JP2013210228A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定部材の高さ方向の変位を高分解能で検出し、高速で安定した計測を行う。
【解決手段】光源１０からの測定光Ｌ０を光束分割部１２により被測定部材１に入射させる物体光となる第１の光束Ｌ１と参照光となる第２の光束Ｌ２に分割し、被測定部材１の被測定面１ａによって反射された第１の光束Ｌ１を回折格子１４により回折させ、再び上記被測定部材１の被測定面１ａによって反射させて上記光束分割部１２に戻すとともに、第２の光束Ｌ２を反射部１８により反射させて上記光束分割部１２に戻し、上記光束結合部１２により重ね合わされた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２の干渉光を受光する受光部３０Ａにより得られる干渉光強度に基づいて、相対位置情報出力部２０Ｂにより上記被測定面１ａの高さ方向の変位情報を得るにあたり、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射された上記第１の光束Ｌ１を第１の反射鏡１４により反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに戻す再度入射させる第１の反射部を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から出射された測定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し、詳しくは被測定面の垂直な方向の変位を検出する技術に関するものである。

従来から、被測定面の変位や形状を非接触で測定する装置として光を用いた変位検出装置が広く利用されている。代表的な例としては、レーザ光を被測定面に照射し、反射光の位置の変化をＰＳＤ（Position Sensitive Device）で検出する方法がある。しかしながら、この方法では、被測定面の傾きの影響を受けやすく、感度が低く、測定範囲を広げると測定の分解能が落ちるという問題があった。

これに対し、被測定面を鏡面としてマイケルソンの干渉計を使用する方法がある。この方法は、検出範囲が広く、直線性に優れるが、測定範囲が広がると光源の波長の変化と空気の屈折率の変化を受ける。

一方、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方式がある（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、被測定面の傾きの変化を受けにくく、大きな測定範囲を高い分解能で計測できるメリットがあった。

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、例えば磁石とコイルを用いたアクチュエータ等のような駆動機構により対物レンズをその光軸方向に上下運動させている。そのため、アクチュエータの構造や質量によって対物レンズの上下運動のメカ的な応答周波数が制限されていた。その結果、上記変位検出装置では、高速で振動する被測定物の計測は難しかった。また、検出点を絞れる反面、被測定物上の異物やビーム形状に近い細かな形状変化の影響を受け、大きな誤差を発生する、という問題があり、その使用条件に制約が生じてしまっていた。

そこで、本発明の目的は、上記の如き従来の問題点に鑑み、被測定部材の高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測が可能な変位検出装置を提供することにある。

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

すなわち、本発明は、変位検出装置であって、測定光を出射する光源と、上記光源から出射された測定光を被測定部材に入射させる物体光となる第１の光束と、参照光となる第２の光束に分割する光束分割部と、上記光束分割部によって分割され、かつ上記被測定部材の被測定面によって反射された上記第１の光束を回折し、回折した上記第１の光束を再び前記被測定部材の被測定面に入射させる回折格子と、上記回折格子に入射される上記被測定部材の被測定面によって反射された上記第１の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させる第１の反射部と、上記光束分割部によって分割された上記第２の光束を反射する第２の反射部と、上記回折格子によって回折され、かつ上記被測定面によって再び反射された上記第１の光束と、上記第２の反射部によって反射された上記第２の光束を重ね合わせる光束結合部と、上記光束結合部により重ね合わされた上記第１の光束及び上記第２の光束の干渉光を受光する受光部と、上記受光部により受光した干渉光強度に基づいて上記被測定面の高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る変位検出装置において、上記回折格子は、例えば、上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第１の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に戻す反射型の回折格子からなり、上記第１の反射部により反射されて上記被測定部材の被測定面に再び入射された上記第１の光束が上記被測定部材の被測定面により反射されて入射されるものとすることができる。

また、本発明に係る変位検出装置において、上記回折格子は、例えば、上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第１の光束を透過させる透過型の回折格子からなり、上記透過型の回折格子を透過し上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第１の光束を反射して上記が上記被測定部材の被測定面に戻す第３の反射部を備え、上記第１の反射部は、上記回折格子を透過させる上記第１の光束の光路中の上記回折格子の前後に設けられ、上記光束分割部によって分割されて上記被測定部材の被測定面に入射されて反射された上記第１の光束と、上記第３の反射部により反射されて上記被測定部材の被測定面に戻され該被測定部材の被測定面により反射された上記第１の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させるものとすることができる。

また、本発明に係る変位検出装置において、上記第１の反射部は、例えば、上記被測定部材の被測定面との間で上記第１の光束を複数回反射するものとすることができる。

本発明に係る変位検出装置では、回折格子に入射される被測定部材の被測定面によって反射された第１の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させる第１の反射部を備えることにより、被測定部材の高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。

本発明を適用した変位検出装置の構成例を示すブロック図である。 上記変位検出装置に備えられた反射型の回折格子の構成例を模式的に示す側面図である。 上記変位検出装置に備えられた相対位置情報検出部における相対位置情報出力部の構成を示すブロック図である。 上記変位検出装置における被測定部材の被測定面に照射される第１の光束の上記被測定面上での照射スポットと回折格子上における回折位置の関係を模式的に示す図である。 変位検出装置により測定される多層の被測定面を有する被測定部材の構造を模式的に示すに示す側面図である。 本発明を適用した変位検出装置の他の構成例を示すブロック図である。 上記変位検出装置に備えられた光路長調整手段の構造例を模式的に示す側面図である。 上記変位検出装置における光路長調整手段による光路長調整された第１の光束の回折格子への入射状態を模式的に示すに示す図である。 本発明を適用した変位検出装置の他の構成例を示すブロック図である。 本発明を適用した変位検出装置の他の構成例を示すブロック図である。 第１の反射部として機能する第１の反射ミラーにより第１の光束を２回反射させた場合の第１の光束の回折格子への入射状態を模式的に示すに示す図である。 本発明を適用した変位検出装置の他の構成例を示すブロック図である。 上記変位検出装置において、被測定部材の被測定面に照射された第１の光束の上記被測定面による反射と透過型の回折格子による回折の状態を模式的に示す側面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、例えば図１のブロック図に示すような構成の変位検出装置１００に適用される。

この変位検出装置１００は、回折格子１４を用いて被測定部材１の被測定面１ａにおける垂直な方向（測定方向Ｚ）の変位を該被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１に基づいて検出するものであって、測定光Ｌ０を出射する光源１０と、この光源１０から出射される測定光Ｌ０を２つの光束Ｌ１，Ｌ２に分割する偏光ビームスプリッタ１２と、この偏光ビームスプリッタ１２により分割された第１の光束Ｌ１が上記被測定部材１の被測定面１ａによって反射されて入射される第１の反射鏡１４と、この第１の反射鏡１４により反射されて再入射された第１の光束Ｌ１が上記被測定部材１の被測定面１ａによって反射されて入射される回折格子１５と、上記偏光ビームスプリッタ１２により分割された第２の光束Ｌ２が入射される第２の反射鏡１７と、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１に基づいて、上記被測定部材１の被測定面１ａの上記測定方向Ｚの相対位置を光学的に検出する相対位置検出部２０を備える。

光源１０には、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、ガスレーザ、固体レーザ、発光ダイオード、白色光等が挙げられる。

光源１０として、可干渉距離が短い光源を用いると、可干渉距離が短くなるほど、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぐことができ、高精度な計測をすることができる。したがって、光源１０は、可干渉距離ができるだけ短い光源を用いることが望ましい。

さらに、光源１０として、シングルモードのレーザを用いると、波長を安定させるために、光源１０の温度をコントロールすることが望ましい。また、シングルモードのレーザの光に、高周波重畳などを付加して、光の可干渉性を低下させてもよい。さらに、マルチモードのレーザを用いる場合も、ペルチェ素子等で光源１０の温度をコントロールすることで、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぎ、さらに安定した計測が可能になる。

この光源１０から出射された測定光Ｌ０は、コリメートレンズ等からなるレンズ１１を介して偏光ビームスプリッタ１２に入射されている。レンズ１１は、光源１０から出射された測定光Ｌ０を平行光にコリメートする。そのため、偏光ビームスプリッタ１２には、レンズ１１により平行光にコリメートされた測定光Ｌ０が入射される。

偏光ビームスプリッタ１２は、例えば、光源１０から入射される測定光Ｌ０のうち、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過し、コリメートされた測定光Ｌ０を物体光である第１の光束Ｌ１と、参照光である第２の光束Ｌ２に分割する光束分割部として機能する。また、この偏光ビームスプリッタ１２は、被測定部材１及び第２の反射鏡１７から反射されて戻ってきた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を重ね合わせて、相対位置検出部２０の受光部２０Ａに照射する光束結合部として機能する。すなわち、この変位検出装置１００における偏光ビームスプリッタ１２は、測定光Ｌ０を第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割する光束分割部としての役割と、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を重ね合わせる光束結合部としての役割を有している。

偏光ビームスプリッタ１２では、測定光Ｌ０が第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割されるが、その光量比率は、相対位置検出部２０の受光部２０Ａに入射する際に被測定部材１側と第２の反射鏡１７側でそれぞれが同じ光量になるような比率にすることが好ましい。

また、光源１０と偏光ビームスプリッタ１２との間に偏光板を設けてもよい。これにより、それぞれの偏光に対して直行した偏光成分としてわずかに存在する漏れ光、ノイズを除去することができる。

また、第１の位相板１３及び第２の位相板１６は、それぞれ１／４波長板等から構成されている。

そして、この変位検出装置１００において、第１の反射鏡１４は、被測定部材１の被測定面１ａにより反射され第１の光束Ｌ１を再び被測定部材１の被測定面１ａに入射するように上記被測定部材の被測定面１ａに略平行に配置されている。この第１の反射鏡１４は、回折格子１５に入射される上記被測定部材１の被測定面１ａによって反射された第１の光束Ｌ１を反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに再度入射させる第１の反射部として機能する。

この変位検出装置１００において、回折格子１５は、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射されて入射される上記第１の光束Ｌ１を反射し、かつ回折させ上記被測定部材１の被測定面１ａに戻す反射型の回折格子からなる。

そして、回折格子１５によって回折された第１の光束Ｌ１は、被測定部材１の被測定面１ａで反射して第１の反射鏡１４に入射され、この第１の反射鏡１４により反射されて上記被測定部材１の被測定面１ａに入射され、この被測定部材１の被測定面１ａで反射されて再び偏光ビームスプリッタ１２へ戻される。回折格子１５は、被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角、すなわち回折格子１５の回折面と被測定部材１の被測定面１ａで形成される角度がほぼ９０°となるように配置されている。

なお、回折格子１５における被測定部材１に対する配置する精度は、変位検出装置１００に要求する測定精度によって種々設定されるものである。すなわち、変位検出装置１００に高い精度を要求する場合、回折格子１５を被測定部材１の被測定面１ａに対して９０°±０．５°の範囲に配置することが好ましい。これに対し、回折格子１５を被測定部材１の被測定面１ａに対して９０°から±２°の範囲で配置しても、変位検出装置１００を工作機械等の低精度の測定に用いる場合には、十分である。

また、回折格子１５に入射した第１の光束Ｌ１は、回折格子１５によって反射し、かつ回折される。この回折格子１５の格子ピッチΛは、回折角が回折格子１５への入射角とほぼ等しくなるように設定される。すなわち、回折格子１５の格子ピッチΛは、被測定面１ａへの入射角をθ、光の波長をλとすると、次の式１を満たす値に設定することが好ましい。なお、上述したように、回折格子１５が被測定部材１の被測定面１ａに対して直角に配置されているため、回折格子１５への入射角は、π／２−θとなる。

Λ＝λ／（２ｓｉｎ（π／２−θ）） ・・・式１

そのため、回折格子１５によって反射し、かつ回折されて再び被測定部材１の被測定面１ａに入射するときの光路が、偏光ビームスプリッタ１２によって分割された第１の光束Ｌ１が被測定部材１の被測定面１ａによって反射されて回折格子１５に入射するときの光路に重なり合う。その結果、回折格子１５よって回折された第１の光束Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ１２から被測定部材１の被測定面１ａに照射された照射スポットＰ１と同じ点に戻る。そして、第１の光束Ｌ１は、被測定部材１の被測定面１ａで再び反射され、偏光ビームスプリッタ１２から照射されたときの光路と同じ光路を通って偏光ビームスプリッタ１２に戻る。

なお、回折格子１５としては、例えば図２の側面図に一例を示すような構造の回折格子が用いられる。

この回折格子１５は、溝の断面形状を鋸歯状に形成した、いわゆるブレーズド回折格子１５Ａ，１５Ｂからなる。この回折格子１５によれば、被測定部材１の被測定面１ａで反射された物体光である第１の光束Ｌ１や、第２の反射鏡１７で反射された参照光である第２の光束Ｌ２の回折効率を高めることができ、信号のノイズを低下させることができる。

また、この変位検出装置１００において、第２の反射鏡１７は、図１に示すように、偏光ビームスプリッタ１２によって分割された第２の光束Ｌ２を回折格子１５に反射するものである。この第２の反射鏡１７は、回折格子１５を間に挟んで被測定部材１と対向する位置に設けられている。そして、第２の反射鏡１７の反射面は、被測定部材１の被測定面１ａと略平行に配置される。そのため、第２の反射鏡１７及び回折格子１５は、第２の反射鏡１７の反射面と回折格子１５の回折面で形成される角度がほぼ９０°となるように配置される。

また、第２の反射鏡１７は、回折格子１５によって回折された第２の光束Ｌ２を再び反射して偏光ビームスプリッタ１２に戻す。なお、第２の反射鏡１７によって反射され、かつ回折格子１５によって回折された第２の光束Ｌ２も、第１の光束Ｌ１と同様に、偏光ビームスプリッタ１２から照射されたときの光路と同じ光路を通って偏光ビームスプリッタ１２に戻る。

この第２の反射鏡１７は、第１の光束Ｌ１における偏光ビームスプリッタ１２から回折格子１５までの光路長と、第２の光束Ｌ２における偏光ビームスプリッタ１２から回折格子１５までの光路長が等しくなるように配置される。第２の反射鏡１７を設けたことで、この変位検出装置１００を製造する際に、第１の光束Ｌ１の光路長と第２の光束Ｌ２の光路長や光軸の角度を調整し易くすることができる。その結果、気圧や湿度や温度の変化による光源１０の波長変動の影響を受けにくくすることができる。

上述したように、第２の反射鏡１７の反射面と回折格子１５の回折面は、被測定部材１の被測定面１ａと回折格子１５の関係と同様に、略直角に配置することが好ましい。これにより、回折格子１５によって回折されて再び第２の反射鏡１７の反射面に入射するときの光路が、第２の反射鏡１７によって反射されて回折格子１５に入射するときの光路に重なり合う。

また、偏光ビームスプリッタ１２は、被測定部材１及び第２の反射鏡１７から反射されて戻ってきた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を重ね合わせて、相対位置検出部２０の受光部２０Ａに照射する。すなわち、この変位検出装置１００における偏光ビームスプリッタ１２は、測定光Ｌ０を第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割する光束分割部としての役割と、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を重ね合わせる光束結合部としての役割を有している。

ここで、偏光ビームスプリッタ１２から被測定部材１及び回折格子１５を介して偏光ビームスプリッタ１２に戻るまでの長さと、偏光ビームスプリッタ１２から第２の反射鏡１７及び回折格子１５を介して偏光ビームスプリッタ１２に戻るまでの長さは、略等しく設定されている。すなわち、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長を等しく設定したため、気圧や湿度、温度の変化による光源１０の波長変動があったとしても、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２が受ける影響を等しくすることができる。その結果、気圧補正や湿度補正、温度補正を行う必要がなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。

相対位置検出部２０は、受光部２０Ａと相対位置情報出力部２０Ｂからなる。

相対位置検出部２０の受光部２０Ａは、偏光ビームスプリッタ１２により重ね合わされた第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２が入射される集光レンズ２１と、この集光レンズ２１により集光された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２すなわち入射光を分割するハーフミラー２２と、このハーフミラー２２により分割された入射光が入射される第１の偏光ビームスプリッタ２３と、上記ハーフミラー２２により分割された入射光が例えば１／４波長板等からなる受光側位相板２４を介して入射される第２の偏光ビームスプリッタ２５を備える。

これら第１の偏光ビームスプリッタ２３及び第２の偏光ビームスプリッタ２５は、ｓ偏光成分を有する干渉光を反射させ、ｐ偏光成分を有する干渉光を透過させて、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２との干渉光を分割するものである。

第１の偏光ビームスプリッタ２３は、入射される光束の偏光方向が入射面に対して４５度傾くように配置されている。この第１の偏光ビームスプリッタ２３における光の出射口側には、第１の受光素子２６と、第２の受光素子２７が設けられている。また、第２の偏光ビームスプリッタ２５における光の出射口側には、第３の受光素子２８と、第４の受光素子２９が設けられている。

また、相対位置検出部２０の相対位置情報出力部２０Ｂは、図３に示すように、第１の差動増幅器６１ａと、第２の差動増幅器６１ｂと、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａと、第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂと、波形補正処理部６３と、インクリメンタル信号発生器６４とを有している。

第１の差動増幅器６１ａは、受光部２０Ａの第１の受光素子２６及び第２の受光素子２７が入力端に接続され、出力端に第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂが接続されている。また、第２の差動増幅器６１ｂは、受光部２０Ａの第３の受光素子２８及び第４の受光素子２９が入力端に接続され、出力端に第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂが接続されている。そして、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａ及び第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂは、波形補正処理部６３に接続されている。波形補正処理部６３は、インクリメンタル信号発生器６４に接続されている。

このような構成の変位検出装置１００において、偏光ビームスプリッタ１２により重ね合わされて、相対位置検出部２０の受光部２０Ａに入射される第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ２３に対してそれぞれｐ偏光成分とｓ偏光成分を有することになる。したがって、第１の偏光ビームスプリッタ２３を透過した第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。よって、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を第１の偏光ビームスプリッタ２３によって干渉させることができる。

同様に、第１の偏光ビームスプリッタ２３によって反射される第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ２３に対して同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。そのため、第１の偏光ビームスプリッタ２３によって干渉させることができる。

第１の偏光ビームスプリッタ２３によって反射された第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２との干渉光は、第１の受光素子２６によって受光される。また、第１の偏光ビームスプリッタ２３を透過した第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２との干渉光は、第２の受光素子２７によって受光される。ここで、第１の受光素子２６と第２の受光素子２７とによって光電変換される信号は、１８０度位相の異なる信号となる。

したがって、第１の受光素子２６と第２の受光素子２７によって、Ａｃｏｓ（Ｋｚ＋δ）の干渉信号が得られる。Ａは、干渉の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。また、ｚは、回折格子１５上における第１の光束Ｌ１の移動量を示しており、δは、初期位相を示している。Λは、回折格子５における格子のピッチである。

ここで、図４に示すように、被測定部材１が高さ方向にｚ／２だけ移動すると、被測定部材１の被測定面１ａに照射される第１の光束Ｌ１は、照射スポットＰ１から照射スポットＰ２に移動する。また、被測定部材１の被測定面１ａで反射された第１の光束Ｌ１は、回折格子１５の回折位置Ｔ１から回折位置Ｔ２に移動する。ここで、回折格子１５は、被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角に配置されているため、回折位置Ｔ１と回折位置Ｔ２の間隔は、照射スポットＰ１と照射スポットＰ２の間隔の４倍の２ｚとなる。すなわち、回折格子１５上を移動する第１の光束Ｌ１の移動量は、被測定部材１を移動した際の４倍の２ｚとなる。

また、回折格子１５が被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角に配置されているため、被測定部材１が高さ方向に変位しても、Ｐ２−Ｔ２間の距離と、Ｐ２−Ｐ１−Ｔ１間の距離が一定であることから、第１の光束Ｌ１の光路長は常に一定となることが分かる。すなわち、第１の光束Ｌ１の波長は、変化しない。そして、被測定部材１が高さ方向に変位すると、回折格子１５に入射する位置だけが変化する。

よって、回折された第１の光束Ｌ１には、Ｋｚの位相が加わる。つまり、被測定部材１が高さ方向に対してｚ／２だけ移動すると、第１の光束Ｌ１は回折格子１４上では４倍の２ｚだけ移動する。そのため、第１の光束Ｌ１には、Ｋｚの位相が加わり、１周期の光の明暗が生じる干渉光が第１の受光素子２６、第２の受光素子２７によって受光される。

このように上記回折格子１５に入射される被測定部材１の被測定面１ａによって反射された第１の光束ｌ１を反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに再度入射させる第１の反射部として機能する第１の反射ミラー１４を備えることにより、上記被測定部材１の被測定面１ａの高さ方向の変位を高分解能で検出できる。

ここで、第１の受光素子２６及び第２の受光素子２７によって得られる干渉信号には、光源１０の波長に関する成分が含まれていない。よって、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長に変動が起きても干渉強度には、影響を受けない。

一方、ハーフミラー２２を透過した光束Ｌａは、受光側位相板２４を介して第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射される。互いに偏光方向が９０度異なる直線偏光である第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２からなる光束Ｌａは、受光側位相板２４を透過することにより、互いに逆回りの円偏光となる。そして、この互いに逆回りの円偏光は同一光路上にあるので、重ね合わされることにより直線偏光となって、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射される。

この直線偏光のｓ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッタ２５によって反射され、第３の受光素子２８に受光される。また、ｐ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ２５を透過し、第４の受光素子２９によって受光される。

上述したように、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射する直線偏光は、互いに逆回りの円偏光の重ね合わせによって生じている。そして、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射される直線偏光の偏光方向は、被測定部材１が高さ方向にΛ／４だけ移動すると１／２回転する。したがって、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９でも同様に、Ａｃｏｓ（Ｋｚ＋δ’）の干渉信号が得られる。δ’は初期位相である。

また、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９とで光電変換される信号は、１８０度位相が異なる。

なお、この変位検出装置１００では、第１の偏光ビームスプリッタ２３に対して、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９に受光される光束を分割する第２の偏光ビームスプリッタ２６を４５度傾けて配置している。このため、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９において得られる信号は、第１の受光素子２６と第２の受光素子２７において得られる信号に対し、９０度位相がずれている。

したがって、例えば第１の受光素子２６と第２の受光素子２７で得られる信号をｓｉｎ信号、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９において得られる信号をｃｏｓ信号として用いることによりリサージュ信号を取得することができる。

これらの受光素子２６〜２９によって得られる信号は、相対位置情報出力部２０Ｂによって演算され、被測定面１ａの変位量がカウントされる。

相対位置情報出力部２０Ｂでは、まず、受光部２０Ａの第１の受光素子２６と第２の受光素子２７で得られた位相が互いに１８０度異なる信号を第１の差動増幅器６１ａによって差動増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。

そして、この信号は、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａによってＡ／Ｄ変換され、波形補正処理部６３によって信号振幅とオフセットと位相が補正される。この信号は、例えばＡ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４から出力される。

また同様に、第３の受光素子３５及び第４の受光素子３６で得られた信号は、第２の差動増幅器６１ｂによって差動増幅され、第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂによってＡ／Ｄ変換される。そして、波形補正処理部６３により信号振幅とオフセットと位相とが補正され、Ａ相と位相が９０度異なるＢ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４から出力される。

こうして得られた２相のインクリメンタル信号は、図示しないパルス弁別回路等により正逆の判別が行われ、これにより、被測定部材１の被測定面１ａの高さ方向の変位量が、プラス方向であるかマイナス方向であるかを検出できる。

また、図示しないカウンタによってインクリメンタル信号のパルス数をカウントすることにより、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の干渉光強度が上述の周期の何周期分変化したのかを計測できる。これにより、被測定部材１の被測定面１ａの変位量が検出される。

なお、この変位検出装置１００における相対位置情報出力部２０Ｂの出力する相対位置情報は、上述の２相のインクリメンタル信号であってもよいし、それから算出された変位量、変位方向を含む信号であってもよい。

このような構成の変位検出装置１００では、回折格子１５に入射される被測定部材１の被測定面１ａによって反射された第１の光束ｌ１を反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに再度入射させる第１の反射部として機能する第１の反射ミラー１４を備えることにより、上記被測定部材１の被測定面１ａの高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。

ここで、一般に被測定部材１としては、ミラー等が用いられるが、透明ガラスなどの保護膜で表面が覆われた被測定部材１の被測定面１ａや図５に示すように多層膜で形成された被測定部材１の各層の境界面１Ａ，１Ｂ・・・１Ｎを被測定面１ａとする場合には、保護膜のない被測定部材１の表面を被測定面１ａとする場合と光路長が異なるため、可干渉距離が短い光源では、表面１ｓの反射光で干渉信号が得られても、媒体内の層の境界面１Ａ，１Ｂ・・・１Ｎによる反射光との干渉信号は得られない。各層の境界面１Ａ，１Ｂ・・・１Ｎを被測定面１ａとする多層膜で形成された被測定部材１の例としては、多層膜や半導体のウエハなどがあげられる。

このような被測定部材１の被測定面１ａを検出するには、上記変位検出装置１００において、偏光ビームスプリッタ１２によって分割された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段を設け、上記第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長を一致させる調整を行うようにすればよい。

例えば図６のブロック図に示すような構成の変位検出装置１００Ａを用いることにより、透明ガラスなどの保護膜で表面が覆われた被測定部材や多層膜や半導体のウエハなどの被測定部材の被測定面の高さ方向の位置を検出することができる。

この変位検出装置１００Ａは、上記変位検出装置１００における偏光ビームスプリッタ１２により分割された第２の光束Ｌ２の光路に光路長調整手段として光路長調整プリズム１８ａを設けたものである。

すなわち、この変位検出装置１００Ａは、第１の光束Ｌ１は、物体光として、第１の位相板１３を介して被測定部材１に照射され、第２の光束Ｌ２は、参照光として、第２の位相板１５と光路長調整プリズム１８ａを介して第２の反射鏡１７に照射される。

なお、上記変位検出装置１００Ａにおいて、上記変位検出装置１００と共通する構成要素については、図中に同一の符号を付して重複した説明を省略する。

ここで、光路長調整プリズム１８ａは、図７に示すように、参照光として入射される第２の光束Ｌ２の光軸と直交する方向に可動部１８ｂにより移動されることにより、第２の光束Ｌ２の光路長を可変する光路長調整手段として機能する。上記可動部１８ｂには、ステージやピエゾ素子が用いられる。

光路長調整プリズム１８ａと可動部１８ｂによる光路長調整手段は、偏光ビームスプリッタ１２から回折格子１５までの第２の光束Ｌ２の光路中に設けられることにより、第２の光束Ｌ２の光路長を任意に調整できる。

これにより、透明ガラスなどの保護膜で表面が覆われた被測定部材１の被測定面１ａや図５に示すように多層膜で形成された被測定部材１の各層の境界面１Ａ，１Ｂ・・・１Ｎを被測定面１ａとする場合にも、Ｌ２＝Ｌ１の条件が成立する被測定面１ａを検出することができる。さらに光源１０の可干渉距離が短いので、Ｌ２＝Ｌ１の条件が成立する層の境界面のみを被測定面１ａとして選択して検出することができる。

すなわち、表面反射の場合、被測定部材１の変動によって光路長Ａ＝Ａ’，Ｂ＝Ｂ’よりＡ＋ＢとＡ’＋Ｂ’が、常に等しいことため、一度第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の長さを等しく調整してしまえば、第１の光束Ｌ１の光路内の媒体の屈折率が変化しない限り、安定して検出が可能になる。一方、表面反射と、積層した媒体内の屈折率ｎとする場合、Ａ＝Ａ’であっても媒体内は、Ｂ＜Ｂ’になるため、光路長に差が生じる。よって各層の面を検出するためには、図８の（Ａ），（Ｂ）に示すように、それぞれの第１の光束Ｌ１の光路長に一致させるように第２の光束Ｌ２を調整する必要がある。

光路長調整プリズム１８ａと可動部１８ｂによる光路長調整手段は、この光路長の差を解消し、各層の面を選択して検出する働きをする。

上記光路長調整手段は、物体光である第１の光束Ｌ１における偏光ビームスプリッタ１２から回折格子１５を介して上記偏光ビームスプリッタ１２に戻るまでの光路長と、参照光である第２の光束Ｌ２における偏光ビームスプリッタ１２から回折格子１５を介して上記偏光ビームスプリッタ１２に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有している。

なお、この変位検出装置１００では、上記光路長調整手段により第２の光束Ｌ２を調整に連動して第２の反射鏡１７を回転させて、回折格子１５への第２の光束Ｌ２の入射角が変化しないようにしている。

ここで、上記変位検出装置１００Ａでは、偏光ビームスプリッタ１２から回折格子１５までの第２の光束Ｌ２の光路中に光路長調整プリズム１８ａと可動部１８ｂによる光路長調整手段を設けることにより、第２の光束Ｌ２の光路長を任意に調整できるようにしたが、偏光ビームスプリッタ１２から回折格子１５までの第１の光束Ｌ１の光路中に光路長調整プリズム１８ａと可動部１８ｂによる光路長調整手段を設けることにより、第１の光束Ｌ１の光路長を調整するようにしてもよい。

また、図９に示す変位検出装置１００Ｂのように、参照光である第２の光束Ｌ２を反射する第２の反射鏡１７を第２の光束Ｌ２の光軸と直交する配置して、可動部１８Ａにより上記第２の反射鏡１７を第２の光束Ｌ２の光軸方向に移動させて第２の光束Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段を備えるものとすることもできる。この場合、光路長調整手段は、物体光である第１の光束Ｌ１における偏光ビームスプリッタ１２から回折格子１５を介して上記偏光ビームスプリッタ１２に戻るまでの光路長と、参照光である第２の光束Ｌ２における偏光ビームスプリッタ１２から第２の反射鏡１７を介して上記偏光ビームスプリッタ１２に戻るまでの光路長との一致点を含む光路長調整範囲を有するものとされる。上記可動部１８Ａには、ステージやピエゾ素子が用いられる。

さらに、図１０に示す変位検出装置１００Ｃのように、物体光である第１の光束Ｌ１を回折させる反射型の回折格子１５Ａと参照光である第２の光束Ｌ２を回折させる反射型の回折格子１５Ｂを分離して配し、上記回折格子１５Ａと回折格子１５Ｂの一方又は両方を可動部１８Ａ，１８Ｂにより被測定面１ａの測定方向Ｚと直交する方向Ｘに移動させて第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の一方又は両方の光路長を調整する光路長調整手段を備えるものとすることもできる。この変位検出装置１００Ｂにおいて、上記回折格子１５Ａと回折格子１５Ｂは、光路長調整手段による調整範囲で第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長を一致させることができるように予め測定方向Ｚと直交する方向Ｘにずらして配置される。

上記可動部１８Ａ，１８Ｂには、ステージや板バネやピエゾ素子が用いられる。また、上記可動部１８Ａ，１８Ｂを温度調節し、物体の温度膨張を利用して移動させても良い。

なお、上記変位検出装置１００Ｂ，１００Ｃにおいて、上記変位検出装置１００と共通する構成要素については、図中に同一の符号を付して重複した説明を省略する。

このような構成の変位検出装置１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃでは、偏光ビームスプリッタ１２によって分割された被測定部材１の被測定面１ａに入射させる物体光となる第１の光束Ｌ１、又は、参照光となる第２の光束Ｌ２の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段を備えることにより、透明ガラスなどの保護膜で表面が覆われた被測定部材１の被測定面１ａや図５に示すように多層膜で形成された被測定部材１の各層の境界面１Ａ，１Ｂ・・・１Ｎを被測定面１ａとする場合にも、Ｌ２＝Ｌ１の条件が成立する被測定面１ａを検出することができる。さらに光源１０の可干渉距離が短いので、Ｌ２＝Ｌ１の条件が成立する層の境界面のみを被測定面１ａとして選択して検出することができ、しかも、回折格子１５に入射される被測定部材１の被測定面１ａによって反射された第１の光束Ｌ１を反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに再度入射させる第１の反射部として機能する第１の反射ミラー１４を備えることにより、上記被測定部材１の被測定面１ａの高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。

ここで、上記変位検出装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃでは、第１の反射部として機能する第１の反射ミラー１４により、第１の光束Ｌ１を１回だけ反射して被測定部材１の被測定面１ａに再入射させるようにしたが、上記被測定部材１の被測定面１ａとの間で上記第１の光束Ｌ１を２回以上反射させて上記被測定部材１の被測定面１ａに複数回再入射させるようにしてもよい。

例えば、図１１に示すように、第１の反射部として機能する第１の反射ミラー１４により第１の光束Ｌ１を２回反射させた場合、被測定部材１の被測定面１ａには第１の光束Ｌ１が３回入射されることになるが、光路長は、Ａ＝Ａ’、Ｂ＝Ｂ’、Ｃ＝Ｃ’、Ｄ＝Ｄ’、Ｅ＝Ｅ’となり、被測定部材１の被測定面１ａの測定方向Ｚの変化に対し、常に一定である。

また、被測定部材１の被測定面１ａが、測定方向Ｚにｚ／２だけ変化すると、回折格子１７上の第１の光束Ｌ１の位置は、６倍の３ｚだけ変化する。つまり回折格子１上の第１の光束Ｌ１の位置の変化は、被測定部材１の被測定面１ａに入射させる回数に比例する。

この手法で、得られる干渉信号をさらに細かくすることができる高分解能化することができる。

また、上記変位検出装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃにおいて、相対位置情報検出部２０は、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１を反射型回折格子１５を介して受光する受光部２０Ａを備え、上記受光部２０Ａにより得られる光検出出力に基づいて上記被測定面１ａの上記測定方向Ｚの相対位置情報を相対位置情報出力部２０Ｂから出力するものとしたが、本発明は、例えば図１２に示すように、被測定部材１の被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１を透過型回折格子１５Ｃを介して受光する受光部２０Ａを備え、上記受光部２０Ａにより得られる光検出出力に基づいて上記被測定面１ａの上記測定方向Ｚの相対位置情報を相対位置情報出力部２０Ｂから出力する変位検出装置１００Ｄに適用することもできる。

すなわち、図１２に示す変位検出装置１００Ｄは、上記変位検出装置１００と同様に、被測定部材１の被測定面１ａにおける垂直な方向（測定方向Ｚ）の変位を該被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１に基づいて検出するものであって、光源１０と、この光源１０から出射される測定光Ｌ０を２つの光束Ｌ１，Ｌ２に分割する偏光ビームスプリッタ１２と、被測定部材１の被測定面１ａによって第１の光束Ｌ１が反射されて入射される第１の反射部として機能する２つの第１の反射鏡１４Ａ、１４Ｂと、第１の光束Ｌ１が上記被測定部材１の被測定面１ａによって反射されて入射される透過型の回折格子１５Ｃと、上記偏光ビームスプリッタ１２により分割された第２の光束Ｌ２が入射される第２の反射鏡１７と、戻り用反射鏡ブロック１９と、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射される測定光Ｌ１に基づいて、上記被測定部材１の被測定面１ａの上記測定方向Ｚの相対位置を光学的に検出する相対位置検出部２０を備える。

上記第１の反射鏡１４Ａ，１４Ｂは、被測定部材１の被測定面１ａにより反射され第１の光束Ｌ１を再び被測定部材１の被測定面１ａに入射するように上記被測定部材の被測定面１ａに略平行に配置されている。

すなわち、この変位検出装置１００Ｄは、透過型の回折格子１５Ｃを透過させる第１の光束Ｌ１の光路中の上記回折格子１５Ｃの前後に第１の反射部として機能する２つの第１の反射鏡１４Ａ、１４Ｂが設けられており、上記偏光ビームスプリッタ１２によって分割されて上記被測定部材１の被測定面１ａに入射されて反射された上記第１の光束Ｌ１と、上記第３の反射部として機能する戻り用反射鏡ブロック１９の第１の反射面１９Ａにより反射されて戻されて上記被測定部材１の被測定面１ａに戻され該被測定部材１の被測定面１ａにより反射された上記第１の光束Ｌ１を２つの第１の反射鏡１４Ａ、１４Ｂにより反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに再度入射させるようになっている。

なお、この変位検出装置１００Ｄにおいて、上記変位検出装置１００と共通する構成要素については、図中に同一の符号を付して重複した説明を省略する。

この変位検出装置１００Ｄでは、光源１０から出射された測定光Ｌ０がレンズ１１Ａによりコリメートされ平行光として偏光ビームスプリッタ１２に入射され、偏光ビームスプリッタ１２により物体光である第１の光束Ｌ１と、参照光である第２の光束Ｌ２に分割される。

偏光ビームスプリッタ１２で分割された第１の光束Ｌ１は、第１の位相板１３を介して被測定部材１の被測定面１ａにおける第１の照射スポットＰｃ１に入射される。

上記被測定部材１の被測定面１ａに入射された第１の光束Ｌ１は、該被測定部材１の被測定面１ａで反射されて第１の反射部として機能する第１の反射鏡１４Ａに入射される。

この第１の反射鏡１４Ａは、上記偏光ビームスプリッタ１２によって分割されて上記被測定部材１の被測定面１ａに入射されて反射された上記第１の光束Ｌ１を反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに再度入射させる第１の反射部として機能する。

そして、上記被測定部材１の被測定面１ａに再入射された上記第１の光束Ｌ１が上記被測定部材１の被測定面１ａで反射されて透過型の回折格子１５Ｃに入射される。
回折格子１５Ｃは、入射された光を透過させ、かつ回折する透過型の回折格子である。

すなわち、この変位検出装置１００Ｄでは、上記変位検出装置１００における反射型の回折格子１５に替えて上記透過型の回折格子１５Ｃが設けられている。

そして、この透過型の回折格子１５Ｃに入射された第１の光束Ｌ１は、当該透過型の回折格子１５Ｃを透過し、かつ１回回折されて、被測定部材１の被測定面１ａに入射される。

上記被測定部材１の被測定面１ａに入射された第１の光束Ｌ１は、該被測定部材１の被測定面１ａで反射されて第１の反射部として機能する第２の反射鏡１４Ｂに入射される。

この第１の反射鏡１４Ｂは、上記被測定部材１の被測定面１ａにより反射されて入射された上記第１の光束Ｌ１を反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに再度入射させる第１の反射部として機能する。

すなわち、この変位検出装置１００Ｄは、透過型の回折格子１５Ｃを透過させる第１の光束Ｌ１の光路中の上記回折格子１５Ｃの前後に第１の反射部として機能する２つの第１の反射鏡１４Ａ、１４Ｂが設けられており、上記偏光ビームスプリッタ１２によって分割されて上記被測定部材１の被測定面１ａに入射されて反射された上記第１の光束Ｌ１と、上記第３の反射部として機能する戻り用反射鏡ブロック１９の第１の反射面１９Ａにより反射されて戻されて上記被測定部材１の被測定面１ａに戻され該被測定部材１の被測定面１ａにより反射された上記第１の光束Ｌ１を２つの第１の反射鏡１４Ａ、１４Ｂにより反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに再度入射させるようになっている。

上記第１の反射鏡１４Ｂにより反射された第１の光束Ｌ１は、上記被測定部材１の被測定面１ａにおける上記第１の照射スポットＰｃ１と異なる第２の照射スポットＰｄ１に入射され、この被測定面１ａで反射されて戻り用反射鏡ブロック１９の第１の反射面１９Ａに入射される。

また、偏光ビームスプリッタ１２で分割された第２の光束Ｌ２は、第２の位相板１６と光路長調整プリズム１８ａを介して第２の反射鏡１７に入射され、この第２の反射鏡１７を介して被測定部材１の被測定面１ａにおける第１の照射スポットＳｃ１に入射され、この被測定面１ａで反射されて透過型の回折格子１５Ｃに入射される。

そして、この透過型の回折格子１５Ｃに入射された第２の光束Ｌ２は、当該透過型の回折格子１５Ｃを透過し、かつ１回回折されて、第２の反射鏡１７の反射面における上記第１の照射スポットＳｃ１と異なる第２の照射スポットＳｄ１に入射され、この反射面で反射されて戻り用反射鏡ブロック１９の第２の反射面１９Ｂに入射される。

戻り用反射鏡ブロック１９は、第１の反射面１９Ａと第２の反射面１９Ｂとを有する略三角形状のミラーである。第１の反射面１９Ａは、被測定部材１の被測定面１ａで反射されて入射された第１の光束Ｌ１を反射して入射したときと同じ光路で被測定部材１の被測定面１ａと透過型の回折格子１５Ｃを介して偏光ビームスプリッタ１２に戻す。また、第２の反射面１９Ｂは、第２の反射鏡１７の反射面で反射されて入射された第２の光束Ｌ２を反射して入射したときと同じ光路で第２の反射鏡１７の反射面と透過型の回折格子１５Ｃを介して偏光ビームスプリッタ１２に戻す。すなわち、上記戻り用反射鏡ブロック１９は、第１の反射面１９Ａと第２の反射面１９Ｂ入射された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を反射して元の光路に戻す第３の反射部として機能する。

この変位検出装置１００Ｄにおいて、戻り用反射鏡ブロック１９は、第１の光束Ｌ１の光路長と、第２の光束Ｌ２の光路長が等しくなるように配置される。また、この戻り用反射鏡ブロック１９は、被測定部材１の被測定面１ａの測定方向Ｚに可動部１８Ｃにより移動させることができるようになっている。上記可動部１８Ｃには、ステージや板バネやピエゾ素子が用いられる。また、上記可動部１８Ｃを温度調節し、物体の温度膨張を利用して移動させても良い。

すなわち、この変位検出装置１００Ｄは、上記可動部１８Ｃにより戻り用反射鏡ブロック１９を被測定部材１の被測定面１ａの測定方向Ｚに移動させることによって、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段を備えている。この変位検出装置１００Ｄでは、上記光路長調整手段によって、第１の光束Ｌ１の光路長と第２の光束Ｌ２の光路長を調整することで、被測定部材１が積層された反射面であっても、各層の境界面からの第１の光束Ｌ１に光路長を調整して、測定対象の境界面を選択して検出することができる。

そして、この変位検出装置１００Ｄでは、被測定部材１の被測定面１ａ及び反射鏡１８により反射されて透過型の回折格子１５Ｃを介して偏光ビームスプリッタ１２に戻ってきた重ね合わせされた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を相対位置検出部２０の受光部２０Ａで受光することにより、上記変位検出装置１００と同様に、上記受光部２０Ａにより得られる光検出出力に基づいて上記被測定面１ａの上記測定方向Ｚの相対位置情報を相対位置情報出力部２０Ｂから出力する。

ここで、この変位検出装置１００Ｄにおいて、透過型の回折格子１５Ｃは、被測定部材１の被測定面１ａに対して略垂直に配置されており、図１３に示すように、被測定面１ａにおける第１の照射スポットＰｃ１に入射角θ１で入射した第１の光束Ｌ１が入射角π／２−θ１で入射される。また、第１の光束Ｌ１は、戻り用反射鏡ブロック１９の第１の反射面１９Ａにより反射されて被測定部材１の被測定面１ａにおける第２の照射スポットＰｄ１に入射角θ２で入射される。

また、回折格子１５Ｃの格子ピッチΛは、回折角が回折格子１５Ｃへの入射角とほぼ等しくなるように設定されることが好ましい。すなわち、回折格子１５Ｃの格子ピッチΛは、上述したように偏光ビームスプリッタ１２により分割された第１の光束Ｌ１が入射される被測定部材１の被測定面１ａ上の第１の照射スポットＰｃ１における入射角をθ１、第２の照射スポットＰｃ２における入射角をθ２、波長λとすると、次の式２を満たす。

Λ＝ｎλ／（ｓｉｎ（π／２−θ１）＋ｓｉｎ（π／２−θ２）） ・・・式２

なお、ｎは、正の次数である。

回折格子１５Ｃへの入射角と回折角が等しくなる場合、第１の照射スポットＰｃ１と第２の照射スポットＰｄ１は、回折格子１５Ｃに対して対称に構成することができる。そして、式２は、次の式３にて示すことができる。

２Λｓｉｎθ＝ｎλ ・・・式３

なお、θは、回折格子１５Ｃの入射角及び回折角である。

すなわち、ブラッグ条件を満たすことができ、回折格子１５Ｃによって回折される回折光を強めることが可能となる。

また、角度θ２で被測定部材１の被測定面１ａに入射した第１の光束Ｌ１は、被測定部材１の被測定面１ａにより反射され、戻り用反射鏡ブロック１９の第１の反射面１９Ａに入射し、この第１の反射面１９Ａで反射されて、行きと同じ光路をたどり、再び被測定部材１の被測定面１ａの第２の照射スポットＰｄ１に入射角θ２で入射される。

さらに、被測定部材１の被測定面１ａによって反射した第１の光束Ｌ１は、回折格子１５Ｃに角度π／２−θ２で再び入射される。なお、第１の光束Ｌ１における２回目の回折は、式１の条件により回折角π／２−θ１で回折される。そして、回折格子１５Ｃによって回折された第１の光束Ｌ１は、再び被測定部材１の被測定面１ａの第１の照射スポットＰｃ１に入射角θ１で入射される。そのため、被測定部材１の被測定面１ａによって反射された戻りの第１の光束Ｌ１の光路が、偏光ビームスプリッタ１２によって分割された行きの第１の光束Ｌ１の光路と重なり合う。

また、被測定部材１の被測定面１ａが高さ方向にｚ／２だけ移動すると、被測定部材１の被測定面１ａに照射される第１の光束Ｌ１は、第１の照射スポットＰｃ１から第１の照射スポットＰｃ２に移動する。また、被測定部材１の被測定面１ａにおける第１の照射スポットＰｃ１，Ｐｃ２で反射された第１の光束Ｌ１は、回折格子１５Ｃの回折位置Ｔ１から回折位置Ｔ２に移動する。さらに、回折格子１５Ｃによって１回目の回折が行われた第１の光束Ｌ１は、被測定部材１の被測定面１ａにおける第２の照射スポットＰｄ１から第２の照射スポットＰｄ２に移動する。

ここで、回折格子１５Ｃは、被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角に配置されており、回折位置Ｔ１と回折位置Ｔ２の間隔は、第１の照射スポットＰｃ１と第１の照射スポットＰｃ２の間隔の２倍のｚとなる。すなわち、回折格子１５Ｃ上を移動する第１の光束Ｌ１の移動量は、被測定部材１を移動した際の４倍の４ｚとなる。

また、回折格子１５Ｃが被測定部材１の被測定面１ａに対して略直角に配置されており、第１の光束Ｌ１の光路長は、被測定部材１が高さ方向に変位しても、常に一定となる。すなわち、第１の光束Ｌ１の波長は、変化しない。そして、被測定部材１が高さ方向に変位すると、回折格子１５Ｃに入射する位置だけが変化する。

なお、第２の反射鏡１７に照射された第２の光束Ｌ２においても、第１の光束Ｌ１と同様であるため、その説明は省略する。

この変位検出装置１００Ｄでは、第１の光束Ｌ１を２回回折している。そのため、２回回折された第１の光束Ｌ１には、２Ｋｚの位相が加わる。Ｋは、２π／Λで示される波数である。また、ｚは、回折格子１５Ｃ上における第１の光束Ｌ１の移動量を示している。つまり、被測定部材１が高さ方向に対してｚ／２だけ移動すると、第１の光束Ｌ１は回折格子１５Ｃ上では４倍の２ｚだけ移動する。さらに、２回回折することで、第１の光束Ｌ１には、２Ｋｚの位相が加わり、２周期分の光の明暗が生じる干渉光が相対位置検出部２０の受光部２０Ａによって受光される。

すなわち、上記受光部２０Ａの第１の受光素子２６と第２の受光素子２７では、Ａｃｏｓ（２Ｋｚ＋δ）の干渉信号を得ることができる。また、第３の受光素子２８と第４の受光素子２９では、Ａｃｏｓ（２Ｋｚ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。

よって、この変位検出装置１００Ｄでは、回折格子１５Ｃの格子ピッチと上述の変位検出装置１００における回折格子１５の格子ピッチが同じ場合、上記変位検出装置１００よりも４倍の分解能とすることができる。

例えば、回折格子１５Ｃの格子ピッチΛを０．５５１５μｍ、波長λを７８０ｎｍ、回折格子１４Ｃの入射角及び回折角を４５°に設定したとき、被測定部材１の被測定面１ａを高さ方向に０．５５１５μｍだけ移動した場合、第１の光束Ｌ１は、回折格子１４Ｃ上を０．５５１５μｍの４倍、すなわち４ピッチ分移動する。さらに、第１の光束Ｌ１は、２回回折されるため、４回の光の明暗を相対位置検出部２０の受光部２０Ａによって得ることができる。すなわち、得られる信号の１周期は、０．５５１５μｍ／８＝０．０６８９３８μｍとなる。

また、この変位検出装置１００Ｄでは、一台の光学系で第１の光束Ｌ１を被測定部材１の被測定面１ａにおける第１の照射スポットＰｃ１と第２の照射スポットＰｄ１の２箇所に照射しているので、１台の光学系で、測定ポイントをキャンセルすることができる。

さらに、上述したような構成にすることで、被測定部材１の被測定面１ａがチルトしても、第１の照射スポットＰｃ１に照射するときと第２の照射スポットＰｄ１に照射するときによってチルトを打ち消すことができる。そのため、第１の光束Ｌ１の光路長に変化が生じ難くなり、第１の光束Ｌ１の光路長と、第２の光束Ｌ２の光路長との差を小さくすることができる。

このような構成の変位検出装置１００Ｄでは、可動部１８Ｃにより戻り用反射鏡ブロック１９を被測定部材１の被測定面１ａの測定方向Ｚに移動させる光路長調整手段によって、第１の光束Ｌ１の光路長と第２の光束Ｌ２の光路長を調整することで、被測定部材１が積層された反射面であっても、各層の境界面からの第１の光束Ｌ１に光路長を調整して、測定対象の境界面を選択してＬ２＝Ｌ１の条件が成立する被測定面１ａを検出することができ、しかも、透過型の回折格子１５に入射される被測定部材１の被測定面１ａによって反射された第１の光束Ｌ１を反射して上記被測定部材１の被測定面１ａに再度入射させる第１の反射部として機能する第１の反射ミラー１４Ａ，１４Ｂを備えることにより、上記被測定部材１の被測定面１ａの高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。

ここで、上記変位検出装置１００Ｄにおいても、第１の反射部として機能する第１の反射ミラー１４Ａ，１４Ｂにより、第１の光束Ｌ１を１回だけ反射して被測定部材１の被測定面１ａに再入射させるようにしたが、上記被測定部材１の被測定面１ａとの間で上記第１の光束Ｌ１を２回以上反射させて上記被測定部材１の被測定面１ａに複数回再入射させることにより、さらに高い分解能で上記被測定部材１の被測定面１ａの高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 被測定部材、１ａ 被測定面、２ 基板、３ 反射膜、１０ 光源、１１ レンズ、１２ 偏光ビームスプリッタ１、１３，１６ 位相板、１４，１４Ａ，１４Ｂ 第１の反射鏡、１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ 回折格子、１７ 第２の反射鏡、１８ａ 光路長調整プリズム、１８ｂ，１８Ａ、１８Ｂ，１８Ｃ 可動部、１９ 戻り用反射鏡ブロック、１９Ａ，１９Ｂ 反射面、２０ 相対位置検出部、２０Ａ 受光部、２０Ｂ 相対位置情報出力部、２１ 集光レンズ、２２ ハーフミラー、２３，２５ 偏光ビームスプリッタ、２４、２２３ 位相板、２６〜２９ 受光素子、６１ａ，６１ｂ 差動増幅器、６２ａ，６２ｂ 第１のＡ／Ｄ変換器、６３ 波形補正処理部、６４ インクリメンタル信号発生器、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ， 変位検出装置

Claims (4)

1. 測定光を出射する光源と、
   上記光源から出射された測定光を被測定部材に入射させる物体光となる第１の光束と、参照光となる第２の光束に分割する光束分割部と、
   上記光束分割部によって分割され、かつ上記被測定部材の被測定面によって反射された上記第１の光束を回折し、回折した上記第１の光束を再び前記被測定部材の被測定面に入射させる回折格子と、
   上記回折格子に入射される上記被測定部材の被測定面によって反射された上記第１の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させる第１の反射部と、
   上記光束分割部によって分割された上記第２の光束を反射する第２の反射部と、
   上記回折格子によって回折され、かつ上記被測定面によって再び反射された上記第１の光束と、上記第２の反射部によって反射された上記第２の光束を重ね合わせる光束結合部と、
   上記光束結合部により重ね合わされた上記第１の光束及び上記第２の光束の干渉光を受光する受光部と、
   上記受光部により受光した干渉光強度に基づいて上記被測定面の高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力手段と、
   を備えた変位検出装置。
2. 上記回折格子は、上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第１の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に戻す反射型の回折格子からなり、上記第１の反射部により反射されて上記被測定部材の被測定面に再び入射された上記第１の光束が上記被測定部材の被測定面により反射されて入射されることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
3. 上記回折格子は、上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第１の光束を透過させる透過型の回折格子からなり、
   上記透過型の回折格子を透過し上記被測定部材の被測定面により反射されて入射される上記第１の光束を反射して上記が上記被測定部材の被測定面に戻す第３の反射部を備え、
   上記第１の反射部は、上記回折格子を透過させる上記第１の光束の光路中の上記回折格子の前後に設けられ、上記光束分割部によって分割されて上記被測定部材の被測定面に入射されて反射された上記第１の光束と、上記第３の反射部により反射されて上記被測定部材の被測定面に戻され該被測定部材の被測定面により反射された上記第１の光束を反射して上記被測定部材の被測定面に再度入射させることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
4. 上記第１の反射部は、上記被測定部材の被測定面との間で上記第１の光束を複数回反射することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の変位検出装置。