手段８は、コリメータレンズ７と受光部９との間に配置されており、コリメータレンズ７によって集光された被測定面１０１からの反射光に非点収差を発生させる。この非点収差発生手段８は、コリメータレンズ７から受光部９までの反射光の光路中に配置されたシリンドリカル面を含む光学部品により構成されている。非点収差発生手段としては、一般にシリンドリカルレンズを用いるが、本実施の形態では、球面とシリンドリカル面を複合させたマルチレンズを採用している。これにより、非点収差の発生と出力信号波形の調整をすることが可能となり、部品点数を削減することができる。

なお、本実施の形態の非点収差発生手段８としては、コリメータレンズ７から受光部９までの反射光の光路中に斜めに配置された透明な基板により構成することもできる。

受光部９は、非点収差発生手段８により非点収差が発生した反射光の光量を検出する。この受光部９は、反射光の光軸に直交する平面上に並ぶ４つの受光素子２１〜２４から構成されている（図２参照）。これら４つの受光素子２１〜２４に入射する反射光の照射像は、反射光に非点収差が発生しているため、対物レンズ３から被測定面１０１までの距離によって変化する。この照射像（照射スポット）の形状については、後で説明する。

位置情報生成部１０は、受光部９により得られるフォーカスエラー信号を用いて被測定面１０１の位置情報を生成する。この位置情報生成部１０は、フォーカスエラー信号生成部（不図示）と、サーボ制御回路（不図示）と、前述のアクチュエータと、前述のリニアスケールと、リニアスケールの目盛りを読み取る検出ヘッド（不図示）から構成されている。

フォーカスエラー信号の値が「０」のときの対物レンズ３で集光される出射光の焦点位置は、集光手段であるコリメータレンズ７と、非点収差発生手段８と、受光部９の光軸方向の位置によって決定される。そこで、本実施の形態では、対物レンズ３で集光される出射光の焦点位置が被測定面１０１の奥側にあるときにフォーカスエラー信号の値が「０」になるように、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８又は受光部９の光軸上の位置を設定している。

次に、変位検出装置１による被測定面１０１の変位量の測定について、図１〜図３を参照して説明する。
図２は、変位検出装置１の受光部９に照射される照射像の例を示す説明図である。図３は、受光部９によって検出された光量から得られるフォーカスエラー信号の特性を示す図である。

図１に示すように、光源２から出射された出射光は、コリメータレンズ６によって平行光となり、偏光ビームスプリッタ１５によって反射される。偏光ビームスプリッタ１５によって反射された光源２からの出射光は、位相板１６を通過して円偏光となり、ミラー５によって反射されて対物レンズ３に導かれる。その後、出射光は、対物レンズ３によって被測定面１０１に向けて集光され、被測定面１０１で反射後に結像される。したがって、被測定面１０１上の出射光は、所定の径（ビーム径）を有するものになる。

被測定面１０１で反射した反射光は、対物レンズ３によって平行光に近づけられるが、発散光となり、ミラー５によって反射されて位相板１６に導かれる。位相板１６を通過した反射光は、位相板１６を通過する前の出射光と直交する直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１５を透過する。その後、反射光は、コリメータレンズ７によって集光され、非点収差発生手段８によって非点収差を発生した状態で受光部９に照射される。

図２に示すように、受光部９は、反射光の光軸に直交する平面上に並ぶ４つの受光素子２１〜２４から構成されている。これら４つの受光素子２１〜２４は、反射光の光軸周りに所定の間隔を空けて配置されており、受光素子２１と受光素子２３は、反射光の光軸を挟んで対向している。そして、受光素子２２と受光素子２４は、反射光の光軸を挟んで対向している。

非点収差が発生した反射光が４つの受光素子２１〜２４に照射される領域（照射スポット）は、対物レンズ３から被測定面１０１までの距離によって変化する。本実施の形態では、対物レンズ３によって集光される出射光の焦点位置ｆが被測定面１０１の奥側であって被測定面１０１から所定の距離ｄ_１だけ離れているときに、照射スポットが円形になる（図２（ｂ）参照）。したがって、照射スポットが円形になる場合は、対物レンズ３によって集光された出射光が被測定面１０１で反射後に結像される。

ここで、照射スポットが円形になるときの対物レンズ３の位置を基準位置とする。本実施の形態では、対物レンズ３が基準位置よりも被測定面１０１から遠ざかると、照射スポットは、受光素子２１，２３側に延びた楕円形になる（図２（ａ）参照）。また、対物レンズ３が基準位置よりも被測定面１０１に近づくと、照射スポットは、受光素子２２，２４側に延びた楕円形になる（図２（ｃ）参照）。

各受光素子２１〜２４は、検出した光を電気エネルギーに変換（光電変換）して出力信号を生成し、位置情報生成部１０のフォーカスエラー信号生成部へ出力する。フォーカスエラー信号生成部は、各受光素子２１〜２４が出力した出力信号からフォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥを生成する。このフォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥは、対物レンズ３の基準位置に対する光軸方向へのずれを表している。

各受光素子２１，２２，２３，２４の出力信号を出力信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、フォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥは、次式により算出される。
（数１）Ｓ_ＦＥ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）

上述の（数１）により算出されたフォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥの特性は、図３に示すようになる。図３に示す特性において、原点Ｏは対物レンズ３の基準位置を示し、被測定面１０１上では、所定の出射光の径（ビーム径）が確保されている。したがって、ビーム径よりも小さい面粗度、汚れ、ゴミ等の付着があっても、フォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥの値が「０」となり、被測定面１０１の変位量の測定に影響しない。

位置情報生成部１０のフォーカスエラー信号生成部は、生成したフォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥをアナログデジタル変換して、サーボ制御回路へ出力する。サーボ制御回路は、フォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥの値が「０」となるような駆動信号をアクチュエータに出力して、アクチュエータの駆動制御を行う。これにより、レンズ保持部に固定されたリニアスケールが対物レンズ３の光軸方向に移動する。そして、検出ヘッドがリニアスケールの目盛りを読み取ることにより、被測定面１０１の変位量が測定される。

次に、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８又は受光部９の光軸方向の位置設定について説明する。
本実施の形態では、照射スポットが円形になっている状態の受光部９（受光素子２１〜２４）を光軸に沿って非点収差発生手段８に接近する方向に移動させると、照射スポットが受光素子２１，２３側に延びた楕円形になる（図２（ａ）参照）。

そこで、対物レンズ３の基準位置を被測定面１０１に近づけて焦点位置ｆを被測定面１０１の奥側に設定する場合は、例えば、受光部９（受光素子２１〜２４）の設置位置を非点収差発生手段８から遠ざける。その結果、設定前の受光部９の位置では円形であった照射スポットが受光素子２１，２３側に延びた楕円形になる。

サーボ制御回路は、設定後の受光部９の位置で照射スポットが円形になる（フォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥの値が「０」になる）ように、アクチュエータを駆動制御する。本実施の形態では、照射スポットが受光素子２１，２３側に延びた楕円形になると、対物レンズ３が基準位置よりも被測定面１０１から遠ざかっていると判断するため、アクチュエータは、対物レンズ３を被測定面１０１に近づけるように駆動制御される。その結果、対物レンズ３と被測定面１０１との相対距離を変化させることができ、焦点位置ｆを被測定面１０１の奥側に設定することができる。

ここでは、受光部９（受光素子２１〜２４）の光軸上の位置を調整して、焦点位置ｆを被測定面の奥側に設定する例を説明した。しかしながら、本発明の変位測定装置としては、非点収差発生手段又は集光手段（コリメータレンズ７）の光軸上の位置を調整して、焦点位置ｆを被測定面の奥側に設定することもできる。

なお、非点収差発生手段としてシリンドリカル面を含む光学部品（例えば、シリンドリカルレンズ）を用いる場合は、非点収差発生手段の光軸上の位置を調整すると、受光部９の４つの受光素子２１〜２４に照射される反射光の照射スポットが変化する。したがって、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置ｆを変位させることができる。
しかし、非点収差発生手段として基板を用いる場合は、非点収差発生手段の光軸上の位置を調整しても、受光部９の４つの受光素子２１〜２４に照射される反射光の照射スポットは変化しない。したがって、非点収差発生手段として基板を用いる場合は、受光部又は集光手段の光軸上の位置を調整して、焦点位置ｆを変位させる。

本実施の形態では、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置ｆを被測定面１０１の奥側に設定する。そのため、被測定面１０１で反射して対物レンズ３を通った反射光は、発散光になる。
図４は、被測定面上のビーム径と発散光（収束光）の角度との関係を示すグラフである。

図４に示すように、ビーム径と発散光の角度は比例する。なお、図４に示すビーム径と発散光の角度との関係（比例定数）は一例であり、対物レンズの焦点距離、対物レンズの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）等によって変化する。

被測定面１０１上のビーム径を大きくすれば被測定面１０１の面粗度や傷、ゴミ等の影響を受け難くすることができるが、被測定面１０１により反射して対物レンズ３を通った反射光の発散角度も大きくなる。対物レンズ３を通った反射光の発散角度が大きくなりすぎると、その反射光を受光部９まで導く偏光ビームスプリッタ１５やコリメータレンズ７等の光学部品が大型化する可能性がある。そのため、被測定面１０１上のビーム径は、偏光ビームスプリッタ１５やコリメータレンズ７等の光学部品の大きさを考慮して決定することが好ましい。

〈２．変位検出装置の第２の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第２の実施の形態について、図５を参照して説明する。
図５は、変位検出装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。

第２の実施の形態の変位検出装置３１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図１参照）と同じ構成を有しており、異なるところは、対物レンズで集光される出射光の焦点位置である。そのため、ここでは、焦点位置について説明し、変位検出装置１と共通する構成部品には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

変位検出装置３１では、対物レンズ３で集光される出射光の焦点位置が被測定面１０１の手前側（対物レンズ３側）にあるときにフォーカスエラー信号の値が「０」になるように、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８又は受光部９の光軸上の位置を設定している。

本実施の形態では、対物レンズ３によって集光される出射光の焦点位置ｆが被測定面１０１の手前側であって被測定面１０１から所定の距離ｄ_２だけ離れているときに、照射スポットが円形になる（図２（ｂ）参照）。したがって、照射スポットが円形になる場合は、対物レンズ３によって集光された出射光が被測定面１０１の手前側で結像される。

図５に示すように、光源２から出射された出射光は、コリメータレンズ６によって平行光となり、偏光ビームスプリッタ１５によって反射される。偏光ビームスプリッタ１５によって反射された光源２からの出射光は、位相板１６を通過して円偏光となり、ミラー５によって反射されて対物レンズ３に導かれる。その後、出射光は、対物レンズ３によって被測定面１０１に向けて集光され、被測定面１０１の手前側で結像される。

したがって、被測定面１０１上の出射光は、所定の径（ビーム径）を有するものになる。これにより、被測定面１０１にビーム径よりも小さい面粗度、汚れ、ゴミ等の付着があっても、フォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥの値が「０」となり、被測定面１０１の変位量の測定に影響しない。

次に、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８又は受光部９の光軸方向の位置設定について説明する。
対物レンズ３の基準位置を被測定面１０１から遠ざけて焦点位置ｆを被測定面１０１の手前側に設定する場合は、例えば、受光部９（受光素子２１〜２４）の設置位置を非点収差発生手段８に近づける。これにより、設定前の受光部９の位置では円形であった照射スポットが受光素子２２，２４側に延びた楕円形になる。

サーボ制御回路は、設定後の受光部９の位置で照射スポットが円形になる（フォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥの値が「０」になる）ように、アクチュエータを駆動制御する。本実施の形態では、照射スポットが受光素子２２，２４側に延びた楕円形になると、対物レンズ３が基準位置よりも被測定面１０１に接近していると判断するため、アクチュエータは、対物レンズ３を被測定面１０１から遠ざけるように駆動制御される。その結果、対物レンズ３と被測定面１０１との相対距離を変化させることができ、焦点位置ｆを被測定面１０１の手前側に設定することができる。

ここでは、受光部９（受光素子２１〜２４）の光軸上の位置を調整して、焦点位置ｆを被測定面１０１の手前側に設定する例を説明した。しかしながら、本発明の変位測定装置としては、非点収差発生手段又は集光手段（コリメータレンズ７）の光軸上の位置を調整して、焦点位置ｆを被測定面の手前側に設定することもできる。また、非点収差発生手段として基板を用いる場合は、受光部又は集光手段の光軸上の位置を調整して、焦点位置ｆを変位させる。

本実施の形態では、対物レンズ３により集光される出射光の焦点位置ｆを被測定面１０１の手前側に設定したため、被測定面１０１で反射して対物レンズ３を通った反射光は、収束光になる。図４に示すように、ビーム径と収束光の角度は比例する。なお、図４に示すビーム径と収束光の角度との関係（比例定数）は一例であり、対物レンズの焦点距離、対物レンズの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）等によって変化する。

被測定面１０１上のビーム径を大きくすれば、被測定面１０１により反射して対物レンズ３を通った反射光の収束角度も大きくなる。対物レンズ３を通った反射光の収束角度が大きくなると、反射光が対物レンズ３と受光部９との間で結像する場合がある。その場合は、反射光が結像する付近に光学部品を配置しないようにする。これは、光学部品にゴミ等が付着していると、受光部９に導かれる反射光に大きく影響してしまうからである。

また、反射光の収束角度が大きくなると、反射光を受光部９まで導くコリメータレンズ７や非点収差発生手段８等のレンズ部品におけるレンズ曲率が小さくなるため、レンズがずれた際のビーム移動等の摂動感度が高くなる。そのため、被測定面１０１上のビーム径は、コリメータレンズ７や非点収差発生手段８等のレンズ部品におけるレンズ曲率等を考慮して決定することが好ましい。

〈３．変位検出装置の第３の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第３の実施の形態について、図６を参照して説明する。
図６は、変位検出装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。

第３の実施の形態の変位検出装置４１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図１参照）と同様の構成を有している。この変位検出装置４１が変位検出装置１と異なるところは、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８及び受光部９をそれぞれ光軸方向に移動させるスライド機構４２，４３，４４を有する点である。そのため、ここでは、スライド機構４２，４３，４４について説明し、変位検出装置１と共通する構成部品には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図６に示すように、変位検出装置４１は、コリメータレンズ７を光軸方向へ移動させるスライド機構４２と、非点収差発生手段８を光軸方向へ移動させるスライド機構４３と、受光部９を光軸方向へ移動させるスライド機構４４を備えている。これらスライド機構４２〜４４は、例えば、コリメータレンズ７等の光学部品の光軸方向への移動を案内するガイド部と、コリメータレンズ７等の光学部品を移動させるアクチュエータから構成されている。スライド機構４２〜４４のアクチュエータとしては、例えば、可動コイルと永久磁石、直動モータ、圧電素子等を適用することができる。

本実施の形態では、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８又は受光部９の光軸上の位置をスライド機構４２〜４４によって調整することができる。これにより、対物レンズ３によって集光される出射光の焦点位置ｆを被測定面１０１の手前側又は奥側にあるときに、照射スポットが円形になる（図２（ｂ）参照）ように設定することができる。その結果、被測定面１０１にビーム径よりも小さい面粗度、汚れ、ゴミ等の付着があっても、フォーカスエラー信号Ｓ_ＦＥの値が「０」となり、被測定面１０１の変位量の測定に影響を及ぼさないようにすることができる。

また、対物レンズ３によって集光される出射光の焦点位置ｆを被測定面１０１上にあるときに、照射スポットが円形になる（図２（ｂ）参照）ように設定することもできる。この場合は、ビーム径を小さくして被測定面１０１の微細な形状の測定を行う場合に有利になる。つまり、変位検出装置４１は、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８又は受光部９の光軸上の位置を調整することにより、使用状況に応じた精度で被測定面１０１の変位量の測定を行うことができる。

なお、本実施の形態では、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８及び受光部９をそれぞれ光軸方向に移動させるスライド機構４２，４３，４４を設ける構成とした。しかしながら、本発明の変位検出装置としては、コリメータレンズ７、非点収差発生手段８又は受光部９のいずれかを光軸方向に移動させる１つのスライド機構を備えていればよい。
また、非点収差発生手段として基板を用いる場合は、４つの受光素子２１〜２４に照射される反射光の照射スポットは変化しないため、受光部又は集光手段を光軸方向に移動させるスライド機構を設ける。

本発明は、前述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施の形態では、光源２から出射された出射光をコリメータレンズ６により平行光にしたが、コリメータレンズ６を通った光源２からの出射光は、発散光或いは収束光であってもよい。

また、上述した実施の形態では、対物レンズ３を被測定面１０１に追従して光軸方向に移動させる構成としたが、対物レンズ３を筐体１１に固定することにより、フォーカスエラー信号を用いて絶対位置情報を生成することもできる。

また、上述した実施の形態では、光源２を筐体１１に着脱可能に取り付ける構造とした。しかしながら、本発明の変位検出装置としては、光源２を筐体１１内に配設せずに筐体１１から離れた位置に配設し、光ファイバを介して筐体１１内に光を供給するようにしてもよい。
これにより、熱源となる光源２を筐体１１から切り離すことができ、筐体１１内の温度上昇を防止することができる。また、光源２を光ファイバに着脱可能に取り付ける構造にすることにより、筐体１１から離れた場所で光源２の交換を行うことができるようになり、メンテナンス性を向上させることができる。

また、本発明の変位検出装置としては、光源２を筐体１１から離れた位置に配設し、光源２からの出射光を気体、液体又は真空の空間を介して筐体１１内に供給するようにしてもよい。
これにより、熱源となる光源２を筐体１１から切り離すことができると共に、光ファイバ等の筐体１１に接続される部材が削除され、筐体１１に振動が伝わらないようにすることができる。

また、上述した実施の形態では、非点収差発生手段８によって非点収差を発生させた反射光を受光部９が直接検出するようにした。しかしながら、本発明の変位検出装置としては、非点収差が発生した反射光を光ファイバによって受光部９に導くようにしてもよい。
これにより、受光部９の設置位置を自由に設定することができるため、受光部９と位置情報生成部１０（フォーカスエラー信号生成部）に近接して配置することができる。その結果、電気通信距離の短縮化を図ることができ、応答速度を高速化することができる。

また、本発明の変位検出装置としては、対物レンズ３と受光部９との間の光路上にアパーチャを配置し、被測定面１０１からの特定の反射光を遮断してもよい。
例えば、被測定面１０１上の異物や凹凸による回折光が迷光として受光部９へ入射されることをアパーチャにより防止する。その結果、対物レンズ３のデフォーカス量に対する受光素子２１〜２４の受光量の和信号の制御を高精度に行うことができる。

また、本発明の変位検出装置としては、偏光ビームスプリッタ１５と受光部９との間の光路上に、例えばくもりガラス等の光散乱体を配置してもよい。
これにより、受光部９に入射する反射光の光軸方向に垂直な断面内において均一な光強度分布が得られ、被測定面１０１の面粗度の影響をより低減することができる。
また、こうした光散乱体を例えば１ＫＨｚ以上で振動させ、散乱方向を様々に変化させると、受光素子２１〜２４上でのスペックルが平均化され、スペックルコントラストが低減される。

また、被測定面１０１に、光源２から出射される出射光を反射させるミラー処理を施してもよい。これにより、Ｓ／Ｎ比の高い信号から位置情報を得ることができる。
また、被測定面を有する被測定物に光源２から出射される出射光と同一の波長の光を反射させる回折格子を形成してもよい。このような被測定面に対しては、上述した実施の形態の変位検出装置と、回折光を受光して面方向の位置を検出するいわゆるリニアスケールとを組み合わせた変位検出装置を構成することが好ましい。これにより、３次元方向の変位検出が可能となる。

また、被測定物に回折格子を形成する場合は、回折格子上の表面に、光源２からの出射光を反射させる反射膜を形成して被測定面としてもよい。上述した実施の形態の変位検出装置は、反射膜によって形成された被測定面からの反射光を検出することで、高さ方向の変位検出を行う。このとき、光源２から出射された出射光には、回折格子による回折光が生じないため、正確な変位検出を行うことができる。なお、リニアスケールは、この反射膜を透過する光源を用いることにより、回折光等の検出を行う。

また、反射膜によって形成された被測定面は、回折格子の下地側に形成してもよい。この場合は、光源２から出射された光が回折格子を形成する材料を透過し、リニアスケールに用いる光が回折格子によって回折光となる。

１，３１，４１…変位検出装置、 ２…光源、 ３…対物レンズ、 ４…分離光学系、 ５…ミラー、 ６…コリメータレンズ、 ７…コリメータレンズ（集光手段）、 ８…非点収差発生手段、 ９…受光部、 １０…位置情報生成部、 １１…筐体、 １５…偏光ビームスプリッタ、 １６…位相板、 ２１，２２，２３，２４…受光素子、 ４２，４３，４４…スライド機構、 １０１…被測定面、 ｄ１，ｄ２…被測定面から焦点位置までの距離

Claims (2)

1. 光源と、
   前記光源からの出射光を被測定面に向けて集光する対物レンズと、
   前記被測定面からの反射光の光路を前記光源から出射光の光路と分離する分離光学系と、
   前記分離光学系によって前記出射光の光路と分離された前記反射光を集光する集光手段と、
   前記集光手段によって集光された前記反射光に非点収差を発生させる非点収差発生手段と、
   前記非点収差発生手段により非点収差が発生した前記反射光の光量を検出する受光部と、
   前記受光部により検出された光量から得られるフォーカスエラー信号を用いて前記被測定面の位置情報を生成する位置情報生成部と、を備え、
   前記集光手段、前記非点収差発生手段又は前記受光部は、前記対物レンズによって集光された前記出射光の焦点が前記被測定面の手前側又は奥側に位置するときに、前記フォーカスエラー信号の値が０になるように光軸上の位置が設定されていることを特徴とする変位検出装置。
2. 前記集光手段、前記非点収差発生手段又は前記受光部のいずれかを光軸方向に移動させる移動機構を備える請求項１に記載の変位検出装置。

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